전자현미경에서의 전자 궤도 해석

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어) 또는 PIC-ELECTRON 3D(전자 궤도 해석 소프트웨어)를 사용하여 SEM(주사전자현미경) 내부의 전자 궤도를 해석해 보겠습니다. SEM(주사전자현미경)은 가늘게 집속한 전자빔으로 시료 표면을 주사하여 미세한 형상과 구조를 관찰하는 장치입니다. 광학현미경으로는 관찰하기 어려운 미세 영역도 전자빔을 사용하면 고해상도로 관찰할 수 있습니다.

SEM 내부의 전자 궤도

그림 1: SEM에서의 전자 궤도 개념도

SEM이란? SEM에서는 전자원에서 방출된 전자를 가속하고, 전자기 렌즈와 조리개를 이용해 가늘게 정렬한 뒤 시료에 조사합니다. 시료 표면에서 발생하는 2차 전자와 반사 전자를 검출하여 표면 형상과 조성의 차이를 관찰할 수 있습니다. 전자 에너지 전자가 얻는 운동 에너지는 가속 전압 V [V]에 대해 대략 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. SEM에서는 이 가속 전압과 렌즈 조건에 따라 전자빔의 직경, 도달성, 시료 입사 조건이 크게 달라집니다. 이번에는 PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 SEM 내부에서 전자가 인출되고, 가속되고, 집속되는 과정을 시각화해 보겠습니다.

SEM 해석

PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 SEM 내부의 전자 궤도를 해석해 보겠습니다. 해석 모델은 아래와 같습니다. 해석 모델

그림 2: SEM 해석 모델

위와 같은 SEM 내부의 간이 해석 모델을 작성하고, 전자빔 생성부터 시료 도달까지의 과정을 시뮬레이션합니다. SEM에서 각 부품의 역할은 다음과 같습니다. 해석 조건 해석 조건은 다음과 같습니다.

해석 소프트웨어	PIC-ELECTRON 3D
해석 타입	전자 궤도 해석
해석 오브젝트	sem.obj
전압	Cathode: -3000[V]　Anode: 0[V]　Sample: 0[V]
비유전율(유전체)	Insulator: 9.5
자기장 조건	Electromagnetic Lens: 해석 조건에 따라 설정
1ns당 생성 전자 수	10000개
생성 전자의 초기 속도	1.0×103 [m/s]
시간 간격	1.0×10-11 [s]
총 시뮬레이션 시간	2.0×10-8 [s]

아래 그림은 PIC-ELECTRON 3D에서 이번 SEM 해석 조건을 입력한 화면입니다.

그림 3: PIC-ELECTRON 3D에서의 SEM 해석 조건 설정

해석 결과

그림 4: SEM 내부의 전자 궤도 해석

위 자료는 실제로 PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 계산한 SEM 내부 전자 궤도 해석 결과의 한 예입니다. 그림 4에서는 전자원에서 방출된 전자가 가속 전압과 렌즈 작용에 의해 점점 더 가늘게 집속되면서 시료 방향으로 수송되는 모습을 확인할 수 있습니다. SEM에서는 전자빔의 발산과 수렴 상태가 관찰 해상도에 영향을 미치므로, 이러한 전자 궤도 해석은 장비 설계와 조건 최적화에 매우 유용합니다. 이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작된 것이므로, 렌즈 조건과 부품 형상은 설명용으로 단순화되어 있습니다. 또한 PIC-ELECTRON 3D에서는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다. ※ 위 내용은 예시 중 하나입니다. SEM 및 전자빔을 이용한 제품 개발과 장비 설계에 PIC-ELECTRON 3D를 꼭 활용해 보시기 바랍니다.