Die Elektronenoptik

Das Herz eines jeden Rasterelektronenmikroskops ist die Elektronenoptik. Hitachis FlexSEM bietet eine, für diese Klasse außergewöhnliche, Optik für Beschleunigungsspannungen zwischen 300 V und 20 kV und einer garantierten Auflösung im SE-Modus von 4 nm an Gold (Hochvakuum, < 2 min Schleuszeit, 20 kV, Abb. 1) bzw. 5 nm an Gold im BSE (6 Pa, 20 kV, Abb. 2).

Während man heutzutage Beschleunigungsspannungen von z.B. 20 kV hauptsächlich zur EDX-Analyse nutzt, um damit etwa ISO-Standards für die Asbestanalyse zu erfüllen, ist eine solch hohe Beschleunigungsspannung häufig nicht optimal zur Untersuchung von Proben und deren Oberflächendetails. Typische Abbildungsbedingungen sind hier eher im unteren bis mittleren Beschleunigungsspannungsbereich angesiedelt, etwa zwischen 1 kV bis 10 kV. Genau hier zeigt sich die Stärke der FlexSEM-Elektronenoptik: Auch bei 1 kV ist eine Auflösung von 15 nm und weniger an Gold garantiert! Das Gerät arbeitet mit einer dynamischen Kathodenspannung (oder „Heizung“), die eine  optimale Helligkeit und konstant stabile Strahlströme bei allen Beschleunigungsspannungen garantiert.
Der so generierte helle Elektronenstrahl wird im Kondensorsystem, bestehend aus zwei Kondensorlinsen, sowie einer nahezu abberationsfreien Objektivlinse zu einem feinen Strahl („spot“) geformt. So werden die erwähnten 15 nm Auflösung auch bei 1 kV ermöglicht (Abb. 3 zeigt 1,5 kV Aufnahme eines Phosphatsalzes).
Der Strahlstrom wird präzise über einen Bereich von pA bis zu hunderten µA mittels der ersten Kondensorlinse gesteuert. Die zweite Kondensorlinse optimiert den Strahleintritt in die Objektivlinse. Um die Nutzung des Gerätes einfach zu halten, muss der Anwender lediglich die „Spot Intensität“ wählen und nicht etwa die Kondensorblenden tauschen. Das FlexSEM nutzt also keine beweglichen Kondensorblenden, wodurch die Strahljustage, die automatisiert auf Knopfdruck durchführbar ist, über einen langen Zeitraum stabil ist.

Als Emissionsquelle für die Elektronen nutzt das FlexSEM vorzentrierte Wolframkathoden (Abb. 4). Sollte ein Kathodenwechsel notwendig werden, kann dieser minutenschnell softwareunterstützt durchgeführt werden. Der Anleitung auf dem Bildschirm folgend, belüftet man die Kammer, öffnet den Kathodenraum (Abb. 5) und tauscht das Filament, indem man die alte Kathode aus dem herausnehmbaren Wehneltzylinder schraubt und durch eine neue, bereits vorzentrierte Kathode ersetzt. Kathodendeckel schließen, evakuieren und den Knopf „Beam Alignment“ in der Software drücken – damit ist für den Anwender alles Notwendige getan, um weiter arbeiten zu können. Beim „Beam Alignment“ laufen die beiden Schritte a) Kathodensättigung/-heizung und b) Optimierung des Strahls entlang der optischen Achse für maximale Helligkeit auf der Probe automatisiert ab. Der gesamte Vorgang dauert etwa 5-10 Minuten.
Aufgrund der Entwicklung der vorzentrierten Kathoden und der ausgeklügelten Arbeitsanweisung, der robusten physikalischen Eigenschaften, den niedrigen Anforderungen an das Vakuum und nicht zuletzt aufgrund des geringen Preises (ca. 70 € / Stück), sind Wolframfilamente die idealen Elektronenquellen für die Geräteklasse der kompakten oder Tisch-REM. Die ersten 11 Kathoden werden mit jedem System geliefert!
In der nächsten Ausgabe stellen wir die im FlexSEM eingesetzten Detektoren genauer vor.

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