ISO 18116:2005
(Main)Surface chemical analysis — Guidelines for preparation and mounting of specimens for analysis
Surface chemical analysis — Guidelines for preparation and mounting of specimens for analysis
ISO 18116:2005 gives guidance on methods of mounting and surface treatment for a specimen about to undergo surface chemical analysis. It is intended for the analyst as an aid in understanding the specialized specimen-handling conditions required for analyses by techniques such as Auger electron spectroscopy, secondary-ion mass spectrometry, and X-ray photoelectron spectroscopy.
Analyse chimique des surfaces — Lignes directrices pour la préparation et le montage des échantillons destinés à l'analyse
L'ISO 18116:2005 donne des indications sur les méthodes de montage et de traitement de surface pour un échantillon destiné à subir une analyse chimique des surfaces. Elle est destinée à l'analyste comme aide permettant de comprendre les conditions de manipulation spécialisées de l'échantillon nécessaires pour des analyses par des techniques telles que la spectroscopie des électrons Auger, la spectrométrie de masse des ions secondaires, et la spectroscopie de photoélectrons par rayons X.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18116
First edition
2005-08-15
Surface chemical analysis — Guidelines
for preparation and mounting of
specimens for analysis
Analyse chimique des surfaces — Lignes directrices pour la préparation
et le montage des échantillons destinés à l'analyse
Reference number
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ISO 2005
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Published in Switzerland
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ii ISO 2005 – All rights reserved
Contents Page
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 1
5 General requirements . 1
6 Visual inspection of the specimen . 2
7 Specimen considerations . 2
7.1 History . 2
7.2 Information sought . 2
7.3 Specimens previously examined by other analytical techniques . 2
8 Sources of specimen contamination . 3
8.1 Tools, gloves, mounts and similar materials . 3
8.2 Exposure to gases . 3
8.3 Exposure to instrumental vacuum . 3
8.4 Exposure to electrons, ions, and X-rays . 3
8.5 Contamination of the analytical chamber . 4
9 Specimen storage and transfer . 4
9.1 Storage time . 4
9.2 Storage containers . 4
9.3 Temperature and humidity . 4
9.4 Specimen transfer . 5
10 Specimen mounting procedures . 5
10.1 General procedures . 5
10.2 Powders and particles . 5
10.3 Wires, fibres and filaments . 6
10.4 Pedestal mounting . 6
10.5 Reduction of thermal damage during analysis . 6
11 Methods for reducing specimen charging . 6
11.1 General considerations . 6
11.2 Conductive mask, grid, wrap or coating . 6
11.3 Flood gun . 7
11.4 Electron and ion beams . 7
12 Specimen preparation techniques . 7
12.1 General considerations . 7
12.2 Mechanical separation . 7
12.3 Thinning versus removal . 8
12.4 Removal of the substrate . 8
12.5 Sectioning techniques . 8
12.6 Growth of overlayers . 9
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ISO 2005 – All rights reserved iii
12.7 Solvents . 9
12.8 Chemical etching . 10
12.9 Ion sputtering . 10
12.10 Plasma etching . 11
12.11 Heating . 11
12.12 Ultraviolet radiation . 11
13 Fracturing, cleaving and scribing . 12
13.1 Fracture . 12
13.2 Cleaving . 12
13.3 Scribing . 12
14 Special specimen-handling techniques . 13
14.1 Prepumping of gassy specimens . 13
14.2 Viscous liquids . 13
14.3 Solute residue . 13
Bibliography . 14
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iv ISO 2005 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 18116 was prepared by Technical Committee ISO/TC 201, Surface chemical analysis, Subcommittee
SC 2, General procedures.
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ISO 2005 – All rights reserved v
Introduction
This International Standard is intended to assist analysts in the handling, mounting and treatment of specimens
submitted for surface chemical analysis. Although primarily prepared for the surface-analysis techniques of
Auger electron spectroscopy (AES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and secondary-ion mass
spectrometry (SIMS), the methods described in this International Standard will also be applicable to many other
surface-sensitive analytical techniques such as ion-scattering spectrometry, low-energy electron diffraction and
electron energy-loss spectroscopy, where specimen handling can influence surface-sensitive measurements.
AES, XPS and SIMS are sensitive to surface layers that are typically a few nanometres in thickness. Such thin
layers may be subject to severe perturbations caused by specimen handling or surface treatments that may be
necessary prior to introduction into the analytical chamber.
Proper preparation and mounting of specimens is particularly critical for surface chemical analysis. Improper
preparation may result in the alteration of the surface composition and in unreliable analyses. Specimens have
to be handled carefully so that the introduction of spurious contaminants is avoided or minimized. The goal is to
preserve the state of the surface during preparation and mounting so that the analysis remains representative
of the original specimen. This International Standard describes methods that the surface analyst may need to
use in order to minimize the effects of specimen preparation when using any surface-sensitive analytical
technique. This International Standard also describes methods to mount specimens in order to ensure that the
desired analytical information is not compromised.
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vi ISO 2005 – All rights reserved
INTERNATIONAL STANDARD ISO 18116:2005(E)
Surface chemical analysis — Guidelines for preparation and
mounting of specimens for analysis
1Scope
This International Standard gives guidance on methods of mounting and surface treatment for a specimen
about to undergo surface chemical analysis. It is intended for the analyst as an aid in understanding the
specialized specimen-handling conditions required for analyses by techniques such as Auger electron
spectroscopy, secondary-ion mass spectrometry, and X-ray photoelectron spectroscopy.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 18115, Surface chemical analysis — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 18115 apply.
4 Symbols and abbreviated terms
AES Auger electron spectroscopy
SIMS secondary-ion mass spectrometry
XPS X-ray photoelectron spectroscopy
5 General requirements
[1],[2]
General information on specimen handling is available in two books . The degree of cleanliness required by
surface-sensitive analytical techniques is much higher than for many other forms of analysis. Specimens and
mounts must never be in contact with the bare hand. Handling of the surface to be analysed should be
eliminated or minimized whenever possible. Fingerprints contain mobile species that may contaminate the
surface of interest. Hand creams, skin oils and other skin materials are not suitable for high vacuum.
Although the handling methods for AES, XPS, and SIMS are basically similar, there are some differences. In
general, preparation of specimens for AES and SIMS requires more attention because of potential problems
with electron or ion beam damage or charging, or both. This International Standard will note when specimen
preparation is significantly different among the three techniques.
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ISO 2005 – All rights reserved 1
6 Visual inspection of the specimen
A visual inspection of the specimen should be made, possibly using an optical microscope. At a minimum, a
check should be made for residues, particles, fingerprints, adhesives, contaminants or other foreign matter.
Record the observations in a laboratory notebook.
Specimen features that are visually apparent when the specimen is outside the vacuum system may not be
observable after the specimen is placed inside the surface-analysis instrument (for example through use of any
available imaging method or through viewports). It may then be necessary to physically mark the specimen
outside the area to be analysed (e.g. by scribing or by a permanent ink marker) so that the analysis location can
be found once the specimen is inside the vacuum system. Ensure that any method of marking the specimen
does not affect the subsequent measurements. Scribing a brittle material may leave unwanted detritus on the
specimen that may be deposited in the instrument or that may affect the analysis. Permanent ink markers may
contaminate nearby regions by transport of volatile organics or by surface diffusion of solvent residues.
Changes that may occur during analysis may influence the data interpretation. Following analysis, visual
examination of the specimen is recommended to look for possible effects of ion-beam sputtering, electron-beam
bombardment, X-ray irradiation, or exposure to the instrumental vacuum.
7 Specimen considerations
7.1 History
The history of a specimen may affect the handling of the surface before surface analysis. For example, a
specimen that has been exposed to a contaminating environment may become less reactive, and the need for
exceptional care, from an analytical point of view, is then reduced. In such cases, extra care may be required to
meet health and safety requirements. Special caution shall be taken with specimens containing potential toxins.
If a specimen is known to be contaminated, precleaning may be required to expose the surface of interest and
reduce the risk of vacuum-system contamination. In such cases, the specimen should be cleaned with a solvent
of a suitable grade that is not expected to affect the specimen material.
NOTE Even high-purity solvents can leave residues on a surface. More details on cleaning with solvents are given in 12.7.
In some cases, the contamination may be of interest, e.g. where a silicone-release agent influences adhesion. In such
cases, precleaning should not be attempted.
7.2 Information sought
The information sought can influence the preparation of a specimen. If the information sought comes from the
exterior surface of a specimen, greater care and precautions in specimen preparation shall be taken than if the
information sought lies beneath an overlayer that is to be sputtered away in the analytical chamber. It may also
be possible to expose the specimen region of interest by in situ fracture, cleaving or other means.
7.3 Specimens previously examined by other analytical techniques
It is preferable for surface chemical analysis measurements to be made before the specimen is analysed by
other techniques because such specimens may become damaged or be exposed to surface contamination. For
example, insulating specimens analysed by electron microscopy may have been coated to reduce charging.
Furthermore, exposure of the specimen to an electron beam (e.g. in a scanning electron microscope) can
induce damage or cause the adsorption of surface species from the residual vacuum. Such coatings or
modifications render the specimen unsuitable for subsequent surface chemical analysis. If it is not possible to
perform the surface chemical analysis first, such an analysis should be performed on a different, but nominally
identical, specimen or area of the specimen.
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2 ISO 2005 – All rights reserved
8 Sources of specimen contamination
8.1 Tools, gloves, mounts and similar materials
Specimens for surface chemical analysis shall be prepared and mounted with clean tools to ensure that the
surface is not altered prior to analysis and that the best possible vacuum conditions are maintained in the
analytical chamber. Tools used to handle specimens should be made of materials that will not transfer to the
specimen (e.g. nickel tools will contaminate silicon). Tools should be cleaned in high-purity solvents and dried
prior to use. Nonmagnetic tools should be used if the specimen is susceptible to magnetic fields. Tools should
not unnecessarily touch the specimen surface to be analysed.
Gloves and wiping materials are sometimes used to handle specimens; it is then likely that their use may result
in some contamination of the specimen surface. Care should be taken to avoid contamination by talc, silicone
compounds and other materials that are often found on gloves. “Powder-free” gloves have no talc and may be
better suited for use in specimen handling. Unnecessary contact of the specimen with a glove or other tools
shall be avoided.
Specimen mounts and other materials used to hold specimens shall be cleaned regularly whenever there is a
possibility of cross-contamination of specimens. The use of tapes containing silicones and other mobile species
should be avoided.
8.2 Exposure to gases
Breathing on the specimen is likely to cause contamination. Compressed gases from aerosol cans or from air
lines are often used to try to blow particles from the surface of a specimen or to attempt to clean a specimen.
They, too, must be considered a source of possible contamination. While particles are removed from specimens
by these methods, caution is advised and the methods should be avoided in critical cases. In particular, oil is
often a contaminant in compressed-air lines. In-line particle filters can reduce oil and particles from these
sources. A gas stream can also produce static charge in many specimens, and this could result in attraction of
more particulate debris. Use of an ionizing nozzle on the gas stream may eliminate this problem.
8.3 Exposure to instrumental vacuum
Specimens that were in equilibrium with the ambient environment prior to insertion into the vacuum chamber of
the surface-analysis instrument may desorb surface species such as water vapour, plasticizers or other volatile
components. Desorption of such species may cause cross-contamination of adjacent specimens and may
increase the pressure of the vacuum chamber. Surface desorption may also cause changes in surface
chemistry of the specimen of interest. Residual gases in the chamber may adsorb on the specimen surface and
react with the specimen.
One can test for undesirable effects by monitoring signals from the specimen as a function of time, e.g. by
setting the system for a sputter depth profile and then not turning on the ion gun. If changes in the analytical
signals are observed, then the interpretation of the results must account for the observation of an altered
surface (e.g. due to desorption of surface species). Care should be taken to account for any fluctuations or drifts
of the incident-beam intensity.
8.4 Exposure to electrons, ions, and X-rays
[3],[4] [5] [6]
The incident electron flux in AES , the ion flux in SIMS and, to a lesser extent, the X-ray flux in XPS may
induce changes in the specimen being analysed, for example by causing enhanced reactions between the
surface of a specimen and the residual gases in the analytical chamber. The incident flux may also locally heat
or degrade the specimen, or both, resulting in a change of surface chemistry and possibly a rise in chamber
pressure or contamination of the chamber. One can test for unwanted effects by setting the system for a sputter
depth profile and not turning on the ion gun, as described in 8.3.
The incident ion beams used during AES, SIMS and XPS depth profiles not only erode the surface of interest
but may also affect surfaces nearby. These effects may be caused by poor focusing of the primary ion beam and
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ISO 2005 – All rights reserved 3
by impact of neutrals from the primary ion beam. Areas adjacent to a region bombarded by ions may not be
suitable for subsequent analysis by surface-analysis methods. In some cases, sputtered material may be
deposited on nearby regions of the specimen or onto other specimens that may be parked in the analytical
chamber.
8.5 Contamination of the analytical chamber
The analyst should be aware of materials that will lead to contamination of other specimens or of the analytical
chamber. High-vapour-pressure elements such as mercury, tellurium, caesium, potassium, sodium, arsenic,
iodine, zinc, selenium, phosphorous and sulfur should be analysed with caution. Many other materials also can
exhibit high vapour pressures (for example, some polymers, foams and other porous materials, greases and
oils, and liquids). Even if an unperturbed specimen meets the vacuum requirements of the analytical chamber,
the probing beam required for analysis may degrade the specimen and result in serious contamination of the
chamber, as described in 8.4.
[7]
Contamination of the specimen by surface diffusion can be a problem, especially with silicone compounds
and hydrocarbons. It is possible to have excellent vacuum conditions in the analytical chamber and still find
contamination by surface diffusion.
In SIMS, atoms sputtered onto the secondary-ion-extraction lens or other nearby surfaces can be resputtered
back onto the surface of the specimen. This effect can be reduced by not having the secondary-ion-extraction
lens or other surfaces close to the specimen. The use of multiple immersion lens strips or cleaning of the lens
can help reduce this effect.
The order of use of probing beams can be important, especially when dealing with organic or other fragile
materials (such as those discussed in 14.1).
9 Specimen storage and transfer
9.1 Storage time
If a specimen is stored before analysis, care should be taken to ensure that the surface to be analysed has not
been contaminated during storage. Even in clean laboratory environments, surfaces can quickly become
contaminated to the depth analysed by AES, XPS, SIMS and other surface-sensitive analytical techniques.
9.2 Storage containers
Containers selected for specimen storage shall not transfer contaminants to the specimen via particles, liquids,
gases or surface diffusion. Containers that contain volatile species such as plasticizers (which may be emitted
and then contaminate the surface) are unsuitable. The specimen surface to be analysed should preferably not
contact the container or any other object. Glass jars with an inside diameter slightly larger than the width of a
specimen may hold a specimen without contact with the surface. When contact with the surface is unavoidable,
wrapping in clean, pre-analysed aluminium foil may be satisfactory.
Containers such as glove boxes, vacuum chambers and desiccators may be excellent choices for storage of
specimens. A vacuum desiccator may often be preferable to a normal desiccator, and shall be maintained free
of grease and mechanical-pump oil.
NOTE Cross-contamination between specimens may occur if multiple specimens are stored in the same container.
9.3 Temperature and humidity
Possible temperature and humidity effects should be considered when storing or transferring specimens. Most
detrimental effects result from elevated temperatures. Additionally, low specimen temperatures and high to
moderate humidity can lead to moisture condensation on the surface.
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4 ISO 2005 – All rights reserved
9.4 Specimen transfer
Specially designed chambers that allow transfer of specimens from a controlled environment to a surface-
[8],[9]
analysis chamber have been reported . The controlled environment could be another vacuum chamber, a
glove box (dry box), a glove bag, a reaction chamber or a deposition chamber. This controlled environment can
be attached directly to the analytical chamber with the transfer made through a permanent valve. Glove bags
can be temporarily attached to an analytical chamber with the specimen transferred by removal and then
replacement of a flange on the analytical chamber.
Coatings can sometimes be applied to specimens, thereby allowing transfer in the atmosphere. The coating is
then removed by heating or by vacuum pumping in either the analytical chamber or its introduction chamber.
[10]
This concept has been successfully applied to the transfer of GaAs . Surfaces to be analysed by AES or
[11]
SIMS can be covered with a uniform layer, such as polysilicon for silicon-based technology . In this case, the
coating is removed by sputtering during analysis; however, the influence of atomic mixing on the analytical
results must be considered.
10 Specimen mounting procedures
10.1 General procedures
The specimen will often be analysed as received. Surface contamination or atmospheric adsorbates are not
usually removed because of the importance of analysing an unaltered specimen surface. In such cases, mount
the specimen directly on the specimen holder with a clip or screw. This procedure is particularly important for
AES if specimen charging is a concern; the clip can help to provide a conductive path to ground. Care should
be taken to ensure that the clip or screw does not contact the area of interest and that it will not interfere with the
incident beam or the particles to be detected during the analysis.
For some specimens, it is easier to mount the specimen by pressing it into a soft metal foil (e.g. indium) or by
placing it on the sticky surface of adhesive tape. The foil or tape is then attached to the specimen mount.
Double-sided tape has the advantage of not requiring a clip or screw to hold it onto the mount. Care should be
taken to ensure that the surface to be analysed does not come into contact with the foil or tape. All tape should
be pretested for vacuum compatibility and potential contamination. These methods are often satisfactory for
XPS and some AES and static SIMS studies, but are not often used for dynamic SIMS where the particle fluxes
are larger.
10.2 Powders and particles
Powders and particles are often easier to analyse if they can be placed on a conducting substrate. Indium foil is
often used because it is soft at room temperature, and powders or particles can be partly imbedded into the foil.
Aluminium, copper or other metal foils can also be used for this purpose, although only a small percentage of
the powder or particles may adhere to them. For XPS, powders can be placed on the sticky side of adhesive
tape. Metallized tape is usually best; it can meet the vacuum requirements of most XPS systems. If any tape is
to be used, it should be pretested for vacuum compatibility and potential contamination of the specimen.
Particles may sometimes be transferred to a suitable substrate by working under a microscope and by using a
sharp needle. Non-soluble particles can sometime be floated on solvents and picked up on conducting filters.
Particles can also be transferred onto adhesive tape or replicating compound.
Many powders can be formed into pellets without the use of sintering aids. Alternatively, compression of the
powder into a disc, such as the potassium bromide disc used for infra-red spectroscopy, can be used. The
resulting surface is then gently abraded with a clean scalpel blade prior to use. The use of pellets can be an
excellent approach for XPS but often leads to specimen charging in AES and SIMS. Some specimens may be
modified, however, by pressure- or temperature-induced changes during preparation of the pellet.
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ISO 2005 – All rights reserved 5
10.3 Wires, fibres and filaments
Wire, fibres and filaments may have sufficiently small dimensions that it is not possible for the primary beam to
remain only on the specimen during the analysis. As a result, the recorded spectra will contain contributions
from the material on which the specimens are mounted. In such instances, it may be possible to mount the
specimen so that the unwanted signal is minimized or that the mounting material is out of focus; for example, the
specimen could be mounted over a hole. Alternatively, many wires, fibres and filaments can also be placed side-
by-side or bundled to fill the field of view of the analytical instrument. In some cases, these specimens may be
mounted in the same way as powders and particles, as described in 10.2.
10.4 Pedestal mounting
For some analytical instruments, especially those with large analysis areas, it is possible to mount the specimen
on a pedestal so that only the specimen will be seen by the analyser. This approach may allow analysis of
specimens that are smaller than the analysis area.
10.5 Reduction of thermal damage during analysis
To reduce thermal damage of specimens during surface analysis, specimens may be mounted on a cooled
probe or on a mounting stage cooled with flowing liquids or gases at a desired temperature. Good thermal
contact between the specimen and the mounting system is important. Some specimens, such as powders,
benefit from being compacted to pellets, thereby increasing heat dissipation. Wrapping a specimen in a metal
foil may be of value in some cases. As discussed in 11.4.2 and 11.4.3, reducing the energy dissipated in the
specimen can also be beneficial, but this may result in longer data-acquisition times.
11 Methods for reducing specimen charging
11.1 General considerations
Specimen charging can be a serious problem with poorly conducting specimens. Charging is usually more
severe for incident electron or ion beams than for an incident X-ray beam. In XPS, charging is usually more
severe for a focused, monochromatic X-ray beam than for a large-area beam or for non-monochromatic X-rays.
If the surface is heterogeneous or the probing radiation is focused, the amount of charging can differ across the
analysis area.
11.2 Conductive mask, grid, wrap or coating
A mask, grid, wrap or coating of a conducting material can be used to cover insulating specimens and make
contact to ground as close as possible to the area that will be analysed. A grid may also be suspended slightly
[12]
above a surface . Wraps of metal foils are used for the same purpose. In AES, it may be important to cover
insulating areas of the specimen that are not in the immediate analysis area to avoid the accumulation of
sufficient charge (from scattered electrons and ions) that could deflect the primary electron beam or perturb the
analysis. Whenever sputtering is used in conjunction with a mask, grid or wrap, care should be taken to ensure
[13]
that the covering material is not sputtered onto the analysis area. Removable grids have been reported such
that the grid is moved while the ion gun is on and then returned during analysis. Materials such as colloidal
silver, silver epoxy or colloidal graphite can be used to provide a conductive path from near the point of analysis
to ground; however, beware that outgassing of the solvent may cause a problem. Coating a specimen with a thin
conducting layer and subsequently removing the coating by sputtering may be useful, but information regarding
the topmost layer of the specimen will generally be lost. This approach can be useful for sputter depth profiling,
although charging may reappear if the walls of the crater remain electrically insulating. Combinations of
coatings and masks or wraps may be useful.
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6 ISO 2005 – All rights reserved
11.3 Flood gun
In XPS, low-energy electrons from a nearby filament can be useful for reducing charging of non-conducting
specimens. The window material in a conventional X-ray source can also act as a source of electrons to reduce
charging. In SIMS, the relative location of electron and ion optics can influence charging phenomena while
[14],[15]
analysing insulators. Positive-ion SIMS depth profiling requires the use of a focused electron beam with
a current density similar to or greater than that of the ion beam. Negative-ion primary beams may be used.
11.4 Electron and ion beams
11.4.1 Angle of incidence of the primary beam in AES
The secondary-electron emission coefficient and the incident-beam current density are functions of the angle
of incidence of the primary-electron beam. Grazing angles of incidence increase the secondary-electron
emission coefficient and are, therefore, generally better for reduction of charging during AES analysis of flat
[16],[18]
specimens.
11.4.2 Energy of the primary beam in AES and SIMS
The secondary-electron emission coefficient is also a function of the energy of the primary-electron beam in
AES. It is generally better to select a primary energy where the secondary-electron emission coefficient is
greater than unity to reduce specimen charging. For layered specimens, it might be possible to achieve reduced
charging by increasing the energy of the incident electron beam so that penetration is made to a conducting
layer beneath the analysed layer. Charge neutralization may occur if the conducting layer is suitably grounded.
[14]
In SIMS, the energy of the incident ion affects specimen charging.
11.4.3 Current density of the primary beam in AES and SIMS
Specimen charging may be reduced by decreasing the current density of the primary electron or ion beam in
AES and SIMS. Reduction of the current density can be achieved by reducing the total current, defocusing the
beam, rastering the beam over a part of the specimen surface, or changing the angle of incidence.
11.4.4 Combined electron and ion beams in AES
If a specimen is homogeneous with depth, charging in an AES analysis can sometimes be reduced by
sputtering the specimen with positive ions during an analysis. The positive charge of these ions will partially
neutralize the negative charge generally created by the primary-electron beam. Ion-beam-induced changes of
surface composition must be considered, as discussed in 12.9.
12 Specimen preparation techniques
12.1 General considerations
Often the surface or interface of interest lies beneath a layer of contaminants or other material. This overlayer
must often be removed without perturbing the surface or interface of interest.
[19]
For electronic devices, additional information regarding preparation of specimens is available.
12.2 Mechanical separation
It is sometimes possible to mechanically separate layers and expose the surface of interest, as described in
Clause 13. Except for possible reactions with the atmosphere, a surface exposed in this way is generally
suitable for analysis. Delaminated layers and the inside surfaces of blister-like structures are often investigated
in this manner. Sputter depth profiling is generally not a good method to use on blister-like structures because,
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ISO 2005 – All rights reserved 7
when the outer skin is penetrated by the ion beam, the data may become dominated by artefacts. Mechanical
separation should be carried out just prior to transfer of the specimen to the analytical chamber or in situ, if
possible.
12.3 Thinning versus removal
Complete removal of an overlayer may not be possible or desirable. It may be sufficient to thin the overlayer and
continue using sputter depth profiling as discussed in 12.9.
12.4 Removal of the substrate
In some specimens, it may be easier to approach the interface by removing the substrate rather than the
overlayer. This approach may be useful, for example, when the substrate composition is not of interest or the
material composition of the overlayer is unknown. In SIMS, substrate removal may provide improved depth
[20]
resolution if non-uniform sputtering of the overlayers occurs. As discussed in 12.3, complete removal of the
substrate may not be necessary.
NOTE A chemical etch is more effective and more selective when the composition of the material to be etched is known.
Additional information on chemical etching is given in 12.8.
12.5 Sectioning techniques
12.5.1 General information
Sectioning (cutting) techniques are most often applied to metals, but can often be applied to other materials
equally well. When using sectioning techniques, it is important to section with minimum alteration to the region
of the specimen that will be analysed. After sectioning, it is usually necessary to clean the specimen by
sputtering in the analytical chamber prior to surface analysis.
Compression and thermosetting materials are normally used for mounting specimens to be sectioned. These
mounting-block materials are often made of high-vapour-pressure materials and detrimental to the vacuum
environment of the analytical chamber. Consequently, specimens are normally removed from the mounting
blocks prior to analysis.
12.5.2 Sectioning methods
Sectioning can be performed using an abrasive wheel or by sawing or shearing. The extent of damage generally
increases as cutting speed increases. Semiconductor specimens may also be sectioned by cleaving and
[21]
polishing or by a focused ion beam. Chemical changes can be extensive if local heating occurs during
sectioning. Coarse grinding is usually performed with abrasive belts or discs. Fine grinding is usually done with
silicone carbide, emery, aluminium oxide or diamond abrasives. Grinding materials and lubricating oils for
cutting tools may contaminate the surface and should be avoided. If possible, cutting should be performed dry
(i.e. without lubricants).
12.5.3 Angle lapping
Angle lapping (also called taper sectioning) is a technique used to expose and expand the analysis area
[22]
available from a thin layer at some depth into a specimen. In AES, the diameter of the primary electron beam
must be small relative to the expanded dimensions of the layer to be analysed. The considerations outlined in
12.5.1 are also applicable to lapping. Spalling at weak interfaces may occur during these operations.
12.5.4 Ball cratering
[23]
Ball cratering is similar to angle lapping and is applicable when the radius of curvature of the spherical
surface is large relative to the thickness of the films being analysed.
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8 ISO 2005 – All rights reserved
12.5.5 Radial sectioning
Radial sectioning is similar to ball cratering, with a cylinder being used to create a crater instead of a spherical
ball.
12.5.6 Mechanical polishing
Polishing is often the most crucial step in the sequence of preparing a lapped specimen. The abrasives used
[24]
may include aluminium oxide, chromium oxide, cerium oxide, silicon dioxide, silicon carbide or diamond. The
choice of suspension medium (normally oil or water) and polishing cloth must be carefully considered for
possible contamination of the specimen, embedding of abrasion material into the specimen, and complete
removal of abrasion removal from the specimen.
12.5.7 Chemical and electrochemical polishing
Chemical or electrochemical polishing is sometimes applied after the final mechanical polishing of a
[24]
specimen. In chemical polishing, the specimen is immersed in a polishing solution without external potentials
being applied. In electrochemical polishing, a constant current or voltage is applied to the specimen in an
appropriate solution. The solution and temperature selected will depend upon the specimen. These polishing
methods usually avoid the sort of surface damage introduced by mechanical polishing. However, any type of
polishing may alter the chemistry of the surface.
12.5.8 Crater edge profiling
Craters left by fixed or rastered ion beams used for sputter depth profiling often have a slightly inclined sidewall.
An electron beam can be translated across this sidewall to obtain composition versus depth information by
[25]
AES.
12.5.9 Focused ion beam sectioning
Sectioning can be performed by a focused ion beam equipped with a liquid-metal ion source to make a crater of
suitable dimensions in a specimen. Surface analyses can then be performed at selected points across the
crater; such analyses can then give information on composition as a function of depth from the original surface.
The specimen should be tilted during crater formation so that the shape of the crater is appropriate for the
analytical technique to be used. Note that atoms of the incident ion beam can be implanted and remain on the
crater surface with concentrations approaching several percent. Shallow etching of the implanted surface by a
noble-atom ion beam prior to analysis may be necessary to remove this residual material. Additionally,
redeposition of sputtered material may occur.
12.6 Growth of overlayers
The interface region between an overlayer and its substrate can be analysed by AES and XPS if the overlayer
can be grown slowly or in discrete steps (e.g. in increments of about one monatomic layer in thickness). AES
and XPS can then be used to probe interface properties and possible reactions as the interface is grown.
Gas-metal, metal-polymer, metal-semiconductor and metal-metal interfaces can be studied in this manner.
12.7 Solvents
High-purit
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18116
Première édition
2005-08-15
Analyse chimique des surfaces — Lignes
directrices pour la préparation et le
montage des échantillons destinés à
l'analyse
Surface chemical analysis — Guidelines for preparation and mounting of
specimens for analysis
Numéro de référence
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et termes abrégés . 1
5 Exigences générales . 1
6 Inspection visuelle de l'échantillon . 2
7 Considérations sur l'échantillon . 2
7.1 Historique . 2
7.2 Information recherchée . 2
7.3 Échantillons précédemment examinés par d'autres techniques analytiques . 2
8 Sources de contamination de l'échantillon . 3
8.1 Outils, gants, socles de montage, et matériaux similaires . 3
8.2 Exposition à des gaz . 3
8.3 Exposition au vide instrumental . 3
8.4 Exposition aux électrons, aux ions, et aux rayons X . 4
8.5 Contamination de la chambre d'analyse . 4
9 Stockage et transfert de l'échantillon . 4
9.1 Temps de stockage . 4
9.2 Récipients de stockage . 4
9.3 Température et humidité . 5
9.4 Transfert de l'échantillon . 5
10 Procédures de montage de l'échantillon . 5
10.1 Procédures générales . 5
10.2 Poudres et particules . 6
10.3 Fils, fibres, et filaments . 6
10.4 Support de montage . 6
10.5 Réduction des dommages thermiques pendant l'analyse . 6
11 Méthodes pour réduire la charge de l'échantillon . 7
11.1 Considérations générales . 7
11.2 Masque, grille, enveloppe, ou revêtement conducteurs . 7
11.3 Canon de neutralisation . 7
11.4 Faisceaux d'électrons et d'ions . 7
12 Techniques de préparation de l'échantillon . 8
12.1 Considérations générales . 8
12.2 Séparation mécanique . 8
12.3 Amincissement contre élimination . 8
12.4 Élimination du substrat . 8
12.5 Techniques de coupe . 9
12.6 Croissance des surcouches . 10
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ISO 2005 – Tous droits réservés iii
12.7 Solvants . 10
12.8 Décapage chimique . 11
12.9 Pulvérisation d'ions . 11
12.10 Décapage par plasma . 12
12.11 Chauffage . 12
12.12 Rayonnement ultraviolet . 13
13 Fracture, clivage et traçage . 13
13.1 Fracture . 13
13.2 Clivage . 14
13.3 Traçage . 14
14 Techniques spéciales de manipulation . 14
14.1 Pompage préalable des échantillons contenant des gaz . 14
14.2 Liquides visqueux . 14
14.3 Résidu dissous . 14
Bibliographie . 15
©
iv ISO 2005 – Tous droits réservés
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la
Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 18116 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 201, Analyse chimique des surfaces, sous-comité
SC 2, Procédures générales.
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ISO 2005 – Tous droits réservés v
Introduction
La présente Norme internationale doit permettre d'aider les analystes dans la manipulation, le montage et le
traitement d'échantillons en vue d'une analyse chimique des surfaces. Bien que principalement élaborées pour
les techniques de spectroscopie des électrons Auger (AES), spectroscopie de photoélectrons par rayons X
(XPS) et spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS), les méthodes décrites dans la présente Norme
internationale sont également applicables à beaucoup d'autres techniques analytiques sensibles aux surfaces
telles que la spectrométrie de diffusion d'ions, la diffraction d'électrons de faible énergie et la spectroscopie de
perte d'énergie des électrons, où la manipulation de l'échantillon peut influencer les mesures sensibles aux
surfaces. AES, XPS et SIMS sont sensibles à des couches de surface qui sont typiquement de quelques
nanomètres d'épaisseur. Ces couches minces peuvent être sujettes à de sévères perturbations causées par la
manipulation de l'échantillon ou par les traitements de surface qui peuvent être nécessaires avant l'introduction
dans la chambre d'analyse.
Une préparation correcte et un montage approprié des échantillons sont particulièrement critiques pour
l'analyse chimique des surfaces. Une préparation inappropriée peut causer une altération de la composition de
surface et engendrer des analyses non fiables. Les échantillons doivent être manipulés soigneusement de
sorte que l'introduction de contaminants parasites soit évitée ou minimisée. Le but est de préserver l'état de la
surface pendant la préparation et le montage de sorte que l'analyse demeure représentative de l'échantillon
original. La présente Norme internationale décrit les méthodes que l'analyste des surfaces peut avoir besoin
d'utiliser afin de minimiser les effets de la préparation de l'échantillon lorsqu'il utilise toute technique d'analyse
sensible aux surfaces. La présente Norme internationale décrit également des méthodes pour mettre en place
les échantillons de façon à s'assurer que l'information analytique désirée n'est pas compromise.
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vi ISO 2005 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 18116:2005(F)
Analyse chimique des surfaces — Lignes directrices pour la
préparation et le montage des échantillons destinés à l'analyse
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale donne des indications sur les méthodes de montage et de traitement de
surface pour un échantillon destiné à subir une analyse chimique des surfaces. Elle est destinée à l'analyste
comme aide permettant de comprendre les conditions de manipulation spécialisées de l'échantillon
nécessaires pour des analyses par des techniques telles que la spectroscopie des électrons Auger, la
spectroscopie de masse des ions secondaires, et la spectroscopie de photoélectrons par rayons X.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 18115, Analyse chimique des surfaces — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 18115 s'appliquent.
4 Symboles et termes abrégés
AES Spectroscopie des électrons Auger
SIMS Spectrométrie de masse des ions secondaires
XPS Spectroscopie de photoélectrons par rayons X
5 Exigences générales
[1], [2]
Les informations générales sur la manipulation des échantillons sont disponibles dans deux livres . Le
degré de propreté exigé par les techniques analytiques sensibles aux surfaces est beaucoup plus élevé que
pour beaucoup d'autres formes d'analyse. Les échantillons et les socles de montage ne doivent jamais être en
contact avec la main nue. La manipulation de la surface à analyser doit être éliminée ou être minimisée autant
que possible. Les empreintes digitales contiennent des espèces mobiles qui peuvent contaminer la surface
étudiée. Les crèmes pour les mains, les sécrétions de la peau et d'autres matières cutanées ne sont pas
appropriées pour le vide poussé.
Bien que les méthodes de manipulation pour AES, XPS, et SIMS soient fondamentalement semblables, il existe
quelques différences. En général, la préparation des échantillons pour AES et SIMS nécessite plus d'attention
en raison de problèmes potentiels d'endommagement par le faisceau d'ions ou d'électrons ou de charge, ou les
deux. La présente Norme internationale note lorsque la préparation de l'échantillon est sensiblement différente
entre les trois techniques.
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ISO 2005 – Tous droits réservés 1
6 Inspection visuelle de l'échantillon
Il est recommandé de procéder à une inspection visuelle de l'échantillon, si possible à l'aide d'un microscope
optique. Au minimum, il convient de vérifier les résidus, les particules, les empreintes digitales, les adhésifs, les
contaminants ou autres corps étrangers. Enregistrer les observations dans un cahier de laboratoire.
Les caractéristiques de l'échantillon qui sont apparentes visuellement lorsque l'échantillon est à l'extérieur du
système de vide peuvent ne plus être observables après que l'échantillon est placé à l'intérieur de l'instrument
d'analyse des surfaces (par exemple en utilisant toute méthode disponible d'imagerie ou à travers les fenêtres
d'observation). Il peut alors être nécessaire de marquer physiquement l'échantillon à l'extérieur de la zone à
analyser (par exemple par traçage ou à l'aide d'un marqueur à encre permanente) de sorte que la localisation
de l'analyse puisse être retrouvée une fois que l'échantillon est à l'intérieur du système de vide. S'assurer que
la méthode de marquage de l'échantillon n'affecte pas les mesures ultérieures. Le traçage sur un matériau
fragile peut laisser des détritus indésirables sur l'échantillon qui peuvent être déposés dans l'instrument ou qui
peuvent affecter l'analyse. Les marqueurs à encre permanente peuvent contaminer les régions voisines par
transport de produits organiques volatils ou par diffusion en surface de résidus de solvants.
Des changements qui peuvent se produire pendant l'analyse peuvent influencer l'interprétation des données.
Après l'analyse, un examen visuel de l'échantillon est recommandé pour rechercher les effets possibles de la
pulvérisation par un faisceau d'ions, du bombardement par un faisceau d'électrons, de l'irradiation par les
rayons X, ou de l'exposition au vide instrumental.
7 Considérations sur l'échantillon
7.1 Historique
L'historique d'un échantillon peut affecter la manipulation de la surface avant l'analyse des surfaces. Par
exemple, un échantillon qui a été exposé à un environnement contaminant peut devenir moins réactif, et la
nécessité du point de vue analytique, d'un soin exceptionnel est alors réduite. Dans de tels cas toutefois, un
soin supplémentaire peut être requis pour satisfaire aux normes de santé et de sécurité. Une attention
particulière doit être prise avec les échantillons contenant des toxines potentielles.
Si un échantillon est connu comme étant contaminé, un nettoyage préalable peut être requis pour exposer la
surface étudiée et réduire le risque de contamination du système de vide. Dans de tels cas, il convient de
nettoyer l'échantillon avec un solvant de pureté appropriée qui n'est pas supposé affecter le matériau de
l'échantillon.
NOTE Même les solvants de pureté élevée peuvent laisser des résidus sur une surface. Plus de détails sur le nettoyage
avec des solvants sont donnés en 12.7. Dans certains cas, la contamination peut être intéressante, par exemple lorsqu'un
agent relâchant du silicone influence l'adhésion. Dans de tels cas, il est recommandé de ne pas tenter de nettoyage
préalable.
7.2 Information recherchée
L'information recherchée peut influencer la préparation d'un échantillon. Si l'information recherchée vient de la
surface extérieure d'un échantillon, un plus grand soin et davantage de précautions dans la préparation de
l'échantillon doivent être pris que si l'information recherchée est située au dessous d'une surcouche destinée à
être pulvérisée dans la chambre d'analyse. Il peut également être possible d'exposer la région de l'échantillon
étudiée par fracture in situ, clivage, ou par d'autres moyens.
7.3 Échantillons précédemment examinés par d'autres techniques analytiques
Il est préférable que les mesures d'analyse chimique des surfaces soient faites avant que l'échantillon soit
analysé par d'autres techniques parce que de tels échantillons peuvent être endommagés ou être exposés à
une contamination de surface. Par exemple, des échantillons isolants analysés par microscopie électronique
peuvent avoir été recouverts pour réduire l'effet de charge. En outre, l'exposition de l'échantillon à un faisceau
d'électrons (par exemple dans un microscope électronique à balayage) peut induire des dommages ou causer
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2 ISO 2005 – Tous droits réservés
l'adsorption en surface d'espèces provenant du vide résiduel. De tels revêtements ou modifications rendent
l'échantillon peu convenable pour une analyse chimique ultérieure des surfaces. S'il n'est pas possible de
réaliser l'analyse chimique des surfaces dans un premier temps, il convient d'effectuer une telle analyse sur un
échantillon ou une zone de l'échantillon différente, mais nominalement identique.
8 Sources de contamination de l'échantillon
8.1 Outils, gants, socles de montage, et matériaux similaires
Les échantillons destinés à une analyse chimique des surfaces doivent être préparés et montés avec des outils
propres pour s'assurer que la surface n'est pas altérée avant l'analyse et que les meilleures conditions de vide
sont maintenues dans la chambre d'analyse. Les outils utilisés pour manipuler les échantillons doivent être
constitués de matériaux qui ne migrent pas vers l'échantillon (par exemple des outils en nickel contaminent le
silicium). Il est recommandé de nettoyer les outils dans des solvants de pureté élevée et de les sécher avant
l'utilisation. Il convient d'utiliser des outils non magnétiques si l'échantillon est sensible aux champs
magnétiques. Les outils ne doivent pas inutilement toucher la surface de l'échantillon à analyser.
Des gants et des matériaux d'essuyage sont parfois utilisés pour manipuler les échantillons; il est alors
probable que leur utilisation puisse engendrer une contamination de la surface de l'échantillon. Il est
recommandé de prendre soin d'éviter une contamination par le talc, les composés de silicone, et autres
matériaux qui sont souvent trouvés sur les gants. Les gants «sans poudre» n'ont pas de talc et peuvent être
mieux appropriés pour manipuler les échantillons. Un contact inutile de l'échantillon avec un gant ou d'autres
outils doit être évité.
Les socles de montage de l'échantillon et les autres matériaux utilisés pour maintenir les échantillons doivent
être nettoyés régulièrement si une quelconque contamination croisée des échantillons est possible. Il convient
d'éviter d'utiliser des rubans contenant des silicones et d'autres espèces mobiles.
8.2 Exposition à des gaz
Le fait de respirer au-dessus de l'échantillon est susceptible de causer une contamination. Les gaz comprimés
issus des bombes aérosols ou des conduites d'air sont souvent utilisés pour essayer de souffler des particules
de la surface d'un échantillon ou pour tenter de nettoyer un échantillon. Ils doivent aussi être considérés comme
source de contamination possible. Bien que les particules soient éliminées des échantillons par ces méthodes,
la prudence est de mise et il est recommandé d'éviter ces méthodes dans les cas critiques. En particulier, l'huile
est souvent un contaminant dans les conduites d'air comprimé. Des filtres à particules montés en ligne peuvent
réduire la présence d'huile et de particules dans ces sources. Un courant de gaz peut également produire une
charge statique sur de nombreux échantillons, et ceci peut causer l'attraction d'encore plus de débris
particulaires. L'utilisation d'une buse ionisante sur le courant de gaz peut éliminer ce problème.
8.3 Exposition au vide instrumental
Les échantillons qui étaient en équilibre avec l'environnement ambiant avant l'insertion dans la chambre à vide
de l'instrument d'analyse des surfaces peuvent désorber des espèces de surface telles que la vapeur d'eau,
des plastifiants, ou d'autres composants volatils. La désorption de telles espèces peut causer une
contamination croisée des échantillons adjacents et peut faire augmenter la pression de la chambre à vide. La
désorption en surface peut également causer des changements de la chimie de surface de l'échantillon étudié.
Les gaz résiduels dans la chambre peuvent s'adsorber sur la surface de l'échantillon et réagir avec l'échantillon.
Les effets indésirables peuvent être testés en contrôlant les signaux de l'échantillon en fonction du temps, par
exemple en mettant en place le système pour un profil en profondeur par pulvérisation mais ensuite en ne
mettant pas en marche le canon à ions. Si des changements des signaux analytiques sont observés, alors
l'interprétation des résultats doit tenir compte de l'observation d'une surface altérée (par exemple due à la
désorption d'espèces de surface). Il convient de prendre soin de tenir compte de toutes fluctuations ou dérives
de l'intensité du faisceau incident.
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ISO 2005 – Tous droits réservés 3
8.4 Exposition aux électrons, aux ions, et aux rayons X
[3], [4] [5]
Le flux d'électrons incidents en AES , le flux d'ions en SIMS et, dans une moindre mesure, le flux de
[6]
rayons X en XPS peuvent induire des changements au niveau de l'échantillon analysé, par exemple en
engendrant des réactions amplifiées entre la surface d'un échantillon et les gaz résiduels dans la chambre
d'analyse. Le flux incident peut également localement chauffer ou dégrader l'échantillon, ou les deux, résultant
en un changement de la chimie de surface et éventuellement en une élévation de la pression de la chambre ou
une contamination de la chambre. Les effets non désirés peuvent être testés en mettant en place le système
pour un profil en profondeur par pulvérisation mais en ne mettant pas en marche le canon à ions comme décrit
en 8.3.
Les faisceaux d'ions incidents utilisés pendant les profils en profondeur en AES, SIMS et XPS non seulement
érodent la surface étudiée mais peuvent également affecter les surfaces voisines. Ces effets peuvent être
provoqués par une mauvaise focalisation du faisceau d'ions primaires et par l'impact de neutres issus du
faisceau d'ions primaires. Les zones adjacentes à une région bombardée par des ions peuvent ne pas convenir
à une analyse ultérieure par des méthodes d'analyse des surfaces. Dans certains cas, le matériau pulvérisé
peut être déposé sur des régions voisines de l'échantillon ou sur d'autres échantillons qui peuvent être
entreposés dans la chambre d'analyse.
8.5 Contamination de la chambre d'analyse
Il convient que l'analyste soit averti des matériaux pouvant mener à une contamination des autres échantillons
ou de la chambre d'analyse. Il est recommandé d'analyser avec prudence les éléments à forte pression de
vapeur tels que le mercure, le tellurium, le césium, le potassium, le sodium, l'arsenic, l'iode, le zinc, le sélénium,
le phosphore, et le soufre. De nombreux autres matériaux peuvent également montrer des pressions de vapeur
élevées (par exemple des polymères, des mousses et d'autres matériaux poreux, des graisses et des huiles, et
des liquides). Même si un échantillon non perturbé vérifie les conditions de vide de la chambre d'analyse, le
faisceau incident requis pour l'analyse peut dégrader l'échantillon et résulter en une contamination sérieuse de
la chambre, comme décrit en 8.4.
La contamination de l'échantillon par diffusion de surface peut être un problème, particulièrement avec les
[7]
composés de silicone et les hydrocarbures. Il est possible d'avoir d'excellentes conditions de vide dans la
chambre d'analyse et de toujours rencontrer une contamination par diffusion de surface.
En SIMS, des atomes pulvérisés déposés sur la lentille d'extraction des ions secondaires ou d'autres surfaces
voisines peuvent être pulvérisés à nouveau et redéposés sur la surface de l'échantillon. Cet effet peut être
réduit si la lentille d'extraction des ions secondaires ou d'autres surfaces ne sont pas proches de l'échantillon.
L'utilisation de lentilles d'immersion multiples ou le nettoyage de la lentille peut aider à réduire cet effet.
L'ordre d'utilisation des faisceaux incidents peut être important, particulièrement lorsque des matériaux
organiques ou d'autres matériaux fragiles sont mis en jeu (comme ceux mentionnés en 14.1).
9 Stockage et transfert de l'échantillon
9.1 Temps de stockage
Si un échantillon est stocké avant analyse, il convient de prendre soin de s'assurer que la surface à analyser n'a
pas été contaminée pendant le stockage. Même dans des environnements de laboratoire propres, les surfaces
peuvent rapidement devenir contaminées à la profondeur analysée en AES, XPS, SIMS, et d'autres techniques
analytiques sensibles aux surfaces.
9.2 Récipients de stockage
Les récipients choisis pour le stockage de l'échantillon ne doivent pas transférer de contaminants à l'échantillon
par l'intermédiaire de particules, de liquides, de gaz, ou par diffusion de surface. Les récipients qui contiennent
des espèces volatiles telles que des plastifiants (qui peuvent être émis et ensuite contaminer la surface) ne
conviennent pas. Il est préférable que la surface de l'échantillon à analyser ne soit pas en contact avec le
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4 ISO 2005 – Tous droits réservés
récipient ou aucun autre objet. Les fioles en verre avec un diamètre intérieur légèrement plus grand que la
largeur d'un échantillon peuvent tenir un échantillon sans contact avec la surface. Lorsque le contact avec la
surface est inévitable, un emballage dans du papier d'aluminium propre et analysé au préalable peut être
satisfaisant.
Les récipients tels que les boîtes à gants, les chambres à vide et les dessiccateurs peuvent être d'excellents
choix pour le stockage des échantillons. Un dessiccateur sous vide peut souvent être préférable à un
dessiccateur normal, et doit être maintenu exempt de graisse et d'huile de pompe à palette.
NOTE Une contamination croisée entre les échantillons peut se produire si plusieurs échantillons sont stockés dans le
même récipient.
9.3 Température et humidité
Il convient de considérer des effets possibles de la température et de l'humidité lors du stockage ou du transfert
des échantillons. La plupart des effets néfastes résultent de températures élevées. De plus, des températures
basses de l'échantillon et un taux d'humidité élevé à modéré peuvent conduire à une condensation d'humidité
sur la surface.
9.4 Transfert de l'échantillon
Des chambres spécialement conçues qui permettent le transfert des échantillons d'un environnement contrôlé
[8], [9]
dans une chambre d'analyse des surfaces ont été décrites . L'environnement contrôlé peut être une autre
chambre à vide, une boîte à gants (boîte sèche), un sac à gants, une chambre de réaction, ou une chambre de
déposition. Cet environnement contrôlé peut être relié directement à la chambre d'analyse, le transfert étant fait
par l'intermédiaire d'une valve permanente. Les sacs à gants peuvent être temporairement reliés à une
chambre d'analyse, l'échantillon étant transféré par enlèvement et ensuite replacement d'une bride sur la
chambre d'analyse.
Des revêtements peuvent parfois être appliqués sur les échantillons, permettant de ce fait le transfert sous
l'atmosphère. Le revêtement est ensuite éliminé par chauffage ou par pompage sous vide dans la chambre
d'analyse ou bien dans sa chambre d'introduction. Ce concept a été appliqué avec succès au transfert de
[10]
GaAs . Les surfaces à analyser par AES et SIMS peuvent être recouvertes d'une couche uniforme, telle que
[11]
du polysilicium dans le cas de la technologie à base de silicium . Dans ce cas, le revêtement est éliminé par
pulvérisation pendant l'analyse; cependant, l'influence du mixage d'atomes sur les résultats analytiques doit
être considérée.
10 Procédures de montage de l'échantillon
10.1 Procédures générales
L'échantillon est souvent analysé tel quel. La contamination de surface ou les adsorbants atmosphériques ne
sont habituellement pas éliminés en raison de l'importance d'analyser une surface d'échantillon non altérée.
Dans de tels cas, monter l'échantillon directement sur le support d'échantillon avec un clip ou une vis. Ce
procédé est particulièrement important en AES si la charge de l'échantillon est un souci; le clip peut aider à
fournir un chemin de mise à la terre. Il convient de s'assurer que le clip ou la vis ne sont pas en contact avec la
zone étudiée et qu'ils n'interfèrent pas avec le faisceau incident ou les particules à détecter pendant l'analyse.
Pour certains échantillons, il est plus facile de monter l'échantillon en le pressant dans une feuille de métal mou
(indium par exemple) ou en le plaçant sur la surface collante d'une bande adhésive. La feuille ou la bande sont
ensuite fixées au socle de montage de l'échantillon. Une bande double face présente l'avantage de ne pas
nécessiter de clip ou de vis pour la maintenir sur le socle de montage. Il convient de prendre soin de s'assurer
que la surface à analyser n'entre pas en contact avec la feuille ou la bande. Il est recommandé de tester au
préalable la compatibilité au vide et la contamination potentielle de toute la bande. Ces méthodes sont souvent
satisfaisantes pour l'XPS et dans certaines études en AES et en SIMS statique, mais elles ne sont pas souvent
utilisées en SIMS dynamique là où les flux de particules sont plus importants.
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ISO 2005 – Tous droits réservés 5
10.2 Poudres et particules
Il est souvent plus facile d'analyser des poudres et des particules si elles peuvent être placées sur un substrat
conducteur. Une feuille d'indium est souvent utilisée parce qu'elle est molle à température ambiante et les
poudres ou les particules peuvent être en partie incrustées dans la feuille. Des feuilles d'aluminium, de cuivre
ou d'un autre métal peuvent également être utilisées à cette fin, bien que seulement un faible pourcentage de
la poudre ou des particules puisse y adhérer. Pour l'XPS, les poudres peuvent être placées sur la face collante
d'une bande adhésive. Une bande métallisée est habituellement le mieux; elle peut satisfaire aux exigences de
vide de la plupart des systèmes XPS. Si une bande quelconque doit être utilisée, il est recommandé de tester
au préalable sa compatibilité au vide et sa contamination potentielle vers l'échantillon. Des particules peuvent
parfois être transférées sur un substrat approprié en travaillant sous microscope et en utilisant une aiguille
pointue. Des particules non solubles peuvent parfois être mises en suspension dans des solvants et recueillies
sur des filtres conducteurs. Des particules peuvent également être transférées sur une bande adhésive ou une
réplique.
De nombreuses poudres peuvent être façonnées en pastilles sans utiliser d'agent facilitant le frittage.
Alternativement, la compression de la poudre dans un dispositif tel que celui utilisé pour la préparation des
disques de bromure de potassium pour la spectroscopie infrarouge peut être utilisée. La surface résultante est
ensuite doucement abrasée avec une lame de scalpel propre avant d'être utilisée. L'utilisation de pastilles peut
être une excellente approche pour l'XPS mais conduit souvent à la charge de l'échantillon en AES et en SIMS.
Certains échantillons peuvent être modifiés, cependant, par des changements induits par la pression ou la
température pendant la préparation de la pastille.
10.3 Fils, fibres, et filaments
Les fils, les fibres, et les filaments peuvent avoir des dimensions suffisamment petites de sorte qu'il n'est pas
possible que le faisceau primaire reste seulement sur l'échantillon pendant l'analyse. Par conséquent, les
spectres enregistrés contiennent des contributions du matériau sur lequel les échantillons sont montés. Dans
de tels cas, il peut être possible de monter l'échantillon de sorte que le signal non désiré soit minimisé ou que
le matériau de montage soit hors d'atteinte; par exemple l'échantillon peut être monté au-dessus d'un trou.
Alternativement, de nombreux fils, fibres et filaments peuvent également être placés côte à côte ou mis
ensemble pour remplir le champ visuel de l'instrument analytique. Dans certains cas, ces échantillons peuvent
être montés de la même manière que les poudres et les particules, comme décrit en 10.2.
10.4 Support de montage
Pour certains instruments analytiques, particulièrement ceux ayant de larges zones d'analyse, il est possible de
monter l'échantillon sur un piédestal de sorte que seul l'échantillon soit vu par l'analyseur. Cette approche peut
permettre l'analyse d'échantillons qui sont plus petits que la zone d'analyse.
10.5 Réduction des dommages thermiques pendant l'analyse
Afin de réduire les dommages thermiques des échantillons pendant une analyse des surfaces, les échantillons
peuvent être montés sur une sonde refroidie ou un socle de montage refroidi par un flux de liquides ou de gaz
à une température désirée. Le bon contact thermique entre l'échantillon et le système de montage est
important. Certains échantillons, tels que les poudres, tirent avantage d'être compactés en pastilles,
augmentant de ce fait la dissipation thermique. L'emballage d'un échantillon dans une feuille métallique peut
apporter des avantages dans certains cas. Comme discuté en 11.4.2 et en 11.4.3, une réduction de l'énergie
dissipée dans l'échantillon peut également être profitable, mais ceci peut conduire à des temps d'acquisition
des données plus longs.
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11 Méthodes pour réduire la charge de l'échantillon
11.1 Considérations générales
La charge de l'échantillon peut être un problème sérieux dans le cas d'échantillons faiblement conducteurs. Le
phénomène de charge est habituellement plus important pour des faisceaux d'électrons ou d'ions incidents que
pour un faisceau de rayons X incidents. En XPS, la charge est habituellement plus importante pour un faisceau
de rayonsX monochromatique focalisé que pour un faisceau diffus ou pour des rayonsX non
monochromatiques. Si la surface est hétérogène ou si le rayon incident est focalisé, la quantité de charge peut
différer à travers la zone d'analyse.
11.2 Masque, grille, enveloppe, ou revêtement conducteurs
Un masque, une grille, une enveloppe ou le revêtement par un matériau conducteur peuvent être utilisés pour
couvrir les échantillons isolants et pour faire un contact à la terre aussi proche que possible de la zone qui doit
[12]
être analysée. Une grille peut également être suspendue légèrement au-dessus d'une surface . Des
enveloppes de feuilles métalliques sont utilisées à des fins identiques. En AES, il peut être important de couvrir
les zones isolantes de l'échantillon qui ne sont pas dans la zone immédiate d'analyse pour éviter une
accumulation trop grande de charges (par les électrons et des ions diffusés) qui pourrait dévier le faisceau
primaire d'électrons ou perturber l'analyse. Si la pulvérisation est utilisée conjointement avec un masque, une
grille ou une enveloppe, il convient de prendre soin de s'assurer que la matériau de revêtement n'est pas
[13]
pulvérisé sur la zone d'analyse. Des grilles démontables ont été décrites telles que la grille est déplacée
tandis que le canon à ions est en marche et ensuite retournée pendant l'analyse. Des matériaux tels que de
l'argent colloïdal, de l'argent époxy ou du graphite colloïdal peuvent être utilisés pour fournir une zone
conductrice allant du voisinage du point d'analyse à la terre; cependant, prendre garde à ce que le dégazage
du solvant ne pose aucun problème. Enduire un échantillon d'une couche mince conductrice et ultérieurement
éliminer le revêtement par pulvérisation peut être utile, mais l'information concernant la couche la plus externe
de l'échantillon est généralement perdue. Cette approche peut être utile pour le profil en profondeur par
pulvérisation bien que la charge puisse réapparaître si les parois du cratère restent électriquement isolantes.
Des combinaisons de revêtements et de masques ou d'enveloppes peuvent être utiles.
11.3 Canon de neutralisation
En XPS, les électrons de faible énergie d'un filament voisin peuvent être utiles pour réduire la charge des
échantillons non conducteurs. Le matériau constituant la fenêtre d'une source conventionnelle de rayons X peut
également agir en tant que source d'électrons et réduire la charge. En SIMS, la localisation relative des
optiques électronique et ionique peut influer sur les phénomènes de charge lors de l'analyse des
[14], [15]
isolants . Le profil en profondeur en SIMS avec ions positifs nécessite l'utilisation d'un faisceau
d'électrons focalisé avec une densité de courant identique ou supérieure au faisceau d'ions. Des faisceaux
primaires d'ions négatifs peuvent être utilisés.
11.4 Faisceaux d'électrons et d'ions
11.4.1 Angle d'incidence du faisceau primaire en AES
Le coefficient d'émission des électrons secondaires et la densité de courant du faisceau incident sont fonctions
de l'angle d'incidence du faisceau d'électrons primaires. Des angles d'incidence rasante augmentent le
coefficient d'émission des électrons secondaires et sont, donc, généralement meilleurs pour la réduction du
[16]-[18]
phénomène de charge pendant l'analyse AES d'échantillons plats .
11.4.2 Énergie du faisceau primaire en AES et en SIMS
Le coefficient d'émission des électrons secondaires est également fonction de l'énergie du faisceau d'électrons
primaires en AES. Il est généralement préférable de choisir une énergie primaire donnant un coefficient
d'émission des électrons secondaires supérieur à 1 pour réduire la charge de l'échantillon. Pour des
échantillons multicouches, il peut être possible d'obtenir une charge réduite en augmentant l'énergie du
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faisceau d'électrons incidents de sorte que la pénétration se fasse au niveau d'une couche conductrice sous la
couche analysée. Une neutralisation des charges peut se produire si la couche conductrice est reliée à la terre.
[14]
En SIMS, l'énergie des ions incidents affecte la charge de l'échantillon .
11.4.3 Densité de courant du faisceau primaire en AES et en SIMS
La charge de l'échantillon peut être réduite en diminuant la densité de courant du faisceau primaire d'électrons
ou d'ions en AES et en SIMS. La réduction de la densité de courant peut être réalisée en réduisant le courant
total, en défocalisant le faisceau, en balayant le faisceau au-dessus d'une partie de la surface de l'échantillon,
ou en changeant l'angle d'incidence.
11.4.4 Faisceaux d'électrons et d'ions combinés en AES
Si un échantillon présente une profondeur homogène, la charge dans une analyse AES peut parfois être réduite
en pulvérisant l'échantillon avec des ions positifs au cours d'une analyse. La charge positive de ces ions va
partiellement neutraliser la charge négative généralement créée par le faisceau d'électrons primaires. Les
changements de la composition de la surface induits par le faisceau ionique doivent être considérés, comme
mentionné en 12.9.
12 Techniques de préparation de l'échantillon
12.1 Considérations générales
Souvent la surface ou l'interface à étudier se trouve sous une couche de contaminants ou de tout autre
matériau. Cette surcouche doit souvent être éliminée sans perturber la surface ou l'interface à étudier.
Pour les composants électroniques, des informations supplémentaires concernant la préparation des
[19]
échantillons sont disponibles .
12.2 Séparation mécanique
Il est parfois possible de séparer mécaniquement les couches et d'exposer la surface à étudier, comme décrit à
l'Article 13. À l'exception de réactions possibles avec l'atmosphère, une surface exposée de cette façon est
généralement appropriée pour l'analyse. Des couches déstratifiées et les surfaces internes de structures de
type alvéolé sont souvent étudiées de cette manière. Le profil en profondeur par pulvérisation n'est
généralement pas une bonne méthode à utiliser sur des structures de type alvéolé car, lorsque l'enveloppe
externe est traversée par le faisceau d'ions, les données peuvent devenir dominées par des artefacts. Il
convient d'effectuer la séparation mécanique juste avant le transfert de l'échantillon
...
Questions, Comments and Discussion
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