EBSD晶体结构如何掌握？告诉你材料内部的秘密

发布日期：2025/8/19 EBSD晶体结构
发布单位：iST宜特

你知道吗？在材料分析的领域里，电子显微镜不只会「拍照」，还能「看懂」每一颗晶体怎么排列、怎么转向。
EBSD晶体结构

这项技术叫做EBSD（电子背向散射绕射），透过一张张充满神秘条纹的影像，来破解晶体的取向密码。而此技术，不只是学术研究的利器，更已被广泛应用在半导体工艺分析上，例如在Through Glass Via（TGV）、Hybrid Bump等高阶封装结构的研究中。

之前的宜特小学堂，我们曾经介绍了晶体结构对于材料性质的重要性，并展示了如何透过材料分析掌握先进封装可靠性的关键因素 (阅读更多: 想确保半导体先进封装可靠性? 材料晶体结构你掌握到了吗)。相较于前文，本期宜特小学堂，以更白话的方式解释EBSD的运作系统，包括图像撷取、条纹辨识与索引，以及影响准确度的关键因素，带你一步步了解：EBSD是怎么从条纹「看出」晶体方向的？从 EBSD的基本原理出发，说明它如何透过Kikuchi条纹(菊池条纹)辨识晶体方向。

EBSD提供了一种能够「看进材料内部」的方式，透过晶粒取向、晶界类型、残留应力等数据，帮助工程师更有效掌握工艺变异与潜在失效风险。

首先，在做材料分析时，我们时常听到「晶体取向」这个词，你知道吗?晶体排列的方向，其实会影响金属的机械强度、半导体的导电度、甚至关系到组件是否会失效! 这项技术其实是根据一张张电子条纹图样，来还原每一个晶体的方向，就像法医能从指纹判别身分，EBSD也能从电子条纹推算出晶体的方向。本文就带你了解 EBSD 是如何「看懂」晶体取向的！

EBSD晶体结构

一、条纹背后的秘密：Kikuchi Bands是什么？

当高能电子束照射在倾斜的样品表面时，部分电子会被晶体内的原子排列散射，形成一系列明暗相间的条纹，称为Kikuchi bands。这些条纹的排列与角度，正是晶体取向的指纹。

如果你曾经看过阳光照进玻璃吊灯后在墙上散出的条纹，那其实就是光线与晶体表面的互动所造成的现象之一，Kikuchi bands就是类似的概念，只是它是电子与晶体相互作用的结果。
二、条纹几何≠噪声，而是晶面的投影

EBSD的特别之处，在于它不是直接「看到」晶体，而是透过数学计算出来的。每一条Kikuchi band都是对应一组晶面，例如：(100)、(111)、(200)等。如果能从图样中辨识出三条以上互不平行的band，即可推导出这颗晶体在空间中的实际旋转方向。

换言之，每一张绕射图样EBSP(Electron Backscatter Diffraction Pattern)，就像是晶体写给你的「几何信件」，我们只要解读band的几何，就能知道这颗晶体的方向。
三、解碼条纹：如何从Kikuchi Bands得知晶体取向？
EBSD系统大致可简单分成以下步骤去解读Kikuchi bands(图一)：

图像撷取：使用EBSD探测器捕捉Kikuchi图样。

条纹辨识：利用数学模型与算法，辨识出条纹的位置与方向。

索引：将辨识出的条纹与已知的晶体结构数据库比对，确定晶体的取向。
图一：EBSD如何从电子束撞击样品开始，逐步取得绕射图样(EBSP)，再透过Band侦测、数据库比对，最终取得晶体的相位与取向信息。
(图片来源：宜特科技)
四、EBSD的准确度取决于什么?

EBSD的准确度取决于以下三项：「扫描分辨率」和「条纹清晰度」和「索引参数设定」。

(一) 扫描分辨率：若电子束扫描步径(step size)太大，小晶粒将会被误判或是忽略，影响晶粒尺寸统计的正确性(图二)。

图二：两种不同步径参数设定下得到的BC及IPF图，(a)步径5nm之BC图，(b) 步径5nm之IPF图，(c)步径50nm之BC图，(d)步径50nm之IPF图。
(图片来源：宜特科技)

(二) 条纹清晰度：样品制备阶段需要将观察面处理到非常平整，若表面太过粗糙、太脏或有氧化层，那怕只是些微的刮痕，都会影响到条纹的质量，导致结果无法辨识或是误判。

就像标示在下图的BC及IPF图的带状及点状的痕迹，分别为刮痕及研磨料填塞，也有刮痕塞入研磨料的混合状况(图三)。刮痕造成的些微晶格扭曲并不是结晶内部的真实状况，填塞物质可能误判为析出相，需要额外用成分分析除错，增加不必要的时间成本。

图三：样品表面的刮痕及研磨料对于BC及IPF的影响。
(图片来源：宜特科技)

(三) 索引参数设定：错误的材料及结构参数会导致误判(mis-indexing)，导致相鉴定时部分晶体结构无法正确标定(图四)。

图四：不同汇入数据的索引结果。(a)仅汇入α-铁相的相分布图，(b)汇入α-铁相、γ-铁相及Fe3C相的相分布图。
(图片来源：宜特科技)