ISO 29081:2010
(Main)Surface chemical analysis — Auger electron spectroscopy — Reporting of methods used for charge control and charge correction
Surface chemical analysis — Auger electron spectroscopy — Reporting of methods used for charge control and charge correction
ISO 29081:2010 specifies the minimum amount of information required for describing the methods of charge control in measurements of Auger electron transitions from insulating specimens by electron-stimulated Auger electron spectroscopy and to be reported with the analytical results. Information is provided in Annex A on methods that have been found useful for charge control prior to or during AES analysis. This annex also contains a table summarizing the methods or approaches, ordered by simplicity of approach. Some methods will be applicable to most instruments, others require special hardware, others might involve remounting the specimen or changing it. A similar International Standard has been published for X‑ray photoelectron spectroscopy (ISO 19318).
Analyse chimique des surfaces — Spectroscopie des électrons Auger — Indication des méthodes mises en oeuvre pour le contrôle et la correction de la charge
L'ISO 29081:2010 spécifie la quantité minimale d'informations requise pour décrire les méthodes de contrôle de charge dans les mesures des transitions d'électrons Auger à partir d'échantillons isolants par spectroscopie des électrons Auger stimulée par des électrons et à consigner avec les résultats analytiques. Les informations sur les méthodes qui se sont avérées utiles pour le contrôle de charge avant ou au cours de l'analyse par AES sont fournies en Annexe A. L'annexe contient également un tableau récapitulatif des méthodes ou des approches, classées par simplicité d'approche. Certaines méthodes sont applicables à la plupart des instruments, d'autres nécessitent un matériel spécial, d'autres peuvent impliquer de remonter l'échantillon ou de changer d'échantillon. Une Norme internationale analogue a été publiée pour la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (ISO 19318).
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 29081
First edition
2010-02-15
Surface chemical analysis — Auger
electron spectroscopy — Reporting of
methods used for charge control and
charge correction
Analyse chimique des surfaces — Spectroscopie des électrons
Auger — Indication des méthodes mises en œuvre pour le contrôle et la
correction de la charge
Reference number
©
ISO 2010
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ii © ISO 2010 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and abbreviated terms .1
5 Apparatus.2
5.1 Charge-control technique.2
5.2 Special apparatus.2
5.3 Specimen mounting and preparation.3
5.4 Instrument calibration.3
6 Reporting of information related to charge control.3
6.1 Methods of charge control .3
6.2 Reasons for needing charge control and choice of method .3
6.3 Specimen information.3
6.3.1 Specimen form.3
6.3.2 Specimen dimensions.4
6.3.3 Specimen-mounting methods.4
6.3.4 Specimen treatment prior to or during analysis .4
6.4 Values of experimental parameters.4
6.5 Information on the effectiveness of methods of charge control.4
7 Reporting of method(s) used for charge correction and the value of that correction.5
7.1 Methods of charge correction.5
7.2 Approach.5
7.3 Value of correction energy .5
Annex A (informative) Description of methods of charge control for Auger electron spectroscopy.6
A.1 Introduction.6
A.2 Hierarchical table of methods for reducing charging.7
A.3 Methods for minimizing charging during AES .9
A.3.1 Introduction.9
A.3.2 Decreasing specimen resistivity.9
A.3.3 Decreasing the insulator thickness (or effective insulator thickness) .9
A.3.4 Reducing the current density, limiting primary-electron dose and using additional current
sources.11
A.3.5 Optimizing the total secondary-electron emission yield.12
A.4 Considerations for highly non-uniform specimens, fibres and particles and the use of
sputter depth profiling .14
A.4.1 Introduction.14
A.4.2 Dealing with rough surfaces, particles, fibres and other non-uniform specimens.14
A.4.3 Sputter depth profiling.14
A.5 General considerations concerning charge build-up during AES .15
A.5.1 Introduction.15
A.5.2 Resistivity, capacitance and surface potential .15
A.5.3 Total secondary-electron yield and surface potential .17
A.5.4 Charge transport and accumulation below the surface, time-dependent charge
accumulation and specimen damage.20
Bibliography.21
Foreword
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(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
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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 29081 was prepared by Technical Committee ISO/TC 201, Surface chemical analysis, Subcommittee
SC 5, Auger electron spectroscopy.
iv © ISO 2010 – All rights reserved
Introduction
Auger electron spectroscopy (AES) is widely used for characterization of surfaces of materials. Elements in
the sample (with the exception of hydrogen and helium) are identified from comparisons of Auger transition
energies, determined from measured Auger spectra, with tabulations of these energies for the various
elements. Although Auger electrons are observed during X-ray irradiation of specimens (X-ray photoelectron
spectroscopy), AES, as used in this document, is associated with electron irradiation of a specimen. Because
the incident electron beam can be focused to sizes approximating 10 nm, AES is an important tool for
characterization of small surface features and of nanostructured materials. Information on the elements
present, and sometimes the chemical state of the detected elements, can frequently be obtained from
[43]
examination of the line shape and energies of the peaks (see ISO/TR 18394 ). Reliable determination of
elements present requires appropriate calibration of the energy scale (as described in ISO 17973 and
ISO 17974).
The surface potential of an insulating specimen may change during an AES measurement due to the build-up
of surface and near-surface electrical charge, and this charge can shift the energy of Auger electrons, thus
complicating elemental (and chemical state) identification, especially when a negative surface potential moves
the Auger spectrum above the energy interval selected by the electron analyser. The build-up of surface
potential can also move the location of the electron beam, effectively shifting the region on the specimen or
even off the specimen that is being analysed. Similar changes occur for metals during electron irradiation if
they are not connected to ground. This would occur, for example, if small metal particles are incorporated in
an insulating matrix. Depending on the secondary-electron yield, the surface potential may shift positively or
negatively. In some circumstances, these two shifts (energy and position) create an unstable feedback system,
rendering the collection of AES spectra nearly impossible. In addition to changes in the Auger-electron peak
energy and intensity, the specimen surface composition might be altered (specimen damage) directly by the
incident electron beam or due to electric-field-induced diffusion when a field is set up in the surface region of
the specimen. A variety of methods and approaches have been developed to control and minimize charging
effects in AES. The application of a particular method can be highly dependent on the details of the instrument
being used, the size and shape of the specimen being examined, the specimen morphology and composition,
and the information to be collected. Although the build-up of surface charge can complicate analysis, in some
circumstances it can also be used creatively as a tool to gain information about the specimen.
The amount of induced charge near the surface, its distribution across the specimen surface, and its
dependence on experimental conditions are determined by many factors, including those associated with the
[1]
specimen and the characteristics of the spectrometer. Charge build-up is a well-studied three-dimensional
phenomenon that occurs along the specimen surface and into the material. Charge build-up may also occur at
phase boundaries or interface regions within the depth of a specimen that is irradiated by electrons. Some
specimens undergo time-dependent changes in charge build-up due to charge trapping, chemical changes or
component diffusion or volatilization induced by heating or by incident or secondary electrons. Such
specimens may never achieve steady-state potentials.
There is, at present, no universally applicable method or set of methods for charge control or for charge
[2],[3]
correction in AES . This International Standard specifies the information that has to be provided to
document the method of charge control during data acquisition and/or the method of charge correction during
data analysis of insulating specimens. Information is given in Annex A on common methods for charge control
that can be useful for many applications. The particular charge-control method that may be chosen in practice
depends on the type of specimen (e.g. powder, thin film or thick specimen), the nature of the instrumentation,
the size of the specimen and the extent to which the specimen surface might be modified by a particular
procedure. To assist an analyst, a summary table lists the common charge-control methods in approximate
order of simplicity of application.
This International Standard has two main areas of application. First, it identifies information on methods of
charge control and/or charge correction to be included in reports of AES measurements (e.g. from an analyst
to a customer or in publications) in order to evaluate and reproduce data on insulating materials and to ensure
that measurements on similar materials can be meaningfully compared. Second, adherence to the
International Standard will enable published AES spectra to be used with confidence by other analysts.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 29081:2010(E)
Surface chemical analysis — Auger electron spectroscopy —
Reporting of methods used for charge control and charge
correction
1 Scope
This International Standard specifies the minimum amount of information required for describing the methods
of charge control in measurements of Auger electron transitions from insulating specimens by electron-
stimulated Auger electron spectroscopy and to be reported with the analytical results. Information is provided
in Annex A on methods that have been found useful for charge control prior to or during AES analysis. This
annex also contains a table summarizing the methods or approaches, ordered by simplicity of approach.
Some methods will be applicable to most instruments, others require special hardware, others might involve
remounting the specimen or changing it. A similar International Standard has been published for X-ray
[44]
photoelectron spectroscopy (ISO 19318 ).
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 17973, Surface chemical analysis — Medium-resolution Auger electron spectrometers — Calibration of
energy scales for elemental analysis
ISO 17974, Surface chemical analysis — High-resolution Auger electron spectrometers — Calibration of
energy scales for elemental and chemical-state analysis
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
E primary-electron energy, in keV
p
E energy at which the TSEEY is a maximum
p(max)
E energy at which the secondary-electron emission yield rises above unity
p1
E energy at which the secondary-electron emission yield drops below unity
p2
c
E energy at which the range of the incident electrons is approximately equal to the maximum escape
p2
depth of the secondary electrons
FIB focused ion beam
FWHM full width at half maximum, in eV
I primary-electron current
p
I secondary-electron current
s
j current density of the primary-electron beam on the specimen surface
p
KE corrected kinetic energy, in eV
corr
KE measured kinetic energy, in eV
meas
KE reference kinetic energy, in eV
ref
N charging index
R range of primary electrons
SEM scanning electron microscopy
t electron irradiation time
TSEEY total secondary-electron emission yield
U surface potential
s
V electron interaction volume
e
z specimen thickness
ρ electrical resistivity of the specimen
σ total secondary-electron yield
θ angle of incidence of primary-electron beam on the specimen with respect to the surface normal, in
degrees
∆ correction energy, to be added to measured Auger electron energies for charge correction, in eV
corr
5 Apparatus
5.1 Charge-control technique
One or more of the charge-control techniques described in Clause A.3 may be employed in most AES
spectrometers. The AES instrument shall be operated in accordance with the manufacturer's or other
documented procedures.
5.2 Special apparatus
Some of the techniques outlined in Clause A.3 require special apparatus, such as a low-energy ion source or
a source for evaporative deposition of gold. Some of the referenced items may be the subject of patent rights
for specific vendors. Mention of them here is for convenience and does not represent an endorsement by ISO
or a member body.
2 © ISO 2010 – All rights reserved
5.3 Specimen mounting and preparation
[3],[4]
Certain specimen-mounting procedures, such as mounting the specimen under a fine metal mesh , can
enhance electrical contact of the specimen with the specimen holder or reduce the amount of surface charge
build-up. This and other methods of specimen mounting to reduce static charge are described in detail in
[5] [42] [4] [6]
ISO 18116 and ISO 18117 (and in ASTM E1078 and ASTM E1829 .
5.4 Instrument calibration
The kinetic-energy scale of the Auger electron spectrometer shall be calibrated using ISO 17973 or
ISO 17974 or another documented method before using this International Standard.
6 Reporting of information related to charge control
6.1 Methods of charge control
Many of the methods commonly used to control the surface potential and to minimize surface charging are
described in Clause A.3. Information on reasons for charge control, choice of a charge-control method, and
critical specimen and experimental conditions, as described in 6.2, 6.3 and 6.4, shall be reported (or
referenced) for individual specimens or collections of similar specimens.
6.2 Reasons for needing charge control and choice of method
The reasons for needing charge control and for choosing a particular method shall be reported.
EXAMPLE 1 The specimen was an insulating film deposited on a conducting substrate. By using an electron primary-
beam energy above 10 keV, no specimen charging was observed.
EXAMPLE 2 Experience with similar specimens indicated that charging was likely. To minimize charging, the
specimens were mounted under a conducting aperture and beam energies below 3 keV were used. The current was
adjusted until the AES spectra obtained were reproducible and stable.
EXAMPLE 3 Spectra recorded initially without any charge control showed peak shifting and broadening. Placing a
grounded fine-mesh grid above the specimen minimized these problems. Repeated analyses showed that changes in
specimen composition due to charge build-up were below 10 % if the total electron dose was below 1 000 C/m .
If the components used for charge control are not standard for the AES instrument, information on the
manufacturer or on the relevant design characteristics shall be provided or referenced.
NOTE A specimen does not need to be a good conductor for routine AES analysis to be accomplished without
charging problems. Although it is important to be aware of potential charging issues, experimental verification that they are
present is useful before great effort is spent minimizing possible difficulties.
6.3 Specimen information
6.3.1 Specimen form
The form of the specimen shall be reported. The physical nature, source, preparation method and structure of
[1],[2],[3]
a specimen can influence its charging behaviour .
EXAMPLE 1 Powder.
EXAMPLE 2 Thin film spin-cast on silicon.
EXAMPLE 3 Macroscopic mineral specimen.
6.3.2 Specimen dimensions
The size, shape and surface roughness of a specimen can have a significant effect on the extent of specimen
charging. The shape of the specimen shall be reported, together with approximate values of the dimensions of
the specimen or of any relevant specimen features (e.g. particle diameters, surface roughness).
6.3.3 Specimen-mounting methods
[1]
Specimen mounting and contact with the specimen holder can significantly impact charging . The method by
which a specimen is mounted, including information about special methods used to increase conductivity or
isolate a specimen from ground, shall be reported.
EXAMPLE 1 Powder specimen pressed into foil, which was attached to the specimen holder by conducting tape.
EXAMPLE 2 1 ml of solution containing nanoparticles was deposited on a silicon substrate and dried prior to analysis.
EXAMPLE 3 Specimen held to holder using conductive adhesive tape (with manufacturer and type of tape specified).
EXAMPLE 4 Corroded specimen held on specimen holder by metal screw.
EXAMPLE 5 Mineral specimen and conducting aperture mounted using metal screw.
EXAMPLE 6 Specimen mounted with the primary-electron beam at glancing incidence on the specimen surface.
6.3.4 Specimen treatment prior to or during analysis
Any specimen treatment prior to or during analysis, including any physical or chemical treatment that could
affect charging of the specimen during AES measurements, shall be reported.
NOTE Such treatment of the specimen can modify the surface composition as well as the electrical conductivity, and
hence charging, of the surface region.
6.4 Values of experimental parameters
Values of parameters used for AES measurements and charge control, including beam parameters (energy,
nominal incident current, beam size, raster area on the specimen, angle of incidence on the specimen),
irradiation time of the specimen during set-up and AES measurements, and operating parameters of ancillary
components such as a low-energy ion gun shall be recorded (or referenced).
EXAMPLE A focused electron beam with energy of 10 keV and 1 nA current at 45° incidence to the specimen
normal, rastered over an area of 200 nm by 200 nm, was used for the analysis.
6.5 Information on the effectiveness of methods of charge control
The adequacy of the charge-control method(s) used for the type of analysis being conducted shall be
established. Auger line peak positions (or peak widths) with and without a method of charge control provide
one way of determining the adequacy of the charge-control method. In some cases, the ability to determine
that the AES lines are within 5 eV of the expected value and that the relative peak amplitudes are stable might
be satisfactory.
EXAMPLE 1 The AES peak positions were within 5 eV of the nominal values and the peak shapes were both similar to
reference data and stable on repeated scans.
EXAMPLE 2 Repeated measurements in new areas demonstrated consistent agreement regarding peak shape and
relative intensity.
It is recommended that specimens be examined for the presence or absence of specimen damage and that
the results be recorded.
4 © ISO 2010 – All rights reserved
7 Reporting of method(s) used for charge correction and the value of that
correction
7.1 Methods of charge correction
In many cases, the methods used to control charge eliminate the need for further correction of the Auger peak
energies. If a method of charge correction is applied to AES data, the following critical specimen and
experimental parameters shall be reported.
7.2 Approach
Any method for correcting the measured kinetic energy of the Auger peaks for charging effects shall be
specified in sufficient detail so that the method can be reproduced and its effectiveness judged.
7.3 Value of correction energy
Information shall be given on the magnitude of the correction energy ∆ for each spectrum and how this
corr
correction energy was determined. The corrected kinetic energies and the values of the reference energies
shall be reported.
The correction energy ∆ is determined by taking the difference between the measured kinetic energy of a
corr
reference line KE and the accepted or reference value for this kinetic energy KE , using the following
meas ref
relation:
∆ = KE − KE (1)
corr ref meas
The corrected kinetic energy for another Auger peak in the same spectrum KE can then be found from the
corr
sum of the measured kinetic energy for that peak KE and the correction energy:
meas
KE = KE + ∆ (2)
corr meas corr
NOTE Equations (1) and (2) apply only when charge compensation has adequately removed differential charging
effects.
Annex A
(informative)
Description of methods of charge control for Auger electron
spectroscopy
A.1 Introduction
In this annex, methods used to minimize or control changes in surface potential during electron-stimulated
Auger electron spectroscopy are briefly described. The methods and approaches are dependent on the types
of instrumentation available and the types of specimen being examined. To assist analysts in dealing with
charging in AES, Table A.1 lists approaches in the approximate order that they might be attempted. In any
laboratory, the precise order will depend on the facilities available and experience in the particular application.
Short descriptions and references to the approaches in Table A.1 are provided in Clause A.3. Specific issues
that might arise for non-uniform specimens and during sputter profiling, and some approaches for dealing with
them, are discussed in Clause A.4. A short background to general physical considerations of charge build-up
during AES analysis is provided in Clause A.5, which outlines a conceptual framework for the issues that arise
for different types of specimen. It must be noted that, although specimen charging can be a complication to
analysis, it can be used to obtain information about the properties of a specimen or regions of a specimen.
A major strength of AES is the high spatial resolution (in three dimensions) available for chemical analysis.
However, along with the generation of Auger electron peaks, the electron beam used for AES can alter the
electrical potential of the specimen by introducing charge at the surface and in the near-surface region of
insulating materials and might initiate several processes that can change or damage the specimen. The
amount and distribution of surface and near-surface charge for a specific experimental system (instrument
and specimen) are determined by many factors, including the electron-beam energy, current density and
angle of incidence of the beam on the specimen, specimen composition, specimen homogeneity, surface
contamination, magnitude of bulk and surface conductivities, surface topography, vacuum environment and
availability of neutralizing low-energy electrons or ions. Charge build-up occurs along the specimen surface
[1]
and into the material . The presence of particles on, or of different phases in, the specimen surface may
result in an uneven distribution of charge across the surface, a phenomenon known as differential charging.
Charge build-up can also occur at phase boundaries or interface regions within the specimen. Many insulating
specimens undergo time-dependent changes in the amount of charging because of charge build-up within the
material or because of chemical and physical changes induced by primary or secondary electrons (including
[2],[3] [7]
electron-stimulated desorption , electron-induced sputtering and electron-induced adsorption) or
specimen heating.
Many different factors, including the specimen resistivity, specimen thickness and mounting approach used,
[3]
contribute to changes in the surface potential. However, it is useful to know, as pointed out by Hofmann , that
a specimen does not need to be a particularly good conductor to enable collection of AES data without
observable charging. As one threshold, when using an electron current of approximately 1 µA, an effective
resistance of ∼1 MΩ from the specimen surface to ground is not likely to produce observable charging. Using
the examples defined by Hofmann, charging might appear in AES for specimens with resistivity values
–3 +3 5 11
between 10 Ω⋅m and 10 Ω⋅m (or 10 µΩ⋅cm and 10 µΩ⋅cm). As used in Table A.1, a specimen is
considered to be an insulator for AES analysis when it has a resistivity of ∼5 Ω⋅m or higher. High-quality
5 14
insulators have resistivity values of > 10 Ω⋅m [the resistivity of SiO is approximately 10 Ω⋅m in contrast to
–8
the resistivity of Cu of about 10 Ω⋅m], but the actual resistivity values of importance for AES depend on
specimen, instrumental and operational details.
[2],[3]
There is no single method to overcome all charging problems during AES analysis , and in some
circumstances charging difficulties might be impossible to avoid. Due to the development of new tools and the
need to characterize nanostructured materials, several new approaches for dealing with charging during AES
started appearing in the literature in the late 1990s and early 2000s. These include specimen preparation
methods and increased use of low-energy ions to assist charge compensation. Whereas major advances in
6 © ISO 2010 – All rights reserved
dealing with charging for XPS appeared in the early 1990s, “less progress has been made in analysis of such
[2]
specimens with AES, which remains a challenging task in many cases.”
Although AES analysis introduces some additional challenges, some or even many of the strategies for
[8],[9]
dealing with charging in scanning electron microscopy (SEM) apply to AES . For a given specimen and
primary-beam energy, the mechanisms of charging are generally the same in AES and in SEM (although
positive charging can occur in SEM due to a positively biased collector of the secondary electrons whereas
there is generally a field-free region around an uncharged specimen in AES).
A.2 Hierarchical table of methods for reducing charging
Many of the approaches used to minimize charging during AES analysis are listed in Table A.1. The table is
structured in a hierarchical manner based roughly on simplicity of application. The first group of methods are
those usually within the control of an analyst that can be used for specimens already loaded in a spectrometer
if charging is observed. The second group of methods requires the presence of specific capabilities that are
not available for all spectrometers. However, if they are available they can be used with specimens already
loaded in a spectrometer. The third set of methods concerns how the specimen is mounted (or might be
remounted). These methods can be used during the initial mounting of specimens for which charging is a
possible concern or for remounting specimens with which charging was observed during analysis. The final
group involves either the initial specimen design or some type of special specimen preparation or processing.
By experience with the available equipment, an analyst will be able to re-order the list for local applications.
Short descriptions of the methods listed in the table and relevant references are provided in Clause A.3.
Special issues or approaches that apply to fibres, particles or other highly non-uniform materials and to AES
sputter depth profiling of insulators are discussed in Clause A.4. Use of these methods does not necessarily
require an understanding of the physical basis of the approach, and analysts often try different methods in an
attempt to find an approach which works. In some circumstances, it is helpful to understand the nature of the
specimens, the processes involved in charging and the objective of the charge-minimization approach.
Therefore, simplified overviews of some aspects of charging processes and related objectives of the charge
minimization approach are described in Clause A.5.
Table A.1 — Grouped hierarchical summary of methods for minimizing charging in AES
[The methods are listed in rough order of simplicity of application, with those that might be most easily used
by an analyst listed first. The first group involves parameters that are within the control of an analyst for most
instruments. The second group uses capabilities available on some, but not all, instruments.
The third group involves specimen mounting (or remounting), while the fourth group
includes special specimen-preparation methods.]
General approach or Subclause
Method Types of specimen References
objective number(s)
a) Generally applicable methods
Tilt specimen relative Enhancing secondary-electron Bulk insulators and highly insulating A.5.3 1, 3, 10, 11,
to electron beam emission films A.3.5 13, 26
Matching electron penetration
to escape distance
Lower electron-beam Enhancing secondary-electron Bulk insulators and highly insulating A.5.3 1, 3, 9-11,
energy emission films A.3.5 13
Matching electron penetration
to escape distance
Increase electron- Minimizing specimen resistivity Thin films on a conducting substrate A.3.3.3 3, 19
beam energy (creating conduction pathway through which a higher-energy
through film) electron beam can penetrate
Table A.1 (continued)
General approach or Subclause
Method Types of specimen References
objective number(s)
Minimize total Minimizing charge build-up and Dielectrics for which time-dependent A.3.4.2 10, 21, 22
electron dose maintaining specimen integrity surface-potential changes (and
sometimes potential-dependent
composition changes) have been
observed
Lower beam current Minimizing current through High-resistance specimens A.3.4.1 3, 12, 18
or current density specimen
Lowering U
s
b) Use of special capabilities
Low-energy ion Minimizing current by charge Bulk materials and mixed conducting A.3.4.3 3, 14, 21
source compensation and creating and non-conducting phases
more uniform surface potential
Secondary-electron Minimizing current by Bulk insulators A.3.4.3 3, 22, 33
source establishing positive potential,
establishing self-compensation
condition
Heat specimen Decreasing specimen resistivity Bulk specimens and films that are A.3.2 3, 12
stable upon heating and have lower
Detrapping trapped charge
resistivities at moderate temperatures
Add gases to Minimizing surface damage Oxides (and possibly other A.3.4.3 23
vacuum system and increasing charge dielectrics)
transport
c) Specimen mounting or remounting
Mount on conducting Minimizing specimen resistivity Fine particles and powders A.4.2 2, 5
metal or other (creating short pathway to
conducting tape ground)
Cover with Minimizing specimen resistivity Bulk insulators and highly insulating A.3.3.4 2, 3, 5, 17
conducting mask or (creating short pathway to films
grid ground)
Increasing capacitance
d) Special specimen treatments
Clean specimens Enhancing secondary-electron Bulk insulators and insulating films A.3.5 26, 27
emission A.5.3
Removing contaminants which
often change secondary-
electron yield, sometimes
lowering charging
Prepare thinned Minimizing specimen resistivity Bulk specimens thinned by a variety A.3.3.2 8, 12,
specimens (decreasing effective specimen of methods, including ion sputtering 13-15, 28
thickness)
Increasing capacitance
Prepare thinned Minimizing specimen resistivity Specimens that can be thinned by A.3.3.3 14, 15, 31,
specimens and use and enhancing spatial FIB (see A.3.3.2) or another precise 32
low-atomic-number resolution by minimizing method and for which high-resolution
substrate electron backscattering information is needed
Dope or otherwise Decreasing specimen resistivity Specimens that can be either doped A.3.2 10
process specimens during synthesis or processed to
increase conductivity
8 © ISO 2010 – All rights reserved
A.3 Methods for minimizing charging during AES
A.3.1 Introduction
The essential issue of charging in AES is the build-up of a potential on the surface of the specimen being
analysed that influences the primary-electron beam and the emitted Auger electrons. Many methods have
been developed (and are still being developed) to control the extent of charge accumulation at the surface
during AES analysis. Since specimen resistivity, effective specimen thickness, specimen capacitance and net
current to the specimen (the sum of all positive and negative currents) are specimen or instrumental
properties that will determine the near-surface charge, many of the approaches use one or more methods to
alter these combined specimen and system properties. The discussions of the methods are organized around
the properties being altered, as outlined in A.5.2. Note that the approaches in A.3.2 and A.3.3 influence the
resistance to ground and the specimen capacitance while the approaches in Clauses A.4 and A.5 involve
different approaches for altering the net current to the specimen. Because the charge that leaves the
specimen [the total secondary-electron emission yield (TSEEY)] in response to the primary-electron beam is
as important as the incident beam, aspects of the TSEEY show up many times. Some ways of altering the
TSEEY are discussed in A.3.5, but a more general background is provided in A.5.3.
A.3.2 Decreasing specimen resistivity
Decreasing the specimen resistivity can be a useful approach to minimizing or avoiding specimen
[3],[9]
charging . Depending on the specimen, this might be accomplished in several different ways, including:
adding impurities or dopants to the material, irradiation with ultraviolet light, introducing radiation-induced
defects or implanting a dopant, or heating the specimen.
Each of these approaches has been used, but they have significant limitations. Doping a material during film
growth can effectively create a conducting material if the doping does not alter other properties. The frequently
studied rutile (TiO ) is often heated in a reducing environment to create oxygen vacancies and increase
[10]
specimen conductivity to allow experimental examination . The unexpected impacts of this reduction on
[11]
surface chemistry are becoming increasingly understood . One common complication with specimen
heating is surface segregation of material components or impurities.
Although it is common to think of altering overall specimen resistivity to minimize charging, changes in surface
resistivity and the detrapping of trapped charges are effective means of controlling the specimen surface
potential (even if the bulk resistance is not altered significantly). It should be noted that, in the discussion of
TSEEY in A.5.3, a steady-state condition is established when the primary-electron penetration depth is
[12]
approximately equal to the secondary-electron escape distance . In this zone of holes (created by
secondary-electron departure) and electrons, there is a good deal of charge mobility, and it could be argued
that this represents a local decrease in resistivity.
A.3.3 Decreasing the insulator thickness (or effective insulator thickness)
A.3.3.1 General
Decreasing the distance (resistance) between an area being analysed on an insulating material mounted on a
conducting material connected to the spectrometer can lower the total resistance to ground, which decreases
any charging potential [see Equation (A.1)]. Decreasing the thickness of a good insulator grown or mounted
on a conducting substrate increases the capacitance, lowering the surface potential [see Equation (A.2)]. In
either circumstance, decreasing the insulator thickness (the electrical pathway to ground) can have useful
effects. This can be accomplished by preparing thin specimens or otherwise decreasing the effective distance
between the surface being probed and ground. It is also useful to remember that surface conduction may
provide a good conduction pathway in many circumstances, even when the bulk resistivity is high.
A.3.3.2 Thinned specimens
Specimens may be thinned in a variety of ways, either when they are initially prepared or shortly before
analysis. Some of these thinning approaches can be applied to insulating films grown on conducting
substrates, while others may be applied to “bulk” insulators and involve creative mounting of the specimen or
thinned sections of a specimen on a conducting substrate. The recent development of focused ion beam (FIB)
[13],[14] [15]
capabilities and creative methods of argon-ion sputtering for cross-section preparation have
introduced new and potentially very powerful methods of thinning materials for AES analysis. Any degree of
thinning can help decrease the surface charging but, if the specimens can be thinned to less than the depth of
primary-electron penetration, it is generally observed that no significant charging occurs. The FIB approach
allows very thin sections of a material to be prepared and placed on a low-atomic-number substrate and
treated as a thin film, as described in A.3.3.3. This approach minimizes charging and decreases the AES
[13],[14]
signal from backscattered electrons . These methods can be particularly useful for examining
nanostructured materials where selected regions can be prepared for analysis and some of the background or
interference impact of other materials removed or minimized.
It is necessary to consider the impact of any specimen thinning on the information that is desired from the
analysis. Specimen damage can include oxide reduction and the creation of an amorphous or damaged layer
with significant atomic rearrangement. There are approaches using the FIB by which rapid sputtering is done
at high energy and a final polish is done at lower energy to minimize specimen damage.
A.3.3.3 Thin films
Specimens created in thin-film form can be considered as a special case of a thinned specimen but deserve
special mention. Analysis of many highly insulating materials can be accomplished with minimal charging if
the
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 29081
Première édition
2010-02-15
Analyse chimique des surfaces —
Spectroscopie des électrons Auger —
Indication des méthodes mises en œuvre
pour le contrôle et la correction de la
charge
Surface chemical analysis — Auger electron spectroscopy — Reporting
of methods used for charge control and charge correction
Numéro de référence
©
ISO 2010
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction.vi
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Symboles et termes abrégés.1
5 Appareillage.2
5.1 Technique du contrôle de charge.2
5.2 Appareillage spécial.2
5.3 Montage et préparation de l'échantillon.3
5.4 Étalonnage de l'instrument .3
6 Description des informations relatives au contrôle de charge .3
6.1 Méthodes de contrôle de charge .3
6.2 Raisons d'un recours au contrôle de charge et choix de la méthode .3
6.3 Informations concernant l'échantillon .3
6.3.1 Configuration de l'échantillon.3
6.3.2 Dimensions de l'échantillon .4
6.3.3 Méthodes de montage de l'échantillon .4
6.3.4 Traitement de l'échantillon avant ou au cours de l'analyse.4
6.4 Valeurs des paramètres expérimentaux .4
6.5 Informations concernant l'efficacité des méthodes de contrôle de charge.5
7 Description de la ou des méthodes utilisées pour la correction de charge et de la valeur
de cette correction .5
7.1 Méthodes de correction de charge.5
7.2 Approche.5
7.3 Valeur de l'énergie de correction.5
Annexe A (informative) Description des méthodes de contrôle de charge en spectroscopie des
électrons Auger .6
A.1 Introduction.6
A.2 Tableau hiérarchique des méthodes destinées à réduire l'effet de charge .7
A.3 Méthodes destinées à minimiser l'effet de charge au cours d'une analyse par AES .9
A.3.1 Introduction.9
A.3.2 Diminuer la résistivité de l'échantillon.10
A.3.3 Diminuer l'épaisseur de l'isolant (ou l'épaisseur efficace de l'isolant).10
A.3.4 Réduire la densité de courant, limiter la dose d'électrons primaires et utiliser des sources
de courant supplémentaires .12
A.3.5 Optimiser le rendement total d'émission des électrons secondaires .13
A.4 Considérations relatives aux échantillons fortement non uniformes, aux fibres et aux
particules et à l'utilisation du profilage en profondeur par pulvérisation.15
A.4.1 Introduction.15
A.4.2 Traiter les surfaces rugueuses, les particules, les fibres et les échantillons non uniformes.15
A.4.3 Profilage en profondeur par pulvérisation.16
A.5 Considérations générales concernant l'accumulation de charge au cours d'une analyse
par AES.17
A.5.1 Introduction.17
A.5.2 Résistivité, capacitance, et potentiel de surface .17
A.5.3 Rendement total des électrons secondaires et potentiel de surface .19
A.5.4 Transport et accumulation de charge au-dessous de la surface, accumulation de charge
en fonction du temps et endommagement de l'échantillon .22
Bibliographie .23
iv © ISO 2010 – 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 29081 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 201, Analyse chimique des surfaces, sous-comité
SC 5, Spectroscopie des électrons Auger.
Introduction
La spectroscopie des électrons Auger (AES) est largement utilisée pour la caractérisation des surfaces des
matériaux. Les éléments de l'échantillon (excepté l'hydrogène et l'hélium) sont identifiés sur la base de
comparaisons des énergies de transition Auger déterminées à partir des spectres Auger mesurés, à l'aide
d'un tableau de ces énergies pour les divers éléments. Bien que les électrons Auger soient observés pendant
l'irradiation des échantillons par des rayons X (spectroscopie de photoélectrons par rayons X), l'AES, telle
qu'elle est utilisée dans ce document, est associée à l'irradiation d'un échantillon par des électrons. Compte
tenu du fait que le faisceau d'électrons incidents peut être focalisé en une zone de l'ordre de 10 nm, l'AES est
un outil important de caractérisation de caractéristiques de surfaces de petite taille et de matériaux
nanostructurés. Il est fréquemment possible d'obtenir des informations sur les éléments présents et parfois
sur l'état chimique des éléments détectés, à partir de l'examen de la forme des raies et des énergies des pics
[43]
(voir l'ISO/TR 18394 ). Une détermination fiable des éléments présents nécessite un étalonnage approprié
de l'échelle d'énergie (tel que décrit dans l'ISO 17973 et l'ISO 17974).
Le potentiel de surface d'un échantillon isolant peut varier au cours d'une mesure d'AES en raison de
l'accumulation de charge électrique à la surface et à proximité de la surface, et cette charge peut décaler
l'énergie des électrons Auger, compliquant l'identification des éléments (et leur état chimique),
particulièrement lorsqu'un potentiel de surface négatif déplace le spectre Auger au-delà de l'intervalle
d'énergie sélectionné par l'analyseur d'électrons. L'accumulation du potentiel de surface peut également
déplacer la position du faisceau d'électrons, décalant de ce fait la zone d'analyse sur l'échantillon ou même en
dehors de l'échantillon analysé. Des variations similaires se produisent pour les métaux au cours d'une
irradiation par des électrons s'ils ne sont pas reliés à la terre. Il en serait ainsi, par exemple, si de petites
particules de métal étaient incorporées dans une matrice isolante. En fonction du rendement des électrons
secondaires, le potentiel de surface peut se décaler positivement ou négativement. Dans certaines
circonstances, ces deux décalages (énergie et position) créent un système de rétroaction instable rendant
l'acquisition des spectres d'AES presque impossible. Outre les variations de l'énergie et de l'intensité du pic
Auger, la composition à la surface de l'échantillon peut être modifiée (endommagement de l'échantillon)
directement par le faisceau d'électrons incidents ou en raison de la diffusion induite par un champ électrique
lorsqu'un champ est installé dans la zone de surface de l'échantillon. De nombreuses méthodes et approches
ont été développées pour contrôler et minimiser les effets de charge en AES. L'application d'une méthode
particulière peut dépendre fortement des caractéristiques de l'instrument utilisé, de la taille et de la forme de
l'échantillon examiné, de la morphologie et de la composition de l'échantillon, et des informations à recueillir.
Bien que l'accumulation de charge de surface puisse compliquer l'analyse, elle peut également être utilisée de
façon créative dans certaines circonstances en tant qu'outil pour obtenir des informations sur l'échantillon.
La quantité de charge induite à proximité de la surface, sa distribution à travers la surface de l'échantillon, et
sa dépendance vis-à-vis des conditions expérimentales sont déterminées par de nombreux facteurs,
comprenant les facteurs relatifs à l'échantillon et aux caractéristiques du spectromètre. L'accumulation de
[1]
charge est un phénomène tridimensionnel bien étudié qui se produit le long de la surface de l'échantillon et
au sein du matériau. L'accumulation de charge peut également se produire au niveau des frontières de phase
ou des zones d'interface dans la profondeur d'un échantillon qui est irradié par des électrons. Certains
échantillons subissent des variations en fonction du temps de l'accumulation de charge dues à un piégeage
de charge, des variations chimiques, ou à une diffusion ou une volatilisation des composants induite par
chauffage ou par des électrons incidents ou secondaires. De tels échantillons peuvent ne jamais atteindre des
potentiels à l'état d'équilibre.
Il n'existe actuellement aucune méthode ou ensemble de méthodes universellement applicables pour le
[2],[3]
contrôle de charge ou la correction de charge en AES . La présente Norme internationale spécifie les
informations qui doivent être fournies pour documenter la méthode de contrôle de charge pendant l'acquisition
des données et/ou la méthode de correction de charge au cours de l'analyse des données d'échantillons
isolants. Des informations sont fournies dans l'Annexe A sur les méthodes courantes de contrôle de charge
qui peuvent être utiles pour de nombreuses applications. La méthode particulière de contrôle de charge qui
peut être choisie en pratique dépend du type d'échantillon (par exemple s'il s'agit d'une poudre, d'un film
mince, ou d'un échantillon épais), des caractéristiques de l'instrumentation, de la taille de l'échantillon et de la
vi © ISO 2010 – Tous droits réservés
mesure dans laquelle la surface de l'échantillon peut être modifiée par un mode opératoire particulier. Pour
aider l'analyste, un tableau récapitulatif liste les méthodes courantes de contrôle de charge suivant un ordre
approximatif de simplicité d'application.
La présente Norme internationale s'intéresse à deux domaines principaux d'application. En premier lieu, elle
identifie les informations sur les méthodes de contrôle de charge et/ou de correction de charge à inclure dans
les descriptifs des mesures d'AES (par exemple d'un analyste à un client ou dans des publications) afin
d'évaluer et de reproduire les données sur des matériaux isolants et de s'assurer que des mesures sur des
matériaux similaires peuvent être comparées de façon significative. En second lieu, le respect de la Norme
internationale permettra aux autres analystes d'utiliser en toute confiance les spectres d'AES publiés.
NORME INTERNATIONALE ISO 29081:2010(F)
Analyse chimique des surfaces — Spectroscopie des électrons
Auger — Indication des méthodes mises en œuvre pour le
contrôle et la correction de la charge
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie la quantité minimale d'informations requise pour décrire les
méthodes de contrôle de charge dans les mesures des transitions d'électrons Auger à partir d'échantillons
isolants par spectroscopie des électrons Auger stimulée par des électrons et à consigner avec les résultats
analytiques. Les informations sur les méthodes qui se sont avérées utiles pour le contrôle de charge avant ou
au cours de l'analyse par AES sont fournies en Annexe A. L'annexe contient également un tableau
récapitulatif des méthodes ou des approches, classées par simplicité d'approche. Certaines méthodes sont
applicables à la plupart des instruments, d'autres nécessitent un matériel spécial, d'autres peuvent impliquer
de remonter l'échantillon ou de changer d'échantillon. Une Norme internationale analogue a été publiée pour
[44]
la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (ISO 19318 ).
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 17973, Analyse chimique des surfaces — Spectromètres d'électrons Auger à résolution moyenne —
Étalonnage des échelles d'énergie pour l'analyse élémentaire
ISO 17974, Analyse chimique des surfaces — Spectromètres d'électrons Auger à haute résolution —
Étalonnage des échelles d'énergie pour l'analyse élémentaire et de l'état chimique
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
E énergie des électrons primaires, en keV
p
E énergie à laquelle le TSEEY est maximal
p(max)
E énergie à laquelle le rendement d'émission des électrons secondaires devient supérieur à 1
p1
E énergie à laquelle le rendement d'émission des électrons secondaires devient inférieur à 1
p2
c
E énergie à laquelle la gamme des électrons incidents est approximativement égale à la profondeur
p2
d'échappement maximale des électrons secondaires
FIB faisceau d'ions focalisés
FWHM largeur à mi-hauteur, en eV
I courant d'électrons primaires
p
I courant d'électrons secondaires
s
j densité de courant du faisceau d'électrons primaires à la surface de l'échantillon
p
KE énergie cinétique corrigée, en eV
corr
KE énergie cinétique mesurée, en eV
meas
KE énergie cinétique de référence, en eV
ref
N indice de charge
R gamme des électrons primaires
MEB microscopie électronique à balayage
t temps d'irradiation par des électrons
TSEEY rendement total d'émission des électrons secondaires
U potentiel de surface
s
V volume d'interaction des électrons
e
z épaisseur de l'échantillon
ρ résistivité électrique de l'échantillon
σ rendement total des électrons secondaires
θ angle d'incidence du faisceau d'électrons primaires sur l'échantillon par rapport à la normale à la
surface, en degrés
∆ énergie de correction, à ajouter aux énergies des électrons Auger mesurées pour la correction de
corr
charge, en eV
5 Appareillage
5.1 Technique du contrôle de charge
Une ou plusieurs des techniques de contrôle de charge décrites en A.3 peuvent être utilisées dans la plupart
des spectromètres d'AES. L'instrument d'AES doit être mis œuvre conformément aux indications du fabricant
ou à d'autres procédures documentées.
5.2 Appareillage spécial
Certaines des techniques décrites en A.3 nécessitent des appareillages spéciaux, tels qu'une source d'ions
de basse énergie ou un appareil de métallisation à l'or. Certains des articles référencés peuvent faire l'objet
de droits de propriété intellectuelle détenus par des fournisseurs spécifiques. Leur mention est donnée ici
pour des raisons pratiques et n'implique pas leur approbation par l'ISO ou un comité membre.
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5.3 Montage et préparation de l'échantillon
Certaines méthodes de montage de l'échantillon, telles que celles qui consistent à monter l'échantillon sous
[3],[4]
une fine grille de métal , peuvent augmenter le contact électrique de l'échantillon avec le support de
l'échantillon, ou réduire la quantité d'accumulation de charge de surface. Cette méthode et d'autres méthodes
[5]
de montage de l'échantillon destinées à réduire la charge statique sont décrites en détail dans l'ISO 18116
[42] [4] [6]
et l'ISO 18117 (et dans l'ASTM E1078 et l'ASTM E1829 ).
5.4 Étalonnage de l'instrument
L'échelle d'énergie cinétique du spectromètre d'électrons Auger doit être étalonnée à l'aide de l'ISO 17973 ou
de l'ISO 17974 ou d'une autre méthode documentée avant d'utiliser la présente Norme internationale.
6 Description des informations relatives au contrôle de charge
6.1 Méthodes de contrôle de charge
Plusieurs des méthodes utilisées couramment pour contrôler le potentiel de surface et pour minimiser l'effet
de charge de surface sont décrites en A.3. Les informations concernant les raisons d'un contrôle de charge, le
choix d'une méthode de contrôle de charge, et les conditions critiques de l'échantillon ainsi que les conditions
expérimentales, telles que décrites en 6.2, 6.3, et 6.4, doivent être consignées (ou référencées) pour les
différents échantillons ou les ensembles d'échantillons similaires.
6.2 Raisons d'un recours au contrôle de charge et choix de la méthode
Les raisons d'un recours au contrôle de charge et du choix d'une méthode particulière doivent être
consignées.
EXEMPLE 1 L'échantillon était un film isolant déposé sur un substrat conducteur. En utilisant une énergie de faisceau
d'électrons primaires supérieure à 10 keV, aucun effet de charge de l'échantillon n'a été observé.
EXEMPLE 2 Une expérience avec des échantillons similaires a indiqué que l'effet de charge était probable. Pour
minimiser l'effet de charge, les échantillons ont été montés sous une fenêtre conductrice et des énergies de faisceau
inférieures à 3 keV ont été utilisées. Le courant a été ajusté jusqu'à ce que les spectres d'AES obtenus soient
reproductibles et stables.
EXEMPLE 3 Les spectres enregistrés initialement sans aucun contrôle de charge ont montré un décalage et un
élargissement des pics. Le placement d'une grille à maille fine reliée à la terre au-dessus de l'échantillon a minimisé ces
problèmes. Des analyses répétées ont montré que des variations de la composition de l'échantillon dues à une
accumulation de charge étaient inférieures à 10% si la dose totale d'électrons était inférieure à 1 000 C/m .
Si les composants utilisés pour le contrôle de charge ne sont pas standards pour l'instrument d'AES, les
informations concernant le fabricant ou les caractéristiques de conception correspondantes doivent être
fournies ou référencées.
NOTE Un échantillon n'a pas besoin d'être un bon conducteur pour qu'une analyse par AES de routine soit effectuée
sans problèmes d'effet de charge. Bien qu'il soit important d'être conscient des problèmes éventuels d'effet de charge, la
vérification expérimentale de leur présence est utile avant qu'un effort important soit produit pour minimiser les difficultés
possibles.
6.3 Informations concernant l'échantillon
6.3.1 Configuration de l'échantillon
La configuration de l'échantillon doit être décrite. La nature physique, l'origine, la méthode de préparation et la
[1],[2],[3]
structure de l'échantillon peuvent influencer le comportement d'effet de charge .
EXEMPLE 1 Poudre.
EXEMPLE 2 Film mince coulé par centrifugation sur du silicium.
EXEMPLE 3 Échantillon minéral macroscopique.
6.3.2 Dimensions de l'échantillon
La taille, la forme et la rugosité de surface d'un échantillon peuvent avoir un effet significatif sur l'ampleur de
l'effet de charge de l'échantillon. La forme de l'échantillon doit être décrite ainsi que les valeurs
approximatives des dimensions de l'échantillon ou de toutes caractéristiques pertinentes de l'échantillon (par
exemple les diamètres des particules, la rugosité de surface).
6.3.3 Méthodes de montage de l'échantillon
Le montage de l'échantillon et la mise en contact de l'échantillon avec le support peuvent affecter de manière
[1]
significative l'effet de charge . La méthode suivant laquelle un échantillon est monté, y compris les
informations concernant les méthodes spéciales utilisées pour augmenter la conductivité ou pour isoler un
échantillon de la terre, doivent être décrites.
EXEMPLE 1 Échantillon pulvérulent compressé en une feuille, qui est fixé au support de l'échantillon à l'aide d'une
bande conductrice.
EXEMPLE 2 1 ml de solution contenant des nanoparticules a été déposé sur un substrat de silicium et séché avant
l'analyse.
EXEMPLE 3 Échantillon maintenu sur le support en utilisant une bande adhésive conductrice (le fabricant et le type de
bande étant indiqués).
EXEMPLE 4 Échantillon corrodé maintenu sur le support de l'échantillon à l'aide d'une vis métallique.
EXEMPLE 5 Échantillon minéral et fenêtre conductrice montés en utilisant une vis métallique.
EXEMPLE 6 Échantillon monté avec le faisceau d'électrons primaires à incidence rasante sur la surface de
l'échantillon.
6.3.4 Traitement de l'échantillon avant ou au cours de l'analyse
Tout traitement de l'échantillon avant ou au cours de l'analyse, y compris tout traitement physique ou
chimique qui peut affecter l'effet de charge de l'échantillon pendant les mesures d'AES, doit être décrit.
NOTE Un tel traitement de l'échantillon peut modifier la composition de la surface aussi bien que la conductivité
électrique, et par conséquent l'effet de charge de la zone de surface.
6.4 Valeurs des paramètres expérimentaux
Les valeurs des paramètres utilisés pour des mesures d'AES et le contrôle de charge comprenant les
paramètres du faisceau (énergie, courant incident nominal, taille du faisceau, aire du balayage sur
l'échantillon, angle d'incidence sur l'échantillon), le temps d'irradiation de l'échantillon pendant le réglage et les
mesures d'AES, et les paramètres de fonctionnement des éléments auxiliaires tels qu'un canon à ions de
basse énergie doivent être enregistrés (ou référencés).
EXEMPLE Un faisceau d'électrons focalisés ayant une énergie de 10 keV et un courant de 1 nA à un angle
d'incidence de 45° par rapport à la normale de l'échantillon, balayé sur une surface de 200 nm par 200 nm, a été utilisé
pour l'analyse.
4 © ISO 2010 – Tous droits réservés
6.5 Informations concernant l'efficacité des méthodes de contrôle de charge
L'adéquation de la ou des méthodes de contrôle de charge pour le type d'analyse effectuée doit être établie.
Les positions des pics Auger (ou les largeurs des pics) avec et sans méthode de contrôle de charge
fournissent un moyen pour déterminer l'adéquation de la méthode de contrôle de charge. Dans certains cas,
le fait de pouvoir déterminer que les raies d'AES sont à moins de 5 eV de la valeur attendue et que les
amplitudes relatives des pics sont stables peut être satisfaisant.
EXEMPLE 1 Les positions des pics d'AES sont à moins de 5 eV des valeurs nominales et les formes de pics sont à la
fois analogues aux données de référence et stables au cours de balayages répétés.
EXEMPLE 2 Des mesures répétées dans de nouvelles zones démontrent un accord cohérent en ce qui concerne la
forme et l'intensité relative des pics.
Il est recommandé d'examiner les échantillons pour détecter la présence ou l'absence d'endommagements de
l'échantillon et d'enregistrer les résultats.
7 Description de la ou des méthodes utilisées pour la correction de charge et de la
valeur de cette correction
7.1 Méthodes de correction de charge
Dans de nombreux cas, les méthodes utilisées pour contrôler la charge ne nécessitent pas d'effectuer une
autre correction des énergies des pics Auger. Lorsqu'une méthode de correction de charge est appliquée aux
données d'AES, les paramètres critiques de l'échantillon et les paramètres expérimentaux suivants doivent
être décrits.
7.2 Approche
Toute méthode destinée à corriger l'énergie cinétique mesurée des pics Auger modifiée par les effets de
charge doit être spécifiée de façon suffisamment détaillée de sorte que la méthode puisse être reproduite et
son efficacité jugée.
7.3 Valeur de l'énergie de correction
Les informations concernant la valeur de l'énergie de correction, ∆ , pour chaque spectre et la façon dont
corr
cette énergie de correction a été déterminée doivent être fournies. Les énergies cinétiques corrigées et les
valeurs des énergies de référence doivent être décrites.
L'énergie de correction, ∆ , est déterminée en prenant la différence entre l'énergie cinétique mesurée d'une
corr
raie de référence, KE , et la valeur acceptée ou de référence pour cette énergie cinétique, KE , à l'aide
meas ref
de la relation suivante:
∆ = KE − KE (1)
corr ref meas
L'énergie cinétique corrigée pour un autre pic Auger du même spectre, KE , peut alors être obtenue à partir
corr
de la somme de l'énergie cinétique mesurée pour ce pic, KE , et de l'énergie de correction:
meas
KE = KE + ∆ (2)
corr meas corr
NOTE Les Équations (1) et (2) ne s'appliquent que lorsque la compensation de charge a éliminé de façon appropriée
les effets de charge différentiels.
Annexe A
(informative)
Description des méthodes de contrôle de charge
en spectroscopie des électrons Auger
A.1 Introduction
Dans la présente annexe, les méthodes utilisées pour minimiser ou contrôler les variations de potentiel de
surface au cours d'une analyse par spectroscopie d'électrons Auger stimulée par des électrons sont
brièvement décrites. Les méthodes et les approches dépendent des types d'instrumentation disponibles et du
type d'échantillons examinés. Afin d'aider les analystes à traiter l'effet de charge en AES, le Tableau A.1 liste
les approches suivant un ordre approximatif selon lequel celles-ci peuvent être essayées. Dans un
quelconque laboratoire, l'ordre précis dépend des équipements disponibles et de l'expérience acquise dans
l'application particulière. De brèves descriptions et des références relatives aux approches citées dans le
Tableau A.1 sont fournies en A.3. Des problèmes spécifiques qui peuvent survenir pour des échantillons non
uniformes et pendant le profilage par décapage, et des approches destinées à les traiter, sont discutés en A.4.
Un bref rappel des considérations physiques générales sur l'accumulation de charge au cours d'une analyse
par AES est fourni en A.5, qui décrit un cadre conceptuel des problèmes qui surviennent pour différents types
d'échantillons. Il faut noter que, bien que l'effet de charge de l'échantillon puisse constituer une complication
pour l'analyse, il peut être utilisé pour obtenir des informations sur les propriétés d'un échantillon ou sur des
zones d'un échantillon.
Un atout majeur de l'AES est la résolution spatiale élevée (en trois dimensions) disponible pour l'analyse
chimique. Cependant, avec la génération des pics d'électrons Auger, le faisceau d'électrons utilisé pour l'AES
peut modifier le potentiel électrique de l'échantillon en introduisant une charge à la surface et dans la zone à
proximité de la surface des matériaux isolants et peut initier plusieurs processus qui peuvent modifier ou
endommager l'échantillon. La quantité et la distribution de charge à la surface et à proximité de la surface
pour un système expérimental spécifique (instrument et échantillon) sont déterminées par de nombreux
facteurs, parmi lesquels l'énergie du faisceau d'électrons, la densité de courant, l'angle d'incidence du
faisceau sur l'échantillon, la composition de l'échantillon, l'homogénéité de l'échantillon, la contamination de la
surface, l'importance des conductivités volumique et de surface, la topographie de la surface, l'environnement
sous vide, et la possibilité de neutraliser les électrons ou les ions de basse énergie. L'accumulation de charge
[1]
se produit le long de la surface de l'échantillon et au sein du matériau . La présence de particules sur, ou de
différentes phases dans, la surface de l'échantillon peut conduire à une distribution inégale de charge à
travers la surface, un phénomène connu sous le terme d'effet de charge différentiel. L'accumulation de charge
peut également se produire au niveau des frontières des phases ou des zones d'interface au sein de
l'échantillon. De nombreux échantillons isolants subissent des variations, en fonction du temps, du degré
d'effet de charge en raison de l'accumulation de charge au sein du matériau ou en raison de modifications
chimiques et physiques induites par les électrons primaires ou secondaires (comprenant la désorption
[2],[3] [7]
stimulée par des électrons , la pulvérisation induite par des électrons , et l'adsorption induite par des
électrons) ou par un chauffage de l'échantillon.
Un grand nombre de facteurs différents, comprenant la résistivité de l'échantillon, l'épaisseur et l'approche de
montage contribuent à modifier le potentiel de surface. Cependant, il est utile de savoir, comme l'a précisé
[3]
Hofmann , qu'un échantillon ne doit pas nécessairement être un conducteur particulièrement bon pour
permettre l'acquisition de données d'AES sans effet de charge observable. À titre de seuil, lorsqu'un courant
d'électrons d'approximativement 1 µA est utilisé, une résistance efficace d'environ 1 MΩ de la surface de
l'échantillon à la terre n'est pas susceptible de produire d'effet de charge observable. En utilisant les exemples
définis par Hofmann, un effet de charge peut apparaître en AES pour des échantillons ayant des valeurs de
−3 +3 5 11
résistivité comprises entre 10 Ω·m et 10 Ω·m (ou 10 µΩ·cm et 10 µΩ·cm). Tel qu'utilisé dans le
Tableau A.1, un échantillon est considéré comme isolant pour l'analyse par AES lorsqu'il présente une
résistivité d'environ 5 Ω·m ou supérieure. Les isolants de haute qualité présentent des valeurs de résistivité
5 14
supérieures à 10 Ω·m [la résistivité de SiO est d'approximativement 10 Ω·m par opposition à la résistivité
6 © ISO 2010 – Tous droits réservés
−8
du Cu qui est d'environ 10 Ω·m] mais les valeurs réelles de résistivité qui importent pour l'AES dépendent
des caractéristiques de l'échantillon, de l'instrument et du mode opératoire.
Il n'existe pas de méthode unique pour surmonter tous les problèmes d'effet de charge au cours d'une
[2],[3]
analyse par AES et dans certaines circonstances, les difficultés liées à l'effet de charge peuvent être
impossibles à éviter. En raison du développement de nouveaux outils et de la nécessité de caractériser des
matériaux nanostructurés, plusieurs nouvelles approches destinées à traiter l'effet de charge au cours de
l'analyse par AES ont commencé à apparaître dans la littérature vers la fin des années 1990 et le début des
années 2000. Celles-ci comprennent les méthodes de préparation de l'échantillon et une utilisation accrue
des ions de basse énergie pour faciliter la compensation de charge. Tandis que des avancées majeures dans
le traitement de l'effet de charge en XPS sont apparues au début des années 1990, «des progrès moins
importants ont été réalisés dans l'analyse de tels échantillons par AES, ce qui demeure un défi à relever dans
[2]
de nombreux cas.»
Bien que l'analyse par AES présente des défis supplémentaires, certaines ou même plusieurs des stratégies
[8],[9]
destinées à traiter l'effet de charge en microscopie électronique à balayage (MEB) s'appliquent à l'AES .
Pour un échantillon et une énergie du faisceau primaire donnés, les mécanismes d'effet de charge sont
généralement les mêmes en AES et en MEB (bien qu'un effet de charge positif puisse se produire en MEB en
raison d'un collecteur polarisé positivement des électrons secondaires tandis qu'il existe généralement une
zone exempte de champ autour d'un échantillon non chargé en AES).
A.2 Tableau hiérarchique des méthodes destinées à réduire l'effet de charge
Plusieurs des approches utilisées pour minimiser l'effet de charge au cours d'une analyse par AES sont
listées dans le Tableau A.1. Le tableau est structuré d'une façon hiérarchique basée approximativement sur la
simplicité de l'application. Le premier groupe de méthodes comprend celles qui sont généralement sous le
contrôle d'un analyste et qui peuvent être utilisées pour des échantillons déjà placés dans un spectromètre si
un effet de charge est observé. Le deuxième groupe de méthodes nécessite la présence de possibilités
spécifiques qui ne sont pas disponibles pour tous les spectromètres. Cependant, si celles-ci sont disponibles,
ces méthodes peuvent être utilisées avec des échantillons déjà placés dans un spectromètre. Le troisième
ensemble de méthodes concerne la façon dont un échantillon est monté (ou peut être remonté). Ces
méthodes peuvent être utilisées pendant le montage initial des échantillons pour lesquels l'effet de charge est
un problème possible ou pour le remontage des échantillons pour lesquels l'effet de charge a été observé au
cours d'une analyse. Le dernier groupe implique soit la conception initiale de l'échantillon soit un certain type
de préparation ou de traitement spécial de l'échantillon. Avec l'expérience acquise avec l'équipement
disponible, un analyste pourra remettre en ordre la liste pour des applications locales.
De brèves descriptions des méthodes listées dans le tableau et des références correspondantes sont fournies
en A.3. Les problèmes ou les approches particulières qui s'appliquent aux fibres, aux particules ou à d'autres
matériaux fortement non uniformes et au profilage en profondeur par pulvérisation en AES des isolants sont
discutés en A.4. L'utilisation de ces méthodes ne nécessite pas nécessairement la compréhension des bases
physiques de l'approche et les analystes essaient souvent différentes méthodes pour tenter de trouver une
approche qui fonctionne. Dans certaines circonstances, il est utile de comprendre à la fois la nature des
échantillons, les processus impliqués dans l'effet de charge et l'objectif de l'approche de minimisation de la
charge. Par conséquent, des vues d'ensemble simplifiées de certains aspects des processus d'effet de
charge et des objectifs associés de l'approche de minimisation de la charge sont décrites en A.5.
Tableau A.1 — Résumé groupé hiérarchiquement des méthodes destinées à minimiser
l'effet de charge en AES
[Les méthodes sont listées dans un ordre approximatif de simplicité d'application, celles qui peuvent être
utilisées le plus facilement par un analyste étant listées en premier. Le premier groupe implique des
paramètres qui sont sous le contrôle d'un analyste pour la plupart des instruments. Le deuxième groupe
utilise des possibilités disponibles sur certains, mais pas sur tous les instruments. Le troisième groupe
implique le montage de l'échantillon (ou le remontage) tandis que le quatrième groupe comprend des
méthodes spéciales de préparation de l'échantillon.]
Approche générale ou Numéro(s) de
Méthode Types d'échantillon Références
objectif paragraphe
a) Méthodes généralement applicables
Incliner l'échantillon Augmenter l'émission des Isolants massifs et films fortement A.5.3 1, 3, 10, 11,
par rapport au électrons secondaires isolants A.3.5 13, 26
faisceau d'électrons
Faire correspondre la
pénétration des électrons
avec la distance
d'échappement
Diminuer l'énergie du Augmenter l'émission des Isolants massifs et films fortement A.5.3 1, 3, 9-11,
faisceau d'électrons électrons secondaires isolants A.3.5 13
Faire correspondre la
pénétration des électrons
avec la distance
d'échappement
Augmenter l'énergie Minimiser la résistivité de Films minces sur un substrat A.3.3.3 3, 19
du faisceau l'échantillon (en créant un conducteur à travers lequel un
d'électrons trajet de conduction à travers faisceau d'électrons d'énergie plus
le film) élevée peut pénétrer
Minimiser la dose Minimiser l'accumulation de Composés diélectriques pour A.3.4.2 10, 21, 22
totale d'électrons charge et maintenir l'intégrité lesquels des variations du potentiel
de l'échantillon de surface en fonction du temps (et
parfois des variations de la
composition en fonction du
potentiel) ont été observées
Diminuer le courant Minimiser le courant à Échantillons à résistance élevée A.3.4.1 3, 12, 18
du faisceau ou la travers l'échantillon
densité de courant
Diminuer U
s
b) Utilisation de possibilités spéciales
Source d'ions de Minimiser le courant par Matériaux massifs et phases A.3.4.3 3, 14, 21
basse énergie compensation de charge et mixtes conductrices et non
créer un potentiel de surface conductrices
plus uniforme
Source d'électrons Minimiser le courant en Isolants massifs A.3.4.3 3, 22, 33
secondaires établissant un potentiel
positif, établissant des
conditions
d'autocompensation
Chauffer l'échantillon Diminuer la résistivité de Échantillons ou films massifs qui A.3.2 3, 12
l'échantillon restent stables sous l'effet d'un
chauffage avec des résistivités
Dépiéger la charge piégée
inférieures à température modérée
Ajouter des gaz au Minimiser les Oxydes (et éventuellement autres A.3.4.3 23
système sous vide endommagements de composés diélectriques)
surface et augmenter le
transport de charge
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Tableau A.1 (suite)
Approche générale ou Numéro(s) de
Méthode Types d'échantillon Références
objectif paragraphe
c) Montage de l'échantillon ou remontage
Monter sur un métal Diminuer la résistivité de Particules fines et poudres A.4.2 2, 5
conducteur ou toute l'échantillon (en créant un
autre bande court trajet vers la terre)
conductrice
Recouvrir avec un Minimiser la résistivité de Isolants massifs et films fortement A.3.3.4 2, 3, 5, 17
masque ou une grille l'échantillon (en créant un isolants
conductrice court trajet vers la terre)
Augmenter la capacitance
d) Traitements spéciaux de l'échantillon
Nettoyer l'échantillon Augmenter l'émission des Isolants massifs et films isolants A.3.5 26, 27
électrons secondaires A.5.3
Éliminer les contaminants,
modifiant souvent le
rendement des électrons
secondaires, diminuant
parfois l'effet de charge
Préparer des Minimiser la résistivité de Échantillons massifs amincis par A.3.3.2 8, 12, 13-15,
échantillons amincis l'échantillon (en diminuant diverses méthodes comprenant la 28
l'épaisseur efficace de pulvérisation d'ions
l
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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