基于超构表面的微型椭偏仪

在半导体芯片和光学元件加工等应用中，准确测量薄膜的厚度和折射率至关重要。光谱椭偏仪是一种被广泛应用于测量薄膜厚度和折射率的仪器。相比其它仪器，它可以实现对薄膜样品参数的高精度、非破坏性测量。然而，传统光谱椭偏仪（如图1a所示）需要通过机械旋转的偏振光学元件联合光栅光谱仪实现椭偏光谱探测，从而导致系统相对复杂，体积庞大，并且单次测量耗时较长。

图1.传统构型光谱椭偏仪（a）和基于超构表面阵列的光谱椭偏仪（b）系统示意图

针对以上难题，清华大学精密仪器系杨原牧副教授研究团队提出了一种基于超构表面阵列的微型化快照式光谱椭偏仪，如图1b所示。该系统利用硅基超构表面阵列将待测薄膜反射光的偏振和光谱信息进行编码，随后根据CMOS传感器采集到的光强信号，通过凸优化算法对偏振光谱信息进行解码，可以高保真地重建薄膜反射光的全斯托克斯偏振光谱，并进一步基于薄膜的物理模型，拟合得到薄膜厚度和折射率。该方案可以显著简化现有光谱椭偏仪系统，并实现快照式薄膜参数测量。该成果近日以“Metasurface array for single-shot spectroscopic ellipsometry”为题发表于国际顶尖学术期刊Light: Science & Applications。

图2.（a）基于超构表面阵列的光谱偏振探测单元照片和超构表面阵列放大图。（b）100 nm的SiO2薄膜样品的全斯托克斯光谱和椭偏参数的重构结果与光谱仪测量真值的对比。（c）基于超构表面光谱椭偏仪测量得到的不同厚度SiO2薄膜的厚度重构值与真值的比较。

本文构造了如图2a所示的基于超构表面阵列的微型光谱椭偏仪，其偏振光谱探测单元由超构表面阵列与商用CMOS传感器封装而成。超构表面阵列由20 × 20个经优化得到的具有丰富偏振光谱响应的超构表面子单元构成，从而保证全斯托克斯光谱信息计算恢复的准确性。本工作实验测量了5个厚度在100 nm至1000 nm范围内的SiO2薄膜样品，实验拟合得到的待测薄膜厚度和折射率相比商用光谱椭偏仪测量得到的真值误差分别仅为2.16%和0.84%。

研究团队提出并构造了一种新型的基于超构表面阵列的快照式集成化光谱椭偏测量系统。该系统中没有任何机械移动部件或动态相位调制元件，仅通过单次测量就能准确地获得薄膜的厚度和折射率。未来通过超构表面阵列的复用，有望进一步实现偏振光谱成像，从而实现对空间不均匀薄膜的快速表征。本工作展现了具有灵活多维光场调控能力的超构表面的一个潜在的应用出口，并为发展超紧凑、高精度、低成本的光谱椭偏测量系统开拓了新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01396-3