Geblazetes diffraktives optisches Element sowie Projektionsobjektiv mit einem solchen Element
Die Erfindung betrifft ein geblazetes diffraktives optisches Element mit einem Träger und mehreren geblazeten Beu- gungsStrukturen, die 'im Abstand einer lokal variierenden Gitterkonstante auf dem Träger aufgebracht sind, wobei in einem ersten Bereich die BeugungsStrukturen ein zumindest annähernd ra penförmiges Profil haben. Die Erfindung betrifft ferner ein Projektionsobjektiv für eine ikrolitho- graphische Projektionsbelichtungsanlage mit einem derartigen optischen Element.
Ein optisches Element der genannten Art ist aus der DE 101 23 230 AI bekannt.
Diffraktive optische Elemente mit lokal variierenden Git- terkonstanten haben in der Optik zahlreiche Anwendungen ge¬ funden. Verwendet werden diffraktive optische Elemente beispielsweise zur Erzeugung von Wellenfrontverläufen, die sich mit refraktiven optischen Elementen wie Linsen nicht oder nur mit großem Aufwand erzielen lassen. Weite Verbrei- tung gefunden haben auch Fresnel-Linsen, mit denen sich äußerst kurze Brennweiten realisieren lassen. Vorgeschlagen wurde auch (siehe z.B. EP 0 965 864 A2) die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen zur Korrektur chro ati-
scher Aberrationen in optischen Systemen, die durch die dispersiven Eigenschaften der gängigen Linsenmaterialien bei breitbandigen Lichtquellen verursacht werden. In Betracht kommt außerdem die Verwendung diffraktiver optischer Elemente zur Fokussierung, Kollimation und Strahlteilung von Laserlicht und in der integrierten Optik, da sich diffraktive optische Elemente ebenfalls in einem photolithographisch herstellen lassen.
Bei solchen diffraktiven optischen Elementen kann sich die Gitterkonstanten g, mit der die Beugungsstrukturen voneinander beabstandet sind, lokal in einer oder mehreren Raumrichtungen kontinuierlich oder abschnittsweise verändern. Bei rotationssymmetrischen Elementen verändert sich die Gitterkonstante g in der Regel entlang des Durchmessers, bei rechteckigen Elementen entlang der Quer- und/oder der Längsseiten.
Ein für diffraktive optische Elemente wichtiges Qualitätsmerkmal ist die Beugungseffizienz. Darunter versteht man den auf eine bestimmte Beugungsordnung entfallenden Teil des auf das diffraktive optische Element auffallenden
Lichts. Bei zahlreichen Anwendungen wird eine Beugungseffizienz verlangt, die über die gesamte Fläche des diffraktiven optischen Elements konstant ist. Ein Beispiel hierfür sind mikrolithographische Pro ektionsbelichtungsanlagen, bei denen diffraktive optische Elemente eine sehr homogene Ausleuchtung des Bildfeldes gewährleisten.müssen.
Es hat sich allerdings gezeigt, daß die Beugungseffizienz derartiger diffraktiver optischer Elemente sich mit abnehmenden Gitterkonstanten verringert . Verstärkt wird dieser Effekt noch aufgrund der Tatsache, daß die Bereiche mit den kleinsten Gitterkonstanten häufig diejenigen sind, auf die das Licht unter dem größten Einfallswinkel auffällt, was sich ebenfalls ungünstig auf die Beugungseffizienz auswirkt. Da die Gitterkonstante bei den hier betrachteten diffraktiven optischen Elementen ortsabhängig ist, variiert auch die Beugungseffizienz über die Fläche des diffraktiven optischen Elements . Bei Gitterkonstanten, die sehr groß gegenüber der Betriebswellenlänge des Elements sind, sind die lokalen Änderungen der Beugungseffizienz gering. Wenn das Element jedoch auch Bereiche mit Gitterkonstanten hat, die nur etwa das Fünffache oder weniger der Wellenlänge betragen, so kann dies zu Schwankungen der Beugungseffizienz von bis zu 20% führen.
Um diese Schwankungen zu unterdrücken, sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden.
Aus der DE 101 23 230 AI ist beispielsweise bekannt, die hohe Beugungseffizienz in Bereichen mit großer Gitterkonstante zu verringern und damit an die kleinere Beugungseffizienz der Bereiche mit kleiner Gitterkonstante anzupassen. Die Verringerung der Beugungseffizienz wird dort durch eine lokale Verringerung der Gittertiefe erzielt. Nachteilig ist hierbei allerdings, daß auf diese Weise letztlich die gesamte nutzbare, von dem Element transmittierte oder
reflektierte Lichtenergie verringert wird. Dies ist beispielsweise nachteilig bei Projektionsbelichtungsanlagen, deren Strahlungsguelle schwach und/oder bei denen das auszuleuchtende Bildfeld groß ist.
Andererseits kann es im Einzelfall auch zweckmäßig sein, diffraktive optische Elemente mit besonders großen und gezielt einstellbaren Schwankungen der Beugungseffizienz zu v rwenden. In einem solchen Fall würde bei Anwendung des vorstehend erläuterten bekannten Ansatzes die Beugungseffi- zienz der Bereiche mit ohnehin niedriger Beugungseffizienz weiter verringert, um auf diese Weise die Schwankungen zu verstärken.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein diffraktives optisches Element anzugeben, mit dem sich in weiten Grenzen beliebi- ge, insbesondere konstante, räumliche Verteilungen der Beugungseffizienz bei geringen Lichtverlusten erzielen lassen.
Bei einem diffraktiven optischen Element der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem zweiten Bereich die Beugungsstrukturen durch Aufteilung in vorzugsweise pfeiler- oder stegförmige Unterstrukturen bi- när geblazet sind.
Derartige Unterstrukturen sind z.B. beschrieben in einem Aufsatz von P. Laianne et al . mit dem Titel "Design and fa- brication of blazed binary diffractive elements with sam- pling periods smaller than the structural cutoff", J. Opt.
Soc. Am. A, Vol. 16, No . 5, Seiten 1143 bis 1156. Es hat sich gezeigt, daß derartige binär geblazeten BeugungsStrukturen eine höhere Beugungseffizienz haben als "klassisch" geblazete Beugungsstrukturen mit rampenför igen oder stu- fenförmig an Rampen angenäherten Profilen. Durch Kombination der vergleichsweise einfach herzustellenden klassisch geblazeten mit den binär geblazeten BeugungsStrukturen in einem optischen Element kann somit der räumliche Verlauf der Beugungseffizienz, gezielt beeinflußt werden. Anders als bei bekannten Ansätzen erfolgt die Beeinflussung hier jedoch nicht durch lokale Verringerung der Beugungseffizienz, sondern durch lokale Erhöhung. Daher weisen die erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Elemente geringere Lichtverluste auf, als dies bei bekannten Ansätzen der Fall ist.
Die binären Unterstrukturen haben außerdem den Vorteil, daß die diffraktiven Elemente eine große Winkelakzeptanz haben. Dies bedeutet, daß die hohen Beugungseffizienzen auch bei größeren Abweichungen vom idealen Blaze-Winkel erzielbar sind. Außerdem werden die hohen Beugungseffizienzen innerhalb eines größeren Wellenlängenbereichs als bei klassischen Blazestrukturen erreicht. Vorteilhaft ist ferner die größere Polarisationsunabhängigkeit der binär geblazeten Beugungsstrukturen.
Selbstverständlich ist möglich, mehrere erste Bereiche mit klassisch geblazeten und mehrere zweite Bereiche mit binär geblazeten BeugungsStrukturen in beliebiger Anordnung auf dem Träger aufzubringen. Die Anordnung wird vorzugsweise
unter dem Gesichtspunkt festgelegt, daß binär geblazete Beugungsstrukturen nur dort auf dem Träger aufgebracht werden, wo die Beugungseffizienz klassisch geblazeter Beugungsstrukturen nicht ausreicht.
Gestalt, Abmessungen und Herstellung binär geblazeter Beugungsstrukturen sind an sich im Stand der Technik bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß die meist pfeiler- oder stegför igen Unterstrukturen, aus denen sie aufgebaut sind, charakteristische Abmessungen haben, die kleiner als die Wellenlänge sind, für die das diffraktive optische Element vorgesehen ist. Es werden dann durch die Unterstrukturen keine über die nullte Ordnung hinausgehenden weiteren Beugungsordnungen erzeugt, die Energie aufnehmen könnten. Dadurch sind Beugungseffizienzen von 80% und mehr möglich. Wenn die Abstände der Pfeiler oder Stege kleiner als eine Strukturperiode sind, können die diffraktiven Unterstrukturen als homogenes Medium angesehen werden, in dem sich nur eine Mode ausbreiten kann. Der Wert der Strukturperiode hängt u.a. vom Einfallswinkel des Lichts und der Geometrie der Unterstrukturen ab.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Bereich mit den binär geblazeten Beugungsstrukturen der Bereich mit der kleineren Gitterkonstanten ist. Aufgrund der höheren Beu¬ gungseffizienz binär geblazeter Beugungsstrukturen kann so nämlich der in der Regel auftretende Effekt kompensiert werden, wonach bei diffraktiven optischen Elementen mit ortsabhängigen Gitterkonstanten die Beugungseffizienz lokal
abnimmt, je kleiner die Gitterkonstante wird. Somit ist es beispielsweise möglich, eine räumlich annähernd konstante Beugungseffizienz für eine bestimmte Beugungsordnung zu erzielen.
Um größere Sprünge der Beugungseffizienz an den Grenzen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zu vermeiden, kann dazwischen ein Zwischenbereich mit wenigstens einer binär geblazeten BeugungsStruktur angeordnet sein, die so ausgelegt ist, daß in dem Zwischenbereich die Beu- gungseffizienz gegenüber derjenigen bei optimaler Auslegung verringert ist. Die Beugungseffizienz kann beispielsweise so eingestellt sein, daß sie kontinuierlich von der relativ kleinen Beugungseffizienz des klassisch geblazeten ersten Bereichs zu der größeren des binär geblazeten zweiten Be- reichs ansteigt. Ebenso ist es möglich, die Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich so einzustellen, daß sie zwischen derjenigen des ersten und derjenigen des zweiten Bereichs liegt. Die lokale Verstimmung der Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich kann beispielsweise erzeugt werden, indem dort Unterstrukturen mit reduzierter Höhe auf den
Träger aufgebracht werden. Eine mit der lokalen Verstimmung verbundene Phasenänderung ist ggf. durch andere Maßnahmen im System zu kompensieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei- spiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Figur 1 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung eines als lineares Gitter ausgeführten rechteck- för igen diffraktiven optischen Elements in Draufsicht;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Schnitt entlang der Linie II-II durch das in Figur 1 gezeigte diffraktive optische Element;
Figur 3 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung eines anderen diffraktiven optischen Elements mit be- reichsweise erniedrigter Beugungseffizienz;
Figur 4 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch ein diffraktives optisches Element, das zwei übereinander angeordnete Teilelemente umfaßt, die jeweils ähnlich wie das in den Figuren 1 und 2 gezeigte dif- fraktive optische Element aufgebaut sind;
Figur 5 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung eines als Fresnel-Linse ausgeführten diffraktiven optischen Elements in Draufsicht;
Figur 6 einen vergrößerten Ausschnitt VI aus der Fresnel- Linse aus Figur 5.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit 10 bezeichneten diffraktiven optischen Elements ist in Figur 1 in schematischer, nicht maßstäblicher Darstellung in Drauf-
sieht und in Figur 2 ausschnittsweise in einem Schnitt entlang der Linie II-II gezeigt. Das diffraktive optische Element 10 ist als rechteckförmiges lineares Blaze-Gitter ausgeführt, dessen Gitterkonstante g zu den Querseiten 12 hin abschnittsweise abnimmt. In Figur 1 ist die Abnahme der Gitterkonstante durch die zu den Querseiten 12 hin dichter werdenden vertikalen Linien angedeutet.
Das diffraktive optische Element weist eine Vielzahl von, auf einem Träger 14 aufgebrachten geblazeten Beugungsstruk- turen 16 und 18 auf, die in mehrere Bereiche mit jeweils gleicher Gitterkonstante unterteilt sind. In der vergrößerten Schnittdarstellung der Figur 2 sind insgesamt vier dieser Bereiche Bn_2, Bn_ι, Bn und Bn+ι dargestellt, innerhalb derer die Gitterkonstante g± jeweils konstant ist. Die Git- terkonstanten gi nehmen dabei in der Darstellung von Figur 2 von rechts nach links ab, d.h. gn-2 < gn-ι< gn < gn+i •
In den Bereichen Bn und Bn+i.mit den größeren Gitterkonstanten gn und gn+ι sind die Beugungsstrukturen 16 als klassische Blaze-Strukturen mit rampenförmigem Profil ausgeführt. Jede Rampe weist eine um einen Blazewinkel a± gegenüber der durch den Träger 14 festgelegten Grundfläche 20 des diffraktiven optischen Elements 10 geneigte Blazeflanke 22 sowie eine senkrecht zu einer Grundfläche 20 angeordnete Gegenflanke 24 auf. Die Größe des Blazewinkels ci ist bei dem diesem Ausführungsbeispiel bereichsabhängig und nimmt mit zunehmenden Gitterkonstanten g ab.
In den Bereichen Bn-ι und Bn-2 mit den kleinen Gitterkonstanten gn-ι und gn_2 sind die BeugungsStrukturen 18 durch Aufteilung in stegförmige Unterstrukturen 26 binär geblazet. Dies bedeutet, daß jede binäre BeugungsStruktur 18 in die- sen beiden Bereichen Bn-ι und Bn_2 aus einer Gruppe von Unterstrukturen 26 besteht, die man sich jeweils als Ersatz für eine klassische rampenförmige BeugungsStruktur 28 denken kann, wie sie in Figur 2 durch gestrichelt darstellte Rampenprofile 28 angedeutet sind. Innerhalb einer binär ge- blazeten BeugungsStruktur 18 nimmt die Breite der stegfσr- igen Unterstrukturen 26 jeweils so in einer mit 30 angedeuteten Richtung zu und der Abstand zwischen den Unterstrukturen 26 in dieser Richtung 30 so ab, daß jede eine BeugungsStruktur 18 bildende Gruppe optisch eine Beugungs- Wirkung auf einfallendes Licht hat, die grundsätzlich mit derjenigen einer entsprechenden rampenför igen Beugungsstruktur 28 mit gleicher Gitterkonstante gi vergleichbar ist. Im Vergleich zu solchen rampenförmigen Beugungsstrukturen 28 haben die binär geblazeten Beugungsstrukturen 18 jedoch eine höhere Beugungseffizienz. Dadurch wird ein Abfall der Beugungseffizienz kompensiert, der bei den klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 28 aufgrund ihrer geringen Gitterkonstanten auftreten würde. Das diffraktive optische Element 10 hat somit eine Beugungseffizienz, die annähernd konstant über dessen Oberfläche 32 ist. Voraussetzung ist hierbei lediglich, daß die Unterstrukturen 26 charakteristische Abmessungen haben, die kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts sind.
Der Träger 14 kann z.B. aus Glas und die UnterStrukturen 26 können z.B. aus Titanoxid (Ti02) bestehen, dessen Brechungsindex n wesentlich höher ist als derjenige von Glas (n = 1,5) . Auf diese Weise läßt sich das Verhältnis von Profiltiefe h zur Breite b der Unterstrukturen 26 (siehe Figur 3) verringern.
Aufgrund der im Vergleich zu den klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 16 höheren Beugungseffizienz der binär geblazeten Beugungsstrukturen 18 kommt es an der Grenze zwi- sehen den Bereichen Bn_ι und Bn zu einer sprunghaften Veränderung der Beugungseffizienz, was bei bestimmten Anwendungen unerwünscht sein kann.
Um eine weniger sprunghafte Veränderung der Beugungseffizienz entlang dieser Grenze zu erzielen, ist bei dem in Fi- gur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den Bereichen Bn und Bn-ι ein binär geblazeter Zwischenbereich Bz vorgesehen, der eine oder mehrere binär geblazete BeugungsStrukturen 18' umfaßt. Die BeugungsStruktur 18' ist so ausgelegt, daß innerhalb des Zwischenbereichs Bz die Beugungseffizienz zwischen derjenigen in dem Bereich Bn und derjenigen in dem Bereich Bn-ι liegt. Diese lokale Verringerung der Beugungseffizienz kann z.B. bewirkt werden, indem bei der Beugungsstruktur 18' in dem Zwischenbereich Bz die Höhe h' der Unterstrukturen 26' gegenüber der Höhe h in den benachbarten binär geblazeten BeugungsStrukturen 18 verringert wird, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Effizienz besteht darin, die Höhe h der
Unterstrukturen unverändert zu lassen und dafür deren Abstände und Breiten zu verändern. Auf diese Weise wirkt sich die Verstimmung der Beugungseffizienz weniger auf die Phase hindurchtretenden Lichts aus .
Figur 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit 100 bezeichneten diffraktiven optischen Elements ausschnittsweise in geschnittener Darstellung. Das diffraktive optische Element 100 umfaßt ein erstes und ein zweites Teilelement 110 bzw. 112, die übereinander und parallel zu- einander angeordnet sind. Das erste Teilelement 110 ist genauso wie das in den Figuren 1 und 2 gezeigte diffraktive optische Element 10 aufgebaut. Das zweite Teilelement 112 entspricht dem diffraktiven optischen Element 10 weitgehend, jedoch sind hiervon abweichend nicht die Bereiche B'n-i und B'n-2 mit kleinen Gitterkonstanten, sondern die Bereiche B'n und B'n+i mit großen Gitterkonstanten binär geblazet. Anstelle der ebenen Träger können auch gekrümmte Träger, z.B. Linsenoberflächen, verwendet werden. Außerdem können die beiden Teilelemente 110 und 112 aus unterschied- liehen Materialien bestehen oder Träger haben, die aus einem anderen Material als die BeugungsStrukturen bestehen. Ferner können sich, anders als bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, die beiden Teilelemente 110 und 112 auch durch die Profiltiefe unterscheiden. Diffraktive opti- sehe Elemente mit übereinander angeordneten, allerdings nur klassisch geblazeten Teilelementen sind an sich aus der EP 0 965 864 A2 bekannt.
Figur 5 zeigt in schematischer, nicht maßstäblicher Darstellung ein weiteres, mit 200 bezeichnetes Ausführungsbei- spiel eines diffraktiven optischen Elements in Draufsicht. Bei dem diffraktiven optischen Element 200 handelt es sich um eine Fresnel-Linse, bei der die Gitterkonstante g mit zunehmendem Abstand von der Mitte des Elements 200 abnimmt. In Figur 5 ist dies durch die nach außen dichter werdenden Kreislinien angedeutet. Die Fresnel-Linse 200 kann z.B. zum Einbau in ein Projektionsobj ktiv einer mikrolithogra- phischen Pro ektionsbelicϊitungsanlage bestimmt sein.
Ein Ausschnitt VI aus der Draufsicht aus Figur 5 ist in Figur 6 vergrößert dargestellt. Darin ist ein in der Nähe des U fangs 34 liegender Bereich B"n-ι zu erkennen, in dem die Beugungsstrukturen 218 binär geblazet sind. Die Unterstruk- turen 226 sind hier nicht als Stege, sondern als Pfeiler mit quadratischer Grundfläche ausgeführt. In dem zur Mitte des Elements 200 hin benachbarten Bereich B"n haben die Beugungsstrukturen 216 wieder die klassische Rampenform.