주사 전자 현미경(SEM)
주사 전자 현미경
미세 표면 관찰의 챔피언
과학적 평가의 첫 번째 단계는 재료의 형태를 철저히 관찰하는 것입니다. 이를 위해 돋보기 또는 광학 현미경이 있습니다. 그러나 빛을 사용하는 한 빛의 파장보다 작은 것을 볼 수 없기 때문에 나노 구조를 관찰하는 것은 극히 어렵다.
여기서 소개하는 주사전자현미경(SEM)은 빛보다 파장이 짧은 전자빔을 이용하여 수 nm 규모의 구조 관찰이 가능하다.
1nm = 10억분의 XNUMX = XNUMX-9m
주사전자현미경 → SEM
의료, 생물학, 금속, 반도체, 세라믹 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 주사전자현미경은 그 응용 영역을 넓혀가고 있습니다. 풍부한 부착물과 장치가 결합되면서 그 기능이 확장되고 있습니다. SEM은 전 세계 R&D 기관 및 품질 관리 검사 현장에서 사용되는 가장 강력한 도구 중 하나로 간주됩니다.
전자를 이용한 미시세계 관찰
주사전자현미경(이하 "SEM")은 광학현미경(이하 "OM")으로 볼 수 없는 매우 작은 표면 구조를 명확하게 관찰할 수 있습니다. 또한, 보다 깊은 초점 심도의 영상을 제공할 수 있어 거친 구조의 시편 표면을 확대하여 육안으로 물질을 볼 때와 유사한 감각으로 3차원 영상을 관찰할 수 있습니다.
SEM은 투과형 전자현미경(이하 "TEM"이라 함)과 마찬가지로 전자를 이용하여 시료를 확대한 이미지를 보여준다. 전자는 빛보다 파장이 짧기 때문에 OM으로 볼 수 있는 것보다 작은 것을 관찰할 수 있습니다. 해상도라는 단어는 명확하게 관찰할 수 있는 가장 작은 크기를 말합니다(인접한 두 점 사이의 최단 거리…사람의 눈의 해상도는 0.2mm라고 함). TEM의 분해능은 0.1~0.3nm이고 SEM의 분해능은 0.5~4nm입니다. SEM의 분해능이 TEM의 분해능보다 낮은 이유는 SEM에 사용되는 전자의 가속전압이 수 kV에서 수십 kV 정도로 낮아 전자의 파장이 길어지는 것과 특성차이에 기인한다. 전자빔을 수렴하는 데 사용되는 전자기 렌즈.
TEM은 형광 스크린에 투사된 확대 이미지를 제공하며, 여기서 이미지는 얇게 준비된 표본을 통해 전송(통과)된 전자에 의해 형성됩니다. 이에 비해 SEM은 시료 표면에서 반사되거나 생성된 전자를 이용하여 이미지를 형성한다.
왜 전자로 표본을 관찰할 수 있습니까?
전자빔이 조사된 스폿에서는 시료의 형태, 물질의 밀도, 내부에 포함된 원소에 따라 XNUMX차 전자, 후방 산란 전자, 특성 X선, 음극 발광 등 다양한 신호가 방출된다.
주사전자현미경(SEM)은 일반적으로 XNUMX차 전자를 감지하여 관찰용 이미지를 형성합니다. 시료 표면에 입사되는 전자의 각도에 따라 생성된 XNUMX차 전자의 세기가 달라지므로 신호 세기에 따라 표면 거칠기의 미세한 변화를 나타낼 수 있다.
관찰 사례 (샘플 : 구현 보드)
간편한 조작으로 선명한 3D 이미지
이제 생체 표본을 예로 들어 영상을 관찰하는 과정을 살펴보자.
생물학적 표본은 표본 준비라는 전처리가 필요합니다. 이것은 전자 빔 샤워로 인한 열로 인한 손상으로부터 취약한 시편을 보호하는 데 필수적입니다. 또한 생체 조직과 같이 수분이 포함된 시료는 고진공 상태로 유지되는 시료실에 장착하기 전에 탈수 과정을 거쳐야 합니다. 수분 제거 시 변형을 방지하기 위해 화학적 고정 후 시편을 탈수하고 특수 페이스트나 접착 테이프로 시편 거치대에 고정한다. 그런 다음 전체 시편 표면을 스퍼터링 또는 증착 기술을 사용하여 Au 또는 Pt-Pd와 같은 금속 입자로 얇게 코팅합니다. 금속 코팅은 시편 표면에 전하가 형성되는 것을 방지하고 XNUMX차 전자 수율을 증가시켜 결과적으로 선명한 이미지 신호를 얻는 데 기여합니다. 검체 준비가 완료되면 검체실의 검체 이동단에 검체 스테이지를 고정한 후 체임버를 비웁니다. 대피는 자동화되어 XNUMX분 안에 완료됩니다.
이제 관측을 위해 기기를 작동할 준비가 되었습니다. 운전면허증 등 특별한 자격이 필요하지 않을 정도로 간편하다. 예를 들어 가속 전압을 20kV로 설정합니다(컬러 TV와 거의 동일한 전자 에너지). 가속 전압이 높을수록 분해능은 좋아지지만 시편 손상도 증가합니다. 손상이 거의 없는 시편 표면을 관찰하려면 수 kV와 같은 낮은 가속 전압을 사용해야 합니다. 다음으로 필라멘트를 가열하여 전자를 방출합니다. 컨트롤 노브를 사용하여 자기장 렌즈를 조정하여 전자빔에 초점을 맞춥니다. 일부 기기에는 자동 초점 기능이 있습니다. 다음으로 배율을 조정합니다. 저배율로 검색하여 관심 영역을 파악한 후 배율을 점차 높여 확대된 이미지를 표시하고 기록할 수 있습니다.
오른쪽 사진과 같이 광학현미경보다 초점심도가 깊어 SEM으로 선명한 3차원 이미지를 얻을 수 있습니다.
이 사진은 저진공 SEM으로 촬영하고 유사 색상으로 처리했습니다.
사진:
Tsuruhara Takashi 교수와 Mr. Hidehiro Kasahara 제공 - Tokyo Gakugei University, Biology
(Au 코팅, 고정/탈수 후 샘플 튜브에서 동결 건조 후)
표면 관찰 및 분석을 위한 뛰어난 성능
주사형 전자현미경에는 텅스텐 필라멘트를 전자원으로 사용하는 일반형부터 전계방출형 전자총을 장착하여 더 높은 해상도와 배율을 얻을 수 있는 특수형까지 다양한 종류가 있습니다.
원소 분석을 위한 X선 검출기, 조성 관찰을 위한 후방 산란 전자 검출기, 결정 분석을 위한 EBSD(전자 후방 산란 회절) 등의 부착물을 추가하여 측정 범용성을 더욱 확장할 수 있습니다.
SEM의 다양한 기능
XNUMX차 전자 이미지 관찰 | XNUMX차 전자는 시편 표면의 지형을 관찰하는 데 사용됩니다. |
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후방 산란 전자 이미지 관찰 |
후방 산란 전자는 주로 시료의 조성 차이를 관찰하는 데 사용됩니다. 다결정 시편의 경우 이미지의 대비로 결정 방위의 차이가 관찰됩니다. (채널링 대비) |
흡수 전자 이미지 관찰 | 흡수된 전자는 주로 시료의 조성 차이를 관찰하는 데 사용됩니다. 콘트라스트는 후방 산란 전자 이미지의 경우와 반대입니다. |
전송 전자 이미지 관찰 | 박막층을 투과한 전자를 이용하여 조성과 밀도의 차이를 관찰한다. |
음극 발광(CL) 이미지 관찰 및 스펙트럼 분석 | 전자빔 조사에 의해 자극된 시편에서 방출된 빛은 이미지를 형성하고 파장 분광법에 의해 방출 스펙트럼이 생성됩니다. 반도체의 불순물 및 결함 평가, 응력 분포 평가, 산화막의 결함 구조 분포 평가, 발광 소자 평가 등의 용도로 사용됩니다. |
EDS(원소)분석 | Lidoped Si 반도체 검출기와 Multi-Channel Analyzer(스펙트럼 분석기)를 조합하여 X선의 에너지 강도 스펙트럼을 구하는 기능입니다. B에서 U까지의 모든 요소를 동시에 감지하고 측정할 수 있습니다. 시편 손상 위험을 줄이는 적당한 프로브 전류로도 미세 영역 분석에서 우수한 성능을 발휘합니다. |
EBSD 분석 | 시편 표면에서 회절된 후방산란 전자는 미세 영역에서 결정 방향을 식별하고 방향 맵을 측정하는 데 사용됩니다. |
WDS(원소) 분석 | 결정에 의한 X선의 회절 현상을 이용하여 파장 스펙트럼을 얻는 기능입니다. 그 특징은 높은 에너지 분해능과 높은 감지 감도입니다. |
EBIC 측정, 관찰 | 전자빔 조사에 의해 시료 내부에 발생하는 기전력(EMF)은 반도체 소자의 결함 분석에 이용된다. |
저진공 기능 |
검체실의 압력을 수십~수백 Pa로 설정하는 기능. 시편 챔버의 진공을 줄이면 대전 발생이 줄어듭니다. 이를 통해 어려운 전처리(코팅) 없이 비전도성 시편을 관찰할 수 있습니다. outgassing이 많은 시편, 증기압이 낮은 시편, 수분을 함유한 시편에도 사용됩니다. |
전자빔 노출 기능 | 전자빔에 의한 레지스트 리소그래피가 가능하다. |
극저온 SEM 관찰 | 물을 얼려 수분을 함유한 표본을 관찰할 수 있습니다. 이는 고정 및 탈수 과정에서 발생하는 시편의 변형을 방지할 수 있습니다. |
난방 관찰 |
시편을 가열하면서 관찰이 가능하다. 열에 의한 시편의 팽창, 불순물 편석 등의 변화를 관찰할 수 있다. |
인장 관찰 | 표본을 늘리면서 관찰이 가능합니다. 연성 파괴의 시작점을 관찰하고 재료의 강도를 분석하는 데 사용됩니다. |