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DE10327963A1 - Polarization beam splitter for microscopy or projection system or UV lithography using grid array with parallel grid lines formed by multi-layer system with alternating non-metallic dielectric layers with differing optical characteristics - Google Patents

Polarization beam splitter for microscopy or projection system or UV lithography using grid array with parallel grid lines formed by multi-layer system with alternating non-metallic dielectric layers with differing optical characteristics Download PDF

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DE10327963A1
DE10327963A1 DE2003127963 DE10327963A DE10327963A1 DE 10327963 A1 DE10327963 A1 DE 10327963A1 DE 2003127963 DE2003127963 DE 2003127963 DE 10327963 A DE10327963 A DE 10327963A DE 10327963 A1 DE10327963 A1 DE 10327963A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
polarization beam
beam splitter
splitter according
grid
grid bars
Prior art date
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Ceased
Application number
DE2003127963
Other languages
German (de)
Inventor
Oliver Dr. Sandfuchs
Alexander Dipl.-Phys. Pesch
Bernhard von Dr. Blanckenhagen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of DE10327963A1 publication Critical patent/DE10327963A1/en
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Abstract

The polarization beam splitter has an optically transparent carrier substrate (1) provided with an array of parallel grid lines (2,3) formed by a multi-layer system, for splitting an unpolarized light beam (UP) received at a given incidence angle into reflected and transmitted polarized beams (TE,TM). The individual layers (H,L) of the multi-layer system are provided by non-metallic dielectric materials with differing optical characteristics in alternation with one another.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polarisationsstrahlteiler, bevorzugt zur Anwendung in der Mikroskopie oder in Projektionssystemen über einen breitbandigen Spektralbereich von 400 bis 700 nm sowie für Anwendungen in der UV-Lithografie im Wellenlängenbereich von 150 bis 400 nm, umfassend ein aus einem optisch transparentem Material bestehendes Trägersubstrat, auf dessen Oberfläche ein Array von parallel zueinander verlaufenden Gitterstegen aufgebracht ist, wobei die Gitterstege aus Vielfachschichtsystemen bestehen und das unter einem Einfallswinkel θ auf die Gitterstege und das Trägersubstrat auftreffende unpolarisierte Licht in einen reflektiven und einen transmissiven Polarisationsstrahlengang geteilt wird.The The invention relates to a polarization beam splitter, preferably to Application in microscopy or in projection systems via a broadband spectral range from 400 to 700 nm and for applications in UV lithography in the wavelength range from 150 to 400 nm, comprising one of an optically transparent one Material existing carrier substrate, on its surface applied an array of mutually parallel grid bars is, wherein the grid webs consist of multilayer systems and that at an angle of incidence θ on the grid bars and the carrier substrate impinging unpolarized light in a reflective and a transmissive polarization beam path is shared.

Bekannte dielektrische Polarisationsstrahlteiler basieren auf der Verwendung von unstrukturierten Dünnschichtsystemen, wie sie beispielsweise in US 6462873 B1 beschrieben werden. Derartige Lösungen erfüllen oftmals nicht die gestellten optischen Forderungen, da nur eine relativ geringe Extinktion erreichbar ist.Known dielectric polarization beam splitters are based on the use of unstructured thin-film systems, as used, for example, in US Pat US 6462873 B1 to be discribed. Such solutions often do not meet the stated optical requirements, since only a relatively low extinction is achievable.

Weitere Lösungen sind aus US 6462873 B1 und US 6351296 B1 bekannt. Diese Lösungen haben zum einem den Nachteil, dass aufgrund der Einbettung der polarisationsoptischen Mittel in Prismen keine ausreichende kompakte Form der Anordnung möglich ist oder das zum anderen doppelbrechende Materialien zur Polarisationsstrahlteilung verwendet werden.More solutions are out US 6462873 B1 and US 6351296 B1 known. On the one hand, these solutions have the disadvantage that due to the embedding of the polarization-optical means in prisms, a sufficient compact form of the arrangement is not possible or that, on the other hand, birefringent materials are used for polarization beam splitting.

Bekannte diffraktive Anordnungen, wie sie beispielsweise von der Firma MOXTEK ( US 6288840 B1 , US 6243199 B1 ) vorgestellt werden, basieren auf die Verwendung einfach beschichteter metallischer Beugungsgitter oder es werden Kombinationen von metallischen mit dielektrischen Schichten in Form eines strukturierten metallo-dielektrischen Vielschichtsystems verwendet ( US 02/122236 A1 , EP 1239308 A2 ). Bei der Lösung nach US 02/122236 A1 wird das Design alternierender metallo-dielektrischer Doppelschichten und der Effekt des resonanzverstärkten Tunnelns durch einzelne Metallschichten ausgenutzt, um die optischen Anforderungen für eine effiziente Strahlteilung zu erreichen.Known diffractive arrangements, as described for example by the company MOXTEK ( US 6288840 B1 . US 6243199 B1 ) are based on the use of simply coated metallic diffraction gratings or combinations of metallic with dielectric layers in the form of a structured metallo-dielectric multilayer system are used ( US 02/122236 A1 . EP 1239308 A2 ). At the solution after US 02/122236 A1 The design of alternating metallo-dielectric double layers and the effect of resonance-enhanced tunneling through individual metal layers is exploited to meet the optical requirements for efficient beam splitting.

Ein wesentlicher Nachteil eines diffraktiven Designs aus metallischen Materialien ist das Vorhandensein von Absorption von Lichtenergie in dieser optischen Komponente und wirkt sich nachteilig auf die optischen Eigenschaften des diffraktiven Polarisationsstrahlteilers (DPBS) aus. Bei Anwendungen, bei denen sehr hohe Lichtintensitäten erforderlich sind, wie beispielsweise in digitalen Kinoprojektoren, kann dies sogar zur Zerstörung des Bauelementes führen.One major disadvantage of a diffractive design of metallic Materials is the presence of absorption of light energy in this optical component and adversely affects the optical properties of the diffractive polarization beam splitter (DPBS). For applications where very high light intensities are required, as in digital cinema projectors, this can even be to destruction lead of the component.

Darüberhinaus sind eine Vielzahl von schmalbandigen Lösungen für den sichtbaren und infraroten Spektralbereich bekannt ( US 5748368 , US 5914811 ), die nicht für Applikationen mit einer breitbandigen Weißlichtquelle geeignet sind.In addition, a large number of narrow-band solutions for the visible and infrared spectral range are known (US Pat. US 5748368 . US 5914811 ), which are not suitable for applications with a broadband white light source.

Ein schmalbandiges Design eines DPBS für den infraroten Spektralbereich, welches sich die Strukturierung eines dielektrischen Vollschichtsystems mittels des Effekts der anisotropen spektralen Reflektivität (ASR) zur Polarisationsteilung zunutze macht, wird beispielsweise in Rong-Chung Tyan, et al., „Design, fabrication, and characterization of form-birefringent multilayer polarizing beam splitter", Journal of the Optical Society of America A, Vol.14, No.7/July 1997, p. 1627–1636 beschrieben. Hier wird ein Design aus alternierenden dielektrischen λ/4-Doppelschichten verwendet, bei dem der Effekt der anisotropen spektralen Reflektivität eintritt und für genau eine Wellenlänge λ zu den erforderlichen optischen Eigenschaften führt. Für den Einsatz im breitbandigen, sichtbaren Spektralbereich ist das beschriebene Design ungeeignet.One narrow-band design of a DPBS for the infrared spectral range, which is the structuring of a dielectric full-layer system by the effect of the anisotropic spectral reflectance (ASR) for polarization splitting, for example, in Rong-Chung Tyan, et al., "Design, fabrication, and characterization of form-birefringent multilayer polarizing beam splitter ", Journal of the Optical Society of America A, Vol.14, No.7 / July 1997, p. 1627-1636 described. Here is a design of alternating dielectric λ / 4 bilayers used at which the effect of the anisotropic spectral reflectivity occurs and for exactly one wavelength λ to the required optical Properties leads. For the Use in the broadband, visible spectral range is the described Design inappropriate.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen diffraktiven Polarisationsstrahlteiler dahingehend weiter zu entwickeln, dass unter Verwendung unpolarisierten Weißlichtes (UP) eine Strahlaufteilung über den gesamtem Wellängenbereich mit einer Effizienz von nahezu 100% und einer Winkelseparation von mehr als 90 Grad bei gleichzeitiger Verminderung von Lichtverlusten durch Absorption im Material selbst sowie durch unerwünschte Abstrahlung in andere Beugungsordnungen möglich ist.outgoing from the described disadvantages of the prior art is the Invention the task of a diffractive polarization beam splitter to further develop that using unpolarized White light (UP) a beam split over the entire Wellängenbereich with an efficiency of nearly 100% and an angular separation of more than 90 degrees with simultaneous reduction of light losses by absorption in the material itself as well as by unwanted radiation possible in other diffraction orders is.

Diese Aufgabe wird durch einen Polarisationsstrahlteiler der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die einzelnen Schichten der Gitterstege aus nichtmetallischen, in ihrem optischen Verhalten verschiedenartig zusammengesetzten, dielektrischen Substanzen bestehen, wobei zweckmäßigerweise jeder Gittersteg mindestens drei (bei H-L-H oder vier bei H-L-H-L) Schichten aufweist, die gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken zwischen 0,1 nm und 300 nm besitzen und die Gesamthöhe der Struktur der Gitterstege dabei in einem Bereich von 0,3 nm bis 30 μm liegt.These Task is by a polarization beam splitter the above described type according to the invention thereby solved, that the individual layers of the grid bars are made of non-metallic, in their optical behavior differently composed, consist dielectric substances, expediently each grid web has at least three (in H-L-H or four in H-L-H-L) layers, the same or have different layer thicknesses between 0.1 nm and 300 nm and the overall height the structure of the grid webs in a range of 0.3 nm to 30 microns is.

Die Schichten der Gitterstege bestehen dabei aus einer Kombination von verschiedenartig hochbrechenden Substanzen (H) und verschiedenartig niedrigbrechenden Substanzen (L), wobei die Reihenfolge alternierend (H1-L1-H1-L1 ...) oder nicht alternierend (H1-L1-H2-L2 ... oder H1-H2-L1-L2 ...) ist.The layers of the lattice webs consist of a combination of different high-index substances (H) and various low-index substances (L), the order alternating (H1-L1-H1-L1 ...) or not al terning (H1-L1-H2-L2 ... or H1-H2-L1-L2 ...).

Bedingt durch die Verwendung reiner dielektrischer Schichten, die sowohl in ihrer Abfolge bezüglich des reflektiven Verhaltens als auch in ihrer Höhe variierbar sind lassen sich Strukturprofile in Abhängigkeit vom Verwendungszweck optimieren. Die Vermeidung von metallischen Substanzen ermöglicht den Einsatz auch bei höheren Lichtintensitäten ohne dass der DPBS zerstört wird. Absorptionsverluste, die gerade bei Verwendung metallischer Substanzen auftreten werden weitestgehend vermieden, was wiederum zu einer Verbesserung der Effizienz gegenüber den Lösungen des Standes der Technik führt.conditioned through the use of pure dielectric layers, both in their sequence of reflective behavior as well as their height can be varied Structure profiles depending on from the purpose of use. The avoidance of metallic Substances enable the Use even at higher light intensities without destroying the DPBS becomes. Absorption losses, especially when using metallic Substances occurring are largely avoided, which in turn leads to an improvement in efficiency over the solutions of the prior art.

Darüberhinaus wird der Kontrast, insbesondere im blauen Spektralbereich, in dem metallische Substanzen stärker absorbieren, wesentlich verbessert.Furthermore is the contrast, especially in the blue spectral range, in the stronger metallic substances absorb, significantly improved.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Designs wird von einem für beide Polarisationszustände hochreflektierenden Vielschichtsystem (HR) ausgegangen (bis etwa 40 Schichten), das zunächst unstrukturiert ist. Es wird derart predesignt, dass die spektralen Eigenschaften, wie Breitbandigkeit und Wellenlängenbereich, ausreichend erfüllt sind. Anschließend wird das Schichtsystem entsprechend strukturiert.in the Unlike the previously known designs, one is for both Polarization states highly reflective Multilayer system (HR) is assumed (up to about 40 layers), the first is unstructured. It is predesigned so that the spectral Properties, such as broadband and wavelength range, are sufficiently fulfilled. Subsequently the layer system is structured accordingly.

Durch die Strukturierung wird der allgemein bekannte Effekt der Formdoppelbrechung ausgenutzt, um für die TE-Polarisation (s-Polarisation) eine hochreflektierende Struktur und die TM-Polarisation (p-Polarisation) eine antireflektierende Struktur zu erzeugen.By structuring becomes the well-known effect of shape birefringence exploited for TE polarization (s-polarization) a highly reflective structure and the TM polarization (p-polarization) an anti-reflective To create structure.

Vorteilhafterweise bestehen die hochbrechenden Substanzen (H) aus TiO2 und/oder Ta2O5 und/oder HfO2 und/oder Al2O3 und/oder Nb2O5 und/oder ZnS und/oder LaF3 oder weitere Lathanoidfluoride und die die niedrig brechenden Substanzen (L) aus SiO2 und/oder MgF2 und/oder Chiolith und/oder Kryolith und/oder AL2O3.advantageously, the high-index substances (H) consist of TiO2 and / or Ta2O5 and / or HfO2 and / or Al2O3 and / or Nb2O5 and / or ZnS and / or LaF3 or other lathanoid fluorides and the low-breaking substances (L) from SiO 2 and / or MgF 2 and / or chiolite and / or cryolite and / or Al2O3.

Zur Erreichung einer sehr hohen Breitbandigkeit erweist es sich als günstig, wenn die Schichtdicken der verschiedenartigen Schichten der Gitterstege zueinander kein ganzzahliges Verhältnis bilden.to Achieving a very high bandwidth proves it Cheap, when the layer thicknesses of the various layers of the grid bars do not form an integer relationship to each other.

Üblicherweise hat der Polarisationsstrahlteiler einen rechteckförmigen Querschnitt (lamellares Profil, wobei der Einfallswinkel θ des unpolarisierten Lichtes zur senkrecht auf dem Träger stehenden Ebene zwischen 30 und 60 Grad variierbar sein sollte.Usually the polarization beam splitter has a rectangular cross-section (Lamellar profile, where the angle of incidence θ of the unpolarized light perpendicular to the carrier standing level between 30 and 60 degrees should be variable.

Es sind jedoch auch trapezförmige Querschnittsformen der Gitterstege denkbar.It but are also trapezoidal Cross-sectional shapes of the grid bars conceivable.

Als vorteilhaft hat sich gezeigt, einen Einfallswinkel θ von 45 Grad zu wählen, um gerade bei einem lamellaren Profil eine Trennung der beiden Polarisatoren in Transmission und Reflektion zu realisieren.When Advantageously, it has been shown, an angle of incidence θ of 45 Degree to choose just for a lamellar profile a separation of the two polarizers to realize in transmission and reflection.

In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann es sich ferner als günstig erweisen, wenn das Trägersubstrat, welches unstrukturiert ist, zusätzlich eine antireflektierende Schicht (AR) aufweist.In dependence from the application case, it can also prove to be advantageous if the carrier substrate, which is unstructured, in addition an antireflecting layer (AR).

Hierdurch wird der durch Fresnel-Reflektion an der Substratoberfläche reflektierte Anteil der TM-Polarisation reduziert und damit der Kontrast in Reflexion erhöht.hereby This is reflected by Fresnel reflection on the substrate surface Proportion of TM polarization is reduced and thus the contrast in reflection elevated.

Um die Strahlteilung unter anderen Einfallswinkeln zu optimieren oder eine Trennung der beiden Polarisatoren entweder nur in Transmission oder nur in Reflexion zu erhalten, besteht eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ferner darin, die Gitterstege so anzuordnen, dass ihr Querschnitt die Form eines Parallelogramms (schiefwinkliges Profil) besitzt, wobei die Schichten parallel zur Oberfläche des Trägersubstrates liegen und die Seitenflächen zur senkrecht auf der Oberfläche des Trägersubstrates stehenden Ebene einen Winkel α, der bis zu 45 Grad beträgt, einschließen. Die Unterätzung kann dabei geringfügig mit dem linken Fußpunkt der Gitterstege überlappen. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.Around to optimize beam splitting at different angles of incidence or a separation of the two polarizers either only in transmission or to obtain only in reflection, there is an embodiment of the invention Furthermore, it is to arrange the grid bars so that their cross-section has the shape of a parallelogram (skewed profile), wherein the layers are parallel to the surface of the carrier substrate and the faces perpendicular to the surface of the carrier substrate standing plane an angle α, which is up to 45 degrees. The undercut may be slightly with the left foot the grid bars overlap. But this is not mandatory.

Von Vorteil ist es ferner, wenn die Gitterperiode in einem Bereich von 50 bis 200 nm liegt und der Füllfaktor von 0,1 bis 0,9 gewählt wird.From It is also advantageous if the grating period is in a range of 50 to 200 nm and the fill factor chosen from 0.1 to 0.9 becomes.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Es zeigen:following the invention will be explained in more detail by way of example. Show it:

1: eine schematische Darstellung des Polarisationsstrahlteilers (lamellenförmig) mit zwei Gitterstegen, 1 : a schematic representation of the polarization beam splitter (lamellar) with two grid bars,

2: eine schematische Darstellung des Polarisationsstrahlteilers (schiefwinklig) mit zwei Gitterstegen, 2 : a schematic representation of the polarization beam splitter (oblique angle) with two grid bars,

3: eine Darstellung der Effizienzen der transmittierten (tTE) und reflektierten (rTE) Lichtwelle für die TE-Polarisation (s-Polarisation), 3 : a representation of the efficiencies of the transmitted (tTE) and reflected (rTE) light wave for the TE polarization (s-polarization),

4: eine Darstellung der Effizienzen der transmittierten (tTM) und reflektierten (rTM) Lichtwelle für die TM-Polarisation (p-Polarisation) und 4 : A representation of the efficiencies of the transmitted (tTM) and reflected (rTM) lightwave for the TM polarization (p-polarization) and

5: eine Kontrastdarstellung in Transmission (T) und in Reflexion (R) 5 : a contrast representation in transmission (T) and in reflection (R)

1 zeigt den erfindungsgemäßen Polarisationsstrahlteiler mit einem Trägersubstrat 1, auf welchem ein Array von Gitterstegen (Lamellen) mit einer Gitterperiode GP = 140 nm und einem Füllfaktor von 0,5 aufgebracht ist und von denen zwei Gitterstege 2 und 3 dargestellt sind. Die Gitterstege 2 und 3 bestehen aus einer Kombination von hochbrechenden Schichten H und niedrigbrechenden Schichten L, wobei für die hochbrechenden Schichten H TiO2 und für die niedrigbrechenden Schichten L SiO2 gewählt wurde. Die jeweiligen Schichtdicken sind unterschiedlich, wobei die kleinste Schichtdicke 51 nm und die größte Schichtdicke 183 nm ist. Sie stehen in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamthöhe der dielektrischen Schichten 3,679 μm. Das Trägersubstrat 1 ist zum Zwecke der Anwendung des Polarisationsstrahlteilers im Spektralbereich von 300 bis 400 nm zusätzlich mit einer antireflektierenden Schicht AR versehen. 1 shows the polarization beam splitter according to the invention with a carrier substrate 1 on which an array of grid bars (lamellae) with a grating period GP = 140 nm and a fill factor of 0.5 is applied and of which two grid bars 2 and 3 are shown. The grid bars 2 and 3 consist of a combination of high refractive index layers H and low refractive index layers L, where H is TiO2 for the high refractive index layers and L SiO2 for the low refractive index layers. The respective layer thicknesses are different, with the smallest layer thickness being 51 nm and the largest layer thickness being 183 nm. They are not in an integer relationship to each other. In the present embodiment, the total height of the dielectric layers is 3.679 μm. The carrier substrate 1 is for the purpose of applying the polarization beam splitter in the spectral range of 300 to 400 nm additionally provided with an antireflecting layer AR.

Das von einer nicht näher dargestellten Lichtquelle ausgehende unpolarisierte Licht UP trifft unter einem Winkel θ von 45 Grad zur senkrecht auf der Trägersubstrat 1 liegenden Ebene 4 auf die Gitterstege 2 und 3 sowie auf die Trägersubstrat 1 auf und wird dabei in eine durch das Trägersubstrat 1 transmittierte p-polarisierte Komponente TM und in eine reflektierte s-polarisierte Komponente TE aufgespalten.The unpolarized light UP emanating from a light source not shown in detail strikes the support substrate at an angle θ of 45 degrees 1 lying level 4 on the grid bars 2 and 3 as well as on the carrier substrate 1 and is doing in a through the carrier substrate 1 transmitted p-polarized component TM and split into a reflected s-polarized component TE.

Durch die Strukturierung der Gitterstege 2 und 3 wird der Effekt der Formdoppelbrechung ausgenutzt, um für die s-Polarisation (TE) eine hochreflektierende Struktur und für die p-Polarisation (TM) eine antireflektierende Struktur zu erzeugen.By structuring the grid bars 2 and 3 the effect of shape birefringence is exploited to produce a highly reflective structure for s-polarization (TE) and an antireflective structure for p-polarization (TM).

2 zeigt einen schiefwinkligen Polarisationsstrahlteiler, bei welchen die Gitterstege 2 und 3 mit der Ebene 4 einem Winkel α von 20 Grad einschließen. Diese Anordnung ermöglicht eine Strahlteilung des unpolarisierten Lichtes UP unter anderen Einfallswinkeln. Ferner wird durch die Schiefwinkligkeit eine Trennung der Polarisationen in entweder nur Transmission TM oder in nur Reflexion TE möglich. Eine mögliche Unterätzung kann dabei geringfügig den Fußpunkt 5 überlappen, muß sie aber nicht. Die Überlappung wird in 2 unter dem Bezugszeichen 6 dargestellt. 2 shows a skewed polarization beam splitter, in which the grid bars 2 and 3 with the plane 4 an angle α of 20 degrees. This arrangement allows beam splitting of the unpolarized light UP at different angles of incidence. Furthermore, the skew angle makes it possible to separate the polarizations in either only transmission TM or in only reflection TE. A possible undercut may be slightly the base point 5 but it does not have to overlap. The overlap will be in 2 under the reference number 6 shown.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Schichten H und L ist für einen Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm, also breitbandig einsetztbar, wobei Beugungseffizienzen rTE und tTM von > 95 für das Nutzlicht (3 und 4 obere Kurve) und ein hoher Kontrast von Nutzlicht zu Falschlicht als Effizienzen rTM und tTE (3 und 4 untere Kurve) erzielt werden.The arrangement according to the invention of the layers H and L can be used for a wavelength range of 400 to 700 nm, that is to say broadband, diffraction efficiencies rTE and tTM of> 95 for the useful light (FIG. 3 and 4 upper curve) and a high contrast of useful light to stray light as efficiencies rTM and tTE ( 3 and 4 lower curve) can be achieved.

Der Kontrast in Reflexion ist dabei definiert als VR = EffizienzrTE/EffizienzrTMwährend der Kontrast in Transmission durch die Beziehung VT = EffizienztTM/EffizienztTE The contrast in reflection is defined as VR = efficiency / efficiency while the contrast in transmission through the relationship VT = EfficiencyTM / EfficiencyTE

5 zeigt die Darstellung von Kontrasten in Transmission T sowie in Reflexion R. Daraus ist ersichtlich, dass der Kontrast im sichtbaren Spektralbereich und in Reflexion und Transmission sehr breitbandig und, vor allem im blauen Spektralbereich, nahezu gleich groß ist, was für die Anwendung, beispielweise in der digitalen Projektion von erheblichem Vorteil für die Bildgebung ist. 5 shows the representation of contrasts in transmission T and in reflection R. It can be seen that the contrast in the visible spectral range and in reflection and transmission is very broadband and, especially in the blue spectral range, almost the same size, which is for the application, for example in the digital projection is of considerable benefit to imaging.

11
Trägersubstratcarrier substrate
2, 32, 3
Gittersteggrid bar
44
Ebenelevel
55
Fußpunktnadir
66
Überlappungoverlap
GPGP
Gitterperiodegrating period
UPUP
unpolarisiertes Lichtunpolarized light
HH
hochbrechende Schichthigh refractive index layer
LL
niedrigbrechende Schichtlow refractive layer
ARAR
antireflektierende Schichtantireflective layer
TMTM
p-polarisierte Komponentep-polarized component
TETE
s-polarisierte Komponentes-polarized component
rTE, tTE, rTM, tTMRTE, tTE, rTM, tTM
Effizienzenefficiencies
θ, αθ, α
Winkelangle

Claims (15)

Polarisationsstrahlteiler, bevorzugt zur Anwendung in der Mikroskopie oder in Projektionssystemen über einen breitbandigen Spektralbereich von 400 bis 700 nm sowie für Anwendungen in der UV-Lithografie im Wellenlängenbereich von 150 bis 400 nm, umfassend ein aus einem optisch transparentem Material bestehenden Trägersubstrat (1), auf dessen Oberfläche ein Array von parallel zueinander verlaufenden Gitterstegen (2, 3) aufgebracht ist, wobei die Gitterstege (2, 3) aus Vielfachschichtsystemen bestehen und das unter einem Einfallswinkel θ auf die Gitterstege (2, 3) und das Trägersubstrat (1) auftreffende unpolarisierte Licht (UP) in einen reflektiven (rTE oder rTM) und einen transmissiven (tTM oder tTE) Polarisationsstrahlengang geteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (H, L) der Gitterstege (2, 3) aus nichtmetallischen, in ihrem optischen Verhalten verschiedenartig zusammengesetzten, dielektrischen Substanzen bestehen.Polarization beam splitter, preferably for use in microscopy or in projection systems over a broadband spectral range of 400 to 700 nm and for applications in UV lithography in the wavelength range of 150 to 400 nm, comprising a carrier substrate consisting of an optically transparent material ( 1 ), on whose surface an array of mutually parallel grid bars ( 2 . 3 ) is applied, wherein the grid webs ( 2 . 3 ) consist of multilayer systems and that at an angle of incidence θ on the grid bars ( 2 . 3 ) and the carrier substrate ( 1 ) incident unpolarized light (UP) into a reflective (rTE or rTM) and a transmissive (tTM or tTE) polarization beam path , characterized in that the individual layers (H, L) of the grid bars ( 2 . 3 ) consist of non-metallic, in their optical behavior differently composed dielectric substances. Polarisationsstrahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gittersteg (2, 3) mindestens drei Schichten (H, L) aufweist, die gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken zwischen 0,1 nm und 400 nm besitzen.Polarization beam splitter according to claim 1, characterized in that each grid web ( 2 . 3 ) has at least three layers (H, L), the same or have different layer thicknesses between 0.1 nm and 400 nm. Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamthöhe der der Struktur der Gitterstege (2, 3) 0,3 nm bis 30 μm ist.Polarization beam splitter according to claims 1 to 2, characterized in that the total height of the structure of the grid bars ( 2 . 3 ) Is 0.3 nm to 30 μm. Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtsysteme (H, L) in den Gitterstegen (2, 3) aus einer Kombination von verschiedenartig hochbrechenden Substanzen (H) und verschiedenartig niedrigbrechenden Substanzen (L) aufgebaut sind, wobei die Reihenfolge alternierend (H1-L1-H1-L1 ...) oder nicht alternierend (H1-L1-H2-L2 ... oder H1-H2-L1-L2 ...) ist.Polarization beam splitter according to claims 1 to 3, characterized in that the layer systems (H, L) in the grid bars ( 2 . 3 ) are constructed of a combination of different high-index substances (H) and various low-refractive substances (L), the order being alternating (H1-L1-H1-L1 ...) or not alternating (H1-L1-H2-L2 .. or H1-H2-L1-L2 ...). Polarisationsstrahlteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hochbrechenden Substanzen (H) aus TiO2 und/oder Ta2O5 und/oder HfO2 und/oder AL2O3 und/oder Nb2O5 und/oder ZnS und/oder LaF3 oder weitere Lathanoidfluoride und die die niedrig brechenden Substanzen (L) aus SiO2 und/oder MgF2 und/oder Chiolith und/oder Kryolith und/oder Al2O3 bestehen.Polarization beam splitter according to claim 4, characterized characterized in that the high-index substances (H) of TiO2 and / or Ta2O5 and / or HfO2 and / or AL2O3 and / or Nb2O5 and / or ZnS and / or LaF3 or other Lathanoidfluoride and the low refractive substances (L) of SiO2 and / or MgF2 and / or chiolite and / or cryolite and / or Al2O3. Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken der verschiedenartigen Schichten (H, L) der Gitterstege (2, 3) in einem Gittersteg (2, 3) zueinander kein ganzzahliges Verhältnis bilden.Polarization beam splitter according to claims 1 to 5, characterized in that the layer thicknesses of the different layers (H, L) of the grid webs ( 2 . 3 ) in a grid web ( 2 . 3 ) do not form an integer ratio to each other. Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Gitterstege (2, 3) rechteckförmig ist.Polarization beam splitter according to claims 1 to 6, characterized in that the cross section of the grid bars ( 2 . 3 ) is rectangular. Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Gitterstege (2, 3) ein Parallelogramm ist, wobei die Schichten (H, L) parallel zur Oberfläche des Trägersubstrates (1) liegen und die Seitenflächen zur senkrecht auf der Oberfläche des Trägersubsttrates (1) stehenden Ebene (4) einen Winkel α einschließen.Polarization beam splitter according to claims 1 to 6, characterized in that the cross section of the grid bars ( 2 . 3 ) is a parallelogram, wherein the layers (H, L) parallel to the surface of the carrier substrate ( 1 ) and the side surfaces perpendicular to the surface of the carrier substate ( 1 ) level ( 4 ) include an angle α. Polarisationsstrahlteiler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen 0 und 45 Grad liegt.Polarization beam splitter according to claim 8, characterized characterized in that the angle α between 0 and 45 degrees. Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstege (2, 3) in ihrem Querschnitt trapezförmig gestaltet sind, wobei die Schichten (H, L) parallel zur Oberfläche des Trägersubstrates (1) liegen.Polarization beam splitter according to claims 1 to 6, characterized in that the grid bars ( 2 . 3 ) are trapezoidal in cross-section, wherein the layers (H, L) parallel to the surface of the carrier substrate ( 1 ) lie. Polarisationsstrahlteiler nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel θ des unpolarisierten Lichtes zur senkrecht auf dem Trägersubstrat (1) stehenden Ebene (4) zwischen 30 und 60 Grad variierbar ist.Polarization beam splitter according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of incidence θ of the unpolarized light perpendicular to the carrier substrate ( 1 ) level ( 4 ) is variable between 30 and 60 degrees. Polarisationsstrahlteiler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel θ = 45 Grad ist.Polarization beam splitter according to claim 11, characterized characterized in that the angle of incidence θ = 45 degrees. Polarisationsstrahlteiler nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterperiode (GP) in einem Bereich von 50 bis 300 nm bei einem Füllfaktor von 0,1 bis 0,9 liegt.Polarization beam splitter according to one of the aforementioned Claims, characterized in that the grating period (GP) is in a range from 50 to 300 nm at a fill factor from 0.1 to 0.9. Polarisationsstrahlteiler nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) unstrukturiert ist und eine antireflektierende Schicht (AR) aufweist.Polarization beam splitter according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier substrate ( 1 ) is unstructured and has an antireflecting layer (AR). Polarisationsstrahlteiler nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch kennzeichnet, dass die Gitterstege (2, 3) unterätzt sind, wobei die Oberkante eines Gittersteges (1) geringfügig (6) den Fußpunkt (5) des benachbarten Gittersteges (2) überlappt.Polarization beam splitter according to claims 8 and 9, characterized in that the grid bars ( 2 . 3 ) are undercut, wherein the upper edge of a grid web ( 1 ) slightly ( 6 ) the base ( 5 ) of the adjacent grid web ( 2 ) overlaps.
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