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레포트 자료등록 주사전자 현미경-SEM Scanning Electron Microscope 자료등록 에 대해서
[레포트] 주사전자 현미경-SEM [Scanning Electron Microscope]에 대해서
SEM(Scanning Electron Microscope)
1. SEM이란?
SEM은 주사전자 현미경으로서 고체 상태의 미세조직과 형상을 관찰하는데 매우 유용하게 사용되는 분석기기 중 하나이다. 기존의 광학현미경의 최대 확대배율은 1,500배이다. 이 값이상은 해상능(Resolution)이라고 하는 렌즈(빛)의 성질에 의해 제한을 받는다. 분해능 (Resolution)은 illumination system의 파장, 대안렌즈나 대물렌즈의 numerical aperture(NA)에 의해 결정된다. 이러한 관계는 Abbe에 의하여 수학적으로 R = 0.61 [λ]/NA로서 표시되었다. 따라서 1.4의 numerical aperture를 가진 대물렌즈를 사용하면 가시광선([λ]avg = 550nm)을 사용하는 광학현미경의 경우에는 0.2 ㎛이다. 즉 광학현미 경으로는 두 점 사이가 0.2㎛보다 가까운 거리는 구별할 수 없다는 이야기가 된다.
광학현미경의 이러한 단점을 극복하기 위해서 전자현미경이 개발된 것이다. 광학현미경의 작동원리나 한계에 대한 물리적 법칙들이 전자현미경에도 그대로 적용된다. 차이점은 유리렌즈 대신에 전자기렌즈를 사용하는 것과 빛의 파장이 다르다는 것뿐이다. 전자들 은 전자기파의 파동성격을 지닌 하전된 입자로서 de Broglie`s equation에 따르면 전자 빔의 파장은 전자들의 속도에 반비례한다. 전자 현미경의 전자총에서 방출된 전자의 속 도는 가속전압에 비례하므로 짧은 파장의 전자빔을 이용하여 고배율(90 ~ 800,000배)을 얻을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 광학 현미경와 전자 현미경을 비교하면 다음과 같다.
전자현미경
광학현미경
조명기구
이용파장
매질
렌즈
개구각
해상력
배율
초점
콘트라스트
전자빔
0.0859Å(20KV)~0.0370Å(100KV)
진공
전자렌즈(자석 혹은 정전)
~35。~
점과 점 : 3Å
90X~800,000X(연속조절가능)
전기적으로 작동
산란흡수, 회절
빛
7,500Å(가시광선)~2,000Å(자외선)
공기
광학렌즈(유리)
~70。~
시야 : 2,000Å
자외선 : 1,000Å
10X~2,000X(렌즈교환)
기계적으로 작동
흡수, 반사
<표1 전자현미경과 광학현미경의 비교>
2. SEM의 개발 역사
첫번째 주사전자현미경은 1942년 Zworykin et al.1에 의해서 개발되었는데, 전자총이 현재 의 주사전자현미경과는 달리 밑에 있고 3개의 전자기 렌즈와 주사코일로 구성되어 있었 고 2차전자에 의해서 형광스크린에 형성된 scintillation을 photomultiplier tube가 탐지 하는 형태였다. 이보다 앞서 1938년 M. von Ardenne2,3이 주사전자빔을 이용하였으 나 이는 얇은시편을 투과하는 전자빔, 즉 STEM(scanning transmission electron microscope)이였다.1948년 케임브리지대학의 C.W. Oatley는 Zworykin의 아이디어 에 기 초를 두고 SEM의 제작을 시작하였으며 그의 대학원생인 D. McMullan은 박사학위 논 문에서 500Å의 분해능까지 얻을 수 있다고 주장하였다.
그 후, K.C.A. Smith은 전자광학시스템의 많은 부분에 수정을 가하여 정전기렌즈 (electrostatic lens)를 전자기렌즈(electromagnetic lens)로 교체하였고 double deflection scanning system을 채택하였으며 보다 나은 imaging을 위하여 gamma processing이라는 non-linear signal processing을 이용하였다.
그 다음의 발전은 주로 신호를 수집하고 처리하는 과정을 개선한 것인데 Zworykin에 의해서 처음에 사용되었던 형광스크린과 Photomultiplier는 light pipe를 이용하여 개선되 었는데, light pipe는 scintillatior와 photomultiplier를 직접 광학적으로 연결하여 효율을 크게 높였다. 이러한 detector의 개선은 주로 T. E. Everhart 와 R. F. M. Thornley에 의 해서 개발되었는데, 따라서 이러한 detector 구성을 Everhart-Thornley detector라고 부 른다.
이후 케임브리지대학의 R. F. W. Pease 와 W. C. Nixon은 현재와 마찬가지로 전자총을 위쪽에 배열하여 전자기 렌즈, double deflection scan coil, stigmation coil, Everhart-Thornley detector을 모두 사용한 SEM V를 개발하였는데, 이것이 1965년에 개발된 시판용 전자현미경인 Cambridge Scientific Instruments Mark I의 토대가 되었 다. 이 첫번째 상업용 SEM은 분해능이 25nm, 배율 x20 - x50,000, field of view가 광 학현미경의 300배 정도로 획기적인 것이었다.
3. SEM의 작동 원리
전자현미경은 거의 빛의 속도로 이동하는 전자의 파동성을 이용한 전자가속기로서 전자 빔을 전자기렌즈를 이용하여 초점을 형성한다. 가속전압은 대개 60-100 keV이고 illumination source로서는 텅스텐으로 만든 filament를 사용하는데, 이를 전자총 (electron gun)이라고 부른다. 전자총에 고전압이 걸리면 filament가 2700 K까지 온도가 올라가서 filament의 끝부분에서 열전자(thermal electron)를 방출하게 된다.
이 방출된 열전자 혹은 전계전자(Field-emitted electron)들은 집광렌즈(con
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