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)
