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

在半導(dǎo)體芯片和光學(xué)元件加工等應(yīng)用中，準(zhǔn)確測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、非破壞性測量。然而，傳統(tǒng)光譜橢偏儀(如圖1a所示)需要通過機(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，從而導(dǎo)致系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，體積龐大，并且單次測量耗時(shí)較長。

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)測量。該成果近日以“Metasurface array for single-shot spectroscopic ellipsometry”為題發(fā)表于國際頂尖學(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)果與光譜儀測量真值的對(duì)比。(c)基于超構(gòu)表面光譜橢偏儀測量得到的不同厚度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)擬合得到的待測薄膜厚度和折射率相比商用光譜橢偏儀測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量系統(tǒng)。該系統(tǒng)中沒有任何機(jī)械移動(dòng)部件或動(dòng)態(tài)相位調(diào)制元件，僅通過單次測量就能準(zhǔn)確地獲得薄膜的厚度和折射率。未來通過超構(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量系統(tǒng)開拓了新的思路。


審核編輯 黃宇