SEM 전자 빔 소스의 종류
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1. SEM 전자 빔 소스 비교
전자 총은 주사 전자 현미경(SEM)의 가장 중요한 구성 요소 중 하나이며 최대 분석 성능을 결정하는 주요 요소입니다. SEM에는 일반적으로 텅스텐 필라멘트(헤어 핀), CeB6 / LaB6결정, 전계 방출(Field Emission) 등 세 가지 유형의 전자 총이 있습니다.
2. 전자 총의 작동 원리
이름에서 알 수 있듯이 전자 총은 SEM에서 고에너지 전자 빔을 생성하는
역할을 하는 구성 요소입니다. 일반적으로 전자 소스라고도 하는 전자 총은 밝고 안정적인 전자 흐름을
방출하여 샘플에 일관되게 초점을 맞출 수 있어야 합니다. 이 전자 빔은 초점 범위(약 수십에서 수백 마이크로미터)에 걸쳐 스캔하여 샘플 표면의 고배율
이미지를 생성합니다.
SEM에 사용되는 가장 일반적인 전자 총 유형은 열 전자 방출 형이며, 텅스텐 와이어 필라멘트와 세륨 헥사보라이드(CeB6) 또는 란타늄 헥사보라이드(LaB6)으로 만든 결정이 이 범주에 속합니다. SEM의 열 전자 방출은 전류에 의한 가열을 통해 전자가 물질에서 방출되는 과정입니다. 열에 의해 제공되는 에너지가 표면의 일함수를 초과하면, 다량의 전자가 방출됩니다(~109/s).
SEM에 사용하는 두 번째 방법은 전계 방출입니다. 전계 방출은 터널링이라는 양자 현상을 통해 전자 건에서 전자를 추출하는 기능을 합니다. 전기장을 금속 팁(텅스텐 / ZrO2)에 인가하여 매우 안정적이고 밝은 전자 방출을 유도합니다.
그러면 어떤 유형의 전자 총을 선택해야 할까요? 정답은 상황에 따라 다르다는 것입니다. 일반적으로 적절한 전자 총을 선택할 때는 응용 분야와 시료, 분석 성능 요구 사항 및 예산을 고려해야 합니다.
3. 텅스텐 필라멘트(헤어핀)
텅스텐 필라멘트는 1세대 전자 현미경부터 적용된 방식이며, 오늘날까지 가장 일반적으로 사용되는 소스입니다. 텅스텐 광원은 비교적 저렴하며, SEM을 사용하는 동안 빠르고 쉽게 정기적으로 교체할 수 있도록 설계되었습니다.
가장 저렴한 방법이지만 텅스텐 필라멘트는 다른 전자 소스에 비해 가장 낮은 성능을 보입니다. 텅스텐 필라멘트의 분해능은 헤어핀의 열 전자 방출 면적이 넓기 때문에 CeB6 결정이나 FEG 방식의 분해능보다 떨어집니다.
4. CeB6 / LaB6
이 방식은 열 전자 방출을 위해 텅스텐 필라멘트 대신 정밀하게 연마된 란타늄 헥사보라이드(LaB6) 또는 세륨 헥사보라이드(CeB6) 결정을 사용합니다. LaB6와 CeB6 결정은 텅스텐보다 일함수가 낮아 같은 가속 전압에서 텅스텐보다 10배 더 많은 전자를 방출할 수 있습니다. 밝은 전자 빔은 더 높은 신호 대 잡음비와 높은 해상도라는 두 가지 주요 이점을 제공하여 많은 SEM 애플리케이션에 널리 사용됩니다.
LaB6와 CeB6는 텅스텐 필라멘트와 다르게 항상 따뜻하고 진공 상태를 유지합니다. 따라서 관리가 덜 필요하고 교체가 필요하기 전까지 약 10~15배 더 오래 사용할 수 있습니다. 이 열 전자 방출 소스의 수명은 시간이 지남에 따라 서서히 저하되며 갑자기 소진되지 않으므로 교체 계획을 세울 수 있습니다.
LaB6, CeB6 기반 전자총은 텅스텐 필라멘트 기반 SEM에서 볼 수 있는 단발적인 조정이 아닌 3~6개월마다 비점수차 조정만 필요합니다. 단점으로는 높은 진공 수준과 정밀한 온도 제어 시스템이 필요합니다. LaB6와 CeB6는 비슷한 성능을 보이지만, CeB6 소스가 증발이 적고 수명이 더 길기 때문에 근래에 인기를 끌고 있습니다.
5. 전계 방출 건 (FEG; Field Emission Gun)
By ErwinMeier - Own work, CC BY-SA 4.0, Link [Schottky W 팁 , ZrO2 도핑, W 팁 확대]
FEG에는 텅스텐 단결정으로 제작된 매우 미세한 팁이 있으며 전자 터널링 효과에 의해 전자를 방출합니다. 전계 방출형은 Schottky FEG과 cold FEG(CFEG)로 나뉩니다. Schottky FEG는 전계, 열 방출이 합쳐진 형태로서 팁이 가열될 때 전계가 전자 방출을 촉진시킵니다. Cold type과 비교하여 수명이 짧고 빔의 크기가 크지만 빔 안정성이 우수합니다. Cold FEG는 실온에서 전계를 통해 팁에서 전자를 방출시키는 방식입니다. 더 높은 진공을 필요하며 빔 안정성이 떨어지지만 높은 분해능을 지원합니다.
FEG 기반 SEM은 CeB6 소스를 사용할 때 놓칠 수 있는 나노 입자의 특징, 박막 코팅을 분석 가능합니다. FEG가 장착된 SEM으로 낮은 가속 전압(5kV 미만)에서 작동하면 전도성 코팅을 사용하지 않고도 빔에 민감한 재료와 절연체에서 고품질 데이터를 얻을 수 있습니다.
FEG 전자 소스는 가장 높은 진공 수준을 요구하지만 작동 수명도 가장 깁니다. CeB6 소스와 마찬가지로 교체 시간을 안정적으로 예측할 수 있으며 치명적인 연소가 발생하지 않습니다. 전자 소스 중 가장 비용이 많이 드는 방법이지만 모든 애플리케이션에서 우수한 성능을 제공합니다.
6. 종합 비교 표
|
Tungsten hairpin |
LaB6/CeB6 crystal |
Schottky FEG | Cold FEG |
전자 빔 형성 방식 |
열 전자 방출 |
열 전자 방출 |
열 전자 + 전자 터널링 | 전자 터널링 |
수명 |
100 h |
1,500 h |
>10,000 h | >2,500h |
팁 지름 |
100 µm |
25 µm |
>100 nm | >10nm |
온도(K) |
2,800 |
1,850 |
1,800 | 300 |
전자밀도(A/cm2) | 3 | 30 | 5,300 | 17,000 |
밝기(A/cm2 • sr • kV) | 1 x 104 | 1 x 105 | 1 x 107 | 2 x 107 |
안정성 |
Poor |
Good |
Excellent | Low |
30 kV 분해능 |
~ 4 nm |
< 3 nm |
< 2 nm | 1 nm |
1 kV 분해능 |
50 nm |
25 nm |
5 nm | 2 nm |
저전압 이미징 (<5 kV) |
가능 |
어려움 |
가능 | 최적 |
요구 진공도 |
10-1 – 10-5 mbar |
10-7 mbar |
10-9 mbar | 10-10 mbar |
비용 |
Low |
Medium |
High | High |
References
https://www.nanoscience.com/blogs/which-electron-source-is-best/
https://www.thermofisher.com/blog/materials/electron-source-fundamentals/
https://blog.naver.com/gsem0501/221624772259
https://www.nanoimages.com/how-do-tungsten-filaments-compare-to-phenoms-ceb6-source/
https://en.wikipedia.org/wiki/Field_emission_gun
https://cmrf.research.uiowa.edu/scanning-electron-microscopy
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