EBSD 電子背向散射繞射

Electron Back Scatter Diffraction, EBSD

電子背向散射繞射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)是一種利用電子繞射訊號來解析材料晶體結構與晶粒取向的重要顯微分析技術,廣泛應用於半導體、金屬材料與先進功能材料的微觀結構研究,透過 EBSD 技術,可在微米甚至次微米尺度下分析材料的晶體方位、晶界特性與織構分布,是材料科學與失效分析中極具價值的結構解析工具。

 

EBSD 探測器通常安裝於 掃描式電子顯微鏡(SEM)FIB-SEM 雙束系統中,量測時,樣品表面通常相對電子束傾斜約 70°,當高能電子束照射至樣品表面時,部分電子會以 背向散射電子(Backscattered Electrons) 的形式反彈離開樣品,並在穿越晶體晶格時發生繞射作用,在螢光螢幕上形成具有特定幾何特徵的 菊池線(Kikuchi Lines)與菊池花樣(Kikuchi Pattern)

 

這些繞射圖樣攜帶著晶體結構與晶粒取向的重要資訊,透過 EBSD 專用軟體對繞射圖樣進行索引與分析,即可建立樣品表面各位置的晶粒取向分佈圖(Orientation Map),進而完整呈現材料的微觀結晶結構。

 

在取得樣品各區域的晶粒取向資訊後,EBSD 可進一步用於分析多項關鍵材料特性,包括 晶界(Grain Boundary)特性、晶粒取向(Crystal Orientation)、晶體織構(Texture)以及局部應變(Strain)分佈 等,這些資訊對於理解材料變形機制、製程影響與微結構演變具有重要意義。

 

此外,EBSD 常與 能量散射 X 光能譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX) 進行整合分析,在取得結晶學資訊的同時同步分析元素組成,進而完成 相鑑定(Phase Identification)與相分布(Phase Distribution)分析,透過結晶結構與元素資訊的交叉比對,可大幅提升材料微結構解析的完整性與準確度。

EBSD 技術原理
利用電子繞射解析材料晶體結構與晶粒取向

EBSD 的基本原理是利用電子束與晶體結構之間的繞射現象來分析材料的結晶特性。當電子束照射晶體材料表面時,背向散射電子會在晶體晶面上產生繞射,形成具有幾何特徵的 Kikuchi 繞射花樣,透過分析這些繞射花樣的幾何關係,可精確計算晶粒的晶體方位與晶面資訊,EBSD 系統會逐點掃描樣品表面並記錄繞射訊號,進而建立完整的 晶粒取向分布圖(Orientation Map),可進一步用於材料微觀結構分析,如晶粒尺寸分布、晶界角度分布、材料織構、相組成分布、變形與再結晶行為等。

  • 晶界(Grain Boundary)分析:判定晶粒間界面類型與角度差。

  • 晶粒方位(Orientation):繪製晶粒取向分布圖,揭示晶體排列方向。

  • 織構(Texture)分析:了解材料在成形過程中的晶體排列傾向。

  • 應變(Strain)分布:偵測材料內部的應力集中與變形狀態。

  • 相鑑定與分布(Phase Identification & Distribution):搭配 EDX 能量散射光譜分析,可辨識不同相的化學組成與分佈情形。

 

EBSD 分析應用

EBSD 廣泛應用於 半導體、電子材料、金屬、陶瓷與先進封裝 等產業,特別是在金屬材料、薄膜材料與先進封裝材料的微觀結構研究方面,透過 EBSD 技術可建立完整的材料微觀結構資料,對材料性能研究與製程優化具有重要價值。

  • 次結構組織分析(Substructure Analysis)
  • 晶粒尺寸與晶界性質分析(Grain Size / Boundary Characterization)
  • 晶粒取向與織構分析(Grain Orientation & Texture Analysis)
  • 相鑑定與分布分析(Phase Identification & Distribution Mapping)
  • 材料變形與再結晶行為分析(Deformation & Recrystallization Study)
  • 應變分布與殘留應力分析(Strain & Stress Distribution)
閎康科技 EBSD 分析優勢
高解析晶粒取向分析與材料微觀結構完整解決方案

閎康科技長期深耕材料分析與失效分析領域,具備完整的 掃描式電子顯微鏡(SEM)與 EBSD 晶體學分析能力,能夠針對各類材料進行高精度晶粒取向與微觀組織解析。透過高解析 EBSD 系統與專業資料分析軟體,可建立完整的晶粒結構、晶界特性與織構分布資訊,協助客戶深入理解材料結構與製程影響,在實際分析流程中,閎康科技可結合 EBSD、EDX 元素分析與 SEM 高解析影像觀察,同步進行材料晶體結構與化學成分的整合分析,使材料微觀組織的判讀更為完整與精確。

 

此外,閎康科技亦具備完善的樣品製備能力,包含 機械研磨拋光、電解拋光與離子束拋光等技術,可有效提升樣品表面品質,確保 EBSD 繞射訊號品質與分析精度,透過完整的設備平台與專業技術團隊,閎康科技可為客戶快速掌握材料結構特性,提升產品可靠度與製程優化能力,提供高可信度的材料分析解決方案。

 

  • 晶粒尺寸與晶界特性分析

  • 晶粒取向與材料織構(Texture)分析

  • 相鑑定與相分布分析

  • 材料變形與再結晶行為研究

  • 微觀結構與製程關聯分析

 

 

EBSD 應用實例
  • 圖|Orientation Map(晶粒取向分布圖)

    不同顏色代表不同晶粒取向,藉由 EBSD 掃描可建立材料晶粒取向分布圖,用於分析材料的微觀結構與晶粒排列狀態。

  • 圖|Phase Map(相分布圖)

    不同顏色代表不同晶體相(Phase),可用於分析材料中的相組成與相分布情形。

  • 圖|Grain Size Distribution(晶粒尺寸分布)

    晶粒尺寸統計圖,顯示材料中晶粒大小的分布情形,可用於評估材料製程與熱處理對晶粒成長的影響。

  • 圖|Misorientation Angle Distribution(晶界角度分布)

    晶界錯位角度分布圖,可分析材料晶界特性與晶粒間的角度關係。

  • 圖|Pole Figure(極圖)

    極圖(Pole figure)可用於分析材料晶體方向分布,評估材料的織構(Texture)特性。

  • 圖|Inverse Pole Figure(反極圖)

    反極圖(Inverse Pole Figure, IPF)顯示晶粒方向與樣品座標系統之間的關係,可用於分析材料的晶體取向分布。

常見問題
Q1. EBSD分析樣品可接受尺寸如何?
A. 一般長寬高不超過 1cm x 1cm x 0.5cm,但分析前建議和技術單位討論。
Q2. EBSD樣品製備要求?
A. 整體來說,樣品的分析面需製備的夠平整才可執行 EBSD 分析,樣品的平整度將直接影響 EBSD 成像品質。不同的樣品有不同製備方式,常見的方式有研磨拋光、電解拋光、離子拋光等。
Q3. 晶粒間的方位角度之精度可以到達什麼程度?
A. 在最佳狀態下可達 0.05°。
Q4. 通常什麼樣品需要做EBSD分析?
A. 一般 EBSD 是用來分析具晶體結構的材料。TEM 與 SEM 雖然可以觀察晶粒形貌與尺寸,但無法量化晶粒尺寸分布與晶粒方位取向的分布;而 EBSD 掃描範圍大,可涵蓋晶粒數目多,除了可用來觀察晶粒形貌,還具有統計材料的晶粒尺寸、晶粒方位、相鑑定及其分布等功能。
Q5. 可分析到的最小晶粒尺寸極限是多少?
A. 目前 EBSD 偵測晶粒的物理極限約 50nm,但 EBSD 可以分析的晶粒尺寸與樣品本身與樣品表面狀況(樣品製備狀況)有極大關係;一般來說,樣品表面狀況越佳越有利於樣品的分析。
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台灣實驗室|矽導

施先生

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