SIMS와 FIB, EDS의 원리 및 분석 결과

1. SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)

1.1 원리 및 특징

SIMS 원리

SIMS는 이온빔을 고체 시료 표면에 충돌시켜 표면으로부터 방출되는 2차 이온의 질량을 검출하는 원리를 이용합니다. Sputtering 과정에서 방출된 이온을 이용해 반도체에 박막을 형성하면 PVD, 반도체를 깎아내면 Etch, 분석하면 SIMS가 됩니다. SIMS는 이온빔을 사용하여 부도체 시료도 분석할 수 있습니다. Dynamic SIMS는 깊이에 따른 원자층의 화학적 원소 분석 및 질량 분석을 수행하며, Static SIMS는 표면에 존재하는 원자나 분자들을 질량 대 전하량의 상대적 비율로 분석합니다. 또한, TOF-SIMS는 샘플 표면으로부터 동위원소, 원소 및 분자 정보를 분석합니다.

 

1.2 분석 결과 및 해석

표면 분석

SIMS를 통해 표면 내 존재하는 이온(원소, 분자 등)의 종류를 분석할 수 있습니다. 이를 통해 2D Mapping 및 2D 공간 내 이온의 분포를 시각화할 수 있습니다.

표면 분석

깊이 분석

깊이 방향으로의 이온 변화를 검출하여 3D Mapping 및 3D 공간 내 이온의 분포를 분석합니다.

깊이 분석

---

2. FIB(Focused Ion Beam)

2.1 원리 및 특징

FIB 원리

 

FIB는 가늘게 모인 이온빔을 시료 표면에 조사하여 방출되는 전자와 이온을 검출하여 이미지를 관찰하는 원리입니다. TEM 시료 제작을 위한 표면 가공 용도로도 사용되며, 10nm 단위의 정확도를 가집니다. Dual Beam FIB(DB-FIB)은 Ga gun과 Micro manipulator 시스템을 통합하여 SEM과 FIB가 한 체임버 내에 장착되어 FIB milling과 이미지 처리를 동시에 수행할 수 있습니다. 이를 통해 FIB-SEM 이미지를 쌓아 시료의 3D 구조를 이미지 처리하고, Local 영역의 Etch/Dep을 통해 회로를 수정할 수 있습니다.

 

2.2 분석 결과 및 활용

TEM 시료 제작 및 회로 수정

Ion beam을 이용해 수십 ~ 수백 nm 크기로 시료를 얇게 만들어 cutting 한 뒤, TEM Cu Grid에 접합할 수 있습니다. 또한, 회로의 오류를 수정하고 새로운 설계를 적용할 수 있습니다.

TEM 시료 제작 및 회로 수정

 

박막 균일도 관찰

Grain 결정 방향성에 따라 색이 다르게 나타나며, Topology에 의한 지형이 명암으로 선명하게 나타납니다. 단점은 이온빔에 의한 시료 손상의 가능성이 있습니다. 또한, Defect 관찰 및 Grain size 계측이 가능한데 Ion Channeling Contrast를 이용하여 결함과 그레인 크기를 분석할 수 있습니다.

---

3. EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)

3.1 원리 및 특징

EDS는 SEM, TEM에 부착된 옵션 기능으로, EDX라고도 불립니다. 시료에 전자빔을 주사하면 원자 내 전자가 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 됩니다. 이 들뜬 전자가 내부 에너지 준위로 내려와 안정화될 때 방출되는 특성 X선을 측정하여 시료의 성분을 분석합니다. 원소마다 내부 에너지 준위가 다르기 때문에 특성 X선은 원소 고유의 특징을 지니며, 이를 통해 미량의 원소를 검출하고 미세 시료의 C(탄소)부터 U(우라늄)까지의 표면 원소를 분석할 수 있습니다.

3.2 분석 결과 및 해석

Point Scan

위치별 성분 분석을 통해 다층 필름의 층별 원소 성분을 분석할 수 있습니다.

Mapping

시료 표면의 원소 종류와 함량에 따른 분포도를 시각화할 수 있습니다.

Point Scan & Mapping

---

SIMS, FIB, EDS의 중요성

SIMS, FIB, EDS는 각기 다른 원리와 특징을 가지고 있어 다양한 분석을 수행할 수 있는 강력한 도구들입니다. 이들 기술은 재료 과학, 나노 기술, 생명 과학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 전문가들은 이 기술들을 통해 시료의 특성을 정확하게 분석하고, 이를 바탕으로 연구 및 개발을 진행할 수 있습니다. 이 글에서는 SIMS, FIB, EDS의 원리, 특징, 그리고 분석 결과를 통해 이들 기술이 얼마나 중요한 도구인지를 설명했습니다. 이 정보를 통해 각 기술의 활용성을 이해하고, 필요한 데이터를 얻는 데 도움이 되기를 바랍니다.