二級泵極限真空課件

第4章電子能譜儀構(gòu)造電子能譜儀的一般構(gòu)造超高真空系統(tǒng)(UHV)激發(fā)源電子能量分析器與檢測器樣品的制備和處理數(shù)據(jù)系統(tǒng)常用附件（中和槍與離子槍）第4章電子能譜儀構(gòu)造電子能譜儀的一般構(gòu)造4.1、電子能譜儀的一般構(gòu)造電子能譜儀一般由超高真空系統(tǒng)、激發(fā)源（X射線光源、UV光源、電子槍）、電子能量分析器、檢測器和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以及其它附件等構(gòu)成?，F(xiàn)以Thermo-VG公司生產(chǎn)的ESCALAB250Xi高性能電子能譜儀為例，說明其主要儀器結(jié)構(gòu)。4.1、電子能譜儀的一般構(gòu)造電子能譜儀一般由超高真空系統(tǒng)、激電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖(Instrumentation)電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖(Instrumenta電子能譜儀主機(jī)結(jié)構(gòu)圖電子能譜儀主機(jī)結(jié)構(gòu)圖4.2、超高真空系統(tǒng)(UHV)超高真空系統(tǒng)是進(jìn)行現(xiàn)代表面分析及研究的主要部分。譜儀的光源等激發(fā)源、樣品室、分析室及探測器等都應(yīng)安裝在超高真空中。對真空系統(tǒng)的要求是高的抽速，真空度盡可能高，耐烘烤，無磁性，無振動(dòng)等。通常超高真空系統(tǒng)真空室由不銹鋼材料制成，真空度優(yōu)于5×10-10mbar?，F(xiàn)在所有商業(yè)電子能譜儀都工作在10-8~10-10mbar的超高真空范圍下。超高真空系統(tǒng)一般由多級組合泵來獲得。ESCALAB250Xi電子能譜儀的真空系統(tǒng)主要靠磁浮渦輪分子泵來獲得，其前級由機(jī)械泵維持，另外在分析室還可加裝一離子泵和鈦升華泵，這樣在樣品分析室中真空度可優(yōu)于1×10-10mbar。鈦升華泵都常作為輔助泵以便快速達(dá)到所需要的真空度。超高真空室和相關(guān)的抽氣管道等通常用不銹鋼材料來制成，相互連接處使用具有刀口的法蘭和銅墊圈來密封。樣品分析室和能量分析器更用Mu金屬（高磁導(dǎo)率材料Ni77Fe16Cu5Cr2或Mo2）制造。4.2、超高真空系統(tǒng)(UHV)超高真空系統(tǒng)是進(jìn)行現(xiàn)代表面分析4.2.1、超高真空的必要性為什么必需要采用超高真空呢？首先，要分析的低能電子信號很容易被殘余氣體分子所散射，使得譜的總信號減弱，所以必須要真空技術(shù)來減小殘余氣體分子的濃度，只有在超高真空條件下，低能電子才能獲得足夠長的平均自由程，而不被散射損失掉。其次，更為重要的是超高真空環(huán)境是表面分析技術(shù)本身的表面靈敏性所必須的。在10-6mbar高真空下，大約1秒鐘就會(huì)有一個(gè)單層的氣體吸附在固體表面，這與典型的譜圖采集時(shí)間相比就太短了。顯然在分析過程中就需要超高真空環(huán)境來保持樣品表面的清潔。表面靈敏分析技術(shù)對樣品表面清潔度的要求比其它分析技術(shù)要高得多。對表面雜質(zhì)來講當(dāng)前表面分析方法的檢測限約為0.1%單層，但有時(shí)很小的雜質(zhì)濃度也會(huì)引起可觀的影響。因此清潔表面的制備和維持是十分必要的。表面分析需要在超高真空中(UHV)進(jìn)行，才能保證表面不會(huì)在分析過程中被污染。超高真空的性質(zhì)： 氣壓p=10-8–10-11torr.平均自由程=~104–107m.單層形成時(shí)間t=~102–105s4.2.1、超高真空的必要性為什么必需要采用超高真空呢？WhyUHVforSurfaceAnalysis?Removeadsorbedgasesfromthesample.Eliminateadsorptionofcontaminantsonthesample.Preventarcingandhighvoltagebreakdown.Increasethemeanfreepathforelectrons,ionsandphotons.真空度10101010102-1-4-8-11LowVacuumMediumVacuumHighVacuumUltra-HighVacuum壓強(qiáng)TorrWhyUHVforSurfaceAnalysis?R4.2.2、真空(Vacuum)的產(chǎn)生

Pumpp(torr)Rotaryvane/Mechanical機(jī)械泵1000-10-3SorptionOF吸附泵1000-10-3Oilvapordiffusion*擴(kuò)散泵10-3-10-10Turbomolecular*(OF)分子泵10-3-10-10Sputter/IonOF離子泵10-4-10-11Sublimation/GetterOF升華泵10-8-10-11

常用真空泵及其工作范圍:*需要前級真空泵

OF"clean"

真空通常使用各種類型的真空泵及其組合來產(chǎn)生。4.2.2、真空(Vacuum)的產(chǎn)生Pumpp(tor真空泵的工作范圍

RotaryvanemechanicalpumpDrymechanicalpumpTisublimationpumpIonpumpTurbomolecularpumpVapourjet(diffusion)pumpUltrahighvacuumhighvacuumRoughvacuum10-1210-1010-810-6 10-4 10-2110+2Pressure(mbar)真空泵的工作范圍Rotaryvanemechanica旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵(初級泵)粗抽/前級真空泵(backingpump)極限真空：1x10-3mbar去除真空室中的大量氣體保持高真空泵前級到可接受的壓力水平Operation(fourstages):InductionIsolationCompressionExhaust旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵(初級泵)粗抽/前級真空泵(backingp分子泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarOperatesasanaxialflowcompressor-similartoajetengineFastpumpdownspeedsRotorStatorRotorStatorOperation:Setofmovingblades,separatedbyasetofstationaryblades,rotateathighspeed(upto60,000rev/min)BladespeedsapproachmoleculespeedsPumpingduetotheinteractionofamoleculewithamovingsurfaceIncidentmoleculeMoleculeleavingsurfaceMovingsurface分子泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarRoto擴(kuò)散泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarHighpumpingspeedsforallgasesLowcostperunitpumpingspeedHeaterRisingoilvapourOilvapourjetOperation:HotoilvapourescapesfromjetnozzlesVapourjetmovesatsupersonicspeedsandimpingesontheinsideofthecooledouterwallGasmoleculesdiffusingintothepumpcollidewiththeheavieroilvapourmoleculesandarepushedtowardstheexhaustofthepump擴(kuò)散泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarHeate離子泵極限真空：5x10-11mbar較長壽命無有機(jī)污染和震動(dòng)Powersupply(-)(+)ElectronsourceCathodeAnode(-)(+)Operation:ElectricdischargeinelectricandmagneticfieldsIonbombardmentofthecathodeDepositionofchemicallyreactiveTifilmActivegasescombinewithfilm.Inertgasesremovedbyionisation離子泵極限真空：5x10-11mbarPowersupp鈦升華泵(三級泵)極限真空：1x10-11mbar選擇性抽氣–不能抽氦、氬等惰性氣體低壓下有非常高的抽氣速率有限壽命HeN2H2OH2TiOperation:ReliesonthesublimationofaTisourceontoacondensersurfaceResistance-heatingtitaniumfilamentsTitaniumwillevaporateontothechamberwallsDepositedactivefilmofthemetalisthenavailabletogetterablegasmolecules,suchasoxygen,nitrogen,andwater鈦升華泵(三級泵)極限真空：1x10-11mbarHeN干泵ScrollPump:RoughingorbackingpumpDry-nooilinvacuumportionofpumpPreventsthebackstreamingofoilandparticulatecontaminationintothesystemMagneticallyLevitatedTurboPump:Ultra-highvacuumpumpOilfree-usessetsofmagneticbearingsasopposedtogreasedbearingsfoundonconventionalturbopumpsLowmaintenance-IncreasedlifetimeandreliabiltyLowvibration干泵ScrollPump:MagneticallyLev各類真空泵的比較ADVANTAGESTYPEDISADVANTAGESRoughpumpsLowcostLongpumplifetimeLowultimatepressureRotaryVaneBackstreamsoilUsessyntheticoilCanproducehazardouswasteCleanLow‘dry’ultimatepressureScrollPermeabletosmallgasesCleanapplicationsonlyHigh/Ultra-highvacuumpumpsLowcostNomovingpartsLowmaintenanceDiffusionBackstreamsoilNopressuretoleranceRequirescoldtrapContinuouspumpingCleanTurboMechanicalbearingVibrationHighpressureCostCleanNomovingpartsNeedsnoattention!IonLowthroughputNopressuretoleranceFinitelifetimeCleanLowvibrationLowultimatepressureMagneticlevitatedturboCostMechanicalparts各類真空泵的比較ADVANTAGESTYPEDISADVAN真空泵組合（Pumpcombinations）粗真空（RV）高真空（HV）超高真空（UHV）機(jī)械泵機(jī)械泵低溫泵擴(kuò)散泵干泵離子泵Ti升華泵干泵干泵低溫泵機(jī)械泵分子渦輪泵離子泵Ti升華泵干泵分子渦輪泵機(jī)械泵磁懸浮渦輪泵Ti升華泵真空泵組合（Pumpcombinations）粗真空（RV4.2.3、真空的測量常用真空計(jì)(gauges)及其適用范圍:CapacitormanometerPiraniThermocouplePenningIonizationPressure(mbar)100010-310-610-91測量單位: Torr(USA) 1Torr≈133Pa mbar(Europe) 1mbar=100Pa Pascal(ISO)

真空計(jì)真空p(mbar)Pirani

真空計(jì)~102to10-3B-A電離真空計(jì)~10-3to10-11冷陰極電離真空計(jì)1x10-2

to5x10-11MassspectrometerG~10-4to10-144.2.3、真空的測量常用真空計(jì)(gauges)及其適用范圍Pirani真空計(jì)適用范圍:ATM-10-5mbar堅(jiān)固耐用操作簡單FilamentWheatstonebridgeOperation:GaugeheadcontainsaheatedfinewirefilamentAthighpressure,gasmoleculesfrequentlycollidewiththefilamenttakingheatawayfromthefilamentAtreducedpressure,fewermoleculesresultinfewercollisions,lessheatisremovedfromthefilament–electricalresistanceofwirechangesChangingcurrentisthemeasureofgaspressurePirani真空計(jì)適用范圍:ATM-10-5mba電離真空計(jì)(Ionizationgauge)適用范圍：10-3-10-11mbar精確度高（Goodaccuracy）易損壞（Fragile）可測到很低的氣壓FilamentGridCollectorOperation:Aheatedfilamentprovideselectronsforionization–thermonicemissionThefreeelectronsaredrawntothegridatpositivevoltageAnygasmoleculesareionizedbythefreeelectronsIonsproducedbyionizationareattractedtowardsathirdelectrode–thecollectorTheresultingionizationcurrentformedisameasureofthegasdensity電離真空計(jì)(Ionizationgauge)適用范圍：104.3、激發(fā)源電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真空紫外燈和電子槍。商品譜儀中將這些激發(fā)源組裝在同一個(gè)樣品室中，成為一個(gè)多種功能的綜合能譜儀。4.3、激發(fā)源電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真4.3.

1、X射線光源(1)、常規(guī)雙陽極X射線源在XPS中用來產(chǎn)生X射線的裝置。X射線源主要由燈絲、陽極靶及濾窗組成。常用的有Mg/Al雙陽極X射線源，其產(chǎn)生的X射線特征輻射為：

MgKh=1253.6eVE=0.7eV

AlKh=1486.6eVE=0.85eV采用雙陽極提高了分析工作的靈活性為測試帶來許多方便。X射線源前端的濾窗常用鋁箔或鈹箔材料制成。濾窗可防止陰極燈絲發(fā)射出的電子直接混入到能量分析器中而使譜線本底增高；防止由X射線源發(fā)射出的輻射而使樣品加熱；防止陽極產(chǎn)生的韌致輻射使信背比變差。此外，對樣品進(jìn)行濺射時(shí)也可防止污染陽極表面。4.3.1、X射線光源(1)、常規(guī)雙陽極X射線源表3-1：不同X射線源的能量及其線寬

射

線能量(eV)FWHM(eV)射線能量(eV)FWHM(eV)YMζ132.30.47MgKα1253.60.7ZrMζ151.40.77AlKα1486.60.85NbMζ171.41.21SiKα1739.51.0MoMζ192.31.53YLα1922.61.5TiLα395.33.0ZrLα2042.41.7CrLα572.83.0AgLα2984.42.6NiLα851.52.5TiKα4510.02.0CuLα929.73.8CrKα5417.02.1NaKα1041.00.4CuKα8048.02.6不同材料的陽極靶的能量與半高寬(FWHM)差異極大。靶材料的自然線寬直接影響分辨率。表3-1：不同X射線源的能量及其線寬射線能量(eV)F(2)、單色化X射線源

X射線的自然寬度對譜儀的分辨率影響很大，為了提高譜儀的分辨率就要使X射線單色化，大大減小X射線的譜線寬度。X射線的單色性越高，譜儀的能量分辨率也越高。利用表面橢球狀彎曲的石英晶體的(1010)面沿Bragg反射方向衍射后并聚焦的方式便可使X射線單色化。先進(jìn)的微聚焦X-射線單色器還可以快速高靈敏地分析微小特征。ESCALAB250

使用雙晶體微聚焦X-射線單色器，并使用了LaB6電子槍提高單色化XPS靈敏度，大大提高能量分辨率。此外還可以數(shù)字化控制改變X束斑大小，實(shí)現(xiàn)高能量分辨率下的高靈敏度快速分析。單色化后AlKa的譜線半高寬減小到0.2eV(2)、單色化X射線源X射線的自然寬度對譜儀的分辨率影響很石英晶體單色器衍射級數(shù)X射線能量(eV)1AlKa1486.62AgLa2984.33TiKa4510.0單色化X射線線寬越窄，XPS譜分辨越高，可得到更好的化學(xué)態(tài)信息去除X射線衛(wèi)星峰和韌致輻射產(chǎn)生的連續(xù)背景可避免熱輻射導(dǎo)致的損傷可將X射線聚焦成小束斑，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的小面積XPS測量。石英晶體單色器衍射級數(shù)X射線能量(eV)1AlKa1486.二級泵極限真空課件4.3.2、紫外光源紫外光電子能譜儀中使用的高強(qiáng)度單色紫外線源常用稀有氣體的放電共振燈提供。常用氦氣放電共振燈

HeIhn=21.2eV

HeIIhn=40.8eV紫外燈小束斑(~1.5mm)高光通量(1.5x1012

光子/秒)兩極差分抽氣4.3.2、紫外光源紫外光電子能譜儀中使用的高強(qiáng)度單色紫外線4.3.3、同步輻射光源由同步輻射加速器產(chǎn)生，它是一種十分理想的激發(fā)光源，可提供能量連續(xù)可調(diào)(10eV10keV)的同步輻射偏振光，自然線寬僅0.2eV，并且輻射強(qiáng)度高（高光通量），它填補(bǔ)了X射線和紫外光的波段，對價(jià)帶及內(nèi)層能級的電子都有效且性能優(yōu)越。但專用的同步輻射加速器造價(jià)昂貴，不宜普及使用。4.3.3、同步輻射光源由同步輻射加速器產(chǎn)生，它是一種十分理4.3.4、電子源（槍）作為俄歇電子能譜(AES)激發(fā)源的電子槍，要求具有良好的空間分辨率和足夠高的電子強(qiáng)度?，F(xiàn)代頂級的俄歇電子能譜其空間分辨已<10nm。電子槍的關(guān)鍵部件是電子源和用于電子束聚焦、整形和掃描的透鏡組件。電子源可用熱電離發(fā)射或場發(fā)射。兩種常用類型：熱電離發(fā)射和場發(fā)射。熱電離發(fā)射是基于在高溫下金屬中電子能量的玻耳茲曼分布，小部分電子具有足夠能量克服功函數(shù)而逸出。典型的熱燈絲材料包括：W,W(Ir)或LaB6–低功函數(shù)。場發(fā)射槍(FEG)：使用大電場梯度通過隧道效應(yīng)發(fā)射電子，發(fā)射材料做成針尖形狀以達(dá)到最好的電子通量和束徑。在此兩種類型中都使用靜電透鏡來操縱電子束–吸出，準(zhǔn)直，聚焦和掃描(偏轉(zhuǎn)板)。典型的W燈絲可達(dá)到1m的最小束徑；LaB6和FEG可得到20nm直徑的最小束斑，但束能必須達(dá)到20~30keV。4.3.4、電子源（槍）作為俄歇電子能譜(AES)激發(fā)源的電4.4、電子能量分析器與檢測器能量分析器用于在滿足一定能量分辨率，角分辨率和靈敏度的要求下，析出某能量范圍的電子，測量樣品表面出射的電子能量分布。它是電子能譜儀的核心部件。分辨能力，靈敏度和傳輸性能是它的三個(gè)主要指標(biāo)。常用的靜電偏轉(zhuǎn)型分析器有半球扇型分析器(CHA或HSA)和筒鏡型分析器(CMA)兩種。半球型分析器：多用在XPS、UPS系統(tǒng)及多功能系統(tǒng)筒鏡型分析器：多用在獨(dú)立AES系統(tǒng)4.4、電子能量分析器與檢測器能量分析器用于在滿足一定能量分4.4.1、半球扇型分析器(HSA、CHA)原理：對應(yīng)于同心半球內(nèi)外二面的電位差值，只允許一種能量的電子通過，連續(xù)改變二面間的電勢差值，就可以對電子動(dòng)能進(jìn)行掃描，獲得電子強(qiáng)度與電子動(dòng)能的關(guān)系-即能譜圖。優(yōu)點(diǎn)：具有雙聚焦特點(diǎn)，透過率和分辨率都很高，加減速電場比較容易實(shí)現(xiàn)。在電子收集端，可采用單通道和多通道電子倍增器，以提高分析速度。4.4.1、半球扇型分析器(HSA、CHA)原理：對應(yīng)于同心半球扇型分析器(HSA、CHA)

半球面靜電能量分析器由內(nèi)外半球組成，半徑分別為R1和R2，在兩半球上加上負(fù)電位。當(dāng)被測電子以能量E0進(jìn)入能量分析器的入口后，在兩個(gè)同心球面上加控制電壓后使電子偏轉(zhuǎn)，在出口處的檢測器上聚焦。動(dòng)能為

E0=V.q.H的電子將沿半徑為R0的圓形軌道行進(jìn)。H為幾何常數(shù),

1/H=(R2/R1–R1/R2)

由于R0,R1和R2是固定的，改變V1和V2將可掃描沿半球平均路徑運(yùn)動(dòng)的電子的動(dòng)能。半球面分析器由于球?qū)ΨQ性，它有兩維會(huì)聚作用，因而透射率和分辨率很高。半球扇型分析器(HSA、CHA)半球面靜電能量分析器由內(nèi)外能量分辨率依賴于分析器幾何參數(shù)和入射電子的角偏向。這里w為入口和出口狹縫的平均寬度，a是引入電子的入射角。雖然低通過能可改善分辨率，但電子傳輸率在低能時(shí)會(huì)減小，并信噪比從而惡化。一般的能量分析器能量增寬引起的極限能量分辨在FWHM=0.25eV量級。能量分辨率依賴于分析器幾何參數(shù)和入射電子的角偏向。預(yù)減速透鏡為進(jìn)一步提高分析器性能，常在分析器前加一多級預(yù)減速透鏡。采用了預(yù)減速透鏡后，譜儀有兩種不同的工作模式：固定分析器能量(CAE)和固定減速比(CRR)。CAE模式固定分析器偏轉(zhuǎn)聚焦電壓而掃描透鏡電壓，減速進(jìn)入能量分析器的電子到一固定的動(dòng)能，稱為通過能E0，所以它具有對全部能量范圍有恒定的分辨率的優(yōu)點(diǎn)。預(yù)減速透鏡為進(jìn)一步提高分析器性能，常在分析器前加一多級預(yù)減速二級泵極限真空課件4.4.2、筒鏡型分析器(CMA)CMA較CHA具有較大的傳輸率。傳輸率定義為發(fā)射的與檢測到的俄歇電子之比。由于俄歇峰通常比光電發(fā)射峰寬，因而并不需要高分辨分析器(CHA)，需要高的(角)收集效率和較大傳輸率。獨(dú)立的俄歇能譜儀常用筒鏡分析器(CylindricalMirrorAnalyzer)。柱鏡分析器特性：大接收角（2p）,傳輸效率高通常包含集成電子槍通過改變內(nèi)外柱上的電位來進(jìn)行掃描俄歇電子能量一般CMA沒有前減速裝置使俄歇電子減速到固定能量，所以分析器分辨率隨電子動(dòng)能而變。4.4.2、筒鏡型分析器(CMA)CMA較CHA具有較大的傳4.4.3、檢測器由于電子能譜檢測的電子流非常弱，一般在10-1110-8A，現(xiàn)在商品儀器一般采用電子倍增器來測量電子的數(shù)目。電子倍增器主要有兩種類型：通道電子倍增器(CEM)和多通道板(MCP)。通道電子倍增器由一端具有錐形收集開口另一端為金屬陽極的螺旋形玻璃管構(gòu)成，其內(nèi)壁涂有高電子發(fā)射率的材料(PbO-SiO2)，兩端接有高電壓。當(dāng)一個(gè)電子打到錐形口內(nèi)壁后，可發(fā)射出更多的電子，并進(jìn)一步被加速和發(fā)生更多的級聯(lián)碰撞，最后在陽極端得到一較大的電子脈沖信號，可有107109倍的電子增益。為提高數(shù)據(jù)采集能力，減少采集時(shí)間，近代譜儀越來越多地采用單通道電子倍增器陣列來作為檢測器。這些單通道電子倍增器沿能量色散方向排列，每一個(gè)都收集不同的能量，其輸出最后由數(shù)據(jù)系統(tǒng)按能量移位后相加。多通道板檢測器是由多個(gè)微型單通道電子倍增器組合在一起而制成的一種大面積二維檢測器，也稱位敏檢測器（PSD）。多通道板電子檢測器常用于平行地采集二維數(shù)據(jù)場合。如以X-Y陣列平行地采集光電子像，以X-能量陣列平行地采集線掃描譜，以能量-角度陣列平行地采集角分辨XPS譜。4.4.3、檢測器由于電子能譜檢測的電子流非常弱，一般在104.5、樣品的制備和處理4.5.1、對樣品的一般要求：UHV兼容性，樣品穩(wěn)定、不分解、無揮發(fā)性樣品無放射性、無劇毒性、無強(qiáng)磁性樣品要充分干燥粉末樣品要盡量細(xì)薄片塊狀樣品表面要平整4.5、樣品的制備和處理4.5.1、對樣品的一般要求：4.5.2、樣品的保存和傳遞由于電子能譜的表面靈敏性，樣品的污染和處理將嚴(yán)重影響測試結(jié)果可靠性。在樣品的保存和傳遞過程中應(yīng)盡量避免樣品表面被污染。在任何時(shí)候，對被分析樣品的表面都應(yīng)盡量少地接觸和處理。不可用手觸摸樣品表面。樣品應(yīng)保存在干燥容器中，并避免其它揮發(fā)物質(zhì)及樣品間的交叉污染。避免高溫環(huán)境。盡量制備新鮮樣品進(jìn)行測試。4.5.2、樣品的保存和傳遞由于電子能譜的表面靈敏性，樣品的樣品的保存和傳遞樣品傳遞過程中最好使用透明材料制成的包裝。普通固體（薄膜）樣品：用清潔的包裝盒將樣品固定（可使用雙面膠）于盒底，樣品的被測面不要接觸盒壁或盒蓋。盒子要有一定的密封性，且包裝過程，盡可能在清潔無塵環(huán)境中完成。半導(dǎo)體晶片類固體樣品：此類樣品對表面要求比較高，對沾污、氧化敏感，應(yīng)該盡可能采用真空封裝或惰性氣體保護(hù)。包裝盒應(yīng)使用專用包裝盒，以保護(hù)被測試面。普通粉末類樣品：粉末樣品無法控制被測面，這就對容器提出了較高的要求。容器要潔凈，元素成分簡單（純聚乙烯材料的包裝袋或樣品管）。在填裝多種樣品的時(shí)候要特別注意工具的使用，避免相互沾污。催化劑類粉末樣品：某些催化劑類樣品對氣非常敏感，并且容易吸附空氣中的微塵，可以考慮真空封裝和惰性氣體保護(hù)。有些情況下，樣品對空氣敏感，而送樣方不具備真空封裝和氣體保護(hù)條件的情況下，還可以考慮液封的方法。液封一般使用純酒精，前提是樣品與其不反應(yīng)。樣品的保存和傳遞樣品傳遞過程中最好使用透明材料制成的包裝。4.5.3、樣品安裝(Mount)的一般方法粉末樣品：壓片或用雙面膠帶直接粘到樣品臺(tái)上（各有優(yōu)缺點(diǎn)）。用量約1~100mg。薄片或薄膜樣品：盡可能?。?lt;4mm），尺寸大小1~10mm。對于體積較大的樣品則需通過適當(dāng)方法制備成合適大小的樣品，固定在樣品臺(tái)上。纖維和絲帶狀樣品：跨過一條空隙安裝到樣品臺(tái)上，以保證測試中不會(huì)檢測到樣品臺(tái)本身信息。液態(tài)樣品：可涂敷在清潔金屬片、硅片或玻璃片上后，進(jìn)行干燥預(yù)處理。4.5.3、樣品安裝(Mount)的一般方法粉末樣品：壓片或揮發(fā)性材料預(yù)處理對于含有揮發(fā)性物質(zhì)的樣品，在樣品進(jìn)入真空系統(tǒng)前必須清除掉揮發(fā)性物質(zhì)。一般可以通過對樣品加熱或用溶劑清洗等方法。在處理樣品時(shí)，應(yīng)該保證樣品中的成份不發(fā)生化學(xué)變化。揮發(fā)性材料預(yù)處理對于含有揮發(fā)性物質(zhì)的樣品，在樣品進(jìn)入真空系統(tǒng)4.5.5、樣品清潔表面制備方法一般情況下，合適的表面處理必須由實(shí)驗(yàn)來確定，表面清潔常常比隨后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)本身更耗時(shí)。除在樣品的保存和傳輸過程中盡量避免污染外，在進(jìn)入真空前可對某些樣品進(jìn)行化學(xué)刻蝕、機(jī)械拋光或電化學(xué)拋光、清洗等預(yù)處理，以除去樣品表面的污染及氧化變質(zhì)層或保護(hù)層。樣品進(jìn)入真空室后通常有下列幾種清潔表面制備方法：超高真空中原位解理、斷裂。脆性材料，尤其是半導(dǎo)體，可沿著一定的晶向解理，而產(chǎn)生幾個(gè)平方毫米面積的光滑表面。這種技術(shù)制備出的表面其清潔度基本上和體內(nèi)的一樣好，然而它只限于一些材料的一定表面取向。如Si,Ge,GaAs,GaP等離子晶體。4.5.5、樣品清潔表面制備方法一般情況下，合適的表面處理必樣品清潔表面制備方法稀有氣體離子濺射。對樣品的清潔處理通常采用Ar+離子濺射和加熱退火(消除濺射引起的晶格損傷)的方法。注意離子濺射可引起：一些化合物的分解；元素化學(xué)價(jià)態(tài)的改變（還原效應(yīng)）；擇優(yōu)濺射效應(yīng)，改變表面元素比例等。對一些不能進(jìn)行離子濺射處理的樣品可采用真空刮削或高溫蒸發(fā)等方法來進(jìn)行清潔處理。高溫蒸發(fā)主要用于難熔金屬和陶瓷。真空制膜。除直接從外部裝樣外，還可以在樣品制備室中采用真空濺射或蒸發(fā)淀積的方法把樣品制成薄膜后進(jìn)行分析。樣品清潔表面制備方法稀有氣體離子濺射。對樣品的清潔處理通常采4.6、數(shù)據(jù)系統(tǒng)

電子能譜分析涉及大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、分析和處理，數(shù)據(jù)系統(tǒng)由在線實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件組成，它已成為現(xiàn)代電子能譜儀整體的一基本部分。在線計(jì)算機(jī)可對譜儀進(jìn)行直接控制并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和進(jìn)一步處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)處理，并結(jié)合能譜數(shù)據(jù)庫，獲取對檢測樣品的定性和定量分析知識(shí)。常用的數(shù)學(xué)處理方法有譜線平滑，扣背底，扣衛(wèi)星峰，微分，積分，準(zhǔn)確測定電子譜線的峰位、半高寬、峰高度或峰面積(強(qiáng)度)，以及譜峰的解重疊(Peakfitting)和退卷積，譜圖的比較和差譜等。當(dāng)代的軟件程序包含廣泛的數(shù)據(jù)分析能力?，F(xiàn)代的電子能譜儀操作的各個(gè)方面大都在計(jì)算機(jī)的控制下完成，樣品定位系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制允許多樣品無照料自動(dòng)運(yùn)行。4.6、數(shù)據(jù)系統(tǒng)電子能譜分析涉及大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存4.7、常用附件低能電子中和槍與荷電補(bǔ)償Ar離子槍與離子刻蝕樣品加熱和冷卻裝置原位制樣裝置4.7、常用附件低能電子中和槍與荷電補(bǔ)償4.7.1、低能電子中和槍與荷電補(bǔ)償(1)、荷電效應(yīng)用XPS測定絕緣體或半導(dǎo)體時(shí)，由于光電子的連續(xù)發(fā)射而得不到足夠的電子補(bǔ)充，使得樣品表面出現(xiàn)電子“虧損”，這種現(xiàn)象稱為“荷電效應(yīng)”。荷電效應(yīng)將使樣品出現(xiàn)一穩(wěn)定的表面電勢VS，它對光電子逃離有束縛作用。荷電效應(yīng)的來源主要是樣品的導(dǎo)電性能差。荷電電勢的大小同樣品的厚度、表面粗糙度，以及X射線源的工作參數(shù)等因素有關(guān)。4.7.1、低能電子中和槍與荷電補(bǔ)償(1)、荷電效應(yīng)(2)、荷電效應(yīng)的影響荷電效應(yīng)引起的能量位移，使得正常譜線向高結(jié)合能端偏移，即所測結(jié)合能值偏高。荷電效應(yīng)還會(huì)使譜鋒展寬、畸變，對分析結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。樣品表面存在顆?；虿煌锵嗫赡軐?dǎo)致表面荷電的不均勻分布，即差分荷電。荷電積累也可能發(fā)生在X光照射下樣品體內(nèi)的相邊界處或界面處。實(shí)際工作中必須采取有效的措施解決荷電效應(yīng)所導(dǎo)致的能量偏差。(2)、荷電效應(yīng)的影響荷電效應(yīng)引起的能量位移，使得正常譜線向表面非均勻(差分)荷電Sample表面非均勻(差分)荷電Sample(3)、電荷補(bǔ)償?shù)湍茈娮又泻蜆屌c離子電荷中和源SpectrometerLensXLLensCombinedElectron/Ion

Gun++Coaxialfloodelectrons

(schematictrajectories)Lowenergyelectrons

Lowenergyions(3)、電荷補(bǔ)償?shù)湍茈娮又泻蜆屌c離子電荷中和源Spectro(4)、低能電子中和槍的應(yīng)用中和槍工作參數(shù)的選擇根據(jù)樣品的導(dǎo)電性等狀況低能電子能量的典型值<5eV。并具有足夠通量以充分地補(bǔ)償荷電。低能離子的中和應(yīng)用對于大塊絕緣樣品用電子中和槍不能完全中和時(shí)導(dǎo)電性非均勻樣品的處理譜峰變寬，畸變或分裂。仔細(xì)優(yōu)化中和槍參數(shù)使得中和效果最佳樣品絕緣化處理（粘貼在絕緣基片上或樣品不接地）使得導(dǎo)電更均勻。如TiO2材料等。(4)、低能電子中和槍的應(yīng)用中和槍工作參數(shù)的選擇(5)、荷電效應(yīng)的校正方法在實(shí)際的XPS分析中，一般采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行校準(zhǔn)。即在實(shí)驗(yàn)條件下，根據(jù)試樣表面吸附或沉積元素譜線的結(jié)合能，測出表面荷電電勢，然后從譜圖中扣除此荷電電勢能，確定其它元素的結(jié)合能。最常用的方法是用真空系統(tǒng)中最常見的有機(jī)污染碳的C1s的結(jié)合能為284.8eV，進(jìn)行校準(zhǔn)。公布的C1s譜線的結(jié)合能也有一定的差異。利用檢測材料中已知狀態(tài)元素的結(jié)合能進(jìn)行校準(zhǔn)。向樣品注入Ar作內(nèi)標(biāo)物有良好的效果。Ar具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性，適合于濺射后和深度剖面分析，且操作簡便易行。(5)、荷電效應(yīng)的校正方法在實(shí)際的XPS分析中，一般采用內(nèi)標(biāo)4.7.2、Ar離子槍與離子刻蝕離子槍主要用于樣品表面的清潔和深度刻蝕。常用的有Penning氣體放電式離子槍。如VG生產(chǎn)的型號EX05，屬差分抽氣式離子槍。它主要用于進(jìn)行快速深度剖析分析，也可用于樣品表面清潔，或作為離子散射譜(ISS)的離子源。EX05離子槍高束流(>5μA)小束斑(<120μm)優(yōu)異的低能性能(<500eV)團(tuán)簇離子槍4.7.2、Ar離子槍與離子刻蝕離子槍主要用于樣品表面的清潔濺射產(chǎn)額(Y)=剝離原子數(shù)量/入射離子數(shù)量反映給定能量離子轟擊樣品時(shí)剝離樣品的速率刻蝕速率=10-2IYw/(rA)[nm?s-1]其中：I為離子束流強(qiáng)度[mA];w為相對原子質(zhì)量;r為材料密度；A為刻蝕面積[mm2].(1)濺射產(chǎn)額和刻蝕速率濺射產(chǎn)額(Y)=剝離原子數(shù)量/入射離子數(shù)量(1)濺射產(chǎn)額和刻氬離子濺射效應(yīng)氬離子濺射效應(yīng)(2)、輻射誘導(dǎo)效應(yīng)初級離子注入原子混合濺射誘導(dǎo)粗糙度，晶格損傷擇優(yōu)濺射化合物的分解與氧化態(tài)還原增強(qiáng)的擴(kuò)散和偏析電子誘導(dǎo)脫附絕緣體荷電(分析失真；電遷移)(2)、輻射誘導(dǎo)效應(yīng)初級離子注入4.8、成像XPS與SAMSpectrumAcquisitionImageAcquisitionXPS可對元素及其化學(xué)態(tài)進(jìn)行成像，繪出不同化學(xué)態(tài)的不同元素在表面的分布圖象。

4.8、成像XPS與SAMSpectrumAcquisit平行成像-技術(shù)原理常規(guī)透鏡物和象距大于焦長‘f。注意到所有電子平行地進(jìn)入常規(guī)透鏡(從物的不同點(diǎn))將全聚焦到在T的一點(diǎn),(以箭頭標(biāo)記),但在透鏡光軸遠(yuǎn)處直接與最初的角度有關(guān)。如果選擇物距等于‘f，則電子以不同角度進(jìn)入透鏡(從物中的同一點(diǎn))后會(huì)平行地以某一與透鏡光軸的最初距離直接相關(guān)的角度從透鏡出射?？傊?距離信息d,被傅立葉變換為角度信息a,反之亦然。盡管實(shí)象在無窮遠(yuǎn)（因?yàn)槲锞嗟扔凇甪），在象方T處存在一所謂的傅立葉象。如果插入一常規(guī)透鏡可以再生此傅立葉象，則顯然串聯(lián)另外一個(gè)同樣的傅立葉變換透鏡將再現(xiàn)如圖所示的實(shí)象。若這中間的常規(guī)透鏡同時(shí)也能能量色散電子,則重變換實(shí)象將是能量篩選過的。ESCALAB250在電子能量分析器的輸入和輸出端具有兩個(gè)這樣的傅立葉變換透鏡。平行成像-技術(shù)原理常規(guī)透鏡物和象距大于焦長‘f。注意到4.9、譜儀靈敏度和檢測限可檢測元素為周期表中除H和He外的所有元素。原子濃度檢測限（靈敏度）約0.1~1.0

at%。信息采樣深度<10nm。實(shí)用高能量分辨率條件下各純元素和一些化合物的峰寬(FWHM)一般在0.4–0.6eV。例如Ag3d5/2

FWHM=0.45eV空間分辨率:<20m(小面積XPS),<1m(成像XPS)檢測面積：現(xiàn)代微聚焦單色化XPS分析面積在10m–1mm。檢測分析時(shí)間：典型全譜掃描(Surveyscan)時(shí)間約1–20分鐘，典型高分辨譜掃描約為1–15分鐘，典型深度剖析約需1–4小時(shí)。4.9、譜儀靈敏度和檢測限可檢測元素為周期表中除H和He外的4.10、能譜儀的能量校準(zhǔn)用電子能譜進(jìn)行表面成份和化學(xué)狀態(tài)測定時(shí)，準(zhǔn)確地給出各譜線的能量位置是非常重要的，特別是在作元素價(jià)態(tài)分析.X射線光電子能譜分析的首要任務(wù)是譜儀的能量校準(zhǔn)。一臺(tái)工作正常的電子譜儀應(yīng)是經(jīng)過能量校準(zhǔn)的。X射線光電子譜儀的能量校準(zhǔn)工作是經(jīng)常性的，一般地說，每工作幾個(gè)月或半年，就要重新校準(zhǔn)一次。必須定期對譜儀能量坐標(biāo)進(jìn)行校正以維持儀器的精確性。

4.10、能譜儀的能量校準(zhǔn)用電子能譜進(jìn)行表面成份和化學(xué)狀態(tài)測4.10.1、能量零點(diǎn)校正對于導(dǎo)電的固體樣品，其結(jié)合能的能量零點(diǎn)是其Fermi能級。在實(shí)際的工作中，通常是選擇在Fermi能級附近有很高狀態(tài)密度的純金屬(Ni,Pd,Pt)作為結(jié)合能零點(diǎn)校準(zhǔn)的標(biāo)樣。在高分辨率狀態(tài)下，采集XPS譜，則在EBF=0處將出現(xiàn)一個(gè)急劇向上彎曲的譜峰拐點(diǎn)，這便是譜儀的坐標(biāo)零點(diǎn)。4.10.1、能量零點(diǎn)校正對于導(dǎo)電的固體樣品，其結(jié)合能的能量4.10.2、能量標(biāo)尺標(biāo)定

有了儀器的能量零點(diǎn)后，需要選用一些易于純化的金屬，對譜儀的能量標(biāo)尺進(jìn)行標(biāo)定。一般是選擇相距比較遠(yuǎn)的兩條譜線進(jìn)行標(biāo)定，所選譜線的能量位置是經(jīng)過精確測定的。在兩點(diǎn)定標(biāo)方法中應(yīng)注意選擇適合于譜儀線性響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)譜線能量范圍，同時(shí)必須對Fermi能量零點(diǎn)作出嚴(yán)格的校正。

4.10.2、能量標(biāo)尺標(biāo)定有了儀器的能量零點(diǎn)后，需要選用一結(jié)合能標(biāo)的峰位參考值

(ISO15472:2001)參考結(jié)合能(eV)峰位AlKMgK單色AlKAu4f7/283.9583.9583.96Ag3d5/2(368.22)(368.22)368.21CuL3VV567.93334.90Cu2p3/2932.63932.62932.62注：括號中Ag的數(shù)據(jù)一般不用作標(biāo)定。結(jié)合能標(biāo)的峰位參考值(ISO15472:2001)參考思考題X射線光電子能譜儀有哪些基本組成部件，它們各有何功用？為什么說超高真空(UHV)是進(jìn)行表面研究的必要條件？XPS檢測對樣品有何一般要求？XPS的檢測靈敏度一般是多少？思考題X射線光電子能譜儀有哪些基本組成部件，它們各有何功用？第4章電子能譜儀構(gòu)造電子能譜儀的一般構(gòu)造超高真空系統(tǒng)(UHV)激發(fā)源電子能量分析器與檢測器樣品的制備和處理數(shù)據(jù)系統(tǒng)常用附件（中和槍與離子槍）第4章電子能譜儀構(gòu)造電子能譜儀的一般構(gòu)造4.1、電子能譜儀的一般構(gòu)造電子能譜儀一般由超高真空系統(tǒng)、激發(fā)源（X射線光源、UV光源、電子槍）、電子能量分析器、檢測器和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以及其它附件等構(gòu)成?，F(xiàn)以Thermo-VG公司生產(chǎn)的ESCALAB250Xi高性能電子能譜儀為例，說明其主要儀器結(jié)構(gòu)。4.1、電子能譜儀的一般構(gòu)造電子能譜儀一般由超高真空系統(tǒng)、激電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖(Instrumentation)電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖(Instrumenta電子能譜儀主機(jī)結(jié)構(gòu)圖電子能譜儀主機(jī)結(jié)構(gòu)圖4.2、超高真空系統(tǒng)(UHV)超高真空系統(tǒng)是進(jìn)行現(xiàn)代表面分析及研究的主要部分。譜儀的光源等激發(fā)源、樣品室、分析室及探測器等都應(yīng)安裝在超高真空中。對真空系統(tǒng)的要求是高的抽速，真空度盡可能高，耐烘烤，無磁性，無振動(dòng)等。通常超高真空系統(tǒng)真空室由不銹鋼材料制成，真空度優(yōu)于5×10-10mbar。現(xiàn)在所有商業(yè)電子能譜儀都工作在10-8~10-10mbar的超高真空范圍下。超高真空系統(tǒng)一般由多級組合泵來獲得。ESCALAB250Xi電子能譜儀的真空系統(tǒng)主要靠磁浮渦輪分子泵來獲得，其前級由機(jī)械泵維持，另外在分析室還可加裝一離子泵和鈦升華泵，這樣在樣品分析室中真空度可優(yōu)于1×10-10mbar。鈦升華泵都常作為輔助泵以便快速達(dá)到所需要的真空度。超高真空室和相關(guān)的抽氣管道等通常用不銹鋼材料來制成，相互連接處使用具有刀口的法蘭和銅墊圈來密封。樣品分析室和能量分析器更用Mu金屬（高磁導(dǎo)率材料Ni77Fe16Cu5Cr2或Mo2）制造。4.2、超高真空系統(tǒng)(UHV)超高真空系統(tǒng)是進(jìn)行現(xiàn)代表面分析4.2.1、超高真空的必要性為什么必需要采用超高真空呢？首先，要分析的低能電子信號很容易被殘余氣體分子所散射，使得譜的總信號減弱，所以必須要真空技術(shù)來減小殘余氣體分子的濃度，只有在超高真空條件下，低能電子才能獲得足夠長的平均自由程，而不被散射損失掉。其次，更為重要的是超高真空環(huán)境是表面分析技術(shù)本身的表面靈敏性所必須的。在10-6mbar高真空下，大約1秒鐘就會(huì)有一個(gè)單層的氣體吸附在固體表面，這與典型的譜圖采集時(shí)間相比就太短了。顯然在分析過程中就需要超高真空環(huán)境來保持樣品表面的清潔。表面靈敏分析技術(shù)對樣品表面清潔度的要求比其它分析技術(shù)要高得多。對表面雜質(zhì)來講當(dāng)前表面分析方法的檢測限約為0.1%單層，但有時(shí)很小的雜質(zhì)濃度也會(huì)引起可觀的影響。因此清潔表面的制備和維持是十分必要的。表面分析需要在超高真空中(UHV)進(jìn)行，才能保證表面不會(huì)在分析過程中被污染。超高真空的性質(zhì)： 氣壓p=10-8–10-11torr.平均自由程=~104–107m.單層形成時(shí)間t=~102–105s4.2.1、超高真空的必要性為什么必需要采用超高真空呢？WhyUHVforSurfaceAnalysis?Removeadsorbedgasesfromthesample.Eliminateadsorptionofcontaminantsonthesample.Preventarcingandhighvoltagebreakdown.Increasethemeanfreepathforelectrons,ionsandphotons.真空度10101010102-1-4-8-11LowVacuumMediumVacuumHighVacuumUltra-HighVacuum壓強(qiáng)TorrWhyUHVforSurfaceAnalysis?R4.2.2、真空(Vacuum)的產(chǎn)生

Pumpp(torr)Rotaryvane/Mechanical機(jī)械泵1000-10-3SorptionOF吸附泵1000-10-3Oilvapordiffusion*擴(kuò)散泵10-3-10-10Turbomolecular*(OF)分子泵10-3-10-10Sputter/IonOF離子泵10-4-10-11Sublimation/GetterOF升華泵10-8-10-11

常用真空泵及其工作范圍:*需要前級真空泵

OF"clean"

真空通常使用各種類型的真空泵及其組合來產(chǎn)生。4.2.2、真空(Vacuum)的產(chǎn)生Pumpp(tor真空泵的工作范圍

RotaryvanemechanicalpumpDrymechanicalpumpTisublimationpumpIonpumpTurbomolecularpumpVapourjet(diffusion)pumpUltrahighvacuumhighvacuumRoughvacuum10-1210-1010-810-6 10-4 10-2110+2Pressure(mbar)真空泵的工作范圍Rotaryvanemechanica旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵(初級泵)粗抽/前級真空泵(backingpump)極限真空：1x10-3mbar去除真空室中的大量氣體保持高真空泵前級到可接受的壓力水平Operation(fourstages):InductionIsolationCompressionExhaust旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵(初級泵)粗抽/前級真空泵(backingp分子泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarOperatesasanaxialflowcompressor-similartoajetengineFastpumpdownspeedsRotorStatorRotorStatorOperation:Setofmovingblades,separatedbyasetofstationaryblades,rotateathighspeed(upto60,000rev/min)BladespeedsapproachmoleculespeedsPumpingduetotheinteractionofamoleculewithamovingsurfaceIncidentmoleculeMoleculeleavingsurfaceMovingsurface分子泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarRoto擴(kuò)散泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarHighpumpingspeedsforallgasesLowcostperunitpumpingspeedHeaterRisingoilvapourOilvapourjetOperation:HotoilvapourescapesfromjetnozzlesVapourjetmovesatsupersonicspeedsandimpingesontheinsideofthecooledouterwallGasmoleculesdiffusingintothepumpcollidewiththeheavieroilvapourmoleculesandarepushedtowardstheexhaustofthepump擴(kuò)散泵(二級泵)極限真空：5x10-10mbarHeate離子泵極限真空：5x10-11mbar較長壽命無有機(jī)污染和震動(dòng)Powersupply(-)(+)ElectronsourceCathodeAnode(-)(+)Operation:ElectricdischargeinelectricandmagneticfieldsIonbombardmentofthecathodeDepositionofchemicallyreactiveTifilmActivegasescombinewithfilm.Inertgasesremovedbyionisation離子泵極限真空：5x10-11mbarPowersupp鈦升華泵(三級泵)極限真空：1x10-11mbar選擇性抽氣–不能抽氦、氬等惰性氣體低壓下有非常高的抽氣速率有限壽命HeN2H2OH2TiOperation:ReliesonthesublimationofaTisourceontoacondensersurfaceResistance-heatingtitaniumfilamentsTitaniumwillevaporateontothechamberwallsDepositedactivefilmofthemetalisthenavailabletogetterablegasmolecules,suchasoxygen,nitrogen,andwater鈦升華泵(三級泵)極限真空：1x10-11mbarHeN干泵ScrollPump:RoughingorbackingpumpDry-nooilinvacuumportionofpumpPreventsthebackstreamingofoilandparticulatecontaminationintothesystemMagneticallyLevitatedTurboPump:Ultra-highvacuumpumpOilfree-usessetsofmagneticbearingsasopposedtogreasedbearingsfoundonconventionalturbopumpsLowmaintenance-IncreasedlifetimeandreliabiltyLowvibration干泵ScrollPump:MagneticallyLev各類真空泵的比較ADVANTAGESTYPEDISADVANTAGESRoughpumpsLowcostLongpumplifetimeLowultimatepressureRotaryVaneBackstreamsoilUsessyntheticoilCanproducehazardouswasteCleanLow‘dry’ultimatepressureScrollPermeabletosmallgasesCleanapplicationsonlyHigh/Ultra-highvacuumpumpsLowcostNomovingpartsLowmaintenanceDiffusionBackstreamsoilNopressuretoleranceRequirescoldtrapContinuouspumpingCleanTurboMechanicalbearingVibrationHighpressureCostCleanNomovingpartsNeedsnoattention!IonLowthroughputNopressuretoleranceFinitelifetimeCleanLowvibrationLowultimatepressureMagneticlevitatedturboCostMechanicalparts各類真空泵的比較ADVANTAGESTYPEDISADVAN真空泵組合（Pumpcombinations）粗真空（RV）高真空（HV）超高真空（UHV）機(jī)械泵機(jī)械泵低溫泵擴(kuò)散泵干泵離子泵Ti升華泵干泵干泵低溫泵機(jī)械泵分子渦輪泵離子泵Ti升華泵干泵分子渦輪泵機(jī)械泵磁懸浮渦輪泵Ti升華泵真空泵組合（Pumpcombinations）粗真空（RV4.2.3、真空的測量常用真空計(jì)(gauges)及其適用范圍:CapacitormanometerPiraniThermocouplePenningIonizationPressure(mbar)100010-310-610-91測量單位: Torr(USA) 1Torr≈133Pa mbar(Europe) 1mbar=100Pa Pascal(ISO)

真空計(jì)真空p(mbar)Pirani

真空計(jì)~102to10-3B-A電離真空計(jì)~10-3to10-11冷陰極電離真空計(jì)1x10-2

to5x10-11MassspectrometerG~10-4to10-144.2.3、真空的測量常用真空計(jì)(gauges)及其適用范圍Pirani真空計(jì)適用范圍:ATM-10-5mbar堅(jiān)固耐用操作簡單FilamentWheatstonebridgeOperation:GaugeheadcontainsaheatedfinewirefilamentAthighpressure,gasmoleculesfrequentlycollidewiththefilamenttakingheatawayfromthefilamentAtreducedpressure,fewermoleculesresultinfewercollisions,lessheatisremovedfromthefilament–electricalresistanceofwirechangesChangingcurrentisthemeasureofgaspressurePirani真空計(jì)適用范圍:ATM-10-5mba電離真空計(jì)(Ionizationgauge)適用范圍：10-3-10-11mbar精確度高（Goodaccuracy）易損壞（Fragile）可測到很低的氣壓FilamentGridCollectorOperation:Aheatedfilamentprovideselectronsforionization–thermonicemissionThefreeelectronsaredrawntothegridatpositivevoltageAnygasmoleculesareionizedbythefreeelectronsIonsproducedbyionizationareattractedtowardsathirdelectrode–thecollectorTheresultingionizationcurrentformedisameasureofthegasdensity電離真空計(jì)(Ionizationgauge)適用范圍：104.3、激發(fā)源電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真空紫外燈和電子槍。商品譜儀中將這些激發(fā)源組裝在同一個(gè)樣品室中，成為一個(gè)多種功能的綜合能譜儀。4.3、激發(fā)源電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真4.3.

1、X射線光源(1)、常規(guī)雙陽極X射線源在XPS中用來產(chǎn)生X射線的裝置。X射線源主要由燈絲、陽極靶及濾窗組成。常用的有Mg/Al雙陽極X射線源，其產(chǎn)生的X射線特征輻射為：

MgKh=1253.6eVE=0.7eV

AlKh=1486.6eVE=0.85eV采用雙陽極提高了分析工作的靈活性為測試帶來許多方便。X射線源前端的濾窗常用鋁箔或鈹箔材料制成。濾窗可防止陰極燈絲發(fā)射出的電子直接混入到能量分析器中而使譜線本底增高；防止由X射線源發(fā)射出的輻射而使樣品加熱；防止陽極產(chǎn)生的韌致輻射使信背比變差。此外，對樣品進(jìn)行濺射時(shí)也可防止污染陽極表面。4.3.1、X射線光源(1)、常規(guī)雙陽極X射線源表3-1：不同X射線源的能量及其線寬

射

線能量(eV)FWHM(eV)射線能量(eV)FWHM(eV)YMζ132.30.47MgKα1253.60.7ZrMζ151.40.77AlKα1486.60.85NbMζ171.41.21SiKα1739.51.0MoMζ192.31.53YLα1922.61.5TiLα395.33.0ZrLα2042.41.7CrLα572.83.0AgLα2984.42.6NiLα851.52.5TiKα4510.02.0CuLα929.73.8CrKα5417.02.1NaKα1041.00.4CuKα8048.02.6不同材料的陽極靶的能量與半高寬(FWHM)差異極大。靶材料的自然線寬直接影響分辨率。表3-1：不同X射線源的能量及其線寬射線能量(eV)F(2)、單色化X射線源

X射線的自然寬度對譜儀的分辨率影響很大，為了提高譜儀的分辨率就要使X射線單色化，大大減小X射線的譜線寬度。X射線的單色性越高，譜儀的能量分辨率也越高。利用表面橢球狀彎曲的石英晶體的(1010)面沿Bragg反射方向衍射后并聚焦的方式便可使X射線單色化。先進(jìn)的微聚焦X-射線單色器還可以快速高靈敏地分析微小特征。ESCALAB250

使用雙晶體微聚焦X-射線單色器，并使用了LaB6電子槍提高單色化XPS靈敏度，大大提高能量分辨率。此外還可以數(shù)字化控制改變X束斑大小，實(shí)現(xiàn)高能量分辨率下的高靈敏度快速分析。單色化后AlKa的譜線半高寬減小到0.2eV(2)、單色化X射線源X射線的自然寬度對譜儀的分辨率影響很石英晶體單色器衍射級數(shù)X射線能量(eV)1AlKa1486.62AgLa2984.33TiKa4510.0單色化X射線線寬越窄，XPS譜分辨越高，可得到更好的化學(xué)態(tài)信息去除X射線衛(wèi)星峰和韌致輻射產(chǎn)生的連續(xù)背景可避免熱輻射導(dǎo)致的損傷可將X射線聚焦成小束斑，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的小面積XPS測量。石英晶體單色器衍射級數(shù)X射線能量(eV)1AlKa1486.二級泵極限真空課件4.3.2、紫外光源紫外光電子能譜儀中使用的高強(qiáng)度單色紫外線源常用稀有氣體的放電共振燈提供。常用氦氣放電共振燈

HeIhn=21.2eV

HeIIhn=40.8eV紫外燈小束斑(~1.5mm)高光通量(1.5x1012

光子/秒)兩極差分抽氣4.3.2、紫外光源紫外光電子能譜儀中使用的高強(qiáng)度單色紫外線4.3.3、同步輻射光源由同步輻射加速器產(chǎn)生，它是一種十分理想的激發(fā)光源，可提供能量連續(xù)可調(diào)(10eV10keV)的同步輻射偏振光，自然線寬僅0.2eV，并且輻射強(qiáng)度高（高光通量），它填補(bǔ)了X射線和紫外光的波段，對價(jià)帶及內(nèi)層能級的電子都有效且性能優(yōu)越。但專用的同步輻射加速器造價(jià)昂貴，不宜普及使用。4.3.3、同步輻射光源由同步輻射加速器產(chǎn)生，它是一種十分理4.3.4、電子源（槍）作為俄歇電子能譜(AES)激發(fā)源的電子槍，要求具有良好的空間分辨率和足夠高的電子強(qiáng)度?，F(xiàn)代頂級的俄歇電子能譜其空間分辨已<10nm。電子槍的關(guān)鍵部件是電子源和用于電子束聚焦、整形和掃描的透鏡組件。電子源可用熱電離發(fā)射或場發(fā)射。兩種常用類型：熱電離發(fā)射和場發(fā)射。熱電離發(fā)射是基于在高溫下金屬中電子能量的玻耳茲曼分布，小部分電子具有足夠能量克服功函數(shù)而逸出。典型的熱燈絲材料包括：W,W(Ir)或LaB6–低功函數(shù)。場發(fā)射槍(FEG)：使用大電場梯度通過隧道效應(yīng)發(fā)射電子，發(fā)射材料做成針尖形狀以達(dá)到最好的電子通量和束徑。在此兩種類型中都使用靜電透鏡來操縱電子束–吸出，準(zhǔn)直，聚焦和掃描(偏轉(zhuǎn)板)。典型的W燈絲可達(dá)到1m的最小束徑；LaB6和FEG可得到20nm直徑的最小束斑，但束能必須達(dá)到20~30keV。4.3.4、電子源（槍）作為俄歇電子能譜(AES)激發(fā)源的電4.4、電子能量分析器與檢測器能量分析器用于在滿足一定能量分辨率，角分辨率和靈敏度的要求下，析出某能量范圍的電子，測量樣品表面出射的電子能量分布。它是電子能譜儀的核心部件。分辨能力，靈敏度和傳輸性能是它的三個(gè)主要指標(biāo)。常用的靜電偏轉(zhuǎn)型分析器有半球扇型分析器(CHA或HSA)和筒鏡型分析器(CMA)兩種。半球型分析器：多用在XPS、UPS系統(tǒng)及多功能系統(tǒng)筒鏡型分析器：多用在獨(dú)立AES系統(tǒng)4.4、電子能量分析器與檢測器能量分析器用于在滿足一定能量分4.4.1、半球扇型分析器(HSA、CHA)原理：對應(yīng)于同心半球內(nèi)外二面的電位差值，只允許一種能量的電子通過，連續(xù)改變二面間的電勢差值，就可以對電子動(dòng)能進(jìn)行掃描，獲得電子強(qiáng)度與電子動(dòng)能的關(guān)系-即能譜圖。優(yōu)點(diǎn)：具有雙聚焦特點(diǎn)，透過率和分辨率都很高，加減速電場比較容易實(shí)現(xiàn)。在電子收集端，可采用單通道和多通道電子倍增器，以提高分析速度。4.4.1、半球扇型分析器(HSA、CHA)原理：對應(yīng)于同心半球扇型分析器(HSA、CHA)

半球面靜電能量分析器由內(nèi)外半球組成，半徑分別為R1和R2，在兩半球上加上負(fù)電位。當(dāng)被測電子以能量E0進(jìn)入能量分析器的入口后，在兩個(gè)同心球面上加控制電壓后使電子偏轉(zhuǎn)，在出口處的檢測器上聚焦。動(dòng)能為

E0=V.q.H的電子將沿半徑為R0的圓形軌道