SEM(전자현미경)

소개글

SEM(전자현미경)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

SEM

◆ 전자현미경의 분해능
※ SEM의 구성
※ SEM의 분해능(resolution)

◆ 분해능

◆ 수차(Aberations)

◆ 초점심도(Depth of field)
※ 전자현미경(SEM)의 분류
※ 전자빔과 시편과의 상호작용
※ 작동원리
※ 2차전자의 발생
※ 2차전자 Detector
※ SEM Specimen preparation
※ Sputter Coating Procedure

본문내용

distance를 줄인다든지 하여 signal을 높이는 방법을 사용한다.
전자빔이 시편과 충돌한 다음에 낮은 에너지의 2차전다는 서로 다른 각도로 시편으로부터 나온다. 전자들은 (-)의 하전을 가지고 있기 때문에 2차전자들은 (+)의 하전을 가진 쪽으로 이끌리게 되는데 2차전자 detector는 이러한 2차전자들을 취합하도록 고안되어 있다. 2차전자들은 -100V에서 +300V로 전압이 걸려있고 detector를 둘러싸고 있는 Faraday cage로 이끌리게 된다. 2차전자들이 Faraday cage에 가깝게 이르렀을 때 +12,000V의 전압이 걸려있고 얇게 알루미늄으로 coating이 되어있는 detector의 끝부분으로 더욱 강하게 이끌리게 된다.
2차전자들은 얇은 알루미늄막을 통과할 정도로 충돌하게 되고, 그 다음 인광(phosphorescent)의 scintillator 물질에 충돌하여 빛(scintilla)을 방출하면, 이 빛은 lucite나 quartz로 구성된 light guide를 따라서 이동한 뒤, 이 빛이 photomultiplier의 끝에 위치한 photocathode을 때리게 된다. Photocathode는 빛이 충돌하면 전자를 방출하는 물질로 coating이 되어 있으므로, 여기에서 나온 광전자들(photoelectrons)이 전자들의 개수를 비례적으로 증가시키는 photomultiplier에 들어간다. SEM에 장착된 photomultiplier의 gain을 변화시키는 부위는 모니터에 나타나는 영상 전체의 contrast를 변화시키는 역할을 한다.
Photomultiplier에 의해서 발생된 약한 전압은 SEM의 preamplifier와 amplifier에 들어가서 약한 신호를 강하게 전기적으로 바뀐다. SEM을 작동할 때 preamplifier의 출력을 증가시키면 영성의 전체적인 밝기(brightness)가 증가하게 된다.
SEM에서 CRT에 나타난 영상을 기록하는 방법을 TEM의 경우와 다르다. TEM에서는 전자들이 직접 사진건판과 작용하지만 SEM에서는 일반적으로 CRT의 영상을 4" x 5" 폴라로이드 필름이나 무기재료공학과에서 사용하는 2" x 3" Kodak verichrome film으로 기록되게 된다.
※ SEM Specimen preparation
시편은 보통 금속(대개 알루미늄)으로 만든 원통형에 holder에 고정되고 입사전자빔이 시편과 충돌할 때 발생하는 고전압의 정전하를 방지하기 위하여 적절히 접지되도록 고정된다. 대부분의 SEM은 시편을 회전시키거나 x, y, z축 방향으로 이동시킬 수 있도록 조절이 가능하며 특정 detector에 의해서 전자들의 취합이 용이하도록 시편의 기울기도 조절이 가능하다. 이와 같은 조절의 적절한 조합은 관찰하고자 하는 부위를 정확히 위치시키도록 할 수 있을 뿐만 아니라 magnification, contrast, resolution, depth of field등에도 영향을 미친다. 따라서 관찰한 시편의 영상이 좋지 않을 경우에는 시편의 방향을 재조정하여 영상의 질을 향상시킬 수 있다.
Surface Cleaning : 시편의 파단면(fractured surface)를 관찰하든지 혹은 diamond blade등으로 절단한 다음 SiC, Al2O3 powder, diamond paste등으로 연마하여 관찰하든지 간에, 최종 coating을 하기 전에 시편을 깨끗하게 청소할 필요가 있다. 세라믹스나 금속 시편은 수화반응(hydration)이 없을 경우에는 연마과정중에 흐르는 물로서 깨끗히 한 후, 다음의 미세한 연마단계로 넘어가야 한다. 그리고 연마가 완료되면 시편의 표면에 남아 있는 연마물질이나 시편에서 떨어져 나온 입자들을 씻어내기 위하여 초음파 세척기를 사용하여 기공이나 입계에 남아 있는 불순물들을 제거한다.
Specimen Coating 시편을 적절한 specimen stub에 붙인 다음 약 20 - 30nm 정도의 얇은 두께로 gold, platinum, 혹은 gold/palladium alloy의 금속을 sputter coating machine을 사용하여 coating인다. 금속 coating은 시편에 축적되는 고전압의 하전을 specimen stub과 접지된 SEM의 시료실(specimen stage)을 통하여 방전시킨다. 시편의 coating은 정전하를 방지하는 역할 외에도 우수한 2차전자의 source로서 작용하고 또 고에너지의 입사빔이 시편과 충돌할 때 발생하는 열을 방출시키는 역할도 한다.
※ Sputter Coating Procedure
SEM시편을 얇은 금속막으로 coating하는데 가장 많이 사용되는 방법은 plasmasputtering 혹은 sputter coating procedure라고 불리우는 방법이다. 시편이 부착된 metal stub을 specimen chamber 넣은 다음 rotary vacuum pump를 사용하여 진공을 유지하도록 한다. 이렇게 진공을 유지하는 이유는 시편의 표면에 damage를 줄 가능성이 있는 수분 및 산소분자를 제거하기 위한 것이다. Specimen chamber가 적절한 진공 수준에 이르렀을 때 Argon과 같은 불활성기체를 100 mtorr정도의 부분 진공상태를 유지할 정도의 유량으로 서서히 chamber속으로 주입시킨다. 1 - 3 kV의 전압을 target (Au/Pd)에 걸어서 Argon gas 분자들이 Ar+과 전자들로 되도록 이온화시키면 (-)로 하전된 target에 Ar+ 이온들이 충돌하여 금속원자들이 방출된다. 이렇게 방출된 원자들은 chamber내의 Ar+이나 전자들과 같은 여러 이온과 충돌한 다음 결국 시료의 표면에 쌓여 금속 coating을 형성한다. 이 때, 금속원자들이 직선이 아니라 임의의 방향으로 쌓이게 된다는 사실이 중요한데, 이는 시료를 여러 각도에서 충돌하게 되어 불규칙하게 생긴 시료의 파단면도 일정한 두께로 coating이 되도록 해준다. 시료에 coating되는 두계는 시료의 형상과 current의 양에 따라 차이가 나지만, 일반적으로 15 - 40nm 정도의 두께가 적절하다.

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