Ein kompaktes, auf Metaoberflächen-Arrays basierendes System für die spektroskopische Ellipsometriemessung mit einem Schuss

Die spektroskopische Ellipsometrie wird häufig in der Halbleiterverarbeitung eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung integrierter Schaltkreise, Flachbildschirme und Solarzellen. Allerdings moduliert ein herkömmliches spektroskopisches Ellipsometer, wie in Abb. 1a dargestellt, den Polarisationszustand typischerweise durch mechanische Drehung des Kompensators oder Analysators. Für die spektrale Detektion ist entweder ein Wellenlängenscan oder die Verwendung eines Mehrkanalspektrometers erforderlich. Das resultierende System ist oft sperrig und komplex und erfordert mehrere Messungen.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yuanmu Yang von der Tsinghua-Universität in China und seinen Mitarbeitern ein kompaktes, auf einem Metaoberflächen-Array basierendes System für die spektroskopische Ellipsometriemessung mit einem Schuss vorgeschlagen und experimentell demonstriert, wie in Abb. 1b dargestellt.

Das vorgeschlagene System nutzt ein Silizium-basiertes Metaoberflächenarray, um das gesamte Stokes-Polarisationsspektrum des vom Dünnfilm reflektierten Lichts zu kodieren. Anschließend werden die Polarisations- und Spektralinformationen basierend auf den von einem CMOS-Sensor gesammelten Intensitätssignalen mithilfe konvexer Optimierungsalgorithmen dekodiert.

Es kann das vollständige Stokes-Polarisationsspektrum des dünnen Films rekonstruieren, was dann die Bestimmung der Filmdicke und des Brechungsindex ermöglicht. Dieser Ansatz vereinfacht herkömmliche spektroskopische Ellipsometriesysteme erheblich und ermöglicht Einzelschuss-Dünnschichtparametermessungen.

Das Schema des auf Metaoberflächen-Arrays basierenden spektroskopischen Ellipsometers ist in Abb. 2a dargestellt. Der spektropolarimetrische Detektionsabschnitt des Ellipsometers besteht aus einem Metaoberflächen-Array, das in einen kommerziellen CMOS-Sensor integriert ist, was zu einem äußerst kompakten System führt. Das Metasurface-Array besteht aus 20 × 20 optimierten Elementen, die eine anisotrope und spektral unterschiedliche Reaktion unterstützen und eine genaue Rekonstruktion des gesamten Stokes-Polarisationsspektrums gewährleisten sollen.

In dieser Arbeit wurden fünf SiO2-Dünnfilme mit Dicken im Bereich von 100 nm bis 1000 nm, abgeschieden auf einem Siliziumsubstrat, als Proben für Tests ausgewählt. Die angepassten Dicken und Brechungsindex-Dispersionen der getesteten dünnen Filme stimmten weitgehend mit der Grundwahrheit überein, die von einem kommerziellen spektroskopischen Ellipsometer erhalten wurde, mit Fehlern von nur 2,16 % bzw. 0,84 % für Dicken- bzw. Brechungsindexmessungen.

Das Forschungsteam schlug ein Metaoberflächen-Array für ein integriertes spektroskopisches Single-Shot-Ellipsometriesystem vor und demonstrierte es experimentell. Dieses System ermöglicht die genaue Bestimmung der Dünnschichtdicke und des Brechungsindex durch eine einzige Messung ohne mechanische bewegliche Teile oder dynamische Phasenmodulationselemente.

Das Metaoberflächen-Array ist auch vielversprechend für die spektropolarimetrische Bildgebung, die möglicherweise die zerstörungsfreie Charakterisierung räumlich inhomogener dünner Filme ermöglicht.