Teil V: Der Einfluss des Kammerdrucks auf EDX-Analysen

Für EDX-Analysen von elektrisch isolierenden Materialien verfügen moderne REM wie die der Phenom-Serie über einen Low-Vacuum oder Charge Reduction Modus bei dem der Kammerdruck kontrolliert erhöht wird. Hierdurch wird die in das Material durch den Elektronenstrahl eingebrachte Ladung abgeführt und Aufladung reduziert. 

Der große Vorteil liegt darin, dass die Probe nicht zeitaufwendig beschichtet werden muss, um Untersuchungen zur chemischen Zusammensetzung durchzuführen. Diesem Vorteil stehen einige Aspekte gegenüber, welche im Vorfeld der Arbeit zu beachten sind.

1 Skirt-Effekt 

Ein kurzer Exkurs vorab. 

Der grundlegende Gedanke der Low-Vacuum-Elektronenmikroskopie ist folgender: Das Abtasten von Proben mittels eines Elektronenstrahls bedeutet nichts anderes, als dass ein, das Vakuum der Kammer passierender, Strom an der Probe angelegt wird. Die Ladung muss abgeführt werden, sonst lädt sich die Probe elektrostatisch auf. Vergrößert man den Druck in der Kammer, werden mehr Gasteilchen am hochenergetischen Elektronenstrahl ionisiert; das Potential der „Ionenwolke“ steigt. Diese Ionenwolke ist in der Lage am negativen Potential des Scanfelds mit den Überschusselektronen zu rekombinieren und so die Ladung abzuführen.

Soweit der Ladungsreduktionseffekt und damit die Möglichkeit EDX-Analysen an isolierenden Materialien ohne Sputtern durchzuführen. Wenn aber der Elektronenstrahl Moleküle oder Atome ionisiert bedeutet das für die Primärelektronen nichts anderes als die Übertragung von Energie (inelastische Stöße). Diejenigen Elektronen des Strahls die derart interagieren werden quasi gebeugt. Damit wiederum weitet sich der Fokuspunkt des Strahls deutlich auf. Mittels Monte Carlo-Simulationen kann man zeigen, dass der Strahl, je nach Kammerdruck, diffuser auf der Probe auftrifft als er die Objektivlinse verlässt. Man spricht wegen der Form vom sogenannten Skirt-Effekt. 

Bei einem Druck von wenigen mbar kann der Skirt-Effekt bereits mehrere hundert Mikrometer betragen. Damit einhergehend werden auch Röntgensignale von weit außerhalb der region of interest (ROI) erfasst. An EDX-Detektoren befinden sich Vorrichtungen, welche den Skirt-Effekt begrenzen. Dennoch ist bei schlechtem Vakuum immer davon auszugehen, dass der Spot deutlich erweitert ist (Abb.1).

2 Kurze Arbeitsabstände

Die Aufweitung des Strahls wird umso drastischer, je höher der Arbeitsabstand gewählt wird. Für EDX-Analysen wiederum wird durch die Detektorposition der Arbeitsabstand grob festgelegt und ist i.d.R. recht hoch. Damit stören nicht nur die unter 1 diskutierten Signale „aus der Nachbarschaft“. Darüber hinaus wird ebenfalls das Elektronenbild ein geringeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis besitzen.

3 Druckerhöhung 

= Erhöhung N- und O- Signal

Mit eingebrachter „Laborluft“ oder aber eben mit speziell verwendeten Gasen steigt natürlich auch deren Anteil im EDX-Spektrum, N- und O-Peaks sind somit teilweise recht deutlich zu sehen. Außerdem kann eingebrachter Sauerstoff mit der Probenoberfläche reagieren und so z. B. eine ursprünglich elektrisch leitfähige Cr-Legierung zu einer isolierenden Cr2O3-Schicht umsetzen. Es gilt also bereits vorher zu überlegen ob sauerstoffaffine Materialien vorliegen (z.B. unedle Metalle) um eine Passiverung der Oberfläche zu vermeiden. Die Reaktion mit Sauerstoff kann ggf. sogar (gerade im Vakuum) zu flüchtigen Produkten führen, so dass es zu einer Unterbestimmung der umgesetzten Elemente im Spektrum kommt.

In der Summe gilt der Satz: Für EDX-Spektren sollte das Vakuum so gut wie es die Probe zulässt gewählt werden.

In einer der nächsten Spectrum-Ausgaben werden Peak-Überlage­run­gen im Spek­trum behandelt. Die Teile I bis V senden wir Ihnen gerne zu.

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