在材料分析領域裡，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，這個技術叫做EBSD（電子背向散射繞射）。而在TGV製程中，晶粒排列與應力分布的微小差異，往往決定了產品的可靠度。這些關鍵資訊，正是EBSD技術的專長。
在高階封裝技術迅速發展的今日，TGV（玻璃通孔）技術正逐漸成為重要的晶片互連解決方案。根據報導，經濟部產業技術司支持工研院開發的全濕式面板級封裝設備，成功將12吋玻璃基板的通孔深寬比由AR 10提升至AR 15，大幅突破了玻璃通孔製程限制並有效降低製造成本。
在此產業背景下，透過電子背向散射繞射（EBSD）技術觀察晶體結構，變得尤為重要。藉由EBSD（電子背向散射繞射），我們可以深入分析晶粒取向、晶界特性與殘留應力等微觀結構特徵，進而改善製程品質與提升產品的可靠度。
什麼是EBSD? EBSD就是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。
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，並聚焦EBSD在TGV製程中的實際應用面向，從晶粒尺寸、晶界分析、殘留應力分析，到失效定位與品質管控，揭開EBSD如何破解高階封裝製程可靠度難題的祕密。
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。（圖片來源：宜特科技） |
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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） |
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(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） |
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(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） |
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五、EBSD在TGV製程的應用
隨著2.5D/3D IC與高密度互連板（HDI）及玻璃基板技術的快速發展，TGV於高頻高速傳輸的通訊晶片與運算晶片上的應用極具有發展潛力。然而，TGV製程中的金屬化與熱處理過程，可能導致晶粒排列不均、晶界結構不穩定及殘留應力等問題，這些因素都可能對可靠度造成不良影響。
EBSD提供了一種微觀尺度的分析方式，能夠有效觀察與解析上述製程問題。
（一）晶粒尺寸與邊界特徵
透過EBSD獲得的晶體取向資料，可以計算並統計晶粒尺寸分佈及大角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）比例等微觀結構的訊息。
根據Chang等人（2024年，J. Mater. Res. Technol）研究指出，採用多步驟電鍍製程，特別是在初期施加較低電流密度，可有效控制晶粒成長並優化微結構。根據EBSD分析，這種策略能提升高角度晶界（HAGBs）與孿晶界（Twin Boundaries, TBs）的比例（圖五、六），有助於增強電鍍銅的機械強度與延展性，並可能進一步穩定其電性表現。
| 圖五 : 不同電鍍條件下TGV銅區的IPF圖。（圖片來源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.） |
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| 圖六 : 不同電鍍條件下晶界類型比例的比較。（圖片來源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.） |
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相比之下，單一步驟電鍍易產生晶粒尺寸不均，可能埋下應力集中隱患。此外，從應力-應變測試結果顯示，多段電鍍雖略降低強度，但其更佳的延展性有利於緩解封裝應力，整體上有助於提升TGV銅的可靠度（圖七）。
| 圖七 : 不同電鍍條件下的Cu電鍍樣品應力–應變曲線。（圖片來源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.） |
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（二）晶粒取向與應力關聯
透過電子背向散射繞射（EBSD）獲取的TGV電鍍銅層的晶體取向分佈圖（Inverse Pole Figure, IPF），可以分析晶粒取向與微觀應力之間的關係。
根據Wang等人（2024年，J. Alloys Compd）的研究，透過EBSD、XRD分析不同熱處理溫度下的銅覆蓋層微觀結構變化，發現隨退火溫度升高，銅膜內部的殘留應力從原本約-70MPa的壓應力逐漸轉為約15MPa的拉應力（表一）。EBSD結果進一步指出，退火可促進靜態再結晶、提高高角度晶界（HAGBs）比例，並使晶粒尺寸細化（圖八）。
表一：不同熱處理溫度下 TGV銅膜的殘留應力與應力值的變化。
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處理溫度
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殘留應力狀態
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應力值(MPa)
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室溫
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壓應力
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-70.09 MPa
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100℃
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壓應力(下降)
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-53.90 MPa
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200℃
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拉應力(轉換)
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15.59 MPa
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300℃
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拉應力(升高)
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23.95 MPa
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（資料來源: Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）
| 圖八 : 不同退火溫度下Cu overburden film的晶粒尺寸與取向分布。（圖片來源：Wang等人；2024年，J. Alloys Compd） |
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此外，他們發現殘留應力較高的樣品傾向呈現（001）優選取向，而殘留應力較低時則轉變為（111）取向。由於（111）面在FCC結構中是最容易滑移的面，因此可視為應力釋放後的穩定狀態之一。KAM（Kernal Average Misorientation）分析顯示（圖九），在100°C 與 200°C 熱處理條件下，晶粒內部應變（KAM值）明顯降低，代表此溫度區間的再結晶有助於應力釋放。但當溫度進一步提升至300°C時，局部微應變卻再次升高，顯示結構可能重新經歷應力累積[2]。
因此，晶粒取向的變化可作為殘留應力水準的間接指標。藉由EBSD持續監測晶體取向與內部差排密度的變化，能有效評估電鍍與退火製程中微觀應力是否獲得有效緩解。
（圖片來源：Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）
（三）再結晶與相變分析
EBSD可用來分析退火處理後銅的再結晶程度。藉由對比退火前後晶體取向圖，能直觀判斷哪些區域發生了再結晶、新晶粒成長等。
Yang等人（2024 年，Micromachines）利用EBSD觀察奈米雙晶銅在退火後的演變。結果顯示，[110]取向的奈米雙晶銅（110-nt-Cu）在退火時發生了劇烈的再結晶，而[111]取向（111-nt-Cu）和無特定取向（nt-Cu）的奈米雙晶銅則僅有輕微再結晶[3]。
透過GND（Geometrically Necessary Dislocation）分析可見（圖十、圖十一），退火後整體差排密度（晶格扭曲）明顯下降，特別是[111]取向奈米雙晶銅表現最為明顯，擁有最低的初始及最終差排密度，此結果說明不同晶向的銅在熱處理下有不同的穩定性，也提供未來進一步透過工程方法優化TGV銅熱穩定性的參考。
| 圖十 : 不同晶向奈米雙晶銅退火前後的GND分佈圖。（圖片來源：Yang等人；2024 年，Micromachines） |
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| 圖十一 : 不同晶向奈米雙晶銅在退火前後的GND平均密度變化。（圖片來源：Yang等人；2024 年，Micromachines） |
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（四）故障解析與品質管控
目前針對TGV互連結構，直接應用EBSD技術進行故障分析與品質控管的研究仍相對稀少。不過在TSV領域，已有成熟的應用案例可供參考。TSV和TGV就像是電纜穿過兩種不同的牆，一個鑽過矽牆，一個穿越玻璃牆。雖然牆的材料不同，但晶粒內的應力集中、銅的再結晶、以及熱脹冷縮帶來的剪應力等問題，本質上卻非常類似。TSV的觀察與結果可視為TGV的前哨站，使用相同的電鍍材料、面對類似的熱處理行為，只是在不同的材料背景中上演。
例如Krause等人（2011年，Proc. IEEE ECTC）便提出一套完整的互連結構包含TSV及μ-Bump的故障分析流程，整合非破壞性的缺陷定位技術：LIT（Lock-in Thermography）與高解析度材料分析工具：DB-FIB、PFIB、EBSD、TEM[4]，提供了一條實務可行的整合式分析路徑。考量EBSD在晶體結構、晶界特性與應變分析方面的優勢，若能將其納入TGV結構研究中，將有助於更深入掌握其潛在的失效機制與品質變異來源。(刊略)
以Okoro等人（2021年，Microelectron. Reliab.）為例，他們指出當升溫速率過快時，TGV結構中因熱膨脹係數不匹配（CTE mismatch）所產生的大量熱機械應力，會在玻璃本體形成放射狀裂紋（圖十二、十三）。這些裂紋雖未直接出現在金屬銅層中，但其形成過程可能與晶界排列與晶界滑移所導致的銅突起（Cu protrusion）密切相關[5]。
Zhao等人（2022年，Micromachines）則透過有限元素模擬指出，在冷卻階段，剪應力主要集中於TGV與銅介面以及RDL周圍（圖十四、十五）[6]，這些區域亦正是晶界滑移與局部塑性變形可能發生的熱點。
若上述研究能進一步結合EBSD分析，針對裂紋源附近區域進行晶粒取向、KAM（Kernel Average Misorientation）或GND（Geometrically Necessary Dislocation）分佈的量測，有望揭示微應變誘導裂紋的幾何與機構成因，為故障機制提供具體且量化的佐證依據。
總結而言，雖然目前仍缺乏專門針對TGV結構的EBSD故障分析文獻，但從晶粒尺寸控制、熱處理後的微結構演化，到與玻璃裂紋相關的熱應力場分佈評估，EBSD的角色正逐步從單純觀察工具，轉型為可靠度工程中不可或缺的決策核心之一。
| 圖十二 : 溫度循環測試後的TGV與RDL（redistribution layer）邊緣的微裂紋。 |
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（圖片來源：Zhao等人；2022年，Micromachines）
| 圖十三 : 熱機械負載誘發的垂直裂紋。（圖片來源：Zhao等人；2022年，Micromachines） |
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| 圖十四 : TGV結構內部剪應力分布示意圖。圖（a）加熱，圖（b）冷卻（圖片來源：Zhao等人；2022年，Micromachines） |
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| 圖十五 : TGV與RDL應力集中區域。（圖片來源：Zhao等人；2022年，Micromachines） |
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EBSD（電子背向散射繞射）不單只是看晶體排列的技術，它還是半導體工程師解決微觀失效、強化封裝可靠度的工具。透過EBSD，我們可以深入了解晶粒的方向、晶界的性質、再結晶的行為，甚至是材料裡面悄悄藏著的殘留應力，這些資訊對製程優化與材料評估來說都非常關鍵。特別是在晶界附近的區域、微小的應變分佈，甚至裂紋是怎麼形成的這些細節，EBSD都能幫我們用高解析度又有數據根據的方式，看清楚、說明白。
未來如果能把EBSD再結合X-ray、SEM、模擬分析等其他工具，建立一個從微觀到巨觀的整合模型，不只能更精準抓出封裝裡潛在的可靠度風險，也能協助製程工程師提前佈局、避開問題。換句話說，EBSD 不只是讓我們「看見晶體的方向」，還能幫我們「預見材料的未來」。
（本文作者李昀達技術副理任職於iST宜特科技材料分析工程處 DB-FIB工程部）
