Scanning Electron Microscope, SEM (주사전자현미경)

Scanning Electron Microscope, SEM (주사전자현미경) 1. SEM의 개요 전자현미경이란, 광학현미경이 공선 대신에 전자빔을, 광학렌즈 대신에 전자렌즈를 사용하여 물체의 확대상을 결상시켜 관찰하는 현미경을 말한다. 광학현미경의 분해능이 빛의 파장에 의해 제한되는데 비해, 전바빔의 파장은 0.05 옹스트롬 정도로 짧아서 광학현미경으로는 관찰할 수 없었던 미생물까지도 선명하게 관찰할 수 있고, 또한 자연상태에서 생물체의 미세구조를 가능한 형태학적 변화가 없는 상태로 입체적 구조를 관찰할 수 있다. 형광면 위에 물체의 확대상을 결상시켜 관찰하는 형태의 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscope, TEM) 이 먼저 완성되었고, 약 20년 후인 1935년에 독일의 Max Kroll에 의해 TV와 비슷한 결상방식의 주사전자현미경이 제안되었다. 주사전자현미경의 상품화는 1960년대 영국과 일본에서 제작된 것이 시초이다. 2. 주사전자현미경의 원리 및 특징 1) 원리 주사전자현미경은 광학현미경에서의 관원 대신에 열전자음극을 가진 전자총을 사용하고, 시료를 투과한 전자빔을 전자렌즈로 확대하여 상을 음극선관에 투영하는 것과, 전자의 흐름을 이용하기 위해 장치내부를 진공으로 하는 것만이 다를 뿐, 구조 및 원리는 비슷하다. 전자총으로부터 방출된 전자는 가속전압에 의해 가속되고, 이렇게 가족된 전자를 다시 집속렌즈로 수렴시켜 빠른 속도로 시료위를 scanning함으로서 요철부위에서 발생하는 2차 전차를 검출, 이를 증폭하여 심도있는 상을 관찰할 수 있다. 즉, 시료의 미세구조를 해상도가 높은 입체구조 (3D)로 관찰할 수 있다. 2) 특징 시료에서 발생되는 여러 신호 가운데 주로 분해능이 높은 2차 전자를 이용하는데, 시료 내부에서 발생한 2차 전자는 시료의 물질이나 형상에 따라 방출된다. 2차 전자는 그 에너지가 낮으므로 시료 표면의 극히 얕은 곳 (~10nm) 에서 발생한 것만이 진공 중에 튀어나와 검출된다. 이 2차 전지의 신호가 음극선관 (브라운관) 의 휘도를 변화시켜 시료의 미세한 구조가 브라운관 위에 확대되어 지는 것이다. 주사전자현미경의 큰 특징은 초점심도 (depth of focus) 가 광학현미경에 비해 아주 큰 것이라고 할 수 있다. 그 이유는 주사 전자원으로 극히 가는 beam을 사용하고 있기 때문으로, 이러한 무영조명적인 콘트라스트가 요철이 심한 시료의 표면이라도 거의 전면에 걸쳐 초점이 맞고, 미세한 시료도 실사와 같은 입체적인 상을 관찰할 수 있다. 시료에서의 장소적인 신호를 시계열적으로 처리하는 것 또한 다른 현미경과의 다른 점이다. 전자현미경은 흑백의 화상만 볼 수 있다. 전자선은 사람의 눈으로 볼 수 잇는 가시광선이 아니므로 전자를 형광판이나 음극관을 통하여 요철의 밝고 어두운 차이를 관찰하므로 흑백화상이다. 3. SEM의 구조 SEM은 크게 본체부와 전기계부의 2종류로 구성되어 있다. 본체부는 전자총에서 나온 전자선을 가늘게 집속하여 시료 위를 2차원적으로 주사시키면서 조사하는 전자 광학계와 관찰 시료를 취급하는 시료 스테이지, 시료의 표면에서 나오는 신호를 검출하는 검출기, 시료 스테이지와 검출기를 포함하는 시료실 및 전자선 통로를 진공으로 배기시키는 배기계로 구성되어 있다. 전기계는 본체부를 제어하는 각종 전원과 검출기의 제어 및 신호를 증폭하는 신호처리계, 신호를 음극선관 (Cathode Ray Tube, CRT) 위에 상으로 표시하는 상 표시부 및 상을 기록하는 카메라 장치와 전기계 전체를 조작하기 위한 조작부로 구성되어 있다. 1) 전자광학계 ㄱ. 전자발생부위: 필라멘트로부터 전자가 발생하게 되는데, 전자총 (electron gun)으로 텅스텐이 주로 쓰이며, 최근에는 텅스텐에 비해 휘도가 높고 수명이 길며 안정한 LaB6 (Lanthanum hexaboride) 로 만든 필라멘트도 널리 쓰인다. ㄴ. 전자광학 부위 ㄴ-1. 집속렌즈 (집광렌즈, condenser lens): 보통 2~3단의 집속렌즈를 통해 전자를 모으며 전자량과 point size를 조정하는 역할을 한다. ㄴ-2. 대물렌즈: 시료의 바로 위에 있는 렌즈로 주사전자현미경의 분해능과 상관관계가 높은 것으로 상의 초점을 맞추는 일을 담당한다. ㄴ-3.주사부위: 주사전자현미경에 있는 집속렌즈와 대물렌즈 사이에 위치해 있으며 주사전자현미경의 scanning을 담당하는 장치로 2개의 편향코일이 있어 집속렌즈를 통과한 전자를 2차원적 (상하, 좌우)으로 편향시킨다. ㄴ-4. 비점보정부위: 광학현미경관느 달리 전자현미경은 비점수차를 조절할 수 있다. 즉, 비점수차의 방향과 정도는 주사전자현미경에서는 항상 일정하지 않으므로 표본을 관찰할 때 자주 보정해야 하는데 보정장치의 코일에 전류의 양을 X, Y 방향으로 조절함으로 맞출 수 있다. 고배율로 관찰할 때는 비점수차를 최소화해야 해상력높은 이미지를 얻는다. * 주사전자현미경의 분해능을 높인느 방법* 1. 가속전압을 높인다. 2. 집속렌즈를 작게 한다. 3. 전자의 작업거리를 짧게 한다. 4. 좋은 표본을 선정, 그리고 제작한다. 5. 비점수차를 최소화한다. 2) 표본실 (Specimen chamber) 2개의 본체 중 경통이 있는 본체로 충격완충 (진동방지) 장치가 있다. 시료의 크기, 형태, 종류가 다양하므로 시료 스테이지에서는 X, Y 방향의 이동 기구뿐 아니라 경사기구 (T), 회전기구 (R), 시료의 높이조정기구를 가지고 있다. 따라서 표본제작처리가 완료된 표본을 넣고 밖에서 좌우, 상하를 조절하며 기울기, 회전을 할 수 있는 것이다. 또한 표본의 표면에서 발생되는 여러가지 신호 (2차전자, X 선, 후방산란전자) 를 검출할 수 있는 detector가 있다. 3) 공기배출계 (진공체계) 전자총 및 전자광학부위, 표본실은 고 진공상태를 유지해야 하는데 전자현미경기기의 공통된 조건으로 전자는 공기가 있으면 진행에 장애가 되므로 높은 진공상태를 유지해야 한다. 다음과 같은 진공펌프가 있다. ㄱ. rotary pump: 단독으로 사용할 때는 진공정도가 낮다. 일반적으로 oil diffusion pump와 함께 사용한다. ㄴ. oil diffusion pump: 증기압이 낮은 순수하게 정제된 기름을 높이는 온도로 가열하여 가스상태로 증기화하여 이 가스를 분사함으로 강간내의 작은 공기입자를 기름입자에 부착시켜 냉각된 환경으로 만들면 공기와 기름이 분리되고 이때 떨어진 공기입자는 rotary pump에 의하여 배출되며 기름은 계속해서 순환하게 된다. 일반적으로 전자현미경 진공계에서 많이 사용된다. ㄷ. sputter ion pump: 어느 정도 진공이 된 상태에서 고압의 방전으로 공기를 이온화하고 음극판에 충돌하도록 하여 공기를 배출하여 진고상태를 만든다. ㄹ. turbo molecular pump: 저 진공에서 고 진공상태까지 원하는 만큼 진공을 선택할 수 있다. 수 많은 날개를 갖고 있는 펌프로 공기의 운동속도보다 빠르게 회전시켜 진공을 만드는 장치이다. 좋은 진공을 만들 수 잇으나 고가의 장비이다. 고급 전자현미경의 배기계에 이용된다. 4) 본체 전기계 ㄱ. 주사전자현미경에 전원을 공급하는 부분. ㄴ. 시료에서 나오는 신호를 검출하고 증폭시키는 부분. ㄷ. 상 타나나는 음극관 ㄹ. 사진촬영장치 혹은 디지털 화상 장치부분 4. 배율 주사전자현미경의 배율은 편향코일에서 주사하는 각도에 따른 면적대비 음극관 (요즘은 PC 모니터) 의 면적비율이다. 즉, 편향 코일의 각도에 다라서 저배율에서 고배율의 선택할 수 있다. 편향 각도는 전기적인 신호에 의하여 다양한 변화를 줄 수 있다. 5. 시료제작법 1) 일반시료 제작법 SEM의 시료제작법은 기본적으로 광투과전자현미경에 응요되어 온 방법을 기본으로 하고 있으나 , SEM 특유의 관찰조건 때문에 시료제작법을 그대로 적용하는 것만으로는 불충분하여 고 진공도를 유지시킬 것과 시료표면ㅇ르 변형시켜서는 안될 것 등 관찰 표면이 시료의 표면 형태로 제한되어 있기 때문에, 시료 제작법도 SEM의 관찰조건에 맞는 방법을 선택할 필요가 있다. 시료는 전자선의 조사에 의해 2차 전자, 반사전자, 흡수전자, 투과전자 등이 발생되며, 그 중 흡수전자는 도전성의 시료인 경우에 stage를 통해 접지된ㄷ. 그러나 비도전성 시료인 때에는 시료 내와 시료표면에 전자가 모여 charge-up현상을 일으킨다. 이런 현상이 생기면 정상적으로 상을 관찰하기 어렵게 되며, 동시에 2차전자의 발생이 불안정하게 된다. 그 결과 SEM상에서 장애가 일어나 안정된 상 관찰이 불가능하게 되므로 이러한 현상을 방지하기 위해 상 관찰 전에 진공증착장치, 이온코팅장치 등을 사용해 탄소, 금, 금-필라듐, 백금-팔라듐 등 시료 표면에 코팅해야할 필요가 잇다. 시료의 코팅은 관찰목적에 따라 코팅의 두께를 변화시켜야 한다. 2) 코팅의 목적과 방법 코팅을 하는 목적은 charge-up현상의 방지를 위해서이며, 시료에 전자선이 직접 닿는 것을 방지하고, 열애 대해서는 어느 정도 견디는 힘을 갖게 하는 것이다. 또한 시료의 축소와 팽창을 막고, 2차 전자가 많이 발생하면 밝고 질 좋은 상을 얻을 수 있기 때문이다. ㄱ. 이중진공증착법: 10-4~10-7 torr정도로 배기된 bell-jar안에서 금 등의 금속을 텅스텐선의 basket에 집어넣고 가열 증발시켜 표면에 금속 막을 입힌다. 요철이 심한 시료의 경유에는 모든 각도로부터 시료 표면에 금속 증발입자를 골고루 입혀야 하므로 시료를 여러 각도로 회전시켜 짐벌기구가 부착되어 있느 ㄴ증착기를 사용하는 것이 좋다. 증착재료로는 일반적으로 금, 탄소가 많이 사용되고 있다. ㄴ. Ion sputter: 가장 널리 손쉽게 쓰여지는 벙밥이다. 이것은 장치의 구조가 간단하고 조작도 쉽기 때문이며 sputter입자는 시료 전 부분에 골고루 막을 형성하기 때문에 charge-up효과가 뛰어나다. 결점으로는 탄소코팅이 불가능하며 ion에 의해 시료가 손상되는 경우가 있다. 코팅재료는 SEM상 관찰의 배율에 따라 골라 사용할 필요가 있다. 일반적으로 1만배 이상에서는 금, 1-5만배 정도에서는 금 혹은 금-필라듐, 5만배 이상의 경우에는 금-필라듐, 백금-필라듐 혹은 백금의 코팅재료를 사용하는 것이 좋다.