Detektoren – TESCAN World

Apr

Detektoren für absorbierte Elektronen (AbE-Detektoren)

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Die innerhalb der Probe absorbierten Elektronen (AbE) müssen über den Probentisch zur Masse abgeführt werden, um Aufladungen der Probe zu vermeiden.
Bei einem entsprechenden Aufbau des Probentisches kann der abfließende Strom durch empfindliche Messgeräte (Picoamperemeter) als Messgröße angezeigt (Probenstrom – Probe Current) oder zur Bilderzeugung eingesetzt werden.

Probenstrom-Detektor

Der abfließende Probenstrom (AbE) wird durch einen speziellen Probenstromverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt und zur Abbildung der unterschiedlich leitfähigen Bereiche der Probe verwendet (Probenstrombild 1).

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Probenstromverstärkers

Apr

EBIC-Detektor

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Ein EBIC-Detektor (Electron Beam Induced Current – Detektor) stellt eine spezielle Form eines Probenstromverstärkers dar, bei dem durch eine entsprechende Kontaktierung die Probe, oder Bereiche der Probe, mit einer einstellbaren Vorspannung (Bias) angesteuert werden können (Abbildung 2). Bei geeigneten Proben ergeben sich durch den EBIC-Effekt (siehe Artikel „Wechselwirkung Strahl-Probe“) Änderungen im gemessenen Probenstrom (EBIC), die durch einen geeigneten Verstärker in ein Spannungssignal (Video) umgewandelt wird und zur Abbildung im REM verwendet werden kann.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines EBIC-Detektors

Apr

InBeam-Detektor (InLens-Detektor)

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Die beste Auflösung erzielt ein REM bei kürzesten Arbeitsabständen (WD). Durch den schlechtere Abnahmewinkel und Abschattungen nimmt jedoch, ab einem bestimmten WD, die Effizienz des in der Probenkammer befindlichen SE-Detektors dramatisch ab. Daher kommen bei Feldemissionsgeräten sogenannte InBeam-Detektoren (auch InLens-Detektoren genannt) zum Einsatz. Diese sitzen in der REM-Säule und zeigen eine deutlich bessere Performance bei kleinen WD (≤ 5mm).

InBeam-SE Detektor

Bei einem InBeam–Detektor werden die von der Probe ausgelösten Sekundärelektronen auf einer Spiralbahn um den Elektronenstrahl herum durch die Öffnung der Objektivlinse zu einem Szintillations-Detektor geführt, der sich innerhalb der Objektivlinse befindet (Abbildung 1). Dies geschieht durch den Einbau einer zusätzlichen elektrostatischen Linse innerhalb der Objektivlinse, die gleichzeitig der Fokussierung des Primärelektronenstrahls dient, als auch der Extraktion der SE von der Probe zum Detektor (Kollektorfunktion).
Die Funktion des Szintillations-Detektors selbst ist im Abschnitt „Detektoren – Szintillationsdetektor nach Everhart-Thornley“ beschrieben.

InBeam-RE Detektor

Ein In-Beam-RE-Detektor (auch In-Beam-BSE) befindet sich im oberen Teil der Elektronensäule und basiert auf Prinzip des Szintillator-Detektors. Aufgrund des Aufbaus detektiert dieser hauptsächlich axial rückgestreute Elektronen (RE), d.h. RE mit einem engen Austrittswinkel (Abbildung 1). Somit ist der In-Beam-RE Detektor komplementär zu einem einziehbaren RE-Detektor in der Kammer, der hauptsächlich Weitwinkel-REs erfasst.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau von In-Beam-SE und InBeam-BSE Detektoren in der REM Säule

Empfohlene Bedingungen für den In-Beam-RE-Detektor sind kurze Arbeitsabstände (WD <7 mm) sowie höhere Strahlströme. Die Funktion des RE Detektors selbst ist im Abschnitt „Detektoren – Szintillator-Rückstreuelektronen-Detektor“ beschrieben.

Apr

Kathodolumineszenz-Detektor

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Die durch den Primärelektronenstrahl angeregte Lumineszenzstrahlung (Photonen) des Probenmaterials, wird mit Hilfe eines Spiegels und eines Lichtleiters, zu einem Photomultiplier geführt und dort zu einem elektrischen Signal verstärkt. Durch die Nutzung von Photomultipliern mit verschiedenen Spektralbereichen kann die Wellenlänge der zur Abbildung benutzten KL-Strahlung bestimmt werden. Da der Spiegel unmittelbar über der Probe positioniert werden muss, besitzt er eine mittige Bohrung für den Durchgang des Primärelektronenstrahls (Abbildung 1).

Die Form und die Anordnung des Spiegels können, je nach Bauart des Detektors, sehr unterschiedlich sein. Durch die Nutzung eines Monochromators vor dem Photomultiplier ist es möglich, zur Abbildung nur das Licht einer speziellen Wellenlänge zu benutzen.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines KL-Detektors

Abbildung 2: Abbildung eines TESCAN-KL-Detektors

Apr

LVSTD – Detektor

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Der LVSTD (Low Vacuum Secondary-electron Tescan Detector) ist die Sonderbauform eines SE-Detektors für Niedrigvakuum-Bedingungen (siehe Artikel „Niedervakuum-Modus“). Die für die Detektorfunktion notwendige Hochspannung (10 kV) am Szintillator und die Kollektorspannung (500 V) können nur angelegt werden, weil sich der Szintillator und Kollektor im Hochvakuum der Probenkammer befinden. Ein niedriges Vakuum führt zu Hochspannungsüberschlägen und verhindert deshalb die Funktion des Detektors. Beim LVSTD befindet sich ein SE Everhart-Thornley Detektor in einem separaten Detektorgehäuse, das mit einer kleinen Turbomolekularpumpe auf Hochvakuum gepumpt wird. Die auf der Probe ausgelösten SE werden durch einen Kollektor mit einer Saugspannung von 150 V in Richtung einer Differentialdruckblende beschleunigt. Während dieser Beschleunigung kollidieren die SE mit den Gasmolekülen und multiplizieren sich selbst. Das elektrostatische Feld, welches vom Szintillator generiert wird, dringt durch die Löcher der Druckblende und zusammen mit dem 500V Potenzial werden die Elektronen fokussiert (Abbildung 3). Die weitere Funktion entspricht dem Szintillationsdetektor nach Everhart-Thornle (siehe Abschnitt „Szintillationsdetektor nach Everhart-Thornley“).

Abbildung 3: Schematische Darstellung des TESCAN LVSTD

Durch den LVSTD-Detektor können auch im Niedervakuumbetrieb, der normalerweise nur den Betrieb von RE-Detektoren gestattet, SE-Signale zur Abbildung der Probenoberfläche benutzt werden.

Apr

Rückstreuelektronen-Detektoren (RE-Detektoren)

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Prinzipiell registriert jeder SE-Detektor auch RE und kann als RE-Detektor (engl. BSE-detector) verwendet werden, allerdings müssen die RE auf direktem Weg zum Detektor gelangen. Bedingt durch die typische Anordnung der SE-Detektoren an der Wand der Probenkammer ist die Signalausbeute durch den meist sehr kleinen Raumwinkel aber sehr gering.

Um eine höhere Effektivität bei der RE-Detektion zu erreichen, werden dafür spezielle RE-Detektoren verwendet, die zur Abdeckung eines großen Raumwinkels oberhalb der Probe und meist unmittelbar unter dem Polschuh der Objektivlinse positioniert werden (Abbildung 1). Dabei kommen Szintillator-Photomultiplier-Detektoren sowie Halbleiterdetektoren zum Einsatz.

RE-Detektoren sind oft rückziehbar. Das Rückziehen dient der Arbeit bei extrem kurzen Arbeitsabständen (Hochauflösung), dem Schutz vor Beschädigungen und ermöglicht die Verstärkung des Topographiekontrast im RE-Bild (Schattenbildung), wenn der Detektor etwas zurückgezogen wird.

RE-Detektion mit einem SE-Detektor (Everhart-Thornley-Detektor)

Normalerweise wird an den Kollektor eines SE-Detektors eine positive Saugspannung (50-500 V) angelegt, um die von der Probe aus gehenden SE zum Detektor hinzuziehen. Es gelangen aber auch die RE zum Detektor, die in Richtung SE-Detektor aus der Probe austreten. Durch das Anlegen einer negativen Saugspannung (-50 bis -200 V) an den Kollektor gelangen keine SE mehr zum Szintillator, da sie bei negativen Spannungen abgestoßen werden. Das resultierende Detektorsignal wird nur noch von den RE erzeugt, die wegen ihrer hohen Energie von dieser Kollektorspannung nicht beeinflusst werden. Das so erzeugte RE-Signal ist aber sehr schwach.

Szintillator-Rückstreuelektronen-Detektor

Szintillator-RE-Detektoren bestehen aus einer Szintillator–Photomultiplier Kombination. Im Gegensatz zu SE-Detektoren besitzt die RE-Detektoren keine Saug- oder Szintillatorspannungen und können deshalb auch im Niedervakuumbetrieb benutzt werden. Weil der Szintillator direkt unter dem Polschuh der Objektivlinse platziert wird (festmontiert oder aus-/einfahrbar), ist er mit einer mittigen Bohrung für den Durchgang des Primärelektronenstrahls versehen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Szintillator-RE-Detektors

Zur Vermeidung von Aufladungen wird auf die Szintillatoren eine dünne Aluminiumschicht aufgedampft, die außerdem der Unterdrückung von Signalstörungen durch Kathodolumineszenz bei lumineszierenden Materialien dient.

Die im Szintillator durch die auftreffenden RE erzeugten Lichtblitze werden durch einen Lichtleiter dem Photomultiplier zugeführt, der ein elektrisches Signal erzeugt, das nach einer Verstärkung in einem Vorverstärker zur Erzeugung eines Bildsignals verwendet werden kann (Photomultiplier-Funktion siehe Abschnitt „Szintillationsdetektor nach Everhart-Thornley“).

Szintillator-RE-Detektoren gestatten Abbildungen mit schnellen Scan-Zeiten (TV-Frequenz), decken durch ihre relativ große Detektorfläche einen großen Raumwinkel ab und haben daher eine gute Signalausbeute. Materialien mit einem Ordnungszahlunterschied von 0,1 (Phasenbildung) sind noch mit unterschiedlichem Kontrast abbildbar. Die Mindest-Anregungsenergie beträgt bei modernen RE-Detektoren ca. 0,2 KeV. Ein typischer rückziehbarer Szintillator-RE-Detektor ist in Abbildung 2 zu sehen.

Abbildung 2: TESCAN-YAG-RE-Detektor

Wassergekühlter Szintillator-Rückstreuelektronen-Detektor

Hochtemperatur in-situ Anwendungen im REM finden vermehrt Anklang. Dabei kommen im REM Temperaturen bis 1200°C zum Einsatz, um Phasenumwandlungen zu beobachten oder mechanische Prüfungen bei erhöhten Temperaturen durchzuführen. Bei höheren Temperaturen (ca. 600°C bei Metallen) wird eine hohe Anzahl an thermischen Elektronen erzeugt, die ähnliche Energien wie die SE besitzen. Diese werden ebenfalls vom SE Detektor angezogen und verschlechtern somit das SE Signal. Ab ca. 800°C ist die Interferenz zu stark, so dass eine Abbildung mit SE kein gutes Bild mehr liefert.

. Da die RE höherenergetisch als SE sind, eignen sich RE-Detektoren zur Abbildung bei Temperaturen, da thermische Elektronen keine ausgeprägte Interferenz liefern. Um die Komponenten, und vor allem den Lichtleiter des RE-Detektors, zu schützen wird dieser wassergekühlt. Eine Wasserpumpe außerhalb der REM-Kammer pumpt Wasser durch Schlauchdurchführungen zum Detektor und durch ein Kupferrohr, welches um die Detektorzunge herum verläuft. Somit wird der Detektor, sowie der Polschuh vor Hitze geschützt.

Halbleiter- Rückstreuelektronen-Detektor

Halbleiterdetektoren bestehen aus einer oder mehreren Diodenstrukturen (Abbildung 3), bei denen die auftreffenden RE im Halbleitermaterial absorbiert werden und zur Elektronen-Loch Paarbildungen führen. Dabei wird innerhalb der Potentialbarrieren (von außen angelegte Offset-Spannung) des pn-Übergangs ein Strom induziert (EBIC-Effekt), der nach entsprechender Verstärkung in ein Spannungssignal umgewandelt wird und zur Abbildung benutzt werden kann.

Bei der Verwendung von mehreren Segmenten kann durch die unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Segmente entweder ein optimaler Materialkontrast oder ein maximaler Topographiekontrast erreicht werden.

Abbildung 3: TESCAN-4-Quadranten-Halbleiter-RE-Detektor

Bedingt durch die Bauform sind Halbleiterdetektoren meist nur einige Millimeter dick und gestatten so das Arbeiten bei kurzen Arbeitsabständen. Da die anregenden Rückstreuelektronen den Halbleiterübergang innerhalb der Diodenstruktur erreichen müssen, muss die Anregungsenergie und damit die Energie der RE mindestens 4 KeV betragen. Bedingt durch die Kapazität der Diodensegmente (lange Entladungszeiten) verfügen Halbleiterdetektoren meist nur über eine geringe Bandbreite und können nur bei langsameren Scan-Zeiten zur Abbildung eingesetzt werden (nicht TV-tüchtig). Im Allgemeinen können die Segmente einzeln, zusammen oder als Kombination geschaltet werden. In Abhängigkeit der Schaltung ergeben sich Möglichkeiten zur Darstellung eines Material- oder Topographiekontrasts. Ein COLOR-Modus ist auch möglich, der das rückgestreute Bild im HSV-Farbmodell (Farbton, Sättigung, Wert) darstellt. Dazu wird jedem Quadranten eine Farbe zugeordnet, so dass die Richtungsabhängigkeiten durch die Farbkodierung ersichtlich werden (Abbildung 4).

Abbildung 5 zeigt ein Überlagerungsbild eines 4 Quadranten RE-Halbleiterdetektors (Abbildung 3). Alle vier Segmente sind aktiviert und tragen zum Mischbild bei, welches den maximalen Materialkontrast liefert. In Abbildung 6 sind Bilder der einzelnen Diodensegmente darstellt, die richtungsabhängig einen topographischen Eindruck geben.

Abbildung 4: COLOR-Modus des 4Quadranten RE-Detektors von TESCAN

Abbildung 5: Signal von allen vier Segmenten (Q1+Q2+Q3+Q4) maximaler Materialkontrast

Abbildung 6: Segmente Q1-Q4 (von links nach rechts)

Apr

Sekundärelektronen-Detektoren (SE-Detektoren)

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Als SE-Detektoren werden meistens Szintillationsdetektoren benutzt, bei denen die aus der Probe austretenden Sekundärelektronen (SE) durch einen Szintillator in Licht (Photonen) umgewandelt werden, aus denen ein Photomultiplier eine verwertbare Signalspannung erzeugt (siehe Artikel „Signalverarbeitung“).

Szintillationsdetektor nach Everhart-Thornley

Der am weitesten verbreitete SE-Detektor ist der Szintillationsdetektor nach Everhart-Thornley, der aus den Baugruppen Kollektor (K), Szintillator (S), Lichtleiter (LL), Photomultiplier (P) und Vorverstärker (V) besteht (vgl. Abbildung 2). Er wandelt das eingehende SE- Signal in ein Videosignal (VS) um.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Szintillator-Photomultiplier-Detektors

Die von der Probe emittierten (niederenergetischen) SE werden durch eine positive Spannung (meist zwischen 50 bis 400 V regelbar) am Kollektor („Saugspannung“) in Richtung des Kollektors beschleunigt. Dabei werden auch SE erfasst, die von einer dem Detektor abgewandten Seite einer Probenstruktur ausgelöst werden. Der Kollektor besteht dabei meist aus einem vom eigentlichen Detektor isolierten Metallnetz (Grid).

Durch die am nachfolgenden Szintillator anliegende Hochspannung (10 kV) werden die SE nach dem Passieren des Kollektors stark beschleunigt, prallen auf den lumineszierenden Szintillator und erzeugen dort Lichtblitze (Photonen). Jedes auf den Szintillator treffende SE löst dabei zwischen 1 und 10 Photonen aus.

Der Szintillator kann aus einer, mit lumineszierendem Pulver (P47) beschichteten Glasscheibe, aus einem lumineszierendem Plastikmaterial oder aus einem YAG-Einkristall (Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) bestehen. Die Oberfläche des Szintillators muss leitfähig sein und wird deshalb gegebenenfalls mit einer dünnen Aluminiumschicht bedampft. Um eine direkte optische Kopplung zwischen der Probe und dem Photomultiplier zu vermeiden, muss der Szintillator lichtundurchlässig sein.

Die im Szintillator erzeugten Photonen werden durch den Lichtleiter (Glas- oder Plastikmaterial) zum Photomultiplier geführt, der sich außerhalb der Probenkammer befindet, weshalb der Lichtleiter als Baugruppe meist gleichzeitig die Vakuumdurchführung des Detektors darstellt.

Der Lichtleiter führt die erzeugten Photonen zum Photomultiplier, der aus einer Photokathode und einer Anzahl von Prallelektroden (Dynoden) besteht. Die am Photomultiplier angelegte Spannung ist regelbar (400 bis 1600 V) und legt den Verstärkungsfaktor des SE-Signals fest. Deshalb wird sie im Rahmen der REM-Steuerung oft auch als Kontrast, Gain oder PM-Voltage bezeichnet.

An der Photokathode des Photomultipliers werden durch die ankommenden Photonen Elektronen ausgelöst, die durch die Multiplierspannung zu den nachfolgenden Dynoden beschleunigt werden und dort in jeder Stufe vervielfacht werden.

Je Elektron können in jeder Dynode bis zu 15 neue (Sekundär-)Elektronen ausgelöst werden. Daher können insgesamt, pro in der Photokathode ausgelöstem Elektron, bis zu 106 Sekundärelektronen ausgelöst werden. Photomultiplier werden deshalb oft auch als Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) bezeichnet.

Die so erzeugte Signalspannung wird im Vorverstärker weiter verstärkt und als Videosignal dem REM-System zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung gestellt.

Außer den SE erreichen auch die RE den Szintillator, die auf geradem Weg von der Probe zum Detektor gelangen. Durch ihre hohe Energie werden sie von der Kollektorspannung nicht beeinflusst. Aufgrund des meist sehr kleinen Raumwinkels ist der RE-Anteil am Gesamtsignal eines SE-Detektors aber sehr gering.

Abbildung 2: SE-Detektor

Apr

Transmissionselektronen-Detektor (TE-Detektor)

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In Kombination mit einem REM spricht man bei der Transmissionselektronendetektion von STEM (Scanning Transmission Elektron Microscopy – Transmissions-Rasterelektronen-Mikroskopie). Der STEM-Detektor muss unterhalb der Probe platziert werden, da er die durch die Probe transmittierten Elektronen detektiert. Für eine Durchstrahlung muss die Probe dementsprechend dünn sein (<100 nm), siehe Abbildung 1.
Ein entsprechender STEM-Detektor mit Adapter wird auf dem Probentisch befestigt, über dem sich die Probe befindet. Moderne STEM-Detektoren kommen in einer rückziehbaren Variante vor (ähnlich wie der rückziehbare RE-Detektor). Dabei wird die Probe so positioniert, dass die STEM-Detektorzunge unter die Probe fährt und das transmittierte Signal mit Halbleiterdioden detektiert.

Durch die geometrische Anordnung der Halbleiterdetektoren wird eine Hell- und Dunkelfeld-Abbildung ermöglicht (siehe Abschnitt „Transmittierte Elektronen TE“). Die in den Detektoren gewonnenen Signale werden durch einen Vorverstärker elektronisch verstärkt und können einzeln oder gemixt zur Abbildung der durchstrahlten Probenbereiche benutzt werden.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines TE-Detektors

Abbildung 2: Draufsicht auf einen TESCAN-STEM-Detektor

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