适用于实际应用的大面积超表面的可扩展制造方法

《Accounts of Materials Research》：Scalable Manufacturing Methods of Large-Area Metasurfaces for Real-World Applications

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**概述**
超表面（metasurfaces）是一种由亚波长纳米结构组成的二维阵列，在光子学领域取得了革命性的进展，提供了对光相位、振幅和偏振前所未有的控制能力。通过用超紧凑的平面光学组件替代笨重的折射元件，超表面有望彻底改变从增强现实到高分辨率成像等一系列应用。然而，尽管具有这些强大的功能，从概念验证的实验室原型到工业规模的商业化之间仍存在巨大差距。主要的瓶颈在于传统纳米制造技术的限制；实现亚波长分辨率通常需要电子束光刻（EBL）等缓慢且成本高昂的直写方法。这种限制使得超表面的尺寸一直无法超过1毫米，从而限制了其在实际光学系统中的应用。

在这篇报告中，我们回顾了通过开发一种适用于高通量、低成本制造过程的系统化努力来弥合这一差距的努力。首先，我们介绍了高速EBL作为一种快速原型制作的关键工具，利用高亮度电子源和高束流实现了以前无法实现的全厘米级超表面。虽然高速EBL有助于设计大面积器件，但它仍然属于串行工艺。为了向大规模生产过渡，我们描述了一种利用这些高保真EBL图案作为光刻光掩模的策略。通过采用深紫外（DUV）光源，特别是ArF光刻技术，我们成功在8英寸和12英寸晶圆上复制了高性能的可见光和近红外（NIR）超表面。

为了实现与传统光学器件相当的制造成本性能比，我们进一步探讨了纳米压印光刻（NIL）作为实现产业规模化生产的最终解决方案。我们详细介绍了NIL从手动板对板（P2P）系统发展到半自动卷对板（R2P）再到全连续卷对卷（R2R）系统的演变过程，后者每块晶圆的加工时间仅需3秒。我们关注的重点是开发功能性高折射率可印刷材料，包括颗粒嵌入树脂（PERs）、混合介电壳层和溶胶-凝胶材料，这些材料能够一步制造出高效超表面，从而避免昂贵的二次蚀刻工艺。最后，我们展示了这些大规模生产的超表面的实际应用，并讨论了实现普遍采用的剩余挑战，如消色系统的设计、通过特殊包装提高环境耐久性以及将这些器件集成到消费电子产品中。通过提供从实验室研究到工业制造的全面概述，本文强调了超表面已不再只是实验室中的奇观，而是已经准备好进入商业应用的现实。

**1. 引言**
在过去十年中，超表面作为一种由亚波长纳米结构组成的二维阵列，在科学舞台上经历了显著的演变。通过实现对光相位、振幅和偏振的前所未有的控制，超表面展示了革新光学的潜力，预示着从笨重的折射元件向超紧凑平面光子器件的转变。尽管超表面在实验室中展现出了巨大潜力，但将其放大到足以替代标准光学器件仍是一个重大挑战。

主要的瓶颈在于超表面的制造限制。由于其本质上是亚波长结构，因此在可见光区域工作的超表面需要几十纳米级的图案化分辨率。因此，通常使用电子束光刻（EBL）和聚焦离子束（FIB）铣削来满足这些分辨率要求。然而，作为直写方法，这两种技术的制造速度缓慢且成本高昂。因此，大面积制造所需的时间和费用呈指数级增长，使得迄今为止报道的大多数超表面尺寸一直小于1毫米。这种制造限制在概念验证原型与工业规模生产之间造成了显著差距。

值得注意的是，更广泛的超表面社区也为开发超越EBL和FIB的可扩展制造路线付出了大量努力。这些方法包括干涉光刻、自组装技术以及各种新兴的纳米结构制造策略，每种方法在分辨率、吞吐量和成本方面都有不同的权衡。在这篇报告中，我们没有详尽介绍所有可用技术，而是特别关注我们过去几年开发和优化的互补制造平台系列，以系统化的方式弥合从实验室到工厂的差距。首先介绍了用于快速原型制作的高速EBL，随后介绍了基于光刻的晶圆级扩展技术。接下来，我们展示了基于纳米压印光刻（NIL）的大规模生产方法，能够在较低成本下实现工业级吞吐量。在这些制造进步的基础上，我们还展示了这些大面积超表面如何应用于实际场景，并改进了各个领域中的传统光学系统。通过提供详细的工艺方案和实例，本文表明超表面正从小型实验迈向实际商业化应用。

**2. 用于大面积制造的高速EBL**
为了实现高效率和卓越的性能，超表面需要用具有高折射率且在目标波长下吸收可忽略不计的材料制造。在超表面研究的早期阶段主要使用金属，但它们固有的欧姆损耗导致了显著的吸收，因此人们转向了介电超表面。图1a展示了介电超表面的典型制造流程。该过程首先通过化学气相沉积（CVD）在透明基板上沉积目标介电材料，然后旋涂正性电子束抗蚀剂，接着进行EBL曝光和显影。为了有效转移图案，使用电子束蒸发器沉积具有高蚀刻选择性的金属硬掩模（例如Cr或Al）。经过剥离过程后，通过干法蚀刻对介电层进行图案化，最后使用湿法蚀刻剂去除剩余的硬掩模以获得最终的超表面。

这种通用工艺可用于制造从紫外（UV）到可见光和红外（IR）范围内的超表面。然而，选择介电材料时必须根据操作波长进行仔细优化，以确保高折射率和低光损耗。例如，在UV区域常用HfO2、ZrO2和SiN；而在可见光应用中则更倾向于使用TiO2、a-Si、c-Si以及Ge。此外，所需的图案化分辨率随波长而变化：UV超表面由于周期较短，需要30-40纳米的高分辨率，而IR超表面则可以用相对较低的约200纳米分辨率实现。

与光刻不同，直写选项的选择有限。激光写制仅限于微米级分辨率，而EBL和FIB提供了所需的10-20纳米精度。因此，无论目标波长如何，EBL已成为超表面制造的标准工具。然而，使用皮安级电流的传统EBL面临关键限制：图案化仅1×1毫米2的区域可能需要长达12小时且成本极高。由于这些吞吐量和成本限制，迄今为止报道的大部分超表面尺寸仍小于1毫米。

在EBL中，提高写制速度的最直接方法是增加束流电流。在传统EBL系统中，较高的电流会导致由于空间电荷效应和电子光学像差而使光斑尺寸恶化，但最近高亮度电子源和列稳定技术的进步使得可以在数十纳安的电流下进行操作。这种高电流方法（通常称为高速EBL）显著减少了大面积器件的图案化时间，同时保持了必要的纳米级分辨率。利用高速EBL的能力，我们成功制造出了传统EBL系统无法实现的一些大面积超表面，包括直径为1厘米的UV透镜（图1e）、延伸数厘米的可见光超表面波导（图1f）以及直径超过4厘米的IR透镜（图1g）。然而，作为一种直写工艺，高速EBL在大规模生产方面仍存在限制，因为制造时间和成本会随着器件数量的增加而成比例增加。为了解决这个问题，下一节将介绍一种利用高速EBL生成的图案作为高吞吐量光刻光掩模的晶圆级扩展策略。

**3. 用于晶圆级制造的光刻**
虽然高速EBL有助于快速原型制作全厘米级超表面，但要实现真正的大规模生产，需要转向更高效、并行的图案化技术。在本节中，我们讨论了一种利用通过高速EBL生成的单个大面积超表面图案作为高吞吐量光刻光掩模的策略。

图2a展示了光刻的一般流程。虽然整体过程类似于EBL流程，但根本区别在于使用紫外光而非电子束进行图案化。光掩模是通过在SiO2基板上使用EBL制备负性电子束抗蚀剂来制造的，随后进行Cr沉积和剥离过程。在这种配置中，被电子束曝光的区域对紫外光透明，未曝光的区域被Cr覆盖以阻挡光线。这种方法的优势在于一旦制备出高质量的光掩模，就可以在整个晶圆上重复投影相同的图案阵列。

光刻的抗蚀剂选择同样重要，并且与紫外光源密切相关。对于i线光刻（365纳米），通常使用AZ和OFPR系列等传统的novolac基正性抗蚀剂，因为它们具有成熟的工艺和较高的可用性。KrF光刻（248纳米）使用基于聚（羟基苯乙烯）的化学放大抗蚀剂（CARs），这些抗蚀剂提供了更好的灵敏度和分辨率。ArF光刻（193纳米）使用基于丙烯酸或甲基丙烯酸的抗蚀剂，并配备专门的光酸生成器，因为传统抗蚀剂平台在该波长下吸收过多。

光刻的分辨率从根本上受限于衍射极限，这取决于所使用的紫外光源波长。通常，较短的波长能实现更高的分辨率，但也会导致制造成本增加。在早期研究中，i线和KrF光刻主要用于制造IR区域的晶圆级超表面，因为它们更易获取且成本较低。尽管KrF光刻已用于在晶圆上制造1厘米的可见光透镜甚至10厘米的透镜，但其分辨率（约为180纳米）不足以实现可见光超表面的全相位覆盖。需要注意的是，当使用4:1缩小的浸没式光刻时，光掩模所需的分辨率可降低到约1微米。这使得光掩模可以使用低成本的激光光刻技术制造，而不是电子束光刻（EBL），进一步降低了整体的制造成本。然而，为了实现具有全相位控制和高度自由度的高性能可见光超表面，ArF光刻（40 ～ 70 nm）的更高分辨率是必不可少的。因此，我们专注于利用高速EBL来制造高保真的光掩模（图2e），并将其图案扩展到晶圆级别的衬底上。（18）通过ArF光刻技术，我们成功展示了近红外金属透镜（near-IR metalenses）在晶圆尺度上的制造（图2f）。（35）尽管这些金属透镜工作在近红外区域，但它们需要小的光刻周期和精细的特征来实现高数值孔径（NA = 0.53）。此外，这一工艺还可以应用于可见光金属透镜，SEM分析证实可以在8英寸晶圆上成功地制造出小至90纳米的特征。（36）通过这些进展，光刻已被证明是制造超表面的强大工具。尽管如此，完全商业化仍然面临一个重大挑战：制造成本。虽然传统光学元件的生产成本极其低廉，但超表面的制造仍然依赖于昂贵的半导体制造工艺。在接下来的部分，我们将介绍我们在纳米压印光刻（NIL）方面的研究，这是一种在保持高生产率的同时大幅降低制造成本的解决方案。

4. 纳米压印光刻用于低成本制造
为了实现超表面的全面商业化，必须将制造成本降低到与传统光学元件竞争的水平。NIL作为一种明确的解决方案出现了，它通过重复复制母模来提供极低的制造成本和高生产率。（37）NIL的整个过程如图3a所示。工作流程首先使用高分辨率的直接书写技术（如EBL）制造母模，然后将该母模的倒序图案转移到柔性材料上以创建复制模。为了确保高保真的图案转移，复制模通常由双层结构组成：一层高模量材料（如h-PDMS或压印树脂），提供高分辨率特征所需的刚性；以及一层柔软、灵活的缓冲层（如标准PDMS或PET薄膜），使模能够贴合衬底。一旦复制模准备就绪，就会将压印树脂涂覆在目标衬底上，并在受控压力下将模压在其上。根据树脂的化学性质，可以使用紫外光或热能对其进行固化。当复制模脱离后，原始母模的图案就成功转移到SiO2衬底上的树脂层上。这种基于模制的制造方法允许快速、大规模地复制纳米结构，而无需重复进行昂贵的光刻步骤。

图3
图3. 通过晶圆级板对板纳米压印光刻大规模生产超表面。(a) 纳米压印光刻过程的示意图。(b,c) 12英寸晶圆级可见光超表面母模的照片和SEM图像。(d,e) 12英寸晶圆级复制模的照片和SEM图像。(f,g) 大规模生产的可见光超表面的照片和SEM图像。经参考文献(40)授权复制。版权所有2023 Springer Nature。

4.1. 晶圆级纳米压印光刻
虽然NIL传统上是在单次图案或小尺度衬底上进行的，(38,39) 但晶圆级NIL最近作为实现真正大规模生产的途径而受到了广泛关注。通过使用母模（例如包含通过ArF光刻制造的1厘米金属透镜图案的12英寸晶圆（如第3节所述），可以在单次压印步骤中生产出数百个金属透镜图案。这种方法大大减少了制造时间和每个设备的成本。如图3a所示的处理流程首先使用ArF光刻制造12英寸母模（图3b,c）。然后使用压印树脂和PET薄膜的组合制造复制模（图3d,e）。随后使用这个复制模将超表面图案转移到目标衬底上（图3f,g）。通过采用这种可扩展的方法，可以成功实现涵盖紫外（UV）、(18) 可见光（40) 和近红外（NIR）区域的高性能超表面。(35) 与标准NIL不同，晶圆级NIL需要 several 技术优化来确保在大面积上的高产量。首先，对整个晶圆施加均匀的压力对于保持图案一致性至关重要。为了确保压印树脂在分离时牢固地附着在衬底上而不是模上，需要进行精确的表面能工程：复制模必须经过处理以具有低表面能以便于释放，而衬底则应具有高表面能以促进树脂的牢固附着。此外，由于涉及大面积，有效固化树脂需要大量的能量。这需要在真空条件下进行压印过程，并使用高功率紫外灯来实现快速生产率。此外，分离过程必须极其精确地处理，以保持高产量。与可能引入缺陷的手动分离方法相比，使用自动设备进行逐步且受控的分离是必要的。这种机械方法确保了整个晶圆表面的高保真度。第4.3节将详细讨论能够自动分离的先进设备，例如卷对板（R2P）和卷对卷（R2R）系统。

4.2. 高折射率的可打印材料
传统NIL工艺的一个重大挑战是标准压印树脂通常具有较低的折射率（约1.5）。由于这种折射率不足以满足超表面所需的高性能光操控，这些树脂主要用作中间牺牲层，需要额外的步骤，如薄膜沉积和干法蚀刻。(41) 然而，这些额外步骤不可避免地降低了整体生产率和产量，同时显著增加了制造成本。最近的研究集中在开发高有效折射率的可打印材料上，这些材料可以在单一步骤中制造超表面，从而绕过了额外步骤的需要（表1）。(42)
第一种可打印材料是颗粒嵌入树脂（PER）（图4a）。增强压印树脂有效折射率的直接方法是混合高折射率纳米颗粒。当这些纳米颗粒的直径远小于操作波长时，入射光会将纳米颗粒和树脂的混合物视为单一的有效介质。(43) 在这种复合材料中，高折射率纳米颗粒提高了折射率，而树脂基质保持了材料用于图案转移的可加工性。配制PERs时最关键的因素是纳米颗粒的重量比。虽然增加重量比可以直接提高有效折射率，但也会增加粘度并使压印过程变得更加复杂。最近的研究表明，通过将TiO2纳米颗粒嵌入压印树脂中，可以在可见光谱范围内将有效折射率提高到大约2（图4b）。(42,44,45) 进一步研究表明，含有高达80 wt% 纳米颗粒载荷的PER可以成功用于超表面制造。PERs的最大优势之一是它们的高度自由度；通过选择适当的纳米颗粒，可以针对特定光谱区域定制材料属性。例如，ZrO2纳米颗粒用于紫外线（UV）超表面，(39) 而Si纳米颗粒用于增强红外（IR）区域的性能。(46) 利用这种多功能性，PER超表面已被广泛用于实现各种光子器件，包括金属透镜、(42) 全息图、(47) 光学加密、(48) 气体传感器、(49) 点云生成器、(50) 和彩色滤光片。(51)

表1. 可用于可扩展超表面制造的可打印材料比较
| 材料 | 折射率 | 工艺步骤 | 主要优势 | 局限 | 应用范围 |
|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|
| PER | ～1.9 | 单步 | 高成分自由度 | 产量低 | 多功能（UV-IR） |
| 混合材料 | ～2.1 | 压印 + ALD | 高产量，易于压印 | 需要二次ALD步骤 | 大面积超表面 |
| 溶胶-凝胶 | ～2.8 | 压印 + 烧结 | 体积级折射率 | 体积收缩 | 高性能器件 |
| 水凝胶 | ～1.9 | 单步 | 水溶性，环保 | 耐用性有限 | 食品标签，传感器 |

图4
图4. 用于可扩展超表面制造的高折射率功能可打印材料。(a) 由高折射率纳米颗粒（NPs）在树脂基质中组成的颗粒嵌入树脂（PER）的示意图。(b) 随纳米颗粒重量比（0–80 wt%）变化的TiO2 PER的折射率。(c) 在压印树脂结构上均匀涂覆薄介电膜的混合材料示意图。(d) 原子层沉积涂覆过程后光学效率显著提高的示意图。经参考文献(18)授权复制。版权所有2024 Elsevier, Ltd. (e) 通过热烧结从非晶TiO2（a-TiO2）到晶态TiO2（c-TiO2）的相变示意图。(f) 显示从母模到晶态TiO2超表面图案转移的SEM图像，烧结过程中会发生体积收缩。经参考文献(52)授权复制。版权所有2024 Wiley-VCH。(g) 基于水凝胶的纳米复合材料（HPC与TiO2 NPs的混合物）示意图。(h) 防水凝胶在浸入水中前后颜色的照片。经参考文献(55)授权复制。版权所有2024 Springer Nature。

第二种可打印材料是混合材料，它们将压印树脂纳米结构与纳米级共形涂层结合（图4c）。这些材料通过在预先压印的树脂结构上沉积薄介电膜（使用原子层沉积（ALD）来实现高有效折射率。虽然这种方法仍然涉及ALD过程，但它比需要数百纳米沉积的传统纳米制造方法效率更高；在这种混合方案中，只需20 ～ 30纳米的涂层厚度即可实现高效率（图4d）。对于可见光超表面，基于TiO2的混合材料已经得到了证明。(40) 这项研究表明，虽然纯树脂制成的超表面效率较低（约10%），但通过ALD在其上沉积23纳米的TiO2后，效率可提升至90%。(40) 这种显著提升是因为入射光在薄的高折射率壳层内被强烈限制，提供了几何相位所需的必要双折射。与颗粒嵌入树脂（PERs）类似，通过改变ALD材料可以调节混合材料的有效折射率。例如，可以在压印树脂上沉积ZrO2来成功实现UV超表面。(18) 与PERs相比，混合材料的主要优势是高制造产量和低的图案转移难度，因为初始压印是使用纯低粘度树脂进行的。然而，缺点是需要二次ALD步骤，尽管所需厚度与传统工艺相比很小。

第三种可打印材料是溶胶-凝胶材料，与PERs或混合材料不同，它们可以通过热处理直接转化为纯介电结构，从而实现与块状介电材料相同的全折射率（图4e）。一个显著的例子是使用TiO2溶胶-凝胶制造可见光超表面，在初始加热过程中材料被涂覆在复制模上并发生热收缩，从而实现自然且干净的分离。(52,53) 在这种转移之后，额外的高温烧结步骤可以精确控制材料的结晶相及其相应的折射率：400 °C下的退火会产生非晶TiO2（a-TiO2，n ≈ 2.27 at 532 nm），而600 °C和800 °C处理分别产生锐钛矿（n ≈ 2.48）和金红石（n ≈ 2.8）相。这些值显著超过了PERs或混合材料，并代表了重大的技术进步，因为传统的基于EBL的工艺往往难以生产高质量的晶态TiO2。然而，这种方法面临挑战，如显著的体积收缩，这限制了可实现的特征尺寸，尽管在母模设计中进行了补偿，以及达到结晶状态所需的高温处理的额外复杂性（图4f）。
最后一种可打印材料是水溶性水凝胶，其与介电纳米颗粒结合，专为环保应用设计。一种代表性的水凝胶是羟丙基纤维素（HPC），因为它具有水溶性并在压印过程中表现出优异的图案保真度，(54) 通过掺入TiO2纳米颗粒提高了其有效折射率（图4g）。(55) 这些材料已成功用于创建用于食品标签的结构色彩超表面，可以直接转移到塑料容器甚至水果表面。标签不再需要时，可以用水轻松去除，大大促进了包装材料的回收利用（图4h）。由于结构色彩的特性，使用少量的HPC和TiO2就可以实现鲜艳的颜色，这两种物质都具有生物相容性和环境友好性，使得该过程高度可持续。此外，这种标记方法的高分辨率能力使得能够对微观文本进行加密，其效果超出了传统微打印技术的限制。这些标签还具有环境传感器的功能，当暴露在高温湿度下时会发生不可逆的变化，从而为消费者提供即时视觉确认，表明食品在运输过程中是否经历了不理想的条件。4.3. 向连续纳米压印技术的转变为了弥合实验室研究与工业商业化之间的差距，从批处理过程过渡到连续制造是必不可少的。在典型的实验室规模设置中，主要使用P2P纳米压印系统。在P2P过程中，将涂有树脂的复制模具手动覆盖在基板上，并将其放入工具中，然后通过施加压力和紫外线或热能来进行固化（图5a,b）。（35,40）循环完成后，手动移除模具。然而，如第4.1节所述，这种手动移除方式会根据操作者和环境条件的不同引入产量波动，这成为大规模商业化的重大障碍。为了克服这些限制，我们研究了R2P和R2R系统，它们提供了更高级的自动化和更高的生产率。

图5
图5. 纳米压印光刻（NIL）系统从实验室规模到工业规模的演变。(a) 板到板（P2P）NIL的示意图。(b) 通过P2P制作的NIR金属透镜图案的照片（插图：纳米结构的SEM图像）。经参考文献（35）许可复制。版权2024 Wiley-VCH。(c) 半自动卷到板（R2P）NIL的示意图。(d) 通过R2P制作的RGB消色差金属透镜图案的照片（插图：纳米结构的SEM图像）。经参考文献（56）许可复制。版权2025 Springer Nature。(e) 全自动化连续卷对卷（R2R）NIL的示意图。(f) 展示大规模可持续制造的12英寸柔性可见光金属透镜的照片（插图：压印出的高保真度图案的SEM图像）。经参考文献（57）许可复制。版权2026 Springer Nature。

R2P系统作为半自动工具运行，其中基板的装载和卸载是唯一的手动步骤（图5c,d）。（56）在这种配置下，复制模具缠绕在滚筒上，实现自动装载。系统的滚筒具有双重作用：在压印阶段施加均匀的压力，并通过以恒定角度和速度将复制模具从基板上分离来确保高产量。此外，通过集成真空环境和高功率紫外线灯，R2P系统可以显著加快树脂固化速度。因此，虽然标准P2P过程每片晶圆可能需要大约15分钟，但R2P将循环时间缩短至每片晶圆仅1分钟。将大规模生产提升到新的水平，R2R系统通过使用卷式格式的复制模具和基板实现了完全自动化和连续压印（图5e,f）。（57）R2R最令人印象深刻的特点是其工业级别的生产率，每片晶圆的加工时间仅为3秒。该过程具有高度的可持续性和可重复性，单个复制模具能够制造超过200米的图案而不会出现显著退化。

关于材料兼容性，虽然P2P系统已经成功使用了PERs进行晶圆级别打印（45），但迄今为止大多数R2P和R2R实现都依赖于纯树脂来简化图案转移和优化。为了达到所需的高折射率，这些纯树脂结构通常使用混合材料方法进行改进（如第4.2节所讨论）。然而，通过精确的工艺优化，PERs有可能被整合到R2P/R2R工作流程中。此外，为了在使用混合树脂时保持高产量，采用空间ALD（58）可能是防止二次ALD步骤成为生产线瓶颈的一个有前景的方向，因为空间ALD允许在常压下进行连续薄膜涂层。

5. 总结与展望在本报告中，我们回顾了超表面制造的战略演变过程，以克服实验室规模生产的传统限制。为了提供对整个报告中讨论的制造方法的简洁概述，我们在一个比较框架中总结了它们的关键特性（表2）。我们首先考察了传统的EBL技术，它提供了最高的图案分辨率（10～20 nm），非常适合实验室的概念验证演示，但受到面积限制（<1 mm）的困扰。为了克服这一限制，我们引入了高速EBL技术，该技术利用增强的光束电流实现了厘米级超表面的快速原型制作；这些大面积图案也可以作为NIL的母模或光刻的光掩模。然而，作为一种本质上是串行的直接书写过程，高速EBL在大规模生产方面仍然存在固有的限制。因此，我们转向了光刻技术作为晶圆级别的并行图案技术。可实现的分辨率取决于紫外线源的波长：KrF光刻的分辨率为大约180 nm，适用于IR超表面制造，而ArF光刻的分辨率达到40–70 nm，可以生产UV、可见光和NIR超表面，并实现全相位覆盖。尽管如此，光刻仍然伴随着与半导体级加工相关的较高制造成本。为了进一步降低每个设备的成本，我们采用了基于NIL的复制策略：P2P NIL促进了从实验室到试点生产的过渡，R2P NIL实现了每片晶圆约1分钟的半自动化生产，而R2R NIL实现了每片晶圆仅需3秒的完全连续工业生产。

表2. 可扩展超表面制造方法的比较
| 方法 | 分辨率 | 生产率 | 单位成本 | 最大面积 | 材料自由度 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 直接书写（原型制作） | 10～20 nm | ～12 h/mm2 | 非常高 | <1 mm | 广范围 |
| 传统EBL | | ～12 h/mm2 | 非常高 | <1 mm | 广范围 |
| 高速EBL | 30～50 nm | ～1 h/mm2 | 高 | ～4 cm | 广范围 |
| 并行图案化（晶圆级别） | KrF光刻 | ～180 nm | ～min/wafer | 中等 | 12英寸晶圆 | 广范围 |
| ArF光刻 | 40～70 nm | ～min/wafer | 中等-高 | 12英寸晶圆 | 广范围 |
| 复制（大规模生产） | P2P NIL | Sub-100 nm | 15 min/wafer | 低 | 12英寸晶圆 | 可打印材料 |
| R2P NIL | Sub-100 nm | 1 min/wafer | 低 | 12英寸晶圆 | 可打印材料 |
| R2R NIL | Sub-100 nm | 3 s/wafer | 非常低 | 12英寸晶圆 | 可打印材料 |

虽然许多主要的制造问题已经得到解决，大面积超表面开始在VR/AR和3D显示器中展示其商业潜力，但仍有几个挑战需要克服才能实现广泛采用。对于可见光超表面，研究必须继续解决消色差特性、效率和数值孔径（NA）之间的基本设计权衡。此外，由于纳米结构的固有脆弱性，必须开发专门的封装技术来保护超表面免受环境影响和物理应力。最后，探索利用超表面提供的独特自由度来超越传统折射光学能力的新功能是必不可少的。如果这些领域得到积极发展，超表面将从实验室中的奇观转变为融入我们日常生活的普遍技术。