DE69932130T2

DE69932130T2 - Optisches system mit antireflektierender beschichtung

Info

Publication number: DE69932130T2
Application number: DE69932130T
Authority: DE
Inventors: J. Johannes SCHLEIPEN; W. Godert LEIBRANDT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2002515142A; EP0991960A2; DE69932130D1; WO1999056157A2; EP0991960B1; KR100606870B1; WO1999056157A3; TW407214B; US6243203B1; KR20010014091A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zum Lenken eines elektromagnetischen Strahlenbündels, wobei das System eine antireflektierende Beschichtung an mindestens einem Übergang von einem ersten Medium zu einem zweiten Medium umfasst.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine optische Vorrichtung, in der ein derartiges optisches System eingesetzt wird, zum Beispiel eine optische Abtastvorrichtung oder ein lithographisches Projektionsgerät.
Bei dem optischen System kann es sich um ein Linsensystem handeln, das eine, mehrere oder eine große Anzahl von Linsenelementen umfasst, wobei jede der Linsenoberflächen einen genannten Übergang bildet, nämlich den Übergang zwischen dem Linsenmaterial, zum Beispiel Glas oder einem synthetischen Material, und dem die Linse umgebenden Medium, zum Beispiel Luft. Das optische System kann alternativ andere Komponenten als Linsenelemente enthalten, zum Beispiel einen Strahlenteiler, eine doppelbrechende Platte oder dergleichen.
Es ist üblich, auf Übergängen eine optische Beschichtung oder Verkleidung, zum Beispiel eine antireflektierende Beschichtung, anzubringen, um zu verhindern, dass bei den genannten Übergängen unerwünschte Reflexionen auftreten. Derartige Reflexionen reduzieren nicht nur die Transmission durch diese Übergänge, sondern haben auch zur Folge, dass die reflektierte Strahlung unerwünschte Stellen in dem betreffenden optischen Gerät erreichen kann, wo sie störend sein kann.
Ein optisches Gerät, das sehr weit verbreitet ist und derzeit in großen Stückzahlen gefertigt wird, ist das Abspielgerät für einen optischen Aufzeichnungsträger, in dem ein Audioprogramm gespeichert ist, wobei das Gerät als CD-Spieler bekannt ist. Dieses Gerät umfasst unter anderem eine Objektivlinse, vorzugsweise in Form eines einzelnen Linsenelements mit ein oder zwei asphärischen Oberflächen, mit dem ein von einem Diodenlaser stammendes Abtaststrahlenbündel zu einem Abtastfleck mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 μm auf die Informationsebene der Platte fokussiert wird. Für neue Anwendungen von optischen Aufzeichnungsträgern, zum Beispiel als Speichermedi um für ein digitales Audioprogramm und für ein Videoprogramm oder einen Film, in digitaler oder nicht digitaler Form, muss der Informationsinhalt eines derartigen Aufzeichnungsträgers erheblich vergrößert werden, so dass also bei gleich bleibenden Abmessungen des Aufzeichnungsträgers die Informationsdichte erheblich vergrößert werden muss. Das bedeutet, dass die Informationselemente, zum Beispiel in der Form von Pits in der Informationsschicht, in der die Informationen in codierter Form gespeichert werden, erheblich verkleinert werden müssen. Um die kleineren Informationselemente noch separat auslesen zu können, muss auch der Abtastfleck verkleinert werden. Die Größe des Abtastflecks ist proportional zu λ/NA, wobei λ die Wellenlänge des Abtastbündels und NA die numerische Apertur des Objektivsystems ist. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, ein Abtaststrahlenbündel mit einer kleineren Wellenlänge, zum Beispiel 650 nm anstelle der üblichen 860 oder 780 nm, zu verwenden und die numerische Apertur des Objektivsystems zu vergrößern.
In dem Artikel „High-numerical-aperture lens systems for optical recording", erschienen in Optics Letters, Band 18, Nr. 4, 15. Februar 1993, Seite 305–307, ist beschrieben, wie die numerische Apertur in einer Abtastvorrichtung für optische Aufzeichnungsträger erheblich vergrößert werden kann, nämlich indem zwischen der üblichen Objektivlinse und dem Aufzeichnungsträger eine plankonvexe Linse angeordnet wird, deren flache Seite dem Aufzeichnungsträger zugewandt ist. Diese plankonvexe Linse wird in Analogie zu den in Mikroskopen verwendeten Immersionslinsen auch als SIL bezeichnet (SIL: solid immersion lens; Festkörper-Immersionslinse). Mit der Kombination aus Objektivlinse und plankonvexer Linse kann eine numerische Apertur von 0,85 realisiert werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Abtaststrahlenbündel bei Verwendung eines derartigen optischen Systems mit einer großen numerischen Apertur nach dem Durchqueren der Linsenkombination keine gleichmäßige Intensitätsverteilung mehr aufweist, so dass der durch dieses Strahlenbündel gebildete Abtastfleck nicht mehr die gewünschte Qualität besitzt. Dies hat zur Folge, dass die Qualität des Auslesesignals erheblich herabgesetzt wird.
In JA 08271807 A wird ein optisches Illuminationssystem für ein Endoskop beschrieben. Dieses System umfasst ein optisches Element mit einer antireflektierenden Beschichtung für den parallelen Fluss von aus einem Lichtleiter emittierten Licht. Der Lichtfluss wird durch das optische Element um eine optische Achse herum gestreut. Die antireflektierende Beschichtung ist auf derartige Weise optimiert, dass sie für bestimmte Einfallswinkel eine minimale Reflexion aufweist. Dies kann durch unterschiedliche Schichtdicken erreicht werden. Die antireflektierende Beschichtung ist in Felder aufgeteilt, wobei jedes Feld eine unterschiedliche Dicke von MgF₂ hat.
In JP 10160906 A wird ebenfalls eine Linse mit einer antireflektierender Beschichtung beschrieben. Diese antireflektierende Beschichtung ist auf einer Vorderseite und auf einer Rückseite der Linse aufgebracht. Die Beschichtung aus MgF₂ besteht aus einer Gruppe von konzentrischen Ringen, wobei die Beschichtung für jeden Ring eine konstante Dicke über die Fläche hat, aber die Dicken der einzelnen Ringe unterschiedlich sind. Jede Dicke ist für unterschiedliche Einfallswinkel optimiert. Außerdem wird beschrieben, dass sich die Dicke der antireflektierenden Beschichtung stufenlos ändert und gemäß dem Abstand vom Kern der Linse entsprechend dem Einfallswinkel des Lichtflusses gebildet wird.
Beide oben genannten Systeme haben den Nachteil, dass diese Beschichtungen sehr schwer herzustellen sind.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein optisches System mit einer großen numerischen Apertur für unter anderem ein Abtastgerät für optische Aufzeichnungsträger zu schaffen, das die Intensitätsverteilung eines das optische System durchquerenden Strahlenbündels nicht beeinflusst. Dieses optische System ist dadurch gekennzeichnet, dass eine antireflektierende Beschichtung mindestes zwei Teilbeschichtungen umfasst, die für verschiedene Einfallswinkel maximal antireflektierend sind, wobei die Teilbeschichtungen aus mindestens zwei Schichten bestehen, die für verschiedene jeweilige Einfallswinkel maximal antireflektierend sind. Die Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Randstrahlengänge des Strahlenbündels bei größeren numerischen Aperturen unter einem derart großen Winkel, zum Beispiel größer als 40° zu der Normalen zur Linsenoberfläche, auf die Linsenoberfläche und auf die auf dieser Oberfläche angebrachte antireflektierende Beschichtung fallen, dass eine Standardbeschichtung für diese Strahlengänge ihre Wirkung verliert. Die Transmission des betreffenden Linsenelements wird daher von dem Abstand zur optischen Achse abhängig sein; die Transmission wird in dem Maße kleiner, wie der Abstand zur optischen Achse zunimmt. Erfindungsgemäß wird dieses neue Problem dadurch gelöst, dass man anstelle einer Standardbeschichtung, die für einen Einfallswinkel von 0° optimiert ist, eine Kombination aus einer Reihe von Teilbeschichtungen verwendet, die jeweils für einen an deren Einfallswinkel optimiert sind. Eine derartige zusammengesetzte Beschichtung behält die gewünschte Wirkung für eine große Streuung von Einfallswinkeln, wie sie bei einer großen numerischen Apertur auftreten.
Eine Teilbeschichtung in dem optischen System kann im Prinzip aus einer einzelnen Schicht bestehen, deren Produkt von Dicke und Brechungsindex einen bestimmten Wert hat. Vorzugsweise ist das optische System weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilbeschichtung aus mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichem Material besteht.
Eine aus zwei Schichten bestehende Teilbeschichtung hat ebenso wie eine aus einer einzelnen Schicht bestehende Teilbeschichtung eine Reflexion gleich 0 % für den Winkel, für den sie entworfen wurde, im Folgenden Entwurfswinkel genannt, darüber hinaus jedoch eine kleine Reflexion, zum Beispiel kleiner als 1 %, für einen kleinen Bereich von Einfallswinkeln rund um den Entwurfswinkel. Anstelle von aus zwei Schichten bestehenden Teilbeschichtungen können auch Teilbeschichtungen verwendet werden, die aus drei oder mehr Schichten bestehen. Eine aus drei Schichten bestehende Beschichtung hat eine kleine Reflexion über einen breiteren Bereich von Einfallswinkeln, wobei die Reflexion für den Entwurfswinkel etwas größer als null Prozent ist.
Eine praktische Ausführungsform des optischen Systems, die für eine numerische Apertur in der Größenordnung von 0,85 geeignet ist, ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen Stapel von sieben zweischichtigen Teilbeschichtungen umfasst, jeweils bestehend aus zwei Schichten aus unterschiedlichem Material, wobei die Teilbeschichtungen für Einfallswinkel von 0°, 15°, 30°, 40°, 45°, 50° bzw. 55° maximal antireflektierend sind.
Mit dieser Anzahl von Teilbeschichtungen und der begrenzten Gesamtzahl von Schichten sowie der Wahl der Einfallswinkel, für die die Teilbeschichtungen optimiert sind, kann ein optisches System mit der genannten numerischen Apertur realisiert werden, das eine nahezu gleichmäßige Transmission aufweist.
Statt dass die Beschichtung nur Teilbeschichtungen mit einer gleichen Anzahl von Schichten umfasst, kann das optische System dadurch gekennzeichnet sein, dass die Beschichtung eine Kombination aus zweischichtigen Teilbeschichtungen und dreischichtigen Teilbeschichtungen mit drei Schichten aus unterschiedlichen Materialien umfasst.
Eine derartige Beschichtung vereint in sich die Vorteile von zweischichtigen Teilbeschichtungen und dreischichtigen Teilbeschichtungen.
Die zweischichtigen und dreischichtigen Teilbeschichtungen können auf unterschiedliche Weise angeordnet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform des optischen Systems mit einer derartigen Beschichtung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen ersten Stapel aus zweischichtigen Teilbeschichtungen und einen zweiten Stapel aus dreischichtigen Teilbeschichtungen umfasst.
Eine attraktive Ausführungsform des optischen Systems mit dieser Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stapel jeweils acht Teilbeschichtungen umfassen, die für Einfallswinkel von 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 55° bzw. 60° maximal antireflektierend sind.
Die Erfindung kann in unterschiedlichen Arten von optischen Systemen Anwendung finden. Als erste Anwendung kann ein optisches System in der Form eines Linsensystems mit mindestens einem Linsenelement, dessen beide Linsenoberflächen jeweils einen genannten Übergang bilden, genannt werden. Ein derartiges Linsensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenoberflächen mit der genannten Beschichtung versehen sind.
Das Linsensystem kann auch zwei bis zahlreiche Linsenelemente umfassen, wobei auf denjenigen Linsenoberflächen, bei denen ein durch das Linsensystem hindurch tretendes Strahlenbündel einen großen Öffnungswinkel aufweist, Beschichtungen gemäß der Erfindung aufgebracht sind.
Das Linsensystem kann Teil eines größeren optischen Systems sein, in dem auch andere Elemente als Linsenelemente angeordnet sein können, zum Beispiel ein Strahlenteiler, der meist unter einem Winkel von 45° zum Hauptstrahlengang des Strahlenbündels angeordnet ist und auf den die Strahlengänge mit sehr unterschiedlichen Einfallswinkel auftreffen können, oder eine doppelbrechende Platte, zum Beispiel in der Form einer λ/4-Platte. Auch diese Elemente können mit erfindungsgemäßen Beschichtungen versehen sein. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf diese Elemente in Kombination mit Linsenelementen beschränkt, sondern umfasst auch diese Linsenelemente als alleinstehende Elemente oder als Elemente, die mit anderen optischen Systemen als Linsensystemen kombiniert sind.
Ein besonderes Linsensystem ist eine lithographische Projektionslinse, die eine große Anzahl von Linsenelementen umfasst und vorzugsweise eine möglichst große numerische Apertur hat, um möglichst kleine Details eines Maskenmusters, zum Beispiel eines IC-Musters, abbilden zu können.
Ein anderes besonderes Linsensystem ist die bereits genannte Kombination einer Objektivlinse und einer plankonvexen Linse, deren konvexe Oberfläche der Objektivlinse zugewandt ist. Diese Kombination kann in einer Auslesevorrichtung für optische Aufzeichnungsträger verwendet werden, aber auch zum Beispiel in einem optischen Mikroskop.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein lithographisches Projektionsgerät mit einer UV-Strahlungsquelle zum Liefern eines Projektionsstrahlenbündels, einem Maskenhalter zum Aufnehmen einer zu projizierenden Maske, einem Substrathalter zum Aufnehmen eines Substrats, auf das die Maske projiziert werden soll, und mit einem zwischen dem Maskenhalter und dem Substrathalter angebrachten Projektionssystem. Dieses Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionssystem ein optisches System wie oben beschrieben ist.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine optische Abtastvorrichtung zum Abtasten eines optischen Aufzeichnungsträgers mit einer Informationsfläche und einem transparenten Substrat, wobei die Vorrichtung mit einer Strahlungsquelle zum Liefern eines Abtaststrahlenbündels und mit einem Linsensystem zum Konvergieren des Abtaststrahlenbündels durch das Substrat zu einem Abtastfleck auf der Informationsschicht versehen ist. Diese Abtastvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem durch die genannte Kombination einer Objektivlinse und einer plankonvexen Linse gebildet wird, wobei die flache Seite der plankonvexen Linse dem Substrat zugewandt ist.
Diese und andere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und werden unter Bezugnahme darauf erläutert. Es zeigen
1 die verschiedenen Einfallswinkel auf die Oberflächen eines Linsenelements innerhalb eines Strahlenbündels;
2 den Effekt der verschiedenen Einfallswinkel auf die Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlenbündels;
3 die Reflexionskoeffizienten für S- und P-polarisierte Strahlung als Funktion des Einfallswinkels für Beschichtungen mit unterschiedlicher Schichtenanzahl und einem Entwurfswinkel von 0°;
4 den mittleren Reflexionskoeffizient als Funktion des Einfallswinkels für zwei verschiedene zweischichtige Beschichtungen mit einem Entwurfswinkel von 0° bzw. 50°;
5 eine Ausführungsform eines Linsenssystems mit einer großen numerischen Apertur;
6 eine erste Ausführungsform einer antireflektierenden Beschichtung gemäß der Erfindung;
7 die Transmission als Funktion des Abstands zur optischen Achse für das Linsensystem aus 5 für verschiedene antireflektierende Beschichtungen, unter anderem diejenigen gemäß der Erfindung;
8 eine zweite Ausführungsform einer antireflektierenden Beschichtung gemäß der Erfindung, und
9 eine Ausführungsform einer Abtastvorrichtung für optische Aufzeichnungsträger, in der die Erfindung angewendet wird.
1 zeigt ein Linsenelement 1, das Teil eines Linsensystems oder eines anderen optischen Systems sein kann, auf das ein Strahlenbündel b fällt. Das Linsenelement besteht aus einem Linsenkörper 2 aus Glas oder einem transparenten synthetischen Material, auf dessen Oberflächen 5 und 6 antireflektierende Schichten 7 und 8 aufgebracht sind. Von dem Strahlenbündel b sind zwei Strahlengänge b₁ und b₂ wiedergegeben, die unterschiedliche Abstände h₁ und h₂ zu der optischen Achse OO' haben. Aufgrund dieser unterschiedlichen Abstände und der Krümmung der Linsenoberfläche 5 sind die Einfallswinkel α₁ und α₂, unter denen diese Strahlengänge auf die Linsenoberfläche und damit auf die antireflektierende Schicht 7 fallen, unterschiedlich. In dem Maße, wie der Abstand zur optischen Achse zunimmt, wird auch der Einfallswinkel größer.
Die einfachste antireflektierende Beschichtung für die Linsenoberflächen ist eine einschichtige Beschichtung bestehend aus einer einzigen Materialschicht mit einem bestimmten Brechungsindex n und einer bestimmten Dicke d, so dass die optische Dicke D = n × d genau ein Viertel der Wellenlänge des auftreffenden Strahlenbündels b ist. Durch das Aufbringen einer antireflektierenden Beschichtung entstehen zwei Übergänge, nämlich ein erster Übergang von Luft oder einem anderen umgebenden Medium zum Material der antirefektierenden Schicht und ein zweiter Übergang von diesem Material zu dem Linsenmaterial. Wenn Strahlung reflektiert wird, stammt sie zu einem Teil von dem ersten Übergang und zum restlichen Teil von dem zweiten Übergang. Falls die optische Dicke der antireflektierenden Beschichtung, also der Abstand zwischen den Übergängen, ein Viertel der Wellenlänge beträgt, ist die von dem zweiten Übergang stammende reflektierte Strahlung genau 180° phasenverzögert gegenüber der von dem ersten Übergang stammenden reflektierten Strahlung. Es tritt dann eine destruktive Interferenz zwischen den reflektierten Strahlungsanteilen auf, so dass das reflektierte Strahlenbündel erlischt, mit anderen Worten, die Reflexion von der Linsenoberfläche plus der antireflektierenden Beschichtung ist gleich Null.
Die genannte Phasendifferenz ist bekanntlich abhängig von der Wellenlänge des Strahlenbündels b. Da der Einfallswinkel die Weglänge bestimmt, die ein Strahlengang oder ein Teil des Strahlenbündels in der antireflektierenden Beschichtung zurücklegt, ist die Phasendifferenz auch von dem Einfallswinkel abhängig. Dies hat zur Folge, dass die destruktive Interferenz nur für eine gegebene Wellenlänge und einen gegebenen Einfallswinkel vollständig ist. Für die vorliegende Erfindung ist nur die Abhängigkeit vom Einfallswinkel von Bedeutung. Diese Abhängigkeit manifestiert sich vor allem für die Randstrahlengänge oder Randteile des Strahlenbündels, weil deren Einfallswinkel größer sind als die der Strahlengänge oder Strahlenbündelteile, die nahe oder entlang der optischen Achse verlaufen. Wenn die antireflektierende Beschichtung, wie dies üblich ist, für einen Einfallswinkel gleich Null entworfen wurde, also für einen Strahlenbündelteil, der entlang der optischen Achse verläuft, dann ist diese Beschichtung für die Strahlenbündelteile, die sich in zunehmendem Abstand von der optischen Achse befinden, immer weniger wirksam. Für die Strahlenbündelteile, die sich in zunehmendem Abstand von der optischen Achse befinden, wird ein immer größerer Teil reflektiert und ein immer kleinerer Teil durchgelassen. Das bedeutet, dass das aus dem Linsenelement austretende Strahlenbündel keine gleichmäßige Intensität mehr hat.
Bei Verwendung des Linsenelements als Ausleseobjektiv oder Teil eines derartigen Objektivs in einer Abtastvorrichtung für optische Aufzeichnungsträger hat der mit Hilfe dieses Objektivs gebildete Strahlungsfleck nicht mehr die gewünschte gleichmäßige Intensität. Dies ist in 2 veranschaulicht. In dieser Figur ist ID_b die Intensitätsverteilung des auf das Objektiv Obj auftreffenden Strahlenbündels, TR_obj die Transmissionseigenschaft des Objektivs und ID_sp die Intensitätsverteilung des gebildeten Abtastflecks. Es wird davon ausgegangen, dass das eintreffende Strahlenbündel eine gleichmäßige Intensität aufweist. In dem linken Teil von 2 ist die ideale Situation dargestellt. Das Objektiv hat eine konstante Transmission über den gesamten Durchmesser und die Intensität des mit dem Objektiv gebildeten Abtastflecks weist eine so genannte Airy-Verteilung auf, das heißt, eine möglichst schmale und möglichst hohe zentrale Keule und einige Nebenkeulen, die so niedrig wie möglich sein müssen. Als Maß für die Größe des gebildeten Flecks wird im Allgemeinen die Halbwertsbreite d genommen, das heißt die Breite an derjenigen Position, an der die Intensität auf die Hälfte der Intensität im Zentrum abgenommen hat. Falls, wie im rechten Teil von 2 dargestellt, die Transmission des Objektivs TR'_obj von der Mitte zum Rand hin abnimmt, also eine gaußsche Verteilung aufweist, dann hat auch der mit diesem Objektiv gebildete Strahlungsfleck eine gaußsche Intensitätsverteilung ID'_sp. Die Halbwertsbreite d' und damit die Größe des Abtastflecks sind im Prinzip größer als die im linken Teil von 2.
Das Maß, in dem die Wirkung der antireflektierenden Beschichtung von dem Einfallswinkel abhängig ist, also das Maß, in dem die Intensität des aus dem Objektiv austretenden Strahlenbündels nicht gleichmäßig ist, wird durch die numerische Apertur der Objektivlinse bestimmt. Bei den bisher üblichen Objektivlinsen mit einer numerischen Apertur in der Größenordnung von 0,45 ist die Wirkung vernachlässigbar. Für zukünftige Objektivlinsen mit einer größeren numerischen Apertur, zum Beispiel in der Größenordnung von 0,85, bei der Einfallswinkel bis 40° und mehr vorkommen können, kann die Intensität am Rand des Strahlenbündels um mehr als 10 % abnehmen.
Die Erfindung schafft eine antireflektierende Beschichtung, die nahezu keine Einfallswinkelabhängigkeit aufweist und mit der auch bei größeren numerischen Aperturen unter anderem ein Strahlenbündel mit einer gleichmäßigen Intensität und einem Abtastfleck mit Airy-Verteilung erlangt werden kann. Erfindungsgemäß besteht die Beschichtung aus einer Anzahl Teilbeschichtungen, die ihrerseits wieder zusammengesetzt sein können und zum Beispiel aus zwei oder drei Schichten bestehen können.
3 zeigt die Einfallswinkelabhängigkeit einer zweischichtigen Teilbeschichtung (2-L) und einer dreischichtigen Teilbeschichtung (3-L), beide optimiert für einen Entwurfswinkel α 3_d von 0° und eine Entwurfswellenlänge von 650 nm. Der Einfallswinkel α ist auf der horizontalen Achse aufgetragen und der Reflexionskoeffizient in % ist auf der vertikalen Achse aufgetragen. Zu Vergleichszwecken ist auch der Verlauf des Reflexionskoeffizienten als Funktion des Einfallswinkels für einen unbeschichteten Luft-Glas-Übergang (0-L) dargestellt. Da die Polarisation der Strahlung bei Einfallswinkeln ungleich 0° eine Rolle spielen wird, sind in 3 sowohl der Reflexionskoeffzient für S-Polarisation (S) als auch der Reflexionskoeffizient für P-Polarisation (P) und auch der Mittelwert (AV) dieser Reflexionskoeffizienten dargestellt.
4 zeigt den mittleren Reflexionskoeffizient R als Funktion des Einfallswinkels α für eine erste zweischichtige Teilbeschichtung, die für einen Entwurfswinkel von 0° optimiert ist, und für eine zweite zweischichtige Teilbeschichtung, die für einen Entwurfswinkel von 50° optimiert ist. Wie in der Figur zu sehen, ist die zweite Teilbeschichtung für größere Einfallswinkel wirksam als die erste Teilbeschichtung. Wenn die Grenze für die maximal zulässige Reflexion auf 1 % eingestellt wird, ist die erste Teilbeschichtung für Einfallswinkel von bis zu 40° nutzbar, während die zweite Teilbeschichtung für Einfallswinkel von ca. 25° bis 50° nutzbar ist. Die zweite Beschichtung eignet sich jedoch nicht für Einfallswinkel, die kleiner als ca. 25° sind.
Erfindungsgemäß schafft jedoch eine Kombination aus Teilbeschichtungen, die für verschiedene Entwurfswinkel optimiert sind, die Möglichkeit zur Anpassung der Nettotransmission durch einen Übergang zwischen zwei Medien, zum Beispiel einen Luft-Glas-Übergang, oder durch eine Anzahl dieser Übergänge.
Ein Beispiel für eine Reihe derartiger Übergänge ist in 5 dargestellt. Diese Figur zeigt ein Linsensystem, das für eine Abtastvorrichtung für optische Aufzeichnungsträger mit einer sehr hohen Informationsdichte vorgesehen ist. Das Linsensystem umfasst eine Objektivlinse 10 mit Linsenoberflächen 11 und 12, die das von links kommende, zum Beispiel parallele Strahlenbündel b konvertiert, und eine plankonvexe Linse 15 mit den Linsenoberflächen 16 und 17, die das Strahlenbündel auf einen Abtastfleck 24 auf der Informationsebene 21 des optischen Aufzeichnungsträgers fokussiert, von dem nur das transparente Substrat dargestellt ist. Dieses System umfasst vier brechende Oberflächen 11, 12, 16 und 17, an denen Reflexion auftreten kann. Wenn auf den Linsenoberflächen keine antireflektierende Beschichtung oder nur eine einzige standardmäßige reflektierende Beschichtung aufgebracht ist, die für einen Entwurfswinkel von 0° optimiert ist, erwirbt das anfangs homogene Strahlenbündel, dessen Strahlengänge alle die gleiche Intensität aufweisen, eine inhomogene Strahlungsverteilung, nachdem es das Linsensystem durchquert hat, weil die Strahlengänge, die weiter von der optischen Achse entfernt liegen, eine reduzierte Intensität haben, weil die Gesamttransmission des Linsensystems für diese Strahlengänge reduziert ist. Die Randintensität kann daher um mehr als 10 % abnehmen. Indem man eine angepasste Kombination von Teilbeschichtungen auf jeder der vier Linsenoberflächen aufbringt, kann dafür gesorgt werden, dass das Strahlenbündel auch nach dem Durchqueren des Linsensystems noch homogen ist. Dabei wird die Transmission der weiter von der optischen Achse entfernt liegenden Teile des Linsen erhöht, während die Transmission der zentralen Teile dieser Linsen nur geringfügig verringert wird.
Bei dem Bestimmen der geeigneten Kombinationen von Teilbeschichtungen können verschiedene Randbedingungen vorgegeben werden, zum Beispiel, dass die Streuung der Transmission minimal ist oder dass sowohl die Streuung minimal ist als auch der Mittelwert der Transmission mindestens 95 % beträgt.
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen antireflektierenden Beschichtung, die für ein Linsensystem gemäß 5 mit einer numerischen Apertur von 0,85 und einer Wellenlänge von 650 nm geeignet ist, umfasst eine Kombination aus sieben zweischichtigen Teilbeschichtungen, deren Schichten aus den bekannten antireflektierenden Materialien SiO₂ und TiO₂ bestehen. Diese Beschichtung ist in 6 dargestellt. Die Teilbeschichtungen sind mit den Bezugszeichen 25, 30, 35, 40, 45, 50 bzw. 55 bezeichnet, und die Schichten dieser Teilbeschichtungen sind mit den Bezugszeichen 26, 27, 31, 32, 36, 37, 41, 42, 46, 47, 51, 52, 56 bzw. 57 bezeichnet. Die verschiedenen Teilbeschichtungen sind für Entwurfswinkel von 0°, 15°, 30°, 40°, 45°, 50° bzw. 55° optimiert. Für die Berechnung wurden sechs Strahlengänge herangezogen, von denen einer mit der optischen Achse zusammenfällt, während die anderen in zunehmendem Abstand von dieser Achse verlaufen. Der Einfallswinkel von jedem dieser Strahlengänge auf jede dieser Oberflächen kann mit Hilfe von geeigneten Computerprogrammen festgelegt werden, die als „Ray Tracing"-Programme bekannt sind. Anschließend können die Beschichtungen für die verschiedenen Linsenoberflächen mit Hilfe von ähnlich bekannten speziellen Computerprogrammen, wie den als „TFCalc" und „FilmStat Design" bekannten Programmen, optimiert werden. Hierdurch erhält man die Rezeptur für die Beschichtung, das heißt die Dicke d und den Brechungsindex n der einzelnen Schichten.
7 zeigt die Gesamttransmission für die sechs Strahlengänge des Systems aus 5, dessen Linsenoberflächen mit dieser Ausführungsform der antireflektierenden Beschichtung (CC) versehen sind. Auf der horizontalen Achse ist der mit dem Strahlengang der Pupille normalisierte Abstand zur optischen Achse (h/Rp) aufgetragen und auf der vertikalen Achse die Gesamttransmission (Tt). Zum Vergleich sind auch die Transmission für den Fall der Verwendung einer standardmäßigen zweischichtigen Beschichtung mit einem Entwurfswinkel von 0° (SC) und die Transmission für den Fall, dass keine Beschichtung verwendet wird (NC), dargestellt. Aus dieser Figur kann abgeleitet werden, dass für die optimierte Kombinationsbeschichtung (CC) die Standardabweichung der Transmission für die verschiedenen Strahlengänge 1,35 % beträgt und zentrale Trans mission 95,5 %, während die Transmission am Rand 93,38 % beträgt. Für die standardmäßige Beschichtung SC beträgt die Streuung 3,84 %, die zentrale Transmission beträgt 100 % und die Transmission am Rand 90,34 %.
Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsform der Kombinationsbeschichtung nur für den Entwurfswinkel optimiert ist. Noch bessere Ergebnisse können erzielt werden, wenn in der neuen Beschichtung auch dreischichtige Teilbeschichtungen vorgesehen sind.
7 zeigt, dass eine gleichmäßigere Transmission über die gesamte Pupille des Linsensystems mit einer reduzierten Transmission in der Mitte der Pupille einhergeht. Über die gesamte Pupille integriert ist jedoch die gesamte durchgelassene Intensität nicht viel geringer, und bei einer besser optimierten Beschichtung sogar mehr, als im Fall der Verwendung einer standardmäßigen Beschichtung SC. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Strahlenbündel mit flacher Wellenfront gerade an seinen Rändern die größte Intensität aufweist und daher die Abnahme der Transmission am Rand eine erhebliche Reduzierung der Gesamtintensität zur Folge hat.
8 zeigt eine Ausführungsform der neuartigen Beschichtung, bei der sowohl zweischichtige Teilschichten als auch dreischichtige Teilschichten verwendet werden. Die Beschichtung besteht aus einem ersten Stapel P₁ von acht zweischichtigen Teilbeschichtungen 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 und 95 sowie einem zweiten Stapel von dreischichtigen Teilschichten 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130 und 135. Die Schichten der Teilbeschichtungen sind mit separaten Bezugszeichen bezeichnet, zum Beispiel 61 und 62 für die Teilbeschichtung 60 und 136, 137 und 138 für die Teilbeschichtung 135, um anzugeben, dass diese Schichten nicht nur unterschiedliche Brechungsindices haben, sondern auch unterschiedlichen Dicken haben können. Die Schichten der zweischichtigen Teilschichten können aus den bekannten antireflektierenden Materialien SiO₂ und TiO₂ bestehen und die Schichten der dreischichtigen Teilbeschichtungen aus den ebenfalls bekannten antireflektierenden Materialien Al₂O₃, ZrO₂ und MgF₂. Die Teilbeschichtungen beider Stapel sind für Einfallswinkel von 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 55° bzw. 60° optimiert.
9 zeigt eine Ausführungsform einer Abtastvorrichtung für einen optischen Aufzeichnungsträger 140, in der die Erfindung verwendet werden kann. Der Aufzeichnungsträger hat ein transparentes Substrat 142, das mit einer Informationsschicht 143 versehen ist. Auf der vom Substrat abgewandten Seite der Informationsschicht kann eine Schutzschicht 144 zum Schutz der Informationsschicht gegen Umgebungseinflüsse vorge sehen werden. In der Informationsschicht sind Informationen in optisch detektierbaren Informationselementen gespeichert, die in parallelen Spuren oder in einer spiralförmigen Spur angeordnet sind. Die Informationselemente können jede optisch detektierbare Form haben und bestehen zum Beispiel aus Pits oder Bereichen mit einem anderen Reflexionskoeffizient oder einer anderen Magnetisierungsrichtung als ihre Umgebung.
Die Abtastvorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle 146, zum Beispiel einen Halbleiterlaser, der ein divergierendes Abtaststrahlenbündel 147 aussendet. Dieses Strahlenbündel wird durch einen Strahlenteiler 148, zum Beispiel in der Form einer teilweise durchlässigen Platte, zu einem Linsensystem reflektiert. Dieses Linsensystem enthält eine Kollimatorlinse 149, eine Objektivlinse 150 und eine plankonvexe Linse 151. Die Kollimatorlinse verändert das divergierende Strahlenbündel zu einem parallelen Strahlenbündel 152. Dieses Strahlenbündel und die Objektivlinse 150 sowie die plankonvexe Linse 151 entsprechen dem Strahlenbündel b und den Linsen 10 und 15 aus 5. Die Objektivlinse 150, die eine optische Achse 153 hat, verändert das parallele Strahlenbündel 152 zu einem konvergierenden Strahlenbündel 154, das auf die Linse 151 fällt. Die Kollimatorlinse 149 und die Objektivlinse können in einer Linse kombiniert sein. Die plankonvexe Linse verändert das darauf auftreffende Strahlenbündel 154 zu einem konvergierenden Strahlenbündel 155, das auf die Informationsschicht 143 fokussiert wird. Die flache Seite der plankonvexen Linse 151 ist dem transparenten Substrat zugewandt, so dass sich zwischen dieser Linse und dem Substrat ein Spalt befindet. Obwohl die Objektivlinse in der Figur als ein einfaches Linsenelement dargestellt ist, kann sie aus mehreren Linsenelementen bestehen. Die Strahlung vom konvergierenden Strahlenbündel 155, die durch die Informationsschicht 143 reflektiert wird, bildet ein reflektiertes Strahlenbündel 157, das auf dem Weg des weitergeführten Strahlenbündels 154 zurückkehrt. Die Objektivlinse 150 und die Kollimatorlinse 149 verändern das Strahlenbündel 157 zu einem konvergierenden reflektierten Strahlenbündel 158 und der Strahlenbündelteiler 148 lässt einen Teil dieses Strahlenbündels zum Detektionssystem 159 hindurch. Dieses System setzt die durch die Informationsschicht modulierte Strahlung in ein Informationssignal 160 um, das die ausgelesenen Informationen darstellt.
Die Oberflächen der Linsen 150 und 151 sind mit antireflektierenden Beschichtungen 161, 162, 163, und 164 versehen, die wie oben beschrieben aufgebaut sind.
Außer auf den Linsenoberflächen kann eine derartige Beschichtung auch auf Oberflächen von anderen Elementen der Vorrichtung aufgebracht werden, insbesondere auf denjenigen Oberflächen, wo das Strahlenbündel einen großen Öffnungswinkel hat. Als Beispiel kann der Strahlenteiler 148 genannt werden, der unter einem Winkel von 45° in dem Strahlenbündel angeordnet ist. Durch diese Orientierung weist der Einfallswinkel der verschiedenen Strahlengänge des Strahlenbündels eine große Variation auf, so dass auch das durch den Strahlenteiler reflektierte Strahlenbündel eine nicht gleichmäßige Intensität bekommen kann. Dies kann verhindert werden, indem man den Strahlenteiler mit einer antireflektierenden Beschichtung versieht, wie sie oben beschrieben wurde.
Wie aus 9 ersichtlich, hat das Abtaststrahlenbündel 155 einen großen Öffnungswinkel im Bereich des Übergangs zwischen Luft und dem transparenten Substrat 142, so dass auch dort Einfallswinkel in der Größenordnung von 40° und mehr vorkommen können. Auch bei diesem Übergang tritt dann das Problem der verminderten Randintensität infolge von Reflexionen auf. Dieses Problem kann gelöst werden, indem man auch bei diesem Übergang eine erfindungsgemäße antireflektierende Beschichtung vorsieht, was eine weitere Anwendung der Erfindung bedeutet.
Es wird jedoch eine andere Lösung für dieses Problem bevorzugt. Diese Lösung besteht aus dem Anpassen der Transmissionseigenschaften des Linsensystems. Indem man über eine geeignete Wahl der Kombination von antireflektierenden Beschichtungen auf den Linsenoberflächen dafür sorgt, dass die Transmission des Linsensystems für den Rand des Strahlenbündels besonders erhöht wird, kann die verringerte Randtransmission am Übergang zwischen Luft und Substrat kompensiert werden.
Die Erfindung kann nicht nur in einer Abtastvorrichtung für optische Aufzeichnungsträger verwendet werden, sondern auch in zahlreichen anderen Geräten und für zahlreiche andere Elemente. Zum Beispiel kann ihre Anwendung auf einer Projektionslinse in einem lithographischen Projektionsgerät genannt werden, mit dem ein Maskenmuster, zum Beispiel ein IC-Muster, repetierend auf ein Substrat abgebildet werden kann. Um Details von minimaler Größe auf dem Substrat abbilden zu können, muss die Projektionslinse eine möglichst große Apertur haben, so dass auch dort die Strahlengänge des Projektionsstrahlenbündels unter sehr unterschiedlichen Winkeln auf die Oberflächen einer großen Anzahl von Linsenelementen auftreffen können, die in einem derartigen Projektionssystem enthalten sind. Auch hier kann mit Hilfe der Erfindung verhindert werden, dass das Projektionsstrahlenbündel infolge dieser verschiedenen Einfallswinkel eine nicht gleichmäßige Intensitätsverteilung bekommt. Es sind zahlreiche Beispiele für das lithographische Projektionsgerät und die lithographische Projektionslinse bekannt. Beispielsweise kann für die Beschreibung eines lithographischen Projektionsgeräts auf das Dokument US-A 4.778.275 verwiesen werden und für die Beschreibung einer Projektionslinse auf EP-A 0 770 895.
Im Allgemeinen kann die Erfindung in optischen Systemen angewendet werden, in denen große numerische Aperturen benötigt oder gewünscht werden.
Das Konzept der Erfindung kann auch benutzt werden, um in optischen Systemen andere Parameter als die Transmission zu optimieren. Ein Beispiel ist die optische Phase eines Strahlenbündels nach dem Durchqueren des optischen Systems. Da durch die Aufbringung von zum Beispiel einer antireflektierenden Standardbeschichtung auf die Oberfläche eines optischen Elements ein Stück optischer Weglänge hinzugefügt wird, kann es hierdurch wieder zu einer Phasenverschiebung innerhalb des Strahlenbündels kommen, die wieder vom Einfallswinkel abhängig ist. Diese Phasenverschiebung kann so berechnet werden, dass eine zusammengesetzte Beschichtung entworfen werden kann, die diese Phasendifferenz kompensiert.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Systeme mit einer großen numerischen Apertur, sondern kann auch in Systemen mit kleinerer numerischer Apertur Anwendung finden, um Nebeneffekte zu minimieren. Bei dem Aufbringen von Beschichtungen besteht zum Beispiel ein Problem darin, dass die Dicke einer gesputterten oder aufgedampften Schicht in dem Maße abnimmt, wie die Normale zu der zu beschichtenden Oberfläche einen größeren Winkel zu der Richtung des Sputter- oder Aufdampfflusses bildet. Für eine antireflektierende Beschichtung bedeutet eine Schichtdickenveränderung eine Veränderung der Reflexionseigenschaften. Dieses Problem kann insbesondere bei einem Linsensystem mit hoher numerischer Apertur zum Auslesen von optischen Platten auftreten, weil dort die konvexe Oberfläche der plankonvexen Linse selbst die Form einer Halbkugel hat. Dieser Effekt des Aufdampfprozesses oder Sputterprozesses kann durch eine angepasste Ausführungsform der erfindungsgemäßen zusammengesetzten Beschichtung kompensiert werden.
Bei dem Entwurf einer Abtastvorrichtung für einen optischen Aufzeichnungsträger mit einer sehr hohen Informationsdichte, in der ein Abtaststrahlenbündel mit einer Wellenlänge im blauen Bereich des Spektrums und ein Objektivsystem mit einer großen numerischen Apertur benutzt werden, ist man bestrebt, diese Vorrichtung auch für das Abtasten der modernen optischen Aufzeichnungsträger mit einer geringeren Informationsdichte geeignet zu machen, damit Kompatibilität erreicht wird. Die letztgenannten Aufzeichnungsträger wurden jedoch entworfen, um mit einem roten Laserstrahlenbündel und einer Objektivlinse mit einer kleineren numerischen Apertur abgetastet zu werden. Um die Abtastvorrichtung für Aufzeichnungsträger mit hoher Dichte für die Abtastung von Aufzeichnungsträgern mit geringerer Dichte geeignet zu machen, kann sie sowohl mit einem Laser, der blaue Strahlung emittiert, als auch mit einem Laser, der rote Strahlung emittiert, ausgestattet werden. Die numerische Apertur des Linsensystems dieser Vorrichtung muss jedoch für die rote Strahlung kleiner sein als diejenige für die blaue Strahlung. Erfindungsgemäß kann dies realisiert werden, indem man die Linsenoberflächen des Linsensystems mit der großen numerischen Apertur mit einer Beschichtung versieht, die an den Rändern farbselektiv ist, das heißt, nur blaue Strahlung durchlässt. Die gewünschte Kompatibilität kann dann realisiert werden, ohne die numerische Apertur zu verändern.

Claims

Optische Vorrichtung mit einer Strahlungsquelle (146) zum Erzeugen eines Strahlenbündels (154) von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge und einem optischen System (2, 148, 149, 150) zum Lenken des genannten Strahlenbündels, wobei das genannte optische System eine antireflektierende Beschichtung (7) auf mindestens einer Übergangsoberfläche (5) von einem ersten Medium zu einem zweiten Medium hat, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte antireflektierende Beschichtung einen Stapel von mindestens zwei Teilbeschichtungen (25, 30) umfasst, die jeweils so optimiert sind, dass jede Teilbeschichtung bei einer bestimmten Wellenlänge des genannten Strahlenbündels für einen anderen Einfallswinkel (α1, α2), unter dem das Strahlenbündel auf die genannte Übergangsoberfläche auftrifft, maximal antireflektierend ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilbeschichtung (25) aus mindestens zwei Schichten (26, 27) aus einem unterschiedlichen Material besteht.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen Stapel von sieben zweischichtigen Teilbeschichtungen umfasst, die jeweils aus zwei Schichten aus einem unterschiedlichen Material bestehen, wobei die Teilschichten für Einfallswinkel von 0°, 15°, 30°, 40°, 45°, 50° bzw. 55° maximal antireflektierend sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Kombination aus zweischichtigen Teilbeschichtungen und dreischichtigen Teilbeschichtungen umfasst, die jeweils aus drei Schichten aus einem unterschiedlichen Material bestehen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen ersten Stapel (P1) von zweischichtigen Teilbeschichtungen und einen zweiten Stapel (P2) von dreischichtigen Teilbeschichtungen umfasst.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stapel jeweils acht Teilbeschichtungen umfassen, die für Einfallswinkel von 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 55° bzw. 60° maximal antireflektierend sind.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische System ein Linsensystem mit mindestens einem Linsenelement ist, dessen beide Linsenoberflächen jeweils die genannte Übergangsoberfläche bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenoberflächen mit der genannten Beschichtung versehen sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem ein lithographisches Projektionssystem ist, dass sich zum Lenken und Konvergieren eines UV-Projektionsstrahlenbündels eignet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem eine Objektivlinse und eine plankonvexe Linse umfasst, deren konvexe Oberfläche der Objektivlinse zugewandt ist.
Lithographisches Projektionsgerät mit einer optischen Vorrichtung wie in Anspruch 8 beschrieben, wobei die Erzeugungsmittel eine UV-Strahlungsquelle zum Liefern eines Projektionsstrahlenbündels umfassen und das lithographische Projektionsgerät einen Maskenhalter zum Aufnehmen einer zu projizierenden Maske und einen Substrathalter zum Aufnehmen eines Substrats, auf das die Maske projiziert werden soll, umfasst, wobei das lithographische Projektionssystem zwischen dem Maskenhalter und dem Substrathalter angeordnet ist.
Optische Abtastvorrichtung zum Abtasten eines optischen Aufzeichnungsträgers mit einer Informationsfläche und einem transparenten Substrat, wobei die optische Abtastvorrichtung eine optische Vorrichtung nach Anspruch 9 umfasst, wobei die Erzeugungsmittel eine Strahlungsquelle zum Liefern eines Abtaststrahlenbündels umfassen, wo bei das Linsensystem zum Konvergieren des Abtaststrahlenbündels durch das Substrat zu einem Abtastfleck auf der Informationsschicht vorgesehen ist und die flache Seite der plankonvexen Linse dem Substrat zugewandt ist.
Verwendung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem optischen System.