주사전자현미경의 원리와 구조

안녕하세요^^, 글로벌 정밀제조·검사장비 전문기업 쎄크입니다.

오늘은 쎄크가 취급하는 주사전자현미경의 원리와 구조에 대해 알려드리려고 해요!

 

 

 

 

주사전자현미경의 원리

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전자발생원(electron source)으로부터 전자선을 조사해 미소한 점으로

초점을 맞추고, 검출기로 미소점에서의 변화된 신호량의 대소를 브라운관

점의 명암으로써 영상시키는 방식입니다.

전자선이 조사될 때 후방 산란 전자(back scattered electron),

2차 전자(secondary electron), X선, 음극 형광 등이 발생됩니다.

발생한 전자는 검출기에 의해 전류신호로 변환되어 브라운관 위에 신호상으로써

영상화되는데, 이 중에서 2차 전자상이 가장 분리능이 높아서 가장 널리

사용됩니다. 다른 신호에 의한 상은 2차 전자상에 비해 분리능이 떨어지지만

시료를 구성하는 특수한 성질의 정보를 얻을 수 있으므로 이러한 것은 주로

특수목적의 분석에 이용되고 있답니다.

 

 

 

 

구조

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SEM은 광원과 수렴렌즈, 대물렌즈로 구성되며, 시료의 표면에서 반사된 빛을

사용하여 영상을 만드는 전체적인 구성은 광학현미경과 유사합니다.

차이점은 가시광선 대신에 가속전자빔을 광원으로 하며 유리렌즈 대신에

자기렌즈를 사용하고, 반사된 빛으로 영상을 형성하는 대신에 가속전자와

고체표면의 반응으로 발생하는 2차 전자를 전자검출기로 검출하여 CRT스크린에

영상화합니다. 이때 가속전자빔을 TV스크린에서처럼 시료표면에 주사(scanning)시키고 동시에 검출된 2차 전자 신호도 CRT의 해당하는 위치로 주사하여

영상으로 나타냅니다. 또한 SEM에서는 광원, 시료 및 검출기 등이 진공중에

있는 것이 다른 점 입니다.

전자는 이물질과 충돌하여 쉽게 산란하는 성질이 있어서, 대기중에서는 렌즈로

초점을 맟추거나 검출이 불가능하기 때문입니다.

 

 

 

 

전자총

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전자총의 역할은 광원으로 쓰이는 전자를 만들고 가속시키는 역할을 합니다.

전자총은 전자선(electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급하게

되며, 이는 Richardson의 법칙을 따르는데, 충분한 양의 2차 전자를 생산할 수

있을 만큼 많은 양의 1차 전자를 만들되, 자기렌즈에 의해서 작은 빔을

효과적으로 형성하도록 고안되어 있답니다.

 

텅스텐과 같은 금속을 높은 온도로 가열시키면, 표면의 원자에 구속되어 있던

전자들이 원자핵의 속박에서 벗어나 진공중으로 이탈됩니다. 양극은 주로

텅스텐으로 약 100마이크로미터의 직경의 선필라멘트로 끝이 V자 모양을

가진 머리핀 모양으로 구부러져 있습니다. 이 필라멘트는 전류로부터 직접

가열되고 작동중에 높은 전압(1∼50kV)을 유지하게 됩니다.

 

텅스텐의 경우 전형적인 작동온도는 2700K로 10-5torr의 진공에서 40∼80시간을

사용할 수 있게 되는데, 온도를 더 높이면 전자방출밀도는 증가하게 되나

사용수명은 감소하게 됩니다. 발생된 전자의 밀도(즉, 단위각도상 단위면적당

전자의 수)를 높이기 위해서 LaB6의 구조를 가진 B화합물을 필라멘트로

사용하기도 하는데, 이 재료는 텅스텐보다 더 많은 양의 전자를 훨씬 낮은 온도(1400∼2000K)에서 발생하는 장점을 가지고 있습니다.

금속표면에서 이탈된 전자는 필라멘트에 비해 25∼30kV의 전위차를 가진

양극판으로 가속되며, 양극 중앙에 위치한 구멍을 통하여 경축(optical axis)으로

진행시킵니다.

 

 

 

자기렌즈

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자기렌즈는 코일이 감아진 원통형의 전자석으로 전자가 자장에 의해

휘는 성질을 이용하여 전자를 한곳으로 모으는 역할을 합니다.

광축에 원대칭을 이루는 자장에 의해 광축을 따라서 진행하는 가속된 전자가

나사형 괘적을 이루면서 초점을 형성합니다. 자기렌즈는 항상 볼록렌즈의

역할을 합니다. 일반적인 전자총에서 나오는 전자빔의 크기는

약 10∼50마이크로미터로, 보통 두 개의 수렴렌즈와 한 개의 대물렌즈를

이용하고, 시편에 주사되는 크기는 전자빔의 크기의

약 1/10000인 5∼200nm정도입니다.

 

수렴렌즈는 전자총을 빠져나온 전자빔을 모아주는 역할을 하며 전자빔의

세기를 결정하는 2차 인자가 됩니다. 시료에 조사되는 빔의 크기를 결정하는

대물렌즈는 전자빔 형성렌즈로도 불리는데, 작은 전자빔을 만들기 위해서는

초점거리가 짧고 시료의 표면에 가깝게 위치되도록 합니다.

대물렌즈와 시료표면 사이의 거리를 작동거리라 하는 데, 작동거리가 적을수록

더욱 작은 점을 형성할 수 있으므로 영상의 해상력이 증대됩니다.

대물렌즈속에는 주사코일, 조리개와 비점수차코일 등이 들어있으며, 대물렌즈로

전자빔을 시료의 표면에 초점을 맞추므로 영상의 배율이 변하여도 초점은

변하지 않습니다.

지금까지 주사전자현미경의 원리와 구조에 대해 알려드렸는데요!

주사전자현미경의 구조에 대해서는 내일 2편으로 찾아뵙겠습니다.