Spektroskopisk ellipsometri används allmänt inom halvledarbearbetning, till exempel vid tillverkning av integrerade kretsar, platta bildskärmspaneler och solceller. En konventionell spektroskopisk ellipsometer, som visas i fig. la, modulerar emellertid typiskt polarisationstillståndet via mekanisk rotation av kompensatorn eller analysatorn. För spektral detektion kräver den antingen våglängdsskanning eller användning av en flerkanalsspektrometer. Det resulterande systemet är ofta skrymmande, komplext och kräver flera mätningar.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av professor Yuanmu Yang från Tsinghua University, Kina och medarbetare har föreslagit och experimentellt demonstrerat ett kompakt metasurface array-baserat system för enkelskottsspektroskopisk ellipsometrimätning, som visas i Fig.1b.
Det föreslagna systemet använder en kiselbaserad metasytor för att koda hela Stokes polarisationsspektrum av ljus som reflekteras från den tunna filmen. Därefter avkodas polarisations- och spektralinformationen baserat på intensitetssignalerna som samlas in av en CMOS-sensor med hjälp av konvexa optimeringsalgoritmer.
Den kan rekonstruera hela Stokes polarisationsspektrum för den tunna filmen, vilket sedan ytterligare möjliggör bestämning av filmtjocklek och brytningsindex. Detta tillvägagångssätt förenklar avsevärt konventionella spektroskopiska ellipsometrisystem och möjliggör mätningar av tunnfilmsparameter i en enda bild.
Schemat för den metasytematrisbaserade spektroskopiska ellipsometern visas i fig. 2a. Den spektropolarimetriska detekteringssektionen av ellipsometern består av en metasytmatris integrerad på en kommersiell CMOS-sensor, vilket resulterar i ett extremt kompakt system. Metasurface-arrayen består av 20 × 20 optimerade element utformade för att stödja anisotropisk och spektralt mångfaldig respons, vilket säkerställer korrekt rekonstruktion av hela Stokes polarisationsspektrum.
I detta arbete, fem SiO2 tunna filmer med tjocklekar från 100 nm till 1000 nm avsatta på ett kiselsubstrat valdes ut som prover för testning. De inpassade tjocklekarna och brytningsindexdispersionerna av de testade tunna filmerna överensstämde noga med grundsanningen som erhölls från en kommersiell spektroskopisk ellipsometer, med fel på endast 2,16 % respektive 0,84 % för tjockleks- och brytningsindexmätningar.
Forskargruppen föreslog och demonstrerade experimentellt en metasurface-array för integrerat spektroskopiskt ellipsometrisystem med ett enda skott. Detta system tillåter noggrann bestämning av tunnfilmstjocklek och brytningsindex genom en enda mätning utan några mekaniska rörliga delar eller dynamiska fasmoduleringselement.
Metasurface-arrayen lovar också spektropolarimetrisk avbildning, vilket ytterligare kan möjliggöra icke-destruktiv karaktärisering av rumsligt inhomogena tunna filmer.
Mer information: Shun Wen et al, Metasurface array for single-shot spektroskopisk ellipsometri, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01396-3
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
