Bildgebung und Informationsgewinn bei REM-Untersuchungen

Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ist ein mikroskopisches und mikroanalytisches Werkzeug zugleich. Anders als bei der Lichtmikroskopie erfolgt die Darstellung des Probenmaterials indirekt. Das Probenmaterial wird mit Elektronen beschossen, welche mit dem Material in Wechselwirkung treten (siehe auch "REM-Analysen, Untersuchungen mittels EDX und WDX und elektronenmikroskopische Mikroanalytik").

Grundlagen bei REM Analysen: Wechselwirkungsprozesse von Elektronen und Material

Nachfolgend beschreiben wir, wie diese unterschiedlichen Wechselwirkungen verstanden und genutzt werden können.

Die Bildgebung bei REM-Untersuchungen

Meist werden zwei Modi für eine Bildgebung genutzt, welche aufgrund ihrer Physik unterschiedliche Informationen enthalten:

  • Detektion von Sekundärelektronen
  • Detektion von Rückstreuelektronen

Daneben sind auch Abbildungen möglich, indem man folgende Informationen nutzt:

  • Elementverteilungsbilder durch Umrechnung von EDX- und/oder WDX-Daten
  • Elementverteilungsbilder durch Auswertung von Daten der Augerelektronenspektroskopie (AES)
  • Darstellung von kristallographischen Informationen im Zuge einer Untersuchung mittels EBSD

Insbesondere die Möglichkeit, simultan chemische Informationen und Abbildungen zu generieren, macht ein REM zu einem universellen und weitreichenden Analysewerkzeug.


Die Bildgebung durch Sekundärelektronen

REM-Aufnahme im Topographiekontrast (Bildgebung durch Sekundärelektronen)

 

REM-Aufnahme im Topographiekontrast (Bildgebung durch Sekundärelektronen)

Hochenergetische (beschleunigte) Elektronen können beim Auftreffen auf Atome detektierbare Effekte erzeugen. Eine dieser Wechselwirkungsprozesse ist die Emission von Sekundärelektronen. Diese entstehen durch unelastische Stöße von Primärelektronen des Elektronenstrahls und Elektronen eines Atoms.

Sekundärelektronen bei der Elektronenmikroskopie (Prinzipdarstellung)

Die Energie der Sekundärelektronen ist gering und beträgt nur wenige Elektronenvolt. Überall im Material, wo hochenergetische Elektronen auf Atome treffen, bilden sich Sekundärelektronen. Zum Detektor gelangen jedoch nur Sekundärelektronen aus den obersten Bereichen des Probenmaterials. Der Grund ist die Absorption der Sekundärelektronen durch das Probenmaterial selbst. Sekundärelektronen werden aufgrund ihrer geringen Energie nach wenigen Nanometern freier Weglänge vom Probenmaterial absorbiert. Die wahre Informationstiefe von detektierten Sekundärelektronen beträgt wenige Nanometer. Die laterale Auflösung entspricht hier nahezu der Auflösung des Primärstrahls. Neben der Detektion von Augerelektronen ist die Erfassung von Sekundärelektronen besonders für hochauflösende und detailreiche Abbildungen prädestiniert.

Aufgrund der geringen Informationstiefe und der Art der Sekundäremission treten an Spitzen, Ecken und erhöhten Bereichen mehr Sekundärelektronen aus dem Probenmaterial. Am Detektor werden folglich mehr Sekundärelektronen gezählt, weshalb diese Bereiche hell erscheinen. Im Gegensatz dazu erscheinen Vertiefungen oder Löcher dunkel. Die Abbildung durch Sekundärelektronen spiegelt demnach die Topographie und Oberflächenmorphologie wieder. Man spricht daher vom "Topograhpiekontrast".

Entstehung des Topographiekontrast bei Spitzen oder Senken

Die geringe Energie der emittierten Sekundärelektronen führt dazu, dass die Sekundärelektronen leicht abgelenkt werden können. Die Darstellungs mittels Sekundärelektronen ist daher auch störanfällig. Außerdem können Elektronen des Primärstrahls durch lokale Aufladungen (ausgelöst durch mangelnde Leitfähigkeit) abgelenkt und zum SE-Detektor gelangen. Aufgeladene Bereiche erscheinen daher ebenfalls hell und sind in einer Aufnahme störend.

Merkmale der Sekundärelektronen-Modus (Zusammenfassung):

  • hochauflösende Bilder möglich durch geringe laterale Ausdehnung
  • ermöglicht Bildgebung bei hohen bis sehr hohen Vergrößerungen
  • geringe Informationstiefe von wenigen Nanometern
  • Hervorhebung von Kanten, Ecken und Spitzen, daher Wiedergabe der Topographie (Topographiekontrast)
  • Anfällig für Störeinflüsse wie mangelnder Leitfähigkeit (Aufladung) oder Oberflächenbelegung (Schmutz)
  • Bildqualität hängt von Qualität des Primärstrahls ab, d.h. besonders gute Ergebnisse bei Feldemission
  • parallel zu anderen bildgebenden und analysierenden Methoden nutzbar

Die Bildgebung durch Rückstreuelektronen

REM-Aufnahme im Materialkontrast (Bildgebung durch Rückstreuelektronen); Position analog zur Aufnahme im Topographiekontrast

 

REM-Aufnahme im Materialkontrast (Bildgebung durch Rückstreuelektronen); Position analog zur Aufnahme im Topographiekontrast

Die negativ geladenen Elektronen des Primärstrahls werden im Feld der positiv geladenen Atomkerne abgelenkt. Man spricht dabei von einer elastischen Streuung, die umso stärker wirkt, je 'schwerer' der Atomkern ist. Elemente mit hohen Ordnungszahlen lenken die eingestrahlten Elektronen stark ab, während Elemente mit kleiner Ordnungszahl eine geringe Ablenkung verursachen. Die Abbildungen mittels rückgestreuter Elektronen nennt man daher auch Materialkontrast.

Rückstreuelektronen bei der Elektronenmikroskopie (Prinzipdarstellung)

Die Kontrastierung bei dieser Art der Bildgebung erfolgt über die Detektion der rückgestreuten Elektronen. Bei unserem Gerät kommt ein YAG BSE-Detektor zum Einsatz, der den Messungen zugeschaltet werden kann. Der Detektor wird oberhalb der Probe positioniert, sodass der Primärstrahl mittig durch eine Aussparung des Detektors verläuft. Der Detektor umgibt ringförmig den Primärstrahl, wodurch eine hohe Ausbeute an rückgestreuten Elektronen erreicht wird.

Da rückgestreute Elektronen relativ hohe Energien von einigen Kiloelektronenvolt (keV) besitzen, werden diese weniger leicht abgelenkt oder absorbiert. Demnach beträgt die Informationstiefe teilweise einige Mikrometer und auch die laterale Auflösung ist deutlich größer als die des einfallenden Primärstrahls. Dadurch sind Aufnahmen im BSE-Kontrast (Materialkontrast) weniger detailreich und wirken manchmal unscharf.

Merkmale des Rückstreuelektronen-Modus (Zusammenfassung):

  • Kontrast ist abhängig von mittlerer Ordnungszahl des angeregten Volumens
  • größere Informationstiefe von einigen hundert Nanometern bis zu wenigen Mikrometern
  • weniger detailreiche Darstellung des Werkstoffes durch Volumenanregung
  • Einfluss der Topographieverhältnisse möglich
  • weniger störanfällig als Detektion von Sekundärelektronen (hohe Energien der rückgestreuten Elektronen)
  • parallel zu anderen bildgebenden und analysierenden Methoden nutzbar