[한국나노기술원] 나노분석평가 실습 교육 후기_ ① FE-SEM

'나노분석평가' 실습 교육 후기_FE-SEM

 

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나노기술연구협의회 홈페이지

 

들어가며

 

오늘은 2일차에 교육 받은 FE-SEM과 FIB에 대해 정리해보려고 한다.

그 전에, 아래의 표를 참고하여 측정 분석에 사용되는 장비에 대해 간단히 알아보자. (1일차 내용)

 

교육 기간 중에 다뤄본 장비들은 빨간색으로 표시하였다.

 

표에서 확인할 수 있듯이, 분석은 크게 구조/표면/소자 분석으로 나뉘며 목적에 맞는 장비를 활용해야 한다.

In-Line 특성이란 FAB 공정 중에 측정하는 특성을 의미하며, 대표적으로 Thickness, Uniformity, Step Coverage가 있다. 표에서 빨간색으로 표시해놓은 장비들은, 5일간 교육 받은 장비들을 나타낸 것이다. 하나씩 차근차근 공부해보자.

 

 

FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope)

 

[개요]

 

먼저, 전자현미경(Electron Microscope)이란 전자빔을 광원으로 사용하여 고배율, 고분해능의 관찰이 가능한 현미경이다.

빛을 광원으로 사용하는 광학현미경과 비교되곤 하는데, 분해능과 초점심도(DoF) 측면에서 당연 전자현미경이 우수하다.

이러한 전자현미경은 작동 원리에 따라 대표적으로 SEM(Scanning EM), TEM(Transmission EM)으로 구분된다.

아래의 그림은 광학현미경(Optical Microscope)과 전자현미경(EM)의 구성 요소에 대한 모습이다.

 

https://www.matsusada.com/column/sem-tech1.html

 

그렇다면, FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscope)은 SEM과 어떤 차이가 있는지 알아보자.

두 장비는 SEM이므로, 전자빔을 광원으로 한다는 것이 공통점이다. 그러나, 전자를 만드는 방법에서 차이점이 있다.

 

https://www.thermofisher.com/blog/materials/electron-source-fundamentals/

 

위의 그림처럼, 전자빔 생성 원리에 따라 열전자방출형과 전계방출형(FEG)로 구분되는 것을 확인할 수 있다.

전계방출형(FEG)의 경우, 강한 전기장에 의한 터널링으로 전자빔이 생성되는데, 이 때문에 Tip이 50nm 수준이라고 한다.

이러한 FE-SEM은 SEM에 비해 높은 Brightness, Lifetime, Source Size가 우수하다고 한다.

 

[원리]

 

다시 아래 그림의 SEM의 구조를 보며, 전자의 이동 경로를 관점으로 장비의 원리에 대해 간략하게 알아보자.

먼저, 열전자방출형 또는 전계방출형(FEG)에 의해 생성된 전자빔은 집광렌즈(Condenser lens)를 통과하게 된다.

이러한 집광렌즈(Condenser lens)를 통과한 전자빔의 사이즈는 축소(Demagnification)된다.

이어서, 대물조리개(Objective lens aperture)를 지나 대물렌즈(Objective lens)를 통과하여 시편에 도달하게 된다.

시편(Sample)에 도달한 전자빔은 시편(Sample)과 반응하여 여러 신호들을 발생시키며, Detector에 의해 검출된다.

최종적으로, 모니터를 통해 시편(Sample)에 대한 측정 결과를 확인할 수 있는 것이다.

 

 

https://www.matsusada.com/column/sem-tech1.html

 

각 구성 요소들에 대한 보다 자세한 내용은 생략하였다.

그렇지만, 기본적인 원리는 생성된 광원을 보다 더 작게 만들어 시료에 도달시켜 신호를 얻는다고 생각하면 된다.

 

[실습]

 

먼저 장비의 전체적인 모습은 아래의 그림과 같다. 사진 크기 때문에 작아보이지만, 모니터보다 2-3배 정도 크다.

나중에 TEM도 다뤄볼 것이지만, TEM보다는 Column 길이가 짧은 것을 알 수 있다.

 

FE-SEM

 

일단, FE-SEM을 측정하려면 당연히 시편(Sample)이 준비되어야 하고, 장비에 로딩하기 위한 작업도 진행해야 된다.

연구원님의 설명에 집중하느라 사진은 찍지 못 했지만, 그 종류에 대해 간략하게 공유해보면 아래와 같은 도구들이 필요하다.

트위저, 다이아몬드펜슬, 블로워, 스터브, 스테이지, 스크류, 카본 테이프, 칼, 가위 등.

이러한 도구들을 사용하여 분석 목적에 맞게 시편 준비가 완료되면, FE-SEM에 로딩하여 측정하면 된다.

 

시편이 손상된 모습

 

시편은 연구원님께서 제공해주셨고, 실습은 무난하게 진행 됐다. 

그런데, 위의 사진처럼 측정 중에 실시간으로 시편이 손상되는 모습을 확인할 수 있었다.

원래는 그림자영역이 아닌 다른 영역처럼 깔끔했던 부분이 높은 배율로 확대해서 보면 1-2초 내에 시편이 손상됐다.

막연하게 손상될 거라고는 알고 있었는데, 실시간으로 손상되는 모습을 보니까 정말 신기했다. 

 

열심히 실습 중인 학우님

 

마치며

 

오늘은 한국나노기술원에서 진행한 '나노분석평가' 중 FE-SEM 실습에 대해 간략하게 정리했다.

설명을 들을 때는 어렴풋이 이해됐던 것들이 다시 복기하며 글로 표현하려니 생각보다 어려운 과정이었다.

그리고, 장비에 시편을 로딩하고 진공을 잡는 과정, 포커싱 하는 과정 등 다 담아낼 수 없어서 아쉬운 마음이다.

그렇지만, 역시 기록을 남기는 게 중요하다는 걸 다시 한번 스스로 느끼며 남은 과정들도 열심히 정리해야겠다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.