L'ellissometria spettroscopica è ampiamente adottata in semiconduttore lavorazione, come nella produzione di circuiti integrati, schermi piatti e celle solari. Tuttavia, un ellissometro spettroscopico convenzionale, come mostrato in Fig.1a, modula tipicamente lo stato di polarizzazione tramite la rotazione meccanica del compensatore o dell'analizzatore. Per il rilevamento spettrale è necessaria la scansione della lunghezza d'onda o l'uso di uno spettrometro multicanale. Il sistema risultante è spesso ingombrante, complesso e richiede misurazioni multiple.
In un nuovo documento pubblicato in Luce: scienza e applicazioni, un team di scienziati, guidato dal professor Yuanmu Yang dell'Università di Tsinghua, in Cina, e colleghi hanno proposto e dimostrato sperimentalmente un sistema compatto basato su array di metasuperfici per la misurazione dell'ellissometria spettroscopica a colpo singolo, come mostrato in Fig.1b.
Il sistema proposto utilizza una matrice di metasuperficie a base di silicio per codificare l'intero spettro di polarizzazione Stokes della luce riflessa dal film sottile. Successivamente, la polarizzazione e le informazioni spettrali vengono decodificate in base ai segnali di intensità raccolti da un sensore CMOS utilizzando algoritmi di ottimizzazione convessa.
Può ricostruire l'intero spettro di polarizzazione Stokes del film sottile, che consente quindi di determinare ulteriormente lo spessore del film e l'indice di rifrazione. Questo approccio semplifica notevolmente i sistemi ellissometrici spettroscopici convenzionali e consente misurazioni dei parametri del film sottile a scatto singolo.
Lo schema dell'ellissometro spettroscopico basato su array di metasuperficie è mostrato in Fig. 2a. La sezione di rilevamento spettropolarimetrico dell'ellissometro è composta da un array di metasuperficie integrato su un sensore CMOS commerciale, risultando in un sistema estremamente compatto. L'array di metasuperficie è costituito da elementi ottimizzati 20 × 20 progettati per supportare una risposta anisotropa e spettralmente diversa, garantendo una ricostruzione accurata dell'intero spettro di polarizzazione di Stokes.
In questo lavoro, cinque SiO2 Come campioni per i test sono stati selezionati film sottili con spessori compresi tra 100 nm e 1000 nm depositati su un substrato di silicio. Gli spessori adattati e le dispersioni dell'indice di rifrazione dei film sottili testati corrispondevano strettamente alla verità fondamentale ottenuta da un ellissometro spettroscopico commerciale, con errori di solo 2.16% e 0.84% rispettivamente per le misurazioni di spessore e indice di rifrazione.
Il gruppo di ricerca ha proposto e dimostrato sperimentalmente una matrice di metasuperficie per il sistema di ellissometria spettroscopica integrato a colpo singolo. Questo sistema consente la determinazione accurata dello spessore del film sottile e dell'indice di rifrazione attraverso un'unica misurazione senza parti meccaniche in movimento o elementi di modulazione di fase dinamica.
La matrice di metasuperficie è promettente anche per l'imaging spettropolarimetrico, che potrebbe consentire ulteriormente la caratterizzazione non distruttiva di film sottili spazialmente disomogenei.