Ausgangspunkt der Arbeit war der Bedarf an einer neuen Monte-Carlo-Simulation für die Bildentstehung im Rasterelektronenmikroskop bei der PTB. Eine solche Modellierung ist notwendig, um das SEM als Meßinstrument für dimensionelle Größen im Mikro- und Nanobereich nutzen zu können. Die bei Beginn der Arbeit zu Verfügung stehenden Simulationsprogramme waren veraltet, nicht frei verfügbar, schwer erweiterbar bzw. nicht anpaßbar genug oder hatten andere Schwachstellen. Zielsetzung war daher, eine neue Simulationssoftware zu erstellen, die modular die wesentlichen Schritte in der Bildgebungskette eines SEM sowohl für BSE/TE-Signale als auch für SE-Signale eines SEM darstellt und so einfach erweiterbar bzw. anpassungsfähig ist, und die es ermöglicht, komplexe dreidimensionale Strukturen zu untersuchen und daher auch zu modellieren. Diese Vorgaben wurden in dem, auf Monte-Carlo-Methoden beruhenden Programm MCSem umgesetzt:

Es wurde ein Strahlformungsmodul programmiert, mit dem Strahlkippung, ein gaußverteilter Strahlfleck variabler Größe, ein konischer Strahl mit einer festen Fokuslänge und die Auswahlmöglichkeit zwischen parallelem Strahleinfall und Zentralprojektion umgesetzt werden kann.

Das entwickelte Geometriemodul ermöglicht es, verschiedene dreidimensionale Basiskörper auch zu aufwendigeren Strukturen zu kombinieren, oder eine einprogrammierte/-bare Geometrie zu nutzen. In Verbindung mit diesem Modul wurden auch Lösungen zu Materialwechseln während der freien Elektronenbewegung in dem Probenobjekt und die damit einhergehende Bestimmung und Annäherung an Materialgrenzen entwickelt, sowie mit dem "Dummy-Vakuum" eine Möglichkeit geschaffen, auch in quasi-materialfreien Bereichen die Elektronenbewegung weiterzuverfolgen.

Im Kern-Modul wurde die Elektronenbewegung und Wechselwirkung mit dem Festkörper umgesetzt. Die elastische Streuung wurde anfänglich durch die klassische Rutherford-Streuung beschrieben und ist auch noch in der aktuellen Version von MCSem auswählbar, eine physikalisch bessere Umsetzung ist jedoch durch tabellierte Mott-Streuquerschnitte geschehen. Eine Konvertierung der erhaltenen Streuwinkel ins Laborsystem wurde programmiert und die Energieabgabe des Primärelektrons an den Festkörper durch inelastische Streuungen entlang der, durch die elastische Streuung bestimmten, freien Weglänge wurde mittels der CSDA verwirklicht. Basierend auf diesem Energietransfer werden mittels einer parametrischen Funktion SE erzeugt und durch das Material transportiert.

In Zusammenarbeit mit dem ISI, Brno wurden Effizienz-Tabellen für einen InLens-SE-Detektor entwickelt und anhand von Kontrastverhältnissen bei Platin-Grabenstrukturen getestet.

MCSem wurde im Vergleich mit anderen Simulationsprogrammen und experimentellen Daten sowohl für BSE- als auch für SE-Signale bei verschiedenen Energien, Materialien und Strukturen getestet und wurde in mehreren Anwendungsfällen, wie z.B. den in dieser Arbeit beschriebenen Nanopartikeln in der Praxis erfolgreich eingesetzt.

Ein weiteres, großes Anwendungsgebiet für MCSem war die Simulation der 3D-Kalibrations-Struktur Stufenpyramide bzw. der zugehörigen Nanomarker, um eine photogrammetrische Auswertung mit mehreren SEM-Bildern durchzuführen. Es wurden mehrere Aufnahmen aus unterschiedlichen Blickrichtungen auf eine Pyramidenstruktur gemacht, und die Positionen der Nanomarker mittels Bildverarbeitung aus den Bildern extrahiert. Es konnte gezeigt werden, daß die Mittelpunktsbestimmung der Nanomarker abhängig von Energie, Winkel und Material ist und daher für eine Auswertung korrigiert werden sollte. Es war leider trotz großer Anstrengungen nicht möglich, eine genaue Analyse mit Zentralprojektionsansatz durchzuführen. Eine auf Parallelprojektion basierende photogrammetrische Auswertung konnte schließlich durchgeführt werden und lieferte gute Genauigkeiten im Sub-Pixel-Bereich. Verbesserungen durch die Korrekturfaktoren waren aber nicht nachweisbar.

Schlagwörter: Monte-Carlo Simulation; Metrologie; REM; Photogrammetrie

Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik