Ellipsometry spektroskopi diadopsi secara luas di semikonduktor pengolahannya, seperti dalam pembuatan sirkuit terpadu, panel layar datar, dan sel surya. Namun, ellipsometer spektroskopi konvensional, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.1a, biasanya memodulasi keadaan polarisasi melalui rotasi mekanis kompensator atau penganalisis. Untuk deteksi spektral, diperlukan pemindaian panjang gelombang atau penggunaan spektrometer multisaluran. Sistem yang dihasilkan seringkali besar, rumit, dan memerlukan banyak pengukuran.
Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan di Cahaya: Sains & Aplikasi, sebuah tim ilmuwan, yang dipimpin oleh Profesor Yuanmu Yang dari Universitas Tsinghua, Tiongkok dan rekan kerja telah mengusulkan dan secara eksperimental mendemonstrasikan sistem berbasis susunan metasurface kompak untuk pengukuran elipsometri spektroskopi tembakan tunggal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.1b.
Sistem yang diusulkan menggunakan susunan metasurface berbasis silikon untuk mengkodekan spektrum polarisasi Stokes penuh dari cahaya yang dipantulkan dari film tipis. Selanjutnya, informasi polarisasi dan spektral diterjemahkan berdasarkan sinyal intensitas yang dikumpulkan oleh sensor CMOS menggunakan algoritma optimasi cembung.
Hal ini dapat merekonstruksi spektrum polarisasi Stokes penuh dari film tipis, yang selanjutnya memungkinkan penentuan ketebalan film dan indeks bias. Pendekatan ini secara signifikan menyederhanakan sistem ellipsometri spektroskopi konvensional dan memungkinkan pengukuran parameter film tipis sekali pakai.
Skema ellipsometer spektroskopi berbasis array metasurface ditunjukkan pada Gambar. Bagian deteksi spektropolarimetri ellipsometer terdiri dari susunan metasurface yang terintegrasi ke sensor CMOS komersial, menghasilkan sistem yang sangat kompak. Array metasurface terdiri dari 2 × 20 elemen yang dioptimalkan yang dirancang untuk mendukung respon anisotropik dan beragam spektral, memastikan rekonstruksi akurat dari spektrum polarisasi Stokes penuh.
Dalam karya ini, lima SiO2 film tipis dengan ketebalan berkisar antara 100 nm hingga 1000 nm yang disimpan pada substrat silikon dipilih sebagai sampel untuk pengujian. Ketebalan yang dipasang dan dispersi indeks bias dari film tipis yang diuji sangat cocok dengan kebenaran dasar yang diperoleh dari ellipsometer spektroskopi komersial, dengan kesalahan masing-masing hanya 2.16% dan 0.84% untuk pengukuran ketebalan dan indeks bias.
Tim peneliti mengusulkan dan secara eksperimental mendemonstrasikan susunan metasurface untuk sistem ellipsometri spektroskopi terintegrasi tembakan tunggal. Sistem ini memungkinkan penentuan ketebalan film tipis dan indeks bias secara akurat melalui pengukuran tunggal tanpa bagian mekanis yang bergerak atau elemen modulasi fase dinamis.
Susunan metasurface juga menjanjikan pencitraan spektropolarimetri, yang selanjutnya memungkinkan karakterisasi non-destruktif dari film tipis yang tidak homogen secara spasial.