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Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Elektronenmikroskopie

Arbeitsgruppe 5.24

Vorteile des Transmissionsmodes

Wenn der Elektronenstrahl auf die Probe trifft, bildet sich ein Wechselwirkungsvolumen aus. Die üblicherweise zur Bildentstehung im SEM genutzten Sekundär- und Rückstreuelektronen (SEbzw. BSE) werden im gesamten Wechselwirkungsvolumen erzeugt und können registriert werden, wenn sie genug Energie haben, um die Probe zu verlassen. Daher ist ihre Austrittsfläche größer als der Strahlfleck des einfallenden Elektronenstrahls, wodurch die Auflösung vermindert wird. Mit TSEM können hingegen höhere Auflösungen erzielt werden, die bei dünnen Proben in etwa dem Strahldurchmesser entsprechen und nicht vom Wechselwirkungsvolumen begrenzt sind.

Bei der Abbildung kleiner Objekte mittels Sekundärelektronen ist neben der Auflösung auch der Kontrast durch das Wechselwirkungsvolumen begrenzt, wodurch die Größe der abzubildenden Objekte – etwa von Nanopartikeln – beschränkt ist. Sobald das zu untersuchende Objekt kleiner ist als das Wechselwirkungsvolumen, dringt der Elektronenstrahl in das Substrat ein. Dies führt zur Emission von Sekundärelektronen aus dem Substrat, die keine Information über das Objekt tragen. Je kleiner das Objekt wird, desto geringer ist der Signalanteil, der von dem Objekt ausgeht. Dadurch verschlechtert sich der Kontrast, weshalb zu kleine Objekte nicht mehr zu erkennen sind. Wird das zu untersuchende Objekt auf einen dünnen Kohlenstofffilm gebettet, treten aus dem Film im Vergleich zu einem dickeren Substrat weniger Sekundärelektronen aus, wodurch das Hintergrundsignal verringert wird. Das Problem zu kleiner SE-Nutzsignale besteht aber weiterhin, da in dem kleinen Objekt nur wenige inelastische Streuprozesse stattfinden, die zur Erzeugung von Sekundärelektronen führen. Im Vergleich dazu werden bei Elektronenenergien unter 30 keV relativ viele Primärelektronen elastisch gestreut. Da die resultierenden Ablenkungen mittels TSEM problemlos nachgewiesen werden können, liefert TSEM auch bei kleinen und leichten Objekten noch gute Kontraste.

Dies stellt auch einen wichtigen Vorteil im Vergleich zu TEM und STEM dar. Aufgrund der bei diesen Verfahren genutzten Elektronenenergien von über 80 keV und den damit einhergehenden sehr kleinen Streuquerschnitten ist der erzielbare Kontrast in der Regel nicht ausreichend, um kleine und leichte Objekte vermessen zu können, wie sie etwa Latex-Partikel mit Größen deutlich unter 100 nm darstellen.

Als weitere Vorteile von TSEM im Vergleich zu TEM und STEM sind Variabilität, Probendurchsatz und geringere Kosten zu nennen. Bei den beiden letztgenannten Techniken ist der Probenhalter in die Elektronensäule integriert und bietet in der Regel nur Platz für ein TEM-Netzchen, daher ist jeder Probenwechsel mit einem Pumpzyklus zur Wiederherstellung des Vakuums und entsprechenden Wartezeiten verbunden. In der Probenkammer eines SEM ist wesentlich mehr Platz, so dass Mehrfachhalter eingesetzt werden können, die sekundenschnelle Probenwechsel durch Drehung des Probentischs ermöglichen. Zum höheren Probendurchsatz von TSEM trägt darüber hinaus der bessere Bedienkomfort und die Möglichkeit geringer Vergrößerungen bei, die eine schnelle Orientierung auf der Probe ermöglicht.