DE10200293A1

DE10200293A1 - Optische Anordnung, optisches Gitter zur Verwendung in einer optischen Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen optischen Gitters

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Publication number: DE10200293A1
Application number: DE10200293A
Authority: DE
Inventors: Bernd Kleemann; Stefan Weisenrieder; Jeffrey Erxmeyer; Ralf Kuschnereit
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: US20060227425A1; US7187499B2; WO2003058298A1; US20050030627A1; AU2003206691A1; DE10200293B4; US7092161B2

Abstract

Eine optische Anordnung umfaßt eine Lichtquelle, die kohärentes Licht emittiert, und ein optisches Gitter (1) mit einer Vielzahl paralleler, periodisch im Abstand jeweils einer Gitterperiode aufeinanderfolgender Beugungsstrukturen (3). Diese bilden zusammen eine Reflexionsschicht, die eine reflektierende Grundschicht (2) sowie eine mit der Grundschicht (2) verbundene und diese abdeckende transparente Schutzschicht (7) umfaßt. Die Beugungsstrukturen (3) sind auf einem eine Grundfläche (4) vorgegebenen Träger (2) angeordnet und weisen jeweils eine im wesentlichen im Littrow-Winkel zur Grundfläche (4) geneigte Blaze-Flanke (5) und eine Gegenflanke (6) auf. Die Schichtstärken der Schutzschichten (8, 9) auf der Blaze-Flanke (5) und auf der Gegenflanke (6) sind unabhängig voneinander derart gewählt, daß die Gitterperformance, also entweder die Absorption oder die Beugungseffizienz des optischen Gitters (1) optimiert ist. Je nach Anwendungsfall resultiert ein optisches Gitter (1) mit geringeren Anforderungen an die Lichtquelle oder ein optisches Gitter, welches durch das einfallende Licht möglichst wenig beeinflußt wird. Zudem wird ein Herstellungsverfahren für ein optisches Gitter einer derartigen optischen Anordnung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einer Lichtquelle und mit einem optischen Gitter gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3. Weiterhin betrifft die Erfindung ein optisches Gitter zur Verwendung in einer optischen Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen optischen Gitters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
Derartige optische Anordnungen, ein derartiges optisches Gitter sowie ein derartiges Herstellungsverfahren sind aus der US 5 999 318 A bekannt. Die Schutzschicht dient zum Schutz einer reflektierenden Metallschicht des Trägers gegen Oxidation.
Für viele optische Anwendungen werden derartige optische Gitter und optische Anordnungen mit optimierter Performance gefordert. Hierunter wurde bislang eine Maximierung der Reflexionseffizienz verstanden, da dies nach klassischer Vorstellung auch mit einer Minimierung der Absorptionsverluste des eingestrahlen Lichts im Gitter einhergeht. Eine optimierte Reflexionseffizienz führt dazu, daß eine gewünschte Nutzstrahlungs-Lichtleistung mit geringerer Eingangs-Lichtleistung erreicht werden kann, was die Anforderungen an die Lichtquelle reduziert. Die Minimierung der Absorption im optischen Gitter führt zu einer Verbesserung der Langzeitstabilität des optischen Gitters, da dessen thermische Belastung durch die eingestrahlte Lichtleistung reduziert ist.
Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung, eine optische Anordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ihre Performance gesteigert ist.
Diese Aufgabe ist, was die Minimierung der Absorption des optischen Gitters betrifft, erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Gitter der optischen Anordnung weist Schutzschichten einer mittleren Schichtstärke auf, auch wenn nachfolgend oft nur von einer nicht näher spezifizierten Schichtstärke die Rede ist, die nicht in jedem Fall mit der lokalen Schichtstärke übereinstimmen muß. Bei Gittern mit kleiner reflektiver Fläche ist die Schichtstärke der Schutzschichten überall auf dieser Fläche praktisch gleich, so daß die mittlere Schichtstärke gleich der lokalen Schichtstärke ist. Bei Gittern mit größerer reflektiver Fläche kann es zu einer Variation der Schichtstärke kommen, so daß die mittlere Schichtstärke von der lokalen Schichtstärke abweicht. Da sich die optischen Auswirkungen lokaler Schichtdickenvariationen jedoch in der Regel bei einer Betrachtung der gesamten Gitterfläche ebenfalls mitteln, führt die Angabe einer mittleren Schichtstärke in der Regel zur optimierten Performance des gesamten Gitters.
Die Erfindung fußt auf zwei überraschenden Erkenntnissen, die durch optische Rechnungen auf Basis der elektromagnetischen Beugungstheorie gewonnen wurden:
Zum einen hängt die Performance einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art von der Schichtstärke der Schutzschicht auf der Gegenflanke ab. Da die Gegenflanke im Regelfall beim Einsatz der optischen Anordnung nicht vom Licht der Lichtquelle beaufschlagt ist, widerspricht ein solches Ergebnis der klassischen geometrischen Optik. Wie unter Zuhilfenahme der elektromagnetischen Beugungstheorie erkannt wurde, muß eine zusätzliche Wechselwirkung berücksichtigt werden, die aufgrund der Tatsache existiert, daß Anteile des einfallenden Lichts sehr eng benachbart zumindest zu einem Abschnitt der Gegenflanke propagieren. Dieser Wechselwirkung kann durch eine geeignete Schichtstärkenbemessung der Gegenflanke zur Minimierung der Absorption des einfallenden Lichts Rechnung getragen werden. Die Minimierung der Absorption führt aufgrund einer höheren Zerstörschwelle zu einer längeren Haltbarkeit und zu einer sehr standfesten optischen Anordnung, insbesondere ohne thermische Drifteffekte.
Die zweite überraschende Erkenntnis, die sich aus den optischen Rechnungen ergibt, ist, daß sich die Schichtstärken der Schutzschicht, für die die Absorption minimiert ist, von denjenigen unterscheiden, bei denen die Reflexionseffizienz als zweite die Performance des Gitters beeinflussende Größe maximiert ist. Bei der Optimierung der Schichtstärke der Schutzschicht auf der Gegenflanke in Bezug auf die Absorption kann daher nicht auf Reflexionsmessungen zurückgegriffen werden, sondern die Absorptionsoptimierung muß unabhängig von der Reflexionsoptimierung erfolgen. Wie erkannt wurde, bedeutet also optimale, d. h. minimierte Absorption nicht automatisch auch optimale, d. h. maximierte Reflexionseffizienz, weil bei minimaler Absorption auch reflektierte Anteile der einfallenden Strahlung in anderen als der Nutz-Beugungsordnung vorliegen können, die nicht zur Reflexionseffizienz beitragen.
Eine Schichtstärke der Gegenflanke gemäß Anspruch 2 läßt sich als empirische Näherung auch ohne Einbeziehung der elektromagnetischen Beugungstheorie berechnen.
Die o. g. erste Aufgabe ist, was die Maximierung der Reflexionseffizienz angeht, durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Hierzu wird auf die entsprechend geltenden Ausführungen zur optischen Anordnung gemäß Anspruch 1 verwiesen. Mit einer optischen Anordnung gemäß Anspruch 3 ist eine gegebene Nutzstrahlungsleistung mit reduzierter Eingangsleistung der Lichtquelle erreichbar.
Eine Schichtstärke der Gegenflanke gemäß Anspruch 4 läßt sich als empirische Näherung auch ohne Einbeziehung der elektromagnetischen Beugungstheorie berechnen.
Für die Berechnung der Schichtstärke gemäß den Ansprüchen 5 und 6 liegen kommerzielle Designprogramme zur Schichtoptimierung von Dünnschichtsytemen vor. Es kann daher mit relativ geringem Aufwand ein optimiertes Gitter modelliert werden.
Ein Mehrschichtsystem gemäß Anspruch 6 führt in vielen Fällen zu einer nochmals gesteigerten Reflexionseffizienz, wie dies für die Beschichtung planer Substrate bekannt ist.
Für gemäß Anspruch 7 polarisiertes Licht der Lichtquelle ergibt sich eine besonders vorteilhafte Auswirkung auf die Gitterperformance durch Vorgabe der entsprechenden Schutzschichtstärken.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Gitter zur Verwendung in einer optischen Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 anzugeben, welches eine gesteigerte Performance aufweist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Gitter mit den im Anspruch 8 angegebenen Merkmalen. Die Vorteile dieses optischen Gitters entsprechen denjenigen, die oben im Zusammenhang mit den optischen Anordnungen diskutiert wurden.
Im Idealfall wiederholt sich die phasenabhängige optische Performance einer im Doppeldurchlauf betriebenen transparenten optischen Schicht, wenn ihre optische Dicke um ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge vergrößert wird. Werden für die Schichtstärken auf der Blaze-Flanke und der Gegenflanke die kleinsten sich hieraus ergebenden Schichtstärken angegeben, die zum Erreichen einer optimierten Performance erforderlich sind, ergibt sich in der Regel ein optisches Gitter mit einer Schichtstärkenrelation gemäß Anspruch 9. Diese Relation stellt damit eine erste Näherung zur Herstellung eines optischen Gitters mit gesteigerter Performance dar.
Je kleiner die absolute Schichtstärke ist, desto genauer lassen sich diese Schichtstärken in der Regel bei bekannten Beschichtungsverfahren realisieren. Daher führt ein optisches Gitter gemäß Anspruch 10 zu einem relativ einfach reproduzierbar herstellbaren Gitter mit gesteigerter Performance.
Ein optisches Gitter gemäß Anspruch 11 kann so hergestellt werden, daß es schon ohne aufgebrachte Schutzschicht eine relativ gute Performance und daher gute Voraussetzungen zur Optimierung durch das Aufbringen der Schutzschicht aufweist.
Bei einem optischen Gitter gemäß Anspruch 12 kann das Trägermaterial ohne Rücksicht auf dessen Reflexionseigenschaften ausgewählt werden, so daß über das Trägermaterial z. B. die mechanischen oder thermischen Eigenschaften des Gitters verbessert werden können.
Eine Aluminiumoberfläche des Gitters gemäß Anspruch 13 weist eine hohe Reflektivität auf.
Eine dielektrische Schicht gemäß Anspruch 14, insbesondere die speziellen dielektrischen Schichtmaterialien der Ansprüche 15 bis 17, sind besonders gut zur Realisierung einer Schutzschicht für ein bezüglich seiner Performance optimiertes Gitter geeignet.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Herstellung eines optischen Gitters gemäß Anspruch 8 ein Verfahren anzugeben, bei dem das Erreichen einer vorgegebenen Schichtstärkenrelation zwischen den Schichtstärken auf der Blaze-Flanke und auf der Gegenflanke mit größtmöglicher Präzision gewährleistet ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 18 angegebenen Merkmalen. Bei einem derartigen Herstellungsverfahren werden die Blaze-Flanke und die Gegenflanke gleichzeitig beschichtet. Dies verkürzt nicht nur die Herstellung verglichen mit einem Verfahren, bei dem die Blaze-Flanke und die Gegenflanke getrennt voneinander beschichtet werden; es werden zudem Fehlerquellen eliminiert, die aufgrund von Abweichungen zwischen sequentiell vorgenommenen Beschichtungsschritten zu einer Abweichung des vorgegebenen Schichtstärkenverhältnisses führen könnten.
Ein Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 19 ist gut beherrschbar und präzise.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines Littrow-Gitters, wobei die Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen des Littrow-Gitters verläuft;
Fig. 2 einen zu Fig. 1 ähnlichen Schnitt durch einen Träger für ein Littrow-Gitter gemäß Fig. 1;
Fig. 3 die Abhängigkeit der Reflexionseffizienz eines Littrow-Gitters gemäß Fig. 1 von den Schichtstärken C_b, C_l auf der Blazeflanke und der Gegenflanke des Littrow-Gitters in einer dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 4 die Abhängigkeit der Absorption eines Littrow- Gitters gemäß Fig. 3 von den Schichtstärken C_b, C_l auf der Blazeflanke und der Gegenflanke des Littrow-Gitters in einer dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 5 die Abhängigkeit der Reflexionseffizienz eines alternativ beschichteten Littrow-Gitters gemäß Fig. 1 von den Schichtstärken C_b, C_l auf der Blazeflanke und der Gegenflanke des Littrow- Gitters in einer dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 6 die Abhängigkeit der Absorption eines gemäß Fig. 5 beschichteten Littrow-Gitters von den Schichtstärken C_b, C_l auf der Blazeflanke und der Gegenflanke des Littrow-Gitters in einer dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 7 die Abhängigkeit der Reflexionseffizienz eines weiteren alternativ beschichteten Littrow-Gitters gemäß Fig. 1 von den Schichtstärken C_b, C_l auf der Blazeflanke und der Gegenflanke des Littrow-Gitters in einer dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 8 die Abhängigkeit der Absorption eines gemäß Fig. 7 beschichteten Littrow-Gitters von den Schichtstärken C_b, C_l auf der Blazeflanke und der Gegenflanke des Littrow-Gitters in einer dreidimensionalen Darstellung; und
Fig. 9 einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines Littrow-Gitters, welches mit einem Mehrschichtsystem beschichtet ist.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines insgesamt mit 1 bezeichneten Littrow-Gitters mit einem Träger 2, auf dem eine Vielzahl paralleler, periodisch angeordneter Beugungsstrukturen 3 angeformt sind, wobei der Ausschnitt von Fig. 1 ungefähr zwei Gitterperioden umfaßt. Der Träger 2 kann als metallischer Trägerkörper oder aus Quarzglas oder einem anderen nichtmetallischen Material mit einer metallischen Beschichtung ausgeführt sein. Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt ein metallischer Träger 2 aus Aluminium vor.
Die Oberfläche einer Beugungsstruktur 3 besteht aus zwei Flächenabschnitten, die jeweils unterschiedlich zu einer vom Träger 2 vorgegebenen Grundfläche 4 geneigt sind:
Der steiler zur Grundfläche 4 geneigte Flächenabschnitt wird von einer Blaze-Flanke 5 gebildet, die in noch zu beschreibender Weise mit einfallenden Lichtstrahlen wechselwirkt. Die Blaze-Flanke 5 ist gegenüber der Grundfläche 4 um einen Winkel Theta von 78,7° geneigt, der für die einfallenden Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge von 193,35 nm ein Littrow-Winkel ist.
Der andere Flächenabschnitt der Beugungsstruktur 3, auf den beim Betrieb des Littrow-Gitters 1 die Lichtstrahlen nicht direkt einfallen, ist durch eine sich jeweils zwischen den Blaze-Flanken 5 zweier benachbarter Beugungsstrukturen 3 erstreckende Gegenflanke 6 gebildet. Die Blaze-Flanke 5 und die Gegenflanke 6 einer Beugungsstruktur 3 schließen miteinander einen Apexwinkel α von 90° ein. Alternativ kann auch ein kleinerer oder größerer Apexwinkel vorgesehen sein.
Die Beugungsstrukturen 3 sind mit einer transparenten Schutzschicht 7 versehen, die sich aus einer Blaze-Flanken- Schutzschicht 8 für die Blaze-Flanke 5 und eine Gegenflanken-Schutzschicht 9 für die Gegenflanke 6 zusammensetzt.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 besteht die Schutzschicht 7 aus MgF₂. Die Schichtstärke der Blaze-Flanken-Schutzschicht 8, C_b, ist größer als diejenige der Gegenflanken- Schutzschicht 9, C_l. Die Wahl der Schichtstärken C_b, C_l wirkt sich auf die Reflexionseffizienz und die Absorption des Littrow-Gitters bezüglich der einfallenden Lichtstrahlen aus, wie noch erläutert wird.
Das Littrow-Gitter 1 funktioniert folgendermaßen:
Bezüglich parallel einfallender kohärenter Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) ausgesandt werden und von denen in Fig. 1 beispielhaft die Lichtstrahlen 10, 11 dargestellt sind, ist das Littrow-Gitter 1 so angeordnet, daß die Blaze-Flanken 5 senkrecht auf den einfallenden Lichtstrahlen 10, 11 stehen. Bei der Reflexion an den Blaze-Flanken 5 durchtreten die Lichtstrahlen 10, 11 die Blaze-Flanken-Schutzschicht 8.
Wie sich aus einer theoretischen Betrachtung auf Basis der elektromagnetischen Beugungstheorie ergibt, wechselwirken Lichtstrahlen, die in enger Nachbarschaft einer Gegenflanke 6 auf das Littrow-Gitter 1 einfallen, z. B. der Lichtstrahl 10, mit der Gegenflanke 6 bzw. der Gegenflanken-Schutzschicht 9, obwohl sich eine derartige Wechselwirkung aus der klassischen geometrischen Optik nicht ergibt. Diese Wechselwirkung führt zu einer Abhängigkeit der Absorption und der Reflexionseffizienz des Littrow- Gitters nicht nur von der Schichtstärke der Blaze-Flanken- Schutzschicht 8 sondern auch von der Schichtstärke der Gegenflanken-Schutzschicht 9. Dies wird nachfolgend noch erläutert.
Die Gitterperiode D des Littrow-Gitters 1 ist mit 83,136 Gitterperioden pro Millimeter so bemessen, daß sich für die Lichtstrahlen 10, 11 mit der Lichtwellenlänge von 193, 35 nm konstruktive Interferenz für eine hohe Beugungsordnung ergibt. Das Littrow-Gitter 1 wird also als Echelle- Gitter betrieben. Typische verwendete Beugungsordnungen liegen im Bereich der zehnten bis hundertfünfzigsten Beugungsordnung.
Die Herstellung der Schutzschicht 7 erfolgt mittels eines Physical Vapor Deposition-(PVD-)Verfahrens, welches nachfolgend anhand von Fig. 2 kurz erläutert wird:
Der Träger 2 ist in einer justierbaren Halterung (nicht dargestellt) gehaltert und annähernd parallelen Beschichtungsstrahlen 12 ausgesetzt, die von einer in Fig. 2 nicht dargestellten heizbaren Dampfquelle erzeugt werden. Mit der Grundfläche 4 des Trägers 2 schließen die Beschichtungsstrahlen 12 einen Beschichtungswinkel β ein. Bei diesem Beschichtungswinkel β schließen die Beschichtungsstrahlen 12 mit der Blaze-Flanke 5 einen Blaze-Flanken- Beschichtungswinkel Γ und mit der Gegenflanke 6 einen Gegenflanken-Beschichtungswinkel δ ein. Γ und δ sind durch den Littrow-Winkel Theta, den Beschichtungswinkel β sowie den Apexwinkel α eindeutig bestimmt.
Um ein vorgegebenes Schichtstärkenverhältnis C_b/C_l zu erhalten, wird der Träger 2 mittels der justierbaren Halterung gegenüber den Beschichtungsstrahlen 12 derart orientiert, daß der Blaze-Flanken-Beschichtungswinkel Γ und der Gegenflanken-Beschichtungswinkel δ folgende Beziehung erfüllen:

sin Γ/sin δ = C_b/C_l (1)
Der Träger 2 wird nun solange bedampft, bis die vorgegebenen Schichtstärken C_b, C_l erreicht sind. Dies kann, wie dem Fachmann bekannt ist, z. B. durch Vergleichsmessungen der Schichtstärken von gleichzeitig bedampften Hilfsträgern geschehen, die im Idealfall die gleiche Ausrichtung wie die beiden Gitterflanken aufweisen.
Nachfolgend werden die Ergebnisse von Rechnungen auf Basis der elektromagnetischen Beugungstheorie diskutiert. Diese zeigen die Abhängigkeit der Reflexionseffizienz und der Absorption des Littrow-Gitters 1 von den Schichtstärken der Blaze-Flanken-Schutzschicht 8, C_b, und der Gegenflanken-Schutzschicht 9, C_l. Die Schichtstärken C_b, C_l sind jeweils senkrecht zur Blaze- bzw. zur Gegenflanke gemessen angegeben. Die Ergebnisse der Rechnungen sind in den Fig. 3 bis 8 als dreidimensionale Gitternetz-Linien dargestellt, in denen zur Veranschaulichung gleiche Reflexionseffizienzen bzw. Absorptionen als Höhenlinien eingetragen sind. Die Reflexions- und Absorptionswerte sind für einfallende Lichtstrahlen 10, 11 mit TM-Polarisation, d. h. polarisiert senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 3, gerechnet.
Fig. 3 zeigt die Reflexionseffizienz in Abhängigkeit von den Schichtstärken C_b, C_l für ein Gitter gemäß Fig. 1 mit einem Träger 2 aus Aluminium und einer Schutzschicht 7 aus MgF₂.
Im wesentlichen unabhängig von C_l weist das Littrow- Gitter 1 eine maximale Reflexionseffizienz bei C_b im Bereich von 55 bis 60 nm auf. Unabhängig von C_l ist allerdings hierbei nur die Position des Reflexionsmaximums, nicht der Absolutwert. Dieser wird für den erwähnten Bereich von C_b zwischen 55 und 60 nm bei C_l = 65 nm erreicht und beträgt 80%. Bei geringeren C_l-Werten nimmt die Reflexionseffizienz für alle C_b - Werte rapide ab. Bei einem C_l-Wert von 20 nm ist als Maximalwert für die Reflexionseffizienz nur ein Wert von ca. 64% erreichbar. Für größere C_l-Werte als C_l = 65 nm, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind, nimmt die Reflexionseffienz noch schneller ab.
Fig. 4 zeigt für die gleichen C_b-, C_l-Bereiche wie in Fig. 3 die Absorption des Littrow-Gitters 1.
Die Zahlenwerte der Absorption stehen in den die Absorption wiedergebenden Figuren für den Bruchteil der absorbierten Lichtenergie. Ein Absorptionswert von z. B. 0,09 bedeutet also, daß 9% der auf das Littrow-Gitter 1 einfallenden Lichtenergie absorbiert wird.
Das Minimum der Absorption mit einem Wert von 0,09 ergibt sich für einen Stärkenbereich von C_b zwischen 55 und 60 nm und für eine Schichtstärke C_l von 20 nm. Dieses Minimum der Absorption entspricht nicht dem Maximum der Reflexionseffizienz (vgl. Fig. 3), welches bei einem anderen C_l- Wert, nämlich 65 nm erreicht wird. Im Maximum der Reflexionseffizienz wiederum ist die Absorption nicht minimal, sondern weist einen Wert im Bereich von 0,18 auf.
Die Fig. 5 und 6 sowie 7 und 8 zeigen entsprechend den Fig. 3 und 4 gerechnete Ergebnisse für die Reflexionseffizienz und die Absorption für zwei weitere Ausführungsformen eines Littrow-Gitters, die sich von derjenigen, die in Fig. 1 dargestellt ist, im Material der Schutzschicht 7 unterscheiden. Beim Littrow-Gitter der Fig. 5 und 6 ist dieses Material SiO₂, beim Littrow- Gitter der Fig. 7 und 8 Al₂O₃.
Wie Fig. 5 zeigt, wird beim Littrow-Gitter mit SiO₂- Beschichtung das Reflexionsmaximum bei C_b im Bereich zwischen 50 und 55 nm und bei C_l im Bereich von 55 nm erreicht. Auch hier hat die Reflexionseffizienz einen Maximalwert von ca. 80%. Um dieses Reflexionsmaximum weist die Reflexionseffizienz ähnlich wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 eine relativ starke Abhängigkeit von C_l und eine damit verglichen schwächere Abhängigkeit von C_b auf. Für C_l-Werte größer als 55 nm fällt die Reflexionseffizienz ganz steil ab und beträgt z. B. für C_l = 60 nm nahezu unabhängig von den dargestellten Werten für C_b nur noch 40%, während sie für C_l-Werte kleiner als 55 nm weniger stark abfällt.
Fig. 6 zeigt die Absorptionsverhältnisse für das Gitter mit SiO₂-Beschichtung. Eine minimale Absorption von ca. 0,11 wird erreicht für C_b im Bereich zwischen 50 und 55 nm und für C_l im Bereich von 40 nm. Für andere C_b-Werte und für höhere C_l-Werte steigt die Absorption an. Auch hier ergibt sich, wie das schon beim ersten Ausführungsbeispiel der Fall war, das Absorptionsminimum bei anderen C_b-, C_l-Werten als das Reflexionsmaximum.
Auch beim nachfolgend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel ergeben sich ähnliche prinzipielle Abhängigkeiten der Reflexionseffiezienz und der Absorption von den Schichtdicken.
Fig. 7 zeigt die Reflexionseffizienzen für das dritte Ausführungsbeispiel mit Al₂O₃-Schutzschicht. Hier ergibt sich das Reflexionsmaximum bei C_b = C_l im Bereich von 45 nm. Die Reflexionseffizienz erreicht hier ebenfalls ca. 80%.
Fig. 8 zeigt die Absorptionsverhältnisse beim Littrow- Gitter mit Al₂O₃-Beschichtung. Das Minimum der Absorption mit einem Wert von ca. 0,11 ergibt sich bei C_b im Bereich von 45 nm und C_l im Bereich von 30 nm.
Den berechneten Verläufen für die Reflexionseffizienz und die Absorption ist gemeinsam, daß die Optima für die Reflexionseffizienz und die Absorption jeweils bei den gleichen Werten der Schichtstärke C_b der Blaze-Flanken- Schutzschicht 8 erreicht werden. Diese Werte hängen vom Brechungsindex des Materials der Schutzschicht ab, wie die nachfolgende Tabelle verdeutlicht, die die optimalen Schichtstärken C_b für die verschiedenen Schutzschichtmaterialien zusammenfaßt:
Für die Materialien sind hier zudem die Brechungsindizes N bei 193 nm angegeben. Da Al₂O₃ bei 193 nm eine nicht vernachlässigbare Absorption aufweist, ist hier ein komplexer Brechungsindex angegeben.
Wie Vergleichsrechnungen gezeigt haben, entsprechen diese Werte für die optimale Schichtstärke C_b auf der Blaze-Flanke ungefähr dem Ergebnis einer konventionellen Schichtstärkenberechnung, wie sie für hochreflektierende Beschichtungen auf ebenen Trägern bekannt ist. In diese Berechnung geht neben dem Brechungsindex des Schutzschichtmaterials auch der komplexe Brechungsindex des Trägermaterials ein.
Aus den Ergebnissen der elektromagnetischen Beugungstheorie (vgl. Fig. 3 bis 8) oder den Ergebnissen der konventionellen Schichtdickenberechnung für C_b läßt sich auf einfache Weise auch eine Schichtdicke C_b für ein anderes Schutzschichtmaterial angeben, welches der optimalen Schichtstärke sehr nahe kommt. Diese quasi optimale Schichtstärke C_b ⁿ für ein neues Schutzschichtmaterial ergibt sich aus der empirischen Beziehung:

C_b ⁿ = C_b ⁿ/nⁿ (2)

n bezeichnet hierbei den Brechungsindex des Schutzschichtmaterials, für welches die optimale Schichtstärke C_b bekannt ist, und nⁿ bezeichnet den Brechungsindex des neuen Materials.
Statt einer einzelnen Schutzschicht 7 auf der Blaze-Flanke 5, wie dies bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen der Fall war, kann bei einer weiteren Variante des Littrow- Gitters auf der Blaze-Flanke auch ein Mehrschichtsystem aufgebracht werden. Hierzu wird neben einem ersten Material für die Schutzschicht mit Brechungsindex n ein zweites Material mit höherem Brechungsindex n_H eingesetzt.
Ein Beispiel für ein derartiges Mehrschichtsystem zeigt Fig. 9 Wie für hoch reflektierende dielektrische Mehrschichtsysteme auf ebenen Substraten bekannt, wird ausgehend von der Metallschicht des Trägers 2 eine Schichtfolge: Träger 2, Schicht 20 mit Brechungsindex n, Schicht 21 mit Brechungsindex n_H gewählt, die je nach gewünschter Schichtanzahl des Mehrschichtsystems um weitere, im Beispiel der Fig. 9 um zwei, Schichtpaare 22, 23, mit der Abfolge: Schicht 22 mit Brechungsindex n, Schicht 23 mit Brechungsindex n_H, ergänzt werden kann, jeweils mit optischer Dicke lambda/4. Im Beispiel der Fig. 9 können für eine Laserwellenlänge von 193 nm folgende Werte für die Brechungsindizes und die Schichtstärken der Schichten 20 bis 23 vorliegen: Schicht 20 mit einem Brechungsindex von 1.44 und einer Schichtstärke von 21 nm, Schicht 21 mit einem Brechungsindex von 1,78 und einer Schichtstärke von 27 nm, die Schichten 22 mit einem Brechungsindex von 1,44 und einer Schichtstärke von 34 nm und die Schichten 23 mit einem Brechungsindex von 1,78 und einer Schichtstärke von 27 nm.
Die Stärke der ersten auf den Träger 2 aufgebrachten Schicht 20 wird dabei entsprechend dem Ergebnis einer strahlenoptischen Schichtstärkenberechnung für Dünnschichtsysteme zur Reflexionsminimierung für eine dielektrische Beschichtung auf einer ebenen reflektierenden Grundschicht, nämlich dem Träger 2, unter Einbeziehung des komplexen Brechungsindex dieser Grundschicht gewählt. Alle anderen Schichten 21 bis 23 des Mehrschichtsystems haben die optische Dicke lambda/4.
Wenn die Blaze-Flanke mit einem derartigen Mehrschichtsystem beschichtet wird, werden die Blaze-Flanke und die Gegenflanke nicht wie in Fig. 2 dargestellt miteinander, sondern unabhängig voneinander beschichtet. In einem ersten Verfahrensschritt wird dabei auf die Blaze-Flanke das Mehrschichtsystem aufgebracht, wobei das Littrow-Gitter derart angeordnet ist, daß sich die Gegenflanke im Beschichtungsschatten der Beschichtungsstrahlen befindet. Gegebenenfalls wird bei der Beschichtung der Gegenflanke berücksichtigt, daß auf dieser schon ein geringer Teil Beschichtungsmaterial während der Beschichtung der Blaze-Flanke abgeschieden wurde. Zudem ist es möglich, die erste Schicht des Mehrschichtsystems gemeinsam mit der Schicht auf die Gegenflanke aufgebracht wird, wie dies oben im Zusammenhang mit den einzelnen Schutzschichten beschrieben wurde.
Um ohne Zuhilfenahme der elektromagnetischen Beugungstheorie auch für andere Materialkombinationen aus Trägermaterial und Schutzschichtmaterial als diejenigen, die oben beschrieben wurden, eine Schichtstärke C_l für die Gegenflanke zur Minimierung der Absorption angeben zu können, wird nachfolgend eine Näherungsformel zur Berechnung von C_l angegeben. Zur Minimierung der Absorption des Littrow-Gitters sollte die Schichtstärke C_l im wesentlichen folgende Beziehung erfüllen:

C_l = lambda/(4n) (3)
Hierbei bezeichnet lambda die Wellenlänge der mit dem Gitter wechselwirkenden Lichtstrahlen und n den Brechungsindex des Schutzschichtmaterials für die Gegenflanke. Die Schichtstärke C_l sollte nicht mehr als lambda/(8n) von diesem Wert abweichen.
Auch für die Schichtstärke C_l zur Erzielung einer maximalen Effizienz kann eine entsprechende Näherungsformel angegeben werden. Zur Maximierung der Reflexionseffizienz des Littrow-Gitters sollte die Schichtstärke C_l im wesentlichen folgende Beziehung erfüllen:

lambda/(4n) ≤ C_l < lambda/(2n) (4)
Im Fall, daß dieses Intervall für C_l zu grob ist, kann der Bereich für C_l auf das 0,7- bis 0,9-fache des oberen Grenzwerts der obigen Formel (4) eingeschränkt werden.

Claims

1. Optische Anordnung mit einer Lichtquelle, die kohärentes Licht emittiert, und mit einem optischen Gitter mit einer Vielzahl paralleler, periodisch im Abstand jeweils einer Gitterperiode aufeinander folgender Beugungsstrukturen, die

a) zusammen eine Reflexionsschicht bilden, die eine reflektierende Grundschicht sowie eine mit der Grundschicht verbundene und diese abdeckende transparente Schutzschicht umfaßt,

b) auf einem eine Grundfläche vorgebenden Träger angeordnet sind und

c) jeweils eine im wesentlichen im Littrow-Winkel zur Grundfläche geneigte Blaze-Flanke und eine Gegenflanke umfassen,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die mittlere Schichtstärke C_b der Schutzschicht (8) auf der Blaze-Flanke (5) und die mittlere Schichtstärke C_l der Schutzschicht (9) auf der Gegenflanke (6) unabhängig voneinander derart gewählt sind, daß die Absorption des optischen Gitters (1) für das Licht der Lichtquelle minimiert ist.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der Schutzschicht (9) auf der Gegenflanke (6) im Bereich eines Viertels der Lichtwellenlänge der Lichtquelle liegt.

3. Optische Anordnung mit einer Lichtquelle, die kohärentes Licht emittiert, und mit einem optischen Gitter mit einer Vielzahl paralleler, periodisch im Abstand jeweils einer Gitterperiode aufeinanderfolgender Beugungsstrukturen, die

b) auf einem eine Grundfläche vorgebenden Träger angeordnet sind und

c) jeweils eine im wesentlichen im Littrow-Winkel zur Grundfläche geneigte Blaze-Flanke und eine Gegenflanke umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß

d) die mittlere Schichtstärke C_b der Schutzschicht (8) auf der Blaze-Flanke (5) und die mittlere Schichtstärke C_l der Schutzschicht (9) auf der Gegenflanke (6) unabhängig voneinander derart gewählt sind, daß die Beugungseffizienz des optischen Gitters (1) für das Licht der Lichtquelle maximiert ist.

4. Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke C_l der Schutzschicht (9) auf der Gegenflanke (6) folgende Beziehung erfüllt:
lambda/(4n) ≤ C_l < lambda/(2n)
wobei lambda die Lichtwellenlänge der Lichtquelle und n den Brechungsindex des Materials der Schutzschicht (9) bezeichnen.

5. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schichtstärke C_b der Schutzschicht (8) auf der Blaze- Flanke (5) entsprechend dem Ergebnis einer strahlenoptischen Schichtstärkenberechnung für Dünnschichtsysteme zur Reflexionsmaximierung für eine dielektrische Beschichtung auf einer ebenen reflektierenden Grundschicht unter Einbeziehung des komplexen Brechungsindex dieser Grundschicht gewählt ist.

6. Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht auf der Blaze-Flanke als Mehrschichtsystem aus aufeinanderfolgenden Schichten zweier Dielektrika mit unterschiedlichem Brechungsindex ausgeführt ist.

7. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle beim Einfall auf das Gitter (1) eine TM-Polarisation aufweist.

8. Optisches Gitter zur Verwendung in einer optischen Anordnung mit einer Lichtquelle, die kohärentes Licht emittiert, umfassend eine Vielzahl paralleler, periodisch im Abstand jeweils einer Gitterperiode aufeinanderfolgender Beugungsstrukturen, die

b) auf einem eine Grundfläche vorgebenden Träger angeordnet sind und

dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei Verwendung des gleichen Schutzschichtmaterials auf beiden Gitterflanken die Schutzschicht (8) auf der Blaze-Flanke (5) eine andere mittlere Schichtstärke (C_b) aufweist wie die Schutzschicht (9) auf der Gegenflanke (6).

9. Optisches Gitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schichtstärke C_b der Schutzschicht (8) auf der Blaze-Flanke (5) größer ist als auf der Gegenflanke (6).

10. Optisches Gitter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Schichtstärken C_b, C_l, der Schutzschichten (8, 9) auf der Blaze-Flanke (5) und auf der Gegenflanke (6) geringer sind als 100 nm.

11. Optisches Gitter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (2) eine Metalloberfläche aufweist.

12. Optisches Gitter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloberfläche durch eine auf dem Träger (2) aufgebrachte Metallschicht gebildet ist.

13. Optisches Gitter nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Metalloberfläche aus Aluminium.

14. Optisches Gitter nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (7) eine dielektrische Schicht aufweist.

15. Optisches Gitter nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine dielektrische Gesamtschutzschicht (7) aus MgF₂.

16. Optisches Gitter nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine dielektrische Gesamtschutzschicht aus SiO₂.

17. Optisches Gitter nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine dielektrische Gesamtschutzschicht aus Al₂O₃.

18. Verfahren zur Herstellung eines optischen Gitters nach einem der Ansprüche 8 bis 17, mit folgendem ersten Schritt:

a) Herstellen eines Roh-Gitters mit Träger, Beugungsstrukturen und Grundschicht;

gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

a) Vorgeben der Schichtdicke C_b der Schutzschicht (8) auf der Blazeflanke (5) und der Schichtdicke C_l der Schutzschicht (9) auf der Gegenflanke (6);

b) Bestimmen eines Orientierungswinkels β zwischen einer Beschichtungs-Vorzugsrichtung (12) einer Beschichtungsquelle und der Grundfläche (4), für den sich aufgrund der Neigungswinkel Γ, δ der Blazeflanke (5) und der Gegenflanke (6) zur Beschichtungs-Vorzugsrichtung (12) ein Dickenverhältnis des Beschichtungsauftrags auf der Blazeflanke (5) und der Gegenflanke (6) ergibt, welches dem Verhältnis der vorgegebenen Schichtdicken entspricht;

c) Haltern des Roh-Gitters (2) in der Beschichtungsanlage im Orientierungswinkel β, der im Schritt c) bestimmt wurde;

d) Beschichten des Roh-Gitters (2), bis die vorgegebenen Schichtdicken C_b, C_l, der Schutzschichten (8, 9) im Mittel erreicht sind.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsverfahren ein PVD-Verfahren ist.