SEM 분석 & TEM 분석 : 원리와 특징, 그리고 분석 결과 및 해석

반도체 관련 공부를 하셨다면, SEM, TEM 분석에 관해 많이 들어보셨을 거예요. 앞선 피드에서 간략하게 SEM, TEM 등 여러 분석 기술에 대해서 다뤘습니다. 제 피드를 방문해 주시는 분들께서 SEM, TEM 분석에 좀 더 자세한 내용을 다루기를 원하셔서 이번 피드에서 다뤄보도록 하겠습니다.

1. SEM(주사전자현미경)

1.1 원리 및 특징

 

주사전자현미경(SEM)은 전자기 렌즈의 작용으로 작게 조여진 전자빔(전자 probe)을 시료 표면에 조사하여 방출되는 2차 전자 및 반사전자(BSE)의 신호를 수집하여 영상을 출력하는 원리를 사용합니다. BSE의 산란 각도는 시편의 핵이 갖는 원자번호에 의해 좌우되기 때문에 시료 표면의 화학 조성에 따른 정보를 얻을 수 있습니다. 또한, SEM에 별도 옵션인 EDS를 부착하면 특성 X선 검출을 통해 시료 구성 원소의 종류 및 함량에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 비전도성 시료의 경우, Charging 현상을 방지하기 위해 Pt 등의 금속으로 코팅하는 과정이 필요합니다. 한편, 열 방사형 전자총 대신 전기장을 이용해 전자빔을 가속하는 FE-SEM을 사용하면 더 고해상도 및 고효율의 이미지를 관찰할 수 있습니다.

 

1.2 분석 결과 및 해석

2차 전자 검출

2차 전자 검출을 통해 요철에 의한 시료 표면의 지형적 정보를 제공하며, 시료 내 불순물의 위치를 관찰할 수 있습니다.

 

BSE 검출

BSE 검출은 물질 밀도에 의한 정보로 시료의 조성에 따른 표면 정보를 제공합니다. 이는 시료 표면상의 다른 원소들을 구분하는 데 용이합니다.

 

 

2. TEM(투과전자현미경)

2.1 원리 및 특징

 

투과전자현미경(TEM)은 전자기 렌즈의 작용으로 작게 조여진 전자빔(전자 probe)을 시료 표면에 조사하여 투과되는 전자를 수집해 이미지를 출력하는 원리를 사용합니다. 전자빔이 시료를 투과해야 하므로 얇은 시료 제작이 필요합니다. 이미지의 어두운 부분은 전자가 적게 투과된 두껍거나 밀도가 높은 부분을, 밝은 부분은 전자가 많이 투과된 얇거나 밀도가 낮은 부분을 나타냅니다. TEM은 기능 및 성능에 따라 AEM, HRTEM, STEM 등으로 세분되어 목적에 맞게 분석할 수 있습니다. 또한, TEM은 EDS뿐만 아니라 EELS(Electron Energy-Loss Spectroscopy)를 통해 전자빔이 시료를 투과하면서 잃은 에너지를 분석하여 원소 성분과 결합 상태 등을 파악할 수 있습니다.

 

2.2 분석 결과 및 해석

Imaging(BF, DF, WBDF 등)

미세형상, 두께, 전위, 계면, 격자구조 및 결정 결함을 관찰할 수 있으며, 내부 구조 관찰과 2차원 이미지를 제공합니다.

• BF Image(Bright Field): 투과된 전자빔을 이용해 영상을 형성합니다.
• DF Image(Dark Field): 회절 된 전자빔을 이용해 영상을 형성합니다. 시료의 전위나 결함 구조 분석에 용이합니다.

Diffraction Pattern

전자빔 회절 도형을 얻어 시료의 결정구조를 분석할 수 있습니다. 이를 통해 결정구조와 local 결정성, 결정학적 방위 정보 및 격자 변형을 관찰할 수 있습니다.

 

전자현미경을 활용한 고급 분석

SEM과 TEM은 모두 반도체 소자 시료의 미세 구조를 분석하는 도구로, 각각 다른 원리와 특징을 가지고 있어 다양한 분석을 실행할 수 있습니다. SEM은 주로 시료 표면의 모양과 조성을 분석하는 데 유용하며, TEM은 시료의 내부 구조 및 결정 구조를 정밀하게 분석하는 데 탁월합니다. 이러한 전자현미경 기술은 재료 과학, 나노 기술, 생명 과학 등 다양한 분야에서 중추 역할을 하고 있습니다.

 

전문가들은 SEM과 TEM의 고해상도 이미지를 통해 시료의 특성을 정확하게 분석하고, 이를 바탕으로 연구 및 개발을 진행할 수 있습니다. 이 글에서는 SEM과 TEM의 원리, 특징, 그리고 분석 결과를 통해 전자현미경이 얼마나 중요한 도구인지를 설명했습니다. 이를 통해 SEM과 TEM의 활용성을 이해하고, 필요한 정보를 얻는 데 도움이 되기를 바랍니다.

 

SEM과 TEM을 이용한 다양한 분석 결과는 연구 및 개발에 중요한 데이터를 제공합니다. SEM과 TEM은 다양한 분야에서 필수적인 도구로 자리 잡고 있으며, 이를 통해 얻는 고해상도 이미지는 연구와 개발에 크게 기여하고 있습니다. SEM과 TEM의 활용성을 이해하고 필요한 정보를 얻는 데 도움이 되기를 바랍니다.