La elipsometría espectroscópica se adopta ampliamente en semiconductor procesamiento, como en la fabricación de circuitos integrados, paneles de visualización planos y células solares. Sin embargo, un elipsómetro espectroscópico convencional, como se muestra en la figura 1a, normalmente modula el estado de polarización mediante la rotación mecánica del compensador o analizador. Para la detección espectral, se requiere un escaneo de longitud de onda o el uso de un espectrómetro multicanal. El sistema resultante suele ser voluminoso, complejo y requiere múltiples mediciones.
En un nuevo artículo publicado en Luz: ciencia y aplicaciones, un equipo de científicos, dirigido por el profesor Yuanmu Yang de la Universidad de Tsinghua, China, y sus compañeros de trabajo, propusieron y demostraron experimentalmente un sistema compacto basado en una matriz de metasuperficie para la medición de elipsometría espectroscópica de un solo disparo, como se muestra en la figura 1b.
El sistema propuesto utiliza una matriz de metasuperficie basada en silicio para codificar el espectro completo de polarización de Stokes de la luz reflejada por la película delgada. Posteriormente, la polarización y la información espectral se decodifica en base a las señales de intensidad recogidas por un sensor CMOS mediante algoritmos de optimización convexa.
Puede reconstruir el espectro de polarización de Stokes completo de la película delgada, lo que luego permite determinar el espesor de la película y el índice de refracción. Este enfoque simplifica significativamente los sistemas de elipsometría espectroscópica convencionales y permite mediciones de parámetros de películas delgadas de un solo disparo.
El esquema del elipsómetro espectroscópico basado en matriz de metasuperficie se muestra en la Fig. 2a. La sección de detección espectropolarimétrica del elipsómetro está compuesta por una matriz de metasuperficie integrada en un sensor CMOS comercial, lo que da como resultado un sistema extremadamente compacto. La matriz de metasuperficie consta de elementos optimizados de 20 × 20 diseñados para admitir una respuesta anisotrópica y espectralmente diversa, lo que garantiza una reconstrucción precisa del espectro de polarización completo de Stokes.
En este trabajo, cinco SiO2 Se seleccionaron como muestras para las pruebas películas delgadas con espesores que oscilaban entre 100 nm y 1000 nm depositadas sobre un sustrato de silicio. Los espesores ajustados y las dispersiones del índice de refracción de las películas delgadas probadas coincidieron estrechamente con la verdad obtenida con un elipsómetro espectroscópico comercial, con errores de solo 2.16% y 0.84% para las mediciones de espesor e índice de refracción, respectivamente.
El equipo de investigación propuso y demostró experimentalmente una matriz de metasuperficie para un sistema de elipsometría espectroscópica integrada de un solo disparo. Este sistema permite la determinación precisa del espesor de la película delgada y el índice de refracción a través de una única medición sin piezas mecánicas móviles ni elementos de modulación de fase dinámica.
La matriz de metasuperficie también es prometedora para la obtención de imágenes espectropolarimétricas, que pueden permitir aún más la caracterización no destructiva de películas delgadas espacialmente heterogéneas.