JP2001085776A

JP2001085776A - レーザ装置及び該装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JP2001085776A
Application number: JP25812399A
Authority: JP
Inventors: Masato Shibuya; 眞人渋谷; Akihiro Goto; 明弘後藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-30

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、
光量損失の少ないレーザ装置を提供する。【解決手段】例えばＤＦＢ（Distributed feedback）
レーザ等からの可視域から赤外域のレーザ光を分岐し
て、光ファイバー増幅器を有する複数の光増幅ユニット
を用いて増幅して光ファイバー・バンドル１９に束ねた
後、非線形光学結晶５０２〜５０４を有する波長変換部
２０によって紫外域のレーザ光ＬＢ５に変換する。光フ
ァイバー・バンドル１９の出力端と非線形光学結晶５０
２との間、及び後段の隣接する非線形光学結晶間にそれ
ぞれアフォーカル光学系（５０１Ａ，５０１Ｂ；５０５
Ａ，５０５Ｂ；５０６Ａ，５０６Ｂ）を配置して、光フ
ァイバー・バンドル１９の出力端の光束の状態を最終段
の非線形光学結晶５０４まで保持する。

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 cont
inuous wave 3.5W green laser¨,L. Y. Liu, M. Oka,
W. Wiechmann and S. Kubota; Optics Letters, vol.1
9,p189(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１
０６４ｎｍ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、そのような光源を用いる場合には、
途中の光路上での光量損失をできるだけ小さくして、光
の利用効率を高めることが望ましい。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。

【００１３】更に本発明は、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２の
目的とする。更に本発明は、光路の途中での光量損失を
小さくすることを第３の目的とする。

【００１４】更に本発明は、そのようなレーザ装置を露
光光源として用いたコンパクトで自由度の高い露光装置
を提供することをも目的とする。

【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
されたレーザ光を増幅する光ファイバー増幅器を有する
複数の光増幅部（１８−１，１８−２）と、この複数の
光増幅部を通過したレーザ光を伝送する複数の光ファイ
バーを束ねた光ファイバー・バンドル（１９）と、この
光ファイバー・バンドルから射出されるレーザ光を紫外
光に波長変換する一つ又は複数個の非線形光学材料（５
０２〜５０４）と、アフォーカル光学系（５０５Ａ，５
０５Ｂ）とを有する波長変換部（２０）とを備えたもの
である。

【００１６】また、本発明の第２のレーザ装置は、その
波長変換部（２０）の代わりに、光ファイバー・バンド
ルからのレーザ光を複数個の非線形光学材料（６０２，
６０４，６０９，６１１）を用いて紫外光に変換すると
共に、射出される高調波を形成する複数の光束の断面形
状が所定方向に伸縮する非線形光学材料（６０９）と、
この非線形光学材料から射出される高調波を形成する複
数の光束をその所定方向に伸縮する非等方的光学系（６
２０）とを有する波長変換部（２０Ｂ）を備えたもので
ある。

【００１７】斯かる本発明の各レーザ装置によれば、そ
のレーザ光発生部としては、例えば発振波長が所定の単
一波長に制御された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ファイ
バー増幅器を有する光増幅部で増幅した後、非線形光学
部材を用いて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。

【００１８】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。

【００１９】また、そのレーザ光発生部から発生するレ
ーザ光を例えば光分岐手段によって所定の光路差を与え
ながら複数に分岐して、これらの分岐後のレーザ光を複
数の光増幅部を介して増幅し、こ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しているた
め、最終的に出力される紫外光の空間的コヒーレンスが
低減できる。更に、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。

【００２０】また、本発明の光ファイバー・バンドル
（１９）の射出面（１９ａ）から射出されるレーザ光
は、それぞれ所定の広がり角を持つ複数の光束の集合で
あり、その射出面において各光束は最も細く絞られてほ
ぼビームウェスト（Beam waist）となっており、その複
数の光束は互いにほぼ平行にその射出面からその波長変
換部に射出される。その波長変換部の構成については、
例えば複数の非線形光学材料の２次高調波発生（ＳＨ
Ｇ）及び／又は和周波発生（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。

【００２１】その波長変換部においては、その光ファイ
バー・バンドルの射出面の像を順次非線形光学材料中に
リレーすることが望ましい。この際に本発明の第１又は
第２のレーザ装置のように、そのリレー光学系中の少な
くとも一つをアフォーカル光学系とすることによって、
そのレーザ光を形成する複数の光束が互いにほぼ平行に
伝播する状態が維持されて、そのレーザ光の光量損失が
少なくなって変換効率が向上する。

【００２２】また、アフォーカル光学系を全く使用しな
いものとすると、最終段の非線形光学材料に入射するレ
ーザ光を構成する各光束の平行性が崩れて、光源として
非常に扱いにくいものとなる。更に、光ファイバー・バ
ンドルから射出されるレーザ光が波長変換時に全体とし
て位相整合条件を満たすのが困難になる。また、アフォ
ーカル光学系を使用すると、前後のビームウェストの結
像関係が幾何光学的な結像関係と実質的に同一になり光
学設計が容易になる。更に、そのアフォーカル光学系が
両側テレセントリックである場合には、入射するレーザ
光のビームウェストの位置が光軸方向にずれても結像倍
率が変わらないという利点もある。そして、その結像倍
率を可変にするために、そのアフォーカル光学系をズー
ム光学系とすることが望ましい。

【００２３】また、非線形光学結晶を用いる場合には、
入射する光束と射出される高調波との角度のずれである
「Walk-off」に起因して、その射出される高調波の断面
形状が所定方向に伸張して長円形になる場合がある。こ
のように断面形状が長円形のビームと、断面形状がほぼ
円形のビームとを後段の非線形光学材料に供給して和周
波発生によって高調波を発生させると、２つのビームの
重なり部が小さくなって変換効率が低下する。これを避
けるために、本発明の第２のレーザ装置では、その「Wa
lk-off」によって所定方向に伸張されたビームをその所
定方向に縮小する。この結果、その２つのビームの重な
り部が広くなり、変換効率が高まって光量損失も低下す
る。

【００２４】この場合、その光ファイバー・バンドルを
構成する複数の光ファイバーをその所定方向に沿って複
数列に配列し、その非等方的光学系を、その所定方向に
沿って配列された複数列の一方向伸縮光学系（５３０
Ａ，５３０Ｂ，５３０Ｃ，…）より構成することが望ま
しい。光ファイバー・バンドルからのレーザ光を構成す
る各光束について、「Walk-off」の影響を補正するため
の伸縮の前後で光束の位置が変化しないようにするため
には、その各光束毎に独立した光学系よりなるアレイ、
例えば２次元のシリンドリカルレンズ・アレイを使用す
ることが望ましいが、このような光学系のアレイは高価
であると共に、位置決めに時間を要する。これに対し
て、複数の光ファイバーを所定方向に配列して、そのレ
ーザ光を構成する各光束を複数列にしておくことによっ
て、その非等方的光学系を複数列の一方向伸縮光学系、
例えば１次元のシリンドリカルレンズ・アレイより構成
できるため、光学系の設計及び位置決めが容易になる。

【００２５】この場合に、上記のアフォーカル光学系も
併用することによって、更に変換効率を高めることがで
きる。そして、その非等方的光学系はそのアフォーカル
光学系の瞳位置の近傍に配置してもよい。また、本発明
の露光装置は、本発明のレーザ装置と、このレーザ装置
からの紫外光をマスク（１６３）に照射する照明系（１
６２）と、そのマスクのパターンの像を基板（１６６）
上に投影する投影光学系（１６５）とを有し、そのマス
クのパターンを通過した紫外光でその基板を露光するも
のである。本発明のレーザ装置の使用によって、露光装
置全体を小型化でき、かつメンテナンスが容易になる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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）は光
分岐手段（光分割手段）を構成している。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ＬＢ１
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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】光ファイバー・バンドル１９から射出され
たレーザ光ＬＢ４は、非線形光学材料としての非線形光
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。

【００３３】また、光ファイバー・バンドル１９の出力
端（射出端）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１９ａの直径ｄ１は、約２ｍｍ以下とすることがで
きる。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】単一波長で発振する単一波長発振レーザ１
１としては、例えば発振波長１．５４４μｍ、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（Distributed 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。ＤＦＢ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。

【００３８】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。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おり、これにより温度制御を高精
度に行っている。

【００３９】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。

【００４０】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。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（３１
６２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６．３ｍＷ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。

【００４１】その初段の光ファイバー増幅器１３の出力
を、スプリッタ１４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 ⁸ｍ／ｓであるとし、チャネル
０、１、２、３にそれぞれ０．１ｍ、１９．３ｍ、３
８．５ｍ、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。

【００４２】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、ＷＤＭ素子２１
Ｃ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２２，２５は共に双方
向励起型である。

【００４３】次に、第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１．５４４
μｍ（周波数をωとする）の基本波としてのレーザ光Ｌ
Ｂ４は、２枚のレンズ５０１Ａ及び５０１Ｂよりなるア
フォーカル光学系（以下、「アフォーカル光学系５０
１」と言う）を介して１段目の非線形光学結晶５０２中
にその出力端１９ａの像を形成し、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、２枚
のレンズ５０５Ａ，５０５Ｂよりなるアフォーカル光学
系５０５を経て２段目の非線形光学結晶５０３中にその
出力端１９ａの像を形成し、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５０６Ａ，５０６
Ｂよりなるアフォーカル光学系５０６を介して３段目の
非線形光学結晶５０４中に出力端１９ａの像を形成し、
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１９３ｎｍ）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７
７２ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→８倍波（波長
１９３ｎｍ）の順に波長変換が行われる。

【００４４】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ＬｉＢ₃Ｏ₅（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ＬｉＢ₃Ｏ₅（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Ｓｒ₂Ｂｅ₂Ｂ
₂Ｏ₇（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。

【００４５】次に、図５（ａ）は図３（ａ）の光ファイ
バー・バンドル１９から非線形光学結晶５０２までの構
成を示し、この図５（ａ）において、光ファイバー・バ
ンドル１９は多数（本例では１２８本）の直径が例えば
１２５μｍ程度の光ファイバー２６の束であり、各光フ
ァイバー２６中の直径が例えば２０μｍ程度のモード部
（コア部）からそれぞれ所定の広がり角で光束が射出さ
れている。また、各光ファイバー２６からの光束の中心
軸は互いにほぼ平行になっている。

【００４６】そして、光ファイバー・バンドル１９の出
力端１９ａ上の面Ｑ１に、各光ファイバー２６からの光
束（これも「レーザ光ＬＢ４」と呼ぶ）のビームウェス
ト２７が形成され、このビームウェスト２７がアフォー
カル光学系５０１（レンズ５０１Ａ，５０１Ｂ）によっ
て非線形光学結晶５０２の中心部の面Ｑ３にリレーされ
ている。更に、アフォーカル光学系５０１の瞳面Ｑ２
（面Ｑ１に対する光学的なフーリエ変換面）において
も、レーザ光ＬＢ４のビームウェスト２８が形成されて
いる。この際に、アフォーカル光学系５０１が使用され
ているため、非線形光学結晶５０２中の全部で１２８個
のビームウェスト２９の形成位置はほぼ面Ｑ３上にな
り、更に各ビームウェスト２９からの光束の広がり角も
互いにほぼ等しくなるため、非線形光学結晶５０２から
射出されるレーザ光ＬＢ４の状態は、結像倍率を除けば
光ファイバー・バンドル１９から射出される際の状態と
ほぼ等しくなり、レーザ光ＬＢ４の伝播効率が向上し
（即ち、光量損失が低下し）、ひいては変換効率も向上
する。

【００４７】更に、本例のアフォーカル光学系５０１
は、両側テレセントリックとなっている。これによっ
て、光ファイバー・バンドル１９の出力端１９ａと非線
形光学結晶５０２との位置関係が波長変換部２０の光軸
方向にずれても、リレーされる出力端１９ａの像の倍率
が変化することなく、変換効率が高く維持される。これ
に対して、図５（ｂ）に示すように、光ファイバー・バ
ンドル１９からのレーザ光ＬＢ４をアフォーカル光学系
以外の集光レンズ３０で非線形光学結晶５０２中に集光
すると、光ファイバー・バンドル１９中の光ファイバー
の位置によって非線形光学結晶５０２に入射する光束の
状態が変化してしまい、光源として扱いにくくなってし
まう。

【００４８】また、本例のアフォーカル光学系５０１の
レンズ５０１Ａ及び５０１Ｂの焦点距離をそれぞれｆ１
及びｆ２とすると、図６（ａ）に示すようにビームウェ
スト２７に対するビームウェスト２９の倍率はｆ２／ｆ
１となり、本例では倍率ｆ２／ｆ１は等倍程度に設定さ
れている。これに対して、非線形光学結晶５０２の変換
効率はビームウェスト２９の大きさによっても変化する
場合があるため、最大の変換効率を得るためには、図６
（ｂ）に示すように、そのアフォーカル光学系５０１の
倍率を可変とすることが望ましい。

【００４９】図６（ｂ）は、アフォーカル光学系５０１
の倍率をｆ２’／ｆ１に変えた場合を示し、図６（ａ）
のレンズ５０１Ｂの代わりに焦点距離ｆ２’のレンズ５
０１Ｃが使用されており、図６（ａ）のビームウェスト
２９は倍率の異なるビームウェスト２９Ａとなってい
る。このように倍率ｆ２’／ｆ１を変えて、それに応じ
て非線形光学結晶５０２の光軸方向の位置も変えて、非
線形光学結晶５０２における変換効率が最大になる状態
で、その倍率及び非線形光学結晶５０２の位置を固定す
ればよい。

【００５０】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、マイ
クロレンズ・アレイ５２０を介してＬＢＯ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中に出力端１９ａの像を形成し、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５０７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レンズ５０９
Ａ及び波長板（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
Ｂを通って２段目の非線形光学結晶５１０中に出力端１
９ａの像を形成する。レンズ５０９Ａ及び５０９Ｂより
アフォーカル光学系５０９が構成されている。

【００５１】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、レンズ５１３Ａ及びミラーＭ１で反射されレンズ
５１３Ｂ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中に出力端１９ａの
像を形成する。レンズ５１３Ａ及び５１３Ｂよりアフォ
ーカル光学系５１３が構成されている。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。

【００５２】一方、ダイクロイック・ミラーを透過した
２倍波はレンズ５１２Ａ，５１２Ｂよりなるアフォーカ
ル光学系を介して一度出力端１９ａの像を形成する。こ
の像からのレーザ光は、レンズ５１２Ｃ，５１２Ｄより
なるアフォーカル光学系及びミラー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倍波は、シリンドリカルレンズ・アレイ５
３０によって所定方向に集光された後、レンズ５１５
Ａ，５１５Ｂよりなるアフォーカル光学系５１５を経て
ダイクロイック・ミラー５１６に入射する。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中にそれぞれ出力端１
９ａの像を形成する。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１９３
ｎｍ）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５１７と
して、ＢＢＯ結晶の代わりにＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀（ＣＬＢ
Ｏ）結晶を用いることも可能である。この波長変換部２
０Ａ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。

【００５３】本例でも、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５０７中で変換効
率の高い領域の大きさは例えば２００μｍ程度であると
すると、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５０７中に集光することが望ましい。
そこで、光ファイバー・バンドル１９の出力端１９ａ
に、各光束毎にそれぞれ１０倍程度の倍率の微小レンズ
を配置したマイクロレンズ・アレイ５２０を設けてい
る。

【００５４】図７（ａ）は図３（ｂ）の光ファイバー・
バンドル１９から非線形光学結晶５１０までの光学系を
示し、この図７（ａ）において、マイクロレンズ・アレ
イ５２０によってレーザ光ＬＢ４のビームウェスト２７
Ａが非線形光学結晶５０７の中間の面Ｑ３に形成され、
そのビームウェスト２７Ａの像２９Ｂがアフォーカル光
学系５０９によって非線形光学結晶５１０の中間の面Ｑ
５に形成されている。更に、アフォーカル光学系５０９
の瞳面Ｑ４においても、そのレーザ光ＬＢ４のビームウ
ェスト２８Ａが形成されており、レーザ光ＬＢ４は光量
損失が殆ど無い状態で伝播している。

【００５５】この場合にも、アフォーカル光学系５０９
をズーム光学系として、図７（ｂ）に示すように、後側
のレンズ５０９Ｃの焦点距離を変化させることによっ
て、ビームウェスト２９Ｃの大きさを２段目の非線形光
学結晶５１０Ａに応じて最適化することができる。図３
（ｂ）において、３段目の非線形光学結晶５１４で発生
した６倍波５３１は、図８に示すようにそれを構成する
各光束５３１ａの断面形状がWalk-off現象により長円形
になっている。これに対して、図３（ｂ）のレンズ５１
２Ａ〜５１２Ｄを通過する２倍波５４０は、図８に示す
ように各光束５４０ａがほぼ円形であるため、最終段の
非線形光学結晶５１７で最大の変換効率を得るために
は、６倍波５３１又は２倍波５４０の各光束の非線形光
学結晶５１７中での位置及び断面形状を合致させる必要
がある。なお、図８の各光束の状態は非線形光学結晶５
１７中での仮想的な状態を示している。

【００５６】そこで、本例では、非線形光学結晶５１４
中の結像面に近いシリンドリカルレンズ・アレイ５３０
によって、図８に示すように６倍波５３１の各光束５３
１ａを長手方向に円形に縮小した６倍波５３２に変換す
る。この際に、本例のレーザ光ＬＢ４を構成する各光束
は、「Walk-off」による変形方向に複数列に配列されて
おり、シリンドリカルレンズ・アレイ５３０は、その複
数列の光束に対応して配列されたそれぞれその変形方向
に屈折力を持つ複数のシリンドリカルレンズ５３０Ａ，
５３０Ｂ，…を並べて形成されている。そのため、レー
ザ光ＬＢ４を構成する各光束の個数（１２８個）に比べ
て、使用するシリンドリカルレンズの個数は大幅に少な
くなり、シリンドリカルレンズ・アレイ５３０が容易に
製造できると共に、各シリンドリカルレンズと対応する
一列の光束との位置合わせも極めて容易である。

【００５７】この結果、変換後の６倍波５３２の各光束
５３２ａは、非線形光学結晶５１７中での位置及び形状
が２倍波５４０の各光束５４０ａと合致して（重なり部
が最大となり）、８倍波への変換効率が最大になり、光
量損失が最小になる。なお、その非等方的光学系として
のシリンドリカルレンズ・アレイ５３０の代わりに、図
９に示すように、２つのプリズム５５１，５５２によっ
て一方向に入射する光束５３１を縮小する複数の光学エ
レメント５５３Ａ，５５３Ｂ，…を配列した光学系を使
用してもよい。これらの場合、シリンドリカルレンズ５
３０Ａ，５３０Ｂ，…及び光学エレメント５５３Ａ，５
５３Ｂ，…が一方向伸縮光学系に対応する。

【００５８】また、本例では物体面（像面でもよい）の
近傍にシリンドリカルレンズ・アレイ５３０を配置して
いるが、例えばアフォーカル光学系６１０の瞳面の近傍
にシリンドリカルレンズを配置して、６倍波をその変形
した方向に縮小するようにしてもよい。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５１７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５１
１，５１６を用いる必要がなくなる。これらは後述の図
４の構成例でも同様である。

【００５９】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）の平均出力を見積もってみ
た所、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。次に、Ｆ₂レーザ（波長１５
７ｎｍ）とほぼ同一の波長の紫外光を得るための波長変
換部の構成例につき説明する。この場合には、図１
（ａ）の単一波長発振レーザ１１において発生する基本
波の波長を１．５７μｍとして、波長変換部２０として
１０倍波の発生を行う波長変換部を使用すればよい。

【００６０】図４（ａ）は、２次高調波発生と和周波発
生とを組み合わせて１０倍波を得ることができる波長変
換部２０Ｂを示し、この図４（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
１．５７μｍのレーザ光ＬＢ４の基本波は、アフォーカ
ル光学系６０１（レンズ６１０Ａ，６１０Ｂよりなる。
以下同様）を介してＬＢＯ結晶よりなる１段目の非線形
光学結晶６０３に入射し、２次高調波発生により２倍波
に変換される。この２倍波は、アフォーカル光学系６０
３を介してＬＢＯよりなる第２の非線形光学結晶６０４
に入射して、２次高調波発生による４倍波に変換され、
一部は２倍波のままで透過する。

【００６１】非線形光学結晶６０４を透過した４倍波及
び２倍波は、ダイクロイック・ミラー６０５に向かい、
ダイクロイック・ミラー６０５で反射された４倍波は、
アフォーカル光学系６０８及びミラーＭ１を経て３段目
のＳｒ₂Ｂｅ₂Ｂ₂Ｏ₇（ＳＢＢＯ）結晶よりなる非線
形光学結晶６０９に入射して、２次高調波発生により８
倍波に変換される。一方、ダイクロイック・ミラーを透
過した２倍波はアフォーカル光学系（６０６Ａ，６０６
Ｂ）、ミラーＭ２、及びアフォーカル光学系（６０６
Ｃ，６０６Ｄ）を経てダイクロイック・ミラー６０７に
入射し、非線形光学結晶６０９で得られた８倍波もシリ
ンドリカルレンズ・アレイ６２０、及びアフォーカル光
学系６１０を経てダイクロイック・ミラー６０７に入射
し、ここでその２倍波と８倍波とは同軸に合成されて４
段目のＳＢＢＯ結晶よりなる非線形光学結晶６１１に入
射し、ここで８倍波と２倍波とからの和周波発生により
１０倍波（波長１５７ｎｍ）が得られる。この１０倍波
は紫外のレーザ光ＬＢ５として射出される。即ち、波長
変換部２０Ｂでは、基本波（波長１．５７μｍ）→２倍
波（波長７８５ｎｍ）→４倍波（波長３９２．５ｎｍ）
→８倍波（波長１９６．２５ｎｍ）→１０倍波（波長１
５７ｎｍ）の順に波長変換が行われる。

【００６２】この例においても、光ファイバー・バンド
ル１９の出力端と非線形光学結晶との間、及び後段の非
線形光学結晶間にアフォーカル光学系が配置されてお
り、かつ「Walk-off」による変形を補正するためのシリ
ンドリカルレンズ・アレイ６２０が配置されているた
め、変換効率が最大になっている。また、Ｆ₂レーザ
（波長１５７ｎｍ）とほぼ同一波長の紫外光を得るため
には、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１において発
生する基本波の波長を１．０９９μｍとして、波長変換
部２０として７倍波の発生を行う波長変換部を使用する
方法も考えられる。

【００６３】図４（ｂ）は、２次高調波発生と和周波発
生とを組み合わせて７倍波を得ることができる波長変換
部２０Ｃを示し、この図４（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
１．０９９μｍのレーザ光ＬＢ４（基本波）は、マイク
ロレンズ・アレイ７０１を経てＬＢＯ結晶よりなる１段
目の非線形光学結晶７０２に入射し、ここでの２次高調
波発生により２倍波が発生し、基本波の一部はそのまま
透過する。この基本波及び２倍波は、共に直線偏光状態
でアフォーカル光学系７０４及び波長板（例えば１／２
波長板）７０３を透過して、基本波のみの偏光方向が９
０度回転する。基本波及び２倍波はＬＢＯ結晶よりなる
第２の非線形光学結晶７０５に入射し、ここでの和周波
発生により３倍波が発生すると共に、２倍波の一部がそ
のまま透過する。

【００６４】非線形光学結晶７０５から発生される２倍
波と３倍波とはダイクロイック・ミラー７０６で分岐さ
れ、ここを透過した３倍波はアフォーカル光学系（７０
７Ａ，７０７Ｂ）を一度光源像を形成した後、アフォー
カル光学系（７０７Ｃ，７０７Ｄ）及びミラーＭ２を経
てダイクロイック・ミラー７０８に入射する。一方、ダ
イクロイック・ミラー７０６で反射された２倍波は、ア
フォーカル光学系７０９及びミラーＭ１を通ってＳＢＢ
Ｏ結晶よりなる第３の非線形光学結晶７１０に入射し、
２次高調波発生により４倍波に変換される。この４倍波
は、アフォーカル光学系７１１を経てダイクロイック・
ミラー７０８に入射し、ダイクロイック・ミラー７０８
で同軸に合成された３倍波及び４倍波は、ＳＢＢＯ結晶
よりなる第４の非線形光学結晶７１２に入射し、ここで
の和周波発生により７倍波（波長１５７ｎｍ）に変換さ
れる。この７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１．０９９
μｍ）→２倍波（波長５４９．５ｎｍ）→３倍波（波長
３６６．３ｎｍ）→４倍波（波長２７４．８ｎｍ）→７
倍波（波長１５７ｎｍ）の順に波長変換される。

【００６５】この場合にも、光ファイバー・バンドル１
９の出力端と１段目の非線形光学結晶との間にマイクロ
レンズ・アレイ７０１が配置され、後段の非線形光学結
晶間にアフォーカル光学系が配置されているため、変換
効率が大きくなっている。なお、波長変換部２０〜２０
Ｃ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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】次に、図１（ａ）の紫外光発生装置を用い
た露光装置の一例につき説明する。図１０は、本例の露
光装置を示し、この図１０において、露光光源１７１と
しては、図１（ａ）の紫外光発生装置中の単一波長発振
レーザ１１からｍ組の光増幅ユニット１８−１〜１８−
ｎまでの部分が使用される。また、その紫外光発生装置
は、最終的に出力されるレーザ光ＬＢ５の波長が１９３
ｎｍ、１５７ｎｍ、又はそれ以外の紫外域にできるよう
に調整されている。

【００６９】図１０の露光光源１７１から射出されたレ
ーザ光（基本波）の大部分は、接続用光ファイバー１７
３を介して露光光として照明系１７２に供給され、その
レーザ光の残りの部分は接続用光ファイバー１７８を介
してアライメント系（詳細後述）に供給される。光ファ
イバー１７３及び１７８はそれぞれ図１（ａ）の光ファ
イバー・バンドル１９を分岐したものに対応している。

【００７０】照明系１７２は、露光光源１７１からの基
本波を波長変換してレーザ光ＬＢ５よりなる紫外域の露
光光を出力する波長変換部（図１（ａ）の波長変換部２
０に対応する）、その露光光の照度分布を均一化するオ
プティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）、開口
絞り、リレーレンズ、視野絞り（レチクルブライン
ド）、及びコンデンサレンズ等から構成され、露光時に
は照明系１７２から射出された露光光が、マスクとして
のレチクル１６３のパターン面のスリット状の照明領域
を均一な照度分布で照明する。この際に本例の露光光は
空間コヒーレンスが低いため、照明系１７２中の空間コ
ヒーレンスを低下させるための部材の構成を簡素化で
き、露光装置を更に小型化できる。

【００７１】レチクル１６３はレチクルステージ１６４
上に載置されており、レチクル１６３を透過した露光光
は投影光学系１６５を介して、被露光基板としてのウエ
ハ（wafer)１６６上に照明領域の内のパターンの縮小像
を倍率Ｍ_RW（例えば１／４，１／５，１／６等）で投影
する。投影光学系１６５としては、屈折系、反射系、又
は反射屈折系が使用できる。但し、露光光が波長２００
ｎｍ程度以下の真空紫外光である場合には高透過率の材
料が限定されるため、投影光学系を小型化して、かつ結
像性能を高めるために反射屈折系を使用してもよい。

【００７２】ウエハ１６６は、ウエハステージ１６７上
に保持され、ウエハ１６６の３次元的な位置は駆動部１
６９によって駆動されるウエハステージ１６７によって
設定される。そして、露光時には、ウエハステージ１６
７のステップ移動によってウエハ１６６の位置決めを行
った後、照明領域に対してレチクルステージ１６４を介
してレチクル１６３を所定方向に走査し、ウエハ１６６
をウエハステージ１６７を介して倍率Ｍ_RWを速度比とし
て走査するというステップ・アンド・スキャン方式で、
ウエハ１６６上の各ショット領域にレチクル１６３のパ
ターンの像が転写される。このように本例の露光装置は
走査露光型であるが、露光光源１７１はステッパー等の
一括露光型の露光装置にも適用できることは明きらかで
ある。

【００７３】この場合、本例の露光光源１７１は、小型
であるため、照明系１７２を支持する架台に一緒に固定
しても良い。あるいは露光光源１７１を単独で架台に固
定しても良い。但し、露光光源１７１に接続される電源
などは別置きにしておくことが好ましい。以上のよう
に、本例の紫外光発生装置を用いた露光装置は従来の他
の方式（エキシマレーザやアレイレーザを用いた露光装
置）にくらべて小型であり、また、各要素が光ファイバ
ーで接続されて構成されているため、装置を構成する各
ユニットの配置の自由度が高い利点がある。また、本例
においては、接続用光ファイバー１７３，１７８が使用
されているため、露光光源１７１を露光装置本体の外部
に設けることも可能である。このような構成とすること
により、光ファイバー増幅器の励起用半導体レーザや半
導体レーザのドライブ用電源、温度コントローラ等の発
熱を伴う主要な構成部分を露光機本体の外に配設するこ
とができる。従って、露光装置本体が露光光源である紫
外光発生装置からの発熱の影響を受けて光軸のアライメ
ントがずれる等の熱に起因する問題を抑制することがで
きる。

【００７４】また、本例のレチクルステージ１６４は駆
動機構１６８によってＸ方向、Ｙ方向に移動可能で、か
つ微小回転可能に構成されている。更に、ウエハステー
ジ１６７上には基準マーク板ＦＭが設けられており、こ
の基準マーク板ＦＭは後述するベースライン計測などに
用いられる。更に本例では、レチクル１６３上のアライ
メントマークを検出するアライメント系１８０と、投影
光学系１６５を介さないオフ・アクシス方式のアライメ
ント系１８１とが設けられている。

【００７５】本例では露光光源１７１からのレーザ光
（基本波）の一部を分岐して光ファイバー１７８を介し
てアライメント系１８０用の波長変換部１７９に供給し
ている。波長変換部１７９としては、図１（ａ）の波長
変換部２０と同様で、かつ小型の波長変換部を使用す
る。波長変換部１７９はアライメント系１８０を保持す
る架台に一体に設けておき、波長変換部１７９から射出
される露光光と同じ波長のレーザ光ＬＢ５をアライメン
ト系１８０の照明光ＡＬとして使用する。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】

【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、レーザ光発生部から発生するレーザ光を複数
に分岐して、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、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。

【００７９】更に、波長変換部において、アフォーカル
光学系を用いるか、又は「Walk-off」による光束の変形
を補正するための光学系を設けているため、レーザ光の
光量損失が少ない利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の紫外光発生装置
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】（ａ）は波長変換部２０の第３の構成例を示
す図、（ｂ）は波長変換部２０の第４の構成例を示す図
である。

【図５】波長変換部中でのアフォーカル光学系とそれ
以外の光学系との作用の相違の説明図である。

【図６】アフォーカル光学系をズーム系とした場合の
動作の説明図である。

【図７】光ファイバー・バンドル１９の射出面にマイ
クロレンズ・アレイ５２０を配置して、後段の非線形光
学結晶間にアフォーカル光学系を配置した場合のレーザ
光の光路を示す図である。

【図８】非線形光学結晶から射出される高調波の各光
束の「Walk-off」による変形の状態、及びその各光束の
断面形状が補正される状態を示す図である。

【図９】非等方的光学系の他の例を示す図である。

【図１０】上記の実施の形態の紫外光発生装置を適用
した露光装置の一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、５０１Ａ，５０
１Ｂ…アフォーカル光学系を構成するレンズ、５０２〜
５０４…非線形光学結晶、５２０…マイクロレンズ・ア
レイ、５３０…シリンドリカルレンズ・アレイ

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５ＢＦターム(参考） 2H097 BB02 CA06 CA17 GB01 LA10 LA12 2K002 AA04 AB12 BA02 BA03 CA02 DA01 HA19 HA20 5F046 BA04 BA05 CA04 CA05 CA08 CB04 CB22 5F072 AB09 AK06 JJ02 KK12 KK30 MM03 PP07 QQ02 QQ04 RR05 YY09

Claims

【特許請求の範囲】

【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たレーザ光を増幅する光
ファイバー増幅器を有する複数の光増幅部と、該複数の光増幅部を通過したレーザ光を伝送する複数の
光ファイバーを束ねた光ファイバー・バンドルと、該光ファイバー・バンドルから射出されるレーザ光を紫
外光に波長変換する一つ又は複数個の非線形光学材料
と、アフォーカル光学系とを有する波長変換部と、を備
えたことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】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たレーザ光を増幅する光
ファイバー増幅器を有する複数の光増幅部と、該複数の光増幅部を通過したレーザ光を伝送する複数の
光ファイバーを束ねた光ファイバー・バンドルと、該光ファイバー・バンドルから射出されるレーザ光を複
数個の非線形光学材料を用いて紫外光に波長変換する波
長変換部とを備え、前記波長変換部は、射出される高調
波を形成する複数の光束の断面形状が所定方向に伸縮す
る非線形光学材料と、該非線形光学材料から射出される前記高調波を形成する
複数の光束を前記所定方向に伸縮する非等方的光学系と
を有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】前記光ファイバー・バンドルを構成する
複数の光ファイバーは前記所定方向に沿って複数列に配
列されており、前記非等方的光学系は、前記所定方向に
沿って配列された複数列の一方向伸縮光学系よりなるこ
とを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ
装置と、該レーザ装置からの紫外光をマスクに照射する照明系
と、前記マスクのパターンの像を基板上に投影する投影光学
系とを有し、前記マスクのパターンを通過した前記紫外
光で前記基板を露光することを特徴とする露光装置。