Klassische geblazete Gitter weisen im Querschnitt drei- eckige, insbesondere sägezahnförmige Beugungsstrukturen auf, die im Abstand der Gitterkonstanten g parallel zu- einander verlaufen. Eine Flanke der Beugungsstrukturen, die Blazeflanke, besitzt dabei gegenüber der Grundfläche des Gitters eine solche Neigung, daß für eine Beugungs- ordnung des einfallenden Lichtes das Reflexions-bzw.

Brechungsgesetz erfüllt ist und dadurch der Hauptteil der Intensität des gebeugten Lichtes in die durch die Blaze-

flanke bevorzugte Ordnung fällt. Die althergebrachte Methode, derartige geblazete Gitter herzustellen, bestand darin, die Beugungsstrukturen mit Hilfe von Diamanten in einem Mastergitter einzuritzen und von diesem Mastergit- ter dann entsprechende Kopien anzufertigen. Dieses mecha- nische Verfahren ist zum einen sehr aufwendig und stößt andererseits bei sehr kurzen Wellenlängen des Lichtes, für welches das Gitter verwendet werden soll, an Grenzen, da die herzustellenden Strukturen zu klein sind.

Man hat daher versucht, zur Herstellung der Beugungs- strukturen von geblazeten Gittern auf die bei der Her- stellung von Halbleiterbauelementen eingesetzte Prozeß- technologie zurückzugreifen, bei welcher ein Substrat mit Fotolack beschichtet, belichtet, anschließend entwickelt und geätzt wird. Zunächst ging das Bestreben dahin, durch aufeinanderfolgende derartige Prozeßzyklen Beugungsstruk- turen zu erzielen, welche die Blaze-Flanke durch eine ge- stufte Flanke anzunähern suchten. Werden beispielsweise vier derartige Stufen eingesetzt, können in der ersten Ordnung Beugungseffizienzen über 80% erzielt werden. Mit einem weiteren Prozeßzyklus ergeben sich acht Stufen, mit denen sich eine Beugungseffizienz der ersten Ordnung von etwa 95% erreichen läßt. Allgemein lassen sich durch An- wendung von n Prozeßzyklen 2Stufen erzeugen. Mit wach- sendem n nähert sich das gestufte Profil der Flanke immer mehr dem Sägezahnprofil idealer geblazeter Gitter her- kömmlicher, mechanisch hergestellter Gitter an, deren Beugungseffizienz nach skalarer Theorie in der ersten

Ordnung 100% beträgt. Die Realisierung eines solchen Git- ters ist jedoch durch die Notwendigkeit, den Prozeßzyklus wiederholt zu durchlaufen, kostenintensiv und fehlerbe- haftet.

Daher wurden auch Versuche unternommen, das. Blaze-Profil der Beugungsstrukturen unter Verwendung binärer Struktu- ren zu simulieren, deren Dimensionen kleiner als die Wel- lenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, für wel- che das Gitter bestimmt war. Diese Versuche beruhen auf der Tatsache, daß Licht an den kleinen Substrukturen nicht mehr gebeugt, sondern nur noch gestreut werden kann. Es entsteht nur noch die nullte Beugungsordnung, welche die Wirkung der Substrukturen bei Phasengittern nur in Form eines lokalen, effektiven Brechungsindex oder bei Amplitudengittern nur in Form eines lokalen Grautones wahrnimmt.

Ein erstes Beispiel für ein derartiges binär geblazetes Gitter ist in dem Artikel von Joseph N. Mait et al.

"Diffractive lens fabricated with binary features less than 60 nm", Optics Letters, 15. März 2000, Seiten 381 ff. beschrieben. Hier wird als Substruktur eine Vielzahl von Linien eingesetzt, die alle parallel zur Beugungs- struktur verlaufen und deren Abstand kleiner als die ef- fektive Wellenlänge ist.

In dem Artikel von Philippe Lalanne et al. "Design and fabrication of blazed binary diffractive elements with

sampling periods smaller than the structural cut off", J. Opt. Soc. Am. A, Mai 1999, Seiten 1143 ff., werden ge- blazete diffraktive Elemente der eingangs genannten Art beschrieben, bei denen die Beugungsstrukturen in Einzel- Substrukturen aus rechteckigen oder quadratischen Pfei- lern aufgelöst sind. Durch Variation der Pfeilerbreite bei vorgegebenem Pfeilerabstand lassen sich unterschied- liche"Füllfaktoren"erzielen, was einer lokalen Variati- on des effektiven Brechungsindex entspricht. Alternativ können die Pfeiler auch in unterschiedlichen Abständen bei konstanter Breite angeordnet werden.

All diesen Versuchen, binär geblazete diffraktive opti- sche Elemente herzustellen, ist gemeinsam, daß die Sub- strukturen sehr kleingliedrig sind und ein sehr hohes Aspektverhältnis (Strukturhöhe zu Strukturbreite) besit- zen. Daher sind sie technologisch sehr schwierig, teuer und auch nicht in der ausreichenden Genauigkeit herstell- bar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein geblazetes diffraktives optisches Element der eingangs genannten Art zu schaffen, welches in einem Prozeßzyklus mit hoher Auf- lösung herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß werden Einzel-Substrukturen mit geschlos- senen, verhältnismäßig großen Flächen eingesetzt, die ausschließlich lateral strukturiert sind. Hierdurch ist es möglich, die oben beschriebenen prozeßtechnologischen Grenzen beim Stande der Technik um etwa eine Größenord- nung zu unterschreiten. Gleichzeitig können die erfin- dungsgemäßen diffraktiven optischen Elemente deutlich schneller und damit kostengünstiger hergestellt werden.

Die Einzel-Substrukturen können in der Erstreckungsrich- tung der Beugungsstrukturen direkt aneinander anstoßen, aber auch einen Abstand voneinander aufweisen.

Gleiches gilt für die Richtung senkrecht zur Erstrek- kungsrichtung der Beugungsstrukturen.

Zweckmäßig ist, wenn die Seitenfläche der Einzel-Sub- strukturen die Form eines Polygonzuges hat. Durch ent- sprechende Wahl dieser Polygonzüge läßt sich die durch die Einzel-Substrukturen hervorgerufene Modulation des effektiven Brechungsindex bzw. der effektiven Transmissi- on nach Wünschen maßschneidern.

In vielen Fällen wird eine im wesentlichen lineare Modu- lation des effektiven Brechungsindex bzw. der effektiven Transmission gewünscht, um so die Wirkung einer klassi- schen, linear abfallenden Blazeflanke anzunähern. In die- sem Falle ist eine Ausführungsform der Erfindung beson- ders geeignet, bei der die Einzel-Substrukturen in Pro-

jektion auf die Substratebene zumindest annähernd die Ge- stalt eines Dreieckes aufweisen.

Die Einzel-Substrukturen können dabei in Projektion auf die Substratebene die Gestalt von gleichschenkligen Drei- ecken aufweisen, deren Grundseite etwa die Länge p auf- weist.

Eine alternative, herstellungstechnisch besonders günsti- ge Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Einzel-Substrukturen in der Projektion auf die Substrat- ebene die Gestalt eines rechtwinkligen Dreieckes besit- zen, wobei die Länge einer Kathete etwa der Abmessung p entspricht. Selbstverständlich eignet sich die vorliegen- de Erfindung jedoch auch zur Herstellung anderer diffrak- tiver optischer Elemente als einfacher Blazegitter. So ist es beispielsweise möglich, das funktionale Verhalten eines Sinusgitters dadurch zu erzielen, daß die Einzel- Substrukturen in der Projektion auf die Substratebene je- weils durch zwei symmetrisch aneinander angelegte Sinus- kurven begrenzt werden.

Die Herstellung einer polygonartigen oder gekrümmten Sei- tenfläche der Beugungsstrukturen mit Hilfe der bekannten mikrolithographischen Verfahren läßt sich dadurch er- leichtern, daß sie durch eine Treppenkurve angenähert ist, die zum Beispiel der Inkrementierung des lithogra- phischen Schreibers entspricht.

Grundsätzlich brauchen die lateralen Seitenflächen der Einzel-Subtrukturen nicht aus ebenen Teilflächen zusam- mengesetzt zu sein. So können etwa diese Seitenflächen in Projektion auf die Substratebene durch einen oder mehrere Ellipsenbögen gebildet sein. Die genaue Form der Seiten- flächen wird durch den gewünschten lokalen Verlauf des effektiven Brechungsindex bzw. der effektiven Transmissi- on bestimmt.

Das optische Element kann neben einem Bereich mit den vorstehend beschriebenen binär geblazeten Beugungsstruk- turen auch einen weiteren Bereich aufweisen, der klas- sisch geblazete Beugungsstrukturen mit einem zumindest annähernd rampenförmigen Profil enthält. Eine solche Kom- bination binärer und klassisch geblazeter Beugungsstruk- turen in einem optischen Element ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Beugungseffizien- zen der binär und der klassisch geblazeten Beugungsstruk- turen genutzt werden sollen. Während bei rein klassisch geblazeten Beugungsstrukturen eine gezielte lokale Verän- derung der Beugungseffizienz nur durch Verstimmung, d. h. durch eine Verringerung der an sich möglichen Beugungsef- fizienz, möglich ist, kann durch den Einsatz der binär geblazeten Beugungsstrukturen auch eine lokale Erhöhung der Beugungseffizienz erzielt werden. Die über die gesam- te Fläche des optischen Elements aufintegrierte Beugungs- effizienz läßt sich auf diese Weise gegenüber Elementen mit rein klassisch geblazeten Beugungsstrukturen erhöhen.

In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung haben die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen eine Gitter- konstante, die sich von der Breite g der binären Beu- gungsstrukturen senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung unterscheidet. Wenn beispielsweise die Gitterkonstante der klassisch geblazeten Beugungsstrukturen kleiner ist als die Breite g der binären Beugungsstrukturen, so ist die Differenz der jeweiligen Beugungseffizienzen beson- ders groß, da die Beugungseffizienz klassisch geblazeter Beugungsstrukturen zu sehr kleinen Gitterkonstanten hin deutlich abnimmt. Bei den meisten diffraktiven optischen Elementen mit lokal variierenden Gitterkonstanten soll die Beugungseffizienz jedoch annähernd konstant bleiben.

Dann ist es günstiger, wenn die klassisch geblazeten Beu- gungsstrukturen eine Gitterkonstante haben, die größer ist als die Breite g der binären Beugungsstrukturen senk- recht zu ihrer Erstreckungsrichtung. Diejenigen Bereiche des diffraktiven optischen Elements mit kleiner Gitter- konstante sind somit binär geblazet und weisen deswegen eine im Vergleich zu entsprechenden klassisch geblazeten Beugungsstrukturen höhere Beugungseffizienz auf.

Falls es aufgrund der höheren Beugungseffizienz der binär geblazeten Bereiche an den Grenzen zu klassisch geblaze- ten Beugungsstrukturen zu sprunghaften und deswegen uner- wünschten Änderungen der Beugungseffizienz kommt, so kann ein kontinuierlicherer Übergang der Beugungseffizienz er- zielt werden, indem zwischen dem einen Bereich mit binär geblazeten Beugungsstrukturen und dem weiteren Bereich

mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen ein Zwischen- bereich mit wenigstens einer binär geblazeten Beugungs- struktur angeordnet wird, die so ausgelegt ist, daß in dem Zwischenbereich die Beugungseffizienz gegenüber der- jenigen bei optimaler Auslegung verringert ist. Diese Auslegung kann insbesondere so erfolgen, daß-in dem Zwi- schenbereich die Beugungseffizienz zwischen derjenigen des einen Bereichs mit binär geblazeten Beugungsstruktu- ren und derjenigen des weiteren Bereichs mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen liegt. Eine derartige Ver- ringerung der Beugungseffizienz in dem Zwischenbereich läßt sich durch eine gezielte lokale Verstimmung der Beu- gungseffizienz in dem Zwischenbereich erzielen, z. B. durch Abweichungen von den an sich optimalen Abmessungen der Einzel-Substrukturen, aus denen die Beugungsstruktu- ren aufgebaut sind. Bei größeren Zwischenbereichen kann die Verstimmung beispielsweise derart erfolgen, daß ein quasi-kontinuierlicher Übergang zwischen den Beugungsef- fizienzen der benachbarten Bereiche mit klassisch bzw. binär geblazeten Beugungsstrukturen erzielt wird.

Das erfindungsgemäße diffraktive optische Element kann sowohl als phasenmodulierendes als auch als amplituden- modulierendes Element ausgelegt sein. Im ersten Falle be- stehen die Beugungsstrukturen aus transmissivem Material mit dem Brechungsindex n, und haben eine Höhe h, die der Gleichung (ni-n2) h

genügt, wobei Av die Vakuumwellenlänge der elektromagne- tischen Strahlung ist, für welche das diffraktive opti- sche Element ausgelegt ist, und n2 der Brechungsindex des Mediums ist, welches die Einzel-Substrukturen umgibt. Die Einzel-Substrukturen können erhaben auf der Oberfläche des diffraktiven optischen Elements, beispielsweise als Ergebnis eines Ätzvorganges, ausgebildet sein. Das die Einzel-Substrukturen umgebende Medium könnte dann das Gas, beispielsweise Luft, in dem das diffraktive optische Element eingesetzt wird, oder Vakuum oder auch eine Im- mersionsflüssigkeit sein.

Die Einzel-Substrukturen können aber auch in das diffrak- tive optische Element eingebettet sein und einen Bre- chungsindex ni aufweisen, der sich von dem Brechungsindex n2 des lateral umgebenden Materials unterscheidet. Beide Brechungsindizes ni und n2 können sich darüber hinaus vom Brechungsindex des darunter liegenden Substrats wie auch von dem des darüber befindlichen Mediums unterscheiden.

Solche Einzel-Substrukturen lassen sich etwa dadurch her- stellen, daß ein geeignetes Substrat durch eine photo- lithographisch erzeugte Maske mit Ionenstrahlen beschos- sen wird. Diese Ionenstrahlen können den Brechungsindex des Substratmaterials durch Dotierung, also durch Ein- bringung von Fremdatomen, oder durch Verarmung, also durch Herausschlagen von Eigenatomen des Substrats verän- dern.

Die Beugungsstrukturen des diffraktiven optischen Ele- ments können auch in einer zu den geometrischen Flächen der Einzel-Substrukturen senkrechten Richtung übereinan- der angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein mehrschich- tiger Aufbau erzielt, wobei es keine Rolle spielt, ob die einzelnen Schichten ebene oder gekrümmte Flächen sind.

Mit derartigen mehrschichtigen optischen Elementen stehen zusätzliche Möglichkeiten zur Verfügung, die diffraktive Wirkung des Elements lokal sehr genau einzustellen. Der mehrschichtige Aufbau wirkt sich insbesondere auf die Ab- hängigkeit des Elements von der Polarisation, dem Ein- fallswinkel und auch der Wellenlänge des einfallenden Lichts aus.

Der mehrschichtige Aufbau kann zum einen dadurch erreicht werden, daß Beugungsstrukturen unmittelbar aufeinander aufgebracht werden. Wenn die Beugungsstrukturen, wie dies oben beschrieben wurde, erhaben auf der Oberfläche des diffraktiven optischen Elements im Wege eines Ätzvorgangs ausgebildet werden, so können beispielsweise zwei unmit- telbar aufeinander aufgebrachte Beugungsstrukturen durch einen zweistufigen Ätzprozeß erzeugt werden. Es ist je- doch ebenso möglich, die Beugungsstrukturen der unter- schiedlichen Schichten auf unterschiedlichen Trägern auf- zubringen, die übereinander, vorzugsweise parallel zuein- ander, und voneinander beabstandet, angeordnet werden. Es gibt dann keine Beschränkungen hinsichtlich der Geometrie und Ausrichtung übereinanderliegender Beugungsstrukturen,

wie dies der Fall ist, wenn sie unmittelbar aufeinander aufgebracht werden.

Falls das phasenmodulierende optische Element für beson- ders kurzwelliges Licht bestimmt ist, so ist vorzugsweise zwischen den Beugungsstrukturen eine Ausgleichsschicht angeordnet, deren Material und Dicke so gewählt sind, daß die Absorptionswirkung des phasenmodulierenden optischen Elements über dessen Fläche hinweg zumindest annähernd homogen ist. Ohne eine solche Ausgleichsschicht wäre das Absorptionsvermögen des optischen Elements räumlich inho- mogen, da bei sehr kurzen Wellenlängen, etwa im Bereich des weichen Röntgenlichts, keine phasenretardierenden, Materialien zur Verfügung stehen, deren Absorptionsvermö- gen vernachlässigbar ist.

Wenn die Ausgleichsschicht aus einem Material besteht, dessen Absorptionsvermögen größer ist als dasjenige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen bestehen, und dessen phasenretardierende Wirkung kleiner ist als dieje- nige dieses Materials, so kann die Ausgleichsschicht dün- ner als die Beugungsstrukturen ausgeführt werden.

Im Falle eines amplitudenmodulierenden optischen Elements sind die Einzel-Substrukturen von einer Beschichtung ge- bildet, deren Transmission vernachlässigbar, insbesondere kleiner als 1%, ist.

Falls das amplitudenmodulierende optische Element für be- sonders kurzwelliges Licht bestimmt ist, so ist auch hier vorzugsweise, analog zum Fall der phasenmodulierenden op- tischen Elemente, zwischen den Beugungsstrukturen eine Ausgleichsschicht angeordnet, deren Material und Dicke so gewählt sind, daß die phasenretardierende Wirkung des am- plitudenmodulierenden optischen Elements über dessen Flä- che hinweg zumindest annähernd homogen ist. Ohne eine solche Ausgleichsschicht wäre der Einfluß auf die Phase hindurchtretender elektromagnetischer Strahlung räumlich inhomogen, da bei sehr kurzen Wellenlängen, etwa im Be- reich des weichen Röntgenlichts, keine absorbierenden Ma- terialien zur Verfügung stehen, deren retardierende Wir- kung vernachlässigbar ist.

Wenn die Ausgleichsschicht aus einem Material besteht, dessen phasenretardierende Wirkung größer ist als dieje- nige des Materials, aus dem die Beugungsstrukturen beste- hen, und dessen Absorptionsvermögen kleiner ist als die- jenige dieses Materials, so kann die Ausgleichsschicht dünner als die Beugungsstrukturen ausgeführt werden.

Wenn die Breite (g) und die Orientierung der Beugungs- strukturen über die Fläche des optischen Elements hinweg variieren, kann die Wirkung einer Linse nachgebildet wer- den. Die erfindungsgemäßen optischen Elemente eignen sich insbesondere auch als Linsen in einem Objektiv.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die maximalen Abmessungen p mindestens zweier Ein- zel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung innerhalb einer Beugungsstruktur ungleich. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Beugungswirkung des optischen Elements durch die- ses Aufbrechen der strengen Periodizität sogar verbessert werden kann, da sogenannte Stitching-oder Alignment- Fehler vermieden werden, die bei streng periodischen An- ordnungen sehr kleiner Strukturen entstehen und zu uner- wünschtem Streulicht führen können.

Vorzugsweise sind diese Abmessungen p zufallsverteilt.

Für zufallsverteilte Abmessungen von Subwellenlängen- strukturen von Antireflexionsgittern ist in einem Aufsatz von H. Ichikawa, Journal of Modern Optics, 2202, Vol. 49, Nr. 11, Seiten 1893-1906, nachgewiesen worden, daß die Zufallsverteilung das Reflexionsvermögen praktisch nicht nennenswert beeinträchtigt. Dafür wird jedoch das Signal- Rausch-Verhältnis auf Kosten der Transmission verklei- nert, und zwar selbst dann, wenn einzelne Subwellenlän- genstrukturen größer sind, als dies die Beugungsbedingung eigentlich zuläßt. Diese Wirkung kann auch für die erfin- dungsgemäßen Beugungsstrukturen ausgenutzt werden.

Die Zufallsverteilung kann z. B. eine Gaußverteilung sein, deren Zentralwert kleiner als die durch die Beu- gungsbedingung vorgegebene maximale Strukturgröße sein sollte. Die Abmessungen p können aber auch innerhalb ei- nes Intervalls gleichverteilt sein, das diese maximale,

von der Beugungsbedingung vorgegebene Strukturgröße ent- hält. Innerhalb eines solchen Intervalls können aber auch beliebige andere Verteilungen der Abmessungen p vorlie- gen.

Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die maximalen Abmessungen p der Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung innerhalb einer Beugungsstruktur der Bedingung 0, 8 < p < 1, 2 A genügen, wobei Ä die effektive Wellenlänge elektromagne- tischer Strahlung ist, für welche das diffraktive opti- sche Element bestimmt ist und die senkrecht auf das opti- sche Element einfällt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an- hand der Zeichnungen näher erläutert ; es zeigen Figur 1 : perspektivisch einen Ausschnitt aus einem binär geblazeten Phasengitter ; Figur 2 : in vergrößertem Maßstab und ebenfalls perspek- tivisch eine Einzel-Substruktur des Phasengit- ters von Figur 1 ;

Figuren 3a und 3b : Ansichten von Phasengittern, ähnlich der Figur 1, mit jedoch abgewandelten Einzel- Substrukturen ; Figur 4 : perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Si- nus-Phasengitter ; Figur 5 : eine schematische Draufsicht auf eine Fresnel- sche Zonenplatte ; Figur 6 : perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Pha- sengitter, das einen Bereich mit klassisch ge- blazeten und einen Bereich mit binär geblazeten Beugungsstrukturen aufweist ; Figur 7 : ein Phasengitter ähnlich wie in Figur 6, jedoch mit einem Zwischenbereich zwischen den Berei- chen mit klassisch geblazeten und binär gebla- zeten Beugungsstrukturen ; Figur 8 : ein anderes Ausführungsbeispiel für ein Phasen- gitter mit einem Zwischenbereich zwischen den Bereichen mit klassisch und binär geblazeten Beugungsstrukturen ; Figur 9 : perspektivisch einen Ausschnitt aus einem dif- fraktiven optischen Element, das aus zwei über- einander angeordneten Phasengittern nach Figur 6 besteht ;

Figur 10 : perspektivisch einen Ausschnitt aus einem ande- ren Ausführungsbeispiel eines binär geblazeten Phasengitters, das zwischen den Beugungsstruk- turen eine Ausgleichsschicht aufweist ; Figur 11 : einen Teilschnitt durch das in der-Figur 10 ge- zeigte Phasengitter in einer vergrößerten Dar- stellung ; Figur 12 : eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für ein Phasengitter mit zufällig ver- teilten Abmessungen der Einzel-Substrukturen in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen.

Das in Figur 1 dargestellte, geblazete Phasengitter be- steht aus einem transmissiven Material mit einem Bre- chungsindex nl. An der nach oben zeigenden Fläche trägt es eine Vielzahl parallel und geradlinig verlaufender Beugungsstrukturen 1, von denen in der Zeichnung drei ausschnittsweise dargestellt sind. Die Beugungsstrukturen 1 haben senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung eine Breite g. Da die Beugungsstrukturen 1 unmittelbar anein- anderstoßen, entspricht ihre Breite g der klassischen Gitterkonstanten. Die Größe von g ist, um Beugungseffekte erzielen zu können, größer als die effektive Wellenlänge A der elektromagnetischen Strahlung im Material mit dem Brechungsindex nl, für die das Phasengitter bestimmt ist.

Die effektive Wellenlänge Ä ist dabei gegeben durch

#v . wobei die Wellenlänge im Vakuum ist.

Jede Beugungsstruktur 1 setzt sich ihrerseits aus einer Vielzahl von unmittelbar aneinander gesetzten Einzel- Substrukturen 2 zusammen, die jeweils die Gestalt eines gleichseitigen, sehr hohen Dreieckes aufweisen. Die Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 besitzen eine Län- ge p, die kleiner als die effektive Wellenlänge der ver- wendeten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise kleiner als die Hälfte dieser Wellenlänge, ist. Die Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 stoßen unmittelbar aneinander ; die Spitzen der Dreiecke, welche die Einzel- Substrukturen 2 bilden, stoßen an den Grundseiten der Einzel-Substrukturen 2 der benachbarten Beugungsstruktur 1 an. Auf diese Weise ergeben sich Beugungsstrukturen, die auf der einen Seite, in Figur 1 nach links, durch ei- ne ebene vertikale Fläche und auf der anderen Seite, in Figur 1 nach rechts, durch eine sägezahnförmige Lateral- struktur begrenzt sind.

Die Höhe h der Einzel-Substrukturen 2 ergibt sich aus der Forderung nach einer vollwelligen Phasenretardierung durch die Einzel-Substrukturen 2 : (ni-n2) h = Äy.

In dieser Gleichung ist Äv die Vakuumwellenlänge der ver- wendeten elektromagnetischen Strahlung und n2 der Bre- chungsindex des Mediums, das die Einzel-Substrukturen 2 umgibt. Bei der dargestellten erhabenen Bauweise der Ein- zel-Substrukturen 2 ist n2 also beispielsweise der Bre- chungsindex von Luft.

Die in Figur 1 dargestellte Struktur eines Phasengitters wird mit Prozeßtechnologien hergestellt, wie sie aus der Halbleiterindustrie bekannt sind. Ein ebenes Ausgangssub- strat aus dem gewünschten Material wird dabei mit einem Fotolack beschichtet und sodann mit einem kommerziell er- hältlichen Maskenschreiber belichtet. Anschließend er- folgt eine Entwicklung des belichteten Fotolackes und ein Ätzvorgang, bei dem die einzelnen Beugungsstrukturen 1 entstehen.

In der Praxis werden die Schenkel der in Figur 1 schema- tisch dargestellten Einzel-Substrukturen 2 durch Treppen- kurven angenähert, wie dies der Figur 2 zu entnehmen ist.

Bei den besten derzeit verfügbaren Maskenschreibern liegt die Schreibgenauigkeit im Bereich von 5 bis 10 Nanome- tern. Bei einer Wellenlänge des sichtbaren Spektralbe- reichs ergibt sich hierbei unter Beachtung der Nebenbe- dingung, daß die Größe p kleiner als die effektive Wel- lenlänge Ä sein soll, die Möglichkeit, die Einzelstruktu- ren der Figur 2 mit zehn oder mehr Rasterstufen zu schreiben. Auf diese Weise läßt sich eine Beugungseffi- zienz von über 80% erreichen.

Figur 3a zeigt ein geblazetes Phasengitter mit Einzel- Substrukturen 102, deren Form als rechtwinkliges Dreieck verstanden werden kann. Die kleineren Katheten dieser Einzel-Substrukturen 102 fluchten und folgen der Richtung der Beugungsstruktur 101, während die größeren Katheten die Länge der Gitterkonstanten g aufweisen.. Die Hypotenu- sen der Einzel-Substrukturen 102 werden wieder durch eine Treppenkurve angenähert.

Die Einzel-Substrukturen 202 des in Figur 3b dargestell- ten Phasengitters basieren wiederum auf der Grundform ei- nes gleichschenkligen Dreieckes, wobei die Schenkel die- ser Dreiecke erneut durch Treppenkurven angenähert sind.

Die Treppenkuren der beiden Schenkel sind jedoch nicht symmetrisch zur Mittelebene der Einzel-Substrukturen 202, sondern, bei gleicher Stufenhöhe, gegeneinander um eine halbe Stufenhöhe versetzt.

Die asymmetrische Gestaltung der Einzel-Substrukturen 102 und 202 in den Figuren 3a und 3b hat den Vorteil, daß bei gegebener Breite p der Einzel-Substrukturen 102 bzw. 202 und bei gegebener Auflösung des Maskenschreibers eine Verdoppelung der Anzahl der Stufen in Richtung der Git- terkonstanten g möglich ist.

Bei den oben anhand der Figuren 1 bis 3b erläuterten Pha- sengittern wurden die Beugungsstrukturen 1, 101 bzw. 201 jeweils an einer Seite durch eine ebene vertikale Fläche und an der anderen Seite durch eine periodisch struktu-

rierte, ebenfalls vertikale Fläche begrenzt. Die Beu- gungsstrukturen 1, 101 bzw. 201 weisen somit bezüglich ihrer Erstreckungsrichtung keine Symmetrie auf. Dies ist bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ei- nes Phasengitters anders. Dieses besitzt Beugungsstruktu- ren 301, die sich aus spiegelsymmetrischen Einzel- Substrukturen 302 zusammensetzt. Die Breite p dieser Ein- zel-Substrukturen 302 in Erstreckungsrichtung der Beu- gungsstruktur 301 ist wieder kleiner als die effektive Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, mit wel- cher das Phasengitter zusammenarbeiten soll. Die Gesamt- breite der Einzel-Substrukturen 302 in der dazu senkrech- ten Richtung entspricht wieder der Gitterkonstanten g und hat eine Größe, die mindestens der effektiven Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung entspricht.

Die Einzel-Substrukturen 302 können jeweils als in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 301 durch zwei Sinuskurven begrenzt verstanden werden. Die Sinus- kurven sind erneut durch Treppenkurven angenähert. Sie sind beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 symmetrisch zu einer Mittelebene der Einzel-Substrukturen 302, die senk- recht zur Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 30 verläuft, inkrementiert. Insofern entspricht das Ausfüh- rungsbeispiel der Figur 4 demjenigen der Figur 2. Auch eine asymmetrische Ausgestaltung in Analogie zu Figur 3b wäre möglich.

Das in Figur 4 dargestellte Phasengitter weist die Eigen- schaften eines Sinusgitters auf. Es zeichnet sich dadurch aus, daß seine Beugungsstrukturen 301 auf gegenüberlie- genden Seiten durch aneinander anschließende geometrische Flächen begrenzt sind, die in der Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen 301 die Periodizität p aufweisen.

Die"Breite"der Einzel-Substrukturen 302 ist dabei in Erstreckungsrichtung der Beugungsstrukturen sinusförmig moduliert und entsprechend der Maskenschreiberauflösung inkrementiert.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 4 macht darüber hinaus deutlich, daß der Begriff"geblazet", wie er vorliegend verstanden wird, nicht bedeutet, daß die gesamte Intensi- tät der transmittierten elektromagnetischen Strahlung in einer einzigen Beugungsordnung erscheinen muß. Er umfaßt vielmehr allgemeiner alle Fälle, in denen eine bestimmte Intensitätsverteilung auf die verschiedenen Beugungsord- nungen angestrebt wird.

In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Elementes dargestellt, welches anders als die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 kein Gitter, sondern eine Fresnelsche Zonenplatte ist. Bei dieser sind die Beugungsstrukturen 401 ringförmig um einen Mittel- punkt angeordnet. Die Einzel-Substrukturen 402 besitzen wieder, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 die Form hoher gleichschenkliger Dreiecke, deren Grund- seiten aneinandergelegt sind. Die Grundseiten dieser Ein-

zel-Substrukturen 402 liegen nunmehr jedoch nicht auf Ge- raden, sondern auf konzentrischen Kreisen.

Figur 6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Aus- schnitt aus einem diffraktiven optischen Element, bei dem es sich um ein Phasengitter mit lokal variierender Git- terkonstante handelt. Das Phasengitter hat einen Bereich Bk mit klassisch geblazeten, d. h. im Profil rampenförmi- gen Beugungsstrukturen 503. Die Gitterkonstanten gi die- ser klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503 nehmen kontinuierlich, d. h. von Beugungsstruktur zu Beugungs- struktur, in der mit 4 bezeichneten Richtung ab, so daß g1 > g2 > g3 > g4 > gs > g6 gilt.

Das Element weist einen weiteren Bereich Bb mit binären Beugungsstrukturen 501 auf, die wie in Figur 1 gezeigt ausgeführt sind. Die Breite gj der Beugungsstrukturen 501, die der Gitterkonstanten klassischer Beugungsstruk- turen entspricht, nimmt in diesem Bereich Bb ebenfalls in der mit 4 bezeichneten Richtung ab, so daß g7 > g8 > gg > gio > gil gilt.

Da außerdem die Strukturbreiten gj der Beugungsstrukturen 501 in dem binär geblazeten Bereich Bb kleiner sind als die Gitterkonstanten gi in dem klassisch geblazeten Be- reich Bk, wird auf diese Weise eine kontinuierlich über die in Figur 6 ausschnittsweise gezeigte Ausdehnung des diffraktiven optischen Elements variierende Gitterkon- stante erzielt. Der bei rein klassisch geblazeten Elemen-

ten beobachtete Effekt, daß die Beugungseffizienz in Be- reichen mit kleiner Gitterkonstante deutlich abnimmt, tritt hier jedoch nicht auf, da in diesen Bereichen die klassischen Beugungsstrukturen durch die binär geblazeten Beugungsstrukturen 501 ersetzt sind, die eine höhere Beu- gungseffizienz als vergleichbare klassische. Beugungs- strukturen haben.

Aufgrund dieser höheren Beugungseffizienz der binär ge- blazeten Beugungsstrukturen 501 kann es allerdings am Übergang zwischen dem klassisch geblazeten Bereich Bk und dem binär geblazeten Bereich Bb zu einer sprunghaften Veränderung der Beugungseffizienz kommen. Falls ein der- artiger Sprung der Beugungseffizienz unerwünscht ist, so kann zwischen diesen Bereichen ein Zwischenbereich mit binär geblazeten Beugungsstrukturen vorgesehen sein, in dem die Beugungseffizienz durch Verstimmung der Beugungs- strukturen"künstlich"erniedrigt ist.

Ein Beispiel hierfür ist in Figur 7 gezeigt. Das dort dargestellte diffraktive optische Element entspricht weitgehend dem in Figur 6 gezeigten, jedoch ist dort zwi- schen dem klassisch geblazeten Bereich Bk und dem binär geblazeten Bereich Bb wie vorstehend angesprochen ein Zwischenbereich Bz angeordnet, in dem die Beugungsstruk- turen 501'verstimmt sind. Dadurch ist in dem Zwischenbe- reich Bz die Beugungseffizienz geringer als in dem ent- sprechenden Bereich in Figur 6 mit der Gitterkonstanten g7. Andererseits ist die Beugungseffizienz in diesem Zwi-

schenbereich Bz größer als in dem benachbarten Bereich Bk mit klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503. Die Beu- gungseffizienz in dem Zwischenbereich Bz liegt somit zwi- schen den Beugungseffizienzen der benachbarten Bereiche, wodurch ein gleichmäßigerer Übergang zwischen den Beu- gungseffizienzen erreicht wird. Im Idealfall-läßt sich durch eine entsprechende Verstimmung der binär geblazeten Beugungsstrukturen 501'im Zwischenbereich Bz ein sprung- freier Übergang der Beugungseffizienz erzielen.

Figur 8 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einem anderen Phasengitter, dessen Funktion im wesentlichen derjenigen des in Figur 7 gezeigten Phasengitters ent- spricht. Die klassisch geblazeten Beugungsstrukturen 503a weisen hier ein Rampenprofil auf, das durch eine Treppen- kurve angenähert ist. Ferner umfaßt der Zwischenbereich Bz bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Beugungsstrukturen 5011'und 5012', die jeweils in zwei Ebenen übereinander angeordnete Einzel-Substrukturen 502a und 502b umfassen.

In jeder Ebene sind die Einzel-Substrukturen 502a und 502b genauso aufgebaut, wie dies in Figur 1 gezeigt ist.

Derart unmittelbar aufeinander aufgebrachte Einzel- Substrukturen 502a und 502b können im Wege eines zweistu- figen Ätz-und Lithographieprozesses hergestellt werden.

Die Wirkung der zweischichtig ausgeführten Beugungsstruk- turen 5011'und 5012'in dem Zwischenbereich Bz ent- spricht weitgehend derjenigen von Beugungsstrukturen, wie sie in der EP 1 160 589 AI beschrieben sind. Anschaulich gesprochen können die zweischichtig aufgebauten Beugungs-

strukturen 5011'und 5012'als eine Kombination binär ge- blazeter und klassisch geblazeter Beugungsstrukturen an- gesehen werden. Dabei erlaubt es der mit jeder Höhenstufe gewonnene zusätzliche Freiheitsgrad, die Beugungswirkung der Beugungsstrukturen noch genauer einzustellen.

Figur 9 zeigt ein weiteres diffraktives optisches Ele- ment, bei dem zwei der in Figur 6 gezeigten Phasengitter einander gegenüberliegen. Der Zwischenraum zwischen den beiden Teilelementen 600a und 600b ist mit einem optisch transparenten Material 6, z. B. einem Polymer, aufge- füllt. Bezüglich der klassisch geblazeten Bereiche hat das diffraktive optische Element insoweit einen Aufbau, wie er in der EP 0 902 304 A2 beschrieben ist. Zur Her- stellung eines solchen diffraktiven optischen Elements kann zunächst das untere Teilelement 600b in herkömmli- cher Weise in einen lithographisch definierten Ätzprozeß hergestellt werden. Anschließend wird das optisch trans- parente Material 6 aufgebracht und überpoliert. Sodann wird auf das Material 6 eine zweite Schicht aufgebracht, die wiederum lithographisch strukturiert wird. Ein Über- sprechen der Strukturierungswerkzeuge zur Strukturierung des oberen Teilelements 600a ist durch geeingete Wahl der Prozeßführung zu verhindern. Ein Übersprechen kann auch durch Aufdampfen einer Stopschicht, z. B. einer sehr dün- nen Metallschicht, zwischen den beiden Teilelemen-ten 600a und 600b verhindert werden.

Bei den obigen diffraktiven Elementen beruhte die phasen- schiebende Wirkung der Einzel-Substrukturen auf dem län- geren Weg, den die elektromagnetische Strahlung durch die erhaben auf der Oberfläche des optischen Elementes ausge- bildeten Einzel-Substrukturen zurücklegen muß. Die Pha- senretardierung kann aber auch dadurch bei in das Materi- al des optischen Elementes eingebetteten Einzel- Substrukturen erreicht werden, daß deren Brechungsindex gegenüber demjenigen des umgebenden Materials verändert wird. Dies kann dadurch geschehen, daß ein geeignetes Substrat durch eine photolithographisch hergestellte Mas- ke mit Ionenstrahlen beschossen wird. Die Wirkung der Io- nenstrahlen kann in der Einbringung von Fremdatomen in das Substrat, also in einer Dotierung, bestehen. Alterna- tiv kann die Struktur auch durch Herauslösen von Atomen aus einem bereits dotierten Substrat, also durch die Er- zeugung von Verarmungszönen, hergestellt werden. Beides verändert den Brechungsindex.

Bei der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß es sich jeweils um phasenmodulierende diffraktive opti- sche Elemente handelte, wobei die Blazewirkung auf einer gezielten Variation des effektiven Brechungsindex der Beugungsstrukturen in Richtung senkrecht zu deren Erstreckungsrichtung beruhte. Grundsätzlich läßt sich die erfinderische Idee jedoch auch bei amplitudenmodulieren- den diffraktiven optischen Elementen einsetzen. Die Figu- ren 1 bis 7 können in diesem Falle so interpretiert wer- den, daß die aus dem Substrat herausgeätzten Beugungs-

strukturen 1, 101,201, 301,401, 501 durch eine Schicht mit vernachlässigbarem Transmissionsvermögen ersetzt ist.

Derartige Schichten können mit kommerziell verfügbaren photolithographischen Maskenverfahren hergestellt werden.

Beispielsweise können Chromschichten mit einer Dicke von 80 nm bis 100 nm eingesetzt werden.

Bei diffraktiven optischen Elementen, die sehr kurzwelli- gem Licht im weichen Röntgenbereich, d. h. Wellenlängen Ä in der Größenordnung einiger Nanometer, ausgesetzt werden sollen, stehen allerdings weder Materialien zur Verfü- gung, die rein phasenretardierend sind, ohne dabei nen- nenswert zu absorbieren, noch Materialien, die absorbie- ren, aber die Phase des Lichts nicht nennenswert beein- flussen. Würde man eines der vorstehend beschriebenen Phasengitter bei derart kurzen Wellenlängen betreiben, so hätte dies zur Folge, daß sich die Wirkungen eines Pha- sengitters mit denjenigen eines Amplitudengitters in un- erwünschter Weise überlagern. Die Absorption des Phasen- gitters würde dann lokal variieren. Entsprechendes gilt umgekehrt für ein Amplitudengitter.

Die Figuren 10 und 11 zeigen in einer an die Figur 1 an- gelehnten perspektivischen Darstellung bzw. einem vergrö- ßerten Teilschnitt entlang der Linie XI-XI einen Aus- schnitt aus einem Phasengitter, bei dem die Absorption über die gesamte Ausdehnung des Phasengitters konstant ist. Zu diesem Zweck weist das Phasengitter außerhalb von Beugungsstrukturen 701, die genauso wie die in der Figur

1 gezeigten Beugungsstrukturen 1 ausgeführt sind, eine ebene, von den Beugungsstrukturen 701 durchbrochene Aus- gleichsschicht 705 konstanter Dicke auf. Die Materialien für die Beugungsstrukturen 701 und die Ausgleichsschicht 705 sowie deren Dicken h bzw. d sind derart gewählt, daß die dünnere Ausgleichsschicht 705 die gleiche Absorpti- onswirkung hat wie die dickeren Beugungsstrukturen 701.

Da die Ausgleichsschicht 705 neben der absorbierenden Wirkung eine-wenn auch geringe-phasenretardierende Wirkung hat, muß diese bei der Auslegung der Dicke h der Beugungsstrukturen 701 berücksichtigt werden, damit die Phasendifferenz den gewünschten Betrag von 2n aufweist.

Ferner ist natürlich die Wahl der Dicken h und d so zu treffen, daß die Absorptionswirkung nicht nur gleichmä- ßig, sondern auch möglichst gering ist.

Beispiele für die Berechnung der Dicken h und d für Mate- rialien mit unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes nl, n3 mit ni = 5j +ißj, j = 1, 3 (n2 ist als Brechungsin- dex des umgebenden Mediums, z. B. Luft, bereits vergeben) finden sich in der US 2003/0081316 A, in der ein ähnli- cher mehrschichtiger Aufbau für an sich bekannte binäre oder gestufte Phasengitter beschrieben ist, die für einen Einsatz bei äußerst kurzen Wellenlängen vorgesehen sind.

Der Inhalt der US 2003/0081316 A wird deswegen vollum- fänglich zum Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung gemacht.

Es versteht sich, daß bei Verwendung des Phasengitters in doppeltem Durchtritt, z. B. durch Einsatz eines reflek-

tierenden Substrats 706, sich die Dicken h und d jeweils halbieren.

Als Substrat 706, auf dem die Beugungsstrukturen 701 und die Ausgleichsschicht 705 aufgebracht sind, kann z. B. eine dünne Membran verwendet werden, wie sie in der US 2003/0081316 A vorgeschlagen wird. Zur Herstellung des Phasengitters wird auf dieses Substrat 706 ein Material mit Brechungsindex ni = 61 +ils, aufgebracht, das vorwie- gend phasenretardierend (Iß1l « 1) ist. Die Strukturie- rung des Materials erfolgt in an sich bekannter Weise photolithographisch. Nach dem Wegätzen der photolithogra- phisch definierten Bereiche, die die Beugungsstrukturen 701 umgeben, wird ein zweites Material mit einer Höhe d aufgebracht, wobei dieses Material mit Brechungsindex n3 = 53 +iß3 überwiegend absorbierend ist (lu31 « 1). Der- jenige Teil dieses Materials, der sich auf dem die Beu- gungsstrukturen 701 bedeckenden Photolack befindet, wird mit diesem in einem Lift-Off-Prozeß entfernt. Es ver- bleibt dann das in den Figuren 10 und 11 gezeigte Phasen- gitter.

Analog hierzu lassen sich auch Amplitudengitter herstel- len, deren Wirkung auf die Phase hindurchtretenden sehr kurzwelligen Lichts örtlich weitgehend homogen ist. Die Rollen der beiden oben angesprochenen Materialien sind hierfür zu vertauschen. Dies bedeutet konkret, daß die Beugungsstrukturen 701 in diesem Fall aus einem überwie- gend absorbierenden Material bestehen, während die Aus-

gleichsschicht 705 aus einem überwiegend phasenretardie- renden Material besteht.

Die Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Aus- führungsbeispiel für ein Phasengitter, bei dem die maxi- malen Abmessungen pi der Einzel-Substrukturen 802 in der mit einem Doppelpfeil 4 angedeuteten Erstreckungsrichtung innerhalb einer Beugungsstruktur 801 zufallsverteilt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenom- men, daß Licht mit einer effektiven Wellenlänge Ä senk- recht auf das Phasengitter trifft, dessen Beugungsstruk- turen 801 einen Brechungsindex ni haben. Die maximalen Abmessungen pi der Einzel-Substrukturen 802 der Erstrek- kungsrichtung 4 genügen dabei der Bedingung 0, 8-Ä < pi < 1, 2-Ä.

Dies bedeutet, daß einige dieser Abmessungen pi auch grö- ßer als die effektive Wellenlänge Ä sind. Dennoch wird durch das Phasengitter hindurchtretendes Licht nicht in mehr als eine Beugungsordnung gebeugt, da die Abmessungen pi im Mittel noch geringfügig kleiner sind als die effek- tive Wellenlänge A.

Das in der Figur 12 gezeigte Phasengitter ist einfacher herzustellen, da die Abmessungen pi statistisch schwanken und teilweise auch über die effektive Wellenlänge Ä hi- nausgehen dürfen.

Die statistischen Schwankungen haben zusätzlich den Vor- teil, daß sogenannte Stitching-oder Alignment-Fehler vermieden werden, die bei periodischen Anordnungen sehr kleiner Strukturen entstehen und zu unerwünschtem Streu- licht führen können.