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.