ISO 22493:2008
(Main)Microbeam analysis — Scanning electron microscopy — Vocabulary
Microbeam analysis — Scanning electron microscopy — Vocabulary
ISO 22493:2008 defines terms used in the practice of scanning electron microscopy (SEM). It covers both general and specific concepts classified according to their hierarchy in a systematic order, with those terms that have already been defined in ISO 23833 also included, where appropriate. The vocabulary is applicable to all standardization documents relevant to the practice of SEM. In addition, some clauses of the vocabulary are applicable to documents relevant to related fields (e.g. EPMA, AEM, EDS) for the definition of terms which are relevant to such fields.
Analyse par microfaisceaux — Microscopie électronique à balayage — Vocabulaire
L'ISO 22493:2008 définit les termes utilisés dans les applications de la microscopie électronique à balayage (MEB). Elle couvre des concepts généraux et des concepts spécifiques, hiérarchisés selon un ordre systématique, et inclut les termes déjà définis dans l'ISO 23833, le cas échéant. L'ISO 22493:2008 s'applique à tous les documents de normalisation relatifs à la pratique de la MEB. Certains articles du vocabulaire s'appliquent également aux documents relevant de domaines apparentés (par exemple l'EPMA, la MEA, l'EDS) pour la définition des termes qui sont pertinents dans ces domaines.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 22493
First edition
2008-10-01
Microbeam analysis — Scanning electron
microscopy — Vocabulary
Analyse par microfaisceaux — Microscopie électronique à balayage —
Vocabulaire
Reference number
ISO 22493:2008(E)
©
ISO 2008
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ISO 22493:2008(E)
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ISO 22493:2008(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Abbreviations .1
3 Terms used in the physical basis of SEM.1
4 Terms used in SEM instrumentation.5
5 Terms used in SEM image formation and processing .12
6 Terms used in SEM image interpretation and analysis.16
7 Terms used in the measurement and calibration of SEM image magnification and resolution.18
Bibliography.20
Alphabetical index.21
© ISO 2008 – All rights reserved iii
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ISO 22493:2008(E)
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
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Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
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ISO 22493 was prepared by Technical Committee ISO/TC 202, Microbeam analysis, Subcommittee SC 1,
Terminology.
iv © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 22493:2008(E)
Introduction
The scanning electron microscopy (SEM) technique is used to observe and characterize the surface
morphology and structure of solid materials, including metal alloys, ceramics, glasses, minerals, polymers,
powders, etc., on a spatial scale of micrometer down to nanometer laterally. In addition, three-dimensional
structure can be generated by using a combination of focused ion beam and scanning-electron-based
analysis techniques. The SEM technique is based on the physical mechanism of electron optics, electron
scattering and secondary electron emission.
As a major sub-field of microbeam analysis (MBA), the SEM technique is widely applied in diverse sectors
(high-tech industries, basic industries, metallurgy and geology, biology and medicine, environmental
protection, trade, etc.) and has a strong business base that needs standardization.
Standardizing the terminology of a technical field is one of the basic prerequisites for development of
standards on other aspects of that field.
This International Standard is relevant to the need for an SEM terminology that contains consistent definitions
of terms as they are used in the practice of scanning electron microscopy by the international scientific and
engineering communities that employ the technique. This International Standard is the second one developed
in a package of standards on electron probe microanalysis (EPMA), scanning electron microscopy (SEM),
analytical electron microscopy (AEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), etc., developed or to be
developed by Technical Committee ISO/TC 202, Microbeam analysis, Subcommittee SC 1, Terminology, to
cover the complete field of MBA.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 22493:2008(E)
Microbeam analysis — Scanning electron microscopy —
Vocabulary
1 Scope
This International Standard defines terms used in the practice of scanning electron microscopy (SEM). It
covers both general and specific concepts, classified according to their hierarchy in a systematic order, with
those terms that have already been defined in ISO 23833 also included, where appropriate.
This International Standard is applicable to all standardization documents relevant to the practice of SEM. In
addition, some clauses of this International Standard are applicable to documents relevant to related fields
(e.g. EPMA, AEM, EDS) for the definition of terms which are relevant to such fields.
2 Abbreviations
AEM analytical electron microscope/microscopy
BSE (BE) backscattered electron
CPSEM controlled pressure scanning electron microscope/microscopy
CRT cathode ray tube
EBIC electron beam induced current
EBSD electron backscatter/backscattering diffraction
EDS energy dispersive X-ray spectrometer/spectrometry
EDX energy dispersive X-ray spectrometry
EPMA electron probe microanalyser/analysis
ESEM environmental scanning electron microscope/microscopy
FWHM full width at half maximum
SE secondary electron
SEM scanning electron microscope/microscopy
VPSEM variable-pressure scanning electron microscope/microscopy
3 Terms used in the physical basis of SEM
3.1
electron optics
science that deals with the passage of electrons through electrostatic and/or electromagnetic fields
3.1.1
electron source
device that generates electrons necessary for forming an electron beam in the electron optical system
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ISO 22493:2008(E)
3.1.1.1
energy spread
diversity of energy of electrons
3.1.1.2
effective source size
effective dimension of the electron source
3.1.2
electron emission
ejection of electrons from the surface of a material under certain excitation conditions
3.1.2.1
field emission
electron emission caused by the strong electric field on and near the surface of the material
3.1.2.1.1
cold field emission
field emission in which the emission process relies purely on the high-strength electrostatic field in a
high-vacuum environment with the cathode operating at ambient temperature
3.1.2.1.2
thermal field emission
Schottky emission
field emission in which the emission process relies on both the elevated temperature of the cathode tip and an
applied electric field of high voltage in a high-vacuum environment
3.1.2.2
thermionic emission
electron emission which relies on the use of high temperature to enable electrons in the cathode to overcome
the work function energy barrier and escape into the vacuum
3.1.3
electron lens
basic component of an electron optical system, using an electrostatic and/or electromagnetic field to change
the trajectories of the electrons passing through it
3.1.3.1
electrostatic lens
electron lens employing an electrostatic field formed by a specific configuration of electrodes
3.1.3.2
electromagnetic lens
electron lens employing an electromagnetic field formed by a specific configuration of electromagnetic coil (or
permanent magnet) and pole piece
3.1.4
focusing
aiming the electrons onto a particular point using an electron lens
3.1.5
demagnification
numerical value by which the diameter of the electron beam exiting a lens is reduced in comparison to the
diameter of the electron beam entering the lens
3.2
electron scattering
electron deflection and/or its kinetic energy loss as a result of collision(s) with target atom(s) or electron(s)
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ISO 22493:2008(E)
3.2.1
elastic scattering
electron scattering in which energy and momentum are conserved in the collision system
3.2.1.1
backscattering
electron scattering in which the incident electrons scatter backwards and out of the target after suffering
deflections
3.2.2
inelastic scattering
electron scattering in which energy and/or momentum are not conserved in the collision system
NOTE For inelastic scattering, the electron trajectory is modified by a small angle, generally less than 0,01 rad.
3.2.3
scattering cross-section
hypothetical area normal to the incident radiation that would geometrically intercept the total amount of
radiation actually scattered by a scattering particle
2
NOTE Scattering cross-section is usually expressed only as area (m ).
3.2.4
mean free path
mean distance between electron scattering events in any material
3.2.5
Bethe range
estimate of the total distance an electron can travel in any material (including vacuum and a target), obtained
by integrating the Bethe stopping power equation over the energy range from the incident value to a low
threshold value (e.g. 1 keV)
NOTE This assumes that the electron loses energy continuously in the material rather than as occurs in practice where
energy is lost in discrete scattering events.
3.3
backscattered electron
BSE
electron ejected from the entrance surface of the specimen by the backscattering process
NOTE By convention, an electron ejected with an energy greater than 50 eV may be considered as a backscattered
electron.
3.3.1
backscattering coefficient
BSE yield
η
ratio of the total number of backscattered electrons to the total number of incident electrons
3.3.2
BSE angular distribution
distribution of backscattered electrons as a function of their emitting angle relative to the specimen surface
normal
3.3.3
BSE atomic number dependence
variation of backscattering coefficient as a function of the atomic number of the specimen
3.3.4
BSE beam energy dependence
variation of backscattering coefficient with beam energy
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ISO 22493:2008(E)
3.3.5
BSE depth distribution
distribution describing the locations of the electrons at their maximum depth in the specimen before
subsequently being backscattered from the specimen surface
3.3.6
BSE energy distribution
distribution of backscattered electrons as a function of their emitting energy
3.3.7
BSE escape depth
maximum depth in a specimen from which a backscattered electron may emerge
3.3.8
BSE lateral spatial distribution
two-dimensional distribution of backscattered electrons escaping as a function of the distance from the beam
impact point to the lateral position of escape
3.4
secondary electron
electron emitted from the surface of a specimen as a result of bombardment by the primary electrons
NOTE By convention, an electron with energy less than 50 eV is considered as a secondary electron.
3.4.1
SE yield
secondary electron coefficient
total number of secondary electrons per incident electron
3.4.2
SE angular distribution
distribution of secondary electrons as a function of their emitting angle relative to the surface normal
3.4.3
SE energy distribution
distribution of secondary electrons as a function of their emitting energy
3.4.4
SE escape depth
maximum depth under a surface from which secondary electrons are emitted
3.4.5
SE tilt dependence
effect on secondary electrons of the specimen tilt which accompanies a change in incident beam angle
3.4.6
SE (SE )
1 I
secondary electrons that are generated by the incident beam electrons within the specimen
3.4.7
SE (SE )
2 II
secondary electrons that are generated by the backscattered electrons within the specimen
3.4.8
SE (SE )
3 III
secondary electrons that are generated by the electrons backscattered from the specimen somewhere
remotely beyond the point of incidence
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ISO 22493:2008(E)
3.4.9
SE (SE )
4 IV
secondary electrons that are generated by the incident beam electrons within the electron optical column
3.5
electron penetration
physical process of forwards travelling by an energetic incident beam electron before losing all its energy
within the target (specimen)
3.5.1
electron range
measure of the straight-line penetration distance of electrons in a solid
3.5.2
interaction volume
volume below the incident electron beam impact area at the specimen surface, within which the beam
electrons travel and experience elastic and inelastic scattering
3.5.3
information volume
volume of the specimen from which the measured signal originates
3.5.4
penetration depth
depth to which an incident electron travels in a target
3.5.5
Monte Carlo simulation
calculation that approximates measurement results by the use of random sampling techniques, usually using
computer-generated random numbers in a way that adheres to the physical processes governing electron
interaction
3.6
electron channelling
physical process occurring in crystalline materials of greater electron penetration along directions of low
atomic density
3.7
electron diffraction
physical process of particularly strong scattering of the incident electron beam at certain angles relative to the
atomic planes in a crystal
3.7.1
electron backscattering diffraction
EBSD
diffracting process that arises between the backscattered electrons and the atomic planes of a highly tilted
specimen illuminated by the incident electron beam
4 Terms used in SEM instrumentation
4.1
electron gun
component that produces an electron beam with a well-defined kinetic energy
4.1.1
field emission gun
electron gun employing field emission
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ISO 22493:2008(E)
4.1.1.1
cold field emission gun
electron gun employing cold field emission
4.1.1.1.1
extracting electrode
electrode applying the electrostatic potential to extract electrons from the electron source
4.1.1.1.2
flashing
short-time heating process usually applied to a cold field emission gun to clean the surface of the electron
source tip
4.1.1.2
thermal field emission gun
electron gun employing thermal field emission
4.1.2
thermionic emission gun
electron gun employing thermionic emission
4.1.2.1
tungsten hairpin gun
thermionic emission gun employing a tungsten hairpin filament as its cathode
4.1.2.2
LaB gun
6
thermionic emission gun employing a heated block of single-crystal LaB as its cathode
6
4.1.2.3
anode
one of the electrodes making up the electron gun, to which a high positive voltage relative to the cathode is
applied to accelerate the emitted electrons from the cathode
4.1.2.4
cathode
one of the electrodes making up the electron gun, which is at a negative electric potential relative to the anode
4.1.2.5
Wehnelt cylinder
cap-shaped electrode, placed between anode and cathode in the electron gun, which acts to focus electrons
inside the gun and to control the amount of electron emission
4.1.3
brightness
β
current per unit area at the focus position and per unit solid angle in the beam
NOTE Brightness is given by the equation
2 2 2
β = 4I/(π d α )
where
I is the current, in amperes;
d is the beam diameter, in metres, at the focus position;
α is the beam half-angle, in radians.
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ISO 22493:2008(E)
4.1.4
reduced brightness
β ′
brightness (beam current density) normalized to the beam acceleration voltage
β ′ = β /V
where
β is the measured brightness;
V is the electron beam acceleration voltage.
4.1.5
emission current
total electron current emitted from the cathode
4.1.6
saturation
specific cathode heating condition at which a change in the cathode heating current will result in only a small
change in the electron beam current, which is close to its maximum
4.2
electron lens system
combination of various electron lenses to achieve specific electron optics functions
4.2.1
aberration
divergence from ideal properties of an electron optical element, e.g. lens defects like spherical aberration,
chromatic aberration, diffraction, that degrade the lens optical function
4.2.1.1
chromatic aberration
lens defect which arises because electrons from the same point but of slightly different energies will be
focused at different positions in the image plane
4.2.1.2
spherical aberration
lens defect which arises because electrons in trajectories further away from the optic axis are bent more
strongly by the lens magnetic field than those near the axis
4.2.2
aperture
diaphragm with an axial opening that defines the transmission of the lens
4.2.2.1
aperture angle
half of the angle subtended by the diameter of the aperture at the point of beam focus
4.2.2.2
aperture diffraction
defect which arises at very small aperture diameters because the wave nature of electrons gives rise to a
diffraction pattern instead of a point in the Gaussian image plane
4.2.2.3
objective aperture
aperture that restricts the cross-sectional area of the electron beam incident on the specimen
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ISO 22493:2008(E)
4.2.2.4
virtual objective aperture
beam-limiting aperture located between the last condenser and the objective lens
4.2.3
astigmatism
phenomenon in which electrons emerging from a point object are focused to form two separate focal lines at
90° to one another rather than a point focus as formed by a perfectly cylindrical lens
NOTE It arises from the lens asymmetric magnetic field caused by machining errors, inhomogeneities in the pole pieces,
asymmetry in the lens windings and imperfect apertures.
4.2.3.1
stigmator
device that applies weak supplementary magnetic fields to correct astigmatism
4.2.4
condenser lens
electron optical device used to converge or diverge transmitted electrons
NOTE The principal function of the condenser is to set the beam current and control its three-dimensional shape.
4.2.5
objective lens
lens in a microscope closest to the specimen
NOTE The principal function of the objective lens is to focus the final probe.
4.2.5.1
conical lens
objective lens in the shape of a cone pointing towards the specimen
4.2.5.2
immersion lens
electron lens in which the object lies deep within the electric field so that the lens field varies rapidly in its
vicinity
4.2.5.3
snorkel lens
objective lens of asymmetric single-pole configuration with the ability to accommodate large specimens, with
low aberrations and with flexibility for through-lens electron detection and imaging
4.3
scanning system
device incorporated in the electron optical system for achieving time-controlled one- or two-dimensional
movement of the electron probe on the specimen surface and synchronized signal collection to generate line
scans or images
4.3.1
analogue scanning system
scanning system with an analogue circuit as its scanning signal source, in which the electron probe is moved
continuously, with a rapid scan along the x-axis (the line scan) and a slower scan at right angles along the
y-axis (the frame scan), so that a good approximation to an orthogonal scan is produced
4.3.2
digital scanning system
scanning system, with a digital circuit as its scanning signal source, in which the electron probe is moved
discretely from a point being addressed to a particular location (x, y) in a matrix, remains there for a fixed time
(the dwell time) and is then moved to the next data collection point
8 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 22493:2008(E)
4.3.3
double deflection
action of deflecting the electron beam at first off-axis and then to cross the optical axis again at the final (beam
defining) aperture
4.3.4
dwell time
time during which the electron probe stays in a particular location in digital scanning operation
4.4
specimen chamber
compartment just next to the objective lens where the specimen stage with specimen is accommodated and
manipulated
4.4.1
charge balance
condition at which the number of incident electrons impinging on the specimen surface equals the number of
electrons (secondary, backscattered, etc.) leaving the specimen
4.4.2
differential pumping
pumping method designed to achieve and maintain the different vacuum values for chambers connected by
diaphragms which prevent the exchange of large amounts of gas
4.4.3
variable pressure SEM
VPSEM
See CPSEM (4.4.7).
4.4.4
environmental SEM
ESEM
See CPSEM (4.4.7).
4.4.5
gas path length
average distance electrons pass through gas to reach the specimen
4.4.6
gas amplification
effect of multiple ionization events leading to secondary electron cascade due to electron-gas interaction
under an applied electric field leading to a signal gain
4.4.7
CPSEM
controlled pressure SEM which can operate with a pressure in the specimen chamber from 1 Pa up to
5 000 Pa so that direct secondary emission is no longer detectable and images are obtained with the
detection of electrons by gas amplification (4.4.6), environmental SE detector (4.6.2.6), ions,
photoemission or using other signals such as BSE or absorbed current
NOTE This type of SEM can be also used with a normal vacuum in the chamber.
4.5
specimen
sampled material designated to be examined or analysed
© ISO 2008 – All rights reserved 9
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ISO 22493:2008(E)
4.5.1
specimen stage
device, located in the specimen chamber, which enables the specimen to be appropriately mounted,
manipulated and held in place
NOTE It usually allows for some of the five degrees of freedom in motion, i.e. x-y-z displacements, tilting and rotating.
4.5.2
working distance
distance between the lower surface of the pole piece of the objective lens and the specimen surface
NOTE In the past, this distance was defined as the distance between the principal plane of the objective lens and the
plane containing the specimen surface.
4.5.3
contamination
extraneous surface layer on the specimen surface and/or localized build-up of foreign material on the surface
arising from electron beam bombardment
4.5.4
coating
procedure of covering the specimen surface with a thin layer of material (usually conductive) which is
generally created by vacuum evaporation or sputtering
4.5.5
edge effect
signal enhancement at edge features of the specimen surface in SEM images
4.6
signal detection
collection of the physical signals generated by the electron-specimen interaction and their conversion into
electronic signals for further processing
4.6.1
detector
device employed to achieve signal collection and conversion into an electronic signal
4.6.2
electron detector
detector specifically designed for collection of electrons and their conversion into an electronic signal
4.6.2.1
BSE to SE conversion detector
version of the Everhart-Thornley detector for the collection of BSE signals through collection of remotely
generated SEs by the use of a specific electrode having a high BSE to SE conversion efficiency
4.6.2.2
EBSD CCD-based camera
detector system, used for imaging of EBSD patterns, which involves a phosphor screen, an optical camera
lens system, a charge-coupled device and a computer to collect the data
4.6.2.3
IR camera
detector system used to observe the contents of the specimen chamber with infra-red light
4.6.2.4
channel plate detector
SE and BSE detector for all energy range operation and multiplication occurring within the capillaries through
the detector plate with an accelerating potential applied between the exit and the entrance faces
10 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 22493:2008(E)
4.6.2.5
combined scintillator/light guide BSE detector
dedicated BSE detector in which a large-area scintillator (made of the same material as the light guide) is
placed above the specimen surface, close to and symmetrical with the surface, to achieve BSE collection over
a solid angle of nearly 2π
4.6.2.6
environmental SE detector
special type of SE detector, dedicated to VPSEM or CPSEM, which operates on the principle of amplified ion
signal current generated in the SE-gas ionization process by the accelerated SEs in the presence of an
electric field produced by positively biasing an electrode near the specimen placed in a gaseous environment
4.6.2.7
Everhart-Thornley detector
type of SE detector named after its designers T. Everhart and R.F.M. Thornley
NOTE The basic component of the detector is a scintillator that emits photons when hit by high-energy electrons. The
emitted photons are collected by a light guide and transported to a photomultiplier for detection.
4.6.2.8
gas (or gaseous) SE detector
See environmental SE detector (4.6.2.6).
4.6.2.9
solid-state diode detector
dedicated BSE detector which operates on the principle of electron-hole production induced in a
semiconductor by energetic electrons, with the features of flexible configuration, large solid angle, multiple
arrays, energy selectivity and self-amplification
4.6.2.10
through-the-lens (TTL) detector
special kind of SE/BSE detector, adapted to the objective lens, in which the SEs/BSEs emitted from the
specimen spiral up along the lens magnetic field, pass up through the lens bore and are collected by electron
detector(s) placed on one side of the column
4.6.2.11
in-lens detector
special kind of SE/BSE detector, placed between the pole pieces of the objective lens, in which the SEs/BSEs
emitted from the specimen spiral up along the lens magnetic field, pass up through the lens bore and are
collected by electron detector(s) coaxial with the beam
4.6.3
take-off angle
angle between the surface of the specimen and the line connecting the beam impact point on the specimen
surface to the centre of the detector face
NOTE In this instance, the term does not apply to X-ray detector take-off angle. For X-ray detector take-off angle, see
“X-ray take-off angle” in ISO 23833.
4.7
signal processing
subsequent treatment and modification of electrical signals leaving the detector by electronic means for further
image processing and display
4.7.1
black level
dark level
minimum output signal from the amplifier that corresponds to the darkest possible level on
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 22493
Première édition
2008-10-01
Analyse par microfaisceaux —
Microscopie électronique à balayage —
Vocabulaire
Microbeam analysis — Scanning electron microscopy — Vocabulary
Numéro de référence
ISO 22493:2008(F)
©
ISO 2008
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ISO 22493:2008(F)
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Publié en Suisse
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ISO 22493:2008(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Termes abrégés.1
3 Termes utilisés dans les bases physiques de la MEB .1
4 Termes utilisés dans l'instrumentation pour MEB .6
5 Termes utilisés dans la formation et le traitement des images MEB .12
6 Termes utilisés dans l'interprétation et l'analyse des images MEB .16
7 Termes utilisés pour le mesurage et l'étalonnage du grandissement et de la résolution
d'image MEB.18
Bibliographie.20
Index alphabétique .21
© ISO 2008 – Tous droits réservés iii
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ISO 22493:2008(F)
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 22493 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 202, Analyse par microfaisceaux, sous-comité
SC 1, Terminologie.
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ISO 22493:2008(F)
Introduction
La microscopie électronique à balayage (MEB) est une technique utilisée pour observer et caractériser la
morphologie de la surface et la structure des matériaux solides, notamment les alliages métalliques, les
céramiques, les verres, les minéraux, les polymères, les poudres, etc., sur une échelle spatiale allant du
micromètre au nanomètre. Il est également possible en lui associant la microscopie par faisceaux d'ions
focalisés de générer des structures en trois dimensions. La microscopie électronique à balayage repose sur la
physique de l'optique électronique, de la diffusion d'électrons et de l'émission d'électrons secondaires.
Principal sous-domaine de l'analyse par microfaisceaux, la microscopie électronique à balayage trouve de
très nombreuses applications dans divers domaines d'activité (industries de haute technologie, industries de
base, métallurgie et géologie, biologie et médecine, protection de l'environnement, commerce, etc.). Elle
dispose en outre d'une base commerciale solide qui a besoin de normalisation.
Normaliser la terminologie d'un domaine technique constitue l'une des conditions préalables fondamentales à
l'élaboration de normes sur d'autres aspects de la technique.
La présente Norme internationale répond à la nécessité d'élaborer une terminologie spécifique à la MEB,
contenant des définitions cohérentes des termes utilisés dans la pratique à l'échelle internationale par les
scientifiques et les ingénieurs utilisant cette technique. La présente Norme internationale est la deuxième
d'une série de normes élaborées ou destinées à être élaborées par le Comité technique ISO/TC 202, Analyse
par microfaisceaux, sous-comité SC 1, Terminologie, sur l'analyse par microsonde électronique (EPMA), la
microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique analytique (MEA), la spectrométrie à
sélection d'énergie (EDS), etc., afin de couvrir l'ensemble du domaine de l'analyse par microfaisceaux.
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NORME INTERNATIONALE ISO 22493:2008(F)
Analyse par microfaisceaux — Microscopie électronique à
balayage — Vocabulaire
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale définit les termes utilisés dans les applications de la microscopie
électronique à balayage (MEB). Elle couvre des concepts généraux et des concepts spécifiques, hiérarchisés
selon un ordre systématique, et inclut les termes déjà définis dans l'ISO 23833, le cas échéant.
La présente Norme internationale s'applique à tous les documents de normalisation relatifs à la pratique de la
MEB. Certains articles de la présente Norme internationale s'appliquent également aux documents relevant
de domaines apparentés (par exemple l'EPMA, la MEA, l'EDS) pour la définition des termes qui sont
pertinents dans ces domaines.
2 Termes abrégés
MEA microscopie/microscope électronique analytique
BSE électron rétrodiffusé
MEBPC microscopie/microscope électronique à balayage à pression contrôlée
CRT tube cathodique
EBIC courant induit par faisceau d'électrons
EBSD diffraction des électrons rétrodiffusés/diffraction par rétrodiffusion
EDS spectrométrie/spectromètre X à sélection d'énergie
EDX spectrométrie X à sélection d'énergie
EPMA analyse par microsonde électronique ou microsonde de Castaing
MEBE microscopie/microscope électronique à balayage environnemental
FWHM largeur à mi-hauteur
SE électron secondaire
MEB microscopie/microscope électronique à balayage
MEBPV microscopie/microscope électronique à balayage à pression variable
3 Termes utilisés dans les bases physiques de la MEB
3.1
optique électronique
science qui traite de la trajectoire des électrons au travers de champs électrostatiques et/ou
électromagnétiques
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3.1.1
source d'électrons
dispositif qui génère les électrons nécessaires à la formation d'un faisceau d'électrons dans le système
optique électronique
3.1.1.1
étalement énergétique
diversité de l'énergie des électrons
3.1.1.2
taille de source effective
dimension effective de la source d'électrons
3.1.2
émission d'électrons
libération d'électrons par la surface d'un matériau dans certaines conditions d'excitation
3.1.2.1
émission de champ
émission d'électrons engendrée par un champ électrique intense à la surface ou au voisinage de la surface
d'un matériau
3.1.2.1.1
émission de champ à cathode froide
émission de champ froide
émission de champ dans laquelle le processus d'émission dépend uniquement du champ électrostatique créé
par une haute tension dans un environnement d'ultravide, la cathode fonctionnant à température ambiante
3.1.2.1.2
émission de champ assistée thermiquement
effet Schottky
émission de champ dans laquelle le processus d'émission dépend à la fois de la température élevée de la
pointe de la cathode et du champ électrique créé par une haute tension dans un environnement d'ultravide
3.1.2.2
émission thermoélectronique
émission d'électrons due à la température élevée qui permet aux électrons de la cathode de vaincre le travail
de sortie et de s'échapper dans le vide
3.1.3
lentille électronique
élément de base d'un système optique électronique qui utilise un champ électrostatique et/ou
électromagnétique pour modifier la trajectoire des électrons qui le traversent
3.1.3.1
lentille électrostatique
lentille électronique qui utilise un champ électrostatique formé par une configuration spécifique d'électrodes
3.1.3.2
lentille électromagnétique
lentille électronique qui utilise un champ électromagnétique formé par une configuration spécifique de
bobinage électromagnétique (ou d'aimant permanent) et de pièce polaire
3.1.4
focalisation
fonction de base d'une lentille électronique qui assure la convergence des électrons vers un point particulier
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3.1.5
facteur de réduction
valeur numérique correspondant à la diminution du diamètre du faisceau d'électrons sortant d'une lentille
comparé au diamètre du faisceau d'électrons entrant dans la lentille
3.2
diffusion d'électrons
modification de la trajectoire d'un électron et/ou perte de son énergie cinétique à la suite d'une ou de plusieurs
collisions avec un ou plusieurs électrons ou atomes cibles
3.2.1
diffusion élastique
diffusion d'électrons au cours de laquelle il y a conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement lors
de la collision
3.2.1.1
rétrodiffusion
diffusion d'électrons au cours de laquelle les électrons incidents rebondissent sur la surface et sont éjectés de
la cible après avoir subi une modification de leur trajectoire
3.2.2
diffusion inélastique
diffusion d'électrons au cours de laquelle il n'y a pas conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement
lors de la collision
NOTE Lors de la diffusion inélastique, la trajectoire des électrons est modifiée selon un angle faible, généralement
inférieur à 0,01 rad.
3.2.3
section efficace de diffusion
surface théorique, perpendiculaire au rayonnement incident, dont la géométrie devrait permettre de capturer
la totalité du rayonnement diffusé par une particule diffusante
2
NOTE La section efficace de diffusion est en général exprimée simplement comme une surface (m ).
3.2.4
libre parcours moyen
distance moyenne entre les événements de diffusion des électrons dans un matériau quelconque
3.2.5
portée de Bethe
estimation de la longueur totale du chemin pouvant être parcouru par un électron dans un matériau
quelconque (y compris le vide et une cible), obtenue par intégration du ralentissement de l'équation de Bethe
dans le domaine d'énergie compris entre la valeur incidente et une valeur seuil faible (par exemple 1 keV)
NOTE Cette définition suppose que la perte d'énergie de l'électron dans le matériau est continue, contrairement à ce qui
est observé dans la pratique, où la perte d'énergie se produit lors d'événements de diffusion discrets.
3.3
électron rétrodiffusé
BSE
électron éjecté de la surface d'entrée de l'échantillon par le processus de rétrodiffusion
NOTE Par convention, un électron éjecté avec une énergie supérieure à 50 eV peut être considéré comme un électron
rétrodiffusé.
3.3.1
coefficient de rétrodiffusion
rendement de rétrodiffusion
η
rapport entre le nombre total d'électrons rétrodiffusés et le nombre total d'électrons incidents
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3.3.2
distribution angulaire des électrons rétrodiffusés
distribution des électrons rétrodiffusés en fonction de leur angle d'émission par rapport à la normale à la
surface de l'échantillon
3.3.3
influence du nombre atomique sur les électrons rétrodiffusés
variation du coefficient de rétrodiffusion en fonction du nombre atomique de l'échantillon
3.3.4
influence de l'énergie du faisceau sur les électrons rétrodiffusés
variation du coefficient de rétrodiffusion avec l'énergie du faisceau
3.3.5
distribution en profondeur des électrons rétrodiffusés
distribution décrivant la position à leur profondeur maximale des électrons dans l'échantillon avant qu'ils ne
soient rétrodiffusés de la surface de l'échantillon
3.3.6
distribution énergétique des électrons rétrodiffusés
distribution des électrons rétrodiffusés en fonction de leur énergie d'émission
3.3.7
profondeur d'échappement des électrons rétrodiffusés
profondeur maximale dans un échantillon d'où un électron rétrodiffusé peut émerger
3.3.8
distribution spatiale latérale des électrons rétrodiffusés
distribution en deux dimensions des électrons rétrodiffusés émergeant en fonction de la distance séparant le
point d'impact du faisceau de la position latérale d'échappement
3.4
électron secondaire
électron émis par la surface d'un échantillon à la suite d'un bombardement par les électrons primaires
NOTE Par convention, un électron dont l'énergie est inférieure à 50 eV est considéré comme un électron secondaire.
3.4.1
rendement SE
coefficient d'émission secondaire
nombre total d'électrons secondaires par électron incident
3.4.2
distribution angulaire des électrons secondaires
distribution des électrons secondaires en fonction de leur angle d'émission par rapport à la normale à la
surface
3.4.3
distribution énergétique des électrons secondaires
distribution des électrons secondaires en fonction de leur énergie d'émission
3.4.4
profondeur d'échappement des électrons secondaires
profondeur maximale sous une surface d'où les électrons secondaires sont émis
3.4.5
influence de l'inclinaison sur les électrons secondaires
effet sur les électrons secondaires de l'inclinaison de l'échantillon qui accompagne un changement de l'angle
du faisceau incident
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3.4.6
SE (SE )
1 I
électrons secondaires générés dans l'échantillon par les électrons du faisceau incident
3.4.7
SE (SE )
2 II
électrons secondaires générés dans l'échantillon par les électrons rétrodiffusés
3.4.8
SE (SE )
3 III
électrons secondaires générés par les électrons rétrodiffusés par l'échantillon en un point relativement éloigné
du point d'incidence
3.4.9
SE (SE )
4 IV
électrons secondaires générés dans la colonne optique électronique par les électrons du faisceau incident
3.5
pénétration d'un électron
processus physique de cheminement d'un électron du faisceau énergétique incident avant qu'il ne perde toute
son énergie dans la cible (échantillon)
3.5.1
portée des électrons
mesure de la distance de pénétration en ligne droite des électrons dans un solide
3.5.2
volume d'interaction
volume situé sous la zone d'impact du faisceau incident à la surface de l'échantillon, dans lequel les électrons
du faisceau se déplacent et sont soumis à des diffusions élastique et inélastique
3.5.3
volume d'information
volume de l'échantillon à l'origine du signal mesuré
3.5.4
profondeur de pénétration
profondeur atteinte par un électron incident dans une cible
3.5.5
simulation de Monte-Carlo
calcul d'approximation des résultats de mesurage à l'aide de techniques d'échantillonnage aléatoire, utilisant
généralement des nombres aléatoires générés par ordinateur selon un schéma qui suit les processus
physiques régissant l'interaction des électrons
3.6
canalisation des électrons
processus physique se produisant dans des matériaux cristallins selon des plans de densité atomique faible
générant une forte pénétration d'électrons
3.7
diffraction des électrons
processus physique de diffusion particulièrement forte du faisceau d'électrons incident sous certains angles
en relation avec les plans atomiques du cristal
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3.7.1
diffraction des électrons rétrodiffusés
EBSD
processus de diffraction se produisant entre les électrons rétrodiffusés et les plans atomiques d'un échantillon
fortement incliné bombardé par le faisceau d'électrons incident
4 Termes utilisés dans l'instrumentation pour MEB
4.1
canon à électrons
composant produisant un faisceau d'électrons d'énergie cinétique bien définie
4.1.1
canon à émission de champ
canon à électrons utilisant l'émission de champ
4.1.1.1
canon à émission de champ froide
canon à électrons utilisant l'émission de champ froide
4.1.1.1.1
électrode d'extraction
électrode portée au potentiel électrostatique nécessaire pour extraire des électrons de la source d'électrons
4.1.1.1.2
flash
chauffage de courte durée appliqué généralement à un canon à émission de champ froide pour nettoyer la
surface de la pointe émettrice d'électrons
4.1.1.2
canon à émission de champ assisté thermiquement
canon à électrons utilisant l'émission de champ assistée thermiquement
4.1.2
canon à émission thermoélectronique
canon à électrons utilisant l'émission thermoélectronique
4.1.2.1
canon à filament de tungstène
canon à émission thermoélectronique dont la cathode est formée par un filament de tungstène plié en épingle
à cheveux
4.1.2.2
canon à pointe LaB
6
canon à émission thermoélectronique dont la cathode est constituée d'un monocristal LaB chauffé
6
4.1.2.3
anode
l'une des électrodes d'un canon à électrons, à laquelle est appliquée une tension positive élevée par rapport à
la cathode afin d'accélérer les électrons émis par celle-ci
4.1.2.4
cathode
l'une des électrodes d'un canon à électrons, portée à un potentiel électrique négatif par rapport à l'anode
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4.1.2.5
wehnelt
électrode percée placée dans le canon à électrons entre l'anode et la cathode, qui focalise les électrons à
l'intérieur du canon et en régule l'émission
4.1.3
brillance
β
courant au point de focalisation par unité de surface et par unité d'angle solide dans le faisceau
NOTE La brillance est donnée par l'équation
2 2 2
β = 4 I /(π d α )
où
I est le courant, en ampères;
d est le diamètre, en mètres, du faisceau au point de focalisation;
α est le demi-angle d'ouverture du faisceau, en radians.
4.1.4
brillance réduite
β′
brillance (densité de courant du faisceau) normalisée pour la tension d'accélération du faisceau
β′ = β / V
où
β est la brillance mesurée;
V est la tension d'accélération du faisceau d'électrons.
4.1.5
courant d'émission
courant total d'électrons émis par la cathode
4.1.6
saturation
état de chauffage spécifique de la cathode dans lequel une modification du courant de chauffage ne modifie
que très légèrement le courant du faisceau d'électrons proche de son maximum
4.2
système de lentilles électroniques
combinaison de plusieurs lentilles électroniques permettant d'obtenir des fonctions optiques électroniques
spécifiques
4.2.1
aberration
écart par rapport aux propriétés idéales d'un élément optique électronique, par exemple défauts d'une lentille
tels que l'aberration sphérique, l'aberration chromatique, la diffraction, qui altèrent les propriétés optiques de
la lentille
4.2.1.1
aberration chromatique
défaut de la lentille se produisant du fait que des électrons provenant d'un même point mais d'énergies
légèrement différentes, sont focalisés en des points différents dans le plan image
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4.2.1.2
aberration sphérique
défaut de la lentille se produisant du fait que le champ magnétique de la lentille courbe plus fortement les
trajectoires d'électrons qui sont éloignées de l'axe optique que celles qui sont proches de l'axe
4.2.2
diaphragme
ouverture axiale dont le diamètre définit la transmission de la lentille
4.2.2.1
angle d'ouverture
moitié de l'angle sous-tendu par le diamètre du diaphragme au point de focalisation du faisceau
4.2.2.2
diffraction de diaphragme
défaut apparaissant lorsque le diaphragme est très petit, et qui, en raison de la nature ondulatoire des
électrons, produit une image de diffraction au lieu d'un point dans le plan gaussien de l'image
4.2.2.3
diaphragme d'objectif
diaphragme qui réduit l'aire de la section du faisceau d'électrons incident sur l'échantillon
4.2.2.4
diaphragme virtuel d'objectif
diaphragme de limitation du faisceau situé entre le dernier condenseur et la lentille de l'objectif
4.2.3
astigmatisme
phénomène par lequel les électrons émergeant d'un point objet sont focalisés et forment deux lignes de
focalisation distinctes, à 90° l'une de l'autre, et non l'image ponctuelle que donnerait une lentille parfaitement
cylindrique
NOTE L'astigmatisme résulte de l'asymétrie du champ magnétique de la lentille générée par des erreurs d'usinage, des
défauts d'homogénéité dans les pièces polaires, une asymétrie des enroulements de la lentille et des imperfections du
diaphragme.
4.2.3.1
stigmateur
dispositif appliquant des champs magnétiques faibles supplémentaires pour corriger l'astigmatisme
4.2.4
condenseur
dispositif optique utilisé pour faire converger ou diverger les électrons transmis
NOTE La fonction principale du condenseur est de définir le courant dans le faisceau et sa forme tridimensionnelle.
4.2.5
lentille objectif
lentille située immédiatement au-dessus de l'échantillon
NOTE La fonction principale de la lentille objectif est de focaliser la sonde finale.
4.2.5.1
lentille conique
lentille objectif ayant la forme d'un cône pointant vers l'échantillon
4.2.5.2
lentille à immersion
lentille électronique dans laquelle l'objet est placé à l'intérieur du champ électrique pour que le champ de la
lentille puisse varier rapidement à son voisinage
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4.2.5.3
lentille snorkel
lentille objectif de configuration unipolaire asymétrique, compatible avec des échantillons de grandes
dimensions, caractérisée par de faibles aberrations et une conception favorable pour l'imagerie et la détection
d'électrons au travers de la lentille
4.3
système de balayage
dispositif intégré dans la colonne optique électronique, permettant le déplacement de la sonde électronique
sur la surface de l'échantillon selon une ou deux dimensions et le recueil de signaux synchronisés de manière
à engendrer des lignes ou des images
4.3.1
système de balayage analogique
système de balayage piloté par un circuit analogique dans lequel la sonde électronique est déplacée de façon
continue, rapidement le long de l'axe des x (balayage ligne) et plus lentement à angle droit le long de l'axe des
y (balayage trame), de façon à constituer une bonne approximation du balayage orthogonal
4.3.2
système de balayage numérique
système de balayage piloté par un circuit numérique dans lequel la sonde électronique est déplacée de façon
discrète d'un point donné vers un autre point (x, y) d'une matrice où elle reste pendant un temps fixé (temps
d'échantillonnage), puis vers le point suivant d'acquisition
4.3.3
double déviation
action consistant dans un premier temps à dévier le faisceau d'électrons hors de l'axe optique, puis à le
replacer dans l'axe du diaphragme final (définissant le faisceau)
4.3.4
temps d'échantillonnage
dans le cas d'un balayage numérique, durée pendant laquelle la sonde électronique reste sur un point
particulier
4.4
chambre échantillon
compartiment à proximité de la lentille objectif où la platine objet portant l'échantillon est installée et
manipulée
4.4.1
équilibre de charge
état dans lequel le nombre d'électrons incidents frappant la surface de l'échantillon est égal au nombre
d'électrons (secondaires, rétrodiffusés, etc.) quittant l'échantillon
4.4.2
pompage différentiel
méthode de pompage permettant d'atteindre et de maintenir des valeurs de vide différentes dans des
chambres reliées par des diaphragmes, ce qui empêche l'échange de grandes quantités de gaz
4.4.3
MEB à pression variable
MEBPV
Voir MEBPC (4.4.7).
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4.4.4
MEB environnemental
MEBE
Voir MEBPC (4.4.7).
4.4.5
longueur de trajet gazeux
distance moyenne parcourue par les électrons à travers le gaz avant d'atteindre l'échantillon
4.4.6
amplification gazeuse
phénomène d'ionisations multiples conduisant à une cascade d'électrons secondaires et à un gain de signal
sous l'effet des interactions électrons/gaz dans un champ électrique
4.4.7
MEBPC
microscope électronique à balayage (MEB) à pression contrôlée pouvant fonctionner lorsque la pression dans
la chambre de l'échantillon est comprise entre 1 Pa et 5 000 Pa, de sorte que l'émission secondaire directe
n'est plus détectable et que les images sont obtenues à l'aide d'un détecteur d'électrons secondaires à
amplification gazeuse (4.4.6), d'un détecteur d'électrons sous pression contrôlée (4.6.2.6), d'un
détecteur d'émission photoélectrique ou à l'aide d'autres signaux tels que les électrons rétrodiffusés ou le
courant absorbé
NOTE Ce type de MEB peut également être utilisé avec un vide normal dans la chambre.
4.5
échantillon
matériau prélevé pour examen ou analyse
4.5.1
platine échantillon
dispositif, situé dans la chambre échantillon, qui permet de manipuler et de maintenir en place correctement
ce dernier
NOTE Ce dispositif autorise en général certains des cinq degrés de liberté de mouvement, à savoir les déplacements
x-y-z, l'inclinaison et la rotation.
4.5.2
distance de travail
distance séparant la surface inférieure de la pièce polaire de la lentille objectif et la surface de l'échantillon
NOTE Autrefois, cette distance était définie comme la distance entre le plan principal de la lentille objectif et le plan de la
surface de l'échantillon.
4.5.3
contamination
couche superficielle étrangère en surface de l'échantillon et/ou accumulation localisée de matériau étranger
sur la surface, provenant du bombardement par le faisceau d'électrons
4.5.4
métallisation
couverture de la surface de l'échantillon par une fine couche de matériau (généralement conducteur),
habituellement créée par évaporation sous vide ou pulvérisation
4.5.5
effet de bord
rehaussement du signal de bord de l'échantillon sur les images obtenues au MEB
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