전자빔을 발생 및 가속시키는 전자총

안녕하세요^^, 검사장비 전문기업 쎄크입니다.

오늘은 주사전자현미경 컬럼부에서 전자빔을 발생 및 가속시키는 역할인

전자총에 대해 소개해 드릴께요~

 

 

 

 

전자총 Electron Gun

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SEM의 컬럼부는 전자총, 집속렌즈와 대물렌즈, 주사코일로 구성되어

있는데요, 그 중 전자총의 역할은 전자를 만들고 가속시키는 역할을 합니다.

전자총은 전자선(electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급하는데요, 충분한 양의 이차전자를 생산할 수 있을 만큼 많은 양의 1차 전자를 만들되,

자기렌즈에 의해서 작은 빔을 효과적으로 형성하도록 고안되어 있습니다.

원자 내의 전자는 원자핵과의 전기력 작용에 의하여 특정 위치에서 일정한

에너지를 갖고 있기 때문에 전자가 상온에서 자기 위치를 벗어나 공중으로

방출되는 일은 거의 일어나지 않지만 전자가 갖고 있는 에너지 장벽

(일함수; work function) 이상의 에너지가 주어질 경우 전자가 튕겨져 나오게

된답니다.

 

즉, 전자총의 필라멘트로 사용되는 텅스텐과 같은 금속을 높은 온도로 가열시키면, 표면의 원자에 구속되어 있던 전자들이 원자핵의 속박에서 벗어나 진공 중으로

이탈됩니다.

 

 

 

SEM의 전자총에는 열방사형(thermionic electron gun)과

전계방사형(field emission electron gun)으로 나뉘어 지는데요!

 

열방사형

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열방사형(thermal emission)의 경우 음극은 주로 텅스텐으로

약 100㎛ 직경의 선필라멘트로서 끝이 V자 모양을 가진 머리핀 모양으로

구부러져 있습니다.

텅스텐은 일함수 값이 4.5 eV로 크지 않고, 융점은 3,650K로 매우 높기 때문에

필라멘트로 많이 사용되며, 일반적으로 필라멘트에 직접 전류를 가하여

약 2,700K까지 가열합니다.

 

고급 전자현미경에서는 발생된 전자의 밀도(즉, 단위각도상 단위면적당 전자의 수)를 높이기 위해서 LaB6(lanthanium hexaboride)를 사용하며, 1900K의

온도로 가열하여 사용합니다. LaB6는 표면 원자흡착에 의해 전자방출성이

현저히 떨어지는 문제가 있으므로 고진공을 유지하여야 합니다.

 

 

[ 출처 : Collaborative Innovation Network 블로그 ]

 

 

전계방사형

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전계방사형(field emission) 전자총은 팁(cathode), 1차 양극,

2차 양극으로 구성되는데요, 팁은 W-point tip을 600~2000 A의 곡률반경을

가지도록 뾰족하게 제작한 후 강한 전기장을 가하여 potential 장벽의 두께를

줄여줌에 따라 전자가 텅스텐 표면 밖으로 투과되어 나가는 원리를

이용하고 있습니다.

 

FE 전자총은 점원으로부터 균일한 에너지의 전자선이 얻어지므로 대단히 높은

전자선 밝기와 작은 교차점을 형성할 수 있어서 고해상도를 얻을 수 있습니다.

1차 양극은 3~5 kV의 고전압을 가하여 팁으로부터 전자를 방출하게 하고

2차 양극은 전자를 가속시키는 역할을 하는데 2차 양극과 팁 사이에는

최대 30kV의 가속전압이 가해지게 됩니다.

 

전계방사형의 경우 열을 전혀 가하지 않는

- 상온형(CFE; cold cathode field emitter),

- 고온형(TFE; thermally assisted field emitter),

- 쇼트키형(SE; Schottky field emitter)이 있습니다.

3세대 전자총이라 할 수 있는 Schottky 방식은 텅스텐 팁의 열전자방식 보다

낮은 온도로 가열하여 텅스텐의 일함수를 낮추고, 다른 방식 보다 작은

전기장으로 텅스텐 표면으로부터 전자를 방출하는 원리로서

차세대 전자총으로 발전할 것으로 보고 있습니다.

 

 

이상으로 주사전자현미경의 구성품 중 하나인 전자총에 대해 소개해 드렸습니다.

쎄크는 다양한 주사전자현미경을 취급하고 있고, 홈페이지를 방문하시면

주사전자현미경에 관한 자세한 상담도 가능합니다.