WO2006021288A1 - Diffractive element for the polarization separation of nonpolarized electromagnetic radiation in the uv region, and method for producing a diffractive element of this type - Google Patents

Diffractive element for the polarization separation of nonpolarized electromagnetic radiation in the uv region, and method for producing a diffractive element of this type Download PDF

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WO2006021288A1
WO2006021288A1 PCT/EP2005/008256 EP2005008256W WO2006021288A1 WO 2006021288 A1 WO2006021288 A1 WO 2006021288A1 EP 2005008256 W EP2005008256 W EP 2005008256W WO 2006021288 A1 WO2006021288 A1 WO 2006021288A1
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diffractive element
radiation
diffraction order
polarization
grooves
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PCT/EP2005/008256
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French (fr)
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Oliver Sandfuchs
Ulrich Strössner
Robert Brunner
Johannes Ruoff
Jörn Greif-Wüstenbecker
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Carl Zeiss Sms Gmbh
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Definitions

  • Diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range and method for producing such a diffractive
  • the invention relates to a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range.
  • Rotationally symmetric polarization distributions can be produced discontinuously with the plate described in US Pat. No. 6,392,800 B2, which is based on ⁇ / 2 segments. In addition to the ultimately only discontinuous polarization distribution, this plate also requires pre-polarized radiation.
  • the object is achieved by a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range, with a support formed from a material transparent to UV radiation having a plurality of spaced, non-linearly extending grooves, the spacing of two adjacent grooves being greater than the wavelength of the UV radiation, the polarization separation diffractive element diffracting the supplied unpolarized radiation into a first predetermined diffraction order having a first of two mutually orthogonal polarization states and a second predetermined diffraction order with the second of the two orthogonal polarization states, and wherein via the groove depth, the first diffraction order radiation is the first or second polarization state having.
  • the desired polarization state for the first predetermined diffraction order can be selected via the groove depth. It is thus possible to produce a plurality of such diffractive elements, which differ only in the groove depth, this difference selecting the polarization state for the first predetermined diffraction order.
  • the distance of each two adjacent grooves is greater than the wavelength of the UV radiation.
  • Non-rectilinear grooves are understood here to mean those grooves which, viewed in plan view of the diffractive element, extend along a trajectory which is not completely on a straight line.
  • the furrows may, for example, extend along polygonal tracts which, although sections are rectilinear, but not over the entire length of the furrows.
  • the grooves may extend along curved trajectories.
  • the furrows may, for example, run along a spiral path. In this case, the furrows may even be made contiguous so as to give a single spiral path, but still provide the desired diffractive effect.
  • Electromagnetic radiation in the UV range is understood here to mean electromagnetic radiation having a wavelength in the range from 1 nm to 400 nm, in particular having a wavelength in the range from 1 nm to 350 nm.
  • the non-rectilinearly extending furrows may be formed by a plurality of rectilinearly extending sections.
  • Such non-rectilinear grooves can be produced by interference lithography, which allows larger structured areas and thus the production of larger diffractive elements for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range.
  • the grooves each have an annular course and are arranged concentrically with each other.
  • An annular course is understood here to mean that, in plan view of the diffractive element, the grooves each form a self-contained path curve. Due to the concentric arrangement of the grooves, these trajectories do not overlap. The furrows are thus virtually nested.
  • the annular course can in particular be chosen so that the furrows are each formed in plan view as polygonal rings. Of course, all other ring shapes are possible. In particular, the annular course can not be circular.
  • the groove widths and spacings are selected so that the polarization state of the first predetermined diffraction order changes from the first to the second polarization state according to the calculated effect of the element with increasing groove depth (with unchanged groove widths and spacings). Therefore, the desired polarization state for the first predetermined diffraction order can only be selected via the groove depth if all other dimensions and material parameters of the diffractive element remain unchanged.
  • the orientation of the selected first or second polarization state in the beam cross section of the radiation of the first predetermined diffraction order can be varied spatially continuously.
  • the diffractive element that the first polarization state is in each case locally related to an annular curve surrounding the center of the beam cross section of the radiation of the first predetermined diffraction order, the shape of which corresponds to the shape of the annular grooves.
  • dielectric materials such as quartz (SiO 2 ) or fluorspar (CaF 2 ).
  • the webs between the grooves may be coated with other materials, in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), cryolite, chiolite or zirconium or consist of these.
  • the carrier may be formed of these materials.
  • ring shapes are selected for the grooves which are either point-symmetrical or rotationally symmetric.
  • Particularly preferred are annular grooves, as In this Furch angles the beam of the first predetermined diffraction order can be radially or azimuthally polarized.
  • the distance of each two adjacent furrows and the furrow width is constant. This ensures that the diffractive element has no imaging properties, but only performs the desired polarization separation.
  • the first predetermined diffraction order is preferably the zeroth diffraction order and the second predetermined diffraction order comprises at least one non-zero diffraction order. This makes it possible, for example, by a clever arrangement of diaphragms to pass the first predetermined diffraction order and to shield the second predetermined diffraction order.
  • the diffractive element can be developed so that the distance between two adjacent grooves is less than twice the wavelength of the UV radiation.
  • the groove depth h is chosen in particular such that the following inequality is fulfilled; in which the wavelength of the UV radiation is denoted by ⁇ :
  • the furrow depth is preferably constant over all furrows and the furrows preferably have a U-shaped cross-sectional shape with rounded corners or with non-rounded, pointed corners.
  • the diffractive element is preferably designed so that the ratio of the width of the web between two grooves to the distance between two adjacent grooves (ie the filling factor) is between 0.1 and 0.7, in particular between 0.20 and 0.40.
  • the furrows may be a phase element upstream or downstream, which causes such a location-dependent phase shift in the beam that oscillate in opposite phase to the center of the beam cross-section points in the beam cross section of the first predetermined diffraction order, the light fields.
  • the phase element may be formed integrally with the carrier.
  • the phase element may be formed on one side of the carrier and the annular grooves on the other side of the carrier.
  • the diffractive element may further comprise a diaphragm which is arranged downstream of the diffractive element such that only the radiation of the second predetermined diffraction order is transmitted by the radiation of the first and second predetermined diffraction orders transmitted by the diffractive element Diffraction order is shadowed. This realizes a very simple separation of the radiation of the unwanted diffraction order from the radiation of the desired diffraction order.
  • the diffractive element is designed as a transmissive element.
  • a system with two inventive diffractive elements or preferred developments of the diffractive elements according to the invention is provided in which the two diffractive elements are the same except for the groove depth, wherein the groove depth is set in the first of the two diffractive elements, that the radiation of first diffraction order having the first polarization state, and the second diffractive element, the groove depth is set so that the radiation of the first diffraction order has the second polarization state.
  • a method of making a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV region the polarization separation diffractive element supplying the unpolarized radiation to a first predetermined diffraction order having a first of two orthogonal polarization states and a second predetermined diffraction order bends with the second of the two orthogonal states of polarization, in which a plurality of spaced, non-linearly extending grooves are formed in a substrate of a UV transparent material on one side, the groove depth being adjusted so that the radiation the first diffraction order has the first or second polarization state.
  • the grooves may be formed as annular grooves concentric with each other.
  • the method can be developed so that the above-described diffractive elements and the described preferred developments can be realized.
  • FIG. 1 is a plan view of a first embodiment of the diffractive element according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged section of a radial section through the diffractive element of FIG. 1
  • FIG. 1 is a plan view of a first embodiment of the diffractive element according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged section of a radial section through the diffractive element of FIG. 1
  • FIG. 1 is a plan view of a first embodiment of the diffractive element according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged section of a radial section through the diffractive element of FIG. 1
  • FIG. 3 shows the transmission behavior for the zeroth diffraction order of the diffractive element of FIG. 1 as a function of the groove depth
  • Fig. 5 is a schematic view for explaining radially polarized radiation
  • Fig. 6 is a schematic view for explaining an azimuthally polarized radiation
  • Fig. 7 is a perspective view of a phase element
  • Fig. 8 is a schematic representation of the effect of the phase element of Fig. 7 in the polarization of Fig. 5, and
  • Fig. 9 is a plan view of a second embodiment of the diffractive element according to the invention.
  • Fig. 1 is shown schematically in plan view an embodiment of a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range (wavelength ⁇ 400 nm, in particular ⁇ 350 nm) shown.
  • This diffractive element has a carrier 1, in which a plurality of annular grooves 2 are formed, which are arranged coaxially to each other.
  • the width b1 of the grooves 2 is constant and also the width b2 of the webs 3 extending between the grooves 2 is constant.
  • each two adjacent grooves 2 equidistant from each other and the grating period d is constant.
  • Width b2 of the webs here is 0.30303 with a grating period of 330 nm
  • the diffractive element is designed for UV radiation with a wavelength of 193 nm.
  • Fig. 3 the transmission of the zeroth diffraction order for the TM polarization (line with crosses) and the TE polarization (solid line) as a function of the groove depth h shown separately.
  • the TM polarization is the linear polarization that oscillates locally perpendicular to the grating grooves 2
  • the TE polarization is the linear polarization that oscillates locally parallel to the grating grooves 2.
  • the transmission for the different polarizations diverge so that for a first depth substantially only the TM polarization and for a second depth different from the first depth is, essentially only the TE polarization is transmitted.
  • the respective other polarization is then transmitted substantially in the ⁇ 1-th diffraction order, which is here a ring with an opening angle of about 22 °.
  • ⁇ 1-th diffraction order which is here a ring with an opening angle of about 22 °.
  • a transmitted beam thus has a substantially radial polarization at which the polarization at each location oscillates perpendicular to a (imaginary) circle around the center M of the beam cross section.
  • the radial polarization is shown schematically in FIG. The transmission here is about 69% and the polarization degree is about 86.5%.
  • h2 700 nm is selected for the groove depth
  • essentially only the TE polarization is transmitted with the diffractive element in the zeroth order of diffraction described in FIG.
  • the achievable transmission here is about 72% and the polarization degree is about 97.2%.
  • the transmitted beam will again be azimuthally polarized, as indicated in FIG.
  • the transmission is in this case about 94% and the degree of polarization is about 98.4%.
  • the phase between the desired transmitted polarization state and the unwanted, to a small extent still transmitted polarization state increases, so that preferably groove depths h are selected, in which the unwanted polarization in the transmission has a minimum.
  • the diffractive element must be preceded or followed by a corresponding phase element which adjusts the corresponding phases by means of a location-dependent phase delay.
  • phase element shown schematically in FIG. 7 the thickness of which increases as a function of the angular position (helical).
  • the thickness is chosen so that after 360 ° a phase delay of 2 ⁇ is reached. Positioning this phase element behind the diffractive element results in achieving the desired antiphase oscillating light field distribution, as shown in FIG.
  • the described diffractive element can thus be used to set rotationally symmetric distributions of a predetermined polarization state (for example TE polarization or TM polarization) in the beam cross section of a UV beam.
  • a predetermined polarization state for example TE polarization or TM polarization
  • the distribution of the polarization state corresponds to the shape of the grooves 2.
  • annular furrows In addition to the described annular furrows but also all other self-contained furrow shapes (ie annular furrows) are possible. For example, elliptical furrow shapes can be used. However, there are also polygonal rings or other annular furrows possible. The distribution of the corresponding polarization corresponds then in this case, the selected furrow shape.
  • a desired distribution of a predetermined polarization state in the beam cross-section can be easily realized by the choice of the annular groove (local distribution of the polarization) and the groove depth (choice of the polarization state).
  • the calculated effect of the diffractive element shown in Fig. 3 was optimized for the wavelength of 193 nm so that the described divergence of the transmission behavior for the TE and TM polarization occurs. It has been found that this behavior occurs only for a grating period of 330 nm ⁇ 10 nm.
  • the calculations can be carried out with commercially available programs operating according to the rigorous coupled wave analysis (RCWA) or the finite element method.
  • RCWA rigorous coupled wave analysis
  • the diffractive element can be made, for example, by known manufacturing techniques of semiconductor technology, such as e.g. the electron beam lithography or the use of holographically exposed etching masks.
  • the material used for the support is in particular quartz or calcium fluoride, the support having a thickness of e.g. 0.1 - 4.0 mm.
  • the diffractive element can be used, for example, in microscopes in the illumination-side and / or image-side beam path. Also, it can be used in conjunction with the reduction of a focus diameter of an optical system. In particular, it can be used in steppers for semiconductor production and for mask inspection or other polarization-dependent applications.
  • the annular grooves can be realized by the webs formed on the flat surface of the carrier 1. Alternatively, it is also possible to etch the furrows in the surface. Furthermore, it is possible to form the grooves by locally the refractive index of the
  • the support can be bombarded with ion beams by means of a photolithographically produced mask.
  • the effect of the ion beams can be in the introduction of foreign atoms into the substrate (ie in a doping) or in the extraction of atoms from an already doped substrate, ie in the
  • the diffractive element is a phase modulating element.
  • teaching according to the invention can also be used fundamentally for amplitude-modulating diffractive elements.
  • the webs 2 are replaced by a layer with negligible transmissivity.
  • the circular grooves according to the embodiment of FIG. 1 are formed by eight rectilinear sections each so that the diffractive element has eight sectors 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 and 17, respectively where the corresponding sections of the grooves 2 each extend parallel to each other.
  • these sectors are each from the center M radially outward extending lines 20 - 27 drawn, which are not part of the diffractive element.
  • the diffractive element shown in FIG. 9 qualitatively has the same properties as the diffractive element described in connection with FIGS. 1-8, so that the polarization state of the electromagnetic radiation diffracted into the zeroth diffraction order can be adjusted as a function of the groove depth h.
  • TM polarizations are diffracted to the zeroth diffraction order, there is no longer any pure radial polarization, but the polarization in each sector 10 - 17 oscillates perpendicular to the extension direction of the rectilinear sections.
  • the radial polarization is thus approximated by the number of sections 10-17.
  • the advantage of the diffractive element shown in Fig. 9 is that such an element can be produced by interference lithography. Thus, easily larger areas can be exposed with sufficient accuracy, so that relatively large diffractive elements can be produced with the required accuracy.

Abstract

The invention relates to a diffractive element for the polarization separation of nonpolarized electromagnetic radiation in the UV region, comprising a support (1), which is transparent to the UV radiation and which has a multitude of interspaced non-linear grooves (2), the distance between two adjacent grooves being greater than the wavelength of the UV radiation. The diffractive element for the polarization separation diffracts the supplied nonpolarized radiation into a first predetermined diffraction order with a first of two polarization states, which are orthogonal to one another, and into a second predetermined diffraction order with the second of the two orthogonal polarization states. The groove depth (h) serves to determine whether the radiation of the first predetermined diffraction order has the first or second polarization state.

Description

Diffraktives Element zur Polarisationstrennunq von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich und Verfahren zur Herstellung eines solchen diffraktiven Diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range and method for producing such a diffractive
Elementeselement
Die Erfindung betrifft ein diffraktives Element zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich.The invention relates to a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range.
Für Polarisationstrennung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich und im Infrarotbereich sind Gitterstrukturen mit räumlich parallel angeordneten Stegen mitFor polarization separation of electromagnetic radiation in the visible range and in the infrared range are grid structures with spatially parallel webs with
Gitterperioden im Subwellenlängenbereich bekannt. Bei diesen Gitterstrukturen werden üblicherGrating periods in the sub-wavelength range known. These lattice structures become more common
Weise metallische Materialien eingesetzt. Dies führt zu dem Nachteil der Absorption vonWay metallic materials used. This leads to the disadvantage of the absorption of
Energie der Strahlung, was bei hohen Intensitäten sogar zur Zerstörung des Elementes führen kann. Gerade für elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich weisen Metalle eine extrem hohe Absorption auf und sind daher nicht geeignet, ein diffraktives transmissives Element zurEnergy of radiation, which can even lead to the destruction of the element at high intensities. Especially for electromagnetic radiation in the UV range, metals have an extremely high absorption and are therefore not suitable to a diffractive transmissive element for
Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich zurPolarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range for
Verfügung zu stellen.To make available.
Rotationssymmetrische Polarisationsverteilungen können diskontinuierlich mit der in der US 6,392,800 B2 beschriebenen Platte, die auf λ/2-Segmenten basiert, erzeugt werden. Neben der letztendlich nur diskontinuierlichen Polarisationsverteilung benötigt diese Platte darüber hinaus auch noch vorpolarisierte Strahlung.Rotationally symmetric polarization distributions can be produced discontinuously with the plate described in US Pat. No. 6,392,800 B2, which is based on λ / 2 segments. In addition to the ultimately only discontinuous polarization distribution, this plate also requires pre-polarized radiation.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, ein diffraktives Element zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich zur Verfügung zu stellen, mit dem eine kontinuierliche Polarisationsverteilung im Strahlquerschnitt des vom diffraktiven Element abgegebenen Strahls erzeugt werden kann.Proceeding from this it is an object of the invention to provide a diffractive element for the polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range, with which a continuous polarization distribution in the beam cross section of the beam emitted by the diffractive element can be generated.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein diffraktives Element zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich, mit einem aus einem für die UV-Strahlung transparenten Material gebildeten Träger, der eine Vielzahl von voneinander beabstandeten, sich nicht geradlinig erstreckenden Furchen aufweist, wobei der Abstand von zwei benachbarten Furchen größer ist als die Wellenlänge der UV- Strahlung, wobei das diffraktive Element zur Polarisationstrennung die zugeführte unpolarisierte Strahlung in eine erste vorbestimmte Beugungsordnung mit einem ersten von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen und eine zweite vorbestimmte Beugungsordnung mit dem zweiten der beiden orthogonalen Polarisationszuständen beugt, und wobei über die Furchentiefe eingestellt ist, ob die Strahlung der ersten Beugungsordnung den ersten oder zweiten Polarisationszustand aufweist.According to the invention the object is achieved by a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range, with a support formed from a material transparent to UV radiation having a plurality of spaced, non-linearly extending grooves, the spacing of two adjacent grooves being greater than the wavelength of the UV radiation, the polarization separation diffractive element diffracting the supplied unpolarized radiation into a first predetermined diffraction order having a first of two mutually orthogonal polarization states and a second predetermined diffraction order with the second of the two orthogonal polarization states, and wherein via the groove depth, the first diffraction order radiation is the first or second polarization state having.
Mit diesem diffraktiven Element kann über die Furchentiefe der gewünschte Polarisationszustand für die erste vorbestimmte Beugungsordnung ausgewählt werden. Es ist somit möglich, mehrere solche diffraktive Elemente herzustellen, die sich nur in der Furchentiefe unterscheiden, wobei durch diesen Unterschied der Polarisationszustand für die erste vorbestimmte Beugungsordnung ausgewählt wird.With this diffractive element, the desired polarization state for the first predetermined diffraction order can be selected via the groove depth. It is thus possible to produce a plurality of such diffractive elements, which differ only in the groove depth, this difference selecting the polarization state for the first predetermined diffraction order.
Insbesondere ist der Abstand von je zwei benachbarten Furchen größer als die Wellenlänge der UV-Strahlung.In particular, the distance of each two adjacent grooves is greater than the wavelength of the UV radiation.
Unter sich nicht geradlinig erstreckenden Furchen werden hier solche Furchen verstanden, die sich jeweils, in Draufsicht auf das diffraktive Element gesehen, entlang einer Bahnkurve erstrecken, die nicht vollständig auf einer Geraden liegt. Die Furchen können sich beispielsweise entlang polygonförmiger Streckenzüge erstrecken, die zwar abschnittsweise geradlinig sind, jedoch nicht über die gesamte Länge der Furchen. Insbesondere können die Furchen sich entlang gekrümmter Bahnkurven erstrecken. Die Furchen können beispielsweise entlang einer spiralförmigen Bahn verlaufen. In diesem Fall können die Furchen sogar derart zusammenhängend ausgebildet sein, daß sie eine einzige Spiralbahn ergeben, aber immer noch für die gewünschte diffraktive Wirkung sorgen.Non-rectilinear grooves are understood here to mean those grooves which, viewed in plan view of the diffractive element, extend along a trajectory which is not completely on a straight line. The furrows may, for example, extend along polygonal tracts which, although sections are rectilinear, but not over the entire length of the furrows. In particular, the grooves may extend along curved trajectories. The furrows may, for example, run along a spiral path. In this case, the furrows may even be made contiguous so as to give a single spiral path, but still provide the desired diffractive effect.
Unter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich wird hier elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm - 400 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm - 350 nm verstanden.Electromagnetic radiation in the UV range is understood here to mean electromagnetic radiation having a wavelength in the range from 1 nm to 400 nm, in particular having a wavelength in the range from 1 nm to 350 nm.
Die sich nicht geradlinig erstreckende Furchen können durch mehrere, sich geradlinig erstreckende Teilabschnitte gebildet sein. Solche nicht geradlinige Furchen können interferenzlithographisch hergestellt werden, was größere strukturierte Flächen und somit die Herstellung größerer diffraktiver Elemente zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen diffraktiven Elementes weisen die Furchen jeweils einen ringförmigen Verlauf auf und sind zueinander konzentrisch angeordnet. Unter einem ringförmigen Verlauf wird hier verstanden, daß in Draufsicht auf das diffraktive Element die Furchen jeweils eine in sich geschlossene Bahnkurve bilden. Durch die konzentrische Anordnung der Furchen überschneiden sich diese Bahnkurven nicht. Die Furchen sind somit quasi ineinander geschachtelt.The non-rectilinearly extending furrows may be formed by a plurality of rectilinearly extending sections. Such non-rectilinear grooves can be produced by interference lithography, which allows larger structured areas and thus the production of larger diffractive elements for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range. According to a preferred embodiment of the diffractive element according to the invention, the grooves each have an annular course and are arranged concentrically with each other. An annular course is understood here to mean that, in plan view of the diffractive element, the grooves each form a self-contained path curve. Due to the concentric arrangement of the grooves, these trajectories do not overlap. The furrows are thus virtually nested.
Der ringförmige Verlauf kann insbesondere so gewählt werden, daß die Furchen in Draufsicht jeweils als polygonförmige Ringe ausgebildet sind. Natürlich sind auch alle anderen Ringformen möglich. Insbesondere kann der ringförmige Verlauf nicht kreisringförmig sein.The annular course can in particular be chosen so that the furrows are each formed in plan view as polygonal rings. Of course, all other ring shapes are possible. In particular, the annular course can not be circular.
Bei dem diffraktiven Element sind die Furchenbreiten und -abstände so gewählt, daß gemäß der berechneten Wirkung des Elementes mit zunehmender Furchentiefe (bei nicht veränderten Furchenbreiten und -abständen) der Polarisationszustand der ersten vorbestimmten Beugungsordnung vom ersten zum zweiten Polarisationszustand wechselt. Daher kann nur über die Furchentiefe der gewünschte Polarisationszustand für die erste vorbestimmte Beugungsordnung ausgewählt werden, wenn alle anderen Abmessungen und Materialparameter des diffraktiven Elementes unverändert bleiben.In the diffractive element, the groove widths and spacings are selected so that the polarization state of the first predetermined diffraction order changes from the first to the second polarization state according to the calculated effect of the element with increasing groove depth (with unchanged groove widths and spacings). Therefore, the desired polarization state for the first predetermined diffraction order can only be selected via the groove depth if all other dimensions and material parameters of the diffractive element remain unchanged.
Ferner wird mit diesem diffraktiven Element erreicht, daß die Ausrichtung des ausgewählten ersten oder zweiten Polarisationszustandes im Strahlquerschnitt der Strahlung der ersten vorbestimmten Beugungsordnung räumlich kontinuierlich variiert werden kann. Insbesondere wird mit dem diffraktiven Element erreicht, daß der erste Polarisationszustand jeweils lokal bezogen auf eine den Mittelpunkt des Strahlquerschnitts der Strahlung der ersten vorbestimmten Beugungsordnung umschließende ringförmige Kurve vorliegt, deren Form der Form der ringförmigen Furchen entspricht. Somit kann über die Auswahl der Ringform der Furchen die räumliche Verteilung der Ausrichtung des ausgewählten Polarisationszustandes festgelegt werden.Furthermore, it is achieved with this diffractive element that the orientation of the selected first or second polarization state in the beam cross section of the radiation of the first predetermined diffraction order can be varied spatially continuously. In particular, it is achieved with the diffractive element that the first polarization state is in each case locally related to an annular curve surrounding the center of the beam cross section of the radiation of the first predetermined diffraction order, the shape of which corresponds to the shape of the annular grooves. Thus, by selecting the ring shape of the furrows, the spatial distribution of the orientation of the selected polarization state can be determined.
Als Material für den Träger werden insbesondere dielektrische Materialien verwendet, wie z.B. Quarz (SiO2) oder Flußspat (CaF2). Die Stege zwischen den Furchen können noch mit anderen Materialien, insbesondere Aluminiumoxid (AI2O3), Kryolith, Chiolith oder Zirkonium beschichtet sein oder aus diesen bestehen. Natürlich kann auch der Träger aus diesen Materialien gebildet sein.As the material for the carrier, in particular, dielectric materials are used, such as quartz (SiO 2 ) or fluorspar (CaF 2 ). The webs between the grooves may be coated with other materials, in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), cryolite, chiolite or zirconium or consist of these. Of course, the carrier may be formed of these materials.
Insbesondere werden Ringformen für die Furchen ausgewählt, die entweder punktsymmetrisch oder gleich rotationssymmetrisch sind. Besonders bevorzugt sind kreisringförmige Furchen, da bei dieser Furchwahl der Strahl der ersten vorbestimmten Beugungsordnung radial oder azimutal polarisiert sein kann.In particular, ring shapes are selected for the grooves which are either point-symmetrical or rotationally symmetric. Particularly preferred are annular grooves, as In this Furchwahl the beam of the first predetermined diffraction order can be radially or azimuthally polarized.
Bevorzugt ist der Abstand von je zwei benachbarten Furchen und die Furchenbreite konstant. Damit wird erreicht, daß das diffraktive Element keine abbildenden Eigenschaften aufweist, sondern nur die gewünschte Polarisationstrennung durchführt.Preferably, the distance of each two adjacent furrows and the furrow width is constant. This ensures that the diffractive element has no imaging properties, but only performs the desired polarization separation.
Die erste vorbestimmte Beugungsordnung ist bevorzugt die nullte Beugungsordnung und die zweite vorbestimmte Beugungsordnung umfaßt zumindest eine nicht nullte Beugungsordnung. Dadurch ist es beispielsweise durch eine geschickte Anordnung von Blenden möglich, die erste vorbestimmte Beugungsordnung durchzulassen und die zweite vorbestimmte Beugungsordnung abzuschirmen.The first predetermined diffraction order is preferably the zeroth diffraction order and the second predetermined diffraction order comprises at least one non-zero diffraction order. This makes it possible, for example, by a clever arrangement of diaphragms to pass the first predetermined diffraction order and to shield the second predetermined diffraction order.
Das diffraktive Elemente kann insbesondere so weitergebildet werden, daß der Abstand von zwei benachbarten Furchen kleiner ist als das Doppelte der Wellenlänge der UV-Strahlung.In particular, the diffractive element can be developed so that the distance between two adjacent grooves is less than twice the wavelength of the UV radiation.
Die Furchentiefe h wird insbesondere so gewählt, daß die folgende Ungleichung erfüllt ist; bei der die Wellenlänge der UV-Strahlung mit λ bezeichnet wird:The groove depth h is chosen in particular such that the following inequality is fulfilled; in which the wavelength of the UV radiation is denoted by λ:
2,5 - λ < h ≤ 7,0 - λ .2.5 - λ <h ≦ 7.0 - λ.
Die Furchentiefe ist bevorzugt über alle Furchen konstant und die Furchen weisen bevorzugt eine U-förmige Querschnittsform mit abgerundeten Ecken oder mit nicht-abgerundeten, spitzen Ecken auf. Das diffraktive Element ist bevorzugt so ausgelegt, daß das Verhältnis der Breite des Steges zwischen zwei Furchen zum Abstand zweier benachbarter Furchen (also der Füllfaktor) zwischen 0,1 und 0,7, insbesondere zwischen 0,20 und 0,40 liegt.The furrow depth is preferably constant over all furrows and the furrows preferably have a U-shaped cross-sectional shape with rounded corners or with non-rounded, pointed corners. The diffractive element is preferably designed so that the ratio of the width of the web between two grooves to the distance between two adjacent grooves (ie the filling factor) is between 0.1 and 0.7, in particular between 0.20 and 0.40.
Ferner kann beim diffraktiven Element den Furchen ein Phasenelement vor- oder nachgeordnet sein, das eine derartige ortsabhängige Phasenverschiebung im Strahl bewirkt, daß im Strahlquerschnitt der ersten vorbestimmten Beugungsordnung die Lichtfelder zweier zum Mittelpunkt des Strahlquerschnitts punktsymmetrischer Punkte gegenphasig schwingen. Das Phasenelement kann einstückig mit dem Träger ausgebildet sein. Insbesondere kann das Phasenelement auf einer Seite des Trägers und die ringförmigen Furchen auf der anderen Seite des Trägers ausgebildet sein.Further, in the diffractive element the furrows may be a phase element upstream or downstream, which causes such a location-dependent phase shift in the beam that oscillate in opposite phase to the center of the beam cross-section points in the beam cross section of the first predetermined diffraction order, the light fields. The phase element may be formed integrally with the carrier. In particular, the phase element may be formed on one side of the carrier and the annular grooves on the other side of the carrier.
Das diffraktive Element kann ferner eine Blende aufweisen, die dem diffraktiven Element so nachgeordnet ist, daß von der vom diffraktiven Element transmittierten Strahlung der ersten und zweiten vorbestimmten Beugungsordnung nur die Strahlung der zweiten vorbestimmten Beugungsordnung abgeschattet wird. Dadurch wird eine sehr einfache Trennung der Strahlung der nicht gewünschten Beugungsordnung von der Strahlung der gewünschten Beugungsordnung realisiert.The diffractive element may further comprise a diaphragm which is arranged downstream of the diffractive element such that only the radiation of the second predetermined diffraction order is transmitted by the radiation of the first and second predetermined diffraction orders transmitted by the diffractive element Diffraction order is shadowed. This realizes a very simple separation of the radiation of the unwanted diffraction order from the radiation of the desired diffraction order.
Insbesondere ist das diffraktive Element als transmissives Element ausgebildet.In particular, the diffractive element is designed as a transmissive element.
Ferner wird noch ein System mit zwei erfindungsgemäßen diffraktiven Elementen oder bevorzugter Weiterbildungen der erfindungsgemäßen diffraktiven Elemente bereitgestellt, bei dem die beiden diffraktiven Elemente bis auf die Furchentiefe gleich ausgebildet sind, wobei beim ersten der beiden diffraktiven Elemente die Furchentiefe so eingestellt ist, daß die Strahlung der ersten Beugungsordnung den ersten Polarisationszustand aufweist, und beim zweiten diffraktiven Element die Furchentiefe so eingestellt ist, daß die Strahlung der ersten Beugungsordnung den zweiten Polarisationszustand aufweist.Furthermore, a system with two inventive diffractive elements or preferred developments of the diffractive elements according to the invention is provided in which the two diffractive elements are the same except for the groove depth, wherein the groove depth is set in the first of the two diffractive elements, that the radiation of first diffraction order having the first polarization state, and the second diffractive element, the groove depth is set so that the radiation of the first diffraction order has the second polarization state.
Weiter wird noch ein Verfahren zur Herstellung eines diffraktiven Elementes zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich bereitgestellt, wobei das diffraktive Element zur Polarisationstrennung die zugeführte unpolarisierte Strahlung in eine erste vorbestimmte Beugungsordnung mit einem ersten von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen und eine zweite vorbestimmte Beugungsordnung mit dem zweiten der beiden orthogonalen Polarisationszustände beugt, bei dem in einem Träger aus einem für die UV-Strahlung transparenten Material auf einer Seite eine Vielzahl von voneinander beabstandeten, sich nicht geradlinig erstreckenden Furchen ausgebildet werden, wobei die Furchentiefe so eingestellt wird, daß die Strahlung der ersten Beugungsordnung den ersten oder zweiten Polarisationszustand aufweist.Still further, there is provided a method of making a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV region, the polarization separation diffractive element supplying the unpolarized radiation to a first predetermined diffraction order having a first of two orthogonal polarization states and a second predetermined diffraction order bends with the second of the two orthogonal states of polarization, in which a plurality of spaced, non-linearly extending grooves are formed in a substrate of a UV transparent material on one side, the groove depth being adjusted so that the radiation the first diffraction order has the first or second polarization state.
Insbesondere können die Furchen als ringförmige Furchen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, ausgebildet werden.In particular, the grooves may be formed as annular grooves concentric with each other.
Das Verfahren kann so weitergebildet werden, daß das bzw. die oben beschriebenen diffraktiven Elemente sowie die beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen realisiert werden können.The method can be developed so that the above-described diffractive elements and the described preferred developments can be realized.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhalber noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings by way of example. Show it:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen diffraktiven Elementes; Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt eines radialen Schnitts durch das diffraktive Element von Fig. 1 ;Fig. 1 is a plan view of a first embodiment of the diffractive element according to the invention; FIG. 2 is an enlarged section of a radial section through the diffractive element of FIG. 1; FIG.
Fig. 3 das Transmissionsverhalten für die nullte Beugungsordnung des diffraktiven Elementes von Fig. 1 in Abhängigkeit von der Furchentiefe;FIG. 3 shows the transmission behavior for the zeroth diffraction order of the diffractive element of FIG. 1 as a function of the groove depth; FIG.
Fig. 4 die Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationszuständen TM und TE für die nullte Beugungsordnung des diffraktiven Elementes in Abhängigkeit von der Furchentiefe;4 shows the phase shift between the two polarization states TM and TE for the zeroth diffraction order of the diffractive element as a function of the groove depth;
Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Erläuterung radial polarisierter Strahlung;Fig. 5 is a schematic view for explaining radially polarized radiation;
Fig. 6 eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer azimutal polarisierten Strahlung;Fig. 6 is a schematic view for explaining an azimuthally polarized radiation;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Phasenelementes;Fig. 7 is a perspective view of a phase element;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Wirkung des Phasenelementes von Fig. 7 bei der Polarisation von Fig. 5, undFig. 8 is a schematic representation of the effect of the phase element of Fig. 7 in the polarization of Fig. 5, and
Fig. 9 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen diffraktiven Elements.Fig. 9 is a plan view of a second embodiment of the diffractive element according to the invention.
In Fig. 1 ist schematisch in Draufsicht eine Ausführungsform eines diffraktiven Elementes zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich (Wellenlänge < 400 nm, insbesondere < 350 nm) gezeigt. Dieses diffraktive Element weist einen Träger 1 auf, in dem eine Vielzahl von kreisringförmigen Furchen 2 ausgebildet sind, die zueinander koaxial angeordnet sind.In Fig. 1 is shown schematically in plan view an embodiment of a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range (wavelength <400 nm, in particular <350 nm) shown. This diffractive element has a carrier 1, in which a plurality of annular grooves 2 are formed, which are arranged coaxially to each other.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Breite b1 der Furchen 2 konstant und auch die Breite b2 der zwischen den Furchen 2 verlaufenden Stege 3 ist konstant. Somit sind jeweils zwei benachbarte Furchen 2 gleich weit voneinander beabstandet und ist die Gitterperiode d konstant. Der Füllfaktor des diffraktiven Elementes, also das Verhältnis von Gitterperiode d zuAs can be seen from FIG. 2, the width b1 of the grooves 2 is constant and also the width b2 of the webs 3 extending between the grooves 2 is constant. Thus, each two adjacent grooves 2 equidistant from each other and the grating period d is constant. The fill factor of the diffractive element, ie the ratio of grating period d to
Breite b2 der Stege beträgt hier 0,30303 bei einer Gitterperiode von 330 nm. Damit beträgt dieWidth b2 of the webs here is 0.30303 with a grating period of 330 nm
Breite b1 der Furchen 230 nm und die Stegbreite b2 100 nm. Das diffraktive Element ist für UV- Strahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm ausgelegt.Width b1 of the grooves 230 nm and the bridge width b2 100 nm. The diffractive element is designed for UV radiation with a wavelength of 193 nm.
In Fig. 3 ist die Transmission der nullten Beugungsordnung für die TM-Polarisation (Linie mit Kreuzen) und die TE-Polarisation (durchgezogene Linie) in Abhängigkeit von der Furchentiefe h getrennt dargestellt. Dabei ist die TM-Polarisation die lineare Polarisation, die lokal senkrecht zu den Gitterfurchen 2 schwingt, und die TE-Polarisation ist die lineare Polarisation, die lokal parallel zu den Gitterfurchen 2 schwingt. Wie der Darstellung in Fig. 3 entnommen werden kann, tritt bei zunehmender Furchentiefe h ein Auseinanderlaufen der Transmission für die verschiedenen Polarisationen derart auf, daß für eine erste Tiefe im wesentlichen nur die TM- Polarisation und für eine zweite Tiefe, die verschieden zur ersten Tiefe ist, im wesentlichen nur die TE-Polarisation transmittiert wird. Die jeweilige andere Polarisation wird dann im wesentlichen in die ± 1-te Beugungsordnung transmittiert, die hier ein Ring mit einem Öffnungswinkel von ca. 22° ist. Somit läßt sich durch eine geeignete angeordnete Blende sehr leicht diese Beugungsordnung gegenüber der nullten Beugungsordnung abschatten. Damit ist es mit dem beschriebenen diffraktiven Element möglich, nur durch geeignete Wahl der Furchentiefe h den Polarisationszustand der transmittierten Strahlung nullter Beugungsordnung frei zu wählen.In Fig. 3, the transmission of the zeroth diffraction order for the TM polarization (line with crosses) and the TE polarization (solid line) as a function of the groove depth h shown separately. Here, the TM polarization is the linear polarization that oscillates locally perpendicular to the grating grooves 2, and the TE polarization is the linear polarization that oscillates locally parallel to the grating grooves 2. As can be seen from the illustration in FIG. 3, with increasing groove depth h, the transmission for the different polarizations diverge so that for a first depth substantially only the TM polarization and for a second depth different from the first depth is, essentially only the TE polarization is transmitted. The respective other polarization is then transmitted substantially in the ± 1-th diffraction order, which is here a ring with an opening angle of about 22 °. Thus, it is very easy to shade this diffraction order with respect to the zeroth diffraction order by means of a suitably arranged aperture. Thus, it is possible with the described diffractive element, only by a suitable choice of the groove depth h to choose the polarization state of the transmitted radiation zeroth diffraction order.
So wird beispielsweise bei einer Furchentiefe von h1 = 540 nm im wesentlichen nur die TM- Polarisation in die nullte Beugungsordnung gebeugt. Ein transmittierter Strahl weist somit eine im wesentlichen radiale Polarisation auf, bei der die Polarisation an jedem Ort senkrecht zu einem (gedachten) Kreis um den Mittelpunkt M des Strahlquerschnitts schwingt. Die radiale Polarisation ist in Fig. 5 schematisch gezeigt. Die Transmission beträgt hier ca. 69 % und der Polarisationsgrad beträgt ca. 86,5 %.Thus, for example, at a groove depth of h1 = 540 nm, essentially only the TM polarization is diffracted into the zeroth diffraction order. A transmitted beam thus has a substantially radial polarization at which the polarization at each location oscillates perpendicular to a (imaginary) circle around the center M of the beam cross section. The radial polarization is shown schematically in FIG. The transmission here is about 69% and the polarization degree is about 86.5%.
Wenn nun für die Furchentiefe h2 = 700 nm gewählt wird, wird mit dem in Fig. 1 beschriebenen diffraktiven Element in der nullten Beugungsordnung im wesentlichen nur die TE-Polarisation transmittiert. Dies führt im transmittierten Strahl der nullten Beugungsordnung zu einer sogenannten azimutalen bzw. transversalen Polarisation, bei der die lineare Polarisation so ausgerichtet ist, daß sie jeweils tangential zu einem gedachten Kreis mit Mittelpunkt M in der Mitte des Strahlquerschnittes schwingt, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Die erreichbare Transmission beträgt hier ca. 72 % und der Polarisationsgrad beträgt ca. 97,2 %.If now h2 = 700 nm is selected for the groove depth, essentially only the TE polarization is transmitted with the diffractive element in the zeroth order of diffraction described in FIG. This leads in the transmitted beam of zeroth diffraction order to a so-called azimuthal or transverse polarization, in which the linear polarization is aligned so that it swings each tangent to an imaginary circle with center M in the middle of the beam cross-section, as shown in Fig. 6 is indicated. The achievable transmission here is about 72% and the polarization degree is about 97.2%.
Wenn man für die Furchentiefe einen noch größeren Wert von beispielsweise 1145 nm wählt, wird der transmittierte Strahl wiederum azimutal polarisiert sein, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Die Transmission beträgt in diesem Fall ca. 94 % und der Polarisationsgrad beträgt ca. 98,4 %.If one chooses an even greater value of, for example, 1145 nm for the groove depth, the transmitted beam will again be azimuthally polarized, as indicated in FIG. The transmission is in this case about 94% and the degree of polarization is about 98.4%.
Mit steigender Furchentiefe nimmt jedoch auch die Phase zwischen dem gewünschten transmittierten Polarisationszustand und dem ungewünschten, zu geringem Teil noch transmittierten Polarisationszustand zu, so daß dann bevorzugt Furchentiefen h gewählt werden, bei denen die unerwünschte Polarisation in der Transmission ein Minimum aufweist. Wie man beispielsweise bei der in Fig. 5 gezeigten radialen Polarisation sieht, bei der die jeweilige Phasenlage der einzelnen eingezeichneten Schwingungen durch die Position der Pfeilspitze angedeutet ist, schwingen die Lichtfelder zweier zum Mittelpunkt M punktsymmetrischen Punkte im Strahlquerschnitt phasengleich. Wenn man nun jedoch eine gegenphasig schwingende Lichtfeldverteilung wünscht, muß man dem diffraktiven Element noch ein entsprechendes Phasenelement vor- oder nachordnen, das durch eine ortsabhängige Phasenverzögerung die entsprechenden Phasen einstellt. Dies wird durch das in Fig. 7 schematisch dargestellte Phasenelement erreicht, dessen Dicke in Abhängigkeit der Winkelposition (spiralförmig) zunimmt. Die Dicke ist dabei so gewählt, daß nach 360° eine Phasenverzögerung von 2π erreicht ist. Wenn man dieses Phasenelement hinter das diffraktive Element positioniert, führt dies dazu, daß die gewünschte gegenphasig schwingende Lichtfeldverteilung erreicht wird, wie in Fig. 8 dargestellt ist.With increasing groove depth, however, the phase between the desired transmitted polarization state and the unwanted, to a small extent still transmitted polarization state increases, so that preferably groove depths h are selected, in which the unwanted polarization in the transmission has a minimum. As can be seen, for example, in the radial polarization shown in FIG. 5, in which the respective phase position of the individual marked oscillations is indicated by the position of the arrowhead, the light fields of two point-symmetrical points in the beam cross-section oscillate in phase. However, if one now desires an out-of-phase oscillating light field distribution, the diffractive element must be preceded or followed by a corresponding phase element which adjusts the corresponding phases by means of a location-dependent phase delay. This is achieved by the phase element shown schematically in FIG. 7, the thickness of which increases as a function of the angular position (helical). The thickness is chosen so that after 360 ° a phase delay of 2π is reached. Positioning this phase element behind the diffractive element results in achieving the desired antiphase oscillating light field distribution, as shown in FIG.
Mit dem beschriebenen diffraktiven Element können somit rotationssymmetrische Verteilungen eines vorbestimmten Polarisationszustandes (z.B. TE-Polarisation oder TM-Polarisation) im Strahlquerschnitt eines UV-Strahles eingestellt werden. Die Verteilung des Polarisationszustandes entspricht dabei der Form der Furchen 2.The described diffractive element can thus be used to set rotationally symmetric distributions of a predetermined polarization state (for example TE polarization or TM polarization) in the beam cross section of a UV beam. The distribution of the polarization state corresponds to the shape of the grooves 2.
Neben den beschriebenen kreisringförmigen Furchen sind jedoch auch alle anderen in sich geschlossenen Furchenformen (also ringförmige Furchen) möglich. So können beispielsweise ellipsenförmige Furchenformen eingesetzt werden. Es sind jedoch auch polygonförmige Ringe oder sonstige ringförmige Furchenformen möglich. Die Verteilung der entsprechenden Polarisation entspricht auch in diesem Fall dann der gewählten Furchenform.In addition to the described annular furrows but also all other self-contained furrow shapes (ie annular furrows) are possible. For example, elliptical furrow shapes can be used. However, there are also polygonal rings or other annular furrows possible. The distribution of the corresponding polarization corresponds then in this case, the selected furrow shape.
Mit dem erfindungsgemäßen diffraktiven Element läßt sich somit eine gewünschte Verteilung eines vorbestimmten Polarisationszustandes im Strahlquerschnitt durch die Wahl der ringförmigen Furche (örtliche Verteilung der Polarisation) und der Furchentiefe (Wahl des Polarisationszustandes) leicht realisieren.Thus, with the diffractive element according to the invention, a desired distribution of a predetermined polarization state in the beam cross-section can be easily realized by the choice of the annular groove (local distribution of the polarization) and the groove depth (choice of the polarization state).
Die in Fig. 3 gezeigte berechnete Wirkung des diffraktiven Elementes wurde für die Wellenlänge von 193 nm so optimiert, daß das beschriebene Auseinanderlaufen des Transmissionsverhaltens für die TE- und TM-Polarisation auftritt. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verhalten nur für eine Gitterperiode von 330 nm ±10 nm auftritt. Die Berechnungen können mit kommerziell erhältlichen Programmen, die gemäß der rigorous coupled-wave analysis (RCWA) oder der Finite-Elemente-Methode arbeiten, durchgeführt werden. Falls man das diffraktive Element für eine andere Wellenlänge optimieren will (z.B. 248 nm), geht man gemäß der Gittergleichung von einer Gitterperiode aus, bei der neben der nullten Beugungsordnung zumindest noch die ±1-te Beugungsordnung auftritt und optimiert hinsichtlich der Polarisationseffizienz, um dann die optimale Gitterperiode und Furchenbreite zu finden, bei denen das gewünschte unterschiedliche Transmissionsverhalten der unterschiedlichen Polarisationen in Abhängigkeit der Furchentiefe erzielt werden kann.The calculated effect of the diffractive element shown in Fig. 3 was optimized for the wavelength of 193 nm so that the described divergence of the transmission behavior for the TE and TM polarization occurs. It has been found that this behavior occurs only for a grating period of 330 nm ± 10 nm. The calculations can be carried out with commercially available programs operating according to the rigorous coupled wave analysis (RCWA) or the finite element method. If one wants to optimize the diffractive element for another wavelength (eg 248 nm), one assumes according to the lattice equation of a lattice period, in which next to zeroth Diffraction order at least the ± 1-th diffraction order occurs and optimized in terms of polarization efficiency, and then to find the optimum grating period and furrow width at which the desired different transmission behavior of different polarizations depending on the groove depth can be achieved.
Das diffraktive Element kann beispielsweise durch bekannte Fertigungsverfahren der Halbleitertechnologie hergestellt werden, wie z.B. der Elektronenstrahllithographie oder auch der Verwendung von holografisch einbelichteten Ätzmasken.The diffractive element can be made, for example, by known manufacturing techniques of semiconductor technology, such as e.g. the electron beam lithography or the use of holographically exposed etching masks.
Als Material für den Träger wird insbesondere Quarz oder Calciumfluorid eingesetzt, wobei der Träger eine Dicke von z.B. 0,1 - 4,0 mm aufweist.The material used for the support is in particular quartz or calcium fluoride, the support having a thickness of e.g. 0.1 - 4.0 mm.
Das diffraktive Element kann beispielsweise in Mikroskopen im beleuchtungsseitigen und/oder abbildungsseitigen Strahlengang eingesetzt werden. Auch kann es in Verbindung mit der Verkleinerung eines Fokusdurchmessers eines optischen Systems eingesetzt werden. Insbesondere kann es bei Steppern für die Halbleiterfertigung und für die Maskeninspektion oder sonstigen polarisationsabhängigen Applikationen eingesetzt werden.The diffractive element can be used, for example, in microscopes in the illumination-side and / or image-side beam path. Also, it can be used in conjunction with the reduction of a focus diameter of an optical system. In particular, it can be used in steppers for semiconductor production and for mask inspection or other polarization-dependent applications.
Die ringförmigen Furchen können durch die auf der ebenen Oberfläche des Trägers 1 gebildeten Stege realisiert werden. Alternativ ist es auch möglich, die Furchen in die Oberfläche zu ätzen. Ferner ist es möglich, die Furchen dadurch zu bilden, daß lokal die Brechzahl desThe annular grooves can be realized by the webs formed on the flat surface of the carrier 1. Alternatively, it is also possible to etch the furrows in the surface. Furthermore, it is possible to form the grooves by locally the refractive index of the
Materials des Trägers verändert wird. So kann beispielsweise der Träger durch eine photolithographisch hergestellte Maske mit lonenstrahlen beschossen werden. Die Wirkung der lonenstrahlen kann in der Einbringung von Fremdatomen in das Substrat (also in einer Dotierung) oder im Herauslösen von Atomen aus einem bereits dotierten Substrat, also in derMaterial of the carrier is changed. For example, the support can be bombarded with ion beams by means of a photolithographically produced mask. The effect of the ion beams can be in the introduction of foreign atoms into the substrate (ie in a doping) or in the extraction of atoms from an already doped substrate, ie in the
Erzeugung von Verarmungszonen, bestehen. Beides verändert die Brechzahl.Generation of depletion zones exist. Both changes the refractive index.
Bei der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das diffraktive Element ein phasenmodulierendes Element ist. Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich jedoch auch grundsätzlich bei amplitudenmodulierenden diffraktiven Elementen einsetzen. In diesem Fall sind die Stege 2 durch eine Schicht mit vemachlässigbaren Transmissionsvermögen zu ersetzen.In the above description, it has been assumed that the diffractive element is a phase modulating element. However, the teaching according to the invention can also be used fundamentally for amplitude-modulating diffractive elements. In this case, the webs 2 are replaced by a layer with negligible transmissivity.
Bei der Ausführungsform von Fig. 9 sind die kreisförmigen Furchen gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 durch jeweils acht geradlinige Teilabschnitte gebildet, so daß das diffraktive Element acht Sektoren 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16 und 17 aufweist, in denen die entsprechenden Teilabschnitte der Furchen 2 jeweils zueinander parallel verlaufen. Zur besseren Darstellung dieser Sektoren sind jeweils vom Mittelpunkt M radial nach außen verlaufende Linien 20 - 27 eingezeichnet, die jedoch nicht Bestandteil des diffraktiven Elements sind.In the embodiment of FIG. 9, the circular grooves according to the embodiment of FIG. 1 are formed by eight rectilinear sections each so that the diffractive element has eight sectors 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 and 17, respectively where the corresponding sections of the grooves 2 each extend parallel to each other. For better representation of these sectors are each from the center M radially outward extending lines 20 - 27 drawn, which are not part of the diffractive element.
Das in Fig. 9 gezeigte diffraktive Element weist qualitativ die gleichen Eigenschaften wie das in Verbindung mit Fig. 1 - 8 beschriebene diffraktive Element auf, so daß in Abhängigkeit der Furchentiefe h der Polarisationszustand der in die nullte Beugungsordnung gebeugten elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden kann. Wenn hauptsächlich TM- Polarisationen in die nullte Beugungsordnung gebeugt wird, liegt keine reine radiale Polarisation mehr vor, sondern schwingt die Polarisation in jedem Sektor 10 - 17 jeweils senkrecht zur Erstreckungsrichtung der geradlinigen Abschnitte. Die radiale Polarisation wird somit durch die Anzahl der Abschnitte 10 - 17 angenähert. Entsprechendes gilt bei einer Furchentiefe, bei der hauptsächlich die TE-Polarisation der elektromagnetischen Strahlung in die nullte Beugungsordnung gebeugt wird.The diffractive element shown in FIG. 9 qualitatively has the same properties as the diffractive element described in connection with FIGS. 1-8, so that the polarization state of the electromagnetic radiation diffracted into the zeroth diffraction order can be adjusted as a function of the groove depth h. When mainly TM polarizations are diffracted to the zeroth diffraction order, there is no longer any pure radial polarization, but the polarization in each sector 10 - 17 oscillates perpendicular to the extension direction of the rectilinear sections. The radial polarization is thus approximated by the number of sections 10-17. The same applies at a groove depth in which mainly the TE polarization of the electromagnetic radiation is diffracted into the zeroth order of diffraction.
Der Vorteil des in Fig. 9 gezeigten diffraktiven Elements liegt darin, daß ein solches Element interferenzlithographisch hergestellt werden kann. Damit können leicht größere Flächen mit ausreichender Genauigkeit belichtet werden, so daß relativ große diffraktive Elemente mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt werden können. The advantage of the diffractive element shown in Fig. 9 is that such an element can be produced by interference lithography. Thus, easily larger areas can be exposed with sufficient accuracy, so that relatively large diffractive elements can be produced with the required accuracy.

Claims

Patentansprüche claims
1. Diffraktives Element zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich, mit einem für die UV-Strahlung transparenten Träger (1), der eine Vielzahl von voneinander beabstandeten, sich nicht geradlinig erstreckenden Furchen (2) aufweist, wobei der Abstand von zwei benachbarten Furchen größer als die Wellenlänge der UV-Strahlung ist, wobei das diffraktive Element zur Polarisationstrennung die zugeführte unpolarisierte Strahlung in eine erste vorbestimmte Beugungsordnung mit einem ersten von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen und eine zweite vorbestimmte Beugungsordnung mit dem zweiten der beiden orthogonalen Polarisationszuständen beugt, und wobei über die Furchentiefe (h) eingestellt ist, ob die Strahlung der ersten vorbestimmten Beugungsordnung den ersten oder zweiten Polarisationszustand aufweist.A diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range, comprising a substrate (1) which is transparent to UV radiation and has a multiplicity of spaced, non-rectilinear grooves (2), the spacing of two adjacent furrows is greater than the wavelength of the UV radiation, the polarization separation diffractive element bending the supplied unpolarized radiation into a first predetermined diffraction order having a first of two mutually orthogonal polarization states and a second predetermined diffraction order to the second of the two orthogonal polarization states, and wherein it is set via the groove depth (h) whether the radiation of the first predetermined diffraction order has the first or second polarization state.
2. Diffraktives Element nach Anspruch 1 , bei dem die sich nicht geradlinig erstreckende Furchen (2) durch mehrere, sich geradlinig erstreckende Teilabschnitte gebildet sind.2. Diffractive element according to claim 1, wherein the not rectilinearly extending grooves (2) are formed by a plurality of rectilinearly extending sections.
3. Diffraktives Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Furchen (2) jeweils einen ringförmigen Verlauf aufweisen und konzentrisch zueinander angeordnet sind.3. Diffractive element according to claim 1 or 2, wherein the grooves (2) each have an annular course and are arranged concentrically to one another.
4. Diffraktives Element nach Anspruch 3, bei dem die Furchen in Draufsicht jeweils als polygonförmige Ringe ausgebildet sind.4. Diffractive element according to claim 3, wherein the furrows are each formed in plan view as polygonal rings.
5. Diffraktives Element nach Anspruch 3, bei dem der ringförmige Verlauf nicht kreisringförmig ist.5. Diffractive element according to claim 3, wherein the annular course is not circular.
6. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Abstand von je zwei benachbarten Furchen und die Furchenbreite konstant ist. 6. A diffractive element according to any one of the preceding claims, wherein the distance of each two adjacent furrows and the furrow width is constant.
7. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Furchenbreiten und Furchenabstände für die Wellenlänge der UV-Strahlung so gewählt sind, daß gemäß einer berechneten Wirkung des diffraktiven Elementes mit zunehmender Furchentiefe der Polarisationszustand der ersten vorbestimmten Beugungsordnung vom ersten zum zweiten Polarisationszustand wechselt.7. A diffractive element according to any one of the preceding claims wherein the groove widths and groove pitches for the wavelength of the UV radiation are selected so that, according to a calculated effect of the diffractive element with increasing groove depth, the polarization state of the first predetermined diffraction order changes from the first to the second polarization state ,
8. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Furchen (2) rotationssymmetrisch sind.8. Diffractive element according to one of the above claims, wherein the grooves (2) are rotationally symmetrical.
9. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Träger sowie die Stege zwischen den Furchen aus einem dielektrischen Material, bevorzugt aus dem gleichen Material, gebildet sind.9. Diffractive element according to one of the above claims, wherein the carrier and the webs between the grooves of a dielectric material, preferably made of the same material are formed.
10. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei die erste vorbestimmte Beugungsordnung die nullte Beugungsordnung ist und die zweite vorbestimmteA diffractive element according to any one of the preceding claims, wherein the first predetermined diffraction order is the zeroth diffraction order and the second predetermined diffraction order
Beugungsordnung zumindest eine nicht nullte Beugungsordnung umfaßt.Diffraction order comprises at least one nonzero diffraction order.
11. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei im Strahlquerschnitt der ersten vorbestimmten Beugungsordnung der erste Polarisationszustand jeweils lokal bezogen auf einer den Mittelpunkt des Strahlquerschnitts umschließenden ringförmigen Kurve vorliegt, deren Form der Form der ringförmigen Furchen entspricht.11. Diffractive element according to one of the above claims, wherein in the beam cross section of the first predetermined order of diffraction, the first state of polarization is locally locally based on an annular curve surrounding the center of the beam cross section, whose shape corresponds to the shape of the annular grooves.
12. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Abstand von zwei benachbarten Furchen kleiner als das doppelte der Wellenlänge der UV-Strahlung ist.12. A diffractive element according to any one of the preceding claims, wherein the distance of two adjacent grooves is less than twice the wavelength of the UV radiation.
13. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Furchentiefe h die folgende Ungleichung erfüllt, wobei die Wellenlänge der UV-Strahlung mit λ bezeichnet wird: 2,5 - λ < h ≤ 7,0 - λ .13. A diffractive element according to any one of the preceding claims, wherein the groove depth h satisfies the following inequality, wherein the wavelength of the UV radiation is denoted by λ: 2.5 - λ <h ≤ 7.0 - λ.
14. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Verhältnis der Breite des Steges zwischen zwei Furchen zum Abstand zweier benachbarter Furchen zwischen 0,1 und 0,7, insbesondere zwischen 0,20 und 0,40 liegt.14. Diffractive element according to one of the above claims, wherein the ratio of the width of the web between two grooves to the distance between two adjacent grooves between 0.1 and 0.7, in particular between 0.20 and 0.40.
15. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Furchen Kreisringe sind und die beiden Polarisationszustände der radiale und azimutale Polarisationszustand sind.15. A diffractive element according to any one of the preceding claims, wherein the grooves are circular rings and the two polarization states are the radial and azimuthal polarization states.
16. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem den Furchen ein Element vor- oder nachgeschaltet ist, das eine derartige ortsabhängige Phasenverschiebung im Strahl bewirkt, daß im Strahlquerschnitt der ersten vorbestimmten Beugungsordnung die Lichtfelder zweier zum Mittelpunkt des Strahlquerschnitts punktsymmetrischer Punkte gegenphasig schwingen.16. Diffractive element according to one of the above claims, in which the furrows an element is connected upstream or downstream, the such a location-dependent phase shift in Beam causes oscillate in opposite directions in the beam cross section of the first predetermined diffraction order, the light fields of two point-symmetrical to the center of the beam cross-section points.
17. Diffraktives Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem eine Blende vorgesehen ist, die von der transmittierten Strahlung der ersten und zweiten vorbestimmten Beugungsordnung nur die Strahlung der zweiten vorbestimmten Beugungsordnung abschattet.17. Diffractive element according to one of the above claims, wherein a diaphragm is provided which shadows only the radiation of the second predetermined diffraction order from the transmitted radiation of the first and second predetermined diffraction order.
18. System mit zwei diffraktiven Elementen nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die beiden diffraktiven Elemente bis auf die Furchentiefe gleich ausgebildet sind, wobei beim ersten der beiden diffraktiven Elemente die Furchentiefe so eingestellt ist, daß die Strahlung der ersten Beugungsordnung den ersten Polarisationszustand aufweist, und beim zweiten diffraktiven Element die Furchentiefe so eingestellt ist, daß die Strahlung der ersten Beugungsordnung den zweiten Polarisationszustand aufweist.18. System with two diffractive elements according to one of the above claims, wherein the two diffractive elements are formed the same except for the groove depth, wherein in the first of the two diffractive elements, the groove depth is set so that the radiation of the first diffraction order has the first polarization state , And in the second diffractive element, the groove depth is set so that the radiation of the first diffraction order has the second polarization state.
19. Verfahren zur Herstellung eines diffraktiven Elementes zur Polarisationstrennung von unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich, wobei das diffraktive Element zur Polarisationstrennung die zugeführte unpolarisierte Strahlung in eine erste vorbestimmte Beugungsordnung mit einem ersten von zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen und eine zweite vorbestimmte Beugungsordnung mit dem zweiten der beiden orthogonalen Polarisationszuständen beugt, bei dem in einem Träger aus einem für die UV-Strahlung transparenten Material auf einer Seite eine Vielzahl von voneinander beabstandeten, sich nicht geradlinig erstreckenden Furchen ausgebildet werden, wobei die Furchentiefe so eingestellt wird, daß die Strahlung der ersten Beugungsordnung den ersten oder zweiten Polarisationszustand aufweist.19. A method for producing a diffractive element for polarization separation of unpolarized electromagnetic radiation in the UV range, wherein the polarization separation diffractive element, the supplied unpolarized radiation in a first predetermined diffraction order with a first of two mutually orthogonal polarization states and a second predetermined diffraction order with the second of the two orthogonal states of polarization, in which a plurality of spaced, non-linearly extending grooves are formed in a substrate transparent to a UV radiation on one side, the groove depth being adjusted so that the radiation of the first diffraction order has the first or second polarization state.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Furchen als ringförmige Furchen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, ausgebildet werden. 20. The method of claim 19, wherein the furrows are formed as annular grooves, which are arranged concentrically with each other.
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