[1] 상위 레벨 설계

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1. 전자총이란?

전자빔을 발생시키는 장치이다. 전자총에서 방출된 전자들은 샘플에 부딪혀 2차 전자를 발생시키고 이 2차 전자가 검출되어 이미지를 만든다.

전자총의 구성으로 Filament, Wehnelt cap, Anode Plate가 있다. Filament는 전원에 의해 고온으로 가열되어 전자를 방출하는 역할을 하고, 방출된 전자는 Wehnelt Cap의 음극에 의해 척력을 받게 되어 이 힘에 의해 가운데로 집속된다. 이 전자들은 Anode Plate에 의해 만들어지는 전기장에 의해 가속되어 쏘아진다.

진공 중에 전자를 방출 시키기 위해서 Filament에 DC전압을 걸어주고 이 빔을 집속 시키기 위해서 Filament와 Wehnelt Cap에 고전압을 걸어서 Bias 전압을 걸어준다. 그리고 Anode에는 GND가 걸린다.

필라멘트에서 나간 전자빔은 지나가는 경로에 따라 다음과 같이 불린다.

Emission Current : 전자빔이 Anode 판으로 들어가는 전류이고 고전압 장치로 흘러들어간다. 이것은 Bias Voltage에 따라 크기가 변한다.

Beam Current : 전자빔이 Anode의 hole을 통해 빠져나가서 렌즈로 들어가는 전류.

Electron beam probe : 시편 위에 초점이 맞춰진 전자빔.

2. 전자총의 종류

Tungsten hairpin (most common) (thermionic)

Lanthanum hexaboride (LaB 6) (thermionic)

Field emission electron gun (field emission)

<출처 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용(Part 2)>

전자총에는 크게 열방사형과 전계방사형이 있다.

- 열 방사형 : 필라멘트를 특정점까지 가열하는 데 그 점에서 바깥 궤도의 전자는 도체의 일함수 장벽을 극복할 만한 충분한 에너지를 얻는다.

- 전계 방사형: 전자가 장벽을 뚫고 나갈만큼의 충분히 강한 전자장을 가한다.

전계방사형은 10^-7 ~ 10^-8의 초고도 진공이 필요해서 사용 할 수가 없다.

그래서 우리는 열방사형 전자총을 사용한다. 주로 사용하는 것은 Tungsten hairpin (most common) (thermionic) 으로 약 100um 직경의 선 필라멘트로서 끝이 V자 모양을 가진 머리핀 모양으로 구부러져 있다. 텅스텐은 일함수 값이 4.5eV로 크지 않고, 융점은 3650K로 매우 높기 때문에 필라멘트로 많이 사용되며, 일반적으로 필라멘트에 직접 전류를 가하여 약 2700K까지 가열한다.

고급 전자현미경에서는 발생된 전자의 밀도(즉, 단위 각도상 단위 면적당 전자의 수)를 높이기 위해서 LaB6(lanthanium hexaboride)를 사용하며, 1900K의 온도로 가열하여 사용한다. Lab6은 표면 원자 흡착에 의해서 전자 방출성이 현저히 떨어지는 문제가 있으므로 고진공을 유지해야 한다. 그래서 진공도를 높게 유지할 수 있다면 LaB6를 사용하는 것도 괜찮다고 생각한다.

3. 열 방사형 전자총의 원리

Filament가 열을 받으면 100um 직경의 끝에서 전자가 발생된다. 이때 wehnelt에 Filament 보다 더 큰 음의 전압이 걸리면 전자에 대해 척력이 발생한다.  이 힘에 의해 전자는 모이게 된다. 그리고 Wehnelt와 Anode plate 사이에는 큰 전기장이 생성되거 전자가 가속하게 된다.  

- Filament Saturation

빔 전류의 포화는 안정적인 빔을 보장하기 위해 요구된다.  빔 전류가 포화되면 필라멘트를 가열하는 전류가 조금 증가/감소 하더하도 전자 빔 전류는 변하지 않는다. 하지만 Filament에 너무 많은 전류가 흐르게 되면 수명이 오래가지 못하고 끊어지게 된다. 우리는 일정한 Beam Current를 유지하기 위해서 Filament의 전류를 높여서 Saturation 안쪽에서 진행해야 한다.

False Peak는 균등하지 않은 온도 분포가 있거나 필라멘트 표면의 다른 부분이 그 끝 부분보다 먼저 방출 온도에 도달하는 경우, 특정 부분에서 온도가 높아져서 Beam current가 높아지는 현상이다. 이 때 다시 Filament 전류를 높여주면 Beam current는 다시 떨어지고 Saturation을 볼 수 있게 된다.  

- Brightness and Bias Voltage

바이어스 전압이란 필라멘트와 웨널트 캡 사이의 음의 전압을 말한다. 바이어스 전압이 없거나 약하면 필라멘트에서 방출하는 전자들이 집속되지 않고 무질서하게 여러 방향으로 흩어지게 된다. 따라서 전자 현미경의 초점과 그 초점의 밝기는 낮아진다. 반면에 바이어스 전압이 너무 높게 되면 필라멘트에 가해지는 음의 전압이 강해져서 필라멘트에서 방출되는 전자의 양을 감소 시키게 되어 전자 현미경의 밝기가 낮아진다.

따라서 바이어스 전압이 너무 높거나 낮으면 현미경의 밝기에 직접적인 영향을 미치므로 가장 적합한 바이어스 전압을 걸어줘서 밝기를 극대화 시키는 것이 중요하다.

-h : tip of Filament and the Wehnelt cap hole 사이의 거리

왼 쪽의 그래프는 필라멘트와 웨널트 캡 사이의 거리가 다를 때 바이어스 전압의 변화에 대한 방출 전류의 변화를 보여주고 있다. 같은 바이어스 전압에서 그 거리가 멀 수록 방출 전류는 더 크게 된다. 하지만 방출 전류가 클수록 밝기는 감소하기 때문에 적절히 조절해야 한다.

오른 쪽 그래프에서는 바이어스 전압이 높아질수록 빔전류는 급격히 줄어든다. 동시에 밝기는 적절한 바이어스 전압에서 가장 높아지는 데, 이 수치는 텅스텐 필라멘트에서는 약 -400V의 바이어스 전압일 때 최고가 되었다.

필라멘트와 양극판은 고정이지만 웨널트 캡의 위치는 가변적으로 조절 가능하다. 만약 필라멘트와 웨널트 캡의 거리를 가깝게 조절하면, 필라멘트에서 방출되는 전자는 바이어스 전압에 의한 전기장의 효과를 크게 받기 때문에 빔 전류가 포화점에 도달하기 위해서는 필라멘트에 더 많은 전류를 흘려줘야 한다.

반면에 필라멘트와 웨널트 캡의 거리가 멀면, 필라멘트에 적은 전류에도 포화가 되어 필라멘트가 낮은 온도라도 전자총이 작동할 수 있다.

따라서 원하는 휘도를 얻기 위해서는 필라멘트와 웨널트 실린더에 걸리는 바이어스 전압과 거리를 잘 조절해야 한다.

모든 것을 종합해볼 때 전자총에서 우리가 결정해야 하는 요소들은 3가지가 있다.

1) Filament를 Saturation하게 만드는 Filament Current

2) 빔전류가 가장 잘 나오는 tip of Filament and the Wehnelt cap hole 사이의 거리

3) 빔전류가 가장 잘 나오는  Bias 전압

4. 가속전압에 따른 프로브 전류

<가속 전압에 따른 Electron Beam 전류의 변화>

<가속 전압에 따른 Probe 전류의 변화>

위의 그래프에서 Electron beam current 은 anode에서 빠져나오는 전자빔 전류이고,Probe current는 시료까지 도착하는 전류이다. 프로브 전류는 가속전압이 커짐에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 영상의 밝기를 조절하려면 가속전압을 조절함으로써 가능하다는 것을 알 수 있다.

하지만 가속전압을 바꾸게 되면 렌즈의 배율 또한 바뀔 수 있기 때문에 고려할 사항이 많다.

*위 그래프에서 Electron beam Current 또는 Probe Current가 불안정한 경우, 영상은 밝고 어둠을 반복하고 초점 맞지 않는다.

그 원인으로

1) 필라멘트 전류가 포화점에 도달하지 못했거나

2) 분해능에 영향을 미치는 필라멘트와 wehnelt 거리가 적절하지 않거나

3) 초점에 영향을 미치는 렌즈 제어 전류가 불안정하거나

4) 전자총의 축이 맞지 않는 경우, 전자빔 전류가 작거나 흐르지 않게 되어 영상이 어둡거나 생성되지 않음.