CN109473451B - 影像传感器封装体 - Google Patents
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Abstract
影像传感器封装体包含介质层，其具有第一表面和相对于第一表面的第二表面。影像传感器封装体也包含金属‑绝缘体‑金属结构设置于介质层的第一表面上，其中金属‑绝缘体‑金属结构包含第一金属层、第一绝缘层和第二金属层，且第一绝缘层设置于第一金属层与第二金属层之间。影像传感器封装体还包含光学滤光片设置于介质层的第二表面上。
Description
技术领域
本发明涉及影像传感技术，具体涉及具有光学滤光片和金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)结构的影像传感器封装体。
背景技术
为了捕捉场景的彩色影像，影像传感器必须对广泛的光谱范围的光线具有敏感度。影像传感器对于自场景反射的光可产生反应，且能将光的强度转换为电子信号。影像传感器，例如电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)影像传感器，或者互补式金属氧化物半导体场效晶体管(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)影像传感器，一般具有将入射光转换为电子信号的光电转换区。此外，影像传感器具有传送和处理电子信号的逻辑电路。
现今，影像传感器广泛地应用于许多领域以及装置中，例如光传感器、近接(proximity)传感器、时差测距(time-of-flight，TOF)摄影机、光谱仪(spectrometer)、用于物联网(Internet of things，IOT)的智能传感器，以及先进驾驶辅助系统(advanceddriver assistance systems，ADAS)的传感器。
虽然现存的影像传感器封装体已足够应付它们原先预定的用途，但它们仍未在各个方面皆彻底的符合要求，因此影像传感器封装体目前仍有需克服的问题。
发明内容
根据本发明的一些实施例，影像传感器封装体具有设置于光电转换区上的光学滤光片和金属-绝缘体-金属结构。光学滤光片可吸收不预期被传送至影像传感器封装体的光电转换区的光，增加信号对杂讯(signal to noise，S/N)的比值。此外，金属-绝缘体-金属结构可窄化穿透至光电转换区的光的半峰全宽(full width at half maximum，FWHM)。结果，影像传感器封装体可产生较高的信号对杂讯(S/N)的比值。再者，金属-绝缘体-金属结构可帮助降低影像传感器封装体的蓝位移(blue shift)，以及减少大角度的入射光的角响应(angular response)的衰退。另外，由于金属-绝缘体-金属结构的厚度够薄，可降低影像传感器封装体的整体尺寸。
根据一些实施例，提供影像传感器封装体。影像传感器封装体包含介质层，其具有第一表面和相对于第一表面的第二表面。影像传感器封装体也包含设置于介质层的第一表面上的金属-绝缘体-金属结构，其中金属-绝缘体-金属结构包含第一金属层、第一绝缘层和第二金属层，且第一绝缘层设置于第一金属层与第二金属层之间。影像传感器封装体还包含设置于介质层的第二表面上的光学滤光片。
以下实施例配合所附附图将提供更详细的说明。
附图说明
通过以下的详细说明配合所附附图，我们能更加理解本发明的实施例，其中：
图1A是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的部分剖面示意图；
图1B是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的部分剖面示意图；
图1C是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的部分剖面示意图；
图1D是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的部分剖面示意图；
图1E是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的部分剖面示意图；
图1F是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的部分剖面示意图；
图2是根据一些实施例，显示包含图1A-图1F的影像传感器封装体的影像传感器模块的剖面示意图；
图3是根据一些实施例，显示不同厚度的光学滤光片的穿透特性图；
图4A是根据一些实施例，显示金属-绝缘体-金属结构的标准化角响应特性图；
图4B和图4C是根据一些实施例，显示图1A-图1F的X-Z面上金属-绝缘体-金属结构的模拟电场图。图4B显示当入射角为0度时，金属-绝缘体-金属结构的电场分布，图4C显示当入射角为30度时，金属-绝缘体-金属结构的电场分布；
图5是根据一些实施例，显示金属-绝缘体-金属结构的穿透特性图；
图6A和图6B是根据一些实施例，显示图1A-图1F的X-Z面上影像传感器封装体的模拟电场图。图6A显示当入射光的波长为670nm时，影像传感器封装体的电场分布，图6B显示当入射光的波长为940nm时，影像传感器封装体的电场分布；以及
图7是根据一些实施例，显示影像传感器封装体的穿透特性图。
附图标记说明：
100、100a、100b、100c、100d、100e、100f～影像传感器封装体；
101～半导体基底；
101B～背面；
101F～正面；
103～光电转换区；
105～高介电常数膜；
107～第一金属层；
109～第一绝缘层；
111～第二金属层；
115～金属-绝缘体-金属结构；
117～间隙物层；
119～空腔；
121～盖板；
123、130a、130b～介质层；
125～光学滤光片；
127～粘着层；
150～电路板；
160～导电结构；
170～支架；
180～滤光片；
190～透镜；
200～影像传感器模块；
T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7～厚度。
具体实施方式
以下描述为实行本发明实施例的详细方式，此描述内容是为了说明本发明实施例的基本概念，而非用于限定本发明的范围，本发明的保护范围当以所附权利要求书为准。
参阅图1A，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100a的部分剖面示意图。一些实施例中，影像传感器封装体100a为互补式金属氧化物半导体场效晶体管(CMOS)影像传感器(CMOS image sensor，CIS)封装体。影像传感器封装体100a包含半导体基底101，例如硅晶圆或晶片。半导体基底101具有多个光电转换区103，且每一个光电转换区103可包含一个光电转换元件，例如光电二极管。虽然图1A仅显示一个光电转换区103，然而影像传感器封装体100a实际上可具有多个排成阵列的光电转换区103。
半导体基底101的背面101B通常具有光电转换区103形成于其上，而半导体基底101的正面101F通常具有影像传感器封装体100a所需的各种导线和电子电路的导线层(未示出)形成于其上。一些实施例中，影像传感器封装体100a为背照式(backsideillumination，BSI)影像传感封装体。在背照式(BSI)影像传感封装体中，半导体基底101的背面101B，即具有光电转换区103形成于其上的表面，是靠近影像传感器封装体100a接收光的表面，而半导体基底101的正面101F，即具有导线层形成于其上的表面，是远离影像传感器封装体100a接收光的表面。
一些实施例中，影像传感器封装体100a的半导体基底101被翻转以作为前照式(front-side illumination，FSI)影像传感封装体。在前照式(FSI)影像传感封装体中，半导体基底101的正面101F，即具有导线层形成于其上的表面，是靠近影像传感器封装体100a接收光的表面，而半导体基底101的背面101B，即具有光电转换区103形成于其上的表面，是远离影像传感器封装体100a接收光的表面。在图1A所示的实施例中，影像传感器封装体100a为背照式(BSI)影像传感封装体。
如图1A所示，根据一些实施例，影像传感器封装体100a还包含形成于半导体基底101上且覆盖光电转换区103的高介电常数(high-k)膜105。高介电常数膜105可采用沉积工艺，由二氧化铪(HfO2)、氧化铪钽(HfTaO)、氧化铪钛(HfTiO)、氧化铪锆(HfZrO)、五氧化二钽(Ta2O5)或其他合适的高介电常数的介电材料形成。高介电常数膜105具有高折射率，例如为2至2.5。
一些实施例中，影像传感器封装体100a包含形成于高介电常数膜105上的金属-绝缘体-金属结构(MIM)115。金属-绝缘体-金属结构115包含第一金属层107、第一绝缘层109和第二金属层111。第一绝缘层109夹设于第一金属层107与第二金属层111之间。虽然图1A仅显示金属-绝缘体-金属结构115中的三层，然而金属-绝缘体-金属结构115可超过三层。举例而言，金属-绝缘体-金属结构115可为五层的结构，此结构还包括第二绝缘层(未示出)和第三绝缘层(未示出)，且第一金属层107、第一绝缘层109和第二金属层111夹设于第二绝缘层与第三绝缘层之间。在金属-绝缘体-金属结构115中，金属层和绝缘层交错排列。
一些实施例中，第一金属层107和第二金属层111可由银(Ag)制成，且第一绝缘层109、第二绝缘层(未示出)和第三绝缘层(未示出)是由非晶硅制成。第一金属层107具有厚度T1，第一绝缘层109具有厚度T2，以及第二金属层111具有厚度T3。厚度T1和厚度T3皆小于厚度T2。如图1A所示，厚度T1、T2和T3的总和定义为金属-绝缘体-金属结构115的总厚度T4。
在其他实施例中，提供五层的金属-绝缘体-金属结构。在此实施例中，五层的金属-绝缘体-金属结构还包含第二和第三绝缘层，第一金属层107和第二金属层111由银制成，且第一绝缘层109、第二绝缘层和第三绝缘层由非晶硅制成。厚度T1约为20nm，厚度T2约为352.8nm，厚度T3约为24nm，以及第二和第三绝缘层分别具有约77nm和约96.8nm的厚度。结果，五层的金属-绝缘体-金属结构的总厚度很薄，约为571nm。
再参见图1A，在金属-绝缘体-金属结构115上设置间隙物层117(或围堰(dam))，且间隙物层117环绕空腔119。再者，至少一部分的光电转换区103未被间隙物层117所覆盖，且空腔119设置于前述的部分的光电转换区103的正上方。一些实施例中，盖板121设置于间隙物层117和空腔119上，且盖板121可为透明材料。明确而言，盖板121可由玻璃、透明塑胶材料或其他合适的材料制成。总而言之，金属-绝缘体-金属结构115、间隙物层117和盖板121将空腔119密封。间隙物层117、空腔119和盖板121组成介质层130a。
一些实施例中，间隙物层117可由无机材料制成，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、金属氧化物或前述的组合；或者由有机高分子材料制成，例如环氧树脂(epoxy resin)、聚酰亚胺(polyimide)、苯环丁烯(butylcyclobutene，BCB)、聚对二甲苯(parylene)、萘聚合物(polynaphthalenes)、碳化氟(fluorocarbons)、丙烯酸酯(acrylates)、光致抗蚀剂材料或其他合适的绝缘材料。盖板121可由任何合适的材料制成，包含玻璃、塑胶、丙烯酸(acrylic)、蓝宝石(sapphire)及前述的组合，但不限于此。一些实施例中，盖板121具有厚度T5，其在约200μm至约500μm的范围内。此外，盖板121的折射率约为1.55。
如图1A所示，影像传感器封装体100a还包含设置于盖板121上的光学滤光片125。一些实施例中，光学滤光片125可为蓝光穿透的滤光片、绿光穿透的滤光片、红光穿透的滤光片或红外线(IR)穿透的滤光片。一些实施例中，光学滤光片125由光致抗蚀剂材料和光致抗蚀剂材料中混合的染料(pigment)制成，且光致抗蚀剂材料可为有机材料。此外，光学滤光片125具有厚度T6，其在约1μm至约20μm的范围内，特别是在约10μm至约20μm的范围内。
一些实施例中，盖板121的厚度T5大于光学滤光片125的厚度T6，且光学滤光片125的厚度T6大于金属-绝缘体-金属结构115的总厚度T4。
图1A的影像传感器封装体100a包含设置于光电转换区103上的光学滤光片125和金属-绝缘体-金属结构115，且光学滤光片125和金属-绝缘体-金属结构115设置于介质层130a的相对两侧上。明确而言，金属-绝缘体-金属结构115设置于光电转换区103与介质层130a之间。
光学滤光片125可吸收不预期被传送至光电转换区103的光，借此增加信号对杂讯(S/N)的比值。换言之，前述不预期的光的穿透率(也称为穿透度)可通过光学滤光片125而减少。此外，金属-绝缘体-金属结构115可窄化穿透至光电转换区103的光的半峰全宽(FWHM)。结果，影像传感器封装体100a可产生较高的信号对杂讯(S/N)的比值。再者，金属-绝缘体-金属结构115可帮助降低影像传感器封装体100a的蓝位移，以及减少大角度的入射光的角响应的衰退。另外，由于金属-绝缘体-金属结构115的厚度够薄，影像传感器封装体100a的整体尺寸不至于增加太多。
参阅图1B，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100b的部分剖面示意图。在图1B的实施例中，粘着层127(例如透明胶)取代图1A的间隙物层117和空腔119，且粘着层127和盖板121组成介质层130b。此外，在图1B的实施例中，金属-绝缘体-金属结构115和光学滤光片125的位置与图1A的实施例相同，并未改变。一些实施例中，金属-绝缘体-金属结构115通过粘着层127粘附于盖板121上。影像传感器封装体100b的一些组件与图1A所示的影像传感器封装体100a的组件相似，在此为了简化便不重复。
参阅图1C，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100c的部分剖面示意图。在图1C的实施例中，由透明材料制成的介质层123取代图1B中的盖板121和粘着层127，且透明材料的折射率在约1.2至约1.6的范围内。此外，在图1C的实施例中，金属-绝缘体-金属结构115和光学滤光片125的位置与图1B的实施例相同，并未改变。一些实施例中，介质层123具有厚度T7，其在约100μm至约400μm的范围内。介质层123的厚度T7大于光学滤光片125的厚度T6，且光学滤光片125的厚度T6大于金属-绝缘体-金属结构115的总厚度T4。影像传感器封装体100c的一些组件相似于图1B所示的影像传感器封装体100b的组件，在此为了简化便不重复。
参阅图1D，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100d的部分剖面示意图。相较于图1B的影像传感器封装体100b，图1D的影像传感器封装体100d的金属-绝缘体-金属结构115与光学滤光片125交换位置。明确而言，光学滤光片125夹设于光电转换区103上的高介电常数膜105与盖板121下的粘着层127之间。此外，金属-绝缘体-金属结构115设置于介质层130b的盖板121上。影像传感器封装体100d的一些组件相似于图1B所示的影像传感器封装体100b的组件，在此为了简化便不重复。
参阅图1E，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100e的部分剖面示意图。相较于图1C的影像传感器封装体100c，图1E的影像传感器封装体100e的金属-绝缘体-金属结构115与光学滤光片125交换位置。明确而言，光学滤光片125夹设于光电转换区103上的高介电常数膜105与介质层123之间。此外，金属-绝缘体-金属结构115设置于介质层123上。影像传感器封装体100e的一些组件相似于图1C所示的影像传感器封装体100c的组件，在此为了简化便不重复。
参阅图1F，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100f的部分剖面示意图。在图1F的实施例中，影像传感器封装体100f的介质层130b设置于光学滤光片125上，且金属-绝缘体-金属结构115夹设于光电转换区103上的高介电常数膜105与光学滤光片125之间。此外，介质层130b的盖板121通过粘着层127粘附于光学滤光片125上。影像传感器封装体100f的一些组件与图1B所示的影像传感器封装体100b的组件相似，在此为了简化便不重复。
参阅图2，根据一些实施例，显示影像传感器模块200的剖面示意图。一些实施例中，影像传感器封装体100可为像传感器封装体100a、100b、100c、100d、100e、100f中任一者，且通过多个导电结构160(例如焊球、凸块或导电柱)安装于电路板150上。影像传感器封装体100经由导电结构160与电路板150电性连接。
如图2所示，影像传感器模块200还包含支架170、滤光片180和透镜190。支架170具有容置空间，使得滤光片180和透镜190设置于支架170的容置空间中，并固定于支架170上。因此，影像传感器模块200为定焦(fixed-focus)装置。支架170的容置空间更可容纳电路板150上的影像传感器封装体100。容置空间内的滤光片180位于透镜190与影像传感器封装体100之间，且滤光片180与影像传感器封装体100之间具有空隙。一些实施例中，滤光片180由透光材料(例如玻璃)以及通过形成于透光材料上的滤光层所制成。明确而言，滤光片180可为图1A的盖板121，且支架170可为图1A的间隙物层117。一些实施例中，滤光片180系用于消除影像杂讯。再者，透镜190可由单一透镜或多重透镜组所形成。为了简化附图，在此仅示出平的滤光片180和透镜190。影像传感器模块200的结构可视设计需求而定，未限于此。举例而言，在其他实施例中，影像传感器模块200可为变焦(variable focus)装置。
参阅图3，根据一些实施例，显示不同厚度的光学滤光片125的穿透特性图。如前所述，光学滤光片125可降低不预期被传送至影像传感器封装体100的光电转换区103的光的穿透率。举例而言，对于预期作为红外线(IR)影像传感器封装体的影像传感器封装体100而言，波长范围在约380nm至约750nm的可见光在抵达红外线(IR)影像传感器封装体的光电转换区103之前会被滤掉。也就是，可见光无法穿透至红外线(IR)影像传感器封装体的光电转换区103，以及可见光的穿透率近乎0。在以下所述的实施例中，使用红外线(IR)影像传感器封装体以示范影像传感器封装体100的前述特性。
在作为红外线(IR)影像传感器封装体的影像传感器封装体100中，使用红外线(IR)穿透滤光片作为光学滤光片125。光学滤光片125(即红外线(IR)穿透滤光片)的厚度越厚，可抵达的可见光的穿透率越低。如图3所示，厚度为20μm和7μm的光学滤光片125(即红外线(IR)穿透滤光片)可完全滤掉入射光中的可见光，但仍有一小部分的可见光穿透厚度为1μm的光学滤光片125。
参阅图4A，根据一些实施例，显示金属-绝缘体-金属结构115的标准化角响应特性图。如前所述，金属-绝缘体-金属结构115可减少大角度的入射光的角响应的衰退。如图4A所示，以波长为940nm的入射光来看，当入射角在0度至约15度的范围内时，标准化角响应的值维持在1，以及当入射角增加至30度时，标准化角响应的值轻微地下降至约0.95。
参阅图4B和图4C，根据一些实施例，显示图1A-图1F的X-Z面上金属-绝缘体-金属结构115的模拟电场图。明确而言，图4B显示当入射角为0度时，金属-绝缘体-金属结构115的电场分布，以及图4C显示当入射角为30度时，金属-绝缘体-金属结构115的电场分布。光电转换区103的宽度约为1μm，此宽度与图4B和图4C的X轴坐标刻度互相对应。光电转换区103的位置在Z＝0之处，且入射光的方向为自Z＞0往Z＝0的方向。此外，右侧的长条代表电场强度，且电场强度是以平方伏特/平方公尺(V/m)2为单位进行测量。
如图4B和图4C所示，入射光的电场强度均匀地分布于Z＝0.7与Z＝0之间的区域内，代表入射光可顺利地抵达影像传感器封装体100的光电转换区103。此外，相较于图4B的电场分布，图4C显示在入射角为30度时电场强度仅些微地降低。
参阅图5，根据一些实施例，显示金属-绝缘体-金属结构115的穿透特性图。如前所述，金属-绝缘体-金属结构115可窄化穿透至光电转换区103的光的半峰全宽(FWHM)，以及降低蓝位移。如图5所示，入射光的穿透率的频带宽度(band width)是狭窄的，且金属-绝缘体-金属结构115表现出非常小的蓝位移，仅有7nm。
参阅图6A和图6B，根据一些实施例，显示图1A-图1F的X-Z面上影像传感器封装体100的模拟电场图。图6A显示当入射光的波长为670nm时，影像传感器封装体的电场分布，图6B显示当入射光的波长为940nm时，影像传感器封装体的电场分布。如先前所述，光电转换区103的宽度约为1μm，此宽度与图6A和图6B的X轴坐标刻度互相对应。光电转换区103的位置在Z＝0之处，且入射光的方向为自Z＞0往Z＝0的方向。此外，右侧的长条代表电场强度，且电场强度是以平方伏特/平方公尺(V/m)2为单位进行测量。
如图6A所示，作为红外线(IR)影像传感器封装体的影像传感器封装体100的金属-绝缘体-金属结构115和光学滤光片125完全滤掉短波长的入射光，例如670nm。也就是，波长为670nm的入射光并未穿透至影像传感器封装体100的光电转换区103(位于Z＝0之处)。另外，如图6B所示，长波长的入射光，例如红外线(IR)区域的940nm，顺利地穿透至影像传感器封装体100的光电转换区103(位于Z＝0之处)。
参阅图7，根据一些实施例，显示影像传感器封装体100的穿透特性图。如前所述，由于影像传感器封装体100包含金属-绝缘体-金属结构115和光学滤光片125，可降低不预期的光的穿透率(也就是增加信号对杂讯(S/N)的比值)，可减少预期被传送至光电转换区103的光的半峰全宽(FWHM)(亦即可窄化穿透的光的频带宽度)。结果，影像传感器封装体100可产生较高的信号对杂讯(S/N)的比值，此功效可由图7所证明。此外，可避免或减少蓝位移的影响。举例而言，如图7所示，影像传感器封装体100表现出非常小的蓝位移，仅有7nm。
虽然本发明已公开优选实施例如上，然其并非用以限定本发明，本领域普通技术人员可了解，在不脱离本发明的构思和范围内，当可做些许更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定为准。
Claims (13)
1.一种影像传感器封装体，包括：
一介质层，具有一第一表面和相对于该第一表面的一第二表面；
一金属-绝缘体-金属结构，设置于该介质层的该第一表面上，其中该金属-绝缘体-金属结构包括一第一金属层、一第一绝缘层和一第二金属层，且该第一绝缘层设置于该第一金属层与该第二金属层之间；以及
一光学滤光片，设置于该介质层的该第二表面上；
其中该介质层包括一间隙物层、一空腔和一透明材料。
2.如权利要求1所述的影像传感器封装体，其中该光学滤光片为红外线穿透、红光穿透、绿光穿透或蓝光穿透的滤光片，且该光学滤光片的厚度在10μm至20μm的范围内。
3.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区，
其中该介质层设置于该半导体基底上，且该金属-绝缘体-金属结构设置于该半导体基底与该光学滤光片之间。
4.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区，
其中该介质层设置于该半导体基底上，且该光学滤光片设置于该半导体基底与该金属-绝缘体-金属结构之间。
5.如权利要求1所述的影像传感器封装体，其中该透明材料设置于该间隙物层与该光学滤光片之间，且该间隙物层、该金属-绝缘体-金属结构和该透明材料将该空腔密封。
6.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区，
其中该透明材料位于该光学滤光片与该半导体基底之间。
7.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区，
其中该透明材料位于该金属-绝缘体-金属结构与该半导体基底之间。
8.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区；
其中该介质层包括一透明材料，且该透明材料的折射率在1.2至1.6的范围内，且其中该介质层设置于该金属-绝缘体-金属结构上，且该金属-绝缘体-金属结构设置于该介质层与该半导体基底之间。
9.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区；
其中该介质层包括一透明材料，且该透明材料的折射率在1.2至1.6的范围内，且其中该介质层设置于该光学滤光片上，且该光学滤光片设置于该介质层与该半导体基底之间。
10.如权利要求1所述的影像传感器封装体，其中该第一金属层和该第二金属层由银制成，且该第一绝缘层由非晶硅制成，以及
其中该第一金属层具有一第一厚度，该第二金属层具有一第二厚度，该第一绝缘层具有一第三厚度，且该第三厚度大于该第一厚度和该第二厚度。
11.如权利要求1所述的影像传感器封装体，其中该金属-绝缘体-金属结构还包括一第二绝缘层和一第三绝缘层，且该第一金属层、该第一绝缘层和该第二金属层设置于该第二绝缘层与该第三绝缘层之间。
12.如权利要求1所述的影像传感器封装体，还包括：
一半导体基底，具有一光电转换区；以及
一高介电常数膜，设置于该半导体基底上且覆盖该光电转换区，其中该高介电常数膜设置于该金属-绝缘体-金属结构与该半导体基底之间。
13.如权利要求1所述的影像传感器封装体，其中该介质层的厚度大于该金属-绝缘体-金属结构的厚度，且该光学滤光片的厚度大于该金属-绝缘体-金属结构的厚度。
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