광학현미경은 가시광선을 이용하기 때문에 빛의 굴절, 반사, 회절 등 빛의 움짐임에 대한 이해가 필요하다. 이렇듯 전자현미경도 전자파의 굴절, 수렴, 회절 등 전자파의 움직임을 이해할 수 있는 전자광학적 지식이 필요하다. 주사전자현미경은 전자총으로 전자파를 만들고 전자기 렌즈로 이를 수렴시키고 비로소 미세한 프로브들이 만들어져 시편을 분석하는 원리이다. 전자현미경의 분해능과 화질을 결정하는 요소는 '프로브의 크기' 와 '세기(전류량)' 이다. 이 값들의 변화를 알기 위해선 전자총과 전자기 렌즈에 대한 이해가 필요하다.
이번 글은 전자총에 대해서만 정리하고자 한다. 매우매우 길어질 것 같으니깡..
전자총은 '열방사형', '전계방사형' 으로 나뉜다. 전자총에서 전자빔을 만들어내기 위해서 고체 물질 내에 있는 전자들을 밖으로 꺼내야하는데 이때 '열'을 이용하면 '열방사형', '전계'를 이용하면 '전계방사형' 이 되는 것이다.
1. 열방사형 전자총(Thermionic Electron Gun, TEG)
1-a) 전자의 방출
물질 내의 원자들이 존재하고 이 원자 내에는 전자와 원자핵이 전기력에 의해서 특정 에너지 준위를 갖고 존재하게 된다. 그 중 가장 높은 에너지 준위를 '페르미 에너지'라고 한다. 전자는 상온에서는 이 에너지 준위를 벗어나는 일은 거의 일어나지 않지만 일정량 이상의 에너지가 주어지면 전자가 이 에너지 준위를 벗어나 공중으로 나오게 된다. 이때, 진공에 해당하는 에너지 준위와 페르미 에너지 간의 차이를 '일함수(Work Function)' 이라고 하고, 전자는 일함수 이상의 에너지를 받으면 공중으로 방출이 되게 되는 것이다. 그럼 얼마만큼 방출이 되는가? 이는 '리처드슨 법칙(Richardson's law)' 에 의해서 결정이 된다.
J : 전류 밀도
A : 물질상수
W : 일함수
T : 물질 온도
단위시간당 단위면적당 공중으로 방출이 되는 전자의 개수는 전류밀도를 의미한다. 단순하게 전류밀도가 클 수록 많은 전자들이 방출이 된다고 생각하면 된다. 리처드슨 법칙에 의하면 전류밀도는 온도가 클수록, 물질상수값이 클수록, 일함수가 작을수록 큰 값을 가지게 된다.
1-b) 구조
열방사형 전자총의 구조는 위 그림과 같이 위에 필라멘트와 필라멘트 전원이 있고 아래에는 구멍이 뚫린 양극판(anode plate) 가 있다. 그리고 필라멘트를 주위엔 웨네트 실린더(Wehnelt cylinder) 라고 불리는 그리드 캡이 있다. 필라멘트는 필라멘트 전원에 의해서 고온으로 가열이 되어 전자를 방출하며 이는 필라멘트가 음극(cathode) 역할을 함을 의미한다. 방출된 전자는 필라멘트와 양극판 사이에 걸린 고전압인 '가속 전압' 에 의해서 가속이 되어 양극판 방향으로 흘러가 전자빔을 형성하게 된다.
웨네트 실런더는 이때 방출된 전자를 모으는 정전기 렌즈의 역할을 하여 오른쪽의 바이어스 저항에 의해서 높은 전압이 가해진다. 이 전압은 필라멘트보다 상대적으로 더 음으로 대전된 전압이고 이 전압에 의해서 전자들은 척력을 받게 되어 가운데로 집속되어 양극판으로 가속이 되면서 중간에 교차점을 가지게 된다.
필라멘트 음극과 양극판 간의 거리는 고정이다. 하지만 웨넬트 실린더와 필라멘트 간의 거리는 조정이 가능하다. 필라멘트를 새 것으로 교환할 때 웨넬트 실린더의 거리 조정은 필수적이다. 필라멘트와 실린더 사이 거리가 가까울 때, 바이어스 전압에 의한 전기장의 영향이 커지게 되고 전자 방출을 포화점까지는 도달해야하기 때문에 더 큰 전류를 필라멘트에 걸어줘야 한다.
그만큼 높은 빔전류가 얻어지게 되는 것이다. 하지만, 거리가 멀 경우에는 필라멘트 전류가 적어도 바이어스 전압의 영향을 덜 받기 때문에 금방 포화점에 도달하게 되고 낮은 온도에서도 작동할 수 있게 된다. 하지만 분산각이 작기 때문에 낮은 빔전류를 얻게 된다. 이렇듯 최적의 거리 값을 갖는 것이 중요하다. 보통 필라멘트와 실린더 사이 거리는 0.4~0.6mm 정도로 조절하는 것이 적당하다.
1-c) 빔전류 포화점
위에서 말한 포화점이란 무엇인가? 시편까지 도달하는 전자의 개수 또는 전류량은 전자총에서 최대 효율로 전자를 방사하여야 한다. 그러기 위해서 필라멘트를 저항가열하고 그 온도를 약 2700K 까지 올려야 한다. 위 그림과 같이 어느 이상 증가를 하여도 빔 전류는 더이상 증가하지 않는 포화점(Operating Point, Saturation Point) 에 도달하게 된다. 이렇게 포화점에 도달할 수 있는 이유는 빔전류가 증가하면서 웨넬트 실린더의 바이어스 전류가 증가하게 되고 당연히 바이어스 전압도 증가를 하게 되어 빔전류의 더이상의 증가가 없도록 상쇄시키기 때문이다. 즉, 포화점은 주사전자현미경의 최적의 작업 조건이 되는 것이다.
이렇게 포화점보다 낮은 필라멘트 전류에서는 시편에 도달하는 전류량이 적기 때문에 어두운 영상이 얻어지고 포화점 이상의 필라멘트 전류에서는 시편에 도달하는 전류량이 최대치 이기 때문에 밝아진다. 그렇다고 필라멘트의 전류를 너무 쎄게하면 필라멘트의 수명이 닳아지기 때문에 포화점에서 작업하는 것이 좋다.
위 그림에서의 오류피크(False Peak) 점 처럼 포화점에 도달하지 않았음에도 불구하고 빔전류가 중간에 일시적으로 감소하는 부분이 생기기도 하는데 이는 비정상적 돌출 부분이나 국부적인 전자 방출량이 증가할때 발생한다.
1-d) 바이어스 전압
바이어스 전압은 웨넬트 실린더에 가해지는 음의 전압인데 이 값이 0이하이면 필라멘트에서 방출되는 전자의 양도 많아지고 방출각도 커지게 되는데 이로 인해서 집속이 되지 않아 휘도가 낮아진다. 반대로 너무 높으면 필라멘트에 음의 전압이 너무 강하게 걸려 방출되는 전자의 양이 감소한다. 바이어스 전압이 너무 낮아도, 너무 커도 결국은 영상의 밝기가 감소하게 된다. 그러므로 이 바이어스 전압도 어느 최적값을 갖게 하여 시편에 도달하는 전류의 세기를 극대화 해야 한다.
1-e) 열방사형 전자총 종류
열방사형 전자총에서 사용되는 필라멘트는 일함수는 작고 물질상수 A는 커야한다. 그리고 고온에서 필라멘트의 형상을 유지할 수 있어야 하기 때문에 고온강도, 내크리프성, 내식성 등 고온물성도 우수하여야 한다.위 조건을 만족시키는 재료가 텅스텐(Tungsten) 이다. 100um 지름의 가느다란 선으로 뽑아서 V자형으로 성형하고 직접 전류를 가하는 방식으로 가열하여 약 2,700K의 고온에서 사용한다.
또 다른 재료로는 육붕화란타늄(lanthanium hexaboride, LaB6) 이 있다. 이는 텅스텐보다 일함수가 2.4eV로 낮고 고온 물성도 좋아 가열재료로 사용하고 있고, 필라멘트 형태가 아닌 끝을 뾰족하게 가공을 하여 1,900K 의 온도로 가열하여 사용한다. 하지만, 이 물질은 표면에 원자가 흡착하게 될 경우 전자 방출성이 떨어질 수 있어서 고진공 상태가 필요하다. 그 외에도 육붕화세륨(CeB6), 산화토륨첨가 텅스텐, 산화물 표면코팅 니켈 등이 전자총 재료로 쓰인다.
2. 전계방사형(Field Emission Gun, FEG)
2-a) 전자의 방출
전계방사형 전자총은 전자총 재료에 높은 전압을 가하면 에너지 장벽이 낮아져서 전자가 재료를 쉽게 벗어날 수 있게 된다. 이때 재료의 모양이 뾰족할수록 전계의 크기가 커지므로 위 그립과 같이 팁을 매우 뾰족하고 날카롭게 제작하여 사용한다.
보통 600~2000옹스트롱 단위의 곡률 반경을 가지도록 뾰족하게 만든다. 전계방사형 전자총의 경우 점원으로부터 균일한 에너지의 전자선이 얻어지기 때문에 높은 전자선 밝기와 작은 교차점을 형성할 수 있어 고해상도를 얻을 수 있다.
2-b) 구조
위 그림과 같이 전계방사형 전자총에는 열방사형과 달리 웨넬트 실린더가 존재하지 않는다. 그리고 한 개의 양극을 가졌던 열방사형과 달리 두 개의 양극을 가지게 된다.제1 양극의 경우 3~5kV 의 전압을 가하여 팁으로부터 전자를 끌어들이는 역할을 하며 제2 양극의 경우 이렇게 끌어들인 전자를 가속시키는 역할을 한다. 이로 인해 제2 양극과 팁 사이에는 수백~30,000V 의 가속전압이 가해지게 된다. 이 두 개의 양극은 정전기 렌즈의 역할처럼 전자빔을 모으는 역할을 하여 10nm 이하의 교차점을 형성하게 된다.
2-c) 전계방사형 전자총 종류
전계방사형 전자총에는 열을 가하지 않는 상온형(Cold Field Emitter, CFE), 열을 가하는 고온형(Thermal Field Emitter, TFE) 그리고 쇼트키형(Schottky Field Emitter, SFE) 가 있다.
상온형 전자총은 단결정의 텅스텐 재료를 사용하고 이때 전자방출 효율을 높이기 위해서 (310)이나 (111) 결정면을 전자 방출면으로 사용한다. (이 결정면 방향에서 일함수가 더 낮아짐.) 표면이 오염에 매우 민감하기 때문에 고진공 상태가 필요하며 하루 한 번씩 고온으로 수초 동안 가열하여 오염물을 제거하는 플래시 과정도 필요한 번거로움이 있다.
고온형은 상온형과 동일한 특성이나 항상 열이 가열되어 있기 때문에 오염에 의한 영향은 적고 안정성도 좋다.
쇼트키형은 고온형과 다르게 낮은 온도로 가열을 하여 텅스텐의 일함수를 낮추고, 표면에 산화지르코늄을 증착시켜 전자 방출 효과를 증가시키기 때문에 낮은 전기장에서 전자를 방출을 할 수 있어 차세대 전자총으로 발전할 것으로 보인다.
3. 열방사형 과 전계방사형 비교
위 표는 각 특성을 비교하였다. 휘도를 비교해보면 전계방사형이 열방사형에 비해서 100배~1000배 더 밝은 이미지를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 전계방사형의 수명이 더욱 우수함도 알 수 있다. 방사원의 크기는 분해능에 영향을 미치는 중요한 요소인데 전계방사형의 경우 매우 날카로운 팁으로부터 전자를 방출하기 때문에 방사원의 크기 또한 5nm이하의 매우 작은 크기를 가짐을 알 수 있다.
에너지 분산도는 얼마나 균일한 에너지를 갖는가를 나타내는 지표인데 이 값은 나중에 설명할 색수차에 영향을 준다. 이 에너지 분산 값은 작을수록 색수차 값이 작기 때문에 분해능이 좋다. 이 값 또한 전계방사형이 열방사형에 비해 3배 가량 좋은 수치값을 가진다.
하지만, 전계방사형 전자총이 모든 면에서 좋은 것은 아니다. 전류안정도는 전류가 시간이 경과하면서 얼마나 일정하게 유지되는가를 나타내는 값인데 전계방사형의 경우 매우 날카로운 팁에 의해 조금만 흡착이 일어나도 방출효율이 변화하기 때문이다. 그렇기 때문에 오염에 더욱 민감한 상온형은 정밀, 정량 분석을 요구하는 X선 분광분석용에서는 사용할 수 없다. 하지만 쇼트키형은 상대적으로 전류안정도가 좋기 때문에 이 모든 전자총에 있어서 고분해능과 성분 분석 능력 모두를 갖춘 전자총이라고 할 수 있다. 또한 전계방사형 전자총은 청결 유지를 위해선 매우 높은 진공도를 유지해야해서 고과의 장비가 될 수 밖에 없다.
전자총 정리는 끝!
다음 글은 전자총 만큼이나마 중요한 전자기 렌즈 설명글로~
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