在半導(dǎo)體芯片和光學(xué)元件加工等應(yīng)用中，精確測量薄膜的厚度和折射率至關(guān)重要。光譜橢偏儀是一種被廣泛應(yīng)用于測量薄膜厚度和折射率的儀器。大多數(shù)傳統(tǒng)橢偏儀（圖1a）利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振器和基于光柵的光譜儀進(jìn)行光譜偏振檢測，從而導(dǎo)致系統(tǒng)相對復(fù)雜、體積龐大，并且單次測量耗時較長。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決以上難題，清華大學(xué)精密儀器系楊原牧副教授研究團(tuán)隊提出了一種基于超構(gòu)表面（metasurface）陣列的緊湊型光譜橢圓偏振測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)單次曝光（single-shot）光譜偏振檢測和精確測定薄膜特性，而無需任何機(jī)械運動。具有高度各向異性和多樣化光譜響應(yīng)的硅基超構(gòu)表面陣列與迭代優(yōu)化相結(jié)合，可高保真地重建薄膜反射光的全斯托克斯（Stokes）偏振光譜。隨后，薄膜厚度和折射率可通過將測量結(jié)果與適當(dāng)?shù)牟牧夏Ｐ瓦M(jìn)行高精度擬合來確定。研究團(tuán)隊所提出的方法為開發(fā)高通量測量薄膜特性的緊湊型、魯棒的光譜橢圓偏振系統(tǒng)開辟了一條新途徑。相關(guān)成果近日以“Metasurface array for single-shot spectroscopic ellipsometry”為題發(fā)表于Light: Science & Applications期刊上。

圖1 傳統(tǒng)橢偏儀與基于超構(gòu)表面陣列的光譜橢偏儀的比較

基于超構(gòu)表面陣列的光譜橢偏儀的詳細(xì)工作原理如圖2所示。該原型由集成在CMOS圖像傳感器頂部的單層超構(gòu)表面陣列構(gòu)成。超構(gòu)表面陣列的Mueller矩陣（M0）是預(yù)先校準(zhǔn)的。與圖像傳感器上測量的光強度（Iout）一起，入射光的全斯托克斯偏振光譜可以通過具有l(wèi)2正則化的凸優(yōu)化（convex optimizer）重建。接下來，通過利用多光束干涉模型擬合測量結(jié)果，可將重建的全斯托克斯偏振光譜轉(zhuǎn)換為橢圓偏振參數(shù)，用于確定薄膜厚度d和折射率n。

在上述架構(gòu)中，精確重建橢圓偏振參數(shù)和薄膜特性的關(guān)鍵是設(shè)計具有高度各向異性和多樣化光譜特征的超構(gòu)表面陣列，以使Mueller矩陣每行的相關(guān)系數(shù)最小化。在這項研究中，20?×?20超構(gòu)表面陣列的每個單元均由藍(lán)寶石襯底上的300 nm厚的硅納米柱構(gòu)成。每個單元的幾何形狀通過最小化不同單元之間的M0相關(guān)系數(shù)來優(yōu)化。

圖2 基于超構(gòu)表面陣列的單次曝光光譜橢偏儀的工作原理

為了通過實驗演示基于超構(gòu)表面陣列的光譜偏振檢測系統(tǒng)，研究人員組裝了一個原型，如圖3a所示。超構(gòu)表面陣列由20?×?20個單元構(gòu)成，總尺寸為1.5? mm ×?1.5 mm。超構(gòu)表面陣列是通過標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻（EBL）和反應(yīng)離子蝕刻（RIE）工藝在藍(lán)寶石襯底上制造的。研究人員使用5 μm厚的光學(xué)透明膠帶將超構(gòu)表面陣列集成到CMOS圖像傳感器（Sony IMX-183）上。超構(gòu)表面陣列的照片和超構(gòu)表面單元的4幅代表性掃描電子顯微鏡（SEM）圖像分別如圖3b和3c所示。接下來，研究人員分別評估了系統(tǒng)的光譜偏振重構(gòu)性能和分辨精細(xì)光譜特征的能力，結(jié)果如圖3d和3e所示。

圖3 光譜偏振檢測性能的表征

最后，為了通過實驗演示光譜橢偏儀測量，研究人員選擇了沉積在硅襯底上的5個厚度范圍在100 nm到1000 nm之間的SiO2薄膜作為測試樣品。鹵素?zé)舭l(fā)出的白光通過45°線性偏振器后，以60°入射角（接近布儒斯特角）照射到薄膜樣品上，以確保顯著的偏振轉(zhuǎn)換效果。來自薄膜的反射光以垂直入射角照射到超構(gòu)表面陣列上。厚度為100 nm和1000 nm的兩種代表性SiO2薄膜的重建全斯托克斯偏振光譜分別如圖4a和4b所示，并將其與使用四分之一波片、旋轉(zhuǎn)偏振器和傳統(tǒng)的基于光柵的光譜儀的測量結(jié)果進(jìn)行了比較，顯示出極佳的一致性。

全斯托克斯偏振光譜可以轉(zhuǎn)換為橢圓偏振參數(shù)，厚度分別為100?nm和1000?nm的SiO2薄膜的轉(zhuǎn)換后的結(jié)果分別如圖4c和4d所示，并將其與基準(zhǔn)真實值和理論估計結(jié)果作了比較。原型系統(tǒng)重建的薄膜厚度與商用光譜橢偏儀（JA Woollam，V-VASE）測量值之間的比較如圖4e所示。使用商用光譜橢偏儀測量的厚度作為基準(zhǔn)真實值，對于五種SiO2薄膜，重建薄膜厚度與基準(zhǔn)真實值之間的相對誤差平均僅為2.16%，標(biāo)準(zhǔn)差（10分鐘內(nèi)10次測量）平均僅為1.28 nm。

圖4 SiO2薄膜的厚度和折射率測量

綜上所述，這項研究提出并通過實驗演示了一種新型的基于超構(gòu)表面陣列的光譜橢圓偏振系統(tǒng)，用于薄膜特性的單次曝光測量。與傳統(tǒng)的光譜橢偏儀相比，本文提出的基于超構(gòu)表面的系統(tǒng)無需機(jī)械移動部件或相位調(diào)制元件，因此，它可以實現(xiàn)半導(dǎo)體加工中薄膜特性的高通量在線測量，例如在薄膜蝕刻或沉積系統(tǒng)中。對于原型系統(tǒng)，橢圓偏振測量的光譜范圍主要受限于商用CMOS圖像傳感器在700 nm波長以上的低量子效率和在500 nm波長以下硅的高材料損耗。為了進(jìn)一步擴(kuò)展該范圍，可以選擇在近紅外范圍內(nèi)具有更高量子效率的CMOS圖像傳感器，或者使用在更寬的光譜范圍內(nèi)具有更低損耗的替代材料（例如SiN）來設(shè)計和制造超構(gòu)表面。將其應(yīng)用擴(kuò)展至紫外（UV）、紅外（IR）或太赫茲（THz）范圍沒有根本限制。超構(gòu)表面陣列還有望用于光譜偏振成像，這可以進(jìn)一步實現(xiàn)空間不均勻薄膜的非破壞性表征。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01396-3

審核編輯：劉清