L'ellipsométrie spectroscopique est largement adoptée dans semi-conducteur traitement, comme dans la fabrication de circuits intégrés, d’écrans plats et de cellules solaires. Cependant, un ellipsomètre spectroscopique conventionnel, comme le montre la figure 1a, module généralement l'état de polarisation via la rotation mécanique du compensateur ou de l'analyseur. Pour la détection spectrale, elle nécessite soit un balayage de longueur d'onde, soit l'utilisation d'un spectromètre multicanal. Le système résultant est souvent volumineux, complexe et nécessite plusieurs mesures.
Dans un nouvel article publié dans Lumière: science et applications, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Yuanmu Yang de l'Université Tsinghua, en Chine, et ses collègues ont proposé et démontré expérimentalement un système compact basé sur un réseau de métasurfaces pour la mesure d'ellipsométrie spectroscopique à un seul coup, comme le montre la figure 1b.
Le système proposé utilise un réseau de métasurfaces à base de silicium pour coder le spectre complet de polarisation Stokes de la lumière réfléchie par le film mince. Ensuite, les informations de polarisation et spectrales sont décodées sur la base des signaux d'intensité collectés par un capteur CMOS à l'aide d'algorithmes d'optimisation convexe.
Il peut reconstruire le spectre complet de polarisation Stokes du film mince, ce qui permet ensuite de déterminer l'épaisseur du film et l'indice de réfraction. Cette approche simplifie considérablement les systèmes d’ellipsométrie spectroscopique classiques et permet des mesures de paramètres de couches minces en une seule fois.
Le schéma de l'ellipsomètre spectroscopique basé sur un réseau de métasurfaces est présenté sur la figure 2a. La section de détection spectropolarimétrique de l'ellipsomètre est composée d'un réseau de métasurface intégré à un capteur CMOS commercial, ce qui donne un système extrêmement compact. Le réseau de métasurfaces se compose de 20 × 20 éléments optimisés conçus pour prendre en charge une réponse anisotrope et spectralement diversifiée, garantissant une reconstruction précise du spectre complet de polarisation de Stokes.
Dans ce travail, cinq SiO2 des films minces d'épaisseurs allant de 100 nm à 1000 2.16 nm déposés sur un substrat de silicium ont été sélectionnés comme échantillons à tester. Les épaisseurs ajustées et les dispersions d'indice de réfraction des films minces testés correspondaient étroitement à la vérité terrain obtenue à partir d'un ellipsomètre spectroscopique commercial, avec des erreurs de seulement 0.84 % et XNUMX % pour les mesures d'épaisseur et d'indice de réfraction, respectivement.
L’équipe de recherche a proposé et démontré expérimentalement un réseau de métasurfaces pour un système d’ellipsométrie spectroscopique intégré à un seul coup. Ce système permet une détermination précise de l'épaisseur du film mince et de l'indice de réfraction grâce à une seule mesure sans aucune pièce mécanique mobile ni élément de modulation de phase dynamique.
Le réseau de métasurfaces est également prometteur pour l’imagerie spectropolarimétrique, qui pourrait en outre permettre la caractérisation non destructive de films minces spatialement inhomogènes.