주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)
주사전자현미경은 전자빔을 이용해 미세한 부분을 확대하여 이미지화 하고 이를 관찰하고 관찰하고 분석하는데 사용한다. 광학현미경에 비해 높은 배율로 관찰 가능하여 많은 부분에 적용할 수 있다. 주로 시료의 겉표면 또는 시료를 파괴시켜 내부구조를 입체적으로 관찰하는데 이용이 된다.
17세기부터 개발되어 사용되어 온 광학현미경과 20세기 들어서 개발되어 온 전자 현미경은 위와 같이 구조가 매우 비슷하다. 하지만 광학현미경은 가시광선을, 전자현미경은 전자파를 사용한다. 광학현미경의 광원으로는 램프와 같은 조명을 이용하면 되기 때문에 손쉽게 만들어낼 수 있지만, 전자 빔을 이용하는 전자현미경은 전자빔을 집속할 장치가 필요하기 때문에 장비가 비쌀 수 밖에 없다. 하지만, 그만큼 높은 분해능(Resolution)과 고배율 관찰이 가능하다는 점에서 전자현미경의 사용이 필요한 것 같다.
광학현미경)
광원 : 가시광선 빛을 만들어 냄.
집광렌즈 : 빛을 모아줌.
대물렌즈와 투사렌즈 : 시편을 통과한 빛을 확대하여 영상으로 만들어 냄.
관측화면 : 만들어진 영상을 눈으로 관찰할 수 있도록 투사함.
전자현미경)
전자총 : 전자파를 만들어 냄.
집속렌즈 : 전자총에서 만들어진 전자총을 모음.
대물렌즈와 투사렌즈 : 시편을 통과한 전자파를 확대하여 영상을 만들어 냄.
형광스크린 : 만들어진 확대 영상을 눈으로 관찰할 수 있도록 투사함.
전자현미경도 두 가지로 나뉜다. 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이다. 말 그대로 투과전자현미경은 전자파로 시편을 투과하고 그 투과된 전자를 관찰하는 전자현미경이고 주사전자현미경은 전자파로 시편을 투과하지 않고 표면을 주사하여 관찰한다.
(나는 주로 주사전자현미경을 다룰 것임. 쀼)
1. 주사전자현미경의 구조
위 사진은 SEM설비에 있어서 독보적이라고 할 수 있는 hitachi社의 schottky 주사전자현미경이다. 위와 같이 주사전자현미경은 광학계 본체와 모니터를 포함한 제어계로 이루어져 있고, 장비의 기둥은 '컬럼' 이라고 부르며 그 안에 전자총과 전자렌즈가 들어 있다.
더 자세히 말하면 컬럼 내부 맨 위에는 전자총, 그 아래 집속렌즈와 대물렌즈가 그리고 대물렌즈 내부엔 편향코일이 존재한다. 전자파는 이 기둥 내부의 여러 렌즈를 통과하면서 집속되어 매우 작은 프로브(probe)가 된다. 프로브로 시편 표면을 주사시 표면 정보를 갖는 전자 신호들이 나오고 이는 검출기를 증폭시켜 모니터에 표면 정보들을 보여준다. 즉, 매우 작은 시편의 면적 부위가 큰 모니터에 나타나면서 높은 배율로 확대가 되는 것이다.
2. 주사전자현미경의 특징
주사전자현미경에는 여러 특징이 있다.
첫째, 주사전자현미경은 높은 분해능으로 고배율로 대상물을 관찰할 수 있다. (분해능이 무엇인지는 다음에,,ㅎㅎ) 암튼!
그냥 고배율로 대상물을 관찰할 수 있으니 나노미터 단위의 작은 입자들도 잘 보일 수 있다고 보면 된다. 대신 물체가 크게 확대되어 시야가 좁아진다는 단점이 존재한다. 또한, 분해능은 전자총의 종류에 따라서도 분해능은 달라지는데, 일단은 전자총은 열방사형 전자총과 전계방사형 전자총으로 나뉘고 각각 5~10nm의 분해능과 0.4~2nm의 분해능을 가지고 있다는 것만 알면 될 것 같다.
둘째, 주사전자현미경은 저배율 관찰도 가능하다. 즉, 저배율에서는 고배율에서와는 달리 시야가 넓어지기 때문에 대상물 전체를 파악하기에 좋다.
셋째, 광학현미경보다 피사계심도가 깊다. 피사계심도(Depth of Field, DoF)도 다음에 설명하겠지만, 초점이 맞는 깊이 범위를 의미한다. 즉, 피사계심도가 깊으면 높낮이가 큰 대상물을 관찰하는데 용이하며 3차원적인 영상을 얻을 수 있게 되는 것이다. 반대로 얕으면 일부를 제외하고는 초점이 잘 맞지 않아 흐릿한 영상이 얻어지게 되는 것이다. 피사계심도도 조리개에 따라서 범위가 달라지는데 이 내용도 나중에!
넷째, 쉽게 영상처리 분석이 가능하다. 주사전자현미경은 신호 검출을 통해 영상을 만들기 때문에 아날로그 또는 디지털의 분해된 신호로 구성이 되어있어서 영상처리 분석이 가능하다는 특징이 있다.
다섯째, X선 분광분석기(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS or WDS) 를 장착하게 되면 성분분석 및 화학정보도 얻을 수 있게 된다. 또한 화학성분의 line profile 과 매핑 분석을 통해 공간분포도 알 수 있다.
여섯째, 타 분석에 비해 시편 제작 과정이 간단하다.
이렇게 장점이 많은 만큼 비싼 주사전자현미경의 구조와 특징에 대해서 정리해봤다. 반도체 구조가 더 미세해져 가고 있고 그 만큼 더 높은 검출력을 요하고 있는 실정인데, 현재 많은 MI설비에서 활용되고 있는 BF/DF 기술로는 한계에 부딪히는 시점이 올 것 같다. 그만큼 MI설비에서 SEM설비의 비중이 높아지지 않을까.. 하는 생각,, 미리미리 대비하자!
별첨) 주사전자현미경 역사
주사전자현미경은 1942년 미국 RCA 연구소에서 최초로 발명되었다. 투과전자현미경보다 10년이나 늦게 발명이 되었다. 이는 전자빔의 주사기술 과 전자 제어 계측기술의 기술개발이 선행되어야 했기 때문이다. 초기 주사전자현미경의 검출효율이 매우 낮아 화질이 좋지 않았지만 표면의 굴곡을 관찰할 수 있는 최초의 기술이였다.
현대에 사용되고 있는 주사전자현미경은 저속전자 시스템의 개발과 정전기 렌즈에서 전자기 렌즈로의 교체 그리고 이중 편향코일과 스티그메이터를 개발하면서 더욱 발전된 형태로 등장할 수 있게 되었고, 신틸레이터형 검출기를 개발하여 잡음도를 대폭 낮춤으로써 쓸모도를 높였다. 그렇게 지금의 우리가 사용하는 SEM이 된 것이다. 여기에 X선 분광분석기(EDS)를 장착하여 성분분석을 할 수 있게 되고, 전자 후방산란 회절분석기(EBSD)를 장착하여 시편상의 결정립에 대한 결정학적 방향 분석이 가능해졌다. 인공지능(AI)기술의 발달과 더불어서 AI를 이용해 자동제어하는 SEM도 개발이 되어가고 있는 실정이다.
우리나라에는 1956년 경북대학교에 일본의 히타치 사의 투과전자현미경이 최초로 도입되었고, 초기에는 생물학 연구용으로 사용이 되다가 점차 금속, 반도체 등 사용 범위를 넓혀가게 되었다. 현재는 우리나라에 2000대 이상의 전자현미경이 도입되어있다. 일본의 히타치, 지올, 미국의 서모사이언티픽, 독일의 자이스, 체코의 테스칸 등이 세계적으로 알아주는 주사전자현미경의 회사들이며, 우리나라에는 1977년 마산에 설립된 ISI 사가 미니 SEM 부터 시작해 일본 탑콘사와 합작하여 '탑콘' 이라는 이름의 현미경도 생산을 하다가 현재는 국내의 전자현미경 생산이 중단하게 되었었다.
하지만, 얼마간의 공백기를 거친 후 축적된 기술을 바탕으로 다시 미래로시스템에 의해서 국내 SEM이 개발 생산되기 시작하였다. 이후 국책연구과제로부터 국내 기술로 주사전자현미경도 개발이 되었고, 현재는 펨트론, 쎄크, 새론테크놀로지 등에 의해서 국산 주사전자현미경이 개발되어 생산판매되고 있다. 요새 소형화 추세에 맞게 미니 주사전자현미경들이 개발되고 있으며 국내회사는 물론이고, 서모사이언티픽 사의 '피놈', 히타치 사의 'TM', 지올 사의 '네오스코프' 등의 외국회사 들도 많은 개발 및 생산을 이어가고 있다.
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