BINÄR GEB AZETES DIFFRAKTIVES OPTISCHES ELEMENT
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 effektive 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 effektive Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, sowie ein ein solches Element enthaltendes Objektiv, insbesondere ein Projektionsobjektiv der Mikrolithogra- phie.
Klassische geblazete Gitter weisen im Querschnitt dreieckige, insbesondere sägezahnförmige Beugungsstrukturen auf, die im Abstand der Gitterkonstanten g parallel zueinander verlaufen. Eine Flanke der Beugu ingsstrukturen, 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 Blaze-
BESTATIGUNGSKOPIE
flanke 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 Mastergit- ter 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 wach- sendem 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 beruhen 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. "Diffractive 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 effektive Wellenlänge ist.
In dem Artikel von Philippe Laianne 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 ge- blazete 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 Sub- strukturen sehr kleingliedrig sind und ein sehr hohes Aspektverhältnis (Strukturhöhe zu Strukturbreite) besitzen. 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 Erstreckungsrich- tung der Beugungsstrukturen direkt aneinander anstoßen, aber auch einen Abstand voneinander aufweisen.
Gleiches gilt für die Richtung senkrecht zur Erstrek- kungsrichtung der Beugungsstrukturen.
Zweckmäßig ist, wenn die Seitenfläche der Einzel-Sub- Strukturen 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 beson- ders geeignet, bei der die Einzel-Substrukturen in Pro-
jektion auf die Substratebene zumindest annähernd die Gestalt eines Dreieckes aufweisen.
Die Einzel-Substrukturen können dabei in Projektion auf die Substratebene die Gestalt von gleichschenkligen Drei- ecken 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 Substrat- ebene 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 diffrak- tiver optischer Elemente als einfacher Blazegitter. So ist es beispielsweise möglich, das funktionale Verhalten eines Sinusgitters dadurch zu erzielen, daß die EinzelSubstrukturen 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 lithogra- phischen 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 Beugungsstruk- turen 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 Verän- derung 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 gesam- te Fläche des optischen Elements aufintegrierte 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 Beu- gungsstrukturen 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 uner- wünschten 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 der- jenigen 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 Beugungsstrukturen 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 quasi-kontinuierlicher 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 ni. und haben eine Höhe h, die der Gleichung
genügt, wobei λ
v die Vakuumwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element ausgelegt ist, und n
2 der Brechungsindex des Mediums ist, welches die Einzel-Substrukturen umgibt. Die Einzel-Substrukturen können erhaben auf der Oberfläche des diffraktiven optischen Elements, beispielsweise als Ergebnis 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 ni aufweisen, der sich von dem Brechungsindex n2 des lateral umgebenden Materials unterscheidet. Beide Brechungsindizes ni und n 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 her- stellen, 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 mehrschich- tiger 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 unmit- telbar 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 zuein- ander, 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.
Falls das phasenmodulierende optische Element für besonders kurzwelliges Licht bestimmt ist, so ist vorzugsweise zwischen den Beugungsstrukturen eine Ausgleichsschicht angeordnet, deren Material und Dicke so gewählt sind, daß die Absorptionswirkung des phasenmodulierenden optischen Elements über dessen Fläche hinweg zumindest annähernd homogen ist. Ohne eine solche Ausgleichsschicht wäre das Absorptionsvermögen des optischen Elements räumlich inhomogen, da bei sehr kurzen Wellenlängen, etwa im Bereich des weichen Röntgenlichts, keine phasenretardierenden, Materialien zur Verfügung stehen, deren Absorptionsvermögen vernachlässigbar ist.
Wenn die Ausgleichsschicht aus einem Material besteht, dessen Absorptionsvermögen größer ist als dasjenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen bestehen, und dessen phasenretardierende Wirkung kleiner ist als diejenige dieses Materials, so kann die Ausgleichsschicht dün- ner als die Beugungsstrukturen ausgeführt werden.
Im Falle eines amplitudenmodulierenden optischen Elements sind die Einzel-Substrukturen von einer Beschichtung gebildet, deren Transmission vernachlässigbar, insbesondere kleiner als 1%, ist.
Falls das amplitudenmodulierende optische Element für besonders kurzwelliges Licht bestimmt ist, so ist auch hier vorzugsweise, analog zum Fall der phasenmodulierenden optischen Elemente, zwischen den Beugungsstrukturen eine Ausgleichsschicht angeordnet, deren Material und Dicke so gewählt sind, daß die phasenretardierende Wirkung des amplitudenmodulierenden optischen Elements über dessen Fläche hinweg zumindest annähernd homogen ist. Ohne eine solche Ausgleichsschicht wäre der Einfluß auf die Phase hindurchtretender elektromagnetischer Strahlung räumlich inhomogen, da bei sehr kurzen Wellenlängen, etwa im Bereich des weichen Röntgenlichts, keine absorbierenden Materialien zur Verfügung stehen, deren retardierende Wirkung vernachlässigbar ist.
Wenn die Ausgleichsschicht aus einem Material besteht, dessen phasenretardierende Wirkung größer ist als diejenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen bestehen, und dessen Absorptionsvermögen kleiner ist als diejenige dieses Materials, so kann die Ausgleichsschicht dünner als die Beugungsstrukturen ausgeführt werden.
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.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die maximalen Abmessungen p mindestens zweier Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung innerhalb einer Beugungsstruktur ungleich. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Beugungswirkung des optischen Elements durch dieses Aufbrechen der strengen Periodizität sogar verbessert werden kann, da sogenannte Stitching- oder Alignment- Fehler vermieden werden, die bei streng periodischen Anordnungen sehr kleiner Strukturen entstehen und zu uner- wünschtem Streulicht führen können.
Vorzugsweise sind diese Abmessungen p zufallsverteilt. Für zufallsverteilte Abmessungen von Subwellenlängen- strukturen von Antireflexionsgittern ist in einem Aufsatz von H. Ichikawa, Journal of Modern Optics, 2202, Vol. 49, Nr. 11, Seiten 1893 - 1906, nachgewiesen worden, daß die Zufallsverteilung das Reflexionsvermögen praktisch nicht nennenswert beeinträchtigt. Dafür wird jedoch das Signal- Rausch-Verhältnis auf Kosten der Transmission verkleinert, und zwar selbst dann, wenn einzelne Subwellenlän- genstrukturen größer sind, als dies die Beugungsbedingung eigentlich zuläßt. Diese Wirkung kann auch für die erfindungsgemäßen Beugungsstrukturen ausgenutzt werden.
Die Zufallsverteilung kann z. B. eine Gaußverteilung sein, deren Zentralwert kleiner als die durch die Beu- gungsbedingung vorgegebene maximale Strukturgröße sein sollte. Die Abmessungen p können aber auch innerhalb eines Intervalls gleichverteilt sein, das diese maximale,
von der Beugungsbedingung vorgegebene Strukturgröße enthält. Innerhalb eines solchen Intervalls können aber auch beliebige andere Verteilungen der Abmessungen p vorliegen.
Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die maximalen Abmessungen p der Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung innerhalb einer Beugungsstruktur der Bedingung
0,8 • λ < p < 1,2 • λ
genügen, wobei λ die effektive Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element bestimmt ist und die senkrecht auf das opti- sehe Element einfällt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen
Figur 1: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem binär geblazeten Phasengitter;
Figur 2: in vergrößertem Maßstab und ebenfalls perspektivisch eine Einzel-Substruktur des Phasengitters von Figur 1;
Figuren 3a und 3b: Ansichten von Phasengittern, ähnlich der Figur 1, mit jedoch abgewandelten EinzelSubstrukturen;
Figur 4: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Si- nus-Phasengitter;
Figur 5: eine schematische Draufsicht auf eine Fresnel- sche Zonenplatte;
Figur 6: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Phasengitter, das einen Bereich mit klassisch ge- blazeten und einen Bereich mit binär geblazeten
Beugungsstrukturen aufweist;
Figur 7: ein Phasengitter ähnlich wie in Figur 6, jedoch mit einem Zwischenbereich zwischen den Bereichen mit klassisch geblazeten und binär gebla- zeten Beugungsstrukturen;
Figur 8: ein anderes Ausführungsbeispiel für ein Phasengitter mit einem Zwischenbereich zwischen den Bereichen mit klassisch und binär geblazeten BeugungsStrukturen;
Figur 9: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem diffraktiven optischen Element, das aus zwei übereinander angeordneten Phasengittern nach Figur 6 besteht;
Figur 10: perspektivisch einen Ausschnitt aus einem anderen Ausführungsbeispiel eines binär geblazeten Phasengitters, das zwischen den Beugungsstrukturen eine Ausgleichsschicht aufweist;
Figur 11: einen Teilschnitt durch das in der "Figur 10 gezeigte Phasengitter in einer vergrößerten Darstellung;
Figur 12: eine schematische Draufsicht auf ein weiteres
Beispiel für ein Phasengitter mit zufällig ver- teilten Abmessungen der Einzel-Substrukturen in
Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen.
Das in Figur 1 dargestellte, geblazete Phasengitter besteht aus einem transmissiven Material mit einem Brechungsindex ni. 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 anein- anderstoßen, entspricht ihre Breite g der klassischen
Gitterkonstanten. Die Größe von g ist, um Beugungseffekte erzielen zu können, größer als die effektive Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung im Material mit dem Brechungsindex nx, für die das Phasengitter bestimmt ist. Die effektive Wellenlänge λ ist dabei gegeben durch
- 1!
wobei λv die Wellenlänge im Vakuum ist.
Jede Beugungsstruktur 1 setzt sich ihrerseits aus einer Vielzahl von unmittelbar aneinander gesetzten EinzelSubstrukturen 2 zusammen, die jeweils die Gestalt eines gleichseitigen, sehr hohen Dreieckes aufweisen. Die Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 besitzen eine Länge p, die kleiner als die effektive Wellenlänge der ver- wendeten 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 EinzelSubstrukturen 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 Figur 1 nach links, durch eine ebene vertikale Fläche und auf der anderen Seite, in Figur 1 nach rechts, durch eine sägezahnförmige Lateral- Struktur begrenzt sind.
Die Höhe h der Einzel-Substrukturen 2 ergibt sich aus der Forderung nach einer vollwelligen Phasenretardierung durch die Einzel-Substrukturen 2:
In dieser Gleichung ist λ
v die Vakuumwellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung und n
2 der Brechungsindex des Mediums, das die Einzel-Substrukturen 2 umgibt. Bei der dargestellten erhabenen Bauweise der Ein- zel-Substrukturen 2 ist n
2 also beispielsweise der Brechungsindex von Luft.
Die in Figur 1 dargestellte Struktur eines Phasengitters wird mit Prozeßtechnologien hergestellt, wie sie aus der Halbleiterindustrie bekannt sind. Ein ebenes Ausgangssub- strat 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 Figur 1 schematisch dargestellten Einzel-Substrukturen 2 durch Treppenkurven angenähert, wie dies der Figur 2 zu entnehmen ist. Bei den besten derzeit verfügbaren Maskenschreibern liegt die Schreibgenauigkeit im Bereich von 5 bis 10 Nanome- tern. Bei einer Wellenlänge des sichtbaren Spektralbereichs ergibt sich hierbei unter Beachtung der Nebenbedingung, daß die Größe p kleiner als die effektive Wellenlänge λ sein soll, die Möglichkeit, die Einzelstruktu- ren der Figur 2 mit zehn oder mehr Rasterstufen zu schreiben. Auf diese Weise läßt sich eine Beugungseffizienz von über 80% erreichen.
Figur 3a zeigt ein geblazetes Phasengitter mit EinzelSubstrukturen 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 Hypotenusen der Einzel-Substrukturen 102 werden wieder durch eine Treppenkurve angenähert.
Die Einzel-Substrukturen 202 des in Figur 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 Figuren 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 Figuren 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 struktu-
rierte, ebenfalls vertikale Fläche begrenzt. Die Beugungsstrukturen 1, 101 bzw. 201 weisen somit bezüglich ihrer Erstreckungsrichtung keine Symmetrie auf. Dies ist bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ei- nes Phasengitters anders. Dieses besitzt Beugungsstrukturen 301, die sich aus spiegelsymmetrischen EinzelSubstrukturen 302 zusammensetzt. Die Breite p dieser Einzel-Substrukturen 302 in Erstreckungsrichtung der Beugungsstruktur 301 ist wieder kleiner als die effektive 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 effektiven 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 Figur 4 symmetrisch zu einer Mittelebene der Einzel-Substrukturen 302, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 30 verläuft, inkrementiert . Insofern entspricht das Ausführungsbeispiel der Figur 4 demjenigen der Figur 2. Auch eine asymmetrische Ausgestaltung in Analogie zu Figur 3b wäre möglich.
Das in Figur 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 Figur 4 macht darüber 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 Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Elementes dargestellt, welches anders als die Ausführungsbeispiele der Figuren 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 Figur 1 die Form hoher gleichschenkliger Dreiecke, deren Grundseiten aneinandergelegt sind. Die Grundseiten dieser Ein-
zel-Substrukturen 402 liegen nunmehr jedoch nicht auf Geraden, sondern auf konzentrischen Kreisen.
Figur 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 Bk mit klassisch geblazeten, d. h. im Profil rampenförmi- gen Beugungsstrukturen 503. Die Gitterkonstanten gi dieser klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503 nehmen kontinuierlich, d. h. von Beugungsstruktur zu Beugungsstruktur, in der mit 4 bezeichneten Richtung ab, so daß gx > g2 > g3 > g4 > g5 > g6 gilt.
Das Element weist einen weiteren Bereich Bb mit binären Beugungsstrukturen 501 auf, die wie in Figur 1 gezeigt ausgeführt sind. Die Breite gj der Beugungsstrukturen
501, die der Gitterkonstanten klassischer Beugungsstrukturen entspricht, nimmt in diesem Bereich Bb ebenfalls in der mit 4 bezeichneten Richtung ab, so daß g7 > g8 > g9 > gio > gn gilt.
Da außerdem die Strukturbreiten g3 der Beugungsstrukturen 501 in dem binär geblazeten Bereich Bb kleiner sind als die Gitterkonstanten gi in dem klassisch geblazeten Bereich Bk, wird auf diese Weise eine kontinuierlich über die in Figur 6 ausschnittsweise gezeigte Ausdehnung des diffraktiven optischen Elements variierende Gitterkonstante erzielt. Der bei rein klassisch geblazeten Elemen-
ten 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 Bk und dem binär geblazeten Bereich Bb 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 Figur 7 gezeigt. Das dort dargestellte diffraktive optische Element entspricht weitgehend dem in Figur 6 gezeigten, jedoch ist dort zwischen dem klassisch geblazeten Bereich Bk und dem binär geblazeten Bereich Bb wie vorstehend angesprochen ein Zwischenbereich Bz angeordnet, in dem die Beugungsstrukturen 501' verstimmt sind. Dadurch ist in dem Zwischenbe- reich Bz die Beugungseffizienz geringer als in dem entsprechenden Bereich in Figur 6 mit der Gitterkonstanten g7. Andererseits ist die Beugungseffizienz in diesem Zwi-
schenbereich Bz größer als in dem benachbarten Bereich Bk mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503. Die Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich Bz 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 Bz ein sprungfreier Übergang der Beugungseffizienz erzielen.
Figur 8 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einem anderen Phasengitter, dessen Funktion im wesentlichen derjenigen des in Figur 7 gezeigten Phasengitters entspricht. Die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503a weisen hier ein Rampenprofil auf, das durch eine Treppen- kurve angenähert ist. Ferner umfaßt der Zwischenbereich Bz 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 Figur 1 gezeigt ist. Derart unmittelbar aufeinander aufgebrachte EinzelSubstrukturen 502a und 502b können im Wege eines zweistufigen Ätz- und Lithographieprozesses hergestellt werden. Die Wirkung der zweischichtig ausgeführten Beugungsstruk- turen 5011' und 5012' in dem Zwischenbereich Bz entspricht weitgehend derjenigen von Beugungsstrukturen, wie sie in der EP 1 160 589 AI beschrieben sind. Anschaulich gesprochen können die zweischichtig aufgebauten Beugungs-
Strukturen 5011' und 5012' als eine Kombination binär ge- blazeter und klassisch geblazeter Beugungsstrukturen angesehen werden. Dabei erlaubt es der mit jeder Höhenstufe gewonnene zusätzliche Freiheitsgrad, die Beugungswirkung der Beugungsstrukturen noch genauer einzustellen.
Figur 9 zeigt ein weiteres diffraktives optisches Element, bei dem zwei der in Figur 6 gezeigten Phasengitter einander gegenüberliegen. Der Zwischenraum zwischen 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 lithographisch 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 lithographisch 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 dün- nen Metallschicht, zwischen den beiden Teilelemen-ten 600a und 600b verhindert werden.
Bei den obigen diffraktiven Elementen beruhte die phasenschiebende Wirkung der Einzel-Substrukturen auf dem längeren Weg, den die elektromagnetische Strahlung durch die erhaben auf der Oberfläche des optischen Elementes ausge- bildeten Einzel-Substrukturen zurücklegen muß. Die Pha- senretardierung kann aber auch dadurch bei in das Material des optischen Elementes eingebetteten EinzelSubstrukturen 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. Alterna- tiv kann die Struktur auch durch Herauslösen von Atomen aus einem bereits dotierten Substrat, also durch die Erzeugung 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 Figuren 1 bis 7 können in diesem Falle so interpretiert werden, daß die aus dem Substrat herausgeätzten Beugungs-
Strukturen 1, 101, 201, 301, 401, 501 durch eine Schicht mit vernachlässigbarem Transmissionsvermögen ersetzt ist. Derartige Schichten können mit kommerziell verfügbaren photolithographischen Maskenverfahren hergestellt werden. Beispielsweise können Chromschichten mit einer Dicke von 80 nm bis 100 nm eingesetzt werden.
Bei diffraktiven optischen Elementen, die sehr kurzwelligem Licht im weichen Röntgenbereich, d. h. Wellenlängen λ in der Größenordnung einiger Nanometer, ausgesetzt werden sollen, stehen allerdings weder Materialien zur Verfügung, die rein phasenretardierend sind, ohne dabei nennenswert zu absorbieren, noch Materialien, die absorbieren, aber die Phase des Lichts nicht nennenswert beeinflussen. Würde man eines der vorstehend beschriebenen Phasengitter bei derart kurzen Wellenlängen betreiben, so hätte dies zur Folge, daß sich die Wirkungen eines Phasengitters mit denjenigen eines Amplitudengitters in unerwünschter Weise überlagern. Die Absorption des Phasengitters würde dann lokal variieren. Entsprechendes gilt umgekehrt für ein Amplitudengitter.
Die Figuren 10 und 11 zeigen in einer an die Figur 1 angelehnten perspektivischen Darstellung bzw. einem vergrö¬ ßerten Teilschnitt entlang der Linie XI-XI einen Ausschnitt aus einem Phasengitter, bei dem die Absorption über die gesamte Ausdehnung des Phasengitters konstant ist. Zu diesem Zweck weist das Phasengitter außerhalb von Beugungsstrukturen 701, die genauso wie die in der Figur
1 gezeigten Beugungsstrukturen 1 ausgeführt sind, eine ebene, von den Beugungsstrukturen 701 durchbrochene Ausgleichsschicht 705 konstanter Dicke auf. Die Materialien für die Beugungsstrukturen 701 und die Ausgleichsschicht 705 sowie deren Dicken h bzw. d sind derart gewählt, daß die dünnere Ausgleichsschicht 705 die gleiche" Absorptionswirkung hat wie die dickeren Beugungsstrukturen 701. Da die Ausgleichsschicht 705 neben der absorbierenden Wirkung eine - wenn auch geringe - phasenretardierende Wirkung hat, muß diese bei der Auslegung der Dicke h der Beugungsstrukturen 701 berücksichtigt werden, damit die Phasendifferenz den gewünschten Betrag von 2π aufweist. Ferner ist natürlich die Wahl der Dicken h und d so zu treffen, daß die Absorptionswirkung nicht nur gleichmä- ßig, sondern auch möglichst gering ist.
Beispiele für die Berechnung der Dicken h und d für Materialien mit unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes ni, n3 mit ni = δj +ißj, j = 1, 3 (n2 ist als Brechungsindex des umgebenden Mediums, z. B. Luft, bereits vergeben) finden sich in der US 2003/0081316 A, in der ein ähnlicher mehrschichtiger Aufbau für an sich bekannte binäre oder gestufte Phasengitter beschrieben ist, die für einen Einsatz bei äußerst kurzen Wellenlängen vorgesehen sind. Der Inhalt der US 2003/0081316 A wird deswegen vollum- fänglich zum Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung gemacht.
Es versteht sich, daß bei Verwendung des Phasengitters in doppeltem Durchtritt, z. B. durch Einsatz eines reflek-
tierenden Substrats 706, sich die Dicken h und d jeweils halbieren .
Als Substrat 706, auf dem die Beugungsstrukturen 701 und die Ausgleichsschicht 705 aufgebracht sind, kann z. B. eine dünne Membran verwendet werden, wie sie "in der
US 2003/0081316 A vorgeschlagen wird. Zur Herstellung des Phasengitters wird auf dieses Substrat 706 ein Material mit Brechungsindex ni = δi +ißι aufgebracht, das vorwiegend phasenretardierend (Ißil « 1) ist. Die Strukturie- rung des Materials erfolgt in an sich bekannter Weise photolithographisch. Nach dem Wegätzen der photolithographisch definierten Bereiche, die die Beugungsstrukturen 701 umgeben, wird ein zweites Material mit einer Höhe d aufgebracht, wobei dieses Material mit Brechungsindex n3 = δ3 +iß3 überwiegend absorbierend ist (|δ3| « 1). Derjenige Teil dieses Materials, der sich auf dem die Beugungsstrukturen 701 bedeckenden Photolack befindet, wird mit diesem in einem Lift-Off-Prozeß entfernt. Es verbleibt dann das in den Figuren 10 und 11 gezeigte Phasen- gitter.
Analog hierzu lassen sich auch Amplitudengitter herstellen, deren Wirkung auf die Phase hindurchtretenden sehr kurzwelligen Lichts örtlich weitgehend homogen ist. Die Rollen der beiden oben angesprochenen Materialien sind hierfür zu vertauschen. Dies bedeutet konkret, daß die Beugungsstrukturen 701 in diesem Fall aus einem überwiegend absorbierenden Material bestehen, während die Aus-
gleichsschicht 705 aus einem überwiegend phasenretardierenden Material besteht.
Die Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Phasengitter, bei dem die maxi- malen Abmessungen pi der Einzel-Substrukturen 802 in der mit einem Doppelpfeil 4 angedeuteten Erstreckungsrichtung innerhalb einer Beugungsstruktur 801 zufallsverteilt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß Licht mit einer effektiven Wellenlänge λ senk- recht auf das Phasengitter trifft, dessen Beugungsstrukturen 801 einen Brechungsindex ni haben. Die maximalen Abmessungen pi der Einzel-Substrukturen 802 der Erstrek- kungsrichtung 4 genügen dabei der Bedingung
0,8 - λ < pι < l,2 - λ .
Dies bedeutet, daß einige dieser Abmessungen pi auch größer als die effektive Wellenlänge λ sind. Dennoch wird durch das Phasengitter hindurchtretendes Licht nicht in mehr als eine Beugungsordnung gebeugt, da die Abmessungen Pi im Mittel noch geringfügig kleiner sind als die effek- tive Wellenlänge λ.
Das in der Figur 12 gezeigte Phasengitter ist einfacher herzustellen, da die Abmessungen pi statistisch schwanken und teilweise auch über die effektive Wellenlänge λ hinausgehen dürfen.
Die statistischen Schwankungen haben zusätzlich den Vorteil, daß sogenannte Stitching- oder Alignment-Fehler vermieden werden, die bei periodischen Anordnungen sehr kleiner Strukturen entstehen und zu unerwünschtem Streu- licht führen können.