JP4375846B2 - レーザ装置 - Google Patents
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Description
【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、ＫｒＦ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 continuous wave 3.5W green laser",L. Y. Liu, M. Oka, W. Wiechmann and S. Kubota; Optics Letters, vol.19,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１０６４ｎｍ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-state 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、そのような光源を露光装置に用いた場合には、ウエハ上の各ショット領域に順次露光を行う際に露光光としての紫外光の照射（オン）と照射停止（オフ）とを繰り返す必要があるが、例えば露光光の照射を開始した直後等にも、露光光の出力（連続光では照度、パルス光の場合にはパルスエネルギー）の変動が少ないことが望ましい。
【００１３】
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。
更に本発明は、レーザ光の外部への照射（オン）を開始した直後にも目標とする出力が得られるレーザ装置を提供することを第２の目的とする。
【００１４】
更に本発明は、発振周波数を高くして、かつ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３の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザ装置は、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で単一波長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るレーザ光の変調を行う光変調部（１２）と、この光変調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（２２，２５）を有する光増幅部（１８−１〜１８−ｎ）と、この光増幅部によって増幅されたレーザ光を非線形光学結晶（５０２〜５０４）を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備え、その光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前記レーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中にも前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給するものである。
【００１６】
斯かる本発明の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変調部において光ファイバー増幅器で十分な増幅利得が得られるような高い周波数でパルス変調し、このパルス変調後のレーザ光を光ファイバー増幅器で増幅した後、非線形光学結晶で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。
【００１７】
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（ＹＤＦＡ）、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。しかしながら、最終的に得られる紫外光を照射停止（オフ）から照射（オン）に切り換えるために、単にその光変調部から出力されるパルス列をオフからオンに切り換えると、光ファイバー増幅器中に貯えられていた光エネルギーが瞬時に出力されるため、光ファイバー増幅器からオンの直後に出力されるパルス光が、定常状態で増幅されるパルス列に比べて大きくなる現象である「光サージ」が生じる。これに伴い波長変換した紫外光の出力も目標値に対して変動する。
【００１８】
そのような光サージの影響を低減するために、本発明ではオフの期間中にも前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給する。これによって、紫外光の出力が安定する。
そのように紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給するために、本発明では、オンの期間（紫外光を出力する期間）では、所望の強度のパルス列を所望のタイミングで光増幅部に出力し、オフの期間（紫外光を出力しない期間）では、小さいピークレベルでほぼ一定強度の連続光、又は小さいピークレベルで１周期に対するハイレベル“１”の割合（デューティ比）が１００％に近いパルス列を光増幅部に出力する。更に、その光増幅部に供給される光をオンの期間のピークレベルに対してオフの期間のピークレベルを１／１０以下として、オンの期間にその光増幅部から出力される光の平均レベルと、オフの期間に前記光増幅部から出力される光の平均レベルとを実質的に等しくすることが望ましい。
【００１９】
この場合、波長変換部での変換効率は、二次高調波の場合には入力光のピーク強度の二乗、和周波発生の場合には２つの入力光のピーク強度の積に比例する。露光装置用の紫外光発生のためには、通常は８倍波や１０倍波発生の波長変換を行うため、最終段の波長変換後の紫外光の出力強度は入射する光（基本波）の強度のほぼ８乗から１０乗に比例することになり、オフ状態での光増幅部の出力が、紫外光に変換される効率はほぼ零であり、紫外光の出力はほぼ零となる。従って、本方法によれば、光サージの影響が軽減されると共に、紫外光の出力強度はオンの期間で目標値となり、オフの期間ではほぼ零となる状態が実現される。
【００２０】
なお、光変調部からのオフ状態での出力強度は、出力光量制御機構を用いて更に詳細に制御することも可能である。
次に本発明の実施の形態に記載された別の方法（以下、「第２の方法」という。）として、そのレーザ光発生部（基準光源）（１１）の他にそのレーザ光発生部から発生するレーザ光（波長λ1 とする）とは波長の異なる補助光（波長λ2 とする）を発生する補助光源（５１）を備え、オフの期間中にはその光増幅部にその補助光を供給する。この場合、その補助光の波長λ2 は、その波長変換部で波長変換できる許容波長範囲外の波長であり、且つ光ファイバー増幅器の利得幅内の波長であることが望ましい。これによって、最終的に出力される紫外光に影響を与えることなく、その光ファイバー増幅器の光サージを抑制できる。
【００２１】
また、その補助光をそのレーザ光に合成するための波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）部材（５２）の設置位置は、変調装置（１２）の入力部であっても出力部であってもよい。ＷＤＭ部材を変調装置の入力部に設置する場合には、その基準光源としてのレーザ光発生部は、最終的に出力される紫外光と同位相で、即ち紫外光がオンの間はオンになり、オフの間はオフになるようにスイッチングを行う。また、補助光源は、紫外光と逆位相で、即ちその紫外光がオンの間はオフになり、紫外光がオフの間はオンになるタイミングでスイッチングを行う。そして、変調装置では、紫外光のオン／オフによらずに常時パルス出力を行うことも可能であり、あるいは紫外光のオン期間ではパルス出力を行い、紫外光のオフ期間では低いピークレベルの一定レベルの出力、又は高いデューティ比のパルス出力を行うことも可能である。これらの中で、紫外光がオフの状態で、波長λ2 の光のみが光増幅部に出力される制御形態を選べばよい。
【００２２】
また、ＷＤＭ部材（５２）を変調装置（１２）の出力部に設置する場合には、紫外光がオフの状態で、その補助光源からピークレベルの低い光を供給すればよい。
次に、本発明の実施の形態に記載された更に別の方法（以下、「第３の方法」という。）として、そのレーザ光発生部（基準光源）（１１）の他にそのレーザ光発生部から発生するレーザ光とは偏光状態の異なる補助光を発生する補助光源（５４）を備え、オフの期間中にはその光増幅部にその補助光を供給する。この場合、そのレーザ発生部からのレーザ光の偏光状態は、その波長変換部での紫外光への変換効率が最大になる状態（例えば所定方向への直線偏光）として、その補助光の偏光状態はその波長変換部での紫外光への変換効率が最低になる状態（例えば偏光方向が直交する偏光光）とすることが望ましい。これによって、紫外光がオフの状態では、光ファイバー増幅器には補助光が供給されてその後の光サージが抑制されると共に、波長変換部での変換効率はほとんど零であり、紫外光出力はほぼ零になる。
【００２３】
この方法においても、その補助光をそのレーザ光に合成するための偏波合成部材（５５）の設置位置は、上記の第２の方法と同様に変調装置（１２）の入力部であっても出力部であってもよく、その補助光のスイッチングのタイミングも上記の第２の方法と同様でよい。これらの中で、紫外光がオフの状態で、その補助光のみが光増幅部に供給される制御形態を選べばよい。
【００２４】
これらの各レーザ装置においては、そのレーザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段（１４，１６−１〜１６−ｍ）を更に備え、その光増幅部（１８−１〜１８−ｎ）は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られると共に、その波長変換部は、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が望ましい。このように光分岐手段で分岐したレーザ光に順次所定の光路長差を付与することで、最終的に束ねられるレーザ光の空間的コヒーレンスが低減できる。また、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。
【００２５】
更に、そのレーザ光は光変調部によって例えば１００ｋＨｚ程度の高い周波数で容易に変調することができる。従って、エキシマレーザ光（周波数は数ｋＨｚ程度）を使用する場合に比べて、同じ照度を得るためにはパルスエネルギーを１／１０〜１／１００程度にできるため、露光光源として用いた場合に、コンパクション等による光学部材の透過率変動が殆ど無くなり、安定にかつ高精度に露光を行うことができる。また、本発明の実施の形態のように、その１００ｋＨｚ程度のレーザ光の各パルス光が更に１００個程度の遅延パルス光の集合である場合には、エキシマレーザ光と同じ照度を得るための各パルス光のエネルギーを１／１０００〜１／１００００程度にできるため、その光学部材の透過率変動が更に少なくなる。
【００２６】
次に、本発明の波長変換部の構成については、複数の非線形光学結晶の２次高調波発生（ＳＨＧ）及び和周波発生（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。
そして、例えばレーザ光発生部で波長が１．５μｍ、特に１．５４４〜１．５５２μｍに限定されたレーザ光を放射し、波長変換部でその基本波の８倍高調波の発生を行う構成によって、ＡｒＦエキシマレーザと実質的に同一波長の１９３〜１９４ｎｍの紫外光が得られる。また、レーザ光発生部として波長が１．５μｍ付近、特に１．５７〜１．５８μｍに限定されたレーザ光を放射し、波長変換部でその基本波の１０倍高調波の発生を行う構成によって、Ｆ2 レーザと実質的に同一波長の１５７〜１５８ｎｍの紫外光が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態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。
【００２８】
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。
【００２９】
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１３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（ＥＤＦＡ）には９８０ｎｍ又は１４８０ｎｍの励起光が使用できる。しかしながら、非線形効果による波長の広がりを防止するためには、励起光として波長９８０ｎｍのレーザ光を使用して、ファイバー長を短くすることが望ましい。これによって、１４８０ｎｍの光を励起光に使用する場合に比べてＡＳＥ（Amplified Spontanious Emission）による光ファイバー増幅器１３のノイズを小さくできる。これは後段の光ファイバー増幅器についても同様である。
【００３０】
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１５−１，１５−２，…，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（１４）及び第２の光分岐素子（１６−１〜１６−ｍ）が本発明の光分岐手段（光分割手段）に対応する。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。
【００３１】
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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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が、この光増幅部に光ファイバー・バンドル１９の光ファイバーを含める場合もある。
【００３４】
また、光ファイバー・バンドル１９の出力端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。
【００３５】
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ＬＢ５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１９３ｎｍ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。
【００３６】
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（１５７〜１５８ｎｍ）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。
【００３７】
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。
【００３８】
以下、本実施形態についてより詳細に説明する。図１（ａ）において、単一波長で発振する単一波長発振レーザ１１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。
【００３９】
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。本例のように単一波長発振レーザ１１としてＤＦＢ半導体レーザを用いる場合には、ＤＦＢ半導体レーザの温度制御を行うことにより発振波長を制御することができ、この方法により発振波長を更に安定化して一定の波長に制御したり、あるいは出力波長を微調整することができる。
【００４０】
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いる。そこで本例では、単一波長発振レーザ１１（ＤＦＢ半導体レーザなど）に付設されるヒートシンクに温度調整部５（例えばヒータ等の加熱素子、ペルチェ素子等の吸熱素子、及びサーミスタ等の温度検出素子よりなる）を固定し、その温度調整部５の動作をコンピュータよりなる制御部１が制御することで、そのヒートシンク、ひいては単一波長発振レーザ１１の温度を高精度に制御する。ここで、ＤＦＢ半導体レーザなどではその温度を０．００１℃単位で制御することが可能である。また、制御部１は、ドライバ２を介して単一波長発振レーザ１１を駆動するための電力（ＤＦＢ半導体レーザでは駆動電流）を高精度に制御する。
【００４１】
ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は０．１ｎｍ／℃程度の温度依存性を持つため、そのＤＦＢ半導体レーザの温度を例えば１℃変化させると、基本波（波長１５４４ｎｍ）ではその波長が０．１ｎｍ変化する。従って、８倍波（１９３ｎｍ）ではその波長が０．０１２５ｎｍ変化し、１０倍波（１５７ｎｍ）ではその波長が０．０１ｎｍ変化することになる。なお、レーザ光ＬＢ５を露光装置に使用する場合には、例えば露光装置が設置される環境の大気圧差による結像特性の誤差、又は結像特性の変動による誤差等を補正するために、その中心波長に対して±２０ｐｍ程度変化できることが望ましい。このためには、ＤＦＢ半導体レーザの温度を８倍波では±１．６℃程度、１０倍波では±２℃程度変化させればよく、これは実用的である。
【００４２】
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。単一波長発振レーザ１１として例えば発振波長１．５１〜１．５９μｍのＤＦＢ半導体レーザを使用する場合に、この発振レーザ光の３倍波は５０３ｎｍ〜５３０ｎｍの波長になるが、この波長帯はヨウ素分子の吸収線が密に存在する波長域に該当しており、ヨウ素分子の適切な吸収線を選んでその波長にロックすることにより精密な発振波長制御を行うことが可能である。そこで、本例では波長変換部２０内の所定の高調波（望ましくは３倍波）をヨウ素分子の適切な吸収線（基準波長）と比較し、その波長のずれ量を制御部１にフィードバックし、制御部１ではそのずれ量が所定の一定値になるように温度調整部５を介して単一波長発振レーザ１１の温度を制御する。逆に、制御部１では、その単一波長発振レーザ１１の発振波長を積極的に変化させてその出力波長を調整可能にしてもよい。
【００４３】
本例の紫外光発生装置を例えば露光装置の露光光源に適用する場合、前者によれば、波長変動による投影光学系の収差の発生、又はその変動が防止され、パターン転写中にその像特性（像質などの光学的特性）が変化することがなくなる。
また、後者によれば、露光装置が組立、調整される製造現場と露光装置の設置場所（納入先）との標高差や気圧差、更には環境（クリーンルーム内の雰囲気）の違いなどに応じて生じる投影光学系の結像特性（収差など）の変動を相殺でき、納入先で露光装置の立ち上げに要する時間を短縮することが可能になる。更に後者によれば、露光装置の稼働中に、露光用照明光の照射、及び大気圧変化などに起因して生じる投影光学系の収差、投影倍率、及び焦点位置などの変動も相殺でき、常に最良の結像状態でパターン像を基板上に転写することが可能となる。
【００４４】
単一波長発振レーザ１１から出力される連続光よりなるレーザ光ＬＢ１は、例えば電気光学光変調素子や音響光学光変調素子などの光変調素子１２を用いて、パルス光よりなるレーザ光ＬＢ２に変換される。光変調素子１２は制御部１によってドライバ３を介して駆動される。本例の光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、紫外光としてのレーザ光ＬＢ５を出力する期間、即ちオン（ＯＮ）の期間では、ピークレベルＬＢのパルス列であり、紫外光としてのレーザ光ＬＢ５を出力しない期間、即ちオフ（ＯＦＦ）の期間では、レベルＬＡの連続光である。なお、図５（ａ），（ｂ）において（図４も同様）、横軸は時間ｔであり、縦軸はレーザ光の出力（単位時間当たりのエネルギー）である。
【００４５】
また、図５において、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２の平均レベルと、紫外光がオフの期間のレーザ光ＬＢ２の平均レベル（＝ＬＡ）とはほぼ等しくなるように設定されている。この場合、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２のデューティ比（パルス周期に対するハイレベル“１”の期間の割合（％））は１／１０以下で、通常は後述のように繰り返し周波数１００ｋＨｚ（パルス周期１０μｓ＝１００００ｎｓ）でパルス幅が１ｎｓとなるデューティ比である１／１００００程度に設定されているため、そのレベルＬＡはピークレベルＬＢに対して１／１０以下で、通常は１／１００００程度以下となる。このように紫外光がオフの期間でもレーザ光ＬＢ２のレベルを所定のレベルＬＡに維持することによって、紫外光をオンにする際に後段の光ファイバー増幅器１３、及び光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光ファイバー増幅器（図２の光ファイバー増幅器２２，２５）において、光サージによって利得が増加して紫外光（レーザ光ＬＢ５）の出力が増加することが防止される。これに対して、図４（ａ）に示すように、紫外光がオフの期間にレーザ光ＬＢ２の出力を０にすると、図４（ｂ）に示すように、紫外光をオンにした直後の期間ＴＳにおいて、後段の光ファイバー増幅器の光サージが生じて紫外光（レーザ光ＬＢ５）のパルス列のピークレベルが高くなり、その紫外光の出力が目標値から外れることになる。
【００４６】
また、図１の波長変換部２０は、入力するレーザ光ＬＢ４を例えば３段以上の非線形光学結晶を通して紫外光であるレーザ光ＬＢ５に変換している（詳細後述）。この際に各非線形光学結晶においては、入射する光のビークレベルの自乗、又は入射する２つの光のピークレベルの積にほぼ比例して波長変換が行われるため、波長変換部２０から出力されるレーザ光ＬＢ５の出力は、入射するレーザ光ＬＢ４のピークレベルの８乗（＝２3 乗）以上の係数に比例する。従って、図５において、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２のピークレベルＬＢに対して、紫外光がオフの期間のレーザ光ＬＢ２のレベルＬＡは１／１０以下で、通常は上記のように１／１００００程度以下であるため、レベルＬＡの光は殆ど紫外光（レーザ光ＬＢ２）に変換されないため、紫外光がオフの期間ではレーザ光ＬＢ５のレベルはほぼ完全に０となる。従って、オンの期間でもオフの期間でも紫外光（レーザ光ＬＢ５）の出力は目標値通りとなる。
【００４７】
本構成例では一例として、光変調素子１２によってパルス幅１ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ（パルス周期１０μｓ）のパルス光に変調させた場合について説明を行う。この様な光変調を行った結果、紫外光がオンの期間に光変調素子１２から出力されるパルス光のピーク出力ＬＢは２０ｍＷ、平均出力は２μＷとなる。そこで、その紫外光がオフの期間に光変調素子１２から出力される連続光のレベルＬＡは２μＷ、即ちＬＢ／１００００となる。ここでは、光変調素子１２の挿入による損失がないものとしたが、実際にはその挿入損失がある。例えば損失が−３ｄＢである場合、パルス光のピーク出力は１０ｍＷ、平均出力は１μＷとなる。
なお、光変調素子１２として電気光学変調素子を用いる場合には、屈折率の時間変化に伴うチャープによる半導体レーザ出力の波長広がりが小さくなるように、チャープ補正を行った電極構造を持つ電気光学変調素子（例えば二電極型変調器）を用いることが好ましい。また、繰り返し周波数を１００ｋＨｚ程度以上に設定することにより、後述する光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光ファイバー増幅器においてＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission：自然放出光）ノイズの影響による増幅率低下を阻止することができる。更に、最終的に出力される紫外光の照度が従来のエキシマレーザ光（パルス周波数は数ｋＨｚ程度）と同程度でよい場合には、本例のようにパルス周波数を高めることによって、各パルス当たりのエネルギーを１／１０〜１／１００程度に小さくすることができ、コンパクション等による光学部材（レンズ等）の屈折率変動等を小さくすることができる。従って、そのような変調器構成とすることが望ましい。
また、後述のようにその高いパルス周波数の各パルス光を更にｍ・ｎ個、即ち一例として１２８個の遅延パルス光より形成した場合には、各パルス光当たりのエネルギーはエキシマレーザ光に比べて１／１０００〜１／１００００程度に小さくなって、その光学部材の屈折率変動等が更に小さくなる。
【００４８】
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（ＤＦＢ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。そこで、単一波長発振レーザ１１の電力制御によって、例えば１０〜２０ｎｓ程度のパルス幅を有するパルス光を発振させると共に、光変調素子１２によってそのパルス光からその一部のみを切り出す、即ち本例ではパルス幅が１ｎｓのパルス光に変調する。
【００４９】
特に、光変調素子１２のみを用いてパルス光をオフの状態にしてもその消光比が充分でない場合には、単一波長発振レーザ１１の電力制御を併用することが望ましい。
【００５０】
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（３１６２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。
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２×１０8 ｍ／ｓであるとし、チャネル０、１、２、３にそれぞれ０．１ｍ、１９．３ｍ、３８．５、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。なおここでは、この様に光を遅延させる目的で使用する光ファイバー１５−１〜１５−４を、便宜的に「遅延ファイバー」と呼ぶ。
【００５１】
次に、その４本の遅延ファイバーの出力を、４個のスプリッタ１６−１〜１６−４で更にｎ個（本例ではｎ＝３２）の出力に並列分割（各スプリッタでチャネル０〜３１）し、合計４・３２個（＝１２８個）のチャネルに分割する。そして、各スプリッタ１６−１〜１６−４のチャネル０〜３１の出力端に再び互いに長さの異なる光ファイバー（遅延ファイバー）１７−１〜１７−３２を接続して、隣接するチャネル間に３ｎｓの遅延時間を与える。これによって、チャネル３１の出力には、９３ｎｓの遅延時間が与えられる。一方、第１から第４までの各スプリッタ１６−１〜１６−４間には、前記のように遅延ファイバーによって、各スプリッタの入力時点で各々９６ｎｓの遅延時間が与えられている。この結果、全体で総計１２８チャネルの出力端で、隣り合うチャネル間に３ｎｓの遅延時間を持つパルス光が得られる。
【００５２】
この結果、本例では光ファイバー・バンドル１９から射出されるレーザ光ＬＢ４の空間的コヒーレンスが、単に単一波長発振レーザ１１から射出されるレーザ光ＬＢ１の断面形状を拡大した場合に比べてほぼ１／１２８のオーダで低下する。従って、最終的に得られるレーザ光ＬＢ５を露光光として用いた場合に生じるスペックルの量は極めて少ない利点がある。
【００５３】
以上の分岐及び遅延により、総計１２８チャネルの出力端では、隣り合うチャネル間で３ｎｓの遅延時間を持つパルス光が得られるが、このとき各々の出力端で観測される光パルスは、光変調素子１２によって変調されたパルス光と同じ１００ｋＨｚ（パルス周期１０μｓ）である。従って、レーザ光発生部全体として見ると、１２８パルスが３ｎｓ間隔で発生した後、９．６２μｓの間隔を置いて次のパルス列が発生するという繰り返しが１００ｋＨｚで行われる。
【００５４】
なお本実施形態では、分割数を１２８とし、また遅延ファイバーとして短いものを用いた例について説明した。このため各パルス列の間に９．６２μｓの無発光の間隔が生じたが、分割数ｍ，ｎを増加させる、又は遅延ファイバーをより長くして適切な長さとする、あるいはこれらを組み合わせて用いることにより、パルス間隔を完全な等間隔とすることも可能である。
【００５５】
以上より本例のスプリッタ１４、光ファイバー１５−１〜１５−ｍ、スプリッタ１６−１〜１６−ｍ、及びｍ組の光ファイバー１７−１〜１７−ｎは、全体として時分割多重（Time Division Multiplexing：ＴＤＭ）手段を構成しているともみなすことができる。なお、本例ではその時分割多重手段を２段のスプリッタによって構成しているが、それを３段以上のスプリッタで構成してもよく、又は分割数は少なくなるが１段のスプリッタのみで構成してもよい。また、本例のスプリッタ１４，１６−１〜１６−ｍは平板導波路型であるが、それ以外に例えばファイバースプリッタや、部分透過鏡を用いたビームスプリッタ等も使用することができる。
【００５６】
また、本例では光変調素子１２に印加するドライブ用電圧パルスのタイミングを制御することによって、光源（パルス光）の発振タイミング、即ち繰り返し波数ｆを調整することができる。更に、この発振タイミングの変更に伴ってパルス光の出力が変動し得る場合には、光変調素子１２に印加するドライブ用電圧パルスの大きさも同時に調整してその出力変動を補償するようにしてもよい。このとき、単一波長発振レーザ１１の発振制御のみ、あるいは前述した光変調素子１２の制御との併用によってそのパルス光の出力変動を補償するようにしても良い。
【００５７】
図１（ａ）において、ｍ組の遅延ファイバー（光ファイバー１７−１〜１７−ｎ）を通過したレーザ光はそれぞれ光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎに入射して増幅される。本例の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎは光ファイバー増幅器を備えており、以下では、光増幅ユニット１８−１として使用できる光増幅ユニットの構成例につき説明するが、これらは他の光増幅ユニット１８−２〜１８−ｎとしても同様に使用することができる。
【００５８】
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（Erbium-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（Wavelength 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、カップリング用のＷＤＭ素子２１Ｃ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。
【００５９】
光ファイバー増幅器２２，２５はそれぞれ入射するレーザ光ＬＢ３（本例では波長１．５４４μｍ）の波長を含む例えば約１．５３〜１．５６μｍ程度の波長域の光を増幅する。また、光ファイバー増幅器２２，２５の境界部であるＷＤＭ素子２１ＢとＷＤＭ素子２１Ｃとの間に、狭帯域フィルタ２４Ａ及び戻り光を阻止するためのアイソレータＩＳ３が配置されている。狭帯域フィルタ２４Ａとしては多層膜フィルタ、又はファイバー・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating)が使用できる。
【００６０】
本例において、図１（ａ）の光ファイバー１７−１からのレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ａを介して光ファイバー増幅器２２に入射して増幅される。この光ファイバー増幅器２２で増幅されたレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ｂ、狭帯域フィルタ２４Ａ、アイソレータＩＳ３、及びＷＤＭ素子２１Ｃを介して光ファイバー増幅器２５に入射して再び増幅される。増幅されたレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ｄを介して図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９を構成する１本の光ファイバー（光ファイバー増幅器２５の射出端の延長部でもよい）を伝播する。
【００６１】
この場合、２段の光ファイバー増幅器２２及び２５による合計の増幅利得は一例として約４６ｄＢ（３９８１０倍）である。そして、図１（ｂ）のスプリッタ１６−１〜１６−ｍから出力される全チャネル数（ｍ・ｎ個）を１２８個として、各チャネルの平均出力を約５０μＷとすると、全チャネル合計での平均出力は約６．４ｍＷとなる。その各チャネルのレーザ光をそれぞれ約４６ｄＢで増幅すると、各光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎから出力されるレーザ光の平均出力はそれぞれ約２Ｗとなる。これをパルス幅１ｎｓ、パルス周波数１００ｋＨｚでパルス化したものとすると、各レーザ光のピーク出力は２０ｋＷとなる。また、光ファイバー・バンドル１９から出力されるレーザ光ＬＢ４の平均出力は約２５６Ｗとなる。
【００６２】
ここでは、図１（ａ）のスプリッタ１４，１６−１〜１６−ｍでの結合損失を考慮していないが、その結合損失がある場合にはその損失分だけ光ファイバー増幅器２２，２５の少なくとも１つの増幅利得を上げることにより、各チャネルのレーザ光の出力を上記の値（例えばピーク出力２０ｋＷなど）に均一化することができる。なお、図２の光ファイバー増幅器２２及び２５による増幅利得を変化させることで、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１の出力（基本波の出力）を前述した値よりも大きくしたり、あるいは小さくしたりすることができる。
【００６３】
図２の構成例において、狭帯域フィルタ２４Ａは、図１（ａ）の光ファイバー増幅器１３及び図２の光ファイバー増幅器２２でそれぞれ発生するＡＳＥ（Amplified Spontanious Emission）光をカットし、かつ図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１から出力されるレーザ光（波長幅は１ｐｍ程度以下）を透過させることで、透過光の波長幅を実質的に狭帯化するものである。これにより、ＡＳＥ光が後段の光ファイバー増幅器２５に入射してレーザ光の増幅利得を低下させるのを防止することができる。ここで、狭帯域フィルタ２４Ａはその透過波長幅が１ｐｍ程度であることが好ましいが、ＡＳＥ光の波長幅は数十ｎｍ程度であるので、現時点で得られる透過波長幅が１００ｐｍ程度の狭帯域フィルタを用いても実用上問題がない程度にＡＳＥ光をカットすることができる。
【００６４】
また、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１の出力波長を積極的に変化させる場合、その出力波長に応じて狭帯域フィルタ２４Ａを交換するようにしてもよいが、その出力波長の可変幅（露光装置では一例として前述した±２０ｐｍ程度）に応じた透過波長幅（可変幅と同程度以上）を持つ狭帯域フィルタを用いることが好ましい。また、アイソレータＩＳ３によって戻り光の影響が低減される。光増幅ユニット１８は例えば３段以上の光ファイバー増幅器を接続して構成することも可能であるが、この場合にも隣接する２つの光ファイバー増幅器の境界部の全てに狭帯域フィルタ２４Ａ及びアイソレータＩＳ３を挿入することが望ましい。
【００６５】
また、本例では多数の光増幅ユニット１８の出力光を束ねて使用するため、各出力光の強度の分布を均一化することが望ましい。このためには、例えばＷＤＭ素子２１Ｄから射出されるレーザ光ＬＢ３の一部を分離し、この分離された光を光電変換することによって、射出されるレーザ光ＬＢ３の光量をモニタし、この光量が全部の光増幅ユニット１８でほぼ均一になるように、各光増幅ユニット１８における励起光源（半導体レーザ２３Ａ〜２３Ｄ）の出力を制御すればよい。
【００６６】
なお、上記の実施の形態では、単一波長発振レーザ１１として発振波長が１．５４４μｍ程度のレーザ光源が使用されているが、その代わりに発振波長１．０９９〜１．１０６μｍ程度のレーザ光源を使用してもよい。このようなレーザ光源としては、ＤＦＢ半導体レーザあるいはイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバーレーザが使用できる。この場合には、後段の光増幅部中の光ファイバー増幅器としては、その波長を含む９９０〜１２００ｎｍ程度の波長域で増幅を行うイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・光ファイバー（ＹＤＦＡ）を使用すればよい。この場合には、図１（ｂ）の波長変換部２０において、７倍波を出力することによって、Ｆ2 レーザと実質的に同一の波長１５７〜１５８ｎｍの紫外光が得られる。実用的には、発振波長を１．１μｍ程度とすることで、Ｆ2 レーザとほぼ同一波長の紫外光が得られる。
【００６７】
更には、単一波長発振レーザ１１での発振波長を９９０ｎｍ付近として、波長変換部２０で基本波の４倍波を出力するようにしてもよい。これによって、ＫｒＦエキシマレーザと同一の波長２４８ｎｍの紫外光を得ることが可能である。
なお、上記の実施形態における最終段の高ピーク出力の光ファイバー増幅器（例えば図２の光増幅ユニット１８中の光ファイバー増幅器２５）においては、ファイバー中での非線形効果による増幅光のスペクトル幅の増加を避けるため、ファイバーモード径が通常通信で用いられているもの（５〜６μｍ）よりも広い、例えば２０〜３０μｍの大モード径ファイバーを使用することが望ましい。
【００６８】
更に、最終段の光ファイバー増幅器（例えば図２の光ファイバー増幅器２５）において高出力を得るためには、その大モード径ファイバーに代えて、ファイバー・クラッドが二重構造となったダブル・クラッド・ファイバーを用いるようにしてもよい。この光ファイバーでは、コアの部分にレーザ光の増幅に寄与するイオンがドープされており、増幅されるレーザ光（信号）がこのコア内を伝搬する。そして、コアを取り巻く第１クラッドに励起用半導体レーザをカップリングする。この第１クラッドはマルチモードであり、断面積も大きいため高出力の励起用半導体レーザ光の伝導が容易であり、マルチモード発振の半導体レーザを効率よくカップリングし、励起用光源を効率よく使用することができる。その第１クラッドの外周には第１クラッドの導波路を形成するための第２クラッドが形成されている。
【００６９】
また、上記の実施の形態の光ファイバー増幅器として石英ファイバー、又はシリケイト系ファイバーを用いることができるが、これらの他にフッ化物系ファイバー、例えばＺＢＬＡＮファイバーを用いるようにしてもよい。このフッ化物系ファイバーでは、石英やシリケイト系などに比べてエルビウム・ドープ濃度を大きくすることができ、これにより増幅に必要なファイバー長を短縮することができる。このフッ化物系ファイバーは、特に最終段の光ファイバー増幅器（図２の光ファイバー増幅器２５）に適用することが望ましく、ファイバー長の短縮により、パルス光のファイバー伝播中の非線形効果による波長幅の広がりを抑えることができ、例えば露光装置に必要な波長幅が狭帯化された光源を得ることが可能となる。特に開口数が大きい投影光学系を有する露光装置でこの狭帯化光源が使用できることは、例えば投影光学系を設計、製造する上で有利である。
【００７０】
ところで、前述のように二重構造のクラッドを持つ光ファイバー増幅器の出力波長として１．５１〜１．５９μｍを使用する場合には、ドープするイオンとしてエルビウム（Ｅｒ）に加えイッテルビウム（Ｙｂ）を共にドープすることが好ましい。これは半導体レーザによる励起効率を向上させる効果があるためである。すなわち、エルビウムとイッテルビウムとの両方をドープする場合、イッテルビウムの強い吸収波長が９１５〜９７５ｎｍ付近に広がっており、この近傍の波長で各々異なる発振波長を持つ複数の半導体レーザを波長分割多重（ＷＤＭ）により結合させて第１クラッドにカップリングすることで、その複数の半導体レーザを励起光として使用できるため大きな励起強度を実現することができる。
【００７１】
また、光ファイバー増幅器のドープ・ファイバーの設計については、本例のように予め定められた一定の波長で動作する装置（例えば露光装置）では、所望の波長における光ファイバー増幅器の利得が大きくなるように材質を選択することが望ましい。例えば、ＡｒＦエキシマレーザと同じ出力波長（１９３〜１９４ｎｍ）を得るための紫外レーザ装置において、光増幅器用ファイバーを用いる場合には所望の波長、例えば１．５４８μｍで利得が大きくなる材質を選ぶことが望ましい。
【００７２】
しかしながら、通信用ファイバーでは波長分割多重化通信のため、１．５５μｍ付近の数十ｎｍの波長領域で、比較的平坦な利得を持つように設計されている。そこで、例えば励起媒質としてエルビウム単一ドープのコアを持つ通信用ファイバーでは、この平坦な利得特性を実現するために、アルミニウムやリンをシリカファイバーにコ・ドープする手法が用いられる。このためこの種のファイバーでは、１．５４８μｍで必ずしも利得が大きくならない。また、ドープ元素のアルミニウムは、１．５５μｍ付近のピークを長波長側にシフトさせ、リンは短波長側にシフトさせる効果を持つ。従って、１．５４７μｍ近傍で利得を大きくするためには、少量のリンをドープすればよい。同様に、例えばエルビウムとイッテルビウムとを共にドープ（コ・ドープ）したコアを持つ光増幅器用ファイバー（例えば前記ダブル・クラッド・タイプのファイバー）を用いる場合にも、コアに少量のリンを加えることにより、１．５４７μｍ付近でより高い利得を得ることができる。
【００７３】
次に、図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のいくつか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１．５４４μｍ（周波数をωとする）の基本波としてのレーザ光ＬＢ４は、１段目の非線形光学結晶５０２に入射し、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、レンズ５０５を経て２段目の非線形光学結晶５０３に入射し、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５０６を介して３段目の非線形光学結晶５０４に進み、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７７２ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順に波長変換が行われる。
【００７４】
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ＬｉＢ3 Ｏ5 （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ＬｉＢ3 Ｏ5 （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Ｓｒ2 Ｂｅ2 Ｂ2 Ｏ7 （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。
【００７５】
なお、図３（ａ）において、光ファイバー・バンドル１９と非線形光学結晶５０２との間に、レーザ光ＬＢ４の入射効率を高めるために集光レンズを設けることが望ましい。この際に、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程度であるため、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５０２中に集光するようにしてもよい。これは以下の構成例でも同様である。
【００７６】
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、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に入射し、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を通って２段目の非線形光学結晶５１０に入射する。
【００７７】
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５１０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、ミラーＭ１で反射されレンズ５１３を通って３段目のβ−ＢａＢ2 Ｏ4 （ＢＢＯ）結晶よりなる非線形光学結晶５１４に入射する。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。
【００７８】
一方、ダイクロイック・ミラーを透過した２倍波はレンズ５１２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倍波もレンズ５１５を経てダイクロイック・ミラー５１６に入射し、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に入射する。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１９３ｎｍ）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ＣｓＬｉＢ6 Ｏ10（ＣＬＢＯ）結晶を用いることも可能である。この波長変換部２０Ａ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。
【００７９】
このように６倍波と２倍波との一方が分岐光路を通って４段目の非線形光学結晶５１７に入射する構成では、６倍波と２倍波とをそれぞれ４段目の非線形光学結晶５１７に集光して入射させるレンズ５１５，５１２を互いに異なる光路に配置することができる。この場合、３段目の非線形光学結晶５１４で発生した６倍波はその断面形状がWalk-off現象により長円形になっているため、４段目の非線形光学結晶５１７で良好な変換効率を得るためには、その６倍波のビーム整形を行うことが望ましい。そこで本例のように、レンズ５１５，５１２を別々の光路に配置することにより、例えばレンズ５１５としてシリンドリカルレンズ対を用いること等が可能となり、６倍波のビーム整形を容易に行うことができる。このため、４段目の非線形光学結晶（ＢＢＯ結晶）５１７での２倍波との重なり部を増加させて、変換効率を高めることが可能である。
【００８０】
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５１１，５１６を用いる必要がなくなる。
【００８１】
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）の平均出力を実験的に求めて見た。基本波の出力は前述の実施形態で説明した通り各チャネルの出力端で、ピーク・パワー２０ｋＷ、パルス幅１ｎｓ、パルス繰り返し周波数１００ｋＨｚ、及び平均出力２Ｗである。この結果、各チャネル当たりの８倍波の平均出力は、図３（ａ）の波長変換部２０では２２９ｍＷ、図３（ｂ）の波長変換部２０Ａでは３８．３ｍＷであった。従って、全１２８チャネルを合わせたバンドルからの平均出力は、波長変換部２０では２９Ｗ、波長変換部２０Ａでは４．９Ｗとなり、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。
【００８２】
なお、波長変換部２０，２０Ａ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。
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。
【００８３】
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。
【００８４】
また、上記の実施の形態では、図１（ａ）の光変調素子１２において、図５に示すように紫外光（レーザ光ＬＢ５）をオフにする期間でも所定のレベルの連続光を出力しているため、後段の光ファイバー増幅器１３，２２，２５において光サージの発生が防止されて、紫外光をオンにした直後にも目標値通りの出力を得ることができる。なお、そのように紫外光がオフの期間に連続光を出力する代わりに、紫外光がオンの期間に比べてデューティ比（パルス周期に対するハイレベル“１”の期間の割合）が１０倍以上で望ましくは１００倍以上のパルス光を出力してもよい。この場合にも、紫外光がオンの期間とオフの期間とで平均レベルをほぼ同じにすることによって、オフの期間のパルス光のピークレベルが１／１０以下、又は１／１００以下となるため、連続光を出力する場合と同様に光サージを抑えて、かつオフの期間での紫外光への変換効率をほぼ０にすることができる。
【００８５】
次に、本発明の第２の実施の形態につき図６〜図８を参照して説明する。本例は図１（ａ）の実施の形態に対して単一波長発振レーザ１１から光ファイバー増幅器１３までの構成が異なるため、その部分につき説明する。
図６は、本例の要部を示し、この図６において、単一波長発振レーザ１１から出力された波長１．５４４μｍ（これをλ1 とする）のレーザ光ＬＢ１は、光ファイバー５３Ａを介して波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）素子（ＷＤＭ素子）５２に入射し、補助光源としての半導体レーザ５１から射出された波長λ1 とは異なる波長λ2 のレーザ光ＬＢＲは、光ファイバー５３Ｂを介してＷＤＭ素子５２に入射し、ＷＤＭ素子５２でカップリングされたレーザ光は光ファイバー５３Ｃを介して光変調素子１２に入射する。そして、光変調素子１２でパルス変調、又は振幅変調（レベル変調）を受けて出力されたレーザ光ＬＢ２が光ファイバー増幅器１３に入射している。
【００８６】
その補助光源からのレーザ光ＬＢＲの波長λ2 は、光ファイバー増幅器１３、及び後段の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ中の光ファイバー増幅器２２，２５で増幅可能な波長域中で、かつ波長変換部２０において紫外光への変換効率がほぼ０となる波長に設定されている。紫外光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）とほぼ同一波長の光を発生する場合を想定すると、光ファイバー増幅器１３，２２，２５で増幅可能な波長域は約１．５３〜１．５６μｍ程度であるため、レーザ光ＬＢＲの波長λ2 は、例えば約１．５３μｍ又は１．５６μｍ程度に設定される。
【００８７】
そして、本例では第１の使用方法として、図７（ａ），（ｂ）に示すように、紫外光を出力しないオフ（ＯＦＦ）の期間にはレーザ光ＬＢ１を消灯して、レーザ光ＬＢＲを連続発光させ、紫外光を出力するオン（ＯＮ）の期間にはレーザ光ＬＢ１を連続発光させてレーザ光ＬＢＲを消灯する。即ち、本来のレーザ光ＬＢ１と補助用のレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させる。これと共に、ドライバ３から光変調素子１２に供給される駆動信号としての印加電圧Ｖ１２を、図７（ｃ）に示すように紫外光を出力するオンの期間のみにパルス状に設定する。これによって、光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２は、図７（ｄ）に示すように、オンの期間には周波数１００ｋＨｚ程度のピークレベルＬＢで幅１ｎｓ程度のパルス列（波長λ1 ）となり、オフの期間にはレベルＬＡの連続光（波長λ2 ）となる。この場合のレベルＬＡは、例えば最終段の光ファイバー増幅器２５から出力されるレーザ光の平均出力が、オンの期間とオフの期間とでほぼ等しくなるように設定されている。これによって、光ファイバー増幅器２５等で光サージが生じないと共に、紫外光を出力しないオフの期間の変換効率は殆ど０となって不要なレーザ光が出力されることも無い。
【００８８】
また、本例では第２の使用方法として、図８（ａ），（ｂ）に示すように、本来のレーザ光ＬＢ１と補助用のレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させると共に、ドライバ３から光変調素子１２に供給される印加電圧Ｖ１２（駆動信号）を、図８（ｃ）に示すように常時パルス状に設定する。これによって、光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２は、図８（ｄ）に示すように、オンの期間には図７（ｄ）の場合と同様のパルス列（波長λ1 ）となり、オフの期間にも同様のパルス列（波長λ2 ）となる。これによっても、光ファイバー増幅器２５等で光サージが生じないと共に、オフの期間に不要なレーザ光が出力されることも無い。
【００８９】
図７及び図８の制御方式の何れを使用するかは、光変調素子１２の波長特性及び補助用のレーザ光ＬＢＲの波長λ2 に応じて選択することが望ましい。即ち、紫外光を出力しない期間（オフの期間）で、光変調素子１２から波長λ2 の光のみが出力されるような制御方式を選ぶことが望ましい。
なお、図６の実施の形態では、光変調素子１２の入力部にＷＤＭ素子５２を配置しているが、図１０に示すように、光変調素子１２の出力部にＷＤＭ素子５２を配置して、光変調素子１２からの波長λ1 のレーザ光ＬＢＭと補助用の半導体レーザ５１からの波長λ2 のレーザ光ＬＢＲとをＷＤＭ素子５２でカップリングして、得られたレーザ光ＬＢ２を光ファイバー増幅器１３に供給するようにしてもよい。図１０の構成例においても、単一波長発振レーザ１１からのレーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させることによって、光ファイバー増幅器における光サージの発生を抑制して、不要な紫外光の発生を防止できる。
【００９０】
次に、本発明の第３の実施の形態につき図９を参照して説明する。本例も図１（ａ）の実施の形態に対して単一波長発振レーザ１１から光ファイバー増幅器１３までの構成が異なるため、その部分につき説明する。
図９は本例の要部を示し、この図９において、単一波長発振レーザ１１から出力された波長１．５４４μｍのレーザ光ＬＢ１（これを直線偏光とする）は、異なる偏光状態の２つの光を同軸に合成するための偏波合成素子５５に入射し、補助光源としての半導体レーザ５４から射出されたレーザ光ＬＢ１とは直交する方向に直線偏光した波長１．５４４μｍのレーザ光ＬＢＰは偏波合成素子５５に入射し、偏波合成素子でカップリングされたレーザ光は光変調素子１２に入射する。そして、光変調素子１２でパルス変調、又は振幅変調（レベル変調）を受けて出力されたレーザ光ＬＢ２が光ファイバー増幅器１３に入射している。
【００９１】
この場合、本例で使用されている各光ファイバーにおいては、内部を伝播する光の偏光状態は或る程度保存されるものとし、最終的に図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９から射出されるレーザ光ＬＢ４は、波長変換部２０から紫外光が出力される期間（オンの期間）において最大の変換効率が得られる偏光状態となるように、各光ファイバーの角度等が設定されているものとする。そして、図９において、レーザ光ＬＢ１の偏光方向は波長変換部２０において最大の変換効率が得られる方向に設定されており、補助光源からのレーザ光ＬＢＲの偏光方向は、波長変換部２０において変換効率が最小になる方向となっている。
【００９２】
この実施の形態においても、図６の実施の形態と同様に、レーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＰとは紫外光を出力する期間（オンの期間）と出力しない期間（オフの期間）とで逆位相で発光する。また、光変調素子１２の駆動方法にも、図７に示すようにオンの期間のみにパルス光を出力させる方法と、図８に示すように常時パルス光を出力させる方法とがある。図７及び図８の制御方式の何れを使用するかは、光変調素子１２の波長特性及び補助用のレーザ光ＬＢＰの偏光状態に応じて選択することが望ましい。即ち、紫外光を出力しない期間（オフの期間）で、光変調素子１２からレーザ光ＬＢＰのみが出力されるような制御方式を選ぶことが望ましい。これによって、光ファイバー増幅器１３，２２，２５では常時ほぼ一定の出力が得られて光サージの発生が抑制されていると共に、オフの期間には波長変換部２０で紫外光に対する変換効率がほぼ０になって、不要な紫外光が出力されることが無い。
【００９３】
なお、図９の実施の形態では、光変調素子１２の入力部に偏波合成素子５５を配置しているが、図１１に示すように、光変調素子１２の出力部に偏波合成素子５５を配置して、光変調素子１２からの直線偏光のレーザ光ＬＢＭと補助用の半導体レーザ５４からの偏光方向が直交するレーザ光ＬＢＰとを偏波合成素子５５でカップリングして、得られたレーザ光ＬＢ２を光ファイバー増幅器１３に供給するようにしてもよい。図１１の構成例においても、単一波長発振レーザ１１からのレーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＰとを逆位相で発光させることによって、光ファイバー増幅器における光サージの発生を抑制して、不要な紫外光の発生を防止できる。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
【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、紫外光を出力する期間中は前記レーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中にも前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給しているため、最終的にレーザ光（紫外光）の出力を開始する際の光サージの影響が軽減されて、常に目標とする出力が得られる。
更に、レーザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段を更に備え、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、出力光の発振周波数を高くして、かつ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態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】 図１の光ファイバー増幅器において光サージが生じる場合の説明図である。
【図５】 本発明の第１の実施の形態において光変調素子１２から出力されるレーザ光の状態、及び最終的に出力される紫外域のレーザ光ＬＢ５の状態を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態の光変調部を示す構成図である。
【図７】 その第２の実施の形態における各レーザ及び光変調素子１２の駆動方式の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】 その第２の実施の形態における各レーザ及び光変調素子１２の駆動方式の他の例を示すタイミングチャートである。
【図９】 本発明の第３の実施の形態の光変調部を示す構成図である。
【図１０】 その第２の実施の形態の変形例を示す構成図である。
【図１１】 その第３の実施の形態の変形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，１７−１〜１７−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、５１…補助用の半導体レーザ、５２…波長分割多重素子（ＷＤＭ素子）、５４…補助用の半導体レーザ、５５…偏波合成素子
【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、ＫｒＦ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 continuous wave 3.5W green laser",L. Y. Liu, M. Oka, W. Wiechmann and S. Kubota; Optics Letters, vol.19,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１０６４ｎｍ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-state 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、そのような光源を露光装置に用いた場合には、ウエハ上の各ショット領域に順次露光を行う際に露光光としての紫外光の照射（オン）と照射停止（オフ）とを繰り返す必要があるが、例えば露光光の照射を開始した直後等にも、露光光の出力（連続光では照度、パルス光の場合にはパルスエネルギー）の変動が少ないことが望ましい。
【００１３】
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。
更に本発明は、レーザ光の外部への照射（オン）を開始した直後にも目標とする出力が得られるレーザ装置を提供することを第２の目的とする。
【００１４】
更に本発明は、発振周波数を高くして、かつ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３の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザ装置は、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で単一波長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るレーザ光の変調を行う光変調部（１２）と、この光変調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（２２，２５）を有する光増幅部（１８−１〜１８−ｎ）と、この光増幅部によって増幅されたレーザ光を非線形光学結晶（５０２〜５０４）を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備え、その光変調部は、前記紫外光を出力する期間中は前記レーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中にも前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給するものである。
【００１６】
斯かる本発明の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変調部において光ファイバー増幅器で十分な増幅利得が得られるような高い周波数でパルス変調し、このパルス変調後のレーザ光を光ファイバー増幅器で増幅した後、非線形光学結晶で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。
【００１７】
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（ＹＤＦＡ）、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。しかしながら、最終的に得られる紫外光を照射停止（オフ）から照射（オン）に切り換えるために、単にその光変調部から出力されるパルス列をオフからオンに切り換えると、光ファイバー増幅器中に貯えられていた光エネルギーが瞬時に出力されるため、光ファイバー増幅器からオンの直後に出力されるパルス光が、定常状態で増幅されるパルス列に比べて大きくなる現象である「光サージ」が生じる。これに伴い波長変換した紫外光の出力も目標値に対して変動する。
【００１８】
そのような光サージの影響を低減するために、本発明ではオフの期間中にも前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給する。これによって、紫外光の出力が安定する。
そのように紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給するために、本発明では、オンの期間（紫外光を出力する期間）では、所望の強度のパルス列を所望のタイミングで光増幅部に出力し、オフの期間（紫外光を出力しない期間）では、小さいピークレベルでほぼ一定強度の連続光、又は小さいピークレベルで１周期に対するハイレベル“１”の割合（デューティ比）が１００％に近いパルス列を光増幅部に出力する。更に、その光増幅部に供給される光をオンの期間のピークレベルに対してオフの期間のピークレベルを１／１０以下として、オンの期間にその光増幅部から出力される光の平均レベルと、オフの期間に前記光増幅部から出力される光の平均レベルとを実質的に等しくすることが望ましい。
【００１９】
この場合、波長変換部での変換効率は、二次高調波の場合には入力光のピーク強度の二乗、和周波発生の場合には２つの入力光のピーク強度の積に比例する。露光装置用の紫外光発生のためには、通常は８倍波や１０倍波発生の波長変換を行うため、最終段の波長変換後の紫外光の出力強度は入射する光（基本波）の強度のほぼ８乗から１０乗に比例することになり、オフ状態での光増幅部の出力が、紫外光に変換される効率はほぼ零であり、紫外光の出力はほぼ零となる。従って、本方法によれば、光サージの影響が軽減されると共に、紫外光の出力強度はオンの期間で目標値となり、オフの期間ではほぼ零となる状態が実現される。
【００２０】
なお、光変調部からのオフ状態での出力強度は、出力光量制御機構を用いて更に詳細に制御することも可能である。
次に本発明の実施の形態に記載された別の方法（以下、「第２の方法」という。）として、そのレーザ光発生部（基準光源）（１１）の他にそのレーザ光発生部から発生するレーザ光（波長λ1 とする）とは波長の異なる補助光（波長λ2 とする）を発生する補助光源（５１）を備え、オフの期間中にはその光増幅部にその補助光を供給する。この場合、その補助光の波長λ2 は、その波長変換部で波長変換できる許容波長範囲外の波長であり、且つ光ファイバー増幅器の利得幅内の波長であることが望ましい。これによって、最終的に出力される紫外光に影響を与えることなく、その光ファイバー増幅器の光サージを抑制できる。
【００２１】
また、その補助光をそのレーザ光に合成するための波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）部材（５２）の設置位置は、変調装置（１２）の入力部であっても出力部であってもよい。ＷＤＭ部材を変調装置の入力部に設置する場合には、その基準光源としてのレーザ光発生部は、最終的に出力される紫外光と同位相で、即ち紫外光がオンの間はオンになり、オフの間はオフになるようにスイッチングを行う。また、補助光源は、紫外光と逆位相で、即ちその紫外光がオンの間はオフになり、紫外光がオフの間はオンになるタイミングでスイッチングを行う。そして、変調装置では、紫外光のオン／オフによらずに常時パルス出力を行うことも可能であり、あるいは紫外光のオン期間ではパルス出力を行い、紫外光のオフ期間では低いピークレベルの一定レベルの出力、又は高いデューティ比のパルス出力を行うことも可能である。これらの中で、紫外光がオフの状態で、波長λ2 の光のみが光増幅部に出力される制御形態を選べばよい。
【００２２】
また、ＷＤＭ部材（５２）を変調装置（１２）の出力部に設置する場合には、紫外光がオフの状態で、その補助光源からピークレベルの低い光を供給すればよい。
次に、本発明の実施の形態に記載された更に別の方法（以下、「第３の方法」という。）として、そのレーザ光発生部（基準光源）（１１）の他にそのレーザ光発生部から発生するレーザ光とは偏光状態の異なる補助光を発生する補助光源（５４）を備え、オフの期間中にはその光増幅部にその補助光を供給する。この場合、そのレーザ発生部からのレーザ光の偏光状態は、その波長変換部での紫外光への変換効率が最大になる状態（例えば所定方向への直線偏光）として、その補助光の偏光状態はその波長変換部での紫外光への変換効率が最低になる状態（例えば偏光方向が直交する偏光光）とすることが望ましい。これによって、紫外光がオフの状態では、光ファイバー増幅器には補助光が供給されてその後の光サージが抑制されると共に、波長変換部での変換効率はほとんど零であり、紫外光出力はほぼ零になる。
【００２３】
この方法においても、その補助光をそのレーザ光に合成するための偏波合成部材（５５）の設置位置は、上記の第２の方法と同様に変調装置（１２）の入力部であっても出力部であってもよく、その補助光のスイッチングのタイミングも上記の第２の方法と同様でよい。これらの中で、紫外光がオフの状態で、その補助光のみが光増幅部に供給される制御形態を選べばよい。
【００２４】
これらの各レーザ装置においては、そのレーザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段（１４，１６−１〜１６−ｍ）を更に備え、その光増幅部（１８−１〜１８−ｎ）は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られると共に、その波長変換部は、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が望ましい。このように光分岐手段で分岐したレーザ光に順次所定の光路長差を付与することで、最終的に束ねられるレーザ光の空間的コヒーレンスが低減できる。また、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。
【００２５】
更に、そのレーザ光は光変調部によって例えば１００ｋＨｚ程度の高い周波数で容易に変調することができる。従って、エキシマレーザ光（周波数は数ｋＨｚ程度）を使用する場合に比べて、同じ照度を得るためにはパルスエネルギーを１／１０〜１／１００程度にできるため、露光光源として用いた場合に、コンパクション等による光学部材の透過率変動が殆ど無くなり、安定にかつ高精度に露光を行うことができる。また、本発明の実施の形態のように、その１００ｋＨｚ程度のレーザ光の各パルス光が更に１００個程度の遅延パルス光の集合である場合には、エキシマレーザ光と同じ照度を得るための各パルス光のエネルギーを１／１０００〜１／１００００程度にできるため、その光学部材の透過率変動が更に少なくなる。
【００２６】
次に、本発明の波長変換部の構成については、複数の非線形光学結晶の２次高調波発生（ＳＨＧ）及び和周波発生（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。
そして、例えばレーザ光発生部で波長が１．５μｍ、特に１．５４４〜１．５５２μｍに限定されたレーザ光を放射し、波長変換部でその基本波の８倍高調波の発生を行う構成によって、ＡｒＦエキシマレーザと実質的に同一波長の１９３〜１９４ｎｍの紫外光が得られる。また、レーザ光発生部として波長が１．５μｍ付近、特に１．５７〜１．５８μｍに限定されたレーザ光を放射し、波長変換部でその基本波の１０倍高調波の発生を行う構成によって、Ｆ2 レーザと実質的に同一波長の１５７〜１５８ｎｍの紫外光が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態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。
【００２８】
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。
【００２９】
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１３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（ＥＤＦＡ）には９８０ｎｍ又は１４８０ｎｍの励起光が使用できる。しかしながら、非線形効果による波長の広がりを防止するためには、励起光として波長９８０ｎｍのレーザ光を使用して、ファイバー長を短くすることが望ましい。これによって、１４８０ｎｍの光を励起光に使用する場合に比べてＡＳＥ（Amplified Spontanious Emission）による光ファイバー増幅器１３のノイズを小さくできる。これは後段の光ファイバー増幅器についても同様である。
【００３０】
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１５−１，１５−２，…，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（１４）及び第２の光分岐素子（１６−１〜１６−ｍ）が本発明の光分岐手段（光分割手段）に対応する。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。
【００３１】
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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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が、この光増幅部に光ファイバー・バンドル１９の光ファイバーを含める場合もある。
【００３４】
また、光ファイバー・バンドル１９の出力端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。
【００３５】
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ＬＢ５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１９３ｎｍ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。
【００３６】
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（１５７〜１５８ｎｍ）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。
【００３７】
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。
【００３８】
以下、本実施形態についてより詳細に説明する。図１（ａ）において、単一波長で発振する単一波長発振レーザ１１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。
【００３９】
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。本例のように単一波長発振レーザ１１としてＤＦＢ半導体レーザを用いる場合には、ＤＦＢ半導体レーザの温度制御を行うことにより発振波長を制御することができ、この方法により発振波長を更に安定化して一定の波長に制御したり、あるいは出力波長を微調整することができる。
【００４０】
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いる。そこで本例では、単一波長発振レーザ１１（ＤＦＢ半導体レーザなど）に付設されるヒートシンクに温度調整部５（例えばヒータ等の加熱素子、ペルチェ素子等の吸熱素子、及びサーミスタ等の温度検出素子よりなる）を固定し、その温度調整部５の動作をコンピュータよりなる制御部１が制御することで、そのヒートシンク、ひいては単一波長発振レーザ１１の温度を高精度に制御する。ここで、ＤＦＢ半導体レーザなどではその温度を０．００１℃単位で制御することが可能である。また、制御部１は、ドライバ２を介して単一波長発振レーザ１１を駆動するための電力（ＤＦＢ半導体レーザでは駆動電流）を高精度に制御する。
【００４１】
ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は０．１ｎｍ／℃程度の温度依存性を持つため、そのＤＦＢ半導体レーザの温度を例えば１℃変化させると、基本波（波長１５４４ｎｍ）ではその波長が０．１ｎｍ変化する。従って、８倍波（１９３ｎｍ）ではその波長が０．０１２５ｎｍ変化し、１０倍波（１５７ｎｍ）ではその波長が０．０１ｎｍ変化することになる。なお、レーザ光ＬＢ５を露光装置に使用する場合には、例えば露光装置が設置される環境の大気圧差による結像特性の誤差、又は結像特性の変動による誤差等を補正するために、その中心波長に対して±２０ｐｍ程度変化できることが望ましい。このためには、ＤＦＢ半導体レーザの温度を８倍波では±１．６℃程度、１０倍波では±２℃程度変化させればよく、これは実用的である。
【００４２】
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。単一波長発振レーザ１１として例えば発振波長１．５１〜１．５９μｍのＤＦＢ半導体レーザを使用する場合に、この発振レーザ光の３倍波は５０３ｎｍ〜５３０ｎｍの波長になるが、この波長帯はヨウ素分子の吸収線が密に存在する波長域に該当しており、ヨウ素分子の適切な吸収線を選んでその波長にロックすることにより精密な発振波長制御を行うことが可能である。そこで、本例では波長変換部２０内の所定の高調波（望ましくは３倍波）をヨウ素分子の適切な吸収線（基準波長）と比較し、その波長のずれ量を制御部１にフィードバックし、制御部１ではそのずれ量が所定の一定値になるように温度調整部５を介して単一波長発振レーザ１１の温度を制御する。逆に、制御部１では、その単一波長発振レーザ１１の発振波長を積極的に変化させてその出力波長を調整可能にしてもよい。
【００４３】
本例の紫外光発生装置を例えば露光装置の露光光源に適用する場合、前者によれば、波長変動による投影光学系の収差の発生、又はその変動が防止され、パターン転写中にその像特性（像質などの光学的特性）が変化することがなくなる。
また、後者によれば、露光装置が組立、調整される製造現場と露光装置の設置場所（納入先）との標高差や気圧差、更には環境（クリーンルーム内の雰囲気）の違いなどに応じて生じる投影光学系の結像特性（収差など）の変動を相殺でき、納入先で露光装置の立ち上げに要する時間を短縮することが可能になる。更に後者によれば、露光装置の稼働中に、露光用照明光の照射、及び大気圧変化などに起因して生じる投影光学系の収差、投影倍率、及び焦点位置などの変動も相殺でき、常に最良の結像状態でパターン像を基板上に転写することが可能となる。
【００４４】
単一波長発振レーザ１１から出力される連続光よりなるレーザ光ＬＢ１は、例えば電気光学光変調素子や音響光学光変調素子などの光変調素子１２を用いて、パルス光よりなるレーザ光ＬＢ２に変換される。光変調素子１２は制御部１によってドライバ３を介して駆動される。本例の光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、紫外光としてのレーザ光ＬＢ５を出力する期間、即ちオン（ＯＮ）の期間では、ピークレベルＬＢのパルス列であり、紫外光としてのレーザ光ＬＢ５を出力しない期間、即ちオフ（ＯＦＦ）の期間では、レベルＬＡの連続光である。なお、図５（ａ），（ｂ）において（図４も同様）、横軸は時間ｔであり、縦軸はレーザ光の出力（単位時間当たりのエネルギー）である。
【００４５】
また、図５において、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２の平均レベルと、紫外光がオフの期間のレーザ光ＬＢ２の平均レベル（＝ＬＡ）とはほぼ等しくなるように設定されている。この場合、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２のデューティ比（パルス周期に対するハイレベル“１”の期間の割合（％））は１／１０以下で、通常は後述のように繰り返し周波数１００ｋＨｚ（パルス周期１０μｓ＝１００００ｎｓ）でパルス幅が１ｎｓとなるデューティ比である１／１００００程度に設定されているため、そのレベルＬＡはピークレベルＬＢに対して１／１０以下で、通常は１／１００００程度以下となる。このように紫外光がオフの期間でもレーザ光ＬＢ２のレベルを所定のレベルＬＡに維持することによって、紫外光をオンにする際に後段の光ファイバー増幅器１３、及び光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光ファイバー増幅器（図２の光ファイバー増幅器２２，２５）において、光サージによって利得が増加して紫外光（レーザ光ＬＢ５）の出力が増加することが防止される。これに対して、図４（ａ）に示すように、紫外光がオフの期間にレーザ光ＬＢ２の出力を０にすると、図４（ｂ）に示すように、紫外光をオンにした直後の期間ＴＳにおいて、後段の光ファイバー増幅器の光サージが生じて紫外光（レーザ光ＬＢ５）のパルス列のピークレベルが高くなり、その紫外光の出力が目標値から外れることになる。
【００４６】
また、図１の波長変換部２０は、入力するレーザ光ＬＢ４を例えば３段以上の非線形光学結晶を通して紫外光であるレーザ光ＬＢ５に変換している（詳細後述）。この際に各非線形光学結晶においては、入射する光のビークレベルの自乗、又は入射する２つの光のピークレベルの積にほぼ比例して波長変換が行われるため、波長変換部２０から出力されるレーザ光ＬＢ５の出力は、入射するレーザ光ＬＢ４のピークレベルの８乗（＝２3 乗）以上の係数に比例する。従って、図５において、紫外光がオンの期間のレーザ光ＬＢ２のピークレベルＬＢに対して、紫外光がオフの期間のレーザ光ＬＢ２のレベルＬＡは１／１０以下で、通常は上記のように１／１００００程度以下であるため、レベルＬＡの光は殆ど紫外光（レーザ光ＬＢ２）に変換されないため、紫外光がオフの期間ではレーザ光ＬＢ５のレベルはほぼ完全に０となる。従って、オンの期間でもオフの期間でも紫外光（レーザ光ＬＢ５）の出力は目標値通りとなる。
【００４７】
本構成例では一例として、光変調素子１２によってパルス幅１ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ（パルス周期１０μｓ）のパルス光に変調させた場合について説明を行う。この様な光変調を行った結果、紫外光がオンの期間に光変調素子１２から出力されるパルス光のピーク出力ＬＢは２０ｍＷ、平均出力は２μＷとなる。そこで、その紫外光がオフの期間に光変調素子１２から出力される連続光のレベルＬＡは２μＷ、即ちＬＢ／１００００となる。ここでは、光変調素子１２の挿入による損失がないものとしたが、実際にはその挿入損失がある。例えば損失が−３ｄＢである場合、パルス光のピーク出力は１０ｍＷ、平均出力は１μＷとなる。
なお、光変調素子１２として電気光学変調素子を用いる場合には、屈折率の時間変化に伴うチャープによる半導体レーザ出力の波長広がりが小さくなるように、チャープ補正を行った電極構造を持つ電気光学変調素子（例えば二電極型変調器）を用いることが好ましい。また、繰り返し周波数を１００ｋＨｚ程度以上に設定することにより、後述する光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ内の光ファイバー増幅器においてＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission：自然放出光）ノイズの影響による増幅率低下を阻止することができる。更に、最終的に出力される紫外光の照度が従来のエキシマレーザ光（パルス周波数は数ｋＨｚ程度）と同程度でよい場合には、本例のようにパルス周波数を高めることによって、各パルス当たりのエネルギーを１／１０〜１／１００程度に小さくすることができ、コンパクション等による光学部材（レンズ等）の屈折率変動等を小さくすることができる。従って、そのような変調器構成とすることが望ましい。
また、後述のようにその高いパルス周波数の各パルス光を更にｍ・ｎ個、即ち一例として１２８個の遅延パルス光より形成した場合には、各パルス光当たりのエネルギーはエキシマレーザ光に比べて１／１０００〜１／１００００程度に小さくなって、その光学部材の屈折率変動等が更に小さくなる。
【００４８】
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（ＤＦＢ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。そこで、単一波長発振レーザ１１の電力制御によって、例えば１０〜２０ｎｓ程度のパルス幅を有するパルス光を発振させると共に、光変調素子１２によってそのパルス光からその一部のみを切り出す、即ち本例ではパルス幅が１ｎｓのパルス光に変調する。
【００４９】
特に、光変調素子１２のみを用いてパルス光をオフの状態にしてもその消光比が充分でない場合には、単一波長発振レーザ１１の電力制御を併用することが望ましい。
【００５０】
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（３１６２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。
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２×１０8 ｍ／ｓであるとし、チャネル０、１、２、３にそれぞれ０．１ｍ、１９．３ｍ、３８．５、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。なおここでは、この様に光を遅延させる目的で使用する光ファイバー１５−１〜１５−４を、便宜的に「遅延ファイバー」と呼ぶ。
【００５１】
次に、その４本の遅延ファイバーの出力を、４個のスプリッタ１６−１〜１６−４で更にｎ個（本例ではｎ＝３２）の出力に並列分割（各スプリッタでチャネル０〜３１）し、合計４・３２個（＝１２８個）のチャネルに分割する。そして、各スプリッタ１６−１〜１６−４のチャネル０〜３１の出力端に再び互いに長さの異なる光ファイバー（遅延ファイバー）１７−１〜１７−３２を接続して、隣接するチャネル間に３ｎｓの遅延時間を与える。これによって、チャネル３１の出力には、９３ｎｓの遅延時間が与えられる。一方、第１から第４までの各スプリッタ１６−１〜１６−４間には、前記のように遅延ファイバーによって、各スプリッタの入力時点で各々９６ｎｓの遅延時間が与えられている。この結果、全体で総計１２８チャネルの出力端で、隣り合うチャネル間に３ｎｓの遅延時間を持つパルス光が得られる。
【００５２】
この結果、本例では光ファイバー・バンドル１９から射出されるレーザ光ＬＢ４の空間的コヒーレンスが、単に単一波長発振レーザ１１から射出されるレーザ光ＬＢ１の断面形状を拡大した場合に比べてほぼ１／１２８のオーダで低下する。従って、最終的に得られるレーザ光ＬＢ５を露光光として用いた場合に生じるスペックルの量は極めて少ない利点がある。
【００５３】
以上の分岐及び遅延により、総計１２８チャネルの出力端では、隣り合うチャネル間で３ｎｓの遅延時間を持つパルス光が得られるが、このとき各々の出力端で観測される光パルスは、光変調素子１２によって変調されたパルス光と同じ１００ｋＨｚ（パルス周期１０μｓ）である。従って、レーザ光発生部全体として見ると、１２８パルスが３ｎｓ間隔で発生した後、９．６２μｓの間隔を置いて次のパルス列が発生するという繰り返しが１００ｋＨｚで行われる。
【００５４】
なお本実施形態では、分割数を１２８とし、また遅延ファイバーとして短いものを用いた例について説明した。このため各パルス列の間に９．６２μｓの無発光の間隔が生じたが、分割数ｍ，ｎを増加させる、又は遅延ファイバーをより長くして適切な長さとする、あるいはこれらを組み合わせて用いることにより、パルス間隔を完全な等間隔とすることも可能である。
【００５５】
以上より本例のスプリッタ１４、光ファイバー１５−１〜１５−ｍ、スプリッタ１６−１〜１６−ｍ、及びｍ組の光ファイバー１７−１〜１７−ｎは、全体として時分割多重（Time Division Multiplexing：ＴＤＭ）手段を構成しているともみなすことができる。なお、本例ではその時分割多重手段を２段のスプリッタによって構成しているが、それを３段以上のスプリッタで構成してもよく、又は分割数は少なくなるが１段のスプリッタのみで構成してもよい。また、本例のスプリッタ１４，１６−１〜１６−ｍは平板導波路型であるが、それ以外に例えばファイバースプリッタや、部分透過鏡を用いたビームスプリッタ等も使用することができる。
【００５６】
また、本例では光変調素子１２に印加するドライブ用電圧パルスのタイミングを制御することによって、光源（パルス光）の発振タイミング、即ち繰り返し波数ｆを調整することができる。更に、この発振タイミングの変更に伴ってパルス光の出力が変動し得る場合には、光変調素子１２に印加するドライブ用電圧パルスの大きさも同時に調整してその出力変動を補償するようにしてもよい。このとき、単一波長発振レーザ１１の発振制御のみ、あるいは前述した光変調素子１２の制御との併用によってそのパルス光の出力変動を補償するようにしても良い。
【００５７】
図１（ａ）において、ｍ組の遅延ファイバー（光ファイバー１７−１〜１７−ｎ）を通過したレーザ光はそれぞれ光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎに入射して増幅される。本例の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎは光ファイバー増幅器を備えており、以下では、光増幅ユニット１８−１として使用できる光増幅ユニットの構成例につき説明するが、これらは他の光増幅ユニット１８−２〜１８−ｎとしても同様に使用することができる。
【００５８】
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（Erbium-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（Wavelength 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、カップリング用のＷＤＭ素子２１Ｃ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。
【００５９】
光ファイバー増幅器２２，２５はそれぞれ入射するレーザ光ＬＢ３（本例では波長１．５４４μｍ）の波長を含む例えば約１．５３〜１．５６μｍ程度の波長域の光を増幅する。また、光ファイバー増幅器２２，２５の境界部であるＷＤＭ素子２１ＢとＷＤＭ素子２１Ｃとの間に、狭帯域フィルタ２４Ａ及び戻り光を阻止するためのアイソレータＩＳ３が配置されている。狭帯域フィルタ２４Ａとしては多層膜フィルタ、又はファイバー・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating)が使用できる。
【００６０】
本例において、図１（ａ）の光ファイバー１７−１からのレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ａを介して光ファイバー増幅器２２に入射して増幅される。この光ファイバー増幅器２２で増幅されたレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ｂ、狭帯域フィルタ２４Ａ、アイソレータＩＳ３、及びＷＤＭ素子２１Ｃを介して光ファイバー増幅器２５に入射して再び増幅される。増幅されたレーザ光ＬＢ３は、ＷＤＭ素子２１Ｄを介して図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９を構成する１本の光ファイバー（光ファイバー増幅器２５の射出端の延長部でもよい）を伝播する。
【００６１】
この場合、２段の光ファイバー増幅器２２及び２５による合計の増幅利得は一例として約４６ｄＢ（３９８１０倍）である。そして、図１（ｂ）のスプリッタ１６−１〜１６−ｍから出力される全チャネル数（ｍ・ｎ個）を１２８個として、各チャネルの平均出力を約５０μＷとすると、全チャネル合計での平均出力は約６．４ｍＷとなる。その各チャネルのレーザ光をそれぞれ約４６ｄＢで増幅すると、各光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎから出力されるレーザ光の平均出力はそれぞれ約２Ｗとなる。これをパルス幅１ｎｓ、パルス周波数１００ｋＨｚでパルス化したものとすると、各レーザ光のピーク出力は２０ｋＷとなる。また、光ファイバー・バンドル１９から出力されるレーザ光ＬＢ４の平均出力は約２５６Ｗとなる。
【００６２】
ここでは、図１（ａ）のスプリッタ１４，１６−１〜１６−ｍでの結合損失を考慮していないが、その結合損失がある場合にはその損失分だけ光ファイバー増幅器２２，２５の少なくとも１つの増幅利得を上げることにより、各チャネルのレーザ光の出力を上記の値（例えばピーク出力２０ｋＷなど）に均一化することができる。なお、図２の光ファイバー増幅器２２及び２５による増幅利得を変化させることで、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１の出力（基本波の出力）を前述した値よりも大きくしたり、あるいは小さくしたりすることができる。
【００６３】
図２の構成例において、狭帯域フィルタ２４Ａは、図１（ａ）の光ファイバー増幅器１３及び図２の光ファイバー増幅器２２でそれぞれ発生するＡＳＥ（Amplified Spontanious Emission）光をカットし、かつ図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１から出力されるレーザ光（波長幅は１ｐｍ程度以下）を透過させることで、透過光の波長幅を実質的に狭帯化するものである。これにより、ＡＳＥ光が後段の光ファイバー増幅器２５に入射してレーザ光の増幅利得を低下させるのを防止することができる。ここで、狭帯域フィルタ２４Ａはその透過波長幅が１ｐｍ程度であることが好ましいが、ＡＳＥ光の波長幅は数十ｎｍ程度であるので、現時点で得られる透過波長幅が１００ｐｍ程度の狭帯域フィルタを用いても実用上問題がない程度にＡＳＥ光をカットすることができる。
【００６４】
また、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１の出力波長を積極的に変化させる場合、その出力波長に応じて狭帯域フィルタ２４Ａを交換するようにしてもよいが、その出力波長の可変幅（露光装置では一例として前述した±２０ｐｍ程度）に応じた透過波長幅（可変幅と同程度以上）を持つ狭帯域フィルタを用いることが好ましい。また、アイソレータＩＳ３によって戻り光の影響が低減される。光増幅ユニット１８は例えば３段以上の光ファイバー増幅器を接続して構成することも可能であるが、この場合にも隣接する２つの光ファイバー増幅器の境界部の全てに狭帯域フィルタ２４Ａ及びアイソレータＩＳ３を挿入することが望ましい。
【００６５】
また、本例では多数の光増幅ユニット１８の出力光を束ねて使用するため、各出力光の強度の分布を均一化することが望ましい。このためには、例えばＷＤＭ素子２１Ｄから射出されるレーザ光ＬＢ３の一部を分離し、この分離された光を光電変換することによって、射出されるレーザ光ＬＢ３の光量をモニタし、この光量が全部の光増幅ユニット１８でほぼ均一になるように、各光増幅ユニット１８における励起光源（半導体レーザ２３Ａ〜２３Ｄ）の出力を制御すればよい。
【００６６】
なお、上記の実施の形態では、単一波長発振レーザ１１として発振波長が１．５４４μｍ程度のレーザ光源が使用されているが、その代わりに発振波長１．０９９〜１．１０６μｍ程度のレーザ光源を使用してもよい。このようなレーザ光源としては、ＤＦＢ半導体レーザあるいはイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバーレーザが使用できる。この場合には、後段の光増幅部中の光ファイバー増幅器としては、その波長を含む９９０〜１２００ｎｍ程度の波長域で増幅を行うイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・光ファイバー（ＹＤＦＡ）を使用すればよい。この場合には、図１（ｂ）の波長変換部２０において、７倍波を出力することによって、Ｆ2 レーザと実質的に同一の波長１５７〜１５８ｎｍの紫外光が得られる。実用的には、発振波長を１．１μｍ程度とすることで、Ｆ2 レーザとほぼ同一波長の紫外光が得られる。
【００６７】
更には、単一波長発振レーザ１１での発振波長を９９０ｎｍ付近として、波長変換部２０で基本波の４倍波を出力するようにしてもよい。これによって、ＫｒＦエキシマレーザと同一の波長２４８ｎｍの紫外光を得ることが可能である。
なお、上記の実施形態における最終段の高ピーク出力の光ファイバー増幅器（例えば図２の光増幅ユニット１８中の光ファイバー増幅器２５）においては、ファイバー中での非線形効果による増幅光のスペクトル幅の増加を避けるため、ファイバーモード径が通常通信で用いられているもの（５〜６μｍ）よりも広い、例えば２０〜３０μｍの大モード径ファイバーを使用することが望ましい。
【００６８】
更に、最終段の光ファイバー増幅器（例えば図２の光ファイバー増幅器２５）において高出力を得るためには、その大モード径ファイバーに代えて、ファイバー・クラッドが二重構造となったダブル・クラッド・ファイバーを用いるようにしてもよい。この光ファイバーでは、コアの部分にレーザ光の増幅に寄与するイオンがドープされており、増幅されるレーザ光（信号）がこのコア内を伝搬する。そして、コアを取り巻く第１クラッドに励起用半導体レーザをカップリングする。この第１クラッドはマルチモードであり、断面積も大きいため高出力の励起用半導体レーザ光の伝導が容易であり、マルチモード発振の半導体レーザを効率よくカップリングし、励起用光源を効率よく使用することができる。その第１クラッドの外周には第１クラッドの導波路を形成するための第２クラッドが形成されている。
【００６９】
また、上記の実施の形態の光ファイバー増幅器として石英ファイバー、又はシリケイト系ファイバーを用いることができるが、これらの他にフッ化物系ファイバー、例えばＺＢＬＡＮファイバーを用いるようにしてもよい。このフッ化物系ファイバーでは、石英やシリケイト系などに比べてエルビウム・ドープ濃度を大きくすることができ、これにより増幅に必要なファイバー長を短縮することができる。このフッ化物系ファイバーは、特に最終段の光ファイバー増幅器（図２の光ファイバー増幅器２５）に適用することが望ましく、ファイバー長の短縮により、パルス光のファイバー伝播中の非線形効果による波長幅の広がりを抑えることができ、例えば露光装置に必要な波長幅が狭帯化された光源を得ることが可能となる。特に開口数が大きい投影光学系を有する露光装置でこの狭帯化光源が使用できることは、例えば投影光学系を設計、製造する上で有利である。
【００７０】
ところで、前述のように二重構造のクラッドを持つ光ファイバー増幅器の出力波長として１．５１〜１．５９μｍを使用する場合には、ドープするイオンとしてエルビウム（Ｅｒ）に加えイッテルビウム（Ｙｂ）を共にドープすることが好ましい。これは半導体レーザによる励起効率を向上させる効果があるためである。すなわち、エルビウムとイッテルビウムとの両方をドープする場合、イッテルビウムの強い吸収波長が９１５〜９７５ｎｍ付近に広がっており、この近傍の波長で各々異なる発振波長を持つ複数の半導体レーザを波長分割多重（ＷＤＭ）により結合させて第１クラッドにカップリングすることで、その複数の半導体レーザを励起光として使用できるため大きな励起強度を実現することができる。
【００７１】
また、光ファイバー増幅器のドープ・ファイバーの設計については、本例のように予め定められた一定の波長で動作する装置（例えば露光装置）では、所望の波長における光ファイバー増幅器の利得が大きくなるように材質を選択することが望ましい。例えば、ＡｒＦエキシマレーザと同じ出力波長（１９３〜１９４ｎｍ）を得るための紫外レーザ装置において、光増幅器用ファイバーを用いる場合には所望の波長、例えば１．５４８μｍで利得が大きくなる材質を選ぶことが望ましい。
【００７２】
しかしながら、通信用ファイバーでは波長分割多重化通信のため、１．５５μｍ付近の数十ｎｍの波長領域で、比較的平坦な利得を持つように設計されている。そこで、例えば励起媒質としてエルビウム単一ドープのコアを持つ通信用ファイバーでは、この平坦な利得特性を実現するために、アルミニウムやリンをシリカファイバーにコ・ドープする手法が用いられる。このためこの種のファイバーでは、１．５４８μｍで必ずしも利得が大きくならない。また、ドープ元素のアルミニウムは、１．５５μｍ付近のピークを長波長側にシフトさせ、リンは短波長側にシフトさせる効果を持つ。従って、１．５４７μｍ近傍で利得を大きくするためには、少量のリンをドープすればよい。同様に、例えばエルビウムとイッテルビウムとを共にドープ（コ・ドープ）したコアを持つ光増幅器用ファイバー（例えば前記ダブル・クラッド・タイプのファイバー）を用いる場合にも、コアに少量のリンを加えることにより、１．５４７μｍ付近でより高い利得を得ることができる。
【００７３】
次に、図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のいくつか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１．５４４μｍ（周波数をωとする）の基本波としてのレーザ光ＬＢ４は、１段目の非線形光学結晶５０２に入射し、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、レンズ５０５を経て２段目の非線形光学結晶５０３に入射し、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５０６を介して３段目の非線形光学結晶５０４に進み、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７７２ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順に波長変換が行われる。
【００７４】
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ＬｉＢ3 Ｏ5 （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ＬｉＢ3 Ｏ5 （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Ｓｒ2 Ｂｅ2 Ｂ2 Ｏ7 （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。
【００７５】
なお、図３（ａ）において、光ファイバー・バンドル１９と非線形光学結晶５０２との間に、レーザ光ＬＢ４の入射効率を高めるために集光レンズを設けることが望ましい。この際に、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程度であるため、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５０２中に集光するようにしてもよい。これは以下の構成例でも同様である。
【００７６】
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、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に入射し、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を通って２段目の非線形光学結晶５１０に入射する。
【００７７】
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５１０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、ミラーＭ１で反射されレンズ５１３を通って３段目のβ−ＢａＢ2 Ｏ4 （ＢＢＯ）結晶よりなる非線形光学結晶５１４に入射する。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。
【００７８】
一方、ダイクロイック・ミラーを透過した２倍波はレンズ５１２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倍波もレンズ５１５を経てダイクロイック・ミラー５１６に入射し、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に入射する。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１９３ｎｍ）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ＣｓＬｉＢ6 Ｏ10（ＣＬＢＯ）結晶を用いることも可能である。この波長変換部２０Ａ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。
【００７９】
このように６倍波と２倍波との一方が分岐光路を通って４段目の非線形光学結晶５１７に入射する構成では、６倍波と２倍波とをそれぞれ４段目の非線形光学結晶５１７に集光して入射させるレンズ５１５，５１２を互いに異なる光路に配置することができる。この場合、３段目の非線形光学結晶５１４で発生した６倍波はその断面形状がWalk-off現象により長円形になっているため、４段目の非線形光学結晶５１７で良好な変換効率を得るためには、その６倍波のビーム整形を行うことが望ましい。そこで本例のように、レンズ５１５，５１２を別々の光路に配置することにより、例えばレンズ５１５としてシリンドリカルレンズ対を用いること等が可能となり、６倍波のビーム整形を容易に行うことができる。このため、４段目の非線形光学結晶（ＢＢＯ結晶）５１７での２倍波との重なり部を増加させて、変換効率を高めることが可能である。
【００８０】
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５１１，５１６を用いる必要がなくなる。
【００８１】
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）の平均出力を実験的に求めて見た。基本波の出力は前述の実施形態で説明した通り各チャネルの出力端で、ピーク・パワー２０ｋＷ、パルス幅１ｎｓ、パルス繰り返し周波数１００ｋＨｚ、及び平均出力２Ｗである。この結果、各チャネル当たりの８倍波の平均出力は、図３（ａ）の波長変換部２０では２２９ｍＷ、図３（ｂ）の波長変換部２０Ａでは３８．３ｍＷであった。従って、全１２８チャネルを合わせたバンドルからの平均出力は、波長変換部２０では２９Ｗ、波長変換部２０Ａでは４．９Ｗとなり、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。
【００８２】
なお、波長変換部２０，２０Ａ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。
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。
【００８３】
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。
【００８４】
また、上記の実施の形態では、図１（ａ）の光変調素子１２において、図５に示すように紫外光（レーザ光ＬＢ５）をオフにする期間でも所定のレベルの連続光を出力しているため、後段の光ファイバー増幅器１３，２２，２５において光サージの発生が防止されて、紫外光をオンにした直後にも目標値通りの出力を得ることができる。なお、そのように紫外光がオフの期間に連続光を出力する代わりに、紫外光がオンの期間に比べてデューティ比（パルス周期に対するハイレベル“１”の期間の割合）が１０倍以上で望ましくは１００倍以上のパルス光を出力してもよい。この場合にも、紫外光がオンの期間とオフの期間とで平均レベルをほぼ同じにすることによって、オフの期間のパルス光のピークレベルが１／１０以下、又は１／１００以下となるため、連続光を出力する場合と同様に光サージを抑えて、かつオフの期間での紫外光への変換効率をほぼ０にすることができる。
【００８５】
次に、本発明の第２の実施の形態につき図６〜図８を参照して説明する。本例は図１（ａ）の実施の形態に対して単一波長発振レーザ１１から光ファイバー増幅器１３までの構成が異なるため、その部分につき説明する。
図６は、本例の要部を示し、この図６において、単一波長発振レーザ１１から出力された波長１．５４４μｍ（これをλ1 とする）のレーザ光ＬＢ１は、光ファイバー５３Ａを介して波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）素子（ＷＤＭ素子）５２に入射し、補助光源としての半導体レーザ５１から射出された波長λ1 とは異なる波長λ2 のレーザ光ＬＢＲは、光ファイバー５３Ｂを介してＷＤＭ素子５２に入射し、ＷＤＭ素子５２でカップリングされたレーザ光は光ファイバー５３Ｃを介して光変調素子１２に入射する。そして、光変調素子１２でパルス変調、又は振幅変調（レベル変調）を受けて出力されたレーザ光ＬＢ２が光ファイバー増幅器１３に入射している。
【００８６】
その補助光源からのレーザ光ＬＢＲの波長λ2 は、光ファイバー増幅器１３、及び後段の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ中の光ファイバー増幅器２２，２５で増幅可能な波長域中で、かつ波長変換部２０において紫外光への変換効率がほぼ０となる波長に設定されている。紫外光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）とほぼ同一波長の光を発生する場合を想定すると、光ファイバー増幅器１３，２２，２５で増幅可能な波長域は約１．５３〜１．５６μｍ程度であるため、レーザ光ＬＢＲの波長λ2 は、例えば約１．５３μｍ又は１．５６μｍ程度に設定される。
【００８７】
そして、本例では第１の使用方法として、図７（ａ），（ｂ）に示すように、紫外光を出力しないオフ（ＯＦＦ）の期間にはレーザ光ＬＢ１を消灯して、レーザ光ＬＢＲを連続発光させ、紫外光を出力するオン（ＯＮ）の期間にはレーザ光ＬＢ１を連続発光させてレーザ光ＬＢＲを消灯する。即ち、本来のレーザ光ＬＢ１と補助用のレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させる。これと共に、ドライバ３から光変調素子１２に供給される駆動信号としての印加電圧Ｖ１２を、図７（ｃ）に示すように紫外光を出力するオンの期間のみにパルス状に設定する。これによって、光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２は、図７（ｄ）に示すように、オンの期間には周波数１００ｋＨｚ程度のピークレベルＬＢで幅１ｎｓ程度のパルス列（波長λ1 ）となり、オフの期間にはレベルＬＡの連続光（波長λ2 ）となる。この場合のレベルＬＡは、例えば最終段の光ファイバー増幅器２５から出力されるレーザ光の平均出力が、オンの期間とオフの期間とでほぼ等しくなるように設定されている。これによって、光ファイバー増幅器２５等で光サージが生じないと共に、紫外光を出力しないオフの期間の変換効率は殆ど０となって不要なレーザ光が出力されることも無い。
【００８８】
また、本例では第２の使用方法として、図８（ａ），（ｂ）に示すように、本来のレーザ光ＬＢ１と補助用のレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させると共に、ドライバ３から光変調素子１２に供給される印加電圧Ｖ１２（駆動信号）を、図８（ｃ）に示すように常時パルス状に設定する。これによって、光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２は、図８（ｄ）に示すように、オンの期間には図７（ｄ）の場合と同様のパルス列（波長λ1 ）となり、オフの期間にも同様のパルス列（波長λ2 ）となる。これによっても、光ファイバー増幅器２５等で光サージが生じないと共に、オフの期間に不要なレーザ光が出力されることも無い。
【００８９】
図７及び図８の制御方式の何れを使用するかは、光変調素子１２の波長特性及び補助用のレーザ光ＬＢＲの波長λ2 に応じて選択することが望ましい。即ち、紫外光を出力しない期間（オフの期間）で、光変調素子１２から波長λ2 の光のみが出力されるような制御方式を選ぶことが望ましい。
なお、図６の実施の形態では、光変調素子１２の入力部にＷＤＭ素子５２を配置しているが、図１０に示すように、光変調素子１２の出力部にＷＤＭ素子５２を配置して、光変調素子１２からの波長λ1 のレーザ光ＬＢＭと補助用の半導体レーザ５１からの波長λ2 のレーザ光ＬＢＲとをＷＤＭ素子５２でカップリングして、得られたレーザ光ＬＢ２を光ファイバー増幅器１３に供給するようにしてもよい。図１０の構成例においても、単一波長発振レーザ１１からのレーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＲとを逆位相で発光させることによって、光ファイバー増幅器における光サージの発生を抑制して、不要な紫外光の発生を防止できる。
【００９０】
次に、本発明の第３の実施の形態につき図９を参照して説明する。本例も図１（ａ）の実施の形態に対して単一波長発振レーザ１１から光ファイバー増幅器１３までの構成が異なるため、その部分につき説明する。
図９は本例の要部を示し、この図９において、単一波長発振レーザ１１から出力された波長１．５４４μｍのレーザ光ＬＢ１（これを直線偏光とする）は、異なる偏光状態の２つの光を同軸に合成するための偏波合成素子５５に入射し、補助光源としての半導体レーザ５４から射出されたレーザ光ＬＢ１とは直交する方向に直線偏光した波長１．５４４μｍのレーザ光ＬＢＰは偏波合成素子５５に入射し、偏波合成素子でカップリングされたレーザ光は光変調素子１２に入射する。そして、光変調素子１２でパルス変調、又は振幅変調（レベル変調）を受けて出力されたレーザ光ＬＢ２が光ファイバー増幅器１３に入射している。
【００９１】
この場合、本例で使用されている各光ファイバーにおいては、内部を伝播する光の偏光状態は或る程度保存されるものとし、最終的に図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９から射出されるレーザ光ＬＢ４は、波長変換部２０から紫外光が出力される期間（オンの期間）において最大の変換効率が得られる偏光状態となるように、各光ファイバーの角度等が設定されているものとする。そして、図９において、レーザ光ＬＢ１の偏光方向は波長変換部２０において最大の変換効率が得られる方向に設定されており、補助光源からのレーザ光ＬＢＲの偏光方向は、波長変換部２０において変換効率が最小になる方向となっている。
【００９２】
この実施の形態においても、図６の実施の形態と同様に、レーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＰとは紫外光を出力する期間（オンの期間）と出力しない期間（オフの期間）とで逆位相で発光する。また、光変調素子１２の駆動方法にも、図７に示すようにオンの期間のみにパルス光を出力させる方法と、図８に示すように常時パルス光を出力させる方法とがある。図７及び図８の制御方式の何れを使用するかは、光変調素子１２の波長特性及び補助用のレーザ光ＬＢＰの偏光状態に応じて選択することが望ましい。即ち、紫外光を出力しない期間（オフの期間）で、光変調素子１２からレーザ光ＬＢＰのみが出力されるような制御方式を選ぶことが望ましい。これによって、光ファイバー増幅器１３，２２，２５では常時ほぼ一定の出力が得られて光サージの発生が抑制されていると共に、オフの期間には波長変換部２０で紫外光に対する変換効率がほぼ０になって、不要な紫外光が出力されることが無い。
【００９３】
なお、図９の実施の形態では、光変調素子１２の入力部に偏波合成素子５５を配置しているが、図１１に示すように、光変調素子１２の出力部に偏波合成素子５５を配置して、光変調素子１２からの直線偏光のレーザ光ＬＢＭと補助用の半導体レーザ５４からの偏光方向が直交するレーザ光ＬＢＰとを偏波合成素子５５でカップリングして、得られたレーザ光ＬＢ２を光ファイバー増幅器１３に供給するようにしてもよい。図１１の構成例においても、単一波長発振レーザ１１からのレーザ光ＬＢ１とレーザ光ＬＢＰとを逆位相で発光させることによって、光ファイバー増幅器における光サージの発生を抑制して、不要な紫外光の発生を防止できる。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
【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、紫外光を出力する期間中は前記レーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増幅部に供給し、前記紫外光を出力しない期間中にも前記紫外光の出力に実質的に影響を与えない範囲で前記光増幅部に増幅可能な波長域の光を供給しているため、最終的にレーザ光（紫外光）の出力を開始する際の光サージの影響が軽減されて、常に目標とする出力が得られる。
更に、レーザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段を更に備え、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、出力光の発振周波数を高くして、かつ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態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】 図１の光ファイバー増幅器において光サージが生じる場合の説明図である。
【図５】 本発明の第１の実施の形態において光変調素子１２から出力されるレーザ光の状態、及び最終的に出力される紫外域のレーザ光ＬＢ５の状態を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態の光変調部を示す構成図である。
【図７】 その第２の実施の形態における各レーザ及び光変調素子１２の駆動方式の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】 その第２の実施の形態における各レーザ及び光変調素子１２の駆動方式の他の例を示すタイミングチャートである。
【図９】 本発明の第３の実施の形態の光変調部を示す構成図である。
【図１０】 その第２の実施の形態の変形例を示す構成図である。
【図１１】 その第３の実施の形態の変形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，１７−１〜１７−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、５１…補助用の半導体レーザ、５２…波長分割多重素子（ＷＤＭ素子）、５４…補助用の半導体レーザ、５５…偏波合成素子
Claims (6)
- 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で単一波長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るレーザ光の変調を行う光変調部と、
該光変調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光増幅部と、
該光増幅部によって増幅されたレーザ光を非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換する波長変換部と、を備え、
前記光変調部は、前記紫外光を発生する期間中は前記レーザ光発生部からのレーザ光をパルス変調して前記光増幅部に供給し、前記紫外光を発生しない期間中には、前記レーザ光発生部からのレーザ光のピークレベルを低下させて前記光増幅部に供給することを特徴とするレーザ装置。 - 前記紫外光を発生する期間中に前記光変調部から前記光増幅部に供給されるレーザ光のピークレベルに対して、前記紫外光を発生しない期間中に前記光変調部から前記光増幅部に供給されるレーザ光のピークレベルは１／１０以下であると共に、
前記紫外光を発生する期間中に前記光増幅部から出力される光の平均レベルと、前記紫外光を発生しない期間中に前記光増幅部から出力される光の平均レベルとは実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。 - 前記レーザ装置は、前記レーザ光発生部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段を更に備え、
前記光増幅部は前記複数に分岐されたレーザ光のそれぞれに独立に設けられると共に、
前記波長変換部は、前記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を特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。 - 前記レーザ光発生部は、波長が１．５μｍ付近の単一波長のレーザ光を発生し、
前記波長変換部は、前記光増幅部から出力される前記波長１．５μｍ付近の基本波を、８倍高調波又は１０倍高調波の紫外光に変換して出力することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ装置。 - 前記レーザ光発生部は、波長が１．１μｍ付近の単一波長のレーザ光を発生し、
前記波長変換部は、前記光増幅部から出力される前記波長１．１μｍ付近の基本波を、７倍高調波の紫外光に変換して出力することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ装置。 - 前記光変調部は、前記紫外光を出力しない期間中、前記光増幅部に連続光を供給することを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
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