반도체 세계의 눈, 나노 단위를 분석하는 FE-SEM 장비 알아보기

안녕하세요, 나노현미경의 세계에 오신 것을 환영합니다! 오늘은 반도체 분석에 필수적인 나노현미경 FE-SEM에 대해 자세히 알아보려고 합니다. 이 장비는 나노미터 단위의 세상을 볼 수 있게 해주는 놀라운 도구입니다. 오늘 우리는 이 SEM이라는 도구의 신비로운 세계를 탐색해 볼 것입니다.

 

 

1. FE-SEM : 소개

(1) SEM(Scanning Electron Microscopy)

: SEM(Scanning Electron Microscopy)은 고체 상태의 작은 크기의 미세조직과 형상을 관찰하는 데 쓰이는 전자 현미경입니다. SEM은 고전압으로 가속된 전자를 사용하여 시료를 스캔하고, 이로 인해 생성된 신호를 검출하여 이미지를 생성합니다. 고체 시료에서 미세한 형상과 구조를 깊이 있게 관찰하고자 할 때 이 기술이 적용되며, 다양한 분야에서 이용되고 있습니다. 자재 과학, 생물학, 의학, 지질학 등 다양한 학문 분야에서 SEM은 미세 조직의 형상과 구조를 확인하는 데 필수적인 도구로 인식되고 있습니다.

 

SEM의 구조와 원리에 대해 이해하려면, 먼저 전자현미경의 기본적인 원리에 대해 알아야 합니다. SEM은 시료에 가속된 전자를 조사하여, 이로부터 발생하는 다양한 신호를 검출하고 분석함으로써 이미지를 생성하는 원리를 기반으로 합니다. 이는 고전압으로 가속된 전자가 시료의 표면에 충돌하면서 다양한 방식으로 상호작용하게 되는데, 이 상호작용에 의해 생성되는 신호들을 감지하고 분석하여 이미지를 생성하게 됩니다.

 

 

(2) SEM 분석능력

- Resolution : 0.2[nm]

- Magnification : ~300,000 - 시편에 충돌 시 발생하는 2차 전자를 사용하여 상을 만든다

 

: SEM은 높은 해상력을 가지고 있습니다. SEM의 해상력은 0.2nm에 이르며, 이는 광학현미경의 해상력보다 훨씬 뛰어납니다. 또한, SEM은 큰 배율에서도 높은 해상력을 유지할 수 있으며, 배율은 최대 300,000배에 이릅니다. 이는 전자현미경의 렌즈 시스템이 전자를 더 높은 에너지로 가속시킬 수 있기 때문입니다.

 

SEM의 또 다른 중요한 분석 능력은 표면 이미지를 생성하는 것입니다. 이는 SEM이 시료에 조사된 전자와 상호작용하여 발생하는 이차 전자를 검출하여 이미지를 생성하기 때문입니다. 이차 전자는 시료의 표면에서 생성되므로, 이차 전자 이미지는 시료의 표면 구조에 대해 매우 상세한 정보를 제공합니다.

 

 

(3) SEM 장점

- 초심도가 깊다

- 사용배율의 범위가 넓다

- 기기조작 시료 취급이 용이

- 분석 소요시간이 짧다

- TEM에 비해 시편준비 간편

 

: SEM은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 첫째, SEM은 표면 이미지에 대한 깊은 초심도를 제공합니다. 이는 SEM이 표면 밑의 조직에 대한 정보를 제공할 수 있음을 의미합니다. 둘째, SEM은 넓은 범위의 배율을 제공합니다. 이는 매우 작은 구조에서부터 큰 구조에 이르기까지 다양한 크기의 구조를 관찰할 수 있음을 의미합니다. 셋째, SEM은 사용이 간편하며, 시료 취급이 용이합니다. 또한, SEM은 비교적 빠른 시간 내에 고해상도의 이미지를 제공할 수 있으며, 시료 준비가 상대적으로 간단하다는 장점이 있습니다.

 

 

(4) SEM 단점

- TEM에 비해 해상력이 낮다

- 진공 유지가 필수적이다

- 액체, 젖은 시료 취급 불가

 

: 그러나 SEM도 단점이 있습니다. 첫째, TEM(Transmission Electron Microscopy)에 비해 해상력이 낮습니다. TEM은 시료를 통과하는 전자를 사용하여 이미지를 생성하므로, SEM보다 더 높은 해상력을 제공할 수 있습니다. 둘째, SEM은 고전압과 진공 조건에서 작동하므로, 장비의 운영과 유지에 특별한 주의가 필요합니다. 셋째, SEM은 액체 시료나 젖은 시료를 처리하는데 제한이 있습니다. 이는 SEM이 진공 조건에서 작동하므로, 액체나 젖은 시료는 SEM 분석에 적합하지 않기 때문입니다. 이러한 시료를 SEM으로 분석하려면, 시료를 먼저 건조하거나 다른 방식으로 처리해야 합니다.

 

FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)은 SEM의 이러한 단점 중 일부를 보완한 고급 버전입니다. FE-SEM은 필드 방출 원리를 사용하여 전자를 생성하므로, 더 높은 해상력과 더 좋은 시그널 대 잡음 비율을 제공합니다. 이를 통해 더욱 선명하고 높은 해상도의 이미지를 제공할 수 있습니다. 그러나 FE-SEM은 SEM보다 더 복잡한 장비이며, 장비의 운영과 유지에 더 많은 전문성이 요구됩니다.

 

 

 

2. FE-SEM : 구조

[FE-SEM의 구조]

FE-SEM은 전자현미경 분야에서 최첨단 기술의 상징입니다. 이는 주로 광원부, 렌즈부, 검출기부, 시료 부로 나눌 수 있고, 시스템은 진공 프로세스로 구성돼 있습니다. 각 부분은 고유한 기능을 수행하며, 상호 작용하면서 현미경의 전체 작동을 가능하게 합니다.

 

 

(1) 전자 광원 (Electron Source)

: 전자현미경의 핵심적인 부분 중 하나는 바로 전자 광원입니다. 이곳에서 전자가 발생하며, 필라멘트라는 장치를 통해 방출됩니다. 일반적으로, 필라멘트는 텅스텐 또는 란타넘-헥스보라이드로 만들어지며, 필라멘트의 가열을 통해 전자가 방출됩니다. 이런 과정을 열전자 방출(thermionic emission)이라 부릅니다.

 

FE-SEM의 전자 광원에서는 '필드 방출(field emission)' 방식이 쓰입니다. 이 방식은 매우 날카로운 끝을 가진 텅스텐 니들에서 높은 전기장을 통해 전자를 방출하는 방식으로, 니들의 끝에서 방출되는 전자빔의 집속도가 매우 높아지므로 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있습니다. 이런 특성은 고해상도와 높은 분석 능력을 가진 SEM 이미지를 제공하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

 

이렇게 방출된 전자들은 렌즈 시스템을 통해 시료에 조사되며, 이 과정에서 다양한 시그널이 발생합니다. 이 시그널들은 검출기를 통해 이미지로 변환되는데, 이 과정에서 SEM의 강력한 이미징 능력이 발휘됩니다.

 

 

(2) 렌즈 시스템 (Lens System)

: 전자빔은 방출된 후, 조사되기 전에 렌즈 시스템을 통과하게 됩니다. 전자현미경에서 사용되는 렌즈는 광학현미경에서 사용되는 유리 렌즈와는 근본적으로 다릅니다. 광학현미경의 렌즈는 빛의 경로를 바꾸지만, 전자현미경의 렌즈는 전자의 경로를 바꿉니다. 이런 렌즈를 전자기학 렌즈라 부릅니다.

 

렌즈 시스템은 일반적으로 콘덴서 렌즈와 목표 렌즈로 구성되어 있습니다. 콘덴서 렌즈는 방출된 전자빔을 집속 하여 시료에 조사하는 역할을 하고, 목표 렌즈는 시료를 스캔하는 역할을 합니다. 이렇게 전자빔이 시료를 스캔하면서 발생하는 신호를 감지하고 이미지로 변환하는 것이 바로 검출기의 역할입니다.

 

 

(3) 검출기 (Detector)

: 검출기는 시료에서 발생하는 신호를 감지하고 이미지로 변환하는 장치입니다. 이 신호들은 시료의 미세 구조와 특성에 대한 많은 정보를 포함하고 있습니다. SEM에서 일반적으로 사용되는 검출기에는 이차 전자 검출기(Secondary Electron Detector, SE Detector)와 후방산란 전자 검출기(Backscattered Electron Detector, BSE Detector)가 있습니다.

 

이차 전자 검출기는 전자빔이 시료에 충돌할 때 발생하는 이차 전자를 감지합니다. 이차 전자는 시료의 표면에서 발생하므로, 이차 전자 이미지는 시료의 표면 형상에 대한 상세한 정보를 제공합니다. 반면에, 후방산란 전자 검출기는 전자빔이 시료와 상호작용하여 후방으로 튕겨 나오는 전자를 감지합니다. 이 후방산란 전자는 시료의 원소 구성에 영향을 받으므로, 후방산란 전자 이미지는 시료의 원소 분포에 대한 정보를 제공합니다.

 

 

(4) 샘플 스테이지 (Sample Stage)

: 샘플 스테이지에는 분석하고자 하는 시료가 고정됩니다. 이곳에서 시료는 전자빔에 조사되며, 이 과정에서 다양한 신호가 발생합니다. 이 신호들은 검출기에 의해 수집되고 이미지로 변환됩니다. 따라서 샘플 스테이지는 SEM의 중요한 부분입니다.

 

시료를 고정하는 방법은 시료의 종류와 크기, 그리고 분석 목적에 따라 다양하게 달라질 수 있습니다. 일반적으로, 시료는 스테이지에 고정되어야 하며, 고정된 상태에서 여러 방향으로 회전하거나 이동할 수 있어야 합니다. 이는 시료의 다양한 면을 분석하기 위해서입니다.

 

 

(5) 진공 시스템 (Vacuum System)

: 마지막으로, SEM은 높은 진공 상태를 유지하기 위한 진공 시스템이 필요합니다. 전자빔은 공기 중에서는 쉽게 산란되므로, SEM의 내부는 가능한 한 진공 상태를 유지해야 합니다. 이를 위해 터보 분자 펌프, 로터리 펌프 등의 진공 펌프가 사용됩니다. 이러한 펌프들은 SEM 내부의 공기를 제거하여 진공 상태를 생성하고 유지하는 역할을 합니다.

 

진공 시스템은 SEM의 정확한 작동과 높은 해상도 이미지 제공을 위해 중요한 부분입니다. 또한, SEM의 진공 상태는 시료의 유형에 따라 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어, 일부 시료는 높은 진공 상태에서 불안정해지거나 변질될 수 있으므로, 이러한 시료를 분석하기 위해서는 특별한 진공 조건이 필요할 수 있습니다.

 

 

 

3. FE-SEM : 원리

[SEM의 원리]

FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)은 고해상도와 고감도 분석이 가능한 SEM의 한 형태입니다. 이를 이해하기 위해서는, 전자 현미경의 작동 원리와, 특히 FE-SEM이 어떻게 그 해상력과 민감도를 달성하는지 자세히 알아보아야 합니다.

 

 

(1) 광학현미경과 전자현미경의 차이

: 먼저, 광학 현미경과 전자 현미경의 차이점을 살펴보겠습니다. 광학 현미경은 매우 오래된 기술로, 사람이 눈으로 볼 수 없는 작은 것들을 확대해서 볼 수 있게 만드는 도구입니다. 광학 현미경의 핵심 요소는 빛과 렌즈입니다. 빛은 시료를 통과하거나 시료에 반사되어 이미지를 형성하는데, 이 이미지는 렌즈를 통해 우리 눈에 도달하게 됩니다. 광학 현미경의 해상력은 약 200 나노미터로, 이는 대략 인간 머리카락 굵기의 1/500에 해당하는 크기입니다.

 

그러나, 20세기 초에 개발된 전자 현미경은 이보다 훨씬 더 작은 세계를 탐험할 수 있게 해주었습니다. 전자 현미경은 빛 대신 전자를 사용하여 이미지를 만듭니다. 전자는 빛보다 훨씬 더 작은 파장을 가지고 있어, 원자 단위의 구조까지 볼 수 있습니다. 이렇게 작은 파장을 가진 전자를 이용하여 만들어진 이미지는 광학 현미경으로는 결코 볼 수 없는 수준의 해상력을 제공합니다. 일반적인 전자 현미경의 해상력은 약 0.1 나노미터로, 이는 원자 수준의 크기에 해당합니다.

 

하지만, 전자 현미경의 작동 원리는 단순히 전자빔을 이용하여 이미지를 만드는 것만으로 설명할 수 있는 것이 아닙니다. 전자 현미경은 빛을 사용하는 광학 현미경과는 다르게, 전자빔이 시료에 충돌했을 때 발생하는 여러 가지 현상을 이용하여 이미지를 형성합니다. 이 현상들에는 이차전자 발생, 후방산란전자 발생, X-선 방출 등이 포함됩니다. 이차전자는 전자빔이 시료 표면에 충돌했을 때 발생하며, 이차전자의 발생은 시료 표면의 형상에 대한 정보를 제공합니다. 후방산란 전자는 시료의 내부에서 생성되므로, 후방산란 전자 신호는 시료의 내부 구조에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 또한, X선은 시료의 특정 원소에서 생성되므로, X선 신호는 시료의 원소 구성에 대한 정보를 제공합니다.

 

 

(2) FE-SEM

: 전자 현미경의 기본 원리를 이해했다면, 이제 FE-SEM이 어떻게 더욱 높은 해상력과 감도를 달성하는지 살펴보겠습니다. FE-SEM은 기본적으로 SEM의 원리를 따르지만, 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. 가장 중요한 차이점은 전자 건에서 전자를 생성하는 방법입니다. 일반 SEM에서는 열 방출을 통해 전자를 생성하는데, 이는 매우 높은 온도에서 금속 표면을 가열하여 전자를 '방출'하는 방법입니다. 이 방법은 간단하고 신뢰성이 높지만, 그 결과로 생성되는 전자빔의 질은 최상이 아닙니다.

 

반면에 FE-SEM에서는 필드 방출 원리를 이용하여 전자를 생성합니다. 이는 매우 뾰족한 금속 끝에서 강한 전기장을 이용하여 전자를 '끌어내는' 방법입니다. 이 방법은 보다 정교하고 복잡하지만, 그 결과로 생성되는 전자빔의 질은 훨씬 높습니다. 특히, 필드 방출 전자빔은 그 에너지 분포가 매우 좁아, 그 결과로 발생하는 이미지의 해상력이 향상됩니다. 또한, 필드 방출 전자 건은 열 방출 전자건보다 훨씬 더 높은 전류 밀도를 제공하므로, 더욱 높은 분석 감도를 달성할 수 있습니다.

 

이렇게 FE-SEM은 기본적인 SEM의 원리를 따르면서도, 더욱 높은 해상력과 감도를 제공하도록 설계되었습니다. 이러한 이유로, FE-SEM은 나노 기술 분야에서 매우 중요한 도구로 인식되고 있습니다. 나노 스케일의 구조와 재료를 정밀하게 관찰하고 분석할 수 있는 도구가 있어야만, 나노 기술의 발전을 이끌어 나갈 수 있기 때문입니다.

 

 

 

4. FE-SEM : Imaging

전자 현미경의 이미지 처리 원리는 복잡하지만, 주요 개념은 비교적 간단합니다. SEM의 이미지는 주로 두 가지 유형의 전자, 즉, 후방산란 전자(Backscattered electrons, BSE)와 이차전자(Secondary electrons, SE)에서 파생됩니다. 이 두 가지 유형의 전자는 SEM에서 사용되는 전자빔이 시료와 상호작용하면서 생성됩니다.

 

 

(1) 후방산란 전자 (BSE, Backscattered electron)

- 원자핵과의 충돌로 발생

- 탄성산란전자

- 한 개의 입사전자가 한 개의 후방산란전자로 회수됨

- 후방산란전자의 발생량은 원자번호의 의존도가 매우 큼

- 입사전자의 에너지와 상관관계가 없음

: 후방산란 전자는 전자빔이 시료의 원자핵과 충돌할 때 생성됩니다. 이들 전자는 주로 입사 전자의 방향과 반대 방향으로 방출되며, 이러한 방출을 '산란'이라고 합니다. BSE는 탄성 산란 전자로 분류되며, 이는 그들의 산란 과정이 원자핵과의 충돌에서 에너지를 거의 잃지 않는다는 것을 의미합니다.

 

BSE의 중요한 특성 중 하나는 그들이 원자번호에 따라 다르게 발생한다는 것입니다. 원자번호가 높은 원소, 즉 더 많은 프로톤을 가진 원소는 더 많은 BSE를 생성합니다. 이는 BSE 이미지에서 더 밝은 영역으로 나타나므로, 이를 통해 시료의 원소 구성을 대응할 수 있습니다.

 

또한, BSE는 입사 전자의 에너지에 크게 영향을 받지 않습니다. 이는 BSE를 사용하여 다양한 가속 전압에서 작동하는 SEM에서 안정적인 이미지를 얻을 수 있음을 의미합니다.

 

 

(2) 이차전자 (SE, Secondary electron)

- 원자의 외각전자와의 충돌로 발생

- 비탄성산란전자

- 한 개의 입사전자가 여러 개의 이차전자를 발생

- 이차전자의 발생량은 표면 형상의 의존도가 큼

- 입사전자의 에너지가 커지면 발생량이 작아짐

 

: 이차전자는 전자빔이 시료의 외각 전자와 상호작용할 때 생성됩니다. 이들 전자는 원자핵의 궤도에서 '떨어지며', 이를 비탄성 산란이라고 합니다. 이는 원자핵과의 충돌로 에너지를 손실하는 산란 형태를 의미합니다.

 

SE는 시료의 표면 형상에 크게 의존합니다. SE는 표면에서 직접 방출되며, 시료의 기하학적 형상에 따라 방출 패턴이 크게 달라집니다. 이는 SE 이미지가 시료의 표면 형상을 매우 잘 나타낸다는 것을 의미합니다.

 

또한, SE의 발생은 입사 전자의 에너지에 따라 변합니다. 입사 전자의 에너지가 증가하면, 이차전자의 수는 줄어듭니다. 이는 고해상도 SEM 이미지 처리에서 중요한 역할을 하는데, 이는 더 높은 가속 전압에서 입사 전자가 시료를 더 깊이 침투하고 더 적은 이차전자를 생성하기 때문입니다. 이는 상대적으로 낮은 해상도의 BSE 이미지와 비교하여 더 높은 해상도의 SE 이미지를 생성할 수 있음을 의미합니다.