JP4009969B2 - 紫外光源、光治療装置、露光装置および被検物検査装置 - Google Patents

紫外光源、光治療装置、露光装置および被検物検査装置 Download PDF

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Description

本発明は、赤外〜可視領域の信号光をファイバー光増幅器で増幅し、波長変換光学系で紫外光に変換して出力する紫外光源に関する。本発明はまた、紫外光源を用いた光治療装置および露光装置に関する。
波長が短く時間的コヒーレンスが高い紫外レーザ光は、近年において種々の用途に用いられており、例えば半導体デバイス製造装置における露光装置や、外科，眼科，歯科等の手術および治療装置、各種計測・分析装置、加工装置などに用いられている。これらの装置に用いられる紫外光源としては、発振波長λ＝248nmのＫｒＦエキシマレーザや、発振波長λ＝193nmのＡｒＦエキシマレーザなどがあり、既にこれらのエキシマレーザを光源とした各種装置が実用化されている。ところが、このような紫外光源では、レーザ装置自体が大型且つ高価なうえ、フッ素ガスを作動媒体として用いるためメンテナンスが煩雑でランニングコストも高額であるという問題があった。
このため、赤外〜可視光領域で発振する固体レーザを信号光源として用い、その出力光をファイバー光増幅器で増幅し、波長変換光学系を用いて所定波長の紫外光に波長変換して出力する全固体型の紫外光源の検討が鋭意進められている。このような全固体型の紫外光源として、例えば、波長λ＝1.55μm帯で安定発振するＤＦＢ半導体レーザを信号光源として用い、その出力光をエルビウム・ドープ・ファイバー光増幅器（以下、「ＥＤＦＡ」と略記する）で所要の光強度に増幅し、さらに波長変換結晶を用いた波長変換光学系で８倍高調波の波長λ＝193nmの紫外光に変換して出力する紫外光源が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
そして、このような全固体型紫外光源に用いられるＥＤＦＡとして、シングルクラッド・シングルモードのエルビウム・ドープ・光ファイバー（ＥＤＦ）をシングルモード発振の半導体レーザで励起するシングルクラッドＥＤＦＡ、およびダブルクラッドのＥＤＦをマルチモード発振の半導体レーザで励起するダブルクラッドＥＤＦＡが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
特開２０００−２００７４７号公報 特開２００１−３５３１７６号公報
しかしながら、上記のような従来のＥＤＦＡでは以下のような問題があった。まず、シングルクラッドＥＤＦＡでは、これを励起するシングルモード発振の半導体レーザの光出力が数百mＷ程度の低出力に限られているため、10kＷ以上の高ピークパワー（パルス幅〜１ns）を発生させるためには、数kＨｚ程度の低い繰り返し周波数、かつ低デューティの信号光で増幅動作させざるを得なかった。このため、ＥＤＦＡから出力される光は、高ピークパワーが得られても平均出力としては高々100mＷ程度の低出力しか得られないという問題があった。このことは、ファイバー光増幅器として本来的に備えている増幅能力を充分に発揮できていないことを意味するものであった。
また、上記のようなファイバー光増幅器では、所定のピークパワーを得るために、複数のＥＤＦＡを直列に接続した多段構成とするのが一般的である。ところが、信号光のパルスとパルスとの間の無信号部分では、ＥＤＦＡにおけるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission：自然放出光の光増幅）によりパルス間にＡＳＥノイズ（ＤＣ成分）が発生して増幅され、出力光のＳＮ比を著しく低下させる。このため、多段構成のＥＤＦＡでは、後段のＥＤＦＡにＳＮ比の高い信号光を供給するため、各段の間に電気光学変調素子または音響光学変調素子を配置し、これらの変調素子を信号光源と同期制御することでＤＣノイズ成分を除去する構成が取られていた。このため、ＥＤＦＡの構成が複雑且つ高価になるうえ、変調素子の挿入によって信号光の損失が生じるという問題があった。
一方、ダブルクラッドＥＤＦＡでは、レーザ媒質がドープされたコアの周囲に励起光がカップリングされる第１クラッドが形成され、その外周に第１クラッドの導波路を形成する第２クラッドが設けられる。第１クラッドはマルチモードで断面積も大きいためマルチモード発振の高出力半導体レーザを効率よくカップリングすることができ、励起光パワーを高めることでパルス繰り返し周波数および平均出力を高めることができる。しかし、ダブルクラッドＥＤＦＡの場合には、コアに励起光を直接投入するシングルクラッドＥＤＦＡに比べて単位長さあたりの励起効率が低く、ファイバーの短尺化が困難である。そのために、ファイバー中で発生するパラメトリック過程や誘導ラマン散乱などの非線形効果によって信号光の損失が増大し、シングルクラッドＥＤＦＡのような高いピークパワーが得られないという問題があった。
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、簡明な装置構成で、高ピークパワーと高い平均出力とを両立させた紫外光源を提供することを目的とし、併せて、このような紫外光源を用いて構成される露光装置や、光治療装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決して目的を達成するため、本発明に係る紫外光源は、赤外から可視領域の光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を増幅する光増幅部と、前記光増幅部で増幅された光を紫外光に波長変換して出力する波長変換光学系とを有して構成される。そして、前記光増幅部は、複数のファイバー増幅器を直列に配置し、前記レーザ光源から発生された光を最も前段側に位置する前記ファイバー増幅器に入力させ、前段側の前記ファイバー増幅器から直列に並んだ順に最終段の前記ファイバー増幅器まで順次用いて前記光を順番に増幅するように構成され、前記前段から前記最終段に至る前記複数のファイバー増幅器のうち、少なくとも前記最終段のファイバー増幅器の励起光源がシングルモードファイバーレーザであり、前記最終段のファイバー増幅器において、前記前段から前記最終段の前の段に至る前記ファイバー増幅器により増幅された前記レーザ光源からの光と前記シングルモードファイバーレーザからの励起光とを前記最終段のファイバー増幅器の入力側のみに配置された波長分割多重化装置（ＷＤＭ）により同軸に重ね合わせて前記最終段のファイバー増幅器に入力させて前記最終段のファイバー増幅器における光の増幅を行わせるように構成される。
この場合、前記シングルモードファイバーレーザがラマン・ファイバーレーザであることが好ましい。
前記シングルモードファイバーレーザがイットリビウム・ドープ・ファイバーレーザであっても良い。
この紫外光源において、前記波長分割多重化装置がファイバー融着型の波長分割多重化装置であるのが好ましい。
前記終段のファイバー増幅器がモード径１０μｍ程度以上の大モード径で、高濃度のエルビウムをドープしたシングルクラッドファイバー増幅器であることが好ましい。
前記レーザ光源がＤＦＢ半導体レーザであっても良い。
前記波長分割多重化装置を通過する前記光のピークパワーが１ＫＷ程度以上であることが好ましい。
本発明に係る光治療装置は、上述の紫外光源と、前記紫外光源から出射される紫外光を治療部位に導いて照射させる照射光学系とを備えて構成される。
本発明に係る露光装置は、上述の紫外光源と、所定の露光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、露光対象物を保持する対象物保持部と、前記紫外光源から出射される紫外光を前記フォトマスクに照射する照明光学系と、前記フォトマスクからの光を前記露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。
本発明に係る被検物検査装置は、上述の紫外光源と、被検物を保持する支持部と、前記被検物の投影像を検出する検出器と、前記紫外光源から出射される光を前記被検物に照射する照明光学系と、前記被検物からの光を前記検出器に投影する投影光学系とを備えて構成される。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
紫外光源
まず、本発明に係る紫外光源の構成例を図１〜図４の各図に領域ごとに示しており、これらの各図を参照しながら説明する。紫外光源１は、赤外から可視領域の信号光を発生させるレーザ光源１０と、前段および後段のファイバー光増幅器２１，２２を有しレーザ光源１０で発生された信号光を増幅する光増幅器２０と、光増幅器で増幅された信号光を紫外光に波長変換して出力する波長変換光学系３０とを備えており、光増幅器２０における後段のファイバー光増幅器２２の励起光源２６としてシングルモードファイバーレーザを用いて構成している。
レーザ光源１０は、固体レーザ１１とこの固体レーザの作動を制御する制御装置１２とからなり、光増幅器２０にパルス状の信号光を出力する信号光源である。固体レーザ１１としては、例えば、発振波長λ＝1.55μm帯の赤外領域で発振するＩnＧaＡsＰ,ＤＦＢ（Distributed Feedback：分布帰還型）半導体レーザを用いることができる。上記ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は0.1nm／℃程度の温度依存性をもち、従ってこれを一定温度に温度制御して発振させることで、例えば発振波長λ＝1547nmで狭帯域化した単一波長の赤外光を出力させることができる。制御装置１２は、ＤＦＢ半導体レーザ１１の作動を制御するドライバーであり、パルス幅約１ns、繰り返し周波数ｆ＝数十〜数百kＨzの駆動信号をＤＦＢ半導体レーザ１１に供給してパルス発振作動させ、ピークパワー10mＷ程度のパルス状の信号光を光増幅器２０に出力させる。
なお、ＤＦＢ半導体レーザ１１をＣＷ出力で安定発振させておき、その出力光を電気光学変調素子や音響光学変調素子等の外部変調器でパルス状に切り出して信号光としてもよい。このような構成によれば、周波数チャープが少なく、さらに狭帯域化させた信号光を光増幅器２０に出力させることができる。
光増幅器２０は、レーザ光源１０から出力された波長λ＝1547nmの信号光を増幅する増幅器であり、前段，後段のファイバー光増幅器２１，２２、偏光制御装置２４、複合モジュール２５、後段のファイバー光増幅器２２を励起する励起光源２６などから構成され、前後のファイバー光増幅器２１，２２を直列に接続して光増幅器を構成した例を開示している。
光増幅器２０の入力部に設けられた偏光制御装置２４は、ファイバー型の偏光制御器であり、後段のファイバー光増幅器２２で発生し得る４光波混合や、誘導ラマン散乱などの非線形過程を抑制するために信号光の偏光を制御するものである。
前段のファイバー光増幅器２１は、レーザ光源１０から出力されたピークパワー10mＷ程度の信号光を１kＷ程度にまで増幅するプリアンプである。このプリアンプ部では出力光のピークパワーが１kＷ程度であるため、ファイバー光増幅器２１として、シングルクラッドのＥＤＦ（エルビウム・ドープ・ファイバー）を用い、シングルモード半導体レーザの出力光をカップリングして励起することができる。なお、図１ではファイバー光増幅器２１を構成するＥＤＦの励起光源および励起光をファイバーコアに結合する波長分割多重化装置（Wavelength Division Multiplexer：ＷＤＭ）等の記載を図示省略している。
なお、ピークパワー10mＷから１kＷ（利得５０ｄＢ）までの光増幅を安定的に行わせるために、前段のファイバー光増幅器２１を２段程度のＥＤＦＡで構成することも好ましく、その際には、第１段のＥＤＦＡと第２段のＥＤＦＡとの間に第１段で発生したＡＳＥを除去する狭帯域フィルタや、第１，第２段での発振を抑制するためのアイソレータを挿入する。
一方、ピークパワーが１kＷを超える領域になると、４光波混合や誘導ラマン散乱などの非線形効果による信号利得の低下が無視できなくなってくる。従って、ファイバー光増幅器２１を単段で構成する場合のファイバーや、２段構成とする場合の第２段のファイバーには、モード径10μm程度の大モード径で、高濃度のエルビウムをドープした（Ｅｒ濃度＞1000ppm）シングルクラッドのＥＤＦを用いることが望ましい。
前段のファイバー光増幅器２１から射出された信号光は、複合モジュール２５に入射される。複合モジュール２５は、その内部構成を図３に示すように、コリメータレンズ２５１、狭帯域フィルタ２５２、アイソレータ２５３、波長分割多重化装置（Wavelength Division Multiplexer：ＷＤＭ）２５４、コリメータレンズ２５５、集光レンズ２５６等からなり、一体のユニットにまとめられて構成される。
ここで、狭帯域フィルタ２５２は、ＤＦＢ半導体レーザ１１の出力波長を中心として所定透過帯域幅の信号光のみを透過させるフィルタであり、例えば透過帯域幅１nm程度の狭帯域フィルタを用いることで、前段のファイバー光増幅器２１で発生するＡＳＥ等のノイズ成分を除去し、後段のファイバー光増幅器２２に投入する信号光のＳＮ比を向上させている。また、アイソレータ２５３は、前段のファイバー光増幅器２１と後段のファイバー光増幅器２２とを分離するために設けており、後段のファイバー光増幅器２２からの戻り光による発振およびＡＳＥの多重反射による利得の低下を抑制している。
波長分割多重化装置（以下、「ＷＤＭ」と略記する）２５４は、前段のファイバー光増幅器２１から射出されコリメータレンズ２５１でコリメートされた信号光と、励起光源２６からファイバー２６８を通して導かれコリメータレンズ２５５でコリメートされた励起光（ポンプ光）とを合波する装置であり、図３では、ファイバー光増幅器２１から射出された波長λ＝1547nmの信号光を透過し、励起光源（ラマン・ファイバーレーザ）２６から導かれた波長λ＝1480nmの励起光を反射して、信号光と励起光とを同軸に重ね合わせる反射型のＷＤＭを例示している。
このように、各光学素子を１つのユニットにまとめてファイバー型の複合モジュール２５を形成することにより、カップリングロスや融着ロスを低減させて効率を高めることができるとともに、ファイバーを短尺化して非線形効果を回避することができる。
励起光源２６はシングルモードのファイバーレーザであり、図１ではラマン・ファイバーレーザを用いた例を示している。ラマン・ファイバーレーザ２６は、後段のファイバ光増幅器２２の励起光源であり、波長λ＝1480nm、シングルモードＣＷ出力10Ｗの励起光を、ファイバー２６８を通してＷＤＭ２５４に供給する。ここで、ラマン・ファイバーレーザについて簡潔に説明すれば、このファイバーレーザは、イットリビウム・ドープ・ファイバーレーザの出力端にＦＢＧを用いたカスケード・ラマン共振器を接続して構成されたレーザであり、出力波長λ＝1480nm、シングルモードでＣＷ出力20Ｗ程度までのレーザ光を出力可能である。
なお、ラマン・ファイバーレーザ２６から出力される励起光がＣＷ出力で５Ｗを超えるような領域で動作させる場合には、前述した複合モジュール２５に内蔵される反射型のＷＤＭに代えて、図４のように、アイソレータとバンドパスフィルターからなる複合モジュール２８の他に、ファイバー融着型のＷＤＭ２９を別途設ける構成とすることが好ましい。このような構成によれば、平均出力５Ｗを超えるような高出力の励起光源を用いる場合でも耐久性に優れた光増幅器とすることができる。
反射型のＷＤＭ２５４を用いる場合は、図１に示すように前方励起（信号光と励起光の進行方向が同じ）に限らず、後方励起（信号光と励起光の進行方向が反対）によってカップリングを行うことができるが、図４に示すようなファイバー融着型のＷＤＭ２９を用いる場合は、前方励起（信号光と励起光の進行方向が同じ）を行うことが好ましい。
ファイバー融着型ＷＤＭ２９を用いて後方励起した場合は、増幅後の高ピークパワーの信号光がＷＤＭ２９を通過することになるので、非線形過程を誘発し、結果的に高ピークパワーが出力できない。
それに対して、前方励起を行なう場合は、増幅前の低ピークパワーの信号光がＷＤＭを通過することになるので、非線形過程を誘発することがなく、高ピークパワーを出力できる。
また、高出力の信号光が通過するＥＤＦの出口付近では、励起光の出力はＥＤＦを伝播する過程で低下するものの、ラマン・ファイバーレーザは、高出力であるので、信号光に対しては相対的に十分な高出力が保たれており、出口付近での信号光の増幅を妨げることもない。
こうしてＷＤＭ２５４で同軸に重ね合わされた前段のファイバー光増幅器２１からの信号光と、ラマン・ファイバーレーザ２６からの励起光とは、集光レンズ２５６によって集光され、後段のファイバー光増幅器２２に投入される。
後段のファイバー光増幅器２２は、前段のファイバー光増幅器２１で増幅されたピークパワー１kＷの信号光をピークパワー20kＷ程度にまで増幅する最終段のアンプである。このファイバー光増幅器２２はシングルクラッドのＥＤＦを用い、ラマン・ファイバーレーザ２６から導いたシングルモード高出力の励起光で励起する。
後段のファイバー光増幅器２２では、信号光のピークパワーが既に１kＷ程度あり、さらに、出力されるピークパワーが20kＷ程度と極めて高くなる。そこでＥＤＦは、ファイバー中での非線形過程を避けるため、モード径10μm程度以上の大モード径で、高濃度のエルビウム（Ｅｒ＞1000ppm）をドープしたシングルクラッドＥＤＦを使用する。
図５は、ラマン・ファイバーレーザからの励起光の出力と光増幅器から出力された信号光の出力（1547nmの基本波出力）との関係を示す図である。ラマン・ファイバーレーザからの励起光の出力を変化させることにより、光増幅器から出力される信号光を制御している。信号光の繰り返し周波数が100kＨzは（…■…）、200kＨzは（━◆━）、ＬＤ励起は（─◆─）で表している。
このような構成により、例えば、ラマン・ファイバーレーザ２６からの励起光出力を10Ｗとしたときに、前段のファイバー光増幅器２１から入力された繰り返し周波数ｆ＝200kＨz、パルス幅１ns、ピークパワー10mＷの信号光が、ピークパワー15kＷ、平均出力３Ｗ以上の高出力の赤外光に増幅されて出力される。
このように、最終段のファイバー光増幅器の励起光源に高出力シングルモードのファイバーレーザを用いることにより、20kＷ以上の高ピークパワーと、2Ｗ以上の高い平均出力とを両立させた光増幅器を得ることができる。また、ＥＤＦとして単位長さあたりの励起効率が高いシングルクラッド・シングルモードのＥＤＦを使用することができ、これにより、ＥＤＦＡのファイバー長を短尺化して装置を小型・軽量に構成しながら、高ピークパワーと高平均出力とを両立させた光増幅器を実現できる。
さらに、信号光のパルス繰り返し周波数を数百kＨzにまで上昇させることが可能になり、単位時間あたりのパルス信号ON時間が増大しパルス信号OFF時間が減少することから、信号光におけるＤＣノイズ成分が相対的に減少し、ＳＮ比が格段に向上する。このため、従来多段ＥＤＦＡの段数間にＤＣノイズ成分をカットするために設けていた電気光学変調素子や音響光学変調素子等の能動的な変調素子、およびこれらの変調素子を信号光パルスに同期させて作動制御していた制御装置などが不要となり、これにより光増幅器の大幅な簡素化、低価格化、高安定化を実現することができる。
なお、上記実施例では、後段のファイバー光増幅器２２のファイバーとして、コアにエルビウム単体をドープしたＥＤＦを用いた例を開示したが、エルビウムに加えてイットリビウム（Ｙｂ）を共添加したＹｂ・コドープ・ＥＤＦを用いることもでき、この場合には、励起光源２６のシングルモード・ファイバーレーザとして、イットリビウム・ドープ・ファイバーレーザを用いてファイバー光増幅器２２を構成する。イットリビウム・ドープ・ファイバーレーザはシングルモードでＣＷ出力が10Ｗ以上得られており、上記ラマン・ファイバーレーザを励起光源として用いたＥＤＦＡと同様に、２Ｗ以上の平均出力を出力可能なファイバー光増幅器を構成することができる。
図１、図４では前段のファイバー光増幅器２１を構成するＥＤＦの励起光源としてＬＤ２３を用いた例を開示したが、前段のファイバー光増幅器２１を構成するＥＤＦの励起光源としてもラマン・ファイバーレーザを用いることができる。その場合、ラマン・ファイバーレーザ２６とは異なるラマン・ファイバーレーザを別途用意して用いる方法と、ラマン・ファイバーレーザ２６に設けられたファイバー２６８を分岐して不図示の複合モジュールに向けて配置する方法がある。
光増幅器２０で増幅された波長λ＝1547nmの信号光は、一旦コリメータレンズ２７でコリメートされ、波長変換光学系３０に出力される。波長変換光学系３０は、光増幅器２０から入力された赤外領域の信号光を紫外光に変換して出力する光学系である。図２には、このような機能を有する波長変換光学系の一例として、光増幅器２０から入力された波長λ＝1547nmの信号光（基本波レーザ光Ｌr）を、基本波の８倍波にあたる波長λ＝193.4nmの紫外レーザ光Ｌvに変換して出力する構成を例示しており、以下この図を参照しながら説明する。
波長変換光学系３０は、波長変換結晶３１〜３５、これらの波長変換結晶の間に配設されて前段の波長変換結晶から射出されるレーザ光を次段の波長変換結晶に集光入射させるレンズ４１〜４７、高次高調波を分離しあるいは合成するためのミラー５１〜５８、偏光方向を調整する波長板４８，４９などから構成される。
図中左側の光増幅器２０から入力された波長λ＝1547nm（周波数ω）の基本波レーザ光Ｌrは、波長選択性のあるダイクロイック・ミラーで分離・合成されつつ波長変換結晶３１，３２，３３，３４，３５を図中左から右に向かって透過する。この過程で基本波(λ＝1547nm)は、２倍波(λ＝773.5nm)→３倍波(λ＝515.6nm)→６倍波(λ＝257.8nm）→７倍波(λ＝221nm)→８倍波(λ＝193.4nm)の順に波長変換され、最終的に図面右端側から基本波の８倍波（第８高調波）にあたる波長λ＝194.3nmの紫外レーザ光Ｌvに変換されて出力される。
基本波を２倍波に変換する第１段の波長変換部では、波長変換結晶３１としてＬＢＯ結晶(LiB3O5結晶)を用い、位相整合にＬＢＯ結晶の温度調節による方法、Non-Critical Phase Matching：ＮＣＰＭを使用する。ＬＢＯ結晶３１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＝773.5nm)をもつ２倍波を発生させる。
ＬＢＯ結晶３１で波長変換され発生した２倍波と、この結晶３１を波長変換されずに透過した基本波(ω)とは、波長板４８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)４２を通して第２段の波長変換結晶３２の同一点に集光入射させる。
２段目の波長変換部では、波長変換結晶３２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３１と異なる温度のＮＣＰＭで使用する。このＬＢＯ結晶３２では１段目の波長変換部で発生させた２倍波(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３倍波(３ω,λ＝515.6nm）を発生させる。
ＬＢＯ結晶３２で波長変換された３倍波とこの結晶３２を波長変換されずに透過した基本波とは、ダイクロイック・ミラー５１により分離する。３倍波(３ω)はダイクロイック・ミラー５１を透過させ、集光レンズ４３で３段目の波長変換結晶３３に集光入射させる。基本波(ω)はダイクロイック・ミラー５１で反射させ、ミラー５２，集光レンズ４４およびダイクロイック・ミラー５４を介して４段目の波長変換結晶３４に入射させる。
３段目の波長変換部は、波長変換結晶３３としてＣＬＢＯ結晶（CsLiB6O10結晶）を用い角度位相整合で使用する。このＣＬＢＯ結晶３３中では３倍波の第２高調波発生を行わせ、３倍波(３ω)の２倍の周波数をもつ６倍波(６ω,λ＝257.8nm)を発生させる。ＣＬＢＯ結晶３３で発生された６倍波は、ミラー５３、集光レンズ４５を介してダイクロイック・ミラー５４で基本波(ω)と同軸に合波され、第４段目の波長変換結晶３４に集光入射される。なお、ＣＬＢＯ結晶に代えてＢＢＯ結晶（β-BaB2O4結晶）を用いてもよい。
４段目の波長変換部では、波長変換結晶３４としてＣＢＯ結晶（CsB3O5結晶）を角度位相整合で使用し、基本波(ω)と６倍波(６ω)とから和周波発生(ω＋６ω＝７ω)により７倍波(７ω,λ＝221nm)を発生させる。ＣＢＯ結晶３４で波長変換された７倍波と、この結晶３４を波長変換されずに透過した基本波(ω)とはダイクロイック・ミラー５５により分離する。７倍波(７ω)はダイクロイック・ミラー５５で反射させ、ミラー５７，集光レンズ４７およびダイクロイック・ミラー５８を介して５段目の波長変換結晶３５に入射させる。基本波(ω)はダイクロイック・ミラー５５を透過させ、波長板４９で偏光面を９０度回転させたのち集光レンズ４６を通し、ダイクロイック・ミラー５８で７倍波と同軸に合波させて５段目の波長変換部の波長変換結晶３５に集光入射させる。なお、ＣＢＯ結晶に代えてＣＬＢＯ結晶またはＢＢＯ結晶を用いることもできる。
５段目の波長変換部は、波長変換結晶３５としてＣＬＢＯ結晶を角度位相整合で使用し、基本波(ω)と７倍波(７ω)とから和周波発生（ω＋７ω＝８ω）により８倍波（８ω,λ＝193.4nm）を発生させる。なお、ＣＬＢＯ結晶に代えてＬＢＯ結晶を用いてもよい。
このようにして、光増幅器２０から波長変換光学系３０に入射された波長λ＝1547nmの基本波レーザ光（増幅された信号光）Ｌrは、５段の波長変換部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８倍波にあたる波長λ＝193nmの紫外レーザ光Ｌvが出力される。このような波長変換光学系３０では、入力される信号光の特性をそのまま生かして波長変換可能なため、高ピークパワーかつ高平均出力の紫外光を出力させることができる。
図６は、1547nmの基本波出力と、193nmの８倍波出力との関係を示す図である。1547nmの基本波から193nmの８倍波への変換効率は約4.5％であり、変換効率が高い。これは、基本波のビーム品質が高いことを示している。
従って、以上説明したような紫外光源１によれば、煩雑なメンテナンスを要することなく、簡明、コンパクトな構成で、高ピークパワーかつ高い平均出力の紫外光を出力可能な全固体紫外光源を得ることができる。
なお、上述した実施例では、信号光を発生するレーザ光源１０の一例として発振波長λ＝1547nmの赤外領域で動作するＤＦＢ半導体レーザを用い、また波長変換光学系３０では５段の波長変換結晶を用いてＡｒＦエキシマレーザと同等の波長λ＝193.4nmの８倍波に変換する構成を例示したが、レーザ光源１０はＥｒ−ＹＡＧレーザや可視光領域のレーザ等であってもよく、波長変換光学系の構成は他の公知の結晶配列（例えば、基本波ω→２ω→４ω→８ωなど）やファイバー形態のものであってもよい。また紫外光源から射出させる紫外光の波長は193nm帯に限るものではなく、例えば、ＫｒＦエキシマレーザと同等の248nm帯や、Ｆ2レーザと同等の157nm帯などであってもよい。
光治療装置
次に、以上説明した本発明に係る紫外光源１を用いて構成される光治療装置について、図７および図８を参照して以下に説明する。この光治療装置５は、紫外レーザ光を角膜に照射して角膜表面のアブレーション(ＰＲＫ: Photorefractive Keratectomy)あるいは切開した角膜内部のアブレーション（ＬＡＳＩＫ: Laser Intrastromal Keratomileusis）を行い、角膜の曲率もしくは凹凸を矯正して近眼、乱視などの治療を行う装置である。
光治療装置５は、図７に示すように基本的には、装置筐体６０内に、上述した紫外光源１と、この紫外光源１から出力された紫外レーザ光Ｌvを眼球ＥＹの角膜ＨＣの表面（治療部位）に導いて照射させる照射光学系７０と、治療部位の観察を行う観察光学系８０とを備えて構成される。
装置筐体６０はＸ−Ｙ移動テーブル６２を介してベース部６１上に配設されており、眼球ＥＹに対して装置筐体６０全体が、図７における矢印Ｘ方向すなわち図面左右方向と、紙面に垂直なＹ方向とに移動可能に構成されている。
照射光学系７０および観察光学系８０の構成を図８に示している。照射光学系７０は、紫外光源１から射出された波長193nmの紫外レーザ光Ｌvを、眼球ＥＹ上において所定のスポット径を形成するように集光させる集光レンズ７１と、集光レンズ７１からの紫外レーザ光を反射させて治療対象となる眼球ＥＹの角膜ＨＣの表面に照射させるダイクロイック・ミラー７２とを有して構成される。ダイクロイック・ミラー７２は、紫外領域の光を反射させ可視領域の光を透過させるように設定され、次述する観察光学系８０の光軸と同軸上に紫外レーザ光Ｌvを反射させて角膜ＨＣ表面に照射可能になっている。
一方、観察光学系８０は、治療対象となる眼球ＥＹの角膜ＨＣの表面を照明する照明ランプ８５と、照明ランプ８５により照明され角膜ＨＣで反射されてダイクロイック・ミラー７２を透過した可視領域の光を受ける対物レンズ８１と、対物レンズ８１からの光を反射させるプリズム８２と、プリズムからの反射光を受けて結像させる接眼レンズ８３とから構成され、接眼レンズ８３を通して角膜ＨＣの拡大像を観察できるようになっている。
これにより、眼科医等の術者が観察光学系８０を介して目視観察しながら光治療を行うことができる。例えば、眼球ＥＹを目視観察しながら装置筐体６０をＸ方向およびＹ方向に移動させ、治療対象となる角膜ＨＣの表面に紫外レーザ光をスポット光として照射させ、照射領域の蒸散を行わせる。また、図示省略する作動制御装置によりＸ−Ｙ移動テーブル６２の作動を制御し、装置筐体６０をＸ方向およびＹ方向に移動させて角膜ＨＣの表面上に照射されるスポット光を走査移動させ、角膜表面のアブレーションを行って近視、乱視、遠視等の矯正治療を行うことができる。
なお、光治療におけるアブレーションの大きさは、角膜ＨＣに照射される紫外レーザ光Ｌvの出力によって大きく変化するが、紫外レーザ光源１の出力制御は、例えば、レーザ光源１０におけるパルス周波数制御、光増幅器２０における励起光の出力制御等により容易に行うことができる。また、紫外レーザ光のON-OFF制御は、レーザ光源１０におけるＤＦＢ半導体レーザをON-OFF制御することにより行えるほか、光路上のいずれかに電気光学変調素子や音響光学変調素子等の変調素子を配設し、あるいはメカニカルシャッタを配設するなどにより容易に行うことができる。
従って、上記のような光治療装置によれば、小型軽量で、メンテナンス性、操作性の良好な治療装置を得ることができる。
露光装置
次に、上述した紫外光源１を用いて構成され、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置１００について、図９を参照して説明する。光リソグラフィ工程で使用される露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、フォトマスク（レチクル）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やガラス基板などの上に光学的に投影して転写する。この露光装置１００は、上述した紫外光源１と、照明光学系１０２と、フォトマスク（レチクル）１１０を支持するマスク支持台１０３と、投影光学系１０４と、露光対象物たる半導体ウエハ１１５を載置保持する載置台１０５と、載置台１０５を水平移動させる駆動装置１０６とを備えて構成される。
この露光装置１００においては、上述した紫外光源１から出力される紫外レーザ光Ｌvが、複数のレンズから構成される照明光学系１０２に入力され、ここを通ってマスク支持台１０３に支持されたフォトマスク１１０の全面に照射される。このように照射されてフォトマスク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１０４を介して載置台１０５に載置された半導体ウエハ１１５の所定位置に照射される。このとき、投影光学系１０４によりフォトマスク１１０のデバイスパターンの像が半導体ウエハ１１５の上に縮小されて結像露光される。
なお、露光装置における照射光量の制御は、例えば、レーザ光源１０におけるパルス周波数制御、光増幅器２０における励起光の出力制御等により容易に行うことができる。また、紫外レーザ光のON-OFF制御は、レーザ光源１０におけるＤＦＢ半導体レーザをON-OFF制御することにより行えるほか、光路上のいずれかに電気光学変調素子や音響光学変調素子等の変調素子を配設し、あるいはメカニカルシャッタを配設するなどにより容易に行うことができる。
従って、上記のような露光装置によれば、小型軽量で配置の自由度が高い紫外光源の特性を生かして小型でメンテナンス性、操作性の良好な露光装置を得ることができる。
以上説明したように、本発明に係る紫外光源では、ファイバー光増幅器の励起光源としてシングルモードのファイバーレーザを用いているため、簡明な装置構成で、高ピークパワーと高い平均出力とを両立させた紫外光源を提供することができる。
マスク欠陥検査装置
次に、以上説明した本発明に係る紫外光源１を用いて構成されるマスク欠陥検査装置について、図１０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、上述した紫外光源１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１２５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、上述した紫外光源１から出力される紫外レーザ光Ｌｖ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ォトマスク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１２５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、ＴＤＩ１２５の転送クロックとは同期している。
本発明に係る紫外光源におけるレーザ光源および光増幅器の構成を示す概略図である。 本発明に係る紫外光源における波長変換光学系の構成を示す概略図である。 上記光増幅器における複合モジュールの構成を示す概略図である。 本発明に係る別の紫外光源におけるレーザ光源および光増幅器の構成を示す概略図である。 ラマン・ファイバーレーザからの励起光の出力と光増幅器から出力された信号光の出力との関係を示す図である。 1547nmの基本波出力と193nmの８倍波出力との関係を示す図である。 本発明に係る光治療装置の構成を示す概略図である。 上記光治療装置を構成する照射光学系および観察光学系の構成を示す概略図である。 本発明に係る露光装置の構成を示す概略図である。 本発明に係るマスク欠陥検査装置の構成を示す概略図である。
符号の説明
５ 光治療装置
１０ レーザ光源
２０ 光増幅器
３０ 波長変換光学系
１００ 露光装置
１２０ マスク欠陥検査装置

Claims (10)

  1. 赤外から可視領域の光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を増幅する光増幅部と、前記光増幅部で増幅された光を紫外光に波長変換して出力する波長変換光学系とを有して構成され、
    前記光増幅部は、複数のファイバー増幅器を直列に配置し、前記レーザ光源から発生された光を最も前段側に位置する前記ファイバー増幅器に入力させ、前段側の前記ファイバー増幅器から直列に並んだ順に最終段の前記ファイバー増幅器まで順次用いて前記光を増幅するように構成され、
    前記前段から前記最終段に至る前記複数のファイバー増幅器のうち、少なくとも前記最終段のファイバー増幅器の励起光源がシングルモードファイバーレーザであり、
    前記最終段のファイバー増幅器において、前記前段から前記最終段の前の段に至る前記ファイバー増幅器により増幅された前記レーザ光源からの光と前記シングルモードファイバーレーザからの励起光とを前記最終段のファイバー増幅器の入力側のみに配置された波長分割多重化装置（ＷＤＭ）により同軸に重ね合わせて前記最終段のファイバー増幅器に入力させて前記最終段のファイバー増幅器における光の増幅を行わせるように構成された紫外光源。
  2. 前記シングルモードファイバーレーザがラマン・ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１に記載の紫外光源。
  3. 前記シングルモードファイバーレーザがイットリビウム・ドープ・ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１に記載の紫外光源。
  4. 前記波長分割多重化装置がファイバー融着型の波長分割多重化装置であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の紫外光源。
  5. 前記終段のファイバー増幅器がモード径１０μｍ程度以上の大モード径で、高濃度のエルビウムをドープしたシングルクラッドファイバー増幅器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の紫外光源。
  6. 前記レーザ光源がＤＦＢ半導体レーザであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の紫外光源。
  7. 前記波長分割多重化装置を通過する前記光のピークパワーが１ＫＷ程度以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の紫外光源。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の紫外光源と、
    前記紫外光源から出射される紫外光を治療部位に導いて照射させる照射光学系とを備えたことを特徴とする光治療装置。
  9. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の紫外光源と、
    所定の露光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、
    露光対象物を保持する対象物保持部と、
    前記紫外光源から出射される紫外光を前記フォトマスクに照射する照明光学系と、
    前記フォトマスクからの光を前記露光対象物に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
  10. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の紫外光源と、
    被検物を保持する支持部と、
    前記被検物の投影像を検出する検出器と、
    前記紫外光源から出射される光を前記被検物に照射する照明光学系と、
    前記被検物からの光を前記検出器に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする被検物検査装置。
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