507 – RasterelektronenmikroskopieVersuchsprotokoll zum F-Praktikum an der Ruhr-Universität Bochum

Paul Katolla <p_katolla@yahoo.de>Tobias Krähling <Tobias.Kraehling@SemiByte.de>

26.11.2009Version 1.1

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 1

2 Grundlagen 22.1 Aufbau eines REM . . . . . . . . . . . . . 22.2 Linsenfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Wechselwirkung zwischen Elektronen-

strahl und Probe . . . . . . . . . . . . . . . 42.4 Vor- und Nachteile eines Rasterelektro-

nenmikroskops . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Versuchsdurchführung und -auswertung 63.1 Untersuchung der Abhängigkeit der

Strahlparameter voneinander . . . . . . . 63.2 Astigmatismuskorrektur . . . . . . . . . . 83.3 Einfluss der Beschleunigungsspannung

auf die Bildqualität . . . . . . . . . . . . . 83.4 Kontrastarten bei Abbildung von Oberflä-

chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.4.1 Potentialkontrast . . . . . . . . . . 103.4.2 Rauigkeitskontrast . . . . . . . . . 103.4.3 Abschattungskontrast . . . . . . . 103.4.4 Flächenneigungskontrast . . . . . 113.4.5 Materialkontrast . . . . . . . . . . 11

3.5 Untersuchung einer CD- und DVD-Probe 123.6 Elementanalyse (EDX) . . . . . . . . . . . 13

4 Fazit 15

A Anhang 16A.1 Messwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16A.2 Fit-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Literatur 17

1 Einführung

Ein Mikroskop, bei dem für die Erzeugungder vergrößerten Abbildung des zu untersu-chenden Objekts ein Elektronenstrahl verwen-det wird – wobei der Elektronenstrahl dasObjekt abrastert – wird als Rasterelektronen-mikroskop (REM) bezeichnet (engl.: ScanningElectron Microscope, SEM). Durch die Verwen-dung von Elektronen hoher Energie anstellevon sichtbarem Licht sind wesentlich höhe-re Vergrößerungen bis üblicherweise in denNanometerbereich möglich. Das erste Elek-tronenmikroskop wurde als Transmissions-Elektronenmikroskop 1931 von Ernst Ruskaund MaxKnoll entwickelt, nachdem 1925 vonHans Busch die Möglichkeit entdeckt wurde,Magnetfelder als Elektronenlinsen zu verwen-den (Wikipedia, 2009).

Im heutigen analytischen Umfeld stellt die Ra-sterelektronenmikroskopie eine Standardme-thode für die Oberflächenstrukturanalyse vonmassiven Proben sowie für die quantitative, lo-kale Analytik der Elementzusammensetzungdar. Diese Standardmethode soll im Rahmendes Praktikumversuchs kennen gelernt wer-den – sowohl die Oberflächenstrukturanaly-se als auch die Elementanalyse – und durchdie Untersuchung von verschiedenen Probenunterschiedliche Wechselwirkungen zwischen

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Elektronenstrahl und Probe sowie Bildeffekte– insbesondere die verschiedenen Kontrastme-chanismen – diskutiert werden.

2 Grundlagen

2.1 Aufbau eines REM

Der Aufbau eines REM entspricht zu einemgroßen Teil demjenigen einer Braun’schen Röh-re (siehe Abbildung 1). An einer Kathode (Fi-lament) werden mittels Glühemission Elektro-nen freigesetzt und zur Anode hin beschleu-nigt. Durch einen zusätzlichen Wehneltzylin-der um die Kathode, dessen elektrisches Po-tential gegenüber der Kathode negativer ist,entsteht um die Kathode eine negative Raum-ladungswolke, wodurch ein stabiler Emissi-onsstrom sichergestellt wird. Die emittiertenElektronen bilden einen Elektronenstrahl, derdurch Kondensorspulen verkleinert und mit-tels elektromagnetische Objektivlinsen auf dieProbenoberfläche fokussiert wird. Zusätzli-che Rasterspulen lenken den Elektronenstrahlderart periodisch in zwei Dimensionen ab,dass dieser einen Bereich der Probenober-fläche abrastert – dies kann über das Anle-gen von zwei Sägezahnspannungen für diebeiden Ablenkungsrichtungen erreicht wer-den. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem, Pro-be als auch die Detektoren für Sekundärelek-tronen und Röntgenstrahlung (siehe Abschnitt2.3) sind dabei in einem Vakuumgefäß un-tergebracht. Das hier verwendete Gerät ver-wendet ein zweistufiges Pumpsystem, wobeidie Vorvakuumpumpe das Vakuumgefäß zu-nächst auf einen Druck von ∼ 10 Pa evakuiert,anschließend eine Hochvakuumpumpe denDruck auf ∼ 10−4 Pa erniedrigt.

Für die Oberflächenstrukturanalyse werdendie Rückstreu- und Sekundärelektronen übereinen Everhart-Thornley-Detektor detektiert.

e− SE-Det.

XRay-Det.

Kathode

Wehnelt-Zylinder

Anode

Kondensor

Projektions-linsen

Probentisch

Abbildung 1: Schematischer Aufbau einesRasterelektronenmikroskops

Diese Detektoreinheit besteht aus einem Szin-tillator und einem Photomultiplier. Elektro-nen, die auf den Szintillator auftreffen, er-zeugen aufgrund von KathodolumineszenzPhotonen, die über einen Lichtwellenleiterzum Photomultiplier gelenkt werden und dortüber Photoeffekt Elektronen erzeugen, dieseüber Elektronenvervielfachung verstärkt wer-den und anschließend als Spannungsimpulsmesstechnisch erfasst werden können. Um denEverhart-Thornley-Detektor ist noch ein Git-ter angebracht – durch Einstellung des elektri-sche Potentials dieses Gitter kann eingestelltwerden, ob nur die energiereichen Rückstreu-elektronen oder Rückstreu- und Sekundärelek-tronen den Szintillator erreichen sollen (sieheauch Abschnitt 2.3).

Zur Charakterisierung der Elementzusam-mensetzung wird die charakteristische Rönt-genstrahlung herangezogen (Energy Dispersi-ve X-Ray Analysis, EDX), die über eine Halblei-terdiode detektiert wird. Dieser energiedisper-

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(a) chromatische (b) sphärische

Abbildung 2: Chromatische und sphärischeAberration

sive Halbleiterdetektor ist eine Siliziumdiode,in dessen Sperrschicht Lithium eindiffundiertwurde und in Sperrrichtung betrieben wird.Um eine Diffusion der Lithiumatome zu ver-hindern ist eine Kühlung des Detektors mitflüssigem Stickstoff notwendig – zusätzlichvermindert diese Kühlung das elektronischeRauschen.

2.2 Linsenfehler

Unabhängig, ob Linsen für sichtbares Lichtoder elektromagnetische Linsen für Elektro-nen verwendet werden, treten verschiedeneLinsenfehler durch Dispersion, achsennaheund achsenferne Strahlen sowie Effekte durcheine gestörte Symmetrie auf. Die wichtigstenLinsenfehler werden nachfolgend aufgeführt,wobei die Betrachtung zunächst an sichtbarenLicht durchgeführt wird:

Chromatische Aberration (Farbfehler):Hierunter versteht man die Abbil-dungsfehler, die durch die Dispersionhervorgerufen werden. Da kürzerwel-liges Licht stärker gebrochen wird alslängerwelliges, liegt der Brennpunktfür blaues Licht näher an der Linse alsfür rotes (siehe Abbildung 2a) – beein-trächtigt wird hierdurch die Bildschärfe.Vermindert werden kann dieser Effektdurch entsprechende Linsensysteme,

F1 F2

Abbildung 3: Astigmatismus

wobei unterschiedliche Materialien mitunterschiedlichem Dispersionsverhal-ten verwendet werden – sogenannteAchromate oder Apochromate. Bei derREM kann die chromatische Aberrationvernachlässigt werden, da die Elektronensehr monoenergetisch sind (d. h. ∆E/E istklein).

Sphärische Aberration: Treffen achsenpa-rallele Lichtstrahlen auf das Linsensy-stem, so haben die achsenfernen Strahleneine kürzere Brennweite als achsennaheund führen zu einer Unschärfe. Die Diffe-renz der Brennweiten zwischen Zentral-und Randstrahlen wird als sphärische Abe-ration (Kugelfehler) bezeichnet (siehe Ab-bildung 2b). Vermindert wird dies durchAbblenden der Randstrahlen – jedoch aufKosten der Intensität – oder durch geeig-nete Linsensysteme. Systeme, die sowohlden chromatischen als auch die sphäri-sche Aberration minimieren, werden Apla-nate genannt. Für die REM spielt die sphä-rische Aberration ebenfalls eine unterge-ordnete Rolle und kann vernachlässigt,da der Elektronenstrahl nur eine geringeDivergenz aufweißt.

Astigmatismus: Besitzt ein Linsensystem fürhorizontale und vertikale Strahlenbündelunterschiedliche Krümmungen, so liegendie Brennpunkte an unterschiedlichen Or-ten (siehe Abbildung 3). Am Brennpunktder Strahlen der Sagittalebene (horizonta-le Ebene) erhält man eine vertikale Bildli-

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nie, am Brennpunkt der Strahlen der Me-ridionalebene (vertikale Ebene) eine hori-zontale Bildlinie. Dieser Effekt tritt auchbei Linsensystemen mit gleicher Krüm-mung auf, wenn sie von einem schief zurAchse einfallenden Lichtbündel getrof-fen wird (Astigmatismus schiefer Bündel).Asymmetrien in der Elektronenoptik (Pol-schuhe, Aperturblende, Verformungenvon Blenden durch Aufladungen) kön-nen zu einem astigmatischen Bild beimREM führen – dies kann durch einen Stig-mator (elektrostatisches Quadrupolfeld)korrigiert werden.

Alle Linsenfehler beeinflussen das Auflösungs-vermögen des Mikroskops. Mit neuen elek-tronenoptischen Komponenten (Kombinationvon Multipolelementen zu einem Aplanat)lässt sich das Auflösungsvermögen steigern –bei der Transmissions-Elektronenmikroskopieist hierdurch atomare Ortsauflösung erreichtworden (Rose, 2009).

2.3 Wechselwirkung zwischen Elek-tronenstrahl und Probe

Trifft der Elektronenstrahl (Primärelektronen)auf die Probe, so findet eine elastische und in-elastische Streuung der Primärelektronen mitdem Probenmaterial statt. Dabei wird der Pro-benbereich, indem die Wechselwirkung statt-findet, als Streubirne bezeichnet. Die Eindring-tiefe der Primärelektronen hängt dabei vonderen Energie und dem Probenmaterial ab –sie liegt üblicherweise im Bereich (0,1−10)µm(Remhof, 2005).

Durch inelastische Wechselwirkung der Pri-märelektronen mit dem Atomgitter der Probekönnen diese ionisiert werden – diese Elektro-nen, die aus dem Atomgitter ’herausgeschla-gen’ werden, haben nur eine geringe Energie(häufig zwischen (2 − 5) eV) und werden als

Sekundärelektronen bezeichnet1. Aufgrund ih-rer geringen Energie und somit einer geringenReichweite kommen diese aus den höchstenSchichten der Probenoberfläche. Für die Se-kundärelektronen lassen sich noch die folgen-den Eigenschaften festhalten:

I Mit steigender Ordnungszahl Z des Pro-benmaterials steigt die relative Anzahl derSekundärelektronen δ (Ausbeute) leichtan.

I Sekundärelektronen sind nach dem Lam-bert’schen Gesetz

dδdΩ

=δπ

cos(ξ) (2.1)

mit dem Winkel zur Oberflächennor-malen ξ richtungsverteilt (zur Cosinus-Distribution siehe auch Feres und Ya-blonsky (2004); Greenwood (2002)).

I Bei steigendem Einfallswinkel α des Pri-märelektronenstrahls zur Oberflächen-normalen steigt die Wechselwirkungs-strecke und somit δ, näherungsweise gilt:δ = δ0/ cos(α).

I Die Ausbeute steigt zunächst mit zuneh-mender Energie der Primärelektronen,fällt dann jedoch aufgrund der größerenEindringtiefe der Primärelektronen wie-der ab.

Primärelektronen, die durch Vielfachstreuungunterschiedlich viel Energie verloren haben,werden ab Energien E > 50 eV als Rückstreu-elektronen bezeichnet. Hierfür lassen sich fol-gende Eigenschaften anmerken:

I Das Energiespektrum erstreckt sich beidiesen Rückstreuelektronen bis zur maxi-malen Energie E = eUB mit der Beschleu-nigungsspannung UB.

1 Alle Elektronen, die eine Energie < 50 eV besitzen,werden als Sekundärelektronen bezeichnet

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I Bei senkrechten Einfall ist die Rückstreu-richtung cosinusverteilt, bei anderen Ein-fallswinkeln in der zur Einfallsrichtungentgegengesetzen Richtung ausgeprägt(Spiegelung).

I Die Ausbeute steigt, ebenso wie bei Se-kundärelektronen, bei zunehmenden Ein-fallswinkel.

I Nach einem Anstieg der Ausbeute bleibtdie Ausbeute ab Primärelektronenenergi-en EPE > 10 keV bei Variation von EPE

annähernd konstant.

I Die Abhängigkeit der Ausbeute vonder Ordnungszahl ist bei Rückstreuelek-tronen wesentlich stärker ausgeprägt –Rückstreuelektronen eignen sich daherbesonders gut zur Abbildung des Materi-alkontrasts.

Findet die Anregung und Ionisation der Pro-benatome in einer inneren Atomschale statt,so kann beim Übergang des ionisierten Atomsin den Grundzustand charakteristische Rönt-genstrahlung entstehen. Dieses elementspezifi-sche Strahlungspektrum kann für die Analysedes Probenmaterials verwendet werden (EDX-Analytik). Ein konkurrierender Prozess zurRöntgenstrahlung ist die Emission von soge-nannten Auger-Elektronen, wobei die emittier-te Röntgenstrahlung durch ein anderes Hüllen-elektronen reabsorbiert wird und dieses dasAtom verlässt. Kerne mit kleiner Kernladungs-zahl (Z < 20) emittieren dabei vorwiegendAuger-Elektronen, bei höherer Kernladungs-zahl dominiert die Röntgenstrahlung.

Weitere Wechselwirkungen sind die Plasmon-Loss-Elektronen (Energieverlust der Primär-elektronen durch Dichteschwingungsanre-gung des Elektronenplasmas), Kathodolumi-neszenz (Anregung und Relaxation mit Emit-tierung von Photonen im sichtbaren Bereich)sowie Phononenanregung bzw. Wärme.

Häufig werden für die Bildgebung nur dieRückstreu- und Sekundärelektronen verwen-det sowie Röntgenstrahlung und Auger-Elektronen bei der Materialanalyse (EDXbzw. Auger-Spektroskopie).

2.4 Vor- und Nachteile eines Raster-elektronenmikroskops

Wie oben genannt, ist die Vergrößerung undsomit das Auflösungsvermögen bei einemRasterelektronenmikroskop wesentlich höherals bei einem herkömmlichen Lichtmikroskop.Das Auflösungsvermögen wird bei Lichtmi-kroskopen durch die Beugung an den Blendenbegrenzt – zwei einzelne Punkte sind nochgetrennt aufzulösen, wenn das 1. Beugungs-maximum des ersten Punkts mit dem 1. Beu-gungsminimum des anderen Punkts zusam-menfällt (Rayleigh-Kriterium) und man erhälthierdurch als maximales Auflösungsvermö-gen

d =λ

n sinα(2.2)

mit der Wellenlänge des verwendeten Lichts,der numerischen Apertur n sinα, dem Bre-chungsindex n und dem Aperturwinkel α. Füroptische Mikroskope ist die numerische Aper-tur in der Größenordnung 1 und mit einer Wel-lenlänge im Bereich um 500 nm – damit erhältman eine maximale Auflösung von ∼ 1µm(Gross und Marx, 2004, S. 37f).

Werden statt optischer Photonen Elektronenverwendet, so kann man den Elektronen nachdem Welle-Teilchen-Dualismus ebenfalls eine(de Broglie-)Wellenlänge gemäß

λel =hp

=h√2mE

=h√

2meU(2.3)

zuordnen. Bei einer Elektronenenergie von20 keV hätten die Elektronen demnach eineWellenlänge von ≃ 9 pm. Linsenfehler von ma-gnetischen Linsen sind jedoch schwierig zu

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korrigieren, wodurch das Auflösungsvermö-gen reduziert wird; ebenfalls ist die numeri-sche Apertur von magnetischen Linsen we-sentlich kleiner als eins. Dies führt zu einerpraktischen Auflösung im Bereich um 1 nm(Gross und Marx, 2004; Rose, 2009). WeitererVorteile des REM sind die stufenlose Vergröße-rung sowie die höhere Tiefenschärfe. Nachteildes REM ist die Notwendigkeit eines Vakuums– damit schränkt sich der Einsatzbereich dieserAnalysetechnik ein und Untersuchungen anlebenden Proben können nicht durchgeführtwerden. Zusätzlich müssen Proben, die nichtelektrisch leitend sind, vor der Untersuchungmit einer Metallschicht beschichtet werden,um Aufladungen zu verhindern.

3 Versuchsdurchführung und-auswertung

Bei dem verwendeten REM handelt es sich umeine kompakte und abgekapselte Einheit. An-ders als in der Versuchsbeschreibung (Remhof,2005) beschrieben erfolgt die Steuerung, Bild-anzeige und Messaufnahme komplett über einComputersystem. Um den Elektronenstrahlauf die zu untersuchende Probe ausrichten zukönnen, befinden sich zwei Video-Kameras in-nerhalb der evakuierten Probenkammer. Aufdem beweglichen Probentisch finden, nebenden beiden fest eingebauten Plättchen mitSchachbrettmuster und Siliziumkristallen so-wie dem Faraday-Cup, mehrere Proben Platz.Die zu untersuchenden Proben werden nachvorheriger Abschaltung der Beschleunigungs-spannung UB und anschließender Belüftungder Probenkammer auf dem Probentisch de-poniert, wobei kleinere Proben mithilfe einerleitenden Paste gegen das Abpumpen durchdie Vakuumpunkten gesichert werden müssen– zusätzlich werden die Proben durch diese lei-tende Paste besser mit dem Probentisch elek-trisch verbunden und somit geerdet. Sind die

Proben auf dem Probentisch positioniert, wirddie Probenkammer geschlossen – dabei sollteüber die Kameras auf den Abstand zwischenProbe und Elektronenerzeugungssystem ge-achtet und ggf. der Probentisch heruntergefah-ren werden – und die Vakuumpumpen überdie Computer-Steuerung angeschaltet. Sobaldder Arbeitsdruck erreicht ist (Anzeige bei derComputer-Steuerung) kann der Elektronen-strahl angeschaltet und die Messung durchge-führt werden.

3.1 Untersuchung der Abhängigkeitder Strahlparameter voneinander

Die zwei charakteristischen Parameter desElektronenstrahls sind die Beschleunigungs-spannung UB und die Strahlgröße (Spot-Size).Bedingt durch das Funktionsprinzip des REMwird elektrische Ladung in den untersuchtenProben deponiert. Diese Ladung kann überden Probentisch zur Masse abfließen, wobeidie Stärke des Stromes mit einem adäquatenMessgerät bei Bedarf erfasst werden kann. Umdiesen sogenannten Probenstrom IP in Ab-hängigkeit der Strahlparameter bestimmen zukönnen wurde der Elektronenstrahl auf einSchraubenloch auf dem Probenhalter ausge-richtet (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: verwendetes Schraubenlochals Faraday-Cup für die Bestimmung des Pro-benstroms

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5 10 15 20 25 30-0,035

-0,030

-0,025

-0,020

-0,015

-0,010

-0,005 Spot-Size = 1.0I P

[nA

]

UB [kV]

Abbildung 5: Probenstrom in Abhängigkeitder Beschleunigungsspannung

Bei dem Loch handelt es sich in diesem Fall umeinen Detektor zur Erfassung des Stroms, einsogenannten Faraday-Cup. Die Vergrößerungam REM wurde derart eingestellt, dass dasSchraubenloch den Bildausschnitts ganz aus-füllte. Darüber hinaus ist die Funktion Scan-Spot aktiviert worden, wodurch gewährleistetwird, dass bei der Messung der Elektronen-strahl auf einen fixen Punkt fokussiert wird.Zur Kontrolle des Null-Punktes des Strom-messgeräts wurde vor und während der Mes-sung der Elektronenstrahl temporär unterbro-chen (Funktion Beam-Blanker), wobei der Pro-benstrom aufgrund der Strahlunterbrechungauf Null absinken müsste – ist dies nicht derFall, müssen die aufgenommenen Werte ent-sprechend um den Reststrom korrigiert wer-den.

Zu Beginn wurde der Probenstrom als Funk-tion der Beschleunigungsspannung bestimmt,wobei der Strahldurchmesser (Spot-Size) kon-stant bei Eins gehalten wurde2. Als näch-stes wurde der Probenstrom in Abhängigkeitvon dem Strahldurchmesser ermittelt – beieiner konstanten Beschleunigungsspannung

2 Die Strahldurchmesser lassen sich in der Computer-Steuerung nur als einfacher numerische Werte ein-stellen, wobei nicht bekannt ist, welcher numerischeWert welchen genauen Durchmesser entspricht undob die Skalierung linear erfolgt).

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

I [nA

]

Spot-Size [a.u.]

UB = 20 kV

Abbildung 6: Probenstrom in Abhängigkeitvom Strahldurchmesser (Spot-Size)(Anmerkung: Der rot dargestellte Ausreißer wurde beimexponentiellen Fit nicht berücksichtigt.)

von 20 kV. Die Messwerte sind in den Tabellen1 und 2 im Anhang aufgeführt. Um die Abhän-gigkeit des Probenstromes von den jeweiligenvariablen Parametern Beschleunigungsspan-nung und Spot-Size darzustellen, wurden die-se graphisch gegeneinander aufgetragen (sie-he Abbildung 5 und 6). Erkennbar ist die expo-nentielle Abhängigkeit des Probenstroms vonden variablen Parametern – was auch durch ex-ponentielle Fit-Modelle bestätigt werden kann(Tabelle 3 und 4 im Anhang) –, wobei die expo-nentielle Abhängigkeit vom Strahldurchmes-ser wesentlich ausgeprägter ist.

Der rot dargestellte Ausreißer in Abbildung 6wurde beim exponentiellen Fit nicht berück-sichtigt. Die sprunghafte Änderung des Pro-benstroms bei einer Spot-Size von 4 konntereproduzierbar beobachtet werden – eine mög-liche Ursache hierfür wäre ein Strahldurchmes-ser, der nicht mehr komplett in den Faraday-Cup fokussiert ist. Hierdurch würden nichtmehr alle Elektronen des Strahls über dasStrommessgerät nach Masse abfließen, wor-aus ein geringerer Probenstrom resultiert.

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Abbildung 7: Veranschaulichung der Astigmatismus-Korrektur.a) Unterfokus ohne Korrektur des Astigmatismus (Abbildung verzerrt). b) Fokus ohne Korrektur des Astigmatismus

(unscharf) c) Überfokus ohne Korrektur des Astigmatismus (verzerrt) d) Unterfokus mit Korrektur des Astigmatismus

(unscharf) e) Fokus mit Korrektur des Astigmatismus (scharf) f) Überfokus mit Korrektur des Astigmatismus

(unscharf)

3.2 Astigmatismuskorrektur

Der Astigmatismus der Objektivlinse bei Elek-tronenmikroskopen führt zu Bildern geringe-rer Qualität (vgl. Abschnitt 2.2). Um die Not-wendigkeit dessen Korrektur mit Hilfe einesStigmators zu verdeutlichen, wurde der Elek-tronenstrahl auf die Probe mit einem fraktalenSchachbrettmuster ausgerichtet. Dabei ist dieVergrößerung derart eingestellt worden, dassdas kleinste Schachbrett mit einer Seitenlängevon 10µm den Bildschirm vollständig ausfüll-te. Bei der weiteren Durchführung wurde nurder Fokus variiert. Andere Parameter bliebenunverändert. Durch die Variation des Fokuslässt sich der Einfluss des Fehlers leichter er-kennen, da auf diese Weise die verzerrendeWirkung des Astigmatismus betont wird. Ent-sprechend Abbildung 7 wird deutlich, dasseine Astigmatismuskorrektur die Qualität derBilder deutlich verbessert. Bei dem verwende-

ten REM wurde die Korrektur unmittelbar amPC-Bildschirm (trial and error) durchgeführt,derart, dass bei Fokusänderung zwar eine Än-derung der Bildschärfe zu beobachten ist, je-doch Verzerrungen außerhalb des Fokus nichtmehr auftreten. Darüber hinaus lässt sich inAbbildung 7 der Materialkontrast augenfälligerkennen. In einem REM werden Materialienunterschiedlicher Ordnungszahlen verschie-den hell dargestellt, da die Ordnungszahl denRückstreukoeffizienten der Objektatome ver-ändert. Als Folge davon erscheinen schwereElemente heller als leichte (vgl. Abschnitt 2.3).

3.3 Einfluss der Beschleunigungs-spannung auf die Bildqualität

Die Beschleunigungsspannung in einem REMwirkt sich immens auf die Qualität des Bil-des aus. Gehen wir bei dieser Betrachtung

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Abbildung 8: Einfluss der Beschleunigungsspannung auf die Bildqualität, beobachtet aneinem Salzkristall bei einer Spot-Size von 3.5 und einer Vergrößerung von 1667a) Oberflächenstrukturen gut sichtbar, bestes Bild a) Bild leicht verschwommen, Oberflächenstruktur noch erkenn-

bar a) Kantendurchstrahlung, Oberflächenstruktur kaum sichtbar a) starke Kantendurchstrahlung, Oberflächen-

struktur ist nicht sichtbar

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von der de-Broglie-Wellenlänge der Elektro-nen aus, so hat eine höhere Beschleunigungs-spannung eine kleinere Wellenlänge zur Fol-ge (Gleichung (2.3)). Eine kleinere Wellen-länge sollte eigentlich auch einen kleinerenStrahldurchmesser (Spot-Size) ermöglichen,da durch die höhere Elektronenenergie dieWechselwirkung der Elektronen untereinan-der geringer ist und der Strahl nicht so starkaufweitet. Als Folge davon müsste die Auf-lösung des REM im Prinzip steigen (Glei-chung (2.2)). Neben der Auflösungsbegren-zung durch Linsenfehler steigt andererseitsmit einer höheren Beschleunigungsspannungauch die Eindringtiefe der Elektronen in derProbe und somit auch deren Wechselwirkungs-volumen (Streubirne) mit dem untersuchtenMaterial. Die Vergrößerung der Streubirneführt dazu, dass die Auflösung sich abhängigvon der Dichte der jeweiligen Substanz ver-ringert. Die Wahl der Beschleunigungsspan-nung hängt von der zu untersuchenden Probeab. Proben geringer Dichte liefern in der Re-gel qualitativ gute Bilder bei kleineren Span-nungen, wohingegen Proben größerer Dichtenauch tendenziell eine höhere Spannung benö-tigen. Eine hohe Beschleunigungsspannungkann zu Durchstrahlung von Kanten führen,so dass der Kontrast sich verringert. Für dieDurchstrahlung von Kanten ist der sogenannteKanteneffekt verantwortlich. Dabei erscheinenherausspringende Kanten heller, da aus beidenFlanken Sekundär- und Rückstreuelektronenaustreten – analog erscheinen einspringendeKanten dunkler. Dagegen kann eine niedri-ge Beschleunigungsspannung den Elektronen-strahl zu stark ausweiten, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis steigt und die Auflösungsinkt. Die Wirkung der Beschleunigungsspan-nung auf einen Salzkristall wurde in Abbil-dung 8 dargestellt.

3.4 Kontrastarten bei Abbildung vonOberflächen

Bei der Abbildung von Proben mit dem REMwird ein räumlicher Eindruck dieser vermit-telt. Hierzu tragen verschiedene Effekte bei,auf die im Folgenden kurz eingegangen wird,falls diese bis zum jetzigen Zeitpunkt nichterläutert wurden.

3.4.1 Potentialkontrast

Kann in einem begrenzten Areal der Probedie durch den Elektronenstrahl deponierte La-dung nicht abfließen, so kommt es zur Aufla-dung dieses Bereichs. Positiv geladene Berei-che erscheinen dunkler, da weniger Sekundär-elektronen den Bereich verlassen können. Ne-gativ geladene Bereiche erscheinen dagegenheller. Dieser Effekt ist von besonderem Inter-esse für die Entwicklung von elektronischenBauteilen auf Halbleiterbasis, da hier die Bau-teile im Betrieb beobachtet werden können. InAbbildung 9 ist der Potentialkontrast an einemStaubkorn, welches sich auf einer Probenober-fläche befindet, dargestellt. Zu erkennen ist,das sich das Staubkorn negativ auflädt, we-sentlich heller erscheint und sich hierdurchdeutlich vom Probenuntergrund abhebt.

3.4.2 Rauigkeitskontrast

Mikroraue Oberflächen erscheinen im REMaufgrund des Kanteneffekts heller gegenübereiner glatten polierten Fläche gleichen Mate-rials (siehe Abbildung 10). Dieser Effekt trittauch bei rauen Oberflächen, die aus unter-schiedlichen Materialien bestehen, auf.

3.4.3 Abschattungskontrast

Ist der Detektor seitwärts der Probe montiert,so werden die vom Detektor abgewandten

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Abbildung 9: Potentialkontrast und Abschat-tungskontrast, beobachtet an einem Staub-korn auf einer Probenoberfläche

Abbildung 10: Rauigkeits- und Materialkon-trast, beobachtet an einem Salzkristall undLeitpaste

Abbildung 11: Abschattungskontrast, beob-achtet an einer Erdungsklammer

Abbildung 12: Flächenneigungskontrast, be-obachtet an einem rosa-farbigen Mineral, des-sen Zusammensetzung nicht bekannt ist.

Bereiche dunkler im Vergleich zu dem Detek-tor zugewandten Bereichen dargestellt (Abbil-dung 9 und 11). Verantwortlich hierfür ist derUmstand, dass die aus den abgewandten Berei-chen emittierten Elektronen zum Teil wiederabsorbiert werden, demgegenüber werden dieElektronen aus den dem Detektor zugewand-ten Bereichen von diesem leichter erfasst. Beidem verwendeten REM befindet sich der De-tektor in der linken oberen Ecke.

3.4.4 Flächenneigungskontrast

Trifft ein Elektronenstrahl die Probenoberflä-che, so hängt die Wechselwirkungsstreckeu. a. von dem Winkel zwischen ihnen ab.Bei kleinen Winkeln ist die Wechselwirkungs-strecke der Primärelektronen in Oberflächen-nähe größer, wodurch die Sekundär- undRückstreuelektronen diesen Bereich einfacherverlasse können. Die Fläche erscheint heller(Abbildung 12).

3.4.5 Materialkontrast

Wie bereits in Abschnitt 2.3 diskutiert, hängtdie Ausbeute von den Rückstreuelektronen –

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und im geringeren Maße der Sekundärelektro-nen – von der Ordnungszahl des betrachtetenMaterials ab. Daher sollten Bereiche mit höhe-rer Ordnungszahl heller als solche mit niedri-gerer erscheinen. In Abbildung 10 und 12 sindjeweils ein Kristall auf der Leitpaste abgebildet– deutlich ist zu erkennen, das die Leitpastewesentlich dunkler erscheint als der Kristall(an den Rändern zwischen Kristall und Paste)und somit aus unterschiedlichen Materialienbestehen müssen (siehe auch Abbildung 14).

3.5 Untersuchung einer CD- und DVD-Probe

Bei der Untersuchung von Proben optischerDatenträger (Compact Disc und Digital Versa-tile Disc) mit Hilfe eines REM wird deren cha-rakteristische Oberflächenstruktur deutlich er-kennbar. Durch Vergleich der angefertigtenAufnahmen mit einem bekannten REM-Bildeiner CD (siehe Abbildung 13) lässt sich zuord-nen, welche der angefertigten Aufnahmen voneiner CD und welche von einer DVD abstam-men. Für die Belegung der Abstammung wirdaußerdem die Tatsache ausgenutzt, dass eineDVD eine höhere Speicherkapazität – also ei-ne höhere Informationsmenge pro Flächenein-heit (Aufzeichnungsdichte) – als eine CD mitgleichem Durchmesser aufweist. Anhand die-ser Überlegung und dem bekannten CD-REM-Bild kann die Zuordnung bei den CD- undDVD-Aufnahmen in Abbildung 14 durchge-führt werden – zu erkennen ist, dass die Spur-breite bei CDs ∼ 1,6µm, bei DVDs ∼ 0,75µmbeträgt. Zusätzlich sind bei der DVD nur dieSpuren zu erkennen und keine sogenanntenPits und Lands, so dass der hier untersuchteTeil der DVD nicht beschrieben ist (anders zuder CD). Durch die deutliche Abzeichnung derDVD-Spuren, die durch den Materialkontrastvon Spur- und Zwischenspurmaterial (Poly-carbonat) hervorgerufen werden, handelt essich hier auch um eine DVD-R oder DVD-RW,

Abbildung 13: Oberflächenstrukturen einerCD ohne Schutzlack (Wikimedia Commons,2007)

da bei industrieller Fertigung von DVDs diePits und Lands in das Polycarbonat gedrücktwerden und keine unterschiedlichen Materia-lien für Spur- und Zwischenspur benötigt wer-den.

Neben dem Materialkontrast bei DVD’s undCD’s lassen sich noch zusätzliche Effekte be-obachten. Trotz des relativ hohen Vakuumsbefinden sich in der Probenkammer Kohlen-stoffverbindungen, die mit dem Elektronen-strahl wechselwirken. Die zu untersuchendenProben werden typischerweise bei Raumluftaufbewahrt. Luft enthält jedoch Kohlenwasser-stoffe (sowie Kohlendioxid), die mit der Zeitauf die Probenoberfläche abgeschieden wer-den. Auch beim Wechseln der Proben gelan-gen Kohlenstoffverbindungen in die Proben-kammer. Ein intensiver Elektronenbeschussbewirkt, dass sich dieser zunächst in amor-phen Kohlenstoff, später sogar in Graphit um-wandelt können und auf der Probenoberflächeabgelagert wird. Dieser Effekt ist hier deutlichan dem dunklem Bereich im Zentrum der Ab-bildung 14a) erkennbar. Bei den Vergrößerun-gen in Abbildung 14b-c) wurde in diesen Be-reich hereingezoomt – vor der Vergrößerungwar dieser Bereich noch nicht dunkler. Auf-fällig ist außerdem die mechanische Wirkungdes Elektronenstrahls auf die Schicht der DVD,der dunkle Bereich scheint tiefer zu liegen und

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Abbildung 14: Oberflächenstrukturen einer DVD bzw. CD bei variablen Vergrößerungena) – c) DVD (unbeschrieben) d) – f) CD (beschrieben)

durch die Vergrößerung und Konzentrierungdes Elektronenstrahls auf einen kleinen Be-reich eine Mulde geformt zu haben – dieserEffekt konnte reproduziert werden und dieStärke der Verformung hängt von der Einwirk-zeit des Elektronenstrahls auf einen kleinenBereich ab. Die Elektronen müssen demnachdie schützende Oberflächenschicht der DVDdurchgeschlagen und diese verformt sowieverändert haben. Bei den hellen Objekten diein Abbildung 14c) deutlich erkennbar sind,handelt es sich demnach wahrscheinlich nichtum Verschmutzung der DVD-Oberfläche, son-dern eher um Einschlüsse in dieser schützen-den Schicht (Veränderung der DVD-Schichtwie sie auch bei einem DVD-Brenner durchden Schreib-Laser hervorgerufen wird). DieseAnnahme basiert darauf, dass die industri-ell beschriebene CD (siehe Abbildung 14d-f) dieses Merkmal nicht aufweist. Bei die-sen Aufnahmen wurde die Datenschicht oh-ne den Schutzlack untersucht. Man erkenntnoch deutlich die hellen, unförmigen Struk-

turen, bei denen es sich um die Abrissspu-ren bei der Probenpräparation handelt. Dar-über hinaus lässt sich bei diesen Aufnahmen(siehe Abbildung 14) abermals die Wirkungder Beschleunigungsspannung verdeutlichen.Bei der „dickeren“ DVD-Probe lag diese Span-nung bei 20 bis 30 kV, hingegen bei der „dün-nen“ CD-Probe bei 5 bis 10 kV. Niedrige Be-schleunigungsspannungen ließen keinerlei re-gelmäßige Strukturen auf der DVD-Probe er-kennen. Hohe Beschleunigungsspannungenergaben bei der untersuchten CD-Probe kei-nerlei Kontrast, die Probe wurde praktischdurchgestrahlt.

3.6 Elementanalyse (EDX)

Bei der Wechselwirkung des Elektronenstrahlsmit den Probeatomen wird charakteristischeRöntgenstrahlung emittiert, die bei der EDX-Spektroskopie für die Elementanalyse verwen-det wird. Vor Beginn der EDX-Analyse wurde

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Abbildung 15: Spektrum der 1-Pfennig Mün-ze (Bundesrepublik Deutschland)

der Detektor für die Röntgenstrahlung überdie Anwendung Inca kalibriert. Dazu wur-de die Beschleunigungsspannung auf 20 kVeingestellt und der Elektronenstrahl auf ei-ne Silizium-Probe ausgerichtet, wobei die Ar-beitsentfernung (WD, working distance) auf10 mm eingestellt wurde. Die Einstellung desFokus ist über die z-Richtung des Probenti-sches durchgeführt worden. Angesichts derAbscheidung von Kohlenstoff auf der Probeno-berfläche (siehe oben) wird in der Anwendungangegeben, dass die Probe eine Kohlenstoffbe-schichtung besitzt und diese für bei der Aus-wertung anwendungsseitig bereits nicht be-rücksichtigt. Zusätzlich wurde die life time auf150 s sowie die dead time auf ca. 30% eingestelltum eine acquisition rate von ca. 3 kcps zu er-halten. Die Einstellung der dead time erfolgtedabei über die Änderung der Spot-Size auf3. 2. Die Zuordnung der einzelnen Elementeübernimmt die Anwendung Inca, wobei es vor-teilhaft ist, diese schon im Vorfeld ansatzweisegut zu kennen. Für die von uns untersuch-ten Objekte, eine 1-Pfennig (Kupfer-plattiertesEisen) sowie eine 10-Pfennig Münze (Tombak-plattiertes Eisen) sind die erhaltenen Spektrenin Abbildung 15 und 16 wiedergegeben.

Zunächst ist es etwas verwunderlich, dass Ei-sen nicht als eines der Bestandteile bei den un-tersuchten Münzen aufgeführt wird, obwohl

Abbildung 16: Spektrum der 10-Pfennig Mün-ze (Bundesrepublik Deutschland)

dies der Fall sein sollte. Dieser Umstand lässtsich darauf zurückführen, dass die hochener-getischen Elektronen nur oberflächlich in dieMünzen eindringen können und somit denEisenkern gar nicht erreichen. Erstaunlicher-weise werden in beiden Fällen Spektalliniennachgewiesen die zunächst nicht zu den un-tersuchten Metallen passen wollen. Den Sau-erstoff (bei 0,5 keV in Abbildung 15 und 16)können wir relativ schnell im Kupferoxid, wel-ches die Münzen bedeckt, identifizieren. Be-denken wir, dass bei der Wechselwirkung vonKupfer bzw. Kupferlegierungen mit der Luft,Erde, Wasser, Salzen und Säuren Kupferpati-na entsteht, so können wir auch die Herkunftder Chlorlinie (bei 2,6 keV in Abbildung 15und 16) im Spektrum der Münzen erklären.Kupferpatina besteht u. a. aus Kupfer-Chlorid-Hydroxid-Gemischen, wobei Chlorid verschie-dene chemische Verbindungen von Chlor dar-stellt. Unglücklicherweise wurde Chlor vonder Darstellung ausgenommen, da zunächstdessen Auftauchen im Linienspektrum nichtverifizieren werden konnte. Die im Vergleichzu den anderen Linien eher geringere Inten-sität von Chlor beeinflusste das Endergebnisder EDX-Analyse jedoch nur unwesentlich.Für die 1-Pfennig-Münze konnte, neben denOxiden und Chloriden, eine Plattierung durchKupfer nachgewiesen werden – dies entspricht

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auch der erwarteten Zusammensetzung. Beider 10-Pfennig-Münze konnte eine Oberflä-chenzusammensetzung von ∼ 72 % Kupferund ∼ 18 % Zink ermittelt werden, was derZusammensetzung von Tombak (einer Mes-singlegierung) entspricht (Mikolajczyk, 2009).

4 Fazit

Im Verlauf des Versuchs konnten anhand deruntersuchten Proben die physikalischen Pro-zesse, die zur Erstellung hochwertigen Bildermit Hilfe des REM bedacht werden müssen,verifiziert werden. Allem voran konnten dieFunktionsweise des REM, die Bildentstehungsowie die Analysemöglichkeiten praktisch er-schlossen werden, so dass bereits nach einerkurzen Einweisungsphase gute Bilder aufge-nommen und die Analysen durchgeführt wer-den konnte.

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A Anhang

A.1 Messwerte

Tabelle 1: Messung des Probenstroms in Ab-hängigkeit von der Beschleunigungsspannungbei einer Spot-Size von 1,0

UB [V] IP [nA]

5 −0,0057,5 −0,007

10 −0,00912,5 −0,01215 −0,01420 −0,01825 −0,02630 −0,032

Tabelle 2: Messung des Probenstroms in Ab-hängigkeit von der Spot-Size bei einer Be-schleunigungsspannung von UB = 20 kV

Spot-Size [a. u. ] IP [nA]

1,0 −0,0191,3 −0,0221,5 −0,0261,8 −0,0362,0 −0,0492,3 −0,0652,5 −0,0812,8 −0,1283,0 −0,1843,1 −0,2073,3 −0,2573,4 −0,2903,5 −0,3273,6 −0,3793,7 −0,4403,8 −0,5193,9 −0,6224,0 −0,467

A.2 Fit-Modelle

Tabelle 3: Fit-Modell für die Abhängigkeit desProbenstroms von der Beschleunigungsspan-nung

IP = IP,0 + A expUB/UB,0

IP,0 (0,023 ± 0,011) nAA (−0,025 ± 0,011) nA

UB,0 (37 ± 11) kVχ2 4,7 · 10−7

R2 99,5 %

Tabelle 4: Fit-Modell für die Abhängigkeit desProbenstroms vom Strahldurchmesser D

IP = IP,0 + A exp D/D0IP,0 (−0,012 ± 0,006) nAA (−0,0017 ± 0,0003) nAD0 (0,668 ± 0,023)χ2 9,3 · 10−5

R2 99,7 %

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Literatur

R. Feres und G. Yablonsky. Knudsen’s cosine law andrandom billiards. Chemical Engineering Science, 59:1541 – 1556, 2004.

John Greenwood. The correct and incorrect generati-on of a cosine distribution of scattered particles forMonte-Carlo modelling of vacuum systems. Vacuum,67:217 – 222, 2002.

Rudolf Gross und Achim Marx. Festkörperphysik. Vorle-sungsskript zur Vorlesung im WS 2004/2005, Walther-Meissner-Institut. Lehrstuhl für Technische Physik.Garching., 2004.

Frank Mikolajczyk. Kursmünzen der Bundesre-publik Deutschland. 1 Pfennig bis 5 D-Mark,2009. URL http://www.germanycash.de/mark/

muenzen-bundesrepublik-deutschland.html. [On-line; Stand 31.10.2009].

Remhof. Versuch 507 – Rasterelektronenmikroskopie.Ruhr Universität Bochum, 2005. Versuchsanleitungzum Praktikum für Fortgeschrittene an der Ruhr-Universität Bochum, Version vom 14.01.2005.

Harald Rose. Eine Brille für Elektronen. Physik Journal,8(8/9):1617-9437/09/0909-61, 2009.

Wikimedia Commons. SEM micrograph of compact disc,2007. URL http://commons.wikimedia.org/wiki/File:REM_CD_GEPRESST.jpg. [Online; Stand 24. Ok-tober 2009].

Wikipedia. Rasterelektronenmikroskop — Wi-kipedia, Die freie Enzyklopädie, 2009. URLhttp://de.wikipedia.org/w/index.php?title=

Rasterelektronenmikroskop&oldid=65255397.[Online; Stand 24. Oktober 2009].

Liste der VersionenVersion Datum Bearbeiter Bemerkung

0.9 21.10.2009 Kat/Krä Versuchsdurchführung1.0 31.10.2009 Kat/Krä Versuchsauswertung1.1 26.11.2009 Krä kleinere Korrekturen

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