2016. 2
ndsemester
6
thclass
Jihoon Jang
Electrical & Electronic materials
1. 표면분석
■ 표면분석이란??
: 고체 표면하 수백 nm 깊이까지의 영역에서 발생하는 현상을 정확하게 검지하여 제어하기 위해 전자, 이온, 광자를 사용하여 표층의 조성과 구조를 규명하는 것
Incident beam
Release beam
Release beam
1. 표면분석
■ 표면분석기법의 종류
Release Beam
Incident Beam PHOTONS ELECTRONS IONS PHOTONS
Infrared Spectroscopy (FTIR) Raman Spectroscopy (LRS) X-ray Fluorescence (XRF) Extended X-ray Absorption Fine (EXAFS)
X-Ray Photoelecton Spectroscopy (ESCA) UV-Photoelectron Spectroscopy (UPS) Photon-Induced Auger Electrons
Laser Mass Spectroscopy (LAMMA)
ELECTRONS
Electron Microprobe Appearance-Potential Spectroscopy (APS) Cathodoluminescence
Auger Electron Spectroscopy (AES)
Low-Energy Electron Diffraction (LEED) Electron Microscopy
Electron-Impact Spectroscopy (EIS)
Electron-Induced Ion Desorption (EIID)
IONS
Ion Microprobe : X-ray (IMXA) Ion-Induced X-raysIon Neutralization Spectroscopy (INS)
Ion-Induced Auger Electrons
Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)
Low-Energy Ion Scattering Spectroscopy (ISS)
High-energy Ion Scattering Spectroscopy (RBS)
1. 표면분석
■ 전자빔을 이용한 분석장비의 종류
EPMA
2. 주사전자현미경
■ 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)
: 전자빔을 이용하여 시편의 이미지를 보는 장비
출처 : Jeol Korea
2. 주사전자현미경
■ 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)
: 다양한 하전입자 (charged particles) 중 2차 전자, 후방산란전자를 분석
* 전자빔에 의한 발생되는 하전입자
특성 X-선
(Characteristic X-ray)
투과전자 (Transmitted Electron) 오제전자
(Auger Electron)
입사전자 (Incident Electron)
후방산란전자 (Back Scattered Election, BSE)
2차전자
(Secondary Electron, SE)
2. 주사전자현미경
■ 신호발생 깊이 및 공간 분해능
: 이차전자는 오제 전자 다음의 표면 근처에서 발생
출처 : 표면특성 기기분석(박영서 외), 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업)
2. 주사전자현미경
■ 분해능 (resolution)
: 서로 떨어져 있는 두 점을 분간할 수 있는 한계
→ 이론 분해능 : R = 0.61 λ / n Sinα
(λ: 광원의 파장, n = 매질의 굴절률, α = 입사반각)
→ 광원의 파장이 짧을수록, 입사반각이 클수록 분해능 좋음
출처 : Jeol Korea
2. 주사전자현미경
■ 주사전자현미경의 특성
1. 주사전자현미경과 광학현미경의 비교
출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업) http://blog.naver.com/coxem/10111455548
2. 주사전자현미경
■ 주사전자현미경의 특성
2. 장점
1) 분해능이 높기 때문에 고배율로 물체를 관찰할 수 있다.
→ 10만배 이상, 최대 100만배
2) 피사계 심도 (초점깊이)가 대단히 깊다. → 3차원 형태의 이미지 3) 디지털 영상으로 제공, 저장
4) 다양한 주변기기의 사용
; BSE (Back Scattered Electron),
EDS(energy dispersive X-ray spectroscope),
WDS(wavelength dispersive X-ray spectroscope)
2. 주사전자현미경
■ 주사전자현미경의 특성
3. 단점
1) 광학현미경 대비 매우 복잡한 구조의 장비
→ 가격이 비싸다.
2) 진공장비 → 생체재료에 대한 한계
3) 부도체 시료의 관찰시 전자의 축척 → 이미지 왜곡 4. 적용
1) 금속 재료 분야 : 표면형상, 적층 결함, 계면, 두께 등 2) 화학 공업 분야 : 고분자의 형태, 크기, 표면형상 등
3) 생물 및 의학 분야 : 조직의 형태, 각종 바이러스의 외부 형태 등 4) 기타 지질, 분말 시료 등의 관찰
2. 주사전자현미경
■ 장비의 구성
2. 주사전자현미경
■ 장비의 구성
1. 전자의 발생과 렌즈의 역할
출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업) http://blog.naver.com/coxem/10111455548
2. 주사전자현미경
■ 장비의 구성
1. 전자의 발생과 렌즈
1) 전자총 : 전자를 발생하는 장치
일함수 이상의 에너지 → 전자가 튕겨나옴
출처 : Jeol Korea
• 전자총의 종류
1. 열방사형 전자총
(Thermionic electron gun) 2. 전계방사형 전자총
(Field emission electron gun) 3. 열방사형과 전계방사형의 가장 큰
차이는 Source Size
-> 최종 Probe Size를 결정
2. 주사전자현미경
■ 장비의 구성
1. 전자의 발생과 렌즈
2) 렌즈 : 자기장으로 구성
• 집속 렌즈의 역할
– 시료면상의 전자선의 직경을 조절
– 전자빔을 집광
– CL Aperture를 사용하여 큰 각도로 이탈하는 전자 들을 제거해 빔 전류량 제한
• 대물 렌즈의 역할
– 전자빔을 반확대하여 시편 상에 초점을 맞추는 역할
– 시료에 조사되는 빔의 최종 크기 결정
2. 주사전자현미경
■ 장비의 구성
2. 시료실 (chamber)
: 배기계 및 진공 시스템
- 전자의 진행성 증가, 고전압의 방전 방지, 유기물로부터 발생되는 gas에 의한 오염 방지
진공도 압력범위(Pa)
Low Vacuum(저 진공) 105(대기압) > P > 3.3 x 103 Medium Vacuum(중간 진공) = RP 3.3 x 103 > P > 10-1 High Vacuum(고 진공) = DP or TMP 10-1 > P > 10-4
Very High Vacuum(강 고진공) 10-4 > P > 10-7 Ultra High Vacuum(초 고진공) 10-7 > P > 10-10
2. 주사전자현미경
■ 분석에 영향을 미치는 요인
1. 가속 전압 (Accelerating Voltage)
• 저분해능
• 적은 Edge Effect
• 적은 Charge up
• 시편 Damage ↓
• 고분해능
출처 : Jeol Korea
2. 주사전자현미경
■ 분석에 영향을 미치는 요인
2. 엣지 효과(Edge Effect)
• 전자빔과 시편과의 각도 관계
• 측면, 돌출된 얇은 부위, 모서리 부분:
전자빔이 깊이 침투 못해 이차 전자 방출량↑
-> 평탄한 면보다 밝게 보임
일차전자 침투깊이 깊음
이차 전자 방출량 적음
전자충돌이 표면 가까이서 발생
이차 전자 방출량 많음
출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업)
2. 주사전자현미경
■ 분석에 영향을 미치는 요인
3. 시편 상호 작용 (Interaction Volume)
1) 원자번호: 작을수록 비탄성산란, 클수록 탄성산란 가능성↑
2) 가속전압: 클수록 시편 깊은 영역까지 전자 침투 가능
3) Tilt각도: Tilt각이 증가할수록 Interaction Volume 깊이 감소
출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용 (나노융합산업)
2. 주사전자현미경
■ 분석에 영향을 미치는 요인
5. 구면수차(Spherical aberration)
- 한 점에서 발산된 빛이 광 축에서 서로 다른 거리에서 굴절한 후 다시 동일한 점으로 모이지 못하는 현상
- 전자기 렌즈에서 자속 밀도가 광 축에서 멀어질수록 자장의 세기가 약해지기 때문에 나타남
출처 : Jeol Korea
2. 주사전자현미경
■ 분석에 영향을 미치는 요인
6. 색수차(Chromatic aberration)
- 빛의 색깔(파장)이 다르면 렌즈에 대한 굴절률이 달라지므로 렌즈에 대한 빛의 굴절 경로도 색에 따라 달라지게 됨
- 색깔에 따라 초점거리가 달라지므로 각각 서로 다른 위치에 초점을 형성하기 때문에 나타나는 현상
출처 : Jeol Korea
2. 주사전자현미경
■ 분석에 영향을 미치는 요인
7. 비점수차(Astigmatism)
- 렌즈 방향에 서로 수직인 방향으로 입사되는 빛에 대한 초점 거리가 동일하지 않은 경우 영상이 타원으로 확대되며 찌그러짐 - 자기장의 원주방향의 분포가 원 대칭을 이루지 못하는 경우에
비점수차가 발생
출처 : Jeol Korea
