DE19639499A1 - Auflicht-Phasengitter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auflicht- Phasengitter, über das die auf mehrere Reflexions­ schichten auftreffenden Lichtbündel nach erfolgter Reflexion in definierter Art und Weise in ihrer relativen Phasenlage zueinander verschoben werden. Insbesondere geeignet ist ein derartiges Auflicht- Phasengitter etwa für den Einsatz in einer licht­ elektrischen Positionsmeßeinrichtung, mit der die Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte definiert bestimmbar ist.

Es ist bekannt, daß Phasengitter gegenüber Ampli­ tudengittern den Vorteil einer höheren Beugungs­ effizienz aufweisen. So kann man mit Hilfe von Pha­ sengittern im Strahlengang entsprechender optischer Systeme einen deutlich höheren Relativanteil der Intensität einfallender Teilstrahlenbündel defi­ niert in bestimmte Raumrichtungen beugen als dies etwa mit vergleichbaren Amplitudengittern möglich ist. Übliche Phasengitter weisen hierzu an der den einfallenden Teilstrahlenbündeln entgegengerich­ teten Seite ein Stufengitter auf. Die stufenartig strukturierte Oberfläche hat jedoch wiederum Nach­ teile zur Folge, wenn z. B. Verunreinigungen in den Stufen-Vertiefungen vorhanden sind und dort den Brechungsindex undefiniert verändern. Zudem läßt sich eine derart strukturierte Oberfläche nur mit erhöhtem verfahrenstechnischen Aufwand herstellen.

Zur Lösung dieser Problematik wird deshalb in der EP 0 160 784 vorgeschlagen, zwei beabstandete, na­ hezu planare Reflexionsschichten vorzusehen, die zu beiden Seiten einer transparenten Abstandsschicht angeordnet sind. Von den beiden Reflexionsschichten ist mindestens eine als Amplitudengitter ausgebil­ det. In einer möglichen Ausführungsform ist die untere der beiden Reflexionsschichten als durchge­ hende Spiegelschicht, üblicherweise als Metall­ schicht ausgebildet. Um nunmehr in Reflexion hohe Beugungseffizienzen zu erzielen, sollte insbeson­ dere das Reflexionsvermögen der unteren, durchge­ henden Spiegelschicht möglichst hoch ausgelegt sein. Als geeignete Materialien für die Spiegel­ schicht kommen beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder aber Aluminium in Frage. Als nachteilig bei diesen Materialien erweist sich jedoch, daß sie relativ weich sind, was wiederum eine mangelnde Haftung der darüber angeordneten Schichten bedingt. Wählt man hingegen härtere Schichten als Material für die durchgehende, untere Spiegelschicht, wie etwa Chrom oder Titannitrid, die einen zuverläs­ sigen Schichtaufbau, respektive eine gute Haftung gewährleisten, so nimmt man ein relativ geringes Reflexionsvermögen in Kauf. Die Beugungseffizienz ist demzufolge nicht ausreichend.

Aus der Veröffentlichung "High-efficiency multilayer dielectric diffraction gratings" von M.D. Perry et al. in Optics Letters, Vol. 20, No. B, April 15, 1995, Seite 940-942 sind ferner Auf­ licht-Phasengitter bekannt, in denen eine reflek­ tierende Schicht aus einem Stapel mit mehreren di­ elektrischen Teilschichten aufgebaut ist. Die al­ ternierend angeordneten Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex wirken dabei in bekannter Art und Weise als dielektrische Spiegelschicht. Dem einfallenden Lichtbündel zugewandt ist eine struk­ turierte Gitteroberfläche vorgesehen. Zwar erreicht man mit einer derartigen Anordnung relativ hohe Beugungseffizienzen und einen zuverlässigen, harten Schichtaufbau, jedoch bereitet die erforderliche Strukturierung der Oberfläche den gleichen verfah­ renstechnischen Aufwand, der bereits eingangs er­ wähnt wurde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Auflicht-Phasengitter zu schaffen, das die er­ wähnten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine einfache Fertigung ermöglicht sowie eine hohe Beugungseffizienz sicherstellt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Auflicht-Pha­ sengitter mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters ergeben sich aus den Maßnah­ men der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Auflicht- Phasengitters gewährleistet nunmehr zum einen den gewünschten hohen Reflexionsgrad der unteren Schicht inclusive einer guten Haftung der darüber angeordneten Schichten. Zum anderen ist gleichzei­ tig sichergestellt, daß die üblicherweise resultie­ renden Probleme an der obersten Schicht im Zusam­ menhang mit der Strukturierung minimiert werden. So ist hierbei keine aufwendige, Tiefenstrukturierung der Oberfläche erforderlich, vielmehr können nahezu planare Strukturen gefertigt werden, was verfah­ renstechnisch deutlich weniger aufwendig ist. Hier­ für können etwa bekannte Maskentechnologien einge­ setzt werden.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungs­ gemäßen Auflicht-Phasengitters ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spieles anhand der beiliegenden Figur.

Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Auf­ licht-Phasengitters in einer Schnitt-Darstellung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters ist ausgehend von einem Substrat (1) eine bestimmte Anordnung der darüber vorgesehenen Schichten vor­ gegeben. Das Substratmaterial (1) ist so gewählt, daß es eine möglichst große Stabilität sowohl ge­ genüber mechanischen als auch thermischen Belastun­ gen aufweist. Insbesondere eignet sich hierzu etwa Zerodur, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nahezu Null ist. Als alternative Substratmateria­ lien kommen aber auch Quarzglas, andere optische Gläser, Stahl, wie etwa Invar sowie Keramik oder Silizium in Betracht. Die Stabilität im Hinblick auf mögliche temperaturbedingte Volumen- oder Län­ genänderungen ist vor allem beim Einsatz des er­ findungsgemäßen Auflicht-Phasengitters in Meßsyste­ men zur hochpräzisen Erfassung der Relativlage zweier Objekte von Bedeutung.

Über dem Substrat (1) sind zwei unterschiedliche Schichten (I, II) vorgesehen, die voneinander be­ abstandet angeordnet sind. Beide Schichten (I, II) wirken zumindest für einen Teil des darauf auf­ treffenden Lichtes reflektierend. Die oberste, dem einfallenden Licht zugewandte Schicht (I) sei hier­ bei im folgenden als erste Schicht bezeichnet, während die dem Substrat (1) zugewandte Schicht (II) als zweite Schicht (II) bezeichnet wird. Zwi­ schen den beiden Schichten (I, II) ist eine Ab­ standsschicht (2) vorgesehen, die im wesentlichen transparent für die einfallende Strahlung ist.

Die obere, erste Schicht (I) ist als Amplituden­ gitter ausgeführt, das periodisch abwechselnde Be­ reiche unterschiedlicher Transmission und Reflexion aufweist, im folgenden als Striche und Lücken be­ zeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bereiche hoher Reflexion (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) als nahezu planare, strichförmige Bereiche eines Materials mit hohem Reflexionsvermögen ausgeführt. Als geeignetes Material hierfür kommt beispielswei­ se Chrom in Betracht, das in einer Dicke von 30-50 nm aufgebracht wird. Die typische Strichbreite be­ trägt ca. die Hälfte der gewählten Gitterperiode.

Alternativ kommen beispielsweise auch Gold oder Titannitrid innerhalb dieser Schicht (I) als Ma­ terial der reflektierenden Bereiche (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) in Frage.

Zwischen den Bereichen hoher Reflexion (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) sind diejenigen Bereiche (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) der ersten Schicht (I) angeordnet, durch die die einfallenden Lichtbündel in Richtung der zwei­ ten Schicht (II) durchgelassen werden, d. h. im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel demzufolge eine vollkommene Transmission ermöglichen.

Verfahrenstechnisch läßt sich die erste Schicht (I) relativ problemlos über bekannte Photolithogra­ phie-Methoden herstellen bzw. strukturieren. Der­ artige photolithographische Verfahren zur Gitter­ strukturierung sind z. B. aus der bereits zitierten EP 0 160 784 hinlänglich bekannt.

Zwischen der Abstandschicht (2), auf die später noch näher eingegangen wird, und dem Substrat (1) ist die zweite Schicht (11) angeordnet, die primär eine Reflexion der durch die transparenten Bereiche (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) bzw. Lücken der ersten Schicht (I) tretenden Lichtbündel bewirkt. Hierbei besteht die zweite Schicht (II) aus einer dielektrischen Spiegelschicht, die sich aus mehreren alternierend angeordneten Teilschichten (5, 6) mit hohem und niedrigem Brechungsindex zusammensetzt. Die Bre­ chungsindizes für das Teilschichtmaterial mit hohem Brechungsindex liegen etwa zwischen 1,8 und 3,0. Für die Teilschichten (6) mit niedrigem Brechungs­ index wird ein Material gewählt, dessen Brechungs­ index typischerweise in einem Bereich zwischen 1,3 und 1,5 liegt.

Als geeignete Materialien für die Teilschicht (5) mit hohem Brechungsindex kommt z. B. Ta₂O₅ oder aber TiO₂ in Betracht. Für die Teilschicht (6) mit nie­ drigem Brechungsindex kann SiO₂ oder MgF₂ gewählt werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Schichtpaket der zweiten Schicht (II) insgesamt fünf Teilschichten (5) mit hohem Brechungsindex, während vier Teilschichten (6) mit niedrigem Bre­ chungsindex vorgesehen sind. Generell liegt die Anzahl der Teilschicht-Paare für die zweite Schicht (II) des erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters etwa zwischen 4 und 7. Ab etwa 5 vorgesehenen Teil­ schicht-Paaren ist ein relativ konstantes Reflexi­ onsvermögen zu erwarten, d. h. auch eine erhöhte Anzahl von Teilschicht-Paaren bedeutet keine we­ sentliche Verbesserung hinsichtlich des Reflexions­ vermögens der zweiten Schicht (II) mehr.

Um die gewünschte, optimale Reflexionswirkung der zweiten Schicht (II) zu erreichen, ist die Dicke der Teilschichten mit dem Brechungsindex n (5, 6) derart auf die einfallende Lichtwellenlänge λ abge­ stimmt, daß die Schichtdicke d für beispielsweise gewünschten senkrechten Einfall gemäß folgender Beziehung gewählt wird:

d = λ/4n

Im Fall der Verwendung von Licht mit der Wellen­ länge λ = 670 nm und einer SiO₂-Schicht (n = 1,45) be­ trägt die Schichtdicke unter senkrechtem Einfall demzufolge d = 116 nm. Für den Fall eines nicht-senk­ rechten Einfalls geht in den Nenner der obigen Be­ ziehung ein Korrekturfaktor cos₁ ein, wobei ₁ den Brechungswinkel zum Lot in der entsprechenden Schicht angibt.

Aufgrund der oben erläuterten Dimensionierungsvor­ schrift ergeben sich natürlich unterschiedliche Schichtdicken für die Teilschichten (5, 6) mit ver­ schiedenen Brechungsindizes, d. h. die Teilschichten (5) mit dem hohen Brechungsindex sind dünner als die Teilschichten (6) mit dem niedrigen Brechungs­ index.

Wie bereits angedeutet, bewirkt die zweite Schicht (II) eine nahezu vollständige Reflexion der einfal­ lenden Strahlung. Zudem erweist sich als vorteil­ haft, daß die dielektrische Spiegelschicht (II) ausreichend hart ist, so daß eine gute Haftung auf dem angrenzenden Substrat (I) sowie mit der Ab­ standsschicht (2) gewährleistet ist. Es resultiert eine hinreichende mechanische Belastbarkeit des gesamten erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters.

Die zwischen den beiden Schichten (I, II) angeord­ nete Abstandsschicht (2) ist in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls aus dem Material gefer­ tigt, aus dem die Teilschichten (6) mit dem niedri­ gerem Brechungsindex in der zweiten Schicht (II) bestehen. Durch die geeignete Wahl der Dicke d_A der Abstandsschicht (2) läßt sich definiert die ge­ wünschte resultierende Phasenverschiebung der von den verschiedenen Reflexionsebenen reflektierten Teilstrahlenbündel einstellen. Die Schichtdicke liegt bei Verwendung von SiO₂ für die Abstands­ schicht (2) und Strahlung der Wellenlänge λ =670 nm zwischen 0 nm und 200 nm. Im Sonderfall der Schicht­ dicke d_A = 0 fungiert die oberste Schicht des di­ elektrischen Schichtstapels quasi als Abstands­ schicht.

Die Optimierung der Schichtdicke d_A im Hinblick auf die jeweiligen Anforderungen erfolgt jeweils über geeignete numerische Verfahren.

Als vorteilhaft erweist sich beim erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitter ferner, wenn die erste Schicht (I) mit einer Schutzschicht versehen wird und derart die mechanische Belastbarkeit verbessert wird. Als geeignetes Material für eine derartige Schutzschicht kommt z. B. SiO₂ in Betracht, das in einer Dicke von ca. 100 nm aufgebracht wird. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist im übrigen keine Schutzschicht auf.

Wie bereits oben angedeutet findet das erfindungs­ gemäße Auflicht-Phasengitter beispielsweise Verwen­ dung in einer interferentiell arbeitenden Positi­ onsmeßeinrichtung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 387 520 bekannt ist. Hierbei kommt das Auf­ licht-Phasengitter vorzugsweise in einer sogenann­ ten Littrow-Anordnung zum Einsatz, wie auch in der Figur durch die entsprechenden Pfeile angedeutet werden soll, d. h. der Beugungswinkel der -1. Beu­ gungsordnung ist gleich dem Einfallswinkel des ein­ fallenden Lichts.

Darüberhinaus sind jedoch auch andere Einsatzge­ biete möglich, wo ebenfalls eine hohe mechanische Stabilität sowie eine möglichst einfache Fertigung gefragt sind.

Claims (16)

1. Auflicht-Phasengitter mit mindestens zwei durch eine durchgehende Abstandsschicht (2) getrenn­ ten Schichten (I, II), die mindestens einen Teil des auftreffenden Lichtes reflektieren, wobei eine erste, dem einfallenden Licht zuge­ wandte Schicht (I) als Amplitudengitter mit periodisch abwechselnden Bereichen (3.1, 4.1, 3.2, 4.2, 3.3, 4.3, 3.4, 4.4) unterschiedlicher Transmission und Reflektivität ausgebildet ist, und eine zweite Schicht (II) als dielektrische Spiegelschicht ausgebildet ist, bestehend aus mehreren alternierenden Teilschichten (5, 6) mit hohem und niedrigem Brechungsindex.

2. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei zwischen der ersten und zweiten Schicht (I, II) eine Abstandsschicht (2) vorgesehen ist, die aus dem Teilschicht-Material der zweiten Schicht (II) mit niedrigem Brechungsindex ge­ bildet ist.

3. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei die Schichten (2, 5, 6, I, II) auf einem Sub­ strat (1) angeordnet sind.

4. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 3, wobei als Material für das Substrat (1) Zerodur ge­ wählt ist.

5. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 3, wobei als Material für das Substrat (1) Quarzglas gewählt ist.

6. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 3, wobei als Material für das Substrat (1) Stahl gewählt ist.

7. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Bereiche (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) der ersten Schicht (I) aus Chrom gebildet sind.

8. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex für die Teilschichten (5) mit dem höherem Brechungsindex im Bereich zwi­ schen 1,8 und 3,0 liegt.

9. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex für die Teilschichten (6) mit dem niedrigeren Brechungsindex im Bereich zwischen 1,3 und 1,5 liegt.

10. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei als Material für die Teilschichten (5) mit ho­ hem Brechungsindex Ta₂O₅ gewählt ist.

11. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei als Material für die Teilschichten (6) mit nie­ drigem Brechungsindex SiO₂ gewählt ist.

12. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei zwischen 4 und 7 Schichtpaare innerhalb der zweiten Schicht (II) vorgesehen sind.

13. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei für den Fall des nicht-senkrechten Einfalls von Strahlung mit der Wellenlänge λ die einzelnen Teilschichten (5, 6) der zweiten Schicht (11) jeweils eine Dicke d = λ/(4n _* cosΘ₁) aufweisen und mit n der Brechungsindex der jeweiligen Schicht bezeichnet ist sowie Θ₁ den Brechungs­ winkel zum Lot in der jeweiligen Teilschicht (5, 6) angibt.

14. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 13, wobei das Auflicht-Phasengitter in einer Littrow-An­ ordnung eingesetzt ist.

15. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei über der ersten Schicht (I) eine Schutzschicht angeordnet ist.

16. Verwendung eines Auflicht-Phasengitters nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Po­ sitionsmeßeinrichtung.