从Si、InP到SiC：直击富睿思原子力显微镜在半导体衬底量测中的应用实例

一、半导体材料的发展历程

第一代半导体材料指以硅（Si）和锗（Ge）为主的半导体材料，兴起于20世纪50年代，开始主要应用于航天航空、军工、计算机等高精尖领域，后来随着技术的发展，逐渐应用于手机、充电器、笔记本电脑等民生领域，进入千家万户。相对于锗（Ge）来说，硅（Si）的带隙比较宽，受温度的影响更小，且硅（Si）的氧化物SiO2是非常好的绝缘层，容易制备，所以硅（Si）成了第一代半导体材料中的主力军，主要应用于低压、低频、中功率晶体管和光电探测器。第一代半导体材料驱动了以集成电路为核心的微电子领域的迅速发展，奠定了微电子的产业基础，带来了信息产业的飞跃。

第二代半导体材料是指以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、锑化铟（InSb）为代表的化合物半导体材料，有确定的禁带宽度和能带结构，兴起于20世纪90年代，它们都是直接带隙半导体，相比于第一代半导体材料，其吸收光、发射光的效率要高很多，特别适合制作发光二极管、光电探测器、半导体激光器等，因此被广泛用于光通讯、光显示、移动通讯等领域。第二代半导体材料助力开拓了光纤和移动通讯的新产业。

第三代半导体材料是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）为代表的宽禁带半导体材料，其禁带宽度通常大于2.3 eV，具备耐高温、高频、高功率的显著特点。其中，SiC凭借其耐高压、耐高温、低能量损耗等特性被认为是5G通信芯片中最理想的衬底，GaN则凭借其高临界磁场、高电子迁移率的特点被认为是超高频器件的绝佳选择，金刚石的禁带宽度更宽，击穿电压也更高，目前金刚石半导体正处于从研发向产业化落地的关键期。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

虽然第三代半导体材料有很多优于前两代半导体材料的特性，但在实际应用中，第三代半导体材料与第一代、第二代半导体材料之间并不是相互替代的关系，而是根据应用需求互补共存。它们适用于不同的领域，应用范围有所交叉，但并不完全等同。综合来看，三代半导体材料因性质不同，在不同应用领域各有所长、平行发展、长期共存。

二、富睿思原子力显微镜在半导体衬底领域的应用

原子力显微镜（AFM）能够精确测量半导体衬底表面的微观起伏，量化粗糙度（Ra、Rq、Sa、Sq）等关键参数。这对于评估化学机械抛光（CMP）等关键工艺的效果至关重要，因为表面粗糙度直接影响载流子迁移率和器件可靠性。通过AFM对抛光后的衬底进行检测，可以发现纳米级缺陷（如划痕、凹坑等），为调整抛光液成分、压力、速度等工艺参数提供直接而量化的反馈，从而助力良品率的提升。

下面就列举几个使用富睿思原子力显微镜（AFM）测试半导体衬底材料的应用案例。‌‌

1. 硅（Si）衬底的粗糙度

硅（Si）衬底是现代电子工业的基石，其应用之广泛、影响之深远，几乎渗透到我们生活的方方面面。要理解其应用，首先需要了解其核心优势。

硅衬底凭借其资源丰富、成本低廉、性能优异（尤其是拥有天然SiO₂）、工艺成熟等综合优势，成为了整个信息时代的“地基”。从我们口袋里的智能手机到云端的数据中心，从汽车的发动机控制到工厂的自动化生产线，硅基半导体无处不在。尽管面临新材料的竞争和物理极限的挑战，但通过持续的技术创新（如先进制程、异质集成），硅衬底在未来很长一段时间内仍将是半导体产业的绝对主导，并继续推动着人类社会的数字化进程。

富睿思 AFM 能够精准捕捉皮米级（pm）的起伏，助力半导体厂商在CMP工艺中实现极致的良率控制。如下图所示，这是一张扫描范围为1 μm的Si衬底图像，其表面粗糙度（Sq）为0.09 nm。

2. 磷化铟（InP）衬底的原子台阶和粗糙度

磷化铟（InP）是一种重要的III-V族化合物半导体材料，具有直接带隙、高电子迁移率、宽禁带可调性及优异的高温和高频性能，广泛应用于光通信、高频电子、量子技术等领域，尤其在5G/6G、人工智能、云计算、深空探测等前沿领域不可或缺。随着光子集成、量子技术的进一步发展，InP的应用边界还将持续拓展。

富睿思 AFM 的超高空间分辨率，让科研人员能够直观观测原子级平整度，为高性能光子集成器件的研发提供科学依据。如下图所示，这是一张扫描范围为1.5 μm的InP原子台阶图像，台阶高度约为0.30 nm，表面粗糙度（Sq）为0.08 nm。

3. 碳化硅（SiC）衬底的原子台阶和粗糙度

碳化硅（SiC）是一种宽禁带半导体材料，因其优越的物理和电学特性，在现代半导体产业中扮演着越来越重要的角色，特别是应用在高压、高频、高温、高功率等极端环境下的电子器件中。同时，由于SiC材料和器件表面形貌、晶体质量、粗糙度等参数对其性能有显著影响，AFM作为纳米级表面分析工具，在SiC相关研究和生产中具有不可替代的重要性。

尽管SiC具备卓越的电学和热学性能，但其材料制备、晶体生长、表面处理、器件加工等环节面临诸多挑战，如表面粗糙度控制、外延层质量、晶体缺陷等问题。因此，要充分发挥SiC的优异性能，必须对其材料质量、表面状态、加工精度进行严格把控。AFM作为一种高分辨率、非破坏性的表面测量和分析工具，已逐渐成为SiC材料与器件研发、生产与质量控制中不可或缺的利器。

针对 SiC 这种高硬度、高要求的材料，富睿思 AFM 提供非破坏性的扫描模式，是企业从研发走向大规模量产中不可或缺的质检利器。如下图所示，这是一张扫描范围为500 nm的SiC原子台阶图像，台阶高度约为0.75 nm。

如下图所示，这是一张扫描范围为10 μm的SiC表面的扫描图像，碳面 (C-face)的粗糙度（Sq）为0.72 nm。