개인 적으로 공부하는 것을 정리하고 있는 블로그입니다.
틀린 내용은 출처와 함께 댓글로 남겨주시면 수정하도록 하겠습니다.
| SEM의 구조
SEM (Scanning Electron microscope)는 샘플에 전자빔을 쏘고 나오는 정보를 기반으로 이미지화해주는 장비이다.
아래에 이미지를 두 개 가지고 왔는데, 하나는 구조를, 또 하나는 작동 원리를 좀 더 잘 설명해 주는 것 같다.
구조적으로 보면, 먼저 전자빔을 생성하는
Electron Gun (EG)는 전자빔을 생성하고,
Anode와 아래 샘플 Stage는 Positively Charged 되어 있어서 Electron을 유도할 수 있도록 해준다.
Condenser Lens는 Magnetic force를 이용하여 전자빔을 포커스 해주는 역할을 한다. 현미경의 Lens와 같은 역할을 해준다고 생각하면 된다.
Detector는 전자빔을 맞고 나온 전자 또는 파장 등을 측정해서 정보를 얻을 수 있는 장치이다.
Chamber는 사용할 때 진공을 유지해서 사용한다.
동작의 원리를 간략하게 설명하자면 (살짝 왜곡해서),
전자빔을 샘플의 한 포인트에 쏴주고, 샘플로부터 반사돼서 나오는 전자를 측정해서 밝게 보여준다. 여기서 샘플의 포인트를 왼쪽 위에서부터 오른쪽으로 아래로 한 점 한 점 옮겨 가면서 쏴주고 측정하면, 포인트들의 정보가 모여서 샘플 전체의 이미지를 얻을 수 있다. 이렇게 Scan 하여 이미지를 얻기 때문에 Scanning Electron Microscope라고 불리는 듯하다.
| SE, BSE
위에는 간단하게 반사라고 표현했지만, 샘플이 전자빔에 맞았을 때는 여러 가지 종류의 전자와 파장들이 나오게 되고, 각각의 종류의 따라 가지고 있는 정보가 있기 때문에, 목적에 따라서 활용할 수 있다.
먼저 SEM에서 가장 대표되는 것을 SE (Secondary Electron)이다.
Secondary Electron (SE, 2차 전자)는 물질이 전자에 맞았을 때 그 충격으로 물질이 가지고 있던 전자가 튀어나오게 되는데 이것을 2차 전자라고 한다.
특징으로는 물질이 가지고 있던 전자가 나오기 때문에 에너지의 양이 작은 것이 특징이다. 보통 50eV 이하의 에너지를 가지고 있다. Detector는 아래의 그림과 오른쪽의 사진처럼, 철망처럼 되어 있는 부분에 강한 Positive charge를 걸어줘서 튀어나온 전자를 끌어당기게 된다(약 300V). 위의 그림에서 처럼 SE는 표면에서 주로 나오기 때문에 표면의 정보를 얻는 게 사용된다. (Roughness나 외형)
다음으로 많이 사용되는 것은 Backscattered Electron (BSE)로,
기본적인 원리는 양성자가 전자를 당기는 힘에 의해서 전자가 원자핵을 감싸서 돌게 되어 다시 튀어나오는 원리이다. 다른 별로 위성을 쏘게 되면 중력에 의해서 돌아가는 것과 유사한 원리로 생각하면 된다. 이런 식으로 다시 돌아오게 된 전자는 다시 돌아오는 전자라고 해서 해서 "Back"scattered Electron이라 불린다.
특징으로, SE와는 다르게 전자빔이 들어왔던 방향으로 다시 튀어나가기 때문에, 오른쪽 위에 사진을 보면, BSE Detector는 전자빔이 나오는 곳 주변에 위치하게 된다. 에너지는 전자빔이 그대로 나오기 때문에 강한 힘을 가지고 있는데, 일반적으로 어느 정도 힘을 잃고 전자빔 에너지의 40~95% 정도라고 한다. SE 대비하여 더 깊은 곳에서도 나오기 때문에 안쪽의 정보를 같이 얻을 수 있고, 일반적으로 원자가 클수록 (원자번호가 높을수록) 더 많은 Backscattering이 일어나게 된다 (더 밝은 이미지를 얻는다).
BSE 이미지는 명암비와 약간의 투과성(?)으로 인하여 일부 Data를 얻을 수 있는 반면에 SE이미지가 좀 더 선명하고 표면의 높낮이를 더 잘 나타내 주는 것을 볼 수 있다.
| FE-SEM vs 일반 SEM
간단히 말해서, FE-SEM은 일반 SEM보다 성능이 좋고 더 비싼 SEM이라고 생각하면 된다. 이미지를 만들어내는 SEM 장비에서 성능이라 하면 결국 더 좋은 이미지를 만들어 낼 수 있다. 즉 Resolution이 좋다고 할 수 있다.
FE-SEM과 일반 SEM의 구조적인 차이는, Electron Gun (EG, 전자총)을 무엇을 사용했냐에 있다.
일반 SEM은 EG로, Thermionic Electron Gun을 사용하고
FE-SEM은 EG로, Field Emission Gun (FEG)을 사용한다. FEG는 상대적으로 전자빔의 영역이 작아서 더 좁은 연역에 포커싱을 할 수 있고, 그만큼 더 Resolution이 좋아진다. 대신에 FEG는 더 높은 Vacuume Level을 요구하기 때문에 장비의 비용이 더 비싸다. 가장 흔하게 사용되는 구조는 아래의 사진처럼 W(텅스텐)에 ZrO2 가 코팅되어 있는 구조이다.
Field Emission Gun의 종류에도 Schottky와 Cold Cathode 타입으로 나누어지는데, Cold 타입이 약간 더 Resolution이 좋은 반면에 Schottky 타입이 좀 더 안정적이라고 한다... 여기서 안정적이라는 의미는 좀 더 알아봐야 할 것 같다.
| 샘플 코팅
Conductivity가 없는 물질을 SEM으로 찍을 경우에 Electron beam에 의해서 Charge가 뭉치는(?) 현상이 발생한다 (Charging Effect). 이로 인하여 이미지가 왜곡되거나, 측정할 때 꿀렁거리는 현상을 볼 수 있다.
일반적으로 전도성이 없는 물질을 측정할 때는
아래처럼 생긴 장비의 유리안에 넣고 샘플을 코팅하게 되는데, Gold가 Conductivity가 좋고 Grain size가 작아서 일반적으로 사용된다고 한다. 두께는 2~20nm. 그리고 EDS 측정 시에는 Carbon으로 코팅하게 되면, Carbon의 X-ray peak이 다른 원소와의 간섭이 적어서 많이 사용한다고 한다.
| 장비 예시
아래는 한 업체의 SEM 장비 Spec이다.Resolution을 보면 "FE-SEM (Cold Cathode) > FE-SEM (Schottky) > 일반 SEM" 순으로 좋은 것을 볼 수 있다.그리고 같은 전압에서 SE이 BSE 보다 좋다.
| 정리
SEM (Scaning Electron Microsocpe: Electron Beam을 샘플에 쏘고, 나오는 것을 Scan 해서 이미지로 보여주는 장비
SE (Secondary Electron): 시료에서 튀어나온 전자
BSE (Backscattered Electron): 쏜 전자가 다시 돌아옴
EDS에 대해서 CL과 함께 다음에...