Studieneinheit V Rasterelektronenmikroskopie, REM

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1 Studieneinheit V.. Rasterelektronenmikroskopie, REM... Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops... Wechselwirkung von Elektronen mit Festkörpern... Detektoren..4. Kontrastarten..5. Probenpräparation... Detektoren Anordnung der Detektoren im Mikroskop SE-Detektoren sind i.d.r. seitlich neben der Probe und neben der Objektivlinse angebracht. BSE-Detektoren müssen einen möglichst großen Raumwinkel abdecken, da BSE nicht durch eine Saugspannung abgelenkt werden können. BSE- Detektoren sind darum i.d.r. schwenkbar zwischen Probe und Objektiv angebracht. Alternativ können SE- und BSE-Detektoren als sog. Inlens-Detektoren auch in die Säule integriert sein. SE-Detektor Röntgen-Detektor Objektiv 4-Quadranten-BSE-Detektor Objektiv SE-Detektor

2 Evenhart-Thornley SE-Detektor Sekundärelektronendetektoren Durch die positive Kollektorspannung werden SE angesaugt Eine Hochspannung zwischen Kollektor und Metallbeschichtung des Szintillators beschleunigt die Elektronen. Im Szintillator (z.b. ZnS-Kristalle auf Glas) angeregte Photonen werden durch einen Lichtleiter auf die Photokathode geleitet. In der Photokathode regen Photonen wieder Elektronen an. Elektronenkaskade elektrisches Signal wird durch Photomultiplier verstärkt. - Es werden alle Arten von SE und BSE detektiert BSE-Detekoren Evenhart-Thornley als BSE-Detektor Bei negativer Kollektorspannung können nur Rückstreuelektronen zum Szintillator gelangen + Kein zusätzlicher Detektor nötig - Geringer Akzeptanzwinkel, d.h. geringe Kollektionseffizienz Szintillator-Detektor BSE treffen auf Phosphor- oder Szintillatorschicht und lösen dort Lichtquanten aus Licht wird mit einem Photomultiplier in ein elektrisches Signal umgewandelt + Hoher Topographiekontrast - Mittelmäßiger Z- bzw. Materialkontrast - Geringer Akzeptanzwinkel, d.h. geringe Kollektionseffizienz Robinson -Detektor Gleiches Prinzip wie beim Szintillator-Detektor, allerdings direkt unterhalb des Objektives angebracht. Szintillator umschließt den Primärelektronenstrahl + Hoher Akzeptanzwinkel, d.h. hohe Kollektionseffizienz + Sehr gut für Z- bzw. Materialkontrast - Weniger geeignet für Topographiekontrast 4

3 Robinson-Detektor Detektor in Parkposition Detektor in Messposition unterhalb des Objektivs 5 Weitere BSE-Detektoren Channel Plate Detektor Capillaren sind mit einem Material beschichtet das mehrere SE pro einfallendem Elektron emittiert Hochspannung führt zu Kaskadeneffekt verstärktes elektrisches Signal + Gut geeignet bei niedrigen Beschleunigungsspannungen + Schnell genug für hohe Scanraten - Kontrast hängt von Detektorgröße und Position ab Halbleiter Detektor BSE mit mehr als ca. kev produzieren Elektronen-Loch-Paare an einer in der Zone des p-n-übergangs einer Si-Halbleiterdiode Ladungen werden durch eine angelegte Spannung getrennt und anschließend verstärkt + Aufgrund geringer Dicke kann der Wafer auch bei geringen Arbeitsabstand zwischen Probe und Objektiv platziert werden großer Akzeptanzwinkel, d.h. hohe Kollektionseffizienz + Rel. Billig - Detektorantwort ist langsam, darum nur bei langsamer Abrasterung einsetzbar 6

4 Halbleiterdetektoren sind i.d.r. segmentiert, um Kontraststeigerung durch Signalmischung zu ermöglichen Halbleiter Detektor Halbleiter BSE-Detektor mit vier Segmenten (4QBSE-Detektor) unterhalb der Objektivlinse 7 Inlens -Detektoren SEMs der Firma ZEISS haben einen speziellen Strahlengang mit einer Kombination aus elektrostatischer mit einer magnetischen Objektivlinse: Die in der Kathode erzeugten Elektronen werden zunächst durch die zwischen Kathode und der sog. Extraktor-Anode eingestellten Spannung beschleunigt. Unmittelbar nach der Anode ist der sog. Strahlbooster mit einem hohen positiven Potential angebracht, der die Elektronen entsprechend nachbeschleunigt. Durch die elektrostatische Objektivlinse, welche sich auf Erdpotential befindet, werden die Primärelektronen wieder um das Potential des Boosters abgebremst. Probe ist auf Erdpotential! Von der Probe emittierte Elektronen werden durch den Booster beschleunigt und durch das Magnetfeld der Objektivlinse gebündelt. Im Strahlengang oberhalb des Objektives angebrachte Detektoren vom Robinson -Typ detektieren SE und BSE mit großer Effizienz. 8 4

5 Trennung von SE und BSE durch Inlens-Detektoren Die SE werden unmittelbar oberhalb der Objektivlinsen detektiert Die Flugbahnen der höherenergetische BSE sind näher an der optischen Achse der Säule als die der SE. BSE fliegen durch die Apertur des SE-Detektors und werden weiter oben im Strahlengang detektiert. Mit einem sog. Filtering grid lässt sich eine Gegenspannung einstellen, die verhindert, dass SE den oberen BSE-Detektor erreichen können 9 Eigenschaften von Inlens-Detektoren + Es werden überwiegend Elektronen detektiert, die entlang der optischen Achse des SEMs gestreut werden Geringes Wechselwirkungsvolumen, d.h. hohe Auflösung sowohl für SE als auch BSE realisierbar! Es werden fast nur SE detektiert. + Arbeiten mit sehr geringen Arbeitsabstand möglich insbesondere gut für hohe Auflösung bei niedrigen Beschleunigungsspannungen. + Energiefilterung möglich. + Materialkontrast auch bei sehr niedrigen Beschleunigungsspannungen. - Bei hohen Beschleunigungsspannungen wird Kollektionseffizienz schlechter. - Vorsicht! Bei niedrigen Beschleunigungsspannungen zeigt der Rückstreukoeffizient η keine eindeutige Z- Abhängigkeit. Wirkungsweise inlens-se-detektor Wirkungsweise inlens-bse-detektor und Filterfunktion 0 5