種々の結晶方位解析法とSEM/EBSD法の原理...

日本金属学会・鉄鋼協会関西支部 平成 20年度材料セミナー

「材料技術者・研究者のための EBSDによる局所方位解析技術の基礎と応用」 2008.11.28 大阪大学

種々の結晶方位解析法と SEM/EBSD 法の原理

大阪大学大学院工学研究科 辻 伸泰

１．はじめに 走査電子顕微鏡（scanning electron microscope: SEM）の中で、電子線後方散乱により得られる菊池線回折図形をもとに微小領域の方位測定を行なう EBSD（electron back

scattering diffraction）法[1-4]は、この 10年間に材料研究の分野に急速に広まり、いまや種々の学会や国際会議、そして多くの学術論文において、EBSDにより得られる方位データを当たり前のように頻繁に目にすることができる。そもそも金属やセラミッ

クスをはじめとする結晶性材料は、原子や分子が三次元空間中に規則正しく配列する

ことによって構成されている。そのため、結晶性材料の物性や特性は、原子・分子の

配列に支配され、原子の並ぶ向きによって異なる。これを異方性（anisotropy）という。

多結晶体（polycrystal）は、異なる結晶方位（orientation：試料座標系に対する原子の並びの向き）を有する多数の結晶粒の集合体であるが、製造プロセスと履歴に応じた

集合組織（texture：凝固集合組織、加工集合組織、再結晶集合組織など）を大なり小

なり有するのが普通であり、やはり異方性を有している。従って、結晶性材料の方位

や集合組織は、材料の性質を明らかにし制御するために不可欠な情報であるといえる。

しかしながら結晶性材料の方位測定は、EBSD出現以前には多くの困難を伴っており、

したがって結晶方位解析に関する状況の EBSD法の開発による飛躍的発展には、驚くべきものがある。本稿および対応する講義では、結晶性材料の方位情報を知るために

過去に用いられて来た種々の手法を紹介し、その対比として EBSD法の特徴を示すこ

とにより、EBSDの利点とともに、それによりどのような測定・解析ができるかを明確にすることを目的とする。

２．過去に用いられてきた結晶方位測定法 金属を中心とする結晶性材料の方位情報を測定するために従来（そして現在も）用

いられて来た種々の方法を、Table 1 にまとめる。EBSD もそうであるが、方位解析を行なうには、原子・分子の規則正しい並びに起因して生じる回折現象を利用する。

Table 1 従来から用いられている種々の結晶方位解析法

測定法 方位解析

精度 空間 分解能

測定・解析時間 地理情報 加工材 への適用

文献

X 線極点図法 - 10 mmφ < ~60 min / pole figure × ◎ [5,6]

X 線（マイクロ）ラウエ法 1° < 1 mmφ < ~30 min / point △ △ [6]

マイクロファセット

ピット法 5° < 10 µmφ < ~30 min / point ○ △ [7-9]

コッセルパターン法 0.5° < 5 µmφ < ~15 min / point ○ △ [10,11]

ECP 法 0.5° < 5 µmφ < ~30 min / point ○ × [11-13]

EBSD 法 0.1° < 10 nmφ < <0.02 s / point ◎ ◎ [1-4]

TEM/SAD 法 < 10~15° 1 µmφ < ~10 min / point ○ ○ [14]

TEM/Kikuchi 線法 0.1° < 数 nmφ < ~5 min / point ○ ◎ [15,16]

例えば、通常の粉末 X線回折プロファイルからも、各結晶面の回折の積分強度をランダム方位材料における理想強度比と比較することにより、面配向性を求めることが

できる。ただしこれは、測定面に平行な低指数面の配向度しか求められない簡便法で

しかない。従来、金属板の集合組織測定に主として用いられてきたのが、X線極点図法である[5,6]。この方法では、試料に対する X線の入射角を特定のブラッグ角（例えば 111回折角）に固定し、試料を直行する２軸の回りに系統的に回転させることによ

り、極点図（pole figure；例えば 111極点図）を得る。反射 X線のみを用いる場合には、不完全極点図が得られ、試料を薄膜化して透過 X線を用いれば、完全極点図が得られる。しかし、そもそも３次元の情報である結晶方位が、極点図では２次元に投影

されてしまっており、したがって極点図のみから集合組織（結晶方位）を定量的に議

論することはできない。そこで、同一試料から得た複数の極点図をもとに、方位分布

関数（orientation determination function: ODF）を得て、集合組織を定量的に議論するこ

ともよく行なわれる[6]。Figure 1に、X線回折により得られた極点図と、それをもとに得られた ODF の例を示す[17]。しかし、ODF 解析のためには専用のソフトウェアが必要であり、また２次元の極点図情報を３次元にする過程で、いわゆるゴーストが

生じるといった問題点もある[6]。また、複数の極点図を測定することも必須である。そして、X線極点図法の最大の欠点は、材料中の組織に対応した地理的情報（どの位置がどのような方位を有していたかという情報）が完全に失われてしまうことにある。

もちろん、X線極点図法は、依然として材料のマクロ集合組織を知るための優れた方法である。しかし、例えば再結晶における核生成現象や、優先方位発生機構に関する

議論が従来行き詰まりを見せていたのは、上記に述べたような、この方法が有する本

質的な欠点・限界によるものであると考えられる。

Fig.1 {111}極点図と ODFの例（Al合金圧延板[17]）

単結晶の方位を決定するために、ラウエ（Laue）法がよく用いられる。X線ビーム系を細くして行なうマイクロラウエを用いれば、試料中の各地点の局所方位を知るこ

とも可能である。最近は、大型放射光施設（シンクロトロン）により得られる高輝度

X線を用いて、変形や再結晶に伴う方位変化を、組織とともに三次元で測定する試みもなされている[18,19]。しかしながら、シンクロトロンのような大掛かりかつ精緻な装置を用いずにラウエ法で局所方位を系統的に求めるには、照射位置の同定をどうす

るか等、多数の困難な問題点があり、あまり現実的ではない。 金属・合金試験片に対して、ある種の条件下で電解腐食を行なったり、化学腐食を

行なうと、特定の結晶面（多くの場合、原子が稠密に詰まった{111}, {110}, {100}な

どの面）から構成される腐食孔（ファセットピット）を表面に現出させることができ

る。これらファセットピットを SEM などにより観察し、その稜線（特定の結晶方向に対応）のトレースを解析することにより、ピットが生じた部分の結晶方位を決定す

ることができる[7-9, 20-22]。これをマイクロファセットピット法と言う。Figure 2に、フェライト鋼（Fe-19Cr）およびオーステナイト鋼（Fe-36Ni）に現出させたマイクロファセットピットの SEM像を示す[23]。フェライト鋼の場合には、 BCC構造の最稠

密面である{110}面よりなる 12面体形状のファセットピットが見られる。この場合には、稜線が<111>方向に対応する。オーステナイト鋼の場合には、やはり FCC構造の最稠密面である{111}よりなる８面体を基本構造としたピット（頂点部に{001}面も現

れている）が観察される。この８面体ピットの稜線方向は、<110>方向に相当する。写真上の稜線方向は、これら結晶方向の観察面への投影であるから、その角度をもと

にして、結晶の方位を解析することができる。マイクロファセットピット法の優れた

ところは、ピットが現出した部分の結晶方位分布を視覚的・直感的に理解できる点に

ある[23,24]。例えば、Fe-19Cr 合金（フェライト系ステンレス鋼）冷間圧延板に生じ

たマトリクスバンドタイプの変形帯と、それに対応するファセットピットの SEM 像を Fig.3に示す[25]。この変形帯が、{001}面方位を有する部分（奇数部）と{111}面方位を有する部分（偶数部）とが交互に並んだ構造を有していることが分かる。このよ

うに、マイクロファセットピット法は、加工材に対してもある程度適用できる。しか

し、特に加工材においてはピットの形状が崩れ、方位測定精度が悪くなる。必ずしも

狙った場所にピットを現出できる訳ではなく、どの材料においてもファセットピット

が得られる訳でもない。ファセットピットの大きさは数~10μmであり、これより小さな領域の方位測定を行なうこともできない。

Fig.2 Fe-19Cr合金（フェライト鋼）と Fe-36Ni合金（オーステナイト鋼）に現出したマイクロファセットピットの SEM像と、その幾何学の説明[23]。

Fig.3 Fe-19Cr合金冷間圧延材に生じた変形帯の光学顕微鏡写真と、各領域より得られたマイクロファセットピットの SEM像[25]。

SEM（scanning electron microscope：走査電子顕微鏡）内での回折現象を利用した局所方位測定法も、種々開発されて来た。本セミナーの主題である EBSD法も、その一

種である。結晶に電子線を入射したときに発生する特性 X線が、結晶自身によって回折されることにより、コッセルパターンという特徴的な解析図形を生じる。この図形

をもとに、局所領域の結晶方位を比較的精度よく測定することができる[10,11]。これ

がコッセルパターン法である。Figure 4に、コッセルパターンの例を示す[11]。コッセルパターンの発生原理は、EBSD などで用いる Kikuchi 線のそれと本質的には同様である。しかし、X線は電子線よりも波長がずっと大きいので、パターンは直線では

なく Fig.4のような曲線となる。これを特殊なチャートを用いて解析することにより、結晶方位を同定することができる。しかしこの方法は、コッセルパターンを記録する

ための X線フィルム撮影装置を SEMに追加する必要がある等の理由から、あまり広

くは用いられていないようである。

Fig.4 コッセルパターンの例[11]。

SEM 内で試料表面の一点に電子線を固定して、入射角度を変化させる（ビームロ

ッキング：Fig.5 (a) [13]）と、Fig.5 (b)に示すようなチャンネリングパターンが得られ

る。これは Kikuchi線回折図形の一種である。これをもとに方位解析を行なうのが、ECP（electron channeling pattern）法である[11-13]。この方法は、Kikuchi線を用いるものであるから、方位解析精度は非常に良い。一方、試料にひずみが入ると、良好なチ

ャンネリングパターンが得られない（すなわち、加工材に適用できない）という欠点

がある。また、空間分解能もせいぜい数μmφである。ECP 法の角度走査やパターン解析が自動化されることはなく、その測定と解析には長い時間と労力が必要であった。

例えば、筆者が大学院生時代に ECP法により測定した結晶方位の解析例を Fig.6に示す[26]。Fe-19Cr合金冷延材を焼鈍したときに生じた再結晶粒 185個の結晶方位である。これらを全て測定し、トレースして解析するのに、約７日間が必要であった。

Fig.5 (a) ECPおける角度走査[13]と、(b) ECP像の例。

Fig.6 ECPにより測定した、Fe-19Cr合金冷延・焼鈍材において発生した再結晶粒 185個の結晶方位。

電子線回折図形は、TEM（transmission electron microscope：透過電子顕微鏡）においても、もちろん容易に得ることができる。TEM で最も良く用いられるのは、いわ

ゆる SAD（selected area diffraction）パターンである。これは、明視野像観察中に、試料の特定の領域のみが回折に寄与するように、視野制限絞りで電子線の入射を制限し、

レンズを回折モードにして得るものである。電子線入射方向に対応して、Fig.7 のような規則正しい斑点模様が得られる。もちろん、これをもとにして、結晶方位を解析

することができる。しかしながら、例えば 001入射に対応した正方形形状の回折模様は、電子線が正確な[001]方向から入射した場合のみに得られる訳ではなく、多少方位

がずれていても、同様の回折模様が得られる。それによる誤差は、入射方位にも依存

するが、10~15°にも至ることが示されている[14]。すなわち、SAD法による方位解析は、その方位解析精度の点で大きな問題があると言わざるを得ない。

以上のように、材料の局所方位を知るために、様々な手法が考案され、工夫されて

きた。しかしこれらはいずれも、方位解析精度、地理情報（組織）との対応付け、装

置、所要時間等の面で何らかの問題を抱えている。それに対し、EBSD 法の開発が、こうした状況を一気に打破し、多量のデータからなる方位マッピングを容易に実施で

きるようにしたのである。

Fig.7 BCC結晶における電子線回折斑点の幾何学[27]。

３．EBSD法の特徴とその応用

EBSD法とは、SEM内で試料表面の１点に電子線を入射させ、生じる反射電子回折模様（electron back-scattering pattern；一種の Kikuchi線）を用いて局所領域の結晶方位や結晶構造を解析しようとするものである。Kikuchi 線の発生原理の模式図と、実

際の EBSD像の例を Fig.8に示す。発生原理と解析法については、次稿で詳細に述べる。EBSDの原理とその発生に関しては、1973年頃から研究が行われていた[1]。EBSD法が大きく発展したのは、1991 年に方位マッピングが自動で行なえるようになり、

1993年に Adams [28,29]によって Orientation Imaging Microscopy (OIM)という概念が提唱されてからである[1]。 方位マッピングの考え方を、Fig.9 に図で示す。前述したように、試料表面の一点に電子線を入射することにより、EBSD像が得られる。そこでこれを、一定間隔で試料表面上に電子線を走査させ、繰返す。もともと SEM は、こうした操作を容易に行なうことができる。測定した方位は、電子線を集中させた領域のみからの情報であり、

決して測定面上を連続的に調べたものではない。しかし、隣接測定点間の中間までを

その測定結果で代表させることにより、測定面全体の方位情報を仮定する。測定ピッ

チを十分小さくすれば、二次元測定面内の方位分布をかなり正確にマッピングするこ

とができる。そもそも、結晶性材料の組織（microstructure）とは、結晶方位が異なる場合の境界（結晶粒界：grain boundary）や、相（すなわち結晶構造）が異なる場合の境界（異相界面：interface）により区切られてできたパターンのことである。結晶方

位と結晶構造はともに、Kikuchi 線を解析することにより正確に得ることができる。すなわち、ビーム走査により得られた EBSD図形をもとに、各点の結晶方位データを位置情報（二次元座標）とともに測定・蓄積し、それをもとに材料組織を再構築しよ

うというのが、OIMの概念である。これにより、様々な材料組織が、結晶方位情報を内包した形で視覚的に提示されるようになったのである。

Fig.8 Kikuchi線の発生原理（ただし透過の場合）と、SBSD図形の例。

Fig.9 方位マッピングの概念と EBSDシステムの構成[3]。

EBSD法の第一の利点は、Kikuchi線回折図形を用いることにより、最小 0.1°程度の正確な方位測定ができる点にある。また、コンピューターの発達とあいまって、多

量の方位データを含む方位マッピングを、短時間のうちに自動で行なえるようになっ

ている。例えば、ECP 法によれば７日間必要であった Fig.6 のデータが、EBSD であれば数秒以内に得ることができる。EBSDは方位情報とともに地理的情報を保持している。従って、材料のミクロ組織を再現でき、かつ、注目したい局所領域の結晶方位

を正確に知ることができる。この方法を駆使すれば、今まで不明であった種々の固相

反応の発現原理を解明できる可能性が高い。

当初、EBSD 法は、ECP 法と同様にひずみに弱いのではないかと考えられてきた。しかしながら、強加工材への適用事例が多数報告されている。例えば、Fig.10は、ARBという巨大ひずみ加工プロセスによって、対数相当ひずみ 4.8まで超強加工された工

業用純アルミニウムの EBSDマップ像である。極めて大きな塑性加工が施されているにも関わらず、伸長超微細粒組織（平均粒厚さ 200nm）が十分よく測定・再現されている。またこうした測定より、40~50nm ピッチ程度までのマッピングは十分に意味

があることも分かる。

Fig.10 ARB法により相当ひずみ 4.8まで超強加工された工業用純 Alの EBSD方位マップ像。(a) ND

方位カラーマップ。(b) RD方位カラーマップ。(c) バウンダリーマップ。[30]

EBSDによる方位マッピングは、多数の格子欠陥を含むことが知られている鋼のマルテンサイト組織にも適用されている。Figure 11 は、それぞれレンズマルテンサイトおよびラスマルテンサイトの、焼き戻し熱処理をしていない、相変態ままの EBSD

測定結果である[31,32]。複雑なマルテンサイト組織がよく再現されており、これをもとに精緻なバリアント解析も可能である[31,32]。金属材料研究における EBSD法の適用は、再結晶や粒成長に伴う優先方位（集合組織）発達の分野でまず用いられて来た。

しかし、EBSD図形によれば、異なる結晶構造を持つ相の区別ももちろん可能であり、Fig.11に示したマルテンサイトに限らず、今後は種々の相変態現象に対しても適用されていくことが期待される[33]。

Fig.11 (a) 28.5at%Ni鋼におけるレンズマルテンサイトと、(b) 0.2wt%C鋼におけるラスマルテンサイ

トの EBSD方位マッピング像[31,32]。

一方、現在の自動化された EBSDシステムによる測定の場合、非常に小さな方位差

に対する解析精度は低い[33,34]。多くの場合、1°~2°未満の方位差の情報は、切り捨てて示すようにされている。また、そのことにも関連して、EBSD法によって転位組織を観察することはできない。こうした要求に対しては、TEM内での Kikuchi線解

析が有効である。TEM/Kikuchi線解析は、EBSDのようにまだ自動マッピング化されていないが、効率的に方位解析を行なうことのできる優れたソフトウェアはすでに開

発されている[15]。TEM/Kikuchi 線による自動方位マッピングが実現すれば、EBSD

法と互いに補完し合うことにより、材料科学の知見がさらに大きく拡大していくこと

が期待される。

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