DE10056561A1 - Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein einen photoempfindlichen, vorzugsweise schichtförmigen Bereich aufweisendes Objekt - Google Patents

Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein einen photoempfindlichen, vorzugsweise schichtförmigen Bereich aufweisendes Objekt

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Abstract

Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein einen photoempfindlichen, vorzugsweise schichtförmigen Bereich aufweisenden Objekt mit mindestens einer vorzugsweise von einem Laser gebildeten Lichtquelle und mit wenigstens einem optischen Fokussierelement, wobei der photoempfindliche Bereich des Objektes im wesentlichen im Fokus des Fokussierelementes angeordnet ist, wobei das elektrische Feld des Lichtes im Bereich des Fokus eine parallel zur optischen Achse (2) des Fokussierelementes (1) gerichtete, longitudinale Komponente (E¶i¶) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein einen photoempfindlichen, vorzugsweise schichtförmigen Bereich aufweisendes Objekt mit mindestens einer vorzugsweise von einem Laser gebildeten Lichtquelle und mit wenigstens einem optischen Fokussierelement, wobei der photoempfindliche Bereich des Objektes im wesentlichen im Fokus des Fokussierelementes angeordnet ist.
Bei einer Vielzahl von optischen Anwendungen, insbesondere im Bereich Mikroskopie, Lithographie und optische bzw. magneto-optische Datenspeicherung ist es wünschenswert, Licht auf einer möglichst kleinen Fläche konzentrieren zu können. (Der Begriff "optisch" bezieht sich dabei auf alte Arten elektromagnetischer Strahlung einschließlich sichtbares Licht, infrarote und ultraviolette Strahlung.)
Bei optischen und magneto-optischen Datenspeicherverfahren wird die Aufzeichnungsdichte im wesentlichen durch die Größe des auf das Medium fokussierten Brennflecks beschränkt. Wie allgemein bekannt ist, gilt für den Durchmesser dieses Brennflecks näherungsweise der Zusammenhang Durchmesser = g.λ/NA, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts bezeichnet und NA für die numerische Apertur der fokussierenden Optik steht. g hat für eine homogene Beleuchtung der Eintrittspupille der fokussierenden Optik den Wert 1,22. Um den Brennfleckdurchmesser zu verkleinern gibt es daher mehrere Möglichkeiten:
Man kann die Wellenlänge λ durch den Einsatz neuer Laserlichtquellen verkleinern. Konventionelle CD Schreib-Lesegeräte werden bei einer Wellenlänge von 780 nm betrieben, bei DVDs verwendet man eine Wellenlänge von 635 nm. Die Kosten für Laserdioden, die Licht mit noch kürzerer Wellenlänge, bevorzugt im blauen Spektralbereich, emittieren, verhindern bisher den Einsatz in Geräten für den Massenmarkt.
Ein anderer Ansatzpunkt zielt darauf ab, die numerische Apertur NA zu erhöhen. Dies kann auf mehrere Arten bewerkstelligt werden:
Beleuchtet man das Objekt durch eine kleine Blende, deren Ausdehnung kleiner als die Beleuchtungswellenlänge ist, so enthält das Winkelspektrum des austretenden Lichts auch Wellen mit imaginärem Wellenvektor. Im Fernfeld sind diese nichtpropagierenden (evaneszenten) Anteile vernachlässigbar, da ihre Amplitude mit zunehmendem Abstand von der Blende exponentiell abfällt. Man findet dort näherungsweise die Feldverteilung eines Dipols vor. In einem Abstand von der Blende, der kleiner als die Beleuchtungswellenlänge ist, kann der Anteil der evaneszenten Wellen am Gesamtfeld nicht vernachlässigt werden und führt dazu, daß die Größe der Blende im wesentlichen den Bereich bestimmt, in dem das Licht konzentriert ist. Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für die optische Datenspeicherung wurde u. a. von E. Betzig, M. Isaacson und A. Lewis (Appl. Phys. Lett. 61, 142-144, 1992) demonstriert. In einer anderen Variante (siehe Patent WO 98/18122) wird das Licht an die Spitze zweier gekreuzter, spitz zulaufender Prismen geführt, die am Ende einen Austrittsschlitz besitzen, dessen Breite kleiner als die halbe Wellenlänge ist.
Da die numerische Apertur als NA = n . sin(q) definiert ist (q = halber Öffnungswinkel des fokussierenden Objektivs), kann man auch den Brechungsindex n des Mediums, in das hineinfokussiert wird, erhöhen. Dies wird seit langem bei sog. Immersionsmikroskopen durch die Zugabe von hochbrechendem Immersionsöl zwischen Objektiv und untersuchtem Objekt ausgenutzt. Bei optischen und magneto-optischen Datenspeichern, bei denen sich der Schreib-Lesekopf relativ zum Speichermedium bewegt, kann dieses Verfahren nicht angewendet werden.
Allerdings ist es möglich, das Licht in ein hochbrechendes Medium zu fokussieren, so daß sich der Fokus an der Grenzfläche zwischen diesem und einem dahinter liegenden optisch dünneren Medium befindet. Der Vorteil einer aufgrund der hohen Brechkraft des Mediums verkleinerten Brennfleckgröße geht aber nach Eintritt des Lichts in das optisch dünnere Medium wieder verloren. Wie bei dem oben beschriebenen Verfahren, das als Lichtquelle eine sub-λ-Öffnung verwendet, bleibt das Licht jedoch innerhalb eines Abstandes kleiner als die Lichtwellenlänge auf einen verkleinerten Brennfleck reduziert. Man muß deshalb dafür Sorge tragen, daß sich das zu beleuchtende Medium innerhalb dieses Bereichs befindet. Wird die Geometrie des hochbrechenden Mediums in Form einer Halbkugel gewählt und die flache Seite dem zu beleuchtenden Medium zugewandt, so kann diese sog. Solid Immersion Lens (SIL) ohne weitere Aberrationen zu verursachen in den Strahlengang eines fokussierenden Objektivs eingebracht werden (siehe dazu auch US-Patent 5,125.750).
Schließlich kann man durch Ausnutzen von nichtlinearen Effekten eine Verkleinerung der effektiv auf einem auszulesenden Speichermedium wirksamen Brennfleckgröße erreichen. Ist beispielsweise die Reflektivität des Mediums von seiner Temperatur abhängig (Phasenübergang zwischen fester und flüssiger Phase) so befindet sich der bereits ausgelesene und damit stark erwärmte Teil des Mediums im geschmolzenen (d. h. schwach reflektierenden) Zustand. Im Bereich des Brennflecks ist dann nur der noch nicht ausgelesene Teil in der Lage, das Licht stark ("1"-Bit) oder schwach ("0"-Bit) zu reflektieren. (siehe Gijs Bouwhuis and J. H. M. Spruit, Appl. Opt. Vol. 29(1990) pp. 3766-3768: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 5210-5213
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe Licht auf weiter unten näher beschriebene Objekte fokussiert werden kann, wobei die Brennfleckgröße im Vergleich zu beugungsbegrenzen, herkömmlichen Beleuchtungssystemen reduziert ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das elektrische Feld des Lichtes im Bereich des Fokus eine parallel zur optischen Achse des Fokussierelementes gerichtete, longitudinale Komponente aufweist.
Die Grundidee besteht also nicht in erster Linie in einer Verkürzung der Wellenlänge des fokussierten Lichts oder einer Erhöhung der numerischen Apertur des beleuchtenden optischen Systems mit Hilfe von Immersions- oder Nahfeldtechniken, sondern in der Modifikation der zu fokussierenden Feldverteilung hinsichtlich ihrer Polarisations- und Intensitätsverteilung und basierend auf der Erkenntnis, daß die räumliche Intensitätsverteilung der im Bereich des Fokus vorliegenden longitudinalen Komponente des Lichts sehr schmal ist. Diese schmale Intensitätsverteilung der longitudinalen Komponente kann man ausnutzen, um die Brennfleckgröße zu reduzieren.
Da die Intensitätsverteilung des gesamten Feldes, das aus einem longitudinalen und einem transversalen Anteil besteht, im allgemeinen breiter ist, wird man danach trachten, im wesentlichen nur die longitudinale Komponente in ihrer Wirkung auf die photoempfindliche Schicht auszunutzen. Dazu bestehen im wesentlichen zwei Möglichkeiten: Man kann die transversal gerichtete Komponente des Lichtes unterdrücken oder man kann photoempfindliche Schichten verwenden, die von vornherein nur auf die longitudinale Komponente mit ihrer schmalen räumlichen Feldverteilung ansprechen.
Zum Unterdrücken der transversalen Komponente kann man die Gesetze der Elektrodynamik ausnutzen, gemäß denen beim Grenzübergang von einem nichtleitenden zu einem leitenden Medium die transversalen Komponenten "kurzgeschlossen" werden und damit im Falle eines perfekten Leiters an der Grenzschicht Null sind. Bei einer endlichen Leitfähigkeit des Grenzschichtmaterials kommt es jedenfalls zu einer Abschwächung. Die longitudinale Komponente des elektrischen Feldes dagegen kann bis zur Grenzfläche große Werte haben, um dann im Fall eines perfekten Leiters innerhalb des Leiters auf Null zu springen. Bei einem Material mit endlicher Leitfähigkeit fällt die Feldstärke des longitudinalen Feldes nur allmählich auf Null. Es gibt also eine Eindringtiefe.
Das elektrisch leitende Material kann nun mit dem photoempfindlichen Material kombiniert werden, beispielsweise ist es möglich, die elektrisch leitende Schicht beispielsweise in Form einer Metallschicht dem photoempfindlichen Material auf der Vorderseite aufzubringen. Wenn die Dicke dieser elektrisch leitenden Schicht kleiner als die Eindringtiefe ist, gelangt noch ein großer Teil des räumlich stark fokussierten longitudinal polarisierten Lichts auf die darunterliegende photoempfindliche Schicht, während die in der Feldverteilung breitere transversale Komponente durch die elektrisch leitende Schicht im wesentlichen kurzgeschlossen wird.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, das elektrisch leitende Material auf der Hinterseite der photoempfindlichen Schicht aufzubringen, die dann eine Dicke von weniger als einem Achtel der Lichtwellenlänge haben sollte. Die vorzugsweise metallische elektrisch leitende Schicht kann dann gleichzeitig als Träger für die photoempfindliche Schicht dienen.
Eine besonders schmale Intentsitätsverteilung der longitudinalen Komponente erzielt man durch Fokussieren einer radial polarisierten Ringmode, die weiter unten noch näher beschrieben werden wird.
Allgemein kann die vorliegende Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo Licht auf einen möglichst kleinen Bereich fokussiert werden soll.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Abb. 1: Intensitätsverteilung einer radial polarisierten Ringmode als Funktion des Abstandes ρ von der Symmetrieachse.
Abb. 2: Durch die Überlagerung zweier orthogonal polarisierter TEM01- und TEM10-Moden läßt sich eine radial polarisierte Ringmode erzeugen. Die Pfeile deuten die Polarisationsrichtung an.
Abb. 3: Eine kollimierte radial polarisierte Ringmode wird mit Hilfe einer Linse der Brennweite f fokussiert.
Abb. 4: Vor der Fokussierung wird ein Teil der radial polarisierten Ringmode mittels einer in den Strahlengang eingebrachten Ringblende ausgeblendet.
Abb. 5: Schematischer Aufbau zur Erzeugung einer radial polarisierten Ringmode
Abb. 6: Teilabbildung b) zeigt den schematischen Aufbau eines Polarisationskonverters, der aus vier Halbwellenplatten gefertigt ist. Die Hauptachsen sind durch Linien angedeutet.
Teilabbildung a) und c) zeigen den Polarisationszustand des Lichts vor (a) und nach (b) dem Durchgang durch den Polarisationskonverter.
Abb. 7: Schematischer Aufbau eines optischen Datenspeichersystems, bei dem eine Lichtquelle benutzt wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt.
Abb. 8: Schematischer Aufbau eines Lithographiesystems, bei dem eine Lichtquelle benutzt wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt.
Abb. 9: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mit einer photoempfindlichen und einer elektrisch leitfähigen Schicht versehenen Objektes samt Eintragung der Intensität des longitudinalen und transversalen elektrischen Feldes.
Abb. 10: Dieselbe Darstellung für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die elektrisch leitfähige Schicht hinter der photoempfindlichen Schicht angeordnet ist.
Abb. 11: Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem die photoempfindliche Schicht selbst im wesentlichen nur auf die longitudinale Komponente des Lichts anspricht (SAM-Schicht).
Abb. 12: Anordnung zur Erzeugung einer maßgeschneiderten Polarisations-Charakteristik
Abb. 13: Flüssigkeitskristallfeld als Polarisationskonverter.
Unter einer radialpolarisierten Ringmode wird in dieser Patentschrift eine elektromagnetische Feldverteilung mit folgenden Kennzeichen verstanden:
  • - Elektrisches und magnetisches Feld zeigen bezüglich einer durch die Ausbreitungsrichtung festgelegten Achse radiale Symmetrie.
  • - Die Feldstärke nimmt auf der Symmetrieachse einen nicht wesentlich von Null verschiedenen Wert an und hat ein oder mehrere Intensitätsmaxima in festen Abständen R0, R1, . . . von der Symmetrieachse (siehe Abb. 1).
  • - Das elektrische Feld ist lokal jeweils in einer radial zur Symmetrieachse liegenden Richtung linear polarisiert.
  • - In einer beliebigen, senkrecht zur Symmetrieachse liegende Ebene hat die Phase für alle Punkte, die den selben Abstand zur Symmetrieachse haben, den gleichen Wert.
Eine solche Feldverteilung läßt sich z. B. durch die Überlagerung zweier orthogonal polarisierter TEM0m- und TEMm0-Moden erzeugen (m ungerade). Eine besonders geeignete Mode ergibt sich durch die Überlagerung einer in x-Richtung polarisierten TEM10- und einer in y-Richtung polarisierten TEM01-Mode (siehe Abb. 2). ρ ist hierbei der Ortsvektor von ERingmode und w eine Normierungsgröße im Exponenten der e-Funktion.
Ein eleganter Aufbau, um eine radialpolarisierte Ringmode zu erzeugen wird im folgenden beschrieben (siehe auch Abb. 5 und 6):
Ein von einer kohärenten, polarisierten (bevorzugt aus einem Laser bestehenden) Lichtquelle 35 zur Verfügung gestellter Lichtstrahl wird zunächst mit Hilfe eines Teleskops, das aus den Linsen 36 und 37 besteht, aufgeweitet. Falls die Lichtquelle durch zurückreflektiertes Licht gestört wird (wie dies typischerweise bei einem Diodenlaser der Fall ist), kann nach der Lichtquelle ein optischer Isolator 38 in den Strahlengang eingebracht werden. Durch einen zwischen den Linsen 36 und 37 angebrachten Modenfilter (Lochblende) 39 werden höhere transversale Moden herausselektiert, so daß das Licht nach dem Teleskop in Form einer linear polarisierten TEM00-Mode vorliegt.
Das zentrale Element des Aufbaus ist der hinter dem Teleskop angebrachte Polarisationskonverter 40. Dieser besteht aus mindestens drei Halbwellenplatten, die in Form von Kreissegmenten geschnitten sind und die so aneinandergefügt werden, daß wieder eine kreisförmige Platte entsteht. Um störende Effekte zu minimieren, die durch Keilwinkel zwischen den einzelnen Segmenten hervorgerufen werden, kann der Polarisationskonverter in einem transparenten Gefäß gehaltert werden, das mit Indexmatching-Öl gefüllt ist, dessen Brechungsindex gleich dem Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Halbwellenplatten gefertigt sind. Die Hauptachsen der Halbwellenplatten sind dabei so ausgerichtet, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden, linear polarisierten Strahls innerhalb eines jeden Segments in eine Richtung gedreht wird, die radial vom Zentrum des einfallenden Lichtstrahls wegzeigt.
Abb. 6b zeigt einen Polarisationskonverter, der aus vier Halbwellenplatten 40i, 40ii, 40iii und 40iv besteht. In Abb. 6a ist die Polarisation des Strahls vor und in Abb. 6c hinter dem Polarisationkonverter dargestellt. Die so nach dem Polarisationskonverter entstandene Feldverteilung besteht aus einem Modengemisch und enthält unter anderem die gewünschte TEM01- und TEM10-Mode in orthogonaler Polarisation. Um diese beiden gewünschten Moden herauszuselektieren und alle anderen zu unterdrücken, wird ein Fabry-Perot-Resonator 41 als räumlicher Modenfilter benutzt. Das Teleskop und die Krümmungsradien der Spiegel. aus denen der Fabry-Perot-Resonator besteht, werden dabei so aufeinander abgestimmt, daß sich ein maximaler Überlapp zwischen den zu selektierenden Moden und den zugehörigen Eigenmoden des Resonators ergibt. Um den Resonator aktiv zu stabilisieren, kann der Spiegelabstand mit Hilfe eines piezoelektrischen Verstellelements periodisch variiert werden. Das vom Resonator transmittierte Licht ist dann ebenfalls periodisch in seiner Intensität moduliert. Ein Teil dieses Lichts kann benutzt werden, um mittels einer Lock-In-Regelung den Spiegelabstand ständig so nachzustellen, daß die TEM10- und die TEM01-Mode in Resonanz sind.
Statt eines solchen Polarisationskonverters, der aus Halbwellenplatten aufgebaut ist, kann auch ein Flüssigkristallfeld (42) benutzt werden, das aus vielen einzelnen Feldern (43) aufgebaut ist, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist. Jedes Feld wirkt bei geeigneter Strukturierung des Flüssigkeitskristallfeldes wie eine Halbwellenplatte, die die Polarisationsrichtung (45) eines einfallenden linear polarisierten Strahls (44) nach dem Durchgang durch das Flüssigkeitskristallfeld in eine radial von der optischen Achse (46) wegzeigende Richtung (45') dreht.
Je mehr einzelne Felder verwendet werden, desto weniger störende transversale Moden befinden sich außer der TEM01- und der TEM10-Mode in der nach dem Flüssigkeitskristall entstehenden Feldverteilung. Falls das Flüssigkeitskristallfeld aus genügend vielen Einzelfeldern aufgebaut ist, wird es möglich, den als Modenfilter wirkenden Resonator einzusparen. Prinzipiell ist es auch möglich, ein solches Element aus vielen Halbwellenplatten aufzubauen, jedoch ist dessen Herstellung sehr aufwendig. Gleichzeitig nimmt mit der Zahl der Segmente auch die Zahl der nötigen Schnittkanten zu, sodaß die unvermeidlichen Beugungsverluste immer mehr zunehmen. Dieser Nachteil tritt bei einem oben beschriebenen Flüssigkeitskristall nicht auf.
Wird eine solche radialpolarisierte Ringmode mit Hilfe einer Linse bzw. eines Linsensystems 1 (siehe Abb. 3) fokussiert, so zeigt der Brennfleck ebenfalls vollständige radiale Symmetrie. Im Gegensatz dazu ist beim Brennfleck einer linear polarisierten Feldverteilung diese Symmetrie gebrochen, da durch die lineare Polarisation eine Richtung ausgezeichnet ist. Bei homogener Intensitätsverteilung und starker Fokussierung hat der Brennfleck hier die Form einer verdellten Ellipse (Hundeknochen).
Unter dem Begriff Brennfleck wird hier die Energiedichteverteilung des elektrischen Feldes in der Brennebene verstanden. Bei einer fokussierten, radial polarisierten Ringmode ist die Fläche dieses Brennflecks (von der Energiedichteverteilung eingenommene Fläche bei der Hälfte des Maximalwerts) dabei nur bei sehr starker Fokussierung (d. h. hoher numerischer Apertur des fokussierenden Elements NA in der Größenordnung von 1) etwas kleiner als im Fall einer linear polarisierten Feldverteilung mit annähernd konstantem Intensitätsprofil. Die Brennfleckfläche läßt sich jedoch weiter verkleinern, wenn (wie in Abb. 4 dargestellt) eine ringförmige Blende 2 in den Strahlengang gebracht wird, womit die niederfrequenten Komponenten des Winkelspektrums der fokussierten Feldverteilung unterdrückt werden.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß der longitudinal-polarisierte Anteil des Lichts, dh die Komponente des elektrischen Feldes parallel zur optischen Achse, eine schmälere Intensitätsverteilung aufweist als das gesamte Feld, das aus einem longitudinalen und einem transversalen Anteil besteht. Wenn man nur den longitudinalen Anteil ausnutzt, kann man somit zu einer weiteren Verkleinerung des Brennflecks gelangen. Wie bereits erwähnt, gibt es dazu die Möglichkeit, die transversalen Anteile zu unterdrücken oder photoempfindliche Schichten zu verwenden, die selbst nur auf die longitudinale Komponente mit ihrer schmalen Lichtverteilung ansprechen.
Abb. 7 zeigt den schematischen Aufbau eines optischen Datenspeichersystems, bei dem eine Lichtquelle 3 verwendet wird, die eine radialpolarisierte Ringmode zur Verfügung stellt. Die Ringmode wird dann mittels einer Ringblende 2 gefiltert und mit Hilfe eines optischen Fokussierelements 1 auf einen optischen oder magnetooptischen Datenträger 4 fokussiert. Ein Servo-System 5 erlaubt es, eine oder mehrere Komponenten des Fokussierelements zu bewegen und den Brennfleck dadurch exakt in eine bestimmte Tiefe im Datenträgermaterial bzw. auf die Oberfläche des Datenträgers 4 zu fokussieren. Zum Schreiben von Informationen emittiert die Lichtquelle mit hoher Intensität. Dadurch werden Löcher in die Oberfläche der Datenspeicherschicht gebrannt bzw. andere physikalische Eigenschaften der Schicht verändert. Um Null- oder Eins-Bits schreiben zu können, wird die Intensität der Lichtquelle entweder direkt oder durch einen externen Modulator 6 moduliert. Zum Lesen der Informationen wird die Lichtquelle auf eine schwächere Intensität eingestellt, die nicht ausreicht, um die auf der Datenspeicherschicht gespeicherten Informationen zu verändern. Das vom Datenspeicher reflektierte Licht wird über einen Strahlteiler 7 auf einen Detektor 8 gelenkt, der mit einer Dekodiereinheit verbunden ist. Der Datenträger wird mit Hilfe von Stellelementen relativ zum Brennfleck bewegt und ist im einfachsten Fall in Form einer rotierenden Scheibe ausgeführt. Die Menge der auf dem Datenträger speicherbaren Information wird durch die Brennfleckgröße festgelegt. Durch die radial polarisierte Ringmode und bei Verwendung einer Ringblende 2 kann diese Fleckgröße etwa halbiert und die Speicherdichte dadurch verdoppelt werden. Eine weitere Verringerung der Brennfleckgröße erzielt man erfindungsgemäß durch Ausnutzen der schmalen räumlichen Verteilung der longitudinalen Komponente des elektrischen Feldes, wozu der Datenträger 4 eine elektrisch leitende Schicht 13 aufweist, die unten bei Abb. 9 noch näher beschrieben wird.
Abb. 8 zeigt den schematischen Aufbau eines Lithographiesystems zum punktweisen Schreiben von Strukturen, bei dem eine Lichtquelle 3 verwendet wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt. Die Ringmode wird mittels einer Ringblende 2 gefiltert und durch ein Fokussierelement 1 auf einen mit einer lichtempfindlichen Schicht 10 versehenen Wafer 11 fokussiert. Mittels eines Servo-Systems 5 kann das Fokussierelement 1 so verschoben werden, daß der Brennfleck in der Ebene der lichtempfindlichen Schicht 10 liegt. Zum Schreiben von Strukturen wird der Wafer parallel zur Brennebene durch ein Stellelement 12 verfahren und an den entsprechenden Stellen punktweise belichtet. Die Lichtquelle kann dazu entweder direkt oder mit Hilfe eines Modulators 6 in ihrer Leistung variiert werden. Mit Hilfe einer elektrisch leitenden Ausbildung des Wafers 11 und einer sehr dünnen (unter λ/8 liegenden) photoempfindlichen Schicht 10 kann man ebenfalls eine effektive Unterdrückung der transversalen Lichtkomponente erzielen, sodaß die in ihrer Lichtverteilung schmälere longitudinale Komponente zum Tragen kommt.
Die Abb. 9 zeigt einen Datenträger 4 mit einem Trägersubstrat 22 auf dem eine photoempfindliche Schicht bzw. ein optisches Datenspeichermaterial 21 angeordnet ist. Darauf befindet sich eine dünne Schicht 13 eines leitenden Materials, beispielsweise ein aufgedampfter Metallfilm, dessen Dicke DMetall < δ ist, wobei δ die Eindringtiefe des Lichts ist. Mit 15 ist die einfallende Lichtverteilung schematisch dargestellt, wobei das elektrische Feld eine longitudinale Komponente E┴ sowie eine transversale Komponente E∥ aufweist. Die Intensitätsverteilung des longitudinalen elektrischen Feldes ist in Abb. 9 rechts mit der Bezugsziffer 16 dargestellt. Die Intensität des transversalen Feldes trägt die Bezugsziffer 17. Man sieht, daß das transversale Feld durch die dünne elektrisch leitende Schicht 13 praktisch auf Null gedrückt wird, während die longitudinale Komponente 16 einen endlichen Wert hat, der innerhalb der Schicht zwar e-potenzmäßig abfällt, aber an der photoempfindlichen Schicht 21 immer noch einen endlichen Wert hat, weil die Dicke der Schicht 13 kleiner als die Eindringtiefe ist. Damit kann man praktisch die transversale räumlich breitere Lichtverteilung ausfiltern und nur die räumlich schmälere longitudinale Lichtverteilungskomponente zur Erzeugung des effektiven Brennflecks heranziehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 10 ist die photoempfindliche Schicht auf einem elektrisch leitenden Trägersubstrat 11 aufgebracht. Damit wird auch hier die Intensität der transversalen Komponente des elektrischen Feldes im Bereich der photoempfindlichen Schicht 10 nahezu auf Null gedrückt, während die räumlich schmälere longitudinale Komponente große endliche Werte annehmen kann. In diesem Fall muß die photoempfindliche Schicht dünn genug sein, D < λ/8, damit sie nur im Bereich des Knotens der sich auf Grund des leitfähigen Trägersubstrats ausbildenden stehenden transversalen Welle liegt und die transversalen Feldkomponenten die Schicht nicht belichten.
Bei dem in Abb. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf einem Substrat 11', beispielsweise einem Siliciumwafer eine SAM-Schicht (Self Assembled Monolayer) 23 angeordnet, deren lineare Moleküle senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sind. Die selektive Absorption durch ausgerichtete Moleküle ist beispielsweise in der Literaturstelle J. J. Macklin, J. K. Trautmann, T. D. Harris, L. E. Brus, Imaging and Time-Resolved Spectroscopy of Single Molecules at an Interface, Science 272, 255 (1996) beschrieben. Sie hat die Eigenschaft, daß sie im wesentlichen nur auf die longitudinale Komponente des Lichts anspricht. Damit kann man mit der räumlich schmäler verteilten longitudinalen Lichtkomponente einen relativ kleinen Bereich 24 der Moleküle der SAM-Schicht zerstören.
Durch eine maßgeschneiderte Polarisations-Charakteristik kann ganz allgemein auch die Auflösung eines abbildenden Systems verbessert werden. Um dies zu sehen, wird die folgende spezielle Abb. 12 betrachtet. Ein punktförmiger Lichtstreuer (25), der als Hertzscher Dipol (27) angesehen werden soll, wird mit linear polarisiertem Licht so angeregt, daß die Schwingungsrichtung des Dipols im wesentlichen in Richtung der optischen Achse des abbildenden Systems liegt. Die gesamte Emission einschließlich der Polarisation ist rotationssymmetrisch um die Dipolachse. In Abb. 12 ist für die eingezeichneten Strahlen (29) auch die Polarisationsrichtung (30) angegeben. Das abbildende Linsensystem besteht ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus zwei Linsen (31 und 32), zwischen denen das Lichtfeld kollimiert ist. In diesem Bereich ist die Feldverteilung (33) ringförmig und hat radiale Polarisation. Die zweite Linse (32) fokussiert das Lichtfeld daher wie oben diskutiert auf den gewünschten kleinen Fokus mit longitudinaler Polarisation (33). Um eine Erhöhung der Auflösung zu erzielen, soll die numerische Apertur der fokussierten Linse größer als NA = 0,85 sein. Für die NA der ersten kollimierenden Linse (31) besteht keine solche Einschränkung. Das bedeutet insbesondere, daß die Überlegung auch für den Fall einer verkleinernden Abbildung gilt, der in der Lithographie interessant ist. In der Praxis kann anstelle der zwei Linsen auch ein Linsensystem oder eine Einzellinse zum Einsatz kommen.
Die beschriebene Emissionscharakteristik (27) des punktförmigen Lichtstreuers (25) kann dadurch erreicht werden, daß sich der Streuer auf der Oberfläche eines zweidimensionalen Wellenleiters (26) befindet, der in der dritten Dimension einmodig ist (Dicke der lichtführenden Schicht beträgt maximal einige Mikrometer). In den Wellenleiter wird von der Seite linear polarisiertes Licht eingekoppelt, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Oberfläche liegt. Der Streuer kann eine lokale Erhöhung oder eine z. B. durch Ätzen entstandene Einbuchtung in der Oberfläche sein. Es kann sich bei dem Streuer aber auch um jede andere Störung der Wellenfront handeln, die das Licht in der beschriebenen Weise abstrahlt. Mit der beschriebenen Beleuchtungsgeometrie können viele Lichtstreuer auf der Oberfläche gleichzeitig angeregt werden. welche somit insgesamt einen abzubildenden Gegenstand darstellen. Das von den einzelnen Streuern in Richtung auf das Linsensystem abgestrahlte Licht ist nach der ersten Linse eine parallel zu dem jeweiligen Mittelpunktsstrahl laufende Welle mit radialer Polarisation und wird von der zweiten Linse (auch bei schrägem Durchgang) in der Brennebene (34) auf einen gewünschten kleinen Punkt fokussiert. Die Erfindung eignet sich daher zur Verbesserung der Auflösung bei der Abbildung eines Gegenstandes.
In einem nächsten Schritt kann die Auflösung dadurch weiter erhöht werden, daß die Methode der radialpolarisierten Teilwellen mit der Levenson'schen Phasenmaske kombiniert wird, die bereits zu einer Auflösungserhöhung in der traditionellen optischen Lithographie geführt hat. Durch eine gezielte Veränderung der Phase eines Streuers relativ zu seinem Nachbarn um 180° werden die Flanken der longitudinal polarisierten destruktiv in der Bildebene interferieren und zu hohem Kontrast und erhöhter Auflösung führen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann, wie bereits erwähnt, überall dort eingesetzt werden, wo kleine Brennfleckgrößen erwünscht sind. Die Erfindung eignet sich insbesondere bei Fokussierelementen mit hoher numerischer Apertur in der Größenordnung von NA = 1 und darüber. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die schmale Intensitätsverteilung der longitudinalen Komponente auch bei kleineren numerischen Aperturen, beispielsweise in der Größenordnung von NA = 0,7 und darüber zum Tragen kommt. Es lassen sich Brennfleckgrößen erzielen, deren Größe etwa bei 0,1 λ2 liegt, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Selbstverständlich lassen sich grundsätzlich auch andere, vorzugsweise symmetrische einfallende Lichtverteilungen als die radial polarisierte Ringmode verwenden, wenn der longitudinale Anteil eine schmälere räumliche Verteilung aufweist.

Claims (23)

1. Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein einen photoempfindlichen, vorzugsweise schichtförmigen Bereich aufweisendes Objekt mit mindestens einer vorzugsweise von einem Laser gebildeten Lichtquelle und mit wenigstens einem optischen Fokussierele­ ment, wobei der photoempfindliche Bereich des Objektes im wesentlichen im Fokus des Fokussierelementes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld des Lichtes im Bereich des Fokus eine parallel zur optischen Achse (2) des Fokussierelementes (1) gerichtete, longitudinale Komponente (E┴) aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Unterdrücken einer senkrecht zur optischen Achse (Z) des Fokussierelementes (1) gerichteten, transversalen Komponente (E∥) des Lichtes vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Unterdrücken der transversalen Komponente (E∥) ein elektrisch leitendes Material (11, 13) in der Nähe des photoempfindlichen Bereichs (10, 21) des Objektes umfassen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Mate­ rial (11) auf der dem Fokussierelement (1) abgewandten Hinterseite der photoempfindli­ chen Schicht (10) - vorzugsweise als angrenzende Schicht oder als Träger für die pho­ toempfindliche Schicht - angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindliche Schicht eine Dicke (d) von weniger als einem Achtel der verwendeten Lichtwellenlänge aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material (13) als teilweise transparente Schicht auf der dem Fokussierelement (1) zugewandten Vorderseite der photoempfindlichen Schicht (21) aufgebracht, vorzugsweise aufgedampft ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der elektrisch lei­ tenden Schicht (dMetal) geringer ist als die Eindringtiefe δ des longitudinalen Feldes (E┴).
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der pho­ toempfindliche, vorzugsweise schichtförmige Bereich (23) selbst im wesentlichen nur auf die longitudinale Komponente des Lichts sensitiv ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der photoempfindliche, vor­ zugsweise schichtförmige Bereich selbst elektrisch leitend ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der photoempfindliche, vor­ zugsweise schichtförmige Bereich eine SAM-Schicht (Self Assembled Monolayer) (23) ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtung zum Erzeugen von Licht (35 bis 41, 42) in Form einer radial polarisierten Ring­ mode vorliegendes Licht erzeugt, welches vom Fokussierelement (1) auf das Objekt fo­ kussiert wird.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein strahlformendes Element (36 bis 41) zum Erzeugen einer radial polarisierten Ringmode aus mindestens einer einfal­ lenden linear polarisierten Welle mit vorzugsweise gaußförmiger Intensitätsverteilung.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte strahlfor­ mende Element (36 bis 41) einen Polarisationskonverter (40) enthält, der aus mindestens drei Halbwellenplatten besteht, die im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des auf den Polarisationskonverter treffenden Lichtstrahls in einer Segmentanordnung angebracht sind, so daß die von den Halbwellenplatten eingenommene Fläche den we­ sentlichen Teil des Strahlquerschnitts ausmacht und deren Halbachsen jeweils so ausge­ richtet sind, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts innerhalb einer jeden Platte in eine Richtung gedreht wird, die radial vom Zentrum des einfallenden Lichtstrahls wegzeigt.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Polarisations­ konverter (40) in einem im Bereich des einfallenden und auslaufenden Lichtstrahls trans­ parenten Gefäß gelagert ist, das ganz oder teilweise mit einem Medium ausgefüllt ist, dessen Brechungsindex größer als der von Luft und im wesentlichen gleich dem Bre­ chungsindex des Materials ist, aus dem die Halbwellenplatten gefertigt sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 13, bestehend aus einem hinter dem Polarisationskonverter (40) angeordneten Filterelement, bevorzugt in Form eines optischen Resonators (41), dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission des genannten Filterelements nur für die TEM0m- und die TEMm0-Mode (m ungerade) einer auf das Filterelement treffenden elek­ tromagnetischen Feldverteilung wesentlich von Null verschieden ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende Ele­ ment ein durchstrahlendes Flüssigkristallfeld (42) umfaßt.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechenden Eigenschaften des Flüssigkristallfeldes (42) durch eine Spannungsquelle derart verändert werden, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts innerhalb eines jeden Fel­ des in eine Richtung gedreht wird, die radial vom Zentrum des einfallenden Lichtstrahls wegzeigt.
18. Einrichtung zum Fokussieren bzw. Abbilden mehrerer Teillichtstrahlen auf mehrere Brennpunkte in der Bildebene eines Fokussierelements, wobei der abzubildende Gegen­ stand mit Licht aus einer vorzugsweise von einem Laser gebildeten Lichtquelle beleuch­ tet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der abzubildende Gegenstand mit Licht beleuchtet wird, dessen Polarisation (28) eine zur Gegenstandsoberfläche senkrechte Komponente aufweist und vorzugsweise im wesentlichen vollständig senkrecht auf die Gegen­ standsoberfläche polarisiert ist (Abb. 12).
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand als Ober­ flächenstruktur auf einen zweidimensionalen Wellenleiter (25) ausgebildet ist, der in der dritten Dimension vorzugsweise einmodig ist und in den seitlich Licht mit einer Polarisa­ tion senkrecht zur Oberfläche eingekoppelt wird.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit mindestens einer vor oder hinter einem dem Fokussierelement angeordneten Blende, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende als Ringlochblende (2) ausgebildet ist und nur einen ringförmigen Teil des auf die Blende treffenden Lichts passieren läßt.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der pho­ toempfindliche, vorzugsweise schichtförmige Bereich ein optisches oder magneto- optisches Datenspeichermedium ist.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der pho­ toempfindliche, vorzugsweise schichtförmige Bereich ein vorzugsweise auf einem Halb­ leitersubstrat angeordneter Photolack ist.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der pho­ toempfindliche Bereich aus einem Material besteht, das am Ort des Brennflecks unter dem Einfluß der Beleuchtung verdampft oder auf dem mittels chemischer Dampfabschei­ dung Material angelagert wird.
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