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Wechselwirkung Strahl – Probe

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Beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Probe dringen Primärelektronen (PE) in diese ein und treten dort in einer “Elektronen-Wolke” auf verschiedene Weisen mit der Materie in Wechselwirkung.
Die Elektronen des Primärstrahls gelangen bei ihrem Weg durch das Probenmaterial in das elektrische Feld der positiv geladenen Atomkerne, welches das Elektron von seiner ursprünglichen Bahn ablenkt. Dies wird als elastische Streuung bezeichnet, da sich lediglich die Flugrichtung der Elektronen und kaum deren Energie ändert. Die Elektronen erfahren eine Einfach- oder Mehrfachstreuung, infolge welcher sie das Wechselwirkungsvolumen bestimmen und aus der Probenoberfläche austreten (Abbildung). Sie werden als Rückstreuelektronen (RE) bezeichnet werden (engl. Back Scattered Electrons, BSE).
Die Elektronen des Primärstrahls können aber auch unelastisch gestreut werden. Dies geschieht, wenn sie direkt auf ein Elektron der Atomhülle treffen oder mit dem Atomkern zusammenstoßen und dabei einen Teil ihrer Energie abgeben. Wenn PE mit Elektronen der Hülle zusammentreffen, entstehen Sekundärelektronen, Augerelektronen, Kathodenlumineszenz- und Röntgenstrahlung. Werden sie durch Coulomb-Feld des Atomkerns abgelenkt, so entsteht Röntgen-Bremsstrahlung (Abbildung).
Beide Streuprozesse führen dazu, dass die Größe des Wechselwirkungsvolumens begrenzt ist und von der Beschleunigungsspannung, der Energie des Elektronenstrahls und der Ordnungszahl des Probenmaterials abhängt.
Man kann sich den Raum der “Elektronen-Wolke” birnen- oder tropfenförmig vorstellen (Abbildung).

Die im REM entstehenden Signale liefern spezifische Aussagen über das zu untersuchende Material:

Abbildung der Probenoberfläche:

  • Sekundärelektronen – SE
    Objekttopographie, elektrische und magnetische Potentialfeldverteilungen
  • Rückstreuelektronen – RE
    Materialkontrast (Ordnungszahlkontrast), magnetische Feldverteilungen (Domänenkontrast), Kristallorientierungen, EBSD
  • Absorbierte Elektronen – AbE
    Materialkontrast (von der Objekttopografie nahezu unabhängig), Feldverteilungen, Elektronenstrahlinduzierte Leitfähigkeit – EBIC (Ausdehnung von pn- und Halbleiter-Metall-Übergängen, nichtstrahlende Rekombinationseigenschaften in Halbleitern)
  • Transmittierte Elektronen – TE
    Abbildung der durchstrahlten Probe, Abbildung im Hell- oder Dunkelfeld
  • Kathodolumineszenz – KL
    Rekombinationsprozesse an lumineszenzfähigen Materialien, Dotierungsverteilungen, Kristalldefekte

 

Analyse des Materials oberflächennaher Bereiche in der Probe:

  • Auger-Elektronen – AE
    qualitative und quantitative Elementverteilungen; Informationstiefe < 2 nm
  • Charakteristische Röntgenstrahlung – EDX, WDX
    qualitative und quantitative Elementverteilungen; Informationstiefe: < 10 µm

 

Abbildung: Wechselwirkungsbirne in der Probe

 

• Augerelektronen entstehen bis zu einer Tiefe von ca. 2 nm.
• Direkte Sekundärelektronen SE I (ca. 50 nm)
• Rückstreuelektronen RE (ca. 100 nm)
• Durch rückgestreute Elektronen ausgelöste Sekundärelektronen (SE II (rückgestreute Elektronen haben etwa 60-80 % der ursprünglichen Elektronenenergie)
• Rückgestreute Elektronen lösen Sekundärelektronen am Polschuh aus (SE III). Diese Elektronen haben eine schlechte Auflösung, tragen aber zu einem Materialkontrast im SE-Detektor bei.
Charakteristische Röntgenstrahlung (ca. 500 nm)

Die Angaben zur Wechselwirkungstiefe sind grobe Richtwerte, da diese maßgeblich vom Probenmaterial und der Beschleunigungsspannung abhängen.

Wechselwirkungen in Niedervakuum

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Im Niedervakuum wird der Primärstrahl vom eingelassenen Gas beeinflusst. Hierbei gibt es bis zu sechs verschiedene Wechselwirkungen (im Hochvakuum nur zwei), welche im Wesentlichen die Abbildung und das Signal-Rausch-Verhältnis beeinflussen.

Abbildung 1 Entstehung von Ionen und Elektronen durch Elektronen des Primärstrahls

 

Folgende Wechselwirkungen treten auf:

Strahl – Probe:
Durch Strahlstreuung wird das Wechselwirkungsvolumen beeinflusst.
Die Signalerzeugung wird durch das geringere Wechselwirkungsvolumen behindert.
Modifizierung der Probe (Strahlungseffekt).

Strahl – Gas:
Sobald Gas in die Probenkammer eingebracht wird, kollidieren die Primärelektronen mit den Gasmolekülen oder Atomen. Mit jeder Kollision verliert das Elektron an Energie und wird gestreut, dies nennt man den Skirt-Effekt.

Durch die Kollision entstehen folgende Effekte:

  • der Primärstrahl wird gestreut
  • aus dem Gas entstehen Signale (SE, BSE, Röntgenstrahlung, Kathodenlumineszenz)
  • Erzeugung positiver Ionen, welche von der Probe angezogen werden und die überschüssigen Elektronen aufnehmen und somit die Aufladung der Probe verhindern

 

Diese drei Faktoren bestimmen und limitieren maßgeblich Kontrast und Auflösung. Diese Signale, welche vom Primärstrahl erzeugt und fügen den nützlichen Signalen ein konstantes Rauschen hinzu.

Probe – Signal:
Durch geringe Aufladung der Probe werden im besonderen Maße Sekundärelektronen beeinflusst. Aber auch die Probenoberfläche wird durch Aufladungen im geringen Ausmaße verändert.

Signal – Gas:
Der Anteil der gestreuten Elektronen beträgt bei 270 Pa ca. 20%. Die emittierten Rückstreuelektronen erzeugen ein konstantes Rauschen und stört im entscheidenden Maße die Bilderzeugung.

Gas – Probe:
Gas kann chemische Reaktionen auslösen, wie z.B. Oxidation von Methanol auf Silberpartikeln. Somit können die beiden Wechselwirkungen Strahl – Gas und Signal – Gas Reaktionen modifizieren oder neue Reaktionen initiieren.

Strahl – Signal:
Durch Interaktion mit dem Gas kann eine indirekte Signalbeeinflussung statt finden (Hintergrundrauschen). Die Wechselwirkungen Strahl – Gas und Signal – Gas haben Auswirkungen auf die Detektion von Röntgenstrahlung im Niedervakuum.

WideField-Modus

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Im WideField-Modus wird der Strahl mit der IML Linse fokussiert, während die Objektivlinse sehr hoch angeregt wird... Read more

Wobbeln

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Da die Elektronen nicht auf einer senkrechten Bahn von der Kathode zur Probe gelangen, sondern sich auf Kreisbahnen abwärts bewegen, kann das Drehzentrum von der elektronenoptischen Achse abweichen. Somit kann es bei der Fokussierung zu einer Bildverschiebung in X- und Y-Richtung kommen.

Das Wobbeln führt zu einer abwechselnden Über- und Unterfokussierung, so dass die Bildverschiebung sichtbar gemacht wird. Mittels der Objektiv-Zentrierung wird der Elektronenstrahl in die elektronenoptische Achse gebracht, bis das Bild bei einer Fokusänderung „steht“ und nur ein pulsieren an einer Stelle beobachtet wird.

Wolfram-Haarnadelkathode

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Die Wolfram-Haarnadelkathode besteht aus einem gebogenen Wolframdraht, welcher einen Durchmesser von ca. 100 µm besitzt und auf einem Sockel aus Keramik montiert ist (Abbildung 3.1). Die Kathode wird mit Hilfe eines elektrischen Heizstroms von ca. 2,7 A auf ca. 2400 – 2600 °C aufgeheizt. Damit wird die Geschwindigkeit der freien Elektronen so stark erhöht, dass sie genügend Energie besitzen den Draht zu verlassen und vor der Kathodenspitze eine Raumladung bilden können. Read more