JP6016124B2

JP6016124B2 - パルスレーザ装置、露光装置および検査装置

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Publication number: JP6016124B2
Application number: JP2013104239A
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Inventors: 徳久　章; 章徳久
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Description

本発明は、レーザ光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器で増幅し、波長変換光学素子により波長変換して出力するパルスレーザ装置に関する。

上記のようなパルスレーザ装置は、半導体や液晶パネルの製造工程で用いられる露光装置や検査装置用の光源、顕微鏡や望遠鏡等のような観察装置の光源として好適に用いられる（例えば特許文献１を参照）。

このようなレーザ装置では、レーザ光源から出射されたパルス光が、ファイバ増幅器により増幅される。ファイバ増幅器における増幅用の光ファイバのコアは小径なため、増幅後のパルス光のピークパワーが高くなると、非線形光学効果によって自己位相変調（ＳＰＭ：Self Phase Modulation）が発生する（例えば特許文献２を参照）。

特開２００２−５０８１５号公報特開２００８−１２９２０５号公報

自己位相変調（ＳＰＭ）は、多くの場合、光ファイバ内を伝播するレーザ光のスペクトル幅を拡げる方向に作用するため、光ファイバから出射するレーザ光（出力光）のスペクトル幅が、光ファイバに入射するレーザ光（入射光）のスペクトル幅よりも広くなるスペクトル拡がりが発生する。特に、コア直径が数μｍ〜十数μｍ程度と小径なシングルモードファイバでは、伝播するレーザ光のパワー密度が極めて高くなるため、ＳＰＭ（自己位相変調）によるスペクトル拡がりが大きくなる。スペクトル幅の拡大は、単色性が高い狭帯域の光源が求められる場合に障害となる。

ここで、光ファイバ中で発生したＳＰＭによるスペクトル広がりを抑制するために、光ファイバの出射（もしくは入射）端部近傍にＥＯ位相変調器を設け、このＥＯ位相変調器によりＳＰＭと逆の位相変調をかけて、ＳＰＭを相殺する方法が考えられる。しかし、一つのＥＯ位相変調器により変調可能な位相変調量は〜５rad程度である。一方、光ファイバ内で発生するＳＰＭは、レーザ光のピークパワーが高くなると２０〜３０rad程度にもなることがある。そのため、ピークパワーが高いレーザ装置については、簡明な構成でＳＰＭを補償することが難しい、という課題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバ内で生じるＳＰＭが比較的大きい場合でも狭帯域のパルス光を出力可能なパルスレーザ装置を提供することを目的とする。

解決手段の説明に先立ち、まず、本発明の原理について図１を参照して説明する。図１はモデルとなるパルスレーザ装置の概略図である。パルスレーザ装置は、第１のパルス光を出力する第１レーザ光源１１と、第２のパルス光を出力する第２レーザ光源１２と、第１レーザ光源１１から出力された第１のパルス光を増幅する第１ファイバ増幅器２１と、第２レーザ光源１２から出力された第２のパルス光を増幅する第２ファイバ増幅器２２と、第１ファイバ増幅器２１から出射した第１のパルス光が伝播する第１系列Ｉ、第２ファイバ増幅器２２から出射した第２のパルス光が伝播する第２系列II、および第１系列Ｉを伝播した第１のパルス光と第２系列IIを伝播した第２のパルス光とがダイクロックミラー４１により重ね合わされて入射する第３系列IIIからなる波長変換光学系とを備える。波長変換光学系の第３系列IIIには第１系列Ｉを伝播した第１のパルス光と第２系列IIを伝播した第２のパルス光とに基づいて、和周波発生により変換パルス光を発生させる波長変換光学素子３６が設けられる。

説明簡明化のため、ファイバ増幅器２１，２２における増幅用の光ファイバで発生するＳＰＭを、利得の無い長さＬの光ファイバ中をピークパワーＰのパルス光が伝播したときに発生するＳＰＭに置き換えて考える。また、光ファイバに入射する以前のパルス光は、チャープ(周波数拡がり)が無いフーリエ限界(Transform Limit)のレーザ光とする。パルス波形がｐ(t)のパルス光の振幅Ａ(t)は、Ａ(t)∝｛ｐ(t)｝^1/2である。

いま、光ファイバ内でのパルス光の分散や、反転分布の枯渇による時間波形の歪みは無いとする。すなわち、パルス光が光ファイバ内を伝播する過程でパルス波形は変化しないものとする。このとき、第１ファイバ増幅器２１で増幅された後の第１のパルス光の振幅Ａ₁(t)、および位相φ₁(t)は、次式で与えられる。

ここで、ｐ₁は第１のパルス光のパワーで、φ₁が光ファイバで生じるＳＰＭを表す。Ｌ₁は第１ファイバ増幅器２１のファイバ長である。γは非線形光学効果を表す量であり、次式で与えられる。

上記式中のｎ₂は非線形屈折率であり、ｎ₂≒３×１０^-20[ｍ²／Ｗ]、λはパルス光の波長、Ａ_effは光ファイバの導波モードの実効断面積である。

第２ファイバ増幅器２２によって増幅された後の第２のパルス光の振幅Ａ₂(t)、および位相φ₂(t)についても同様であり、次式で与えられる。

説明簡明化のため、第１系列Ｉおよび第２系列IIには波長変換光学素子が設けられておらず、第１ファイバ増幅器２１から出射した第１のパルス光および第２ファイバ増幅器２２から出射した第２のパルス光が波長変換光学素子３６に入射するものとする。換言すれば、第１系列Ｉを伝播した後の第１のパルス光の位相をφ₁(t)、第２系列IIを伝播した後の第２のパルス光の位相をφ_２(t)とする。このとき、波長変換光学素子３６において、第１のパルス光と第２のパルス光の和周波を発生させる場合に、和周波光の振幅Ｂ(t)は、近似的に第１のパルス光の振幅Ａ₁(t)と第２のパルス光の振幅Ａ₂(t)との積として、次式で与えられる。

この（６）式に、既述した（１）式および（４）式を適用することにより、次式が導かれる。

（７）式から、波長変換光学素子３６において発生する和周波光のエネルギーの大部分が存在する時間領域において、第１のパルス光の位相φ₁(t)と第２のパルス光の位相φ_２(t)の和であるφ₁(t)＋φ_２(t)を一定にすることによって、和周波光の位相変化を無くす、すなわち、スペクトルの拡大を抑止できることがわかる。

以上の原理説明を基礎として、本発明の解決手段を説明する。本発明を例示する態様はパルスレーザ装置である。このパルスレーザ装置は、第１のパルス光を出力する第１レーザ光源と、第２のパルス光を出力する第２レーザ光源と、第１レーザ光源から出力された第１のパルス光を増幅または伝送する第１光ファイバ（例えば、実施形態における第１ファイバ増幅器２１の増幅用ファイバ）と、第２レーザ光源から出力された第２のパルス光を増幅または伝送する第２光ファイバ（例えば、実施形態における第２ファイバ増幅器２２の増幅用ファイバ）と、第１光ファイバから出射した第１のパルス光が伝播する第１系列、第２光ファイバから出射した第２のパルス光が伝播する第２系列、および、第１系列を伝播した第１のパルス光と第２系列を伝播した第２のパルス光とが重ね合わされて入射する第３系列を有する波長変換光学系とを備える。

第１レーザ光源および第２レーザ光源には、レーザ光を発生する光源と、光源により発生されたレーザ光のパルス波形（強度変化の時間軸波形）を調整して出力可能に構成された波形整形手段（例えば、実施形態における第１強度変調器１１２、第２強度変調器１２２、第１強度変調器駆動電源１１３、第２強度変調器駆動電源１２３および制御部８０等）とを有する。第３系列には、第１系列を伝播した第１のパルス光と第２系列を伝播した第２のパルス光とに基づいて、和周波発生により変換パルス光を発生させる波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３６）を有する。そして、波形整形手段が、波長変換光学素子において発生する変換パルス光の位相が略一定になるように、第１のパルス光のパルス波形および第２のパルス光のパルス波形を調整設定するように構成される。

なお、前記波形整形手段は、変換パルス光の位相が、変換パルス光のパルスエネルギーの大部分が含まれる時間領域で略一定になるように、第１のパルス光のパルス波形および前記第２のパルス光のパルス波形を調整設定するように構成することができる。

また、前記第１系列を伝播して波長変換光学素子に入射する第１のパルス光に生じる位相変調をψ₁(t)、前記第２系列を伝播して波長変換光学素子に入射する第２のパルス光に生じる位相変調をψ₂(t)としたときに、前記波形整形手段は、変換パルス光のパルスエネルギーの大部分が含まれる時間領域でψ₁(t)とψ₂(t)の和（ψ₁(t)＋ψ₂(t)）が略一定になるように、第１のパルス光のパルス波形および第２のパルス光のパルス波形を調整設定するように構成することができる。

また、前記第１光ファイバにおいて生じる自己位相変調をφ₁(t)、前記第２光ファイバにおいて生じる自己位相変調をφ₂(t)とする。また、第１光ファイバから出射した第１のパルス光は第１系列を伝播する過程で第ｍ次高調波に波長変換されて波長変換光学素子に入射し、第２光ファイバから出射した第２のパルス光は第２系列を伝播する過程で第ｎ次高調波に波長変換されて波長変換光学素子に入射して、波長変換光学素子において第ｍ次高調波と第ｎ次高調波との和周波発生により前記変換パルス光が発生されるとする。このとき、前記波形整形手段は、変換パルス光のパルスエネルギーの大部分が含まれる時間領域でｍ×φ₁(t)とｎ×φ₂(t)との和（ｍφ₁(t)＋ｎφ_２(t)）が略一定になるように、第１のパルス光のパルス波形および第２のパルス光のパルス波形を調整設定するように構成することができる。

後に説明するように、自己位相変調φ₁(t)の第１のパルス光が第１系列を伝播する過程で第ｍ次高調波に波長変換されるとき、第１系列を伝播した第１のパルス光に生じる位相変調ψ₁(t)はｍ×φ₁(t)となる。同様に、自己位相変調φ₂(t)の第２のパルス光が第２系列を伝播する過程で第ｎ次高調波に波長変換されるとき、第２系列を伝播した第２のパルス光に生じる位相変調ψ₂(t)はｎ×φ₂(t)となる。また、ここで述べたことは、第１のパルス光の周波数をω₁、第２のパルス光の周波数をω₂とするとき、変換パルス光の周波数がｍ×ω₁＋ｎ×ω₂に等しい場合に一般的に適用できる。すなわち、変換パルス光へ至る波長変換過程の詳細にはよらず、例えば、周波数がｍ×ω₁＋（ｎ−１）×ω₂のパルス光と周波数がω₂のパルス光との和周波によって変換パルス光を得る場合においても同様に適用できる。このことは、高調波あるいは和周波の振幅は近似的には基本波振幅の積で表される事、従って位相に関しては基本波の位相の和である事から理解できる（後述する式（８）〜式（１１）を参照）。

また、前記第１レーザ光源および前記第２レーザ光源は、ＣＷ光またはオン時間が充分に長いパルス光を発生する光源を有し、前記波形整形手段は、光源により発生されたＣＷ光またはオン時間が充分に長いパルス光の一部を切り出して第１のパルス光を出力する第１強度変調器と、光源により発生されたＣＷ光またはオン時間が充分に長いパルス光の一部を切り出して第２のパルス光を出力する第２強度変調器とを備え、第１強度変調器および第２強度変調器が、波長変換光学素子において発生する変換パルス光の位相が略一定になるように、第１のパルス光および第２のパルス光を切り出すように構成することができる。

なお、強度変調器は強度変調型の電気光学変調器とすることができる。また、増幅用または伝送用の光ファイバはシングルモードファイバとすることができる。

本発明を例示する他の態様は露光装置である。この露光装置は、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルスレーザ装置と、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、パルス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。

本発明を例示するさらに他の態様は検査装置である。この検査装置は、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルスレーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、パルス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。

本発明を例示する態様のパルスレーザ装置においては、第１レーザ光源および第２レーザ光源に波形整形手段が設けられ、この波形整形手段が、波長変換光学素子において発生する変換パルス光の位相が略一定になるように、第１のパルス光のパルス波形および第２のパルス光のパルス波形を調整設定するように構成される。そのため、光ファイバ内で生じるＳＰＭが比較的大きい場合でも狭帯域のパルス光を出力可能なパルスレーザ装置を提供することができる。

本発明の原理について説明するため、モデルとして示すパルスレーザ装置の概略図である。本発明の適用例として示す、パルスレーザ装置の全体図である。上記パルスレーザ装置における、レーザ光源部の第１構成例のブロック図である。上記パルスレーザ装置における、レーザ光源部の第２構成例のブロック図である。上記パルスレーザ装置における、波長変換部の構成を主体として示すブロック図である。出力光である第８高調波の「位相」という観点で、図５に示す波長変換光学系を整理したときのブロック図である。第５高調波発生用の第１のパルス光のパルス波形と、第３高調波発生用の第２のパルス光のパルス波形とを示すグラフである。本発明のパルスレーザ装置における、第１のパルス光（第５高調波）と第２のパルス光（第３高調波）との和周波で発生する第８高調波のパルス波形と位相変化とを示すグラフである。従来のパルスレーザ装置における、第１のパルス光（第５高調波）と第２のパルス光（第３高調波）との和周波で発生する第８高調波のパルス波形と位相変化とを示すグラフである。本発明のパルスレーザ装置で発生させた第８高調波のスペクトルと、従来のパルスレーザ装置で発生させた第８高調波のスペクトルとを比較したグラフである。本発明のパルスレーザ装置における、レーザ光源部の第３構成例のブロック図である。パルス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。パルス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説明する。本発明を適用したパルスレーザ装置の一例として、図２に、赤外波長のパルス光を増幅し紫外波長のパルス光に波長変換して出力するパルスレーザ装置１の全体図を示す。パルスレーザ装置１は、赤外波長のパルス光を出力するレーザ光源部１０、レーザ光源部１０から出力されたパルス光を増幅する増幅部２０、増幅部２０により増幅された赤外波長のパルス光を紫外波長のパルス光に波長変換する波長変換部３０、および、これら各部の作動を制御する制御部８０などから構成される。

レーザ光源部１０は、第１のパルス光Ｌ₁を出力する第１レーザ光源１１と、第２のパルス光Ｌ₂を出力する第２レーザ光源１２とを有して構成される。レーザ光源部１０の構成例を図３に示す。本構成例においては、第１レーザ光源１１は、レーザ光を発生する光源１１１と、光源１１１で発生したレーザ光の一部を切り出す第１強度変調器１１２と、第１強度変調器１１１を駆動する第１強度変調器変調器駆動電源１１３とを備えて構成される。同様に、第２レーザ光源１２は、レーザ光を発生する光源１２１と、光源１２１で発生したレーザ光の一部を切り出す第２強度変調器１２２と、第２強度変調器１２２を駆動する第２強度変調器変調器駆動電源１２３とを備えて構成される。第１強度変調器駆動電源１１３および第２強度変調器変調器駆動電源１２３には、共通のクロックパルスが入力されており、各強度変調器駆動電源がクロックパルスを基準として強度変調器の駆動信号を生成し、各強度変調器を駆動する。

レーザ光源部１０の他の構成例を図４に示す。本構成例においては、第１レーザ光源１１および第２レーザ光源１２は、上述した個別の光源１１１，１２１に換えて、両者に共通の光源１１０と、光源１１０により発生されたレーザ光を２分割する分岐カプラ１１５とを有して構成される。そして分岐カプラ１１５により分岐された一方の光路に第１強度変調器１１２を設けることにより第１レーザ光源１１が形成され、他方の光路に第２強度変調器１２２を設けることにより第２レーザ光源１２が形成される。

本実施形態では、第１レーザ光源１１および第２レーザ光源１２から、ともに波長が１５４７ｎｍの第１のパルス光Ｌ₁および第２のパルス光Ｌ₂を出力し、増幅部２０で増幅された第１のパルス光Ｌ_p1および第２のパルス光Ｌ_p2を波長変換部３０において波長１９３ｎｍに波長変換する場合について説明する。そのため、レーザ光源部１０は、図３に示した構成および図４に示した構成のいずれを用いても良い。以下では、レーザ光源部１０として図４に示した構成を用いた場合を主体として説明する。

波長が１５４７ｎｍのレーザ光を発生する光源１１０（１１１，１２１）として、発振波長が１．５μｍ帯のＤＦＢ半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feedback Laser Diode）を好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ペルチェ素子等を利用した温度調整器により温度制御した状態で発振させることにより、波長１５４７ｎｍの単一波長のシード光を発生させることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することによりＣＷ（Continuous Wave）発振またはパルス発振させることができる。また、光源１１０で発生したレーザ光の一部を切り出す第１強度変調器１１２および第２強度変調器１２２として、強度変調型の電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro Optic Modulator）であるＥＯ強度変調器を好適に用いることができる。

パルスレーザ装置１においては、光源１１０をＣＷで発振させる。そして、第１レーザ光源１１において第１強度変調器１１２によりＣＷ光の一部を切り出して第１のパルス光Ｌ₁を出力させ、第２レーザ光源１２において第２強度変調器１２２によりＣＷ光の一部を切り出して第２のパルス光Ｌ₂を出力させる。このように、ＤＦＢ半導体レーザからＣＷ光を出力し、その一部を第１，第２強度変調器１１２，１２２によって切り出すように構成すると、光源１１０（ＤＦＢ半導体レーザ）を直接パルス変調したときに発生するチャープを伴うことがなく、フーリエ限界に近い極めて狭帯域のパルス光を発生させることができる。なお、第１，第２のパルス光Ｌ₁，Ｌ₂のスペクトル幅は多少拡がるが、光源１１０からオン時間が充分に長いパルス光を出力し、第１，第２強度変調器１１２，１２２によって各々その一部を切り出すように構成しても良い。

増幅部２０は、第１レーザ光源１１から出力された第１のパルス光Ｌ₁を増幅する第１ファイバ増幅器２１と、第２レーザ光源１２から出力された第２のパルス光Ｌ₂を増幅する第２ファイバ増幅器２２とを有して構成される。波長１５４７ｎｍの赤外光を増幅する第１ファイバ増幅器２１および第２ファイバ光増幅器２２として、増幅用ファイバのコアにエルビウム（Ｅｒ）がドープされたエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を好適に用いることができる。

これらのファイバ増幅器の増幅用ファイバは、シングルモードファイバおよびマルチモードファイバのいずれを用いることもできるが、モード径が小さく自己位相変調の影響を受けやすいシングルモードファイバの場合に、より大きな効果を得ることができる。換言すれば、以降詳細に説明するパルスレーザ装置１によれば、光ファイバ内で生じる自己位相変調の影響を排除して、シングルモードファイバを用いることができる。

第１ファイバ増幅器２１により増幅された第１のパルス光Ｌ_p1と、第２ファイバ増幅器２２により増幅された第２のパルス光Ｌ_p2は、増幅部２０から出射し、波長変換部３０に入射する。波長変換部３０の構成を主体として示すブロック図を図５に示す。光路上に楕円形ないし短冊形で示すものはビームを集光入射させるためのレンズであり、詳細説明を省略する。

波長変換部３０は、第１ファイバ増幅器２１から出射した第１のパルス光Ｌ_p1が伝播する第１系列Ｉと、第２ファイバ増幅器２２から出射した第２のパルス光Ｌ_p2が伝播する第２系列IIと、第１系列を伝播した第１のパルス光と第２系列を伝播した第２のパルス光とが重ね合わされて入射する第３系列IIIとからなる波長変換光学系を有して構成される。

第１系列Ｉには３つの波長変換光学素子３１，３２，３３が設けられており、第１系列Ｉに入射した波長が１５４７ｎｍで角周波数がωの第１のパルス光Ｌ_p1は、この第１系列Ｉを伝播する過程で順次２ω→３ω→５ωに波長変換され、発生した第５高調波５ωが第３系列IIIに入射する。第２系列IIには波長変換光学素子３４が設けられており、第２系列IIに入射した波長が１５４７ｎｍで角周波数がωの第２のパルス光Ｌ_p2は、この系列を伝播する過程で２ωに波長変換され、発生した第２高調波２ωと波長変換されずに透過した基本波ωが第３系列IIIに入射する。第３系列IIIには２つの波長変換光学素子３５，３６が設けられており、第３系列IIIに重ね合わされて入射した第１のパルス光の第５高調波５ωと、第２のパルス光の第２高調波２ωおよび基本波ωとが、この系列を伝播する過程で７ω→８ωに波長変換される。

第１系列Ｉに設けられた波長変換光学素子３１は、角周波数がωの第１のパルス光の第２高調波を発生する非線形光学結晶であり、例えば、ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ₃）結晶やＰＰＬＴ（Periodically Poled ＬiＴaＯ₃）結晶等を好適に用いることができる。波長変換光学素子３２は、波長変換光学素子３１で発生した第２高調波２ωと波長変換光学素子３１を透過した基本波ωとから、和周波発生により第３高調波３ωを発生させる非線形光学結晶であり、例えば、ＬＢＯ（ＬiＢ₃Ｏ₅）結晶を好適に用いることができる。波長変換光学素子３３は、波長変換光学素子３１で発生した第２高調波２ωと波長変換光学素子３２で発生した第３高調波３ωとから、和周波発生により第５高調波５ωを発生させる非線形光学結晶であり、例えばＢＢＯ（β-ＢaＢ₂Ｏ₄）結晶やＬＢＯ結晶等を好適に用いることができる。

第１系列Ｉを伝播し、波長変換光学素子３１，３２，３３を透過することにより波長が３０９ｎｍに波長変換された第１のパルス光の第５高調波５ωは、ダイクロイックミラー４１により反射され、第３系列IIIに入射する。

第２系列IIに設けられた波長変換光学素子３４は、角周波数がωの第２のパルス光の第２高調波を発生する非線形光学結晶であり、波長変換光学素子３１と同様に、ＰＰＬＮ結晶やＰＰＬＴ結晶等を好適に用いることができる。第２系列IIを伝播し、波長変換光学素子３４で波長が７７４ｎｍに波長変換された第２のパルス光の第２高調波２ω、および波長変換光学素子３４を透過した波長が１５４７ｎｍの第２のパルス光の基本波ωは、ダイクロイックミラー４１を透過し、第１のパルス光の第５高調波５ωと重ね合わされて、第３系列IIIに入射する。

第３系列IIIに設けられた波長変換光学素子３５は、第１系列Ｉで発生した第１のパルス光の第５高調波５ωと、第２系列IIで発生した第２のパルス光の第２高調波２ωとから、和周波発生により第７高調波７ωを発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ₆Ｏ₁₀）結晶を好適に用いることができる。波長変換光学素子３６は、波長変換光学素子３５で発生した第７高調波７ωと、波長変換光学素子３５を透過した第２のパルス光の基本波ωとから、和周波発生により波長が１９３ｎｍの第８高調波８ω（変換パルス光Ｌv）を発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶を好適に用いることができる。

そして、波長変換光学素子３６で発生した波長が１９３ｎｍの変換パルス光Ｌvが、波長変換部３０から出射し、パルスレーザ装置１から出力される。

以上のように概要構成されるパルスレーザ装置１において、第１強度変調器１１２および第２強度変調器１２２は、波長変換光学素子３６で発生する変換パルス光Ｌvの位相が略一定になるように、第１のパルス光のパルス波形（強度変化の時間軸波形）および第２のパルス光のパルス波形（同上）を調整設定する。具体的には、制御部８０が、第１強度変調器１１２を駆動する第１強度変調器駆動電源１１３の作動、および第２強度変調器１２２を駆動する第２強度変調器駆動電源１２３の作動を制御して、これらの強度変調器１１２，１２２によって切り出されるパルス光のパルス波形を調整設定する。

ここで、波長変換光学素子３６で発生する変換パルス光Ｌvは、第１ファイバ増幅器２１により増幅された第１のパルス光を基礎とする第５高調波５ωと、第２ファイバ増幅器２２により増幅された第２のパルス光を基礎とする第２高調波２ωおよび基本波ωとに基づいて発生される。そのため、変換パルス光Ｌvの「位相」という観点からは、第１ファイバ増幅器２１により増幅された第１のパルス光を基礎とする第５高調波５ωと、第２ファイバ増幅器２２により増幅された第２のパルス光を基礎とする第３高調波３ωとの和周波発生によって、基本波ωの第８高調波８ωを発生させる過程と等価になる。図６は、このように第８高調波８ωの「位相」という観点で、図５に示した波長変換光学系を整理したブロック図である。

このとき、基本波ωの第８高調波８ωである変換パルス光Ｌvの振幅Ａ_8ω(t)は、近似的に、次の（８）式で与えられる（既述した（６）式を参照）。

で与えられる。ここで、Ａ_3ω(t)およびＡ_5ω(t)は、それぞれ、第３高調波３ω、第５高調波５ωの振幅であり、近似的に以下のように表記できる。

（９）式におけるＡ₁(t)および（１０）式におけるＡ₂(t)は、それぞれ既述した（１）式および（４）式により与えられる。従って、Ａ_8ω(t)は次式のように書き表される。

より具体的に考えるために、第５高調波５ω発生用の基本波である第１のパルス光Ｌ_p1のパルス波形（時間軸波形）ｐ₁(t)＝｜Ａ₁(t)|²を次記（１２）式とし、第３高調波３ω発生用の基本波である第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形（時間軸波形）ｐ₂(t)＝｜Ａ₂(t)|²を、仮に次記（１３）式のようにおくこととする。

ここで、ｔ₀はパルス波形ｐ₁(t)において、強度がピーク値の１／ｅ以上になってから、強度が再びピーク値の１／ｅになるまでの時間幅（１／ｅ全幅）、ｔ₁はパルス波形ｐ₂(t)において、強度がピーク値の１／ｅ以上になってから、強度が再びピーク値の１／ｅになるまでの時間幅（１／ｅ全幅）である。ｐ₂(t)のexpの部分は、いわゆるスーパーガウシアン（super gaussian）であってフラットトップに近く、ｔ₁＞ｔ₀ならば、このexpの部分はｐ₁(t)のパルス波形の大部分でほぼ一定となる。

（１３）式中のｄｐ(t）は、次の（１４）式で与えられる波長変換後の第８高調波８ωの位相φ_8ω(t)が、第８高調波（変換パルス光）のパルスエネルギーの大部分（例えば９０％以上）が含まれる時間領域でほぼ一定になるように設定する。

すなわち、

（１５）式を（１３）式に適用することにより、第２のパルス光のパルス波形ｐ₂(t)は、次の（１６）式で求められる。

以上から、第５高調波５ω発生用の第１のパルス光Ｌ_p1を（１２）式で表されるようなパルス波形とし、第３高調波３ω発生用の第２のパルス光Ｌ_p2を（１６）式で表されるようなパルス波形とすることにより、変換パルス光である第８高調波８ωの位相をほぼ一定に保つこと、すなわちＳＰＭの影響を排除することができる。

具体的には、制御部８０は、第１強度変調器駆動電源１１３に対し、第１強度変調器１１２によって切り出される第１のパルス光Ｌ₁が（１２）式で表されるパルス波形となるような駆動信号を出力させる。同様に、制御部８０は、第２強度変調器駆動電源１２３に対し、第２強度変調器１２２によって切り出される第２のパルス光Ｌ₂が（１６）式で表されるパルス波形となるような駆動信号を出力させる。これにより、ＳＰＭの影響を排除し、フーリエ限界に近い極めて狭帯域のパルス光を出力することができる。

以下、具体的な実施例として、第１ファイバ増幅器２１のファイバ長Ｌ₁＝１ｍ、第２ファイバ増幅器２２のファイバ長Ｌ₂＝３ｍ、両光ファイバの導波モードの実効断面積Ａ_eff＝１．８×１０^-6ｃｍ²、第５高調波発生用の第１のパルス光および第３高調波発生用の第２のパルス光のピークパワーをｐ₁ ⁰＝ｐ₂ ⁰＝１０ｋＷとした場合のシミュレーション結果を例示する。

図７は、第５高調波発生用の第１のパルス光Ｌ_p1のパルス波形と、第３高調波発生用の第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形とを示すグラフである。図７における縦軸はピーク値を１に規格化したパワー、横軸は時間（ｎsec）であり、図中に、実線で第５高調波発生用の第１のパルス光Ｌ_p1のパルス波形ｐ₁(t)を、点線で第３高調波発生用の第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形ｐ₂(t)をプロットしている。この図から、（１２）式で表される第１のパルス光Ｌ_p1のパルス波形ｐ₁(t)＝｜Ａ₁(t)|²は、ｔ＝０に単一の極大値を有する山形の波形である一方、（１６）式で表される第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形ｐ₂(t)＝｜Ａ₂(t)|²は、ｔ＝０の極小値を挟んで前後に２つの極大値を有する波形となることがわかる。

図８は、第１のパルス光Ｌ_p1の第５高調波５ωと第２のパルス光Ｌ_p2の第３高調波３ωとの和周波で発生する第８高調波８ω（変換パルス光）Ｌvのパルス波形と位相変化とを示すグラフである。図８における縦軸はピーク値を１に規格化したパワーまたは位相、横軸は時間（ｎsec）であり、図中に、実線で第８高調波８ωのパルス波形｜Ａ₈(t)|²を、点線で第８高調波８ωの位相変化φ_8ω(t)をプロットしている。この図から、第８高調波（変換パルス光Ｌv）のパルスエネルギーの殆どが存在する時間領域で、位相が一定に保持されていることが理解される。

図９は、従来の方法、すなわち、第５高調波発生用の第１のパルス光Ｌ_p1と第３高調波発生用の第２のパルス光Ｌ_p2とを同じパルス波形とした場合の、第８高調波８ω（変換パルス光Ｌv）のパルス波形と位相変化とを示すグラフである。図９における縦軸および横軸は図８と同様であり、第８高調波８ωのパルス波形を実線、位相変化φ_8ω(t)を点線でプロットしている。図８と対比して明らかなように、従来の手法では、第８高調波（変換パルス光Ｌv）のパルスエネルギーが存在する時間領域で、位相が大きく変化していることがわかる。

図１０は、本発明を適用したパルスレーザ装置１で発生させた第８高調波のスペクトルと、従来のパルスレーザ装置で発生させた第８高調波のスペクトルとを比較したグラフである。図１０における縦軸は規格化したスペクトル強度、横軸は波長（ｐｍ）である。そして、図中に点線で示すものが従来パルスレーザ装置で発生させた第８高調波のスペクトル、実線で示すものが本発明を適用したパルスレーザ装置１で発生させた第８高調波８ωのスペクトルである。この図からわかる通り、本発明を適用したパルスレーザ装置１によれば、ほぼフーリエ限界（Transform limit）の狭帯域のスペクトルが得られる。一方、従来の方法では、ＳＰＭによる基本波のスペクトル拡大を反映して、第８高調波８ωのスペクトルも顕著に太くなっていることがわかる。

以上では、第１のパルス光Ｌ₁を出力する第１レーザ光源１１および第２のパルス光Ｌ₂を出力する第２レーザ光源１２として、ＣＷ光（またはオン時間が充分に長いパルス光）を発生する光源１１０（１１１，１２１）と、光源１１０により発生されたＣＷ光の一部を切り出して第１のパルス光を出力する第１強度変調器１１２および第２のパルス光を出力する第２強度変調器１２２とを設け、これらの強度変調器１１２，１２２の作動を制御することによって、第１のパルス光および第２のパルス光を上記のようなパルス波形のパルス光にする構成を例示した（図３、図４、および関連する説明部分を参照）。

しかし、第１のパルス光Ｌ₁および第２のパルス光Ｌ₂は、上記のようにＣＷ光（またはオン時間が充分に長いパルス光）の一部を強度変調器により切り出して形成する方法の他、狭帯域のパルス光を分割しおよび合成することによって形成することも可能である。図１１に、狭帯域のパルス光を分割しおよび合成することによって第１のパルス光Ｌ₁と第２のパルス光Ｌ₂とを形成するレーザ光源部１５（第１レーザ光源１６および第２レーザ光源１７）の構成例を示す。

本構成のレーザ光源部１５において、第１レーザ光源１６および第２レーザ光源１７は、共通の光源１５０を有する。光源１５０は狭帯域のパルス光を発生するレーザ光源であり、例えばモードロックレーザが好適に用いられる。光源１５０により発生された原パルス光は、分岐カプラ１５１により２分割され、一方が第５高調波発生用の第１レーザ光源１６に入射し、他方が第３高調波発生用の第２レーザ光源１７に入射する。第１レーザ光源１６には第１遅延構造１６５が設けられる。第２レーザ光源１７には、分岐・合成される第１導波路１７２と第２導波路１７３との光路長差を利用した第２遅延構造１７５が設けられる。

分岐し合成される第１導波路１７２および第２導波路１７３は、例えばニオブ酸リチウム（LiNbO₃：ＬＮ）結晶に一体的に形成される。第２遅延構造１７５は、例示するような非対称な導波路構成により、第１導波路１７２と第２導波路１７３とに光路長差を設け、第１導波路１７２を通るパルス光に対して第２導波路１７３を通るパルス光に遅延を与える。第１導波路１７２と第２導波路１７３との光路長差は、合成された後のパルス波形が、図７に点線で示した第３高調波発生用の第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形ｐ₂(t)と同様になるように、すなわち、第１導波路１７２を通ったパルス光に対する第２導波路１７３を通ったパルス光の遅延時間が、パルス波形ｐ₂(t)における２つの極大値の時間間隔となるように設定される。第２導波路１７３には、この光路の屈折率を変化させる電極１７４が設けられており、電極１７４に印可する電圧（ＥＯ強度変調器におけるバイアス電圧に相当する）を調整することにより、第１導波路１７２を通ったパルス光と第２導波路１７３を通ったパルス光との位相差を、精密に（＜λ/１０〜０．１μｍ）制御することができる。これにより、第１導波路１７２を通ったパルス光と第２導波路１７３を通ったパルス光とが高効率で結合される。

第１レーザ光源１６に設けられた第１遅延構造１６５は、第８高調波発生用の波長変換光学素子（波長変換光学素子３６）において、図７に点線で示した第３高調波発生用の第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形ｐ₂(t)に対して、実線で示した第５高調波発生用の第１のパルス光Ｌ_p1のパルス波形ｐ₁(t)と同様の関係になるように遅延時間が設定される。すなわち、第２のパルス光Ｌ_p2のパルス波形ｐ₂(t)における極小値と第１のパルス光Ｌ_p1のパルス波形ｐ₁(t)の極大値とが一致するように遅延時間が設定される。第１遅延構造１６５として、光路長を調整設定可能な光遅延回路や、ファイバ長を調整した遅延ファイバ（Delay Line）等を用いることができる。

このような構成によれば、本来的に狭帯域のパルス光が得られるモードロックレーザを用い、ファイバカプラと第１，第２遅延構造を用いた簡明な構成で、狭帯域のパルス光を出力可能なパルスレーザ装置を構成することができる。

以上説明したように、本発明のパルスレーザ装置１においては、第１レーザ光源が出力する第１のパルス光Ｌ₁および第２レーザ光源が出力する第２のパルス光Ｌ₂は、第３系列に設けられた波長変換光学素子において発生する変換パルス光の位相が略一定になるように、パルス波形が調整設定される。そのため、光ファイバ内で生じるＳＰＭが比較的大きく、単段の位相変調器では補償が難しいような場合でも、狭帯域のパルス光を出力可能なパルスレーザ装置を提供することができる。

なお、以上では、第５高調波発生用の基本波パルス光をパルス波形がｐ₁(t)の第１のパルス光とし、第３高調波発生用の基本波パルス光をパルス波形がｐ₂(t)の第２のパルス光としたが、これらは逆であっても良い。また、レーザ光源部１０で発生し増幅部２０で増幅する基本波ωの波長を１５４７ｎｍとし、波長変換部３０の終段で和周波発生により波長１９３ｎｍの第８高調波８ωを発生させる場合について説明したが、基本波ωの波長や和周波発生により発生させる高次高調波の波長等は適宜に設定することができる。例えば、基本波ωの波長を１０６４ｎｍとし、波長変換部３０で基本波ωと第２高調波２ωとの和周波発生により波長３５５ｎｍの第３高調波を発生させるような場合でも同様に適用し、同様の効果を得ることができる。さらに、第１のパルス光Ｌ₁の波長（第１基本波の波長）と第２のパルス光Ｌ₂の波長（第２基本波の波長）とが異なる場合においても、同様に適用し同様の効果を得ることができる。

以上説明したようなパルスレーザ装置１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。

パルスレーザ装置１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１２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、上述したパルスレーザ装置１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、パルスレーザ装置１から出力された変換パルス光Ｌv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、パルスレーザ装置１から出力された変換パルス光Ｌv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、パルスレーザ装置１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１３を参照して説明する。図１３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、前述したパルスレーザ装置１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、パルスレーザ装置１から出力された変換パルス光Ｌv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、パルスレーザ装置１から出力された変換パルス光Ｌv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。

１パルスレーザ装置
１０レーザ光源部（１１第１レーザ光源、１２第２レーザ光源）
１５レーザ光源（１６第１レーザ光源、１７第２レーザ光源）
２０増幅部（２１第１ファイバ増幅器、２２第２ファイバ増幅器）
３０波長変換部（３１〜３６波長変換光学素子）
８０制御部
１１０光源
１１１光源
１１２第１強度変調器（波形整形手段）
１１３第１強度変調器変調器駆動電源（波形整形手段）
１１５分岐カプラ
１２１光源
１２２第２強度変調器（波形整形手段）
１２３第２強度変調器変調器駆動電源（波形整形手段）
１５０光源
１５１分岐カプラ（波形整形手段）
１６５第１遅延構造（波形整形手段）
１７２第１導波路
１７３第２導波路
１７４電極
１７５第２遅延構造（波形整形手段）
Ｉ波長変換光学系の第１系列
II 波長変換光学系の第２系列
III 波長変換光学系の第３系列
Ｌ₁ 第１のパルス光
Ｌ₂ 第２のパルス光
Ｌ_p1 第１ファイバ増幅器により増幅された第１のパルス光
Ｌ_p2 第２ファイバ増幅器により増幅された第２のパルス光
Ｌv 変換パルス光
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

第１のパルス光を出力する第１レーザ光源と、
第２のパルス光を出力する第２レーザ光源と、
前記第１レーザ光源から出力された第１のパルス光を増幅または伝送する第１光ファイバと、
前記第２レーザ光源から出力された第２のパルス光を増幅または伝送する第２光ファイバと、
前記第１光ファイバから出射した第１のパルス光が伝播する第１系列、前記第２光ファイバから出射した第２のパルス光が伝播する第２系列、および前記第１系列を伝播した第１のパルス光と前記第２系列を伝播した第２のパルス光とが重ね合わされて入射する第３系列を有する波長変換光学系とを備え、
前記第１レーザ光源および前記第２レーザ光源には、レーザ光を発生する光源と、前記光源により発生されたレーザ光のパルス波形を調整して出力可能に構成された波形整形手段とを有し、
前記第３系列には、前記第１系列を伝播した第１のパルス光と前記第２系列を伝播した第２のパルス光とに基づいて、和周波発生により変換パルス光を発生させる波長変換光学素子を有し、
前記波形整形手段は、前記波長変換光学素子において発生する前記変換パルス光の位相が略一定になるように、前記第１のパルス光のパルス波形および前記第２のパルス光のパルス波形を調整設定するように構成したことを特徴とするパルスレーザ装置。
前記波形整形手段は、前記変換パルス光の位相が、前記変換パルス光のパルスエネルギーの大部分が含まれる時間領域で略一定になるように、前記第１のパルス光のパルス波形および前記第２のパルス光のパルス波形を調整設定することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
前記第１系列を伝播して前記波長変換光学素子に入射する第１のパルス光に生じる位相変調をψ₁(t)、前記第２系列を伝播して前記波長変換光学素子に入射する第２のパルス光に生じる位相変調をψ₂(t)としたときに、
前記波形整形手段は、前記変換パルス光のパルスエネルギーの大部分が含まれる時間領域で前記ψ₁(t)と前記ψ₂(t)の和が略一定になるように、前記第１のパルス光のパルス波形および前記第２のパルス光のパルス波形を調整設定することを特徴とする請求項１または２に記載のパルスレーザ装置。
前記第１光ファイバにおいて生じる自己位相変調をφ₁(t)、前記第２光ファイバにおいて生じる自己位相変調をφ₂(t)とし、
前記第１光ファイバから出射した第１のパルス光は、前記第１系列を伝播する過程で第ｍ次高調波に波長変換されて前記波長変換光学素子に入射し、
前記第２光ファイバから出射した第２のパルス光は、前記第２系列を伝播する過程で第ｎ次高調波に波長変換されて前記波長変換光学素子に入射し、
前記波長変換光学素子において前記第ｍ次高調波と前記第ｎ次高調波との和周波発生により前記変換パルス光が発生されるとしたときに、
前記波形整形手段は、前記変換パルス光のパルスエネルギーの大部分が含まれる時間領域でｍ×φ₁(t)とｎ×φ₂(t)との和が略一定になるように、前記第１のパルス光のパルス波形および前記第２のパルス光のパルス波形を調整設定することを特徴とする請求項１または２に記載のパルスレーザ装置。
前記第１レーザ光源および前記第２レーザ光源は、ＣＷ光またはオン時間が充分に長いパルス光を発生する光源を有し、
前記波形整形手段は、前記光源により発生されたＣＷ光またはオン時間が充分に長いパルス光の一部を切り出して前記第１のパルス光を出力する第１強度変調器と、前記光源により発生されたＣＷ光またはオン時間が充分に長いパルス光の一部を切り出して前記第２のパルス光を出力する第２強度変調器とを備え、
前記第１強度変調器および前記第２強度変調器が、前記波長変換光学素子において発生する前記変換パルス光の位相が略一定になるように、前記第１のパルス光および前記第２のパルス光を切り出すように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルスレーザ装置。
前記第１強度変調器および前記第２強度変調器は、強度変調型の電気光学変調器であることを特徴とする請求項５に記載のパルスレーザ装置。
前記光ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のパルスレーザ装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルスレーザ装置と、
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、
前記パルス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前記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１〜７のいずれか一項に記載のパルスレーザ装置と、
被検物を保持する被検物支持部と、
前記パルス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。