DE10313548A1

DE10313548A1 - Binär geblazetes diffraktives optisches Element sowie ein solches Element enthaltendes Objektiv

Info

Publication number: DE10313548A1
Application number: DE10313548A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Arnold; Bernd Kleemann
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-08-24
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: DE10313548B4

Abstract

Es wird ein binär geblazetes diffraktives optisches Element beschrieben, das in an und für sich bekannter Weise eine Vielzahl von Beugungsstrukturen (1) umfasst, Diese erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander in einer Breite g, die größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für die das diffraktive optische Element bestimmt ist. Die Beugungsstrukturen (1) setzen sich aus einer Vielzahl von Einzel-Substrukturen (2) zusammen, die für die Blazewirkung sorgen und in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1) eine maximale Abmessung p aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist. In der Draufsicht besitzen die Einzel-Substrukturen (2) die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche. Ihre parallel zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1) gerichtete Abmessung variiert in Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1). Ihre maximale Abmessung in Richtung senkrecht zur Erstreckung der Beugungsstrukturen (1) ist größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Derartige Einzel-Substrukturen (2) sind mit mikrolithographischen Verfahren, wie sie beispielsweise in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden, leicht herstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein binär geblazetes diffraktives optisches Element mit einer Vielzahl von Beugungsstrukturen, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung eine Breite g aufweisen, die größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element optimiert ist, und die sich aus einer Vielzahl von Einzel-Substrukturen zusammensetzen, die für die Blazewirkung sorgen und deren Form in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen eine maximale Abmessung p aufweist, die kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, sowie ein ein solches Element enthaltendes Objektiv, insbesondere Projektionsobjektiv der Mikrolithographie.
Klassische geblazete Gitter weisen im Querschnitt dreieckige, insbesondere sägezahnförmige Beugungsstrukturen auf, die im Abstand der Gitterkonstanten g parallel zueinander verlaufen. Eine Flanke der Beugungsstrukturen, die Blazeflanke, besitzt dabei gegenüber der Grundfläche des Gitters eine solche Neigung, daß für eine Beugungsordnung des einfallenden Lichtes das Reflexions- bzw. Brechungsgesetz erfüllt ist und dadurch der Hauptteil der Intensität des gebeugten Lichtes in die durch die Blazeflanke bevorzugte Ordnung fällt. Die althergebrachte Methode, derartige geblazete Gitter herzustellen, bestand darin, die Beugungsstrukturen mit Hilfe von Diamanten in einem Mastergitter einzuritzen und von diesem Mastergitter dann entsprechende Kopien anzufertigen. Dieses mechanische Verfahren ist zum einen sehr aufwendig und stößt andererseits bei sehr kurzen Wellenlängen des Lichtes, für welches das Gitter verwendet werden soll, an Grenzen, da die herzustellenden Strukturen zu klein sind.
Man hat daher versucht, zur Herstellung der Beugungsstrukturen von geblazeten Gittern auf die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzte Prozeßtechnologie zurückzugreifen, bei welcher ein Substrat mit Fotolack beschichtet, belichtet, anschließend entwickelt und geätzt wird. Zunächst ging das Bestreben dahin, durch aufeinanderfolgende derartige Prozeßzyklen Beugungsstrukturen zu erzielen, welche die Blaze-Flanke durch eine gestufte Flanke anzunähern suchten. Werden beispielsweise vier derartige Stufen eingesetzt, können in der ersten Ordnung Beugungseffizienzen über 80 % erzielt werden. Mit einem weiteren Prozeßzyklus ergeben sich acht Stufen, mit denen sich eine Beugungseffizienz der ersten Ordnung von etwa 95 % erreichen läßt. Allgemein lassen sich durch Anwendung von n Prozeßzyklen 2ⁿ Stufen erzeugen. Mit wachsendem n nähert sich das gestufte Profil der Flanke immer mehr dem Sägezahnprofil idealer geblazeter Gitter herkömmlicher., mechanisch hergestellter Gitter an, deren Beugungseffizienz nach skalarer Theorie in der ersten Ordnung 100 % beträgt. Die Realisierung eines solchen Gitters ist jedoch durch die Notwendigkeit, den Prozeßzyklus wiederholt zu durchlaufen, kostenintensiv und fehlerbehaftet.
Daher wurden auch Versuche unternommen, das Blaze-Profil der Beugungsstrukturen unter Verwendung binärer Strukturen zu simulieren, deren Dimensionen kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das Gitter bestimmt war. Diese Versuche beru hen auf der Tatsache, daß Licht an den kleinen Substrukturen nicht mehr gebeugt sondern nur noch gestreut werden kann. Es entsteht nur noch die nullte Beugungsordnung, welche die Wirkung der Substrukturen bei Phasengittern nur in Form eines lokalen, effektiven Brechungsindex oder bei Amplitudengittern nur in Form eines lokalen Grautones wahrnimmt.
Ein erstes Beispiel für ein derartiges binär geblazetes Gitter ist in dem Artikel von Joseph N. Mait et al. "Difffractive lens fabricated with binary features less than 60 nm", Optics Letters, 15. März 2000, Seiten 381 ff beschrieben. Hier wird als Substruktur eine Vielzahl von Linien eingesetzt, die alle parallel zur Beugungsstruktur verlaufen und deren Abstand kleiner als die Wellenlänge ist.
In dem Artikel von Philippe Lalanne et al. "Design and fabrication of blazed binary diffractive elements with sampling periods smaller than the structural cut off", J. Opt. Soc. Am. A, Mai 1999, Seiten 1143 ff, werden geblazete diffraktive Elemente der eingangs genannten Art beschrieben, bei denen die Beugungsstrukturen in Einzel-Substrukturen aus rechteckigen oder quadratischen Pfeilern aufgelöst sind. Durch Variation der Pfeilerbreite bei vorgegebenem Pfeilerabstand lassen sich unterschiedliche "Füllfaktoren" erzielen, was einer lokalen Variation des effektiven Brechungsindex entspricht. Alternativ können die Pfeiler auch in unterschiedlichen Abständen bei konstanter Breite angeordnet werden.
All diesen Versuchen, binär geblazete diffraktive optische Elemente herzustellen, ist gemeinsam, daß die Substrukturen sehr kleingliedrig sind und ein sehr hohes Aspektverhältnis (Strukturhöhe zu Strukturbreite) be sitzen. Daher sind sie technologisch sehr schwierig, teuer und auch nicht in der ausreichenden Genauigkeit herstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein geblazetes diffraktives optisches Element der eingangs genannten Art zu schaffen, welches in einem Prozeßzyklus mit hoher Auflösung herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß werden Einzel-Substrukturen mit geschlossenen, verhältnismäßig großen Flächen eingesetzt, die ausschließlich lateral strukturiert sind. Hierdurch ist es möglich, die oben beschriebenen prozeßtechnologischen Grenzen beim Stande der Technik um etwa eine Größenordnung zu unterschreiten. Gleichzeitig können die erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Elemente deutlich schneller und damit kostengünstiger hergestellt werden.
Die Einzel-Substrukturen können in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen direkt aneinander anstoßen aber auch einen Abstand voneinander aufweisen.
Gleiches gilt für die Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen.
Zweckmäßig ist, wenn die Seitenfläche der Einzel-Subtrukturen die Form eines Polygonzuges hat. Durch entsprechende Wahl dieser Polygonzüge läßt sich die durch die Einzel-Substrukturen hervorgerufene Modulation des effektiven Brechungsindex bzw. der effektiven Transmission nach wünschen maßschneidern.
In vielen Fällen wird eine im wesentlichen lineare Modulation des effektiven Brechungsindex bzw. der effektiven Transmission gewünscht, um so die Wirkung einer klassischen, linear abfallenden Blazeflanke anzunähern. In diesem Falle ist eine Ausführungsform der Erfindung besonders geeignet, bei der die Einzel-Substrukturen in Projektion auf die Substratebene zumindest annähernd die Gestalt eines Dreieckes aufweisen.
Die Einzel-Substrukturen können dabei in Projektion auf die Substratebene die Gestalt von gleichschenkligen Dreiecken aufweisen, deren Grundseite etwa die Länge p aufweist.
Eine alternative, herstellungstechnisch besonders günstige Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Einzel-Substrukturen in der Projektion auf die Substratebene die Gestalt eines rechtwinkligen Dreieckes besitzen, wobei die Länge einer Kathete etwa der Abmessung p entspricht.
Selbstverständlich eignet sich die vorliegende Erfindung jedoch auch zur Herstellung anderer diffraktiver optischer Elemente als einfacher Blazegitter. So ist es beispielsweise möglich, das funktionale Verhalten eines Sinusgitters dadurch zu erzielen, daß die Einzel-Substrukturen in der Projektion auf die Substratebene jeweils durch zwei symmetrisch aneinander angelegte Sinuskurven begrenzt werden.
Die Herstellung einer polygonartigen oder gekrümmten Seitenfläche der Beugungsstrukturen mit Hilfe der bekannten mikrolithographischen Verfahren lässt sich dadurch erleichtern, daß sie durch eine Treppenkurve angenähert ist, die zum Beispiel der Inkrementierung des lithographischen Schreibers entspricht.
Grundsätzlich brauchen die lateralen Seitenflächen der Einzel-Subtrukturen nicht aus ebenen Teilflächen zusammengesetzt zu sein. So können etwa diese Seitenflächen in Projektion auf die Substratebene durch einen oder mehrere Ellipsenbögen gebildet sein. Die genaue Form der Seitenflächen wird durch den gewünschten lokalen Verlauf des effektiven Brechungsindex bzw. der effektiven Transmission bestimmt.
Das optische Element kann neben einem Bereich mit den vorstehend beschriebenen binär geblazeten Beugungsstrukturen auch einen weiteren Bereich aufweisen, der klassisch geblazete Beugungsstrukturen mit einem zumindest annähernd rampenförmigen Profil enthält. Eine solche Kombination binärer und klassisch geblazeter Beugungsstrukturen in einem optischen Element ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Beugungseffizienzen der binär und der klassisch geblazeten Beugungsstrukturen genutzt werden sollen. Während bei rein klassisch geblazeten Beugungsstrukturen eine gezielte lokale Veränderung der Beugungseffizienz nur durch Verstimmung, d. h. durch eine Verringerung der an sich möglichen Beugungseffizienz, möglich ist, kann durch den Einsatz der binär geblazeten Beugungsstrukturen auch eine lokale Erhöhung der Beugungseffizienz erzielt werden. Die über die gesamte Fläche des optischen Elements auf integrierte Beugungseffizienz läßt sich auf diese Weise gegenüber Elementen mit rein klassisch geblazeten Beugungsstrukturen erhöhen.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung haben die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen eine Gitterkonstante, die sich von der Breite g der binären Beugungsstrukturen senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung unterscheidet. Wenn beispielsweise die Gitterkonstante der klassisch geblazeten Beugungsstrukturen kleiner ist als die Breite g der binären Beugungsstrukturen, so ist die Differenz der jeweiligen Beugungseffizienzen besonders groß, da die Beugungseffizienz klassisch geblazeter Beugungsstrukturen zu sehr kleinen Gitterkonstanten hin deutlich abnimmt. Bei den meisten diffraktiven optischen Elementen mit lokal variierenden Gitterkonstanten soll die Beugungseffizienz jedoch annähernd konstant bleiben. Dann ist es günstiger, wenn die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen eine Gitterkonstante haben, die größer ist als die Breite g der binären Beugungsstrukturen senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung. Diejenigen Bereiche des diffraktiven optischen Elements mit kleiner Gitterkonstante sind somit binär geblazet und weisen deswegen eine im Vergleich zu entsprechenden klassisch geblazeten Beugungsstrukturen höhere Beugungseffizienz auf.
Falls es aufgrund der höheren Beugungseffizienz der binär geblazeten Bereiche an den Grenzen zu klassisch geblazeten Beugungsstrukturen zu sprunghaften und deswegen unerwünschten Änderungen der Beugungseffizienz kommt, so kann ein kontinuierlicherer Übergang der Beugungseffizienz erzielt werden, indem zwischen dem einen Bereich mit binär geblazeten Beugungsstrukturen und dem weiteren Bereich mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen ein Zwischenbereich mit wenigstens einer binär geblazeten Beugungsstruktur angeordnet wird, die so ausgelegt ist, daß in dem Zwischenbereich die Beugungseffizienz gegenüber derjenigen bei optimaler Auslegung verringert ist. Diese Auslegung kann insbesondere so erfolgen, daß in dem Zwischenbereich die Beugungseffizienz zwischen derjenigen des einen Bereichs mit binär geblazeten Beugungsstrukturen und derjenigen des weiteren Bereichs mit klassisch geblazeten Beugungs strukturen liegt. Eine derartige Verringerung der Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich läßt sich durch eine gezielte lokale Verstimmung der Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich erzielen, z. B. durch Abweichungen von den an sich optimalen Abmessungen der Einzel-Substrukturen, aus denen die Beugungsstrukturen aufgebaut sind. Bei größeren Zwischenbereichen kann die Verstimmung beispielsweise derart erfolgen, daß ein quasikontinuierlicher Übergang zwischen den Beugungseffizienzen der benachbarten Bereiche mit klassisch bzw. binär geblazeten Beugungsstrukturen erzielt wird.
Das erfindungsgemäße diffraktive optische Element kann sowohl als phasenmodulierendes als auch als amplitudenmodulierendes Element ausgelegt sein. Im ersten Falle bestehen die Beugungsstrukturen aus transmissivem Material mit dem Brechungsindex n₁ und haben eine Höhe h, die der Gleichung (n1 – n2)h = Lambda genügt, wobei Lambda die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element ausgelegt ist, und n₂ der Brechnungsindex des Mediums ist, welches die Einzel-Substrukturen umgibt.
Die Einzel-Substrukturen können erhaben auf der Oberfläche des diffraktiven optischen Elements, beispielsweise als Ergebis eines Ätzvorganges, ausgebildet sein. Das die Einzel-Substrukturen umgebende Medium könnte dann das Gas, beispielsweise Luft, in dem das diffraktive optische Element eingesetzt wird, oder Vakuum oder auch eine Immersionsflüssigkeit sein.
Die Einzel-Substrukturen können aber auch in das diffraktive optische Element eingebettet sein und einen Brechungsindex n₁ aufweisen, der sich von dem Brechnungsindex n₂ des lateral umgebenden Materials unterscheidet. Beide Brechungsindizes n₁ und n₂ können sich darüber hinaus vom Brechungsindex des darunter liegenden Substrats wie auch von dem des darüber befindlichen Mediums unterscheiden.
Solche Einzel-Substrukturen lassen sich etwa dadurch herstellen, daß ein geeignetes Substrat durch eine photolithographisch erzeugte Maske mit Ionenstrahlen beschossen wird. Diese Ionenstrahlen können den Brechungsindex des Substratmaterials durch Dotierung, also durch Einbringung von Fremdatomen, oder durch Verarmung, also durch Herausschlagen von Eigenatomen des Substrats verändern.
Die Beugungsstrukturen des diffraktiven optischen Elements können auch in einer zu den geometrischen Flächen der Einzel-Substrukturen senkrechten Richtung übereinander angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein mehrschichtiger Aufbau erzielt, wobei es keine Rolle spielt, ob die einzelnen Schichten ebene oder gekrümmte Flächen sind. Mit derartigen mehrschichtigen optischen Elementen stehen zusätzliche Möglichkeiten zur Verfügung, die diffraktive Wirkung des Elements lokal sehr genau einzustellen. Der mehrschichtige Aufbau wirkt sich insbesondere auf die Abhängigkeit des Elements von der Polarisation, dem Einfallswinkel und auch der Wellenlänge des einfallenden Lichts aus.
Der mehrschichtige Aufbau kann zum einen dadurch erreicht werden, daß Beugungsstrukturen unmittelbar aufeinander aufgebracht werden. Wenn die Beugungsstrukturen, wie dies oben beschrieben wurde, erhaben auf der Oberfläche des diffraktiven optischen Elements im Wege eines Ätzvorgangs ausgebildet werden, so können beispielsweise zwei unmittelbar aufeinander aufgebrachte Beugungsstrukturen durch einen zweistufigen Ätzprozess erzeugt werden.
Es ist jedoch ebenso möglich, die Beugungsstrukturen der unterschiedlichen Schichten auf unterschiedlichen Trägern aufzubringen, die übereinander, vorzugsweise parallel zueinander, und voneinander beabstandet, angeordnet werden. Es gibt dann keine Beschränkungen hinsichtlich der Geometrie und Ausrichtung übereinanderliegender Beugungsstrukturen, wie dies der Fall ist, wenn sie unmittelbar aufeinander aufgebracht werden.
Im Falle eines amplitudenmodulierenden optischen Elements sind die Einzel-Substrukturen von einer Beschichtung gebildet, deren Transmission vernachlässigbar, insbesondere kleiner als 1 % ist.
Wenn die Breite (g) und die Orientierung der Beugungsstrukturen über die Fläche des optischen Elements hinweg variieren, kann die Wirkung einer Linse nachgebildet werden. Die erfindungsgemäßen optischen Elemente eignen sich insbesondere auch als Linsen in einem Objektiv.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen
1: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem binär geblazeten Phasengitter;
2: in vergrößertem Maßstabe und ebenfalls perspektivisch eine Einzel-Substruktur des Phasengitters von 1;
3a und 3b: Ansichten von Phasengittern, ähn lich der 1, mit jedoch abgewandelten Einzel-Substrukturen;
4: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Sinus-Phasengitter;
5: eine schematische Draufsicht auf eine Fresnelsche Zonenplatte;
6: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Phasengitter, das einen Bereich mit klassisch geblazeten und einen Bereich mit binär geblazeten Beugungsstrukturen aufweist;
7: ein Phasengitter ähnlich wie in 6, jedoch mit einem Zwischenbereich zwischen den Bereichen mit klassisch geblazeten und binär geblazeten Beugungsstrukturen;
8: ein anderes Ausführungsbeispiel für ein Phasengitter mit einem Zwischenbereich zwischen den Bereichen mit klassisch und binär geblazeten Beugungsstrukturen;
9: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem diffraktiven optischen Element, das aus zwei übereinander angeordneten Phasengittern nach 6 besteht.
Das in 1 dargestellte, geblazete Phasengitter besteht aus einem transmissiven Material mit einem Brechungsindex n₁. An der nach oben zeigenden Fläche trägt es eine Vielzahl parallel und geradlinig verlaufender Beugungsstrukturen 1, von denen in der Zeichnung drei ausschnittsweise dargestellt sind. Die Beugungsstrukturen 1 haben senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung eine Breite g.
Da die Beugungsstrukturen 1 unmittelbar aneinanderstoßen, entspricht ihre Breite g der klassischen Gitterkonstanten. Die Größe von g ist, um Beugungseffekte erzielen zu können, größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, für die das Phasengitter bestimmt ist.
Jede Beugungsstruktur 1 setzt sich ihrerseits aus einer Vielzahl von unmittelbar aneinander gesetzten Einzel-Substrukturen 2 zusammen, die jeweils die Gestalt eines gleichseitigen, sehr hohen Dreieckes aufweisen. Die Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 besitzen eine Länge p, die klein gegenüber der Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise kleiner als die Hälfte dieser Wellenlänge, ist. Die Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 stoßen unmittelbar aneinander; die Spitzen der Dreiecke, welche die Einzel-Substrukturen 2 bilden, stoßen an den Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 der benachbarten Beugungsstruktur 1 an. Auf diese Weise ergeben sich Beugungsstrukturen, die auf der einen Seite, in 1 nach links, durch eine ebene vertikale Fläche und auf der anderen Seite, in 1 nach rechts, durch eine sägezahnförmige Lateralstruktur begrenzt sind.
Die Höhe h der Einzel-Substrukturen 2 ergibt sich aus der Forderung nach einer vollwelligen Phasenretardierrung durch die Einzel-Substrukturen 2: (n1 – n2) h = Lambda.
In dieser Gleichung ist Lambda die Wellenlänge der verwendeten elektomagnetischen Strahlung und n2 der Brechungsindex des Mediums, das die Einzel-Substrukturen 2 umgibt. Bei der dargestellten erhabenen Bauweise der Einzel-Substrukturen 2 ist n2 also beispielsweise der Brechungsindex von Luft.
Die in 1 dargestellte Struktur eines Phasengitters wird mit Prozeßtechnologien hergestellt, wie sie aus der Halbleiterindustrie bekannt sind. Ein ebenes Ausgangssubstrat aus dem gewünschten Material wird dabei mit einem Fotolack beschichtet und sodann mit einem kommerziell erhältlichen Maskenschreiber belichtet. Anschließend erfolgt eine Entwicklung des belichteten Fotolackes und ein Ätzvorgang, bei dem die einzelnen Beugungsstrukturen 1 entstehen.
In der Praxis werden die Schenkel der in 1 schematisch dargestellten Einzel-Substrukturen 2 durch Treppenkurven angenähert, wie dies der 2 zu entnehmen ist. Bei den besten derzeit verfügbaren Maskenschreibern liegt die Schreibgenauigkeit im Bereich von 5 bis 10 Nanometern. Bei einer Wellenlänge des sichtbaren Spektralbereichs ergibt sich hierbei unter Beachtung der Nebenbedingung, daß die Größe p kleiner als Lambda/2 sein soll, die Möglichkeit, die Einzelstrukturen der 2 mit zehn oder mehr Rasterstufen zu schreiben. Auf diese Weise läßt sich eine Beugungseffizienz von über 80 % erreichen.
3a zeigt ein geblazetes Phasengitter mit Einzel-Substrukturen 102, deren Form als rechtwinkliges Dreieck verstanden werden kann. Die kleineren Katheten dieser Einzel-Substrukturen 102 fluchten und folgen der Richtung der Beugungsstruktur 101, während die größeren Katheten die Länge der Gitterkonstanten g aufweisen. Die Hypothenusen der Einzel-Substrukturen 102 werden wieder durch eine Treppenkurve angenähert.
Die Einzel-Substrukturen 202 des in 3b dargestell ten Phasengitters basieren wiederum auf der Grundform eines gleichschenkligen Dreieckes, wobei die Schenkel dieser Dreiecke erneut durch Treppenkurven angenähert sind. Die Treppenkuren der beiden Schenkel sind jedoch nicht symmetrisch zur Mittelebene der Einzel-Substrukturen 202, sondern, bei gleicher Stufenhöhe, gegeneinander um eine halbe Stufenhöhe versetzt.
Die asymmetrische Gestaltung der Einzel-Substrukturen 102 und 202 in den 3a und 3b hat den Vorteil, daß bei gegebener Breite p der Einzel-Substrukturen 102 bzw. 202 und bei gegebener Auflösung des Maskenschreibers eine Verdoppelung der Anzahl der Stufen in Richtung der Gitterkonstanten g möglich ist.
Bei den oben anhand der 1 bis 3b erläuterten Phasengittern wurden die Beugungsstrukturen 1, 101 bzw. 201 jeweils an einer Seite durch eine ebene vertikale Fläche und an der anderen Seite durch eine periodisch strukturierte, ebenfalls vertikale Fläche begrenzt. Die Beugungsstrukturen 1, 101 bzw. 201 weisen somit bezüglich ihrer Erstreckungsrichtung keine Symmetrie auf. Dies ist bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Phasengitters anders. Dieses besitzt Beugungsstrukturen 301, die sich aus spiegelsymmetrischen Einzel-Substrukturen 302 zusammensetzt. Die Breite p dieser Einzel-Substrukturen 302 in Erstreckungsrichtung der Beugungsstruktur 301 ist wieder klein gegen die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, mit welcher das Phasengitter zusammenarbeiten soll. Die Gesamtbreite der Einzel-Substrukturen 302 in der dazu senkrechten Richtung entspricht wieder der Gitterkonstanten g und hat eine Größe, die mindestens der Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Die Einzel-Substrukturen 302 können jeweils als in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 301 durch zwei Sinuskurven begrenzt verstanden werden. Die Sinuskurven sind erneut durch Treppenkurven angenähert. Sie sind beim Ausführungsbeispiel der 4 symmetrisch zu einer Mittelebene der Einzel-Substrukturen 302, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 30 verläuft, inkrementiert. Insofern entspricht das Ausführungsbeispiel der 4 demjenigen der 2. Auch eine asymmetri-Ausgestaltung in Analogie zu 3b wäre möglich.
Das in 4 dargestellte Phasengitter weist die Eigenschaften eines Sinusgitters auf. Es zeichnet sich dadurch aus, daß seine Beugungsstrukturen 301 auf gegenüberliegenden Seiten durch aneinander anschließende geometrische Flächen begrenzt sind, die in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 301 die Periodizität p aufweisen. Die "Breite" der Einzel-Substrukturen 302 ist dabei in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen sinusförmig moduliert und entsprechend der Maskenschreiberauflösung inkrementiert.
Das Ausführungsbeispiel der 4 macht daüber hinaus deutlich, daß der Begriff "geblazet", wie er vorliegend verstanden wird, nicht bedeutet, daß die gesamte Intensität der transmittierten elektromagnetischen Strahlung in einer einzigen Beugungsordnung erscheinen muß. Er umfaßt vielmehr allgemeiner alle Fälle, in denen eine bestimmte Intensitätsverteilung auf die verschiedenen Beugungsordnungen angestrebt wird.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Elementes dargestellt, welches anders als die Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 kein Gitter, sondern eine Fresnelsche Zonenplatte ist. Bei dieser sind die Beugungsstrukturen 401 ringförmig um einen Mittelpunkt angeordnet. Die Einzel-Substrukturen 402 besitzen wieder, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der 1 die Form hoher gleichschenkliger Dreiecke, deren Grundseiten aneinandergelegt sind. Die Grundseiten dieser Einzel-Substrukturen 402 liegen nunmehr jedoch nicht auf Geraden, sondern auf konzentrischen Kreisen.
6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einem diffraktiven optischen Element, bei dem es sich um ein Phasengitter mit lokal variierender Gitterkonstante handelt. Das Phasengitter hat einen Bereich B_k mit klassisch geblazeten, d. h. im Profil rampenförmigen Beugungsstrukturen 503. Die Gitterkonstanten g_i dieser klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503 nehmen kontinuierlich, d. h. von Beugungsstruktur zu Beugungsstruktur, in der mit 4 bezeichneten Richtung ab, so daß g₁ > g₂ > g₃ > g₄ > g₅ > g₆ gilt.
Das Element weist einen weiteren Bereich B_b mit binären Beugungsstrukturen 501 auf, die wie in 1 gezeigt ausgeführt sind. Die Breite g_j der Beugungsstrukturen 501, die der Gitterkonstanten klassischer Beugungsstrukturen entspricht, nimmt in diesem Bereich B_b ebenfalls in der mit 4 bezeichneten Richtung ab, so daß g₇ > g₈ > g₉ > g₁₀ > g₁₁ gilt.
Da außerdem die Strukturbreiten g_j der Beugungsstrukturen 501 in dem binär geblazeten Bereich B_b kleiner sind als die Gitterkonstanten g_i in dem klassisch geblazeten Bereich B_k, wird auf diese Weise eine kontinuierlich über die in 6 ausschnittsweise gezeigte Ausdehnung des diffraktiven optischen Elements variierende Gitterkonstante erzielt. Der bei rein klassisch geblazeten Elementen beobachtete Effekt, daß die Beugungseffizienz in Bereichen mit kleiner Gitterkonstante deutlich abnimmt, tritt hier jedoch nicht auf, da in diesen Bereichen die klassischen Beugungsstrukturen durch die binär geblazeten Beugungsstrukturen 501 ersetzt sind, die eine höhere Beugungseffizienz als vergleichbare klassische Beugungsstrukturen haben.
Aufgrund dieser höheren Beugungseffizienz der binär geblazeten Beugungsstrukturen 501 kann es allerdings am Übergang zwischen dem klassisch geblazeten Bereich B_k und dem binär geblazeten Bereich B_b zu einer sprunghaften Veränderung der Beugungseffizienz kommen. Falls ein derartiger Sprung der Beugungseffizienz unerwünscht ist, so kann zwischen diesen Bereichen ein Zwischenbereich mit binär geblazeten Beugungsstrukturen vorgesehen sein, in dem die Beugungseffizienz durch Verstimmung der Beugungsstrukturen "künstlich" erniedrigt ist.
Ein Beispiel hierfür ist in 7 gezeigt. Das dort dargestellte diffraktive optische Element entspricht weitgehend dem in 6 gezeigten, jedoch ist dort zwischen dem klassisch geblazeten Bereich B_k und dem binär geblazeten Bereich B_b wie vorstehend angesprochen ein Zwischenbereich B_z angeordnet, in dem die Beugungsstrukturen 501' verstimmt sind. Dadurch ist in dem Zwischenbereich B_z die Beugungseffizienz geringer als in dem entsprechenden Bereich in 6 mit der Gitterkonstanten g₇. Andererseits ist die Beugungseffizienz in diesem Zwischenbereich B_z größer als in dem benachbarten Bereich B_k mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503. Die Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich B_z liegt somit zwischen den Beugungseffizienzen der benachbarten Bereiche, wodurch ein gleichmäßigerer Übergang zwischen den Beugungseffizienzen erreicht wird. Im Idealfall läßt sich durch eine entsprechende Verstimmung der binär geblazeten Beugungsstrukturen 501' im Zwischenbereich B_z ein sprungfreier Übergang der Beugungseffizienz erzielen.
8 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einem anderen Phasengitter, dessen Funktion im wesentlichen derjenigen des in 7 gezeigten Phasengitters entspricht. Die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503a weisen hier ein Rampenprofil auf, das durch eine Treppenkurve angenähert ist. Ferner umfasst der Zwischenbereich B_z bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Beugungsstrukturen 5011' und 5012', die jeweils in zwei Ebenen übereinander angeordnete Einzel-Substrukturen 502a und 502b umfassen. In jeder Ebene sind die Einzel-Substrukturen 502a und 502b genauso aufgebaut, wie dies in 1 gezeigt ist. Derart unmittelbar aufeinander aufgebrachte Einzel-Substrukturen 502a und 502b können im Wege eines zweistufigen Ätz- und Lithografieprozesses hergestellt werden. Die Wirkung der zweischichtig ausgeführten Beugungsstrukturen 5011' und 5012' in dem Zwischenbereich B_z entspricht weitgehend derjenigen von Beugungsstrukturen, wie sie in der EP 1 160 589 A1 beschrieben sind. Anschaulich gesprochen können die zweischichtig aufgebauten Beugungsstrukturen 5011' und 5012' als eine Kombination binär geblazeter und klassisch geblazeter Beugungsstrukturen angesehen werden. Dabei erlaubt es der mit jeder Höhenstufe gewonnene zusätzliche Freiheitsgrad, die Beugungswirkung der Beugungsstrukturen noch genauer einzustellen.
9 zeigt ein weiteres diffraktives optisches Element, bei dem zwei der in 6 gezeigten Phasengitter einander gegenüberliegen. Der Zwischenraum zwi schen den beiden Teilelementen 600a und 600b ist mit einem optisch transparenten Material 6, z. B. einem Polymer, aufgefüllt. Bezüglich der klassisch geblazeten Bereiche hat das diffraktive optische Element insoweit einen Aufbau, wie er in der EP 0 902 304 A2 beschrieben ist. Zur Herstellung eines solchen diffraktiven optischen Elements kann zunächst das untere Teilelement 600b in herkömmlicher Weise in einen lithografisch definierten Ätzprozeß hergestellt werden. Anschließend wird das optisch transparente Material 6 aufgebracht und überpoliert. Sodann wird auf das Material 6 eine zweite Schicht aufgebracht, die wiederum lithografisch strukturiert wird. Ein Übersprechen der Strukturierungswerkzeuge zur Strukturierung des oberen Teilelements 600a ist durch geeingete Wahl der Prozeßführung zu verhindern. Ein Übersprechen kann auch durch Aufdampfen einer Stopschicht, z. B. einer sehr dünnen Metallschicht, zwischen den beiden Teilelementen 600a und 600b verhindert werden.
Bei den obigen diffraktiven Elementen beruhte die phasenschiebende Wirkung der Einzel-Substrukturen auf dem längeren Weg, der die elektromagnetische Strahlung durch die erhaben auf der Oberfläche des optischen Elementes ausgebildeten Einzel-Substrukturen zurücklegen muß. Die Phasenretardierung kann aber auch dadurch bei in das Material des optischen Elementes eingebetteten Einzel-Substrukturen erreicht werden, daß deren Brechungsindex gegenüber demjenigen des umgebenden Materials verändert wird. Dies kann dadurch geschehen, daß ein geeignetes Substrat durch eine photolithographisch hergestellte Maske mit Ionenstrahlen beschossen wird. Die Wirkung der Ionenstrahlen kann in der Einbringung von Fremdatomen in das Substrat, also in einer Dotierung, bestehen. Alternativ kann die Struktur auch durch Herauslösen von Atomen aus einem bereits dotierten Substrat, also durch die Erzeu gung von Verarmungszonen, hergestellt werden. Beides verändert den Brechungsindex.
Bei der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß es sich jeweils um phasenmodulierende diffraktive optische Elemente handelte, wobei die Blazewirkung auf einer gezielten Variation des effektiven Brechungsindex der Beugungsstrukturen in Richtung senkrecht zu deren Erstreckungsrichtung beruhte. Grundsätzlich läßt sich die erfinderische Idee jedoch auch bei amplitudenmodulierenden diffraktiven optischen Elementen einsetzen. Die 1 bis 7 können in diesem Falle so interpretiert werden, daß die aus dem Substrat herausgeätzten Beugungsstrukturen 1, 101, 201, 301, 401, 501 durch eine Schicht mit vernachlässigbarem Transmissionsvermögen ersetzt ist. Derartige Schichten können mit kommerziell verfügbaren photolithografischen Maskenverfahren hergestellt werden. Beispielsweise können Chromschichten mit einer Dicke von 80 bis 100 nm eingesetzt werden.

Claims

Binär geblazetes diffraktives optisches Element mit einer Vielzahl von Beugungsstrukturen, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung eine Breite g aufweisen, die größer als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element opimiert ist, und die sich aus einer Vielzahl von Einzel-Substrukturen zusammensetzen, die für die Blazewirkung sorgen und deren Form in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen eine maximale Abmessung p aufweist, die kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401) jeweils nur eine Reihe von Einzel-Substrukturen (2; 102; 202;302; 402) umfassen, die in der Draufsicht die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzen, deren parallel zur Erstreckung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401) gerichtete Abmessung in Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401) variiert und in Richtung senkrecht zur Erstreckung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401) eine maximale Abmessung besitzt, die größer als die Wellenlänge ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401) aneinander anstoßen.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen einen Abstand voneinander aufweisen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) in der Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401) aneinander anstoßen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen in der Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen einen Abstand voneinander aufweisen.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche der Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) die Form eines Polygonzuges hat.
Optisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 402) in Projektion auf die Substratebene zumindest annähernd die Gestalt eines Dreieckes aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 202; 402) in Projektion auf die Substratebene die Gestalt von gleichschenkligen Dreiecken aufweisen, deren Grundseite die Länge p aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Einzel-Substrukturen (102) in Projektion auf die Substratebene die Gestalt eines rechtwinkligen Dreieckes aufweisen, wobei die Länge einer Kathete der Abmessung p entspricht.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (302) von zwei symmetrisch aneinander angelegten Sinuskurven begrenzt sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine polygonartige oder gekrümmte Seite durch eine Treppenkurve angenähert ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen in Projektion auf die Substratebene durch mindestens einen Ellipsenbogen begrenzt sind.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element neben einem Bereich (B_b) mit binär geblazeten Beugungsstrukturen (501) einen weiteren Bereich (B_k) aufweist, der klassisch geblazete Beugungsstrukturen (503) mit einem zumindest annähernd rampenförmigen Profil enthält.
Optisches Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503) eine Gitterkonstante (g₁' g₂' ..., g₆) haben, die sich von der Breite g der binären Beueungsstrukturen (501) senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (4) unterscheidet.
Optisches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503) eine Gitterkonstante (g₁, g₂, ..., g₆ haben, die größer ist als die Breite g der binären Beugungsstrukturen (501) senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (4) .
Optisches Element nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Bereich (B_b) mit binär geblazeten Beugungsstrukturen (501) und dem weiteren Bereich (B_k) mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503) ein Zwischenbereich (B_z) mit wenigstens einer binär geblazeten Beugungsstruktur (501'; 5011', 5012') angeordnet ist, die so ausgelegt ist, daß in dem Zwischenbereich (B_z) die Beugungseffizienz gegenüber derjenigen bei optimaler Auslegung verringert ist.
Optisches Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenbereich (B_z) die Beugungseffizienz zwischen derjenigen des einen Bereichs (B_b) mit binär geblazeten Beugungsstrukturen (501) und derjenigen des weiteren Bereichs (B_k) mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503, 503a) liegt.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als phasenmodulierendes optisches Element ausgebildet ist und die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) aus transmissivem Material mit dem Brechungsindex n- bestehen und eine Höhe h haben, die der Gleichung (n1 – n2)h = Lambda wobei Lambda die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element bestimmt ist, und n₂ der Brechnungsindex des Mediums ist, welches die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) umgibt.
Optisches Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) erhaben auf der Oberseite des diffraktiven optischen Elements ausgebildet sind.
Optisches Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) in das diffraktive optische Element eingebettet sind und einen Brechnungsindex n₁ aufweisen, der sich von dem Brechungsindex n₂ des lateral umgebenden Materials unterscheidet.
Optisches Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) Dotierungszonen im Material des diffraktiven optischen Elements sind.
Optisches Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402) Verarmungszonen im Material des diffraktiven optischen Elements sind.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beugungsstrukturen (502a, 502b) in einer zu den geometrischen Flächen der Einzel-Substrukturen senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.
Optisches Element nach Anspruch 18 oder 19 und nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstrukturen (502a, 502b) unmittelbar aufeinander aufgebracht sind.
Optisches Element nach Anspruch 18 oder 19 und nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstrukturen auf unterschiedlichen Trägern (600a, 600b) aufgebracht sind, die übereinander, vorzugsweise parallel zueinander, und voneinander beabstandet angeordnet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß es als amplitudenmodulierendes optisches Element ausgebildet ist und die Einzel-Substrukturen von einer Beschichtung oder Dotierung gebildet sind, deren Transmission vernachlässigbar, insbesondere kleiner als 1 %, ist.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (g) und die Orientierung der Beugungsstrukturen über die Fläche des optischen Elements hinweg variieren und dadurch die Wirkung einer Linse nachgebildet ist.
Objektiv, insbesondere mikrolithographisches Projektionsobjektiv, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens ein optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.