Diffraktives optisches Element sowie Projektionsobjektiv mit einem' solchen Element
Die Erfindung betrifft ein diffraktives optisches Element mit einem Träger und mehreren darauf aufgebrachten Beugungsstrukturen, die durch Aufteilung in UnterStrukturen binär geblazet sind, so daß das Aspektverhältnis der Unter- Strukturen innerhalb einer einzelnen BeugungsStruktur lokal variiert
Ein derartiges diffraktives optisches Element ist aus einem Aufsatz von P. Laianne et al. mit dem Titel "Design and fa- brication of blazed binary diffractive elements with samp- ling periods smaller than the structural cutoff", J. Opt. Soc. A . A, Vol. 16, No . 5, Seiten 1143 - 1156, bekannt.
Diffraktive optisches Elemente werden in der Optik bspw. zur Erzeugung von Wellenfrontverläufen verwendet, die sich mit refraktiven optischen Elementen wie Linsen nicht oder nur mit großem Aufwand erzielen lassen. Weite Verbreitung 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 dif- fraktiven optischen Elementen zur Korrektur chromatischer Aberrationen in optischen Systemen, die durch die dispersi- ven Eigenschaften der gängigen Linsenmaterialien bei breit- bandigen 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.
Besonders verbreitet sind diffraktive optische Elemente, deren BeugungsStrukturen geblazet sind, d.h. ein rampenför- miges oder an eine Rampenform angenähertes Profil haben. Im Vergleich zu diffraktiven optischen Elementen, deren Beugungsstrukturen ein rechteckför iges Profil haben, lassen sich mit derartigen geblazeten Beugungsstrukturen höhere
Beugungseffizienzen für eine gewünschte Beugungsordnung erzielen. Unter der Beugungseffizienz eines diffraktiven optischen Elementes versteht man den auf eine bestimmte Beu- gungsordnung entfallenden Teil des auf das Element auffal- lenden Lichts .
In dem eingangs genannten Aufsatz von P. Laianne et al . werden diffraktive optische Elemente mit BeugungsStrukturen vorgeschlagen, die durch Aufteilung in Unterstrukturen binär geblazet sind. Die Unterstrukturen sind als Stege oder Pfeiler ausgeführt, deren charakteristische Abmessungen kleiner als die Wellenlänge sind, für die das diffraktive optische Element vorgesehen ist. Die einzelnen Unterstrukturen erzeugen dann keine über die nullte Ordnung hinausgehenden Beugungsordnungen, die Energie aufnehmen könnten. Dadurch sind Beugungseffizienzen von mehr als 80% möglich. Über die Abmessungen der Unterstrukturen sowie deren Abstand voneinander kann an der Oberfläche des optischen Ele-
ments ein Brechungsindexverlauf erzeugt werden, der an den einer klassischen geblazeten BeugungsStruktur angenähert ist.
Wenn die Abstände der Pfeiler oder Stege kleiner als eine sogenannte Strukturperiode sind, können die diffraktiven Unterstrukturen als homogenes Medium angesehen werden, in dem sich nur eine Mode ausbreiten kann. In diesem Falle sind noch höhere Beugungseffizienzen möglich. Der Wert der Ξtrukturperiode hängt u.a. vom Einfallswinkel des Lichts und der Geometrie der Unterstrukturen ab.
Neben den hohen Beugungseffizienzen haben binär geblazete Beugungsstrukturen den Vorteil einer großen Winkelakzeptanz. Dies bedeutet, daß die hohen Beugungseffizienzen auch bei größeren Abweichungen vom idealen Blaze-Winkel erziel- bar sind. Außerdem werden die hohen Beugungseffizienzen bei geringerer Polarisationsabhängigkeit und innerhalb eines größeren Wellenlängenbereichs als bei klassischen Blaze- Strukturen erreicht.
Nachteilig bei diffraktiven optischen Elementen mit binär geblazeten BeugungsStrukturen ist allerdings, daß in den Bereichen innerhalb einer Beugungsstruktur, in denen der effektiv wirksame Brechungsindex besonders klein sein soll, die steg- oder pfeilerförmigen Unterstrukturen extrem schmal sein müssen. Dies führt zu sehr hohen Aspektverhält- nissen, worunter das Verhältnis von Strukturhöhe zu Strukturbreite der UnterStrukturen verstanden wird. Strukturen
mit derart hohen Aspektverhältnissen werfen herstellungstechnisch erhebliche Probleme auf, da sich durch die herkömmlichen, auf Tiefätzen beruhenden Herstellungsverfahren keine beliebig schmalen Strukturen erzeugen lassen. Aus Herstellungsgründen werden deswegen bisher die schmälsten Unterstrukturen fortgelassen, wie dies in einem Aufsatz von P. Laianne et al. mit dem Titel "Design and fabrication of blazed binary diffractive elements with sampling periods smaller than the structural cutoff", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 16, No. 5, Seiten 1143 bis 1156, beschrieben ist.
Durch das Fortlassen der kleinsten Unterstrukturen wird allerdings die maximal erreichbare Effizienz des diffraktiven optischen Elements verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein diffraktives optisches Element der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach herstellbar ist und eine besonders hohe Beugungseffizienz hat.
Bei einem solchen Element wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß innerhalb einer einzelnen BeugungsStruktur ehre- re Unterstrukturen mit großem Aspektverhältnis durch wenigstens eine Ersatzstruktur ersetzt sind, deren Aspektverhältnis kleiner als das der ersetzten Unterstrukturen ist.
Es hat sich gezeigt, daß bei Wahl geeigneter Ersatzstrukturen deren Wirkung auf die Phase einfallenden Lichts zumin- dest annähernd der Wirkung der ersetzten Unterstrukturen entspricht. Zwar lassen sich keine ganz so hohe Beugungsef-
fizienzen wie mit vollständigen, d.h. den sich rechnerisch an sich ergebenden, Unterstrukturen erzielen, andererseits ist aber die erzielbare Beugungseffizienz erheblich höher, als wenn die Unterstrukturen mit großem Aspektverhältnis aufgrund von Herstellungsschwierigkeiten gänzlich entfallen.
Das Aspektverhältnis der Ersatzstruktur kann kleiner als das der ersetzten Unterstrukturen sein, weil sie eine geringere Höhe und/oder eine größere Breite als jede der er- setzten Unterstrukturen hat.
Bevorzugt ist es, wenn die wenigstens eine Ersatzstruktur ein zumindest annähernd rampenförmiges Profil hat. Auf diese Weise werden innerhalb von binär geblazeten Beugungsstrukturen, die als Ersatz für klassische Beugungsstruktu- ren gedacht sind, einzelne Unterstrukturen wieder umgekehrt durch eine Struktur mit klassischer Blaze-Form ersetzt.
Vorteilhaft ist es dann natürlich, wenn die wenigstens eine Ersatzstruktur ein klassisches Blaze-Profil mit kontinuierlich ansteigender Blaze-Flanke und steil, insbesondere senkrecht zur Basisfläche, abfallender Gegenflanke hat.
Einfacher herzustellen sind allerdings Ersatzstrukturen mit einem Blaze-Profil, das durch eine Treppenkurve ein klassisches Blaze-Profil mit ansteigender Blaze-Flanke und steil, insbesondere senkrecht zur Basisfläche, abfallender Gegen- flanke annähert. Die Beugungseffizienz ist dabei um so grö-
ßer, je besser die Treppenkurve die Rampenform annähert. Im einfachsten Fall hat die Treppenkurve nur eine Stufe. Die Ersatzstruktur hat dann ein rechteckförmiges Profil und läßt sich somit auch als an sich normale binäre Unterstruk- tur auffassen, die jedoch flacher und/oder breiter ist als jede der Unterstrukturen, die durch die Ersatzstruktur ersetzt werden.
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- förmigen 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 Ersatzstrukturen, deren Profil stufenförmig an ein Blaze-Profil angenähert ist;
Figur 4 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung eines weiteren diffraktiven optischen Elements, bei dem
die Ersatzstrukturen ein rechteckförmiges Profil haben;
Figur 5 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch ein diffraktives optisches Element, das zwei übereinan- der angeordnete Teilelemente umfaßt, die jeweils ähnlich wie das in den Figuren 1 und 2 gezeigte diffraktive optische Element aufgebaut sind;
Figur 6 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung eines als Fresnel-Linse ausgeführte diffraktiven optischen Elements in Draufsicht;
Figur 7 einen vergrößerten Ausschnitt VII aus der Fresnel-Linse aus Figur 6.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit 10 bezeichneten diffraktiven optischen Elements ist in Figur 1 in schematischer, nicht maßstäblicher Darstellung in Draufsicht 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 10 weist eine Vielzahl von auf einem Träger 14 aufgebrachten BeugungsStrukturen 16
auf, die in mehrere Bereiche mit jeweils gleicher Gitterkonstante unterteilt sind. In der vergrößerten Schnittdarstellung der Figur 2 sind insgesamt zwei dieser Bereiche Bn_ι und Bn dargestellt, innerhalb derer die Gitterkonstante gi jeweils konstant ist. Die Gitterkonstanten g± nehmen dabei in der Darstellung von Figur 2 von rechts nach links ab, d.h. gn > gn-ι.
Die BeugungsStrukturen 16 sind jeweils binär geblazet. Dies bedeutet, daß jede binär geblazete BeugungsStruktur 16 aus einer Gruppe von stegförmigen Unterstrukturen 181, 182,
183, 184 und einer noch näher zu erläuternden Ersatzstruktur 20 besteht. Jede binäre BeugungsStruktur 16 kann man sich als Ersatz für eine klassische rampenförmige Beugungsstruktur denken kann, wie sie in Figur 2 bei einer der Beu- gungsStrukturen 16 durch ein gestrichelt dargestelltes Rampenprofil 22 angedeutet ist.
Innerhalb einer binär geblazeten BeugungsStruktur 16 nimmt die Breite b der stegförmigen Unterstrukturen 181, 182, 183, 184 jeweils so in einer mit 24 angedeuteten Richtung ab und der Abstand zwischen den Unterstrukturen 181, 182, 183, 184 in dieser Richtung 24 so zu, daß jede eine Beugungsstruktur 16 bildende Gruppe von Unterstrukturen 181, 182, 183, 184 und 20 optisch im wesentlichen die gleiche Beugungswirkung auf einfallendes Licht hat wie eine ent- sprechende rampenförmige BeugungsStruktur 22 mit gleicher Gitterkonstante g± . Im Gegensatz zu solchen ra penförmigen Beugungsstrukturen 22 haben die binär geblazeten Beugungs-
Strukturen 16 jedoch eine höhere Beugungseffizienz, die zudem weniger stark von dem Einfallswinkel des Lichts, dessen Polarisation und dessen Wellenlänge abhängt. Voraussetzung ist hierbei, daß die Unterstrukturen 181, 182, 183, 184 und 20 charakteristische Abmessungen haben, die kleiner sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichts.
•Die Ersatzstruktur 20 ersetzt innerhalb jeder binär geblazeten BeugungsStruktur 16 jeweils eine Gruppe von Unter- strukturen 185, 186, 187, die in Figur 2 rechts gestrichelt angedeutet sind. Bei diesen Unterstrukturen 185, 186, 187 ist das Aspektverhältnis, d.h. das Verhältnis zwischen Strukturhöhe hu und Strukturbreite bu (siehe links in Figur 2) so groß, daß sie sich nicht oder nur mit sehr großem Aufwand herstellen ließen. Die BeugungsStrukturen 20 hinge- gen haben ein wesentlich kleineres Aspektverhältnis, da sie sowohl eine geringere Höhe he als auch eine größere Breite be als die Unterstrukturen 185, 186, 187 haben, deren Wirkung sie zumindest teilweise ersetzen. Aufgrund dieses günstigeren Aspektverhältnisses sind die Ersatzstrukturen 20 zumindest für nicht zu kleine Gitterkonstanten qx ohne größere Schwierigkeiten herzustellen.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Ersatzstrukturen 20 ein rampenförmiges Profil auf, durch das sich die optische Wirkung der ersetzten UnterStrukturen 185, 186, 187 besonders gut nachbilden läßt. Falls die Herstellung dieser rampenförmigen Profile bei sehr kleinen Gitterkonstanten gi für die vorgesehene Anwendung zu auf-
wendig sein sollte, so kann die Rampenform der Ersatzstruk- turen auch durch eine Treppenkurve annähert sein, wie dies in Figur 3 für Ersatzstrukturen 20a gezeigt ist. Noch einfacher wird die Herstellung der Ersatzstrukturen, wenn die- se lediglich ein rechteckförmiges Profil aufweisen, wie dies in Figur 4 für Ersatzstrukturen 20b gezeigt ist.
Figur 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit 100 bezeichneten diffraktiven optischen Elements ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung. Das diffrak- tive optische Element 100 umfaßt ein erstes und ein zweites Teilelement 110 bzw. 112, die übereinander und parallel zueinander angeordnet sind. Die Bereiche Bn und Bn_ι des Teilelements 110 sind genauso aufgebaut, wie dies in Figur 2 für das diffraktive optische Element 10 gezeigt ist. Die sich daran anschließenden Bereiche Bn+_ und Bn+2 haben eine größere Gitterkonstante und sind klassisch geblazet, d.h. die BeugungsStrukturen weisen im Profil die typische Ram~ penform auf.
Das zweite Teilelement 112 ist ähnlich wie das erste Teil- element 110 aufgebaut, jedoch sind hier abweichend nicht die Bereiche B'n+ι und B'n+2 mit großer Gitterkonstante, sondern die Bereiche B'n und B'n-_ mit kleiner Gitterkonstante in klassischer Weise geblazet. Bei beiden Teilelementen 110 und 112 weisen die in den binär geblazeten Beugungsstruktu- ren vorgesehenen Ersatzstrukturen 120 jeweils ein rampen- förmiges Profil auf, wie dies bereits in Figur 2 gezeigt ist.
Anstelle der ebenen Träger können auch gekrümmte Träger, z.B. Linsenoberflachen, verwendet werden. Außerdem können die beiden Teilelemente 110 und 112 aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder Träger haben, die aus einem ande- ren Material als die Beugungsstrukturen bestehen. Ferner können sich, anders als bei dem in Figur 5 gezeigten Aus- führungsbeispiel, die beiden Teilelemente 110 und 112 auch hinsichtlich der Strukturhöhe unterscheiden. Diffraktive optische Elemente mit übereinander angeordneten, allerdings nur klassisch geblazeten Teilelementen sind an sich aus der EP 0 965 864 A2 bekannt.
Figur 6 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 6 ist dies durch die nach außen dichter werdenden Kreislinien angedeutet. Die Fresnel-Linse 200 kann z.B. zum Einbau in ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bestimmt sein.
Ein Ausschnitt VII aus der Draufsicht aus Figur 6 ist in Figur 7 vergrößert dargestellt. Darin ist ein in der Nähe des U fangs 34 liegender Bereich B"n zu erkennen, in dem die BeugungsStrukturen 216 binär geblazet sind. Die Unterstrukturen 218 sind hier nicht als Stege, sondern als Pfeiler mit quadratischer Grundfläche ausgeführt. Dabei sind
die Pfeiler mit dem kleinsten Verhältnis zwischen Höhe und Grundfläche durch ringförmige Ersatzstrukturen 220 ersetzt, die im Profil die in Figur 2 gezeigte Rampenform haben. In dem zur Mitte des Elements 200 hin benachbarten Bereich B"n+ι haben die BeugungsStrukturen 226 wieder die klassische Rampenform.