圖1.傳統構型光譜橢偏儀(a)和基于超構表面陣列的光譜橢偏儀(b)系統示意圖

在半導體芯片和光學元件加工等應用中，準確測量薄膜的厚度和折射率至關重要。光譜橢偏儀是一種被廣泛應用于測量薄膜厚度和折射率的儀器。相比其它儀器，它可以實現對薄膜樣品參數的高精度、非破壞性測量。然而，傳統光譜橢偏儀(如圖1a所示)需要通過機械旋轉的偏振光學元件聯合光柵光譜儀實現橢偏光譜探測，從而導致系統相對復雜，體積龐大，并且單次測量耗時較長。

針對以上難題，清華大學精密儀器系楊原牧副教授研究團隊提出了一種基于超構表面陣列的微型化快照式光譜橢偏儀，如圖1b所示。該系統利用硅基超構表面陣列將待測薄膜反射光的偏振和光譜信息進行編碼，隨后根據CMOS傳感器采集到的光強信號，通過凸優化算法對偏振光譜信息進行解碼，可以高保真地重建薄膜反射光的全斯托克斯偏振光譜，并進一步基于薄膜的物理模型，擬合得到薄膜厚度和折射率。該方案可以顯著簡化現有光譜橢偏儀系統，并實現快照式薄膜參數測量。該成果近日以“Metasurface array for single-shot spectroscopic ellipsometry”為題發表于國際頂尖學術期刊Light: Science & Applications。

圖2.(a)基于超構表面陣列的光譜偏振探測單元照片和超構表面陣列放大圖。(b)100 nm的SiO2薄膜樣品的全斯托克斯光譜和橢偏參數的重構結果與光譜儀測量真值的對比。(c)基于超構表面光譜橢偏儀測量得到的不同厚度SiO2薄膜的厚度重構值與真值的比較。

本文構造了如圖2a所示的基于超構表面陣列的微型光譜橢偏儀，其偏振光譜探測單元由超構表面陣列與商用CMOS傳感器封裝而成。超構表面陣列由20 × 20個經優化得到的具有豐富偏振光譜響應的超構表面子單元構成，從而保證全斯托克斯光譜信息計算恢復的準確性。本工作實驗測量了5個厚度在100 nm至1000 nm范圍內的SiO2薄膜樣品，實驗擬合得到的待測薄膜厚度和折射率相比商用光譜橢偏儀測量得到的真值誤差分別僅為2.16%和0.84%。

研究團隊提出并構造了一種新型的基于超構表面陣列的快照式集成化光譜橢偏測量系統。該系統中沒有任何機械移動部件或動態相位調制元件，僅通過單次測量就能準確地獲得薄膜的厚度和折射率。未來通過超構表面陣列的復用，有望進一步實現偏振光譜成像，從而實現對空間不均勻薄膜的快速表征。本工作展現了具有靈活多維光場調控能力的超構表面的一個潛在的應用出口，并為發展超緊湊、高精度、低成本的光譜橢偏測量系統開拓了新的思路。


審核編輯 黃宇