JP2020102630A - パルスマルチプライヤ及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーの出力で動作するＵＶレーザーの反復率を向上させるための実用的かつ低コストな技術を提供する。【解決手段】半導体の検査または計測に用いるパルスマルチプライヤは、レーザーパルスを受け取るビームスプリッター１０３と、ビームスプリッター１０３を含むリングキャビティを形成する１つ以上のミラー１０６，１０７を備える。ビームスプリッターは、レーザーパルスのエネルギーの第１の割合をパルスマルチプライヤの出力として向け、レーザーパルスのエネルギーの第２の割合をリングキャビティに向け、リングキャビティは、波長板を含んでおらず、連続する出力パルスは同一の偏光状態を有する。【選択図】図１Ａ

Description

本出願は、「レーザーパルスマルチプライヤを用いた半導体検査及び計測システム」と題する２０１２年１２月５日出願の米国仮特許出願第６１／７３３，８５８号の優先権を主張し、「レーザーパルスの光ピーク電力低減及びそれを用いた半導体検査及び計測システム」と題する２０１１年６月１３日に出願の米国仮特許出願第６１／４９６，４４６号、及び「レーザーパルスマルチプライヤを用いた半導体検査及び計測システム」と題する２０１２年６月１日出願の米国出願第１３／４８７，０７５号に関連する。これらの出願の全ては参照されて明細書に組み込まれている。

本発明は、半導体検査および計測システムのためのレーザーパルスの光ピーク出力低減の利用に関し、特に最適化されたパルスマルチプライヤを生成するビームスプリッター及び１つ以上のミラーの利用に関する。

検査および計測に必要な照明は、一般に、連続波（ＣＷ）光源が最も適していることが多い。ＣＷ光源は一定の出力レベルを有するため、画像又はデータの継続的取得が可能になる。しかし、多くの対象波長、特に紫外（ＵＶ）波長において、十分な放射輝度（単位立体角あたり単位面積あたりの出力）のＣＷ光源は利用できない、高価である又は信頼できない。

パルス光源はＣＷ光源の時間平均出力レベルよりも遙かに高い瞬間ピーク出力レベルを有している。しかし、対象波長において十分な時間平均放射輝度を有する光源としてパルスレーザーしか利用できない場合や、又はコスト効率が良い場合は、高い反復率及び広いパルス幅を有するレーザーを用いることが最適である。パルス反復率が高いほど、同じ時間平均出力レベルにおけるパルスあたりの瞬間ピーク出力が低くなる。ほとんどの損傷発生メカニズムは非線形であり、平均出力にではなくピーク出力に大きく依存するので、レーザーパルスのピーク出力が低いほど、光学系及び測定中のサンプル又はウェーハへの損傷は少なくなる。

いくつかの応用において、反復率の増加による更なる利点は、データ取得あたり又は画素あたりに収集されるパルスの増加が、パルス間変動の平均化を向上させて及び信号対ノイズ比を向上させる事である。更に、サンプルが高速移動する場合、各パルス間で移動した距離が短くなるため、より高いパルス周波数は時間の関数としてサンプル位置におけるサンプリングの向上になる。

レーザーサブシステムの反復率は、レーザー媒体、ポンプシステム、及び／又はその駆動電子機器を向上させることにより高めることができる。残念ながら、既に所定の反復率で作動しているＵＶレーザーの変更には、１つ以上の構成要素を改良するために大幅な時間及び資金の投資が必要となり、反復率が少ししか向上できないこともあり得る。更に、ＵＶレーザーにおける基本レーザーの反復率を向上させることは、基本レーザーのピーク出力を減少させる。これは（必然的に非直線プロセスである）周波数変換の効率を減少させ、このため高い平均ＵＶ出力レベルを発生させることが困難となる。

国際公開第２０１１／０６４０５９号

従って、レーザーの出力で動作するＵＶレーザーの反復率を向上させるための実用的かつ低コストな技術が必要とされている。

一般に、システムのための最適化されたパルスを生成する方法が記載される。この方法において、ビームスプリッター及びリングキャビティを用いて、入力レーザーパルスは複数のパルスに光学的に分割される。到来パルスはビームスプリッターによって２つに分離される。パルスの一部は継続し、パルスの一部はリングキャビティに入る。パルスは一度リングキャビティの周囲を移動した後、ビームスプリッターに再遭遇して再び２つに分離される。一方はリングキャビティに離れ、他方はリングキャビティの周囲を再び移動する。

レーザーは、実質的に均等に時間で分離されたパルスのストリームを生成する（即ち、パルスが実質的に一定の反復率で生成される）場合は、キャビティの周囲を一回移動していたパルスが到来レーザーパルスとパルスとの間に到着するようにリングキャビティ長は設定されることができる。例えば、リングキャビティ長は、パルスが２つの到来パルス間の時間間隔の約半分の時間でリングキャビティの周囲を一回移動できるように設定することができる。

ビームスプリッターは、各々の入射パルスのエネルギーのどの位の割合がリングキャビティに入るかを決定する。ビームスプリッターは、キャビティの周囲を移動したパルスのエネルギーのどの位の割合がキャビティを離れるかも決定する。ビームスプリッターを適切に選択することによって、パルスの相対振幅を制御することができる。一態様において、リングキャビティ長は、パルスが２つの到来パルスの間の時間間隔の約半分の時間でリングキャビティの周囲を移動するように選択され、ビームスプリッターはリングキャビティを離れるパルスのエネルギーが互いにほぼ等しくなるように選択され、それによりレーザーの反復率は効果的に倍増される。

パルスマルチプライヤはビームスプリッター、及びミラーのセットを含むことができる。ビームスプリッターは入力レーザーパルスを受信する。ミラーのセットはリングキャビティを形成する。いくつかの実施形態では、リングキャビティはプリズムとミラーがともにキャビティを形成するようにプリズムを含む。ビームスプリッターはパルスマルチプライヤの出力としてパルスの第１のセットを有利に反射（又は透過）し、パルスの第２のセットを透過（又は反射）してリングキャビティへ戻す。

リングキャビティ中でパルスを再集束するために、キャビティ中の１つ以上のミラーは湾曲していてもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上のレンズはキャビティ中へ組み込まれパルスを再集束する。

一実施形態では、１つのキャビティの出力は他のキャビティの入力に向けられることができる。一実施形態では、第１のリングキャビティはレーザーの反復率の２倍の速度でパルスのストリームを発生することができ、第２のリングキャビティは反復率を再び２倍にすることができ、その結果レーザーを４倍にする。いくつかの実施形態では、反復率を８倍にするために３つのリングキャビティが使われ、又は反復率を１６倍にするために４つのリングキャビティが使われる。

任意の上述したパルスマルチプライヤはウェーハ検査システム、パターン化されたウェーハシステム、マスク検査システム、又は計測システムに組み込まれることができる。パルスマルチプライヤは、最小限の全出力損失で秒当たりのパルスの数を増加しつつ、低コストでパルス当たりのピーク出力を減少させることができる。パルスマルチプライヤは、市販のレーザーで有利に高速度検査及び高速度計測を可能にする。

入力パルス列の速度の整数倍である反復率でパルス列を生成するように構成された例示的なパルスマルチプライヤを示す。 単一のキャビティから得られるより高い反復率を有するパルス列を生成するために、２つのキャビティから構成された例示的なパルスマルチプライヤを示す。 反復率が入力パルス列の速度の整数倍であるパルス列を生成するように構成された別の例示的なパルスマルチプライヤを示す。 単一のキャビティから得られるより高い反復率を有するパルス列を生成するために、図１Ｃに示される２つのキャビティを結合させることができる１つの方法を示す。 図１Ｃに示されるパルスマルチプライヤの一実施形態をより詳細に示す。 図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、及び４Ｂの１つのパルスマルチプライヤによる例示的なエネルギーのエンベロープ出力を示す。各エネルギーエンベロープは、出力パルス列を含む。 パルスマルチプライヤは、ピーク電力を低減し実質的に等しいエネルギーを各パルスに確保しながら、初期の反復パルス周波数を倍増できることを示す。 単一のリングキャビティ及び２つのバタフライ型リングキャビティを備えた別の例示的なパルスマルチプライヤを示す。 単一のリングキャビティ及び２つのバタフライ型リングキャビティを備えた別の例示的なパルスマルチプライヤを示す。 ヘリオットセルに基づく別の例示的なパルスマルチプライヤを示す。 半分のヘリオットセルに基づく別の例示的なパルスマルチプライヤを示す。 パルスマルチプライヤを組み込んだ例示的なパターン化されていないウェーハ検査システムを示す。 パルスマルチプライヤを組み込んだ例示的なパターン化されたウェーハ検査システムを示す。 パルスマルチプライヤと組み合わせることができる例示的なコヒーレンスの低減及び／又はパルス整形模式図を示す。 パルスマルチプライヤを組み込んだ例示的なフォトマスク、レチクル又はウェーハ検査システムを示す。

改良されたパルスマルチプライヤの一態様によれば、各レーザーパルスは、光学的に複数のパルスに分割されることができる。一実施形態では、これらのパルスは、ほぼ等しいエネルギーであってもよく、ほぼ等しい時間間隔であってもよい。レーザーパルスのこの分割は、最小のエネルギー損失で上記の問題に対する実用的で安価な解決策を提供することができる。

図１Ａは、各入力パルスからパルス列を生成するように構成された例示的なパルスマルチプライヤ１００を示す。入力パルスは、方向１０１から到達してビームスプリッター１０３に入射し、ビームスプリッターは各パルスの一部を出力方向１０２に透過し、一部をミラー１０６に反射する。入力及び出力のパルスは、矢印１０４に平行な方向に実質的に偏光されている。従って、出力偏光は入射偏光に対して実質的に平行である。

ミラー１０６は、入力パルスの光をプリズム１０８に向ける。プリズム１０８を出る光はミラー１０７に向けられ、ミラーはビームスプリッター１０３に光を戻すように向ける。従って、２つのミラー１０６及び１０７、プリズム１０８、並びにビームスプリッター１０３は、リングキャビティを形成する。ミラー１０７からビームスプリッター１０３に到達する各パルスの一部は、リングキャビティの外に反射され、一部がビームスプリッター１０３を透過し、リングキャビティの周りを再循環する。ビームスプリッター１０３は、後でより詳細に説明される。

ミラー１０６及び１０７は、リングキャビティの周りを少なくとも数回循環するようにレーザービームウエストのサイズ及び形状を実質的に又は部分的に維持するために、キャビティ内で光を再集束するように選択された曲率半径（従って、焦点距離）を有する。例えば、入力パルスレーザーが実質的に平行であってもよく、ミラー１０６は各レーザーパルスをプリズム１０８の中心付近のビームウエストに焦点を合わせることができ、及びミラー１０７は実質的に各レーザーパルスを再び平行にすることができるが、これに制限されるものではない。この配置は、ビームウエストをビームスプリッター１０３上に、又はその近傍に配置しないので、ビームスプリッター１０３に最高の電力密度を当てないという利点を有する。当業者は、多くの他の焦点の配置が可能であることを理解するであろう。

光が、プリズムの材料のブリュースター角に実質的に又はほぼ等しい角度で入射するように、プリズム１０８の入力面１０９は好ましくカットされ、それによって入力面１０９からの反射による光の損失を最小限にする。好ましくは、出力面（明示されていない）は、出力面での光の損失を最小にするためにブリュースター角で配向もされている。入力光パルスは、実質的に方向１０４に偏光されるので、両方のプリズム面でブリュースター角を使用することにより、プリズム１０８による光の損失を実質的に除去する。いくつかの好ましい実施形態において、プリズム１０８は、紫外線（ＵＶ）グレードの若しくはエキシマグレードの石英ガラス、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）を含んでも良い。

好適な実施形態では、リングキャビティの光路長は、連続した入力パルス間の距離の単位分数に実質的に又はほぼ等しくなるように設定される。２つのパルス間の距離は光速にこれらのパルス間の時間間隔を乗じたものに等しい。例えば、いくつかの実施形態では、キャビティの光路長は、入力パルスの間の距離の実質的に又はほぼ１／２、１／３、又は１／４になるように設定されることができる。このようなリングキャビティでは、１つおき、２つおき、又は３つおきのパルスは、それぞれ実質的に又はほぼ到達する入力パルスと一致する。例として、入射レーザーパルスが１２５ＭＨｚの反復率を有する場合、その時は１．１９９メートルのリングキャビティの光路長は、２つの入力パルスの実質的に中間のパルス及び入射パルスとほぼ同時に生じるパルスとを交互に生成し、従って２５０ＭＨｚの反復率で出力パルスを生成するが、これに制限されることはない。

いくつかの実施形態では、キャビティの光路長は、連続した入力パルス間の距離の単位分数の適切な倍数に設定されることができる。例えば、パルス２逓倍器において、リングキャビティの光路長は、連続した入射パルス間の距離の１／２の代わりに、その距離の実質的に又はほぼ３／２又は５／２倍になるように設定されることができる。この長さは、出力反復率が高い、例えば約１ＧＨｚ以上の場合、要求される物理的なキャビティ長はわずか１５ｃｍ以下であるので（反復率及びミラーからの反射の数に応じて）、有利でありうる。このような短いリングキャビティ長は、位置合わせすることは困難であり、又は１ｍｍ又は数ｍｍのレーザービームウエストを収容するためには、複数の曲面ミラー内の１つへの非常に大きな入射角を必要とする。一般に、小型の光学収差を小さくするために曲面ミラーへの入射角を小さくすることが好ましい。

リングキャビティの光路長は、増倍率で割ったパルス間隔から直接計算された公称長さよりもわずかに大きい、又はよりわずかに小さくてもよい。この長さは、パルスがビームスプリッターに正確に同時に到達しない、及びに僅かに出力パルスを広げる結果となる。例えば、入力パルスの反復率が１２５ＭＨｚであり、入力パルス幅が約１００ピコ秒である場合、僅かなリングキャビティの遅延は周波数増倍率２では４ナノ秒になる（即ち、約１．１９９ｍのキャビティの光路長）が、限定するものではない。一実施形態では、４．０５ナノ秒に対応するリングキャビティの光路長（即ち、約１．２１４メートルのリングキャビティ光路長）は、増幅された反射パルスが、互いに又は入射パルスと僅かだけ重なるように用いられることができる。このように、１２５ＭＨｚの入力パルス反復率のための４．０５ナノ秒のキャビティ長は有利にパルスを広げ、パルス高を低減することができる。異なる入力パルス周波数又は増倍率を有する他のパルスマルチプライヤは、異なるキャビティの遅延時間を有することができる。この例では、約３．９５ナノ秒に対応するキャビティの光路長は、出力パルスの高さに実質的に同様の減少を達成することに留意されたい。

レーザーパルスは、一般的に急激な立ち上がり時間及び立ち下がり時間をもたず、多くの場合、近似的にガウシアン形状を有することに留意されたい。ピーク電力を低減するように適切なリングキャビティ長を選択するために、パルス幅は、パルスの最大値の半分における全幅（ＦＷＨＭ）、又はパルス幅の１／ｅ^２の幅若しくはパルス幅の他の任意の尺度と定義されることができる。いくつかの好ましい実施形態では、キャビティの光路長はパルス幅の約半分にほぼ等しい量だけ、連続したパルス間の間隔の半分に相当するものより長く又は短くなるように設定される。

特に、図１Ａのビームスプリッター１０３は、パルスがリングキャビティの周りを移動するたびにリングキャビティからの各パルスの一部を反射して、各パルスの一部を透過してリングキャビティ内へ戻す。だから、各パルスのエネルギーはリングキャビティの内部を通過するたびに減少する。特に、各ミラー反射及び各プリズム面において更にエネルギー損失がある。しかしこれらの損失は、一般的にビームスプリッターによってキャビティの外に向けたエネルギーの割合と比較して小さい。時間的に近接してビームスプリッターに到達する連続パルスは、エネルギーエンベロープを提供するものとして特徴付けられる。キャビティの光路長が入力パルス間の距離の約半分である例示的な実施形態において、エネルギーエンベロープは、入力パルスの到達に時間に近接してビームスプリッターに到達する偶数パルス列（即ち複数の偶数パルス）及び、２つの入力パルス間の時間の約半分で到達する奇数パルス列（すなわち複数の奇数パルス）とから構成されている。本発明の好適な実施形態の一態様によれば、これらのエネルギーエンベロープはほぼ又は実質的にエネルギーが等しい。

図２Ａは、例示的なエネルギーエンベロープ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ、及び２０２Ｄを示し、それぞれは出力パルス列２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ、および２０１Ｄから構成される。示されるように、出力パルス列は１２５ＭＨｚの入力の反復率を倍増する上述のパルスマルチプライヤの実施形態を例示する。つまり、単一パルスがキャビティ全体を通過する（即ち、０→１、１→２、２→３等）のにかかる時間が４．０５０ナノ秒になるように、キャビティ長は各周回毎に約０．０５ナノ秒の余分な時間遅延を追加するように選択される。

元のパルス２００Ａ及び２００Ｂは、パワーエンベロープ２０２Ａ及び２００Ｃの一部ではないが、文脈のために示されている。具体的には、図１Ａのビームスプリッター１０３は、元のパルス２００Ａおよび２００Ｂを用いて出力パルス列２０１Ａ−２０１Ｄを生成する。最初のパルスはリングキャビティに入らず、後続のパルスはキャビティの周りを２、４、及び６回周回するため、エンベロープ２０２Ａと２０２Ｃの下の個々のパルスには０、２、４、及び６のラベルが付けられている。エンベロープ２０２Ｂと２０２Ｄの下の個々のパルスには、パルスごとにキャビティの周りを周回した回数を示す１、３、５、及び７のラベルがつけられている。図２Ｂは、キャビティがミラーやプリズムから失う損失が最小である場合、パルス列２０１Ａと２０１Ｂのそれぞれにおける個々のパルスの正規化された和は、実質的に互いに等しくすることができ、そして各入力パルスの総エネルギーの半分にほぼ等しいことを示している。だから、ピーク電力を低減し、各出力パルスのエネルギーを実質的に又はほぼ等しく保ちつつ、パルスマルチプライヤ１００のために記載された構成は、元の反復パルス周波数を倍増することができる。

特に、上述したように図１Ａを再度参照すると、各パルスの形状又はプロファイル（例えば、ビームウエスト寸法、ビームウエスト楕円、及びＭ^２（これは産業でよく知られたＩＳＯ標準である、即ち、同じ波長における実際のビームのビームパラメータプロダクトの理想的なガウシアンビームのビームパラメータプロダクトに対する比）などのパラメータによって測定されたように）が少なくとも数回の周回の間ほぼ一定であるように、リングキャビティを移動する間、ミラー１０６及び１０７は、光パルスがリングキャビティを移動するたびに再び焦点を合わせることができる。この均一性のため、エンベロープからエンベロープまでの最小の差又は１つのエンベロープの最初から最後までの最小の差をパルスは加算されることができる（例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示すように）。各パルスはビームスプリッター１０３を通過するたびにエネルギーが低減されるので、ほんの数回だけの周回ではエネルギーはかなり残る。だから、複数回の周回後に収差が重要なレベルまで積み上がるまでに、パルスエネルギーは無視できるレベルまでに減少するので、例えば非点のような光学収差によって生じるパルス形状又は品質の僅かな変化は許容される。

このように、ビームスプリッター１０３は、方向１０１から到達する各入力パルスからパルス列を生成することがでる。

ビームスプリッター１０３によって送信されるエネルギーの割合をＴとすると（透過率Ｔとも呼ばれる）、ビームスプリッターにより反射された割合はＲで表され（反射率Ｒとも呼ばれる）、及びリングキャビティの周りを１回伝達するエネルギーの割合はＣで表される（リングキャビティ透過率とも呼ばれる）（最初にパルスがビームスプリッターを離れた時、ビームスプリッターに戻ってくるエネルギーのその同じパルスのエネルギーに対する比と定義される）場合、入力パルスのエネルギーの割合として表した、単一の入力パルスに対して連続したパルスの出力エネルギーはＴ、ＲＣＲ、ＲＣ（ＴＣ）Ｒ、ＲＣ（ＴＣ）^２Ｒ、ＲＣ（ＴＣ）^３Ｒ、ＲＣ（ＴＣ）^４Ｒ、．．．となる。

エネルギーの保存は、Ｔ＋Ｒ≦１及びＣ≦１を意味する。無損失ビームスプリッターでは、Ｒ＋Ｔ＝１、及びロスレスリングキャビティでは、Ｃ＝１である。

キャビティの光路長が２つの連続するパルス間の距離の半分にほぼ等しい場合、図２Ａの出力エンベロープ２０２Ａは、入力パルス２００Ａに偶数回リングキャビティを通過した全てのパルス（エンベロープ２０２Ａの下に２、４、及び６とラベルが付けられている）を加えた割合Ｔ（このエンベロープの下に０のラベルが付けられている）を含む。エンベロープ２０２Ｃも同様に入力パルス２００Ｂ（エンベロープ２０２Ｃの下に０のラベルが付けられている）の入力エネルギーに対する割合Ｔ、キャビティの周りを２回まわった（エンベロープ２０２Ｃ下に２のラベルが付けられている）パルス２００Ａのエネルギーの割合Ｒ^２Ｃ（ＴＣ）、に加えリングキャビティの周りを４回、６回等まわった以前のパルスの一部を含む。この合計は、図２Ｂに２０１Ａとして示されている。図２Ａの出力エンベロープ２０２Ｂ及び２０２Ｄはそれぞれリングキャビティを奇数回通過したパルスの和を含む。例えば、エンベロープ２０２Ｂの下で１というラベルの付いたパルスは、リングキャビティの周りを１回まわったパルス２００Ａのエネルギーの割合Ｒ^２Ｃである。この合計は、図２Ｂにおいて２０１Ｂとして示されている。

パルスマルチプライヤ１００の一態様によれば、ビームスプリッターの反射率Ｒ、ビームスプリッターの透過率Ｔ、及びリングキャビティの透過率Ｃが図２Ｂの２０１Ａと２０１Ｂの合計が実質的に又はほぼ等しいように選択される。Ｒ^２Ｃ＝Ｔ＋Ｔ^２Ｃの場合、それらの合計は等しくなる。

ビームスプリッターの損失がε_Ｂで表される場合、但しε_Ｂ＝１−Ｔ−Ｒ、及びリングキャビティ損失がε_Ｃで表される場合、但しε_Ｃ＝１−Ｃ、そして等しいパルスエンベロープの場合、Ｔは式、
で与えられる。

ε_Ｂ及びε_Ｃが両方とも１に比較して小さい時、概略の形式が有効であり、よくあることであろう。ε_Ｂ及びε_Ｃが両方ともに無視できる場合（即ち、ビームスプリッター及びキャビティ損失も共に重要ではない）、等しいパルスエンベロープではＴ＝１／３及びＲ＝２／３である。

図２Ｂに示す式は、図１Ａ及び１Ｂの実施形態のためのものである。後述するように、他の実施例を参照して、Ｔ及びＲの役割は交換できる。図２Ｂに示すように、これらの実施形態では、式中ＴはＲに、及びＲはＴに置き換えられるべきである。

Ｔ、Ｒ、及びミラーコーティング（及び、従って、ε_Ｂ及びε_Ｃ）は通常の製造ばらつきによってコンポーネント間で僅かに異なる場合がある。いくつかのアプリケーションでは、各出力パルスに実質的に等しいエネルギーを達成するために、リングキャビティに微調整を行うことができることが望ましい。従って、いくつかの実施形態では、キャビティ伝送損失（ε_Ｃ）は、奇数エンベロープ（即ち合計２０１Ｂ）及び偶数エンベロープ（即ち合計２０１Ａ）の下でエネルギーを実質的に一致させるために調整されることができる。この調整の間、光は正確にブリュースター角でプリズムに当たらないように、プリズム１０８は、わずかに回転させることができる。これにより、各パルスのごく一部を、リングキャビティの外へ反射させ、結果としてε_Ｃを増加させる。リングキャビティのミラーの角度の微調整はキャビティの位置合わせを維持するために必要に応じて行われる。プリズム１０８での損失が最小である（実施的にゼロ）ので、光がブリュースター角でプリズムに入射する時、ブリュースター角に向かう調整又は離れる調整が可能であるように当業者は、通常のリングキャビティは、ブリュースター角からわずかにはずれたプリズムの入射角のためであることを理解するであろう。

図２Ａ及び２Ｂは、リングキャビティ長は、入射レーザーパルス間の半分より少し長い間隔（例えば、５０ピコ秒）である場合を示している。示されるように、各出力パルスのエンベロープが最大強度に急激に増加し、その後、連続したより弱いパルスのようによりゆっくり減衰して出力に到達する。リングキャビティ長は、入射レーザーパルス間の間隔の半分より僅かに短い（例えば、５０ピコ秒より短い）場合は、エンベロープは実質的に時間的に逆になり、最大強度までゆっくり上昇し、その後更に急激に減衰することが容易に理解されるであろう。上記の式及び分析は出力エンベロープを計算及び調整するために適用可能である。多くのアプリケーションのために、いずれかのアプローチが反復率を倍増させピーク電力を低減するために作用するであろう。

キャビティ長が入力パルス間隔の半分以外のいくらかの割合、例えばパルス間隔の１／３に実質的に等価である場合、出力パルスのエンベロープは図２Ｂのそれらとは異なる和によって決定される。キャビティ長がパルス間隔の１／３に実質的に等しい場合、第１のエンベロープは、リングキャビティの周りを３回の倍数回（３回、６回など）まわったパルスを入力パルスに加えた割合Ｔの合計であり、第２のエンベロープは、リングキャビティの周りを１回、４回、７回等まわったパルスの合計であり、第３のエンベロープは、リングキャビティの周りを２回、５回、８回等まわったパルスの合計である。このキャビティ長では、第４のエンベロープは実質的に第１のエンベロープに類似しているであろう。リングキャビティの周りを２回まわったパルスは、１回まわったパルスより必然的により弱いため（Ｔは１未満でなければならないので、他の有意なパルスエネルギーはキャビティに入らない）、たとえリングキャビティが、別の方法で損失なし（Ｃ＝１）であっても、第２及び第３の出力エンベロープを均一にほぼ等しくすることは不可能である。２より大きいパルス周波数増倍率が要求され、しかし各出力パルスにおいて等しいエネルギーが要求されない場合、単一のリングキャビティが適切である。実質的に又はほぼ等しいパルスエネルギーで２より大きいパルス周波数増倍率を必要とされる場合は、２つ又はそれ以上のパルスマルチプライヤはそれを達成するために結合されなければならない。

簡単にするため、図１Ａは、光学部品全てが入力及び出力光方向１０１及び１０２も含む１つの平板内に配列されているかのように光学部品を示していることに注意が必要である。実際の実装では、コンポーネントは３次元で配置されることができる。例えば、ミラー１０６は、方向１０１からの入射光がプリズム１０８中を通過するように少なくとも部分的に下向きである方向へミラーに当たった光を反射することができる。この構成では、プリズムを離れた光がミラー１０７に向かって上方向に移動するように、プリズム１０８は配向される。

また、ビームスプリッター１０３は、２つのミラー間の中間に配置される必要がないことに注意すべきである。他の実施形態では、ビームスプリッター１０３は、他のミラーより１つのミラーに対してより近くに配置することができる。当業者は、コンポーネントの多くの異なる配置が可能であることを理解するであろう。

各パルスがリングキャビティ内を循環するように、各パルスを再集束するように構成された場合、‘０７５のアプリケーションのパルスマルチプライヤは、図１Ａのパルスマルチプライヤよりも多くのコンポーネントを必要とする。また、‘０７５アプリケーションのパルスマルチプライヤは、リングキャビティで２つの異なる偏光状態を使用する。これらの偏光状態は、特にディープＵＶ波長では各表面のコーティング設計を複雑にする可能性がある。入射レーザーパルスの高いピーク出力レベルを許容しながら両方の偏向状態がうまく動作するディープＵＶビームスプリッターの製作は難しいかもしれない。同様に、リングキャビティ内の伝送要素、例えば波長板（‘０７５実施形態における）、レンズ、又はプリズム用の堅牢なディープＵＶ用反射防止コーティングがない可能性がある。だから、一つの別の実施形態では、プリズム１０８の面のブリュースター角の使用は、最小限の光損失はプリズム面にコーティング無しに達成されることを意味する。更に、以下に詳細に記載されるようにリングの位置合わせは、より少ない構成要素を使用することにより簡素化することができる。

図１Ｂは、単一のリングキャビティから得ることができる増倍率よりも高い増倍率を発生する２つのリングキャビティを含む例示的なパルスマルチプライヤ１１０を示す。例えば、第１のリングキャビティは、入力レーザーの反復率の２倍に実施的に等しいエネルギーのパルスを生成するように構成することができる。第２のリングキャビティは、第１のリングキャビティの出力の２倍の増幅率と実質的に等価なエネルギーのパルスを生成するように構成されることができ、それにより、各出力パルスの実質的に等しいエネルギーを維持しながら入力レーザーの反復率を４倍に増加させる。第１リングキャビティのための上述の任意の構成及び全ての方法は、第２のリングキャビティに適用することができる。

上述したように図１Ｂにおいて、第１のリングキャビティは、コンポーネント１０３、１０６、１０８、及び１０７を含んでいる。第２のリングキャビティは、ビームスプリッター１１３、ミラー１１６及び１１７、並びにプリズム１１８を含み、レーザーのパルス周波数を直接というよりもむしろ第１のリングキャビティの出力のパルス周波数を増大させること以外は、第１のリングキャビティと類似の方法で機能する。第１のリングキャビティのビームスプリッター１０３からの光は第２のリングキャビティのビームスプリッター１１３に向けられる。ビームスプリッター１１３はビームスプリッター１０３と実質的に同様に機能する。ミラー１１６及び１１７は、第２のリングキャビティ内にレーザーパルスを再集束し、（好ましい実施形態において、第１のリングキャビティの光路長より短い）第２のリングキャビティの光路長に適切な曲率半径（従って、焦点距離）を有する。プリズム１１８は、好ましくは、その入力面及び出力面が実質的に又はほぼブリュースター角（その入力面は１１９がラベル付けされている）でカットされている。出力光は、第２のリングキャビティを方向１１２へ出て、第１のリングキャビティからのパルスと第２のリングキャビティの周りを循環しているパルスとの結合から成る。

図１Ｃは、（図１Ａに示すように）２枚のミラーより１枚のミラーを使用する別の例示的なパルスマルチプライヤ１２０を示す。この実施形態では、入力光が方向１２１から到達し、一部はビームスプリッター１２３で出力方向１２２に反射される（入力された光の一部が出力方向に送信される図１Ａの実施形態と比較して）。ビームスプリッター１２３を透過した光は、ミラー１２６、プリズム１２８、及びビームスプリッター１２３、を含むリングキャビティに入る。ミラー１２６はリングキャビティ内を循環する光を再集束する。ビームウエストは１つのリングキャビティの周りを各１回周回する倍数で再集束されるように、好ましくは、ミラー１２６の曲率半径はリングキャビティの光路長の半分に実質的に等しい。図１Ａの実施形態のように、ブリュースター角のカットは好ましくはプリズム１２８の入力面及び出力面に用いられ、それによりこれらの面（プリズム１２８の入力面は図１Ｃに１２９とラベル付けされている）での反射損失を最小にする又は除去する。以前の実施形態と同様な方法で、プリズム１２８での損失を大幅に除去するように、入力光は実質的に又はほぼ方向１２４に偏光されるべきである。光がプリズム１２８を出た後、光はビームスプリッター１２３に戻るように向けられ、そこで各パルスの一部は出力方向１２２へビームスプリッター１２３を透過し、及び一部はリングキャビティに戻るように反射される。

図１Ｃのビームスプリッター１２３の透過及び反射の役割は、図１Ａのビームスプリッター１０３における役割に関連して入れ替えられることを除いて、パルスマルチプライヤ１２０は、図１Ａのパルスマルチプライヤ１００と実質的に同様の方法で機能する。上記の式はＲ及びＴが交換できる限り、このリングキャビティに適用されることができる。実質的に等しいパルスエンベロープの場合、マルチプライヤ１２０を用いて入力パルスの速度を倍増する時、キャビティ及びビームスプリッターの損失を無視できるなら、Ｒは約１／３であり、Ｔは約２／３である必要がある。図１Ａのマルチプライヤの場合、上記で教示されるようにリングキャビティ及び／又はビームスプリッターの損失がある場合、実質的に等しいパルスエンベロープを維持するように僅かに異なるＲ及びＴの値が選択されることができる。

パルスマルチプライヤ１００（図１Ａ）と比較してパルスマルチプライヤ１２０（図１Ｃ）の１つの利点は、パルスマルチプライヤ１２０は２枚のミラーよりむしろ１枚のミラーを用いることである。その結果、特に深紫外波長において光の損失が少なくなる。構成要素が少ないほどリングキャビティの光学位置合わせの簡素化もできる。一方、パルスマルチプライヤ１２０の非点収差やラテラルカラーなどの光学収差は、（パルスマルチプライヤ１００に比べて）より大きくてもよいことに注意すべきである。これらの光学収差が許容できるかどうかは、レーザーのビームウエスト、リングキャビティ長及び要求される出力パルスビームプロファイルに依存する。当業者が理解するであろうように、曲面ミラー１２６への入射角を小さく保持することは光学収差を最小限に抑えることができる。

図１Ｄは、単一のリングキャビティから簡単に得ることができる増倍率より、より高い増倍率を生成するために、図１Ｃに示されたものと同様の２つのリングキャビティを含む別の例示的なパルスマルチプライヤ１３０を示す。例えば、第１のリングキャビティは、入力レーザーの２倍の反復率に実質的に等しいエネルギーのパルスを生成するように構成されることができる。第２のリングキャビティは第１のリングキャビティの出力の２倍の反復率に実質的に等しいエネルギーのパルスを生成するように構成されることができ、それにより各出力パルスと実質的に等しいエネルギーを維持しながら入力レーザーの反復率を４倍に増やす。

上述したように図１Ｄにおいて、第１のリングキャビティは、ビームスプリッター１２３、ミラー１２６及び、プリズム１０８を備える。第２のリングキャビティは、ビームスプリッター１３３、ミラー１３７、及びプリズム１３８を備える。第１のリングキャビティのビームスプリッター１２３からの光は、第２のリングキャビティのビームスプリッター１３３に向けられる。ビームスプリッター１３３はビームスプリッター１２３と実質的に同様に機能する。ミラー１３７は、第二のリングキャビティ内にレーザーパルスを再集束し及び、好ましくは、第２のリングキャビティの半分の光路長に実質的に等しい曲率半径を有する。他の実施形態について上述したように、プリズム１３８は好ましくは、入射及び透過光がカットされた面に対して実質的に又はほぼブリュースター角になるようにカットされたその入射面及び出力面を有する。出力光は、ビームスプリッター１３３を透過し方向１３２に第２のリングキャビティを出射し、出力光は第１のリングキャビティからのパルス及び第２のリングキャビティの周りを循環しているパルスとの組み合わせから成る。先の実施形態について説明したように、ビームスプリッター１３３も各パルスの一部を再循環させる。

図１Ｅは、図１Ｃとは異なる（ただし、同一の構成要素）レイアウトで別の例示的なパルスマルチプライヤ１４０を示す。リングキャビティ内の光の入射角が、図１Ｃのミラー１２６及びビームスプリッター１２３上で実質的に同じである場合、入射角度を低く保持することは、ミラー１２６からプリズム１２８を通って同じビームスプリッター１２３までの光路長が、ビームスプリッター１２３からミラー１２６までの光路長よりほんの僅かに長くなる結果となる。ミラー１２６は好ましくはキャビティの全光路長の半分に実質的に等しい曲率半径を有するので、レーザーパルスは、プリズム１２８とビームスプリッター１２３との間の位置でビームウエストに再集束されるが、一般的にビームスプリッター１２３に非常に近い。ディープＵＶで使用されるパルスマルチプライヤの場合、これはビームスプリッター１２８の表面に高電力密度の入射をもたらす結果となるかも知れず、寿命を低下させる。

図１Ｅの実施形態は、ビームスプリッター１２３の表面からさらに少しビームウエストを移動させるために、リングキャビティの形状を変更している。いくつかの好ましい実施形態では、ビームウエストはプリズム１２８の出力面とビームスプリッター１２３の表面との間のほぼ中間に配置されている。

図１Ｅに示されるように、ビームスプリッター１２３とミラー１２６との間の距離はｄ１、ミラー１２６とプリズム１２８の入力面との間の距離はｄ２、光が通る中心軸に沿ったプリズム１２８の長さはＬ１、及びプリズム１２８の出射面からビームスプリッター１２３までの距離がｄ３である。従って、リングキャビティの全光路長はｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋Ｌ１＊ｎに等しく、ｎはレーザーの波長におけるプリズム材料の屈折率である。例えば、プリズム１２８がＣａＦ_２を含みレーザー波長が２６６ｎｍである場合、その屈折率は１．４６２になる。例えば、入力レーザーの反復率が１２５ＭＨｚで反復率の倍増が、リングキャビティによって実行されると、リングキャビティの光路長は、光が４ナノ秒移動する距離にほぼ等しくなる、即ち約１．１９９メートルである。以上説明したように、特定の好ましい実施形態では、リングキャビティの光路長はレーザーのピーク電力を更に低減するためにこの長さより少し長い長さに、又は少し短い長さに設定される。例えば、リングキャビティの光路長は、１２５メガヘルツの反復率のレーザーでは約１．２１４ｍになるように設定されることができる。

以上説明したように、好ましくはミラー１２６の曲率半径は光路長の半分にほぼ等しい。レーザービームウエストは、ミラー１２６から光路長の半分離れて再集束されるであろう。レーザービームウエストからミラー１２６までの光路長がキャビティの光路の半分にほぼ等しいように、入力レーザーは、好ましくはビームスプリッター１２３の前に焦点を結ぶべきである。

示されているように、ミラー１２６への光の入射が２θ_１の角度で偏向されるように、ミラー１２６への入射角はθ_１である。ビームスプリッター１２３への入射角はθ_２である。プリズム１２８のブリュースター角θ_Ｂは、レーザー波長においてプリズム材料の屈折率によって決定される。ＣａＦ_２では２６６ｎｍの波長において、ブリュースター角は約５５．６°である。示されるようにブリュースター角でプリズム１２８の面に入射する光線は２θ_Ｂ−９０°に等しい角度でずれている（即ち、ＣａＦ_２では２６６ｎｍの波長で角度約２１．３°）。プリズム１２８は、示されたようにビームスプリッター１２３とミラー１２６との間の光に平行な線に対して角度δで傾斜している。

幾何学から、次の関係を導出される：
[数２]
２θ_１＝２θ_Ｂ−９０°＋δ
２θ_２＝２θ_Ｂ−９０°＋δ
ｄ１＝Ｌ１＊ｃｏｓ（δ）＋ｄ２＊ｃｏｓ（２θ_１）＋ｄ３＊ｃｏｓ（２θ_２）
ｄ３＊ｓｉｎ（２θ_２）＝ｄ２＊ｓｉｎ（２θ_１）＋Ｌ１＊ｓｉｎ（２θ_２）

プリズム１２８の所望のリングキャビティの光路長と特性とを組み合わせたこれらの方程式は、許容される光学収差を維持するためにミラー１２６上で適度に小さな入射角度θ_１を維持しながら、適切な角度、プリズムの長さＬ１並びに構成要素間隔ｄ１、ｄ２、及びｄ３の選択が所望の位置にビームウエストを配置できるようにする。

図１Ｂ及び１Ｄで示されるものと同様に、４倍の増倍率のような高い増倍率を達成するために図１Ｅに示すような２つのキャビティが含まれる（即ち、光結合型）。

図３Ａは例示的なレーザーパルスマルチプライヤ３００を示す。このマルチプライヤはプリズムを含んでいない、だからレーザー波長及びピークパワーレベルと互換性のあるプリズムの材料が容易に入手できない及び／又は安価でない場合に使用される。

レーザーパルスは、方向３０１から到達する。各パルスの一部はビームスプリッター３０３から出力方向３０２に反射され、一部はリングキャビティ（パスが交差しているのでバタフライ型リングキャビティと呼ばれることもある）に入る。以上説明したように、リングキャビティ及びビームスプリッター３０３が無損失であった場合、ビームスプリッター３０３は、好ましくは、各レーザーパルスのエネルギーの約１／３を反射し、約２／３をリングキャビティ内に伝送する。以上説明したように、これらの値はパルス周波数逓倍器で実質的に等しいエネルギー出力パルスを維持するために、ビームスプリッター及びリングキャビティの損失を考慮するように修正することができる。

レーザーパルスはリングキャビティに入った後、平面ミラー３０４で反射され、曲面ミラー３０５に向けられる。ミラー３０５はレーザーパルスを曲面ミラー３０６に向けて反射する。ミラー３０６はビームスプリッター３０３に向かってレーザーパルスを戻すように反射する。ミラー３０５及び３０６の曲率は、リングキャビティ内の各レーザーパルスを再集束するように選択される。ミラー３０５及び３０６の曲率半径、従って焦点距離の異なる組み合わせが可能である。例えば、入力レーザーパルスは、ビームスプリッター３０３とミラー３０４との実施的に中間の位置のビームウエストに焦点を合わせることができる。ミラー３０５は、レーザーパルスを平行にするように曲率半径を選択することができる。ミラー３０６は、（構成要素の対称形配置を仮定すると）同じ曲率半径を有し、ビームスプリッター３０３とミラー３０４との間の実質的に中間の位置のビームウエストに各パルスを再集束ことができる。別の実施形態では、入力レーザーパルスは実質的に平行にされる。この場合、ミラー３０５は、ミラー３０５とミラー３０６との間の実質的に中間の位置のビームウエストにレーザーパルスを再集束することができる。そしてミラー３０６はレーザーパルスを再平行化することができる。当業者は、上述した２つに加えてそのほかの再集束方式が可能であることを理解するであろう。

パルスがビームスプリッター３０３に当たると、パルスの一部は出力方向３０２に送信され、一部はリングキャビティの周りに再循環される。以上説明したように、キャビティ長は２つの連続する入射レーザーパルス間の間隔の半分より少し大きいか又は少し小さい長さと同等であることができる。

当業者は、平面鏡３０４並びに曲面ミラー３０５及び３０６の１つは、曲面ミラーの焦点距離の適切な変更により位置を交換できることを理解するであろう。

図３Ｂは、単一のリングキャビティから簡単に得ることができる増倍率より、より高い増倍率を生成するために、図３Ａに示されたものと同様の２つのリングキャビティを含む別の例示的なパルスマルチプライヤ３１０を示す。例えば、第１のリングキャビティは、入力レーザーの２倍の反復率に実質的に等しいエネルギーのパルスを生成するように構成されることができる。第２のリングキャビティは、第１のリングキャビティの出力の２倍の反復率に実質的に等しいエネルギーのパルスを生成するように構成されることができ、それにより各出力パルスの実質的に等しいエネルギーを維持しながら入力レーザーの反復率を４倍に増やす。

上述したように図３Ｂにおいて、第１のリングキャビティは、構成要素３０３、３０４、３０５および３０６を備える。第２のリングキャビティは、ビームスプリッター３１３、並びにミラー３１４、３１５及び３１６を備える。第１のリングキャビティのビームスプリッター３０３からの光は、第２のリングキャビティのビームスプリッター３１３に向けられる。ビームスプリッター３１３は、ビームスプリッター３０３と実質的に同様に機能する。ミラー３１４は、曲面ミラー３１５に光を向け直す。ミラー３１５及び３１６は、第２のリングキャビティ内にレーザーパルスを再集束する。出力光はビームスプリッター３１３を透過し方向３１２へ第２のリングキャビティを出射し、出力光は第１のリングキャビティからのパルス及び第２のリングキャビティの周りを循環したパルスの組み合わせから成る。先の実施形態について説明したように、ビームスプリッター３１３も各パルスの一部を再循環させる。

図３Ｂは、構成要素をそれらが１つの平面内に配置されているかのように示しているが、レイアウトは３次元であってもよい。例えば、方向１０１からの入力レーザーパルスは、第２のリングキャビティの光学構成要素の上又は下に移動することができる。

図４Ａは、プリズムを含まない別のレーザーパルスマルチプライヤ４００を示す。本実施形態は、ビームスプリッターとほぼ等しい曲率半径の２つの曲面ミラーだけを含む。本実施形態のアライメントは特に簡単である。本実施形態は、Herriott et al., “Off-axis Spherical Mirror Interferometers”, Applied Optics 3, #4, pp523-526 (1964)及び Herriott et al., “Folded Optical Delay Lines”, Applied Optics 4, #8, pp883-889 (1965)に記載されたヘリオットセルと同様である。特に、本実施形態はパルスの増加を実行するために、リングキャビティ内にビームスプリッターを含む。Herriottらの参考文献は、キャビティ内のビームスプリッターを含むことを記載していない、及びにパルス周波数逓倍器の応用を記載していない。

レーザーパルスは、方向４０１から到達する。各パルスの一部がビームスプリッター４０７によって出力方向４０２へ透過し、一部はリングキャビティへ入る。図１Ａについて上記で説明したように、パルス周波数逓倍器として使用される時、リングキャビティ及びビームスプリッター４０７が無損失の場合、ビームスプリッター４０７は、好ましくは各レーザーパルスのエネルギーの約１／３を透過し、約２／３をリングキャビティ中へ反射する。以上説明したように、これらの値はパルス周波数逓倍器で実質的に等しいエネルギー出力パルスを維持するために、ビームスプリッター及びキャビティ損失を考慮するように修正することができる。

レーザーパルスがリングキャビティに入った後、曲面ミラー４０５で反射され、曲面ミラー４０６に向けられる。ミラー４０６はその光をミラー４０５の方へ向けて戻す。両方のミラーからの複数の反射（図４Ａに示された例では、各ミラーで２回反射）した後、パルスは再集束の後に、ビームスプリッター４０７に戻って到達する。Herriottらによって記載されたように（１９６４）、各ミラーからの反射の数は、ミラーの間隔ｄに対する２枚のミラーの曲率半径だけに依存し、光がリングキャビティに入射する正確な角度に依存しない。例えば２枚のミラーの曲率半径をｄ（即ち、各ミラーの焦点距離はｄ／２）である場合、各ミラーからの２回の反射の後に、各パルスは再集束されて、ビームスプリッター４０７に戻る。そこでパルスの一部はリングキャビティから方向４０２へ反射されて、一部はリングキャビティ内に伝送されて戻る。Herriottら（１９６４）は、各ミラーで２、３、４、６、１２及び２４回の反射の場合、ミラーの焦点距離の値（従って、曲率半径）をｄの倍数として与えている。Herriottらによって説明されるように、反射の他の数も可能である。Herriottら（１９６４）によって記載されたように、反射は、反射の回数及び光がビームスプリッター４０７からミラー４０５に入射する角度に依存するため、１つの平面内に存在しないかもしれない。各ミラーからの２回の反射を用いるキャビティと比較して、各ミラーからの２回以上の反射はキャビティをよりコンパクトにする。しかし、一部の光は各ミラーの反射で失われるので、ミラー反射損失がそれほど小さくない場合（例えば、ディープＵＶ波長でのように）、ミラー１枚あたり２回の反射が好まれるであろう。しかし反射当たりの損失が小さい場合（例えば赤外線、可視光線又は近ＵＶ波長）、ミラーあたり２回以上の反射が使用可能である。

方向４０２に出射する出力パルスが入射パルスとほぼ又は実質的に同様な発散及びビームウエスト位置を持つように、入力レーザーパルスのビームウエストの位置にかかわらず、パルスマルチプライヤ４００はレーザーパルスを再集束する。パルスマルチプライヤ４００の好ましい実施形態では、方向４０１からの入力レーザーパルスはビームスプリッター４０７上のパワー密度の入射を最小にするように実質的に平行にされるであろう。そして出力されるレーザーパルスも実質的に平行にされるであろう。

図４Ｂは、図４Ａのパルスマルチプライヤ４００よりもコンパクトである別のパルス周波数マルチプライヤ４１０を示す。パルスマルチプライヤ４１０は、平板ミラー４１６を用いて曲面ミラー４１５からの光を再帰反射する。だからマルチプライヤは同じキャビティ光路長のパルスマルチプライヤ４００と比較してマルチプライヤの２枚のミラーの間に距離を有する（即ち、パルスマルチプライヤ４１０のミラー間隔ｄ／２はパルスマルチプライヤ４００のミラー間隔ｄと同じ光路長となる）。曲面ミラー４１５はミラー４０５（図４Ａ）と同じ曲率半径を有する。パルスマルチプライヤ４００と比較してパルスマルチプライヤ４１０の他の優位性は、ビームスプリッター４１７が平面ミラー４１６とほぼ同一面上に配置でき、それにより構造及びアライメントを単純化することができることである。ビームスプリッター４１７の反射及び透過の役割は、パルスマルチプライヤ４００のビームスプリッター４０７の役割と比較すると入れ替わっていることに注意が必要である。

パルスマルチプライヤ４１０は、入力と出力のレーザーパルスを分離するために第２のビームスプリッター４１３を使用する。図４Ｂに示される実施形態では、ビームスプリッター４１３は、実質的に１００％の入射レーザーパルスを透過するように配置された偏光ビームスプリッターであり、矢印４０４によって示されるようにビームスプリッター４１３に対して実質的にＰ偏光されている。特定の実施形態では、この透過は、方向４１１からの光がそのレーザーの波長のほぼブリュースター角で入射するようにビームスプリッター４１３を配向することによって達成される。

ビームスプリッター４１３が各出力パルスの高い割合のエネルギーを反射するために、出力パルスの偏光は、ビームスプリッター４１３に対する偏向のように実質的に配向させる必要がある。この偏光は、ビームスプリッター４１３と４１７との間に配置された１／４波長板４１８によって達成することができる。１／４波長板４１８は入力された偏向を実質的に円偏向に変換するように向けられる。１／４波長板４１８を通過する際に、出力パルスは入力された偏光に対して９０°回転される実質的に直線偏光に再変換されるように、リングキャビティ内部で奇数回の反射（図４Ｂに示される実施形態において７回の反射）の後、円偏光の左右像が反転されている（即ち、左円偏向は右円偏光になり、逆もまた同様）。リングキャビティ内に波長板を含む‘０７５出願の実施形態とは対照的に１／４波長板４１８がリングキャビティの外側にあることに注意されたい。

本明細書に記載のパルスマルチプライヤの実施形態のいずれも、リングキャビティ内に波長板を必要としない。代わりに、ビームスプリッターだけがキャビティから出射する各パルスの割合とキャビティの周りを再循環する割合を決定するために使用される。

パルスマルチプライヤ４１０のビームウエストはミラー４１６の表面上、又はその近くにあることに注意されたい。パルスマルチプライヤ４１０を使用するか、又はパルスマルチプライヤ４００を使用するかの選択はレーザーの波長、パワー密度、及びリングキャビティの利用可能なスペースに依存する。

図１及び３の実施形態と同様に、図４Ａ及び４Ｂに示される実施形態の２つ以上のパルスマルチプライヤは、一緒に結合されてより高い増倍率を達成することができる。

有利なことに、検査システムは上述したパルスマルチプライヤを含むことができる。検査システムは、明視野検査システム、暗視野検査システム、又は明視野と暗視野の両方のモードを備えたシステムとすることができる。検査システムは、半導体ウェーハ又はフォトリソグラフィマスクを検査するように構成されることができる。具体的には、検査システムは、パターン化された試料上のパターニング欠陥を検出するように構成することができ、又はパターン化若しくはパターン化されていない表面の粒子、ピット、若しくは突起を検出するように構成されることができる。

例えば、上述したパルスマルチプライヤによって生成された高反復率のレーザーパルスは、フラッシュオンザフライ検査システムで使用することができ、単一のレーザーパルスにより、移動している検査対象サンプル（例えば、ウェーハ又はレチクル）の一部を照射し、カメラによって画像を取得する。各レーザーパルスは持続時間が短いため、動きが効果的に凍結され、ぼけのない画像が取得される。有利なことに、上記のパルスマルチプライヤによって提供されるより高い増幅率により、単位時間当たりにより多くの画像を取得することが可能になり、これにより、より高速な動作が可能になる。フラッシュオンザフライ検査システムで使用されるパルスマルチプライヤのいくつかの実施形態では、１つの目標は動きを凍結することであるので、パルス周波数を逓倍する場合、各レーザーパルスを過度に広げないことが好ましい。従って、このような実施形態では、キャビティ長は、連続する入射パルス間の時間間隔の半分に実質的に等しくなるように設定することができる。

図５は、パルスマルチプライヤ５２０を内蔵する光源を含む例示的なパターン化されていないウェーハ検査システム５００を示す。システム５００において、ウェーハ５０１は装置５０２を使用して回転、及び移動させることができ、ウェーハの表面全体を走査可能であることを保証する。パルスマルチプライヤ５２０はウェーハ５０１に向かう垂直ビーム５０３及び斜光ビーム５０４のためのパルスを有利に生成する。ウェーハ５０１からの反射入射光は、例えばコブレンツ球５０８及び光学系５０９を用いて検出器（簡略化のため図示せず）上に向けられる。システム５００は、例えば狭い光電子増倍管（ＰＭＴ）５０５及び広いＰＭＴ５０６を含む、狭い及び広い両方の検出経路を提供する。Jannらによる１９９３年２月２３日に発行された米国特許第５，１８９，４８１号はシステム５００をより詳細に説明している。そしてそれは参照され本明細書に盛り込まれている。特に、パルスマルチプライヤ５２０は、紫外線、深紫外線、又は真空紫外線レーザーからのパルスを逓倍することができる。パルスマルチプライヤ５２０は、使用されるどのようなレーザーのピーク電力をも低減しつつ、好都合に反復率を増加させることができる。

Vaez-Iravaniらによる２００１年３月１３日に発行された米国特許第６，２０１，６０１号及びMarxらによる２００１年８月７日に発行された米国特許第６，２７１，９１６号はパターン化されていないウェーハ検査システムについて更なる詳細を提供し、それは本明細書に記載されたパルスマルチプライヤのいずれかを有利に組み込むことができる。これらの両特許は、参照され本明細書中に盛り込まれている。

図６は、ほぼ垂直照明及び斜光照明（明確にするために斜光照明６０２だけが示される）の両方を提供するパルスマルチプライヤ６０１を備える光源を含む例示的なパターン化されたウェーハ検査システム６００を示す。パルスマルチプライヤ６０１は、紫外線、深紫外線、又は真空紫外線レーザーからのパルスを生成することができる。有利なことには、パルスマルチプライヤ６０１はピーク電力を低減しながら、使用されるレーザーの反復率を増加させることができる。システム６００では、マルチチャンネルコレクション６０３は、増加した信号対雑音比（ＳＮＲ）の大きな収集領域、ビニング、及びチャンネル融合を提供することができる。パルスマルチプライヤ６０１によって生成されたような照明の偏光は、下層の抑制と欠陥選択性を提供することができる。マルチチャンネルコレクション６０３を促進する照明チャンネルは、ウェーハ６０４上の１つ以上のスポットを、１本以上の細線を、又は矩形領域を照明することができる。検出チャンネルは（パターンの抑制のための）フーリエフィルタリング、偏光選択、角度範囲及び／又は開口数（ＮＡ）の制御を含むことができる。Leongらにより２００９年４月２８日に発行された米国特許第７，５２５，６４９号は、参照されて本明細書に盛り込まれ、表面検査装置６００及び他の複数の収集システムを更に詳細に記載している。

有利なことには、計測システムはまた、上記のパルスマルチプライヤを含むことができる。例示的な計測システムは、エリプソメータ（例えば、参照されて本明細書中に盛り込まれた米国特許第６，７３４，９６８号を参照）、角度分解反射率計（例えば、参照されて本明細書に組み込まれた米国特許第４，９９９，０１４号又は米国特許第７，６６７，８４１号の両特許を参照）又は光音響測定システム（例えば、参照されて本明細書に組み込まれた米国特許第４，７１０，０３０号を参照）を含むが、これらに限定されない。パルスマルチプライヤを組み込んだ光音響測定システムのいくつかの実施形態では、各出力パルスに対して高いピーク出力を有するために、各レーザーパルスを過度に広げないことが好ましい。従って、このような実施形態では、キャビティの光路長は、連続する入射パルス間間隔の半分に実質的に等しく設定することができる。

パルスマルチプライヤを含む任意の検査や計測システムは、パルス整形及び／又はコヒーレンス低減装置と組み合わせて使用することができることに注意すべきである。例示的なパルス整形及びコヒーレンス低減装置としてはChuangらによる同時係属中の米国公開特許出願第２０１１／０２７９８１９号及び同第２０１１／０２２８２６３号の両方に記載されたものを含むが、これらに限定されるものではない。これら２つの出願は両方共に２００８年９月２９日出願された米国仮出願第６１／１００，９９０号の優先権を主張する。これらの出願の全ては参照され本明細書に組み込まれる。このようなパルス整形装置は、各レーザーパルスのコヒーレンスを低減、又はそうでなければパルスの形状を修正するために使用されることができる。

図７は、本発明の実施形態による検査又は計測システムに組み込むのに適したパルスマルチプライヤと組み合わせて使用されるパルス整形装置及びコヒーレンス低減装置の一態様を示す。光源７１０は、パルスレーザー及びパルスマルチプライヤを備える。光源７１０は、一連のパルスを含む光束７１２を生成する。この実施形態の一態様は、光ビーム７１２の実質的に迅速な時間変調を行うために、レーザーの有限なスペクトル範囲を利用することであり、１／１０ピコ秒の時間スケール（１／１０ピコ秒の時間間隔は、スペクトル幅で約１ピコメートルと同等である）で変換され、及び時間変調を空間変調に変換され得る。

分散素子及び電気光学変調器を使用は、スペックル低減及び／又はパルス整形のために提供される。例えば、照明サブシステムは、光のコヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子を含む。図７に示すように、分散素子は、光のコヒーレントパルスの断面ｘ_１に角度θ_１で配置された面７１４に配置されることができる。更に図７に示すように、光パルスは分散素子を角度θ_１′及び断面寸法ｘ_１′で出射する。一実施形態では、分散素子はプリズムである。別の実施形態では、分散素子は回折格子である。分散素子は、光パルスの光分布の空間的および時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成されている。特に、プリズム又は回折格子などの分散素子は光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性との間のいくつかの混合を提供する。分散素子は、照明サブシステム及び計測又は検査システムの光学特性によって変えることができる任意の適切なプリズム又は回折格子を含むことができる。

更に、照明サブシステムは、分散素子から出る光のパルスの経路に配置された電気光学変調器を含む。例えば図７に示すように、照明サブシステムは分散素子から出る光パルスの経路中に配置された電気光学変調器７１６を含むことができる。電気光学変調器は、光パルスの光分布を時間的に変調することによって光パルスのコヒーレンスを低減するように構成されている。具体的には、電気光学変調器は、光分布の任意の時間変調を提供する。従って、分散素子及び電気光学変調器は、光源によって生成される光パルスに組合せ効果を有している。特に、電気光学変調器と分散素子の組み合わせは、任意の時間変調を生成し、時間変調を任意の出力ビーム７１８の空間変調に変換する。

一実施形態では、電気光学変調器は、１／１０ピコ秒の時間間隔で光のパルスの光分布の時間変調を変更するように構成されている。別の実施形態では、電気光学変調器は電気光学変調器の変調の各周期に約１０００の非周期サンプルを提供するように構成され、それにより、約１０^−１３秒のデコヒーレンス時間を提供する。

本発明の特定の実施形態によれば、パルスマルチプライヤを組み込んだ検査システムは、単一の検出器上でのデータの２つのチャンネルを同時に検出することができる。このような検査システムは、レチクル、フォトマスク及びウェーハ等の基板を検査するのに使用することができ、Brownらにより２００９年５月１５日に発行された米国特許第７，５２８，９４３号に記載されているように動作することができる。‘９４３特許は、参照により本明細書に組み込まれている。

図８は、１つのセンサー８７０上の画像又は信号の２つのチャンネルを同時に検出するレチクル、フォトマスク又はウェーハ検査システム８００を示す。いくつかの実施形態では、照明源８０９および８１０の一方又は両方はパルスマルチプライヤを内蔵している。いくつかの実施形態では、パルスマルチプライヤを含む単一の光源は、照明源８０９及び８１０のために使用することができる。２つのチャンネルは、検査対象物８３０が透明（例えば、レチクル又はフォトマスク）である場合、反射強度及び透過強度を含む、又は入射角、偏光状態、波長又はそれらのいくつかの組み合わせのような２つの異なる照明モードを含むことができる。

図８に示すように、照明リレー光学系８１５及び８２０はそれぞれ光源８０９及び８１０から検査対象物８３０に照明を中継する。検査対象物８３０は、レチクル、フォトマスク、半導体ウェーハ又は他の被検査物品であってもよい。画像リレー光学系８５５及び８６０は、検査対象物８３０によって反射された及び／又は透過された光をセンサー８７０へリレーする。２つのチャンネルで検出された信号又は画像に対応するデータはデータ８９０として示され、処理のためにコンピュータ（図示せず）に送信される。

レチクル又はフォトマスクから透過された光及び反射された光を測定するように構成されることができるレチクル及びフォトマスクの検査システム及び方法の他の詳細は、Kvammeらによって２００８年４月１日発行された米国特許第７，３５２，４５７号に記載され、参照されて本明細書に盛り込まれている。パルスマルチプライヤを組み込むことができるレチクル及びフォトマスク検査システム及び方法に関する更なる詳細は、Emeryらにより１９９６年１０月８日発行された米国特許第５，５６３，７０２号に見出すことができ、参照されて本明細書に組み込まれている。

本発明の特定の実施形態によるパルスマルチプライヤを組み込んだ検査システムは、複数のチャンネルを組み込むことができ、各チャンネルは異なる特性（例えば、タイプ、波長範囲など）を有する光を含む。複数のチャンネルを利用し及びパルスマルチプライヤの組み込みに適した検査システム及び方法は、Armstrongらによる２００９年７月１６日公開された米国特許出願第２００９／０１８０１７６号に記載され、参照されて本明細書に盛り込まれている。

本発明の特定の実施形態によるパルスマルチプライヤを組み込んだ検査システムは、１次の照明源、２次の照明源及び、反射屈折対物レンズを組み込み、照明源のうちの少なくとも１つはパルスマルチプライヤを備える。パルスマルチプライヤのために適し、及び１次及び２次の照明源並びに反射屈折対物レンズを利用する検査システム及び方法は、Chuangらにより２００７年１月４日に公開された米国特許出願第２００７／０００２４６５号に記載され、参照されて本明細書に盛り込まれている。

特に、最小限の総電力損失で毎秒あたりのパルス数を増加させながら、パルスマルチプライヤはパルス当たりのピーク電力を安価に低減することができる。パルスマルチプライヤは既製のレーザーを用いて高速検査及び計測を有利にすることができる。暗視野検査システムでは、レーザー光源に依存する。上記のパルスマルチプライヤは、これらのシステムが別の方法では低すぎるパルス反復率を有するであろうレーザーを使用することができ、適切なレーザーを利用できない、又は使用可能なレーザーは非常に高価である若しくは信頼できない場合に、非常に高い反復率のＵＶレーザー又はＣＷレーザーの潜在的な代替手段を提供する。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細な説明は、本発明の原理を例示する添付の図と共に上述されている。本発明は、このような実施形態に関連して説明されるが、本発明は任意の実施形態に限定されるものではない。

例えば、一実施形態において、光学部品はレーザー波長に適したコーティングで被覆されることができる。波長板のような任意の透過要素の各々の表面は、各表面で反射したレーザーエネルギーの量を最小限にする反射防止コーティングも有することができる。ミラーは、レーザー波長での反射を最大化し及び散乱を最小化するように設計されたコーティングで被覆されることができる。

別の例では、一実施形態では、リングキャビティは異なる形状又は上記の例とは異なる数のミラーを有する場合がある。例えば、ホワイトセル（J. White, "Long Optical Paths of Large Aperture", Journal of the Optical Society of America 32 #5, p285, 1942）３２巻５号、ｐ２８５、１９４２年）又は他のリングキャビティを使用することができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上のミラーは、複数のリングのキャビティ間で共有することができる。いくつかのケースでは、これは個別のキャビティと比較してパルスマルチプライヤをさらにコンパクトにするだけでなく、位置合わせを単純化することができる。

本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定され、本発明は、多数の代替、修正および等価物を包含する。本発明の完全に理解するために、多数の特定の詳細が上記の説明に記載されている。これらの詳細は例示の目的のために提供され、これらの特定の詳細の一部又は全てがなくても本発明は特許請求の範囲に従って実施されることができる。明確さのために、本発明に関連する技術分野で知られている技術的な材料は、本発明が不必要に不明瞭でないように詳細に記載されていない。

Claims (3)

1. 半導体の検査または計測に用いるパルスマルチプライヤであって、前記パルスマルチプライヤは、
   レーザーパルスを受け取るビームスプリッターと、
   前記ビームスプリッターを含むリングキャビティを形成する１つ以上のミラー及びプリズムと、
   を備え、
   前記ビームスプリッターは、前記レーザーパルスのエネルギーの第１の割合を前記パルスマルチプライヤの出力として向け、前記レーザーパルスのエネルギーの第２の割合を前記リングキャビティに向け、前記リングキャビティは、波長板を含んでおらず、連続する出力パルスは同一の偏光状態を有し、
   前記プリズムは、レーザーパルスがブリュースター角で入射しないように回転可能に構成され、前記リングキャビティの損失を増大させて出力パルスのエネルギーを一致させ、
   前記リングキャビティの光路長を前記レーザーパルスのパルス幅の約半分に等しい量だけ、前記レーザーパルス間の時間間隔の約１／２より長くして出力パルスのエンベロープが最大強度に急激に増加した後に緩慢に減衰するか、または前記レーザーパルスのパルス幅の約半分に等しい量だけ、前記レーザーパルス間の時間間隔の約１／２より短くして出力パルスのエンベロープが最大強度まで緩慢に増加した後に急激に減衰するように、実質的に規則的に繰り返すレーザーパルスのストリームの反復率を倍増する、
   パルスマルチプライヤ。
2. 前記１つ以上のミラーは、実質的に同じ曲率半径を有する少なくとも２つの曲面ミラーを備え、前記リングキャビティはヘリオットセル又はホワイトセルを備える、
   請求項１に記載のパルスマルチプライヤ。
3. 請求項１、２のいずれかに記載のパルスマルチプライヤを含むシステムであって、
   前記システムは、パターン化されていないウェーハ検査システム、パターン化されたウェーハ検査システム、マスク検査システム、及び計測システムの１つを実行し、
   前記システムは、データの２つの画像又はチャンネルを同時に検出するように構成された検出器を更に備える、
   システム。