DE102011079030B4

DE102011079030B4 - Polarisator und Verfahren zur Herstellung eines Polarisators

Info

Publication number: DE102011079030B4
Application number: DE102011079030.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Weber; Ernst-Bernhard Kley
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: WO2013007790A1; EP2732317A1; DE102011079030A1

Abstract

Polarisator (100, 201, 203) mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (102); einer Mehrzahl von auf einer Oberfläche (103) des Substrats (102) angeordneten Streifen (101a–101n); wobei ein Streifen (101a–101n) aus der Mehrzahl von Streifen (101a–101n) einen Kern (105a–105n), welcher ein erstes Material aufweist, und eine Ummantelung (107a–107n) aus einem zweiten Material, welche den Kern (105a–105n) zumindest teilweise umgibt, aufweist; und wobei das erste Material Wolfram aufweist und das zweite Material Iridium aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Polarisator, wie er beispielsweise für Mikroskopanwendungen, Halbleiterinspektion und in der Spektroskopie verwendet werden kann. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Polarisators.
Hintergrund der Erfindung
Das Prinzip von Polarisatoren auf der Basis von leitfähigen Metallstreifen, die auf einem dielektrischen Substrat periodisch angeordnet sind, ist seit geraumer Zeit bekannt (G. Bird, M. Parrish Jr.: The wire grid as a near-infrared polarizer, JCSA, 50, 1960). Die Herausforderung bei der Entwicklung von Metallstreifenpolarisatoren für den UV-Bereich liegt zum Einen in der Auswahl eines geeigneten Gittermaterials, um eine möglichst gute optische Funktion zu erzielen, und zum Anderen in einer geeigneten Herstellungstechnik, die es ermöglicht, binäre Gitter mit kleinen Perioden zu realisieren. 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Polarisators. Dem Funktionsprinzip eines Metallstreifenpolarisators liegt zu Grunde, dass die Transmission von TE polarisiertem Licht (elektrisches Feld schwingt parallel zu den Gitterstegen) wesentlich kleiner ist als die Transmission für TM polarisiertes Licht (elektrisches Feld schwingt senkrecht zu den Gitterstegen). Die optischen Eigenschaften eines Metallstreifenpolarisators werden maßgeblich durch die Transmission für TM-polarisiertes Licht sowie dem Polarisationskontrast (Verhältnis der Transmission von TM- zu TE-polarisiertem Licht) bestimmt.
Drahtgitterpolarisatoren für Anwendungen im UV-Bereich wurden bereits für Aluminium und Iridium als Gittermaterial präsentiert (J. Wang et al.: High-Performance, large area, deep ultraviolet to infrared polarizers based on 40 nm line/78 nm space nanowire grids, Applied Physics Letters, 90, 2007, T. Weber et al.: Broadband iridium wire grid polarizer for UV applications, Optics Letters, 36, 2011), wobei die Periode der Gitterstruktur bei 100 nm liegt. Die wichtige Frage der Langzeitstabilität wurde hierbei lediglich in (T. Weber et al.: Broadband iridium wire grid polarizer for UV applications, Optics Letters, 36, 2011) mit der Wahl von Iridium als Gittermaterial diskutiert.
Die US 2003/0227678 A1 beschreibt einen Ansatz die Metallstruktur durch eine Monolage organischer Verbindungen zu schützen, die die optischen Eigenschaften des Polarisators, wenn möglich, nicht beeinflussen soll. Die organische Schicht besteht aus einem Korrosionsverzögerer und soll nicht dicker als 10 nm sein.
In EP 2 299 299 A1 wird eine Schutzschicht benannt, die aus einem Metalloxid, Glas oder Harz und auf den Gitterstegen auch aus einem opaken Material bestehen kann. Zwischen den Gitterstegen darf sich aber nur ein transparentes Material befinden.
In US 2004/0070829 A1 wird ein Polarisator aus einem waagerechten Schichtstapel für Anwendungen im sichtbaren Spektralbereich beschrieben, der ermöglichen soll, dass die optischen Eigenschaften des Elementes gezielt eingestellt werden können. Hierbei kann jedoch nicht eine Schicht als Schutzschicht fungieren und ein Material des Schichtsystems vor äußeren Einflüssen schützen und komplett umschließen.
Dem Ansatz der Abfolge von dünnen Schichten auf einem Substrat wird in EP 1 387 190 A1 nachgegangen. Hier kann jedoch keine senkrechte Gitterstruktur. Ebenfalls würden leitfähige (metallische) Schichten in den Gittergräben die optische Funktion maßgeblich beeinträchtigen.
Korrosionsschützende Eigenschaften werden für die Elemente in US 2004/0070829 A1 und EP 1 387 190 A1 aufgezeigt.
Die Zielstruktur in US 2004/0070829 A1 kann dieses Ziel nicht erfüllen, weil keine Schicht komplett abgeschlossen ist.
Eine einfache Konfiguration ist in EP 1 775 607 A1 aufgezeigt, wo auf ein strukturiertes (Gitter) Harzsubstrat eine dielektrische Schicht aufgetragen wird, die anschließend mit einer metallischen Funktionsschicht beschichtet wird. Dieser Schichtaufbau kann ebenfalls die Funktionsschicht nicht schützen.
In (Khakani et al.: Iridium thin films deposited by radio frequency magnetron sputtering, Journal of Vacuum Science & Technology A, Vol. 16, No. 2, 885–888, 1998) werden die exzellenten Korrosionseigenschaften von Iridium beschrieben.
All diese Konzepte haben gemein, dass sie entweder eine gute optische Funktion oder eine hohe Korrosionsbeständigkeit ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept für einen Polarisator zu schaffen, der sowohl eine gute optische Funktion als auch eine hohe Langzeitbeständigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Polarisator gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Polarisators gemäß Anspruch 10.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Polarisator mit einem Substrat und einer Mehrzahl von auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Streifen. Ein Streifen aus der Mehrzahl von Streifen weist dabei einen Kern auf, der ein erstes Material aufweist, und eine Ummantelung, welche den Kern zumindest teilweise umgibt, aus einem zweiten Material auf. Das erste Material weist dabei Wolfram auf und das zweite Material weist dabei Iridium auf.
Es wurde erkannt, dass ein Polarisator geschaffen werden kann, der sowohl eine gute optische Funktion (bis in den tiefen UV-Bereich – DUV – Deep Ultraviolet) als auch eine hohe Langzeitbeständigkeit aufweist, wenn die Streifen des Polarisators einen Kern aufweisen, der Wolfram aufweist und die Streifen eine Ummantelung aufweisen, die den Kern zumindest teilweise umgeben, die Iridium aufweist. Durch die Kombination eines Wolfram aufweisenden Kerns mit einer Iridium aufweisenden Ummantelung lässt sich, aufgrund der guten optischen Eigenschaften von Wolfram und der hohen Korrosionsbeständigkeit von Iridium ein Polarisator mit einer guten optischen Funktion (bis in den tiefen UV-Bereich) und einer hohen Korrosionsbeständigkeit erreichen.
Ein Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist dabei, dass ein Polarisator geschaffen wird, der eine gute optische Funktion mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit und damit einer hohen Langzeitbeständigkeit vereint.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Kern durch die Ummantelung und das Substrat vollständig eingekapselt sein, um den Kern vollständig vor äußeren Einflüssen zu schützen. So kann eine Korrosion des Kerns (beispielsweise des Wolframs) durch die Iridium aufweisende Ummantelung verhindert werden, aber trotzdem eine gute optische Funktion, durch den Wolfram aufweisenden Kern gewährleistet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Ummantelung an Flächen des Kerns, die senkrecht zu der Oberfläche des Substrats sind, den Kern umgeben und der Kern kann, an einer dem Substrat abgewandten Seite, zumindest eine von der Ummantelung ausgesparte Region aufweisen. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird die optische Funktion des Polarisators nochmals dadurch verbessert, dass einfallendes Licht direkt auf den Wolfram aufweisenden Kern treffen kann. Eine hohe Korrosionsbeständigkeit wird dann auch dadurch gegeben, dass die Flächen des Kerns (beispielsweise Seitenflächen des Kerns), die senkrecht zu der Oberfläche des Substrats sind, von der Ummantelung umgeben sind.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Kern auch mehrere Lagen aufweisen, die abwechselnd aus verschiedenen Materialien gebildet sind. Beispielsweise können die verschiedenen Lagen abwechselnd aus dem ersten Material (des Kerns) und dem zweiten Material (der Ummantelung) gebildet sein. Mit anderen Worten können die Streifen des Polarisators vollständig aus dem ersten Material und dem zweiten Material gebildet sein.
Polarisatoren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können im Folgenden auch als Metallstreifenpolarisatoren bezeichnet werden. Ferner können Streifen von Polarisatoren auch als Gitterstege bezeichnet werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schrägansicht auf einen Polarisator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 Mögliche Konfigurationen für auf einem Schichtsystem basierende Gitterstege eines Polarisators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 Diagramme zur Darstellung der Abhängigkeit der Transmission in TM und TE Polarisation in Abhängigkeit von verschiedenen Schichtdicken der Ummantelung bei Polarisatoren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 einen schematischen Aufbau eines Schichtsystems aus Wolfram und Iridium gemäß der in 2 gezeigten Konfiguration (A);
5 Diagramme zur Darstellung der spektralen Abhängigkeit in Transmission und Polarisationskontrast für einen Polarisator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Polarisators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 schematische Darstellungen von Zwischenstufen, wie sie bei der Herstellung eines Polarisators unter Nutzung des Verfahrens aus 6 entstehen können; und
8 eine schematische Darstellung eines Metallstreifenpolarisators.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen werden und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen mit denselben Bezugszeichen sind daher untereinander austauschbar.
1 zeigt eine Schrägansicht auf einen Polarisator 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Polarisator 100 wird im Folgenden auch als Metallstreifenpolarisator 100 bezeichnet. Der Polarisator 100 weist ein Substrat 102 auf. Ferner weist der Polarisator 100 eine Mehrzahl von auf einer Oberfläche 103 des Substrats 102 angeordneten Streifen 101a bis 101n auf. Die Streifen 101a bis 101n weisen jeweils einen Kern 105a bis 105n auf. Die Kerne 105a bis 105n weisen dabei ein erstes Material auf, welches Wolfram aufweist. Mit anderen Worten weisen die Kerne 105a bis 105n Wolfram auf. Ferner weisen die Streifen 101a bis 101n jeweils eine Ummantelung 107a bis 107n aus einem zweiten Material auf. Das zweite Material weist Iridium auf. Mit anderen Worten weisen die Ummantelungen 107a bis 107n Iridium auf.
Wie im einleitenden Teil dieser Anmeldung bereits erläutert, kann durch die Kombination der Wolfram aufweisenden Kerne 105a bis 105n in Verbindung mit den Wolfram aufweisenden Ummantelungen 107a bis 107n bei den Streifen 101a bis 101n eine gute optische Funktion bis in den tiefen UV-Bereich (aufgrund der Wolfram aufweisenden Kerne 105a bis 105n) sowie eine hohe Langzeitbeständigkeit (aufgrund der Iridium aufweisenden Ummantelungen 107a bis 107n) erreicht werden.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kerne 105a bis 105n vollständig von den Ummantelungen 107a bis 107n und dem Substrat 102 eingekapselt. Die Kerne 105a bis 105n der Streifen 101a bis 101n sind daher typischerweise von außen nicht sichtbar und lediglich in einer Schnittansicht durch die Streifen 101a bis 101n sichtbar, wie in 1 dargestellt, da die Ummantelungen 107a bis 107n die Kerne 105a bis 105n in Verbindung mit dem Substrat 102 komplett umgeben, um eine Korrosion der Kerne 105a bis 105n, welche für die optische Funktion des Polarisators 100 relevant sind, zu verhindern.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Ummantelungen 107a bis 107n an Flächen der Kerne 105a bis 105n, die senkrecht zu der Oberfläche 103 des Substrats 102 sind, die Kerne 105a bis 105n umgeben. Ferner können die Kerne 105a bis 105n (wie beispielsweise noch im Folgenden anhand der Konfiguration (B) in 2 gezeigt) an einer dem Substrat 102 abgewandten Seite zumindest eine von der Ummantelung ausgesparte Region aufweisen, beispielsweise so, dass einfallendes Licht auf erstes Material (der Kerne 105a bis 105n) als auch auf zweites Material (der Ummantelungen 107a bis 107n) trifft.
Das Substrat 102 kann ein transparentes Substrat sein. Beispielsweise kann das Substrat 102 zumindest für Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von λ > 150 nm und λ < 2000 nm transparent sein. Der in 1 gezeigte Polarisator 100 kann daher ein Polarisator mit einem spektralen Arbeitsbereich von Infrarot bis in den tiefen UV-Bereich sein, wobei die Streifen 101a bis 101n ein Polarisationsgitter des Polarisators 100 bilden. Die Streifen 101a bis 101n können daher auch als Gitterstege des Polarisators 100 bezeichnet werden. Das Substrat 102 kann beispielsweise Glas, Quarzglas, Plexiglas oder ein transparentes Polymermaterial aufweisen.
Wie in 1 weiter gezeigt, können die Streifen 101a bis 101n beabstandet voneinander auf der Oberfläche 103 des Substrats 102 angeordnet sein und sich in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung, gekennzeichnet durch einen Pfeil 104 entlang der Oberfläche 103 des Substrats 102 erstrecken.
Die Kerne 105a bis 105n der Streifen 101a bis 101n können vollständig aus Wolfram gebildet sein. Ferner können auch die Ummantelungen 107a bis 107n vollständig aus Iridium gebildet sein. Da Wolfram ein Material mit guten Eigenschaften für einen Polarisator bildet und Iridium ein hoch korrosionsbeständiges Material ist, lasst sich so ein Polarisator mit einer guten optischen Funktion bis in den tiefen UV-Bereich als auch einer hohen Langzeitbeständigkeit erreichen.
Abmessungen der Streifen 101a bis 101n können identisch sein, so können beispielsweise Breiten b₁ bis b_n und/oder Höhen h₁ bis h_n und/oder Längen l₁ bis l_n der Streifen 101a bis 101n (in einem Toleranzbereich ±5%) identisch sein.
Die Streifen 101a bis 101n können ein binäres Polarisationsgitter des Metallstreifenpolarisators 100 bilden, das heißt, an einer Stelle des Metallstreifenpolarisators 100 ist entweder ein Streifen 101a bis 101n ausgebildet oder nicht. Das heißt, ein einfallender Lichtstrahl trifft entweder auf einen Streifen 101a bis 101n oder direkt auf die Oberfläche 103 des Substrats 102.
Aufgrund der beabstandeten Anordnung der Streifen 101a bis 101n sind zwischen den Steifen 101a bis 101n sogenannte Gittergräben 106a bis 106n ausgebildet. Diese Gittergräben 106a bis 106n sind freiliegende Bereiche der Oberfläche 103 des Substrats 102. Wie in 1 gezeigt, kann das Polarisationsgitter periodisch sein, d. h. die Breiten b₁ bis b_n der Streifen 101a bis 101n sind identisch und Breiten der Gittergräben 106a bis 106n sind auch identisch. Eine Periode p dieses periodischen Polarisationsgitters ist daher eine Summe aus einer Breite b₁ bis b_n eines der Streifen 101a bis 101n und einer Breite eines der Gittergräben 106a bis 106n.
Eine Höhe h₁ bis h_n der Streifen 101a bis 101n kann beispielsweise als Steghöhe bezeichnet werden und beispielsweise in einem Bereich von 1 nm bis 1000 nm oder 10 nm bis 500 nm oder 50 nm bis 300 nm liegen.
Eine Breite b₁ bis b_n der Streifen 101a bis 101n kann auch als Stegbreite bezeichnet werden und in einem Bereich von 1 nm bis 500 nm oder 5 nm bis 250 nm oder 10 nm bis 80 nm liegen.
Eine Funktion des in 1 gezeigten Metallstreifenpolarisators 100 besteht darin, dass wenn ein Abstand (eine Breite der Gittergräben 106a bis 101n) der Streifen 101a bis 101n klein genug gegenüber einer Wellenlänge λ einer einfallenden Strahlung ist, aufgrund der guten Leitfähigkeit der Streifen 101a bis 101n ein erster Anteil der Strahlung (der TE polarisierte Anteil) mit elektrischem Feld parallel zur Erstreckungsrichtung der Streifen 101a bis 101n (gekennzeichnet durch den Pfeil 104) reflektiert wird und ein zweiter Anteil der Strahlung (der TE polarisierte Anteil) mit elektrischem Feld senkrecht zur Richtung der Streifen 101a bis 101n (zumindest in einem bestimmten Prozentsatz) transmittiert wird, d. h. durchgelassen wird.
Ein Polarisator wird typischerweise basierend auf seinen Eigenschaften bezüglich der TM Transmission und eines Polarisationskontrasts beschrieben. Sowohl TM Transmission als auch TE Transmission wird dabei typischerweise in Prozent angegeben, d. h. ein Wert der TM Transmission bzw. der TE Transmission gibt an, wie viel von dem in der jeweiligen Richtung polarisierten Strahlung durch das Polarisationsfilter hindurchgelassen wird.
Der Polarisationskontrast oder das Polarisationsverhältnis eines Polarisators ist dabei typischerweise der Wert der TM Transmission geteilt durch den Wert der TE Transmission.
2 zeigt zwei mögliche Konfigurationen (A) und (B) für auf einem Schichtsystem basierende Gitterstege 101a, 101b eines Polarisators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Konfiguration (A) zeigt dabei einen Polarisator 201 mit zwei Streifen oder Gitterstegen 101a, 101b, wobei die Streifen jeweils einen Kern 105a, 105b sowie eine Ummantelung 107a, 107b aufweisen. Die Ummantelungen 107a, 107b und das Substrat 102 kapseln dabei die Kerne 105a, 105b vollständig ein, so dass die Kerne 105a, 105b vor Korrosionseinflüssen geschützt sind. Die Kerne 105a, 105b weisen mindestens ein erstes Wolfram aufweisendes Material auf. Die Ummantelungen 107a, 107b weisen ein zweites Iridium aufweisendes Material auf. Die Kerne 105a, 105b weisen mehrere Lagen auf, die abwechselnd aus verschiedenen Materialien gebildet sind. So können die Kerne 105a, 105b beispielsweise ein drittes Material aufweisen, welches verschieden auch zu dem ersten Material und dem zweiten Material sein kann. Beispielsweise kann das dritte Material ein metallisches Material, wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, Aluminium, Chrom oder Iridium sein oder auch ein dielektrisches Material, beispielsweise unterschiedliche Metalloxide oder Fluoride.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Lagen der Kerne abwechselnd aus dem ersten Material und dem zweiten Material gebildet sein. So können beispielsweise innerste Lagen 205a, 205b der Kerne 105a, 105b aus dem ersten Material gebildet sein. Ferner können auch äußerste Lagen 206a, 206b der Kerne 105a, 105b aus dem ersten Material gebildet sein. Zwischen diesen innersten Lagen 205a, 205b und den äußersten Lagen 206a, 206b können sich mehrere zusätzliche Lagen, beispielsweise abwechselnd aus dem ersten Material und dem zweiten Material befinden.
Wie bereits erwähnt, kann das erste Material vollständig aus Wolfram gebildet sein und/oder das zweite Material vollständig aus Iridium gebildet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann, wie in 2 gezeigt, jede der Lagen der Kerne 105a, 105b an das Substrat 102 angrenzen, also eine gemeinsame Grenzfläche mit dem Substrat 102 aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann, wie anhand von Konfiguration (A) in 2 gezeigt, eine innere Lage jeweils von der nächst äußeren Lage und dem Substrat 102 komplett eingekapselt sein.
Ferner zeigt 2 auf der rechten Seite einen Metallstreifenpolarisator 203 gemäß der Konfiguration (B). Dieser Polarisator 203 unterscheidet sich von dem Polarisator 201 dadurch, dass die Kerne 105a, 105b nicht vollständig von den Ummantelungen 107a, 107b und dem Substrat 102 eingekapselt sind, sondern jeweils mindestens eine von der Ummantelung 107a, 107b ausgesparte Region 210a, 210b aufweisen. Auf den Polarisator 203 einfallendes Licht trifft damit auf diese von den Ummantelungen 107a, 107b ausgesparten Region 210a, 210b der Kerne 105a, 105b und damit auf die einzelnen Lagen der Kerne 105x, 105b. Während bei der Konfiguration (A) die Ummantelungen 107a, 107b sowohl an Flächen der Kerne 105a, 105b die senkrecht zu der Oberfläche 103 des Substrats 102 sind als auch an Flächen der Kerne 105a, 105b die parallel zu der Oberfläche 103 des Substrats 102 sind, die Kerne 105a, 105b umgeben, so umgeben die Ummantelungen 107a, 107b bei der Konfiguration (B) die Kerne 105a, 105b nur an den Flächen der Kerne 105a, 105b die senkrecht zu der Oberfläche 103 des Substrats 102 sind.
Die Flächen des Kerns sind senkrecht zu der Oberfläche 103, wenn eine Flächennormale dieser Flächen senkrecht zu einer Flächennormalen der Oberfläche 103 des Substrats 102 ist.
Ferner erstrecken sich sowohl bei Konfiguration (A) als auch bei Konfiguration (B) die einzelnen Lagen entlang einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung der Streifen 101a, 101b (wie beispielsweise durch den Pfeil 104 in 1 gezeigt). Die einzelnen Lagen erstrecken sich dabei in Konfiguration (A) sowohl senkrecht (Lagenstapelrichtung senkrecht zur Oberfläche 103 des Substrats 102) zu der Oberfläche 103 des Substrats 102 als auch parallel (Lagenstapelrichtung parallel zur Oberfläche 103 des Substrats 102) zu der Oberfläche 103 des Substrats 102. Bei Konfiguration (B) erstrecken sich die einzelnen Lagen lediglich senkrecht (Lagenstapelrichtung senkrecht zur Oberfläche 103 des Substrats 102) zu der Oberfläche 103 des Substrats 102. Mit anderen Worten sind bei dem Polarisator 201 der Konfiguration (A) die einzelnen Lagen der Kerne 105a, 105b sowohl in einer Stapelrichtung senkrecht zur Oberfläche 103 des Substrats 102 als auch in einer Stapelrichtung parallel zur Oberfläche 103 des Substrats 102 gestapelt, während bei dem Polarisator 203 der Konfiguration (B) die einzelnen Lagen der Kerne 105a, 105b nur in der Stapelrichtung senkrecht zur Oberfläche 103 des Substrats 102 gestapelt sind.
Eine Stapelrichtung ist dabei senkrecht zu der Oberfläche 103 des Substrats 102, wenn die Stapelrichtung senkrecht zur der Flächenormalen der Oberfläche 103 des Substrats 102 ist. Ferner ist eine Stapelrichtung parallel zu der Oberfläche 103 des Substrats 102, wenn die Stapelrichtung parallel zur der Flächenormalen der Oberfläche 103 des Substrats 102 ist.
Zusammenfassend sind in 2 zwei mögliche Konfigurationen der auf einem Schichtsystem basierenden Gitterstege 101a, 101b dargestellt. Während in Konfiguration (B) eine senkrechte Abfolge verschiedener funktioneller Schichten erfolgt, ist in Konfiguration (A) eine Überschichtung einer zentralen Gitterstruktur beabsichtigt. Konfiguration (A) schließt eine möglicherweise leicht korrodierende Schicht (die Kerne 105a, 105b) mit einer zentralen optischen Funktion (gewährleistet durch das erste Material) von äußeren Einflüssen ab, während in Konfiguration (B) die Schicht (die Kerne 105a, 105b) nicht komplett abgeschlossen ist (sind).
3 zeigt in zwei Diagrammen die simulierten optischen Eigenschaften eines Metallstreifenpolarisators gemäß einem Ausführungsbeispiel basierend auf einem Schichtsystem der Konfiguration (A) bezüglich Transmission in TE Polarisation (a) und TM Polarisation (b) für verschiedene Zusammensetzungen des Schichtsystems. Für die Berechnung wurde ein Schichtsystem zugrunde gelegt, das Wolfram als zentrales Material (als Material für die Kerne 105a bis 105n) beinhaltet und von Iridium (als Material für die Ummantelungen 107a bis 107b) umschlossen wird. Eine Skizze des Schichtaufbaus ist sowohl in 1 als auch in 4 dargestellt. Die Parameter des Beispielgitters sind eine Periode p von 100 nm und eine Gitterhöhe h₁ bis h_n von 150 nm.
Die Schichtdicke des Schichtmaterials (Iridium), also die Schichtdicke der Ummantelungen 107a bis 107n, wird hierbei zwischen 1 nm, 5 nm und 10 nm variiert. Zusätzlich ist auch die TM Transmission und TE Polarisation für einen Polarisator mit reinen Wolframstreifen gezeigt. Bei dem für die Diagramme in 3 verwendeten Metallstreifenpolarisator hat das Wolfram (also die Kerne 105a, 105b) eine Breite b₁–b_n von 30 nm
Es ist hierbei ersichtlich, dass sich die optischen Eigenschaften bei dicker werdender Schicht sich den optischen Eigenschaften des Schichtmaterials angleichen, was am charakteristischen Verlauf der Transmission in TM Polarisation deutlich wird. Bei geeigneter Wahl der Schichtparameter kann ein Polarisator mit den optischen Eigenschaften von Wolfram und der exzellenten Korrosionsbeständigkeit von Iridium hergestellt werden. Weiterhin kann der Schichtaufbau aber deutlich komplexer sein und aus mehreren Materialien bestehen. Auch aus einer Mischung von metallischen und dielektrischen Schichten. Als Metalle kommen hierbei beispielsweise Wolfram, Molybdän, Aluminium, Chrom oder Iridium in Frage, während dielektrischen Schichten aus unterschiedlichen Metalloxiden oder Fluoriden bestehen können. Wichtig bleibt festzuhalten, dass ein Material in Konfiguration (A) komplett eingekapselt werden kann. Der Aufbau des Schichtsystems wird maßgeblich durch die optische Zielfunktion des Elements vorgegeben. Hierbei können Parameter wie Transmission, Polarisationskontrast, Reflexion, Absorption und der Akzeptanzwinkel gezielt eingestellt werden.
Zusammenfassend zeigt 3 ein Diagramm zur Darstellung der TM Transmission (a) und TE Polarisation (b) in Abhängigkeit der Wellenlänge für ein Beispielgitter.
Bei dem in US 2004/0070829 A1 gezeigten Polarisator kann nicht wie in Konfiguration (A) dargestellt eine Schicht als Schutzschicht fungieren und ein Material des Schichtsystems vor äußeren Einflüssen schützen und komplett umschließen. Bei dem in EP 1 387 190 A1 gezeigten Ansatz kann keine senkrechte Gitterstruktur wie in der aufgezeigten Konfiguration (B) erreicht werden. Ebenfalls würden leitfähige (metallische) Schichten in den Gittergräben die optische Funktion maßgeblich beeinträchtigen.
Als Beispiel für einen Metallstreifenpolarisator basierend auf einem Schichtsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für Anwendungen bis in den tiefen UV-Bereich (Wellenlänge < 200 nm) wird im Folgenden ein Element beschrieben, das eine Periode p von 100 nm aufweist und von einer 5 nm dicken Schicht (der Ummantelungen 107a, 107b) umgeben ist.
4 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Polarisators 100 mit einem Schichtsystem mit Streifen 101a, 101b, die Kerne 105a, 105b aus Wolfram aufweisen und Ummantelungen 107a, 107b aus Iridium aufweisen. Das in 4 gezeigte Element kann daher identisch mit dem in 1 gezeigten Metallstreifenpolarisator 100 sein, wobei das erste Material für die Kerne 105a, 105b vollständig aus Wolfram gebildet ist und das zweite Material für die Ummantelung 107a, 107b vollständig aus Iridium gebildet ist.
Wie im Vorherigen beschrieben, wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel die optische Funktion von Wolfram für Wellenlängen kleiner als 200 nm mit der Korrosionsbeständigkeit von Iridium kombiniert. Dieses in 4 gezeigte Beispiel stellt das einfachste Beispiel gemäß der in 2 gezeigten Konfiguration (A) dar. Das Schichtsystem der Streifen 101a und 101b wird lediglich durch das zentrale Gittermaterial Wolfram und einer Schicht Iridium gebildet.
5 zeigt die optische Funktion dieses Beispielgitters bzw. dieses Polarisators 100 anhand einer Darstellung der spektralen Abhängigkeit von Transmission und Polarisationskontrast für dieses Beispielgitter. Im linken Diagramm von 5 ist die spektrale Abhängigkeit der Transmission in TE und TM Polarisation in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Im rechten Diagramm von 5 ist die Abhängigkeit des Polarisationskontrastes von der Wellenlänge dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass im gesamten untersuchten Spektralbereich eine sehr gute Unterdrückung der TE Polarisation und eine Transmission in TM Polarisation von zum Teil deutlich über 20% erzielt wird. In Folge dessen kann über einen großen Wellenlängenbereich ein merklicher Polarisationskontrast erzielt werden. Bei 190 nm Wellenlänge im tiefen UV-Bereich wird noch ein beachtlicher Polarisationskontrast von 100 erzielt.
Die Herstellung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung stellt aufgrund der geringen Strukturgrößen eine hohe Anforderung an den Herstellungsprozess.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zur Herstellung eines Polarisators gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ferner zeigt 7 mögliche Zwischenstufen wie sie bei dem Verfahren 600 der Herstellung eines Polarisators auftreten können, für die verschiedenen in 2 gezeigten Konfigurationen (A) und (B).
Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 602 des Herausbildens eines Kerns eines Streifens des Polarisators durch Beschichten eines Substrats mit zumindest einem ersten Material, das Wolfram aufweist und durch Strukturieren des (Wolfram aufweisenden) ersten Materials. Das Strukturieren des Wolfram aufweisenden Materials kann dabei gleichzeitig mit dem Beschichten erfolgen, beispielsweise unter Nutzung einer (Streifen-)Maske, oder nach dem Beschichten.
Ferner umfasst das Verfahren 600 einen Schritt 604 des Beschichten zumindest des Kerns des Polarisators mit einem zweiten Material, das Iridium aufweist, um eine Ummantelung zu bilden, so dass der Kern des Streifens von der Ummantelung und dem Substrat vollständig eingekapselt ist.
Das Beschichten des Substrats als auch des Kerns kann beispielsweise mit Hilfe von PVD (Physical Vapor Deposition – physikalische Gasphasenabscheidung), CVD (Chemical Vapor Deposition – chemische Gasphasenabscheidung) oder ALD (Atom Layer Deposition – Atomlagenabscheidung) erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann, falls es gewünscht ist, dass der Kern des herzustellenden Elements eine Mehrzahl von Lagen aufweist, in dem Schritt 602 des Verfahrens 600 das Herausbilden des Kerns des Streifen auch durch mehrfaches Übereinanderschichten (oder Übereinanderabscheiden) mehrerer, beispielsweise verschiedener Materialien erfolgen. Anschließend, also nachdem der Kern herausgebildet ist, kann dann im Schritt 604 des Verfahrens 600 die Ummantelung auf dem Kern abgelagert werden, so dass der Kern von der Ummantelung und dem Substrat vollständig eingekapselt ist. Mit anderen Worten können bei dem Herausbilden 602 des Kerns abwechselnd verschiedene Materialien übereinandergeschichtet werden, so dass mehrere Lagen des Kerns herausgebildet werden, wobei das Übereinanderschichten der verschiedenen Materialien so erfolgt, dass jede Lage des Kerns von einer nach dieser Lage herausgebildeten Lage und von dem Substrat vollständig eingekapselt ist.
Zur Herstellung eines Elements gemäß der Konfiguration (B) kann das Verfahren ferner einen Schritt 606 des Herausbilden einer von der Ummantelung ausgesparten Region des Kerns umfassen. Das Herausbildens 606 der von der Ummantelung ausgesparten Region des Kerns kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen. Das Ätzen kann beispielsweise mit Hilfe des sogenannten IBE-(Ion Beam Etching – Ionenstrahlätzung)Verfahrens erfolgen.
Zusammengefasst sind in 7 schematisch Zwischenstufen zur Herstellung eines Polarisators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, wie sie bei dem Verfahren 600 zur Herstellung eines Polarisator gemäß Konfiguration (A) und eines Polarisator gemäß Konfiguration (B) auftreten können.
Ein Element gemäß Konfiguration (A) kann hergestellt werden, indem ein Gitter (beispielsweise mit einer Periode p von 100 nm) aus einem beliebigen Material durch einen Sputter (PVC) oder Verdampfungsprozess (CVD) unter einem gewählten Winkel überschichtet wird (Schritte 602 und 604 des Verfahrens 600). Dieser Prozess kann je nach Anzahl der Schichten des Schichtsystems beliebig oft wiederholt werden. Die Beschichtung unter einem Winkel ist vorteilhaft, weil kein Material in den Graben zwischen den Gitterstegen gelangen soll, um nicht die optische Funktion zu stören. Das Material soll sich ausschließlich auf den Gitterstegen (den Streifen) und an deren Seitenwänden ablagern.
Wie bereits erläutert, kann für die Herstellung eines Polarisators gemäß Konfiguration (B) nach der Beschichtung ein weiterer Ätzschritt (Schritt 606 des Verfahrens 600) notwendig sein, um, wie in 7 zu entnehmen, das Material in den Gitterstegen und auf der Oberfläche des senkrecht ausgerichteten Schichtsystems zu entfernen. Zusätzlich zu dem Sputter oder Verdampfungsprozess zur Herstellung des Polarisators gemäß der Konfiguration (A) kann hier für das Aufbringen der Schichten auch ein Atomlagenabscheidungsverfahren (ALD) verwendet werden. Das ALD-Verfahren kann hierbei sehr exakt die vorgegebenen Strukturen überschichten und ermöglicht eine äußerst genaue Kontrolle der abgeschiedenen Schichtdicken. Für den abschließenden Ätzschritt (Schritt 606 des Verfahrens 600) bietet sich, wie bereits erwähnt, ein rein physikalisches Ionenstrahlätzverfahren (IBE) an.
Im Folgenden sollen einige Aspekte der vorliegenden Erfindung zusammengefasst werden.
Ausführungsbeispiele schaffen einen korrosionsbeständigen Metallstreifenpolarisator für DUV-Anwendungen, wobei die Metallstreifen auf einem Schichtsystem basieren. Ausführungsbeispiele beinhalten die Verwendung eines Schichtsystems als Gittermaterial, um eine gute optische Funktion im UV-Bereich mit hoher Langzeitbeständigkeit zu kombinieren.
Ferner verwenden Ausführungsbeispiele ein senkrechtes Schichtsystem als Gittermaterial für einen Polarisator mit einem spektralen Arbeitsbereich bis in den UV-Bereich verbunden mit einer hohen Langzeitstabilität.
Bei Ausführungsbeispielen besteht ein Gittersteg (ein Streifen) nicht nur aus einem Material, sondern aus einem Schichtsystem (gebildet durch einen Kern und eine zugehörige Ummantelung). Das Schichtsystem kann dabei senkrecht zu der Oberfläche des Substrats angeordnet sein, auf dem die Streifen angeordnet sind. Dies ermöglicht die Kombination von mechanischen Eigenschaften (wie beispielsweise die hohe Korrosionsbeständigkeit von Iridium) und optischen Eigenschaften (wie beispielsweise die gute optische Funktion von Wolfram) der gewählten Schichtmaterialien.
Ferner ermöglicht die aufgezeigte Konfiguration (A) die Einkapselung eines Materials und damit einen Korrosionsschutz für dieses Material.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Einkapselung bei geeigneter Wahl der Prozesse auch in Vakuumfolge (ohne Kontakt zu Sauerstoff) erfolgen, was vor allem für Aluminium (Oxidation bei Kontakt mit Sauerstoff) von großem Interesse ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims

Polarisator (100, 201, 203) mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (102); einer Mehrzahl von auf einer Oberfläche (103) des Substrats (102) angeordneten Streifen (101a–101n); wobei ein Streifen (101a–101n) aus der Mehrzahl von Streifen (101a–101n) einen Kern (105a–105n), welcher ein erstes Material aufweist, und eine Ummantelung (107a–107n) aus einem zweiten Material, welche den Kern (105a–105n) zumindest teilweise umgibt, aufweist; und wobei das erste Material Wolfram aufweist und das zweite Material Iridium aufweist.
Polarisator (100, 201) gemäß Anspruch 1, wobei der Kern (105a–105n) durch die Ummantelung (107a–107n) und das Substrat (102) vollständig eingekapselt ist.
Polarisator (203) gemäß Anspruch 1, wobei die Ummantelung (107a–107n) an Flächen des Kerns (105a–105n), die senkrecht zu der Oberfläche (103) des Substrats (102) sind, den Kern (105a–105n) umgibt; und wobei der Kern (105a–105n) an einer dem Substrat (102) abgewandten Seite zumindest eine von der Ummantelung (107a–107n) ausgesparte Region (210a, 210b) aufweist.
Polarisator (201, 203) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kern (105a, 105b) mehrere Lagen (205a, 206a, 205b, 206b) aufweist, die abwechselnd aus verschiedenen Materialien gebildet sind.
Polarisator (201, 203) gemäß Anspruch 4, wobei die Lagen (205a, 205b, 206a, 206b) des Kerns (105a, 105b) so angeordnet sind, dass jede der Lagen (205a, 205b, 206a, 206b) des Kerns (105a, 105b) eine gemeinsame Grenzfläche mit der Oberfläche (103) des Substrats (102) hat.
Polarisator (201, 203) gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei eine innerste Lage (205a, 205b) und eine äußerste Lage (206a, 206b) des Kerns (105a, 105b) das erste Material aufweisen.
Polarisator (201, 203) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lagen (205a, 205b, 206a, 206b) des Kerns (105a, 105b) abwechselnd aus dem ersten Material und dem zweiten Material gebildet sind.
Polarisator (201, 203) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Lagen (205a, 205b, 206a, 206b) des Kerns (105a, 105b) in einer Stapelrichtung senkrecht zur Oberfläche (103) des Substrats (102) gestapelt sind.
Polarisator (201) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Lagen (205a, 205b, 206a, 206b) des Kerns (105a, 105b) in einer ersten Stapelrichtung senkrecht zur Oberfläche (103) des Substrats (102) und in einer zweiten Stapelrichtung parallel zur Oberfläche (103) des Substrats (102) gestapelt sind.
Polarisator (201, 203) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kern (105a, 105b) mindestens ein drittes Material aufweist, welches verschieden zu dem ersten Material und dem zweiten Material ist.
Polarisator (100, 201, 203) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Material vollständig aus Wolfram gebildet ist und das zweite Material vollständig aus Iridium gebildet ist.
Verfahren (600) zur Herstellung eines Polarisators mit folgenden Schritten: Herausbilden (602) eines Kerns eines Streifens des Polarisators durch Beschichten eines Substrats mit zumindest einem ersten Material, welches Wolfram aufweist, und durch Strukturieren des ersten Materials; und Beschichten (604) zumindest des Kerns des Polarisators mit einem zweiten Material, um eine Ummantelung um den Kern zu bilden, so dass der Kern von der Ummantelung und dem Substrat vollständig eingekapselt ist; und wobei das zweite Material Iridium aufweist.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 12, wobei bei dem Herausbilden (602) des Kerns abwechselnd verschiedene Materialien übereinandergeschichtet werden, so dass mehrere Lagen des Kerns herausgebildet werden; und wobei das Übereinanderschichten der verschiedenen Materialien so erfolgt, dass jede Lage des Kerns von einer nach dieser Lage herausgebildeten Lage und von dem Substrat vollständig eingekapselt ist.
Verfahren (600) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, ferner aufweisend einen Schritt (606) des Herausbildens einer von der Ummantelung ausgesparten Region des Kerns.