TW202322410A - 具有阻抗匹配的多層超穎表面架構 - Google Patents

Abstract

本案之實施例通常係關於超穎表面裝置及形成超穎表面的方法。超穎表面裝置包括複數個裝置結構。該等裝置結構的每一者係由多個層形成，該多個層的至少一層為阻抗匹配層。阻抗匹配層可經形成為基板與裝置層之間的內阻抗匹配層，或者形成為裝置層頂部的單獨的外阻抗匹配層。阻抗匹配層的折射率經選擇為介於阻抗匹配層的任一側上的介質的折射率之間。

Description

具有阻抗匹配的多層超穎表面架構

本案之實施例通常係關於光學裝置。更特定言之，本文所述的實施例係關於超穎表面裝置及形成具有改良的光學透射效能的超穎表面的方法。

許多感測器設備利用塊體透鏡以準直且繞射用於感測應用（例如，面部識別感測器）的光。包括塊體透鏡的感測器設備通常具有大的形狀因數，使得該等感測器設備製造成本高昂且耗時。

為了解決上述缺陷，習知方法利用了平面光學裝置。然而，平面光學裝置通常不100%透射穿過其的輻射。確切而言，平面光學裝置吸收、散射，或反射輻射的一部分。該經吸收、散射或反射輻射損失並且降低了平面光學裝置的效率。經吸收的輻射進一步導致平面光學裝置的加熱，此舉可能導致對於平面光學裝置可能的元件故障或成像速率降低。

因此，在本技術中需要一種改良的平面光學裝置。

本案通常係關於超穎表面裝置。在一個實施例中，超穎表面裝置包括基板及安置在基板上的複數個裝置結構。複數個裝置結構的相鄰裝置結構在其之間界定間隙。每一裝置結構包括裝置層及阻抗匹配層，該阻抗匹配層具有阻抗折射率並且接觸該裝置層。裝置層包括裝置材料，該裝置材料具有約1.9至約3.5的裝置折射率。阻抗折射率為約1.4至1.8。

在另一實施例中，描述了一種超穎表面裝置。超穎表面裝置包括基板及安置在基板上的複數個裝置結構。複數個裝置結構的相鄰裝置結構在其之間界定間隙。每一裝置結構包括：內阻抗匹配層，安置在基板的頂表面上且具有內阻抗折射率；裝置層，安置在內阻抗匹配層上且具有裝置折射率；及外阻抗匹配層，安置在裝置層上且具有外阻抗折射率。內阻抗折射率係在基板折射率與裝置折射率之間。

在另一實施例中，描述了一種形成光學裝置的方法。該方法包括形成材料層堆疊。該材料層堆疊包括安置在基板上的裝置層，及安置在裝置層上的外阻抗匹配層。裝置層具有約1.9至約3.5的裝置折射率，並且基板具有基板折射率。外阻抗匹配層具有約1.4至約1.8的外阻抗折射率。外阻抗折射率係介於裝置折射率與周圍介質折射率之間。該方法進一步包括蝕刻外阻抗匹配層的一部分以形成硬遮罩，並且經由硬遮罩蝕刻裝置層以形成複數個裝置結構。

本案之實施例通常係關於光學裝置。更特定言之，本文所述的實施例係關於超穎表面裝置及形成具有改良的光學透射效能的超穎表面的方法。

大多數平面光學裝置（諸如超穎表面）能夠使用高產量及低成本的方法來製造。平面光學裝置包括具有亞微米尺寸（例如，奈米級尺寸）的結構佈置。包括平面光學裝置的光學裝置可由單層或多層的亞微米結構組成，當該亞微米結構用於感測器或成像設備時產生相對較小的形狀因數。

當一或多個阻抗匹配層與裝置層一起用於複數個裝置結構之內時，超穎表面的光學透射效能得以改良。裝置結構為位於基板上的光柵、翼片或其他奈米結構。在本文所述的實施例中，裝置結構的每一者係由多個層形成，多個層的至少一層為阻抗匹配層。阻抗匹配層的折射率經選擇為介於阻抗匹配層的任一側上的介質的折射率之間。例如，安置在空氣與裝置層之間的阻抗匹配層的折射率介於空氣與裝置層兩者的折射率之間。對於安置在基板與裝置層之間的阻抗匹配層，該阻抗匹配層的折射率介於基板與裝置層兩者的折射率之間。

習知超穎表面裝置具有進入超穎表面裝置的輻射的約85%至約97%的光學透射率。藉由利用額外的阻抗匹配層並且將該阻抗匹配層的折射率匹配，穿過超穎表面裝置的光學透射率經提高至大於97%，諸如99%或更大。超穎表面裝置包括經選擇以獲得所要光學性質的裝置層。所要光學性質經調諧以確定通過超穎表面裝置的輻射的相位延遲及聚焦。如本文所述，至少一個阻抗匹配層經安置在裝置結構的每一者之內。

每一阻抗匹配層的折射率係使用公式來確定。該公式在本文中示為方程式1。 方程式1：

在方程式1中，n _匹配為安置在阻抗匹配層的一側上的第一介質與在相對側上的第二介質之間的阻抗匹配層的折射率。n _第一介質為第一介質的折射率，而n _第二介質為第二介質的折射率。第一及第二介質可為任一種固體或流體，諸如一或多種光學材料層、空氣或水。阻抗匹配層的實際折射率落入n _匹配附近的範圍內，諸如比n _匹配大約25%（即，n _匹配的125%）至比n _匹配小約25%（例如，n _匹配的75%）。阻抗匹配層的實際折射率可在比n _匹配大約20%（即，n _匹配的120%）至比n _匹配小約20%（例如，n _匹配的80%）的範圍內，諸如比n _匹配大約10%（即，n _匹配的110%）至比n _匹配小約10%（即，n _匹配的90%）。利用本文所述的範圍之外的相應折射率導致穿過超穎表面裝置的較低光透射效率。

第1圖為超穎表面裝置100的示意橫截面圖。超穎表面裝置100包括基板102及安置在基板102的至少一側上的複數個裝置結構104。基板102包括第一表面108及第二表面110。複數個裝置結構104可為位於基板上的複數個光柵、翼片或其他奈米結構。在一些實施例中，奈米結構的每一者為圓柱體、稜柱體或柱體。複數個裝置結構104經耦接至第二表面110並且從第二表面110向外延伸。

複數個裝置結構104改變通過超穎表面裝置100的輻射的相位延遲及焦點。如第1圖中所示，輸入輻射106經由基板102的第一表面108進入超穎表面裝置100。輸入輻射106通過基板102，離開基板102進入複數個裝置結構104，並從裝置結構104的每一者的尖端112（例如，遠端）離開裝置結構104。在通過超穎表面裝置100之後，輸入輻射106已經轉換為輸出輻射114。輸出輻射114不被準直，而是經聚焦在點118上。輸出輻射114離開每一裝置結構104的尖端112並通過安置在尖端112及/或裝置結構104側壁周圍的介質115。介質115可為流體，諸如空氣或水，或光學層，諸如封裝層或另一光學裝置。在一些實施例中，介質115包括類似於超穎表面裝置100的第二超穎表面裝置。

輸入輻射106可至少部分地由超穎表面裝置100吸收、散射或反射。輸入輻射106的無意反射、散射或吸收經示為散射輻射116。輸入輻射106的散射/吸收可導致雜訊，降低超穎表面裝置100的效率，並且可能導致超穎表面裝置100隨時間被加熱。減少散射輻射116的量以提高超穎表面裝置100的效率是有益的。此舉在多個超穎表面裝置100堆疊在一起的實施例中尤其有益。使用附加阻抗匹配層122作為裝置結構104的一部分使得能夠提高超穎表面裝置100的效率並減少散射輻射116的量，以使得裝置結構104中的每一者皆包括裝置層120和阻抗匹配層，諸如阻抗匹配層112。如本文所述，阻抗匹配層122有助於減少或消除散射輻射116。

儘管示出了聚焦輸入輻射106的超穎表面裝置100，但可設想，裝置結構104亦可經配置以對輸入輻射106產生其他效應。在一些實施例中，諸如超穎表面裝置100之類的超穎表面裝置可用於光束轉向（例如，光束擴散、光束偏轉、光束***等）和全息圖(hologram)的形成。

第2圖為形成超穎表面裝置，諸如第3A圖至第3C圖的超穎表面裝置300的第一方法200的流程圖。第一方法200包括在基板302上沉積具有裝置折射率的裝置層304的操作202。裝置層304沉積在基板302的頂表面308上。基板具有基板折射率。在一些實施例中，基板折射率不同於裝置折射率。

基板302可為任何適當的材料。基板302的適當材料包括但不限於，非晶介電質、非非晶介電質、結晶介電質、氧化矽、聚合物，或上述材料的組合。適當的實例可包括氧化物、硫化物、磷化物、碲化物或其組合。在一實例中，基板302包括矽(Si)、二氧化矽(SiO ₂)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、熔融矽石、石英、藍寶石、高折射率透明材料（諸如高折射率玻璃）、上述材料的組合，或其他適當材料。此外，基板302的選擇可進一步包括基板302的不同形狀、厚度和直徑。例如，基板302可具有圓形、矩形或正方形。此外，基板302可包括多層。

裝置層304可為用於轉換通過超穎表面裝置300的輻射能量的性質的任何適當的材料。裝置層304的厚度和材料經選擇以獲得所要光學性質。不同的應用可能需要不同的光學性質。在一些實施例中，裝置層304具有約1.9至約3.5的折射率，諸如約1.9至約2.0或約2.4至約2.6的折射率。因為裝置層304經配置以產生穿過超穎表面裝置300的所要相位延遲或轉變，並且所得的相位延遲和透射效率取決於基板302和裝置層304的折射率，所以裝置層304的材料至少部分地由基板302的材料確定。為了簡潔起見，可將裝置的折射率描述為裝置折射率或第一折射率。裝置層304可為鍺(Ge)、矽(Si)、四氮化三矽(Si ₃N ₄)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化鉿(HfO ₂)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)或三氧化二鈧(Sc ₂O ₃)中的一者或其組合。亦可預期其他材料。

在沉積裝置層304之後，在操作204期間，在裝置層的頂表面310上沉積外阻抗匹配層306。外阻抗匹配層306具有外阻抗折射率。外阻抗折射率至少部分地由裝置層304的折射率以及在外阻抗匹配層306的與裝置層304相對側上的任何層/介質315的折射率確定。介質315可類似於第1圖的介質115。在一些實施例中，與裝置層304相對的介質315是空氣、水或另一流體。在其他實施例中，與裝置層304相對的介質315是光學材料，諸如光學帽或封裝層。在一些實施例中，介質315是另一光學裝置，例如另一超穎表面裝置300。外阻抗匹配層306的折射率介於裝置層304的折射率與外阻抗匹配層306的相對側上的介質的折射率之間，例如介於裝置層304的折射率與空氣的折射率之間。為了簡潔起見，外阻抗匹配層的折射率可經描述為外阻抗折射率或第二折射率。在一些實施例中，外阻抗匹配層306被稱為抗反射層。

外阻抗匹配層的折射率可為約1.4至約1.8，諸如約1.45至約1.8，諸如約1.45至約1.6。在一些實施例中，外阻抗匹配層306可由包含以下一或多者的材料形成：鍺(Ge)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、碳氧化矽(SiOC)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化矽(SiO ₂)、氧化釩(IV)(VOx)、三氧化二鋁(Al ₂O ₃)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、二氧化錫(SnO ₂)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)、氮化矽(Si ₃N ₄)、二氧化鋯(ZrO ₂)、五氧化二鈮(Nb ₂O ₅)、錫酸鎘(Cd ₂SnO ₄)、碳氮化矽(SiCN)、二氧化鉿(HfO ₂)、上述材料的組合或其他適當的材料。當利用鍺(Ge)、矽(Si)、四氮化三矽(Si ₃N ₄)、氧化鈦(TiO ₂)、二氧化鉿(HfO ₂)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)或三氧化二鈧(Sc ₂O ₃)中的任何一者作為裝置層304時，外阻抗匹配層306可為矽(Si)、碳化矽(SiC)、碳氧化矽(SiOC)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化矽(SiO ₂)、氧化物釩(IV) (VO _x)、三氧化二鋁(Al ₂O ₃)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、二氧化錫(SnO ₂)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)、氮化矽(Si ₃N ₄)、二氧化鋯(ZrO ₂)、五氧化二鈮(Nb ₂O ₅)、錫酸鎘(Cd ₂SnO ₄)、碳氮化矽(SiCN)、二氧化鉿(HfO ₂)、上述材料的組合或其他適當的材料。在一些實施例中，當矽(Si)、四氮化三矽(Si ₃N ₄)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化鉿(HfO ₂)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)或三氧化二鈧(Sc ₂O ₃)中的一者或其組合經用作裝置層304時，外阻抗匹配層306可為氮化矽(Si ₃N ₄)、二氧化矽(SiO ₂)或三氧化二鋁(Al ₂O ₃)中的一者或組合。亦可預期其他材料。

裝置層304和外阻抗匹配層306的折射率不同，以使得裝置層304的折射率與外阻抗匹配層306的折射率之間的差大於0.3，諸如約0.4至約2.5，諸如約0.4至約2.4，諸如約0.45至約1.9。在基板302的折射率低於約3.0的實施例中，裝置層304的折射率與外阻抗匹配層306的折射率之間的差為約0.45至約1.2，諸如約0.45到約1.0，諸如約0.45至約0.9。在基板302的折射率高於約3.0的實施例中，裝置層304的折射率之間的差為約1.2至約2.5，諸如約1.2至約2.0，諸如約1.2至約1.9。外阻抗匹配層306的折射率經配置以藉由在裝置層304和外阻抗匹配層306的與裝置層304相對側上的介質315之間創建過渡層來減少在超穎表面裝置300內散射光或吸收光的量。

如上所述的方程式1經修改以獲得每一層的折射率與層的每一側上的層/介質的關係。第一公式用於確定外阻抗折射率與裝置折射率和與每個裝置結構318的尖端相鄰的介質315的折射率兩者的關係。第一公式（即「公式1」）確定了外阻抗折射率相對於介質315的折射率和裝置折射率下降的範圍。該第一公式為：

，其中n _裝置為裝置折射率，n _介質為介質315的折射率，並且n _外阻抗為外阻抗折射率。因此，如由第一公式確定的外阻抗折射率為約

至約

。第一公式可使裝置的折射率在大約±25%的窗口內偏離。在本文描述的實施例中，介質315可為另一光學層、光學裝置或裝置結構318浸沒的流體介質中的任一者。潜在的光學層包括覆蓋層。潜在的光學裝置包括透鏡或第二超穎表面裝置。流體介質可為惰性氣體、空氣、水或烴中的任一者。

第二公式用於確定阻抗匹配折射率與裝置折射率和與裝置層304相對並接觸外阻抗匹配層306的介質315的折射率兩者的關係。如本文所示的第二公式假設圍繞外阻抗匹配層306的介質315是空氣。第二公式確定外阻抗折射率下降的範圍。第二公式（即「公式2」）為：

，其中n _裝置為裝置折射率，n _空氣為空氣的折射率，並且n _外阻抗為外阻抗折射率。因此，如由第二公式確定的外阻抗折射率為約

至約

。第二公式使得外阻抗匹配層306的折射率能夠在大約±25%的窗口內偏移。若周圍介質不是空氣，則可用形成介質315的另一流體或材料的折射率來代替n _空氣。

在另一實例中，具有約2.3至約2.7，諸如約2.4至約2.6的裝置折射率的裝置層304與具有約1.35至約1.7，諸如約1.45至約1.6的外阻抗折射率的外阻抗匹配層306組合。在該實施例中，裝置層304是二氧化鈦，並且外阻抗匹配層306是二氧化矽或氧化鋁，並且每一裝置結構318延伸穿過空氣。

在又一實例中，具有約1.8至約2.1，諸如約1.9至約2.0的裝置折射率的裝置層304與外阻抗匹配層306組合，該外阻抗匹配層306具有約1.35至約1.55，諸如約1.45的外阻抗折射率。在該實施例中，裝置層304為氮化矽、氧化鉿、氧化鉭或氧化鈧中的一者或組合，且外阻抗匹配層306是二氧化矽。

裝置層304和外阻抗匹配層306係使用適當的沉積操作形成，該沉積操作諸如化學氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition; PVD)或原子層沉積(atomic layer deposition; ALD)操作。在一些實施例中，裝置層304及/或外阻抗匹配層306經旋塗至基板302上。

在沉積裝置層304和外阻抗匹配層306之後，超穎表面裝置300類似於第3A圖的超穎表面裝置300。一旦形成了裝置層304和外阻抗匹配層306兩者，則在操作206期間蝕刻外阻抗匹配層306的一部分。蝕刻外阻抗匹配層306可包括一或多個子操作，諸如外阻抗匹配層306的曝光/圖案化。外阻抗匹配層306可經選擇性地蝕刻，以留下安置在裝置層304上的阻抗結構314的所要圖案，如第3B圖中所示。蝕刻操作可為乾式蝕刻或濕式蝕刻。在一些實施例中，本文所述的蝕刻操作為電漿蝕刻操作。所要圖案可為複數個離散的柱或光柵。不同的圖案可用以獲得各種光學效應。在一些實施例中，阻抗結構314為從裝置層304的頂表面310延伸的複數個柱體或複數個稜柱。阻抗結構314係由開口312分離。開口312是阻抗結構314的每一者之間的間隙。阻抗結構314的每一者可具有不同的尺寸/形狀以獲得期望的光學圖案。

在蝕刻外阻抗匹配層306之後，在另一操作208期間蝕刻裝置層304的一部分。裝置層304係穿過外阻抗匹配層306蝕刻，以使得外阻抗匹配層306可在裝置層304的蝕刻期間充當遮罩。外阻抗匹配層306的圖案可經轉移至裝置層304以形成複數個裝置結構318，如第3C圖中所示。裝置結構318係使用穿過阻抗結構314的開口312的選擇性蝕刻來形成。蝕刻操作可為乾式蝕刻或濕式蝕刻。在一些實施例中，本文所述的蝕刻操作為電漿蝕刻操作。

裝置結構318係由開口316分離。開口316是裝置結構318的每一者之間的間隙。裝置結構318的每一者可具有不同的尺寸/形狀以獲得所要光學圖案。其上安置有外阻抗匹配層306的裝置結構318提供了具有一折射率的過渡層，該折射率介於裝置折射率與在外阻抗匹配層306的與裝置結構318相對側上的介質315的折射率之間。在一些實施例中，裝置結構318包括裝置層304的剩餘部分和阻抗結構314。裝置結構318的每一者包括尖端322。裝置結構318的每一者的尖端322是每一裝置結構308的最遠離基板302的頂表面308的遠端。在一些實施例中，操作206和208可為相同的操作，以使得在相同的操作期間蝕刻外阻抗匹配層306和裝置層304。

在其中介質315包括光學材料或另一光學裝置的實施例中，與裝置結構318的每一者的尖端322相鄰及/或接觸的介質315的材料具有不同於阻抗結構314的折射率的折射率。在一些實施例中，介質315具有小於阻抗結構314的折射率的折射率，諸如小於約2.0的折射率、諸如小於約1.8的折射率。

裝置結構318的每一者之間的間距為一個裝置結構的中心和緊鄰裝置結構的中心之間的距離。間距可在超穎表面裝置300的表面上變化，以實現所要光學圖案化。在本文描述的實施例中，間距為約250 nm至約750 nm，諸如約250 nm至約500 nm、諸如約300 nm至約500 nm、諸如約350 nm至約450 nm、諸如約300 nm、約400 nm或約500 nm。亦可設想其他間距尺寸，並且其他間距尺寸可用於某些光學配置或用途。

儘管示出為單獨的層，但在一些實施例中，裝置層304是基板302的一部分，並且基板302經圖案化以形成裝置結構318。在其他實施例中，裝置層304可在處理之前或之後形成。

第4圖是形成超穎表面裝置的第二方法400的流程圖，該超穎表面裝置諸如第5A圖至第5F圖的超穎表面裝置500、525、550之一者。第二方法400類似於第一方法200，但包括在操作402期間於基板302的頂表面308上形成內阻抗匹配層502。內阻抗匹配層502經沉積在基板302上。內阻抗匹配層502減少了穿過超穎表面裝置500、525、550反射的輻射量。在一些實施例中，內阻抗匹配層502被稱為抗反射層。內阻抗匹配層502具有約1.4至約2.5，諸如約1.6至約2.2的折射率。為簡明起見，內阻抗匹配層502的折射率可經描述為內阻抗折射率或第三折射率。內阻抗匹配層502係由適當的材料形成，諸如Al ₂O ₃、HfO ₂、TiSi _xO _y、SiO _xN _y或其他適當材料中的一者或組合。在一些實施例中，內阻抗匹配層502（若未被蝕刻穿過）經用作蝕刻終止層。因此，內阻抗匹配層502可起到提供阻抗匹配和防止基板302蝕刻的雙重作用。

在沉積內阻抗匹配層502之後，在操作404期間，在內阻抗匹配層502的頂表面504上形成裝置層304。操作404類似於第一方法200的操作202。裝置層304類似於如第一方法200中描述的第3A圖至第3C圖的裝置層304。在操作404期間沉積裝置層304之後，在操作406期間於裝置層304的頂部沉積外阻抗匹配層306。操作406類似於第一方法200的操作204。外阻抗匹配層306類似於第一方法200中描述的第3A圖至第3C圖的外阻抗匹配層306。

如上所述的方程式1用以獲得中間層的每一層的折射率與中間層的每一側上的層的關係。第三公式用於確定內阻抗匹配層502的折射率與基板折射率和裝置折射率兩者的關係。第三公式（即，「公式3」）確定內阻抗匹配層502的折射率下降的範圍。第三公式為：

，其中n _裝置為裝置折射率，n _基板為基板的基板折射率，並且n _內阻抗為內阻抗匹配層502的折射率。因此，如由第三公式確定的內阻抗匹配層502的折射率為約

至約

。第三公式使得內阻抗匹配層502的折射率能夠在大約±25%的窗口內偏移。

在沉積內阻抗匹配層502、裝置層304和外阻抗匹配層306中的每一者之後，在操作408期間蝕刻外阻抗匹配層306的一部分。操作408類似於第一方法200的操作206。在操作408之後，超穎表面裝置500、525、550類似於第5B圖中所示的裝置。在操作408期間蝕刻外阻抗匹配層306之後，在操作410期間蝕刻裝置層304的一部分。操作410類似於第一方法200的操作208。在操作410之後，超穎表面裝置500、525、550類似於第5C圖中所示的裝置。

在蝕刻裝置層304以形成裝置結構318之後，視情況地執行在操作412期間移除外阻抗匹配層306的剩餘部分或在操作414期間蝕刻內阻抗匹配層502的一部分中的一者或兩者。外阻抗匹配層306的可選移除在第5D圖中示出，以使得剩餘在裝置結構318上的阻抗結構的每一者得以移除。結構化阻抗可使用蝕刻操作移除，或者可經溶解在溶液中。蝕刻操作可為乾式蝕刻或濕式蝕刻。在一些實施例中，本文所述的蝕刻操作為電漿蝕刻操作。在其中移除外阻抗匹配層306的實施例中，內阻抗匹配層502可充當基板302和裝置結構318之間的阻抗匹配層。

在移除外阻抗匹配層306之後，在操作414期間移除內阻抗匹配層502的一部分。內阻抗匹配層502的一部分的移除形成具有安置在其間的開口506的複數個抗反射結構508。裝置結構318和阻抗結構314中的一者或兩者可充當遮罩，以實現內阻抗匹配層502的蝕刻。第5E圖圖示執行操作412和操作414兩者的實施例。可使用蝕刻製程移除內阻抗匹配層502。該蝕刻可利用濕式或乾式蝕刻化學物質。

在一些實施例中，不移除外阻抗匹配層306，但在操作414期間蝕刻內阻抗匹配層502的一部分。第5F圖中示出了未移除外阻抗匹配層306且蝕刻內阻抗匹配層502的一部分的實施例。

為了形成第5E圖的實施例，操作412和操作414可按任一順序執行，以使得操作412在操作414之前執行，或者操作414在操作412之前執行。

第一超穎表面裝置500包括形成在內阻抗匹配層502頂部的複數個裝置結構318，如第5D圖中所示。第一超穎表面裝置500不包括外阻抗匹配層306。第一超穎表面裝置500中的內阻抗匹配層502是如第5D圖中所示的連續層。

第二超穎表面裝置525包括形成在內阻抗匹配層502頂部的複數個裝置結構318，如第5E圖中所示。第二超穎表面裝置525類似於第一超穎表面裝置500，但是內阻抗匹配層502是不連續的，並且開口506形成在抗反射結構508之間。在第二超穎表面裝置525中，基板302的頂表面308的部分經暴露。

第三超穎表面裝置550包括形成在內阻抗匹配層502頂部的複數個裝置結構318，如第5F圖中所示。裝置結構318包括安置在其上的阻抗結構314，以執行裝置結構314的阻抗匹配。內阻抗匹配層502是不連續的，以使得裝置結構318的每一者包括抗反射結構508、裝置層304的一部分及阻抗結構314。

儘管示出為單獨的層，但在一些實施例中，內阻抗匹配層502及/或裝置層304是基板302的一部分，並且基板302經圖案化以形成抗反射結構508及/或裝置結構318。在其他實施例中，裝置層304可在處理之前或之後形成。

第6A圖至第6C圖為圖示具有和不具有阻抗匹配層的超穎表面裝置的光學透射率的曲線圖602、604、606。第6A圖的第一曲線圖602示出穿過間距約為350 nm的超穎表面裝置的光學透射率。第6B圖的第二曲線圖604示出穿過間距約為400 nm的超穎表面裝置的光學透射率。第6C圖的第三曲線圖606示出穿過間距約為450 nm的超穎表面裝置的光學透射率。

曲線圖602、604、606中的每一者的因變數是輻射的工作週期，而曲線圖602、604和606中的每一者的自變數是穿過超穎表面裝置的透射率。

曲線圖602、604、606的資料集608、612、616中的每一者假設工作輻射波長為約940 nm，矽裝置層的折射率為約3.88，氮化矽阻抗匹配層的折射率為約1.95，並且基板的折射率為約1.45。

曲線圖602、604、606的資料集610、614、618中的每一者假設工作輻射波長為約940 nm，矽裝置層的折射率為約3.88，並且基板的折射率為約1.45。曲線圖602、604、606的資料集610、614、618不具有如本文所述的阻抗匹配層。

如圖所示，當使用阻抗匹配層時，穿過超穎表面裝置的平均透射率經提高至約99%或更大。無超穎表面裝置的平均透射率等於或低於97%。

第7A圖至第7C圖是示出具有和不具有阻抗匹配層的超穎表面裝置的相位延遲的曲線圖702、704、706。第7A圖的曲線圖702與第6A圖的曲線圖602相關。第7B圖的曲線圖704與第6B圖的曲線圖604相關。第7C圖的曲線圖706與第6C圖的曲線圖606相關。曲線圖702、704、706中的每一者的因變數是輻射的工作週期，而曲線圖702、704、706中的每一者的自變數是穿過超穎表面裝置的相位延遲。

曲線圖702、704、706的資料集708、712、716中的每一者使用約940 nm的工作輻射波長，矽裝置層的折射率為約3.88，氮化矽阻抗匹配層的折射率為約1.95，基板的折射率為約1.45。

曲線圖702、704、706的資料集710、714、718中的每一者使用約940 nm的工作輻射波長、約3.88的矽裝置層的折射率和約1.45的基板的折射率。曲線圖702、704、706的資料集710、714、718不具有如本文所述的阻抗匹配層。

如圖所示，無論超穎表面裝置是否使用阻抗匹配層，或者若其不使用阻抗匹配，皆可獲得類似的相位延遲。

因此，如本文所述的阻抗匹配層能夠在不損害相位延遲控制的情況下提高輻射穿過超穎表面裝置的透射效率。阻抗匹配層因此有利於提高超穎表面裝置的效率。阻抗匹配層的折射率介於阻抗匹配層任一側上的介質的折射率之間。在一些實施例中，介質之一者為空氣，而另一介質為裝置層。在一些實施例中，使用多個阻抗匹配層，諸如內阻抗匹配層和阻抗匹配層或兩個或更多個阻抗匹配層。

第8A圖和第8B圖是使用第三方法形成的超穎表面裝置800的另一實施例的示意性橫截面圖。超穎表面裝置800經形成以使得裝置層是基板302的一部分，從而不形成單獨的裝置層，而是部分地蝕刻穿過基板302以形成複數個裝置結構818。如第8A圖中所示，在基板302的頂表面308上形成外阻抗匹配層306。基板302可為與先前描述的材料類似的材料，或者基板可為與第3A圖至第3C圖和第5A圖至第5F圖的裝置層304類似的材料。

在可與其他實施例結合的一些實施例中，在形成外阻抗匹配層306之前，在基板302的頂表面308上形成類似於內阻抗匹配層502的內阻抗匹配層。內阻抗匹配層可經圖案化以形成佈置於裝置結構818上的弧形結構。在其他實施例中，內阻抗匹配層可經安置在基板302內。裝置層可在處理之前或之後形成。

然後，利用與上述製程類似的一或多個蝕刻製程來形成複數個裝置結構818。在蝕刻製程期間，使用第一蝕刻製程圖案化外阻抗匹配層306以形成阻抗結構314，並且在第二蝕刻製程期間穿過圖案化的外阻抗匹配層306蝕刻基板302以在基板302中從頂表面308形成複數個開口806或凹坑。因此，複數個裝置結構818至少部分地由基板302的未蝕刻部分和外阻抗匹配層306的剩餘部分形成。外阻抗匹配層306類似於第3A圖至第3C圖和第5A圖至第5F圖的外阻抗匹配層306。

如關於第8A圖和第8B圖所述的外阻抗匹配層306的折射率係使用第四公式確定。第四公式用於確定外阻抗折射率與基板折射率和與每個裝置結構818的尖端相鄰的介質315的折射率兩者的關係。第四公式（即「公式4」）確定外阻抗折射率下降的範圍。第一公式為：

，其中n _基板為裝置折射率，n _介質為介質315的折射率，並且n _外阻抗為外阻抗折射率。因此，如由第四公式確定的外阻抗折射率為約

至約

。第四公式可使裝置的折射率在大約±25%的窗口內偏離。

雖然前述內容係針對本案的各個實施例，但是可在不背離本案的基本範疇的情況下設計本案之其他及進一步實施例，且本發明的範疇由以下的申請專利範圍確定。

100:超穎表面裝置 102:基板 104:裝置結構 106:輸入輻射 108:第一表面 110:第二表面 112:尖端 114:輸出輻射 115:介質 116:散射輻射 118:點 120:裝置層 122:阻抗匹配層 200:第一方法 202:操作 204:操作 206:操作 208:操作 300:超穎表面裝置 302:基板 304:裝置層 306:外阻抗匹配層 308:頂表面 310:頂表面 312:開口 314:阻抗結構 315:介質 316:開口 318:裝置結構 322:尖端 400:第二方法 402:操作 404:操作 406:操作 408:操作 410:操作 412:操作 414:操作 500/525:第一超穎表面裝置/第二超穎表面裝置 500/525/550:第一超穎表面裝置/第二超穎表面裝置/第三超穎表面裝置 502:內阻抗匹配層 504:頂表面 506:開口 508:抗反射結構 525:第二超穎表面裝置 602:曲線圖 604:曲線圖 606:曲線圖 702:曲線圖 704:曲線圖 706:曲線圖 708:資料集 710:資料集 712:資料集 714:資料集 716:資料集 718:資料集 800:超穎表面裝置 806:開口 818:裝置結構

以能夠詳細理解本案之上述特徵的方式，可經由參考實施例獲得簡要概述於上文的本案之更特定描述，該等實施例之一些實施例圖示於附圖中。然而，應注意，附圖僅圖示本案的典型實施例並且因此不被視為限制本案之範疇，因為本案可允許其他同等有效的實施例。

第1圖為根據本案之實施例的超穎表面裝置的示意橫截面圖。

第2圖為根據本案之實施例的形成超穎表面裝置的第一方法的流程圖。

第3A圖至第3C圖為根據本案之實施例的，在第2圖的第一方法期間的超穎表面裝置的示意橫截面圖。

第4圖為根據本案之實施例的，形成超穎表面裝置的第二方法的流程圖。

第5A圖至第5F圖為根據本案之實施例的，在第4圖的第二方法期間的超穎表面裝置的示意橫截面圖。

第6A圖至第6C圖為圖示根據本案之實施例的，在各個間距下具有或不具有阻抗匹配層的超穎表面裝置的光學透射率的示圖。

第7A圖至第7C圖為圖示根據本案之實施例的，在各個間距下具有或不具有阻抗匹配層的超穎表面裝置的相位延遲的示圖。

第8A圖至第8B圖為根據本案之實施例的，使用第三方法形成的超穎表面裝置的示意橫截面圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:超穎表面裝置

102:基板

104:裝置結構

106:輸入輻射

108:第一表面

110:第二表面

112:尖端

114:輸出輻射

115:介質

116:散射輻射

118:點

120:裝置層

122:阻抗匹配層

Claims (20)

1. 一種超穎表面裝置，包含： 一基板； 複數個裝置結構，安置在該基板上，該複數個裝置結構的相鄰裝置結構在其之間界定一間隙，每一裝置結構包含： 一裝置層，該裝置層包括一裝置材料，該裝置材料具有約1.9至約3.5的一裝置折射率；以及 一阻抗匹配層，具有一阻抗折射率並且接觸該裝置層，其中該阻抗折射率為約1.4至1.8。
2. 如請求項1所述之超穎表面裝置，其中該阻抗折射率介於安置在該等裝置結構的每一者的一尖端周圍的一介質的一折射率與該裝置折射率之間。
3. 如請求項2所述之超穎表面裝置，其中該介質為空氣並且該阻抗折射率為空氣的一折射率。
4. 如請求項1所述之超穎表面裝置，其中該阻抗折射率落入由一第二公式得出的一範圍內，其中該第二公式為：

   

   ，其中其中n _空氣是空氣的折射率，n _裝置是裝置折射率，並且n _外阻抗是阻抗匹配層的折射率。
5. 如請求項1所述之超穎表面裝置，其中每一裝置結構進一步包含：一內阻抗匹配層，安置在該基板與該裝置層之間，該內阻抗匹配層具有約1.4至約2.5的一內阻抗折射率。
6. 如請求項5所述之超穎表面裝置，其中該內阻抗折射率落入由一第三公式得出的一範圍內，其中該第三公式為：

   

   ，其中n _基板為基板折射率，n _裝置為裝置折射率，並且n _內阻抗為內阻抗折射率。
7. 如請求項1所述之超穎表面裝置，其中該裝置折射率為約2.3至約2.7，並且該阻抗折射率為約1.35至約1.7。
8. 如請求項1所述之超穎表面裝置，其中該裝置層包含氧化鈦，並且該阻抗匹配層包含二氧化矽或氧化鋁。
9. 如請求項1所述之超穎表面裝置，其中該裝置折射率為約1.8至約2.1，並且該阻抗折射率為約1.35至約1.55。
10. 一種超穎表面裝置，包含： 一基板； 複數個裝置結構，安置在該基板上，該複數個裝置結構的相鄰裝置結構界定在其之間的一間隙，每一裝置結構包含： 一內阻抗匹配層，安置在基板的一頂表面上且具有一內阻抗折射率； 一裝置層，安置在該內阻抗匹配層上且具有一裝置折射率；以及 一外阻抗匹配層，安置在該裝置層上且具有一外阻抗折射率， 其中該內阻抗折射率介於一基板折射率與該裝置折射率之間。
11. 如請求項10所述之超穎表面裝置，其中該內阻抗折射率為約1.4至約2.5。
12. 如請求項10所述之超穎表面裝置，其中該內阻抗折射率落入由一第三公式得出的一範圍內，其中該第三公式為：

    

    ，其中n _基板為基板折射率，n _裝置為裝置折射率，並且n _內阻抗為內阻抗折射率。
13. 如請求項10所述之超穎表面裝置，其中： 該裝置層為鍺(Ge)、矽(Si)、四氮化三矽(Si ₃N ₄)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化鉿(HfO ₂)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)或氧化鈧(Sc ₂O ₃)中的一者或其組合；以及 該外阻抗匹配層為以下材料的一者或組合：鍺(Ge)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、碳氧化矽(SiOC)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化矽(SiO ₂)、氧化釩(IV)(VO _x)、三氧化二鋁(Al ₂O ₃)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、二氧化錫(SnO ₂)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)、二氧化鋯(ZrO ₂)、五氧化二鈮(Nb ₂O ₅)、錫酸鎘(Cd ₂SnO ₄)、碳氮化矽(SiCN)、二氧化鉿(HfO ₂)。
14. 一種形成一光學裝置的方法，包含以下步驟： 形成一材料層堆疊，包含： 一裝置層，安置在一基板上，該裝置層具有約1.9至約3.5的一裝置折射率，並且該基板具有一基板折射率；以及 一外阻抗匹配層，安置在該裝置層上，該外阻抗匹配層具有約1.4至約1.8的一外阻抗折射率，其中該外阻抗折射率介於該裝置折射率與一周圍介質折射率之間； 蝕刻該外阻抗匹配層的一部分以形成一硬遮罩；以及 穿過該硬遮罩蝕刻該裝置層以形成複數個裝置結構。
15. 如請求項14所述之方法，其中一內阻抗匹配層安置在該裝置層與該基板之間，並且該內阻抗匹配層具有介於該基板折射率與該裝置折射率之間的一內阻抗折射率。
16. 如請求項15所述之方法，進一步包含以下步驟：在蝕刻該裝置層之後，穿過在該裝置層中形成的開口蝕刻該內部阻抗匹配層。
17. 如請求項16所述之方法，進一步包含以下步驟：在形成該複數個裝置結構之後移除該硬遮罩。
18. 如請求項15所述之方法，其中該內阻抗折射率為約1.4至約2.5。
19. 如請求項18所述之方法，其中該內阻抗折射率落入由一第三公式得出的一範圍內，其中該第三公式為：

    

    ，其中n _基板為基板折射率，n _裝置為裝置折射率，並且n _內阻抗為內阻抗折射率。
20. 如請求項15所述之方法，其中該裝置層為鍺(Ge)、矽(Si)、四氮化三矽(Si ₃N ₄)、二氧化鈦(TiO ₂)、二氧化鉿(HfO ₂)、五氧化二鉭(Ta ₂O ₅)或氧化鈧(Sc ₂O ₃)中的一者或其組合。

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