전도성 박막 분석법(SEM)

목차

➀ 주사전자현미경(SEM)

➁ 자외선-가시광선 분광광도계(Ultraviolet-Visible spectrophotometer)

본문내용

여년 동안 ESCA는 특히 고체표면과 계면의 구성원소나 그의 화학 결합상태를 밝혀내는 전자 분광법의 하나로 금속, 촉매, 반도체 소자 재료, 세라믹스, 박막, 고분자 피막 등의 연구에 널리 이용되면서 새로운 연구분야로 각광받고 있습니다다. 이 분석법은 최초에는 X-선을 이용한 광전자 분광법이므로 그 측정 원리에 근거하여 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)이라고 더 많이 불려지고 있습니다.
먼저 광전효과이론에 의하면, 조사된 빛 에너지 hυ와 전자의 결합 에너지(Eb), 금속의 일함수(eФ)에 의해, 금속에서 방출되어 나오는 광전자의 최대 운동에너지(Ek,max)를 아래의 식과 같이 계산할 수 있습니다.
Ek,max = hv-eФ-Eb
그러나, 광전자의 운동에너지를 정확하게 측정하는 방법이 없었다고합니다.
1950년대에 Siegbhn등은 고도의 분리능을 가진 β-spectroscopy를 개발하여 원자의 내각 전자들의 binding energy를 측정하기 시작했습니다. 한 원소의 화학적 상태(chemical state)가 바뀌면 전자의 binding energy도 변함을 알게 되었고, 이런 점은 특히 기체 및 고체의 전자 구조 연구에 이용되었습니다.
XPS는 X-선을 이용한 비 파괴적인 비복사 전이입니다. 방출되는 전자는 금속내부에서 운동에너지에 따라 평균 자유 행로(mean free path)를 가지게 되고, 금속 및 금속 산화물에서는 5～25Å정도로 짧기 때문에 방출되는 전자들은 표면 층에서 나오는 것이라고 말할 수 있으며, 이들은 표면의 정보를 제공해 주게 됩니다. 그러므로 ESCA는 표면 분석기술에 속하게 되며, 1970년대 이후 표면 연구에 활발히 이용되고 있습니다.
그림. 1은 spectrometer에 전기적으로 연결된 금속 시료와 spectrometer간의 에너지 관계도를 나타냅니다. 그리고 다음과 같이 에너지 관계식이 성립합니다.
Ek=hv-Eb-eФspEb=hv-Ek-eФsp
Ebv=hv-Ek +(eФ-eФsp)
hν : 조사된 X-선의 energy
eФ : 시료의 일함수
eФsp : 분광계의 일함수
Ek : 분광계의 Fermi level을 기준으로 한 광전자의 운동 에너지
Eb : 전자가 속해 있던 궤도에서 Fermi level까지의 에너지
그리고, vacuum level까지의 binding energy는 Ebv(=Eb+eФ)입니다.
XPS spectrum은 spectrometer에 들어오는 전자의 수를 전자의 kinetic energy 나 binding energy에 대해 plot해서 얻는다. spectrum의 에너지 기준점은 아래와 같이 Au, Cu, C등을 사용하며 이들 피크 위치를 시료에 대한 binding energy의 기준점으로 잡는다. 특히, C_1s peak는 절연체 시료의 에너지 기준점이 됩니다.
C_1s : 284.6 eV
Au4f7/2 : 83.8 eV
Cu3p3/2 : 74.9 eV
Cu2p3/2 : 932.4 eV
그림. 2 에서는 Au의 survey spectrum(Mg Kα)을 예로서 보여 주고 있습니다.
장 치
X-ray source
XPS에 사용되는 photon은 고체를 1㎛ 정도 투과하여, 광전효과가 발생한 표면의 원자와의 상호 작용으로 원소의 내각으로부터 전자를 방출시킵니다. 광원으로는, soft X-ray를 발생하는 Mg Kα1,2(1253.6 eV) 와 Al Kα1,2(1486.6 eV)를 사용하는데, 일반적으로 두 개의 anode를 가지는 dual anode를 X-ray source로 사용한다. 그러나 X-ray에는 Kα3, Kα4, Kα5, Kβ 등의 satellites가 섞여있어서 광전자 spectrum은 복잡해지게 되고, 이런 문제를 해결하기 위해 단색화 장치(monochromator)를 쓰기도 합니다다.
그림.3은 dual anode형의 X-ray 발생 장치입니다. 필라멘트를 가열해서 열전자를 방출시키게 되고, 이것이 anode에 충돌하면 anode 물질로부터 X-ray가 방출하게 됩니다.
Electron energy analyzer
표면에서 방출되는 전자의 운동에너지를 측정합니다. RFA(retarding field grid analyzer), CMA(cylindrical mirror analyzer), CHA(concentric hemispherical analyzer), 127°- analyzer 등이 이용되며, 본 장비에서는 직경이 20cm인 hemispherical analyzer가 사용되고 있습니다.
CHA는 두 개의 concentric hemisphere로 이루어져 있으며, 그 사이로 전자가 들어가면 바깥 반구에 가해진 음전압에 의해 경로가 바뀝니다. XPS용으로 좋은 analyzer이며, sample에서 어느 정도 공간을 둘 수 있기 때문에 주변 공간 활용도도 좋습니다. 두 반구의 반경이 R1, R2이면, 전자는(R1 + R2)/2를 따라 지나게 됩니다.
Detector
analyzer를 통과한 전자를 증폭시키는 장치로서, channel electron multiplier가 있다. 그림.5에 single channeltron의 개요도입니다.
형태는 나팔 모양으로 된 유리관이 나선형으로 말려 있으며, 유리관 내 벽에 저항이 큰 물질로 코팅되어 있다. 이 유리관의 양끝에 전압을 걸어주면 연속적인 dynode가 되어 전자증폭이 이루어집니다.
ESCA의 장단점: 원자가전자 및 core 전자를 함께 관찰할 수 있는 유일한 방법인 ESCA(XPS)는 시료표면의 화학적 구조와 전자구조 분석에 매우유용한 분석기술입니다. 특히 반도체 공정과정에서 표면의 산화나 부식을 관측하는 데에 이용되어 품질 관리 향상을 가져오고 있으며, 본질적으로 비파괴적인 방법이므로 구조와 표면 성질을 중요시하는 신소재 개발(용매에 녹지 않는 고분자, 불소를 함유하는 고분자, plasma 고분자 등의 분석 그리고 고분자 물질의 각종 표면 처리 및 표면현상 이해 등)에 많이 이용되고 있으며,금속, 세라믹, 반도체 재료 등 모든 재료 분야에서의 ESCA 이용이 크게 증가할 것입니다.

키워드

SEM,   분광광도계,   전자분광화학분석