Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist ein bildgebendes Verfahren, bei dem ein fokussierter Elektronenstrahl in lateraler Richtung über eine Probenoberfläche gerastert wird. Es wird ein zweidimensionales Bild als Messdatensatz erhalten, welches im Regelfall keine Höheninformation enthält. Der Bildkontrast wird entweder durch das Material dominiert (im Messkanal der Rückstreuelektronen (BSE)) oder durch die Topographie hervorgerufen (im Messkanal der Sekundärelektronen (SE)).
Ein direkter, quantitativer Rückschluss auf das Höhenprofil der Probe ist normalerweise nicht möglich, wobei dies für eine Vielzahl von Anwendungen von großem Nutzen wäre, beispielsweise zur Bestimmung von Oberflächenrauigkeiten, Partikelhöhen oder Porentiefen. Trotz der experimentellen Herausforderungen können mit speziellen REM-Methoden absolute Informationen über alle drei Raumdimensionen gewonnen werden. Eine dieser Methoden heißt „Shape from Shading“ und wird unter anderem in der Analysesoftware „Hitachi map 3D“ für die 3D-Rekonstruktion von REM-Daten angewandt.
Basis für die 3D-Rekonstruktion ist die Signaldetektion aus verschiedenen Beobachtungswinkeln beispielsweise mithilfe eines Vier-Quadranten-BSE-Detektors. Die Grundidee hierbei ist, aus den Grauwerten der detektierten Einzelquadrantsignale (Abb. 1: Quadrantensignale A, B, C, D) die lokalen Steigungen der Probenoberfläche abzuleiten.
Einerseits hängt der detektierte Grauwert eines Bildpixels im BSE-Kanal vom der materialabhängigen Rückstreufaktor ab. Materialphasen mit leichten Elementen erscheinen im REM-Bild vergleichsweise dunkel, solche mit schweren Elementen erscheinen im Vergleich hell. Dieser materialbedingte Einfluss auf die Rückstreuintensität ist unabhängig von der Beobachterposition und trägt deshalb in allen Detektorquadranten gleichermaßen zur Kontrastbildung bei.

Einerseits hängt der detektierte Grauwert eines Bildpixels im BSE-Kanal vom der materialabhängigen Rückstreufaktor ab. Materialphasen mit leichten Elementen erscheinen im REM-Bild vergleichsweise dunkel, solche mit schweren Elementen erscheinen im Vergleich hell. Dieser materialbedingte Einfluss auf die Rückstreuintensität ist unabhängig von der Beobachterposition und trägt deshalb in allen Detektorquadranten gleichermaßen zur Kontrastbildung bei.
Andererseits hängt der detektierte Grauwert auch von der lokalen Orientierung der Oberfläche ab. Je weiter die BSE durch die lokale Oberflächenorientierung in Richtung eines Detektorquadranten reflektiert werden, desto heller erscheint der Kontrast im REM-Bild. Umgekehrt treten Abschattierungen umso stärker auf, je weiter der BSE-Ausfallsvektor von der Beobachtungsposition weg zeigt. Deshalb werden abhängig von der Positionierung der Detektorquadranten unterschiedliche Schattierungen in den Einzelkanalbildern erzeugt (Abb. 1).
Für jede Pixelposition können aus den Intensitätssignalen die lokalen Steigungen ermittelt und durch Integration über den Rasterbereich zum Höhenprofil umgerechnet werden, sofern der Zusammenhang zwischen Grauwertabstufungen und Oberflächenorientierungen bekannt ist. Um diesen Zusammenhang zu erhalten, ist eine Kalibration erforderlich, bei der ein horizontal liegender, flacher Probenbereich sowie ein Bereich mit bekanntem Neigungswinkel mit allen vier Detektorquadranten gemessen wird (Abb. 1). Die Analysesoftware berechnet aus den Signalen der Einzelquadranten die Kalibrationsparameter für einen 3D-Rekonstruktionsalgorithmus. Schließlich kann dieser Algorithmus auf den REM-Datensatz einer bei gleichen Messbedingungen untersuchten Probe angewandt werden und das dreidimensionale Höhenprofil rekonstruiert werden (Abb. 2).
Bei weiteren Fragen zur Rauigkeitsanalyse oder zu unseren Hitachi Desktop REMs sprechen Sie uns gerne jederzeit an.

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