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EBSD 电子背向散射绕射

Electron Back Scatter Diffraction, EBSD

电子背向散射绕射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)是一种利用电子绕射讯号来解析材料晶体结构与晶粒取向的重要显微分析技术,广泛应用于半导体、金属材料与先进功能材料的微观结构研究,透过 EBSD 技术,可在微米甚至次微米尺度下分析材料的晶体方位、晶界特性与织构分布,是材料科学与失效分析中极具价值的结构解析工具。

 

EBSD 探测器通常安装于 扫描式电子显微镜(SEM)FIB-SEM 双束系统中,量测时,样品表面通常相对电子束倾斜约 70°,当高能电子束照射至样品表面时,部分电子会以 背向散射电子(Backscattered Electrons) 的形式反弹离开样品,并在穿越晶体晶格时发生绕射作用,在荧光荧幕上形成具有特定几何特征的 菊池线(Kikuchi Lines)与菊池花样(Kikuchi Pattern)

 

这些绕射图样携带着晶体结构与晶粒取向的重要资讯,透过 EBSD 专用软体对绕射图样进行索引与分析,即可建立样品表面各位置的晶粒取向分布图(Orientation Map),进而完整呈现材料的微观结晶结构。

 

在取得样品各区域的晶粒取向资讯后,EBSD 可进一步用于分析多项关键材料特性,包括 晶界(Grain Boundary)特性、晶粒取向(Crystal Orientation)、晶体织构(Texture)以及局部应变(Strain)分布 等,这些资讯对于理解材料变形机制、制程影响与微结构演变具有重要意义。

 

此外,EBSD 常与 能量散射 X 光能谱(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX) 进行整合分析,在取得结晶学资讯的同时同步分析元素组成,进而完成 相鉴定(Phase Identification)与相分布(Phase Distribution)分析,透过结晶结构与元素资讯的交叉比对,可大幅提升材料微结构解析的完整性与准确度。

EBSD 技术原理
利用电子绕射解析材料晶体结构与晶粒取向

EBSD 的基本原理是利用电子束与晶体结构之间的绕射现象来分析材料的结晶特性。当电子束照射晶体材料表面时,背向散射电子会在晶体晶面上产生绕射,形成具有几何特征的 Kikuchi 绕射花样,透过分析这些绕射花样的几何关系,可精确计算晶粒的晶体方位与晶面资讯,EBSD 系统会逐点扫描样品表面并记录绕射讯号,进而建立完整的 晶粒取向分布图(Orientation Map),可进一步用于材料微观结构分析,如晶粒尺寸分布、晶界角度分布、材料织构、相组成分布、变形与再结晶行为等。

  • 晶界(Grain Boundary)分析:判定晶粒间界面类型与角度差。

  • 晶粒方位(Orientation):绘制晶粒取向分布图,揭示晶体排列方向。

  • 织构(Texture)分析:了解材料在成形过程中的晶体排列倾向。

  • 应变(Strain)分布:侦测材料内部的应力集中与变形状态。

  • 相鉴定与分布(Phase Identification & Distribution):搭配 EDX 能量散射光谱分析,可辨识不同相的化学组成与分佈情形。

 

EBSD 分析应用

EBSD 广泛应用于 半导体、电子材料、金属、陶瓷与先进封装 等产业,特别是在金属材料、薄膜材料与先进封装材料的微观结构研究方面,透过 EBSD 技术可建立完整的材料微观结构资料,对材料性能研究与制程优化具有重要价值。

  • 次结构组织分析(Substructure Analysis)
  • 晶粒尺寸与晶界性质分析(Grain Size / Boundary Characterization)
  • 晶粒取向与织构分析(Grain Orientation & Texture Analysis)
  • 相鉴定与分布分析(Phase Identification & Distribution Mapping)
  • 材料变形与再结晶行为分析(Deformation & Recrystallization Study)
  • 应变分布与残留应力分析(Strain & Stress Distribution)
闳康科技 EBSD 分析优势
高解析晶粒取向分析与材料微观结构完整解决方案

闳康科技长期深耕材料分析与失效分析领域,具备完整的 扫描式电子显微镜(SEM)与 EBSD 晶体学分析能力,能够针对各类材料进行高精度晶粒取向与微观组织解析。透过高解析 EBSD 系统与专业资料分析软体,可建立完整的晶粒结构、晶界特性与织构分布资讯,协助客户深入理解材料结构与制程影响,在实际分析流程中,闳康科技可结合 EBSD、EDX 元素分析与 SEM 高解析影像观察,同步进行材料晶体结构与化学成分的整合分析,使材料微观组织的判读更为完整与精确。

 

此外,闳康科技亦具备完善的样品制备能力,包含 机械研磨抛光、电解抛光与离子束抛光等技术,可有效提升样品表面品质,确保 EBSD 绕射讯号品质与分析精度,透过完整的设备平台与专业技术团队,闳康科技可为客户快速掌握材料结构特性,提升产品可靠度与制程优化能力,提供高可信度的材料分析解决方案。

 

  • 晶粒尺寸与晶界特性分析

  • 晶粒取向与材料织构(Texture)分析

  • 相鉴定与相分布分析

  • 材料变形与再结晶行为研究

  • 微观结构与制程关联分析

 

 

EBSD 应用实例
  • 图|Orientation Map(晶粒取向分布图)

    不同颜色代表不同晶粒取向,藉由 EBSD 扫描可建立材料晶粒取向分布图,用于分析材料的微观结构与晶粒排列状态。

  • 图|Phase Map(相分布图)

    不同颜色代表不同晶体相(Phase),可用于分析材料中的相组成与相分布情形。

  • 图|Grain Size Distribution(晶粒尺寸分布)

    晶粒尺寸统计图,显示材料中晶粒大小的分布情形,可用于评估材料制程与热处理对晶粒成长的影响。

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

    晶界错位角度分布图,可分析材料晶界特性与晶粒间的角度关系。

  • 图|Pole Figure(极图)

    极图(Pole figure)可用于分析材料晶体方向分布,评估材料的织构(Texture)特性。

  • 图|Inverse Pole Figure(反极图)

    反极图(Inverse Pole Figure, IPF)显示晶粒方向与样品座标系统之间的关系,可用于分析材料的晶体取向分布。

常见问题
Q1. EBSD分析样品可接受尺寸如何?
A. 一般长宽高不超过 1cm x 1cm x 0.5cm,但分析前建议和技术单位讨论。
Q2. EBSD样品制备要求?
A. 整体来说,样品的分析面需制备的够平整才可执行 EBSD 分析,样品的平整度将直接影响 EBSD 成像品质。不同的样品有不同制备方式,常见的方式有研磨抛光、电解抛光、离子抛光等。
Q3. 晶粒间的方位角度之精度可以到达什么程度?
A. 在最佳状态下可达 0.05°。
Q4. 通常什么样品需要做EBSD分析?
A. 一般 EBSD 是用来分析具晶体结构的材料。TEM 与 SEM 虽然可以观察晶粒形貌与尺寸,但无法量化晶粒尺寸分布与晶粒方位取向的分布;而 EBSD 扫描范围大,可涵盖晶粒数目多,除了可用来观察晶粒形貌,还具有统计材料的晶粒尺寸、晶粒方位、相鉴定及其分布等功能。
Q5. 可分析到的最小晶粒尺寸极限是多少?
A. 目前 EBSD 侦测晶粒的物理极限约 50nm,但 EBSD 可以分析的晶粒尺寸与样品本身与样品表面状况(样品制备状况)有极大关系;一般来说,样品表面状况越佳越有利于样品的分析。
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