A elipsometria espectroscópica é amplamente adotada em Semicondutor processamento, como na fabricação de circuitos integrados, painéis planos e células solares. No entanto, um elipsômetro espectroscópico convencional, como mostrado na Fig.1a, normalmente modula o estado de polarização através da rotação mecânica do compensador ou analisador. Para detecção espectral, requer varredura de comprimento de onda ou o uso de um espectrômetro multicanal. O sistema resultante é muitas vezes volumoso, complexo e requer múltiplas medições.
Em um novo artigo publicado em Light: Ciência e Aplicações, uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Yuanmu Yang da Universidade de Tsinghua, China, e colegas de trabalho propuseram e demonstraram experimentalmente um sistema compacto baseado em matriz de metassuperfície para medição de elipsometria espectroscópica de disparo único, como mostrado na Fig.1b.
O sistema proposto utiliza uma matriz de metassuperfície baseada em silício para codificar todo o espectro de polarização de Stokes da luz refletida no filme fino. Posteriormente, a polarização e a informação espectral são decodificadas com base nos sinais de intensidade coletados por um sensor CMOS utilizando algoritmos de otimização convexa.
Ele pode reconstruir todo o espectro de polarização de Stokes do filme fino, o que permite ainda a determinação da espessura do filme e do índice de refração. Esta abordagem simplifica significativamente os sistemas convencionais de elipsometria espectroscópica e permite medições de parâmetros de filmes finos de disparo único.
O esquema do elipsômetro espectroscópico baseado em matriz de metassuperfície é mostrado na Fig. A seção de detecção espectropolarimétrica do elipsômetro é composta por um arranjo de metassuperfície integrado a um sensor CMOS comercial, resultando em um sistema extremamente compacto. A matriz de metassuperfície consiste em elementos otimizados 2 × 20 projetados para suportar resposta anisotrópica e espectralmente diversa, garantindo a reconstrução precisa de todo o espectro de polarização de Stokes.
Neste trabalho, cinco SiO2 filmes finos com espessuras variando de 100 nm a 1000 nm depositados em substrato de silício foram selecionados como amostras para teste. As espessuras ajustadas e as dispersões do índice de refração dos filmes finos testados corresponderam estreitamente à verdade obtida de um elipsômetro espectroscópico comercial, com erros de apenas 2.16% e 0.84% para medições de espessura e índice de refração, respectivamente.
A equipe de pesquisa propôs e demonstrou experimentalmente um array de metassuperfície para sistema de elipsometria espectroscópica integrada de disparo único. Este sistema permite a determinação precisa da espessura do filme fino e do índice de refração através de uma única medição, sem quaisquer peças mecânicas móveis ou elementos de modulação de fase dinâmica.
O arranjo de metassuperfície também é promissor para imagens espectropolarimétricas, o que pode permitir ainda a caracterização não destrutiva de filmes finos espacialmente não homogêneos.