在集成光學(xué)與光子器件研究中，介電衍射光柵是耦合布洛赫表面波等導(dǎo)模的關(guān)鍵元件，但其亞微米尺度的幾何參數(shù)難以通過(guò)顯微技術(shù)精確表征。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究采用光譜橢偏術(shù)（SE）對(duì)制備于布洛赫表面波（BSW）支撐多層結(jié)構(gòu)上的亞微米周期介質(zhì)光柵進(jìn)行光學(xué)表征與建模，在建模過(guò)程中考慮儀器的有限光譜帶寬等非理想因素，對(duì)準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)光譜至關(guān)重要。通過(guò)橢偏數(shù)據(jù)分析獲得的光柵幾何參數(shù)與原子力顯微鏡（AFM）掃描結(jié)果高度一致，驗(yàn)證了橢偏模型的可靠性。該研究為光柵耦合器的光學(xué)表征提供了有效方法，并強(qiáng)調(diào)了考慮儀器帶寬的重要性。

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實(shí)驗(yàn)方法

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樣品制備

多層結(jié)構(gòu)：采用脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)包含一個(gè)150 nm厚的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）頂層和一個(gè)由7對(duì)Al?O?（90 nm）/YSZ（72 nm）組成的DBR，該設(shè)計(jì)用于支持BSW。

光柵制備：通過(guò)“金硬掩模 + FIB 刻蝕 + 干法刻蝕” 實(shí)現(xiàn)：金層（約 150 nm 厚）通過(guò)濺射沉積（30 W、90 s、100 sccm Ar）制備，在YSZ頂層制作了三種不同標(biāo)稱尺寸（L = 400, 400, 450 nm; h = 30, 40, 40 nm）的一維光柵（50×50 μm2）。

表征技術(shù)

原子力顯微鏡（AFM）：用于光柵形貌測(cè)量和幾何參數(shù)（L, h, η）的預(yù)先提取。

反射率圖測(cè)量：用于觀測(cè)光柵耦合激發(fā)的BSW模式。

成像光譜橢偏儀：在2–4 eV光譜范圍、45°和55°入射角下，測(cè)量光柵區(qū)域的Ψ和Δ光譜。測(cè)量考慮了儀器的有限光譜帶寬（δE）和空間分辨率（~1 μm）。

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橢偏模型與分析方法

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薄膜介電函數(shù)建模

不同材料模型介電函數(shù)的柯西參數(shù)

不同材料的介電函數(shù)（DF）預(yù)先通過(guò)光譜橢偏儀測(cè)定，測(cè)試樣品為與多層結(jié)構(gòu)厚度相當(dāng)、沉積參數(shù)一致的單層薄膜，采用柯西模型（n = A + B/λ2 + C/λ?）描述了YSZ、Al?O?和藍(lán)寶石在透明光譜范圍內(nèi)的介電函數(shù)。

光柵層建模

樣品幾何示意圖

采用嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）對(duì)光柵進(jìn)行建模。將光柵層的介電函數(shù)在倒空間中以傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，計(jì)算系統(tǒng)的（4N×4N）散射矩陣，并最終推導(dǎo)出鏡面反射（m=0）下的橢偏參數(shù)Ψ和Δ。

儀器帶寬效應(yīng)

(a) 橢偏儀帶寬（單位 meV）隨光子能量的變化關(guān)系(b) 卷積過(guò)程中使用的不同點(diǎn)數(shù)所對(duì)應(yīng)的高斯權(quán)重

研究的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于將橢偏儀的有限光譜帶寬（δE）納入模型。通過(guò)在與每個(gè)測(cè)量能量點(diǎn)E?對(duì)應(yīng)的[E? - δE/2, E? + δE/2]區(qū)間內(nèi)進(jìn)行高斯加權(quán)卷積（使用nw=25個(gè)點(diǎn)），有效模擬了帶寬對(duì)測(cè)量光譜的展寬效應(yīng)，這對(duì)于準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)窄帶光學(xué)響應(yīng)特征至關(guān)重要。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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AFM表征

不同光柵的原子力顯微鏡形貌圖：（a）標(biāo)稱周期 L = 400 nm，高度 h = 30 nm；（b）L = 400 nm, h = 40 nm；（c）L = 450 nm, h = 40 nm。比例尺為 400 nm

結(jié)果表明，成功制備了均勻性良好的光柵，截面接近矩形（側(cè)壁略有傾斜），表面脊和溝槽光滑；除L=400 nm、h=40 nm 光柵的第一個(gè)溝槽（歸因于掩模或光柵中的液滴）外，其余參數(shù)的絕對(duì)中值偏差均小于5%；需注意，脊邊緣的尖銳特征可能是測(cè)量偽影（反向掃描時(shí)脊的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)相同特征）。提取的幾何參數(shù)作為與橢偏分析對(duì)比的基準(zhǔn)。

BSW模式的激發(fā)與觀測(cè)

(a) BSW的指數(shù)衰減場(chǎng)分布疊加在樣品介電函數(shù)分布圖上（固定能量下）；(b) 和 (c) 分別展示了周期 L = 400 nm、高度 h = 30 nm 的光柵區(qū)域的測(cè)量和模擬反射率映射圖。高反射率的窄色散線對(duì)應(yīng)于不同衍射級(jí)次 m 的準(zhǔn)布洛赫表面波模式

布洛赫表面波的電磁場(chǎng)在z=0 nm 表面界面兩側(cè)呈指數(shù)衰減，反射譜圖顯示了通過(guò)光柵耦合激發(fā)的、不同衍射級(jí)次（m=±1, ±2）的BSW模式色散曲線，并在θ=0°處觀察到模式耦合引起的避免交叉現(xiàn)象。

光譜橢偏分析

不同晶格常數(shù)和光柵幾何形狀在入射角（AOI）= 55° 下的 Ψ [(a)-(d)] 和 Δ [(e)-(h)] 光譜；綠色實(shí)線-包含帶寬效應(yīng)的模型擬合結(jié)果，紅線-相同光譜在忽略帶寬（即 δE = 0）情況下計(jì)算的結(jié)果

帶寬效應(yīng)的重要性：對(duì)比顯示，忽略帶寬（δE=0）的模型雖能預(yù)測(cè)共振能量位置，但嚴(yán)重低估了共振峰的寬度和幅度，無(wú)法準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。包含帶寬的模型則與實(shí)驗(yàn)光譜高度吻合。

BSW特征峰：在Ψ和Δ光譜中觀察到了由光柵耦合激發(fā)的TM和TE偏振BSW模式特征峰，這些峰在未圖案化區(qū)域的光譜中不存在。

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橢偏模型與 AFM 參數(shù)對(duì)比

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光譜橢偏術(shù)（SE）與原子力顯微鏡（AFM）對(duì)三種光柵幾何參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

通過(guò)擬合包含帶寬的模型，提取了光柵的L, h, η等幾何參數(shù)。與AFM結(jié)果對(duì)比顯示，二者總體吻合良好：

周期L：橢偏分析結(jié)果比 AFM 值略低 1%-2%（系統(tǒng)誤差）；

高度h：模型對(duì)h敏感，但相對(duì)差異約 10%（部分源于 AFM 掃描范圍 1×1 μm2 與橢偏儀測(cè)量的 50×50 μm2 光柵平均區(qū)域不同，且模型假設(shè)的完美矩形輪廓與實(shí)際光柵存在偏差）；

占空比η：兩種測(cè)量技術(shù)的結(jié)果吻合極佳；

表面厚度（含光柵層）：所有幾何結(jié)構(gòu)的表面厚度均恒定，表明薄膜均勻性良好；

方位角偏移φ：處于橢偏儀目視對(duì)準(zhǔn)樣品的公差范圍內(nèi)。

本研究發(fā)展并驗(yàn)證了一種基于光譜橢偏術(shù)的嚴(yán)格耦合波分析模型，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)上一維光柵的精確表征。結(jié)果表明，光柵可有效耦合激發(fā)布洛赫表面波模式，而橢偏測(cè)量中儀器光譜帶寬的引入是準(zhǔn)確描述窄帶光學(xué)響應(yīng)特征的關(guān)鍵因素。通過(guò)該模型提取的光柵幾何參數(shù)（周期、槽深、占寬比）與原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果高度一致，其中周期與占寬比吻合尤佳，槽深參數(shù)偏差小于10%。該方法為光柵及微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)無(wú)損表征提供了可靠技術(shù)手段，對(duì)集成光學(xué)元件設(shè)計(jì)與分析具有重要應(yīng)用價(jià)值。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題。

粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。

秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。

原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《Characterization of dielectric diffraction gratings on multilayer structures by spectroscopic ellipsometry》

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