ISO 18115:2001
(Main)Surface chemical analysis — Vocabulary
Surface chemical analysis — Vocabulary
Analyse chimique des surfaces — Vocabulaire
L'ISO 18115:2001 définit les termes relatifs à l'analyse chimique des surfaces.
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18115
First edition
2001-07-15
Surface chemical analysis — Vocabulary
Analyse chimique des surfaces — Vocabulaire
Reference number
ISO 18115:2001(E)
©
ISO 2001
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ISO 18115:2001(E)
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The reproduction of the terms and definitions contained in this International Standard is permitted in teaching manuals, instruction booklets,
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With the sole exceptions noted above, no other part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or
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ISO 18115:2001(E)
Contents Page
Foreword.iv
Introduction.v
1 Scope .1
2 Abbreviations.1
3 Format.2
4 Definitions of the surface analysis methods .2
5 Definitions of terms for surface analysis .4
Annex A (informative) Extract from IEC 60050-111, International Electrotechnical Vocabulary —
Chapter 111: Physics and Chemistry .50
Bibliography.52
Alphabetical index of terms.53
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ISO 18115:2001(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 3.
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 International Standard may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 18115 was prepared by Technical Committee ISO/TC 201, Surface chemical analysis,
Subcommittee SC 1, Terminology.
Annex A of this International Standard is for information only.
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ISO 18115:2001(E)
Introduction
Surface chemical analysis is an important area which involves interactions between people with different
backgrounds and from different fields. Those conducting surface chemical analysis may be materials scientists,
chemists or physicists and may have a background that is primarily experimental or primarily theoretical. Those
making use of the surface chemical data extend beyond this group into other disciplines.
With the present techniques of surface chemical analysis, compositional information is obtained for regions close to
a surface (generally within 20 nm) and composition-versus-depth information is obtained with surface analytical
techniques as surface layers are removed. The surface analytical techniques covered in this International
Vocabulary extend from electron spectroscopy and mass spectrometry to optical spectrometry and X-ray analysis.
Concepts for these techniques derive from disciplines as widely ranging as nuclear physics and radiation science to
physical chemistry and optics.
The wide range of disciplines and the individualities of national usages have led to different meanings being
attributed to particular terms and, again, different terms being used to describe the same concept. To avoid the
consequent misunderstandings and to facilitate the exchange of information, it is essential to clarify the concepts,
to establish the correct terms for use and to establish their definitions.
The work for ISO 18115 started with a consideration, inter alia, of ASTM E 673-95a, Standard terminology relating
[1]
to surface analysis , and a number of terms retain this reference. Such definitions have remained essentially
unchanged. Some editorial changes have had to be made in all the cases where this reference appears since the
ASTM definition structure differs from that adopted by ISO. Some other terms from the ASTM standard also
appear, but with a revised text or significantly revised meaning. These terms are not referenced to the ASTM
standard.
The terms of this International Vocabulary standard have been prepared in conformance with the principles and style
defined in ISO 1087-1:2000, Terminology work — Vocabulary — Part 1: Theory and Application, and
ISO 10241:1992, International terminology standards — Preparation and layout. Essential aspects of these standards
appear in subclauses 3.1 to 3.3. The terms are given in alphabetical order, classified under two headings:
Clause 4: Definitions of the surface analysis methods.
Clause 5: Definitions of terms for surface analysis.
Additional terms, important for surface analysis, are given in an extract from IEC 60050-111 in annex A.
A single alphabetical index is given after the Bibliography. To assist retrieval, compound terms may be found in the
index in both natural and reverse word order.
As standards are formulated by Technical Committee ISO/TC 201, Surface chemical analysis, new terms are defined.
It is intended that these terms will be grouped conveniently into a supplement or supplements, to be used with this
standard, until such time as this standard needs to be revised when they will be incorporated.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18115:2001(E)
Surface chemical analysis — Vocabulary
1 Scope
This International Standard defines terms for surface chemical analysis.
2 Abbreviations
AES Auger electron spectroscopy
CDP compositional depth profile
CMA cylindrical mirror analyser
eV electron volt
EELS electron energy loss spectroscopy
EIA energetic-ion analysis
EPMA electron probe microanalysis
ESCA electron spectroscopy for chemical analysis
FABMS fast atom bombardment mass spectrometry
FWHM full width at half maximum
GDS glow discharge spectrometry
GDOES glow discharge optical emission spectrometry
GDMS glow discharge mass spectrometry
HEISS high-energy ion-scattering spectrometry
HSA hemispherical sector analyser
IBA ion beam analysis
LEISS low-energy ion-scattering spectrometry
MEISS medium-energy ion-scattering spectrometry
ptp peak-to-peak
RBS Rutherford backscattering spectrometry
RFA retarding field analyser
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ISO 18115:2001(E)
SAM scanning Auger microscope
SDP sputter depth profile
SEM scanning electron microscope
SIMS secondary-ion mass spectrometry
SNMS sputtered neutral mass spectrometry
SSA spherical sector analyser
TOF or ToF time of flight
TXRF total-reflection X-ray fluorescence spectroscopy
UPS ultra-violet photoelectron spectroscopy
XPS X-ray photoelectron spectroscopy
3 Format
3.1 Use of terms printed boldface in definitions
A term printed boldface in a definition or a note is defined in another entry in this International Standard. However, the
term is printed boldface only the first time it occurs in each entry.
3.2 Non-preferred and deprecated terms
A term listed lightface is non-preferred or deprecated. The preferred term is listed boldface.
3.3 Subject fields
Where a term designates several concepts, it is necessary to indicate the subject field to which each concept
belongs. The field is shown lightface, between angle brackets, preceding the definition, on the same line.
4 Definitions of the surface analysis methods
4.1
Auger electron spectroscopy
AES
a method in which an electron spectrometer is used to measure the energy distribution of Auger electrons
emitted from a surface
NOTE An electron beam in the energy range 2 keV to 30 keV is often used for excitation of the Auger electrons. Auger
electrons can also be excited with X-rays, ions and other sources but the term Auger electron spectroscopy, without additional
qualifiers, is usually reserved for electron-beam-induced excitations. Where an X-ray source is used, the Auger electron
energies are referenced to the Fermi level but, where an electron beam is used, the reference may either be the Fermi level or
the vacuum level. Spectra conventionally may be presented in the direct or differential forms.
4.2
dynamic SIMS
SIMS in which the material surface is sputtered at a sufficiently rapid rate that the original surface cannot be
regarded as undamaged during the analysis
NOTE 1 Dynamic SIMS is often simply termed SIMS.
16 2
NOTE 2 The ion areic dose during measurement is usually more than 10 ions/m .
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4.3
electron spectroscopy for chemical analysis (deprecated)
ESCA (deprecated)
a method encompassing both AES and XPS
NOTE The term ESCA has fallen out of use as, in practice, it was only used to describe situations more clearly defined by
the term X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Since 1980, the latter term has been preferred.
4.4
fast atom bombardment mass spectrometry
FABMS
FAB (deprecated)
a method in which a mass spectrometer is used to measure the mass-to-charge quotient and abundance of
secondary ions emitted from a sample as a result of the bombardment by fast neutral atoms
4.5
glow discharge mass spectrometry
GDMS
a method in which a mass spectrometer is used to measure the mass-to-charge quotient and abundance of ions
from a glow discharge generated at a surface
4.6
glow discharge optical emission spectrometry
GDOES
a method in which an optical emission spectrometer is used to measure the wavelength and intensity of light
emitted from a glow discharge generated at a surface
4.7
glow discharge spectrometry
GDS
a method in which a spectrometer is used to measure relevant intensities emitted from a glow discharge
generated at a surface
NOTE This is a general term which encompasses GDOES and GDMS.
4.8
ion beam analysis
IBA
a method to elucidate composition and structure of the outermost atomic layers of a solid material, in which
principally monoenergetic, singly charged probe ions, scattered from the surface are detected and recorded as a
function of their energy or angle of scattering,orboth
NOTE LEISS, MEISS and RBS are all forms of IBA in which the probe ion energies are typically in the ranges 0,1 keV to
10 keV, 50 keV to 200 keV and 1 MeV to 2 MeV, respectively. These classifications represent three ranges in which
fundamentally different physics is involved.
4.9
secondary-ion mass spectrometry
SIMS
a method in which a mass spectrometer is used to measure the mass-to-charge quotient and abundance of
secondary ions emitted from a sample as a result of bombardment by energetic ions
cf. dynamic SIMS, static SIMS
NOTE SIMS is, by convention, generally classified as dynamic, in which the material surface layers are continually removed
16 2
as they are being measured, and static, in which the ion areic dose during measurement is restricted to less than 10 ions/m
in order to retain the surface in an essentially undamaged state.
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4.10
sputtered neutral mass spectrometry
SNMS
a method in which a mass spectrometer is used to measure the mass-to-charge quotient and abundance of
secondary ionized neutral species emitted from a sample as a result of particle bombardment
NOTE The neutral species may be detected by using plasma, electron, or photon ionization methods.
4.11
static SIMS
SIMS in which the material surface is sputtered at a sufficiently low rate that the original surface is insignificantly
damaged during the analysis
cf. dynamic SIMS
16 2
NOTE The ion areic dose during measurement is restricted to less than 10 ions/m to an extent that depends on both the
material of the sample and the size of the molecular fragments being analysed.
4.12
total reflection X-ray fluorescence spectroscopy
TXRF
a method in which an X-ray spectrometer is used to measure the energy distribution of fluorescence X-rays
emitted from a surface irradiated by primary X-rays under the condition of total reflection
4.13
ultra-violet photoelectron spectroscopy
UPS
a method in which an electron spectrometer is used to measure the energy distribution of photoelectrons emitted
from a surface irradiated by ultra-violet photons
NOTE Ultra-violet sources in common use include various types of discharges that can generate the resonance lines of
various gases (e.g. the He I and He II emission lines at energies of 21,2 eV and 40,8 eV, respectively). For variable energies,
synchrotron radiation is used.
4.14
X-ray photoelectron spectroscopy
XPS
a method in which an electron spectrometer is used to measure the energy distribution of photoelectrons and
Auger electrons emitted from a surface irradiated by X-ray photons
NOTE X-ray sources in common use are Al and Mg unmonochromated K� X-rays at 1 486,6 and 1 253,6 eV, respectively.
Modern instruments also use monochromated Al K� X-rays. Some instruments make use of various X-ray sources with other
anodes or of synchrotron radiation.
5 Definitions of terms for surface analysis
5.1
absorption coefficient, linear
linear attenuation coefficient
5.2
absorption coefficient, mass
attenuation coefficient, mass
�TXRF, XPS� quantity �/� in the expression (�/�)�(�x) for the fraction of a parallel beam of specified particles or
radiation removed in passing through a thin layer of mass thickness �(�x) of a substance in the limit as �(�x)
approaches zero, where �(�x) is measured in the direction of the beam
cf. attenuation length
NOTE 1 The mass density of the substance is� and x is the distance in the direction of the beam.
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NOTE 2 The intensity or number of particles in the beam decays as exp(–�x) with the distance x.
NOTE 3 The mass attenuation (absorption) coefficient is the quotient of the linear attenuation (absorption) coefficient and the
mass density of the substance.
5.3
adventitious carbon referencing
�XPS� determining the charging potential of a particular sample from a comparison of the experimentally
determined C 1s binding energy, arising from adsorbed hydrocarbons on the sample, with a standard binding
energy value
cf. internal carbon referencing
NOTE A nominal value of 285,0 eV is often used for the binding energy of the relevant C 1s peak, although some analysts
prefer specific values in the range 284,6 eV to 285,2 eV depending on the nature of the substrate.
5.4
altered layer
�particle bombardment� surface region of a material under particle bombardment where the chemical state or
physical structure is modified by the effects of the bombardment
+
EXAMPLE For silicon bombarded by 4 keV O at near normal incidence, after sputtering for a sufficient time to reach a
2
steady state, the surface is converted to stoichiometric SiO to a depth of around 15 nm with lower oxygen concentrations at
2
greater depths.
5.5
analysis area
�sample� two-dimensional region of a sample surface measured in the plane of that surface from which the entire
analytical signal or a specified percentage of that signal is detected
5.6
analysis area
�spectrometer� two-dimensional region of a sample surface at the analytical point but set in the plane at right
angles to the spectrometer axis from which the entire analytical signal or a specified percentage of that signal is
detected
5.7
analysis volume
�sample� three-dimensional region of a sample from which the entire analysis signal or a specified percentage of
that signal is detected
5.8
analysis volume
�spectrometer� three-dimensional region within the spectrometer from which the entire analytical signal or a
specified percentage of that signal may be detected
5.9
angle, critical
�TXRF� glancing angle at which the sample matrix X-ray fluorescence, when plotted against the glancing angle, is
at the first point of inflection
5.10
angle, glancing
�TXRF� angle between the incident beam and the average surface plane
NOTE Angle of incidence and glancing angle are complementary.
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5.11
angle lapping
sample preparation in which a sample is mechanically polished at an angle to the original surface
cf. ball cratering, radial sectioning
NOTE This angle may often be less than 1° so that depth information with respect to the original surface is transformed to
lateral information.
5.12
angle, magic
�XPS� angle at which the spectrometer entrance axis is aligned at 54,7° to the direction of the X-rays at the sample
surface
NOTE At the magic angle, using the simple dipole theory for the angular distribution of the photoelectrons emitted from an
isolated atom irradiated by unpolarized X-rays, it is predicted that the intensity per unit solid angle is the same as the intensity
that would be obtained if the scattering were isotropic.
5.13
angle of emission
angle between the trajectory of a particle or photon as it leaves a surface and the local or average surface normal
NOTE The particular surface normal needs to be specified.
5.14
angle of incidence
angle between the incident beam and the local or average surface normal
NOTE The particular surface normal, such as the surface normal to an elementary portion of a rough surface or the normal
to the average surface plane, needs to be specified.
5.15
angle of scattering
angle between the direction of the incident particle or photon and the direction that the particle or photon is
travelling after scattering
5.16
angle-resolved AES
ARAES
angle-dependent AES
a procedure in which Auger electron intensities are measured as a function of the angle of emission
5.17
angle-resolved XPS
ARXPS
angle-dependent XPS
a procedure in which X-ray photoelectron intensities are measured as a function of the angle of emission
NOTE This procedure is often used to obtain information on the distribution with depth of different elements or compounds
in a layer approximately 5 nm thick at the surface.
5.18
angle, solid, of analyser
solid angle of analyser that will transmit particles or photons from a point on the sample to the detector
cf. analyser transmission function
5.19
angle, solid, of detector
�EIA, RBS� solid angle intercepted by the detector from an origin at the centre of the beam spot
6 © ISO 2001 – All rights reserved
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ISO 18115:2001(E)
5.20
angle, take-off
angle between the trajectory of a particle as it leaves a surface and the local or average surface plane
NOTE 1 The particular surface plane needs to be specified.
NOTE 2 Take-off angle is the complement of angle of emission.
NOTE 3 In the past, take-off angle has sometimes been used erroneously to mean angle of emission.
5.21
asymmetry parameter
�
�XPS� factor which characterizes the intensity distribution, L(� ), of photoelectrons ejected by unpolarized X-rays
from isolated atoms in a direction � from the incident X-ray direction according to
2
��
L��=1+1/2 3 2 sin� �1
� � � �
��
��
��
NOTE This formula relates to gases and is modified by the effects of elastic scattering when applied to solids.
5.22
atomic mixing
migration of sample atoms due to energy transfer with incident particles in the surface region
cf. cascade mixing, collision cascade, ion-beam-induced mass transport, knock-on, recoil implantation
5.23
attenuation coefficient
quantity � in the expression ��x for the fraction of a parallel beam of specified particles or radiation removed in
passing through a thin layer �x of a substance in the limit as �x approaches zero, where �x is measured in the
direction of the beam
cf. attenuation length, mass absorption coefficient
NOTE 1 The intensity or number of particles in the beam decays as exp(–�/x�) with the distance x.
NOTE 2 Attenuation coefficient is often used in place of linear attenuation coefficient and is used in EPMA. Both are the
reciprocal of attenuation length which is used in AES and XPS.
5.24
attenuation length
quantity l in the expression �x/l for the fraction of a parallel beam of specified particles or radiation removed in
passing through a thin layer �x of a substance in the limit as �x approaches zero, where �x is measured in the
direction of the beam
cf. attenuation coefficient, decay length, effective attenuation length, electron inelastic mean free path, linear
absorption coefficient, mass absorption coefficient
NOTE 1 The intensity or number of particles in the beam decays as exp(– x/l) with the distance x.
NOTE 2 For electrons in solids, the behaviour only approximates an exponential decay due to the effects of elastic
scattering. Where this approximation is valid, the term effective attenuation length is used.
5.25
attenuation length, effective
average emission function decay length when the emission depth distribution function is sufficiently close to
exponential for a given application
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ISO 18115:2001(E)
cf. attenuation length
NOTE Effective attenuation length is often used in AES and XPS to describe the transport of electrons that have not lost
more than 1 eV as a result of inelastic scattering.
5.26
Auger de-excitation
�surface�
a) process in which the energy of an excited atom or ion is given up by a non-radiative re-arrangement of
electrons in that atom or ion
b) process in which the energy in a metastable species near a solid surface is lost by interaction with the surface,
and in the process enough energy is released to eject an electron from a surface atom
cf. Auger neutralization
NOTE For both processes, the electron may be ejected into the vacuum.
5.27
Auger electron
electron emitted from atoms in the Auger process
cf. Auger transition
NOTE 1 Auger electrons can lose energy by inelastic scattering as they pass through matter. Measured Auger electron
spectra are therefore generally composed of a peak structure of unscattered Auger electrons superimposed on a background of
inelastically scattered Auger electrons with intensities extending to lower kinetic energies, and on backgrounds arising from
other processes.
NOTE 2 Auger electrons may change their direction of propagation by elastic scattering as they pass through matter.
5.28
Auger electron spectrum
plot of the Auger electron intensity as a function of the electron kinetic energy, usually as part of the energy
distribution of detected electrons
NOTE 1 When excited by incident electrons, the energy distribution of detected electrons, often measured between 0 eV and
2 500 eV, contains Auger electrons, backscattered (primary) electrons and secondary electrons. The entire distribution is
sometimes referred to as an Auger electron spectrum.
NOTE 2 The Auger electron spectrum may be presented in either the direct spectrum or differential spectrum formats.
5.29
Auger electron yield
[1]
probability that an atom with a vacancy in a particular inner shell will relax by an Auger process
5.30
Auger neutralization
�ion at a surface� a process in which an electron, tunnelling from the conduction band of a solid, neutralizes an
incoming ion and an electron is ejected from a surface atom
NOTE The ejected electron may be emitted into the vacuum.
5.31
Auger parameter
�XPS� kinetic energy of a narrow Auger electron peak in a spectrum minus the kinetic energy of the most intense
photoelectron peak from the same element
cf. initial state Auger parameter, modified Auger parameter
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NOTE 1 The value of the Auger parameter depends on the energy of the X-rays which therefore needs to be specified.
NOTE 2 The Auger parameter is sometimes called the final state Auger parameter.
NOTE 3 The Auger parameter is useful for separating chemical states for samples in which charging causes uncertainty in
the binding energy measurement or in which the binding energy shift is inadequate to identify the chemical state.
NOTE 4 The Auger parameter is useful for evaluating the relaxation energy of the ionized matrix atom associated with the
generation of a core hole for those Auger transitions between core levels which have similar chemical shifts.
5.32
Auger parameter, initial state
�XPS� �,where �=3E + E and where E and E are, respectively, the binding energy of a photoelectron peak
B K B K
and the Fermi level referenced kinetic energy of an Auger electron peak, each involving the same initial core
level of the same element
cf. Auger parameter, modified Auger parameter
NOTE The initial state Auger parameter is useful for evaluating the change in the atomic core potential contribution to
changes in binding energy between two environments, providing the Auger transition is between core levels which have similar
binding energy shifts.
5.33
Auger parameter, modified
�XPS� sum of the Fermi level referenced kinetic energy of a narrow Auger electron peak in the spectrum and the
binding energy of the most intense photoelectron peak from the same element
cf. Auger parameter, initial state Auger parameter
NOTE The modified Auger parameter is the sum of the Auger parameter and the energy of the X-rays responsible for the
measured photoelectron peak. Unlike the Auger parameter, it does not depend on the energy of the X-rays.
5.34
Auger process
[1]
relaxation, by electron emission, of an atom with a vacancy in an inner electron shell
cf. Auger de-excitation, Auger electron, Auger transition
NOTE The emitted electrons have characteristic energies, defined by the Auger transition.
5.35
Auger process, interatomic
�AES� Auger transition in which at least one of the final electron vacancies is localized in valence levels or
molecular orbitals of atoms adjacent to the atom in which the initial vacancy occurred
5.36
Auger transition
Auger process involving designated electron shells or sub-shells
NOTE 1 The three shells involved in the Auger process are designated by three letters. The first letter designates the shell
containing the initial vacancy and the last two letters designate the shells containing electron vacancies left by the Auger
process (for example, KLL, and LMM). When a valence electron is involved, the letter V is used (for example, LMV and KVV).
When a particular sub-shell involved is known, this can also be indicated (for example, KL L ). Coupling terms may also be
1 2
1
added, where known, to indicate the final atomic state (for example, L M M ;
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18115
Première édition
2001-07-15
Analyse chimique des surfaces —
Vocabulaire
Surface chemical analysis — Vocabulary
Numéro de référence
ISO 18115:2001(F)
©
ISO 2001
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ISO 18115:2001(F)
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Version française parue en 2003
Publié en Suisse
ii © ISO 2001 — Tous droits réservés
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ISO 18115:2001(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Abréviations . 1
3 Format . 2
4 Définitions relatives aux méthodes d'analyse de surface . 2
5 Définitions des termes relatifs à l'analyse des surfaces . 5
Annexe A (informative) Extrait de la CEI 60050-111, Vocabulaire Électrotechnique International —
Chapitre 111: Physique et chimie. 53
Bibliographie . 55
Index alphabétique des termes. 56
© ISO 2001 — Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 18115:2001(F)
Avant-propos
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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 3.
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 de la présente Norme internationale 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.
La Norme internationale ISO 18115 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 201, Analyse chimique
des surfaces, sous-comité SC 1, Terminologie.
L'annexe A de la présente Norme internationale est donnée uniquement à titre d'information.
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ISO 18115:2001(F)
Introduction
L'analyse chimique des surfaces est un domaine important qui implique des interactions entre des personnes
possédant des formations diverses et provenant d'horizons différents. Il peut s'agir de scientifiques spécialisés
dans la science des matériaux, de chimistes ou de physiciens et il est possible que leur expérience soit
essentiellement expérimentale ou surtout théorique. Les personnes qui utilisent les données obtenues grâce
aux analyses chimiques des surfaces n'appartiennent pas uniquement à ce groupe et évoluent dans d'autres
disciplines.
Les techniques actuelles d'analyse chimique des surfaces permettent d'obtenir des données quant à la
composition des régions proches d'une surface (généralement à moins de 20 nm) et des données quant à la
composition en fonction de la profondeur peuvent être obtenues par des techniques d'analyse des surface à
mesure que les couches superficielles sont retirées. Les techniques d'analyse des surfaces traitées dans le
présent Vocabulaire international regroupent des techniques qui vont de la spectrométrie électronique et la
spectrométrie de masse à la spectrométrie optique et l'analyse par rayons X. Les concepts de ces techniques
proviennent de disciplines aussi variées que la physique nucléaire, l'étude de la radioactivité ou la physico-
chimie et l'optique.
Compte tenu du nombre important de disciplines et des usages spécifiques à chaque nation, plusieurs
significations ont été attribuées à un terme particulier et inversement, plusieurs termes désignent un même
concept. Pour éviter les incompréhensions qui en découlent et pour faciliter l'échange d'informations, il est
essentiel de clarifier les concepts et d'établir les termes corrects à utiliser ainsi que leurs définitions.
L'élaboration de l'ISO 18115 a commencé, entre autres, par une étude de l'ASTM E 673-95a, Standard
[1]
terminology relating to surface analysis (Terminologie normalisée relative aux analyses de surface), et un
certain nombre de termes conservent cette référence. Des définitions de ce type sont demeurées
essentiellement inchangées. Certaines modifications éditoriales ont dû être faites dans tous les cas où cette
référence apparaissait puisque la structure de la définition ASTM est différente de celle adoptée par l'ISO.
D'autres termes provenant de la norme ASTM apparaissent également, mais leur texte est alors révisé ou
bien le sens a subi une révision importante. Ces termes ne comportent pas de référence à la norme ASTM.
Les termes de ce Vocabulaire international ont été préparés conformément aux principes et style définis dans
l'ISO 1087-1:2000, Travaux terminologiques — Vocabulaire — Partie 1: Théorie et application et dans
l'ISO 10241:1992, Normes terminologiques internationales — Élaboration et présentation. Les principaux
aspects de ces normes apparaissent dans les paragraphes 3.1 à 3.3. Les termes sont donnés dans l'ordre
alphabétique et classés sous deux catégories:
Article 4: Définitions des méthodes d'analyse des surfaces.
Article 5: Définitions des termes relatifs à l'analyse des surfaces.
Des termes supplémentaires, importants pour l'analyse des surfaces, sont indiqués dans l'annexe A qui
comprend un extrait de la CEI 60050-111.
Un seul index alphabétique est donné après la bibliographie. Pour permettre une recherche aisée, il est
possible de trouver dans l'index les termes composés à la fois dans l'ordre naturel des mots et dans la forme
inversée.
Dans la mesure où les normes sont élaborées par le comité technique ISO/TC 201, Analyse chimique des
surfaces, de nouveaux termes sont définis. Pour plus de facilité, il est prévu de regrouper ces termes dans un
ou plusieurs suppléments, à utiliser conjointement avec la présente Norme internationale, jusqu'à sa révision,
au moment de laquelle ils seront intégrés.
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NORME INTERNATIONALE ISO 18115:2001(F)
Analyse chimique des surfaces — Vocabulaire
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale définit les termes relatifs à l'analyse chimique des surfaces.
2 Abréviations
AES spectroscopie des électrons Auger
CDP profil de composition en profondeur
CMA analyseur à miroir cylindrique
eV électronvolt
EELS spectroscopie de perte en énergie d'électrons
EIA analyse d'ions énergétiques
EPMA analyse par microsonde de Castaing
ESCA spectroscopie d'électrons pour analyse chimique
FABMS spectrométrie de masse par pulvérisation atomique rapide
FWHM largeur à mi-hauteur
GDS (SDL) spectrométrie à décharge luminescente
GDOES spectrométrie d'émission optique à décharge luminescente
GDMS spectrométrie de masse à décharge luminescente
HEISS spectrométrie de diffusion d'ions de haute énergie
HSA analyseur à secteur hémisphérique
IBA analyse par faisceau d'ions
ISS spectrométrie de diffusion d’ions
LEISS spectrométrie de diffusion d'ions de faible énergie
MEISS spectrométrie de diffusion d'ions de moyenne énergie
ptp crête à crête
RBS spectrométrie rétrodiffusion Rutherford
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RFA analyseur à champ retardateur
SAM microscopie à balayage Auger
SDP profil en profondeur par pulvérisation
SEM (MEB) microscopie électronique à balayage
SIMS spectrométrie de masse des ions secondaires
SNMS spectrométrie de masse des neutres pulvérisés
SSA analyseur à secteur sphérique
TOF ou ToF temps de vol
TXRF spectroscopie de fluorescence X à réflexion totale
UPS spectroscopie de photoélectrons par ultraviolets
XPS spectroscopie de photoélectrons par rayons X
3 Format
3.1 Utilisation des termes indiqués en gras dans les définitions
Un terme indiqué en caractères gras dans une définition ou dans une note est défini dans la présente Norme
internationale dans une autre rubrique. Le terme en question n'est toutefois indiqué en caractères gras que la
première fois où il apparaît dans chaque rubrique.
3.2 Termes inusités ou déconseillés
Un terme indiqué en caractères normaux est inusité ou déconseillé. Le terme préféré est indiqué en
caractères gras.
3.3 Discipline
Lorsqu'un terme désigne plusieurs concepts, il est nécessaire d'indiquer la discipline à laquelle chaque
concept appartient. La discipline est indiquée en caractères normaux, entre crochets et sur la même ligne que
la définition qu'elle précède.
4 Définitions relatives aux méthodes d'analyse de surface
4.1
spectroscopie des électrons Auger
AES
méthode qui permet, à l'aide d'un spectromètre d'électrons, de mesurer la distribution énergétique des
électrons Auger émis par une surface
NOTE Un faisceau d'électrons compris dans un domaine d'énergie allant de 2 keV à 30 keV est souvent utilisé pour
exciter les électrons Auger. Les électrons Auger peuvent aussi être excités par des rayons X, des ions et d'autres sources
mais le terme «spectroscopie des électrons Auger», sans autre qualificatif, est généralement réservé aux excitations
induites par un faisceau d'électrons. Lorsqu'une source de rayons X est utilisée, les énergies d'électrons Auger sont
indiquées par rapport au niveau de Fermi mais lorsqu'un faisceau d'électrons est utilisé, la référence peut être soit le
niveau de Fermi, soit le niveau du vide. Les spectres peuvent être présentés d'une manière classique, sous la forme
directe ou dérivée.
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4.2
SIMS dynamique
SIMS au cours de laquelle la surface du matériau est pulvérisée à une vitesse suffisamment rapide pour que
la surface d'origine ne puisse pas être considérée comme non endommagée au cours de l'analyse
NOTE 1 L'analyse SIMS dynamique est souvent simplement appelée SIMS.
16
NOTE 2 La dose surfacique des ions au cours de la mesure est généralement supérieure à 10 ions/m².
4.3
spectroscopie électronique pour analyse chimique (déconseillé)
ESCA (déconseillé)
méthode qui englobe à la fois l'AES et la XPS
NOTE Le terme ESCA est tombé en désuétude dans la mesure où, en pratique, il était uniquement utilisé pour
décrire des situations qui sont plus clairement définies par le terme spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS).
Depuis 1980, c'est ce dernier terme qui est utilisé de préférence.
4.4
spectrométrie de masse par pulvérisation atomique rapide
FABMS
FAB (déconseillé)
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre de masse, le rapport entre la masse et la charge,
ainsi que l'abondance d'ions secondaires émis par un échantillon suite au bombardement par des atomes
neutres rapides
4.5
spectrométrie de masse à décharge luminescente
GDMS
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre de masse, le rapport entre la masse et la charge
ainsi que l'abondance d'ions émis par une décharge luminescente engendrée sur une surface
4.6
spectrométrie d'émission optique à décharge luminescente
GDOES
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre d'émission optique, la longueur d'onde et
l'intensité d'une lumière émise par une décharge luminescente engendrée sur une surface
4.7
spectrométrie à décharge luminescente
GDS (SDL)
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre, les intensités correspondantes émises par une
décharge luminescente engendrée sur une surface
NOTE Il s'agit d'un terme général qui englobe la GDOES et la GDMS.
4.8
analyse par faisceau d'ions
IBA
méthode permettant d'évaluer la composition et la structure des couches atomiques extérieures d'un matériau
solide et dans lequel des ions, essentiellement mono-énergétiques, mono-chargés, diffusés depuis la surface
sont détectés et enregistrés en fonction de leur énergie ou de leur angle de diffusion ou des deux
NOTE Les LEISS, MEISS et RBS sont toutes des formes d'IBA dans lesquelles les énergies de la sonde ionique se
situent généralement dans des domaines allant respectivement de 0,1 keV à 10 keV, de 50 keV à 200 keV et de 1 MeV à
2 MeV. Ces classifications représentent trois domaines dans lesquels une physique fondamentalement différente est
impliquée.
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4.9
spectrométrie de masse des ions secondaires
SIMS
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre de masse, le rapport entre la masse et la charge
ainsi que l'abondance d'ions secondaires émis par un échantillon suite au bombardement d'ions
énergétiques
cf. SIMS dynamique, SIMS statique
NOTE Par convention, l'analyse SIMS est généralement qualifiée de dynamique lorsque les couches de surface du
matériau sont retirées à mesure qu'elles sont mesurées, et de statique lorsque la dose surfacique des ions au cours de
16 2
la mesure est restreinte à une valeur inférieure à 10 ions/m afin de maintenir la surface dans un état essentiellement
peu endommagé.
4.10
specccctrométrie de masse de neutres pulvérisés
SNMS
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre de masse, le rapport entre la masse et la charge,
ainsi que l'abondance de neutres post-ionisés émis par un échantillon suite à un bombardement de particules
NOTE La post-ionisation peut se faire par plasma ou par bombardement d'électrons ou de photons.
4.11
SIMS statique
analyse SIMS au cours de laquelle la surface du matériau est pulvérisée à une vitesse suffisamment lente et
telle que la surface d'origine soit endommagée de manière peu significative au cours de l'analyse
cf. SIMS dynamique
16 2
NOTE La dose surfacique des ions au cours de la mesure est limitée depuis une valeur inférieure à 10 ions/m ,
jusqu'à une valeur qui dépend à la fois du matériau de l'échantillon et de la taille des fragments moléculaires analysés.
4.12
spectroscopie de fluorescence X à réflexion totale
TXRF
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre à rayons X, la distribution d'énergie de la
fluorescence X émise par une surface irradiée par des rayons X primaires dans des conditions de réflexion
totale
4.13
spectroscopie de photoélectrons par ultraviolets
UPS
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre d'électrons, la distribution d'énergie des
photoélectrons émis par une surface irradiée par des photons ultraviolets
NOTE Les sources d'ultraviolets communément utilisées comprennent différents types de décharges pouvant
engendrer des raies de résonances de différents gaz (par exemple, des raies d'émissions de He I et de He II à des
énergies respectives de 21,2 eV et 40,8 eV). Dans le cas d'énergies variables, le rayonnement synchrotron est utilisé.
4.14
spectroscopie de photoélectrons par rayons X
XPS
méthode qui permet de mesurer, à l'aide d'un spectromètre d'électrons, la distribution d'énergie des
photoélectrons et des électrons Auger émis par une surface irradiée par des photons X
NOTE Les sources de rayons X communément utilisées sont des rayons X Al Kα et Mg Kα, non monochromatiques,
d'énergies respectives 1 486,6 eV et 1 253,6 eV. Les instruments modernes utilisent également des rayons X Al Kα
monochromatiques. Certains instruments utilisent soit d'autres sources de rayons X avec d'autres anodes, soit le
rayonnement synchrotron.
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5 Définitions des termes relatifs à l'analyse des surfaces
5.1
coefficient d'absorption linéaire
coefficient d'atténuation linéaire
5.2
coefficient d'absorption massique
coefficient d'atténuation total massique
〈TXRF, XPS〉 quantité µ /ρ dans l'expression (/µρ)∆(ρx) relative à la fraction d'un faisceau parallèle de
particules spécifiées ou radiation éliminée lorsque le faisceau traverse une mince couche d'épaisseur
massique ∆(ρx) d'une substance quand ∆(ρx) tend vers zéro lorsque ∆(ρx) est mesurée dans la direction du
faisceau
cf. longueur d'atténuation
NOTE 1 ρ est la densité massique de la substance et x est la distance dans la direction du faisceau.
NOTE 2 L'intensité ou le nombre de particules dans le faisceau décroît sous la forme de exp(− µx) avec la distance x.
NOTE 3 Le coefficient d'atténuation total massique (ou coefficient d'absorption massique) est le rapport du coefficient
d'atténuation (d'absorption) linéaire et de la densité massique de la substance.
5.3
référence par rapport à du carbone de contamination
〈XPS〉 détermination du potentiel de charge d'un échantillon particulier en comparant l'énergie de liaison
C 1s déterminée de manière expérimentale, provenant des hydrocarbures adsorbés sur l'échantillon, et une
valeur d'énergie de liaison standard
cf. référence au carbone interne
NOTE Une valeur nominale de 285,0 eV est souvent utilisée pour l'énergie de liaison du pic de C 1s correspondant,
bien que certains analystes préfèrent des valeurs spécifiques comprises entre 284,6 eV et 285,2 eV qui dépendent de la
nature du substrat.
5.4
couche perturbée
〈bombardement de particules〉 zone de la surface d'un matériau soumise à un bombardement de particules et
où l'état chimique ou la structure physique est modifiée par les effets du bombardement
+
EXEMPLE Lorsque du silicium est bombardé sous une incidence proche de la normale par des O de 4 keV, après
2
pulvérisation pendant une durée suffisante pour obtenir un état stable, la surface est convertie en SiO stœchiométrique
2
jusqu'à une profondeur d'environ 15 nm. Au-delà de 15 nm, la concentration en oxygène décroît avec la profondeur.
5.5
aire d'analyse
〈échantillon〉 zone bidimensionnelle de la surface de l'échantillon, mesurée dans le plan de cette surface d'où
est détectée la totalité du signal analytique ou un pourcentage spécifié de ce signal
5.6
aire d'analyse
〈spectromètre〉 zone bidimensionnelle de la surface de l'échantillon au point analytique mais située dans le
plan perpendiculairement aux axes du spectromètre d'où est détectée la totalité du signal analytique ou un
pourcentage spécifié de ce signal
5.7
volume d'analyse
〈échantillon〉 zone à trois dimensions d'un échantillon d'où est détectée la totalité du signal analytique ou un
pourcentage spécifié de ce signal
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5.8
volume d'analyse
〈spectromètre〉 zone à trois dimensions dans le spectromètre d'où peut être détectée la totalité du signal
analytique ou un pourcentage spécifié de ce signal
5.9
angle critique
〈TXRF〉 angle d'incidence auquel la fluorescence X de la matrice de l'échantillon, lorsqu'elle est tracée par
rapport à l'angle d'incidence, se trouve au premier point d'inflexion
5.10
angle d'incidence
〈TXRF〉 angle compris entre le faisceau incident et le plan moyen de la surface
NOTE Angle d'incidence et angle rasant sont interchangeables.
5.11
polissage en biseau
préparation de l'échantillon qui consiste à polir mécaniquement l'échantillon selon un angle par rapport à la
surface d'origine
cf. formation de cratère à l’aide d'une bille, coupe radiale
NOTE Il est possible que cet angle soit souvent inférieur à 1°, si bien que les informations relatives à la profondeur
par rapport à la surface d'origine deviennent des informations latérales.
5.12
angle magique
〈XPS〉 angle auquel l'axe d'entrée du spectromètre s'aligne à 54,7° par rapport à la direction des rayons X à la
surface de l'échantillon
NOTE À l'angle magique, d'après la théorie du simple dipôle pour la distribution angulaire des photoélectrons émis
par un atome isolé irradié par des rayons X non polarisés, il est prédit que l'intensité par unité d'angle solide est identique
à l'intensité qui serait obtenue si la diffusion était isotrope.
5.13
angle d'émission
angle entre la trajectoire d'une particule ou d'un photon au moment où il ou elle quitte une surface et la
normale à une surface locale ou moyenne
NOTE Il est nécessaire de spécifier la normale à la surface.
5.14
angle d'incidence
angle entre le faisceau incident et la normale à une surface locale ou moyenne
NOTE La normale à la surface, telle que la normale à la surface par rapport à une section élémentaire d'une surface
brute ou la normale par rapport au plan de surface moyen, nécessite d'être spécifiée.
5.15
angle de diffusion
angle entre la direction de la particule ou du photon incident et la direction que prend la particule ou le photon
après la diffusion
5.16
AES angulaire
ARAES
méthode permettant de mesurer les intensités des électrons Auger en fonction de l'angle d'émission
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5.17
XPS angulaire
ARXPS
méthode permettant de mesurer les intensités de photoélectrons X en fonction de l'angle d'émission
NOTE Cette méthode est souvent utilisée pour obtenir des informations sur la distribution en profondeur de différents
éléments ou composés qui se trouvent dans un couche d'environ 5 nm d'épaisseur au niveau de la surface.
5.18
angle solide de l'analyseur
angle solide d'un analyseur qui transmettra les particules ou les photons d'un point de l'échantillon au
détecteur
cf. fonction de transmission de l'analyseur
5.19
angle solide du détecteur
〈EIA, RBS〉 angle solide intercepté par le détecteur depuis une origine située au centre du point d'impact du
faisceau
5.20
angle d'émergence
angle entre la trajectoire d'une particule au moment où elle quitte une surface et le plan de surface local ou
moyen
NOTE 1 Il est nécessaire de spécifier le plan de surface.
NOTE 2 L'angle d'émergence est le complément de l'angle d'émission.
NOTE 3 Le terme «angle d'émergence» a, par le passé, été utilisé de manière erronée pour signifier «angle
d'émission».
5.21
paramètre d'asymétrie
β
〈XPS〉 facteur qui caractérise la distribution de l'intensité, L(γ), de photoélectrons éjectés d'atomes isolés par
des rayons X non polarisés dans une direction γ à partir de la direction des rayons X incidents conformément
à
2
L()γβ = 1 + 1/ 2()3 / 2 sinγ −1
( )
NOTE Cette formule fait référence à des gaz; lorsqu'elle s'applique aux solides, elle est modifiée par les effets de
diffusion élastique.
5.22
mixage d'atomes
migration des atomes d'un échantillon provoquée par un transfert d'énergie avec les particules incidentes
dans la zone de surface
cf. mixage par cascade, cascade de collisions, transport de masse induit par un faisceau d'ions,
collision, implantation par effet de recul
5.23
coefficient d'atténuation
quantité µ dans l'expression µ∆x relative à la fraction d'un faisceau parallèle de particules spécifiées ou d'un
rayonnement éliminé lorsque le faisceau traverse une mince couche d'épaisseur massique ∆x d'une
substance quand ∆x tend vers zéro, lorsque ∆x est mesurée dans la direction du faisceau
cf. longueur d'atténuation, coefficient d'absorption massique
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NOTE 1 L'intensité ou le nombre de particules dans le faisceau décroît sous la forme de exp(− µ/x) avec la distance x.
NOTE 2 Le terme «coefficient d'atténuation» est souvent utilisé à la place du terme coefficient d'atténuation linéaire
et est utilisé dans l'EPMA. Les deux termes sont des réciproques du terme longueur d'atténuation qui est utilisé dans
l'AES et la XPS.
5.24
longueur d'atténuation
quantité l dans l'expression ∆x/l relative à la fraction d'un faisceau parallèle de particules spécifiées ou
rayonnement éliminé lorsque le faisceau traverse une mince couche ∆x d'une substance quand ∆x tend vers
zéro, lorsque ∆x est mesurée dans la direction du faisceau
cf. coefficient d'atténuation, longueur de décroissance, longueur d'atténuation effective, libre parcours
moyen inélastique de l’électron, coefficient d'absorption linéaire, coefficient d'absorption massique
NOTE 1 L'intensité ou le nombre de particules dans le faisceau décroît sous la forme de exp(− x/l) avec la distance x.
NOTE 2 Pour les électrons présents dans les solides, leur comportement s'approche d'une décroissance exponentielle
due aux effets de la diffusion élastique. Lorsque cette approximation est valable, le terme «longueur d'atténuation
effective» est utilisé.
5.25
longueur d'atténuation effective
longueur de décroissance de la fonction d'émission moyenne lorsque la fonction de distribution de la
profondeur d'émission est suffisamment proche de l'exponentielle pour une application donnée
cf. longueur d'atténuation
NOTE La longueur d'atténuation effective est souvent utilisée en AES et en XPS pour décrire le transport des
électrons qui n'ont pas perdu plus de 1 eV à la suite d'une diffusion inélastique.
5.26
désexcitation Auger
〈surface〉
a) processus au cours duquel l'énergie d'un atome ou d'un ion excité est convertie de façon non radiative
dans un réarrangement des électrons dans cet atome ou dans cet ion
b) processus au cours duquel l'énergie présente dans une espèce métastable proche d'une surface solide
se perd par l'interaction avec cette surface; au cours de ce processus, suffisamment d'énergie est libérée
pour éjecter un électron de la surface de l'atome
cf. neutralisation Auger
NOTE Dans les deux processus, l'électron peut être éjecté dans le vide.
5.27
électron Auger
électron émis par des atomes au cours du processus Auger
cf. transition Auger
NOTE 1 Les électrons Auger peuvent perdre de l'énergie par diffusion inélastique au moment où ils traversent la
matière. Les spectres d'électrons Auger mesurés sont par conséquent généralement composés d'un pic d'électrons Auger
non diffusés superposé à un fond d'électrons Auger diffusés inélastiquement, dont les intensités s'étendent jusqu'aux
éner
...
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