JP2002090787A

JP2002090787A - 波長変換光学系及びこの波長変換光学系を用いた露光装置

Info

Publication number: JP2002090787A
Application number: JP2000282952A
Authority: JP
Inventors: Hisao Osawa; 日佐雄大澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2002-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】角度位相整合を行う波長変換光学系におい
て、光源からの光の出射角度が変化しても波長変換効率
が変化しない波長変換光学系を得る。【解決手段】後段の非線形光学結晶Ｂ₁に対して光源
とみなせる前段の非線形光学結晶Ａ₁と、これ等の非線
形光学結晶の間に配設されて前段の非線形光学結晶から
射出される光を集光入射させるレンズＲ₁とを有する波
長変換光学系において、前段の結晶Ａ₁におけるビーム
スポットとレンズＲ₁との距離をａ、レンズＲの焦点距
離をｆ、レンズＲ₁と後段の結晶Ｂ₁に形成されるビーム
スポットとの距離をｂとしたときに、距離ａがレンズの
焦点距離ｆとほぼ等しくなるようにｆとａとの関係を設
定する。あるいはｆ−ａがｂに比べて小さくなるように
ｆとａ及びｂの関係を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長変換光学系に
関し、なお詳細には角度位相整合により波長変換を行う
波長変換光学系において、非線形光学結晶に光を入射さ
せるときの位相整合角の設定を容易化した波長変換光学
系に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長変換光学系は、媒質の非線形光学効
果を利用して入射光の光波長を異なる波長の光に変換す
る光学系であり、非線形光学素子の高調波発生や和周波
発生、パラメトリック発生等を応用することにより、入
射された基本波の光波長を所望の光周波数の光に変換す
る光学技術として広く研究開発が成されている。例え
ば、周波数安定化した赤外レーザの基本波を複数段の非
線形光学結晶に順次入射させ、第２高調波発生や和周波
発生を生じさせてＫrＦエキシマレーザやＡrＦエキシマ
レーザ（それぞれ発振波長λ＝248nm,193nm）、あるい
はＦ₂レーザ（λ＝157nm）などと同一波長の紫外光を射
出させる波長変換光学系が、半導体製造を始めとする微
細加工技術の光源として用いられつつある。

【０００３】図７は、このような波長変換光学系の一例
として、入射波長1.544μmの基本波レーザ光（光周波数
ω）を順次波長変換して出力波長221nmの第７高調波
（光周波数７ω）を発生させる波長変換光学系を示した
ものである。図において、左端から入射された基本波レ
ーザ光（光周波数ω）が、非線形光学結晶（波長変換結
晶とも称される）６１，６２，６３，６４を図中左から
右に向かって透過し第７高調波が図の右端から出力され
る。

【０００４】基本波が第１段の波長変換結晶（非線形光
学結晶）であるＬＢＯ結晶６１を通る際に第２高調波発
生（ＳＨＧ）により光周波数が基本波の２倍の第２高調
波（２ω、２倍波とも称する）が発生する。発生した第
２高調波は波長変換されずに透過した基本波とともに、
色消しレンズ７２で第２段の波長変換結晶であるＬＢＯ
結晶６２に集光入射され、この結晶中で和周波発生（ω
＋２ω＝３ω）により第３高調波（３ω）に変換され
る。発生した第３高調波と変換されずに透過した第２高
調波とはダイクロックミラー８１で分離され、このミラ
ーで反射された第２高調波（２ω）は、レンズ７３によ
って３段目の波長変換結晶であるＬＢＯ結晶６３に集光
入射される。ＬＢＯ結晶６３中では第２高調波が２倍波
発生により第４高調波に変換される。ＬＢＯ結晶６３で
変換された第４高調波とダイクロックミラー８１を透過
した第３高調波とは、それぞれの光路上のレンズ７５，
７４で集光されるとともにダイクロックミラー８４で合
成され、４段目の波長変換結晶であるＢＢＯ結晶６４の
同一点に集光される。ＢＢＯ結晶６４では和周波発生
（３ω＋４ω＝７ω）により基本波の第７高調波が発生
する。従って、以上のような波長変換光学系において、
基本波として波長λ_i＝1.544μmの赤外光を入射させた
ときに出力波として波長λ_o＝221nmの紫外光を得ること
ができる。

【０００５】このような波長変換光学系において、各非
線形光学結晶中における波長変換を高い効率で発生させ
るためには、それぞれの非線形光学結晶中に於ける光の
パワー密度を一定以上に保つ必要があり、このため各段
の結晶間には出射光を次段の非線形光学結晶中に集光さ
せるレンズ７２，７３，７４，７５が配設されている。
これら各レンズの焦点距離は、一般に光学系全体の物理
的大きさや結晶中での理想的なビームスポット径などを
考慮して設計されており、通常では波長変換後の高次光
ほど光パワーが減少してゆくために、後段に進むほどビ
ームスポットサイズが小さくなるように焦点距離を調整
し、パワー密度の低下を防止している。

【０００６】ところで、非線形光学結晶を利用して波長
変換を行う場合には、非線形光学結晶中におけるパワー
密度やビームプロフィールとともに、非線形光学結晶中
への光の入射角が極めて重要である。例えば、非線形光
学結晶に光周波数ω₁とω₂の二つの光を入射させ、和周
波発生により周波数ω₃の高次光を発生させる場合には
ω₁＋ω₂＝ω₃なる関係をもつが、一般に結晶の屈折率
ｎは周波数の関数として表され、各周波数ω₁,ω₂,ω₃
に対して異なった値(ｎ₁,ｎ₂,ｎ₃)となる。このため結
晶中を進行する光の波数ベクトルｋ_iは、光速をｃとし
たときに、

【０００７】

【数１】ｋ_i＝ｎ_iω_i／ｃであり、ｋ₃＝ｋ₁＋ｋ₂ にならない。

【０００８】従って、同一結晶中を進行するうちに、次
第に屈折率差に応じた位相ズレが生じ結晶各点で発生し
た和周波光が干渉して強めあったり打ち消しあったりし
て、効率よく和周波光を取り出すことができない。

【０００９】ところで、一軸性結晶や二軸性結晶では入
射光の偏光方向により屈折率が異なる現象が見られる。
いわゆる常光線と異常光線である。そこで、このような
結晶の複屈折性を利用するとｋ₃＝ｋ₁＋ｋ₂の関係が成
り立つ特定の入射角を見出すことができる。このような
入射角を位相整合角θ_pmといい、位相整合角で入射させ
ることにより位相整合条件をマッチさせる整合方法を角
度位相整合（クリティカル位相整合）という。

【００１０】従って、角度位相整合においては、非線形
光学結晶の光学軸に対して所定の位相整合角θ_pmで光を
入射させることにより、高い効率で和周波発生や第２高
調波発生等の波長変換を行うことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高い効
率で波長変換を行うことができるのは、ｋ₃＝ｋ₁＋ｋ₂
の関係を満たす特定の位相整合角θ_pmに限られるため、
入射角が位相整合角からずれると上式の関係が崩れて波
長変換効率が急激に低下する。その変化の様子は、位相
不整合量Δｋ＝ｋ3−(ｋ1＋ｋ2)、入射角の位相整合角
からのずれをΔθ、結晶長をＬとしたときに、近似的に
次式で示される。

【００１２】

【数２】

【００１３】ここで、波長変換された出力光強度が50％
となる角度許容幅ΔθＬは、対象とする非線形光学結晶
の特性値や入射波長等を代入して数値計算することによ
り求められ、例えば、図７を用いて説明した波長変換光
学系におけるＬＢＯ結晶６３について求めるとΔθＬ＝
0.3mrad・cm程度の値となる。このことは結晶長10mmのＬ
ＢＯ結晶に対して入射角が0.3mradずれると波長変換効
率が半減することを意味し、波長変換光学系を組む際の
各構成部品の形状精度や位置精度、調整精度等の初期精
度をはじめ、光学部品を支持する支持部材の経時変化や
光学系のベースとなる基材の温度変化にともなう相対変
位等に対しても極めて高い精度を維持する必要があるこ
とが解る。

【００１４】特に、集光スポットでのパワー密度を増加
させるために比較的短い焦点距離のレンズを用いた場合
においては、レンズのわずかな位置ズレが大きな角度ズ
レを引き起こすため、レンズ位置を極めて正確に調整す
る必要があった。例えば、焦点距離10mmのレンズを用い
た場合には、レンズ位置が光軸から1μmずれたときの角
度ズレΔθは0.1mradとなり、上記結晶の場合では9％も
の出力低下を引き起こすことになる。さらに、波長変換
が複数段の場合には、前段での角度ズレが光軸ズレとな
って後段に影響を与え、さらに後段での角度ズレ等を含
んで順次拡大して行くため、波長変換光学系全体での大
きな問題となる。

【００１５】このため、角度整合を行う従来の波長変換
光学系では、構成する各レンズや非線形光学結晶等の位
置や角度を厳密に調整し、かつ、これ等を長期にわたっ
て維持可能に構成せざるを得なかった。具体的には、波
長変換光学系を構成する各構成部材を、個々の部品段階
・組立段階において極めて高い形状精度や位置精度等を
有するように構成し、ベース部材等は温度変化に対して
変位しないようにスーパーインバーやゼロデュア等の特
殊な低熱膨張材料を用い、さらに光学系全体を恒温に維
持するなどの手段が用いられていた。このため、光学系
の構成部材自身が高価なうえ組立・調整工数が多大とな
り、装置全体が高価になるという課題を有していた。

【００１６】本発明は、上記のような問題や課題に鑑み
て成されたものであり、角度位相整合を行う波長変換光
学系において、たとえ光源や前段の非線形光学結晶から
射出される光の角度が変化した場合であっても、波長変
換効率を悪化させることがない波長変換光学系を提供す
ることを目的とし、併せて、上記波長変換光学系を用い
ることにより経時変化や外乱等によらずに安定した出力
特性を備えた長期信頼性の高い露光装置を提供すること
を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、第
１の本発明は、光源と、この光源から射出された光を光
源の波長と異なる波長の光に変換する第１の非線形光学
結晶と、光源と第１の非線形光学結晶との間に配設され
て光源から射出された光を集光して第１の非線形光学結
晶に入射させるレンズとを有する波長変換光学系であっ
て、光源において最小スポットサイズになるビームスポ
ットとレンズとの距離ａが、レンズの焦点距離ｆとほぼ
等しくなるように波長変換光学系を構成する。

【００１８】第２の本発明は、光源と、この光源から射
出された光を光源の波長と異なる波長の光に変換する第
１の非線形光学結晶と、光源と第１の非線形光学結晶と
の間に配設されて光源から射出された光を集光して第１
の非線形光学結晶に入射させるレンズとを有する波長変
換光学系であって、光源において最小スポットサイズに
なる第１ビームスポットとレンズとの距離ａとレンズの
焦点距離ｆとの差（ｆ−ａ）が、レンズと第１の非線形
光学結晶中において最小スポットサイズになる第２ビー
ムスポットとレンズとの距離ｂに比べて小さくなるよう
に波長変換光学系を構成する。

【００１９】第３の本発明における波長変換光学系は、
上記第１または第２の発明における光源が、さらに前段
の光源から入射された光を波長変換して射出する第２の
非線形光学結晶であり、この第２の非線形光学結晶から
射出される光は、第２の非線形光学結晶においてウォー
クオフを起こして略平行光とみなせることを特徴とす
る。

【００２０】以上のような構成によれば、光源または光
源とみなせる前段の非線形光学結晶から射出される光の
出射角度が変化した場合であっても、レンズを介して入
射される第１の非線形光学結晶への入射角はほとんど変
化することがない。以下、この基本概念を図１及び図２
を用いて説明する。

【００２１】なお、本明細書において「光源」とは、対
象としている光学素子に対して光を射出するエレメント
を意味し、レーザ発振器のように自ら光を発生させる装
置のみならず、例えば、複数段の波長変換光学系におい
ては、初段の非線形光学結晶に光を導く光ファイバー
や、対象とする非線形光学結晶の前段の非線形光学結晶
等をも含む概念である。また、「ビームスポット」と
は、対象とする近傍領域においてビームスポットサイズ
が最も小さくなる位置（ビームウェスト位置）における
光スポットを意味する。

【００２２】図１及び図２は、非線形光学結晶Ａ₁のビ
ームスポットから射出されたビームが、レンズＲ₁を介
して次段の非線形光学結晶Ｂ₁に集光入射されるときの
軌跡を模式的に示したものである。なお、図では簡明化
のため非線形光学結晶Ａ₁,Ｂ₁の屈折率ｎを間の空間と
同一のｎ＝１として表示している。

【００２３】ガウスビームにおいても、ある特定の光線
成分のみの伝播を取り扱うときには、幾何光学的な取り
扱いで十分である。従って、結晶Ａ₁から射出されるビ
ーム中で強度最大の成分Ｌ（以下最大強度成分Ｌと表記
する）の光軸Ｃ_Lに対する傾き角αに対して、結晶Ｂ₁に
入射する最大強度成分Ｌの光軸Ｃ_Lに対する傾き角βを
計算すると、

【００２４】

【数３】β＝（ｆ−ａ）α／ｂ

【００２５】のように表すことができる。ここにａ，ｂ
はそれぞれの屈折率を加味したレンズから結晶Ａ₁,Ｂ₁
までの距離、ｆはレンズＲ₁の焦点距離である。

【００２６】上記式において、レンズの焦点距離ｆと距
離ａとの関係を変化させたときに、結晶Ｂ₁に入射する
最大強度成分Ｌの傾き角βがどの様に変化して行くかを
比較して示したのが図１及び図２である。上記式及び両
図を比較して明らかなように、ｆとａとが接近するに従
って傾き角βが小さくなり、結晶Ｂ₁に入射する最大強
度成分Ｌは徐々に光軸Ｃ_Lに平行に近づいてくる。そし
て、ｆ≒ａのとき(図２)には傾き角βが非常に小さな値
となり、これに伴って結晶Ａ₁からの出射角の角度変化
Δαに対する入射角の角度変化Δβは極めて小さな値と
なる。さらに、ｆ＝ａとしたときには、結晶Ｂ₁に入射
する最大強度成分Ｌは光軸Ｃ_Lと完全に平行になり、傾
き角βは結晶Ａ₁からの出射角αの如何に拘わらず、す
なわち結晶Ａ₁からの出射角度がいかに変化しようと、
全く影響を受けることなく常に光軸Ｃ_Lと平行に維持さ
れる。

【００２７】従って、第１の本発明、すなわち結晶Ａ₁
（請求範囲における光源または第２の非線形光学結晶が
該当する）中のビームスポットとレンズとの距離ａをレ
ンズの焦点距離ｆとほぼ等しくして波長変換光学系を構
成した場合には、たとえ結晶Ａ₁からの出射角αが変化
した場合であっても後段の結晶Ｂ₁（請求範囲における
第１の非線形光学結晶が該当する）への入射角βは何等
影響を受けることがない。このため、角度位相整合を行
う波長変換光学系において、位相整合許容角が狭い非線
形光学結晶に対しても経時変化や熱的変化によらず一定
した入射角を維持することができ、これにより、簡便な
構成で波長変換効率が安定した波長変換光学系を提供す
ることができる。

【００２８】なお、結晶Ａ₁中にビームスポットがあ
り、かつ、このビームスポットとレンズの焦点距離との
関係を完全にｆ＝ａとした場合には、結晶Ｂ₁に入射す
るビームの入射角βは結晶Ａ₁からの出射角αの変化の
影響を全く受けることなく、従って最大の効果を有する
ことになるが、この場合には結晶Ｂ₁側のビームは平行
光束となるため結晶Ｂ₁中に明確なビームスポットを形
成することができない。

【００２９】そこで、結晶Ｂ₁中にビームスポットを形
成しようとするときには、結晶Ａ₁中におけるビームス
ポットとレンズの焦点距離との関係を完全にｆ＝ａとせ
ず、一定量ずらして設定する(図２)。この場合には結晶
Ｂ₁中におけるビームスポットサイズを考慮した上でｆ
とａ及びｂの関係を設定するが、前述したαとβとの関
係式から明らかなように、ｆ−ａに比べてレンズＲ₁と
結晶Ｂ₁中におけるビームスポットとの距離ｂを充分大
きく取ることにより、結晶Ｂ₁に入射するビームの傾斜
角βを結晶Ａ₁から射出するビームの傾斜角αよりも充
分小さくすることができ、これにより結晶Ｂ₁に入射す
る光の入射角の変化Δβは、結晶Ａ₁からの出射角の変
化Δαに対して極めて小さな値とすることができる。

【００３０】従って、第２の本発明、すなわち結晶Ａ₁
（請求の範囲における光源または第２の非線形光学結晶
が該当する）中のビームスポットとレンズとの距離ａと
レンズの焦点距離ｆとの差ｆ−ａを、後段の結晶Ｂ
₁（請求の範囲における第１の非線形光学結晶が該当す
る）中のビームスポットとレンズとの距離ｂに比べて小
さくなるようにして波長変換光学系を構成した場合に
は、結晶Ａ₁からの出射角αの変化Δαに対して後段の
結晶Ｂ₁への入射角βの変化Δβを極めて小さく抑制す
ることができる。このため、角度位相整合を行う波長変
換光学系において、位相整合許容角が狭い非線形光学結
晶に対しても経時変化や熱的変化の影響を受けにくく一
定した入射角を維持することができ、これにより、簡便
な構成で波長変換効率が安定した波長変換光学系を提供
することができる。

【００３１】ところで、波長変換をおこなう非線形光学
結晶中において生じる特異な効果の一つとしてウォーク
オフ（Walk-off）がある。これは、発生させる高調波が
その結晶において異常光である場合に、結晶各点で波長
変換される高調波が入射波とある角度をもって伝播する
ために生じる現象であり、結晶から射出されるビームは
当該角度面の方向に拡大されて長円形のビームとなる。
そして、このようなウォークオフ現象が生じた高調波ビ
ームは、そのビーム径の拡大効果によりビーム発散角が
極めて小さくなり、波長変換光学系内においては事実上
平行光とみなして取り扱うことができる。

【００３２】図３は、図１及び図２を用いて説明したと
同様の波長変換光学系において、結晶Ａ₂で発生した光
がウォークオフ現象により傾き角αの平行光として射出
される場合を、図２と対応させて示したものである。こ
のような場合において、結晶Ａ₂中においてビームスポ
ットとみなせる位置とレンズＲ₂との距離ａと、レンズ
Ｒ₂の焦点距離ｆとの関係をｆ＝ａとしたときには、結
晶Ｂ₂中へのビーム強度最大成分Ｌの傾き角βが光軸Ｃ_L
と平行になり、結晶Ａ₂から射出されるビームの傾き角
αが如何に変化しようと結晶Ｂ₂中へのビーム強度最大
成分Ｌの傾き角βは光軸Ｃ_Lに平行な状態が維持され
る。一方、レンズＲを透過した光は結晶Ａ₂から射出さ
れるビームがほぼ平行光であるために結晶Ｂ₂中に集光
され明確なビームスポットを形成する。

【００３３】このため、結晶Ａ₂からの出射光がウォー
クオフを起こしている場合には、ｆ＝ａの関係を満たす
ように波長変換光学系を設定することによって、結晶Ｂ
₂に入射するビームの入射角βは結晶Ａ₂からの出射角α
が変化した場合であっても、その角度変化の影響を全く
受けることなく（すなわち最大の効果を有した上で）、
かつ、結晶Ｂ₂中に所望のパワー密度を有するビームス
ポットを容易に形成することができる。

【００３４】また、前述した第２の発明と同様にｆ−ａ
を結晶中のビームスポットとレンズとの距離ｂに比べて
充分小さくする構成とすれば、結晶Ａ₂からの出射角α
の変化Δαに対して後段の結晶Ｂ₂への入射角βの変化
Δβを極めて小さく抑制することができ、かつ、結晶Ｂ
₂中に所望のパワー密度を有するビームスポットを容易
に形成することができる。

【００３５】従って、第３の本発明、すなわち結晶Ａ₂
（請求の範囲における第２の非線形光学結晶が該当す
る）から射出される光がウォークオフを起こして略平行
光とみなせる場合において、結晶Ａ₂中のビームスポッ
トとレンズとの距離ａをレンズの焦点距離ｆとほぼ等し
く設定し、あるいは結晶Ａ₂中のビームスポットとレン
ズとの距離ａとレンズの焦点距離ｆとの差ｆ−ａを後段
の結晶Ｂ₂（請求の範囲における第１の非線形光学結晶
が該当する）中のビームスポットとレンズとの距離ｂに
比べて小さくなるように設定して波長変換光学系を構成
することにより、前述した第１または第２の発明と同様
に、結晶Ａ₂からの出射角αが変化した場合であっても
後段の結晶Ｂ₂への入射角βが全く影響を受けないか、
またはその影響を極めて小さく抑制することができ、か
つ、結晶Ｂ₂中に所望のパワー密度を有するビームスポ
ットを容易に形成することができる。

【００３６】このため、角度位相整合を行う波長変換光
学系において、位相整合許容角が狭い非線形光学結晶に
対しても経時変化や熱的変化によらず一定した入射角を
維持することができるうえ、後段の非線形光学結晶に最
適化したビームスポットを容易に形成することができ
る。これにより、簡便な構成で波長変換効率が高く安定
した出力特性を有する波長変換光学系を提供することが
できる。

【００３７】第４の本発明は、第３の発明において、第
２の非線形光学結晶から射出される光におけるウォーク
オフを起こして長径化している方向と、第１の非線形光
学結晶における入射角度依存性が高い方向とを一致させ
て、第１の非線形光学結晶に入射させることを特徴とす
る。

【００３８】角度位相整合を利用している非線形光学結
晶には、１本の光学軸を持つ一軸性結晶や、２本の光学
軸を持つ二軸性結晶を用いる。一般に、ある面に光を入
射させるときには入射角には２つの自由度があるが、上
記のような非線形光学結晶の端面に光を入射するときに
は、入射光の光軸と非線形光学結晶の光学軸を含む面内
の角度の方が、それと直交する角度に比べて、波長変換
結果の受ける角度依存性が大きい。異常光線の屈折率は
光学軸を含む面内での角度によって変化するため、位相
整合に大きな影響を及ぼすからである。

【００３９】そこで、第４の本発明では、前段の非線形
光学結晶（請求の範囲における第２の非線形光学結晶が
該当する）からの出力光がウォークオフを起こしている
場合に、ウォークオフ効果により長径化している方向
と、後段の非線形光学結晶（請求の範囲における第１の
非線形光学結晶が該当する）における入射角度依存性が
高い方向(位相整合角度面の方向)とを一致させて後段の
結晶に入射させる

【００４０】これまでの説明から明らかなように、前段
の結晶からの出力光がウォークオフを起こして略平行光
とみなせる場合には、ｆ≒ａ（あるいはｆ−ａ≪ｂ）な
る関係を満たす配置としたときに、前段の結晶からの出
射角αが角度変化を起こしても後段の結晶への入射角β
がほとんど変化することなく、かつ、後段の結晶中に所
望のビームスポットを形成することができる。このた
め、入射角度依存性が高い方向とウォークオフを起こし
て長径化している方向とを一致させて入射させる本発明
によれば、第１から第３の発明の効果を最大限に発揮さ
せて、波長変換効率が高く長期にわたり安定した変換効
率を維持する波長変換光学系を提供することができる。

【００４１】第５の本発明は、以上説明した波長変換光
学系を有して露光装置を構成する。すなわち、本発明に
係る露光装置は基本波出力光を波長変換光学系において
波長変換し、その出力光を照明用の光源装置として用い
る露光装置である。これまでの説明から明らかなよう
に、本発明に係る波長変換光学系は光源や中間段の出射
光の出射角(α)が角度変化を生じた場合であっても次段
の非線形光学結晶に入射する入射角(β)はほとんど変化
することがなく、経時変化や外乱に対して極めて安定し
た波長変換効率を維持する。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る波長変換光学
系及びこの波長変換光学系を用いた露光装置の好ましい
実施形態について図面を参照して説明する。まず、波長
変換光学系の実施例を説明するに先立ち、図４を参照し
て波長変換光学系を有する露光装置全体の構成から説明
する。露光装置１は、例えば半導体素子や液晶表示素
子、撮像素子、薄膜磁気ヘッドなどのマイクロデバイス
を製造するフォトリソグラフィ工程で使用される露光装
置であり、その構成を大別すると、露光に最適な光をつ
くりだす光源装置５００と、この光源装置５００からの
光を用いて露光を行う露光装置本体６００とから構成さ
れている。

【００４３】光源装置５００から射出されたレーザ光Ｌ
_Bは後に詳述する露光装置本体６００内に導入される。
露光装置本体６００では、レーザ光Ｌ_Bは照明光学系６
１０を通して投影面上での照度分布が均一となるように
レチクル６２０に拡大投影され、その投影パターン（レ
チクルパターン）は投影光学系６４０により所定の縮小
倍率で縮小されてフォトレジストが塗布された半導体基
板やガラス基板等の被露光媒体６５０上に光学的に投影
して転写する。

【００４４】露光装置用の光源には、その目的とする用
途に応じて種々のタイプがあるが、上記のようなマイク
ロデバイスを製造するための露光装置では、露光しよう
とする回路の集積度を向上させるために（描画する線幅
を細くするために）露光光の短波長化が進められてい
る。すなわち、光源として従来から用いられてきた水銀
ランプのｇ線(波長λ＝436nm)からｈ線(λ＝405nm)、ｉ
線(λ＝365nm)へと移行し、現在ではさらに短波長の紫
外光を発振するＫrＦエキシマレーザ(λ＝248nm)が実用
化段階にある。光源波長の短波長化はさらに続けられて
おり、ＡrＦエキシマレーザ(λ＝193nm)を用いた露光装
置の開発が鋭意進められている。

【００４５】ところが、上記のようなエキシマレーザ
は、発振波長が短く単色性が高い紫外光を直接発生する
光源として有用であるが、一方で、レーザ装置が大型か
つ高価である点や、レーザ媒質としてフッ化ガスを用い
ること、強力な紫外光を発生させることなどに起因し
て、光学素子を始めとする構成部材のメインテナンス工
数が多くランニングコストが高価なこと、またメインテ
ナンス時に安全面について厳重な配慮が必要であること
などの課題を有している。

【００４６】そこで、上記課題を解決しエキシマレーザ
に代わる光源として、波長変換光学系を有する光源装置
が考案されている。これは、固体レーザや半導体レーザ
等の出力光を、波長変換光学系を用いて波長変換するこ
とにより、露光に適した所望の波長の光を得られるよう
に構成した光源装置であり、例えば赤外レーザ光を必要
に応じて変調しあるいは増幅し、入射波長に対応した非
線形光学結晶を単段もしくは複数段透過させることによ
り波長変換して、所望の出力波長、例えば上述したＫr
ＦエキシマレーザやＡrＦエキシマレーザと同一波長(λ
＝248nmや193nm)、あるいはさらに短波長のＦ₂レーザと
同一波長(λ＝157nm)の紫外光を得ることができる光源
装置である。

【００４７】図４に示した光源装置５００は、上記のよ
うな波長変換光学系を有し得る光源装置の一例を示した
ものであり、本発明に係る波長変換光学系３００の好ま
しい実施形態の一例を開示したものである。

【００４８】光源装置５００は、レーザ光発生部１０
０、光増幅器２００、波長変換光学系３００などからな
り、これ等各要素の間には必要に応じて光変調器やアイ
ソレータ、レンズなどの光学素子や出力モニター装置な
どが適宜配設される（１５０，２５０，３５０）。以下
ではレーザ光発生部１００で発生される波長λ_i＝1.544
μmの基本波レーザ光を光増幅器２００で増幅し、波長
変換光学系３００で波長変換して出力波長λ_o＝193nmの
紫外光を出力する光源装置について説明する。

【００４９】レーザ光発生部１００には、単一波長発振
レーザとして発振波長λ_i＝1.544μmのＩnＧaＡsＰ、Ｄ
ＦＢ半導体レーザを有し、このＤＦＢ半導体レーザを温
調制御することにより一定の狭帯域単一波長で発振する
ように制御する。ＤＦＢ半導体レーザからの出力光は、
光変調器でパルス変調された後遅延ファイバーや時分割
光分割手段(ＴＤＭ)等を用いて後段の光増幅器２００の
チャネル数（例えば120ch）に対応して分割され（１５
０）、光増幅器２００に入射される。

【００５０】光増幅器２００は、マルチチャネルからな
るファイバー光増幅器であり、露光出力に応じて単段ま
たは複数段で構成される。各チャネルに対応するファイ
バー光増幅器としては、例えばエルビウム(Ｅr)ドープ
・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）を用いることがで
き、ＥＤＦＡを２段構成とした場合には60dB程度の光増
幅を行うことができる。光増幅器２００で増幅された基
本波は、ファイバー出力端をバンドル状にまとめたファ
イバーバンドル端２００ｂからレンズ２５０を介して波
長変換光学系３００に入射される。

【００５１】波長変換光学系３００は、図５に詳細構成
を示すように５段の波長変換部からなり、各波長変換段
を構成する非線形光学結晶１１，１２，１３，１４，１
５、これ等の非線形光学結晶間に配設されて前段の非線
形光学結晶から射出されるレーザ光を次段の非線形結晶
に集光入射させるレンズ２１，２２，２３，２４，２
５，２６、高次高調波を分離しあるいは合成するための
ダイクロック・ミラー３１，３２，３３，３４，３５，
３６、非線形光学結晶に入射する入射光の偏光方向を調
整する波長板４１，４２，４３，４４などから構成され
ている。

【００５２】図中左端のファイバーバンドル出力端２０
０ｂからレンズ２５０を介して入射する波長λ＝1.544
μm(光周波数ω)の基本波は、波長選択性のあるダイク
ロック・ミラーで分離・合成されつつ非線形光学結晶１
１，１２，１３，１４，１５を図中左から右に向かって
透過する。この過程で基本波(波長λ＝1.544μm)は第２
高調波(λ＝772nm)→第３高調波(λ＝515nm)→第４高調
波(波長386nm）→第７高調波(λ＝221nm)→第８高調波
(λ＝193nm)の順に波長変換され、最終的に周波数が基
本波の８倍(８ω)、波長が1/8(λ/8)の紫外光を図中右
端から出力する。

【００５３】基本波を第２高調波に変換する第１段の波
長変換部では、波長変換結晶１１としてＬＢＯ結晶(LiB
₃O₅結晶)を用い、波長変換のための位相整合にＬＢＯ結
晶の温度調節による方法、Non-Critical Phase Matchin
g：ＮＣＰＭを使用する。ＬＢＯ結晶１１では第２高調
波発生（ＳＨＧ）が行われ、基本波の２倍の光周波数
(光周波数２ω、波長λ＝772nm)をもつ第２高調波を発
生させる。ＬＢＯ結晶１１で波長変換され発生した第２
高調波と、この結晶１１を波長変換されずに透過した基
本波(ω)とは、波長板４１に入射させてそれぞれ１波
長、半波長の遅延を与え、基本波のみ偏光方向を９０度
回転させたのち、集光レンズ(色消しレンズ)２１を通し
て第２段の波長変換結晶１２の同一点に集光入射させ
る。ここで、集光レンズ２１は、解決手段において説明
した第２の発明の関係、すなわちｆ−ａ＜ｂなる関係を
満足するように設定され配設されている。

【００５４】２段目の波長変換部では、波長変換結晶１
２としてＬＢＯ結晶を用い、１段目の波長変換部におけ
るＬＢＯ結晶１１と異なる温度のＮＣＰＭで使用する。
このＬＢＯ結晶１２では１段目の波長変換部で発生させ
た第２高調波(２ω)と、波長変換されずに透過した基本
波(ω)とから和周波発生(ＳＦＧ，ω＋２ω＝３ω)によ
り第３高調波（光周波数３ω,波長λ＝515nm）を発生さ
せる。

【００５５】２段目の波長変換部で得られた第３高調波
(３ω)と、この波長変換部のＬＢＯ結晶１２を波長変換
されずに透過した基本波(ω)および第２高調波(２ω)と
は、ダイクロイック・ミラー３１により分離する。基本
波と第２高調波とはダイクロイック・ミラー３１を透過
させ、集光レンズ２２によって３段目の波長変換部の波
長変換結晶１３に集光入射させる。第３高調波はダイク
ロイック・ミラー３１で反射させ、ミラー３２，波長板
４２，集光レンズ２３及びダイクロイック・ミラー３４
を透過させて４段目の波長変換部の波長変換結晶１４に
入射させる。波長板４２は第３高調波の偏光方向を９０
度回転させる。

【００５６】３段目の波長変換部は、波長変換結晶とし
てＬＢＯ結晶１３を用い、タイプIの角度位相整合で使
用する。このＬＢＯ結晶１３中では第２高調波の第２高
調波発生を行わせ、第２高調波(２ω)の２倍の周波数を
もつ第４高調波(４ω,λ＝386nm)を発生させる。ここ
で、２段目の波長変換結晶１２から射出された第２高調
波（及び基本波）を３段目の波長変換結晶１３に入射さ
せる集光レンズ２２は、解決手段の項において説明した
第２の発明の関係、すなわちｆ−ａ＜ｂなる関係を満足
するように設定し配設されている。なお、第２高調波と
ともにＬＢＯ結晶１３に入射する基本波(ω)は、この結
晶中で波長変換されずに透過する。

【００５７】３段目の波長変換部で得られた第４高調波
とこれを透過した基本波とは、ダイクロイック・ミラー
３３により分離し、このミラー３３を透過した基本波
(ω)は集光レンズ２５を通るとともに、ミラー３５で反
射されて５段目の波長変換部(波長変換結晶１５)に入射
する。一方、ダイクロイック・ミラー３３で反射された
第４高調波(４ω)は、波長板４３で偏光方向を９０度回
転されたのち集光レンズ２４を通ってダイクロイック・
ミラー３４に達し、ここでダイクロイック・ミラー３１
で反射された第３高調波と同軸に合成されて４段目の波
長変換部(波長変換結晶１４)に入射する。

【００５８】４段目の波長変換部では、波長変換結晶と
してＢＢＯ結晶（β-BaB₂O₄結晶）１４をタイプIの角度
位相整合で使用し、第３高調波(３ω)と第４高調波(４
ω)とから和周波発生(３ω＋４ω＝７ω)により第７高
調波(７ω,λ＝221nm)を発生させる。ここで、３段目の
波長変換結晶であるＬＢＯ結晶１３から射出される第４
高調波の出力ビームはその断面形状がウォークオフ現象
により拡大されて長円形になり、この長軸方向について
略平行ビームとなっている。

【００５９】本実施例では、和周波発生を行うＢＢＯ結
晶１４に、第３高調波と第４高調波とが互いに異なる光
路を通って入射するような波長変換光学系の結晶配置を
考案し、第３高調波を集光するレンズ２３及び第４高調
波を集光するレンズ２４について、それぞれのビーム特
性に最適な条件を設定することができるようにしてい
る。そして、第３高調波を集光するレンズ２３について
前述した第２の発明を適用し、第４高調波を集光するレ
ンズ２４について、第３及び第４の発明を適用する。

【００６０】すなわち、第３高調波を発生させるＬＢＯ
結晶(２段目の波長変換結晶)１２と、この第３高調波を
集光入射させるレンズ２３、和周波発生を行うＢＢＯ結
晶(４段目の波長変換結晶)１４との間について前述した
ｆ−ａ＜ｂなる関係を満足するように設定して、ＢＢＯ
結晶１４中に必要サイズのビームスポットを形成させ
る。

【００６１】また、第４高調波を発生させるＬＢＯ結晶
(３段目の波長変換結晶)１３と、この結晶からウォーク
オフ効果により略平行光として出力される第４高調波を
集光するレンズ２４、和周波発生を行うＢＢＯ結晶(４
段目の波長変換結晶)１４との間について前述したｆ≒
ａなる関係を満足するように設定し、ＢＢＯ結晶１４中
において第３高調波のビームスポットと第４高調波のビ
ームスポットとが同一位置で重なるように（または第３
高調波のビームスポット位置において必要なパワー密度
となるように）第４高調波のビームスポットを形成させ
る。

【００６２】さらに、第４高調波を４段目のＢＢＯ結晶
１４に入射させるときに、ＢＢＯ結晶の入射角度依存性
が高い方向(位相整合角度面の方向)と、第４高調波出力
ビームの長径化した方向とを一致させてＢＢＯ結晶１４
に入射させる。

【００６３】このような設定により、２段目の波長変換
結晶(ＬＢＯ結晶)１２や３段目の波長変換結晶(ＬＢＯ
結晶)１３から射出されるビームの出射角度が多少変化
しても、４段目の波長変換結晶(ＢＢＯ結晶)１４に入射
する入射ビームの入射角度はほとんど変化することがな
い。一般に位相整合条件は光周波数が高くなるにつれて
厳しくなるが、第４高調波ビームの入射角度は極めて高
い安定度を有しており、波長変換光率を高い状態で維持
させることができる。

【００６４】４段目の波長変換部で得られた第７高調波
(７ω)は、波長板４４により偏光面を９０度回転させた
のち集光レンズ２６を通し、ダイクロイック・ミラー３
３を透過した基本波(ω)とダイクロイック・ミラー３６
により同軸に合成されて、５段目の波長変換部の波長変
換結晶１５に入射する。

【００６５】５段目の波長変換部は、波長変換結晶１５
としてＬＢＯ結晶をタイプIの角度位相整合で使用し、
基本波(ω)と第７高調波(７ω)とから和周波発生（ω＋
７ω＝８ω）により第８高調波（８ω,λ＝193nm）を発
生させる。ここで、４段目の波長変換結晶であるＢＢＯ
結晶１４から射出される第７高調波の出力ビームは、そ
の断面形状がウォークオフ現象により拡大されて長円形
になり、この長軸方向について略平行ビームとなってい
る。

【００６６】そこで、５段目の波長変換結晶１５に対す
るレンズ系２５，２６の結合は、上述した４段目の波長
変換結晶１４におけるレンズ系２３，２４の結合と同様
に行う。すなわち、３段目のＬＢＯ結晶１３とレンズ２
５及び５段目のＬＢＯ結晶１５との間について、前述し
たｆ−ａ＜ｂなる関係を満足するように設定し、５段目
のＬＢＯ結晶１５中に必要サイズのビームスポットを形
成させる。

【００６７】また、４段目のＢＢＯ結晶１４とレンズ２
６及び５段目のＬＢＯ結晶１５との間について、前述し
たｆ≒ａなる関係を満足するように設定して、ＬＢＯ結
晶１５中の基本波のビームスポットと第７高調波のビー
ムスポットとが同一位置で重なるように（または基本波
のビームスポット位置において必要なパワー密度となる
ように）第７高調波のビームスポットを形成させる。

【００６８】さらに、第７高調波を５段目のＬＢＯ結晶
１５に入射させるときに、ＬＢＯ結晶の入射角度依存性
が高い方向(位相整合角度面の方向)と、第７高調波出力
ビームの長径化した方向とを一致させてＬＢＯ結晶１５
に入射させる。

【００６９】このような設定により、３段目の波長変換
結晶１３や４段目の波長変換結晶１４から射出されるビ
ームの出射角度が多少変化しても、５段目の波長変換結
晶(ＬＢＯ結晶)１５に入射する入射ビームの入射角度は
ほとんど変化することがなく、特に位相整合条件の厳し
い第７高調波ビームの入射角度は極めて高い安定度を有
するため、波長変換光率を高い状態で維持することがで
きる。

【００７０】以上のようにして、波長変換光学系３００
に入射された波長λ_i＝1.544μmの基本波レーザ光は、
５段の波長変換段を透過する過程において順次波長変換
され、最終的に基本波に対して第８高調波にあたる波長
λ_o＝193nmの紫外光Ｌ_Bが出力される。この波長変換光
学系３００における各段の波長変換結晶間には第２，第
３，第４の発明が適用されているため、各段の波長変換
結晶に入射する光の入射角がほとんど変化することな
く、従って波長変換効率を長期にわたって高い状態で維
持し、安定した紫外光出力を露光装置本体６００に出力
することができる。

【００７１】なお、以上説明した波長変換光学系３００
において、第７高調波発生用のＢＢＯ結晶１４、及び第
８高調波発生用のＬＢＯ結晶１５については、これらの
非線形光学結晶のかわりに、ＣＬＢＯ結晶（CsLiB₆O₁₀
結晶）を用いることもできる。

【００７２】次に、以上説明した波長変換光学系の効果
について検証する。以下では、一例として、３段目の波
長変換結晶(ＬＢＯ結晶)１３から射出される第４高調波
の傾き角をαとし、レンズ２４を介して４段目の波長変
換結晶(ＢＢＯ結晶)１４に入射する第４高調波の傾き角
をβとしたときに、本発明に係る波長変換光学系が、従
来の波長変換光学系に対してどの程度の優位性をもつか
をαとβとの関係で検証する。

【００７３】いま、ＬＢＯ結晶１３の結晶長を25mm、Ｌ
ＢＯ結晶１３中における第２高調波のビームスポットサ
イズを40μmとすると、この結晶１３から出力される第
４高調波はウォークオフ効果により26μm×100μmの長
円形になって出力される。この長円形ビームを入射させ
るＢＢＯ結晶１４中におけるビームスポットサイズは、
第７高調波の波長変換効率を勘案して21μmとする。

【００７４】従来では、上記条件に対して、ＬＢＯ結晶
１３とＢＢＯ結晶１４との間の結晶間距離（それぞれの
結晶中におけるビームスポット間距離、ａ＋ｂ）及び入
手容易なレンズ焦点距離ｆとの関係から、ＬＢＯ結晶１
３におけるビームスポットとレンズ２４との距離ａ、及
びレンズ２４とＢＢＯ結晶１４におけるビームスポット
との距離ｂの設計解を求めており、ビームの長軸方向に
ついての具体値として以下に示すような設計解が用いら
れていた。

【００７５】

【数４】ＬＢＯ結晶１３中のビームスポットとレンズ２
４との距離：ａ＝76.8mm レンズ２４の焦点距離：ｆ＝20.7mm レンズ２４とＢＢＯ結晶１４中のビームスポットとの距
離：ｂ＝23.2mm このときαとβとの関係を求めると、β＝-2.42α

【００７６】となり、ＢＢＯ結晶１４に入射するビーム
の角度変化Δβは、ＬＢＯ結晶１３から射出されるビー
ムの角度変化Δαに対して約2.4倍大きく発生すること
が解る。

【００７７】一方、本発明を満足するａ，ｂ，ｆの組み
合わせは多数に上るが、その一例として、以下の２枚の
シリンドリカル・レンズ２４ａ，２４ｂの組み合わせを
例示する。

【００７８】

【数５】(1)第４高調波ビームの長軸方向についてＬＢＯ結晶１３中のビームスポットとレンズ２４ａとの
距離：ａ＝17.9mm レンズ２４ａの焦点距離：ｆ＝17.1mm レンズ２４ａとＢＢＯ結晶１４中のビームスポットとの
距離：ｂ＝17.1mm (2)第４高調波ビームの短軸方向についてＬＢＯ結晶１３中のビームスポットとレンズ２４ｂとの
距離：ａ＝19.2mm レンズ２４ｂの焦点距離：ｆ＝9.2mm レンズ２４ｂとＢＢＯ結晶１４中のビームスポットとの
距離：ｂ＝15.8mm

【００７９】すなわち、上記２枚のシリンドリカル・レ
ンズの組み合わせは、第４高調波ビームの長軸方向につ
いてｆ≒ａの関係を満足し、第４高調波ビームの短軸方
向についてｆ−ａ＜ｂなる関係を満足する。

【００８０】ＢＢＯ結晶１４における角度位相整合にお
いては、二つの位相整合角のうち位相整合許容角の狭い
方向と上記ビームの長軸方向とが一致するように入射さ
れており、この方向に対するαとβとの関係は、

【００８１】β＝-0.047α

【００８２】従って、ＢＢＯ結晶１４に入射するビーム
の角度変化Δβは、ＬＢＯ結晶１３から射出するビーム
の角度変化Δαの1/20以下しか生じない（1/20以下に抑
制される）ことが解る。この値は従来の設計例に比べて
約1/50に相当し、位相整合角を極めて高精度に維持可能
であることを示している。従って、位相整合角許容幅が
狭い条件であっても、前段の出射角度の影響を受けにく
く、簡便な装置構成で長期にわたって高い変換効率を維
持する波長変換光学系を提供することができる。

【００８３】以上のように構成された波長変換光学系３
００から出力されるＡrＦエキシマレーザと同一波長λ_o
＝193nmの紫外光Ｌ_Bは、反射鏡３８０で反射されて光源
装置５００から露光装置本体６００に導入される。露光
装置６００は、図６に基本構成図を示すように、照明光
学系６１０、レチクル６２０を支持する支持部材６３
０、投影光学系６４０、半導体ウェハー６５０やガラス
基板等を載置して移動させるステージ６６０及びその駆
動系６７０などから構成されており、レチクル(フォト
マスク)上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エハー６５０上に光学的
に投影して転写する。

【００８４】照明光学系６１０は、光源装置５００から
出力される紫外光Ｌ_Bを、必要な投影面上における照度
分布が均一となるように拡大投影する光学系であり、こ
の光学系で均一照度化されたされた紫外光が、集積回路
の回路パターンが精密に描かれた石英製のレチクル６２
０上に照射される。レチクル６２０の回路パターンは、
投影光学系６４０により所定の縮小倍率で縮小され、フ
ォトレジストの塗布された半導体ウエハー（例えばシリ
コンウエハー）６５０に投影され、レチクル上の回路パ
ターンがウエハー上に結像・転写される。

【００８５】照明光学系６１０はレチクル６２０のパタ
ーン面とほぼ共役な面内に配置され、かつレチクル６２
０上での照明領域を規定する視野絞り、照明光学系６１
０内でレチクル６２０のパターン面とほぼフーリエ変換
の関係となる所定面上での紫外光の光量分布を規定する
開口絞り、および開口絞りを射出する紫外光をレチクル
６２０に照射するコンデンサーレンズなどを含んで構成
されている。なお、所定面上での紫外光の光量分布を変
更するために、複数の開口絞りをターレットに設け、レ
チクル６２０のパターンに応じて複数の開口絞りの一つ
を照明光学系６１０の光路内に選択的に配置するように
しても良い。

【００８６】露光装置の露光開始シャッタとしては、例
えば光源装置５００におけるレーザ光発生部１００と光
増幅器２００との間１５０に電気光学変調素子あるいは
音響光学変調素子を配設してこれを用いることができ
る。例えば、電気光学変調素子あるいは音響光学変調素
子をオフの状態すなわちパルスを発生しない（内部損失
が大の）状態からオンの状態すなわちパルスを発生する
（パルス状に内部損失が小となる）状態に切り替えて露
光を開始するように構成することができる。なお、この
ような電気的なシャッタとは別に光源装置５００とウエ
ハ６５０との間の照明光路内に機械的なシャッタを配置
しても良いし、あるいはステージ６６０を駆動してウエ
ハ６５０を紫外光の照射領域から退避させるようにして
も良い。

【００８７】半導体ウエハー６５０は、駆動機構６７０
を具備するステージ６６０上に載置され、一回の露光が
完了する度にステージ６６０を移動させることにより、
半導体ウエハー６５０上の異なる位置に回路パターンが
転写される。この様なステージの駆動、露光方式をステ
ップ・アンド・リピート方式という。ステージの駆動、
露光方式にはこのほかに、レチクル６２０を支持する支
持部材６３０にも駆動機構を設け、レチクル６２０と半
導体ウエハ６５０とを同期移動して走査露光を行うステ
ップ・アンド・スキャン方式があり、本発明の波長変換
光学系を有する光源装置５００はいずれの方式について
も適用可能である。

【００８８】以上説明したような波長変換光学系３００
を有する露光装置１は、光源装置５００の各構成要素が
それぞれ小型であり、かつ波長変換光学系の入力段まで
を光ファイバーで接続することができるため各光学系の
配置の自由度が高い。従って、エキシマレーザや固体レ
ーザを用いた従来の露光装置に比べて小型に構成するこ
とができ、かつメインテナンス性に優れた露光装置を提
供することができる。

【００８９】なお、以上説明した波長変換光学系３００
は、一例として基本波入力波長λ_i＝1.544μmの赤外光
を５段の波長変換部で波長変換し、基本波の第８高調波
でありＡrＦエキシマレーザと同一波長λ_o＝193nmの紫
外光Ｌ_Bを発生させる場合について説明したが、本発明
はかかる入力波長や波長変換段数、出力波長等に限定さ
れるものではなく、いかなる波長帯域、いかなる波長変
換段数であっても良い。

【００９０】また、本実施例では波長変換結晶間のレン
ズに本発明を適用した場合を例示したが、レンズに向け
て光を射出する光源は波長変換結晶に限らず、例えば本
実施例におけるファイバーバンドル出力端２００ｂ(レ
ンズ２５０)や、光増幅器２００が必要ない場合におけ
るレーザ光発生部１００(レンズ１５０)などであっても
良い。さらに、波長変換光学系から射出される光につい
て適用すること、例えば、波長変換光学系の出力光をフ
ァイバーに導入する場合等において、最終段の波長変換
結晶とファイバー導入用のレンズ、ファイバー入射端の
間などについても本発明を適用することが可能である。

【００９１】また、本発明の波長変換光学系を用いた装
置の一例として、マイクロデバイス製造用の露光装置を
開示したが、本発明に係る波長変換光学系の用途はこの
ような装置に限定されるものではなく、波長変換光学系
を有し波長変換された光を用いる装置であればどの様な
用途であっても適用することができる。このような装置
の具体例としては、レーザ顕微鏡、光情報記録・再生装
置、光(磁気)ディスク検査装置、レチクルやウエハーの
検査装置、レーザ加工装置などがあげられる。

【００９２】

【発明の効果】これらの構成を有する波長変換光学系に
よれば、光源または光源とみなせる前段の非線形光学結
晶から射出される光の出射角度がたとえ変化した場合で
あっても、レンズを介して入射される後段の非線形光学
結晶への入射角の角度変化を大幅に抑制し、ほとんど入
射角度が変化しない光学系を構成することができる。こ
のようにして、本発明によれば、経時変化や熱的変化の
影響をほとんど受けずに一定した入射角を維持すること
ができ、これにより、簡便な構成で長期にわたって波長
変換効率が安定した波長変換光学系を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る波長変換光学系の基本概念を説明
するための説明図である。

【図２】第１及び第２の本発明に係る波長変換光学系の
基本概念を説明するための説明図であって、ｆ≒ａ（ｆ
−ａ≪ｂ）としたときの光の状態を示す説明図である。

【図３】第３及び第４の本発明に係る波長変換光学系の
基本概念を説明するための説明図であって、前段の波長
変換結晶でウォークオフが発生し出力ビームが略平行光
とみなせる状態においてｆ≒ａ（ｆ−ａ≪ｂ）としたと
きの光の状態を示す説明図である。

【図４】本発明に係る波長変換光学系を有する露光装置
の構成例を示す全体構成図である。

【図５】本発明に係る露光装置における波長変換光学系
の好ましい実施例を示す構成図である。

【図６】本発明に係る露光装置における露光装置本体の
好ましい実施例を示す構成図である。

【図７】従来の波長変換光学系における波長変換の様子
とウォークオフ現象を説明するための説明図である。

【符号の説明】

Ａ₁，Ａ₂ 前段の波長変換結晶（光源、第２の非線形光
学結晶）Ｂ₁，Ｂ₂ 後段の波長変換結晶（第１の非線形光学結
晶）Ｒ₁，Ｒ₂ レンズａ前段の波長変換結晶（光源）のビームスポットとレ
ンズとの距離ｂレンズと後段の波長変換結晶のビームスポットとの
距離ｆレンズの焦点距離１露光装置１１，１２，１３，１４，１５波長変換結晶（光源、
第１の非線形光学結晶、第２の非線形光学結晶）１３，１４出力ビームにウォークオフを生じさせる波
長変換結晶２１，２２，２３，２４，２５，２６，２５０レンズ１００レーザ光発生部２００光増幅器（光源）３００波長変換光学系５００光源装置６００露光装置本体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から射出された光を前
記光源の波長と異なる波長の光に変換する第１の非線形
光学結晶と、前記光源と前記第１の非線形光学結晶との間に配設され
て前記光源から射出された光を集光して前記第１の非線
形光学結晶に入射させるレンズとを有する波長変換光学
系であって、前記光源において最小スポットサイズになるビームスポ
ットと前記レンズとの距離ａが、前記レンズの焦点距離
ｆとほぼ等しいことを特徴とする波長変換光学系。
【請求項２】光源と、前記光源から射出された光を前
記光源の波長と異なる波長の光に変換する第１の非線形
光学結晶と、前記光源と前記第１の非線形光学結晶との間に配設され
て前記光源から射出された光を集光して前記第１の非線
形光学結晶に入射させるレンズとを有する波長変換光学
系であって、前記光源において最小スポットサイズになる第１ビーム
スポットと前記レンズとの距離ａと前記レンズの焦点距
離ｆとの差（ｆ−ａ）が、前記第１の非線形光学結晶中
において最小スポットサイズになる第２ビームスポット
と前記レンズとの距離ｂに比べて小さいことを特徴とす
る波長変換光学系。
【請求項３】前記光源は、前段の光源から入射された
光を波長変換して射出する第２の非線形光学結晶であ
り、前記第２の非線形光学結晶から射出される光は、前記第
２の非線形光学結晶においてウォークオフを起こして略
平行光とみなせることを特徴とする請求項１または請求
項２に記載の波長変換光学系。
【請求項４】前記第２の非線形光学結晶から射出され
る光におけるウォークオフを起こして長径化している方
向と、前記第１の非線形光学結晶における入射角度依存
性が高い方向とを一致させて、前記第１の非線形光学結
晶に入射させることを特徴とする請求項３に記載の波長
変換光学系。
【請求項５】請求項１から請求項４のいずれか一項に
記載された波長変換光学系を有することを特徴とする露
光装置。