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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-27
(45)【発行日】2025-02-04
(54)【発明の名称】光学装置
(51)【国際特許分類】
H10F 39/12 20250101AFI20250128BHJP
G02B 5/20 20060101ALI20250128BHJP
G02B 1/14 20150101ALI20250128BHJP
G02B 1/11 20150101ALI20250128BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
G02B5/20 101
G02B1/14
G02B1/11
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2023045349
(22)【出願日】2023-03-22
(65)【公開番号】P2024084096
(43)【公開日】2024-06-24
【審査請求日】2023-03-22
(31)【優先権主張番号】18/064,296
(32)【優先日】2022-12-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】507296388
【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100102532
【弁理士】
【氏名又は名称】好宮 幹夫
(74)【代理人】
【識別番号】100194881
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 俊弘
(74)【代理人】
【識別番号】100215142
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 徹
(72)【発明者】
【氏名】王俊元
(72)【発明者】
【氏名】王柏翔
(72)【発明者】
【氏名】呉翰林
(72)【発明者】
【氏名】蔡鴻仁
【審査官】柴山 将隆
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１１２２０１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１１８９３２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１２４５６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／１３６４６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／２３０１８６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７０２２０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３６５６４０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２２－０８１３９２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
Ｇ０２Ｂ ５／２０
Ｇ０２Ｂ １／１４
Ｇ０２Ｂ １／１１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のフォトダイオードを含む光電変換層と、前記光電変換層上に配置された反射防止層と、
前記反射防止層の上方に配置された下地層と、
前記下地層上に配置され、複数の下部メタユニットと前記下部メタユニット間の充填物とを含む下部メタ層であって、前記充填物は前記下地層から連続的に延在し、前記充填物の材料は前記下地層の材料と同じである下部メタ層と、
前記下部メタ層の上方に配置され、複数の上部メタユニットと複数の空気リセスとを含む上部メタ層であって、前記複数の空気リセスは２つの隣接する上部メタユニットの間にそれぞれ配置される上部メタ層と、
を含み、
前記下部メタユニットのそれぞれの幅は７０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記上部メタユニットのそれぞれの幅は７０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記上部メタ層の有効屈折率は１．３～１．６の範囲にあり、前記下部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記下地層の屈折率は１．２～１．８の範囲にあり、前記下部メタユニットの前記屈折率は、前記下地層の前記屈折率よりも大きいことを特徴とする光学装置。
【請求項2】
前記光電変換層は、前記フォトダイオードのそれぞれを分離する複数のディープトレンチアイソレーションをさらに含み、前記下部メタユニットの底面から前記反射防止層の上面までの前記下地層の高さが、以下の式に基づくことを特徴とする請求項１に記載の光学装置であって、【数1】
ｈｔは前記下地層の理論上の高さであり、
ｐは画素寸法であり、２つの隣接するディープトレンチアイソレーション間の距離によって決定され、
ｎは前記下地層の前記屈折率であり、
λ０は前記上部メタ層と前記下部メタ層を通過する光の設計波長帯域の中心波長であることを特徴とする光学装置。
【請求項3】
前記反射防止層と前記下地層との間に配置されたカラーフィルター層をさらに含み、前記カラーフィルター層は複数のカラーフィルターを含み、それぞれの前記カラーフィルターは１つまたは２つのフォトダイオードに対応し、前記下地層の高さは前記下部メタユニットの底面から前記カラーフィルター層の上面までであることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項4】
前記カラーフィルター層は、第１のカラーフィルター、第２のカラーフィルター、および第３のカラーフィルターを含み、前記複数の下部メタユニットは、前記第１のカラーフィルターおよび前記第２のカラーフィルターの上方に配置され、前記第３のカラーフィルターの上方には配置されないことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項5】
前記複数の上部メタユニットおよび前記複数の空気リセスを等角にかつ連続的に裏打ちするキャッピング層をさらに含み、前記複数の空気リセスは前記上部メタ層に残されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項6】
前記上部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記キャッピング層の屈折率は１．４～１．６の範囲にあり、前記上部メタユニットの前記屈折率は、前記キャッピング層の前記屈折率とは異なることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項7】
前記上部メタ層は前記下部メタ層に対してグローバルシフトを有し、前記グローバルシフトは、前記上部メタ層のエッジが、前記下部メタ層の対応するエッジからオフセットすることにより定義され、前記上部メタ層の前記上部メタユニットは内部シフトを有し、前記内部シフトは、前記上部メタユニットのそれぞれの中線が、前記上部メタユニットのそれぞれの元の中線からある距離だけオフセットすることにより定義されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項8】
前記上部メタ層と前記下部メタ層の間に配置された中間メタ層をさらに含み、前記中間メタ層は複数の中間メタユニットを含み、第１の層と第２の層に配置され、前記第１の層は前記上部メタユニットに接続し、前記第２の層は前記下部メタ層に接続し、前記第１の層および前記第２の層は、前記下地層によって隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項9】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、前記光電変換層は、前記フォトダイオードのそれぞれを分離する複数のディープトレンチアイソレーションをさらに含み、
前記カラーフィルター層は複数のカラーフィルターを含み、それぞれの前記カラーフィルターは四つのフォトダイオードに対応し、前記下部メタユニットの底面から前記カラーフィルター層の上面までの前記下地層の高さは、以下の式に基づくことを特徴とする請求項１に記載の光学装置であって、
【数2】
ｈｔは前記下地層の理論上の高さであり、
ｐは画素寸法であり、２つの隣接するディープトレンチアイソレーション間の距離によって決定され、
ｎは前記下地層の前記屈折率であり、
λ０は前記上部メタ層と前記下部メタ層を通過する光の設計波長帯域の中心波長であることを特徴とする光学装置。
【請求項10】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、前記カラーフィルター層は、第１のカラーフィルター、第２のカラーフィルター、および第３のカラーフィルターを含み、
前記複数の下部メタユニットは、前記第１のカラーフィルター、第２のカラーフィルター、および第３のカラーフィルターの上方に配置され、
前記複数の上部メタユニットは、前記第１のカラーフィルターおよび前記第２のカラーフィルターの上方に配置され、前記第３のカラーフィルターの上方には配置されないことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項11】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、前記カラーフィルター層は、第１のカラーフィルターおよび第２のカラーフィルターを含み、前記第１のカラーフィルターの下方の前記フォトダイオードは、第１の方向に沿って延在し、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に沿って配列し、前記第２のカラーフィルターの下方の前記フォトダイオードは、前記第２の方向に沿って延在し、前記第１の方向に沿って配列することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項12】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、前記下部メタユニットのそれぞれの対称軸は、前記上部メタユニットのそれぞれの対称軸とずれていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項13】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、前記下部メタユニットは１つの層に配置され、前記下部メタユニットは前記上部メタユニットに接続することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項14】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、
前記上部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記下部メタユニットの前記屈折率は前記上部メタユニットの前記屈折率と同じであり、
前記内部間隔層の屈折率は、前記下部メタユニットの前記屈折率および前記上部メタユニットの前記屈折率と同じかまたは異なることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項15】
カラーフィルター層と内部間隔層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部間隔層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置され、
前記下部メタユニットのそれぞれの高さは５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記上部メタユニットのそれぞれの高さは５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記内部間隔層の高さは０～５００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学装置に関する。より具体的には、本開示は、多層メタサーフェスを有する光学装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体装置の発展に伴い、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサー（別名ＣＩＳ）の小型化技術が強く求められている。ＣＩＳでは、光学装置内の素子の配置と寸法が光の焦点距離に影響を与える。光の焦点距離は、素子の厚さにさらに影響を与える。さらに、光の異なる領域は、光学装置の異なるタイプにも適している。したがって、光の前記焦点距離を短縮するために、より薄い厚さの光学装置が必要である。
【発明の概要】
【0003】
本開示の一態様は、光学装置を提供することである。前記光学装置は、光電変換層、反射防止層、下地層、下部メタ層、および上部メタ層を含む。前記光電変換層は、複数のフォトダイオードを含む。前記反射防止層は、前記光電変換層上に配置される。前記下地層は前記反射防止層上に配置される。前記下部メタ層は、前記下地層上に配置され、複数の下部メタユニットと前記下部メタユニット間の充填物を含み、前記充填物が前記下地層から連続的に延在し、前記充填物の材料は前記下地層の材料と同じである。前記上部メタ層は、前記下部メタ層の上方に配置され、複数の上部メタユニットと複数の空気リセスを含み、ここで、前記複数の空気リセスは、２つの隣接する上部メタユニットの間にそれぞれ配置される。
【0004】
いくつかの実施形態では、前記下部メタユニットの底面から前記反射防止層の上面までの前記下地層の高さは、以下の式に基づく。
ここで、ｈは前記下部メタユニットの底面から前記反射防止層の上面までの前記下地層の高さであり、ｈｔは前記下地層の理論上の高さであり、ｐは画素寸法であり、ここで前記画素寸法は２つの隣接するディープトレンチアイソレーション間の距離によって決定され、ｎは前記下地層の屈折率であり、λ０は前記上部メタ層と前記下部メタ層を通過する光の設計波長帯域の中心波長である。
【数1】
【0005】
いくつかの実施形態では、前記光学装置は、前記反射防止層と前記下地層との間に配置されたカラーフィルター層をさらに含む。前記カラーフィルター層は複数のカラーフィルターを含み、それぞれの前記カラーフィルターは１つまたは２つのフォトダイオードに対応し、前記下地層の高さは前記下部メタユニットの底面から前記カラーフィルター層の上面までである。
【0006】
いくつかの実施形態では、前記カラーフィルター層は、第１のカラーフィルター、第２のカラーフィルター、および第３のカラーフィルターを含む。前記複数の下部メタユニットは、前記第１のカラーフィルターおよび前記第２のカラーフィルターの上方に配置され、前記第３のカラーフィルターの上方には配置されない。
【0007】
いくつかの実施形態では、前記上部メタ層の有効屈折率は１．３～１．６の範囲にあり、前記下部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記下地層の屈折率は１．２～１．８の範囲にあり、前記下部メタユニットの前記屈折率は、前記下地層の前記屈折率よりも大きい。
【0008】
いくつかの実施形態では、前記光学装置の前記上部メタ層は、前記複数の上部メタユニットおよび前記複数の空気リセスを等角にかつ連続的に裏打ちするキャッピング層をさらに含み、前記複数の空気リセスは前記上部メタ層に残される。
【0009】
いくつかの実施形態では、前記上部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記キャッピング層の屈折率は１．４～１．６の範囲にあり、前記上部メタユニットの前記屈折率は、前記キャッピング層の前記屈折率とは異なる。
【0010】
いくつかの実施形態では、前記上部メタ層は前記下部メタ層に対してグローバルシフトを有する。
【0011】
いくつかの実施形態では、前記上部メタ層の前記上部メタユニットは内部シフトを有し、前記内部シフトは負のシフトおよび正のシフトを含む。
【0012】
いくつかの実施形態では、前記光学装置は、前記上部メタ層と前記下部メタ層の間に配置された中間メタ層をさらに含み、前記中間メタ層は複数の中間メタユニットを含み、第１の層と第２の層に配置され、前記第１の層は前記上部メタユニットに接続し、前記第２の層は前記下部メタ層に接続し、前記第１の層および前記第２の層は、前記下地層によって隔てられている。
【0013】
いくつかの実施形態では、前記光学装置は、カラーフィルター層と内部空間層をさらに含み、前記カラーフィルター層は、前記光電変換層と前記下地層との間に配置され、前記内部空間層は、前記複数の下部メタユニットと前記複数の上部メタユニットとの間に連続的に配置される。
【0014】
いくつかの実施形態では、前記カラーフィルター層は複数のカラーフィルターを含み、それぞれの前記カラーフィルターは四つのフォトダイオードに対応し、前記下部メタユニットの底面から前記カラーフィルター層の上面までの前記下地層の高さは、以下の式に基づく。
ここで、ｈは前記下部メタユニットの底面から前記カラーフィルター層の上面までの前記下地層の高さであり、ｈｔは前記下地層の理論上の高さであり、ｐは画素寸法であり、ここで前記画素寸法は、２つの隣接するディープトレンチアイソレーション間の距離によって決定され、ｎは前記下地層の屈折率であり、λ０は前記上部メタ層と前記下部メタ層を通過する光の設計波長帯域の中心波長である。
【数2】
【0015】
いくつかの実施形態では、前記カラーフィルター層は、第１のカラーフィルター、第２のカラーフィルター、および第３のカラーフィルターを含む。前記複数の下部メタユニットは、前記第１のカラーフィルター、前記第２のカラーフィルター、および前記第３のカラーフィルターの上方に配置される。前記複数の上部メタユニットは、前記第１のカラーフィルターおよび前記第２のカラーフィルターの上方に配置され、前記第３のカラーフィルターの上方には配置されない。
【0016】
いくつかの実施形態では、前記カラーフィルター層は、第１のカラーフィルターおよび第２のカラーフィルターを含み、前記第１のカラーフィルターの下方の前記フォトダイオードは、第１の方向に沿って延在し、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に沿って配列し、前記第２のカラーフィルターの下方の前記フォトダイオードは、前記第２の方向に沿って延在し、前記第１の方向に沿って配列する。
【0017】
いくつかの実施形態では、前記下部メタユニットのそれぞれの対称軸は、前記上部メタユニットのそれぞれの対称軸とずれている。
【0018】
いくつかの実施形態では、前記下部メタユニットは１つの層に配置され、前記下部メタユニットは前記上部メタユニットに接続する。
【0019】
いくつかの実施形態では、前記下部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記上部メタユニットの屈折率は１．４～２．６の範囲にあり、前記下部メタユニットの前記屈折率は前記上部メタユニットの前記屈折率と同じである。
【0020】
いくつかの実施形態では、前記内部空間層の屈折率は、前記下部メタユニットの前記屈折率または前記上部メタユニットの前記屈折率と同じである。
【0021】
いくつかの実施形態では、前記内部空間層の屈折率は、前記下部メタユニットの前記屈折率および前記上部メタユニットの前記屈折率とは異なる。
【0022】
いくつかの実施形態では、前記下部メタユニットのそれぞれの幅は７０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記上部メタユニットのそれぞれの幅は７０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記下部メタユニットのそれぞれの高さは５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記上部メタユニットのそれぞれの高さは５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあり、前記内部空間層の高さは０～５００ｎｍの範囲にある。
【図面の簡単な説明】
【0023】
本開示の態様は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読むと最もよく理解され得る。業界の標準的な慣行に従って、さまざまな構成が一定の縮尺で描かれていないことに注意されたい。実際、説明を明確にするために、さまざまな構成の寸法を任意に増減することができる。
【図1】本開示の一実施形態による光学装置の断面図である。
【図6】本開示の一実施形態による光学装置の断面図である。
【図9】本開示の一実施形態による光学装置の断面図である。
【図11】本開示の一実施形態による光学装置の断面図である。
【図14A】本開示の一実施形態による光学装置の断面図である。
【図15】本開示の一実施形態による光学装置の断面図である。
【図17A】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【図17B】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【図18A】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【図18B】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【図19】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【図20】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【図21】本開示のいくつかの実施形態による光学装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下の開示は、提供される主題の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施形態または実施例を提供する。本開示を単純化するために構成要素および配置の具体例を以下に記載する。これらは、もちろん、単なる例であり、限定することを意図するものではない。例えば、以下の説明における第２の構成の上方または上の第１の構成の形成は、第１および第２の構成が直接接触して形成される実施形態を含み得るし、第１および第２の構成が直接接触しないように、追加の構成が第１および第２の構成の間に形成され得る実施形態を含み得る。さらに、本開示は、様々な例において参照番号および／または文字を繰り返すことがある。この繰り返しは、単純化および明確化を目的としており、それ自体、説明される様々な実施形態および／または構成間の関係を示すものではない。
【0025】
本明細書では、第１、第２などの用語を使用して様々な要素を説明しているが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。例えば、実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連する列挙された項目の１つ以上のいずれかおよびすべての組み合わせを含む。
【0026】
さらに、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」などの空間的に相対的な用語は、図に示されるように、ある要素または構成と別の要素または構成との関係を説明するためのものであり、説明を容易にするために本明細書で使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に描かれた向きに加えて、使用中または動作中の装置の異なる向きを包含することを意図する。装置は他の方向を向いていてもよく（９０度または他の向きに回転してもよく）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子も同様に解釈され得る。
【0027】
ＣＩＳの分野では、光学装置内の素子のこの配置および寸法が光の焦点距離に影響し、光学装置の厚さおよび性能に影響を与える。本開示は、光の焦点距離を短縮するためにＣＩＳ上に積層されたハイブリッドな誘電環境を有する多層メタサーフェスを提供する。開示された光学装置は、位相差を調整することによって光の焦点距離を短縮することができる。この位相差は、異なる屈折率を持つ異なる材料によって調整される。光が異なる屈折率を持つ異なる材料（ハイブリッドな誘電環境）を透過した後、光のこのエネルギーはより短い距離に集中する傾向がある。したがって、光の焦点距離を短くすることができる。その結果、開示された光学装置の下地層の厚さを減少させることができ、それによって、光学装置の全体の寸法を減少させ、光学装置の性能を向上させることができる。
【0028】
図１は、本開示の一実施形態による光学装置１００の断面図である。光学装置１００は、光電変換層１１０、カラーフィルター層１２０、下地層１３０、下部メタ層ＢＭＬ、上部メタ層ＴＭＬ、および反射防止層１７０を含む。光電変換層１１０は、複数のフォトダイオード１１２および複数のディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）１１４を含む。ＤＴＩ１１４は、フォトダイオード１１２のそれぞれを分離する。反射防止層１７０は、光電変換層１１０上に配置される。カラーフィルター層１２０は、反射防止層１７０上に配置される。下地層１３０は、カラーフィルター層１２０上に配置される。下部メタ層ＢＭＬは、複数の下部メタユニット１４０と、下部メタユニット１４０の間の充填物Ｆ１とを含む。充填物Ｆ１は、図１に示すように、下地層１３０から連続的に延びる。充填物Ｆ１の材料は、下地層１３０の材料と同じである。上部メタ層ＴＭＬは、下部メタ層ＢＭＬの上方に配置される。上部メタ層ＴＭＬは、複数の上部メタユニット１５２および複数の空気リセス１５４を含み、複数の空気リセス１５４は、２つの隣接する上部メタユニット１５２の間にそれぞれ配置される。
【0029】
いくつかの実施形態では、上部メタ層ＴＭＬの有効屈折率は、下部メタユニット１４０の屈折率よりも小さい。いくつかの実施形態では、下部メタユニット１４０の屈折率は、下地層１３０の屈折率よりも大きい。いくつかの実施形態では、上部メタユニット１５２の屈折率は、１．４５、１．５、１．５５、１．６、または１．６５など、１．４～１．７の範囲にある。いくつかの実施形態では、上部メタ層ＴＭＬの有効屈折率は、１．３５、１．４、１．４５、１．５、または１．５５など、１．３～１．６の範囲にある。本明細書における有効屈折率は、上部メタユニット１５２の屈折率および空気リセス１５４の屈折率によって計算される平均値であることを理解されたい。いくつかの実施形態では、下部メタユニット１４０の屈折率は、１．８、２、２．２、または２．４など、１．４～２．６の範囲にある。いくつかの実施形態では、下地層１３０の屈折率は、１．３、１．４、１．５、１．６、または１．７など、１．２～１．８の範囲にある。
【0030】
図１に示されるように、カラーフィルター層１２０は、反射防止層１７０と下地層１３０との間に配置される。画素寸法ｐは、２つの隣接するＤＴＩ１１４間の距離によって決定される。画素寸法ｐは、画素長または画素幅として理解することができる。下部メタユニット１４０の底面１４０ｓからカラーフィルター層１２０の上面１２０ｓまでの下地層１３０の高さｈは、以下の式に基づく。
ここで、ｈｔは下地層１３０の理論上の高さ、ｐは画素寸法、ｎは下地層１３０の屈折率、λ０は上部メタ層ＴＭＬと下部メタ層ＢＭＬを通過する光Ｌの設計波長帯域の中心波長である。一実施形態では、λ０＝５３０ｎｍ、ｎ＝１．４５、ｐ＝０．８μｍであるため、理論上の高さｈｔは１．６６μｍとなる。本開示のいくつかの実施形態では、画素寸法ｐは０．８μｍであり、高さｈは０．２５ｎｍ～０．６ｎｍの範囲にある。
【数3】
【0031】
図２は、図１の光学装置１００の別の断面図である。図３は、図１および図２の光学装置１００のカラーフィルター層１２０および上部メタ層ＴＭＬの上面図である。図４は、図１および図２の光学装置１００のカラーフィルター層１２０および下部メタユニット１４０の上面図である。具体的には、図３は、図１の線Ａ－Ａ’に沿った断面における光学装置１００の上部メタ層ＴＭＬの上面図であり、明確にするためにカラーフィルター層１２０が示されている。図４は、図１の線Ｂ－Ｂ’および図２の線Ｃ－Ｃ’に沿った断面における光学装置１００の下部メタユニット１４０の上面図であり、明確にするためにカラーフィルター層１２０が示されている。
【0032】
図１～図３に示すように、上部メタユニット１５２は、上部メタユニット１５２ｂ、１５２ｃ１、１５２ｃ４を含む。上部メタユニット１５２ｂ、１５２ｃ１、１５２ｃ４は、Ｘ方向およびＹ方向に沿って配列され、Ｚ方向に沿って延在する。本明細書における上部メタユニット１５２ｂの「ｂ」は、カラーフィルター（図３に示されるカラーフィルター１２１～１２４など）のその境界の上方に配置される上部メタユニットを表すことが理解され得る。ここで上部メタユニット１５２ｃ１、１５２ｃ４の「ｃ」は、カラーフィルター（図３に示されるカラーフィルター１２１～１２４など）の中心の上方に配置される上部メタユニットを表す。「１５２ｃ」の後の数字は、カラーフィルター１２１～１２４の最後の数字に対応する。例えば、図３に示すように、上部メタユニット１５２ｃ１はカラーフィルター１２１に対応し、上部メタユニット１５２ｃ４はカラーフィルター１２４に対応する。図１、図２、および図４に示すように、下部メタユニット１４０は、下部メタユニット１４１、１４２、１４４を含み、下部メタユニット１４１、１４２、１４４の「１４」の後の数字は、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の最後の数字に対応する。下部メタユニット１４１、１４２、１４４は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って配列され、Ｚ方向に沿って延在する。
【0033】
図１および図３を参照されたい。カラーフィルター層１２０は、カラーフィルター１２１～１２４のような複数のカラーフィルターを含む。カラーフィルター１２１～１２４のそれぞれは、分離グリッド１２５によって分離される。それぞれの分離グリッドは、金属グリッド１２６を含み、金属グリッド１２６の材料は、Ｗ、ＴｉＮ、ＣｕまたはＡｌなどの吸収材料または金属を含むことができる。カラーフィルター１２１～１２４は互いに異なる。いくつかの実施形態では、カラーフィルター１２１はカラーフィルター１２４と同じである。いくつかの実施形態では、カラーフィルター１２１～１２４のそれぞれは、緑、赤、青、白、黄、シアン、マゼンタ、または他の画素であり得る。いくつかの実施形態では、カラーフィルター１２１、１２４は緑の画素であり、カラーフィルター１２２は赤の画素であり、カラーフィルター１２３は青の画素である。
【0034】
図１および図２に示すように、それぞれのカラーフィルター（カラーフィルター１２１～１２４）は、１つのフォトダイオード１１２に対応する。図１～図３に示すように、上部メタユニット１５２ｃ１はカラーフィルター１２１の中心に対応し、上部メタユニット１５２ｃ４はカラーフィルター１２４の中心に対応し、上部メタユニット１５２ｂは、カラーフィルター１２１～１２４のその境界に対応する。いくつかの実施形態では、上部メタユニットのいくつか（上部メタユニット１５２ｃ１、１５２ｃ４、１５２ｂなど）は、図３に示すように、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の上方に配置され、カラーフィルター１２３の上方には配置されない。
【0035】
図１及び図４に示すように、下部メタユニット１４１はカラーフィルター１２１の中心に対応し、下部メタユニット１４２はカラーフィルター１２２の中心に対応する。図２および図４に示されるように、下部メタユニット１４４は、カラーフィルター１２４の中心に対応する。上部メタユニット１５２および下部メタユニット１４０の数およびサイズは、下地層１３０の高さｈの減少を達成するために調整することができる。いくつかの実施形態では、下部メタユニットのいくつか（下部メタユニット１４１、１４２、１４４など）は、図４に示すように、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の上方に配置され、カラーフィルター１２３の上方には配置されない。
【0036】
もう一度図１を参照されたい。いくつかの実施形態では、光学装置１００は、上部メタ層ＴＭＬと下部メタユニット１４０との間に配置された内部空間層Ｓをさらに含む。いくつかの実施形態では、内部空間層Ｓの屈折率は、下部メタユニット１４０の屈折率と同じである。いくつかの実施形態では、光学装置１００の製造プロセスに基づいて、内部空間層Ｓの屈折率は、下部メタユニット１４０の屈折率とは異なる。いくつかの実施形態では、記光学装置１００の製造プロセスに基づいて、内部空間層Ｓは、光学装置１００に存在しなくてもよい。
【0037】
図５は、図１の光学装置１００の他の実施形態による光学装置１００ａの断面図である。光学装置１００ａの上部メタ層ＴＭＬは、キャッピング層５１０をさらに含む。キャッピング層５１０は、上部メタユニット１５２（上部メタユニット１５２ｃ１、１５２ｃ４、１５２ｂを含む）および空気リセス１５４を等角にかつ連続的に裏打ちし、複数の空気リセス１５４は、２つの隣接する上部メタユニット１５２の間にそれぞれ配置される。具体的には、上部メタユニット１５２ｃ１は、２つの隣接する上部メタユニット１５２ｂの間に配置される。換言すれば、空気リセス１５４は上部メタ層に残される。キャッピング層５１０は、上部メタユニット１５２を保護するように構成される。いくつかの実施形態では、キャッピング層５１０の屈折率は、１．４５、１．５、または１．５５など、１．４～１．６の範囲にある。いくつかの実施形態では、上部メタユニット１５２の屈折率は、キャッピング層５１０の屈折率とは異なる。いくつかの実施形態では、上部メタユニット１５２は、酸化物または窒化物によって作ることができる。
【0038】
同じまたは類似の構成は、同じまたは類似の参照番号によってラベル付けされ、同じまたは類似の構成の説明は、以下の図では繰り返されない。いくつかの要素（例えば、光Ｌ）は、明瞭化のために以下の図には図示されていないことを理解されたい。
【0039】
図６は、本開示の一実施形態による光学装置６００の断面図である。図６の光学装置６００と図５の光学装置１００ａとの間の違いは、下部メタユニット１４０、上部メタユニット１５２、および上部メタユニット１６０の数および配置である。
【0040】
図７は、図６の光学装置６００のカラーフィルター層１２０および上部メタユニット１６０の上面図である。図８は、図６の光学装置６００のカラーフィルター層１２０および下部メタユニット１４０の上面図である。具体的には、図７は、図６の線Ｄ－Ｄ’に沿った断面における光学装置６００の上部メタユニット１６０の上面図であり、図８は、図６の線Ｅ－Ｅ’に沿った断面における光学装置６００の下部メタユニット１４０の上面図であり、明瞭化のためにカラーフィルター層１２０が示されている。
【0041】
図６および図７に示すように、上部メタユニット１６０は、上部メタユニット１６１～１６４、１６０ｂを含む。ここで、上部メタユニット１６１～１６４の「１６」の後の数字は、カラーフィルター１２１～１２４の最後の数字に対応することが理解され得る。上部メタユニット１６１～１６４は、カラーフィルター１２１～１２４の上方に配置される。ここで、上部メタユニット１６０ｂの「ｂ」は、カラーフィルター１２１～１２４のその境界の上方に配置された上部メタユニットを表す。上部メタユニット１６１～１６４、１６０ｂは、Ｘ方向およびＹ方向に沿って配列され、Ｚ方向に沿って延在する。
【0042】
図６および図８に示すように、下部メタユニット１４０は、下部メタユニット１４１、１４２、１４４、１４０ｂを含む。本明細書における下部メタユニット１４１、１４２、１４４の「１４」の後の数字は、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の最後の数字に対応することが理解され得る。下部メタユニット１４１、１４２、１４４は、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の上方に配置される。ここで、下部メタユニット１４０ｂの「ｂ」は、カラーフィルター１２１～１２４の境界の上方に配置された下部メタユニットを表す。下部メタユニットのいくつか（下部メタユニット１４１、１４２、１４４など）は、図８に示すように、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の上方に配置され、カラーフィルター１２３の上方には配置されない。
【0043】
図６に示すように、光学装置６００は、下部メタユニット１４０の上方に配置された上部メタユニット１６０を含み、ここで、キャッピング層５１０は、上部メタユニット１６０（上部メタユニット１６１、１６２、１６０ｂを含む）を等角にかつ連続的に裏打ちしている。具体的には、キャッピング層５１０は、上部メタユニット１６０の上面および側壁を覆う。内部空間層Ｓは、図６に示すように、下部メタユニット１４１、１４２、１４０ｂと上部メタユニット１６１、１６２、１６０ｂとの間に連続的に配置される。空気リセス１５４は、２つの隣接する上部メタユニット１６０の間にそれぞれ配置される。具体的には、上部メタユニット１６１は、２つの隣接する上部メタユニット１６０ｂの間に配置され、上部メタユニット１６２は、２つの隣接する上部メタユニット１６０ｂの間に配置される。図６～図８を参照されたい。カラーフィルター１２１の対称軸は、下部メタユニット１４１の対称軸および上部メタユニット１６１の対称軸と一致する。空気リセス１５４と上部メタユニット１６０またはキャッピング層５１０のうちの少なくとも１つとの組み合わせは、「ハイブリッドな誘電環境」と呼ぶことができることを理解されたい。図６の実施形態では、上部メタ層ＴＭＬは、内部空間層Ｓ、上部メタユニット１６０、キャッピング層５１０、および空気リセス１５４の組み合わせである。下部メタ層ＢＭＬは、下部メタユニット１４０と充填物Ｆ１との組み合わせである。
【0044】
いくつかの実施形態では、上部メタユニット１６０の屈折率は、１．８、２、２．２、または２．４など、１．４～２．６の範囲にある。いくつかの実施形態では、下部メタユニット１４０の屈折率は、上部メタユニット１６０の屈折率と同じである。いくつかの実施形態では、上部メタユニット１６０および／または下部メタユニット１４０は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、透明有機材料、またはそれらの組み合わせによって作ることができる。いくつかの実施形態では、下部メタユニット１４０のそれぞれの幅は、１００、２００、３００、または４００ｎｍなど、７０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、上部メタユニット１６０のそれぞれの幅は、１００、２００、３００、または４００ｎｍなど、７０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、下部メタユニット１４０のそれぞれの幅は、上部メタユニット１６０のそれぞれの幅より大きくても、同じでも、または小さくてもよい。いくつかの実施形態では、下部メタユニット１４０のそれぞれの高さは、１００、２００、３００、または４００ｎｍなど、５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、上部メタユニット１６０のそれぞれの高さは、１００、２００、３００、または４００ｎｍなど、５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、内部空間層Ｓの高さは、５０、１００、２００、３００、または４００ｎｍなど、０～５００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、キャッピング層５１０（図５および図６に示される）の厚さは、５０、８０、１００、１２０、または１４０ｎｍなど、２０ｎｍ～１５０ｎｍの範囲にある。
【0045】
図６を参照されたい。上部メタ層ＴＭＬと下部メタ層ＢＭＬは、位相調整層としての機能を持つ。上部メタ層ＴＭＬは、光Ｌからの受光面を有する。光Ｌは、上部メタ層ＴＭＬ（キャッピング層５１０、空気リセス１５４、および上部メタユニット１６０を含む）および下部メタ層ＢＭＬ（下部メタユニット１４０および充填物Ｆ１を含む）を通過し、これにより、位相差を徐々に調整する。具体的には、空気（すなわち空気リセス１５４）、キャッピング層５１０、上部メタユニット１６０、下部メタユニット１４０、および下地層１３０の屈折率が異なるため、位相差を調整するために、異なる屈折率を持つ十分な界面を提供できる。言い換えれば、メタ層の数が多いほど、そこにある光Ｌの焦点距離が短くなる可能性があり、開示された光学装置の、下部メタユニット１４０の底面１４０ｓからカラーフィルター層１２０の上面１２０ｓ（または、図２１に示されるように、反射防止層１７０の上面１７０ｓ）までの下地層１３０の厚さ（高さｈ）は、減少が可能である。それぞれのメタ層（上部メタ層ＴＭＬ、後述する中間メタ層ＭＭＬ、下部メタ層ＢＭＬなど）のΔｎの勾配は、効果的に位相をよりスムーズに変化させ、最終的に焦点距離を短くすることができる。Δｎは｜ｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ｎｍｅｔａ｜によって定義され、ｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔは有効屈折率で有り得る。例えば、ハイブリッドな誘電環境は空気リセス１５４およびキャッピング層５１０から構成され、ハイブリッドな誘電環境の有効屈折率は１と上部メタユニット（すなわち、図６に示される上部メタユニット１６０または図５に示される上部メタユニット１５２）の屈折率との間である。
【0046】
上部メタユニット１６０を有する実施形態において、図６を参照すると、下地層１３０の高さｈを計算する場合、λ０は上部メタ層ＴＭＬおよび下部メタ層ＢＭＬを通過する光Ｌの設計波長帯域の中心波長である。
【0047】
図９は、本開示の一実施形態による光学装置９００の断面図である。図９の光学装置９００と図６の光学装置６００との間の違いは、下部メタユニット１４０の配置である。図１０は、図９の光学装置９００のカラーフィルター層１２０および下部メタユニット１４０の上面図である。具体的には、図１０は、図９の線Ｆ－Ｆ’に沿った断面における光学装置９００の下部メタユニット１４０の上面図であり、明確にするためにカラーフィルター層１２０が示されている。
【0048】
より具体的には、図６の下部メタユニット１４２は、図９の下部メタユニット１４２Ａに置き換えられ、下部メタユニット１４２Ａのサイズは、下部メタユニット１４２のサイズよりも大きい。図６の下部メタユニット１４０ｂは、図９の下部メタユニット１４０ｂｆに置き換えられる。ここで下部メタユニット１４０ｂｆの「ｆ」は「オフセット」を表すことが理解され得る。図９に示すように、カラーフィルター１２２の対称軸は、下部メタユニット１４２Ａの対称軸と一致する。図９および図１０に示されるように、下部メタユニット１４０ｂｆのそれぞれは、カラーフィルター１２１、１２２、１２４のそれぞれの間の境界の上方に配置され、距離Ｄだけオフセットする。より具体的には、下部メタユニット１４２Ａの中心に基づいて、図１０に示すように、入射光が通常の方向にある場合、Ｘ方向およびＹ方向の下部メタユニット１４０ｂｆのそれぞれは、同じ距離Ｄだけオフセットする。図１０の実施形態は「内部シフト」と呼ぶことができ、内部シフトは「負のシフト」および「正のシフト」を含む。負のシフトは、正のシフトに関連して名付けられていることが理解され得る。例えば、下部メタユニット１４０ｂｆの１つが左にシフトされ、他の下部メタユニット１４０ｂｆの１つが右にシフトされる。また、下部メタユニット１４０ｂｆの１つが上方にシフトされ、他の下部メタユニット１４０ｂｆの１つが下方にシフトされる。
【0049】
図１１は、本開示の一実施形態による光学装置１１００の断面図である。図１１の光学装置１１００と図６の光学装置６００との間の違いは、下部メタユニット１４０の数を含む。図１２は、図１１の光学装置１１００のカラーフィルター層１２０および上部メタユニット１６０の上面図である。図１３は、図１１の光学装置１１００のカラーフィルター層１２０および下部メタユニット１４０の上面図である。具体的には、図１２は、図１１の線Ｇ－Ｇ’に沿った断面における光学装置１１００の上部メタユニット１６０の上面図であり、図１３は、図１１の線Ｈ－Ｈ’に沿った断面における光学装置１１００の下部メタユニット１４０の上面図であり、ここでは、明確にするためにカラーフィルター層１２０が示されている。
【0050】
上部メタユニット１６０および下部メタユニット１４０の数およびサイズは、光学装置の要件に従って調整して、下地層１３０の高さｈの減少を達成できることが理解され得る。図１１に示すように、上部メタユニット１６０のサイズは、下部メタユニット１４０のサイズと同じである。
【0051】
図１２に示されるように、上部メタユニットのいくつか（上部メタユニット１６１、１６２、１６４、１６０ｂなど）は、カラーフィルター１２１、１２２、１２４の上方に配置され、カラーフィルター１２３の上には配置されない。図１３に示すように、下部メタユニット１４１～１４４はそれぞれカラーフィルター１２１～１２４の上に配置される。
【0052】
図１４Ａは、本開示の一実施形態による光学装置１４００の断面図である。光電変換層１１０、カラーフィルター層１２０、下部メタ層ＢＭＬ、上部メタ層ＴＭＬの全てがシフトする。１つの層が別の層に対してシフトされるとき、それは「グローバルシフト」と呼ばれ得ることが理解される。このため、カラーフィルター１２１下のフォトダイオード１１２、カラーフィルター１２１、下部メタユニット１４１、上部メタユニット１６１の対称軸がずれている。同様に、下部メタユニット１４２の対称軸は、上部メタユニット１６２の対称軸とずれている。いくつかの他の実施形態では、下部メタ層ＢＭＬの下部メタユニット１４０のそれぞれは、追加のシフトを有し得る。同様に、上部メタ層ＴＭＬの上部メタユニット１６０のそれぞれも追加のシフトを有し得るので、以下の図１４Ｂの説明を参照されたい。
【0053】
図１４Ｂは、図１４Ａの光学装置１４００の他の実施形態によるカラーフィルター層１２０および上部メタユニット１６０の上面図である。図１４Ａおよび図１４Ｂの中線Ｍｂ１、Ｍｂ２、Ｍｂ３は、それぞれ図１４Ａの上部メタユニット１６０ｂ１、１６０ｂ２、１６０ｂ３の中線を表す。図１４Ａおよび図１４Ｂの中線Ｍ１、Ｍ２は、それぞれ、図１４Ａの上部メタユニット１６１、１６２の中線を表す。図１４Ｂに示すように、上部メタユニット１６１、１６２、１６４、１６０ｂのそれぞれは、異なる量の距離をオフセットする。具体的には、上部メタユニット１６０ｂ１はオフセット距離ｄ１を有し、上部メタユニット１６１はオフセット距離ｄ２を有し、上部メタユニット１６０ｂ２はシフトせず、上部メタユニット１６２はオフセット距離ｄ３を有し、上部メタユニット１６０ｂ３は、オフセット距離ｄ４を有する。オフセット距離ｄ１～ｄ４は、互いに同じであっても異なっていてもよい。図１４Ｂの上部メタユニット１６０のシフトは上部メタ層ＴＭＬにあるので、図１４Ｂの実施形態は「内部シフト」と呼ぶことができる。より具体的には、上部メタユニット１６０ｂ１は「ネガティブシフト」と呼ぶことができ、上部メタユニット１６１、１６２、１６０ｂ３のそれぞれは「ポジティブシフト」と呼ぶことができる。
【0054】
図１５は、本開示の一実施形態による光学装置１５００の断面図である。図１６は、図１５の光学装置１５００のカラーフィルター層１２０の上面図である。図１５の光学装置１５００と図６の光学装置６００との違いは、フォトダイオード１１２の数である。具体的には、図１６に示すように、カラーフィルター１２１～１２４のそれぞれは、四つのフォトダイオード１１２（ＱＰＤ）に対応する。画素寸法ｐ（画素長または画素幅を含む）も、２つの隣接するＤＴＩ１１４間の距離によって決定される。光学装置１５００の実施形態では、下部メタユニット１４０の底面１４０ｓからカラーフィルター層１２０の上面１２０ｓまでの下地層１３０の高さｈは、以下の式に基づく。
ここで、ｈｔは下地層１３０の理論上の高さ、ｐは画素寸法、ｎは下地層１３０の屈折率、λ０は上部メタ層ＴＭＬと下部メタ層ＢＭＬを通過する光Ｌの設計波長帯域の中心波長である。
【数4】
【0055】
もう一度図６、９、１１、１４Ａ、１５を参照されたい。光学装置６００、９００、１１００、１４００、１５００内の下部メタユニット１４０は、Ｘ方向に沿って１つの層に配置され、下部メタユニット１４０は上部メタユニット１６０に接続する。
【0056】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による光学装置１７００Ａ、１７００Ｂの断面図である。光電変換層１１０は、二つのフォトダイオード（ＤＰＤ）１１２で画素を分離するために、複数の内部ディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）１１３をさらに含む。図１７Ａの光学装置１７００Ａと図６の光学装置６００との違いは、内部ＤＴＩ１１３と、フォトダイオード１１２の数である。図１７Ａの光学装置１７００Ａと図１７Ｂの光学装置１７００Ｂとの間の違いは、内部ＤＴＩ１１３である。図１７Ａに示されるように、フォトダイオード１１２は、内部ＤＴＩ１１３およびＤＴＩ１１４によって離間される。内部ＤＴＩ１１３のそれぞれは、２つの隣接するＤＴＩ１１４の間に配置されることに注意されたい。したがって、ＤＴＩ１１４は、「外部ＤＴＩ１１４」として理解することもできる。図１７Ｂに示すように、外部ＤＴＩ１１４の間に配置された内部ＤＴＩ１１３はなく、２つの隣接する外部ＤＴＩ１１４に二つのフォトダイオード１１２が配置されている。
【0057】
図１７Ｃは、図１７Ａおよび図１７Ｂの光学装置１７００Ａ、１７００Ｂのカラーフィルター層１２０の上面図であり、フォトダイオード１１２が示されている。具体的には、カラーフィルター１２１～１２４のそれぞれは、二つのフォトダイオード１１２（ＤＰＤ）に対応し、画素寸法ｐ（画素長または画素幅を含む）は、２つの隣接する外部ＤＴＩ１１４間の距離によって決定される。
【0058】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による光学装置１８００Ａ、１８００Ｂの断面図である。具体的には、図１７Ａの光学装置１７００Ａと図１８Ａの光学装置１８００Ａとの違いは、カラーフィルター１２１の下のフォトダイオード１１２の配置である。同様に、図１７Ｂの光学装置１７００Ｂと図１８Ｂの光学装置１８００Ｂとの間の相違点も、カラーフィルター１２１の下のフォトダイオード１１２の配置である。
【0059】
図１８Ｃは、図１８Ａおよび図１８Ｂの光学装置１８００Ａ、１８００Ｂのカラーフィルター層１２０の上面図であり、フォトダイオード１１２が示されている。図１７Ｃと図１８Ｃとの違いは、カラーフィルター１２１の下のフォトダイオード１１２の配置である。具体的には、図１７Ｃに示すように、カラーフィルター１２１、１２２、１２３、１２４の下方のフォトダイオード１１２は全てＹ方向に延在し、Ｘ方向に沿って配列されている。図１８Ｃに示すように、カラーフィルター１２１の下方のフォトダイオード１１２は、Ｘ方向に沿って延在し、Ｙ方向に沿って配列され、カラーフィルター１２２、１２３、１２４の下方のフォトダイオード１１２は、Ｙ方向に延在し、Ｘ方向に沿って配列されている。図１８Ｃにおいて、カラーフィルター１２１～１２４のそれぞれが二つのフォトダイオード１１２（ＤＰＤ）にも対応すること、画素寸法ｐ（画素長または画素幅を含む）が２つの隣接する外部ＤＴＩ１１４間の距離によって決定されること、が理解され得る。
【0060】
図１７Ａから図１７Ｃの実施形態および図１８Ａから図１８Ｃの実施形態では、下部メタユニット１４０の底面１４０ｓからカラーフィルター層１２０の上面１２０ｓまでの下地層１３０の高さｈは、以下の式に基づく。
ここで、ｈｔは下地層１３０の理論上の高さ、ｐは画素寸法、ｎは下地層１３０の屈折率、λ０は上部メタ層ＴＭＬと下部メタ層ＢＭＬを通過する光Ｌの設計波長帯域の中心波長である。
【数5】
【0061】
図１９は、本開示のいくつかの実施形態による光学装置１９００の断面図である。図１９の光学装置１９００と図６の光学装置６００との間の違いは、上部メタ層ＴＭＬ、中間メタ層ＭＭＬ、および下部メタ層ＢＭＬを含むメタ層の数を含む。中間メタ層ＭＭＬは、上部メタ層ＴＭＬと下部メタ層ＢＭＬとの間に配置される。中間メタ層ＭＭＬは、複数の中間メタユニット１８０を含み、中間メタユニット１８０の材料は、上部メタユニット１６０および／または下部メタユニット１４０の材料と同じである。具体的には、空気リセス１５４は、中間メタユニット１８０の上方に配置される。下部メタユニット１４０、中間メタユニット１８０、および上部メタユニット１６０のパターン（配列）は、同じであっても異なっていてもよい。
【0062】
図２０は、本開示のいくつかの実施形態による光学装置２０００の断面図である。光学装置２０００は、上部メタ層ＴＭＬ、中間メタ層ＭＭＬ、及び下部メタ層ＢＭＬを含む。中間メタ層ＭＭＬは、中間メタユニット１８０を含み、第１の層Ｌ１と第２の層Ｌ２に配列される。光学装置２０００の中間メタユニット１８０は、Ｘ方向に沿って配列される。このような実施形態では、下部メタ層ＢＭＬは、第３の層Ｌ３と呼ぶことができる。図２０に示すように、第１の層Ｌ１（中間メタユニット１８０）は上部メタユニット１６０に接続し、第２の層Ｌ２（中間メタユニット１８０）は第３の層Ｌ３（すなわち、下部メタ層ＢＭＬ）に接続し、第１の層Ｌ１と第２の層Ｌ２は、下地層１３０ａによって離間されている。図２０の実施形態では、下地層１３０ａが第１の層Ｌ１と第２の層Ｌ２との間に配置される。下地層１３０ａの材料は、下地層１３０の材料と同じである。中間メタユニット１８０の材料は、上部メタユニット１６０および／または下部メタユニット１４０の材料と同じである。下部メタユニット１４０、中間メタユニット１８０、及び上部メタユニット１６０のパターン（配列）は同じであっても異なっていてもよい。
【0063】
図２１は、本開示のいくつかの実施形態による光学装置２１００の断面図である。図２１の光学装置２１００は、図２０の光学装置２０００と類似しているが、異なるメタユニットのパターン（配列）が異なる。具体的には、図２０の下部メタユニット１４０のパターンは図２１のものと異なり、図２０の中間メタユニット１８０のパターンは図２１のものと異なり、図２０の上部メタユニット１６０のパターンは図２１のものとは異なる。さらに、図２１に示されるように、光学装置２１００は、カラーフィルター層１２０を含まない。このような実施形態では、第３の層Ｌ３（下部メタユニット１４０）の底面１４０ｓから反射防止層１７０の上面１７０ｓまでの下地層１３０の高さｈは、上述の式に基づき、ここで、画素寸法ｐは、隣接する２つのＤＴＩ１１４間の距離によって決定される。図２１に示される光学装置２１００が１つのカラーフィルター（カラーフィルター１２１、１２２）に対応する１つのフォトダイオード１１２であるという事実にもかかわらず、四つのフォトダイオード１１２（ＱＰＤ）が他の実施形態にも適用されることが理解され得る（すなわち、四つのフォトダイオード１１２は、図１５および図１６に示されるように、１つのカラーフィルターに対応する）。図２０の光学装置２０００および図２１の光学装置２１００のそれぞれの層（すなわち、第１の層Ｌ１、第２の層Ｌ２、および第３の層Ｌ３）の数およびサイズは、下地層１３０の高さｈの減少を達成するために調整することができる。
【0064】
図２２Ａから図２２Ｇは、図６の光学装置６００を製造する様々な段階の断面図である。図２２Ａから図２２Ｇによって示されるプロセスの前、間、および後に追加の操作を提供することができ、プロセスの追加の実施形態のために、以下に説明する操作のいくつかを置き換えまたは削除できることが理解され得る。操作／プロセスの順序は交換可能である。
【0065】
図２２Ａに示すように、光電変換層１１０、反射防止層１７０、カラーフィルター層１２０、下地層１３０の材料層からなる積層型装置が提供される。図２２Ａおよび図２２Ｂに示すように、複数の開口部を有するパターン化されたフォトレジストマスクＰＲ１が、下地層１３０上に形成される。図２２Ｂおよび図２２Ｃに示すように、パターン化されたフォトレジストマスクＰＲ１によってエッチングプロセスが実行され、複数の開口部を有するパターンで下地層１３０が形成される。図２２Ｃおよび図２２Ｄに示すように、下部メタユニット１４０の材料層は、化学的機械的平坦化プロセスを実行する前に、下地層１３０の開口部を充填する。
【0066】
図２２Ｄおよび図２２Ｅに示すように、複数の開口部を有するパターン化されたフォトレジストマスクＰＲ２が、下地層１３０上に形成される。図２２Ｅおよび図２２Ｆに示すように、パターン化されたフォトレジストマスクＰＲ２によってエッチングプロセスが実行され、複数の開口部を有するパターンで上部メタユニット１６０が形成され、下部メタユニット１４０が下地層１３０の上部に埋め込まれ、内部空間層Ｓが下部メタユニット１４０上に残る。内部空間層Ｓが残存する実施形態では、内部空間層Ｓの上面の一部が露出する。他の実施形態において、内部空間層Ｓは、図２２Ｅから図２２Ｆまでのエッチングプロセスにおいて下部メタユニット１４０上に残らず、下地層１３０の上面の一部が露出する。図２２Ｆおよび図２２Ｇに示すように、キャッピング層５１０は、上部メタユニット１６０の上面および側壁上ならびに内部空間層Ｓの露出した上面上に形成される。
【0067】
本開示は、光の焦点距離を短縮するためにＣＩＳ上に積層されたハイブリッドな誘電環境を有する多層メタサーフェスを提供する。光が異なる屈折率を持つ異なる材料（ハイブリッドな誘電環境）を透過した後、光のエネルギーはより短い距離に集中する傾向がある。したがって、光の焦点距離を短くすることができる。その結果、開示された光学装置の下地層の厚さを減少させることができ、それによって、光学装置の全体の寸法を減少させ、光学装置の性能を向上させることができる。
【0068】
上記は、当業者が本開示の態様をよりよく理解し得るように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、本明細書で紹介した実施形態の同じ目的を実行し、および／または同じ利点を達成するために、他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として、本開示を容易に使用できることを理解すべきである。当業者はまた、そのような同等の構成が本開示の精神および範囲から逸脱しないこと、および同業者が本開示の精神および範囲から逸脱することなく本明細書において様々な変更、置換、および改変を行い得ることを認識するべきである。
【符号の説明】
【0069】
１００、１００ａ、６００、９００、１１００、１４００、１５００、１７００Ａ、１７００Ｂ、１８００Ａ、１８００Ｂ、１９００、２０００、２１００…光学装置、 １１０…光電変換層、 １１２…フォトダイオード、 １１３、１１４…ディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）、 １２０…カラーフィルター層、 １２０ｓ…上面、 １２１、１２２、１２３、１２４…カラーフィルター、 １２５…分離グリッド、 １２６…金属グリッド、 １３０、１３０ａ…下地層、 １４０、１４０ｂ、１４０ｂｆ、１４１、１４２、１４２Ａ、１４４…下部メタユニット、 １４０ｓ…底面、 １５２、１５２ｂ、１５２ｃ１、１５２ｃ４、１６０、１６１、１６２、１６３、１６４、１６０ｂ、１６０ｂ１、１６０ｂ２、１６０ｂ３…上部メタユニット、 １５４…空気リセス、 １７０…反射防止層、 １８０…中間メタユニット、 ５１０…キャッピング層。
ＢＭＬ…下部メタ層、 ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４…オフセット距離、 Ｆ１…充填物、 ｈ…高さ、 Ｌ…光、 Ｌ１…第１の層、 Ｌ２…第２の層、 Ｍ１、Ｍ２、Ｍｂ１、Ｍｂ２、Ｍｂ３…中線、 ＭＭＬ…中間メタ層、 ｐ…画素寸法、 ＰＲ１、ＰＲ２…フォトレジストマスク、 Ｓ…内部空間層、 ＴＭＬ…上部メタ層。
ＢＭＬ…下部メタ層、 ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４…オフセット距離、 Ｆ１…充填物、 ｈ…高さ、 Ｌ…光、 Ｌ１…第１の層、 Ｌ２…第２の層、 Ｍ１、Ｍ２、Ｍｂ１、Ｍｂ２、Ｍｂ３…中線、 ＭＭＬ…中間メタ層、 ｐ…画素寸法、 ＰＲ１、ＰＲ２…フォトレジストマスク、 Ｓ…内部空間層、 ＴＭＬ…上部メタ層。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22A】
【図22B】
【図22C】
【図22D】
【図22E】
【図22F】
【図22G】