SEM 장비에 대해서 알아보자

SEM이란 무엇인가?

Scanning Electron Microscope

SEM을 통해 얻어낸 이미지

전자 현미경의 한 종류로, 집중적인 전자 빔으로 주사(走査)하여 표본의 상(像)을 얻는다. 약자로 줄여 SEM(Scanning Electron Microscope)이라고도 한다. 전자들은 표본의 원자들과 상호반응하여 표본의 표면 지형과 구성에 대한 정보를 담고 있으며 검출 가능한 다양한 신호들을 생성한다. 전자 빔은 일반적으로 래스터 주사의 양식으로 주사하며, 빔의 위치를 검출된 신호와 결합하여 상을 만들어낸다. SEM으로 1 나노미터보다 좋은 분해능을 얻을 수 있다.

 

광학 현미경에 비해서 분해능이 우수하다.

SEM은 쉽게 말해서 광학현미경에 비해 분해능력이 우수한 현미경입니다.

 

SEM의 원리

SEM의 원리는 투과형과 같이 시료 전체에 전자선을 쏘는 것이 아닌,

아주 작은 전자선으로 시료를 주사하고,

전자선을 쏜 좌표의 정보에서 상을 구성하여 표시합니다.

관찰 시료는 높은 진공상태에서

그 표면의 전계 및 자게에서 섞인 전자선으로 주사합니다.

주사는 직선적이지만 주사 축을 순차적으로 틀어가면서

시료 표면 전체의 정보를 얻는 방식입니다.

 

SEM을 통해 어떤 정보를 얻을 수 있나요?

반도체 분야에서 활용되는 SEM

주사전자현미경은 재표의 표면 현상, 적층 결함, 계면 등을

직접 관찰함에 따라 이들이 재료의 여러 성질들에 미치는 영향을

정확히 규명할 수 있는데요,

첫 번째, 물체의 표면의 형상을 관찰 할 수 있으며,

두 번째, 물체를 구성하는 입자들의 형상과 크기를 관찰할 수 있습니다.

세 번째, 물체를 구성하는 원소와 화합물의 종류 및 상대적인 양을 분석할 수 있습니다.     

 

SEM Column

 

전자빔을 발생 및 가속시키는 전자총(electron gun), 전자빔을 가늘게 모아주는 집속렌즈(Condenser Lens)와 대물렌즈(Objective Lens), 필라멘트를 떠난 전자가 시편에 닿을 때까지 전자 빔의 경로를 조절하는 주사코일(deflection coil)로 구성되어 있다. 

컬럼 아래쪽의 진공 경통 안에는 시편을 이동시키는 시료 stage가 위치하고, 경통에는 이차전자 검출기 등 다양한 검출기를 부착할 수 있다. 장비의 하단부는 진공 챔버를 10‐5 torr 이하로 유지해주는 진공펌프, 전자총과 검출기 등에 고전압을 공급하는 고전압 공급장치, 전체 시스템을 제어하거나 수집된 신호를 처리하는 Electronics, 외부에서 장비에 전달되는 진동을 차단하는 제진대 등으로 구성된다.

 

전자총(Electron Gun)

전자총은 전자를 만들고 가속시키는 역할을 한다. 전자총은 전자선(electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급한다. 충분한 양의 이차전자를 생성할 수 있을 만큼 많은 양의 전자빔을 만들되, 자기렌즈에 의해서 작은 빔을 효과적으로 형성하도록 고안되어 있다.

 

전자가 갖고 있는 에너지 장벽(일함수; work function) 이상의 에너지가 주어질 경우 전자가 튕겨져 나온다.

전자총의 필라멘트로 사용되는 텅스텐과 같은 금속을 높은 온도로 가열시키면, 표면의 원자에 구속되어 있던 전자들이 원자핵의 속박에서 벗어나 진공 중으로 이탈된다.

SEM의 전자총에는 열방사형(thermionic electron gun)과 전계방사형(field emission electron gun)으로 나뉘어진다. 

열방사형의 경우 음극은 주로 텅스텐으로 약 100 um 직경의 선 필라멘트로서 끝이 V자 모양을 가진 머리핀 모양으로 구부러져 있다.

텅스텐은 일함수 값이 4.5 eV로 크지 않고, 융점은 3650 K로 매우 높기 때문에 필라멘트로 많이 사용되며, 일반적으로 필라멘트에 직접 전류를 가하며 약 2700 K까지 가열한다.

 

필라멘트에서 튕겨져 나온 전자는 1~30 kV의 고압을 걸어서 가속시킨다. 전자총은 윗부분에 필라멘트 전원(cathode)과 필라멘트가 있고,

필라멘트 주위를 감싸고 있는 wehnelt cylinder, 아래쪽에 가속전극 역할을 하는 양극판(anode plate) 등으로 구성되어 있다. 30 kV의 고전압을 발생시키는 고압회로의 전압 및 전류의 안정도는 SEM 이미지의 화질에 지대한 영향을 미친다. 

 

wehnelt cylinder는 음극인 필라멘트보다 더 마이너스 전압을 띠게 되고, 이로 인해 필라멘트에서 방출된 전자는 척력을 받게 되어 가운데로 집속된다. 음극인 필라멘트와 양극판(Anode) 사이에 가해지는 전압을 가속전압이라고 하는데 이에 의해 필라멘트에서 방출된 전자가 가속되어 아래 방향으로 방사되면서 전자빔을 형성하게 된다.

 

전자기렌즈(Electromagnetic Lens)

전자기렌즈는 코일이 감아진 원통형의 전자석으로 전자가 자장에 의해 휘는 성질을 이용하여 전자를 한 곳으로 모으는 역할을 한다.

광축에 원대칭을 이루는 자장에 의해 광축을 따라서 진행되는 가속된 전자는 나사형 괘적을 이루면서 초점을 형성한다.

 

광학현미경에서는 렌즈가 대상물의 크기를 확대하지만 전자현미경에서는 렌즈에 의해 전자빔의 크기가 축소되며, 이를 반확대(demagnicfication)라고 한다.

 

자기렌즈는 볼록렌즈 역할을 하는데 위의 식은 초점거리에 관한 식이다.

e: 전자의 전하량, m: 질량, Bz: 자기장의 세기, V: 가속 전압

코일에 걸어주는 전류에 따라 연속적으로 변화시킬 수 있으므로 유리렌즈에서 초점거리가 유리의 곡면반경에 의해서 정해지는 것에 비하면 커다란 장점이다.

 

집속렌즈(Condensing Lens)

전자총에서 나오는 전자빔의 크기는 약 10~50um로서 보통 2개의 집속렌즈와 1개의 대물렌즈를 이용하고, 시편에 주사되는 전자빔의 크기의 약 1/10000인 5~200 nm 정도이다. 전자빔이 가늘수록 표면의 모양을 더 자세히 관찰할 수 있다.

 

필라멘트에서 나오는 전자는 여러 방향으로 퍼져서 나오기 때문에 전자빔을 가늘게 만들려면 바깥쪽에 있는 전자를 안쪽으로 밀어 넣어야 된다. 전자현미경에서는 전자석을 이용해서 전자빔을 가늘게 만든다.

 

집속렌즈는 전자총을 빠져나온 전자빔을 모아주는 역할을 하며 조리개(aperture)와 함께 조합하여 전자빔의 세기를 결정하는 요소가 된다. 조리개의 크기가 작으면 spot size가 작아지고 통과하는 전자들의 수가 감소하며 구면수차(spherical aberration)를 감소시킨다.

 

구면수차 (Spherical Aberration)

렌즈의 광축상의 물리적 점을 지나면서 광축을 많이 벗어나 렌즈에 입사하는 일련의 광선들은 평행축(paraxial image plane)에 수직으로 놓여 있다면 점모양의 화상 대신에 작은 원판의 형태로 초점이 맺히는 현상이다.

 

대물렌즈(Objective Lens)

렌즈를 포함한 SEM 컬럼 모식도와 Beam focusing 과정

시료에 조사되는 빔의 크기를 결정하는 대물렌즈는 전자빔 형성렌즈로도 불리는데, 작은 전자빔을 만들기 위해서는 초점거리가 짧고 시료의 표면에 가깝게 위치되도록한다. 2개의 주사코일과 한쌍의 stigmator로 구성되어 있다. 주사코일은 scan generator에 연결되어 시료 표면에 형성된 전자빔의 spot을 체계적으로 이동시킬 수 있도록 되어있다. Stigmator는 시편에 입사되는 전자빔이나 시편에서 방출되는 이차전자의 spot이 정확히 둥굴지 않을 경우 spot의 일그러진 방향에 반대의 전자기장을 걸어서 교정하는 기능을 한다. 

 

대물렌즈와 시료표면 사이의 거리를 작동거리라 하는데, 작동거리가 짧을수록 더욱 작은 점을 형성할 수 있으며, 영상의 해상도가 좋아진다. 대물렌즈 속에는 주사코일, 조리개와 비점수차코일 등이 들어있으며, 대물렌즈로 전자빔을 시료의 표면에 초점을 맞추므로 영상의 배율이 변하여도 초점은 변하지 않는다.