摘要：光学超表面 (MS) 是一种新型平面光学元件，由于其紧凑性、多功能性和设备可集成性，正在深刻地颠覆光学设计领域。超表面技术依赖于与半导体行业非常相似的平面纳米制造工艺，可立即从经济高效且可能大规模的制造技术中受益。然而，在代工厂制造复杂程度更高的超表面并在生产
作者:STMicroelectronics、科罗拉多矿业学院物理系、欧洲国防基金
光学超表面 (MS) 是一种新型平面光学元件，由于其紧凑性、多功能性和设备可集成性，正在深刻地颠覆光学设计领域。超表面技术依赖于与半导体行业非常相似的平面纳米制造工艺，可立即从经济高效且可能大规模的制造技术中受益。然而，在代工厂制造复杂程度更高的超表面并在生产线上组装它们仍然需要全面的光学计量解决方案，并结合既定的标准化测量，以验证其在集成到系统期间和之后的功能。在这里，我们首先回顾了以前用于超表面检查的现有光学计量技术，包括强度、偏振、定量相位测量和叠层成像。最后，我们讨论了超表面设计的新观点和令人兴奋的趋势，试图确定它们在赋予下一代计量系统改进的性能和增强的测量功能方面可能发挥的颠覆性作用。
平面结构化光学界面（也称为超表面 (MS)）的概念在过去10年中取得了突飞猛进的进展，这主要受实现晶圆级制造以及在将晶圆切割成最终芯片之前与光电系统集成的影响。与通常称为折射光学器件的传统 3D 大体积光学器件不同，超表面本质上是平面器件，因此可以使用传统半导体代工厂中的工具和设备来制造。目前，无源超表面（即通过无源电介质或金属膜的图案化设计具有固定光学响应的器件）的研究仍然依赖于只能隔离相对小面积的聚合物光刻胶的电子束光刻系统。然而，目前正在考虑使用另外两种工艺，即纳米压印光刻和深紫外光刻来复制和制造更大规模的超表面。扩大超表面制造规模的最新趋势已经开始，涉及价值链不同阶段的工业参与者，这将推动未来几年该技术从研究实验室向市场的转移。
如果这些举措要取得成功需要克服许多障碍和挑战，包括处理用于构思超表面构造块的庞大数据库、极大的布局文件大小、遵守大面积的严格制造约束，那么最关键的问题可能仍然是使用制造的样品实现与设计阶段相同的光学性能。必须以非常高的产量满足这一要求，即在同一晶圆上生产的数千个设备中每一个设备都必须满足这一要求。这是半导体行业面临的常规挑战，为了缓解这一问题，在制造过程中会系统地实现多次连续和并行测量。在流程的每一步，都提出了大量旨在构思专用工具、详细方法和特定测量技术的研究和开发，以跟踪和进一步优化组件的制造。晶圆的分析通常遵循国家政府制定的标准和程序，以保证最终设备的质量和可靠性。 “计量”一词通常用于描述为确保最终仪器的一致性而执行的一系列标准科学和设备性能测量。为了实现超表面光学元件的工业化生产，并使其适应超表面光学元件的情况，以实现高产量和有效的制造工艺，必须采用先进的计量技术来适应超表面特性。专用的超表面计量技术将提高其性能，使该技术越来越接近系统集成和工业应用。
在制造方面，集成电路界早已熟知超表面晶圆级制造的大部分基本步骤，而从超表面晶圆分析到结构参数的综合表征技术也已在代工厂中实施。然而，在成功实现超表面制造后，仍然需要能够验证组件光学特性的专用光学计量技术。用于超表面表征的专用光学计量技术不一定与用于验证电子电路的技术兼容。目前，研究界和业界正在开发的一些解决方案正在进一步提高这些技术的可靠性和精确度。这些努力将提高超表面技术的准备水平，有助于降低生产成本并实现精细优化。进一步纵观生产线，系统和复杂设备中的超表面集成也需要根据保证的规格进行测量，以确保最终产品符合要求。因此，通常会开发针对每种产品的特定计量程序，不仅要在内部验证设备，而且还要通过展示系统的性能来说服客户。因此，完整的系统也需要进行计量和验证测试。在本综述中，我们讨论了现有的和最近开发的计量技术，以表征超表面的幅度、相位和偏振特性。前三节介绍了分别评估这三个物理量的计量方法。每个部分都强调了所考虑量测量的核心物理原理。我们首先主要关注文献中已经证明有效的超表面表征方法。在最后一节，我们分享我们的观点并讨论我们对光学计量领域的创新愿景，包括预期的和需要的。最后，作为完整的手段，我们在框1中介绍了超表面的基本原理。超表面是一种能够为下一代计量工具提供创新解决方案的支持技术。我们预见到超表面设备将彻底改变整个计量技术，提供对多种功能和性能的单次晶圆级同时评估，以及实现多个设备的并行测量。
论文地址: https://www.nature.com/articles/s44310-024-00051-4#author-information
--延伸阅读
1. 引言
背景: 光学超构表面（Metasurfaces，MS）作为一种新型的平面光学元件，因其紧凑性、多功能性和易于集成等特点，正在深刻改变光学设计领域。优势: 超构表面采用与半导体工业相似的平面纳米制造工艺，有望实现低成本和大规模生产。挑战: 将超构表面应用于工业生产，尤其是在晶圆厂进行高复杂度的制造和组装，仍然需要全面的光学计量解决方案，以及能够验证其在系统集成过程中和之后的性能的标准化测量方法。本文目的: 本文首先回顾了先前用于超构表面检测的现有光学计量技术，包括强度、偏振、定量相位测量和叠层成像。然后，讨论了超构表面设计的新视角和令人兴奋的趋势，试图确定它们在赋予下一代计量系统改进的性能和增强的测量功能方面的突破性作用。“Here, we first review the existing optical metrology techniques previously used for metasurface inspection… We finally discuss new perspectives and exciting trends in metasurface designs…”2. 超构表面的制造与产业化
纳米压印光刻和深紫外光刻被认为是超构表面大规模复制和制造的替代方法。这种扩大超构表面制造规模的趋势已经开始，涉及价值链不同阶段的工业参与者，这将推动这项技术从研究实验室向市场的转移。“Currently the research in passivemetasurface… still relies on electron beam lithography systems… Yet, two other processes, namely nanoimprint lithography and deep-UV litho-graphy, are today considered for the replication and manufacturing of metasurface at much larger scale.”主要挑战:设计超构表面构建块的庞大数据库。“maybe the most critical issue remains achieving with fabricated sample the same optical performances expected from the design stage. This requirement has to be satisfied at very high yields…”计量的重要性: 为了实现超构表面光学元件的工业化生产，并达到高良率和高效制造过程的目标，需要采用先进的计量技术来进行超构表面表征。3. 超构表面的光学计量技术
基本需求:在成功实现超构表面制造之后，仍然需要专用的光学计量技术来验证组件的光学特性。超构表面表征的专用光学计量技术不一定与用于验证电子电路的技术兼容。在生产线的下游，将超构表面集成到系统和复杂设备中也需要测量以确保最终产品的符合性。“However, after successfully achieving metasurface fabrication, dedicated optical metrology techniques that can validate the optical properties of the components are still needed… Metasurface integration in systems and complex devices would also require measurements that ensure conformity of the final product…”计量方法分类：本文讨论了用于表征超构表面振幅、相位和偏振特性的现有和最新开发的计量技术。超构表面原理（Box 1）:超构表面由布置在两个介质界面上的纳米结构元件组成。4. 振幅表征
通用振幅测量:透射/反射效率: 定义为超构表面透射/反射的光功率与入射到超构表面孔径上的入射功率之比。大面积超构表面使用功率计测量，小面积超构表面需要成像并选择来自超构表面孔径区域的信号。“The most significant advantage of metasurfaces over conventional diffractive optical elements (DOEs) is certainly their improved diffraction efficiency… To characterize this quantity, the community uses transmission/reflection efficiency…”转换效率: 对于Pancharatnam-Berry相位 (PBP) 超构表面，效率主要取决于偏振转换效率。定义为转换偏振通道中光功率与入射光功率之比。“The PBP occurs when converting from one circularly polarized handedness to the other… the conversion efficiency is defined as the ratio of the power of the light in the converted polarization channel…”特定应用振幅测量:超透镜特性: 关键特性是分辨率和信噪比 (SNR)。偏转特性: 超构偏转器可以将光线偏转到任何所需的角度，其表征通常包括偏转角度和偏转效率的确定。衍射相关应用: 可以应用经典光栅的测量参数，包括衍射效率和杂散光。5. 相位表征
核心应用: 超构表面用于设计光波前，方法是引入构建块的突变相移。方法分类:干涉法: 从多个光束的干涉图案中推断相位分布。参考光束干涉: 使用已知相位分布的光束与穿过或反射自超构表面的光束干涉。剪切波干涉: 测量超构表面透射（或反射）的单束光的自干涉。相位检索法: 基于光束传播和衍射过程中空间强度分布的演变来重建相位分布。传输强度方程 (TIE): 通过分析透射光束强度在其传播过程中的变形来获得超构表面的相位分布。叠层成像: 通过连续照明其表面的子区域来提取超构表面的相位分布。“A core application of metasurfaces is to engineer the wavefront of light relying on abrupt phase shifts… Direct measurement of the spatial phase distribution is impossible… there exist several ways to extract phase information from intensity measurements.”干涉法:参考光束干涉: 使用 Michelson 干涉仪等，将相干单色光束分成两部分，一部分作为参考，另一部分探测超构表面。通过干涉条纹的强度测量，可获得相位差信息。“The Michelson interferometer is certainly the simplest and the best-known apparatus using the reference beam interferometric method for quantifying the phase of a light beam.”剪切干涉: 不使用参考光束，而是将通过超构表面的光束复制后在传感器上产生干涉，例如多波横向剪切干涉 (MSLI) 和四波横向剪切干涉 (QLSI)。测量强度图案与相位沿空间方向的导数有关，需要数值积分来检索入射光束的相位。“Conversely to the previous characterization method, shearing interferometry does not use a reference beam… the quantity measured… is related to the spatial derivative of the phase along the x-direction and not directly the phase.”Shack-Hartmann 传感器 (SHS): 一种基于微透镜阵列的波前传感器，可被认为是多波横向剪切干涉的一种改进形式。每个微透镜采样入射波前的一部分，并将光聚焦到相机传感器上的一个点。通过分析焦点偏移量来重构入射光束的整体相位分布。“SHS can be considered as a refined version of the Hartmann mask and naturally falls into the multi-wave lateral shearing interferometry classification.”相位检索法:传输强度方程 (TIE): 通过在不同平面测量强度，计算强度沿z方向的导数，进而求解方程得到相位。叠层成像: 通过局部且连续地照明样品，从不同的远场强度模式中检索相位信息。在多次测量中，重叠区域是关键，算法通过迭代实现相位重建。6. 偏振表征
偏振态 (SoP) 的表征:由三个量来表征：偏振度 (DoP)、椭圆率 (χ) 和偏振角 (α)。可以使用斯托克斯 (Stokes) 参数（S0，S1，S2，S3）进行量化。公式： DoP = sqrt(S1^2 + S2^2 + S3^2)/S0tan(2α) = S2/S1sin(2χ) = S3/sqrt(S1^2 + S2^2 + S3^2)“The state of polarization (SoP) of light is characterized by three quantities, the degree of polarization (DoP) that quantifies the amount of polarized light, the ellipticity χ, and the angle of polarization α.”偏振计的分类:分时偏振计: 通过依次调整偏振态分析仪 (PSA) 来连续采集强度分布。“The concept of division-of-time polarimetry has been proposed to describe the sequential acquisition of the intensity profile.”分幅偏振计: 通过将要表征的光束分成多个光束并分别进行分析，可以同时获取斯托克斯参数。“It achieves simultaneous acquisition of the Stokes parameters by simply dividing the beam to characterize it into multiple beams, which are analyzed separately.”“The method, called division of wavefront polarimeters, is similar to the division-of-amplitude methods described above… A subclass of these polarimeters consists of dividing the overall wavefront with an array of lenses…”穆勒矩阵 (Mueller Matrix): 用于量化光学器件的偏振转换特性，对于部分偏振光至关重要。通过偏振态发生器 (PSG) 和偏振态分析仪 (PSA) 的组合来测量矩阵的每个元素。 * “For partially polarized light, the determination of the SoP relies on the formalism of the Mueller matrix M… To probe each element of the Mueller matrix, the instrument is composed of a polarization state generator (PSG) which sets the SoP of the light going through the sample, followed by a PSA.”7. 超构表面在光学量计量中的应用
偏振计量:超构表面可以实现高效紧凑的偏振计，利用其光学工程特性将光线分离到不同的方向，每个方向对应一个用户定义的偏振态。超构表面偏振相机能够同时分析和空间排序多个偏振态。超构表面可以集成到显微镜中，以创建紧凑的 Mueller 矩阵显微镜。“In the domain of polarimetry, metasurfaces opened new design and conception opportunities for efficient and compact polarimeters… Replacing several optical and polarizing components with a single metasurface holds strong integration capabilities…”相位计量:超构表面的多功能性能够生成复杂的干涉图案，用于检索物体二维相位分布。紧凑的超构表面相位显微镜，例如，基于差分干涉对比 (DIC) 显微镜的超构表面显微镜已得到开发。超构表面能够同时提供相位梯度和偏振测量信息。“the integration of metasurfaces into instrumentation for metrology promises to revolutionize phase characterization techniques by implementing state-of-the-art precision in highly compact devices.”未来展望:超构表面有望实现并行、多功能的光学测量，从而革新计量应用，尤其是在半导体晶圆检测领域。8. 结论
“Metasurface design flexibility and large area collection on the same optical device of hundreds of micron-scaled optical components with diverse functionalities are extremely desired assets of this technology, endowing metasurface with a considerable potential to disrupt the field of optical metrology.”未来发展: 需要努力减少杂散光并提高超构表面的信噪比，同时需要更多定量信息来表征超构表面的缺陷检测能力。超构表面技术可以显著改进计量技术，但是其发展仍然依赖于实现最佳纳米制造，而这仍然需要使用现有的计量工具进行评估。“For this visionary future to become an industrial reality, efforts are needed to reduce straight light and to improve metasurface SNR for each of its detection channels.”总结:
论文详细概述了超构表面光学特性计量学的关键技术，强调了超构表面在光学计量领域的巨大潜力，同时也指出了未来发展需要克服的挑战和机遇。随着超构表面技术的日益成熟，其在光学成像、消费电子和光学网络等领域的应用前景十分广阔，但要实现工业化和标准化，还需要进一步的研发和技术创新。
来源：有趣的科技君