Die BrightBeam-Elektronensäulen für universelle höchstauflösende analytische Fragestellungen basieren auf der aberrationsminimierenden Energiefilterungstechnologie von TESCAN.
Viele verschiedene analytische Fragestellungen in der Elektronenmikroskopie benötigt man immer häufiger höchste und allerhöchste Auflösungen. Dies betrifft Proben aus dem Bereich Materialien, Mineralien, Werkstoffe, Polymere, biologische Proben u.w., welche bei Raum- und Cryotemperaturen höchstauflösend abbildbar sein sollen.
Für solche „universellen“ Fragestellungen bieten sich feldfreie Feld-Emissionselektronen an, da sie sehr versatil einsetzbar sind und auch Ressourcen für starke Strahlströme, u.a. für spektroskopische Anwendungen, wie elektronendispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Elektronenrückstreubeugung (EBSD), bieten.
Das Konzept der Energiefilterungstechnologie besteht darin, dass, mittels einer Kombination aus magnetischen und elektrischen Feldern in der Elektronensäule, der Elektronenstrahl mit der jeweils eingestellten Beschleunigungsspannung von unerwünschten Elektronenenergieabweichungen befreit wird und so möglichst aberrationsfrei positioniert und fokussiert werden kann, außerhalb des Elektronensäulensystems, im feldfreien Raum auf der Probe.
In der Elektronenquelle („Electron Source“) werden zunächst die Elektronen erzeugt. TESCAN verwendet ein einzigartiges Elektronenquellensystem auf Basis der Feldemission. Dadurch wird ein sehr feiner Elektronenstrahl schon von Beginn an im Bereich von wenigen Nanometern erzeugt.
In der Elektronenquelle werden die Elektronen mithilfe einer Beschleunigungsspannung zunächst beschleunigt. Die höchstauflösende BrightBeam-Technologie beschleunigt die Elektronen zunächst mit einer höheren Energie. Beim Elektronendurchgang durch die Potentialröhre in der selbstjustierenden Elektronensäule sinkt dann die Elektronenenergie ab. Abhängig von der angelegten Spannung an der Potentialröhre kann dies schwächer oder stärker ausfallen. Erste elektronenoptische Aberrationen werden so bereits zu Anfang minimiert und beim Säulendurchgang der Elektronen noch weiter gefiltert. Der Benutzer stellt komfortabel per Software-Menü nur die gewünschte Elektronenlandungsenergie auf die Probe im feldfreien Raumauftreffen zwischen 1 – 20kV ein.
Abb. 1: Aufbau der TESCAN BrightBeam Elektronensäule, eine feldfreie Feldemission-Elektronensäule
Wird die Elektronensäule nicht im höchstauflösenden Modus („BrightBeam-Modus“) betrieben, so sind auch Elektronenlandungsenergien zwischen 1 – 30 kV möglich. Es sind dabei mehrere Abstufungen in der Energiefilterungstechnik möglich, um so die beste Performance zu erhalten.
Der erzeugte Elektronenstrahl wird im Verlauf seiner Flugbahn vom Magnetfeld der ersten magnetischen Linse, dem „Kondensor“, wieder fokussiert. Leichte Inhomogenitäten werden durch automatische Zentrierungsspulen und Aperturen weiter minimiert.
Der fokussierte Elektronenstrahl tritt dann durch die mechanische Öffnung des axialen Detektionssystems und wird dann durch eine 2. magnetische Linse, die Zwischenlinse, erneut fokussiert.
Leichte und technisch bedingte Magnetfeldinhomogenitäten der ersten zwei Linsen führen zu kleinen Abweichungen in der Strahlform des Fokus und werden durch den Einsatz von nachfolgenden Stigmationsspulen ausgeglichen.
Danach folgen die Ablenkspulen („Scanning Coils“), welche den Strahl lateral in X und Y Richtung ablenken können. Diese bestimmen auch die Schnelligkeit des sogenannten Rasterns („Scanning Speed“).
Durch die Einstellung der einfach zu bedienenden und intuitiven TESCAN ESSENCE Software können bspw. Rastergeschwindigkeit („Scanning Speed“), ebenso wie andere Parameter und beliebige Strahlbewegungen, durch den Operator, eingestellt werden.
Der Elektronenstrahl wird schließlich durch das Magnetfeld der gleichauf liegenden Objektivlinse bis auf die Probenoberfläche hin fein fokussiert. Durch die Kombination, mit der durch die Elektronensäule durchlaufenden Potentialröhre, bildet die Objektivspule eine verbesserte und erweiterte elektronenoptische Objektivlinse, welche mit dem nun kombinierten, elektrostatisch-magnetischen Feld eine wesentlich feinere und aberrationsfreiere Fokussierung erreicht.
Die sekundären (SE) oder rückgestreuten (BSE) Elektronen, welche durch den fokussierten primären Elektronenstrahl in der jeweiligen Probe erzeugt werden, können durch vorhandene Detektoren in der Kammer oder Detektoren der Elektronensäule analytisch erfasst werden.
Neben optimierten Kammerdetektoren, wie der E-T-Detektor und motorisierten BSE oder seiner Low-Energy Variante (LE-BSE) besitzt die BrightBeam Säule optimierte Säulendetektoren unter dem Namen Multidetektor („MD“-Detektor) und dem Axialdetektor.
Je nach Art des eingesetzten Modus, also angelegte Spannung an der Potentialröhre, können der MD Detektor unter Axialdetektor entweder sekundäre Elektronen (SE) oder zurückgestreute Elektronen (BSE) oder eine Mixtur aus beiden detektieren.
Deshalb werden die Potentialmodi der BrightBeam-Säule einerseits nach der zu erreichenden Auflösung benannt („BrightBeam“-Modus), andererseits nach der erzeugten Elektronenart in der Probe, welche der Axialdetektor als zurückgestreute Elektronen (BSE) noch detektieren kann („AxialBSE“-Modus), da diese so energiereich sind und im 0 Gradwinkel zurückgestreut werden und den Axialdetektor noch erreichen. Das angelegte Potenzial ist bei der Auswahl des BrightBeam Beammodus am höchsten und bei der Auswahl des AxialBSE-Modus wesentlich niedriger.
In allen anderen Modi, außer dem „AxialBSE“-Modus, detektieren der MD- und der Axial-Detektor hauptsächlich SE-Elektronen, sodass ein naturgemäß schwächeres BSE-Signal, im SE-Signal untergeht.
Jeder Modus erlaubt problemlos laterale Bildausschnittdimensionen im mittleren Nanometerbereich (250-500 nm) und im BrightBeam-Modus sogar im unteren Nanometerbereich (70nm-500nm) für kontrastreiche und brillante Bildaufnahmen.
Die TESCAN BrightBeam-Säule eignet sich besonders gut für hochauflösende und höchstauflösende Aufnahmen von Topographien und Materialzusammensetzungen mit guten Aufnahmezeiten.