EDX와 SIMS의 차이: 원소 분석의 원리·검출 한계·깊이 및 수평 방향 분해능·파괴 여부·정량성 비교
EDX와 SIMS는 모두 시료에 어떤 원소가 얼마나 들어 있는지를 조사하는 분석법이지만, 잘하는 것이 크게 다릅니다. EDX는 전자선을 쏘았을 때 나오는 특성 X선의 에너지로 원소를 조사하는 방법으로, SEM이나 TEM으로 보고 있는 위치의 조성을 짧은 시간에 거의 비파괴로 분석할 수 있습니다. 다만 검출 한계는 일반적으로 약 0.1 wt%로, 주성분이나 이물의 동정에 적합합니다. SIMS는 1차 이온으로 시료를 깎으면서 튀어나온 2차 이온을 질량 분석하는 방법으로, 원소에 따라서는 ppb 정도까지 검출할 수 있고 불순물의 깊이 방향 분포를 측정할 수 있습니다. 그 대신 시료를 깎는 파괴 분석이며, 정확한 정량에는 표준 시료가 필요합니다.
| 비교 항목 | EDX | SIMS |
|---|---|---|
| 원리 | 전자선으로 내각 전자를 튕겨 내고, 나오는 특성 X선의 에너지를 검출기로 측정한다 | 세슘이나 산소의 1차 이온으로 시료를 스퍼터링하고, 튀어나온 2차 이온을 질량 분석한다 |
| 검출 한계의 기준 | 일반적으로 약 0.1 wt% | 원소와 조건에 따라 일반적으로 ppm~ppb |
| 측정할 수 있는 원소 | 일반적으로 붕소나 탄소보다 무거운 원소. 경원소는 감도와 정량성이 나쁘고 수소는 측정할 수 없다. 피크가 겹치는 원소도 있다(실리콘과 텅스텐 등) | 수소를 포함한 거의 모든 원소와 동위체. 질량이 가까운 이온의 겹침(예를 들어 ³⁰SiH와 ³¹P)에 주의한다 |
| 깊이 방향 정보 | 전자가 퍼지는 범위(SEM으로 조사하는 벌크 시료에서는 수백 nm~수 µm 정도)의 평균. 깊이 방향 분포는 얻기 어렵다 | 표면에서부터 깎으면서 측정하므로 깊이 방향 분포를 얻을 수 있다. 깊이 분해능은 일반적으로 수 nm 정도 |
| 수평 방향 분해능 | SEM에서는 전자의 퍼짐 때문에 대략 µm 정도. TEM이나 STEM의 얇은 시료에서는 nm 수준 | 깊이 방향 분석에서는 일반적으로 수십~수백 µm 각 영역의 평균 |
| 파괴 여부 | 분석 자체는 거의 비파괴(전자선으로 손상되는 재료도 있다). TEM으로 조사하려면 FIB 등으로 박편을 잘라 낸다 | 파괴 분석. 측정한 부분은 깎여서 없어진다 |
| 정량 방법 | 보정 계산으로 주성분의 대략적인 조성을 그 자리에서 알 수 있다. 경원소나 미량 원소에서는 오차가 크다 | 이온이 되는 비율이 주위 재료에 따라 크게 바뀌므로(매트릭스 효과), 같은 모재의 표준 시료로 농도로 환산한다 |
| 속도와 간편함 | SEM이나 TEM에 검출기를 달아 쓰며, 일반적으로 몇 분 정도면 스펙트럼을 얻을 수 있다 | 전용 장치가 필요하며, 깊이 방향 분석 하나에도 시간이 걸린다 |
| 주요 용도 | 이물이나 불량 부위의 동정, 막이나 합금의 조성, TEM에서의 원소 분포도 | 이온 주입이나 도핑의 분포, 접합 깊이, 막 속이나 계면의 미량 오염(수소·탄소·산소 등도 포함) |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.