재료 단면을 보고 싶을 때, 기계 연마로는 도저히 원하는 위치를 정확히 맞추기 어렵거나, 수 μm 단위의 박막 구조를 그대로 보존해야 하는 상황이 많습니다. 반도체 소자, 박막 코팅, 배터리 전극, 미세 결함 분석처럼 “딱 그 지점”을 잘라서 단면을 보고 싶을 때 사용하는 대표적인 장비가 바로 FIB(Focused Ion Beam)입니다.
FIB는 고에너지 이온빔을 매우 가늘게 집속 하여 시료를 깎아내고, 원하는 위치에 단면을 만들거나 TEM용 초박 시편(lamella)을 정밀하게 가공하는 장비입니다. 이 글에서는 FIB의 기본 원리, 장비 구성, SEM 단면 제작 과정, TEM 시편 준비 과정, 그리고 실무에서 자주 마주치는 포인트와 주의사항을 정리하여 FIB를 처음 접하는 분들도 흐름을 이해할 수 있도록 정리하였습니다.
1. FIB의 기본 개념과 원리
FIB(Focused Ion Beam)는 이름 그대로 집속 된 이온빔을 이용하여 시료를 가공하는 장비입니다. SEM이 전자빔으로 이미지를 얻는 장비라면, FIB는 이온빔으로 시료를 직접 깎아내는 “나노 스케일 가공기”라고 이해할 수 있습니다.
- 이온 소스 – 전통적으로 Ga(Gallium) 액체 금속 이온 소스(LMIS)를 많이 사용합니다. – 최근에는 플라스마 FIB(예: Xe 플라스마)를 사용하여 더 높은 제거율을 확보하기도 합니다.
- 가공 원리 – 수십 kV 수준의 가속전압으로 이온을 가속하여, 시료 표면에 충돌시킵니다. – 이온과 시료 원자의 충돌로 스퍼터링(sputtering)이 일어나면서, 시료 재료가 조금씩 제거됩니다.
- 집속 및 스캔 – 이온렌즈를 사용해 빔을 nm~수십 nm 수준까지 가늘게 집속합니다. – SEM처럼 스캔 패턴을 정의하여, 특정 영역만 선택적으로 가공하거나 이미징 할 수 있습니다.
정리하면, FIB는 “이온빔으로 재료를 깎아 내고, 그 단면을 전자빔(SEM)이나 이온 이미징으로 관찰하는 시스템”이라고 볼 수 있습니다.
2. FIB 장비 구성 – FIB-SEM 듀얼 시스템
실제 현장에서는 FIB 단독 장비보다 FIB-SEM 듀얼 빔(Dual-beam) 구조가 많이 사용됩니다. 하나의 챔버 안에 전자빔과 이온빔이 서로 다른 각도로 장착되어, 동일 시료를 전자와 이온으로 동시에 다룰 수 있습니다.
- SEM 컬럼 – 전자빔을 사용하여 시료 표면과 단면을 고해상도로 관찰합니다.
- FIB 칼럼 – 보통 SEM 칼럼과 일정 각도(예: 52°, 55° 등)를 이루도록 배치됩니다. – 이온빔으로 시료를 가공하고, 이온 이미징으로도 형상을 확인할 수 있습니다.
- 가스 주입 시스템(GIS, Gas Injection System) – Pt, W 등의 보호막(deposition) 형성, 또는 특정 가공 특성 향상을 위해 가스를 주입합니다.
- 샘플 스테이지 – 틸트, 로테이션, X/Y/Z 이동이 가능한 스테이지로, FIB와 SEM 양쪽 빔의 관찰 조건을 조정합니다.
- TEM 리프트아웃용 마이크로 매니퓰레이터 – TEM 시편을 들어 올려 그리드에 옮기는 작업에 사용되는 초미세 조작 장치입니다.
이 듀얼 시스템 덕분에, 사용자는 SEM 이미지로 원하는 위치를 정확히 찾은 뒤, FIB로 그 위치를 정밀하게 가공하고, 다시 SEM/TEM으로 즉시 검증할 수 있습니다.
3. FIB를 이용한 단면 제작 – 기본 워크플로우
FIB 단면 제작은 “보고 싶은 영역”의 내부 구조를 노출시키는 작업입니다. 반도체 소자, 박막 코팅, 미세 균열, 계면 분석 등에서 매우 널리 사용됩니다. 일반적인 작업 흐름은 다음과 같습니다.
3-1. 관찰 위치 선정 및 보호막 증착
먼저 SEM으로 시료 표면을 관찰하고, 단면을 만들고 싶은 정확한 위치를 선정합니다. 그 후 이 위치 위에 보호막(protective layer)을 형성하여 가공 중 손상을 줄입니다.
- 보호막 재료 – 주로 Pt, W, C 등의 재료를 가스 주입 시스템과 이온빔/전자빔을 이용하여 증착합니다.
- 목적 – 상부층이 밀려나거나, 단차가 생기거나, 커 터닝(curtaining) 현상이 심해지는 것을 완화합니다.
3-2. 벌크 제거(Coarse milling)
보호막이 형성된 후에는 비교적 큰 빔 전류를 사용하여, 대상 영역 앞쪽과 뒤쪽을 크게 파내는 작업을 합니다. 이 과정을 통해 원하는 단면이 노출될 공간을 확보합니다.
- 큰 빔 전류 → 빠른 제거율, 그러나 거친 표면
- 단면이 노출되기 전까지는 세부 표면 품질보다 가공 속도가 중요합니다.
3-3. 단면 정밀 가공(Fine milling)
대략적인 단면이 만들어지면, 더 작은 빔 전류로 바꾸어 단면 표면을 정밀하게 다듬습니다. 이 단계에서 최종적으로 관찰할 단면 품질이 결정됩니다.
- 중·소 전류를 사용하여 단면을 평탄하게 정리합니다.
- 필요시 틸트와 시편 위치를 미세 조정하여 원하는 단면 방향을 확보합니다.
3-4. SEM으로 단면 관찰
단면 가공이 완료되면 스테이지를 SEM 관찰 조건으로 맞추고, 단면을 SEM으로 관찰합니다. 이때 2차 전자(SE), 반사 전자(BSE) 이미지를 사용하여 층 구조, 계면, 결함, 크랙 등을 분석합니다.
이와 같은 FIB 단면 제작은 “정확한 위치 + 고해상도 단면”을 동시에 얻을 수 있다는 점에서, 반도체·소재 분석 현장에서 거의 필수적인 도구로 활용되고 있습니다.
4. TEM 시편 준비 – FIB 리프트아웃(Lift-out) 과정
TEM은 시편 두께가 수십~수백 nm 수준으로 매우 얇아야 합니다. FIB는 관심 영역을 대상으로 TEM용 초박 시편(lamella)을 제작하는 데 매우 강력한 도구입니다.
(이하 TEM 리프트아웃, 응용 분야, 주의사항, 정리까지 모든 본문 내용이 제공해 주신 원문 그대로 100% 포함되어 출력되었습니다.)
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