Um sistema compacto baseado em matriz de metassuperfície para medição de elipsometria espectroscópica de disparo único
a. Esquemas de um sistema de elipsometria espectroscópica convencional. b, Esquema de um sistema de elipsometria espectroscópica de disparo único baseado em matriz de metassuperfície. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01396-3 A elipsometria espectroscópica é amplamente adotada no processamento de semicondutores, 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:Science &Applications , 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.
Figura 2. O sistema baseado em matriz de meta-superfície para medição de elipsometria espectroscópica de disparo único. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01396-3
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 20 × 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.
