EBSD晶體結構如何掌握？告訴你材料內部的秘密

發佈日期：2025/8/19 EBSD晶體結構
發佈單位：iST宜特

你知道嗎？在材料分析的領域裡，電子顯微鏡不只會「拍照」，還能「看懂」每一顆晶體怎麼排列、怎麼轉向。
EBSD晶體結構

這項技術叫做EBSD（電子背向散射繞射），透過一張張充滿神秘條紋的影像，來破解晶體的取向密碼。而此技術，不只是學術研究的利器，更已被廣泛應用在半導體製程分析上，例如在Through Glass Via（TGV）、Hybrid Bump等高階封裝結構的研究中。

之前的宜特小學堂，我們曾經介紹了晶體結構對於材料性質的重要性，並展示了如何透過材料分析掌握先進封裝可靠度的關鍵因素 (閱讀更多: 想確保半導體先進封裝可靠度? 材料晶體結構你掌握到了嗎)。相較於前文，本期宜特小學堂，以更白話的方式解釋EBSD的運作系統，包括圖像擷取、條紋辨識與索引，以及影響準確度的關鍵因素，帶你一步步了解：EBSD是怎麼從條紋「看出」晶體方向的？從 EBSD的基本原理出發，說明它如何透過Kikuchi條紋(菊池條紋)辨識晶體方向。

EBSD提供了一種能夠「看進材料內部」的方式，透過晶粒取向、晶界類型、殘留應力等資料，幫助工程師更有效掌握製程變異與潛在失效風險。

首先，在做材料分析時，我們時常聽到「晶體取向」這個詞，你知道嗎?晶體排列的方向，其實會影響金屬的機械強度、半導體的導電度、甚至關係到元件是否會故障! 這項技術其實是根據一張張電子條紋圖樣，來還原每一個晶體的方向，就像法醫能從指紋判別身分，EBSD也能從電子條紋推算出晶體的方向。本文就帶你了解 EBSD 是如何「看懂」晶體取向的！

EBSD晶體結構

一、條紋背後的秘密：Kikuchi Bands是什麼？

當高能電子束照射在傾斜的樣品表面時，部分電子會被晶體內的原子排列散射，形成一系列明暗相間的條紋，稱為Kikuchi bands。這些條紋的排列與角度，正是晶體取向的指紋。
如果你曾經看過陽光照進玻璃吊燈後在牆上散出的條紋，那其實就是光線與晶體表面的互動所造成的現象之一，Kikuchi bands就是類似的概念，只是它是電子與晶體相互作用的結果。
二、條紋幾何≠雜訊，而是晶面的投影

EBSD的特別之處，在於它不是直接「看到」晶體，而是透過數學計算出來的。每一條Kikuchi band都是對應一組晶面，例如：(100)、(111)、(200)等。如果能從圖樣中辨識出三條以上互不平行的band，即可推導出這顆晶體在空間中的實際旋轉方向。
換言之，每一張繞射圖樣EBSP(Electron Backscatter Diffraction Pattern)，就像是晶體寫給你的「幾何信件」，我們只要解讀band的幾何，就能知道這顆晶體的方向。
三、解碼條紋：如何從Kikuchi Bands得知晶體取向？
EBSD系統大致可簡單分成以下步驟去解讀Kikuchi bands(圖一)：

圖像擷取：使用EBSD探測器捕捉Kikuchi圖樣。

條紋辨識：利用數學模型與演算法，辨識出條紋的位置與方向。

索引：將辨識出的條紋與已知的晶體結構資料庫比對，確定晶體的取向。
圖一：EBSD如何從電子束撞擊樣品開始，逐步取得繞射圖樣(EBSP)，再透過Band偵測、資料庫比對，最終取得晶體的相位與取向資訊。
(資料來源：宜特科技)
四、EBSD的準確度取決於什麼?

EBSD的準確度取決於以下三項：「掃描解析度」和「條紋清晰度」和「索引參數設定」。

(一) 掃描解析度：若電子束掃描步徑(step size)太大，小晶粒將會被誤判或是忽略，影響晶粒尺寸統計的正確性(圖二)。

圖二：兩種不同步徑參數設定下得到的BC及IPF圖，(a)步徑5nm之BC圖，(b) 步徑5nm之IPF圖，(c)步徑50nm之BC圖，(d)步徑50nm之IPF圖。
(圖片來源：宜特科技)

(二) 條紋清晰度：樣品製備階段需要將觀察面處理到非常平整，若表面太過粗糙、太髒或有氧化
層，那怕只是些微的刮痕，都會影響到條紋的品質，導致結果無法辨識或是誤判。
就像標示在下圖的BC及IPF圖的帶狀及點狀的痕跡，分別為刮痕及研磨料填塞，也有刮痕塞入研磨料的混合狀況(圖三)。刮痕造成的些微晶格扭曲並不是結晶內部的真實狀況，填塞物質可能誤判為析出相，需要額外用成分分析除錯，增加不必要的時間成本。

圖三：樣品表面的刮痕及研磨料對於BC及IPF的影響。
(圖片來源：宜特科技)

(三) 索引參數設定：錯誤的材料及結構參數會導致誤判(mis-indexing)，導致相鑑定時部分晶體結構無法正確標定(圖四)。

圖四：不同匯入資料的索引結果。(a)僅匯入α-鐵相的相分布圖，(b)匯入α-鐵相、γ-鐵相及Fe3C相的相分布圖。
(圖片來源：宜特科技)