SEM(Scanning Electron Microscope)

소개글

SEM(Scanning Electron Microscope)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

SEM(Scanning Electron Microscope)
1. SEM이란?

2. SEM의 개발 역사

3. SEM의 작동 원리

4. SEM의 구성
① 전자광학계(Electrical optical system)
② 시료실(Specimen stage)
③ 검출기(Secondary electron(SE) detector)
④ 배기계(Vacuum system)
⑤ 전기계(Electronics)

5. SEM의 분해능

6. SEM의 시편준비

7. SEM으로 관찰한 여러 가지 영상
① 분말시료
② 나비날개
③ 반도체

본문내용

S/N ratio(siganl to noise ratio)이다.
영상의 질이 떨어지면 S/N ratio가 낮다고 표현한다. 따라서 영상의 질을 높여 만족할 만한 영상을 얻기 위해서는 noise를 줄이거나 signal을 높여야 하는데, 일반적으로 noise는 줄이기 어려우므로 크기가 큰 aperture를 사용한다든지 혹은 working distance를 줄인다든지 하여 signal을 높이는 방법을 사용한다.
전자빔이 시료와 충돌한 다음에 낮은 에너지의 2차 전자가 서로 다른 각도로 시료로부터 나온다. 전자들은(-)의 하전을 가지고 있기 때문에, (+)의 하전을 가진쪽으로 이끌리게 된다. 2차 전자 검출기(detector)는 이러한 2차 전자들을 취하도록 고안되어 있다. 2차 전자들은 -100V에서 +300V로 전압이 걸려있고 detector를 둘러싸고 있는 Faraday cage로 이끌리게 된다. 2차 전자들이 Faraday cage에 가깝게 이르렀을 때 +12,000V의 전압이 걸리게 되면 얇게 알루미늄막으로 코팅되어 있는 검출기의 끝부분으로 더욱 강하게 이끌리게 된다.
2차 전자들은 얇은 알루미늄막을 통과할 정도로 충돌하게 되고, 그 다음 인광(phosphorescent)의 scintillator물질에 충돌하여 빛(scintilla)을 방출하면, 이 빛은 lucite나 quartz로 구성된 light guide를 따라서 이동한 뒤, 이빛이 photomultiplier의 끝에 위치한 photocathode을 때리게 된다. photocathode는 빛이 충돌하면 전자를 방출하는 물질로 coating이 되어 있으므로, 여기에서 나온 광전자(photoelectron)들이 전자들의 개수를 비례적으로 증가시키는 photomultiplier에 들어간다. SEM에 장착된 phtomultiplier의 gain을 변화시키는 부위는 모니터에 나타나는 영상전체의 contrast를 변화시키는 역할을 한다.
phtomultiplier에 의해서 발생된 약한 전압은 SEM의 preamplifier와 amplifier에 들어가서 약한 신호를 강하게 전기적으로 바뀐다. SEM을 작동할 때 preamplifier의 출력을 증가시키면 영상의 전체적인 밝기가 증가하게 된다. SEM에서 CRT에 나타난 영상을 기록하는 방법을 TEM의 경우와 다르다. TEM에서는 전자들이 직접 사진건판과 작용하지만 SEM에서는 일반적으로 CRT의 영상을 4"×5" 폴라로이드 필름이나, 무기재료공학과에서 사용하는 2"×3" Kodak verichrome film으로 기록되게 된다.
이 열전자들이 높은 전압이 걸린 양극쪽으로 가속되어 진행하여 전자빔을 형성하고, 2개 혹은 3개의 집광렌즈(condenser lenses)에 의해서 2nm이하 크기의 spot을 형성한다. 일반적으로 spot의 크기가 작을수록 SEM의 분해능은 증가한다. 각각의 렌즈는 고정되거 나 혹은 여러가지 크기의 aperture를 가지고 있어서 spot size를 줄이거나 구면수차 (spherical aberration)를 감소시키는데 이용된다.
④ 배기계(Vacuum system)
배기계(Vacuum system)의 기본 기능은 전자현미경의 column내에서 공기분자들이 고에 너지입사 전자나 시료에서 방출되는 2차 전자들과 충돌을 방지하도록 column내의 공기를 빼내는 것이다. 전자총과 전자광학계 내의 전자선 통로 및 시료실은 1.3×10-3Pa이상의 높은 진공으로 배기시켜야 한다. 배기펌프는 유확산펌프(oil diffusion pump)가 많이 사용 된다. 증기압이 낮은 정제된 기름을 가열시켜 유증기를 만든다. 이 증기를 젯트 분사시켜 배기시키는 펌프로 펌프의 외벽은 물로 냉각시킨다. 이 펌프는 배기의 속도가 빠르며, 조 작이 간단하고, 값이 싼 특징을 갖고 있다. 예비펌프로는 유회전펌프(Rotary vane pump) 가 쓰이고 있다. 정전, 단수시의 진공도의 저하에 따른 위급시의 대한 안전 제어장치가 충분히 되어 있다.
⑤ 전기계(Electronics)
전기계는 본체부를 제어하는 각종 전원, 시료에서 나오는 영상신호를 증폭시키는 증폭기, 상을 표시하는 CRT, 사진촬영장치로 되어 있다.
5. SEM의 분해능
모든 현미경에서와 마찬가지로 SEM의 분해능은 서로 가까이 떨어져 있는 2개의 물체를 화면이나 사진에서 2개의 물체로 인식할 수 있는 능력을 가르킨다. 전자빔의 구멍크기 (spot size)가 감소하면 분해능이 증가하고 마지막 렌즈는 전자빔의 크기를 관찰하고자하 는 배율의 크기로 초점을 맞추는 역할을 수행한다. Aperture의 크기가 감소하면 구면수차 (spherical aberration)와 구멍크기를 동시에 감소시킴에 따라 분해능이 증가할 뿐만 아니 라 depth of field도 증가시킨다. 그렇지만 시료에 입사되는 전자들의 갯수를 제한시키므로 signal(즉 2차 전자의 수)이 감소하게 되는 단점이 있다.
6. SEM의 시편준비
모든 시료는 전도체라야 한다. 세라믹 같은 부도체의 경우는 1차전자의 전하가 표면에 쌓 여 주변과 방전하게 된다. 금속 이외의 시료는 이온 코팅기로 표면에 도전처리를 하여 관 찰한다.
<그림6. SEM을 사용하기 위한 시료들의 처리 과정>
시편은 보통 금속(대개 알루미늄)으로 만든 원통형에 holder에 고정되고 입사전자비임이 시편과 충돌할 때 발생하는 고전압의 정전하를 방지하기 위하여 적절히 접지되도록 고정된 다. 대부분의 SEM은 시편을 회전시키거나 x, y, z축 방향으로 이동시킬 수 있도록 조절이 가능하며 특정 detector에 의해서 전자들의 취합이 용이하도록 시편의 기울기도 조절이 가 능하다. 이와 같은 조절의 적절한 조합은 관찰하고자 하는 부위를 정확히 위치시키도록 할 수 있을 뿐만 아니라 magnification, contrast, resolution, depth of field등에도 영향을 미 친다.
따라서 관찰한 시편의 영상이 좋지 않을 경우에는 시편의 방향을 재조정하여 영상의 질을 향상시킬 수 있다.
7. SEM으로 관찰한 여러 가지 영상
① 분말시료
② 나비날개
③ 반도체

키워드

SEM,   전자광학계,   Specimen stage,   Vacuum system