JP2005351919A - 波長変換光学系、レーザ装置、及びマスク欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 帯域幅を有するレーザパルス深紫外光を発生できる波長変換光学系を提供する。
【解決手段】 ダイクロイックミラー８を透過した２倍波は、基本波発生用波長変換素子１６に集光される。すると、基本波発生用波長変換素子１６からは２倍波と共に、光パラメトリック発振による基本波が発生する。この基本波の波長帯域幅は、レンズ１に入射するレーザ光の波長帯域幅に比して広くなっている。この基本波は、レンズ１７を介してダイクロイックミラー１４を透過し、ダイクロイックミラー１４で反射された７倍波とカップリングされて８倍波発生用波長変換素子１８に集光される。これにより、８倍波発生用波長変換素子１８からは８倍波が発生するが、基本波発生用波長変換素子１６から発生する基本波の波長帯域幅が広いため、この８倍波の波長帯域幅も広いものとなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長変換素子を用いて波長変換を行うことにより、基本波の高調波を発生させる波長変換光学系、この波長変換光学系を用いたレーザ装置、及びこのレーザ装置を用いたマスク欠陥検査装置に関するものである。

半導体や液晶デバイスの製造工程において使用される露光装置、加工装置、治療装置等において、波長が200nm程度の深紫外光が用いられるようになってきている。このような深紫外光は、例えばArＦエキシマレーザ等で発生することができるが、ArＦエキシマレーザ等では、短いパルス幅のレーザ光を発生することができない。

そこで、これに変わるものとして、半導体レーザ（例えばＤＦＢレーザ）を使用し、それから発生するレーザ光の波長を、波長変換素子を利用して短くし、短パルス幅の深紫外光を得る方法が開発され、例えば２００１−３５３１７６号公報に記載されている。

図４は、このような固体紫外レーザ装置の全体構成図であり、基本波発生部１０１、波長変換部１０２から構成されている。図５は基本波発生部１０１の概略構成図である。
基本波を発生するレーザ光源は、Ｅｒ^３＋添加光ファイバ増幅器であり、主に基本波発生部２０１、ＥＤＦ部２０２、励起用光源部２０３から構成される。

基本波発生部２０１では、ＤＦＢ半導体レーザから波長１５４７ｎｍのパルス光が出力され、ＥＤＦ部２０２により増幅される。ＥＤＦ部２０２はＥＤＦ１、ＥＤＦ２、ＥＤＦ３の３段階のＥＤＦから構成され、励起用光源部２０３からそれぞれのＥＤＦへ励起光が供給される。ＥＤＦ部２０２からの出力光が後に説明する波長変換部に入力される。

図６は５種類の非線形光学結晶を用い、５段階の波長変換を行う場合の波長変換部の概略構成図である。波長変換部は基本波発生部から出力される波長１５４７ｎｍのレーザ光の波長変換を行い、その８倍波である波長１９３ｎｍのレーザ光を放出する。

波長変換部は主に複数の波長変換手段、すなわち、２倍波発生部２１、３倍波発生部２２、４倍波発生部２３、７倍波発生部２４、８倍波発生部２５から構成されている。
具体的には、各高調波発生部とも非線形光学結晶を用いており、２倍波発生部２１、３倍波発生部２２、４倍波発生部２３にはＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）結晶を、７倍波発生部２４にはβ−ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）結晶を、８倍波発生部２５にはＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（ＣＬＢＯ）結晶を用い、それぞれ波長７７３ｎｍ、５１６ｎｍ、３８７ｎｍ、２２１ｎｍ、１９３ｎｍを発生する。

さらに、２倍波発生部２１、３倍波発生部２２では温度位相整合を行い、４倍波発生部２３、７倍波発生部２４、８倍波発生部２５では角度位相整合を行っている。温度位相整合部は温度調節手段３０および図示しない温度制御手段により100℃以上の一定温度に制御されているが、高温のため角度位相整合部の温度変動の要因になると考えられる。そのため角度位相整合部分も、温度調節手段３０および図示しない温度制御手段により温度が一定に保たれるよう温度制御を行っている。

なお、図６において、２６は球面レンズ、２７はシリンドリカルレンズ、２８はダイクロイックミラー、２９はミラーである。波長変換の原理及びその作用については、前記特許文献１に説明されており、かつ、本発明の趣旨と直接の関係がないので、その説明を省略する。

２００１−３５３１７６号公報

上記のような波長変換により得られた波長１９３ｎｍの深紫外光は、その帯域幅が非常に狭い（約0.1ｐｍ）という特徴を有している。これは、レーザ光の使用目的によっては大きな特長となるが、このレーザ装置を半導体製造において使用されるマスクの検査装置の光源として使用する場合には、被検査物体からの反射光にスペックルパターンが発生し、検査の妨げとなることがある。そのため、帯域幅の広い深紫外光を発生するレーザ装置の開発が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、従来の深紫外光に比して広い帯域幅を有するレーザパルス深紫外光を発生できる波長変換光学系、この波長変換光学系を使用したレーザ装置、及びこのレーザ装置を光源として使用したマスク検査装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、波長変換素子を用いて波長変換を行うことにより、基本波の高調波を発生させる波長変換光学系であって、２倍波を入射したときに前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子を含むことを特徴とする波長変換光学系（請求項１）である。

基本波を入射させると２倍波が発生する波長変換素子に２倍波を入射させると、光パラメトリック発振により基本波が発生する。このとき発生する基本波の波長帯域幅は通常のレーザから発生する基本波の波長帯域幅に対して広く、例えば波長が１９３ｎｍのレーザ光の場合１ｎｍ程度の波長帯域幅を有する。このような波長変換素子を、本手段では「２倍波を入射したときに前記基本波（波長変換光学系に入射する基本波）より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子」と呼んでいる。

このような基本波発生用波長変換素子より発生する基本波を、少なくともどこか１つの波長変換用の入射波として使用することにより、波長帯域の広い高調波を発生させることができる。なお、４倍波と３倍波の差周波によって基本波を発生させても波長帯域は広くならない。

前記課題を解決するための第２の手段は、基本波から８倍波を発生させる波長変換光学系であって、入射する基本波から２倍波を発生させる２倍波発生用波長変換素子と、前記２倍波発生用波長変換素子から放出される基本波と２倍波を入射して３倍波を発生させる３倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される２倍波を入射して４倍波を発生させる４倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される３倍波と前記４倍波発生用波長変換素子から放出される４倍波を入射して７倍波を発生させる７倍波発生用波長変換素子と、前記４倍波発生用波長変換素子から放出される２倍波を入射して、前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子と、前記７倍波発生用波長変換素子から放出される７倍波と前記基本波発生用波長変換素子から放出される基本波を入射して８倍波を発生させる８倍波発生用波長変換素子とを有することを特徴とする波長変換光学系（請求項２）である。

本手段においては、８倍波を発生させる光学系中において、７倍波と基本波から８倍波を合成するための基本波として、波長変換光学系に入射する基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子から形成した基本波を使用している。この基本波発生用波長変換素子は、前記第１の手段における「２倍波を入射したときに前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子」と同じものである。よって、波長帯域幅の広い８倍波を発生させることができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、基本波から８倍波を発生させる波長変換光学系であって、入射する基本波から２倍波を発生させる２倍波発生用波長変換素子と、前記２倍波発生用波長変換素子から放出される基本波と２倍波を入射して３倍波を発生させる３倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される３倍波を入射して６倍波を発生させる６倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される基本波と、前記６倍波発生用波長変換素子から放出される６倍波を入射して７倍波を発生させる７倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される２倍波を入射して、前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子と、前記７倍波発生用波長変換素子から放出される７倍波と前記基本波発生用波長変換素子から放出される基本波を入射して８倍波を発生させる８倍波発生用波長変換素子とを有することを特徴とする波長変換光学系（請求項３）である。

本手段においても、８倍波を発生させる光学系中において、７倍波と基本波から８倍波を合成するための基本波として、波長変換光学系に入射する基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子から形成した基本波を使用している。この基本波発生用波長変換素子は、前記第１の手段における「２倍波を入射したときに前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子」と同じものである。よって、波長帯域幅の広い８倍波を発生させることができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、レーザ光源と、当該レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を変換する波長変換光学系とを有するレーザ装置であって、前記波長変換光学系が前記第１の手段から第３の手段のいずれかである波長変換光学系であることを特徴とするレーザ装置（請求項４）である。

本手段においては、レーザ光源から、波長帯域の広い８倍波を形成でき、それを光源として使用することができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であるレーザ装置と、所定のパターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、前記パターンの投影像を検出する検出器と、前記レーザ装置から出射される紫外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させる照明光学系と、前記照明光学系を介して前記フォトマスクに照射されて、通過した照明光を前記検出器に投影させる投影光学系とを有することを特徴とするマスク検査装置（請求項５）である。

本手段においては、波長帯域幅の広い光源を使用することができるので、被検査体であるマスクからの反射光にスペックルパターンが現れにくくなり、検査が容易となる。

本発明によれば、従来の深紫外光に比して広い帯域幅を有するレーザパルス深紫外光を発生できる波長変換光学系、この波長変換光学系を使用したレーザ装置、及びこのレーザ装置を光源として使用したマスク検査装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態である波長変換光学系の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である波長変換光学系の概要を示す図である。基本波発生部から出力される波長１５４７ｎｍのパルスレーザ光は、レンズ１によりＬＢＯからなる２倍波発生用波長変換素子２に集光され、２倍波発生用波長変換素子２からは、基本波と２倍波が発生する。これらの光はレンズ３によりＬＢＯからなる３倍波発生用波長変換素子４に集光され、３倍波発生用波長変換素子４からは、基本波、２倍波、３倍波が放出される。このうち２倍波は、ダイクロイックミラー５で反射され、レンズ６によりＬＢＯからなる４倍波発生用波長変換素子７に集光され、４倍波発生用波長変換素子７からは、２倍波、４倍波が放出される。

このうち４倍波は、ダイクロイックミラー８で反射された後、１組のシリンドリカルレンズ９でウォークオフによる形状の変形を調整された後、ダイクロイックミラー１０を透過し、ダイクロイックミラー５を透過してミラーＭ１で反射されレンズ１１を通ってダイクロイックミラー１０で反射された３倍波と同軸とされ、ＢＢＯからなる７倍波発生用波長変換素子１２に集光され、７倍波発生用波長変換素子１２からは、３倍波、４倍波と７倍波が放出される。７倍波発生用波長変換素子１２から放出された光は１組のシリンドリカルレンズ１３により、ウォークオフによる形状の変形を調整される。

一方、ダイクロイックミラー８を透過した２倍波は、ミラーＭ２で反射され、レンズ１５によりＬＢＯからなる基本波発生用波長変換素子１６に集光される。すると、基本波発生用波長変換素子１６からは２倍波と共に、光パラメトリック発振により基本波が発生する。この基本波の波長帯域幅は、レンズ１に入射するレーザ光の波長帯域幅に比して広くなっている。この基本波はミラーＭ３で反射され、レンズ１７を介してダイクロイックミラー１４を透過し、ダイクロイックミラー１４で反射された７倍波と同軸とされてＣＬＢＯからなる８倍波発生用波長変換素子１８に集光される。これにより、８倍波発生用波長変換素子１８からは８倍波が発生するが、基本波発生用波長変換素子１６から発生する基本波の波長帯域幅が広いため、この８倍波の波長帯域幅も広いものとなっている。

図２は、本発明の第２の実施の形態である波長変換光学系の概要を示す図である。基本波発生部から出力される波長１５４７ｎｍのパルスレーザ光は、レンズ１によりＬＢＯからなる２倍波発生用波長変換素子２に集光され、２倍波発生用波長変換素子２からは、基本波と２倍波が発生する。これらの光はレンズ３によりＬＢＯからなる３倍波発生用波長変換素子４に集光され、３倍波発生用波長変換素子４からは、基本波、２倍波、３倍波が放出される。このうち２倍波と３倍波は、ダイクロイックミラー５を透過し、３倍波はダイクロイックミラー１９で反射されてレンズ６によりＢＢＯからなる６倍波発生用波長変換素子２０に集光され、６倍波発生用波長変換素子２０からは、３倍波、６倍波が放出される。

発生した６倍波はウォークオフの影響により形状が変形しているので、１組のシリンドリカルレンズ９によりビームの形状を修正される。一方、ダイクロイックミラー１９を透過した２倍波は、レンズ１５により、ＬＢＯからなるからなる基本波発生用波長変換素子１６に集光される。すると、基本波発生用波長変換素子１６からは２倍波と共に、光パラメトリック発振により基本波が発生する。この基本波の波長帯域幅は、レンズ１に入射するレーザ光の波長帯域幅に比して広くなっている。

ダイクロイックミラー５で反射された基本波は、ミラーＭ４で反射され、レンズ１１を介してダイクロイックミラー１０を透過し、ダイクロイックミラー１０で反射された６倍波と同軸になり、ＢＢＯからなる７倍波発生用波長変換素子１２に集光され、７倍波発生用波長変換素子１２からは、基本波、６倍波と７倍波が放出される。発生した７倍波はウォークオフの影響により形状が変形しているので、１組のシリンドリカルレンズ１３によりビームの形状を修正される。

２倍波発生用波長変換素子１６で発生した基本波は、ミラーＭ３で反射され、レンズ１７を介してレンズ１７を介してダイクロイックミラー１４を透過し、ダイクロイックミラー１４で反射された７倍波と同軸とされてＣＬＢＯからなる８倍波発生用波長変換素子１８に集光される。これにより、８倍波発生用波長変換素子１８からは８倍波が発生するが、基本波発生用波長変換素子１６から発生する基本波の波長帯域幅が広いため、この８倍波の波長帯域幅も広いものとなっている。

なお、図１、図２に示した各波長変換素子も、温度制御をされているが、温度制御機構については図示を省略している。

本発明の実施の形態であるレーザ装置（レーザ光源装置は）、図５に示される基本波発生部１０１に、図１、図２に示すような波長変換光学系を結合することによって構成される。

次に、以上説明した本発明に係るレーザ装置を用いて構成されるマスク欠陥検査装置について、図３を参照して以下に説明する。マスク欠陥検査装置は、フォトマスク上に精密に描かれたデバイスパターンをＴＤＩセンサ(Time Delay and Integration)上に光学的に投影し、センサ画像と所定の参照画像とを比較し、その差からパターンの欠陥を抽出する。マスク欠陥検査装置１２０は、上述したレーザ装置１１１と、照明光学系１１２と、フォトマスク１１０を支持するマスク支持台１１３と、マスク支持台を水平移動させる駆動装置１１６と、投影光学系１１４と、ＴＤＩセンサ１１５とを備えて構成される。このマスク欠陥検査装置１２０においては、上述したレーザ装置１１１から出力されるレーザ光が、複数のレンズから構成される照明光学系１１２に入力され、ここを通ってマスク支持台１１３に支持されたフォトマスク１１０の所定領域に照射される。このように照射されてフオトマスク１１０を通過した光は、フォトマスク１１０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１１４を介してＴＤＩセンサ１１５の所定の位置に結像される。なお、マスク支持台１１３の水平移動速度と、ＴＤＩ１１５センサの転送クロックとは同期している。

本発明の第１の実施の形態である波長変換光学系の概要を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である波長変換光学系の概要を示す図である。 本発明に係るレーザ装置を用いて構成されるマスク欠陥検査装置の概要を示す図である。 固体紫外レーザ装置の全体構成図である。 基本波発生部１０１の概略構成図である。 ５種類の非線形光学結晶を用い、５段階の波長変換を行う場合の波長変換部の概略構成図である。

符号の説明

１…レンズ、２…２倍波発生用波長変換素子、３…レンズ、４…３倍波発生用波長変換素子、５…ダイクロイックミラー、６…レンズ、７…４倍波発生用波長変換素子、８…ダイクロイックミラー、９…シリンドリカルレンズ、１０…ダイクロイックミラー、１１…レンズ、１２…７倍波発生用波長変換素子、１３…シリンドリカルレンズ、１４…ダイクロイックミラー、１５…レンズ、１６…基本波発生用波長変換素子、１７…レンズ、１８…８倍波発生用波長変換素子、１９…ダイクロイックミラー、２０…６倍波発生用波長変換素子、１１０…フォトマスク、１１１…レーザ装置、１１２…照明光学系、１１３…マスク支持台、１１４…投影光学系、１１５…ＴＤＩセンサ、１１１６…駆動装置、１２０…マスク欠陥検査装置

Claims (5)

1. 波長変換素子を用いて波長変換を行うことにより、基本波の高調波を発生させる波長変換光学系であって、２倍波を入射したときに前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子を含むことを特徴とする波長変換光学系。
2. 基本波から８倍波を発生させる波長変換光学系であって、入射する基本波から２倍波を発生させる２倍波発生用波長変換素子と、前記２倍波発生用波長変換素子から放出される基本波と２倍波を入射して３倍波を発生させる３倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される２倍波を入射して４倍波を発生させる４倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される３倍波と前記４倍波発生用波長変換素子から放出される４倍波を入射して７倍波を発生させる７倍波発生用波長変換素子と、前記４倍波発生用波長変換素子から放出される２倍波を入射して、前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子と、前記７倍波発生用波長変換素子から放出される７倍波と前記基本波発生用波長変換素子から放出される基本波を入射して８倍波を発生させる８倍波発生用波長変換素子とを有することを特徴とする波長変換光学系。
3. 基本波から８倍波を発生させる波長変換光学系であって、入射する基本波から２倍波を発生させる２倍波発生用波長変換素子と、前記２倍波発生用波長変換素子から放出される基本波と２倍波を入射して３倍波を発生させる３倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される３倍波を入射して６倍波を発生させる６倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される基本波と、前記６倍波発生用波長変換素子から放出される６倍波を入射して７倍波を発生させる７倍波発生用波長変換素子と、前記３倍波発生用波長変換素子から放出される２倍波を入射して、前記基本波より波長帯域の広い基本波を発生させる基本波発生用波長変換素子と、前記７倍波発生用波長変換素子から放出される７倍波と前記基本波発生用波長変換素子から放出される基本波を入射して８倍波を発生させる８倍波発生用波長変換素子とを有することを特徴とする波長変換光学系。
4. レーザ光源と、当該レーザ光源から出力されるレーザ光の波長を変換する波長変換光学系とを有するレーザ装置であって、前記波長変換光学系が請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の波長変換光学系であることを特徴とするレーザ装置。
5. 請求項４に記載のレーザ装置と、所定のパターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、前記パターンの投影像を検出する検出器と、前記レーザ装置から出射される紫外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させる照明光学系と、前記照明光学系を介して前記フォトマスクに照射されて、通過した照明光を前記検出器に投影させる投影光学系とを有することを特徴とするマスク欠陥検査装置。
   

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