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Die
Erfindung betrifft ein geblazetes diffraktives optisches Element
mit einem Träger
und mehreren geblazeten Beugungsstrukturen, die im Abstand einer
lokal variierenden Gitterkonstante auf dem Träger aufgebracht sind, wobei
in einem ersten Bereich die Beugungsstrukturen ein zumindest annähernd rampenförmiges Profil
haben. Die Erfindung betrifft ferner ein Projektionsobjektiv für eine mikrolithographische
Projektionsbelichtungsanlage mit einem derartigen optischen Element.
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Diffraktive
optische Elemente mit lokal variierenden Gitterkonstanten haben
in der Optik zahlreiche Anwendungen gefunden. 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 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 diffraktiven optischen Elementen zur Korrektur
chromati 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.
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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.
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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
Projektionsbelichtungsanlagen, bei denen diffraktive optische Elemente
eine sehr homogene Ausleuchtung des Bildfeldes gewährleisten
müssen.
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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.
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Um
diese Schwankungen zu unterdrücken, sind
verschiedene Maßnahmen
vorgeschlagen worden.
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Aus
der
DE 101 23 230
A1 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 Strahlungsquelle schwach
und/oder bei denen das auszuleuchtende Bildfeld groß ist.
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Andererseits
kann es im Einzelfall auch zweckmäßig sein, diffraktive optische
Elemente mit besonders großen
und gezielt einstellbaren Schwankungen der Beugungseffizienz zu
verwenden. In einem solchen Fall würde bei Anwendung des vorstehend
erläuterten
bekannten Ansatzes die Beugungseffizienz der Bereiche mit ohnehin
niedriger Beugungseffizienz weiter verringert, um auf diese Weise die
Schwankungen zu verstärken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein diffraktives optisches Element anzugeben,
mit dem sich in weiten Grenzen beliebige, insbesondere konstante, räumliche
Verteilungen der Beugungseffizienz bei geringen Lichtverlusten erzielen
lassen.
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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 binär
geblazet sind.
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Derartige
Unterstrukturen sind z.B. beschrieben in einem Aufsatz von P. Lalanne
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. Es hat sich gezeigt, daß derartige binär geblazeten
Beugungsstrukturen eine höhere
Beugungseffizienz haben als "klassisch" geblazete Beugungsstrukturen
mit rampenförmigen
oder stufenförmig
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.
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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.
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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.
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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 stegförmigen 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.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der zweite Bereich mit den binär geblazeten
Beugungsstrukturen der Bereich mit der kleineren Gitterkonstanten
ist. Aufgrund der höheren
Beugungseffizienz 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.
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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 Beugungseffizienz 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 Bereichs 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.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
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1 eine schematische, nicht
maßstäbliche Darstellung
eines als lineares Gitter ausgeführten
rechteckförmigen
diffraktiven optischen Elements in Draufsicht;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt
aus einem Schnitt entlang der Linie II-II durch das in 1 gezeigte diffraktive optische
Element;
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3 eine der 2 entsprechende Darstellung eines anderen
diffraktiven optischen Elements mit bereichsweise erniedrigter Beugungseffizienz;
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4 einen Ausschnitt aus einem
Schnitt durch ein diffraktives optisches Element, das zwei übereinander
angeordnete Teilelemente umfaßt,
die jeweils ähnlich
wie das in den 1 und 2 gezeigte diffraktive optische
Element aufgebaut sind;
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5 eine schematische, nicht
maßstäbliche Darstellung
eines als Fresnel-Linse ausgeführten
diffraktiven optischen Elements in Draufsicht;
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6 einen vergrößerten Ausschnitt
VI aus der Fresnel-Linse
aus 5.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines insgesamt mit 10 bezeichneten diffraktiven optischen
Elements ist in 1 in
schematischer, nicht maßstäblicher
Darstellung in Drauf sicht und in 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 1 ist die
Abnahme der Gitterkonstante durch die zu den Querseiten 12 hin
dichter werdenden vertikalen Linien angedeutet.
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Das
diffraktive optische Element weist eine Vielzahl von auf einem Träger 14 aufgebrachten
geblazeten Beugungsstrukturen 16 und 18 auf, die
in mehrere Bereiche mit jeweils gleicher Gitterkonstante unterteilt
sind. In der vergrößerten Schnittdarstellung
der 2 sind insgesamt
vier dieser Bereiche Bn-2, Bn-1,
Bn und Bn+1 dargestellt,
innerhalb derer die Gitterkonstante gi jeweils
konstant ist. Die Gitterkonstanten gi nehmen
dabei in der Darstellung von 2 von
rechts nach links ab, d.h. gn-2 < gn-1 < gn < gn+1 In den
Bereichen Bn und Bn+i mit
den größeren Gitterkonstanten
gn und gn+1 sind
die Beugungsstrukturen 16 als klassische Blaze-Strukturen
mit rampenförmigem
Profil ausgeführt.
Jede Rampe weist eine um einen Blazewinkel αi 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 αi ist
bei dem diesem Ausführungsbeispiel
bereichsabhängig
und nimmt mit zunehmenden Gitterkonstanten gi ab.
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In
den Bereichen Bn-1 und Bn-2 mit
den kleinen Gitterkonstanten gn-1 und gn-2 sind die Beugungsstrukturen 18 durch
Aufteilung in stegförmige
Unterstrukturen 26 binär
geblazet. Dies bedeutet, daß jede binäre Beugungsstruktur 18 in
diesen beiden Bereichen Bn-1 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 2 durch
gestrichelt darstellte Rampenprofile 28 angedeutet sind.
Innerhalb einer binär
geblazeten Beugungsstruktur 18 nimmt die Breite der stegförmigen 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 Beugungswirkung
auf einfallendes Licht hat, die grundsätzlich mit derjenigen einer
entsprechenden rampenförmigen
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.
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Der
Träger 14 kann
z.B. aus Glas und die Unterstrukturen 26 können z.B.
aus Titanoxid (TiO2) 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 3) verringern.
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Aufgrund
der im Vergleich zu den klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 16 höheren Beugungseffizienz
der binär
geblazeten Beugungsstrukturen 18 kommt es an der Grenze
zwischen den Bereichen Bn-1 und Bn zu einer sprunghaften Veränderung
der Beugungseffizienz, was bei bestimmten Anwendungen unerwünscht sein
kann.
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Um
eine weniger sprunghafte Veränderung der
Beugungseffizienz entlang dieser Grenze zu erzielen, ist bei dem
in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
zwischen den Bereichen Bn und Bn-1 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-1 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 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.
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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 zueinander angeordnet sind. Das erste Teilelement
110 ist
genauso wie das in den
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-1 und B'
n-2 mit
kleinen Gitterkonstanten, sondern die Bereiche B'
n und B'
n+1 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 unterschiedlichen
Materialien bestehen oder Träger
haben, die aus einem anderen Material als die Beugungsstrukturen
bestehen. Ferner können
sich, anders als bei dem in
4 gezeigten
Ausführungsbeispiel,
die beiden Teilelemente
110 und
112 auch durch
die Profiltiefe unterscheiden. Diffraktive optische Elemente mit übereinander
angeordneten, allerdings nur klassisch geblazeten Teilelementen
sind an sich aus der
EP
0 965 864 A2 bekannt.
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5 zeigt in schematischer,
nicht maßstäblicher
Darstellung ein weiteres, mit 200 bezeichnetes Ausführungsbeispiel
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 5 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.
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Ein
Ausschnitt VI aus der Draufsicht aus 5 ist
in 6 vergrößert dargestellt.
Darin ist ein in der Nähe
des Umfangs 34 liegender Bereich B''n-1 zu erkennen, in dem die Beugungsstrukturen 218 binär geblazet
sind. Die Unterstrukturen 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.