[1] 상위 레벨 설계

[1] 상위 레벨 설계

1.SEM에서 렌즈의 역할

집광렌즈의 코일에 통하는 전류가 배율을 결정하고, 대물렌즈의 코일에 통하는 전류가 초점을 조절한다. 렌즈는 자계를 이용하여 전자가 자계를 지날 때 이동 경로가 변하는 성질을 이용하여 볼록렌즈처럼 동작하게 한다. 코일의 전류가 변화하면 심도(focal length)가 변화하기 때문에 렌즈의 곡면에 따라 빛의  경로가 바뀌는 광학현미경의 렌즈보다 더 편리하다.

2. 집속렌즈

집속 렌즈에 흐르는 전류를 강하게 할 경우 전자빔의 초점이 앞에서 맺혀 조리개에 도달하는 전자빔이 퍼질것이고 대물렌즈에 다다르는 전자의 양(probe current)이 줄어들 것이다. 또한 b/a비율이 작아져서 전자빔의 직경이 작아질 것이다. 그래서 집속렌즈의 세기를 강하게 하는 것은 전자빔의 직경을 줄이는 효과가 있지만 probe current의 세기도 감소하기 때문에 화질이 안 좋아지는 영향도 있다.

3.대물렌즈

대물렌즈는 시료에 초점을 맞추고 마지막 전자빔의 직경을 결정하는 아주 중요한 역할을 한다. 일반적인 대물렌즈의 구조는 위 그림처럼 생겼다.

Beam spot과 Beam current이란 시료 위에 모이는 결과적인 전자빔과 전류를 말하는 것으로 일반적인 SEM에서 두 물리량은 다음과 같다고 한다.

Beam spot = 10nm

Beam currnet = 10^-9 ~ 10^-12A

대물렌즈를 이용하여 초첨을 시료 위에 맞추는 방법은 전류의 세기를 조절하는 것이다. 대물렌즈에 흐르는 전류의 세기가 바뀌면 자기장의 세기가 바뀌면서 이에 영향을 받는 전자빔의 초점 거리가 바뀌게 되는 것이다.

렌즈 전류가 너무 세면 초점이 시료 위에 생기고 너무 약하면 초점이 시료 아래에 생긴다. 그래서 초점을 맞추기 위한 최적의 전류를 흘려줘야 사료를 볼 수 있다.

4. 전장형 전자렌즈

전자현미경에서 쓰는 전자기 렌즈에는 두가지 종류가 있다. 하나는 전장 안에서 전자의 움직임을 이용한 전장형 전자렌즈, 다른 하나는 자장 안에서 전자의 움직임을 이용한 자장형 전자렌즈가 있다.

먼저 전장형 전자렌즈에 대해서 설명하면 아래 그림을 참고 할수 있다. 

이 그림처럼 두개의 원통형 전극에 서로 다른 전압을 걸어 전위차를 형성 시킨다. 그럼 점선 방향의 전기력선이 형성될 것이고 이에 수직한 방향의 등전위면이 형성될것이다. 이를 지나는 전자는 등전위면에 수직인 방향으로 힘을받아서 그림상에서 오른쪽으로 지나갈수록 가속되고 가운데로 모이게 된다.

5. 자장형 전자기렌즈

자장형 전자기 렌즈는 코일이 감긴 원통형의 전자석으로 전자가 자기장에 의해 휘는 성질을 이용한 것이다.

전자총에 의해 방출된 1차 전자는 양극판에 의해 가속이 되고, 집속 렌즈로 들어가게 되는데 집속 렌즈 위쪽인 A점에서 전자는 어러 각도로 들어가게 되고 컨덴서 렌즈 내부의 자기장에 의해 회전운동을 하여 나사못처럼 돌아가면서 모이는 방향으로 전자가 이동한다. 코일 내부를 자세히 들여다보면

내부가 구리로 감겨진 코일이고 주변에 철제 덮개로 덮는다. 첼제 덮개로 렌즈 코일을 덮었을 때 자기렌즈 내부에 자기장이 나올 수 있는 좁은 틈을 pole piece라고 한다.  그럼 전장은 pole piece 주위에 형성되고 이 자기장에 의해 전자가 움직이게 된다. 코일에 흘려주는 전류량에 의해 집속 렌즈의 초점거리를 조절할 수 있다.

자기장형 전자렌즈의 단점은 부피가 큰 자기장형 틀을 사용하기 때문에 경통과 본체가 커지고 자기장형 렌즈를 제어하기 위해 수미리~수암페어의 전류를 제어해야 하는데 이를 정밀하게 공급하는 제어기의 구조가 복잡하고 부피가 크다고 한다.

이를 줄이기 위해 경통과 제어기의 부피가 작은 전기장형 전자렌즈를 사용했으나 정전기의 특성상 수차가 일어나고 가속 전압이 낮아 배율과 분해능이 자기장형 렌즈에 비해 떨어진다고 한다. 그래서 본체가 커지는 단점이 있더라도 자기장형 렌즈를 전자현미경에 주로 사용한다.

전기장형 렌즈는 전자에 가하는 힘이  qE, 자기장형 렌즈는 전자에 가하는 힘이 qvB이다. 전자현미경에서 전자의 빠른 속도를 이용하면 자기장형 렌즈에서 큰 자기장을 걸어주지 않아도 될 듯하다.

6. 렌즈의 구조

위 렌즈 모형은 우리가 만들게 될 집속렌즈의 형태이다. 중간에 있는 원기둥 모양 틀을 만들어서 코일을 감은 후 틀을 제거하고 그 틀에 맞춰서 자기장 차폐물질의 모양을 만들어준다.

7. 렌즈의 배율

집속 렌즈의 배율을 높게 하면 전자빔의 초점 거리는 줄어들고 다음 렌즈로 들어가는 전자빔의 반경d은 넓어진다. 이 때문에 다음 렌즈에 도달하는 전자는 줄어든다.

반면에 이미지를 밝게 하려면 대물렌즈로 들어가는 전자빔의 반경을 작게해서 많은 전자가 대물렌즈를 통과할 수 있게 해야 한다. 대물렌즈로 들어가는 전자빔의 반경이 줄이려면 집속렌즈의 초점거리가 커지기 때문에 배율이 줄어들게 된다.

즉, 배율을 크게 하면(프로브 사이즈를 작게 하면) 이미지의 밝기가 줄어들고, 이미지를 밝게 하려면 배율이  줄어들게 된다. 배율과 밝기는 trade off 관계에 있기 때문에 적절한 배율과 밝기를 찾아야 한다.

배율을 어떻게 조절할 것인가? 자기 렌즈에서 배율 관련 수식으로는 다음의 3개가 있다.

(1)

(2)

(3)

(V0는 전자빔의 가속 전압, N은 전자석 코일의 감은 수, I는 코일에 흐르는 전류)

식 (1)과 (2)를 바탕으로 배율 M은 f에 의해 결정 됨을 알 수 있다. 식 (3)의 k’값은 가속 전압이 결정되면 실험을 통해서 찾아야 한다.  

식 (1)을 보면 M과 a를 결정하면 b를 구할 수 있다. 그리고 식 (2)를 보면  a와 b를 알기에 f를 찾을 수 있다. 식 (3)에서는 배율 M에 대응하는 전류 I를 찾을 수 있다. 따라서 각 배율에 해당하는 전류 I를 구한 다음,  렌즈에 흘려주면 설정하고자 하는 배율을 얻을 수 있을 것이다.

8. 렌즈 블록 다이어그램

코일에 생기는 자기장은 전류에 비례해서 만들어진다. 그래서 렌즈에 원하는 자기장을 얻으려면 그에 따른 전류를 흘려줘야 한다.  아래 두 블록 다이어그램은 렌즈에 알맞은 전류를 넣기 위해 생각한 제어 시스템이다.  

제어부에서는 아날로그 전압과 PWM 신호를 출력할 수 있다. 각 경우에 따라 회로 시스템을 고안해보았다.

1)아날로그 전압 제어

제어부에서 아날로그 전압 신호를 주면 회로 시스템은 그것을 전류로 바꿔주고 이 전류가 렌즈로 들어간다.  이 때 안정된 전류를 흘려주기 위해서 feedback 시스템으로 구현한다.

2)PWM 제어

PWM전압을 인가하면 PWM의 duty rate에 대응하는 전류가 렌즈에 흐른다.

-> 1)의 아날로그 전압 제어를 선택했다. feedback으로 인해 보다 안정되고 정확한 전류를 공급해 줄 수 있고 1)시스템에 쓰이는 부품이 시중에서 구하기 쉬워 아날로그 전압 제어 시스템을 선택했다.