WO2013127741A1 - Beugungsgitter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2013127741A1
WO2013127741A1 PCT/EP2013/053715 EP2013053715W WO2013127741A1 WO 2013127741 A1 WO2013127741 A1 WO 2013127741A1 EP 2013053715 W EP2013053715 W EP 2013053715W WO 2013127741 A1 WO2013127741 A1 WO 2013127741A1
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diffraction grating
grid
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Frank Fuchs
Uwe D. ZEITNER
Ernst-Bernhard Kley
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Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
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Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G02B2005/1804—Transmission gratings

Definitions

  • the reflection-reducing or reflection-increasing layer system on the side facing away from the substrate side of the grating region also serves advantageously to increase the diffraction efficiency of the diffraction grating.
  • the diffraction grating is a reflection grating in which the grating region
  • Pulse compressor arrangement for laser pulses with a central wavelength of 1030 nm provided.

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Description

Beschreibung
Beugungsgitter und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein Beugungsgitter und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2012 101 555.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Beugungsgitter sind durch eine periodische Anordnung einer Einheitszelle gekennzeichnet. Diese bewirkt eine periodische Störung der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle, insbesondere Licht. Die Beeinflussung der Ausbreitung der elektromagnetischen Welle erfolgt entweder durch eine lokale Änderung der Absorption oder der Ausbreitungsgeschwindigkeit der auf das Gitter auftreffenden Welle. Erzeugt wird eine solche periodische Störung beispielsweise durch eine Änderung des lokalen Brechungsindexes eines ansonsten homogenen und typischerweise transparenten Mediums. In diesem Fall wird das Beugungsgitter als Indexgitter oder Volumengitter bezeichnet.
Alternativ wird eine periodische Störung der Ausbreitung der elektromagnetischen Welle durch ein geeignetes
Oberflächenprofil auf einem transparenten oder
reflektierenden Substrat erzeugt. In diesem Fall handelt es sich bei dem Beugungsgitter um ein transmittives oder
reflektives Oberflächengitter. Die gewünschte optische Wirkung eines Beugungsgitters besteht üblicherweise darin, auf das Beugungsgitter einfallendes Licht mit einer hohen Effizienz in eine gewünschte
Beugungsordnung abzulenken. Die Beugungseffizienz n ist dabei als nm = Pm / Pin definiert, wobei Pin die auf das Gitter einfallende Lichtleistung und Pm die in die m-te
Beugungsordnung abgelenkte Lichtleistung ist.
Der Indexkontrast, d.h. die Differenz der Brechungsindizes Δη der Gitterbereiche, ist in Volumengittern typischerweise verhältnismäßig klein, z. B. Δη < 0,1, sodass für eine hohe Beugungseffizienz die Dicke des indexmodulierten Bereichs groß sein muss. Dies führt zu geringen Bandbreiten der
Beugungseffizienz im Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich.
Oberflächengitter weisen dagegen typischerweise einen
deutlich höheren Indexkontrast auf, z. B. Δη > 0,45. Die Dicke oder Tiefe des Oberflächenprofils des Gitters kann dementsprechend geringer sein, wodurch die Bandbreite steigt. Für das Erreichen einer hohen Effizienz sind jedoch an die spezielle Anwendung angepasste Profilformen innerhalb der Gitterperiode erforderlich. Außerdem können durch den großen Indexkontrast Reflexionsverluste auftreten, welche die
Effizienz vermindern. Generell gilt, dass mit zunehmendem Indexkontrast Δη die Bandbreite der Beugungseffizienz
zunimmt, aber gleichzeitig auch die Reflexionsverluste zunehmen. Ein Oberflächengitter hat zudem den Nachteil einer empfindlichen Oberfläche, die bei Verschmutzungen schwer zu reinigen ist. Dies ist in vielen Anwendungen von Nachteil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Beugungsgitter anzugeben, das sich durch eine erhöhte
Beugungseffizienz und eine vergleichsweise unempfindliche Oberfläche auszeichnet. Weiterhin soll ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Beugungsgitters angegeben werden. Diese Aufgaben werden durch ein Beugungsgitter und ein
Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen
Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Das Beugungsgitter umfasst gemäß einer Ausgestaltung ein Substrat und einen Gitterbereich, der in einer parallel zum Substrat verlaufenden Richtung eine periodische Anordnung von ersten Bereichen mit einem ersten Gittermaterial und zweiten Bereichen mit einem zweiten Gittermaterial aufweist, wobei das erste Gittermaterial und das zweite Gittermaterial feste Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes sind.
Weiterhin umfasst das Beugungsgitter ein reflexionsminderndes oder reflexionserhöhendes Schichtsystem, das mindestens zwei Schichten mit verschiedenen Brechungsindizes aufweist und auf einer vom Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs angeordnet ist. Das reflexionsmindernde oder
reflexionserhöhende Schichtsystem ist vorzugsweise
unmittelbar auf den Gitterbereich aufgebracht.
Dadurch, dass der Gitterbereich bei dem Beugungsgitter zwischen dem Substrat und dem reflexionsmindernden oder reflexionserhöhenden Schichtsystem angeordnet ist, wird der Gitterbereich vorteilhaft vor äußeren Einwirkungen,
insbesondere vor Schmutz, Feuchtigkeit oder mechanischen Beschädigungen, geschützt. Das reflexionsmindernde oder reflexionserhöhende Schichtsystem auf der vom Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs dient weiterhin vorteilhaft zur Erhöhung der Beugungseffizienz des Beugungsgitters.
Beispielsweise kann das Beugungsgitter ein
Transmissionsgitter sein, bei dem die Lichteintrittsfläche die vom Substrat abgewandte Seite des Schichtsystems ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Schichtsystem auf der vom
Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs ein
reflexionsminderndes Schichtsystem. Durch die Verminderung der Reflexion einfallender Strahlung erhöht sich die
Beugungseffizienz . Bei einer alternativen Ausgestaltung ist das Beugungsgitter ein Reflexionsgitter, bei dem die von dem Gitterbereich abgewandte Rückseite des Substrats die Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Schichtsystem auf der vom Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs ein reflexionserhöhendes Schichtsystem. Durch die Erhöhung der Reflexion des Lichts auf der Rückseite des Gitterbereichs erhöht sich die Beugungseffizienz.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen dem Substrat und dem Gitterbereich ein weiteres Schichtsystem angeordnet, das mindestens zwei Schichten mit verschiedenen
Brechungsindizes aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ist der Gitterbereich also beidseitig von Schichtsystemen aus jeweils mindestens zwei Schichten mit verschiedenen Brechungsindizes umgeben.
Bei einer Ausgestaltung ist das Beugungsgitter ein
Transmissionsgitter, wobei das Schichtsystem auf der vom Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs und das weitere Schichtsystem, das zwischen dem Substrat und dem
Gitterbereich angeordnet ist, jeweils reflexionsmindernde Schichtsysteme sind. Bei dieser Ausgestaltung wird durch das reflexionsmindernde Schichtsystem an der vom Substrat
abgewandten Seite des Gitterbereichs die Reflexion der einfallenden Strahlung vermindert. Das weitere
reflexionsmindernde Schichtsystem zwischen dem Substrat und dem Gitterbereich vermindert vorteilhaft die Reflexion der vom Gitterbereich transmittierten Strahlung beim Übergang zum Substrat. Das Substrat des Beugungsgitters ist vorzugsweise ein transparentes Substrat, das insbesondere ein Glas, beispielsweise Kieselglas, oder einen transparenten
Kunststoff aufweist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das Beugungsgitter ein Reflexionsgitter, bei dem die von dem Gitterbereich
abgewandte Rückseite des Substrats die Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche ist, wobei das Schichtsystem auf der vom Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs ein
reflexionserhöhendes Schichtsystem ist und das weitere
Schichtsystem ein reflexionsminderndes Schichtsystem ist. In diesem Fall wird vorteilhaft zum einen die Reflexion des einfallenden Lichts vermindert und zum anderen die Reflexion an der Rückseite des Gitterbereichs erhöht.
Bei einer alternativen Ausgestaltung ist das Beugungsgitter ein Reflexionsgitter, bei dem die vom Substrat abgewandte Seite des Schichtsystems, das auf der vom Substrat
abgewandten Seite des Gitterbereichs angeordnet ist, die Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche ist. Das
Schichtsystem auf der vom Substrat abgewandten Seite des Gitterbereichs ist bei dieser Ausgestaltung ein reflexionsminderndes Schichtsystem und das weitere Schichtsystem ein reflexionserhöhendes Schichtsystem. In diesem Fall wird vorteilhaft zum einen die Reflexion des einfallenden Lichts vermindert und zum anderen die Reflexion an der Rückseite des Gitterbereichs erhöht. Auf diese Weise wird die Beugungseffizienz verbessert.
Das erste Gittermaterial, aus dem die ersten Bereiche des Gitterbereichs gebildet sind, weist einen Brechungsindex ni > 1 auf. Das zweite Gittermaterial, aus dem die zweiten
Bereiche des Gitterbereichs gebildet sind, weist einen
Brechungsindex ri2 > ni auf. Die ersten und zweiten Bereiche in dem Gitterbereich bilden also vorteilhaft eine periodische Anordnung von Bereichen mit abwechselnd niedrigem
Brechungsindex und hohem Brechungsindex.
Bei einer bevorzugtem Ausgestaltung gilt für die Differenz der Brechungsindizes Δη = n2 - ni > 0,4. Durch eine
vergleichsweise große Differenz zwischen den Brechungsindizes der Gittermaterialien der ersten und zweiten Bereiche des Gitters wird vorteilhaft die Beugungseffizienz des Gitters erhöht .
Ein vergleichsweise hoher Brechungsindexkontrast von
vorzugsweise Δη > 0,4 ermöglicht es insbesondere, eine hohe Beugungseffizienz mit einem vergleichsweise dünnen
Gitterbereich zu erzielen. Ein vergleichsweise dünner
Gitterbereich vereinfacht vorteilhaft die Herstellung des Gitterbereichs. Die Dicke des Gitterbereichs, also die
Ausdehnung der ersten und zweiten Bereiche in der senkrecht zum Substrat verlaufenden Richtung, beträgt vorzugsweise zwischen 200 nm und 2000 nm. Die periodische Anordnung der ersten Bereiche und zweiten Bereiche in dem Gitterbereich weist vorzugsweise eine
Periodenlänge von weniger als 5 μιτι, besonders bevorzugt von weniger als 1 μιη auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind das erste
Gittermaterial und das zweite Gittermaterial dielektrische Materialien. Bei den dielektrischen Materialien kann es sich insbesondere um Oxide, Nitride, Oxinitride oder Fluoride wie beispielsweise Si02, Ti02, Ta205, SiN, SiON oder MgF2 handeln.
Das erste Gittermaterial ist vorzugsweise ein Material mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex ni, der
beispielsweise ni 1,6 oder sogar ni 1,5 beträgt. Das erste Gittermaterial kann beispielsweise ein Siliziumoxid,
insbesondere Si02, sein. Das zweite Gittermaterial weist vorteilhaft einen vergleichsweise hohen Brechungsindex n2 auf, der beispielsweise n2 > 1,6 beträgt. Das zweite
Gittermaterial kann beispielsweise Titandioxid (Ti02) oder Tantalpentoxid (Ta2Os) sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die mindestens zwei Schichten des reflexionsmindernden oder reflexionserhöhenden Schichtsystems und/oder des weiteren Schichtsystems jeweils dielektrische Schichten. Die dielektrischen Schichten können wie die Gittermaterialien des Gitterbereichs dielektrische Materialien in Form von Oxiden, Nitriden, Oxinitriden oder Fluoriden, wie beispielsweise Si02, Ti02, Ta2Os, SiN, SiON oder MgF2, aufweisen.
Bei einer Ausgestaltung weisen die mindestens zwei Schichten des reflexionsmindernden oder reflexionserhöhenden
Schichtsystems und/oder des weiteren Schichtsystems ein erstes Schichtmaterial und ein zweites Schichtmaterial auf, wobei das erste Schichtmaterial gleich dem ersten
Gittermaterial und/oder das zweite Schichtmaterial gleich dem zweiten Gittermaterial ist. In diesem Fall ist also
mindestens ein Schichtmaterial des reflexionsmindernden oder reflexionserhöhenden Schichtsystems und/oder des weiteren Schichtsystems gleich einem Gittermaterial, oder es sind sogar beide Schichtmaterialien gleich den Gittermaterialien. Dies vereinfacht vorteilhaft die Herstellung des
Beugungsgitters.
Das reflexionsmindernde oder reflexionserhöhende
Schichtsystem und/oder das weitere Schichtsystem enthalten vorteilhaft mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier oder besonders bevorzugt sogar mindestens fünf Schichten mit alternierenden Brechungsindizes. Insbesondere sind das reflexionsmindernde oder reflexionserhöhende Schichtsystem und/oder das weitere Schichtsystem jeweils optische
Interferenzschichtsysteme, die aus alternierenden Schichten mit abwechselnd niedrigem Brechungsindex und hohem
Brechungsindex gebildet sind.
Die Dicken der alternierenden Schichten der Schichtsysteme sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge, bei der das
Beugungsgitter verwendet werden soll, für eine maximale
Transmission im Fall des reflexionsmindernden Schichtsystems oder für eine maximale Reflexion im Fall eines
reflexionserhöhenden Schichtsystems optimiert. Eine derartige Optimierung der Schichtdicken zur Erzielung einer maximalen Transmission oder Reflexion kann durch eine
Simulationsrechnung erfolgen, beispielsweise mittels RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) unter Berücksichtigung aller Schichten des Beugungsgitters einschließlich des Gitterbereichs. In der Regel kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Schichten eine größere Transmission und/oder Reflexion bei der Wellenlänge, für die das Beugungsgitter optimiert werden soll, erzielt werden, und/oder die
Bandbreite des Reflexions- oder Transmissionsmaximums erhöht werden .
Es wird weiterhin ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des Beugungsgitters angegeben. Bei dem Verfahren wird
zunächst ein Substrat bereitgestellt und eine periodische
Anordnung von Ausnehmungen in dem Substrat oder alternativ in dem Material einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht erzeugt. Das feste Material des Substrats oder das feste Material der auf das Substrat aufgebrachten Schicht fungiert als erstes Gittermaterial.
Die Erzeugung der periodischen Anordnung von Ausnehmungen erfolgt vorzugsweise mittels eines lithografischen
Verfahrens, beispielsweise mittels
Elektronenstrahllithographie .
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Gitterbereich durch Auffüllen der Ausnehmungen mit einem weiteren festen Material erzeugt, das als zweites Gittermaterial fungiert. Das erste Gittermaterial und das zweite Gittermaterial weisen verschiedene Brechungsindizes auf. Das Auffüllen der
Ausnehmungen mit dem weiteren festen Material erfolgt vorzugsweise durch Atomlagenabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition) . Dieses Verfahren ist besonders gut dazu
geeignet, die zuvor erzeugten Ausnehmungen mit dem weiteren festen Material aufzufüllen, ohne dass dabei Poren oder Hohlräume entstehen. Nachfolgend wird ein reflexionsminderndes oder
reflexionserhöhendes Schichtsystem, das mindestens zwei
Schichten mit verschiedenen Brechungsindizes aufweist, abgeschieden. Das reflexionsmindernde oder
reflexionserhöhende Schichtsystem folgt also vom Substrat aus gesehen dem Gitterbereich nach und ist vorzugsweise auf dem Gitterbereich angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor der Erzeugung des Gitterbereichs ein weiteres Schichtsystem, das mindestens zwei Schichten mit verschiedenen
Brechungsindizes aufweist, abgeschieden. Das weitere
Schichtsystem kann ein reflexionserhöhendes Schichtsystem im Fall eines Reflexionsgitters oder ein reflexionsminderndes Schichtsystem, insbesondere im Fall eines
Transmissionsgitters sein. Das weitere Schichtsystem ist zwischen dem Substrat und dem Gitterbereich angeordnet und kann insbesondere auf das Substrat aufgebracht sein. Das Abscheiden des reflexionsmindernden oder
reflexionserhöhenden Schichtsystems oder des weiteren
Schichtsystems kann mit an sich bekannten
Beschichtungsverfahren, insbesondere mit PVD- oder CVD- Verfahren wie beispielsweise thermischer Verdampfung,
Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtern erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung des Beugungsgitters und umgekehrt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beugungsgitter gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Figur 2 eine schematische Darstellung der Beugungseffizienz des Beugungsgitters der Figur 1 in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
Das in Figur 1 dargestellte Beugungsgitter 10 weist ein
Substrat 1, einen Gitterbereich 3, ein reflexionsminderndes Schichtsystem 4 auf einer vom Substrat 1 abgewandten Seite des Gitterbereichs 3 sowie ein weiteres reflexionsminderndes Schichtsystem 2 zwischen dem Substrat 1 und dem Gitterbereich 3 auf .
Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Beugungsgitter 10 ein Transmissionsgitter, sodass das Substrat 1 ein transparentes Substrat ist. Bei dem Substrat 1 des Beugungsgitters 10 handelt es sich um ein Substrat aus Kieselglas (fused
silica) . Alternativ könnte auch ein anderes Substrat 1, vorzugsweise aus einem Glas oder einem transparenten
Kunststoff, verwendet werden.
Der Gitterbereich 3 weist eine periodische Anordnung von ersten Bereichen 31 aus einem ersten Gittermaterial und zweiten Bereichen 32 aus einem zweiten Gittermaterial auf. Die Dicke des Gitterbereichs 3 des Beugungsgitters 10 beträgt vorzugsweise zwischen 200 nm und 2000 nm und die
Periodenlänge weniger als 5 ym, vorzugsweise weniger als 1 ym.
Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt beispielsweise die Dicke des Gitterbereichs 1012 nm und die Periodenlänge des
Beugungsgitters 543 nm, wobei die Breite der ersten Bereiche 31 das 0,44-Fache der Periodenlänge beträgt. Die Dimensionen des Gitterbereichs sind derart optimiert, dass eine hohe
Beugungseffizienz im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1060 nm erzielt wird.
Die ersten Bereiche 31 und die zweiten Bereiche 32 des
Beugungsgitters 10 weisen voneinander verschiedene
Brechungsindizes auf. Beispielsweise weist das erste
Gittermaterial, aus dem die ersten Bereiche 31 gebildet sind, einen Brechungsindex ni und das zweite Gittermaterial, aus dem die zweiten Bereiche 32 gebildet sind, einen
Brechungsindex ri2 > ni auf. Vorzugsweise ist ri2 - ni > 0,4, da mit einem hohen Brechungsindexkontrast eine hohe
Beugungseffizienz mit dem Beugungsgitter 10 erzielt werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel ist das erste
Gittermaterial S 1 O2 und das zweite Gittermaterial i 02 -
Auf den Gitterbereich 3 des Beugungsgitters 10 ist ein reflexionsminderndes Schichtsystem 4 aufgebracht. Bei dem reflexionsmindernden Schichtsystem 4 handelt es sich um ein Interferenz-Schichtsystem aus mehreren dielektrischen
Schichten 41, 42, 43. Das reflexionsmindernde Schichtsystem 4 weist eine Schicht 43 mit hohem Brechungsindex aus T 1 O2 , mehrere Schichten 41 mit niedrigem Brechungsindex aus S 1 O2 und mehrere Schichten 42 mit hohem Brechungsindex aus Ta20s auf .
Bei dem Ausführungsbeispiel enthält das reflexionsmindernde Schichtsystem 4 ausgehend vom Gitterbereich 3 eine 200 nm dicke Schicht 43 aus Ti02, eine 88 nm dicke Schicht 41 aus Si02, eine 74 nm dicke Schicht 42 aus Ta20s , eine 353 nm dicke Schicht 41 aus Si02, eine 181 nm dicke Schicht 42 aus Ta20s und eine 172 nm dicke Schicht 41 aus Si02.
Die Dicken der einzelnen Schichten 41, 42, 43 des
reflexionsmindernden Schichtsystems 4 sind derart optimiert, dass die Reflexion in dem für die Verwendung des Gitters vorgesehenen Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1060 nm minimiert wird. Die Optimierung der Schichtdicken der
Einzelschichten 41, 42, 43 des reflexionsmindernden
Schichtsystems 4 kann durch eine Simulationsrechnung
erfolgen, beispielsweise mittels RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) unter Berücksichtigung aller Schichten des
Beugungsgitters 10 einschließlich des Gitterbereichs 3.
Durch das dem Gitterbereich 3 nachfolgende
reflexionsmindernde Schichtsystem 4 werden Reflexionsverluste an einer Strahlungseintrittsfläche 11 des Beugungsgitters 10 vermindert und auf diese Weise die Beugungseffizienz des
Beugungsgitters 10 erhöht. Weiterhin wird der Gitterbereich 3 durch das reflexionsmindernde Schichtsystem 4 vorteilhaft vor äußeren Einwirkungen, insbesondere vor mechanischen
Beschädigungen, Schmutz oder Feuchtigkeit geschützt. Das Beugungsgitter 10 zeichnet sich daher insbesondere im
Vergleich zu Oberflächengittern mit einer ungeschützten
Oberfläche durch eine verbesserte Langzeitstabilität aus. Zwischen dem Substrat 1 und dem Gitterbereich 3 ist
vorteilhaft ein weiteres reflexionsminderndes Schichtsystem 2 angeordnet, das wie das reflexionsmindernde Schichtsystem 4 ein optisches Interferenzschichtsystem aus mehreren
dielektrischen Schichten 21, 22 ist, die abwechselnd einen niedrigen und einen hohen Brechungsindex aufweisen. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Schichten mit niedrigem
Brechungsindex Schichten 21 aus S 1O2 und die Schichten mit hohem Brechungsindex Schichten 22 aus Ta20s .
Das weitere reflexionsmindernde Schichtsystem 2 enthält beispielsweise ausgehend vom Substrat 1 eine 280 nm dicke Schicht 22 aus Ta20s , eine 217 nm dicke Schicht 21 aus S 1O2 , eine 77 nm dicke Schicht 22 aus Ta20s , eine 241 nm dicke Schicht 21 aus S 1O2 , eine 61 nm dicke Schicht 22 aus Ta20s , eine 96 nm dicke Schicht 21 aus S 1O2 , eine 119 nm dicke
Schicht 22 aus Ta20s , eine 281 nm dicke Schicht 21 aus S 1O2 , eine 177 nm dicke Schicht 22 aus Ta20s und eine 404 nm dicke Schicht 21 aus Si02.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das
Schichtsystem 2 wie das dem Gitterbereich 3 nachfolgende Schichtsystem 4 ein reflexionsminderndes Schichtsystem. Durch das weitere reflexionsmindernde Schichtsystem 2 werden
Reflexionsverluste an der einer Strahlungsaustrittsfläche 12 des Beugungsgitters 10 zugewandten Seite des Gitterbereichs 3 vermindert. Auf diese Weise wird die Beugungseffizienz des Beugungsgitters 10 weiter erhöht. Bei einer alternativen Ausgestaltung könnte das Schichtsystem 2 zwischen dem Substrat 1 und dem Gitterbereich 3 als
reflexionserhöhendes Schichtsystem ausgeführt sein. Bei dieser Ausgestaltung ist das Beugungsgitter 10 ein Reflexionsgitter.
Die Schichtdicken der Einzelschichten 21, 22 des
Schichtsystems 2 können wie die Einzelschichten 41, 42, 43 des Schichtsystems 4 mit einer Simulationsrechnung derart optimiert werden, dass entweder eine minimale Reflexion oder eine maximale Reflexion in einem für die Verwendung des Gitters vorgesehenen Wellenlängenbereich erzielt wird.
Es ist weiterhin auch möglich, auf das Schichtsystem 2 zwischen dem Substrat 1 und den Gitterbereich 3 zu verzichten (nicht dargestellt) . In diesem Fall kann der Gitterbereich 3 direkt in einer Schicht auf dem Substrat 1 oder in einem Oberflächenbereich des Substrats 1 ausgebildet werden.
Die Herstellung des Beugungsgitters 10 gemäß dem
Ausführungsbeispiel erfolgt beispielsweise derart, dass zunächst das reflexionsmindernde Schichtsystem 2 auf das Substrat 1 aufgebracht wird. Das Schichtsystem 2 aus den
Schichten 21, 22 kann z. B. mit Vakuum-Beschichtungsverfahren wie beispielsweise thermischer Verdampfung,
Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtern auf dem Substrat 1 abgeschieden werden.
Nach dem Aufbringen des Schichtsystems 2 wird vorteilhaft zunächst eine Schicht aus einem ersten festen Material, welches als erstes Gittermaterial für die ersten Bereiche 31 des Beugungsgitters fungiert, ganzflächig auf das
Schichtsystem 2 aufgebracht. Dies kann insbesondere eine Si02-Schicht sein. In einem weiteren Schritt wird in der Schicht aus dem ersten Gittermaterial eine periodische Anordnung von Ausnehmungen erzeugt. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise linienförmig, wobei die Linien die Breite der für das Beugungsgitter vorgesehenen zweiten Bereiche 32 aufweisen. Die Erzeugung der Ausnehmungen kann beispielsweise durch Elektronenstrahl- Lithografie in Verbindung mit einem Trockenätzprozess
erfolgen . Die auf diese Weise erzeugten Ausnehmungen für die zweiten Bereiche 32 werden nachfolgend mit einem
Beschichtungsverfahren mit einem zweiten festen Material, das als zweites Gittermaterial fungiert, aufgefüllt. Das zweite Gittermaterial kann beispielsweise T1O2 sein.
Besonders vorteilhaft erfolgt das Auffüllen der Ausnehmungen zur Ausbildung der zweiten Bereiche 32 durch
Atomlagenabscheidung . Dieses Verfahren ist besonders gut dazu geeignet, vergleichsweise tiefe Bereiche mit geringer Breite mit einem Beschichtungsmaterial aufzufüllen. Um die
Beugungseffizienz des Beugungsgitters 10 nicht zu
beeinträchtigen, sollten in den zweiten Bereichen 32
insbesondere keine Hohlräume auftreten, die Ausdehnungen von mehr als 20 nm haben.
Nach der Herstellung des Gitterbereichs 3 durch das Auffüllen der Ausnehmungen wird das reflexionsmindernde Schichtsystem 4 auf den Gitterbereich 3 aufgebracht. Dies kann wie im Fall des Schichtsystems 2 durch ein Vakuum-Beschichtungsverfahren erfolgen.
Das Beugungsgitter 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel kann insbesondere in Pulskompressor-Anordnungen für ultrakurze Laserpulse verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das Beugungsgitter 10 beispielsweise für eine
Pulskompressor-Anordnung für Laserpulse mit einer Zentral- Wellenlänge von 1030 nm vorgesehen.
In Figur 2 ist die Beugungseffizienz η des Beugungsgitters 10 für die -1. Beugungsordnung in Transmission bei Beleuchtung mit TE-polarisiertem Licht, d. h. bei einem parallel zu den Gitterlinien orientierten Feldvektor des elektrischen Feldes, dargestellt. Mit dem Beugungsgitter 10 kann im
Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1060 nm vorteilhaft eine Beugungseffizienz erzielt werden, die mehr als 99 % beträgt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Beugungsgitter (10), umfassend
- ein Substrat (1),
- einen Gitterbereich (3) , der in einer parallel zum Substrat (1) verlaufenden Richtung eine periodische Anordnung von ersten Bereichen (31) mit einem ersten Gittermaterial und zweiten Bereichen (32) mit einem zweiten Gittermaterial aufweist, wobei das erste
Gittermaterial und das zweite Gittermaterial feste
Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes sind, und
- ein reflexionsminderndes oder reflexionserhöhendes Schichtsystem (4), das mindestens zwei Schichten (41, 42, 43) mit verschiedenen Brechungsindizes aufweist, wobei das reflexionsmindernde oder reflexionserhöhende Schichtsystem (4) auf einer vom Substrat (1) abgewandten Seite des Gitterbereichs (3) angeordnet ist, und
- ein zwischen dem Substrat (1) und dem Gitterbereich (3) angeordnetes weiteres Schichtsystem (2), das mindestens zwei Schichten (21, 22) mit verschiedenen Brechungsindizes aufweist.
Beugungsgitter nach Anspruch 1,
wobei das Beugungsgitter (10) ein Transmissionsgitter ist, und das Schichtsystem (4) auf der vom Substrat (1) abgewandten Seite des Gitterbereichs (3) sowie das weitere Schichtsystem (2) jeweils reflexionsmindernde Schichtsysteme sind.
Beugungsgitter nach Anspruch 1,
wobei das Beugungsgitter (10) ein Reflexionsgitter ist, das Schichtsystem (4) auf der vom Substrat (1)
abgewandten Seite des Gitterbereichs (3) ein reflexionserhöhendes Schichtsystem und das weitere
Schichtsystem (2) ein reflexionsminderndes
Schichtsystem ist.
Beugungsgitter nach Anspruch 1,
wobei das Beugungsgitter (10) ein Reflexionsgitter ist, das Schichtsystem (4) auf der vom Substrat (1)
abgewandten Seite des Gitterbereichs (3) ein
reflexionsminderndes Schichtsystem ist, und das weitere Schichtsystem (2) ein reflexionserhöhendes Schichtsystem ist .
Beugungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Gittermaterial einen Brechungsindex ni > 1 und das zweite Gittermaterial einen Brechungsindex n2 > rii aufweist, wobei n2 - ni ^ 0,4 ist.
Beugungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gitterbereich (3) eine Dicke zwischen 200 nm und 2000 nm aufweist.
Beugungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die periodische Anordnung eine Periodenlänge von weniger als 5 ym aufweist.
Beugungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Gittermaterial und das zweite
Gittermaterial dielektrische Materialien sind.
Beugungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Schichten (41, 42, 43) des reflexionsmindernden oder reflexionserhöhenden
Schichtsystems (4) und/oder die mindestens zwei Schichten (21, 22) des weiteren Schichtsystems (2) ein erstes Schichtmaterial und ein zweites Schichtmaterial aufweisen, wobei das erste Schichtmaterial gleich dem ersten Gittermaterial und/oder das zweite
Schichtmaterial gleich dem zweiten Gittermaterial ist.
Beugungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das reflexionsmindernde oder reflexionserhöhende Schichtsystem (4) und/oder das weitere Schichtsystem (2) mindestens drei Schichten (41, 42, 43, 21, 22) mit alternierenden Brechungsindizes aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters (10), umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Substrats (1),
- Erzeugen einer periodischen Anordnung von Ausnehmungen in dem Substrat (1) oder in einer auf das Substrat (1) aufgebrachten Schicht,
- Erzeugen eines Gitterbereichs (3) durch Auffüllen der Ausnehmungen mit einem weiteren festen Material, so dass ein festes Material des Substrats (1) oder Schicht als ein erstes Gittermaterial fungiert und das weitere feste Material als ein zweites Gittermaterial fungiert, wobei das erste Gittermaterial und das zweite
Gittermaterial verschiedene Brechungsindizes aufweisen, und
- Abscheiden eines reflexionsmindernden oder
reflexionserhöhenden Schichtsystems (4), das mindestens zwei Schichten (41, 42, 43) mit verschiedenen
Brechungsindizes aufweist,
wobei vor der Erzeugung der periodischen Anordnung von Ausnehmungen ein weiteres Schichtsystem (2), das
mindestens zwei Schichten (21, 22) mit verschiedenen Brechungsindizes aufweist, abgeschieden wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
wobei das Auffüllen der Ausnehmungen mit dem zweiten Gittermaterial mittels Atomlagenabscheidung (ALD) erfolgt .
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