Spectroscopische ellipsometrie wordt op grote schaal toegepast halfgeleider verwerking, zoals bij de productie van geïntegreerde schakelingen, platte beeldschermpanelen en zonnecellen. Een conventionele spectroscopische ellipsometer, zoals weergegeven in figuur la, moduleert echter doorgaans de polarisatietoestand via mechanische rotatie van de compensator of analysator. Voor spectrale detectie is ofwel golflengtescannen of het gebruik van een meerkanaalsspectrometer vereist. Het resulterende systeem is vaak omvangrijk en complex en vereist meerdere metingen.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingenheeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Yuanmu Yang van de Tsinghua Universiteit, China en collega's, een compact metasurface array-gebaseerd systeem voor single-shot spectroscopische ellipsometriemetingen voorgesteld en experimenteel gedemonstreerd, zoals weergegeven in figuur 1b.
Het voorgestelde systeem maakt gebruik van een op silicium gebaseerde metasurface-array om het volledige Stokes-polarisatiespectrum van door de dunne film gereflecteerd licht te coderen. Vervolgens wordt de polarisatie- en spectrale informatie gedecodeerd op basis van de intensiteitssignalen verzameld door een CMOS-sensor met behulp van convexe optimalisatie-algoritmen.
Het kan het volledige Stokes-polarisatiespectrum van de dunne film reconstrueren, waardoor de filmdikte en brekingsindex verder kunnen worden bepaald. Deze aanpak vereenvoudigt conventionele spectroscopische ellipsometriesystemen aanzienlijk en maakt single-shot dunne-filmparametermetingen mogelijk.
Het schema van de op metasurface array gebaseerde spectroscopische ellipsometer wordt getoond in figuur 2a. Het spectropolarimetrische detectiegedeelte van de ellipsometer bestaat uit een metasurface-array geïntegreerd in een commerciële CMOS-sensor, wat resulteert in een extreem compact systeem. De metasurface-array bestaat uit 20 x 20 geoptimaliseerde elementen die zijn ontworpen om anisotrope en spectraal diverse respons te ondersteunen, waardoor een nauwkeurige reconstructie van het volledige Stokes-polarisatiespectrum wordt gegarandeerd.
In dit werk vijf SiO2 dunne films met diktes variërend van 100 nm tot 1000 nm, afgezet op een siliciumsubstraat, werden geselecteerd als monsters voor testen. De gepaste diktes en brekingsindexdispersies van de geteste dunne films kwamen nauw overeen met de grondwaarheid verkregen uit een commerciële spectroscopische ellipsometer, met fouten van slechts 2.16% en 0.84% voor respectievelijk dikte- en brekingsindexmetingen.
Het onderzoeksteam heeft een metasurface-array voor een enkelvoudig geïntegreerd spectroscopisch ellipsometriesysteem voorgesteld en experimenteel gedemonstreerd. Dit systeem maakt nauwkeurige bepaling van de dunne filmdikte en brekingsindex mogelijk via een enkele meting zonder mechanische bewegende delen of dynamische fasemodulatie-elementen.
De metasurface-array is ook veelbelovend voor spectropolarimetrische beeldvorming, wat de niet-destructieve karakterisering van ruimtelijk inhomogene dunne films verder mogelijk kan maken.