【国际论文】日本精细陶瓷中心：利用相差显微镜实现对 β-Ga₂O₃ 中纳米级表面缺陷的亚分辨率检测

        β-Ga₂O₃ 凭借超高巴利加优值与熔体法可大尺寸制备的优势，是下一代高压功率半导体核心衬底材料，晶圆表面划痕、凹坑、位错等纳米尺度表面缺陷会大幅恶化器件漏电流与击穿电压，晶圆量产前亟需大面积、无损伤快速缺陷检测手段。当前主流光学检测技术以高度差作为成像依据，仅能观测尺寸大于衍射极限的表面形貌缺陷，难以同步识别衬底内部结晶位错；普通相差显微镜虽可观测宽禁带半导体位错，但纳米凹坑、微划痕等亚分辨率缺陷的检出阈值、缺陷形貌与成像对比度的定量关联规律尚不清晰，缺少可定量预测缺陷可检测极限的理论分析模型，无法为晶圆光学检测设备参数优化提供量化指导，限制了 β-Ga₂O₃ 衬底规模化无损质检工艺落地。

        该团队采用相差显微镜定量研究 β-Ga₂O₃ 纳米表面缺陷的可检测性能；实验证实深度约 40–50 nm 的表面凹坑，即便横向尺寸远低于衍射极限仍可被检出。该团队基于高斯缺陷轮廓与衍射受限成像理论建立解析模型，可精准复现缺陷检出边界。研究揭示通用规律：缺陷可检测性由点扩散函数积分后的相位信号决定，而非仅取决于空间分辨率。该理论框架建立了基于相位成像的缺陷检测通用准则，为宽禁带半导体光学检测系统优化提供实操依据。

        •采用相差显微镜定量表征 β-Ga₂O₃ 衬底上低于衍射极限的纳米凹坑与纳米划痕。       

        •建立基于高斯轮廓的解析模型，可定量预测点、线状表面缺陷的检出极限。

        •揭示缺陷可检测性由积分相位信号主导，而非单纯由光学空间分辨率决定。

        •为宽禁带晶圆无损光学检测设备参数调优提供量化实操准则。

        该团队结合实验表征与解析建模，定量阐明相差显微镜下 β-Ga₂O₃ 纳米表面缺陷的检出特性；结果证明：当积分相位信号高于噪声基底时，尺寸低于衍射极限的缺陷仍可被识别，缺陷可视性由积分光学相位量决定，并非仅由空间分辨率决定。

        本文提出的解析模型为相位型缺陷检测提供通用理论基础，同时给出光学检测系统优化实操方案，证实相差显微镜是适用于晶圆级快速、无损缺陷检测高效多功能表征手段。

图 1. (a)(b) 压痕测试中贝尔科维奇压头与晶体取向位置关系示意图；(c) 阵列压痕制备排布图；(d) 划痕制备时压头、晶体取向与扫描方向位置示意图；(e) 划痕制备过程中压头位置与加载力随时间变化曲线；(f) 制备划痕的原子力显微镜图。

图 2. (a)(b) 分别对应图 1 (a)、1 (b) 压头取向制备阵列压痕的相差显微镜图；(c)(d) 对应工况下的载荷-位移曲线；(e) 5 mN 压痕中心附近原子力截面轮廓及其高斯拟合曲线。

图 3. (a) 点状压痕、(b) 线状划痕在相差显微镜下的检出极限曲线，横坐标为横向尺寸参数 σ₀，纵坐标为缺陷峰值深度 t₀；圆点为实验数据，实线为理论计算结果。

图 4. (a)(b) 分别沿图 1 (d) 向上、向下扫描制备划痕的相差显微镜图；(c) 图 (b) 划痕截面光强分布曲线；(d) 划痕中心原子力截面实测曲线（细线）与高斯拟合曲线（粗线）。