View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

Lithographie Techniken und Untersuchungsmethoden 27
sich noch keine Methode als universell einsetzbar etablieren.
2.3.5 Charakterisierungsmethoden
Rasterelektronenmikroskopie
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist ein bildgebendes Verfahren zur Untersuchung
von Mikro- und Nanostrukturen. Zur Abbildung werden Elektronen mit kinetischer Energie
bis zu 20 keV verwendet. Deren Wellenlänge liegt nach De-Broglie bei wenigen Nanometern
und erlaubt Aufnahmen mit hoher Auösung. Die Rasterelektronenmikroskopie umfasst
viele verschiedene physikalische und technische Aspekte, welche einen eigenen Forschungsbereich
bilden. An dieser Stelle soll eine kurze Zusammenfassung gegeben werden. Für eine
ausführliche Einführung wird auf einschlägige Literatur verwiesen (z.B. [100]).
In einer Elektronenkanone (electron gun) werden Elektronen in einer Quelle erzeugt (z.B.
Wolfram Glühkathode) und beschleunigt. Durch elektronenoptische Systeme werden die
Elektronen zu einem Strahl gebündelt, welcher durch Magnete ausgelenkt und über die
Probenoberäche gefahren wird. Diese Primärelektronen dringen dabei bis zu einer Tiefe
von mehreren μm in das Material ein. Es kommt zu Stoÿprozessen in der Elektronenhülle
der Atome und zu Streuprozessen an den Atomrümpfen. Dadurch werden verschiedene
detektierbare Signale erzeugt. Die Stoÿprozesse mit den äuÿeren Elektronen der Elektronenhülle
führen zur Erzeugung sog. Sekundärelektronen (SE). Diese haben eine geringe
Energie (< 50 eV), sodass nur SE aus einer Tiefe von wenigen Nanometern das Material
wieder verlassen und detektiert werden können. Stoÿprozesse mit Elektronen in niedrigeren
Schalen führen zu angeregten Zuständen. Unter Emission von Charakteristischer Röntgenstrahlung
(CX) gehen diese wieder in den Grundzustand zurück. Ebenfalls kann der
Übergang in den Grundzustand strahlungsfrei unter Emission eines Auger-Elektrons (AE)
geschehen. Die CX hat einen deutlich geringeren Wirkungsquerschnitt und kann daher
auch noch aus Tiefen bis zu 5 μm das Material verlassen. Die AE hingegen haben Energien
zwischen 50 eV und 2 keV, wodurch sie wie die SE nur aus wenigen Nanometer Tiefe noch
detektiert werden können. Neben den Stoÿprozessen kommt es auch zur Streuung an den
Atomrümpfen. Die Primärelektronen werden durch die positiv geladenen Atomkerne abgelenkt
und dius im Material gestreut. Solche Elektronen werden als Rückstreuelektronen
(back scattered electrons (BSE)) bezeichnet. Diese können noch aus Tiefen von mehreren
hundert Nanometern das Material verlassen und haben denitionsgemäÿ Energien > 50 eV.
All diese Signale können durch geeignete Detektoren aufgenommen werden. Hauptsächlich
werden hier Magnetlinsen verwendet, welche die Elektronen durch ein weiteres elektrischen
Feld ansaugen. Durch Anlegen einer Gegenspannung am Detektor wird der Energiebereich
der zu detektierenden Elektronen selektiert. Um zu vermeiden, dass sowohl die Primärelektronen
als auch die zu detektierenden Elektronen Energie durch zusätzliche Stöÿe mit Gasmolekülen
verlieren, werden elektronenmikroskopische Untersuchungen im Vakuum durchgeführt.
Bei der Entstehung eines Bildes rastert der Elektronenstrahl Punkt für Punkt über
die Probenoberäche. Die Helligkeit eines Pixels korreliert direkt mit der Anzahl detektierter
Elektronen. Der Kontrast entsteht durch zwei Faktoren, die Elementeverteilung in der
Probe und durch die Topographie der Oberäche. Da die SE eine kleine Energie haben und
aus geringer Tiefe stammen, ist ihre Emission stark von der Topographie abhängig. Von
Kanten und Ecken können mehr SE das Material verlassen, was zu hellen Konturen im Bild
führt. Neben den SE Elekronen tragen auch die BSE zum Topographiekontrast bei. Da die