JP2015180902A

JP2015180902A - レーザ装置、このレーザ装置を備えた露光装置及び検査装置

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Publication number: JP2015180902A
Application number: JP2012169643A
Authority: JP
Inventors: 徳久　章; Akira Tokuhisa; 章徳久
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2015-10-15

Abstract

【課題】簡明な構成で出力光を高速且つ安定的に制御可能なレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置ＬＳは、ともにパルス状の第１波長のレーザ光を発生する第１光源１１及び第２波長のレーザ光を発生する第２光源１２と、第１，第２波長のレーザ光を増幅して第１，第２増幅光を出力する増幅器２１と、第１増幅光を第１変換光に波長変換し第２増幅光を透過する第１波長変換光学素子３１と、第２増幅光を第２変換光に波長変換し第１変換光を透過する第２波長変換光学素子３２と、第１変換光と第２変換光とから第３変換光を発生する第３波長変換光学素子３３と、第１，第２の作動を制御する制御部８とを備える。制御部８は、第１波長のレーザ光と第２波長のレーザ光との相対的な出力タイミングを制御することにより、第１変換光と第２変換光との時間的な重ね合わせを制御し、第３変換光の出力状態を制御するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を発生するレーザ光発生部と、レーザ光を増幅する増幅部と、増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換部とを備えたレーザ装置に関する。また、このようなレーザ装置を備えた露光装置及び検査装置等のレーザシステムに関する。

上記のようなレーザ装置は、例えば顕微鏡や形状測定装置、露光装置、検査装置などのレーザシステムの光源として用いられている。レーザ装置の出力波長は、組み込まれるシステムの用途及び機能に応じて設定され、例えば、出力光の波長が１９３ｎｍ，２６６ｎｍ，３５５ｎｍ等のレーザ装置が知られている。レーザ光発生部で発生するレーザ光（シード光）の波長や、増幅部に設ける増幅器の列数及び段数、波長変換部に設ける波長変換光学素子の種別及び組み合わせは、レーザシステムの用途や機能等に応じて設定される（例えば、特許文献１を参照）。

このようなレーザ装置において、出力光を高速でオン／オフするために幾つかの手法が提案されている。例えば、第１の技術では、波長変換光学系を複数の並列光路（例えば第１系列及び第２系列等）とこれらの並列光路から出射した光が重ね合わされて入射する直列光路とから構成し、各並列光路に対応して光源及び増幅器を設ける。第１系列及び第２系列には各光源から出射し各々増幅器により増幅されたパルス光を入射させておき、各光源の発光タイミングを調整する。すなわち、直列経路の最終段の波長変換光学素子における第１系列を通ったパルス光と第２系列を通ったパルス光との時間的な重ね合わせを制御し、これにより出力光をオン／オフ制御する（例えば、特許文献２を参照）。

また、第２の技術では、波長変換光学系を複数の波長変換光学素子からなる単一の直列光路とし、一組の光源及び増幅器で構成する。そして、光源から出射するシード光をピークパワーが高い状態と低い状態とに切り換え、これにより波長変換効率を変化させて出力光をオン／オフ制御する。

特開２００４−８６１９３号公報国際公開２００７／０５５１１０号パンフレット

確かに、第１の技術においては、レーザ装置を構成する各光源、各増幅器，及び最終段の波長変換光学素子を除く全波長変換光学素子が常に動作状態ないし波長変換状態になるため、熱的に安定であり、出力光を高速且つ安定的にオン／オフ制御することができる。しかしながら、例えば波長１０６５ｎｍの単一の光源の第３高調波により波長３５５ｎｍの光を発生させるような単純な系ではこの方法は適用できない。また、波長変換光学系を形成する並列回路の数に応じて光源及び増幅器が必要であり、レーザ装置の構成が複雑化するという課題があった。

第２の技術においては、レーザ装置の構成はシンプルであるが、出力光のオン／オフに伴って波長変換光学系に入射するレーザ光のパワーが増減するため、波長変換部に設けられた波長変換光学素子はいずれも熱的な状態が大きく変化する。そのため、出力光を高速且つ安定的にオン／オフ制御することは難しいという課題があった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、簡明な構成でありながら出力光を高速且つ安定的に制御可能なレーザ装置を提供することを目的とする。また、システム全体の構成が簡明な露光装置、検査装置等を提供することを目的とする。

本発明を例示する第１の態様はレーザ装置である。このレーザ装置は、レーザ光発生部と、増幅部と、波長変換部と、制御装置とを備える。レーザ光発生部は、パルス状の第１波長のレーザ光を発生する第１光源と、パルス状の第２波長のレーザ光を発生する第２光源とを有する。増幅部は、第１波長及び第２波長を含む波長帯域の光に利得を有する増幅器（例えば、実施形態におけるファイバ増幅器２１）を有し、レーザ光発生部から出力された第１波長のレーザ光及び第２波長のレーザ光を増幅して、第１波長のレーザ光を増幅した第１増幅光及び第２波長のレーザ光を増幅した第２増幅光を出力する。波長変換部は、増幅部から出力された第１増幅光を第１変換光に波長変換し第２増幅光を透過する第１波長変換光学素子と、第１波長変換光学素子を透過した第２増幅光を第２変換光に波長変換し第１変換光を透過する第２波長変換光学素子と、第１変換光と第２変換光とから波長変換により第３変換光を発生する第３波長変換光学素子とを備える。そして制御部が、レーザ光発生部から出力する第１波長のレーザ光及び第２波長のレーザ光の相対的な出力タイミングを制御することにより、第３波長変換光学素子における第１変換光と第２変換光との時間的な重ね合わせを制御して、第３変換光の出力状態を制御するように構成される。

なお、第１波長及び第２波長は、第３波長変換光学素子において、第１変換光と第２変換光とは位相整合条件を満たすが、第１変換光単体及び第２変換光単体では位相整合条件を満たさないような波長に設定することができる。また、第１波長及び第２波長は、第１波長変換光学素子において、第１増幅光は位相整合条件を満たすが第２増幅光は位相整合条件を満たさず、第２波長変換光学素子において、第２増幅光は位相整合条件を満たすが第１増幅光は位相整合条件を満たさないような波長に設定することができる。

また、制御部は、第３波長変換光学素子において第１変換光と第２変換光とが時間的に重複した状態と重複しない状態とに切り換えることにより、第３変換光のオン／オフを制御するように構成することができる。さらに、制御部は、第３波長変換光学素子において第１変換光と第２変換光との時間的な重複率を変化させることにより、第３変換光のパワーを制御するように構成することができる。

本発明を例示する第２の態様は露光装置である。この露光装置は、上記のようなレーザ装置と、所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光をマスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。

本発明を例示する第３の態様は検査装置である。この検査装置は、上記のようなレーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光を被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えて構成される。

第１の態様のレーザ装置は、増幅部は、第１波長及び第２波長を含む波長帯域の光に利得を有する増幅器を有し、レーザ光発生部から出力された第１波長のレーザ光及び第２波長のレーザ光が同じ増幅器で増幅される。また、制御部は、レーザ光発生部から出力する第１波長のレーザ光及び第２波長のレーザ光の相対的な出力タイミングを制御することにより、第３波長変換光学素子における第１変換光と第２変換光との時間的な重ね合わせを制御して、第３変換光の出力状態を制御する。すなわち、このレーザ装置は、増幅器及び波長変換光学系が直列接続された単一の光路構成であり、かつ、第１，第２光源、増幅器、及び第１，第２波長変換光学素子が常に動作状態であるため熱的に安定であり、制御部によるタイミング制御で出力光を高速且つ安定的にオン／オフ制御することができる。従って、簡明な構成で出力光を高速且つ安定的にオン／オフ制御可能なレーザ装置を提供することができる。

第２の態様の露光装置は、第１の態様のレーザ装置を備えている。そのため、システム全体の構成が簡明な露光装置を提供することができる。

第３の態様の検査装置は、第１の態様のレーザ装置を備えている。そのため、システム全体の構成が簡明な検査装置等を提供することができる。

本発明の適用例として示すレーザ装置の概要構成図である。出力光がオンのときの波長変換部におけるパルスの状態を示す説明図である。出力光がオンのときの第３波長変換光学素子における第１変換光と第２変換光のパルスの状態を示す説明図である。出力光がオフのときの波長変換部におけるパルスの状態を示す説明図である。出力光がオフのときの第３波長変換光学素子における第１変換光と第２変換光のパルスの状態を示す説明図である。第３波長変換光学素子における第１変換光のパルス列と第２変換光のパルス列との重複率を変化させた様子を示す説明図である。レーザ装置を備えたシステムの第１の適用例として示す露光装置の概要構成図である。レーザ装置を備えたシステムの第２の適用例として示す検査装置の概要構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様として例示するレーザ装置ＬＳの概要構成図を図１に示す。レーザ装置ＬＳは、パルス状のレーザ光（シード光）を発生するレーザ光発生部１と、レーザ光発生部１により発生されたシード光を増幅する増幅部２と、増幅部２から出力された増幅光を波長変換する波長変換部３と、これら各部の作動を制御する制御部８とを備えて構成される。

レーザ光発生部１や増幅部２、波長変換部３の具体的な構成は、前述した特許文献等に開示されているように多数の構成形態がある。本実施形態においては、レーザ光発生部１において発生するシード光の波長を１．０６μｍ帯の赤外光、波長変換部３から出力する出力光の波長を２６６ｎｍの紫外光とした場合を例として説明する。

レーザ光発生部１は、波長帯域がともに１．０６μｍ帯であるが、発振波長がわずかに異なる二つの光源を有して構成される。すなわち、レーザ光発生部１には、第１波長λ₁のシード光を発生する第１光源１１と、第２波長λ₂のシード光を発生する第２光源１２とが設けられる。ここでは、第１波長と第２波長との波長差Δλを８ｎｍとし、第１波長λ₁＝１０６０ｎｍ、第２波長λ₂＝１０６８ｎｍとする。

上記のような波長のシード光を発生する第１光源１１及び第２光源１２は、ともに発振波長が１．０６μｍ帯のＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを用いることができる。温度調整器により動作温度を制御することによって、ＤＦＢ半導体レーザーの発振波長はある範囲の中で任意に設定することが可能である。ＤＦＢ半導体レーザは、駆動電流を波形制御することによりＣＷ発振及びパルス発振させることができる。本構成例においては、第１光源１１及び第２光源１２を１〜１０MHz程度の所定の繰り返し周波数でパルス発振させる場合を主体として説明する。第１光源１１及び第２光源１２の作動は制御部８により制御される。レーザ光発生部１から出力されたパルス状の第１波長λ₁のシード光Ｌs₁及び第２波長λ₂のシード光Ｌs₂は、カプラ１６により合波され増幅部２に入射する。

増幅部２は、レーザ光発生部１から出力されたシード光を増幅するファイバ増幅器２１を備えて構成される。ファイバ増幅器２１は、第１波長λ₁及び第２波長λ₂を含む波長１．０６μｍ帯の光に利得を有するファイバ増幅器である。このようなファイバ増幅器として、イッテルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）を好適に用いることができる。

ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた増幅用ファイバ２１ａと、増幅用ファイバに励起光を供給する励起光源２１ｂとを主体として構成される。ファイバ増幅器２１のゲインは、増幅用ファイバ２１ａを励起する励起光のパワーを制御すること、具体的には、制御部８が励起光源２１ｂの駆動電力を制御することにより制御される。

ＹＤＦＡは、波長が１０００〜１１００ｎｍの帯域に利得を有するため、第１波長λ₁＝１０６０ｎｍのシード光Ｌs₁、及び第２波長λ₂＝１０６８ｎｍのシード光Ｌs₂を増幅することができる。また、カプラ１６により合波されてファイバ増幅器２１に入射する第１波長λ₁のシード光Ｌs₁及び第２波長λ₂のシード光Ｌs₂は、波長差Δλが８ｎｍ程度あるため各々独立して増幅され、第１波長のシード光Ｌs₁が増幅された第１増幅光Ｌa₁、及び第２波長のシード光Ｌs₂が増幅された第２増幅光Ｌa₂がファイバ増幅器２１（増幅部２）から出力される。

なお、説明簡明化のためファイバ増幅器２１を単段で示したが、例えばシングルクラッドのファイバ増幅器を複数直列に接続し、あるいはシングルクラッドのファイバ増幅器とダブルクラッドのファイバ増幅器を直列に接続する等、複数のファイバ増幅器を直列に接続して増幅部２を構成することができる。増幅部２から出力された第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂は、波長変換部３に入射する。

波長変換部３には、増幅部２から出力された第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂が伝播する波長変換光学系３０が設けられている。波長変換光学系３０は、３つの波長変換光学素子３１，３２，３３、すなわち第１波長変換光学素子３１、第２波長変換素子３２、第３波長変換光学素子３３を主体とし、図示省略するレンズや波長板等を有して構成される。波長変換部３に入射した第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂は、レンズを介して第１波長変換光学素子３１に集光入射する。

第１波長変換光学素子３１は、第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）により第１増幅光Ｌa₁の第２高調波（第１変換光Ｌv₁）を発生し、第２増幅光Ｌa₂については波長変換することなく透過する非線形光学結晶である。このような第１波長変換光学素子３１として、ＬＢＯ（ＬiＢ₃Ｏ₅）結晶を用い、第１増幅光Ｌa₁の第２高調波発生において位相整合条件を満たす所定温度（第１位相整合温度という）に調整設定して、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ：Non Critical Phase Matching）で波長変換させる構成が例示される。

第１波長変換光学素子３１で発生した波長５３０ｎｍの第１変換光Ｌv₁と、第１波長変換光学素子３１を透過した波長１０６８ｎｍの第２増幅光Ｌa₂、並びに第１波長変換光学素子３１を波長変換されずに透過した残余の第１増幅光Ｌa₁は、第２波長変換光学素子３２に入射する。

第２波長変換光学素子３２は、第２高調波発生（ＳＨＧ）により第２増幅光Ｌa₂の第２高調波（第２変換光Ｌv₂）を発生し、第１増幅光Ｌa₁及び第１変換光Ｌv₁については波長変換することなく透過する非線形光学結晶である。第２波長変換光学素子３２として、第１波長変換光学素子３１と同様のＬＢＯ結晶を用い、第２増幅光Ｌa₂の第２高調波発生において位相整合条件を満たす第２位相整合温度に調整設定して、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）で波長変換させる構成が例示される。

位相整合が非臨界位相整合の場合には、発生する変換光（第１変換光Ｌv₁及び第２変換光Ｌv₂）にウォークオフが生じない。そのため、第１波長変換光学素子３１及び第２波長変換素子３２において各々十分な相互作用長を確保し、効率的に波長変換を行うことができる。また、出力される第１変換光Ｌv₁及び第２変換光Ｌv₂のビーム断面が楕円化するようなことがないため、ビーム断面を円形に整形するシリンドリカルレンズ等の整形光学素子を設ける必要がなく、第３波長変換光学素子３３において効率的に波長変換することができる。

上記のように、第１波長変換光学素子３１は、第１増幅光Ｌa₁を波長変換して第２高調波（第１変換光Ｌv₁）を発生するが第２増幅光Ｌa₂は波長変換することなく透過し、第２波長変換光学素子３２は、第２増幅光Ｌa₂を波長変換して第２高調波（第２変換光Ｌv₂）を発生するが第１増幅光Ｌa₁は波長変換することなく透過する。このような作用を実現する手段として、本技術においては、第１増幅光Ｌa₁と第２増幅光Ｌa₂との波長差Δλを利用する。換言すれば、第１波長変換光学素子３１及び第２波長変換素子３２において、いずれか一方の増幅光のみが位相整合条件を満たし、他方の増幅光は位相整合条件を満たさないように、第１波長λ₁及び第２波長λ₂が設定される。

第１，第２波長変換光学素子３１，３２としてＬＢＯ結晶を用いた場合について具体的に説明すると、例えば光軸方向の長さが２０ｍｍ程度のＬＢＯ結晶を用いたときに、第１波長λ₁または第２波長λ₂について所定の位相整合温度で位相整合条件を満たす波長の許容幅（Δλ₁，Δλ₂）は数ｎｍ程度である。そのため、例えば第１波長変換光学素子３１において、第１増幅光Ｌa₁の第２高調波発生について位相整合条件を満たすように結晶温度を設定すれば、第１増幅光Ｌa₁のみが位相整合条件を満たし、波長λが８ｎｍ異なる第２増幅光Ｌa₂については位相整合条件を満たさない。第２波長変換光学素子３２についても同様である。

従って、第１波長変換光学素子３１においては、第１増幅光Ｌa₁のみが波長変換されて波長５３０ｎｍの第１変換光Ｌv₁が発生し、第２増幅光Ｌa₂は波長変換されることなく第１波長変換光学素子３１をそのまま透過する。また、第２波長変換光学素子３２においては、第２増幅光Ｌa₂のみが波長変換されて波長５３４ｎｍの第２変換光Ｌv₂が発生し、第１増幅光Ｌa₁及び第１変換光Ｌv₁は波長変換されることなく第２波長変換光学素子３２をそのまま透過する。

以上では、第１波長変換光学素子３１及び第２波長変換素子３２としてＬＢＯ結晶を非臨界位相整合で用いた構成例について説明したが、本方法はＬＢＯ結晶やＢＢＯ（β-ＢaＢ₂Ｏ₄）結晶等の非線形光学結晶を臨界位相整合（ＣＰＭ：Critical Phase Matching）で用いる構成についても、波長差Δλを利用して同様に適用することができる。例えば、第１増幅光Ｌa₁について位相整合条件を満たすように第１波長変換光学素子３１の角度位置を設定することによって、第１増幅光Ｌa₁のみを波長変換して第１変換光Ｌv₁を発生させ、第２増幅光Ｌa₂は波長変換することなく透過させることができる。ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ₃）結晶や、ＰＰＬＴ（Periodically Poled ＬiＴaＯ₃）結晶等の疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）結晶を用いる構成についても、波長差Δλを利用して同様に適用することができる。

このようにして、第１波長変換光学素子３１で発生し第２波長変換光学素子３２を透過した波長５３０ｎｍの第１変換光Ｌv₁と、第２波長変換光学素子３２で発生した波長５３４ｎｍの第２変換光Ｌv₂は、第３波長変換光学素子３３に集光入射する。

第３波長変換光学素子３３は、和周波発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）により第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂との和周波を発生させる非線形光学結晶である。ここで、第３波長変換光学素子３３に入射する光は、後述するように、第１変換光Ｌv₁及び第２変換光Ｌv₂が時間的に重複して入射する場合の他、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とが各々独立して入射する場合がある。しかし、第３波長変換光学素子３３は、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂との波長差Δλを利用して、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とは和周波発生の位相整合条件を満すが、第１変換光Ｌv₁単体、及び第２変換光Ｌv₂単体では和周波発生（第２高調波発生）の位相整合条件を満たさないように設定される。

第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂との和周波を発生させる第３波長変換光学素子３３として、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ₆Ｏ₁₀）結晶を用い、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂との和周波発生において位相整合条件を満たす所定の角度位置（位相整合角）に調整設定して、タイプＩの臨界位相整合（ＣＰＭ）で動作させる構成が例示される。第３波長変換光学素子３３は、波長５３０ｎｍの第１変換光Ｌv₁と波長５３４ｎｍの第２変換光Ｌv₂との和周波発生によって波長２６６ｎｍの第３変換光Ｌv₃を発生させる位相整合条件に合わせて結晶が切り出される。

いま、第３波長変換光学素子３３として、光軸方向の長さが１０ｍｍ程度のＣＬＢＯ結晶を用いた場合を想定すると、和周波発生の位相整合条件を満たす波長の許容幅（Δλ₁，Δλ₂）は〜０．２ｎｍ程度である。そのため、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とは位相整合条件を満たして波長２６６ｎｍの第３変換光Ｌv₃が発生するが、第１変換光Ｌv₁単体、及び第２変換光Ｌv₂単体では和周波発生の位相整合条件を満たさず、これらの第２高調波は発生しない。

第３波長変換光学素子３３で発生した波長２６６ｎｍの第３変換光Ｌv₃は波長変換部３から出射され、レーザ装置ＬＳから出力される。

以上、レーザ光発生部１、増幅部２、及び波長変換部３の構成について説明してきたが、レーザ装置ＬＳにおいては、制御部８がレーザ光発生部１の作動を制御することにより、出力光である第３変換光Ｌv₃を高速且つ安定的に制御可能になっている。既述したように、レーザ光発生部１には、第１波長λ₁のシード光Ｌs₁を発生する第１光源１１と、第２波長λ₂のシード光Ｌs₂を発生する第２光源１２とが設けられている。レーザ装置ＬＳでは、制御部８が第１，第２光源の作動を制御することにより、出力光を高速且つ安定的に制御する。

制御部８には、各部の作動を制御する際に基準となる周波数１００MHz程度のクロック信号を発生するクロック発生器８０、クロック発生器８０により発生されたクロック信号を基準として第１光源１１を駆動する第１駆動信号及び第２光源１２を駆動する第２駆動信号を生成する光源ドライバ８１、レーザ装置ＬＳが搭載されたシステムの加工プログラムや操作盤から入力される出力指令に基づいて光源ドライバ８１に指令信号を出力する光源コントローラ８３などを備えて構成される。

本構成例において、第１光源１１を駆動する第１駆動信号、及び第２光源１２を駆動する第２駆動信号は、ともにオン時間が１〜数ｎsecのパルスが、繰り返し周波数１〜１０MHz程度で繰り返されるパルス列になっている。ここでは、第１駆動信号及び第２駆動信号を、ともにオン時間が１ｎsec、繰り返し周波数が１MHzのパルス列とする。

操作盤等から制御部８に入力される出力指令が、波長２６６ｎｍの第３変換光（以下、「出力光」という）Ｌv₃を出力するオン状態のとき、光源コントローラ８３は、出力オン指令信号を光源ドライバ８１に出力する。このとき、光源ドライバ８１は、図２及び図３に示すように、第３波長変換光学素子３３において第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列とが時間的に重なり合うように、第１光源１１から出射する第１波長のシード光Ｌs₁と第２光源１２から出射する第２波長のシード光Ｌs₂の相対的な出力タイミングを制御する。

より具体的には、光源ドライバ８１は第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列とが第３波長変換光学素子３３において時間的に重なり合うタイミング（両者の光路長が同一の場合には同一タイミング）の第１駆動信号及び第２駆動信号を生成し、第１光源１１及び第２光源１２を駆動する。

第１光源１１から出射した第１波長のシード光Ｌs₁、及び第２光源１２から出射した第２波長のシード光Ｌs₂は、各々ファイバ増幅器２１により増幅されて第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂となり、第１波長変換光学素子３１に集光入射する。第１波長変換光学素子３１においては、第１波長λ₁と第２波長λ₂との波長差Δλにより第１増幅光Ｌa₁のみが波長変換されて第１変換光Ｌv₁が発生し、第２増幅光Ｌa₂は波長変換されずにそのまま透過する。第１波長変換光学素子３１で発生した第１変換光Ｌv₁、及び第１波長変換光学素子３１をそのまま透過した第２増幅光Ｌa₂は第２波長変換素子３２に入射する。

第２波長変換光学素子３２においては、第１波長λ₁と第２波長λ₂との波長差Δλにより第２増幅光Ｌa₂のみが波長変換されて第２変換光Ｌv₂が発生する。第２波長変換光学素子３２で発生した第２変換光Ｌv₂と、波長変換光学素子３２を透過した第１変換光Ｌv₁は第３波長変換光学素子３３に集光入射する。

第３波長変換光学素子３３に入射する第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とは、出力光を出射するオン状態のときに、第３波長変換光学素子３３で両者のパルス列が時間的に重なり合うように設定されている。また既述したように、第３波長変換光学素子３３は、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とが和周波発生の位相整合条件を満たし、第１変換光Ｌv₁単体、及び第２変換光Ｌv₂単体では第２高調波発生の位相整合条件を満たさないように設定されている。そのため、第３波長変換光学素子３３において第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂との和周波発生により波長２６６ｎｍの出力光（第３変換光）Ｌv₃が発生し、レーザ装置ＬＳから出力される。

一方、操作盤等から制御部８に入力される出力指令が、出力光Ｌv₃を停止するオフ状態のとき、光源コントローラ８３は、出力オフ指令信号を光源ドライバ８１に出力する。このとき、光源ドライバ８１は、図４及び図５に示すように、第３波長変換光学素子３３において第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列とが時間的に重なり合わないように、第１光源１１から出射する第１波長のシード光Ｌs₁と第２光源１２から出射する第２波長のシード光Ｌs₂の相対的な出力タイミングを制御する。

具体的には、光源ドライバ８１は第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列とが第３波長変換光学素子３３において時間的に重なり合わないタイミング（いずれか一方がオン状態のとき他方がオフ状態になるタイミング）の第１駆動信号及び第２駆動信号を生成し、第１光源１１及び第２光源１２を駆動する。

しかしこのときには、第３波長変換光学素子３３に入射した第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とは、第３波長変換光学素子３３において両者のパルス列が時間的に重なり合わないように設定されている。また、第３波長変換光学素子３３は、第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂とは和周波発生の位相整合条件を満たすが、第１変換光Ｌv₁単体、及び第２変換光Ｌv₂単体では第２高調波発生の位相整合条件を満たさないように設定されている。そのため、第３波長変換光学素子３３において波長２６６ｎｍの出力光Ｌv₃は発生せず、レーザ装置ＬＳから出力されない。

以上のように第１光源１１を駆動する第１駆動信号のパルス列と、第２光源１２を駆動する第２駆動信号のパルス列との相対的なタイミングを変化させることによって、波長２６６ｎｍの出力光Ｌv₃をオン／オフが制御することができる。

なお、波長変換部３の出力端部に、例えば波長が３００ｎｍ程度よりも短い光を反射し、波長がこれよりも長い光を透過するダイクロイックミラー等を設け、出力光Ｌv₃と、第３波長変換光学素子３３を透過した第１，第２増幅光及び第１，第２変換光等とを分離することによって、出力光以外の波長の光がレーザ装置ＬＳから出力されることを防止することができる。

以上では、レーザ装置ＬＳから出力する出力光Ｌv₃をオン／オフ制御する形態について説明したが、本構成のレーザ装置ＬＳは、出力光Ｌv₃のパワーを制御することもできる。上述したように、出力光Ｌv₃をオン／オフする制御は、第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列とが第３波長変換光学素子３３において時間的に重なり合う状態と、時間的に重なり合わない状態とに切り換えることによって実現される（図２〜図５を参照）。一方、出力光Ｌv₃のパワーを変化させる制御は、第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列とが、第３波長変換光学素子３３において時間的に重なる重複率を制御することによって実現される。この出力光のパワー制御も、具体的には、第１光源１１を駆動する第１駆動信号と、第２光源を駆動する第２駆動信号との相対的なタイミングを変化させることにより行われる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、第１駆動信号と第２駆動信号との相対的なタイミングを変化させることにより、第３波長変換光学素子３３における第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列との重複率を変化させた様子を示す説明図である。この図における（ａ）は、第３波長変換光学素子３３における第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列との重複率を２０％に設定した場合、（ｂ）は両者の重複率を約５０％に設定した場合、（ｃ）は両者の重複率を８０％に設定した場合を例示する。

図６（ａ）に示す重複率２０％の場合には、第３波長変換光学素子３３で発生する出力光Ｌv₃のパワーは、重複率が１００％のときのパワーの２０％になる。同様に図６（ｂ）に示す重複率５０％の場合には出力光Ｌv₃のパワーは重複率１００％のときのパワーの５０％、図６（ｃ）に示す重複率８０％の場合には出力光Ｌv₃のパワーは重複率１００％のときのパワーの８０％になる。

すなわち、第１光源１１を駆動する第１駆動信号と第２光源１２を駆動する第２駆動信号との相対的なタイミングを変化させて、第３波長変換光学素子３３における第１変換光Ｌv₁のパルス列と第２変換光Ｌv₂のパルス列との重複率を変化させることにより、０〜１００％の範囲で出力光Ｌv₃のパワーを任意かつ高速に制御することができる。

このような構成のレーザ装置ＬＳにおいては、レーザ光発生部１において、出力光Ｌv₃をオン／オフするために第１光源１１及び第２光源１２の少なくともいずれかを動作状態と非動作状態とに切り替えたり、出力光Ｌv₃のパワーを制御するために第１光源１１を駆動する第１駆動信号及び第２光源１２を駆動する第２駆動信号の少なくともいずれかの信号波形を変化させたりする必要がなく、第１光源１１及び第２光源１２の両者をともに定常状態で動作させることができる。このため、第１光源１１及び第２光源１２を安定的に動作させ、発振波長及びパルス波形が安定した第１波長のシード光Ｌs₁及び第２波長のシード光Ｌs₂を発生させることができる。

また、増幅部２では、ファイバ増幅器２１に第１光源１１で発生した第１波長のシード光Ｌs₁及び第２光源で発生した第２波長のシード光Ｌs₂が常時入射し、ファイバ増幅器２１において各々増幅されて第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂が定常的に出力される。このため、出力光Ｌv₃をオン／オフしたり出力光Ｌv₃のパワーを制御するためにファイバ増幅器２１のゲインを変化させる必要がなく、ファイバ増幅器２１を定常状態で安定的に動作させて第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂を安定的に出力させることができる。

さらに、波長変換部３においては、第１波長変換光学素子３１に第１増幅光Ｌa₁及び第２増幅光Ｌa₂が常時入射して第１変換光Ｌv₁が定常的に発生し、第２波長変換光学素子３２には第１変換光Ｌv₁及び第２増幅光Ｌa₂が常時入射して第２変換光Ｌv₂が定常的に発生する。また、第３波長変換光学素子３３には第１波長変換光学素子３１で発生した第１変換光Ｌv₁と第１波長変換光学素子３１で発生したと第２変換光Ｌv₂とが常時入射する。そのため、第３波長変換光学素子３３における出力光Ｌv₃のパワーに応じた発熱量変化を除いて、第１〜第３波長変換光学素子３１〜３３は熱的に安定であり、特に第２波長変換光学素子３２までの熱的な状態は極めて安定している。

従って、このようなレーザ装置ＬＳによれば、増幅部２のファイバ増幅器２１と波長変換部３の第１〜第３波長変換光学素子３１〜３３を直列的に接続し、レーザ光発生部１の第１光源１１を駆動する第１駆動信号と第２光源１２を駆動する第２駆動信号との相対的なタイミングを変化させる簡明な構成で、出力光Ｌv₃を高速且つ安定的に制御することができる。

以上では、第１光源１１及び第２光源１２をパルス発振させ、その駆動信号の相対的なタイミングを変化させることによって出力光（第３変換光）の出力状態を制御する構成を例示した。しかし、本発明は上記構成形態に限らず、レーザ光発生部１から出力される第１波長のシード光Ｌs₁と第２波長のシード光Ｌs₂の出力タイミングを高速に制御可能な構成であればよい。

例えば、第１光源１１及び第２光源１２の少なくともいずれかの出射端部に電気光学変調器（ＥＯＭ）等の外部変調器を設け、ＣＷ発振またはパルス発振させたレーザ光の一部を外部変調器により前記所定のタイミングで切り出して、第１波長のシード光Ｌs₁及び第２波長のシード光Ｌs₂をレーザ光発生部１から出力するように構成しても良い。このような形態のレーザ装置においても、前述したレーザ装置ＬＳと同様の作用及び効果を得ることができ、さらにパルス波形の立ち上がり及び立ち下がりが、より急峻な出力光を出力することができる。

なお、実施形態では、第１波長λ₁と第２波長λ₂との波長差Δλを８ｎｍとした構成を例示したが、波長差Δλは増幅部２や波長変換部３の構成に応じて、適宜な値に設定することができる。すなわち、波長差Δλは、１本のファイバ増幅器２１において第１波長λ₁のシード光及び第２波長λ₂のシード光を並立して増幅可能であり、また第３波長変換光学素子３３において第１変換光Ｌv₁と第２変換光Ｌv₂のみが位相整合条件を満たすような波長差であればよい。なお、第１波長変換光学素子３１において第１増幅光Ｌa₁のみが位相整合条件を満たし、第２波長変換光学素子３２において第２増幅光Ｌ₂のみが位相整合条件を満たす他の構成として、第１増幅光Ｌa₁と第２増幅光Ｌa₂の偏光面の角度を直交させて第１波長変換光学素子３１に入射する手法が例示される。この場合、第１波長変換光学素子３１と第２波長変換光学素子３２の間に、第２増幅光Ｌa₂の偏光方向を９０度回転させる一方第１変換光Ｌv₁の偏光方向を保持するような２波長波長板を挿入するか、第３波長変換光学素子３３をタイプIIの位相整合条件（２つの基本波の偏光方向が直交）で用いれば良い。

また、実施形態では、レーザ光発生部１から波長１．０６μｍ帯のシード光を出力し、波長変換部３の三つの波長変換光学素子３１，３２，３３で波長２６６ｎｍの出力光に波長変換して出力する構成を例示したが、シード光の波長帯域や波長変換光学素子の個数及び配置、出力光の波長等は任意である。

以上説明したようなレーザ装置ＬＳは、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、露光装置や光造形装置等の光加工装置、フォトマスクやウェハ等の検査装置、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光治療装置などのシステムに好適に適用することができる。

レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第１の適用例として、半導体製造や液晶パネル製造のフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置について、その概要構成を示す図７を参照して説明する。露光装置５００は、原理的には写真製版と同じであり、石英ガラス製のフォトマスク５１３に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウェハやガラス基板などの露光対象物５１５に光学的に投影して転写する。

露光装置５００は、上述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系５０２と、フォトマスク５１３を保持するマスク支持台５０３と、投影光学系５０４と、露光対象物５１５を保持する露光対象物支持テーブル５０５と、露光対象物支持テーブル５０５を水平面内で移動させる駆動機構５０６とを備えて構成される。照明光学系５０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、マスク支持台５０３に保持されたフォトマスク５１３に照射する。投影光学系５０４も複数のレンズ群により構成され、フォトマスク５１３を透過した光を露光対象物支持テーブル上の露光対象物５１５に投影する。

このような構成の露光装置５００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系５０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光がマスク支持台５０３に保持されたフォトマスク５１３に照射される。フォトマスク５１３を通過した光はフォトマスク５１３に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系５０４を介して露光対象物支持テーブル５０５に保持された露光対象物５１５の所定位置に照射される。これにより、フォトマスク５１３のデバイスパターンの像が、半導体ウェハや液晶パネル等の露光対象物５１５の上に所定倍率で結像露光される。

次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第２の適用例として、フォトマスクや液晶パネル、ウェハ等（被検物）の検査工程で使用される検査装置について、その概要構成を示す図８を参照して説明する。図８に例示する検査装置６００は、フォトマスク等の光透過性を有する被検物６１３に描かれた微細なデバイスパターンの検査に好適に使用される。

検査装置６００は、前述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系６０２と、被検物６１３を保持する被検物支持台６０３と、投影光学系６０４と、被検物６１３からの光を検出するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ６１５と、被検物支持台６０３を水平面内で移動させる駆動機構６０６とを備えて構成される。照明光学系６０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、所定光束に調整して被検物支持台６０３に保持された被検物６１３に照射する。投影光学系６０４も複数のレンズ群により構成され、被検物６１３を透過した光をＴＤＩセンサ６１５に投影する。

このような構成の検査装置６００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系６０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光が被検物支持台６０３に保持されたフォトマスク等の被検物６１３に照射される。被検物６１３からの光（本構成例においては透過光）は、被検物６１３に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系６０４を介してＴＤＩセンサ６１５に投影され結像する。このとき、駆動機構６０６による被検物支持台６０３の水平移動速度と、ＴＤＩセンサ６１５の転送クロックとは同期して制御される。

そのため、被検物６１３のデバイスパターンの像がＴＤＩセンサ６１５により検出され、このようにして検出された被検物６１３の検出画像と、予め設定された所定の参照画像とを比較することにより、被検物に描かれた微細パターンの欠陥が抽出される。なお、被検物６１３がウェハ等のように光透過性を有さない場合には、被検物からの反射光を投影光学系６０４に入射してＴＤＩセンサ６１５に導くことにより、同様に構成することができる。

ＬＳレーザ装置
１レーザ光発生部２増幅部
３波長変換部８制御部
１１第１光源１２第２光源
２１ファイバ増幅器（増幅器）３０波長変換光学系
３１第１波長変換光学素子３２第２波長変換光学素子
３３第３波長変換光学素子
Ｌs₁ 第１波長のシード光Ｌs₂ 第２波長のシード光
Ｌa₁ 第１増幅光Ｌa₂ 第２増幅光
Ｌv₁ 第１変換光Ｌv₂ 第２変換光
Ｌv₃ 第３変換光（出力光）
５００露光装置
５０２照明光学系５０３マスク支持台
５０４投影光学系５０５露光対象物支持テーブル
５１３フォトマスク５１５露光対象物
６００検査装置
６０２照明光学系６０３被検物支持台
６０４投影光学系６１３被検物
６１５ＴＤＩセンサ

Claims

パルス状の第１波長のレーザ光を発生する第１光源及びパルス状の第２波長のレーザ光を発生する第２光源を有するレーザ光発生部と、
前記第１波長及び前記第２波長を含む波長帯域の光に利得を有する増幅器を備え、前記レーザ光発生部から出力された前記第１波長のレーザ光及び前記第２波長のレーザ光を増幅して、前記第１波長のレーザ光を増幅した第１増幅光及び前記第２波長のレーザ光を増幅した第２増幅光を出力する増幅部と、
前記増幅部から出力された前記第１増幅光を第１変換光に波長変換し前記第２増幅光を透過する第１波長変換光学素子、前記第１波長変換光学素子を透過した前記第２増幅光を第２変換光に波長変換し前記第１変換光を透過する第２波長変換光学素子、及び前記第１変換光と前記第２変換光とから波長変換により第３変換光を発生する第３波長変換光学素子を有する波長変換部と、
前記レーザ光発生部の作動を制御する制御部とを備え、
前記制御部が、前記レーザ光発生部から出力するパルス状の前記第１波長のレーザ光及びパルス状の前記第２波長のレーザ光の相対的な出力タイミングを制御することにより、前記第３波長変換光学素子における前記第１変換光と前記第２変換光との時間的な重ね合わせを制御して、前記第３変換光の出力状態を制御する
ように構成したことを特徴とするレーザ装置。
前記第１波長及び前記第２波長は、
前記第３波長変換光学素子において、前記第１変換光と前記第２変換光とは位相整合条件を満たすが、前記第１変換光単体及び前記第２変換光単体では位相整合条件を満たさないような波長に設定される
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記第１波長及び前記第２波長は、
前記第１波長変換光学素子において、前記第１増幅光は位相整合条件を満たすが前記第２増幅光は位相整合条件を満たさず、
前記第２波長変換光学素子において、前記第２増幅光は位相整合条件を満たすが前記第１増幅光は位相整合条件を満たさないような波長に設定される
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記制御部は、前記第３波長変換光学素子において前記第１変換光と前記第２変換光とが時間的に重複した状態と重複しない状態とに切り換えることにより、前記第３変換光のオン／オフを制御する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記制御部は、前記第３波長変換光学素子において前記第１変換光と前記第２変換光との時間的な重複率を変化させることにより、前記第３変換光のパワーを制御する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、
露光対象物を保持する露光対象物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記マスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、
前記フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系と
を備えたことを特徴とする露光装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
被検物を保持する被検物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、
前記被検物からの光を検出器に投影する投影光学系と
を備えたことを特徴とする検査装置。