Surface chemical analysis — X-ray photoelectron spectroscopy — Guidelines for analysis

ISO 10810:2010 is intended to aid the operators of X‑ray photoelectron spectrometers in their analysis of typical samples. It takes the operator through the analysis from the handling of the sample and the calibration and setting-up of the spectrometer to the acquisition of wide and narrow scans and also gives advice on quantification and on preparation of the final report.

Analyse chimique des surfaces — Spectroscopie de photoélectrons par rayons X — Lignes directrices pour l'analyse

L'ISO 10810:2010 a pour but d'aider l'opérateur de spectromètres de photoélectrons par rayons X à analyser des échantillons types. Elle guide l'opérateur dans l'analyse depuis la manipulation de l'échantillon jusqu'à l'étalonnage et le réglage du spectromètre, l'acquisition de spectres larges ou de spectres haute résolution et donne des conseils sur la quantification et la préparation du rapport final.

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ISO 10810:2010 - Surface chemical analysis -- X-ray photoelectron spectroscopy -- Guidelines for analysis
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ISO 10810:2010 - Analyse chimique des surfaces -- Spectroscopie de photoélectrons par rayons X -- Lignes directrices pour l'analyse
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Standards Content (Sample)

First edition

Surface chemical analysis — X-ray
photoelectron spectroscopy —
Guidelines for analysis
Analyse chimique des surfaces — Spectroscopie de photoélectrons par
rayons X — Lignes directrices pour l'analyse

Reference number
ISO 10810:2010(E)
ISO 2010

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ISO 10810:2010(E)
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©  ISO 2010
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Published in Switzerland

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ISO 10810:2010(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and abbreviations.1
5 Overview of sample analysis .2
6 Specimen characterization.4
6.1 General .4
6.2 Specimen forms.4
6.3 Material types.6
6.4 Handling and mounting of specimens .7
6.5 Specimen treatments .7
7 Instrument characterization .7
7.1 General .7
7.2 Instrument checks.8
7.3 Instrument calibration.8
7.4 Instrument set-up .14
8 The wide-scan spectrum.15
8.1 Data acquisition.15
8.2 Data analysis.16
9 The narrow scan.18
9.1 General .18
9.2 Data acquisition.18
9.3 Data analysis.18
10 Test report.22

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ISO 10810:2010(E)
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 10810 was prepared by Technical Committee ISO/TC 201, Surface chemical analysis, Subcommittee
SC 7, X-ray photoelectron spectroscopy.
iv © ISO 2010 – All rights reserved

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ISO 10810:2010(E)
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is used extensively for the surface analysis of materials. Elements in
the sample (with the exception of hydrogen and helium) are identified from comparisons of the measured binding
energies of their core levels with tabulations of those energies for the different elements. Their chemical states
may be determined from shifts in peak positions and other parameters compared with the data for that element
in its pure elemental state. Information on the quantities of such elements can be derived from the measured
intensities of photoelectron peaks. Calculation of the quantities of the constituent chemical species present in the
surface layer studied may then be made using formulae and relative-sensitivity factors provided by the
spectrometer manufacturer or locally measured relative-sensitivity factors and appropriate software.
This guidance document is intended to aid the operator of X-ray photoelectron spectrometers to obtain efficient,
meaningful analyses from typical samples.

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Surface chemical analysis — X-ray photoelectron spectroscopy —
Guidelines for analysis
1 Scope
This International Standard is intended to aid the operators of X-ray photoelectron spectrometers in their analysis
of typical samples. It takes the operator through the analysis from the handling of the sample and the calibration
and setting-up of the spectrometer to the acquisition of wide and narrow scans and also gives advice on
quantification and on preparation of the final report.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensible for the application of this document. For dated
references only the cited edition applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (together with any amendments) applies.
ISO/IEC 17025, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories
ISO 18115-1, Surface chemical analysis — Vocabulary — Part 1: General terms and terms used in
3 Terms and definitions
For the purposes of this International Standard, the terms and definitions given in ISO 18115-1 apply.
4 Symbols and abbreviations
AES Auger electron spectroscopy
ARXPS angle-resolved X-ray photoelectron spectroscopy
CCQM consultative committee for amount of substance
CRM certified reference material
EAL effective attenuation length
FAT fixed analyser transmission
FRR fixed retard ratio
FWHM full width at half maximum
IERF intensity/energy response function
NIST National Institute of Standards and Technology
NPL National Physical Laboratory
RM reference material
RSD residual standard deviation
S/N signal-to-noise ratio
© ISO 2010 – All rights reserved 1

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ISO 10810:2010(E)
XPS X-ray photoelectron spectroscopy
Δ difference between the measured and reference energies for Au 4f

1 7/2
Δ difference between the measured and reference energies for Cu 2p

4 3/2
5 Overview of sample analysis
Figure 1 is a flow chart illustrating the analysis of a typical sample by XPS. A preliminary consultation with the
supplier of the sample should be used to ensure that the sample is supplied in the form most appropriate for
analysis. ISO 18117 explains the issues involved with prior handling by the supplier and also gives
information on the most suitable container for transportation. In this consideration, the analyst should also
identify any particular problems likely to arise. Table 1 provides a list of example problems. Prior to any work,
discussions should be held between the analyst and the customer to gain as much information as possible by
reviewing what is already known regarding the sample and its history. In addition to the information listed in
ISO 18117 , Table 2 indicates information that will assist in deciding how to conduct the XPS analysis.
Following these preliminary discussions, the sample(s) may need to be prepared to allow mounting in the
spectrometer and to reduce, where possible, the subsequent analysis time. ISO 18116 provides details of
how to do this. The analyst will be responsible for the instrument characterization, which will include the
calibration state and the overall performance of the XPS instrument. A guide to calibration of the energy scale
[14] [9] [18]
is given in ISO 15472 . Checks for the intensity scale are given in ISO 24237 and ISO 21270 .
Once the specimen has been mounted in the spectrometer and the system pumped down, data acquisition
can commence. A wide scan should be obtained first and this then analysed to determine the elements
present. ISO 16243 provides information on recording and reporting data in XPS. The wide-scan spectrum
can provide qualitative and semi-quantitative information regarding composition and the depth distribution of
species. This may yield sufficient information to satisfy the customer and the analysis may be terminated.
However, in most cases, more data are required and narrow-scan spectra will then be recorded from regions
identified in the wide-scan spectrum. Analysis of these narrow-scan spectra will provide chemical-state
information, more accurate quantitative information and near-surface depth information. At a later time in the
investigation the wide scan should be repeated to determine if there has been degradation (e.g. due to X-ray
irradiation or to surface reactions with ambient gases in the vacuum system). Following evaluation of the XPS
data, the analyst should produce a report.
Table 1 — Problems likely to arise and related ISO standards
Problem Example ISO Standard
Outgassing Water vapour ISO 18116
Degradation Polymers and organics
Charging Insulators ISO 19318
Reduction Oxides
Contaminant mobility Chlorine
Sample containment Powders ISO 18116
Surface topography Fibres

Table 2 — Sample information and history
Sample information and history
Possible composition
Surface layer
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ISO 10810:2010(E)

Figure 1 — Flow chart of an XPS analysis
(The numbers in brackets indicate the respective subclauses in this International Standard.)
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ISO 10810:2010(E)
6 Specimen characterization
6.1 General
The complexity of the interacting factors in XPS analyses arises from the many different forms of specimen
materials and the variety of material types that may be encountered as well as from the different XPS
experiments that might be required. Table 3 illustrates possible specimen forms, material types, and XPS
experiments or issues for further review. The analyst should also be aware that samples can consist of
multiple components and phases, and that identification of the components and phases present (and their
spatial arrangements) can be an important part of an XPS analysis. A further complication is that non-
conducting samples may charge.
Table 3 — Some specimen forms, material types, in situ specimen treatments
and possible XPS experiments
Specimen forms Material types In situ specimen treatments XPS experiments
Adsorbed layers (6.2.3) Alloy (6.3.2) Cooling (6.5.2) Angle-resolved XPS
Amorphous Biological (6.3.9) Degradation Analysis area (small)
Fibres (6.2.8) Catalyst (6.3.7) Deposit thin films Analysis area (large)
Films (6.2.3) Ceramic (6.3.6) Expose to high gas pressure (6.5.5) Depth profile
Interface (6.2.4) Composite Fracture (6.5.3) Imaging
Internal interface (6.2.9) Glass (6.3.8) Heating (6.5.2) Line scan
Liquid Insulator (6.3.8) Insert into liquids (6.5.5)
Multilayered (6.2.4) Magnetic metal (6.3.5) Ion bombardment (6.5.4)
Nano-material Metal (6.3.2) Scraping (6.5.3)
Non-porous (6.2.5) Non-metal (pure) element
Pattern system Polymer (6.3.3)
Polycrystal Semiconductor (6.3.4)
Porous (6.2.6) Textile
Powder (6.2.7)
Residue (6.2.3)
Segregated layer (6.2.3)
Single crystal (6.2.2)
Textile (6.2.8)

6.2 Specimen forms
6.2.1 General
The form of the specimen to be analysed will strongly dictate the kinds of experimental approach that can and
need to be employed.
4 © ISO 2010 – All rights reserved

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ISO 10810:2010(E)
6.2.2 Single crystal
This type of sample should have a flat surface. Quantitative analyses will generally be difficult because of
anisotropies in the angular distributions of the photoemitted electrons due to electron diffraction or to forward-
focussing effects . These anisotropies are nevertheless useful in determining the structural properties of
the sample.
6.2.3 Adsorbed or segregated layers, films and residues
It should, in general, be possible to obtain a quantitative analysis and chemical-state information for adsorbed
or segregated layers, films and residues . If the substrate is a single crystal, however, quantitative
analyses will generally be difficult, but the angular distributions of the photoemitted electrons can give useful
structural information . Angle-resolved XPS (ARXPS), as described in 9.3.3, will enable the layer thickness to
be determined, provided the layer thickness does not exceed around three times the effective attenuation
length (EAL) of the substrate peak. This will be of progressively lower accuracy for films above one EAL in
6.2.4 Interfaces and multilayered samples
Ion sputter depth profiling should permit the depth distribution and thickness of the layers to be determined,
together with a semi-quantitative analysis of the layers, as described in 9.3.3.
6.2.5 Non-porous
A quantitative analysis together with chemical-state information can be obtained.
6.2.6 Porous
Only a semi-quantitative analysis may be possible since the sample will have a rough surface.
6.2.7 Powder
Mount the sample by embedding in a suitable matrix. In many cases, indium proves sufficiently soft to be able
to accept the powder without particles falling off. Then treat the composite sample as a porous sample but be
sure to remember to subtract the indium peaks. Double-sided, carbon-loaded, conductive adhesive tape is
also very suitable as a mounting material.
6.2.8 Fibres and textiles
For fibre analysis, the alignment of the fibres relative to the X-ray source may be an important factor. The
diameter of the fibre relative to the diameter of the analysis area will also affect the ability to quantify the data.
If possible, mount several fibres in a bundle to increase the surface area. However, a quantitative analysis will
generally not be possible with many manufacturers' software systems, although some chemical-state
information can be obtained. Under certain conditions, it is possible to analyse one monofibre, using a coaxial
ion gun to conduct a sputter depth profile or, if there is sufficient spatial resolution in relation to the fibre
diameter, ARXPS may be conducted around the circumference.
6.2.9 Internal interface
An internal interface can be analysed using ARXPS, as described in 9.3.3, bearing in mind the depth limit of
around three times the EAL discussed in 6.2.3. To analyse a weak or brittle internal interface that occurs at
greater depths, it is generally necessary to first expose the interface in the ultra-high vacuum by use of
fracture stages, etc. For other internal interfaces, one of the forms of depth profiling described in
ISO/TR 15969 may prove effective.
© ISO 2010 – All rights reserved 5

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ISO 10810:2010(E)
6.3 Material types
6.3.1 General
For different materials, there are various consequences for an XPS experiment that may need to be
considered. For example, problems may arise when analysing magnetic, radioactive and outgassing samples.
6.3.2 Metals and alloys
With specimens in this category, there should be minimal surface charging, but there may be a surface oxide
film together with a high level of carbon contamination. In general, there should be no need for surface
treatment prior to analysis. However, in many cases in situ ion sputtering is carried out prior to analysis to
remove any oxide/contaminant overlayer.
6.3.3 Polymers
It may be difficult to achieve the desired vacuum with this category of sample due to outgassing. During
analysis, adventitious carbon and possibly sample charging and sample degradation may occur. The spectra
should contain intense peaks from C, O and N, possibly also from F, Cl and S.
6.3.4 Semiconductors
There should be minimal surface charging with these specimens and there should be low levels of carbon
contamination. However, expect to see a surface oxide.
6.3.5 Magnetic materials
Take care when handling magnetic materials. First demagnetize them, if possible, and analyse with any
magnetic immersion lens switched off. A magnetized sample will affect the performance of a magnetic lens in
a way which will depend on the kinetic energy of the electrons being analysed. A magnetized sample may
also lead to changes in a measured spectrum that depend on the electron energy. Expect the analysis to be
similar to that for metals and alloys.
6.3.6 Ceramics
Sintered or porous ceramics may outgas and it may be difficult to evacuate the chamber to a pressure
sufficiently low for XPS analysis. A threshold pressure may be set by the manufacturer to protect the X-ray
source or other instrumental items. There may be significant surface charging and one should expect
moderate levels of surface carbon contamination.
6.3.7 Catalysts
These samples may behave in a similar way to ceramics, and there may be health and safety considerations
when handling.
6.3.8 Glass and insulators
These samples may be analysed but will charge, and the use of an electron flood gun with or without a low-
energy positive-ion flood may be necessary to reduce the effect of charging.
6.3.9 Biological
These samples may outgas in the spectrometer and suffer degradation due to either the vacuum environment
or the X-ray flux or both.
6 © ISO 2010 – All rights reserved

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ISO 10810:2010(E)
6.4 Handling and mounting of specimens
Guidelines for the preparation and mounting of specimens for analysis are given in ISO 18116 and
ISO 18117 , and general information on specimen handling is also available in two books (see
References [5] and [7]).
6.5 Specimen treatments
6.5.1 General
There are many in situ treatments available to the analyst to obtain relevant data. Surface layers may be
sputtered away using gas and/or liquid-metal ions, but these may, in turn, modify the surface by implanting
ions and by preferential sputtering of elements. Motion transfer devices fitted with knives, etc., permit surface
layers to be removed without exposing the underlying layer to atmospheric pressure. Heating and cooling
stages allow the sample temperature to be modified. Fracture stages allow internal interfaces to be exposed.
6.5.2 Heating and cooling
Many XPS spectrometers are equipped with heating and cooling stages. Cooling is achieved by passing liquid
nitrogen through a conducting metal block, although it is rarely possible to reach 77 K and minimum
temperatures of 100 K are more realistic, while heating may be achieved by passing a current through a
resistive coil, by shining an infra-red lamp onto the sample or by using a hot liquid in the cooling stage.
6.5.3 Scraping and fracture
A fresh surface of a material can be produced either by removing layers from the surface using a sharp
implement attached to a transfer device with lateral movement or by cleavage using an impact fracture device
at room, or a reduced, temperature. The cooling will enhance the brittleness of many samples.
6.5.4 Ion bombardment for analysing thin films
Ion bombardment is usually with argon ions, although other inert-gas ions, liquid-metal ions (such as gallium)
or cluster ions (such as C ) can be used to remove surface layers from the sample. However, preferential
sputtering may result in an analysed surface that is not representative of the original sample.
6.5.5 Exposure to gases and liquids
Chambers with interlocks from the analytical chamber can be used to expose a clean surface prepared as in
6.5.2 to 6.5.4 to high-pressure gases and to liquids over a range of temperatures. The chamber is then
evacuated and the sample transferred back to the analytical chamber for analysis. Alternatively, samples may
be removed from the system into a pumped transfer module for treatment in other equipment before returning
via a similar route.
7 Instrument characterization
7.1 General
X-ray photoelectron spectrometers are not constructed to a standard design, and each instrument will be
configured to operate most efficiently in a particular mode. The majority of XPS instruments currently
produced will be supplied with an X-ray monochromator. Either by focussing monochromated X-rays or the
emitted electrons, a small analysis area may be defined or the sample imaged with selected photoelectrons.
However, much excellent work is still conducted with simpler instruments that use broad beams of non-
monochromatized X-rays to analyse the sample.
© ISO 2010 – All rights reserved 7

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ISO 10810:2010(E)
7.2 Instrument checks
7.2.1 System health check
Use of a reference sample of gold, silver and/or copper mounted permanently in the analysis chamber is
convenient for checking the system, but it is also advisable to have a sample of a frequently analysed material
(e.g. a silicon wafer in a semiconductor laboratory). A spectrum recorded from the reference sample will
indicate if the measured energies of the calibrating peaks have drifted. It will also indicate the state of a non-
monochromatized X-ray source by showing the presence of ghost peaks from Cu, Mg or Al in the X-ray
anode, suggesting it is nearing the end of its life. In addition, it will indicate, by the presence of a high
background and increased contamination, that the X-ray window is damaged, and monitoring the intensity of
the gold peaks will indicate the efficiency of the X-ray source and the electron detectors. The signal-to-noise
(S/N) ratio will vary with energy resolution, spatial resolution and depth resolution. The ultimate performance is
not always required, and the analyst may need good repeatability rather than the limits of performance — i.e.
good signal levels at modest energy or spatial resolution. The operator should identify the acceptable S/N
level for given conditions and regularly monitor the instrument to ensure that this S/N level, or a better level, is
7.2.2 Mechanical
The sample is mounted on the sample stage, which may have X, Y and Z movements as well as tilt. Proper
adjustment of the sample height is crucially important when a focussed monochromatic X-ray source is used.
Tilt needs to be determined accurately from the spectrometer axis as an error of 0,3° in a tilt angle at 60° will
result in a 1 % error in the total film thickness. Methods of calibrating emission angles are described by Seah
[11] [12] [13]
and Spencer (where errors of 2,6° were found in the nominal settings) and by Kim et al. and Seah .
ARXPS experiments may require the sample to be tilted over an angular range of, typically, 0° to 60° from the
surface normal. This may not be possible if the sample is large (e.g. a silicon wafer) and cannot be cut to fit
the system.
7.2.3 Sample holder
The sample holder may have facilities for heating and cooling of the sample. The temperature of the sample
should be determined by calibration, using a thermocouple or other suitable device. The sample stage may
already have a thermocouple attached, but there may be a temperature gradient between the sample surface
and the thermocouple position. The temperature measurement should be made with and without the X-ray
source and/or ion sputter gun operating, as adventitious heating may influence the measurements.
7.2.4 Vacuum
The vacuum in the analysis chamber can become degraded for various reasons. The pumps may deteriorate
(liquid-nitrogen traps not topped up, ion pumps releasing previously pumped gases, etc.), the window on the
X-ray source may fail or components may become heated and outgas. During analysis, the sample may
degrade due to heating and, during depth profiling, the sample may react with impurities in the sputtering gas.
The pressure in the analysis chamber should be continuously monitored and, if an unusual increase in
pressure occurs, a mass spectrometer should be used to identify the gas species present in order to
determine if they are likely to react with the specimen.
7.3 Instrument calibration
7.3.1 Calibration of binding energy scale
XPS is frequently used for the determination and measurement of chemical shifts of elemental photoelectron
and Auger electron lines. Identification of chemical states is based on measurements of peak shifts down to
0,1 eV. It is important that the instrumental binding-energy scale be calibrated to an accuracy of 0,2 eV or
better in order for useful comparisons to be made with published or other reference data. ISO 15472
describes the method for the accurate calibration of energy scales. This should be used with reference
samples of pure gold, silver and copper to enable the calibrations to be made using unmonochromatized Mg
8 © ISO 2010 – All rights reserved

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ISO 10810:2010(E)
or Al X-rays or monochromatic Al X-rays. It is valid, at the accuracy stated, for binding energies in the range
0 eV to 1 040 eV (users normally extend this to the full energ

Première édition

Analyse chimique des surfaces —
Spectroscopie de photoélectrons par
rayons X — Lignes directrices pour
Surface chemical analysis — X-ray photoelectron spectroscopy —
Guidelines for analysis

Numéro de référence
ISO 10810:2010(F)
ISO 2010

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ISO 10810:2010(F)
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ii © ISO 2010 – Tous droits réservés

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ISO 10810:2010(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Symboles et abréviations .1
5 Aperçu de l'analyse d'un échantillon .2
6 Caractérisation de l'échantillon .4
6.1 Généralités .4
6.2 Formes d'échantillon.5
6.3 Types de matériau.6
6.4 Manipulation et montage de l'échantillon.7
6.5 Traitements de l'échantillon.7
7 Caractérisation de l'instrument .8
7.1 Généralités .8
7.2 Vérifications de l'instrument .8
7.3 Étalonnage de l'instrument .9
7.4 Réglage de l'instrument.16
8 Spectre large.16
8.1 Acquisition des données.16
8.2 Analyse des données.18
9 Spectre haute résolution .19
9.1 Généralités .19
9.2 Acquisition des données.19
9.3 Analyse des données.19
10 Rapport d'essai.24

© ISO 2010 – Tous droits réservés iii

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ISO 10810:2010(F)
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
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 10810 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 201, Analyse chimique des surfaces, sous-comité
SC 7, Spectroscopie de photo-électrons.
iv © ISO 2010 – Tous droits réservés

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ISO 10810:2010(F)
La spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS) est utilisée intensivement pour l'analyse de surface des
matériaux. Les éléments présents dans l'échantillon (excepté l'hydrogène et l'hélium) sont identifiés sur la base
de comparaisons des énergies de liaison mesurées de leurs niveaux de cœur, à l'aide d'un tableau de ces
énergies pour les différents éléments. Leurs états chimiques peuvent être déterminés à partir des déplacements
des positions des pics et d'autres paramètres comparés aux données de cet élément dans son état élémentaire
pur. Des informations sur les quantités de tels éléments peuvent être obtenues à partir des intensités mesurées
des pics de photoélectrons. Le calcul des quantités des espèces chimiques constitutives présentes dans la
couche superficielle étudiée peut alors être effectué à l'aide des formules et des facteurs de sensibilité relatifs
fournis par le fabricant du spectromètre ou à l'aide des facteurs de sensibilité relatifs mesurés localement et d'un
logiciel approprié.
Les lignes directrices fournies dans le présent document ont pour but d'aider l'opérateur de spectromètres de
photoélectrons par rayons X à obtenir des analyses efficaces et significatives à partir d'échantillons types.

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Analyse chimique des surfaces — Spectroscopie de
photoélectrons par rayons X — Lignes directrices pour
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale a pour but d'aider l'opérateur de spectromètres de photoélectrons par
rayons X à analyser des échantillons types. Elle guide l'opérateur dans l'analyse depuis la manipulation de
l'échantillon jusqu'à l'étalonnage et le réglage du spectromètre, l'acquisition de spectres larges ou de spectres
haute résolution et donne des conseils sur la quantification et la préparation du rapport final.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO/CEI 17025, Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnages et d'essais
ISO 18115-1, Analyse chimique des surfaces — Vocabulaire — Partie 1: Termes généraux et termes utilisés
en spectroscopie
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 18115-1 s'appliquent.
4 Symboles et abréviations
AES spectrocopie des électrons Auger
ARXPS spectroscopie de photoélectrons par rayons X angulaire
CCQM comité consultatif pour la quantité de matière
CRM matériau de référence certifié
EAL longueur d'atténuation effective
FAT fonction de transfert de l'analyseur fixé
FRR facteur de retard fixé
FWHM largeur à mi-hauteur
IERF fonction de réponse intensité/énergie
NIST National Institute of Standards and Technology
NPL National Physical Laboratory
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RM matériau de référence
RSD écart-type résiduel
S/N rapport signal sur bruit
XPS spectroscopie de photoélectrons par rayons X
Δ différence entre les énergies mesurées et les énergies de référence pour Au 4f

1 7/2
Δ différence entre les énergies mesurées et les énergies de référence pour Cu 2p

4 3/2
5 Aperçu de l'analyse d'un échantillon
La Figure 1 est un organigramme illustrant l'analyse d'un échantillon type par XPS. Il convient d'avoir recours
à une consultation préliminaire avec le fournisseur de l'échantillon pour s'assurer que l'échantillon est fourni
sous la forme la plus appropriée pour l'analyse. L'ISO 18117 explique les aspects impliqués dans la
manipulation préalable par le fournisseur et fournit des informations sur le contenant le plus approprié pour le
transport. De ce fait, il convient que l'analyste identifie également tous les problèmes particuliers susceptibles
de se produire. Le Tableau 1 donne une liste d'exemples de problèmes. Avant tout travail, il est recommandé
à l'analyste de discuter avec le client pour réunir autant d'informations que possible en passant en revue les
informations connues concernant l'échantillon et son historique. Outre les informations énumérées dans
l'ISO 18117 , le Tableau 2 indique les informations qui aideront à décider de la manière d'effectuer l'analyse
XPS. À la suite de ces discussions préliminaires, l'échantillon ou les échantillons peuvent nécessiter d'être
préparé(s) pour permettre son (leur) montage dans le spectromètre et réduire, si possible, la durée de
l'analyse ultérieure. L'ISO 18116 fournit des détails pour ce faire. L'analyste est responsable de la
caractérisation de l'instrument qui comprend l'étalonnage et la performance globale de l'instrument XPS. Des
lignes directrices relatives à l'étalonnage de l'échelle d'énergie sont données dans l'ISO 15472 . Des
[9] [18]
vérifications de l'échelle d'intensité sont données dans l'ISO 24237 et l'ISO 21270 .
Une fois que l'échantillon a été monté dans le spectromètre et que le système a été pressurisé, l'acquisition
des données peut commencer. Il convient de procéder dans un premier temps à l'acquisition d'un spectre
large et ensuite de l'analyser en vue de déterminer les éléments présents. L'ISO 16243 fournit des
informations sur l'enregistrement et la notification des données en XPS. Le spectre large peut fournir des
informations qualitatives et semi-quantitatives concernant la composition et la distribution en profondeur des
espèces. Cela peut conduire à des informations suffisantes pour satisfaire le client et l'analyse peut être
terminée. Cependant, dans la plupart des cas, des données supplémentaires sont requises et des spectres
haute résolution seront enregistrés à partir de régions identifiées dans le spectre large. L'analyse de ces
spectres haute résolution fournira des informations sur l'état chimique, des informations quantitatives plus
précises et des informations en profondeur de la zone proche de la surface. Il convient de répéter
ultérieurement dans l'étude l'acquisition d'un spectre large pour déterminer si une dégradation s'est produite
(par exemple à cause de l'irradiation par les rayons X ou de réactions de surface avec les gaz présents dans
la chambre à vide). À la suite de l'évaluation des données XPS, il convient que l'analyste élabore un rapport.
Tableau 1 — Problèmes susceptibles de se produire et normes ISO associées
Problème Exemple Norme ISO
Dégazage Vapeur d'eau ISO 18116
Dégradation Polymères et substances organiques
Effet de charge Isolants ISO 19318
Réduction Oxydes
Mobilité du contaminant Chlore
Confinement de l'échantillon Poudres ISO 18116
Topographie de surface Fibres
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Figure 1 — Organigramme d'une analyse XPS
(Les nombres entre parenthèses indiquent les paragraphes respectifs dans la présente Norme internationale.)
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Tableau 2 — Informations sur l'échantillon et historique
Informations sur l'échantillon et historique
Composition possible
Couche superficielle

6 Caractérisation de l'échantillon
6.1 Généralités
La complexité des facteurs qui interagissent dans les analyses XPS résulte des nombreuses formes
différentes de matériaux échantillons et des différents types de matériaux qui peuvent être rencontrés ainsi
que les différentes expériences XPS qui pourraient être requises. Le Tableau 3 illustre les formes
d'échantillon, les types de matériaux et les expériences XPS possibles ou les problèmes qui peuvent être
rencontrés pour une revue ultérieure. Il convient que l'analyste tienne compte du fait que l'échantillon peut
consister en des composants et des phases multiples, et que l'identification des composants et des phases
présents (et leurs arrangements dans l'espace) peut constituer un aspect important d'une analyse XPS. Une
autre complication réside dans le fait que les échantillons non conducteurs peuvent présenter un effet de
Tableau 3 — Formes d'échantillon, types d'échantillon, traitements d'échantillon in situ
et expériences XPS possibles
Formes d'échantillon Types de matériau Traitements d'échantillon in situ Expériences XPS
Couches adsorbées (6.2.3) Alliage (6.3.2) Refroidissement (6.5.2) XPS angulaire
Échantillon amorphe Biologique (6.3.9) Dégradation Aire d'analyse (petite)
Fibres (6.2.8) Catalyseur (6.3.7) Déposition de couches minces Aire d'analyse (grande)
Exposition à des pressions de
Films (6.2.3) Céramique (6.3.6) Profil en profondeur
gaz élevées (6.5.5)
Interface (6.2.4) Composite Fracture (6.5.3) Imagerie
Interface interne (6.2.9) Verre (6.3.8) Chauffage (6.5.2) Balayage linéaire
Liquide Isolant (6.3.8) Insertion dans des liquides (6.5.5)
Échantillon multicouche (6.2.4) Métal magnétique (6.3.5) Bombardement ionique (6.5.4)
Nanomatériau Métal (6.3.2) Grattage (6.5.3)
Échantillon non poreux (6.2.5) Élément non métallique (pur)
Système modèle Polymère (6.3.3)
Polycristal Semi-conducteur (6.3.4)
Échantillon poreux (6.2.6) Textile
Poudre (6.2.7)
Résidu (6.2.3)
Couches ségrégées (6.2.3)
Monocristal (6.2.2)
Textile (6.2.8)
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6.2 Formes d'échantillon
6.2.1 Généralités
La forme de l'échantillon à analyser dicte fortement les type d'approches expérimentales qui peuvent et
nécessitent d'être utilisées.
6.2.2 Monocristal
Il convient que ce type d'échantillon ait une surface plane. Les analyses quantitatives seront généralement
difficiles à cause des anisotropies des distributions angulaires des électrons photoémis dues à la diffraction
des électrons ou aux effets de focalisation dans un plan différent . Ces anisotropies sont néanmoins utiles
pour déterminer les propriétés structurales de l'échantillon.
6.2.3 Couches adsorbées ou ségrégées, films et résidus
En général, il convient qu'une analyse quantitative et des informations sur l'état chimique puissent être
obtenues pour les couches adsorbées ou ségrégées, les films et les résidus . Cependant, si le substrat est
un monocristal, les analyses quantitatives seront généralement difficiles mais les distributions angulaires des
électrons photoémis peuvent fournir des informations structurales utiles . L'XPS angulaire (ARXPS), telle
que décrite en 9.3.3, permet de déterminer l'épaisseur de la couche à condition que l'épaisseur de la couche
ne dépasse pas environ trois fois la longueur d'atténuation effective (EAL) du pic du substrat. Cette
détermination sera progressivement moins précise pour les films dont l'épaisseur est supérieure à une EAL.
6.2.4 Interfaces et échantillons multicouches
Il convient de noter que le profilage en profondeur par pulvérisation d'ions permet de déterminer la distribution
en profondeur et l'épaisseur des couches conjointement avec une analyse semi-quantitative des couches, tel
que décrit en 9.3.3.
6.2.5 Échantillon non poreux
Une analyse quantitative ainsi que des informations sur l'état chimique peuvent être obtenues.
6.2.6 Échantillon poreux
Seule une analyse semi-quantitative peut être possible car l'échantillon présente une surface rugueuse.
6.2.7 Poudre
Monter l'échantillon en le faisant pénétrer dans une matrice appropriée. Souvent, l'indium s'avère être
suffisamment mou pour pouvoir accepter la poudre sans que des particules ne tombent. Ensuite, traiter
l'échantillon composite en tant qu'échantillon poreux mais ne pas oublier de soustraire les pics de l'indium. Un
adhésif double face chargé en carbone est également très convenable en tant que matériau de montage.
6.2.8 Fibres et textiles
Pour l'analyse des fibres, l'alignement des fibres par rapport à la source de rayons X peut constituer un
facteur important. Le diamètre de la fibre par rapport au diamètre de l'aire d'analyse affectera également
l'aptitude à quantifier les données. Si possible, monter plusieurs fibres en mèche pour accroître la surface.
Cependant, une analyse quantitative ne sera généralement pas possible avec les systèmes logiciels de
nombreux fabricants bien que des informations sur l'état chimique puissent être obtenues. Dans certaines
conditions, il est possible d'analyser une monofibre au moyen d'un canon à ions coaxial pour effectuer un
profil en profondeur par décapage ou, si la résolution spatiale est suffisante par rapport au diamètre de la fibre,
une ARXPS peut être réalisée autour de la circonférence.
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6.2.9 Interface interne
Une interface interne peut être analysée par ARXPS, tel que décrit en 9.3.3, sans perdre de vue la limite de
profondeur d'environ trois fois la EAL discutée en 6.2.3. Pour analyser une interface interne fragile ou
cassante observée à des profondeurs plus élevées, il est généralement nécessaire d'exposer dans un
premier temps l'interface à un vide poussé en utilisant des systèmes de fracture, etc. Pour les autres
interfaces internes, l'une des formes de profilage en profondeur décrites dans l'ISO/TR 15969 peut s'avérer
6.3 Types de matériau
6.3.1 Généralités
Pour certains matériaux, il peut être nécessaire de tenir compte des diverses conséquences d'une expérience
XPS. Par exemple, des problèmes peuvent survenir lors de l'analyse d'échantillons magnétiques, radioactifs
ou dégazant.
6.3.2 Métaux et alliages
Avec des échantillons de ce type, il convient que l'effet de charge de surface soit minimal, mais il peut y avoir
un film d'oxyde de surface ainsi qu'un niveau élevé de contamination en carbone. En général, un traitement
de surface ne devrait pas être nécessaire avant l'analyse. Cependant, dans de nombreux cas, une
pulvérisation d'ions in situ est effectuée avant l'analyse pour éliminer toute surcouche d'oxyde/de contaminant.
6.3.3 Polymères
Il peut être difficile d'atteindre le vide souhaité avec ce type d'échantillon en raison du dégazage. Durant
l'analyse, du carbone de contamination et éventuellement un effet de charge de l'échantillon et une
dégradation de l'échantillon peuvent être observés. Il convient que les spectres contiennent des pics intenses
de C, O et N, éventuellement aussi de F, Cl et S.
6.3.4 Semi-conducteurs
L'effet de charge de surface devrait être minimal avec ces échantillons et les niveaux de contamination en
carbone devraient être faibles. Il faut cependant s'attendre à observer un oxyde de surface.
6.3.5 Matériaux magnétiques
Faire attention lors de la manipulation de matériaux magnétiques. Dans un premier temps, les démagnétiser
si possible et les analyser avec la lentille magnétique à immersion déconnectée. Un échantillon magnétisé
affecte la performance d'une lentille magnétique d'une façon qui dépend de l'énergie cinétique des électrons
analysés. Un échantillon magnétisé peut également conduire à des modifications du spectre de mesure qui
dépendent de l'énergie des électrons. Il faut s'attendre à ce que l'analyse soit similaire à celle des métaux et
des alliages.
6.3.6 Céramiques
Les céramiques frittées ou poreuses peuvent dégazer et il peut être difficile de faire le vide à une pression
suffisamment faible pour l'analyse XPS. Une pression seuil peut être fixée par le fabricant pour protéger la
source de rayons X ou d'autres éléments instrumentaux. Un effet de charge de surface significatif peut être
observé et on peut s'attendre à des niveaux modérés de contamination de surface en carbone.
6.3.7 Catalyseurs
Ces échantillons peuvent se comporter d'une façon similaire aux céramiques et il peut exister des questions
de santé et de sécurité à prendre en considération lors de la manipulation.
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6.3.8 Verre et isolants
Ces échantillons peuvent être analysés mais se chargent, et l'utilisation d'un canon à électrons de
neutralisation avec ou sans flux d'ions positifs de faible énergie peut être nécessaire pour réduire l'effet de
6.3.9 Échantillon biologique
Ces échantillons peuvent dégazer dans le spectromètre et subir une dégradation due soit au vide, soit au flux
de rayons X, soit aux deux.
6.4 Manipulation et montage de l'échantillon
Des lignes directrices pour la préparation et le montage des échantillons destinés à l'analyse sont données
[1] [2]
dans l'ISO 18116 et l'ISO 18117 et des informations générales sur la manipulation de l'échantillon sont
également disponibles dans deux livres (voir Références [5] et [7]).
6.5 Traitements de l'échantillon
6.5.1 Généralités
De nombreux traitements in situ sont à la disposition de l'analyste pour obtenir des données pertinentes. Les
couches superficielles peuvent être pulvérisées par des ions métalliques gazeux et/ou liquides, mais ceux-ci
peuvent, à leur tour, modifier la surface par implantation d'ions et par pulvérisation préférentielle d'éléments.
Des dispositifs de transmission du mouvement munis de couteaux, etc. permettent d'éliminer les couches
superficielles sans exposer la couche sous-jacente à la pression atmosphérique. Des systèmes de chauffage
et de refroidissement permettent de modifier la température de l'échantillon. Des systèmes de fracture
permettent d'exposer les interfaces internes.
6.5.2 Chauffage et refroidissement
De nombreux spectromètres XPS sont équipés de systèmes de chauffage et de refroidissement. Le
refroidissement est effectué en faisant passer de l'azote liquide à travers un bloc métallique conducteur, bien
qu'il soit rarement possible d'atteindre 77 K et que des températures minimales de 100 K soient plus réalistes,
tandis que le chauffage peut être effectué en faisant passer un courant à travers une bobine résistive, en
orientant une lampe à infrarouges sur l'échantillon, ou en utilisant un liquide chaud dans le système de
6.5.3 Grattage et fracture
Une surface fraîche de matériau peut être obtenue soit en éliminant les couches de la surface au moyen d'un
outil pointu fixé à un dispositif de transmission avec mouvement latéral, soit par clivage au moyen d'un
dispositif de fracture par impact à température ambiante ou à température réduite. Le refroidissement
augmentera la fragilité de nombreux échantillons.
6.5.4 Bombardement ionique pour analyser les couches minces
Le bombardement ionique se fait généralement avec des ions d'argon, bien que d'autres ions de gaz inerte,
des ions d'un métal liquide (tel que le gallium) ou des ions complexes (tels que C ) puissent être utilisés
pour éliminer les couches superficielles de l'échantillon. Cependant, une pulvérisation préférentielle peut
conduire à une surface analysée qui n'est pas représentative de l'échantillon original.
6.5.5 Exposition à des gaz et à des liquides
Les chambres séparées de la chambre d'analyse par une vanne peuvent être utilisées pour exposer une
surface propre préparée comme décrit de 6.5.2 à 6.5.4 à des gaz sous pression élevée et à des liquides sur
une gamme de températures. La chambre est ensuite mise sous vide et l'échantillon est transféré dans la
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chambre d'analyse en vue de l'analyse. Alternativement, les échantillons peuvent être enlevés du système
dans une valise de transfert pressurisée en vue du traitement dans un autre appareil avant d'être réintroduits
dans le système de la même façon.
7 Caractérisation de l'instrument
7.1 Généralités
Les spectromètres de photoélectrons par rayons X ne sont pas conçus selon une conception standard et
chaque instrument est configuré pour fonctionner le plus efficacement dans un mode particulier. La majorité
des instruments XPS actuellement produits sont fournis avec un monochromateur à rayons X. Une petite
zone d'analyse peut être obtenue soit en focalisant un faisceau de rayons X monochromatisé ou le faisceau
d'électrons, soit l'échantillon peut être imagé par sélection des photoélectrons. Cependant, un excellent travail
est aussi réalisé avec des instruments plus simples qui utilisent des faisceaux larges de rayons X non
monochromatisés pour analyser l'échantillon.
7.2 Vérifications de l'instrument
7.2.1 Vérification de l'état du système
L'utilisation d'un échantillon de référence d'or, d'argent et/ou de cuivre monté de manière permanente dans la
chambre d'analyse est commode pour vérifier le système, mais il est également souhaitable d'avoir un
échantillon de matériau fréquemment analysé (par exemple une plaque de silicium dans un laboratoire de
semi-conducteurs). Un spectre enregistré à partir de l'échantillon de référence indique si l'énergie mesurée
des pics d'étalonnage a dérivé. Il indique également l'état d'une source de rayons X non monochromatisée en
montrant la présence de pics parasites, de Cu, Mg ou Al dans l'anode de rayons X, laissant supposer
qu'elle approche de sa fin de vie. De plus, il indique que la fenêtre de rayons X est endommagée par la
présence d'un fond continu élevé et d'une contamination accrue et, en contrôlant l'intensité des pics de l'or, il
indique l'efficacité de la source d

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