JP2001085771A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化でメンテナンスが容易であると共に、
レーザ光の照射を開始する際に光サージによって出力が
変動しないレーザ装置を提供する。 【解決手段】 単一波長発振レーザ１１からのレーザ光
ＬＢ１を光変調素子１２を介して光ファイバー増幅器１
３に供給し、ここで増幅されたレーザ光をスプリッタ１
４，１６−１〜１６−ｍ等を介して分岐して、光増幅ユ
ニット１８−１〜１８−ｎを用いて増幅して光ファイバ
ー・バンドル１９に束ねた後、波長変換部２０によって
紫外光のレーザ光ＬＢ５に変換する。紫外光を出力する
期間では、光変調素子１２からパルス光を出力し、紫外
光を出力しない期間においても、光変調素子１２から紫
外光を出力する期間と平均出力がほぼ同じでピークレベ
ルがかなり低いレーザ光を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外光を発生する
レーザ装置に関し、特に半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ
など）、液晶表示素子、プラズマディスプレイ素子、及
び薄膜磁気ヘッドなどのマイクロデバイスを製造するた
めのフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置の露
光光源や計測用光源に使用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体集積回路を製造するための
フォトリソグラフィ工程で使用される露光装置は、マス
クとしてのレチクル（フォトマスク）上に精密に描かれ
た回路パターンを、基板としてのフォトレジストを塗布
したウエハ上に光学的に縮小して投影露光する。この露
光時におけるウエハ上での最小パターン寸法（解像度）
を小さくするのに最も単純かつ有効な方法の一つは、露
光光の波長（露光波長）を小さくすることである。ここ
で露光光の短波長化の実現と合わせて、露光光源を構成
する上で備えるべきいくつかの条件につき説明する。

【０００３】第１に、例えば数ワットの光出力が求めら
れる。これは集積回路パターンの露光、転写に要する時
間を短くして、スループットを高めるために必要であ
る。第２に、露光光が波長３００ｎｍ以下の紫外光の場
合には、投影光学系の屈折部材（レンズ）として使用で
きる光学材料が限られ、色収差の補正が難しくなってく
る。このため露光光の単色性が必要であり、露光光のス
ペクトル線幅は１ｐｍ程度以下にすることが求められ
る。

【０００４】第３に、このスペクトル線幅の狭帯化に伴
い時間的コヒーレンス（可干渉性）が高くなるため、狭
い線幅の光をそのまま照射すると、スペックルと呼ばれ
る不要な干渉パターンが生ずる。従ってこのスペックル
の発生を抑制するために、露光光源では空間的コヒーレ
ンスを低下させる必要がある。これらの条件を満たす従
来の短波長の光源の一つは、レーザの発振波長自身が短
波長であるエキシマレーザを用いた光源であり、もう一
つは赤外又は可視域のレーザの高調波発生を利用した光
源である。

【０００５】このうち、前者の短波長光源としては、Ｋ
ｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）が使用されてお
り、現在では更に短波長のＡｒＦエキシマレーザ（波長
１９３ｎｍ）を使用する露光装置の開発が進められてい
る。更に、エキシマレーザの仲間であるＦ₂ レーザ（波
長１５７ｎｍ）の使用も提案されている。しかし、これ
らのエキシマレーザは大型であること、発振周波数が現
状では数ｋＨｚ程度であるため、単位時間当たりの照射
エネルギーを高めるためには１パルス当たりのエネルギ
ーを大きくする必要があり、このためにいわゆるコンパ
クション等によって光学部品の透過率変動等が生じやす
いこと、メインテナンスが煩雑でかつ費用が高額となる
ことなどの種々の問題があった。

【０００６】また後者の方法としては、非線形光学結晶
の２次の非線形光学効果を利用して、長波長の光（赤外
光、可視光）をより短波長の紫外光に変換する方法があ
る。例えば文献「"Longitudinally diode pumped conti
nuous wave 3.5W green laser",L. Y. Liu, M. Oka, W.
Wiechmann and S. Kubota; Optics Letters, vol.19,p
189(1994)」では、半導体レーザ光で励起された固体レ
ーザからの光を波長変換するレーザ光源が開示されてい
る。この従来例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの発する１０
６４ｎｍのレーザ光を、非線形光学結晶を用いて波長変
換し、４倍高調波の２６６ｎｍの光を発生させる方法が
記載されている。なお、固体レーザとは、レーザ媒質が
固体であるレーザの総称である。

【０００７】また、例えば特開平８−３３４８０３号公
報では、半導体レーザを備えたレーザ光発生部と、この
レーザ光発生部からの光を非線形光学結晶により紫外光
に波長変換する波長変換部とから構成されるレーザ要素
を複数個、マトリックス状（例えば１０×１０）に束ね
たアレイレーザが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の従来
のアレイレーザでは、個々のレーザ要素の光出力を低く
抑えつつ、装置全体の光出力を高出力とすることがで
き、各非線形光学結晶への負担を軽減することができ
る。しかし、一方では、個々のレーザ要素が独立してい
ることから、露光装置への適用を考慮した場合には、レ
ーザ要素全体でその発振スペクトルを全幅で１ｐｍ程度
以下まで一致させる必要がある。

【０００９】このため、例えば、各レーザ要素に自律的
に同一波長の単一縦モード発振をさせるためには、各々
のレーザ要素の共振器長を調整し、あるいは共振器中に
波長選択素子を挿入したりする必要があった。しかし、
これらの方法は、その調整が微妙であること、構成する
レーザ要素が多くなればなるほど全体を同一波長で発振
させるのに複雑な構成が必要になること等の問題があっ
た。

【００１０】一方、これら複数のレーザを能動的に単一
波長化する方法としてインジェクションシード法がよく
知られている（例えば、「Walter Koechner; Solid-sta
te Laser Engineering, 3rd Edition, Springer Series
in Optical Science, Vol.1, Springer-Verlag, ISBN
0-387-53756-2, p246-249」参照）。これは、発振スペ
クトル線幅の狭い単一のレーザ光源からの光を複数のレ
ーザ要素に分岐し、このレーザ光を誘導波として用いる
ことにより、各レーザ要素の発振波長を同調させ、かつ
スペクトル線幅を狭帯域化するという方法である。しか
し、この方法では、シード光を各レーザ要素に分岐する
光学系や、発振波長の同調制御部を必要とするため構造
が複雑になるという問題があった。

【００１１】更に、このようなアレイレーザは、従来の
エキシマレーザに比べて装置全体を格段に小さくするこ
とが可能だが、それでもアレイ全体の出力ビーム径を数
ｃｍ以下におさえるパッケージングは困難であった。ま
た、このように構成されたアレイレーザでは、各アレイ
ごとに波長変換部が必要となるため高価となること、ア
レイを構成するレーザ要素の一部にアライメントずれが
生じた場合や構成する光学素子に損傷が発生した場合
に、このレーザ要素の調整をするためには、一度アレイ
全体を分解してこのレーザ要素を取り出し、調整した上
で再度アレイを組み立て直す必要があること、などの課
題があった。

【００１２】また、そのような光源を露光装置に用いた
場合には、ウエハ上の各ショット領域に順次露光を行う
際に露光光としての紫外光の照射（オン）と照射停止
（オフ）とを繰り返す必要があるが、例えば露光光の照
射を開始した直後等にも、露光光の出力（連続光では照
度、パルス光の場合にはパルスエネルギー）の変動が少
ないことが望ましい。

【００１３】本発明は斯かる点に鑑み、露光装置の光源
に使用できると共に、装置を小型化でき、かつメンテナ
ンスの容易なレーザ装置を提供することを第１の目的と
する。更に本発明は、レーザ光の外部への照射（オン）
を開始した直後にも目標とする出力が得られるレーザ装
置を提供することを第２の目的とする。

【００１４】更に本発明は、発振周波数を高くして、か
つ空間的コヒーレンスを低減できると共に、全体として
の発振スペクトル線幅を簡単な構成で狭くできるレーザ
装置を提供することを第３の目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による第１のレー
ザ装置は、紫外光を発生するレーザ装置であって、赤外
域から可視域までの波長範囲内で単一波長のレーザ光を
発生するレーザ光発生部（１１）と、このレーザ光発生
部から発生されるレーザ光の変調を行う光変調部（１
２）と、この光変調部から発生されたレーザ光を増幅す
る光ファイバー増幅器（２２，２５）を有する光増幅部
（１８−１〜１８−ｎ）と、この光増幅部によって増幅
されたレーザ光を非線形光学結晶（５０２〜５０４）を
用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備
え、その光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前
記レーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記
光増幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中にも
前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記
光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給するものであ
る。

【００１６】斯かる本発明のレーザ装置によれば、その
レーザ光発生部としては、例えば発振波長が制御された
ＤＦＢ（Distributed feedback）半導体レーザ、又はフ
ァイバーレーザ等の小型で発振スペクトルの狭い光源を
使用することができる。そして、そのレーザ光発生部か
らの単一波長のレーザ光を光変調部において光ファイバ
ー増幅器で十分な増幅利得が得られるような高い周波数
でパルス変調し、このパルス変調後のレーザ光を光ファ
イバー増幅器で増幅した後、非線形光学結晶で紫外光に
変換することによって、高出力で単一波長の狭いスペク
トル幅の紫外光を得ることができる。従って、小型でか
つメンテナンスの容易なレーザ装置を提供できる。

【００１７】この場合、光ファイバー増幅器としては、
例えばエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・光ファイバー増幅
器（Erbium-Doped Fiber Amplifier: ＥＤＦＡ）、イッ
テルビウム（Ｙｂ）・ドープ・光ファイバー増幅器（Ｙ
ＤＦＡ）、プラセオジム（Ｐｒ）・ドープ・光ファイバ
ー増幅器（ＰＤＦＡ）、又はツリウム（Ｔｍ）・ドープ
・光ファイバー増幅器（ＴＤＦＡ）等を使用することが
できる。しかしながら、最終的に得られる紫外光を照射
停止（オフ）から照射（オン）に切り換えるために、単
にその光変調部から出力されるパルス列をオフからオン
に切り換えると、光ファイバー増幅器中に貯えられてい
た光エネルギーが瞬時に出力されるため、光ファイバー
増幅器からオンの直後に出力されるパルス光が、定常状
態で増幅されるパルス列に比べて大きくなる現象である
「光サージ」が生じる。これに伴い波長変換した紫外光
の出力も目標値に対して変動する。

【００１８】そのような光サージの影響を低減するため
に、本発明ではオフの期間中にも前記紫外光の出力に実
質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な
波長域の光を供給する。これによって、紫外光の出力が
安定する。そのように紫外光の出力に実質的に影響を与
えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供
給するために、第１の方法として、オンの期間（紫外光
を出力する期間）では、所望の強度のパルス列を所望の
タイミングで光増幅部に出力し、オフの期間（紫外光を
出力しない期間）では、小さいピークレベルでほぼ一定
強度の連続光、又は小さいピークレベルで１周期に対す
るハイレベル“１”の割合（デューティ比）が１００％
に近いパルス列を光増幅部に出力する。更に、その光増
幅部に供給される光をオンの期間のピークレベルに対し
てオフの期間のピークレベルを１／１０以下として、オ
ンの期間にその光増幅部から出力される光の平均レベル
と、オフの期間に前記光増幅部から出力される光の平均
レベルとを実質的に等しくすることが望ましい。

【００１９】この場合、波長変換部での変換効率は、二
次高調波の場合には入力光のピーク強度の二乗、和周波
発生の場合には２つの入力光のピーク強度の積に比例す
る。露光装置用の紫外光発生のためには、通常は３段か
ら５段の波長変換を行うため、最終段の波長変換後の紫
外光の出力強度は入射する光（基本波）の強度のほぼ８
乗から１０乗に比例することになり、オフ状態での光増
幅部の出力が、紫外光に変換される効率はほぼ零であ
り、紫外光の出力はほぼ零となる。従って、本方法によ
れば、光サージの影響が軽減されると共に、紫外光の出
力強度はオンの期間で目標値となり、オフの期間ではほ
ぼ零となる状態が実現される。

【００２０】なお、光変調部からのオフ状態での出力強
度は、出力光量制御機構を用いて更に詳細に制御するこ
とも可能である。次に第２の方法として、そのレーザ光
発生部（基準光源）（１１）の他にそのレーザ光発生部
から発生するレーザ光（波長λ₁ とする）とは波長の異
なる補助光（波長λ₂ とする）を発生する補助光源（５
１）を備え、オフの期間中にはその光増幅部にその補助
光を供給する。この場合、その補助光の波長λ₂ は、そ
の波長変換部で波長変換できる許容波長範囲外の波長で
あり、且つ光ファイバー増幅器の利得幅内の波長である
ことが望ましい。これによって、最終的に出力される紫
外光に影響を与えることなく、その光ファイバー増幅器
の光サージを抑制できる。

【００２１】また、その補助光をそのレーザ光に合成す
るための波長分割多重（WavelengthDivision Multiplex
ing：ＷＤＭ）部材（５２）の設置位置は、変調装置
（１２）の入力部であっても出力部であってもよい。Ｗ
ＤＭ部材を変調装置の入力部に設置する場合には、その
基準光源としてのレーザ光発生部は、最終的に出力され
る紫外光と同位相で、即ち紫外光がオンの間はオンにな
り、オフの間はオフになるようにスイッチングを行う。
また、補助光源は、紫外光と逆位相で、即ちその紫外光
がオンの間はオフになり、紫外光がオフの間はオンにな
るタイミングでスイッチングを行う。そして、変調装置
では、紫外光のオン／オフによらずに常時パルス出力を
行うことも可能であり、あるいは紫外光のオン期間では
パルス出力を行い、紫外光のオフ期間では低いピークレ
ベルの一定レベルの出力、又は高いデューティ比のパル
ス出力を行うことも可能である。これらの中で、紫外光
がオフの状態で、波長λ₂ の光のみが光増幅部に出力さ
れる制御形態を選べばよい。

【００２２】また、ＷＤＭ部材（５２）を変調装置（１
２）の出力部に設置する場合には、紫外光がオフの状態
で、その補助光源からピークレベルの低い光を供給すれ
ばよい。次に、第３の方法として、そのレーザ光発生部
（基準光源）（１１）の他にそのレーザ光発生部から発
生するレーザ光とは偏光状態の異なる補助光を発生する
補助光源（５４）を備え、オフの期間中にはその光増幅
部にその補助光を供給する。この場合、そのレーザ発生
部からのレーザ光の偏光状態は、その波長変換部での紫
外光への変換効率が最大になる状態（例えば所定方向へ
の直線偏光）として、その補助光の偏光状態はその波長
変換部での紫外光への変換効率が最低になる状態（例え
ば偏光方向が直交する偏光光）とすることが望ましい。
これによって、紫外光がオフの状態では、光ファイバー
増幅器には補助光が供給されてその後の光サージが抑制
されると共に、波長変換部での変換効率はほとんど零で
あり、紫外光出力はほぼ零になる。

【００２３】この方法においても、その補助光をそのレ
ーザ光に合成するための偏波合成部材（５５）の設置位
置は、上記の第２の方法と同様に変調装置（１２）の入
力部であっても出力部であってもよく、その補助光のス
イッチングのタイミングも上記の第２の方法と同様でよ
い。これらの中で、紫外光がオフの状態で、その補助光
のみが光増幅部に供給される制御形態を選べばよい。

【００２４】これらの各レーザ装置においては、そのレ
ーザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光
分岐手段（１４，１６−１〜１６−ｍ）を更に備え、そ
の光増幅部（１８−１〜１８−ｎ）はその複数に分岐さ
れたレーザ光のそれぞれに独立に設けられると共に、そ
の波長変換部は、その複数の光増幅部から出力されたレ
ーザ光の束をまとめて波長変換することが望ましい。こ
のように光分岐手段で分岐したレーザ光に順次所定の光
路長差を付与することで、最終的に束ねられるレーザ光
の空間的コヒーレンスが低減できる。また、各レーザ光
は共通のレーザ光発生部から発生しているため、最終的
に得られる紫外光のスペクトル線幅は狭くなっている。

【００２５】更に、そのレーザ光は光変調部によって例
えば１００ｋＨｚ程度の高い周波数で容易に変調するこ
とができる。従って、エキシマレーザ光（周波数は数ｋ
Ｈｚ程度）を使用する場合に比べて、同じ照度を得るた
めにはパルスエネルギーを１／１０〜１／１００程度に
できるため、露光光源として用いた場合に、コンパクシ
ョン等による光学部材の透過率変動が殆ど無くなり、安
定にかつ高精度に露光を行うことができる。

【００２６】次に、本発明の波長変換部の構成について
は、複数の非線形光学結晶の２次高調波発生（ＳＨＧ）
及び和周波発生（ＳＦＧ）の組み合わせによって、基本
波に対して任意の整数倍の周波数（波長は整数分の１）
の高調波よりなる紫外光を容易に出力することができ
る。そして、例えばレーザ光発生部で波長が１．５μ
ｍ、特に１．５４４〜１．５５２μｍに限定されたレー
ザ光を放射し、波長変換部でその基本波の８倍高調波の
発生を行う構成によって、ＡｒＦエキシマレーザと実質
的に同一波長の１９３〜１９４ｎｍの紫外光が得られ
る。また、レーザ光発生部として波長が１．５μｍ付
近、特に１．５７〜１．５８μｍに限定されたレーザ光
を放射し、波長変換部でその基本波の１０倍高調波の発
生を行う構成によって、Ｆ₂ レーザと実質的に同一波長
の１５７〜１５８ｎｍの紫外光が得られる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
につき図面を参照して説明する。本例は、ステッパーや
ステップ・アンド・スキャン方式等の投影露光装置の紫
外域の露光光源、又はアライメントや各種検査用の光源
として使用できる紫外光発生装置に本発明のレーザ装置
を適用したものである。

【００２８】図１（ａ）は、本例の紫外光発生装置を示
し、この図１（ａ）において、レーザ光発生部としての
単一波長発振レーザ１１からスペクトル幅の狭い単一波
長の例えば連続波（ＣＷ）よりなる波長１．５４４μｍ
のレーザ光ＬＢ１が発生する。このレーザ光ＬＢ１は、
逆向きの光を阻止するためのアイソレータＩＳ１を介し
て光変調部としての光変調素子１２に入射し、ここでパ
ルス光のレーザ光ＬＢ２に変換されて光分岐増幅部４に
入射する。

【００２９】光分岐増幅部４に入射したレーザ光ＬＢ２
は、先ず前段の光増幅部としての光ファイバー増幅器１
３を通過して増幅された後、アイソレータＩＳ２を介し
て第１の光分岐素子としての平面導波路型のスプリッタ
１４に入射して、ｍ本のほぼ同一強度のレーザ光に分岐
される。ｍは２以上の整数であり、本例ではｍ＝４であ
る。光ファイバー増幅器１３としては、単一波長発振レ
ーザ１１から発生されるレーザ光ＬＢ１と同じ波長域
（本例では１．５４４μｍ付近）の光を増幅するため
に、エルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器（Erbium
-Doped Fiber Amplifier: ＥＤＦＡ）が使用されてい
る。なお、光ファイバー増幅器１３には不図示のカップ
リング用の波長分割多重素子を介して不図示の励起用の
半導体レーザからの波長９８０ｎｍの励起光が供給され
ている。エルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器（Ｅ
ＤＦＡ）には９８０ｎｍ又は１４８０ｎｍの励起光が使
用できる。しかしながら、非線形効果による波長の広が
りを防止するためには、励起光として波長９８０ｎｍの
レーザ光を使用して、ファイバー長を短くすることが望
ましい。これによって、１４８０ｎｍの光を励起光に使
用する場合に比べてＡＳＥ（Amplified Spontanious Em
ission）による光ファイバー増幅器１３のノイズを小さ
くできる。これは後段の光ファイバー増幅器についても
同様である。

【００３０】スプリッタ１４から射出されたｍ本のレー
ザ光は、互いに異なる長さの光ファイバー１５−１，１
５−２，…，１５−ｍを介してそれぞれ第２の光分岐素
子としての平面導波路型のスプリッタ１６−１，１６−
２，…，１６−ｍに入射して、それぞれほぼ同一強度の
ｎ本のレーザ光に分岐される。ｎは２以上の整数であ
り、本例ではｎ＝３２である。第１の光分岐素子（１
４）及び第２の光分岐素子（１６−１〜１６−ｍ）が本
発明の光分岐手段（光分割手段）に対応する。その結
果、単一波長発振レーザ１１から射出されるレーザ光Ｌ
Ｂ１は、全体としてｎ・ｍ本（本例では１２８本）のレ
ーザ光に分岐される。

【００３１】そして、スプリッタ１６−１から射出され
たｎ本のレーザ光ＬＢ３は、互いに異なる長さの光ファ
イバー１７−１，１７−２，…，１７−ｎを介してそれ
ぞれ後段の光増幅部としての光増幅ユニット１８−１，
１８−２，…，１８−ｎに入射して増幅される。光増幅
ユニット１８−１〜１８−ｎは、単一波長発振レーザ１
１から発生されるレーザ光ＬＢ１と同じ波長域（本例で
は１．５４４μｍ付近）の光を増幅する。同様に他のス
プリッタ１６−２〜１６−ｍから射出されたｎ本のレー
ザ光も、それぞれ互いに異なる長さの光ファイバー１７
−１〜１７−ｎを介して後段の光増幅部としての光増幅
ユニット１８−１〜１８−ｎに入射して増幅される。

【００３２】ｍ組の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ
で増幅されたレーザ光は、それぞれ光増幅ユニット１８
−１〜１８−ｎ内の所定の物質がドープされた光ファイ
バー（後述）の射出端の延長部を伝播し、これらの延長
部が光ファイバー・バンドル１９を構成する。光ファイ
バー・バンドル１９を構成するｍ組のｎ本の光ファイバ
ーの延長部の長さは互いにほぼ同一である。但し、光フ
ァイバー・バンドル１９をｍ・ｎ本の互いに同じ長さの
無ドープの光ファイバーを束ねて形成すると共に、光増
幅ユニット１８−１〜１８−ｎで増幅されたレーザ光を
それぞれ対応する無ドープの光ファイバーに導いてもよ
い。光ファイバー増幅器１３から光ファイバー・バンド
ル１９までの部材より光分岐増幅部４が構成されてい
る。

【００３３】光ファイバー・バンドル１９から射出され
たレーザ光ＬＢ４は、非線形光学結晶を有する波長変換
部２０に入射して紫外光よりなるレーザ光ＬＢ５に変換
され、このレーザ光ＬＢ５が露光光、アライメント光、
又は検査用の光として外部に射出される。ｍ組の光増幅
ユニット１８−１〜１８−ｎがそれぞれ本発明の光増幅
部に対応しているが、この光増幅部に光ファイバー・バ
ンドル１９の光ファイバーを含める場合もある。

【００３４】また、光ファイバー・バンドル１９の出力
端１９ａは、図１（ｂ）に示すように、ｍ・ｎ本（本例
では１２８本）の光ファイバーを密着するように、かつ
外形が円形になるように束ねたものである。実際には、
その出力端１９ａの形状及び束ねる光ファイバーの数
は、後段の波長変換部２０の構成、及び本例の紫外光発
生装置の使用条件等に応じて定められる。光ファイバー
・バンドル１９を構成する各光ファイバーのクラッド直
径は１２５μｍ程度であることから、１２８本を円形に
束ねた場合の光ファイバー・バンドル１９の出力端１９
ａの直径ｄ１は、約２ｍｍ以下とすることができる。

【００３５】また、本例の波長変換部２０では、入射す
るレーザ光ＬＢ４を８倍高調波（波長は１／８）、又は
１０倍高調波（波長は１／１０）よりなるレーザ光ＬＢ
５に変換する。単一波長発振レーザ１１から射出される
レーザ光ＬＢ１の波長は１．５４４μｍであるため、８
倍高調波の波長はＡｒＦエキシマレーザと同じ１９３ｎ
ｍとなり、１０倍高調波の波長はＦ₂ レーザ（フッ素レ
ーザ）の波長（１５７ｎｍ）とほぼ同じ１５４ｎｍとな
る。なお、レーザ光ＬＢ５の波長をよりＦ₂ レーザ光の
波長に近付けたい場合には、波長変換部２０で１０倍高
調波を生成すると共に、単一波長発振レーザ１１では波
長１．５７μｍのレーザ光を発生すればよい。

【００３６】実用的には、単一波長発振レーザ１１の発
振波長を１．５４４〜１．５５２μｍ程度に規定して、
８倍波に変換することにより、ＡｒＦエキシマレーザと
実質的に同一波長（１９３〜１９４ｎｍ）の紫外光が得
られる。そして、単一波長発振レーザ１１の発振波長を
１．５７〜１．５８μｍ程度に規定して、１０倍波に変
換することによってＦ₂ レーザと実質的に同一波長（１
５７〜１５８ｎｍ）の紫外光が得られる。従って、これ
らの紫外光発生装置をそれぞれＡｒＦエキシマレーザ光
源、及びＦ₂ レーザ光源に代わる安価でメンテナンスの
容易な光源として使用することができる。

【００３７】なお、最終的にＡｒＦエキシマレーザ、又
はＦ₂ レーザ等に近い波長域の紫外光を得る代わりに、
例えば製造対象の半導体デバイス等のパターンルールよ
り最適な露光波長（例えば１６０ｎｍ等）を決定し、こ
の理論的に最適な波長の紫外光を得るように単一波長発
振レーザ１１の発振波長や波長変換部２０における高調
波の倍率を決定するようにしてもよい。

【００３８】以下、本実施形態についてより詳細に説明
する。図１（ａ）において、単一波長で発振する単一波
長発振レーザ１１としては、例えば発振波長１．５４４
μｍ、連続波出力（以下、「ＣＷ出力」ともいう）で出
力が２０ｍＷのＩｎＧａＡｓＰ構造のＤＦＢ（Distribu
ted feedback：分布帰還型）半導体レーザを用いる。こ
こでＤＦＢ半導体レーザとは、縦モード選択性の低いフ
ァブリーペロー型共振器の代わりに、回折格子を半導体
レーザ内に形成したもので、どのような状況下であって
も単一縦モード発振を行うように構成されている。ＤＦ
Ｂ半導体レーザは、基本的に単一縦モード発振をするこ
とから、その発振スペクトル線幅は０．０１ｐｍ以下に
抑えられる。なお、単一波長発振レーザ１１としては、
同様の波長領域で狭帯域化されたレーザ光を発生する光
源、例えばエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー・
レーザ等をも使用することができる。

【００３９】更に、本例の紫外光発生装置の出力波長は
用途に応じて特定波長に固定することが望ましい。その
ため、マスター発振器(Master Oscillator) としての単
一波長発振レーザ１１の発振波長を一定波長に制御する
ための発振波長制御装置を設けている。本例のように単
一波長発振レーザ１１としてＤＦＢ半導体レーザを用い
る場合には、ＤＦＢ半導体レーザの温度制御を行うこと
により発振波長を制御することができ、この方法により
発振波長を更に安定化して一定の波長に制御したり、あ
るいは出力波長を微調整することができる。

【００４０】通常、ＤＦＢ半導体レーザなどはヒートシ
ンクの上に設けられ、これらが筐体内に収納されてい
る。そこで本例では、単一波長発振レーザ１１（ＤＦＢ
半導体レーザなど）に付設されるヒートシンクに温度調
整部５（例えばヒータ等の加熱素子、ペルチェ素子等の
吸熱素子、及びサーミスタ等の温度検出素子よりなる）
を固定し、その温度調整部５の動作をコンピュータより
なる制御部１が制御することで、そのヒートシンク、ひ
いては単一波長発振レーザ１１の温度を高精度に制御す
る。ここで、ＤＦＢ半導体レーザなどではその温度を
０．００１℃単位で制御することが可能である。また、
制御部１は、ドライバ２を介して単一波長発振レーザ１
１を駆動するための電力（ＤＦＢ半導体レーザでは駆動
電流）を高精度に制御する。

【００４１】ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は０．１ｎ
ｍ／℃程度の温度依存性を持つため、そのＤＦＢ半導体
レーザの温度を例えば１℃変化させると、基本波（波長
１５４４ｎｍ）ではその波長が０．１ｎｍ変化する。従
って、８倍波（１９３ｎｍ）ではその波長が０．０１２
５ｎｍ変化し、１０倍波（１５７ｎｍ）ではその波長が
０．０１ｎｍ変化することになる。なお、レーザ光ＬＢ
５を露光装置に使用する場合には、例えば露光装置が設
置される環境の大気圧差による結像特性の誤差、又は結
像特性の変動による誤差等を補正するために、その中心
波長に対して±２０ｐｍ程度変化できることが望まし
い。このためには、ＤＦＢ半導体レーザの温度を８倍波
では±１．６℃程度、１０倍波では±２℃程度変化させ
ればよく、これは実用的である。

【００４２】そして、この発振波長を所定の波長に制御
する際のフィードバック制御のモニター波長としては、
ＤＦＢ半導体レーザの発振波長、あるいは後述する波長
変換部２０内での波長変換後の高調波出力（２倍波、３
倍波、４倍波等）の内から所望の波長制御を行うに当た
って必要な感度を与え、かつ最もモニターしやすい波長
を選択すればよい。単一波長発振レーザ１１として例え
ば発振波長１．５１〜１．５９μｍのＤＦＢ半導体レー
ザを使用する場合に、この発振レーザ光の３倍波は５０
３ｎｍ〜５３０ｎｍの波長になるが、この波長帯はヨウ
素分子の吸収線が密に存在する波長域に該当しており、
ヨウ素分子の適切な吸収線を選んでその波長にロックす
ることにより精密な発振波長制御を行うことが可能であ
る。そこで、本例では波長変換部２０内の所定の高調波
（望ましくは３倍波）をヨウ素分子の適切な吸収線（基
準波長）と比較し、その波長のずれ量を制御部１にフィ
ードバックし、制御部１ではそのずれ量が所定の一定値
になるように温度調整部５を介して単一波長発振レーザ
１１の温度を制御する。逆に、制御部１では、その単一
波長発振レーザ１１の発振波長を積極的に変化させてそ
の出力波長を調整可能にしてもよい。

【００４３】本例の紫外光発生装置を例えば露光装置の
露光光源に適用する場合、前者によれば、波長変動によ
る投影光学系の収差の発生、又はその変動が防止され、
パターン転写中にその像特性（像質などの光学的特性）
が変化することがなくなる。また、後者によれば、露光
装置が組立、調整される製造現場と露光装置の設置場所
（納入先）との標高差や気圧差、更には環境（クリーン
ルーム内の雰囲気）の違いなどに応じて生じる投影光学
系の結像特性（収差など）の変動を相殺でき、納入先で
露光装置の立ち上げに要する時間を短縮することが可能
になる。更に後者によれば、露光装置の稼働中に、露光
用照明光の照射、及び大気圧変化などに起因して生じる
投影光学系の収差、投影倍率、及び焦点位置などの変動
も相殺でき、常に最良の結像状態でパターン像を基板上
に転写することが可能となる。

【００４４】単一波長発振レーザ１１から出力される連
続光よりなるレーザ光ＬＢ１は、例えば電気光学光変調
素子や音響光学光変調素子などの光変調素子１２を用い
て、パルス光よりなるレーザ光ＬＢ２に変換される。光
変調素子１２は制御部１によってドライバ３を介して駆
動される。本例の光変調素子１２から出力されるレーザ
光ＬＢ２は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、紫外
光としてのレーザ光ＬＢ５を出力する期間、即ちオン
（ＯＮ）の期間では、ピークレベルＬＢのパルス列であ
り、紫外光としてのレーザ光ＬＢ５を出力しない期間、
即ちオフ（ＯＦＦ）の期間では、レベルＬＡの連続光で
ある。なお、図５（ａ），（ｂ）において（図４も同
様）、横軸は時間ｔであり、縦軸はレーザ光の出力（単
位時間当たりのエネルギー）である。

【００４５】また、図５において、紫外光がオンの期間
のレーザ光ＬＢ２の平均レベルと、紫外光がオフの期間
のレーザ光ＬＢ２の平均レベル（＝ＬＡ）とはほぼ等し
くなるように設定されている。この場合、紫外光がオン
の期間のレーザ光ＬＢ２のデューティ比（パルス周期に
対するハイレベル“１”の期間の割合（％））は１／１
０以下で、通常は１／１０００程度に設定されているた
め、そのレベルＬＡはピークレベルＬＢに対して１／１
０以下で、通常は１／１０００程度以下となる。このよ
うに紫外光がオフの期間でもレーザ光ＬＢ２のレベルを
所定のレベルＬＡに維持することによって、紫外光をオ
ンにする際に後段の光ファイバー増幅器１３、及び光増
幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光ファイバー増幅器
（図２の光ファイバー増幅器２２，２５）において、光
サージによって利得が増加して紫外光（レーザ光ＬＢ
５）の出力が増加することが防止される。これに対し
て、図４（ａ）に示すように、紫外光がオフの期間にレ
ーザ光ＬＢ２の出力を０にすると、図４（ｂ）に示すよ
うに、紫外光をオンにした直後の期間ＴＳにおいて、後
段の光ファイバー増幅器の光サージが生じて紫外光（レ
ーザ光ＬＢ５）のパルス列のピークレベルが高くなり、
その紫外光の出力が目標値から外れることになる。

【００４６】また、図１の波長変換部２０は、入力する
レーザ光ＬＢ４を例えば３段以上の非線形光学結晶を通
して紫外光であるレーザ光ＬＢ５に変換している（詳細
後述）。この際に各非線形光学結晶においては、入射す
る光のビークレベルの自乗、又は入射する２つの光のピ
ークレベルの積にほぼ比例して波長変換が行われるた
め、波長変換部２０から出力されるレーザ光ＬＢ５の出
力は、入射するレーザ光ＬＢ４のピークレベルの８乗
（＝２³ 乗）以上の係数に比例する。従って、図５にお
いて、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２のピークレ
ベルＬＢに対して、紫外光がオフの期間のレーザ光ＬＢ
２のレベルＬＡは１／１０以下で、通常は１／１０００
程度以下であるため、レベルＬＡの光は殆ど紫外光（レ
ーザ光ＬＢ２）に変換されないため、紫外光がオフの期
間ではレーザ光ＬＢ５のレベルはほぼ完全に０となる。
従って、オンの期間でもオフの期間でも紫外光（レーザ
光ＬＢ５）の出力は目標値通りとなる。

【００４７】本構成例では一例として、光変調素子１２
によってパルス幅１ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ
（パルス周期１０μｓ）のパルス光に変調させた場合に
ついて説明を行う。この様な光変調を行った結果、紫外
光がオンの期間に光変調素子１２から出力されるパルス
光のピーク出力ＬＢは２０ｍＷ、平均出力は２μＷとな
る。そこで、その紫外光がオフの期間に光変調素子１２
から出力される連続光のレベルＬＡは２μＷ、即ちＬＢ
／１００００となる。ここでは、光変調素子１２の挿入
による損失がないものとしたが、実際にはその挿入損失
がある。例えば損失が−３ｄＢである場合、パルス光の
ピーク出力は１０ｍＷ、平均出力は１μＷとなる。な
お、光変調素子１２として電気光学変調素子を用いる場
合には、屈折率の時間変化に伴うチャープによる半導体
レーザ出力の波長広がりが小さくなるように、チャープ
補正を行った電極構造を持つ電気光学変調素子（例えば
二電極型変調器）を用いることが好ましい。また、繰り
返し周波数を１００ｋＨｚ程度以上に設定することによ
り、後述する光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光
ファイバー増幅器においてＡＳＥ（Amplified Spontane
ous Emission：自然放出光）ノイズの影響による増幅率
低下を阻止することができる。更に、最終的に出力され
る紫外光の照度が従来のエキシマレーザ光（パルス周波
数は数ｋＨｚ程度）と同程度でよい場合には、本例のよ
うにパルス周波数を高めることによって、各パルス当た
りのエネルギーを１／１０〜１／１００程度に小さくす
ることができ、コンパクション等による光学部材（レン
ズ等）の屈折率変動等を小さくすることができる。従っ
て、そのような変調器構成とすることが望ましい。

【００４８】更に、半導体レーザなどではその電流制御
を行うことで、出力光をパルス発振させることができ
る。このため、本例では単一波長発振レーザ１１（ＤＦ
Ｂ半導体レーザなど）の電力制御と光変調素子１２とを
併用してパルス光を発生させることが好ましい。そこ
で、単一波長発振レーザ１１の電力制御によって、例え
ば１０〜２０ｎｓ程度のパルス幅を有するパルス光を発
振させると共に、光変調素子１２によってそのパルス光
からその一部のみを切り出す、即ち本例ではパルス幅が
１ｎｓのパルス光に変調する。

【００４９】これにより、光変調素子１２のみを用いる
場合に比べて、パルス幅が狭いパルス光を容易に発生さ
せることが可能になると共に、パルス光の発振間隔や発
振の開始及びその停止などをより簡単に制御することが
可能になる。特に、光変調素子１２のみを用いてパルス
光をオフの状態にしてもその消光比が充分でない場合に
は、単一波長発振レーザ１１の電力制御を併用すること
が望ましい。

【００５０】このようにして得たパルス光出力を、初段
のエルビウム・ドープの光ファイバー増幅器１３に接続
し、３５ｄＢ（３１６２倍）の光増幅を行う。このとき
パルス光は、ピーク出力約６３Ｗ、平均出力約６．３ｍ
Ｗとなる。なお、この光ファイバー増幅器１３の代わり
に複数段の光ファイバー増幅器を使用してもよい。その
初段の光ファイバー増幅器１３の出力を、スプリッタ１
４でまずチャネル０〜３の４個の出力（本例ではｍ＝
４）に並列分割する。このチャネル０〜３の各出力を、
各々長さの異なる光ファイバー１５−１〜１５−４に接
続することにより、各光ファイバーからの出力光には、
光ファイバー長に対応した遅延時間が与えられる。例え
ば本実施形態では、光ファイバー中の光の伝搬速度を２
×１０ ⁸ ｍ／ｓであるとし、チャネル０、１、２、３に
それぞれ０．１ｍ、１９．３ｍ、３８．５、５７．７ｍ
の長さの光ファイバー１５−１〜１５−４を接続する。
この場合、各光ファイバーの出口での隣り合うチャネル
間の光の遅延は９６ｎｓとなる。なおここでは、この様
に光を遅延させる目的で使用する光ファイバー１５−１
〜１５−４を、便宜的に「遅延ファイバー」と呼ぶ。

【００５１】次に、その４本の遅延ファイバーの出力
を、４個のスプリッタ１６−１〜１６−４で更にｎ個
（本例ではｎ＝３２）の出力に並列分割（各スプリッタ
でチャネル０〜３１）し、合計４・３２個（＝１２８
個）のチャネルに分割する。そして、各スプリッタ１６
−１〜１６−４のチャネル０〜３１の出力端に再び互い
に長さの異なる光ファイバー（遅延ファイバー）１７−
１〜１７−３２を接続して、隣接するチャネル間に３ｎ
ｓの遅延時間を与える。これによって、チャネル３１の
出力には、９３ｎｓの遅延時間が与えられる。一方、第
１から第４までの各スプリッタ１６−１〜１６−４間に
は、前記のように遅延ファイバーによって、各スプリッ
タの入力時点で各々９６ｎｓの遅延時間が与えられてい
る。この結果、全体で総計１２８チャネルの出力端で、
隣り合うチャネル間に３ｎｓの遅延時間を持つパルス光
が得られる。

【００５２】この結果、本例では光ファイバー・バンド
ル１９から射出されるレーザ光ＬＢ４の空間的コヒーレ
ンスが、単に単一波長発振レーザ１１から射出されるレ
ーザ光ＬＢ１の断面形状を拡大した場合に比べてほぼ１
／１２８のオーダで低下する。従って、最終的に得られ
るレーザ光ＬＢ５を露光光として用いた場合に生じるス
ペックルの量は極めて少ない利点がある。

【００５３】以上の分岐及び遅延により、総計１２８チ
ャネルの出力端では、隣り合うチャネル間で３ｎｓの遅
延時間を持つパルス光が得られるが、このとき各々の出
力端で観測される光パルスは、光変調素子１２によって
変調されたパルス光と同じ１００ｋＨｚ（パルス周期１
０μｓ）である。従って、レーザ光発生部全体として見
ると、１２８パルスが３ｎｓ間隔で発生した後、９．６
２μｓの間隔を置いて次のパルス列が発生するという繰
り返しが１００ｋＨｚで行われる。

【００５４】なお本実施形態では、分割数を１２８と
し、また遅延ファイバーとして短いものを用いた例につ
いて説明した。このため各パルス列の間に９．６２μｓ
の無発光の間隔が生じたが、分割数ｍ，ｎを増加させ
る、又は遅延ファイバーをより長くして適切な長さとす
る、あるいはこれらを組み合わせて用いることにより、
パルス間隔を完全な等間隔とすることも可能である。

【００５５】以上より本例のスプリッタ１４、光ファイ
バー１５−１〜１５−ｍ、スプリッタ１６−１〜１６−
ｍ、及びｍ組の光ファイバー１７−１〜１７−ｎは、全
体として時分割多重（Time Division Multiplexing：Ｔ
ＤＭ）手段を構成しているともみなすことができる。な
お、本例ではその時分割多重手段を２段のスプリッタに
よって構成しているが、それを３段以上のスプリッタで
構成してもよく、又は分割数は少なくなるが１段のスプ
リッタのみで構成してもよい。また、本例のスプリッタ
１４，１６−１〜１６−ｍは平板導波路型であるが、そ
れ以外に例えばファイバースプリッタや、部分透過鏡を
用いたビームスプリッタ等も使用することができる。

【００５６】また、本例では光変調素子１２に印加する
ドライブ用電圧パルスのタイミングを制御することによ
って、光源（パルス光）の発振タイミング、即ち繰り返
し波数ｆを調整することができる。更に、この発振タイ
ミングの変更に伴ってパルス光の出力が変動し得る場合
には、光変調素子１２に印加するドライブ用電圧パルス
の大きさも同時に調整してその出力変動を補償するよう
にしてもよい。このとき、単一波長発振レーザ１１の発
振制御のみ、あるいは前述した光変調素子１２の制御と
の併用によってそのパルス光の出力変動を補償するよう
にしても良い。

【００５７】図１（ａ）において、ｍ組の遅延ファイバ
ー（光ファイバー１７−１〜１７−ｎ）を通過したレー
ザ光はそれぞれ光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎに入
射して増幅される。本例の光増幅ユニット１８−１〜１
８−ｎは光ファイバー増幅器を備えており、以下では、
光増幅ユニット１８−１として使用できる光増幅ユニッ
トの構成例につき説明するが、これらは他の光増幅ユニ
ット１８−２〜１８−ｎとしても同様に使用することが
できる。

【００５８】図２は、光増幅ユニット１８を示し、この
図２において、光増幅ユニット１８は基本的に２段のそ
れぞれエルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器（Erbi
um-Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）よりなる光ファ
イバー増幅器２２及び２５を接続して構成されている。
そして、１段目の光ファイバー増幅器２２の両端部に
は、励起光をカップリングするための波長分割多重（Wa
velength Division Multiplexing：ＷＤＭ）素子（以
下、「ＷＤＭ素子」と言う）２１Ａ及び２１Ｂが接続さ
れ、ＷＤＭ素子２１Ａ及び２１Ｂによってそれぞれ励起
光源としての半導体レーザ２３Ａからの励起光ＥＬ１及
び半導体レーザ２３Ｂからの励起光が、光ファイバー増
幅器２２に前後から供給されている。同様に、２段目の
光ファイバー増幅器２５の両端部にも、カップリング用
のＷＤＭ素子２１Ｃ及び２１Ｄが接続され、ＷＤＭ素子
２１Ｃ及び２１Ｄによってそれぞれ半導体レーザ２３Ｃ
及び２３Ｄからの励起光が光ファイバー増幅器２５に前
後から供給されている。即ち、光ファイバー増幅器２
２，２５は共に双方向励起型である。

【００５９】光ファイバー増幅器２２，２５はそれぞれ
入射するレーザ光ＬＢ３（本例では波長１．５４４μ
ｍ）の波長を含む例えば約１．５３〜１．５６μｍ程度
の波長域の光を増幅する。また、光ファイバー増幅器２
２，２５の境界部であるＷＤＭ素子２１ＢとＷＤＭ素子
２１Ｃとの間に、狭帯域フィルタ２４Ａ及び戻り光を阻
止するためのアイソレータＩＳ３が配置されている。狭
帯域フィルタ２４Ａとしては多層膜フィルタ、又はファ
イバー・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grat
ing)が使用できる。

【００６０】本例において、図１（ａ）の光ファイバー
１７−１からのレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ａを
介して光ファイバー増幅器２２に入射して増幅される。
この光ファイバー増幅器２２で増幅されたレーザ光ＬＢ
３は、ＷＤＭ素子２１Ｂ、狭帯域フィルタ２４Ａ、アイ
ソレータＩＳ３、及びＷＤＭ素子２１Ｃを介して光ファ
イバー増幅器２５に入射して再び増幅される。増幅され
たレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ｄを介して図１
（ａ）の光ファイバー・バンドル１９を構成する１本の
光ファイバー（光ファイバー増幅器２５の射出端の延長
部でもよい）を伝播する。

【００６１】この場合、２段の光ファイバー増幅器２２
及び２５による合計の増幅利得は一例として約４６ｄＢ
（３９８１０倍）である。そして、図１（ｂ）のスプリ
ッタ１６−１〜１６−ｍから出力される全チャネル数
（ｍ・ｎ個）を１２８個として、各チャネルの平均出力
を約５０μＷとすると、全チャネル合計での平均出力は
約６．４ｍＷとなる。その各チャネルのレーザ光をそれ
ぞれ約４６ｄＢで増幅すると、各光増幅ユニット１８−
１〜１８−ｎから出力されるレーザ光の平均出力はそれ
ぞれ約２Ｗとなる。これをパルス幅１ｎｓ、パルス周波
数１００ｋＨｚでパルス化したものとすると、各レーザ
光のピーク出力は２０ｋＷとなる。また、光ファイバー
・バンドル１９から出力されるレーザ光ＬＢ４の平均出
力は約２５６Ｗとなる。

【００６２】ここでは、図１（ａ）のスプリッタ１４，
１６−１〜１６−ｍでの結合損失を考慮していないが、
その結合損失がある場合にはその損失分だけ光ファイバ
ー増幅器２２，２５の少なくとも１つの増幅利得を上げ
ることにより、各チャネルのレーザ光の出力を上記の値
（例えばピーク出力２０ｋＷなど）に均一化することが
できる。なお、図２の光ファイバー増幅器２２及び２５
による増幅利得を変化させることで、図１（ａ）の単一
波長発振レーザ１１の出力（基本波の出力）を前述した
値よりも大きくしたり、あるいは小さくしたりすること
ができる。

【００６３】図２の構成例において、狭帯域フィルタ２
４Ａは、図１（ａ）の光ファイバー増幅器１３及び図２
の光ファイバー増幅器２２でそれぞれ発生するＡＳＥ
（Amplified Spontanious Emission）光をカットし、か
つ図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１から出力される
レーザ光（波長幅は１ｐｍ程度以下）を透過させること
で、透過光の波長幅を実質的に狭帯化するものである。
これにより、ＡＳＥ光が後段の光ファイバー増幅器２５
に入射してレーザ光の増幅利得を低下させるのを防止す
ることができる。ここで、狭帯域フィルタ２４Ａはその
透過波長幅が１ｐｍ程度であることが好ましいが、ＡＳ
Ｅ光の波長幅は数十ｎｍ程度であるので、現時点で得ら
れる透過波長幅が１００ｐｍ程度の狭帯域フィルタを用
いても実用上問題がない程度にＡＳＥ光をカットするこ
とができる。

【００６４】また、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１
１の出力波長を積極的に変化させる場合、その出力波長
に応じて狭帯域フィルタ２４Ａを交換するようにしても
よいが、その出力波長の可変幅（露光装置では一例とし
て前述した±２０ｐｍ程度）に応じた透過波長幅（可変
幅と同程度以上）を持つ狭帯域フィルタを用いることが
好ましい。また、アイソレータＩＳ３によって戻り光の
影響が低減される。光増幅ユニット１８は例えば３段以
上の光ファイバー増幅器を接続して構成することも可能
であるが、この場合にも隣接する２つの光ファイバー増
幅器の境界部の全てに狭帯域フィルタ２４Ａ及びアイソ
レータＩＳ３を挿入することが望ましい。

【００６５】また、本例では多数の光増幅ユニット１８
の出力光を束ねて使用するため、各出力光の強度の分布
を均一化することが望ましい。このためには、例えばＷ
ＤＭ素子２１Ｄから射出されるレーザ光ＬＢ３の一部を
分離し、この分離された光を光電変換することによっ
て、射出されるレーザ光ＬＢ３の光量をモニタし、この
光量が全部の光増幅ユニット１８でほぼ均一になるよう
に、各光増幅ユニット１８における励起光源（半導体レ
ーザ２３Ａ〜２３Ｄ）の出力を制御すればよい。

【００６６】なお、上記の実施の形態では、単一波長発
振レーザ１１として発振波長が１．５４４μｍ程度のレ
ーザ光源が使用されているが、その代わりに発振波長
１．０９９〜１．１０６μｍ程度のレーザ光源を使用し
てもよい。このようなレーザ光源としては、ＤＦＢ半導
体レーザあるいはイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・フ
ァイバーレーザが使用できる。この場合には、後段の光
増幅部中の光ファイバー増幅器としては、その波長を含
む９９０〜１２００ｎｍ程度の波長域で増幅を行うイッ
テルビウム（Ｙｂ）・ドープ・光ファイバー（ＹＤＦ
Ａ）を使用すればよい。この場合には、図１（ｂ）の波
長変換部２０において、７倍波を出力することによっ
て、Ｆ₂ レーザと実質的に同一の波長１５７〜１５８ｎ
ｍの紫外光が得られる。実用的には、発振波長を１．１
μｍ程度とすることで、Ｆ₂ レーザとほぼ同一波長の紫
外光が得られる。

【００６７】更には、単一波長発振レーザ１１での発振
波長を９９０ｎｍ付近として、波長変換部２０で基本波
の４倍波を出力するようにしてもよい。これによって、
ＫｒＦエキシマレーザと同一の波長２４８ｎｍの紫外光
を得ることが可能である。なお、上記の実施形態におけ
る最終段の高ピーク出力の光ファイバー増幅器（例えば
図２の光増幅ユニット１８中の光ファイバー増幅器２
５）においては、ファイバー中での非線形効果による増
幅光のスペクトル幅の増加を避けるため、ファイバーモ
ード径が通常通信で用いられているもの（５〜６μｍ）
よりも広い、例えば２０〜３０μｍの大モード径ファイ
バーを使用することが望ましい。

【００６８】更に、最終段の光ファイバー増幅器（例え
ば図２の光ファイバー増幅器２５）において高出力を得
るためには、その大モード径ファイバーに代えて、ファ
イバー・クラッドが二重構造となったダブル・クラッド
・ファイバーを用いるようにしてもよい。この光ファイ
バーでは、コアの部分にレーザ光の増幅に寄与するイオ
ンがドープされており、増幅されるレーザ光（信号）が
このコア内を伝搬する。そして、コアを取り巻く第１ク
ラッドに励起用半導体レーザをカップリングする。この
第１クラッドはマルチモードであり、断面積も大きいた
め高出力の励起用半導体レーザ光の伝導が容易であり、
マルチモード発振の半導体レーザを効率よくカップリン
グし、励起用光源を効率よく使用することができる。そ
の第１クラッドの外周には第１クラッドの導波路を形成
するための第２クラッドが形成されている。

【００６９】また、上記の実施の形態の光ファイバー増
幅器として石英ファイバー、又はシリケイト系ファイバ
ーを用いることができるが、これらの他にフッ化物系フ
ァイバー、例えばＺＢＬＡＮファイバーを用いるように
してもよい。このフッ化物系ファイバーでは、石英やシ
リケイト系などに比べてエルビウム・ドープ濃度を大き
くすることができ、これにより増幅に必要なファイバー
長を短縮することができる。このフッ化物系ファイバー
は、特に最終段の光ファイバー増幅器（図２の光ファイ
バー増幅器２５）に適用することが望ましく、ファイバ
ー長の短縮により、パルス光のファイバー伝播中の非線
形効果による波長幅の広がりを抑えることができ、例え
ば露光装置に必要な波長幅が狭帯化された光源を得るこ
とが可能となる。特に開口数が大きい投影光学系を有す
る露光装置でこの狭帯化光源が使用できることは、例え
ば投影光学系を設計、製造する上で有利である。

【００７０】ところで、前述のように二重構造のクラッ
ドを持つ光ファイバー増幅器の出力波長として１．５１
〜１．５９μｍを使用する場合には、ドープするイオン
としてエルビウム（Ｅｒ）に加えイッテルビウム（Ｙ
ｂ）を共にドープすることが好ましい。これは半導体レ
ーザによる励起効率を向上させる効果があるためであ
る。すなわち、エルビウムとイッテルビウムとの両方を
ドープする場合、イッテルビウムの強い吸収波長が９１
５〜９７５ｎｍ付近に広がっており、この近傍の波長で
各々異なる発振波長を持つ複数の半導体レーザを波長分
割多重（ＷＤＭ）により結合させて第１クラッドにカッ
プリングすることで、その複数の半導体レーザを励起光
として使用できるため大きな励起強度を実現することが
できる。

【００７１】また、光ファイバー増幅器のドープ・ファ
イバーの設計については、本例のように予め定められた
一定の波長で動作する装置（例えば露光装置）では、所
望の波長における光ファイバー増幅器の利得が大きくな
るように材質を選択することが望ましい。例えば、Ａｒ
Ｆエキシマレーザと同じ出力波長（１９３〜１９４ｎ
ｍ）を得るための紫外レーザ装置において、光増幅器用
ファイバーを用いる場合には所望の波長、例えば１．５
４８μｍで利得が大きくなる材質を選ぶことが望まし
い。

【００７２】しかしながら、通信用ファイバーでは波長
分割多重化通信のため、１．５５μｍ付近の数十ｎｍの
波長領域で、比較的平坦な利得を持つように設計されて
いる。そこで、例えば励起媒質としてエルビウム単一ド
ープのコアを持つ通信用ファイバーでは、この平坦な利
得特性を実現するために、アルミニウムやリンをシリカ
ファイバーにコ・ドープする手法が用いられる。このた
めこの種のファイバーでは、１．５４８μｍで必ずしも
利得が大きくならない。また、ドープ元素のアルミニウ
ムは、１．５５μｍ付近のピークを長波長側にシフトさ
せ、リンは短波長側にシフトさせる効果を持つ。従っ
て、１．５４７μｍ近傍で利得を大きくするためには、
少量のリンをドープすればよい。同様に、例えばエルビ
ウムとイッテルビウムとを共にドープ（コ・ドープ）し
たコアを持つ光増幅器用ファイバー（例えば前記ダブル
・クラッド・タイプのファイバー）を用いる場合にも、
コアに少量のリンを加えることにより、１．５４７μｍ
付近でより高い利得を得ることができる。

【００７３】次に、図１の実施の形態の紫外光発生装置
における波長変換部２０のいくつかの構成例につき説明
する。図３（ａ）は、２次高調波発生を繰り返して８倍
波を得ることができる波長変換部２０を示し、この図３
（ａ）において、光ファイバー・バンドル１９の出力端
１９ａ（拡大して表示されている）から出力された波長
１．５４４μｍ（周波数をωとする）の基本波としての
レーザ光ＬＢ４は、１段目の非線形光学結晶５０２に入
射し、ここでの２次高調波発生により基本波の２倍の周
波数２ω（波長は１／２の７７２ｎｍ）の２倍波が発生
する。この２倍波は、レンズ５０５を経て２段目の非線
形光学結晶５０３に入射し、ここでも再び２次高調波発
生により、入射波の２倍、即ち基本波に対し４倍の周波
数４ω（波長は１／４の３８６ｎｍ）を持つ４倍波が発
生する。発生した４倍波は更にレンズ５０６を介して３
段目の非線形光学結晶５０４に進み、ここで再び２次高
調波発生によって、入射波の２倍、即ち基本波に対し８
倍の周波数８ωを有する８倍波（波長は１／８の１９３
ｎｍ）が発生する。この８倍波は紫外のレーザ光ＬＢ５
として射出される。即ち、この構成例では、基本波（波
長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）→４倍
波（波長３８６ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順
に波長変換が行われる。

【００７４】前記波長変換に使用する非線形光学結晶と
しては、例えば基本波から２倍波への変換を行う非線形
光学結晶５０２にはＬｉＢ₃ Ｏ₅ （ＬＢＯ）結晶を、２
倍波から４倍波への変換を行う非線形光学結晶５０３に
はＬｉＢ₃ Ｏ₅ （ＬＢＯ）結晶を、４倍波から８倍波へ
の変換を行う非線形光学結晶５０４にはＳｒ₂ Ｂｅ₂Ｂ
₂ Ｏ₇ （ＳＢＢＯ）結晶を使用する。ここで、ＬＢＯ結
晶を使用した基本波から２倍波への変換には、波長変換
のための位相整合にＬＢＯ結晶の温度調節による非臨界
位相整合（Non-Critical Phase Matching:ＮＣＰＭ）を
使用する。ＮＣＰＭは、非線形光学結晶内での基本波と
第二高調波との間の角度ずれである「Walk-off」が起こ
らないため、高効率で２倍波への変換を可能にし、また
発生した２倍波はWalk-offによるビームの変形も受けな
いため有利である。

【００７５】なお、図３（ａ）において、光ファイバー
・バンドル１９と非線形光学結晶５０２との間に、レー
ザ光ＬＢ４の入射効率を高めるために集光レンズを設け
ることが望ましい。この際に、光ファイバー・バンドル
１９を構成する各光ファイバーのモード径（コア径）は
例えば２０μｍ程度であり、非線形光学結晶中で変換効
率の高い領域の大きさは例えば２００μｍ程度であるた
め、各光ファイバー毎に１０倍程度の倍率の微小レンズ
を設けて、各光ファイバーから射出されるレーザ光を非
線形光学結晶５０２中に集光するようにしてもよい。こ
れは以下の構成例でも同様である。

【００７６】次に、図３（ｂ）は２次高調波発生と和周
波発生とを組み合わせて８倍波を得ることができる波長
変換部２０Ａを示し、この図３（ｂ）において、光ファ
イバー・バンドル１９の出力端１９ａから射出された波
長１．５４４μｍのレーザ光ＬＢ４（基本波）は、ＬＢ
Ｏ結晶よりなり上記のＮＣＰＭで制御されている１段目
の非線形光学結晶５０７に入射し、ここでの２次高調波
発生により２倍波が発生する。更に、非線形光学結晶５
０７中を基本波の一部がそのまま透過する。この基本波
及び２倍波は、共に直線偏光状態で波長板（例えば１／
２波長板）５０８を透過して、基本波のみが偏光方向が
９０度回転した状態で射出される。この基本波と２倍波
とはそれぞれレンズ５０９を通って２段目の非線形光学
結晶５１０に入射する。

【００７７】非線形光学結晶５１０では、１段目の非線
形光学結晶５０７で発生した２倍波と、変換されずに透
過した基本波とから和周波発生により３倍波を得る。非
線形光学結晶５１０としてはＬＢＯ結晶が用いられる
が、１段目の非線形光学結晶５０７（ＬＢＯ結晶）とは
温度が異なるＮＣＰＭで使用される。非線形光学結晶５
１０で得られた３倍波と、波長変換されずに透過した２
倍波とは、ダイクロイック・ミラー５１１により分離さ
れて、ダイクロイック・ミラー５１１で反射された３倍
波は、ミラーＭ１で反射されレンズ５１３を通って３段
目のβ−ＢａＢ₂Ｏ₄ （ＢＢＯ）結晶よりなる非線形光
学結晶５１４に入射する。ここで３倍波が２次高調波発
生により６倍波 に変換される。

【００７８】一方、ダイクロイック・ミラーを透過した
２倍波はレンズ５１２及びミラーＭ２を経てダイクロイ
ック・ミラー５１６に入射し、非線形光学結晶５１４で
得られた６倍波もレンズ５１５を経てダイクロイック・
ミラー５１６に入射し、ここでその２倍波と６倍波とは
同軸に合成されて４段目のＢＢＯ結晶よりなる非線形光
学結晶５１７に入射する。非線形光学結晶５１７では、
６倍波と２倍波とから和周波発生により８倍波（波長１
９３ｎｍ）を得る。この８倍波は紫外のレーザ光ＬＢ５
として射出される。なお、４段目の非線形光学結晶５１
７として、ＢＢＯ結晶の代わりにＣｓＬｉＢ₆ Ｏ₁₀（Ｃ
ＬＢＯ）結晶を用いることも可能である。この波長変換
部２０Ａでは、基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波
（波長７７２ｎｍ）→３倍波（波長５１５ｎｍ）→６倍
波（波長２５７ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順
に波長変換が行われている。

【００７９】このように６倍波と２倍波との一方が分岐
光路を通って４段目の非線形光学結晶５１７に入射する
構成では、６倍波と２倍波とをそれぞれ４段目の非線形
光学結晶５１７に集光して入射させるレンズ５１５，５
１２を互いに異なる光路に配置することができる。この
場合、３段目の非線形光学結晶５１４で発生した６倍波
はその断面形状がWalk-off現象により長円形になってい
るため、４段目の非線形光学結晶５１７で良好な変換効
率を得るためには、その６倍波のビーム整形を行うこと
が望ましい。そこで本例のように、レンズ５１５，５１
２を別々の光路に配置することにより、例えばレンズ５
１５としてシリンドリカルレンズ対を用いること等が可
能となり、６倍波のビーム整形を容易に行うことができ
る。このため、４段目の非線形光学結晶（ＢＢＯ結晶）
５１７での２倍波との重なり部を増加させて、変換効率
を高めることが可能である。

【００８０】なお、２段目の非線形光学結晶５１０と４
段目の非線形光学結晶５１７との間の構成は図３（ｂ）
に限られるものではなく、４段目の非線形光学結晶５１
７に６倍波と２倍波とが同時に入射するように、６倍波
と２倍波とでその光路長が等しくなっていれば、いかな
る構成であってもよい。更に、例えば２段目の非線形光
学結晶５１０と同一光軸上に３段目及び４段目の非線形
光学結晶５１４，５１７を配置し、３段目の非線形光学
結晶５１４で３倍波のみを２次高調波発生により６倍波
に変換して、波長変換されない２倍波と共に４段目の非
線形光学結晶５１７に入射させてもよく、これによりダ
イクロイック・ミラー５１１，５１６を用いる必要がな
くなる。

【００８１】また、図３（ａ）及び（ｂ）に示した波長
変換部２０，２０Ａについてそれぞれ各チャネル当たり
の８倍波（波長１９３ｎｍ）の平均出力を実験的に求め
て見た。基本波の出力は前述の実施形態で説明した通り
各チャネルの出力端で、ピーク・パワー２０ｋＷ、パル
ス幅１ｎｓ、パルス繰り返し周波数１００ｋＨｚ、及び
平均出力２Ｗである。この結果、各チャネル当たりの８
倍波の平均出力は、図３（ａ）の波長変換部２０では２
２９ｍＷ、図３（ｂ）の波長変換部２０Ａでは３８．３
ｍＷであった。従って、全１２８チャネルを合わせたバ
ンドルからの平均出力は、波長変換部２０では２９Ｗ、
波長変換部２０Ａでは４．９Ｗとなり、何れの波長変換
部２０，２０Ａであっても露光装置用光源として十分な
出力の、波長１９３ｎｍの紫外光を提供することができ
る。

【００８２】なお、波長変換部２０，２０Ａ以外にも非
線形光学結晶を種々に組み合わせることによって、８倍
波、１０倍波、又は７倍波を得ることができる。これら
の中から変換効率が高く、構成が簡素化できるものを使
用することが望ましい。また、上記の実施の形態では、
図１（ａ）より分かるようにｍ組のｎ個の光増幅ユニッ
ト１８−１〜１８−ｎの出力の合成光を一つの波長変換
部２０で波長変換している。しかしながら、その代わり
に、例えばｍ’個（ｍ’は２以上の整数）の波長変換部
を用意し、ｍ組の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎの
出力をｎ’個ずつｍ’個のグループに分けて（ｎ・ｍ＝
ｎ’・ｍ’）、各グループ毎に１つの波長変換部で波長
変換を行い、得られたｍ’個（本例では例えばｍ’＝４
又は５等）の紫外光を合成するようにしてもよい。

【００８３】上記の実施の形態の紫外光発生装置によれ
ば、図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９の出力端
の直径が全チャネルを合わせても２ｍｍ程度以下である
ため、１個、又は数個の波長変換部２０ですべてのチャ
ネルの波長変換を行うことが可能である。しかも、出力
端が柔軟な光ファイバーを使用しているため、波長変換
部、単一波長発振レーザ、及びスプリッタ等の構成部を
分けて配置することが可能となるなど、配置の自由度が
極めて高い。従って、本例の紫外光発生装置によれば、
安価でコンパクト、かつ単一波長でありながら空間的コ
ヒーレンスの低い紫外レーザ装置が提供できる。

【００８４】また、上記の実施の形態では、図１（ａ）
の光変調素子１２において、図５に示すように紫外光
（レーザ光ＬＢ５）をオフにする期間でも所定のレベル
の連続光を出力しているため、後段の光ファイバー増幅
器１３，２２，２５において光サージの発生が防止され
て、紫外光をオンにした直後にも目標値通りの出力を得
ることができる。なお、そのように紫外光がオフの期間
に連続光を出力する代わりに、紫外光がオンの期間に比
べてデューティ比（パルス周期に対するハイレベル
“１”の期間の割合）が１０倍以上で望ましくは１００
倍以上のパルス光を出力してもよい。この場合にも、紫
外光がオンの期間とオフの期間とで平均レベルをほぼ同
じにすることによって、オフの期間のパルス光のピーク
レベルが１／１０以下、又は１／１００以下となるた
め、連続光を出力する場合と同様に光サージを抑えて、
かつオフの期間での紫外光への変換効率をほぼ０にする
ことができる。

【００８５】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
６〜図８を参照して説明する。本例は図１（ａ）の実施
の形態に対して単一波長発振レーザ１１から光ファイバ
ー増幅器１３までの構成が異なるため、その部分につき
説明する。図６は、本例の要部を示し、この図６におい
て、単一波長発振レーザ１１から出力された波長１．５
４４μｍ（これをλ₁ とする）のレーザ光ＬＢ１は、光
ファイバー５３Ａを介して波長分割多重（Wavelength D
ivision Multiplexing）素子（ＷＤＭ素子）５２に入射
し、補助光源としての半導体レーザ５１から射出された
波長λ₁ とは異なる波長λ₂ のレーザ光ＬＢＲは、光フ
ァイバー５３Ｂを介してＷＤＭ素子５２に入射し、ＷＤ
Ｍ素子５２でカップリングされたレーザ光は光ファイバ
ー５３Ｃを介して光変調素子１２に入射する。そして、
光変調素子１２でパルス変調、又は振幅変調（レベル変
調）を受けて出力されたレーザ光ＬＢ２が光ファイバー
増幅器１３に入射している。

【００８６】その補助光源からのレーザ光ＬＢＲの波長
λ₂ は、光ファイバー増幅器１３、及び後段の光増幅ユ
ニット１８−１〜１８−ｎ中の光ファイバー増幅器２
２，２５で増幅可能な波長域中で、かつ波長変換部２０
において紫外光への変換効率がほぼ０となる波長に設定
されている。紫外光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波
長１９３ｎｍ）とほぼ同一波長の光を発生する場合を想
定すると、光ファイバー増幅器１３，２２，２５で増幅
可能な波長域は約１．５３〜１．５６μｍ程度であるた
め、レーザ光ＬＢＲの波長λ₂ は、例えば約１．５３μ
ｍ又は１．５６μｍ程度に設定される。

【００８７】そして、本例では第１の使用方法として、
図７（ａ），（ｂ）に示すように、紫外光を出力しない
オフ（ＯＦＦ）の期間にはレーザ光ＬＢ１を消灯して、
レーザ光ＬＢＲを連続発光させ、紫外光を出力するオン
（ＯＮ）の期間にはレーザ光ＬＢ１を連続発光させてレ
ーザ光ＬＢＲを消灯する。即ち、本来のレーザ光ＬＢ１
と補助用のレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させる。こ
れと共に、ドライバ３から光変調素子１２に供給される
駆動信号としての印加電圧Ｖ１２を、図７（ｃ）に示す
ように紫外光を出力するオンの期間のみにパルス状に設
定する。これによって、光変調素子１２から出力される
レーザ光ＬＢ２は、図７（ｄ）に示すように、オンの期
間には周波数１００ｋＨｚ程度のピークレベルＬＢで幅
１ｎｓ程度のパルス列（波長λ₁ ）となり、オフの期間
にはレベルＬＡの連続光（波長λ ₂ ）となる。この場合
のレベルＬＡは、例えば最終段の光ファイバー増幅器２
５から出力されるレーザ光の平均出力が、オンの期間と
オフの期間とでほぼ等しくなるように設定されている。
これによって、光ファイバー増幅器２５等で光サージが
生じないと共に、紫外光を出力しないオフの期間の変換
効率は殆ど０となって不要なレーザ光が出力されること
も無い。

【００８８】また、本例では第２の使用方法として、図
８（ａ），（ｂ）に示すように、本来のレーザ光ＬＢ１
と補助用のレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させると共
に、ドライバ３から光変調素子１２に供給される印加電
圧Ｖ１２（駆動信号）を、図８（ｃ）に示すように常時
パルス状に設定する。これによって、光変調素子１２か
ら出力されるレーザ光ＬＢ２は、図８（ｄ）に示すよう
に、オンの期間には図７（ｄ）の場合と同様のパルス列
（波長λ₁ ）となり、オフの期間にも同様のパルス列
（波長λ₂ ）となる。これによっても、光ファイバー増
幅器２５等で光サージが生じないと共に、オフの期間に
不要なレーザ光が出力されることも無い。

【００８９】図７及び図８の制御方式の何れを使用する
かは、光変調素子１２の波長特性及び補助用のレーザ光
ＬＢＲの波長λ₂ に応じて選択することが望ましい。即
ち、紫外光を出力しない期間（オフの期間）で、光変調
素子１２から波長λ₂ の光のみが出力されるような制御
方式を選ぶことが望ましい。なお、図６の実施の形態で
は、光変調素子１２の入力部にＷＤＭ素子５２を配置し
ているが、図１０に示すように、光変調素子１２の出力
部にＷＤＭ素子５２を配置して、光変調素子１２からの
波長λ₁ のレーザ光ＬＢＭと補助用の半導体レーザ５１
からの波長λ₂ のレーザ光ＬＢＲとをＷＤＭ素子５２で
カップリングして、得られたレーザ光ＬＢ２を光ファイ
バー増幅器１３に供給するようにしてもよい。図１０の
構成例においても、単一波長発振レーザ１１からのレー
ザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させるこ
とによって、光ファイバー増幅器における光サージの発
生を抑制して、不要な紫外光の発生を防止できる。

【００９０】次に、本発明の第３の実施の形態につき図
９を参照して説明する。本例も図１（ａ）の実施の形態
に対して単一波長発振レーザ１１から光ファイバー増幅
器１３までの構成が異なるため、その部分につき説明す
る。図９は本例の要部を示し、この図９において、単一
波長発振レーザ１１から出力された波長１．５４４μｍ
のレーザ光ＬＢ１（これを直線偏光とする）は、異なる
偏光状態の２つの光を同軸に合成するための偏波合成素
子５５に入射し、補助光源としての半導体レーザ５４か
ら射出されたレーザ光ＬＢ１とは直交する方向に直線偏
光した波長１．５４４μｍのレーザ光ＬＢＰは偏波合成
素子５５に入射し、偏波合成素子でカップリングされた
レーザ光は光変調素子１２に入射する。そして、光変調
素子１２でパルス変調、又は振幅変調（レベル変調）を
受けて出力されたレーザ光ＬＢ２が光ファイバー増幅器
１３に入射している。

【００９１】この場合、本例で使用されている各光ファ
イバーにおいては、内部を伝播する光の偏光状態は或る
程度保存されるものとし、最終的に図１（ａ）の光ファ
イバー・バンドル１９から射出されるレーザ光ＬＢ４
は、波長変換部２０から紫外光が出力される期間（オン
の期間）において最大の変換効率が得られる偏光状態と
なるように、各光ファイバーの角度等が設定されている
ものとする。そして、図９において、レーザ光ＬＢ１の
偏光方向は波長変換部２０において最大の変換効率が得
られる方向に設定されており、補助光源からのレーザ光
ＬＢＲの偏光方向は、波長変換部２０において変換効率
が最小になる方向となっている。

【００９２】この実施の形態においても、図６の実施の
形態と同様に、レーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＰとは紫
外光を出力する期間（オンの期間）と出力しない期間
（オフの期間）とで逆位相で発光する。また、光変調素
子１２の駆動方法にも、図７に示すようにオンの期間の
みにパルス光を出力させる方法と、図８に示すように常
時パルス光を出力させる方法とがある。図７及び図８の
制御方式の何れを使用するかは、光変調素子１２の波長
特性及び補助用のレーザ光ＬＢＰの偏光状態に応じて選
択することが望ましい。即ち、紫外光を出力しない期間
（オフの期間）で、光変調素子１２からレーザ光ＬＢＰ
のみが出力されるような制御方式を選ぶことが望まし
い。これによって、光ファイバー増幅器１３，２２，２
５では常時ほぼ一定の出力が得られて光サージの発生が
抑制されていると共に、オフの期間には波長変換部２０
で紫外光に対する変換効率がほぼ０になって、不要な紫
外光が出力されることが無い。

【００９３】なお、図９の実施の形態では、光変調素子
１２の入力部に偏波合成素子５５を配置しているが、図
１１に示すように、光変調素子１２の出力部に偏波合成
素子５５を配置して、光変調素子１２からの直線偏光の
レーザ光ＬＢＭと補助用の半導体レーザ５４からの偏光
方向が直交するレーザ光ＬＢＰとを偏波合成素子５５で
カップリングして、得られたレーザ光ＬＢ２を光ファイ
バー増幅器１３に供給するようにしてもよい。図１１の
構成例においても、単一波長発振レーザ１１からのレー
ザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＰとを逆位相で発光させるこ
とによって、光ファイバー増幅器における光サージの発
生を抑制して、不要な紫外光の発生を防止できる。

【００９４】なお、本発明のレーザ装置は、例えばウエ
ハ上に形成された回路パターンの一部（ヒューズなど）
を切断するために用いられるレーザリペア装置などにも
用いることができる。また、本発明によるレーザ装置は
可視光または赤外光を用いる検査装置などにも適用する
ことができる。そしてこの場合には前述の波長変換部を
レーザ装置に組み込む必要がない。即ち、本発明は紫外
光発生装置だけでなく、可視域または赤外域の基本波を
発生する、波長変換部がないレーザ装置に対しても有効
なものである。

【００９５】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
構成を取り得ることは勿論である。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバー増幅器を
用いているため、小型化で、かつメンテナンスの容易な
レーザ装置を提供することができ、このレーザ装置は露
光装置の露光光源や検査用光源等に使用することができ
る。また、紫外光を出力する期間中は前記レーザ光発生
部からのレーザ光をパルス変調して前記光増幅部に供給
し、前記紫外光を出力しない期間中にも前記紫外光の出
力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅
可能な波長域の光を供給しているため、最終的にレーザ
光（紫外光）の出力を開始する際の光サージの影響が軽
減されて、常に目標とする出力が得られる。更に、レー
ザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分
岐手段を更に備え、光増幅部をその複数に分岐されたレ
ーザ光のそれぞれに独立に設けると共に、波長変換部
は、その複数の光増幅部から出力されたレーザ光の束を
まとめて波長変換することによって、出力光の発振周波
数を高くして、かつ空間的コヒーレンスを低減できると
共に、全体としての発振スペクトル線幅を簡単な構成で
狭くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態の紫外光発生装置
を示す図である。

【図２】 図１中の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ
の構成例を示す図である。

【図３】 （ａ）は図１中の波長変換部２０の第１の構
成例を示す図、（ｂ）はその波長変換部２０の第２の構
成例を示す図である。

【図４】 図１の光ファイバー増幅器において光サージ
が生じる場合の説明図である。

【図５】 本発明の第１の実施の形態において光変調素
子１２から出力されるレーザ光の状態、及び最終的に出
力される紫外域のレーザ光ＬＢ５の状態を示す図であ
る。

【図６】 本発明の第２の実施の形態の光変調部を示す
構成図である。

【図７】 その第２の実施の形態における各レーザ及び
光変調素子１２の駆動方式の一例を示すタイミングチャ
ートである。

【図８】 その第２の実施の形態における各レーザ及び
光変調素子１２の駆動方式の他の例を示すタイミングチ
ャートである。

【図９】 本発明の第３の実施の形態の光変調部を示す
構成図である。

【図１０】 その第２の実施の形態の変形例を示す構成
図である。

【図１１】 その第３の実施の形態の変形例を示す構成
図である。

【符号の説明】

１１…単一波長発振レーザ、ＩＳ１〜ＩＳ３…アイソレ
ータ、１２…光変調素子、１３…光ファイバー増幅器、
１４…スプリッタ、１５−１〜１５−ｍ，１７−１〜１
７−ｎ…光ファイバー（遅延素子）、１６−１〜１６−
ｍ…スプリッタ、１８−１〜１８−ｎ…光増幅ユニッ
ト、１９…光ファイバー・バンドル、２０…波長変換
部、２２，２５…光ファイバー増幅器、５１…補助用の
半導体レーザ、５２…波長分割多重素子（ＷＤＭ素
子）、５４…補助用の半導体レーザ、５５…偏波合成素
子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年９月１６日（１９９９．９．１
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】この場合、波長変換部での変換効率は、二
次高調波の場合には入力光のピーク強度の二乗、和周波
発生の場合には２つの入力光のピーク強度の積に比例す
る。露光装置用の紫外光発生のためには、通常は８倍波
や１０倍波発生の波長変換を行うため、最終段の波長変
換後の紫外光の出力強度は入射する光（基本波）の強度
のほぼ８乗から１０乗に比例することになり、オフ状態
での光増幅部の出力が、紫外光に変換される効率はほぼ
零であり、紫外光の出力はほぼ零となる。従って、本方
法によれば、光サージの影響が軽減されると共に、紫外
光の出力強度はオンの期間で目標値となり、オフの期間
ではほぼ零となる状態が実現される。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】更に、そのレーザ光は光変調部によって例
えば１００ｋＨｚ程度の高い周波数で容易に変調するこ
とができる。従って、エキシマレーザ光（周波数は数ｋ
Ｈｚ程度）を使用する場合に比べて、同じ照度を得るた
めにはパルスエネルギーを１／１０〜１／１００程度に
できるため、露光光源として用いた場合に、コンパクシ
ョン等による光学部材の透過率変動が殆ど無くなり、安
定にかつ高精度に露光を行うことができる。また、本発
明の実施の形態のように、その１００ｋＨｚ程度のレー
ザ光の各パルス光が更に１００個程度の遅延パルス光の
集合である場合には、エキシマレーザ光と同じ照度を得
るための各パルス光のエネルギーを１／１０００〜１／
１００００程度にできるため、その光学部材の透過率変
動が更に少なくなる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】また、図５において、紫外光がオンの期間
のレーザ光ＬＢ２の平均レベルと、紫外光がオフの期間
のレーザ光ＬＢ２の平均レベル（＝ＬＡ）とはほぼ等し
くなるように設定されている。この場合、紫外光がオン
の期間のレーザ光ＬＢ２のデューティ比（パルス周期に
対するハイレベル“１”の期間の割合（％））は１／１
０以下で、通常は後述のように繰り返し周波数１００ｋ
Ｈｚ（パルス周期１０μｓ＝１００００ｎｓ）でパルス
幅が１ｎｓとなるデューティ比である１／１００００程
度に設定されているため、そのレベルＬＡはピークレベ
ルＬＢに対して１／１０以下で、通常は１／１００００
程度以下となる。このように紫外光がオフの期間でもレ
ーザ光ＬＢ２のレベルを所定のレベルＬＡに維持するこ
とによって、紫外光をオンにする際に後段の光ファイバ
ー増幅器１３、及び光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ
内の光ファイバー増幅器（図２の光ファイバー増幅器２
２，２５）において、光サージによって利得が増加して
紫外光（レーザ光ＬＢ５）の出力が増加することが防止
される。これに対して、図４（ａ）に示すように、紫外
光がオフの期間にレーザ光ＬＢ２の出力を０にすると、
図４（ｂ）に示すように、紫外光をオンにした直後の期
間ＴＳにおいて、後段の光ファイバー増幅器の光サージ
が生じて紫外光（レーザ光ＬＢ５）のパルス列のピーク
レベルが高くなり、その紫外光の出力が目標値から外れ
ることになる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４６】また、図１の波長変換部２０は、入力する
レーザ光ＬＢ４を例えば３段以上の非線形光学結晶を通
して紫外光であるレーザ光ＬＢ５に変換している（詳細
後述）。この際に各非線形光学結晶においては、入射す
る光のビークレベルの自乗、又は入射する２つの光のピ
ークレベルの積にほぼ比例して波長変換が行われるた
め、波長変換部２０から出力されるレーザ光ＬＢ５の出
力は、入射するレーザ光ＬＢ４のピークレベルの８乗
（＝２³ 乗）以上の係数に比例する。従って、図５にお
いて、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２のピークレ
ベルＬＢに対して、紫外光がオフの期間のレーザ光ＬＢ
２のレベルＬＡは１／１０以下で、通常は上記のように
１／１００００程度以下であるため、レベルＬＡの光は
殆ど紫外光（レーザ光ＬＢ２）に変換されないため、紫
外光がオフの期間ではレーザ光ＬＢ５のレベルはほぼ完
全に０となる。従って、オンの期間でもオフの期間でも
紫外光（レーザ光ＬＢ５）の出力は目標値通りとなる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】本構成例では一例として、光変調素子１２
によってパルス幅１ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ
（パルス周期１０μｓ）のパルス光に変調させた場合に
ついて説明を行う。この様な光変調を行った結果、紫外
光がオンの期間に光変調素子１２から出力されるパルス
光のピーク出力ＬＢは２０ｍＷ、平均出力は２μＷとな
る。そこで、その紫外光がオフの期間に光変調素子１２
から出力される連続光のレベルＬＡは２μＷ、即ちＬＢ
／１００００となる。ここでは、光変調素子１２の挿入
による損失がないものとしたが、実際にはその挿入損失
がある。例えば損失が−３ｄＢである場合、パルス光の
ピーク出力は１０ｍＷ、平均出力は１μＷとなる。な
お、光変調素子１２として電気光学変調素子を用いる場
合には、屈折率の時間変化に伴うチャープによる半導体
レーザ出力の波長広がりが小さくなるように、チャープ
補正を行った電極構造を持つ電気光学変調素子（例えば
二電極型変調器）を用いることが好ましい。また、繰り
返し周波数を１００ｋＨｚ程度以上に設定することによ
り、後述する光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光
ファイバー増幅器においてＡＳＥ（Amplified Spontane
ous Emission：自然放出光）ノイズの影響による増幅率
低下を阻止することができる。更に、最終的に出力され
る紫外光の照度が従来のエキシマレーザ光（パルス周波
数は数ｋＨｚ程度）と同程度でよい場合には、本例のよ
うにパルス周波数を高めることによって、各パルス当た
りのエネルギーを１／１０〜１／１００程度に小さくす
ることができ、コンパクション等による光学部材（レン
ズ等）の屈折率変動等を小さくすることができる。従っ
て、そのような変調器構成とすることが望ましい。ま
た、後述のようにその高いパルス周波数の各パルス光を
更にｍ・ｎ個、即ち一例として１２８個の遅延パルス光
より形成した場合には、各パルス光当たりのエネルギー
はエキシマレーザ光に比べて１／１０００〜１／１００
００程度に小さくなって、その光学部材の屈折率変動等
が更に小さくなる。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４９】特に、光変調素子１２のみを用いてパルス
光をオフの状態にしてもその消光比が充分でない場合に
は、単一波長発振レーザ１１の電力制御を併用すること
が望ましい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/37 Ｇ０２Ｆ 1/37 ５Ｆ０７２ Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０２ Ｇ０３Ｆ 7/20 ５０２ Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｓ 3/06 Ｂ Ｈ０１Ｓ 3/06 3/23 3/23 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｂ (72)発明者 並木 周 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA13 BA01 CA24 HA04 KA18 2H097 BB01 BB02 CA13 LA10 LA12 2K002 AA04 AB12 BA02 BA03 CA02 DA01 GA04 HA20 4E068 CA02 CA03 CA04 CB01 CD03 CD08 CK01 5F046 BA03 CA03 CA08 CB01 CB22 DA01 DA26 5F072 AB09 AK06 JJ01 JJ04 KK12 KK30 MM04 MM20 PP07 QQ02 RR05 SS06 TT05 TT16 TT28 YY09

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 紫外光を発生するレーザ装置であって、 赤外域から可視域までの波長範囲内で単一波長のレーザ
   光を発生するレーザ光発生部と、 該レーザ光発生部から発生されるレーザ光の変調を行う
   光変調部と、 該光変調部から発生されたレーザ光を増幅する光ファイ
   バー増幅器を有する光増幅部と、 該光増幅部によって増幅されたレーザ光を非線形光学結
   晶を用いて紫外光に波長変換する波長変換部とを備え、
   前記光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前記レ
   ーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増
   幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中にも前記
   紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増
   幅部に増幅可能な波長域の光を供給することを特徴とす
   るレーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ装置であって、 前記光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前記レ
   ーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増
   幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中には、前
   記レーザ光発生部からのレーザ光のピークレベルを低下
   させて前記光増幅部に供給することを特徴とするレーザ
   装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のレーザ装置であって、 前記紫外光を出力する期間中に前記光変調部から前記光
   増幅部に供給されるレーザ光のピークレベルに対して、
   前記紫外光を出力しない期間中に前記光変調部から前記
   光増幅部に供給されるレーザ光のピークレベルは１／１
   ０以下であると共に、 前記紫外光を出力する期間中に前記光増幅部から出力さ
   れる光の平均レベルと、前記紫外光を出力しない期間中
   に前記光増幅部から出力される光の平均レベルとは実質
   的に等しいことを特徴とするレーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のレーザ装置であって、 前記光変調部は、前記レーザ光発生部から発生するレー
   ザ光とは波長の異なる補助光を発生する補助光源を備
   え、 前記光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前記レ
   ーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増
   幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中には前記
   補助光を前記光増幅部に供給することを特徴とするレー
   ザ装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のレーザ装置であって、 前記補助光の波長域は前記光増幅部の利得幅内で、かつ
   前記波長変換部で紫外光に変換できる波長範囲外にある
   と共に、 前記光変調部は、前記補助光と前記レーザ光発生部から
   のレーザ光とを合成する波長分割多重部材と、該波長分
   割多重部材で合成された光を変調する変調装置とを更に
   有することを特徴とするレーザ装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載のレーザ装置であって、 前記補助光の波長域は前記光増幅部の利得幅内で、かつ
   前記波長変換部で紫外光に変換できる波長範囲外にある
   と共に、 前記光変調部は、前記レーザ光発生部からのレーザ光を
   変調する変調装置と、該変調装置から出力される光と前
   記補助光とを合成する波長分割多重部材とを更に有する
   ことを特徴とするレーザ装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載のレーザ装置であって、 前記光変調部は、前記レーザ光発生部から発生するレー
   ザ光とは偏光状態の異なる補助光を発生する補助光源を
   備え、 前記光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前記レ
   ーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増
   幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中には前記
   補助光を前記光増幅部に供給することを特徴とするレー
   ザ装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載のレーザ装置であって、 前記補助光の偏光状態は、前記波長変換部で紫外光に変
   換できる偏光状態には無いと共に、 前記光変調部は、前記補助光と前記レーザ光発生部から
   のレーザ光とを合成する偏波合成部材と、該偏波合成部
   材で合成された光を変調する変調装置とを更に有するこ
   とを特徴とするレーザ装置。
9. 【請求項９】 請求項７記載のレーザ装置であって、 前記補助光の偏光状態は、前記波長変換部で紫外光に変
   換できる偏光状態には無いと共に、 前記光変調部は、前記レーザ光発生部からのレーザ光を
   変調する変調装置と、該変調装置から出力される光と前
   記補助光とを合成する偏波合成部材とを更に有すること
   を特徴とするレーザ装置。
10. 【請求項１０】 前記レーザ装置は、前記レーザ光発生
    部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段を
    更に備え、 前記光増幅部は前記複数に分岐されたレーザ光のそれぞ
    れに独立に設けられると共に、 前記波長変換部は、前記複数の光増幅部から出力された
    レーザ光の束をまとめて波長変換することを特徴とする
    請求項１〜９の何れか一項記載のレーザ装置。
11. 【請求項１１】 前記レーザ光発生部は、波長が１．５
    μｍ付近の単一波長のレーザ光を発生し、 前記波長変換部は、前記光増幅部から出力される前記波
    長１．５μｍ付近の基本波を、８倍高調波又は１０倍高
    調波の紫外光に変換して出力することを特徴とする請求
    項１〜１０の何れか一項記載のレーザ装置。
12. 【請求項１２】 前記レーザ光発生部は、波長が１．１
    μｍ付近の単一波長のレーザ光を発生し、 前記波長変換部は、前記光増幅部から出力される前記波
    長１．１μｍ付近の基本波を、７倍高調波の紫外光に変
    換して出力することを特徴とする請求項１〜１０の何れ
    か一項記載のレーザ装置。