Universität Rostock Oktober 2004Mathematisch-Naturwissenschaftliche FakultätInstitut für PhysikAG Elektronenstreuung – Isolatorphysik

Laborpraktikum

Rasterelektronenmikroskopie undenergiedispersive Röntgenanalyse

– REM/EDX –

1. Aufgaben

1.1 Vermessen Sie die Oberflächen-Schichtstruktur eines Stahlniets aus unbekannter Pro-duktion 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 Schichtenmittels EDX an den Schliffen.

1.3 Bestimmen Sie die Schichtzusammensetzung und -folge an einem nicht präparierten(nicht geschliffenen) Niet mittels EDX-Tiefenanalyse (E0-Variation).

1.4 Vermessen Sie einen Schaltkreis der Mikroelektronik mit REM und EDX-Tiefenana-lyse (analog 1.3).

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Schrägschliff am Zylinder (zu Aufgabe 1.1 b)

(I) R2 = (a0 + a)2 + (R – d0 – d)2

(II) (R – d)2 = a02 + (R – d0 – d)2 (I) – (II)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

R2 – (R – d)2 = (a0 + a)2 – a02

R2 – R2 + 2Rd – d 2 = a02 + 2a0a + a2 – a0

2

d 2 – 2Rd + 2a0a + a2 = 0

d1/2 = R ± )2(– 02 aaaR + „+“ physikalisch sinnlos

d = R ��

�

�

��

�

� +2

02 2–1–1

Raaa

exakt

d ≈ R

aaa22 0

2 + für a < 0,1 R

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Tiefenprofil-Analyse mit Elektronen (zu Aufgabe 1.3)

gemäßH.-J. FITTING, H. GLAEFEKE, W. WILD

Electron Penetration and Energy Transfer in Solid Targetsphysica status solidi (a) 43, 185–190 (1977)

Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben die Reichweite R der Elektronen in Å mit der Ener-

gie E0 in keV in dem Material mit der Dichte ρ in g/cm3.

R(E0, ρ) = 900 ρ–0,8 E01,3 für E0 ≤ 10 keV (1)

R(E0, ρ) = 450 ρ–0,9 E01,7 für E0 > 10 keV (2)

Gleichung (3) gibt dann den Energietransfer dE/dx als Funktion der Tiefe x des Targetmate-

rials 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.

),(dd

0ExxE =

��

�

�

��

�

�

���

�

�2

00

0 3,0–),(

5,7–exp),(

544,1ρρ ER

xERE (3)

Abb. 1Energietransferkurven in einer SiO2-Si-Schichtstruktur mit unterschiedlicher Anregung einesimplantierten Ge-Profils.

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2. Physikalische Grundlagen (siehe [1])

2.1 Raster-Elektronenmikroskopie (REM)

Ein fein gebündelter Elektronenstrahl wird in einem Raster Punkt für Punkt über die Probegeführt und löst an jedem Punkt auf der Oberfläche verschiedene Signale aus, die mit geeig-neten Detektoren empfangen und ausgewertet werden. Die Gesamtheit der abgerastertenPunkte erzeugt eine Abbildung des abgerasterten Feldes auf dem Bildschirm.

Abb. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau sowie den Strahlengang eines konventionellen Raster-elektronenmikroskops (scanning electron microscope, SEM). Mit einer Wolfram-Glühka-thode werden im WEHNELT-Zylinder Elektronen freigesetzt und zu einer gesättigten Elektro-nenwolke konzentriert. Durch Anlegen der Hochspannung (U = 1 ... 30 keV) werden dieseElektronen als Strahl herausgezogen und durch die „Elektronenoptik“ (= elektromagnetischeLinsen) auf die Probe in der Hochvakuumkammer zum „Primärelektronenstrahl“ (PE) fokus-siert.

KathodenkopfWEHNELT-ZylinderAnodeStrahljustierspulen

Kondensorlinsen

Objektivlinse

Probe

Abb. 2Aufbau des Rasterelektronenmikroskops (links) und Strahlengang in der Elektronensäule[1, 2].

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Bei der Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls mit Materie entsteht eine Reiheverschiedener 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. Verbindungshalbleiternoder dotierten Isolatorschichten,

4. Röntgenstrahlen (X rays): charakteristische Strahlung wird zur qualitativen und quan-titativen Elementanalyse verwendet (energy dispersive X-ray analysis, EDX),

5. Elektronenstrahlinduzierter Strom (electron beam induced current, EBIC): bei Halb-leitermaterialien erfolgt durch die Primärelektronenstrahlanregung eine Ladungstren-nung im elektrischen Feld,

6. Absorption von Elektronen, die als Probenstrom (sample current, SC) nach der Gerä-temasse abgeleitet werden,

7. Elektronenbeugungsmuster (selected area channeling pattern, SACP) können zur Er-mittlung der (Kristall-)Orientierung verwendet werden,

8. Transmittierte Elektronen (TE) bei dünnen Proben.

Abb. 3Verschiedene Signale, die durch den Primärelektronenstrahl (PE) verursacht werden(Abkürzungen siehe Text) [2].

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Die für ein Abbild der Probenoberfläche im Rasterelektronenmikroskop notwendigen Sekun-där- und Rückstreuelektronensignale werden im sogenannten Sekundärelektronendetektorempfangen, siehe Abb. 4 und 6. Dieser ist seitlich an der Vakuumkammer angeflanscht. ImInnern der Kammer ist ein Szintillator auf einem Lichtleiter angebracht. Davor sitzt ein gitter-förmiger Kollektor.Der Kollektor wird für den Sekundärelektronennachweis auf positiver Spannung gehaltenund bildet um die Probe ein Absaugfeld für die Sekundärelektronen. Sie bewegen sich da-durch auf den Kollektor zu und treten durch das Gitter hindurch. Der Szintillator dahinter istauf +10 kV vorgespannt und beschleunigt die niederenergetischen Sekundärelektronen auf einwesentlich höheres Energieniveau. Diese treffen nun auf den Szintillator und erzeugen dortLichtquanten, die über den Lichtleiter aus der Kammer nach außen auf einen Photovervielfa-cher geführt werden.Der Photovervielfacher setzt den Lichtstrom unter Verstärkung wieder in einen Elektronen-strom um, der am Ausgang des nachgeschalteten Vorverstärkers das Videosignal darstellt.Wird der Kollektor negativ vorgespannt, so können nur Rückstreuelektronen registriert wer-den, die auf geradem Wege auf den Szintillator zufliegen. Man erhält in dieser Betriebsart einRückstreuelektronenbild der Probenoberfläche.Aus Abb. 5 ergeben sich die den Sekundär- und Rückstreuelektronen entsprechenden Ener-giebereiche.

Photovervielfacher Lichtleiter Szintillator gitterförmiger Kollektor

Abb. 4 Abb. 5, aus [4]Sekundärelektronendetektor [2]. Energiespektrum emittierter Elektronen (AE =

AUGER-Elektronen, LLE = low-loss electrons)

Abb. 6Schematischer Aufbau und Wirkungsweise des Sekundärelektronendetektors [4].

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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 werdenverstärkt und über eine digitale Videoverarbeitung auf dem Bildschirm dargestellt.

Scangenerator

Abb. 7Wirkungsweise des Rasterelektronenmikroskops nach [3].

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Abb. 8Bildentstehung 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 kon-stanter Monitorgröße und Anzahl der Meßpunkte verkleinert wird (Abb. 9).

Abb. 9Prinzip der Vergrößerung im REM [1, 2]:Verkleinerung der Rasterfläche bei gleichbleiben-der Anzahl der Meßpunkte.

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2.2 Energiedispersive Röntgenanalyse (EDX)

Wie bereits dargestellt, entsteht bei der Wechselwirkung von Elektronenstrahl und Materieauch Röntgenstrahlung. Abb. 10 zeigt schematisch die Entstehung des charakteristischenLinienspektrums, dessen energetische Lage für die qualitative und dessen Intensität für diequantitative Analyse verwendet wird. Wenn ein Elektron aus einer inneren Schaleherausgeschlagen wird (Tiefenionisation), wird die entstandene Lücke durch ein Elektroneiner äußeren Schale wieder aufgefüllt unter Emission eines Röntgenquants mit derDifferenzenergie der beiden Schalen. Die Benennung erfolgt nach der Schale, in die dasElektron fällt: K, L, M. Mit griechischen Indizes wird die Herkunft aus verschiedenenhöheren Schalen unterschieden:– Kα ist der Übergang von der L-Schale in die K-Schale– Kβ ist der Übergang von der M-Schale in die K-Schale usw.Wegen der weiteren Unterteilung der Schalen (Nebenquantenzahlen) sind mehrere Übergängepro Schale (Hauptquantenzahl) möglich, die durch eine Numerierung unterschieden werden:Kα1 und Kα2. Dabei ergeben sich die Intensitätsunterschiede aus der statistischen Wahr-scheinlichkeit, z. B. Kα1 : Kα2 ∼ 2 : 1. Jedoch sind nicht alle denkbaren Übergänge auf Grundder Auswahlregeln erlaubt. Für Details siehe [3] und Lehrbücher der Atomphysik.

Abb. 10Entstehung der charakteristischen Rönt-genstrahlung, erlaubte Übergänge [1].

Die charakteristische Röntgenstrahlung kann entweder durch Beugung an einem Kristallwellenlängendispersiv (WDX) oder mittels Halbleiterdetektor energiedispersiv (EDX)analysiert werden.

Ein klassischer EDX-Detektor (siehe Abb. 11) besteht aus einer Silizium(Si)-Diode, die inSperrichtung geschaltet ist. Die p-n-Gebiete sind durch ein eigenleitendes Gebiet (intrinsi-sches oder i-Gebiet) getrennt, das durch Eindiffusion von Lithium (Li) hergestellt wird („Li-gedriftetes Si“). Hier herrscht bei angelegter Spannung eine konstante Feldstärke. Ein Stromkann nur fließen, wenn Ladungsträger durch das Abbremsen eines Röntgenquants erzeugtwerden. Ein Röntgenquant erzeugt somit einen außerordentlich niedrigen Impuls, der in ei-nem Vorverstärker elektronisch verstärkt werden muß. Im Analog-Digital-Wandler wird dieHöhe der Impulse in eine digitale Größe umgewandelt und in einem Vielkanalanalysator sor-tiert.

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Abb. 11EDX-Si(Li)-Kristall-Detektor mit Signalverarbeitung [4, 5].

Das Ergebnis ist ein Linienspektrum, wie in Abb. 12 für Gallium (Ga) und in Abb. 13 füreine Au-SiO2-Au-Probe dargestellt. Die Kα1- und Kα2-Linien in Abb. 12 liegen mit 9,251 und9, 234 keV so dicht zusammen, daß sie vom Detektor nicht getrennt werden können. Ähnlichverhält es sich für die beiden Kβ-Linien bei 10,2 keV und der L-Serie bei 1 keV.

Abb. 12EDX-Spektrum von Ga [1].

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Abb. 13EDX-Spektrum von Au- SiO2-Si [5].

Für eine eindeutige Bestimmung der Elemente (qualitative Analyse) einer Probe müssen da-her alle Linien einer Serie und im richtigen Intensitätsverhältnis gemessen werden.

Für die quantitative Analyse wird nach einer Untergrundkorrektur und Peakentfaltung diesogenannte ZAF-Korrektur berechnet:

Z = OrdnungszahlA = AbsorptionF = Fluoreszenz.

Als Grundlage dienen selbst aufgenommene Standardspektren oder Spektren aus der Element-bibliothek. 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.

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2.3 Benutzte Literatur und Quellen

[1] A. N. DANILEWSKY, Universität Freiberg, Kristallographisches Institut,http://www.krist.uni-freiburg.de/studium/Praktikum/Praktikum_Manuskripte/ E2_REM_neu.pdf

[2] Digitales Rasterelektronenmikroskop Zeiss DSM 960 - Gebrauchsanleitung

[3] L. REIMER, G. PFEFFERKORN, Raster-Elektronenmikroskopie, Berlin, Heidelberg, New York1977

[4] L. REIMER, Scanning Electron Microscopy, Berlin, New York, Tokyo 1985

[5] T. BARFELS, Universität Rostock, Fachbereich Physik, Energiedispersive RöntgenanalyseEDX, http://www.physik.uni-rostock.de/~tz001/torsten/edx.html

2.4 Empfohlene Literatur zur Vertiefung

– L. REIMER, Elektronenmikroskopische Untersuchungs- und Präparationsmethoden, Berlin1959 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, http://people.ipc.uni-tuebingen.de/~elke/

– A. FELS, Grundlagen der Raster-Elektronenmikroskopie, Stuttgart,http://www.reclot.de/kapitel/0kurs.htm