Focused-Ion-Beam Mikroskopie (FIB-SEM)
Die Focused-Ion-Beam Mikroskopie kombiniert die Methoden zur Untersuchung einer Probe mittels eines fokussierten Ionenstrahls (FIB, focused ion beam) und eines Elektronenmikroskops (SEM, scanning electron microscopy), wodurch eine Probe gleichzeitig untersucht und bearbeitet werden kann.
Inhaltsverzeichnis
- Wie funktioniert die Focused-Ion-Beam Mikroskopie?
- Focused-Ion-Beam Mikroskopie bei Quality Analysis
- Präparation und 3D-Analyse mit FIB-SEM
- Untersuchungsmethoden in der Focused-Ion-Beam Mikroskopie
- Vorteile der Focused-Ion-Beam Mikroskopie
- Häufig gestellte Fragen zu FIB-SEM
- Typische Einsatzbereiche der FIB-SEM
- Kurz zusammengefasst: Focused-Ion-Beam Mikroskopie
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Wie funktioniert die Focused-Ion-Beam Mikroskopie?
Bei der FIB-Mikroskopie wird ein Ionenstrahl mit Hilfe elektromagnetischer Linsen fokussiert und auf die Probe gelenkt. Zur Untersuchung wird der Strahl über die Oberfläche geführt und diese dadurch gerastert. Es können entweder die austretenden Sekundärelektronen detektiert werden oder die Intensität des die Probe durchdringenden Strahls. Soll der FIB hingegen genutzt werden, um Material abzutragen, so geschieht dies auf die gleiche Weise, jedoch mit wesentlich höherer Spannung (bis zu 50 kV).
Die Untersuchung im Rasterelektronenmikroskop (REM) funktioniert nach demselben Prinzip wie die FIB, jedoch kommt ein Elektronenstrahl zum Einsatz, der durch eine Feldemissionskathode erzeugt wird. Auch bei diesem Verfahren können zur Bildgebung die Sekundärelektronen detektiert werden. Häufig nutzt man jedoch auch den Kontrast der zurückgestreuten Elektronen, der Rückschlüsse auf die unterschiedlichen Materialien einer Probe zulässt.
Ein FIB-SEM-Mikroskop kombiniert beide Untersuchungsarten, sodass der Anwender zwischen Ihnen wählen kann. Es ist auch möglich, den Ionenstrahl zur Bearbeitung des Materials zu verwenden und mit dem Elektronenstrahl die Aufnahme anzufertigen.
Focused-Ion-Beam Mikroskopie
bei Quality Analysis
- Hochauflösende Untersuchung von Beschichtungen, Schichtsystemen, Gefügestrukturen und Lötverbindungen bis in den Nanometerbereich
- Gezielte Präparation von Querschnitten und Materialbereichen mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) und Femtosekundenlaser
- Untersuchung und Darstellung von Fehlstellen, Einschlüssen, Verunreinigungen und Ablagerungen an Korngrenzen
- Analyse von intermetallischen Phasen und anderen Mikrostrukturen
- Bestimmung der Elementzusammensetzung mittels EDX-Analyse
- Schichtdickenmessung und hochauflösende Beurteilung dünner Schichtsysteme
- Schneller Materialabtrag mittels Femtosekundenlaser zur Freilegung tiefer liegender Bereiche
- 3D-Analyse durch seriellen Materialabtrag und Rekonstruktion und Fehlstellen
Präparation und 3D-Analyse mit FIB-SEM
Mit dem hochauflösenden ZEISS Crossbeam 350 kombinieren wir Rasterelektronenmikroskopie, fokussierten Ionenstrahl (FIB) und Femtosekundenlaser. Der FIB ermöglicht die gezielte Präparation kleinster Materialbereiche und Querschnitte. Mit dem Femtosekundenlaser können größere Materialvolumina schnell abgetragen und tiefer liegende Bereiche freigelegt werden, die anschließend hochauflösend untersucht werden können.
Durch seriellen Materialabtrag und wiederholte Bildaufnahme lassen sich zudem dreidimensionale Volumenstrukturen rekonstruieren. So sind neben hochauflösenden 2D-Querschnitten auch 3D-Analysen im Mikro- und Nanometerbereich möglich – mit geringen thermischen und mechanischen Einflüssen auf die Probe.
Untersuchungsmethoden in der Focused-Ion-Beam Mikroskopie
Ein FIB-SEM-Mikroskop kombiniert eine Ionenfeinstrahlanlage (FIB-Anlage) mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Zwar ist theoretisch eine Bildgebung mit beiden Systemen, also auch mit der Ionenfeinstrahlanlage, möglich, in der Praxis wird der Ionenstrahl jedoch vornehmlich zur Präparation der Proben eingesetzt. Das primäre Untersuchungsinstrument in der Focused-Ion-Beam Mikroskopie ist das Elektronenmikroskop. Je nach Anordnung der beiden Anlagen spricht man von Dual-Beam- oder Cross-Beam-Mikroskopen.
Vorteile der Focused-Ion-Beam Mikroskopie
Die Rasterelektronenmikroskopie ist in der Lage, Bilder in hoher Auflösung von kleinsten Proben zu liefern, sogar das Erstellen dreidimensionaler Abbildungen ist möglich. Um jedoch Wechselwirkungen der ausgesandten Elektronen mit den Atomen der Umgebungsluft zu vermeiden, muss die Untersuchung in einem Hochvakuum stattfinden. Dadurch ist es normalerweise nicht möglich, während der Untersuchung auf die Probe zuzugreifen. Das wird insbesondere dann zum Problem, wenn sich ein Teil der Probe erst durch die Untersuchung im SEM als besonders interessant erweist oder ein zielgenauer Materialabtrag erforderlich ist, der nur unter mikroskopischer Sichtkontrolle zuverlässig erfolgen kann.
Die Ionenfeinstrahlanlage löst dieses Problem, indem sie die Bearbeitung der Probe durch einen zweiten Strahl (mit Ionen statt Elektronen) während der Untersuchung erlaubt. Da sich eine FIB-Anlage des gleichen Prinzips wie das Rasterelektronenmikroskop bedient, ist eine Kombination beider Anlagen relativ einfach möglich. Soll der Ionenstrahl statt zur Beobachtung zur Bearbeitung genutzt werden, muss die angelegte Spannung erhöht werden. Ein weiterer Vorteil ist die gezielte Materialpräparation mit geringen thermischen und mechanischen Einflüssen. Dadurch lassen sich auch empfindliche Schichtsysteme und kleinste Materialbereiche präzise freilegen, ohne die zu untersuchenden Strukturen unnötig zu beeinflussen.
Häufig gestellte Fragen zur FIB-SEM
Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird die Probe mit einem Elektronenstrahl hochauflösend abgebildet. Beim FIB-SEM kommt zusätzlich ein fokussierter Ionenstrahl zum Einsatz, mit dem Material gezielt abgetragen werden kann. Dadurch lassen sich beispielsweise präzise Querschnitte erzeugen und Strukturen unterhalb der Oberfläche untersuchen.
FIB-SEM eignet sich für zahlreiche Werkstoffe und Bauteile, beispielsweise Metalle, Keramiken, Polymere, Halbleiter, Beschichtungen und elektronische Komponenten. Je nach Fragestellung können Oberflächen, Schichtsysteme, Gefügestrukturen, Grenzflächen oder lokale Fehlstellen untersucht werden. Das ZEISS Crossbeam 350 ist auch für anspruchsvolle bzw. nichtleitende Proben ausgelegt
Ja. In Kombination mit einer EDX-Analyse kann die Elementzusammensetzung ausgewählter Bereiche bestimmt werden. So lassen sich beispielsweise Einschlüsse, Verunreinigungen, Ablagerungen oder einzelne Phasen genauer charakterisieren.
Typische Einsatzbereiche der FIB-SEM
Elektronik- und Mikroelektronik
Mit FIB-SEM lassen sich Leiterplatten, Lötverbindungen und elektronische Baugruppen bis in den Nanometerbereich untersuchen. Gezielte Querschnitte machen beispielsweise Risse, Delaminationen, Defekte in Leiterbahnen, Metallisierungen oder Schichtsystemen sichtbar. Zudem können Halbleiterstrukturen und Materialinterfaces analysiert, Schichtdicken präzise bestimmt und mikroskopisch kleine Defekte identifiziert werden.
Batterie- und Brennstoffzellen
Bei Batterie- und Brennstoffzellen ermöglicht FIB-SEM die hochauflösende Untersuchung von Elektroden, Beschichtungen, Membranen, Schichtaufbauten und Grenzflächen. Präzise Querschnitte unterstützen die Bewertung von Schichtdicken und machen lokale Fehlstellen sichtbar. Bei Batteriezellen lassen sich beispielsweise Risse, Partikelbrüche, Ablagerungen, Dendriten und weitere Anzeichen von Degradation detailliert untersuchen.
Beschichtungen und Schichtsysteme
FIB-SEM ermöglicht die gezielte Tiefenanalyse von Schutz-, Funktions- und Mehrschichtsystemen. Gezielte Querschnitte geben Aufschluss über Schichtaufbau, Schichtdicke, Grenzflächen und die Verbindung zum Basismaterial. Gleichzeitig lassen sich Fehlstellen wie Risse, Delaminationen, Poren oder Einschlüsse erkennen und einzelne Materialbereiche detailliert analysieren.
Werkstoff- & Schadensanalyse
Mit FIB-SEM können lokale Material- und Gefügebereiche gezielt freigelegt und bis in den Nanometerbereich untersucht werden. Dadurch lassen sich unter anderem Risse, Einschlüsse, Verunreinigungen, Poren, Ablagerungen an Korngrenzen und intermetallische Phasen analysieren. Die präzise Querschnittspräparation unterstützt insbesondere die Untersuchung von Mikrostrukturen und lokal begrenzten Defekten, die mit konventionellen Verfahren nur schwer zugänglich sind.
Kurz zusammengefasst: Focused-Ion-Beam Mikroskopie
Focused-Ion-Beam Mikroskopie, kurz FIB-SEM, kombiniert hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie mit einem fokussierten Ionenstrahl zur gezielten Materialpräparation. Dadurch können kleinste Materialbereiche freigelegt, präzise Querschnitte erzeugt und Strukturen bis in den Nanometerbereich untersucht werden. Durch seriellen Materialabtrag sind zudem dreidimensionale Analysen von Mikrostrukturen und Fehlstellen möglich.