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

本研究采用光譜橢偏術（SE）對制備于布洛赫表面波（BSW）支撐多層結構上的亞微米周期介質光柵進行光學表征與建模，在建模過程中考慮儀器的有限光譜帶寬等非理想因素，對準確描述實驗光譜至關重要。通過橢偏數(shù)據(jù)分析獲得的光柵幾何參數(shù)與原子力顯微鏡（AFM）掃描結果高度一致，驗證了橢偏模型的可靠性。該研究為光柵耦合器的光學表征提供了有效方法，并強調了考慮儀器帶寬的重要性。

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實驗方法

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樣品制備

多層結構：采用脈沖激光沉積（PLD）技術在藍寶石襯底上生長。結構包含一個150 nm厚的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）頂層和一個由7對Al?O?（90 nm）/YSZ（72 nm）組成的DBR，該設計用于支持BSW。

光柵制備：通過“金硬掩模 + FIB 刻蝕 + 干法刻蝕” 實現(xiàn)：金層（約 150 nm 厚）通過濺射沉積（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

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

反射率圖測量：用于觀測光柵耦合激發(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，測量光柵區(qū)域的Ψ和Δ光譜。測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）預先通過光譜橢偏儀測定，測試樣品為與多層結構厚度相當、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?和藍寶石在透明光譜范圍內的介電函數(shù)。

光柵層建模

樣品幾何示意圖

采用嚴格耦合波分析（RCWA）對光柵進行建模。將光柵層的介電函數(shù)在倒空間中以傅里葉級數(shù)展開，計算系統(tǒng)的（4N×4N）散射矩陣，并最終推導出鏡面反射（m=0）下的橢偏參數(shù)Ψ和Δ。

儀器帶寬效應

(a) 橢偏儀帶寬（單位 meV）隨光子能量的變化關系(b) 卷積過程中使用的不同點數(shù)所對應的高斯權重

研究的關鍵創(chuàng)新點在于將橢偏儀的有限光譜帶寬（δE）納入模型。通過在與每個測量能量點E?對應的[E? - δE/2, E? + δE/2]區(qū)間內進行高斯加權卷積（使用nw=25個點），有效模擬了帶寬對測量光譜的展寬效應，這對于準確復現(xiàn)窄帶光學響應特征至關重要。

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實驗結果與分析

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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

結果表明，成功制備了均勻性良好的光柵，截面接近矩形（側壁略有傾斜），表面脊和溝槽光滑；除L=400 nm、h=40 nm 光柵的第一個溝槽（歸因于掩?；蚬鈻胖械囊旱危┩?，其余參數(shù)的絕對中值偏差均小于5%；需注意，脊邊緣的尖銳特征可能是測量偽影（反向掃描時脊的另一側會出現(xiàn)相同特征）。提取的幾何參數(shù)作為與橢偏分析對比的基準。

BSW模式的激發(fā)與觀測

(a) BSW的指數(shù)衰減場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)域的測量和模擬反射率映射圖。高反射率的窄色散線對應于不同衍射級次 m 的準布洛赫表面波模式

布洛赫表面波的電磁場在z=0 nm 表面界面兩側呈指數(shù)衰減，反射譜圖顯示了通過光柵耦合激發(fā)的、不同衍射級次（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；綠色實線-包含帶寬效應的模型擬合結果，紅線-相同光譜在忽略帶寬（即 δE = 0）情況下計算的結果

帶寬效應的重要性：對比顯示，忽略帶寬（δE=0）的模型雖能預測共振能量位置，但嚴重低估了共振峰的寬度和幅度，無法準確描述實驗數(shù)據(jù)。包含帶寬的模型則與實驗光譜高度吻合。

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)對比

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光譜橢偏術（SE）與原子力顯微鏡（AFM）對三種光柵幾何參數(shù)的測量結果

通過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結果對比顯示，二者總體吻合良好：

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

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

占空比η：兩種測量技術的結果吻合極佳；

表面厚度（含光柵層）：所有幾何結構的表面厚度均恒定，表明薄膜均勻性良好；

方位角偏移φ：處于橢偏儀目視對準樣品的公差范圍內。

本研究發(fā)展并驗證了一種基于光譜橢偏術的嚴格耦合波分析模型，成功實現(xiàn)對多層介質結構上一維光柵的精確表征。結果表明，光柵可有效耦合激發(fā)布洛赫表面波模式，而橢偏測量中儀器光譜帶寬的引入是準確描述窄帶光學響應特征的關鍵因素。通過該模型提取的光柵幾何參數(shù)（周期、槽深、占寬比）與原子力顯微鏡測量結果高度一致，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構的光學無損表征提供了可靠技術手段，對集成光學元件設計與分析具有重要應用價值。

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單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。

粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。

秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。

原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

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

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

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