隨著手機、電腦和其他電子產品變得越來越小,內置的光學元件卻很難縮小,因為用傳統的玻璃切割或塑料成型技術很難製造出高規格的微型鏡片,而且傳統鏡片通常需要堆疊多片才能正確聚焦光線。超穎透鏡是用半導體技術在厚度不到頭髮直徑五十分之一的介電質薄層中蝕刻出數百萬甚至數千萬個奈米柱陣列組成,這些奈米柱可以任意控制光波的振幅、相位、吸收反射等物理性質,這是傳統折射透鏡無法實現的,而且由於超穎透鏡非常薄,可以將多個超穎透鏡疊放在一起,不會顯著增加尺寸。除了減小尺寸外,超穎透鏡最終還應降低電子產品內光學元件的成本,因為超穎透鏡可以使用半導體的材料、工藝、與設備製造,允許光學和電子元件的集成於同的感測晶片上。然而,目前超穎透鏡製作的費用仍然很高,因為很難將數千萬個奈米級的元件精確地製造在厘米等級的IC晶片上,因此限制其普及與應用。本技術使用半導體CMOS製程的材料與設備,透過低成本的光學微影與解析度益技術實現大量製造大面積近紅外與可見光的超穎透鏡,因可精準地控制奈米柱的高度與尺寸,本技術展示的超穎透鏡有接近繞射極限的高轉換效率,未來可設計集成超穎透鏡於CMOS圖像與距離感測器。現今半導體製程經常使用的低成本的光學微影技術,雖然經濟實惠,但是解析度不足以製造超穎透鏡所需的奈米結構,因此需要解析度增益技術,稱作光學鄰近修正技術(Optical Proximity Correction, OPC)推升解析度,並精準地控制奈米結構的尺寸,OPC是一種光罩修正技術,當目標圖形尺寸接近曝光極限時,需要用OPC優化目標圖形的光罩大小以提升光阻成像品質。然而傳統的OPC計算需要龐大的計算時間進行光學模擬疊代,沒辦法有效率的修正大面積超穎透鏡所需超過數千萬組奈米結構。
本技術團隊提出結合深度學習微影模型及分布式光罩修正流程,整合出智能光學微影技術,又稱作智能鄰近修正(Intelligent Proximity Correction, IPC),並藉由IPC技術成功在8吋玻璃基板製造出332顆大面積,直徑8毫米,每顆包含超過7000萬組奈米結構的高效率近紅外超穎透鏡。大面積NIR經實際量測聚焦效率能達到64%,極為接近理論計算值的69%,是國際技術文獻中以低成本光學微影技術實現的最高效率。團隊同時也完成可見光超穎透鏡與電腦生成全像片超穎表面的製作,有助集成CMOS感測器的光學和電子元件。