在半導(dǎo)體芯片和光學(xué)元件加工等應(yīng)用中，準(zhǔn)確測(cè)量薄膜的厚度和折射率至關(guān)重要。光譜橢偏儀是一種被廣泛應(yīng)用于測(cè)量薄膜厚度和折射率的儀器。相比其它儀器，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜樣品參數(shù)的高精度、非破壞性測(cè)量。然而，傳統(tǒng)光譜橢偏儀（如圖1a所示）需要通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)的偏振光學(xué)元件聯(lián)合光柵光譜儀實(shí)現(xiàn)橢偏光譜探測(cè)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，體積龐大，并且單次測(cè)量耗時(shí)較長(zhǎng)。

圖1.傳統(tǒng)構(gòu)型光譜橢偏儀（a）和基于超構(gòu)表面陣列的光譜橢偏儀（b）系統(tǒng)示意圖

針對(duì)以上難題，清華大學(xué)精密儀器系楊原牧副教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于超構(gòu)表面陣列的微型化快照式光譜橢偏儀，如圖1b所示。該系統(tǒng)利用硅基超構(gòu)表面陣列將待測(cè)薄膜反射光的偏振和光譜信息進(jìn)行編碼，隨后根據(jù)CMOS傳感器采集到的光強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)凸優(yōu)化算法對(duì)偏振光譜信息進(jìn)行解碼，可以高保真地重建薄膜反射光的全斯托克斯偏振光譜，并進(jìn)一步基于薄膜的物理模型，擬合得到薄膜厚度和折射率。該方案可以顯著簡(jiǎn)化現(xiàn)有光譜橢偏儀系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)快照式薄膜參數(shù)測(cè)量。該成果近日以“Metasurface array for single-shot spectroscopic ellipsometry”為題發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Light: Science & Applications。

圖2.（a）基于超構(gòu)表面陣列的光譜偏振探測(cè)單元照片和超構(gòu)表面陣列放大圖。（b）100 nm的SiO2薄膜樣品的全斯托克斯光譜和橢偏參數(shù)的重構(gòu)結(jié)果與光譜儀測(cè)量真值的對(duì)比。（c）基于超構(gòu)表面光譜橢偏儀測(cè)量得到的不同厚度SiO2薄膜的厚度重構(gòu)值與真值的比較。

本文構(gòu)造了如圖2a所示的基于超構(gòu)表面陣列的微型光譜橢偏儀，其偏振光譜探測(cè)單元由超構(gòu)表面陣列與商用CMOS傳感器封裝而成。超構(gòu)表面陣列由20 × 20個(gè)經(jīng)優(yōu)化得到的具有豐富偏振光譜響應(yīng)的超構(gòu)表面子單元構(gòu)成，從而保證全斯托克斯光譜信息計(jì)算恢復(fù)的準(zhǔn)確性。本工作實(shí)驗(yàn)測(cè)量了5個(gè)厚度在100 nm至1000 nm范圍內(nèi)的SiO2薄膜樣品，實(shí)驗(yàn)擬合得到的待測(cè)薄膜厚度和折射率相比商用光譜橢偏儀測(cè)量得到的真值誤差分別僅為2.16%和0.84%。

研究團(tuán)隊(duì)提出并構(gòu)造了一種新型的基于超構(gòu)表面陣列的快照式集成化光譜橢偏測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)中沒(méi)有任何機(jī)械移動(dòng)部件或動(dòng)態(tài)相位調(diào)制元件，僅通過(guò)單次測(cè)量就能準(zhǔn)確地獲得薄膜的厚度和折射率。未來(lái)通過(guò)超構(gòu)表面陣列的復(fù)用，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)偏振光譜成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間不均勻薄膜的快速表征。本工作展現(xiàn)了具有靈活多維光場(chǎng)調(diào)控能力的超構(gòu)表面的一個(gè)潛在的應(yīng)用出口，并為發(fā)展超緊湊、高精度、低成本的光譜橢偏測(cè)量系統(tǒng)開拓了新的思路。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01396-3