WO2004025335A1 - Binär geblazetes diffraktives optisches element - Google Patents

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WO2004025335A1
WO2004025335A1 PCT/EP2003/009285 EP0309285W WO2004025335A1 WO 2004025335 A1 WO2004025335 A1 WO 2004025335A1 EP 0309285 W EP0309285 W EP 0309285W WO 2004025335 A1 WO2004025335 A1 WO 2004025335A1
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diffraction structures
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diffraction
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PCT/EP2003/009285
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Ralf Arnold
Bernd Kleemann
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Carl Zeiss Smt Ag
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    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials

Definitions

  • the invention relates to a binary blazed diffractive optical element with a multiplicity of diffraction structures which extend essentially parallel to one another and have a width g perpendicular to their direction of extension, which is greater than the effective wavelength of the electromagnetic radiation for which the diffractive optical element is optimized , and which are composed of a large number of individual substructures which provide the blaze effect and whose shape in the direction of extension of the diffraction structures has a maximum dimension p which is smaller than the effective wavelength of the electromagnetic radiation, and one containing such an element Objective, in particular a projection objective of microlithography.
  • Classic blazed gratings have triangular, in particular sawtooth-shaped diffraction structures in cross-section, which run parallel to one another at the spacing of the grating constants g.
  • One flank of the diffraction structures, the blaze flank has such an inclination with respect to the base area of the grating that the law of reflection or refraction is fulfilled for a diffraction order of the incident light and thereby the main part of the intensity of the diffracted light into
  • BESTATIGUNGSKOPIE edge preferred order falls.
  • the traditional method of producing such blazed gratings was to use diamonds to carve the diffraction structures into a master grating and then to make corresponding copies of this master grating.
  • this mechanical method is very complex and, on the other hand, reaches its limits at very short wavelengths of light for which the grating is to be used, since the structures to be produced are too small.
  • the stepped profile of the flank increasingly approaches the sawtooth profile of ideal blazed gratings of conventional, mechanically manufactured gratings, whose diffraction efficiency according to scalar theory is in the first Order is 100%.
  • the realization of such a grid is costly and prone to errors due to the need to repeat the process cycle.
  • a first example of such a binary blazed grating is in the article by Joseph N. Mait et al. "Diffractive lens fabricated with binary features less than 60 nm", Optics Letters, March 15, 2000, pages 381 ff.
  • a multitude of lines are used as the substructure, all of which run parallel to the diffraction structure and whose spacing is smaller than the effective wavelength.
  • a common feature of all these attempts to produce binary blazed diffractive optical elements is that the substructures are very small and have a very high aspect ratio (structure height to structure width). Therefore, they are technologically very difficult, expensive and cannot be manufactured with sufficient accuracy.
  • the object of the present invention is to provide a blazed diffractive optical element of the type mentioned at the outset, which can be produced in a process cycle with high resolution.
  • the individual substructures can abut one another directly in the direction of extension of the diffraction structures, but can also be at a distance from one another.
  • the side surface of the individual substructures has the shape of a polygon.
  • the modulation of the effective refractive index or the effective transmission caused by the individual substructures can be tailored according to requirements by appropriate selection of these polygon courses.
  • an essentially linear modulation of the effective refractive index or the effective transmission is desired in order to approximate the effect of a classic, linearly falling blaze flank.
  • an embodiment of the invention is particularly suitable in which the individual substructures are have at least approximately the shape of a triangle.
  • the individual substructures When projected onto the substrate level, the individual substructures can have the shape of isosceles triangles, the base side of which has approximately the length p.
  • An alternative embodiment which is particularly favorable in terms of production technology is characterized in that the individual substructures have the shape of a right-angled triangle when projected onto the substrate plane, the length of a catheter corresponding approximately to the dimension p.
  • the present invention is also suitable for the production of other diffractive optical elements as a simple blaze grating.
  • it is possible to achieve the functional behavior of a sine lattice by delimiting the individual substructures in the projection onto the substrate level in each case by two symmetrically arranged sine curves.
  • a polygonal or curved side surface of the diffraction structures with the aid of the known microlithographic methods can be facilitated in that it is approximated by a staircase curve which corresponds, for example, to the incrementation of the lithographic writer.
  • the lateral side surfaces of the individual substructures need not be composed of flat partial surfaces.
  • these side surfaces can be formed by projection on the substrate plane by one or more elliptical arcs.
  • the exact shape of the side surfaces is determined by the desired local course of the effective refractive index or the effective transmission.
  • the optical element can also have a further area which contains classic blazed diffraction structures with an at least approximately ramp-shaped profile.
  • Such a combination of binary and classically blazed diffraction structures in an optical element is particularly advantageous when the different diffraction efficiencies of the binary and classically blazed diffraction structures are to be used. While in the case of purely classical diffraction structures, a targeted local change in the diffraction efficiency is only possible by detuning, ie by reducing the diffraction efficiency that is possible per se, the use of the binary blazed diffraction structures can also achieve a local increase in the diffraction efficiency.
  • the classically blazed diffraction structures have a grating constant that differs from the width g of the binary diffraction structures perpendicular to their direction of extension. If, for example, the grating constant of the classically blazed diffraction structures is smaller than the width g of the binary diffraction structures, the difference between the respective diffraction efficiencies is particularly large, since the diffraction efficiency of classically blazed diffraction structures decreases significantly towards very small grating constants.
  • the diffraction efficiency should remain approximately constant. Then it is more favorable if the classically blazed diffraction structures have a lattice constant that is greater than the width g of the binary diffraction structures perpendicular to their direction of extension. Those areas of the diffractive optical element with a small lattice constant are thus blazed in binary and therefore have a higher diffraction efficiency in comparison to corresponding classically blazed diffraction structures.
  • This design can in particular take place in such a way that in the intermediate region the diffraction efficiency lies between that of the one region with binary blazed diffraction structures and that of the further region with classically blazed diffraction structures.
  • a reduction in the diffraction efficiency in the intermediate region can be achieved by a targeted local detuning of the diffraction efficiency in the intermediate region, e.g. B. by deviations from the optimal dimensions of the individual substructures from which the diffraction structures are constructed.
  • the detuning can take place, for example, in such a way that a quasi-continuous transition between the diffraction efficiencies of the adjacent areas is achieved with classic or binary blazed diffraction structures.
  • the diffractive optical element according to the invention can be designed both as a phase-modulating element and as an amplitude-modulating element.
  • the diffraction structures consist of transmissive material with the refractive index ni. and have a height h, that of the equation
  • ⁇ v is the vacuum wavelength of the electromagnetic radiation for which the diffractive optical element is designed
  • n 2 is the refractive index of the medium which surrounds the individual substructures.
  • the individual substructures can be raised on the surface of the diffractive optical element, for example as a result of an etching process.
  • the medium surrounding the individual substructures could then be the gas, for example air, in which the diffractive optical element is used, or vacuum or an immersion liquid.
  • the individual substructures can also be embedded in the diffractive optical element and have a refractive index ni that differs from the refractive index n 2 of the laterally surrounding material. Both refractive indices ni and n can also differ from the refractive index of the underlying substrate as well as that of the medium located above.
  • Such individual substructures can be produced, for example, by bombarding a suitable substrate with ion beams through a photolithographically produced mask. These ion beams can change the refractive index of the substrate material by doping, that is, by introducing foreign atoms, or by depletion, that is, by knocking out natural atoms of the substrate.
  • the diffraction structures of the diffractive optical element can also be arranged one above the other in a direction perpendicular to the geometric surfaces of the individual substructures. In this way, a multilayer structure is achieved, regardless of whether the individual layers are flat or curved surfaces. With such multilayer optical elements, additional possibilities are available for setting the diffractive effect of the element locally very precisely.
  • the multilayer structure affects in particular the dependence of the element on the polarization, the angle of incidence and also the wavelength of the incident light.
  • the multilayer structure can be achieved, on the one hand, by applying diffraction structures directly to one another. If the diffraction structures, as described above, are raised on the surface of the diffractive optical element by means of an etching process, then two diffraction structures applied directly to one another can be produced by a two-stage etching process. However, it is also possible to apply the diffraction structures of the different layers to different carriers, which are arranged one above the other, preferably parallel to one another, and spaced apart from one another. Then there are no restrictions on the geometry and orientation of superimposed diffraction structures, as is the case if they are applied directly to one another.
  • phase-modulating optical element is intended for particularly short-wave light
  • a compensating layer is preferably arranged between the diffraction structures, the material and thickness of which are selected such that the absorption effect of the phase-modulating optical element is at least approximately homogeneous across its surface. Without such a compensation layer, the absorption capacity of the optical element would be spatially inhomogeneous, since at very short wavelengths, for example in the area of the soft X-ray light, there are no phase-retarding materials whose absorption capacity is negligible.
  • the compensation layer consists of a material whose absorption capacity is greater than that of the material from which the diffraction structures are made and whose phase-retarding effect is smaller than that of this material, the compensation layer can be made thinner than the diffraction structures.
  • the individual substructures are formed by a coating, the transmission of which is negligible, in particular less than 1%.
  • a compensating layer is preferably arranged between the diffraction structures, the material and thickness of which are selected such that the phase-retarding effect of the amplitude-modulating optical element is above whose surface is at least approximately homogeneous. Without such a compensation layer, the influence on the phase of electromagnetic radiation passing through would be spatially inhomogeneous, since at very short wavelengths, for example in the area of soft X-ray light, there are no absorbent materials whose retarding effect is negligible.
  • the compensation layer consists of a material whose phase retarding effect is greater than that of the material from which the diffraction structures are made and whose absorption capacity is smaller than that of this material, the compensation layer can be made thinner than the diffraction structures.
  • the effect of a lens can be simulated.
  • the optical elements according to the invention are also particularly suitable as lenses in a lens.
  • the maximum dimensions p of at least two individual substructures in the direction of extension are unequal within a diffraction structure. It has been shown that the diffraction effect of the optical element can even be improved by breaking up the strict periodicity, since so-called stitching or alignment errors are avoided, which arise in strictly periodic arrangements of very small structures and lead to undesired scattered light can.
  • the random distribution can e.g. For example, a Gaussian distribution whose central value should be smaller than the maximum structure size specified by the diffraction condition.
  • the dimensions p can also be evenly distributed within an interval that this maximum, structure size specified by the diffraction condition. Any other distributions of dimensions p can also be present within such an interval.
  • ⁇ is the effective wavelength of electromagnetic radiation for which the diffractive optical element is intended and which is incident perpendicularly on the optical element.
  • Figure 1 a perspective view of a section of a binary blazed phase grating
  • FIGS. 3a and 3b views of phase gratings, similar to FIG. 1, but with modified individual substructures;
  • FIG. 4 a perspective view of a section from a sinus phase grating
  • FIG. 5 a schematic top view of a Fresnel zone plate
  • FIG. 6 a perspective view of a section of a phase grating which has an area with classic blazed and an area with binary blazed
  • FIG. 7 a phase grating similar to that in FIG. 6, but with an intermediate region between the regions with classically blazed and binary blazed diffraction structures;
  • FIG. 8 another exemplary embodiment of a phase grating with an intermediate area between the areas with classic and binary blazed diffraction structures
  • FIG. 9 a perspective section of a diffractive optical element, which consists of two phase gratings according to FIG. 6 arranged one above the other;
  • FIG. 10 a perspective section of another exemplary embodiment of a binary blazed phase grating which has a compensating layer between the diffraction structures;
  • Figure 10 is a phase grating in an enlarged representation
  • Figure 12 a schematic plan view of another
  • the blazed phase grating shown in FIG. 1 consists of a transmissive material with a refractive index ni. On the surface pointing upwards, it bears a large number of parallel and rectilinear diffraction structures 1, three of which are shown in detail in the drawing.
  • the diffraction structures 1 have a width g perpendicular to their direction of extension. Since the diffraction structures 1 meet directly, their width g corresponds to that of the classical one
  • the size of g is larger than the effective wavelength ⁇ of the electromagnetic radiation in the material with the refractive index n x for which the phase grating is intended.
  • the effective wavelength ⁇ is given by - 1!
  • ⁇ v is the wavelength in vacuum.
  • Each diffraction structure 1 is itself composed of a large number of individual substructures 2 placed directly next to one another, each of which has the shape of an equilateral, very high triangle.
  • the base sides of the individual substructures 2 have a length p which is less than the effective wavelength of the electromagnetic radiation used, for example less than half of this wavelength.
  • the base sides of the individual substructures 2 meet directly; the tips of the triangles, which form the individual substructures 2, abut the base sides of the individual substructures 2 of the adjacent diffraction structure 1. This results in diffraction structures which are delimited on one side, to the left in FIG. 1, by a flat vertical surface and on the other side, to the right in FIG. 1, by a sawtooth-shaped lateral structure.
  • the height h of the individual substructures 2 results from the requirement for a full-wave phase retardation by the individual substructures 2:
  • ⁇ v is the vacuum wavelength of the electromagnetic radiation used and n 2 is the refractive index of the medium that surrounds the individual substructures 2.
  • n 2 is thus, for example, the refractive index of air.
  • the structure of a phase grating shown in FIG. 1 is produced using process technologies as are known from the semiconductor industry.
  • a flat starting substrate made of the desired material is coated with a photoresist and then exposed with a commercially available mask pen.
  • the exposed photoresist is then developed and etched, in which the individual diffraction structures 1 are produced.
  • FIG. 3a shows a blazed phase grating with individual substructures 102, the shape of which can be understood as a right-angled triangle.
  • the smaller cathets of these individual substructures 102 are aligned and follow the direction of the diffraction structure 101, while the larger cathets have the length of the lattice constant g.
  • the hypotenuses of the individual substructures 102 are again approximated by a stair curve.
  • the individual substructures 202 of the phase grating shown in FIG. 3b are in turn based on the basic shape of an isosceles triangle, the legs of these triangles again being approximated by stair curves.
  • the stair curves of the two legs are not symmetrical to the central plane of the individual substructures 202, but, with the same step height, offset from one another by half a step height.
  • the asymmetrical design of the individual substructures 102 and 202 in FIGS. 3a and 3b has the advantage that for a given width p of the individual substructures 102 and 202 and for a given resolution of the mask writer, the number of steps in the direction of the lattice constant g is doubled is possible.
  • the diffraction structures 1, 101 and 201 were in each case on one side by a flat vertical surface and on the other side by a periodic structure. limited vertical area.
  • the diffraction structures 1, 101 and 201 thus have no symmetry with respect to their direction of extension.
  • This is different in the exemplary embodiment of a phase grating shown in FIG.
  • This has diffraction structures 301, which are composed of mirror-symmetrical individual substructures 302.
  • the width p of these individual substructures 302 in the direction of extension of the diffraction structure 301 is again smaller than the effective wavelength of the electromagnetic radiation with which the phase grating is intended to work.
  • the total width of the individual substructures 302 in the direction perpendicular thereto again corresponds to the grating constant g and has a size which corresponds at least to the effective wavelength of the electromagnetic radiation used.
  • the individual substructures 302 can each be understood to be limited by two sine curves in the direction of extension of the diffraction structures 301.
  • the sine curves are again approximated by stair curves.
  • they are incremented symmetrically to a central plane of the individual substructures 302, which runs perpendicular to the direction of extension of the diffraction structures 30.
  • the exemplary embodiment in FIG. 4 corresponds to that in FIG. 2.
  • An asymmetrical configuration analogous to FIG. 3b would also be possible.
  • the phase grating shown in FIG. 4 has the properties of a sine grating.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a diffractive optical element which, unlike the embodiments of FIGS. 1 to 4, is not a grating but a Fresnel zone plate.
  • the diffraction structures 401 are arranged in a ring around a center point.
  • the individual substructures 402 again have, similar to the exemplary embodiment in FIG. 1, the shape of high isosceles triangles, the base sides of which are placed against one another. The basics of this one However, zel substructures 402 now lie not on straight lines but on concentric circles.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a detail from a diffractive optical element, which is a phase grating with a locally varying grating constant.
  • the phase grating has a region B k with classically blazed diffraction structures 503 in profile.
  • the grating constants gi of these classically blazed diffraction structures 503 decrease continuously, ie from diffraction structure to diffraction structure, in the direction denoted by 4, so that g x > g 2 > g 3 > g 4 > g 5 > g 6 applies.
  • the element has a further region B b with binary diffraction structures 501, which are designed as shown in FIG. 1.
  • the structure widths g 3 of the diffraction structures 501 in the binary blazed region B b are smaller than the grating constants gi in the classically blazed region B k , this results in a grating constant that varies continuously over the extent of the diffractive optical element shown in FIG. 6 achieved.
  • the element with purely classic blazers The observed effect that the diffraction efficiency decreases significantly in areas with a small lattice constant does not occur here, since in these areas the classic diffraction structures are replaced by the binary blazed diffraction structures 501, which have a higher diffraction efficiency than comparable classic diffraction structures.
  • FIG. 7 An example of this is shown in FIG. 7.
  • the diffractive optical element shown there largely corresponds to that shown in FIG. 6, but an intermediate area B z is arranged there between the classically blazed area Bk and the binary blazed area B b , in which the diffraction structures 501 'are detuned.
  • the diffraction efficiency in the intermediate region B z is lower than in the corresponding region in FIG. 6 with the grating constant g 7 .
  • the diffraction efficiency in this intermediate The region B z is larger than in the neighboring region B k with classically blazed diffraction structures 503.
  • the diffraction efficiency in the intermediate region B z thus lies between the diffraction efficiencies of the adjacent regions, whereby a more even transition between the diffraction efficiencies is achieved.
  • a jump-free transition of the diffraction efficiency can be achieved by an appropriate detuning of the binary blazed diffraction structures 501 'in the intermediate region B z .
  • FIG. 8 shows in perspective a section of another phase grating, the function of which essentially corresponds to that of the phase grating shown in FIG. 7.
  • the classic blazed diffraction structures 503a here have a ramp profile that is approximated by a staircase curve.
  • the intermediate region B z in this exemplary embodiment comprises two diffraction structures 5011 'and 5012', each of which comprises individual substructures 502a and 502b arranged one above the other in two planes.
  • the individual substructures 502a and 502b are constructed exactly as shown in FIG. 1. Individual substructures 502a and 502b which are applied directly to one another in this way can be produced by means of a two-stage etching and lithography process.
  • the two-layer diffraction Structures 5011 'and 5012' can be viewed as a combination of binary blazed and classic blazed diffraction structures. The additional degree of freedom gained with each height level enables the diffraction effect of the diffraction structures to be set even more precisely.
  • FIG. 9 shows a further diffractive optical element in which two of the phase gratings shown in FIG. 6 lie opposite one another.
  • the space between the two sub-elements 600a and 600b is covered with an optically transparent material 6, e.g. B. a polymer filled.
  • the diffractive optical element has a structure as described in EP 0 902 304 A2.
  • the lower partial element 600b can first be produced in a conventional manner in a lithographically defined etching process. Then the optically transparent material 6 is applied and over-polished. A second layer is then applied to the material 6, which in turn is structured lithographically.
  • Crosstalk between the structuring tools for structuring the upper sub-element 600a is to be prevented by appropriate selection of the process control.
  • Crosstalk can also be achieved by evaporating a stop layer, e.g. B. a very thin metal layer between the two sub-elements 600a and 600b can be prevented.
  • a stop layer e.g. B. a very thin metal layer between the two sub-elements 600a and 600b can be prevented.
  • the phase-shifting effect of the individual substructures was based on the longer path that the electromagnetic radiation has to travel through the individual substructures raised on the surface of the optical element.
  • the phase retardation can also be achieved in the case of individual substructures embedded in the material of the optical element by changing their refractive index compared to that of the surrounding material. This can be done by having a suitable one
  • Substrate is bombarded with a photolithographically produced mask with ion beams.
  • the effect of the ion beams can consist in the introduction of foreign atoms into the substrate, ie in a doping.
  • the structure can also be produced by removing atoms from an already doped substrate, that is, by creating depletion zones. Both change the refractive index.
  • FIGS. 1 to 7 can be interpreted in such a way that the diffraction patterns etched out of the substrate Structures 1, 101, 201, 301, 401, 501 is replaced by a layer with negligible transmittance.
  • Such layers can be produced using commercially available photolithographic mask processes. For example, chrome layers with a thickness of 80 nm to 100 nm can be used.
  • phase gratings In the case of diffractive optical elements which emit very short-wave light in the soft X-ray range, i.e. H. Wavelengths ⁇ on the order of a few nanometers, however, are neither materials that are purely phase retarding without absorbing significantly, nor materials that absorb but do not significantly influence the phase of light. If one of the phase gratings described above were operated at such short wavelengths, the result would be that the effects of a phase grating would undesirably overlap those of an amplitude grating. The absorption of the phase grating would then vary locally. The same applies vice versa for an amplitude grating.
  • Figures 10 and 11 show in a style similar to Figure 1 perspective view and a magnification ⁇ ßerten partial section along the line XI-XI a section of a phase grating, in which the absorption is constant over the entire extent of the phase grating.
  • the phase grating has outside diffraction structures 701, which are the same as those in the figure 1, a flat compensation layer 705 of constant thickness which is broken through by the diffraction structures 701.
  • the materials for the diffraction structures 701 and the compensation layer 705 and their thicknesses h and d are chosen such that the thinner compensation layer 705 has the same "absorption effect as the thicker diffraction structures 701.
  • the compensation layer 705 has an absorbing effect, albeit a small one phase-retarding effect, this must be taken into account when designing the thickness h of the diffraction structures 701 so that the phase difference has the desired amount of 2 ⁇ . Furthermore, the thicknesses h and d must of course be chosen so that the absorption effect is not only uniform. ßig, but is also as low as possible.
  • a thin membrane can be used, as " in the
  • amplitude gratings can also be produced, the effect of which on the phase of very short-wave light passing through is locally largely homogeneous.
  • the roles of the two materials mentioned above must be reversed for this. Specifically, this means that the diffraction structures 701 in this case consist of a predominantly absorbent material, while the extensions Equal layer 705 consists of a predominantly phase retarding material.
  • FIG. 12 shows a plan view of a further exemplary embodiment of a phase grating, in which the maximum dimensions pi of the individual substructures 802 are randomly distributed within a diffraction structure 801 in the direction of extension indicated by a double arrow 4.
  • the maximum dimensions pi of the individual substructures 802 of the direction of extent 4 satisfy the condition
  • phase grating shown in FIG. 12 is easier to manufacture, since the dimensions pi vary statistically and in some cases may also exceed the effective wavelength ⁇ .
  • the statistical fluctuations have the additional advantage that so-called stitching or alignment errors are avoided, which arise with periodic arrangements of very small structures and can lead to undesired scattered light.

Abstract

Es wird ein binär geblazetes diffraktives optisches Element beschrieben, das in an und für sich bekannter Weise eine Vielzahl von Beugungsstrukturen (1) umfasst. Diese erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander in einer Breite g, die grösser als die effektive Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für die das diffraktive optische Element bestimmt ist. Die Beugungsstrukturen (1) setzen sich aus einer Vielzahl vo EinzelSubstrukturen (2) zusammen, die für die Blazewirkung sorgen und in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1) eine maximale Abmessung p aufweisen, die zumindest im Mittel über eine Beugungsstruktur hinweg kleiner als die effektive Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist. In der Draufsicht besitzen die Einzel-Substrukturen (2) die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche. Ihre parallel zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1) gerichtete Abmessung variiert in Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen (1). Ihre maximale Abmessung in Richtung senkrecht zur Erstreckung der Beugungsstrukturen (1) ist grösser als die effektive Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung.

Description

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
Figure imgf000011_0001
genügt, wobei λv die Vakuumwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element ausgelegt ist, und n2 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!
Figure imgf000020_0001
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:
Figure imgf000020_0002
In dieser Gleichung ist λv die Vakuumwellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung und n2 der Brechungsindex des Mediums, das die Einzel-Substrukturen 2 umgibt. Bei der dargestellten erhabenen Bauweise der Ein- zel-Substrukturen 2 ist n2 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.

Claims

Patentansprüche
1. 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 Erstrek- kungsrichtung (4) der Beugungsstrukturen eine maximale Abmessung p aufweist, die zumindest im Mittel über eine Beugungsstruktur hinweg kleiner als die effektive Wellen- länge der elektromagnetischen Strahlung ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401; 501; 701; 801) jeweils nur eine Reihe von Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) umfassen, die in der Draufsicht die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzen, deren parallel zur Erstreckung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401; 501; 701; 801) gerichtete Abmessung in Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung (4) der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401; 501; 701; 801) variiert und in Richtung senkrecht zur Erstrek- kung der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401; 501; 701; 801) eine maximale Abmessung besitzt, die größer als die effektive Wellenlänge ist.
2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) in der Erstreckungsrichtung (4) der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401; 501; 701; 801) aneinander anstoßen.
3. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen in der Erstreckungsrichtung (4) der Beugungsstrukturen einen Abstand voneinander aufweisen.
4. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) in der Richtung senk- recht zur Erstreckungsrichtung (4) der Beugungsstrukturen (1; 101; 201; 301; 401; 501; 701; 801) aneinander anstoßen.
5. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substruk- turen in der Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung (4) der Beugungsstrukturen einen Abstand voneinander aufweisen.
6. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflä- ehe der Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) die Form eines Polygonzuges hat.
7. Optisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 402; 802) in Projektion auf die Substratebene zumindest annähernd die Gestalt eines Dreieckes aufweisen.
8. Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 202;
402; 802) in Projektion auf die Substratebene die Gestalt von gleichschenkligen Dreiecken aufweisen, deren Grundseite die Länge p aufweist.
9. Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (102) in
Projektion auf die Substratebene die Gestalt eines recht- winkligen Dreieckes aufweisen, wobei die Länge einer Kathete der Abmessung p entspricht.
10. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (302) von zwei symmetrisch aneinander angelegten Sinuskurven begrenzt sind.
11. Optisches Element nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine polygonartige oder gekrümmte Seite durch eine Treppenkurve angenähert ist.
12. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen in Projektion auf die Substratebene durch mindestens einen Ellipsenbogen begrenzt sind.
13. Optisches Element nach einem der' orhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element neben einem Bereich (Bb) mit binär geblazeten Beugungsstrukturen (501) einen weiteren Bereich (Bk) aufweist, der klassisch geblazete Beugungsstrukturen (503) mit ei- ne zumindest annähernd rampenförmigen Profil enthält.
14. Optisches Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503) eine Gitterkonstante (gi, g2, ..., gε) haben, die sich von der Breite g der binären Beugungs- Strukturen (501) senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (4) unterscheidet.
15. Optisches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503) eine Gitterkonstante (ql r g2, ..., gβ) haben, die größer ist als die Breite g der binären Beugungsstrukturen (501) senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (4) .
16. Optisches Element nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Bereich (Bb) mit binär geblazeten Beugungsstrukturen (501) und dem weiteren Bereich (Bk) mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503) ein Zwischenbereich (Bz) mit wenigstens einer binär geblazeten Beugungsstruktur (501'; 5011', 5012') angeordnet ist, die so ausgelegt ist, daß in dem Zwischenbereich (Bz) die Beugungseffizienz gegenüber derjenigen bei optimaler Auslegung verringert ist.
17. Optisches Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenbereich (Bz) die Beugungseffizienz zwischen derjenigen des einen Bereichs (Bb) mit binär geblazeten Beugungsstrukturen (501) und derjenigen des weiteren Bereichs (Bk) mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen (503, 503a) liegt.
18. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als phasen- modulierendes optisches Element ausgebildet ist.
19. Optisches Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102;
202; 302; 402; 802) erhaben auf der Oberseite des diffraktiven optischen Elements ausgebildet sind.
20. Optisches Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) in das diffraktive optische Element eingebettet sind und einen Brechungsindex ni aufweisen, der sich von dem Brechungsindex n2 des lateral umgebenden Materials unterscheidet.
21. Optisches Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) Dotierungszonen im Material des diffraktiven optischen Elements sind.
22. Optisches Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) Verarmungszonen im Material des diffraktiven optischen Elements sind.
23. Optisches Element nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beugungsstrukturen (502a, 502b) in einer zu den geometrischen Flächen der Einzel-Substrukturen senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.
24. Optisches Element nach Anspruch 18 oder 19 und nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstrukturen (502a, 502b) unmittelbar aufeinander aufgebracht sind.
25. Optisches Element nach Anspruch 18 oder 19 und nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Beu- gungsstrukturen auf unterschiedlichen Trägern (600a, 600b) aufgebracht sind, die übereinander, vorzugsweise parallel zueinander, und voneinander beabstandet angeordnet sind.
26. Optisches Element nach der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Beugungsstrukturen (701) eine Ausgleichsschicht angeordnet ist, deren Material und Dicke (d) so gewählt sind, daß die Ab- sorptionswirkung des phasenmodulierenden optischen Elements über dessen Fläche hinweg zumindest annähernd homogen ist.
27. Optisches Element nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (705) aus einem Material besteht, dessen Absorptionsvermögen größer ist als dasjenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen (701) bestehen.
28. Optisches Element nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (705) aus einem Material besteht, dessen phasenretardierende Wirkung kleiner ist als diejenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen (701) bestehen.
29. Optisches Element nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Sub- Strukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) aus transmissivem Material mit dem Brechungsindex ni bestehen und eine Höhe h haben, die der Gleichung
(ni - n2) h = λv,
entspricht, wobei λv die Vakuumwellenlänge der elektroma- gnetischen Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element bestimmt ist, und n2 der Brechnungsindex des Mediums ist, welches die Einzel-Substrukturen (2; 102; 202; 302; 402; 802) umgibt.
30. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß es als amplitudenmodulierendes optisches Element ausgebildet ist und die Einzel-Substrukturen von einer Beschichtung oder Dotierung gebildet sind, deren Transmission vernachlässigbar, insbesondere kleiner als 1%, ist.
31. Optisches Element nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Beugungsstrukturen (701) eine Ausgleichsschicht (705) angeordnet ist, deren Material und Dicke (d) so gewählt sind, daß die phasenretar- dierende Wirkung des amplitudenmodulierenden optischen Elements über dessen Fläche hinweg zumindest annähernd homogen ist.
32. Optisches Element nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (705) aus einem Material besteht, dessen Absorptionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen (701) bestehen.
33. Optisches Element nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (705) aus einem Material besteht, dessen phasenretardie- rende Wirkung größer ist als diejenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen (701) bestehen.
34. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite g und die Orientierung der Beugungsstrukturen über die Fläche des optischen Elements hinweg variieren und dadurch die Wirkung einer Linse nachgebildet ist.
35. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen Abmessungen p mindestens zweier Einzel-Substrukturen
(802) in Erstreckungsrichtung (4) innerhalb einer Beugungsstruktur (801) ungleich sind.
36. Optisches Element nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen Abmessungen p der Ein- zel-Substrukturen (802) in Erstreckungsrichtung (4) innerhalb einer Beugungsstruktur (801) zufallsverteilt sind.
37. Optisches Element nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen Abmessungen p der Einzel-Substrukturen (802) in Erstreckungsrichtung (4) innerhalb einer Beugungsstruktur (801) der Bedingung
0,8 • λ < p < 1,2 • λ
genügen, wobei λ die effektive Wellenlänge elektromagne- tischer Strahlung ist, für welche das diffraktive optische Element bestimmt ist und die senkrecht auf das optische Element einfällt.
38. Objektiv, insbesondere mikrolithographisches Pro- jektionsobjektiv, dadurch gekennzeichnet", daß es mindestens ein optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
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