DE10025214A1 - Littrow-Gitter sowie Verwendungen eines Littrow-Gitters - Google Patents
Littrow-Gitter sowie Verwendungen eines Littrow-GittersInfo
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Abstract
Ein Littrow-Gitter (1) weist eine Vielzahl paralleler, periodisch aufeinanderfolgender Beugungsstrukturen (3) auf. Diese sind auf einem eine Grundfläche (4) vorgebenden Träger (2) angeordnet. Eine Beugungsstruktur (3) umfaßt eine im wesentlichen im Littrow-Winkel (delta) zur Grundfläche (4) geneigte Blaze-Flanke (5). Weiterhin weist die Beugungsstruktur (3) eine Gegenflanke (6) auf, die mit der Blaze-Flanke (5) im Scheitel einer Beugungsstruktur (3) einen Apex-Winkel (alpha) bildet, der geringer ist als 90 DEG . Die Gegenflanke (6) umfaßt mindestens zwei im wesentlichen ebene Flächenabschnitte (7, 8). Diese erstrecken sich aneinander angrenzend gegeneinander um einen Neigungswinkel (beta) geneigt parallel zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstruktur (3). Durch die Neigung der mindestens zwei Flächenabschnitte (7, 8) zueinander weist die Gegenflanke (6) eine insgesamt von der Lichteinfallsseite her gesehen konkave Oberfläche auf. Es resultiert ein Littrow-Gitter (1) hoher Reflektivität, das mit geringem Materialabtrag bei der Herstellung realisiert werden kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Littrow-Gitter mit einer
Vielzahl paralleler, periodisch aufeinanderfolgender
Beugungsstrukturen, die auf einem eine Grundfläche vor
gebenden Träger angeordnet sind und jeweils eine im wesent
lichen im Littrow-Winkel zur Grundfläche geneigte Blaze-
Flanke und eine Gegenflanke umfassen, wobei die Blaze-
Flanke und die Gegenflanke im Scheitel einer Beugungs
struktur einen Apex-Winkel bilden, der geringer ist
als 90°. Ferner betrifft die Erfindung Verwendungen für
ein derartiges Littrow-Gitter.
Derartige Littrow-Gitter sind vom Markt her bekannt. Sie
werden dann eingesetzt, wenn eine hohe Reflexionseffizienz,
d. h. eine hohe Beugungseffizienz in Littrow-Anordnung,
gefordert ist. Ein Apex-Winkel < 90° führt dazu, daß die
Gegenflanke, die beim Betrieb des Littrow-Gitters nicht
mit Licht beaufschlagt wird, vom Weg der auf die Blaze-
Flanke einfallenden Lichtstrahlen beabstandet ist. Dadurch
kommt es, wie Rechnungen zeigen, nicht zu einer Wechsel
wirkung insbesondere der Komponenten der einfallenden
Lichtstrahlen mit TM-Polarisation mit der Gegenflanke.
Diese Wechselwirkung führt bei Littrow-Gittern mit größeren
Apex-Winkeln, bei denen die einfallenden Lichtstrahlen
direkt benachbart zur Oberfläche der Gegenflanke verlaufen,
zu einer unerwünschten Reduktion der Reflexionseffizienz.
Bei der Herstellung derartiger bekannter Littrow-Gitter
muß aufgrund des Apex-Winkels < 90° sehr viel Material
des Gitter-Rohlings abgetragen werden, da die Gegenflanke
sehr tief in den Gitterrohling "eintaucht". Diese Not
wendigkeit, sehr viel Material beim Herstellungsprozeß
abzutragen, erschwert und verteuert die Herstellung
derartiger bekannter Gitter.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Littrow-Gitter der eingangs genannten Art derart
weiterzubilden, daß es sich einfacher und preiswerter
herstellen läßt, ohne dabei eine Minderung der Reflexions
effizienz in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Gegenflanke mindestens zwei im wesentlichen ebene
Flächenabschnitte umfaßt, die aneinander angrenzend
gegeneinander um einen Neigungswinkel geneigt sich pa
rallel zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstruktur
erstrecken, wobei durch die Neigung der mindestens zwei
Flächenabschnitte zueinander die Gegenflanke insgesamt
eine von der Lichteinfallsseite her gesehen konkave
Oberfläche aufweist.
Durch eine derartige Facettierung der Gegenflanke in
mindestens zwei Flächenabschnitte wird erreicht, daß
sich die Gegenflanke zwar im Bereich des Scheitels der
Beugungstruktur schnell vom Weg der Lichtstrahlen entfernt
(Apex-Winkel < 90°); aufgrund der konkaven Facettierung
und dem daraus resultierenden nicht so stark geneigten
zweiten Flächenabschnitt taucht die Gegenflanke jedoch
nicht so tief in den Gitterrohling ein, wie dies bei einer
ebenen Gegenflanke der Fall wäre. Der Materialabtrag bei
der Herstellung des Littrow-Gitters ist daher reduziert,
was die Herstellung vereinfacht und preiswerter macht.
Bevorzugt weisen die Flächenabschnitte senkrecht zur
Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen gemessen
ein Breitenverhältnis von 0,5 bis 2 auf. Bei einem derar
tigen Breitenverhältnis, bei dem ein Flächenabschnitt
höchstens doppelt so breit ist wie der andere, ist bei
gegebenem Neigungswinkel und gegebenem Apex-Winkel der
Bereich der Gegenflanke, in dem die beiden Flächenabschnit
te aneinander angrenzen, relativ weit vom Lichtweg der
einfallenden Lichtstrahlen entfernt. Dadurch ist die
Wechselwirkung der einfallenden Lichtstrahlen mit der
Gegenflanke optimal gering.
Der Neigungswinkel kann im Bereich vom 90° bis 150°
liegen. Bei einer derartigen Wahl des Neigungswinkels
erfolgt eine gute Reduktion des erforderlichen Material
abtrags zum Herstellen des Littrow-Gitters.
Bevorzugt besteht das Littrow-Gitter aus Quarzglas.
Derartige Materialien lassen sich durch reaktives Ionen
strahlätzen (RIBE) bzw. durch reaktives Ionenätzen (RIE)
bearbeiten und bieten sich daher zur holographischen
Herstellung der erfindungsgemäßen Beugungstrukturen
an. Alternativ läßt sich auch ein kristallines Material
als Material für das Littrow-Gitter einsetzen, wie z. B.
Silicium, wobei man dann zusätzlich die Kristallober
fläche zur kristallographischen Orientierung des Kristalls
derart ausrichten kann, daß sich eine Vorzugsrichtung
bei der Bearbeitung, z. B. durch anisotropes chemisches
Ätzen mit KOH, ergibt. Diese Vorzugsrichtung läßt sich
z. B. zur Vorgabe des Neigungswinkels oder des Apex-Win
kels ausnutzen. Besteht das Beugungsgitter aus dotier
tem Quarz, wird das holographische Herstellungsverfahren
nochmals vereinfacht, da sich dieses Material aufgrund
seines vorteilhaften Expansionsverhaltens bei einem
derartigen Herstellungsverfahren sowie bei der Benutzung
gut eignet.
Das Littrow-Gitter kann eine die Reflektivität steigernde
Beschichtung aufweisen. Dadurch wird die Reflexionseffi
zienz des Littrow-Gitters gesteigert.
Im Falle des Einsatzes einer die Reflektivität steigern
den Beschichtung ist diese bevorzugt eine Aluminium-
Beschichtung. Eine derartige Beschichtung ist relativ
preiswert und weist ein hohes erreichbares Reflexionsver
mögen auf.
Alternative Möglichkeiten zur Steigerung der Reflexions
effizienz durch die Materialauswahl ergeben sich, wenn
statt einer die Reflektivität steigernden Beschichtung
das Littrow-Gitter ein dielektrisches Schichtsystem, z. B.
eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Schichten, z. B.
aus Al2O3 (hochbrechend) und MgF2 (niedrigbrechend)
oder aus LaF3 (hochbrechend) und MgF2 (niedrigbrechend),
aufweist, wobei die Schichtfolge so gewählt wird, daß
eine Reflexionsschicht hoher Effizienz resultiert.
Die Blaze-Flanke kann senkrecht zur Erstreckungsrich
tung der Beugungsstrukturen gemessen eine Mindestbreite
von g cos(Theta) aufweisen, wobei g die Gitterperiode des
Littrow-Gitters und Theta den Littrow-Winkel bezeichnen.
Eine derartige Breite gewährleistet, daß das gesamte Bündel
einfallender Lichtstrahlen von den Blaze-Flanken reflek
tiert werden kann. Hat die Blaze-Flanke genau die Breite
nach der angegebenen Berechnungsformel, kann ein Littrow-
Gitter mit minimalem Materialabtrag realisiert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es, Verwendungen für das erfindungsgemäße Littrow-Gitter
anzugeben, bei denen die dargestellten Vorteile des Littrow
gitters gut genutzt werden. Diese Aufgabe wird gelöst
durch die nachfolgend aufgeführten bevorzugten Verwen
dungen:
Eine bevorzugte Verwendung des Littrow-Gitters ist
diejenige in einer Beugungsordnung der einfallenden
Lichtwellenlänge oberhalb oder gleich der 15. Beugungs
ordnung. Bei einer derart hohen Beugungsordnung ist
die Dispersion des Littrow-Gitters zur Auswahl der reflek
tierten Wellenlänge vorteilhaft hoch. Gleichzeitig sind,
da die Gitterperiode proportional zur Beugungsordnung ist,
die Anforderungen an die Herstellung des Littrow-Gitters
nicht so hoch.
Ein vorteilhaftes Verwendungsgebiet des Littrow-Gitters
ist die Beugung von UV-Licht mit einer Wellenlänge,
die geringer ist als 250 nm. Derartige UV-Lichtquellen
sind insbesondere in der Projektions-Lithographie zur
Herstellung von Halbleiterstrukturen bei der Chip-Ferti
gung im Einsatz. Mit einem erfindungsgemäßen Littrow-Gitter
läßt sich die Wellenlänge einer derartigen Projektions-
Lichtquelle schmalbandig und effizient selektieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1: einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines
Littrow-Gitters, wobei die Schnittebene senk
recht zur Erstreckungsrichtung der Beugungs
strukturen des Littrow-Gitters verläuft; und
Fig. 2 und 3: Momentaufnahmen bei der Herstellung
eines Littrow-Gitters nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines insgesamt mit Bezugs
zeichen 1 versehenen Littrow-Gitters mit einem Träger
2, auf dem eine Vielzahl paralleler, periodisch angeord
neter Beugungsstrukturen 3 angeformt sind, wobei der Aus
schnitt von Fig. 1 ungefähr zwei Gitterperioden dar
stellt. Der Träger 2 sowie die Beugungsstrukturen 3
bestehen aus Quarzglas. Die Gitterperiode D, also der
Abstand zwischen zwei Beugungsstrukturen 3, beträgt 3002,5 nm.
Die Dicke des Trägers 2 ist verglichen mit der Höhe
der Beugungsstrukturen 3 sehr groß, z. B. im Bereich mehre
rer Millimeter, weswegen der Träger 2 in Fig. 1 unter
brochen dargestellt ist.
Die Oberfläche einer Beugungsstruktur 3 besteht aus
drei Flächenabschnitten, die jeweils unterschiedlich
zu einer Grundfläche 4 geneigt sind, die vom Träger 2
vorgegeben wird:
Der am steilsten zur Grundfläche 4 geneigte Flächenab
schnitt wird von einer Blaze-Flanke 5 gebildet, die in
noch zu beschreibender Weise mit einfallenden Lichtstrahlen
wechselwirkt. Die reflektierende Fläche der Blaze-Flanke
5 hat in der Zeichenebene von Fig. 1 eine Breite von 777,1 nm
und ist gegenüber der Grundfläche 4 um einen Winkel
Theta von 75° geneigt, der für einfallenden Lichtstrah
len ein Littrow-Winkel ist, wie ebenfalls noch beschrieben
wird.
Die beiden anderen Flächenabschnitte der Beugungsstruktur
3, auf welche beim Betrieb des Littrow-Gitters 1 nicht
wie auf die Blaze-Flanke 5 die Lichtstrahlen direkt
einfallen, bilden eine sich jeweils zwischen den Blaze-
Flanken 5 zweier benachbarter Beugungsstrukturen 3 er
streckende Gegenflanke 6: Ein erster Flächenabschnitt 7
der Gegenflanke 6 begrenzt mit der an ihn angrenzenden
Blaze-Flanke 5 einen Apex-Winkel α der Beugungsstruktur
3, der geringer ist als 90° und in Fig. 1 einen Wert
von ca. 50° hat. Ein zweiter Flächenabschnitt 8 der
Gegenflanke 6 liegt jeweils zwischen dem ersten Flächenabschnitt
7 und der benachbarten Blaze-Flanke 5.
Die beiden aneinander angrenzenden Flächenabschnitte 7 und
8 sind gegeneinander um einen Neigungswinkel β im Bereich
von ca. 120° derart geneigt, daß die Gegenflanke 6 von
der Lichteinfallsseite des Littrow-Gitters 1 her gesehen
konkav ist. Die Breiten der Flächenabschnitte 7, 8 senk
recht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 3
3, also im Fall des Flächenabschnitts 7 der Abstand
zwischen den Begrenzungskanten, die gebildet werden durch
die Blaze-Flanke 5 und den Flächenabschnitt 7 einerseits
und durch den Flächenabschnitt 7 und den Flächenabschnitt
8 andererseits, und im Fall des Flächenabschnitts 8 der
Abstand zwischen den Begrenzungskanten, die gebildet
werden durch die Blaze-Flanke 5 und den Flächenabschnitt
8 einerseits und durch den Flächenabschnitt 8 und den
Flächenabschnitt 7 andererseits, haben in der Darstellung
von Fig. 1 ein Breitenverhältnis von ca. 1 zu 1,5.
Auch andere Breitenverhältnisse, insbesonddere ein Brei
tenverhältnis von 1 zu 1, sind hier möglich, wobei optimale
Effizienzparameter des Littrow-Gitters 1 sich durch
wechselweises Optimieren der Breiten sowie des Apexwinkels
α und des Neigungswinkels β ergeben.
Das Littrow-Gitter 1 funktioniert folgendermaßen:
Bezüglich parallel einfallender Lichtstrahlen, die von
einer Lichtquelle (nicht dargestellt) ausgesandt werden
und von denen in Fig. 1 beispielhaft die Lichtstrahlen
9', 9", 9''', 10 dargestellt sind, ist das Littrow-Gittet
1 so angeordnet, daß die Blaze-Flanken 5 mit den einfallen
den Lichtstrahlen 9, 10 den Littrow-Winkel Theta von
75°, der sich für die angegebene Gitterperiode D und
eine Lichtwellenlänge von 193,35 nm in dreißigster Ordnung
ergibt, einnehmen. Die angegebene Lichtwellenlänge ist
die eines Argon-Fluorid-Excimerlasers. Die einfallenden
Lichtstrahlen 9, 10 können dabei sowohl senkrecht zur
Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 3 (TM-Polari
sation, Lichtwelle 9') als auch parallel zur Erstreckungs
richtung der Beugungsstrukturen 3 polarisiert sein (TE-
Polarisation, Lichtwellen 9", 9'''), wie dies in Fig.
1 schematisch dargestellt ist.
Bei der gewählten Gitterperiode D der Beugungsstrukturen
3 ist für in die Einfallsrichtung zurückreflektierte Licht
strahlen 11, 12 der angegebenen Wellenlänge die Beugungs
bedingung, d. h. die Bedingung konstruktiver Interferenz
dreißigster Ordnung erfüllt. Das Littrow-Gitter 1 wirkt
also für die einfallenden Lichtstrahlen 9, 10 als Spiegel,
der einfallende Lichtstrahlen 9, 10 in dreißigster Beu
gungsordnung in sich zurückreflektiert.
Für die oben genannten Bedingungen ergeben sich folgende
Effizienzparameter für das Littrow-Gitter 1:
- 1. Eine Reflexionseffizienz von ≧ 60%, die abhängig vom Breitenverhältnis der Flächenabschnitte 7, 8 und der Größe des Neigungswinkels β bis zu 75% gesteigert werden kann, wobei die Reflexionseffizienz für die TE- Polarisation höher ist als für die TM-Polarisation, insgesamt jedoch nur relativ geringe Reflexionseffi zienzunterschiede zwischen TE- und TM-Polarisation vorliegen.
- 2. Eine Absorption, die ≦ 20% ist, und durch die oben ange deutete Optimierung von Breitenverhältnis und Neigungs winkel der Flächenabschnitte 7, 8 bis auf unter 10% verringert werden kann, wobei auch hier der Absorptions parameter für TE-Polarisation günstiger ist als für die TM-Polarisation.
Die Herstellung eines Littrow-Gitters nach Art des Littrow-
Gitters 1 von Fig. 1 verdeutlichen die Herstellungssta
dien, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind. Die
Schnittebene dieser Figuren ist analog zu derjenigen
der Fig. 1 gewählt, allerdings sind die Beugungsstrukturen
3 im Vergleich zu Fig. 1 um eine Ebene senkrecht zur
Zeichenebene der Fig. 1 und senkrecht zur Grundfläche
4 gespiegelt dargestellt.
Im ersten Herstellungsschritt wird ein Gitterrohling 13
aus Quarzglas mit einer Photoresist-Maske 14 beschichtet,
holographisch belichtet und sodann entwickelt. In Fig.
2 ist der zeitliche Verlauf des Querschnitts dieser
Struktur im Zuge der Entwicklung der Photoresist-Maske
14 gezeigt. Die oberste Kurve von Fig. 2 stellt die
unentwickelte Photoresist-Maske 14 dar, deren ebene Ober
fläche parallel zu derjenigen des Gitterrohlings 13
ist. Im Verlauf der Entwicklung verbleiben in der Bild
mitte und den seitlichen Rändern von Fig. 2 Stege 15,
zwischen denen der Photoresist 14 entfernt wird, derart,
daß insgesamt ein halbsinusförmiges Furchenprofil des
Photoresists 14 auf dem Gitterrohrling 13 resultiert.
Die einzelnen Kurven, die in Fig. 2 dargestellt sind,
geben die momentane Höhe des Photoresists 14 im Verlauf
der Photoresist-Entfernung zu aufeinanderfolgenden Zeit
punkten an. Die Photoresist-Stege 15 haben gemäß der
Vorgabe durch die Belichtung zueinander schon den Abstand,
der dem für die Beugungsstrukturen 3 gewünschten Abstand
von 2958 nm entspricht.
In einem zweiten Herstellungsschritt wird die im ersten
Schritt entstandene Struktur einem Ar-Ionenstrahlätzen
unterzogen. In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf des Querschnitts
des Gitterrohlings 13 mit den Photoresist-Stegen
15 bei diesem Vorgang dargestellt. Sowohl die Photoresist-
Stege 15 als auch der Gitterrohling 13 werden schicht
weise mit geneigter Vorzugsrichtung abgetragen, bis
im Gitterrohrling 13 eine Ätztiefe von ca. 3,5 µm, ge
messen von der ursprünglichen Oberfläche der Photoresist-
Maske 14, erreicht ist. Dabei werden aufgrund der geneigten
Ätz-Vorzugsrichtung eine asymmetrische Profilverformung
des im ersten Schritt hergestellten halbsinusförmigen
Furchenprofils und eine Strukturübertragung in den Gitter
rohling 13 erreicht. Die unterste Kurve von Fig. 3
zeigt den Zustand bei Erreichen der Soll-Ätztiefe.
Beim Ar-Ionenstrahlätzen des zweiten Herstellungsschritts
wird die Photoresist-Maske 14 vollständig entfernt.
Es verbleibt somit das aus dem Gitterrohling 13 geformte
Littrow-Gitter nach Art des Littrow-Gitters 1 von Fig.
1.
Zur Steigerung der Reflexionseffizienz kann das Littrow-
Gitter 1 noch zusätzlich mit einer Aluminium-Reflexions
schicht (nicht dargestellt) beschichtet werden, die
ggf. noch mit einer MgF2-Schicht überzogen ist.
Alternative Möglichkeiten zur Steigerung der Reflexions
effizienz sind der Einsatz eines dielektrischen Schicht
systems mit alternierenden Lagen einer hochbrechenden
und einer niedrigbrechenden Schicht. Als Materialien
für die hochbrechende Schicht kommen Al2O3 oder LaF3,
für die niedrigbrechende Schicht MgF2 in Frage.
Claims (12)
1. Littrow-Gitter mit einer Vielzahl paralleler, perio
disch aufeinanderfolgender Beugungsstrukturen, die
auf einem eine Grundfläche vorgebenden Träger angeordnet
sind und jeweils eine im wesentlichen im Littrowwinkel zur
Grundfläche geneigte Blaze-Flanke und eine Gegenflanke
umfassen, wobei die Blaze-Flanke und die Gegenflanke im
Scheitel einer Beugungsstruktur einen Apex-Winkel bilden,
der geringer ist als 90°,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gegenflanke (6) mindestens zwei im wesentlichen ebene
Flächenabschnitte (7, 8) umfaßt, die aneinander angrenzend
gegeneinander um einen Neigungswinkel (β) geneigt sich
parallel zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstruktur
(3) erstrecken, wobei durch die Neigung der mindestens
zwei Flächenabschnitte (7, 8) zueinander die Gegenflanke
(6) insgesamt eine von der Lichteinfallsseite her gesehen
konkave Oberfläche aufweist.
2. Littrow-Gitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flächenabschnitte (7, 8) senkrecht zur Er
streckungsrichtung der Beugungsstrukturen (3) gemessen ein
Breitenverhältnis von 0,5 bis 2 aufweisen.
3. Littrow-Gitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Neigungswinkel (β) im Bereich von 90°
bis 150° liegt.
4. Littrow-Gitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es aus Quarzglas
besteht.
5. Littrow-Gitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine die Reflektivität
steigernde Beschichtung aufweist.
6. Littrow-Gitter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung eine Aluminium-Beschichtung ist.
7. Littrow-Gitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es ein dielektrisches
Schichtsystem aufweist.
8. Littrow-Gitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das dielektrische Schichtsystem Schichten aus
Al2O3 und MgF2 umfaßt.
9. Littrow-Gitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das dielektrische Schichtsystem Schichten aus
LaF3 und MgF2 umfaßt.
10. Littrow-Gitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blaze-Flanke (S)
senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstruk
turen (3) gemessen eine Mindestbreite von g cos(Theta)
aufweist, wobei g die Gitterperiode des Littrow-Gitters und
Theta den Littrowwinkel bezeichnen.
11. Verwendung eines Littrow-Gitters nach einem der
Ansprüche 1 bis 10 in einer Beugungsordnung der einfal
lenden Lichtwellenlänge oberhalb oder gleich der 15
Beugungsordnung.
12. Verwendung eines Littrow-Gitters nach einem der
Ansprüche 1 bis 11 zur Beugung von UV-Licht (9, 10,
11, 12) mit einer Wellenlänge, die geringer ist als 250 nm.
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