Vakuumsystem

Die für die Funktion eines Rasterelektronenmikroskops notwendigen Bedingungen zur Erzeugung und Formierung eines Elektronenstrahls und Detektoren, die zur Bilderzeugung eine Hochspannung benutzten, setzen ein Hochvakuum in Säule und Probenkammer voraus, das besser als 10-2 Pa (10-4 mbar) sein muss.
Dieses Vakuum wird bei Standardgeräten mit Wolframkathode durch ein zweistufiges Vakuumsystem erzeugt, das bei modernen Geräten meist aus einer Turbomolekularpumpe (Hochvakuum), einer Rotationsvakuumpumpe (Vorvakuum) und einer Anzahl von Ventilen (elektrisch, pneumatisch, manuell) zwischen den einzelnen Baugruppen besteht.
Ältere Geräte verwenden meist eine wassergekühlte Öldiffusionspumpe an Stelle der Turbomolekularpumpe.
An Stelle der Rotationsvakuumpumpe können auch Scroll- oder Membranpumpen verwendet werden, insbesondere, wenn ein ölfreies Vakuum verlangt wird.
Das Vakuum innerhalb des REM’s kann zusätzlich verbessert werden, wenn die Rückströmungen von Gasmolekülen aus dem Pumpsystem durch den Einbau von Kühlfallen verhindert wird, die mit Wasser oder flüssigem Stickstoff gekühlt werden können.
Für den Betrieb von Feldemittern oder LaB6-Kathoden zur Elektronenstrahlerzeugung werden zusätzlich Ionen-Getterpumpen verwendet, um im Kathodenraum ein Hochvakuum zu erzeugen, das besser als 10-5 Pa (10-7 mbar) sein muss.
Zur Vakuummessung und zum Schutz der Hochspannungsquellen gegen Lufteinbrüche werden Pirani- oder Penning-Messgeräte benutzt.

In Abbildung 2.1 wird der prinzipielle Aufbau eines Vakuumsystems für ein Rasterelektronenmikroskop mit variablem Druck in der Probenkammer gezeigt.
Durch das Vakuumsystem müssen die Grundkomponenten des REM auf das jeweils notwendige Vakuumniveau evakuiert werden. Dazu zählen die Elektronenkanone (strahlerzeugendes System), die Säule (Liner Tube, Aperturen, ev. Detektoren) und die Probenkammer (Detektoren, ev. Probenschleuse).
Je nach Bauart des REM können einzelne Komponenten durch zusätzliche Trennventile separat belüftet werden, von einer Belüftung ausgeschlossen werden, oder mit speziellen Gasen belüftet werden.
Zur Belüftung eines REM’s wird meist trockener Stickstoff verwendet, um die Kontamination der vakuumseitigen Flächen mit dem in der Luft enthaltenen Verschmutzungen, insbesondere Wassermolekülen, so gering wie möglich zu halten.
Die Steuerung der Pumpen und das Öffnen und Schließen der Ventile erfolgen für den jeweiligen Pumpzyklus automatisch. Das aktuelle Vakuumniveau und der Zustand der Steuerung werden durch Mess- und Statusanzeigen sichtbar gemacht.
Im Falle einer Störung (Stromausfall, Lufteinbruch, Vakuumleck, Pumpenausfall) sorgt die Vakuumsteuerung für ein kontrolliertes Abschalten bzw. Anfahren des Vakuumsystems.
Für den Anwender reduziert sich bei modernen Geräten die Steuerung des Vakuumsystems auf folgende Schritte:

Abbildung 2.1: Schematische Ansicht des Vakuumsystems eines REM mit Niedrigvakuum

Start: Die Rotationsvakuumpumpe wird einschaltet und beginnt mit der Evakuierung von Probenkammer, Säule und Elektronenkanone. Ab einem bestimmten Vakuumniveau wird die Turbomolekularpumpe zugeschaltet, damit wird innerhalb von ca. 3 min das Arbeitsvakuum erreicht (Vakuum Ready) und die Hochspannungen für die Strahlerzeugung und die Detektoren werden freigegeben.

Belüften (Probenwechsel): Die Rotationsvakuumpumpe läuft separat weiter, die Turbomolekularpumpe wird abgeschaltet und durch die Belüftung abgebremst. Probenkammer, Säule und Elektronenkanone werden durch das Öffnen des Belüftungsventils belüftet und die Probenkammer kann geöffnet werden.

Abpumpen: Die Rotationsvakuumpumpe wird wieder zugeschaltet und beginnt mit der Evakuierung von Probenkammer, Säule und Elektronenkanone. Ab einem bestimmten Vakuumniveau wird die Turbomolekularpumpe zugeschaltet, damit wird innerhalb von ca. 3 min das Arbeitsvakuum erreicht (Vakuum Ready) und die Hochspannungen werden freigegeben.

Stopp: Das Vorvakumm-Schlauch- und das Vorvakuum-Kammer-Trennventil werden geschlossen, die Turbomolekularpumpe und die Rotationsvakuumpumpe werden ausgeschaltet. Der bestehende Vakuumzustand innerhalb des REM wird beibehalten.

Medium- und Niedrig-Vakuummodus: Das Hochvakuum-Kammer-Trennventil wird geschlossen, die Turbomolekularpumpe evakuiert nur noch die Säule und die Elektronenkanone. Die Hochspannungen der Detektoren in der Probenkammer (SE-Detektoren) werden abgeschaltet. Die Probenkammer wird nun durch das geöffnete Vorvakuum-Kammer-Trennventil durch die Rotationsvakuumpumpe evakuiert, durch die entsprechende Steuerung des Dosierventils mit einem Prozessgas belüftet und so auf das gewünschte Vakuumniveau gebracht. Der Druckunterschied zwischen Probenkammer und Säule wird durch eine Differenzdruckblende in der Säule aufrechterhalten. Für den Niedrig-Vakuum-Modus muss die Differenzdruckblende in der Säule in die untere Position gebracht werden. Das Belüften und Abpumpen der Probenkammer erfolgt ebenfalls bei reduziertem Kammerdruck, so dass keine Vakuumschädigung der Proben eintritt. Im Medium-Vakuummodus kann in der Probenkammer ein Druck bis zu 150 Pa (0,15×101 mbar), im Nieder-Vakuummodus ein Druck bis zu 2000 Pa (2×101 mbar) eingestellt werden.

Das Vakuumsystem arbeitet weitgehend wartungsfrei.
Bei Rotationsvakuumpumpen ist ein jährlicher Wechsel des Pumpenöls notwendig, bei Turbomolekularpumpen muss ein periodischer (abhängig vom Pumpentyp) Wechsel des Betriebsmittelspeichers erfolgen.