1.3 XPS系统硬件构成
当前商业化XPS设备供应商主要有三个厂家，图1.7列出了几款常见的XPS型号，从左到右依次为PHIQuanteraⅡ、ESCALAB Xi+、AXIS SUPRA+、PHIVersaProbe 4。XPS技术发展日新月异，从大面积分析能力到微区定位分析，从静态X射线源定点测试到扫描聚焦X射线源多点分析，从软X射线源到硬X射线源，系统都在不断更迭换代。
图1.7 各厂商不同型号XPS系统
进行XPS测试需要用X射线照射样品，并对样品表面产生的光电子的能量进行分析。因此，一台XPS谱仪一般由超高真空系统、激发源（X射线光源）系统、进样系统、电子能量分析器、检测器和数据采集系统等组成（图1.8），也可以同时选配其他功能附件，如紫外光电子能谱附件（UPS）、氩气团簇离子源（GCIB）、冷热样品台、俄歇电子枪附件、反光电子能谱附件（IPES）等实现多种功能联用，如图1.9所示。主要部件介绍如下。
图1.8 XPS系统的基本组成（ULVAC-PHIXPS系统为例）
图1.9 XPS多功能平台系统（ULVAC-PHIXPS系统为例）
1.超高真空系统
超高真空系统是进行现代表面分析及研究的主要部分。谱仪的激发源、进样系统、分析器、检测器等都应安装在超高真空中。对真空系统的要求是高抽速、高真空度、耐烘烤、无磁性、无振动。通常超高真空系统的真空腔室由不锈钢制成，测试时，真空度优于10-6 Pa。
为什么XPS测试必须要保持高真空度？首先，低能光电子很容易被分析室中残余的气体分子所散射，使得信号减弱，所以，只有在高真空下减小残余气体分子的浓度，低能光电子才能获得足够长的平均自由程，而不被散射损失掉。其次，表面分析技术本身要求的表面灵敏性也必须在超高真空环境中进行。在10-6 mbar真空下，大约每1 s就会有一个单层的气体吸附在固体表面，远远短于XPS谱图采集的时间，因此，需要在分析过程中维持超高真空环境来保持样品表面的清洁。
超高真空系统一般由多级组合泵来获得。常见的泵体组合有：机械泵+涡轮分子泵+离子泵；吸附泵+离子泵；机械泵+扩散泵；低温泵+离子泵等。这几种组合各有优缺点。现代XPS能谱仪中通常使用的是涡轮分子泵和离子泵，涡轮分子泵尤其适用于大量惰性气体的抽除，离子泵常作为辅助泵，以便快速达到所需要的真空度。XPS能谱仪的真空其前级由机械泵和分子泵维持，分析室则由分子泵和（或）离子泵及钛升华泵维持，这样的组合可使分析室中真空度优于10-8 Pa。超高真空腔室和相关的抽气管道等通常由不锈钢材料制成，相互连接处通过具有刀口的法兰和铜垫圈来密封。
2.X射线源系统
常用的X射线源可选种类见表1.1。
表1.1 常用X射线源基本参数和特点
续表
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X射线的自然宽度对XPS谱仪的分辨率影响很大，使用单色化的X射线源可大大减小X射线的谱线宽度，通过石英晶体衍射并聚焦的方式可消除干扰的X射线卫星峰和韧致辐射来实现X射线的单色化。使用LaB6电子枪可提高单色化XPS灵敏度，显著提高仪器的能量分辨率。单色化X射线源系统主要由电子枪、阳极靶、石英单色器等组成，单色化后X射线线宽减小，所采集的图谱能量分辨提高，卫星峰减少（图1.10）。
图1.10 单色化X射线源
（a）系统主要组成；（b）单色化源线宽对比示意图
3.半球形能量分析器（HSA和CHA）
半球形能量分析器（HSA），也称为同心半球形分析仪（CHA）或球扇形分析仪（SSA），由一对同心半球形电极组成，电极之间有一个电子通道。样品和分析仪之间通常有一组透镜（传输透镜），用于收集、传输和减速电子等。电子从样品出射时，动能通常太大，分析仪无法正常分辨，因此，电子需要先被减速再进入能量分析仪。图1.11所示的示意图为常规XPS的HSA配置。在两个半球之间施加电位差，外半球相对内半球为负电压。
图1.11 半球形能量分析器结构示意图
能量分析器是能谱仪的核心部件，用于在满足一定能量分辨率、角分辨率和灵敏度的要求下，分析出某能量范围的电子，测量样品表面出射的电子能量分布。能量分析器的三个主要指标为能量分辨能力、检测灵敏度和电子传输性能。
半球形静电能量分析器的内外半球半径分别为R1和R2，在两个半球上施加电位差。当被测电子以能量E0进入能量分析器的入口后，在两个同心球面上通过控制电压使电子偏转，从而在出口处的检测器上聚焦，示意图如图1.12所示。通过分析器平均路径的电势为：
图1.12 半球形能量分析器结构示意图
动能为V0的电子将沿半径为R0的圆形轨道运行。由于R0、R1和R2是固定的，改变V1和V2将可扫描沿半球平均路径运动的电子的动能。半球形分析器由于球对称性，其具有二维汇聚作用，因而传输效率很高。为进一步提高分析器性能，常在分析器前加预减速透镜。采用预减速透镜的谱仪有两种不同的工作模式：固定分析器能量模式（CAE）和固定减速比模式（CRR）。CAE模式即固定分析器偏转聚焦电压而只扫描透镜电压，进入能量分析器的电子减速至某固定动能，称为通过能E0，它具有对全部能量范围有恒定的能量分辨率的优点。
这里s是狭缝宽度。减小通过能或增加R0可以增加能量分辨率。典型的分析器半峰宽（半高宽／FWHM）＝0.1～1.0 eV。
对于CAE模式，仪器的灵敏度（或称传输率）T∝Es-1，即与电子的初始动能Es成反比，使得在低能端灵敏度增加。采用CRR模式时，电子透镜和分析器同步扫描，CRR模式使信号电子在进入分析器前被减速到它原始动能的固定百分比，因此，谱仪的分辨率与信号电子的能量成比例。对于CRR模式，仪器的灵敏度T∝E∝Es，这里Es和E分别是减速前后信号电子的动能。对于俄歇电子能谱仪（AES），因其与XPS的测试需求不同，XPS以提高谱的能量分辨率为主，所以XPS一般采用CAE模式；AES以提高灵敏度为主，故AES常采用CRR模式。