Electrical & Electronic materialscontents.kocw.net/KOCW/document/2016/hankyong/changjihun... · 2017-02-20 · 2. 주사전자현미경 6th class Jihoon Jang 주사전자현미경의특성

2016. 2nd semester

6th class

Jihoon Jang

Electrical & Electronic materials

6th class Jihoon Jang

1. 표면분석

■ 표면분석이란??: 고체 표면하 수백 nm 깊이까지의 영역에서 발생하는 현상을

정확하게 검지하여 제어하기 위해 전자, 이온, 광자를 사용하여

표층의 조성과 구조를 규명하는 것

Jihoon Jang6th class

Incident beam

Release beamRelease beam

1. 표면분석

■ 표면분석기법의종류


Release BeamIncident Beam PHOTONS ELECTRONS IONS

PHOTONS

Infrared Spectroscopy (FTIR)Raman Spectroscopy (LRS)X-ray Fluorescence (XRF)Extended X-ray AbsorptionFine (EXAFS)

X-Ray PhotoelectonSpectroscopy (ESCA)UV-Photoelectron Spectroscopy (UPS)Photon-Induced Auger Electrons

Laser Mass Spectroscopy(LAMMA)

ELECTRONSElectron MicroprobeAppearance-Potential Spectroscopy (APS)Cathodoluminescence

Auger Electron Spectroscopy(AES)Low-Energy Electron Diffraction (LEED)Electron MicroscopyElectron-Impact Spectroscopy (EIS)

Electron-Induced IonDesorption (EIID)

IONS Ion Microprobe : X-ray (IMXA)Ion-Induced X-rays

Ion Neutralization Spectroscopy (INS)Ion-Induced Auger Electrons

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)Low-Energy Ion Scattering Spectroscopy (ISS)High-energy Ion Scattering Spectroscopy (RBS)

1. 표면분석

■ 전자빔을이용한분석장비의종류


EPMA

2. 주사전자현미경

■ 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM): 전자빔을 이용하여 시편의 이미지를 보는 장비


출처 : Jeol Korea


■ 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM): 다양한 하전입자 (charged particles) 중 2차 전자, 후방산란전자를 분석

* 전자빔에 의한 발생되는 하전입자


특성 X-선(Characteristic X-ray)

투과전자(Transmitted Electron)

오제전자(Auger Electron)

입사전자(Incident Electron)

후방산란전자(Back Scattered Election, BSE)

2차전자(Secondary Electron, SE)


■신호발생깊이및공간분해능

: 이차전자는 오제 전자 다음의 표면 근처에서 발생


출처 : 표면특성 기기분석(박영서 외), 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업)


■ 분해능 (resolution): 서로 떨어져 있는 두 점을 분간할 수 있는 한계

→ 이론 분해능 : R = 0.61 λ / n Sinα

(λ: 광원의 파장, n = 매질의 굴절률, α = 입사반각)

→ 광원의 파장이 짧을수록, 입사반각이 클수록 분해능 좋음


출처 : Jeol Korea


■ 주사전자현미경의특성

1. 주사전자현미경과 광학현미경의 비교


출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업) http://blog.naver.com/coxem/10111455548




2. 장점

1) 분해능이 높기 때문에 고배율로 물체를 관찰할 수 있다.

→ 10만배 이상, 최대 100만배

2) 피사계 심도 (초점깊이)가 대단히 깊다. → 3차원 형태의 이미지

3) 디지털 영상으로 제공, 저장

4) 다양한 주변기기의 사용

; BSE (Back Scattered Electron),

EDS(energy dispersive X-ray spectroscope),

WDS(wavelength dispersive X-ray spectroscope)




3. 단점

1) 광학현미경 대비 매우 복잡한 구조의 장비

→ 가격이 비싸다.

2) 진공장비 → 생체재료에 대한 한계

3) 부도체 시료의 관찰시 전자의 축척 → 이미지 왜곡

4. 적용

1) 금속 재료 분야 : 표면형상, 적층 결함, 계면, 두께 등

2) 화학 공업 분야 : 고분자의 형태, 크기, 표면형상 등

3) 생물 및 의학 분야 : 조직의 형태, 각종 바이러스의 외부 형태 등

4) 기타 지질, 분말 시료 등의 관찰



■ 장비의구성



■ 장비의구성

1. 전자의 발생과 렌즈의 역할

출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업) http://blog.naver.com/coxem/10111455548



■ 장비의구성

1. 전자의 발생과 렌즈

1) 전자총 : 전자를 발생하는 장치

일함수 이상의 에너지 → 전자가 튕겨나옴

출처 : Jeol Korea

• 전자총의 종류

1. 열방사형 전자총(Thermionic electron gun)

2. 전계방사형 전자총(Field emission electron gun)

3. 열방사형과 전계방사형의 가장 큰차이는 Source Size

-> 최종 Probe Size를 결정



■ 장비의구성

1. 전자의 발생과 렌즈

2) 렌즈 : 자기장으로 구성

• 집속 렌즈의 역할– 시료면상의 전자선의 직경을 조절– 전자빔을 집광– CL Aperture를 사용하여 큰 각도로 이탈하는 전자

들을 제거해 빔 전류량 제한

• 대물 렌즈의 역할– 전자빔을 반확대하여 시편 상에 초점을

맞추는 역할– 시료에 조사되는 빔의 최종 크기 결정



■ 장비의구성

2. 시료실 (chamber)

: 배기계 및 진공 시스템

- 전자의 진행성 증가, 고전압의 방전 방지,

유기물로부터 발생되는 gas에 의한 오염 방지

진공도 압력범위(Pa)

Low Vacuum(저 진공) 105(대기압) > P > 3.3 x 103

Medium Vacuum(중간 진공) = RP 3.3 x 103 > P > 10-1

High Vacuum(고 진공) = DP or TMP 10-1 > P > 10-4

Very High Vacuum(강 고진공) 10-4 > P > 10-7

Ultra High Vacuum(초 고진공) 10-7 > P > 10-10



■ 분석에영향을미치는요인

1. 가속 전압 (Accelerating Voltage)

• 저분해능• 적은 Edge Effect

• 적은 Charge up

• 시편 Damage ↓

• 고분해능

출처 : Jeol Korea




2. 엣지 효과(Edge Effect)

• 전자빔과 시편과의 각도 관계

• 측면, 돌출된 얇은 부위, 모서리 부분:

전자빔이 깊이 침투 못해 이차 전자

방출량↑

-> 평탄한 면보다 밝게 보임

일차전자침투깊이 깊음

이차 전자방출량 적음

전자충돌이표면 가까이서 발생

이차 전자방출량 많음

출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업)




3. 시편 상호 작용 (Interaction Volume)

1) 원자번호: 작을수록 비탄성산란, 클수록 탄성산란 가능성↑

2) 가속전압: 클수록 시편 깊은 영역까지 전자 침투 가능

3) Tilt각도: Tilt각이 증가할수록 Interaction Volume 깊이 감소

출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업)




5. 구면수차(Spherical aberration)

- 한 점에서 발산된 빛이 광 축에서 서로 다른 거리에서 굴절한 후

다시 동일한 점으로 모이지 못하는 현상

- 전자기 렌즈에서 자속 밀도가 광 축에서 멀어질수록 자장의

세기가 약해지기 때문에 나타남

출처 : Jeol Korea




6. 색수차(Chromatic aberration)

- 빛의 색깔(파장)이 다르면 렌즈에 대한 굴절률이 달라지므로

렌즈에 대한 빛의 굴절 경로도 색에 따라 달라지게 됨

- 색깔에 따라 초점거리가 달라지므로 각각 서로 다른 위치에

초점을 형성하기 때문에 나타나는 현상

출처 : Jeol Korea




7. 비점수차(Astigmatism)

- 렌즈 방향에 서로 수직인 방향으로 입사되는 빛에 대한 초점

거리가 동일하지 않은 경우 영상이 타원으로 확대되며 찌그러짐

- 자기장의 원주방향의 분포가 원 대칭을 이루지 못하는 경우에

비점수차가 발생

출처 : Jeol Korea

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