Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenanalyse REM/EDX

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1 Universität Rostock Oktober 2004 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Institut für Physik AG Elektronenstreuung Isolatorphysik Laborpraktikum Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenanalyse REM/EDX 1. Aufgaben 1.1 Vermessen Sie die Oberflächen-Schichtstruktur eines Stahlniets aus unbekannter Produktion mittels Raster-Elektronenmikroskopie (SE-Mode): a) Querschnittsprofil auf dem Abschliff. b) Vermessen Sie das gleiche Profil im Schrägschliff. 1.2 Bestimmen Sie die chemische Zusammensetzung der in 1.1 vermessenen Schichten mittels EDX an den Schliffen. 1.3 Bestimmen Sie die Schichtzusammensetzung und -folge an einem nicht präparierten (nicht geschliffenen) Niet mittels EDX-Tiefenanalyse (E 0 -Variation). 1.4 Vermessen Sie einen Schaltkreis der Mikroelektronik mit REM und EDX-Tiefenanalyse (analog 1.3).

2 2 Schrägschliff am Zylinder (zu Aufgabe 1.1 b) (I) R 2 = (a 0 + a) 2 + (R d 0 d) 2 (II) (R d) 2 2 = a 0 + (R d 0 d) 2 (I) (II) R 2 (R d) 2 = (a 0 + a) 2 2 a 0 R 2 R 2 + 2Rd d 2 = a a 0 a + a 2 2 a 0 d 2 2Rd + 2a 0 a + a 2 = 0 2 d 1/2 = R ± R a(2a + a) + physikalisch sinnlos 0 d = R 2 a + 2a0a R exakt d a a a 2R für a < 0,1 R

3 3 Tiefenprofil-Analyse mit Elektronen (zu Aufgabe 1.3) gemäß H.-J. FITTING, H. GLAEFEKE, W. WILD Electron Penetration and Energy Transfer in Solid Targets physica status solidi (a) 43, (1977) Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben die Reichweite R der Elektronen in Å mit der Energie E 0 in kev in dem Material mit der Dichte ρ in g/cm 3. R(E 0, ρ) = 900 ρ 0,8 1,3 E 0 für E 0 10 kev (1) R(E 0, ρ) = 450 ρ 0,9 1,7 E 0 für E 0 > 10 kev (2) Gleichung (3) gibt dann den Energietransfer de/dx als Funktion der Tiefe x des Targetmaterials wieder. Sie zeigt also, wieviel Energie von den Elektronen an das Material übertragen wird. Hiermit kann tiefenselektiv angeregt werden, und so wird eine Tiefenspektroskopie möglich (depth profiling), siehe Abb. 1. de ( x, dx E 0 ) = 1,544 E R( E, ρ) 0 x exp 7,5 0, R( E0, ρ) (3) Abb. 1 Energietransferkurven in einer SiO 2 -Si-Schichtstruktur mit unterschiedlicher Anregung eines implantierten Ge-Profils.

4 4 2. Physikalische Grundlagen (siehe [1]) 2.1 Raster-Elektronenmikroskopie (REM) Ein fein gebündelter Elektronenstrahl wird in einem Raster Punkt für Punkt über die Probe geführt und löst an jedem Punkt auf der Oberfläche verschiedene Signale aus, die mit geeigneten Detektoren empfangen und ausgewertet werden. Die Gesamtheit der abgerasterten Punkte erzeugt eine Abbildung des abgerasterten Feldes auf dem Bildschirm. Abb. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau sowie den Strahlengang eines konventionellen Rasterelektronenmikroskops (scanning electron microscope, SEM). Mit einer Wolfram-Glühkathode werden im WEHNELT-Zylinder Elektronen freigesetzt und zu einer gesättigten Elektronenwolke konzentriert. Durch Anlegen der Hochspannung (U = kev) werden diese Elektronen als Strahl herausgezogen und durch die Elektronenoptik (= elektromagnetische Linsen) auf die Probe in der Hochvakuumkammer zum Primärelektronenstrahl (PE) fokussiert. Kathodenkopf WEHNELT-Zylinder Anode Strahljustierspulen Kondensorlinsen Objektivlinse Probe Abb. 2 Aufbau des Rasterelektronenmikroskops (links) und Strahlengang in der Elektronensäule [1, 2].

5 5 Bei der Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls mit Materie entsteht eine Reihe verschiedener Signale (Abb. 3): 1. Sekundärelektronen (SE) aus der obersten Objektschicht, 2. Rückstreuelektronen (backscattered electrons, BSE) aus größerer Tiefe, 3. Kathodolumineszenz (CL) bei lumineszierenden Proben, z. B. Verbindungshalbleitern oder dotierten Isolatorschichten, 4. Röntgenstrahlen (X rays): charakteristische Strahlung wird zur qualitativen und quantitativen Elementanalyse verwendet (energy dispersive X-ray analysis, EDX), 5. Elektronenstrahlinduzierter Strom (electron beam induced current, EBIC): bei Halbleitermaterialien erfolgt durch die Primärelektronenstrahlanregung eine Ladungstrennung im elektrischen Feld, 6. Absorption von Elektronen, die als Probenstrom (sample current, SC) nach der Gerätemasse abgeleitet werden, 7. Elektronenbeugungsmuster (selected area channeling pattern, SACP) können zur Ermittlung der (Kristall-)Orientierung verwendet werden, 8. Transmittierte Elektronen (TE) bei dünnen Proben. Abb. 3 Verschiedene Signale, die durch den Primärelektronenstrahl (PE) verursacht werden (Abkürzungen siehe Text) [2].

6 6 Die für ein Abbild der Probenoberfläche im Rasterelektronenmikroskop notwendigen Sekundär- und Rückstreuelektronensignale werden im sogenannten Sekundärelektronendetektor empfangen, siehe Abb. 4 und 6. Dieser ist seitlich an der Vakuumkammer angeflanscht. Im Innern der Kammer ist ein Szintillator auf einem Lichtleiter angebracht. Davor sitzt ein gitterförmiger Kollektor. Der Kollektor wird für den Sekundärelektronennachweis auf positiver Spannung gehalten und bildet um die Probe ein Absaugfeld für die Sekundärelektronen. Sie bewegen sich dadurch auf den Kollektor zu und treten durch das Gitter hindurch. Der Szintillator dahinter ist auf +10 kv vorgespannt und beschleunigt die niederenergetischen Sekundärelektronen auf ein wesentlich höheres Energieniveau. Diese treffen nun auf den Szintillator und erzeugen dort Lichtquanten, die über den Lichtleiter aus der Kammer nach außen auf einen Photovervielfacher geführt werden. Der Photovervielfacher setzt den Lichtstrom unter Verstärkung wieder in einen Elektronenstrom um, der am Ausgang des nachgeschalteten Vorverstärkers das Videosignal darstellt. Wird der Kollektor negativ vorgespannt, so können nur Rückstreuelektronen registriert werden, die auf geradem Wege auf den Szintillator zufliegen. Man erhält in dieser Betriebsart ein Rückstreuelektronenbild der Probenoberfläche. Aus Abb. 5 ergeben sich die den Sekundär- und Rückstreuelektronen entsprechenden Energiebereiche. Photovervielfacher Lichtleiter Szintillator gitterförmiger Kollektor Abb. 4 Abb. 5, aus [4] Sekundärelektronendetektor [2]. Energiespektrum emittierter Elektronen (AE = AUGER-Elektronen, LLE = low-loss electrons) Abb. 6 Schematischer Aufbau und Wirkungsweise des Sekundärelektronendetektors [4].

7 7 Ein Scangenerator bewegt den Elektronenstrahl Punkt für Punkt über die Probe, wie in Abb. 7 und 8 erläutert. Die z. B. vom Sekundärelektronendetektor empfangenen Signale werden verstärkt und über eine digitale Videoverarbeitung auf dem Bildschirm dargestellt. Scangenerator Abb. 7 Wirkungsweise des Rasterelektronenmikroskops nach [3].

8 8 Abb. 8 Bildentstehung im REM [1, 2]: 1 Probenoberfläche wird punktweise abgerastert 2 Detektion und Verstärkung der Signale 3 digitale Videoverarbeitung 4 Bildschirmdarstellung. Dabei wird eine Vergrößerung dadurch erreicht, daß die Größe des Rasterfeldes bei konstanter Monitorgröße und Anzahl der Meßpunkte verkleinert wird (Abb. 9). Abb. 9 Prinzip der Vergrößerung im REM [1, 2]: Verkleinerung der Rasterfläche bei gleichbleibender Anzahl der Meßpunkte.

9 9 2.2 Energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) Wie bereits dargestellt, entsteht bei der Wechselwirkung von Elektronenstrahl und Materie auch Röntgenstrahlung. Abb. 10 zeigt schematisch die Entstehung des charakteristischen Linienspektrums, dessen energetische Lage für die qualitative und dessen Intensität für die quantitative Analyse verwendet wird. Wenn ein Elektron aus einer inneren Schale herausgeschlagen wird (Tiefenionisation), wird die entstandene Lücke durch ein Elektron einer äußeren Schale wieder aufgefüllt unter Emission eines Röntgenquants mit der Differenzenergie der beiden Schalen. Die Benennung erfolgt nach der Schale, in die das Elektron fällt: K, L, M. Mit griechischen Indizes wird die Herkunft aus verschiedenen höheren Schalen unterschieden: K α ist der Übergang von der L-Schale in die K-Schale K β ist der Übergang von der M-Schale in die K-Schale usw. Wegen der weiteren Unterteilung der Schalen (Nebenquantenzahlen) sind mehrere Übergänge pro Schale (Hauptquantenzahl) möglich, die durch eine Numerierung unterschieden werden: K α1 und K α2. Dabei ergeben sich die Intensitätsunterschiede aus der statistischen Wahrscheinlichkeit, z. B. K α1 : K α2 2 : 1. Jedoch sind nicht alle denkbaren Übergänge auf Grund der Auswahlregeln erlaubt. Für Details siehe [3] und Lehrbücher der Atomphysik. Abb. 10 Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung, erlaubte Übergänge [1]. Die charakteristische Röntgenstrahlung kann entweder durch Beugung an einem Kristall wellenlängendispersiv (WDX) oder mittels Halbleiterdetektor energiedispersiv (EDX) analysiert werden. Ein klassischer EDX-Detektor (siehe Abb. 11) besteht aus einer Silizium(Si)-Diode, die in Sperrichtung geschaltet ist. Die p-n-gebiete sind durch ein eigenleitendes Gebiet (intrinsisches oder i-gebiet) getrennt, das durch Eindiffusion von Lithium (Li) hergestellt wird ( Ligedriftetes Si ). Hier herrscht bei angelegter Spannung eine konstante Feldstärke. Ein Strom kann nur fließen, wenn Ladungsträger durch das Abbremsen eines Röntgenquants erzeugt werden. Ein Röntgenquant erzeugt somit einen außerordentlich niedrigen Impuls, der in einem Vorverstärker elektronisch verstärkt werden muß. Im Analog-Digital-Wandler wird die Höhe der Impulse in eine digitale Größe umgewandelt und in einem Vielkanalanalysator sortiert.

10 10 Abb. 11 EDX-Si(Li)-Kristall-Detektor mit Signalverarbeitung [4, 5]. Das Ergebnis ist ein Linienspektrum, wie in Abb. 12 für Gallium (Ga) und in Abb. 13 für eine Au-SiO 2 -Au-Probe dargestellt. Die K α1 - und K α2 -Linien in Abb. 12 liegen mit 9,251 und 9, 234 kev so dicht zusammen, daß sie vom Detektor nicht getrennt werden können. Ähnlich verhält es sich für die beiden K β -Linien bei 10,2 kev und der L-Serie bei 1 kev. Abb. 12 EDX-Spektrum von Ga [1].

11 11 Abb. 13 EDX-Spektrum von Au- SiO 2 -Si [5]. Für eine eindeutige Bestimmung der Elemente (qualitative Analyse) einer Probe müssen daher alle Linien einer Serie und im richtigen Intensitätsverhältnis gemessen werden. Für die quantitative Analyse wird nach einer Untergrundkorrektur und Peakentfaltung die sogenannte ZAF-Korrektur berechnet: Z = Ordnungszahl A = Absorption F = Fluoreszenz. Als Grundlage dienen selbst aufgenommene Standardspektren oder Spektren aus der Elementbibliothek. Für Details siehe [3]. Eine quantitative Analyse erfordert große Sorgfalt. Mögliche Fehlerquellen sind z. B.: identische Beschaffenheit und Präparation von Standards und Proben (Politur), identische Aufnahmebedingungen (REM-Parameter, wie Beschleunigungsspannung, Strahlstrom, Arbeitsabstand, Zählzeit usw.), inhomogene Proben.

12 Benutzte Literatur und Quellen [1] A. N. DANILEWSKY, Universität Freiberg, Kristallographisches Institut, E2_REM_neu.pdf [2] Digitales Rasterelektronenmikroskop Zeiss DSM Gebrauchsanleitung [3] L. REIMER, G. PFEFFERKORN, Raster-Elektronenmikroskopie, Berlin, Heidelberg, New York 1977 [4] L. REIMER, Scanning Electron Microscopy, Berlin, New York, Tokyo 1985 [5] T. BARFELS, Universität Rostock, Fachbereich Physik, Energiedispersive Röntgenanalyse EDX, Empfohlene Literatur zur Vertiefung L. REIMER, Elektronenmikroskopische Untersuchungs- und Präparationsmethoden, Berlin 1959 ff. O. BRÜMMER, Mikroanalyse mit Elektronen- und Ionensonden, Leipzig 1980 S. L. FLEGLER, J. W. HECKMAN, K. L. KLOMPARENS, Elektronenmikroskopie - Grundlagen, Methoden, Anwendungen, Heidelberg 1995 E. NADLER, Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Die REM-/EDX-Seite, A. FELS, Grundlagen der Raster-Elektronenmikroskopie, Stuttgart,