JP4450147B2 - レーザ装置を備えた露光装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、紫外光を発生するレーザ装置を備えた露光装置に関し、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に使用して好適なものである。
背景技術
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）を短くすることである。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。
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。
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、狭いスペクトル線幅（波長幅）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。
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Ｆ_２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。
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。
また、例えば特開平８−３３４８０３号公報及び対応する米国特許第５，８３８，７０９号では、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。
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。
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。
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，ｐｐ．２４６−２４９」 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。
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。
また、そのような光源を光ファイバーを用いて構成することも考えられるが、単に光ファイバーを用いて強度の強い光を伝播させると、光ファイバーの非線形効果に起因したＳｅｌｆ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（以下、「ＳＰＭ」と言う）、Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ（以下、「ＳＲＳ」と言う）、Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ（以下、「ＳＢＳ」と言う）等の影響で伝播光の波長幅が広がるという不都合がある。このような波長幅の広がりによって、露光光のスペクトル線幅を１ｐｍ程度以下にするための余裕度（マージン）が低下することになる。
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備えた露光装置を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、使用する光学素子の非線形効果に起因した波長幅の広がりを抑制できるレーザ装置を備えた露光装置を提供することを第２の目的とする。
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備えた露光装置を提供することを第３の目的とする。
更に本発明は、そのような露光装置を用いた露光方法、デバイスの製造方法、及びそのような露光装置の効率的な製造方法を提供することをも目的とする。
発明の開示
本発明による第１の露光装置は、レーザ装置からの紫外光で第１物体（１６３）のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体（１６６）を露光する露光装置であって、そのレーザ装置は、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たレーザ光を順次増幅する複数段の光ファイバー増幅器（２２，２５）と、この複数段の光ファイバー増幅器の間に配置された狭帯域フィルタ（２４Ａ）及びアイソレータ（ＩＳ３）とを有する光増幅部（１８）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を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備えたものである。
この場合、複数段の光ファイバー増幅器間にはＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｉｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を時間的に取り除くために、パルス光が通過するときだけオンにするゲートの働きを行う素子、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）や電気光学素子（ＥＯＭ）を挿入してもよい。
また、本発明による第２の露光装置は、レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、そのレーザ装置は、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たレーザ光を増幅する複数の増幅用光ファイバー（２２，２５）と、複数の増幅用の励起光を発生する励起光発生光源（２３Ａ）と、その複数の増幅用光ファイバーの間に配置された狭帯域フィルタ（２４Ａ）又はアイソレータ（ＩＳ３）と、この狭帯域フィルタ又はアイソレータと並列にその励起光を通過させるためのバイパス部材（２１Ｂ，２１Ｃ，３０）とを有する光増幅部（１８Ａ；１８Ｂ）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を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備えたものである。
また、本発明による第３の露光装置は、レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、そのレーザ装置は、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たレーザ光を順次増幅する複数段の光ファイバー増幅器（２２，２５）と、この複数段の増幅用光ファイバーのそれぞれのために励起光を発生する複数の励起光発生光源（２３Ａ，２３Ｄ）と、その複数段の増幅用光ファイバーの間に配置された狭帯域フィルタ（２４Ａ）とを備え、狭帯域フィルタの両側に結合された光ファイバー端に励起光を反射するための反射膜が形成された光増幅部（１８Ｃ）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を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備えたものである。
また、本発明による第４の露光装置は、レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、そのレーザ装置は、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たレーザ光を所定周波数で所定幅のパルス光に変換する光変調部（１２）と、この光変調部を通過し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）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、その光変調部で変換されるパルス光の幅は、最終的に発生する紫外光で所定の波長幅を得るためのパルス幅よりも広く設定されるものである。
また、本発明の第５の露光装置は、レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、そのレーザ装置は、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たレーザ光を増幅する光ファイバー増幅器（２５）と、この光ファイバー増幅器で増幅されたレーザ光を伝播する伝送用光ファイバー（２６）と、その光ファイバー増幅器とその伝送用光ファイバーとの間に配置された狭帯域フィルタ（２４Ａ）とを有する光増幅部（１８Ｄ）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を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備えたものである。
また、本発明の第６の露光装置は、レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体を経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、そのレーザ装置は、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、そのレーザ光を複数に分岐する光分岐装置と、その複数に分岐されたレーザ光をそれぞれ独立に増幅する複数の光ファイバー増幅器と、その増幅されたレーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを有し、その複数に分岐されたレーザ光の出力をほぼ均一とするように、その複数の光ファイバー増幅器の少なくとも１つでの増幅利得を調整する調整装置を備えるものである。
斯かる本発明の各露光装置によれば、そのレーザ装置中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 ｆｅｅｄ ｂａｃｋ）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複数段の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備えた露光装置を提供できる。
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が、これらの光ファイバー増幅器に強い光を伝播させると、非線形効果に起因して波長幅が広がる恐れがある。
その非線形効果中でＳＰＭ（Ｓｅｌｆ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、及びＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）による波長幅広がりはファイバー長が長いほど大きくなる。例えば、簡単なモデルでは、ＳＰＭによる波長幅広がりはファイバー長に比例する。従ってファイバー長を短くすることでＳＰＭによる波長幅広がりを小さく抑えることができる。また、ＳＲＳが起こり始める光強度をＳＲＳ閾値とすると、ＳＲＳ閾値はファイバー長に反比例する。従ってファイバー長を短くすることでＳＲＳ閾値を増加させ、ＳＲＳが起こりにくくすることで、光ファイバー増幅器出力の波長幅広がりを抑える効果が得られる。ＳＰＭ，ＳＲＳ何れの場合にもファイバー長を短くすることで、波長幅広がりを低減できる。
次に、ＳＲＳ及びＳＢＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、ファイバーを伝播する光がフォノンによる散乱を受け、フォノン・サイドバンドに散乱される現象である。フォノン・サイドバンドに散乱された光の波長は、フォノンの波長分だけ元の波長とは異なり、元の波長幅に対して波長幅が広がることになる。更に、ＳＲＳ及びＳＢＳではフォノン・サイドバンドに散乱された光がコヒーレントに増幅され、強度が大きくなる。特に、フォノン・サイドバンドに相当する波長のノイズが存在する場合には、それが種（シード光）となって増幅を受けるため散乱光の強度が大きくなり、ＳＲＳ，ＳＢＳによる波長幅広がりの影響が顕著になる。従って、ＳＲＳ，ＳＢＳの影響を低減するためには種となるノイズを低減することが必要である。
そこで、上記の本発明においては、先ず複数段の光ファイバー増幅器の接続部に狭帯域フィルタ及びアイソレータを挿入することによって、Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｉｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ（以下、「ＡＳＥ」と言う）ノイズを軽減する。これによって、ＳＲＳ及びＳＢＳを低減できる。
また、別の方法として複数段の光ファイバー増幅器の間にアイソレータを挿入することによってもＡＳＥを小さくできるため、ＳＲＳ及びＳＢＳの影響を低減できる。更に、複数段の光ファイバー増幅器の間に狭帯域フィルタを挿入することによってＡＳＥを小さくできると共に、狭帯域フィルタはラマン（Ｒａｍａｎ）散乱によって散乱された光をブロックできるために、散乱光がコヒーレントに増幅されることがなくなって、ＳＲＳの影響も低減される。
これらの場合に、アイソレータ又は狭帯域フィルタにより励起光の伝播が阻止される。そこで、励起光をアイソレータ又は狭帯域フィルタの前後の光ファイバー増幅器に伝播できるようにバイパス部材を設けている。このバイパス部材では、カップリング用の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）素子を用いることによって、励起光を効率的に使用することができる。
次に、双方向励起構造の光ファイバー増幅器においても、その接続部に狭帯域フィルタを配置することで非線形効果による波長幅の広がりが低減される。更に、その狭帯域フィルタの両端に結合された光ファイバーの端面に励起光を反射する膜を形成しておくと、前方と後方との両側から注入された励起光はそれぞれ反射されて逆向きに伝播して、元の光ファイバー増幅器に戻る。これによって、上記の励起光のバイパスのためのＷＤＭ用の合波器等が不要になり、構成が簡略化されると共に、ＷＤＭの挿入損失も無くなる。
次に、更に別の方法として、光変調部で変換されるパルス光の波形を、最終的に発生する紫外光で所定の波長幅を得るためのパルス幅、即ち必要な周波数幅のトランスファー・リミットで決まるパルス幅より数倍長い幅（例えば、２ｎｓから５ｎｓ程度）を持つと共に、パルス過渡時間がほぼ最大になる波形を使用する方法もある。この場合には、最終段の光ファイバー増幅器での利得のブリーチングを利用することによって、出力光のパルス幅は短くなる。
即ち、ＳＰＭによる周波数広がりは光強度の時間変化に比例するので、光強度の時間変化が緩やかなパルス過渡時間が長いパルスほど周波数広がりが小さくなる。従って、パルス幅が長く、過渡時間が長いパルスを使用することでＳＰＭの影響を低減できる。一方、パルス幅が広いほどＳＢＳの影響が大きくなるというトレードオフがある。簡単なモデルでは、ＳＢＳが起こり始める光強度である閾値は、パルス幅に反比例する。しかし、ＳＢＳが最も問題となる最終段の光ファイバー増幅器では利得のブリーチングがおこるため、出力光のパルス幅は短くなり、パルス幅が広いための悪影響は軽減される。
更に、別の方法として最終段の高出力の光ファイバー増幅器から伝送用の光ファイバーへのＳＲＳの伝播を抑えるために、その接続部に狭帯域フィルタを挿入する方法がある。その狭帯域フィルタによってＡＳＥを低減できると共にＳＲＳの伝播が抑えられて、伝播光の波長幅の広がりが小さくなる。
また、光ファイバー増幅器として、例えばエルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）を使用する場合、励起光としては（９８０±１０）ｎｍ及び（１４８０ｎｍ±３０）ｎｍの光を使用できる。ところが、励起波長として、９８０ｎｍ帯を用いる場合、１４８０ｎｍ帯を用いる場合に比較して、単位長さ当たりの利得が大きくなる。従って、所望の利得を得るために必要なファイバー長を短くすることができ、ノイズの主要因であるＡＳＥを小さくできる。このため、９８０ｎｍ帯の励起では１４８０ｎｍ帯の励起に比較して、光ファイバー増幅器のノイズを低減できる。
なお、イッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・光ファイバー、及びエルビウムとイッテルビウムとをコ・ドープした光ファイバーの励起光としては（９７０±１０）ｎｍの光が使用できる。
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装置（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。このように光分岐装置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。
更に、そのレーザ光は光変調器等によって例えば１００ｋＨｚ程度の高い周波数で容易に変調することができる。また、各パルス光は所定の時間間隔の例えば１００個程度のパルス光の集合体である。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１／１０００〜１／１００００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。
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、Ｆ_２レーザと実質的に同一波長の１５７〜１５８ｎｍの紫外光が得られる。同様に、例えばレーザ光発生部として波長が１．１μｍ付近、特に１．０９９〜１．１０６μｍ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７倍高調波の発生を行う構成によって、Ｆ_２レーザと実質的に同一波長の紫外光が得られる。
そして、本発明の露光装置は、更に、そのレーザ装置からの紫外光をマスク（１６３）に照射する照明系（１６２）と、そのマスクのパターンの像を基板（１６６）上に投影する投影光学系（１６５）とを有し、そのマスクのパターンを通過した紫外光でその基板を露光するものである。本発明のレーザ装置の使用によって、露光装置全体を小型化でき、かつメンテナンスが容易になる。
また、本発明の露光方法によれば、そのレーザ装置からの紫外光がその露光装置の例えばＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメント系のアライメント光として使用される。このアライメント光は実質的に連続光にできるため、アライメントが容易になる。
次に、本発明による第１の露光装置の製造方法は、レーザ装置からの紫外光で第１物体（１６３）のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体（１６６）を露光する露光装置の製造方法であって、そのレーザ装置を、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たレーザ光を順次増幅する複数段の光ファイバー増幅器（２２，２５）と、この複数段の光ファイバー増幅器の間に配置された狭帯域フィルタ（２４Ａ）及びアイソレータ（ＩＳ３）とを有する光増幅部（１８）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を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを所定の位置関係で配置して構成したものである。
また、本発明による第２の露光装置の製造方法は、レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置の製造方法であって、そのレーザ装置を、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たレーザ光を増幅する複数の増幅用光ファイバー（２２，２５）と、複数の増幅用の励起光を発生する励起光発生光源（２３Ａ）と、その複数の増幅用光ファイバーの間に配置された狭帯域フィルタ（２４Ａ）又はアイソレータ（ＩＳ３）と、この狭帯域フィルタ又はアイソレータと並列にその励起光を通過させるためのバイパス部材（２１Ｂ，２１Ｃ，３０）とを有する光増幅部（１８Ａ；１８Ｂ）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を用いて紫外光に波長変換する波長変換部（２０）とを所定の位置関係で配置して構成したものである。
また、本発明のデバイスの製造方法は、本発明の露光装置を用いてマスクパターンを基板上に転写する工程を含むものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好適な実施の形態の一例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、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を適用したものである。
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を介して光変調器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。
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（９８０±１０）ｎｍ又は（１４８０ｎｍ±３０ｎｍ）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（９８０±１０）ｎｍ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、更に１４８０ｎｍ帯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点でも望ましい。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。
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の光分割素子（１４）及び第２の光分割素子（１６−１〜１６−ｍ）が本発明の一実施形態における光分岐装置に対応する。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）のレーザ光に分割される。
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。
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。
光ファイバー・バンドル１９から射出されたレーザ光ＬＢ４は、非線形光学素子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。
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ている。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。なお、光分岐増幅部４は図１の構成に限られるものではなく、例えば光分岐装置として時分割型光分岐素子（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）などを用いてもよい。
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Ｆ_２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Ｆ_２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。
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Ｆ_２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Ｆ_２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。
なお、最終的にＡｒＦエキシマレーザ、又はＦ_２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。即ち、波長変換部２０から発生する紫外光はその波長が任意（一例としては２００ｎｍ程度以下）でよいし、８倍波及び１０倍波以外でもよく、波長変換部２０の構成は任意で構わない。
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。
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。
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が制御して、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。
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。
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。
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、大気圧変化、及び照明光学系によるレチクルの照明条件（即ち、照明光学系の瞳面上での露光用照明光の光量分布）の変更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。
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の動作は、制御部１によってドライバ３を介して制御されている。本構成例では一例として、この光変調素子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、光変調素子１２から出力されるパルス光のピーク出力は２０ｍＷ、平均出力は２μＷ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、各パルス光を例えば１２８個の遅延したパルス光の集合体とすることによって、各パルス当たりのエネルギーを１／１０００〜１／１００００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。
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の電流制御によって、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。
これにより、光変調素子１２のみを用いる場合に比べて、パルス幅が狭いパルス光を容易に発生させることが可能になると共に、パルス光の発振間隔や発振の開始及びその停止などをより簡単に制御することが可能になる。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。
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２×１０^８ｍ／ｓであるとし、チャネル０、１、２、３にそれぞれ０．１ｍ、１９．３ｍ、３８．５ｍ、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。
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。
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。
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。
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。
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、その本例では時分割多重手段を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。
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。
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いるが、特に最終段の光ファイバー増幅器のように、強度の大きな光が光ファイバー中を伝播する場合には、光ファイバーの非線形効果に起因したＳＰＭ（Ｓｅｌｆ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、ＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）、及びＳＢＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）等の影響で伝播光の波長幅が広がってしまう。そこで、以下の実施の形態では、その非線形効果の影響を軽減して波長幅の広がりを抑えるための構成例を示す。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いくつか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。
図２は、第１の構成例の光増幅ユニット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。光ファイバー増幅器２２，２５は「増幅用光ファイバー」とも呼ぶことができる。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。
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。
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を介して増幅用光ファイバー２２に入射して増幅される。この増幅用光ファイバー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を介して増幅用光ファイバー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（増幅用光ファイバー２５の射出端の延長部でもよい）を伝播する。
この場合、２段の増幅用光ファイバー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。
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。
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。
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。更に、図２の構成例においては、狭帯域フィルタ２４Ａ及びアイソレータＩＳ３を用いることによってＡＳＥノイズが低減しているために、最終段の光ファイバー増幅器２５の他の非線形効果であるＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）及びＳＢＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の影響も低減されるため、波長幅の広がりが抑制される。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。
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。
次に、図３を参照して第２の構成例の光増幅ユニット１８Ａにつき説明する。図３において図２に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。図３において、光増幅ユニット１８Ａも２段の光ファイバー増幅器２２及び２５を接続して構成され、前段の光ファイバー増幅器２２にはＷＤＭ素子２１Ａを介して前方から半導体レーザ２３Ａからの励起光ＥＬ１が供給されている。また、光ファイバー増幅器２２から光ファイバー増幅器２５にかけて順次ＷＤＭ素子２１Ｂ、アイソレータＩＳ３、及びＷＤＭ素子２１Ｃが接続され、カップリング用のＷＤＭ素子２１Ｂと２１Ｃとの間にバイパス用の光ファイバー３０が接続されている。
本例では、入射したレーザ光ＬＢ３は、光ファイバー増幅器２２で増幅された後、アイソレータＩＳ３を通過して光ファイバー増幅器２５で増幅される。この際に、光ファイバー増幅器２２を通過した励起光ＥＬ１は、バイパス用の光ファイバー３０を介して後段の光ファイバー増幅器２５を通過するため、励起光源を少なくした簡単な構成でありながら光ファイバー増幅器２５でも高い増幅利得が得られる。また、アイソレータＩＳ３の使用によってＡＳＥを小さくできるため、ＳＲＳ及びＳＢＳの影響も低減される。
次に、図４を参照して第３の構成例の光増幅ユニット１８Ｂにつき説明する。図４において図３に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。図４の光増幅ユニット１８Ｂは、図３の光増幅ユニット１８Ａにおいて、２段の光ファイバー増幅器２２，２５の間のアイソレータＩＳ３を狭帯域フィルタ２４Ａで置き換えたものである。この構成でもＡＳＥを小さくすることができる。更に、狭帯域フィルタ２４Ａは光ファイバー中でラマン散乱によって散乱された光をブロックするため、散乱光がコヒーレントに増幅されることが阻止されて、ＳＲＳの影響が低減される。この例でも、バイパス用の光ファイバー３０を介して励起光ＥＬ１が増幅用光ファイバー２５にも供給されている。また、図４の狭帯域フィルタ２４Ａとしては、ノイズを低減するために、特に多層膜フィルタ、又はファイバー・ブラッグ・グレーティングが望ましい。
次に、図５を参照して第４の構成例の光増幅ユニット１８Ｃにつき説明する。図５において図２に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。図５の光増幅ユニット１８Ｃは、図２の光増幅ユニット１８において、ＷＤＭ素子２１Ｂ，２１Ｃ、励起用の半導体レーザ２３Ｂ，２３Ｃ、及びアイソレータＩＳ３を省いたものである。更に、図５において、狭帯域フィルタ２４Ａの両端面２４Ａａ，２４Ａｂに結合された光ファイバーの端面には、それぞれ半導体レーザ２３Ａからの励起光ＥＬ１及び半導体レーザ２３Ｄからの励起光ＥＬ４を反射する高反射膜がコーティングされている。本例の光ファイバー増幅器２２，２５はエルビウム・ドープ・光ファイバーであるため、励起光ＥＬ１及びＥＬ４としては波長９８０ｎｍのレーザ光が使用される。そのため、狭帯域フィルタの両端に結合された光ファイバーの端面にはそれぞれ９８０ｎｍの光に対する高反射膜がコーティングされている。
この構成例では、入射したレーザ光ＬＢ３は、光ファイバー増幅器２２から狭帯域フィルタ２４Ａを通過して更に光ファイバー増幅器２５を通過する。また、一方の励起光ＥＬ１は前方から光ファイバー増幅器２２を通過して励起を行った後、狭帯域フィルタ２４Ａの面２４Ａａで反射されて再び光ファイバー増幅器２２を励起し、他方の励起光ＥＬ４は後方から光ファイバー増幅器２５を通過して励起を行った後、面２４Ａｂで反射されて再び光ファイバー増幅器２５を励起するため、光ファイバー増幅器２２，２５ではそれぞれ高い増幅利得が得られる。
この際に、狭帯域フィルタ２４Ａの使用によってＡＳＥが小さくなり、ＳＲＳの影響が低減されている。更に、図５の構成例では、図４の構成例と比べてバイパス用のＷＤＭ素子２１Ｂ，２１Ｃを挿入する必要が無くなり、構成が簡素化できると共に、ＷＤＭ素子の挿入損失も無くなっている。
次に、図６を参照して第５の構成例の光増幅ユニット１８Ｄにつき説明する。図６において図２に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。図６の光増幅ユニット１８Ｄにおいて、光ファイバー増幅器２５の前後にカップリング用のＷＤＭ素子２１Ｃ、及び狭帯域フィルタ２４Ａが接続され、ＷＤＭ素子２１Ｃを介して半導体レーザ２３Ｃからの励起光ＥＬ３が光ファイバー増幅器２５に供給されている。また、狭帯域フィルタ２４Ａはカップリング用の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）素子を兼用しており、狭帯域フィルタ２４Ａを介して半導体レーザ２３Ｄからの励起光ＥＬ４が光ファイバー増幅器２５に供給されている。そして、本例では狭帯域フィルタ２４Ａの射出端が図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９を構成する１本の無ドープの光ファイバー２６に接続されている。なお、不図示であるが、ＷＤＭ素子２１Ｃの前段には図２の光ファイバー増幅器２２及びこの励起用の部材が接続されている。
図６において、入射したレーザ光ＬＢ３は、光ファイバー増幅器２５で増幅された後、狭帯域フィルタ２４Ａを介して光ファイバー２６を伝播する。この際に、狭帯域フィルタ２４ＡはＷＤＭ素子を兼用しているため、構成が簡素化されている。更に、狭帯域フィルタ２４Ａの使用によって無ドープの光ファイバー２６内でのＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の影響が軽減されるため、全体として波長幅の広がりが抑制される。
次に、本発明の実施の形態の他の例につき図１、図２及び図７を参照して説明する。上記の実施の形態では、図１（ａ）の光変調素子１２から出力されるレーザ光のパルス幅は１ｎｓ程度に設定されている。このようにパルス幅が短い場合に、ピーク出力を高くすると、特に後段の光ファイバー増幅器においてＳＰＭ（Ｓｅｌｆ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）による周波数広がりが大きくなる恐れがある。そこで、本例では、光変調素子１２における出力パルスの幅を、必要な周波数幅のトランスファー・リミットで決まるパルス幅（本例では１ｎｓ程度）の数倍、例えば２ｎｓ〜５ｎｓ程度に設定すると共に、パルス波形をパルス過渡時間が最大になるようにする。
図７は、本例の各部のパルス波形の一例を示し、図１（ａ）の光変調素子１２から出力されるレーザ光ＬＢ２の時間ｔに対する強度変化は、図７（ｂ）の実線の波形２８Ａのようになる。この波形２８Ａのパルス幅ΔｔＡは、所望のレーザ光の周波数幅のトランスファー・リミットで決まる点線で示す波形２８Ｂのパルス幅ΔｔＢの２倍程度に設定されている。この場合に、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ＬＢ１は、図７（ａ）の実線で示すようにＣＷ波でもよいが、２点鎖線の波形２７で示すようにパルス幅ΔｔＡよりも広い幅のパルス光としておくことによって、レーザ光の利用効率を高めることができる。
また、本例の図１（ａ）の光増幅ユニット１８−１として図２の光増幅ユニット１８が使用されるものとすると、上記のようにレーザ光ＬＢ２のパルス幅が広くなると、特に最終段の光ファイバー増幅器２５においてＳＰＭの影響が低減される反面で、ＳＢＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の影響が大きくなる。ところが、その最終段の光ファイバー増幅器２５では利得のブリーチングが起こるために、光増幅ユニット１８から出力されるレーザ光ＬＢ３のパルス幅は、図７（ｃ）の実線の波形２９Ａで示すように、レーザ光ＬＢ２の波形にそのまま対応する点線の波形２９Ｂに比べて短くなる。従って、光変調素子１２でパルス幅を広くしたことの悪影響は軽減され、全体として最終的に出力される紫外光の波長幅を狭くすることができる。
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、Ｆ_２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、Ｆ_２レーザとほぼ同一波長の紫外光が得られる。
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。
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。
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。
更に、フォスフェイトガラス、又は酸化ビスマス系ガラス（Ｂｉ_２Ｏ_３Ｂ_２Ｏ_３）を主材とする光ファイバーを、特に最終段の光ファイバー増幅器として用いるようにしてもよい。ここで、フォスフェイトガラス光ファイバーでは、高密度に希土類元素（例えばエルビウム（Ｅｒ）、又はエルビウム（Ｅｒ）とイッテルビウム（Ｙｂ）との両方）をコアに添加（ドープ）することができ、同一の光増幅率を得るために必要なファイバ長が従来のシリカガラス光ファイバーの１／１００程度となる。また、酸化ビスマス系ガラス光ファイバーでは、従来のシリカガラスと比べて、エルビウム（Ｅｒ）のドープ量を１００倍程度以上にすることができ、フォスフェイトガラスの場合と同様の効果を得ることができる。
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。
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。
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。
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８（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８（ａ）において、光ファイバー・バンドル１９の出力端１９ａから出力された波長１．５４４μｍ（周波数をωとする）のレーザ光ＬＢ４の基本波は、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周波数ω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、入射波の周波数２ω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、入射波の周波数４ω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。
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ＬｉＢ_３Ｏ_５（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ＬｉＢ_３Ｏ_５（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Ｓｒ_２Ｂｅ_２Ｂ_２Ｏ_７（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整合方法（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。
なお、図８（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。
次に、図８（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８（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の基本波は、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（波長７２２ｎｍ）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。
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（波長５１５ｎｍ）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−ＢａＢ_２Ｏ_４（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（波長２５７ｎｍ）に変換される。
一方、ダイクロイック・ミラー５１１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ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（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。
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。
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８（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。
また、図８（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８（ａ）の波長変換部２０では２２９ｍＷ、図８（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。
なお、波長変換部２０，２０Ａと同様の構成によって、基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→６倍波（波長２５７ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順に波長変換することも可能である。更に、基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）→３倍波（波長５１５ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→７倍波（波長２２１ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順に波長変換することも可能であり、基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）→３倍波（波長５１５ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→６倍波（波長２５７ｎｍ）→７倍波（波長２２１ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順に波長変換することによっても８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。
次に、Ｆ_２レーザ（波長１５７ｎｍ）とほぼ同一の波長の紫外光を得るための波長変換部の構成例につき説明する。この場合には、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１において発生する基本波の波長を１．５７μｍとして、波長変換部２０として１０倍波の発生を行う波長変換部を使用すればよい。
図９（ａ）は、２次高調波発生と和周波発生とを組み合わせて１０倍波を得ることができる波長変換部２０Ｂを示し、この図９（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１．５７μｍのレーザ光ＬＢ４の基本波は、ＬＢＯ結晶よりなる１段目の非線形光学結晶６０２に入射し、２次高調波発生により２倍波に変換される。この２倍波は、レンズ６０３を介してＬＢＯよりなる第２の非線形光学結晶６０４に入射して、２次高調波発生による４倍波に変換され、一部は２倍波のままで透過する。
非線形光学結晶６０４を透過した４倍波及び２倍波は、ダイクロイック・ミラー６０５に向かい、ダイクロイック・ミラー６０５で反射された４倍波は、ミラーＭ１で反射されレンズ６０８を通って３段目のＳｒ_２Ｂｅ_２Ｂ_２Ｏ_７（ＳＢＢＯ）結晶よりなる非線形光学結晶６０９に入射して、２次高調波発生により８倍波に変換される。一方、ダイクロイック・ミラー６０５を透過した２倍波はレンズ６０６及びミラーＭ２を経てダイクロイック・ミラー６０７に入射し、非線形光学結晶６０９で得られた８倍波もレンズ６１０を経てダイクロイック・ミラー６０７に入射し、ここでその２倍波と８倍波とは同軸に合成されて４段目のＳＢＢＯ結晶よりなる非線形光学結晶６１１に入射し、ここで８倍波と２倍波とからの和周波発生により１０倍波（波長１５７ｎｍ）が得られる。この１０倍波は紫外のレーザ光ＬＢ５として射出される。即ち、波長変換部２０Ｂでは、基本波（波長１．５７μｍ）→２倍波（波長７８５ｎｍ）→４倍波（波長３９２．５ｎｍ）→８倍波（波長１９６．２５ｎｍ）→１０倍波（波長１５７ｎｍ）の順に波長変換が行われる。
この構成例においても、ダイクロイック・ミラー６０５，６０７を用いずに４つの非線形光学結晶６０２，６０４，６０９，６１１を同一光軸上に配置してもよい。但し、本例では２段目の非線形光学結晶６０４で発生した４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。このため、このビームを入力とする４段目の非線形光学結晶６１１で良好な変換効率を得るためには、入射ビームとなる４倍波のビーム形状を整形し、２倍波との重なり部を広くすることが望ましい。本例では、集光用のレンズ６０６，６０８を別々の光路に配置することができるので、例えばレンズ６０８としてシリンドリカルレンズを用いることによって、４倍波のビーム整形を容易に行うことができる。このため、変換効率を高めることが可能である。
また、Ｆ_２レーザ（波長１５７ｎｍ）とほぼ同一波長の紫外光を得るためには、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１において発生する基本波の波長を１．０９９μｍとして、波長変換部２０として７倍波の発生を行う波長変換部を使用する方法も考えられる。
図９（ｂ）は、２次高調波発生と和周波発生とを組み合わせて７倍波を得ることができる波長変換部２０Ｃを示し、この図９（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１．０９９μｍのレーザ光ＬＢ４（基本波）は、ＬＢＯ結晶よりなる１段目の非線形光学結晶７０２に入射し、ここでの２次高調波発生により２倍波が発生し、基本波の一部はそのまま透過する。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）７０３を透過して、基本波のみの偏光方向が９０度回転する。基本波及び２倍波はレンズ７０４を介してＬＢＯ結晶よりなる第２の非線形光学結晶７０５に入射し、ここでの和周波発生により３倍波が発生すると共に、２倍波の一部がそのまま透過する。
非線形光学結晶７０５から発生される２倍波と３倍波とはダイクロイック・ミラー７０６で分岐され、ここを透過した３倍波はレンズ７０７及びミラーＭ２を経てダイクロイック・ミラー７０８に入射する。一方、ダイクロイック・ミラー７０６で反射された２倍波は、ミラーＭ１及びレンズ７０９を通ってＳＢＢＯ結晶よりなる第３の非線形光学結晶７１０に入射し、２次高調波発生により４倍波に変換される。この４倍波は、レンズ７１１を経てダイクロイック・ミラー７０８に入射し、ダイクロイック・ミラー７０８で同軸に合成された３倍波及び４倍波は、ＳＢＢＯ結晶よりなる第４の非線形光学結晶７１２に入射し、ここでの和周波発生により７倍波（波長１５７ｎｍ）に変換される。この７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１．０９９μｍ）→２倍波（波長５４９．５ｎｍ）→３倍波（波長３６６．３ｎｍ）→４倍波（波長２７４．８ｎｍ）→７倍波（波長１５７ｎｍ）の順に波長変換される。
この構成例においても、ダイクロイック・ミラー７０６，７０８を用いずに４つの非線形光学結晶７０２，７０５，７１０，７１２を同一光軸上に配置してもよい。また、この例でも、３段目の非線形光学結晶７１０で発生した４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。このため、このビームを入力とする４段目の非線形光学結晶７１２で良好な変換効率を得るためには、レンズ７１１としてシリンドリカルレンズを用いることによって、３倍波と４倍波との重なり部を最大にすればよい。
なお、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、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。即ち、波長変換部２０は上記構成に限られるものではなく任意でよいし、非線形光学結晶として上記以外、例えばＣＢＯ結晶（ＣｓＢ_３Ｏ_５）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ＫＡＢ（Ｋ_２Ａｌ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ＧｄＹＣＯＢ（ＧｄｘＹ_１−ｘＣａ_４Ｏ（ＢＯ_３）_３）などを用いてもよい。
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。
次に、図１（ａ）の紫外光発生装置を用いた露光装置の一例につき説明する。図１０は、本例の露光装置を示し、この図１０において、露光光源１６１としては、図１（ａ）の紫外光発生装置で出力されるレーザ光の波長を１９３ｎｍ、１５７ｎｍ、又はそれ以外の紫外域とした装置を使用することができる。露光光源１６１から射出されたレーザ光ＬＢ５は露光光ＩＬとして照明系１６２に入射する。照明系１６２は、露光光ＩＬの照度分布を均一化するオプティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）、開口絞り、リレーレンズ、視野絞り（レチクルブラインド）、及びコンデンサレンズ等から構成され、照明系１６２から射出された露光光ＩＬが、マスクとしてのレチクル１６３のパターン面のスリット状の照明領域を均一な照度分布で照明する。この際に本例の露光光ＩＬは空間コヒーレンスが低いため、照明系１６２中の空間コヒーレンスを低下させるための部材の構成を簡素化でき、露光装置を更に小型化できる。
レチクル１６３はレチクルステージ１６４上に載置されており、レチクル１６３を透過した露光光ＩＬは投影光学系１６５を介して被露光基板としてのウエハ（ｗａｆｅｒ）１６６上に照明領域の内のパターンの縮小像を倍率Ｍ_Ｒｗ（例えば１／４，１／５，１／６等）で投影する。投影光学系１６５としては、屈折系、反射系、又は反射屈折系が使用できる。但し、露光光ＩＬが波長２００ｎｍ程度以下の真空紫外光である場合には高透過率の材料が限定されるため、投影光学系を小型化して、かつ結像性能を高めるために反射屈折系を使用してもよい。ウエハ１６６にはフォトレジストが塗布されており、ウエハ１６６は、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等の円板状の基板である。
ウエハ１６６は、ウエハステージ１６７上に保持され、ウエハ１６６の３次元的な位置は駆動部１６９によって駆動されるウエハステージ１６７によって設定される。そして、露光時には、ウエハステージ１６７のステップ移動によってウエハ１６６の位置決めを行った後、照明領域に対してレチクルステージ１６４を介してレチクル１６３を所定方向に走査し、ウエハ１６６をウエハステージ１６７を介して倍率Ｍ_ＲＷを速度比として走査するというステップ・アンド・スキャン方式で、ウエハ１６６上の各ショット領域にレチクル１６３のパターンの像が転写される。このように本例の露光装置は走査露光型であるが、露光光源１６１はステッパー等の一括露光型の露光装置にも適用できることは明らかである。
この場合、本例の露光光源１６１は小型であるため、照明系１６２を支持する架台に露光光源１６１の少なくとも一部（例えば波長変換部２０など）を一緒に固定しても良い。あるいは露光光源１６１を単独で架台に固定しても良い。但し、露光光源１６１に接続される電源などは別置きにしておくことが好ましい。
以上のように、本例の紫外光発生装置を用いた露光装置は従来の他の方式（エキシマレーザやアレイレーザを用いた露光装置）にくらべて小型であり、また、各要素が光ファイバーで接続されて構成されているため、装置を構成する各ユニットの配置の自由度が高い利点がある。
ところで、前述の走査露光時における露光量制御では、図１（ａ）の光変調素子１２によって規定されるパルス繰り返し周波数ｆと、遅延素子（光ファバイー１５−１〜１５−ｍ，１７−１〜１７−ｎ）によって規定されるチャネル間の遅延時間との少なくとも一方を調整して、走査露光中に基本波発生部１７１から複数のパルス光を等時間間隔で発振させるようにしてもよい。更に、フォトレジストの感度特性に応じて、ウエハ１６６上でのパルス光の強度、ウエハ１６６の走査速度、パルス光の発振間隔（周波数）、及びウエハ１６６の走査方向に関するパルス光（即ちその照射領域）の幅の少なくとも１つを調整し、ウエハ上の各点が照射領域を横切る間に照射される複数のパルス光の積算光量を適正露光量に制御する。このとき、スループットを考慮して、ウエハ１６６の走査速度がウエハステージ１６７の最高速度にほぼ維持されるように、他の制御パラメータ、即ちパルス光の強度、発振周波数、及び照射領域の幅の少なくとも１つを調整することが好ましい。
図１１は、本例の紫外光発生装置を用いた他の露光装置を示し、この図１１において、図１（ａ）の紫外光発生装置は分離されて装着されている。即ち、図１０に対応する部分に同一符号を付して示す図１１において、図１（ａ）の波長変換部２０に対応する波長変換部１７２は露光機本体に載置されている。一方、図１（ａ）の単一波長発振レーザ１１から光分岐増幅部４までの部材に対応する光源本体部１７１が露光装置本体の外部に設けられ、これらの間が接続用光ファイバー１７３で接続されている。接続用光ファイバー１７３は、図１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９に対応するものである。
このような構成とすることにより、光ファイバー増幅器の励起用半導体レーザや半導体レーザのドライブ用電源、温度コントローラ等の発熱を伴う主要な構成部分を露光機本体の外に配設することができる。従って、露光装置本体が露光光源である紫外光発生装置からの発熱の影響を受けて光軸のアライメントがずれる等の熱に起因する問題を抑制することができる。
また、図１１に示すようにレチクル１６３を保持するレチクルステージ１６４は駆動機構１６８によってＸ方向、Ｙ方向に移動可能で、かつ微小回転可能に構成されている。そして、ウエハステージ１６７を駆動する駆動部１６９、及びレチクルステージ１６４の駆動機構１６８の動作は主制御系１７７によって制御されている。
また、ウエハステージ１６７上には基準マーク板ＦＭが設けられており、この基準マーク板ＦＭは後述するベースライン計測などに用いられる。更に本例では、レチクル１６３上のアライメントマークを検出するアライメント系１８０と、投影光学系１６５を介さないオフ・アクシス方式のアライメント系１８１とが設けられている。
アライメント系１８０は、露光光、又はそれと同一波長域の照明光をレチクル１６３上のアライメントマーク、及び投影光学系１６５を通して基準マーク板ＦＭ上の基準マーク（又はウエハ１６６上のアライメントマーク）にそれぞれ照射すると共に、両マークから発生する光を撮像素子（ＣＣＤ）で受光してその位置ずれを検出するものであり、レチクル１６３のアライメントやアライメント系１８１のベースライン計測などに用いられる。
オフ・アクシス方式のアライメント系１８１は、例えば５５０〜７５０ｎｍ程度の波長幅を持つ白色光（ブロードバンド光）をウエハ１６６上のアライメントマークに照射すると共に、その内部に設けられる指標マークの像とアライメントマークの像とを撮像素子（ＣＣＤ）上に結像させて両マークの位置ずれを検出するものである。
なお、アライメント系１８０，１８１でそれぞれ基準マーク板ＦＭ上の基準マークを検出することで、その検出結果からアライメント系１８１のベースライン量（検出中心と露光中心との間隔）を計測することができる。なお、ベースライン計測はウエハの露光開始前に行われるが、ウエハを交換するたびにベースライン計測を行ってもよいし、あるいは複数枚のウエハの露光動作に１回程度の割合でベースライン計測を行うようにしてもよい。但し、レチクル交換後には必ずベースライン計測が行われる。
さて、本例では光源本体部１７１からのレーザ光の一部を分岐して光ファイバー１７８を介して波長変換部１７９に供給する。波長変換部１７９としては、図１（ａ）の波長変換部２０と同様で、かつ小型の波長変換部を使用する。波長変換部１７９はアライメント系１８０を保持する架台に一体に設けておき、波長変換部１７９から射出される紫外光をアライメント系１８０の照明光として使用する。
これにより、アライメント系１８０の光源を別途用意する必要がなくなると共に、露光光と同一波長の照明光を用いて基準マーク又はアライメントマークを検出でき、高精度なマーク検出が可能となる。
なお、前述した実施形態で用いる光ファイバー（光ファイバー増幅器などを含む）はその表面を脱ガスが少ないテフロン、又はフッ素系樹脂などで被覆しておくことが好ましい。これは、光ファイバーから発生する異物（繊維などを含む）が露光装置を汚染する物質となり得るため、そのような汚染物質の発生を防止するためである。但し、テフロンなどで被覆する代わりに、チャンバー内に配置される光ファイバーをまとめてステンレス製の筐体に収納するようにしてもよい。
また、上記の実施の形態の例えば図１１の露光装置では、レチクル１６３上のマークあるいはレチクルステージ１６４に設けられる基準マークを露光光と同一波長の照明光で照明し、投影光学系１６５によって形成されるマーク像をウエハステージ１６７に設けられる開口（スリットなど）を介して検出する空間像計測系を設けるようにしてもよい。この空間像計測系用の照明光を発生する光源として前述の光源（１７１，１７９）と同一構成の光源（図１の紫外光発生装置と同様の光源）を別途用意してもよいし、光源本体部１７１〜照明系１６２よりなる露光用光源を兼用してもよい。
なお、前述の実施形態では図１のレーザ装置を露光装置の露光用光源、あるいはアライメント系又は空間像計測系の光源として用いるものとしたが、これら以外のマーク検出系や光学系などの調整用光源などとして用いてもよいし、デバイス製造工程で用いられる露光装置や検査装置などだけでなく、用途などに関係なく各種装置（一例としてはエキシマレーザを光源とするもの、例えば角膜の曲率や凹凸を矯正して近眼、乱視などの治療を行うレーザ治療装置など）の光源として用いてもよい。
また、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると共に、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより本実施の形態の露光装置を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
また、半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいたレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを制作するステップ、前述した実施の形態の露光装置によりレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。
更に、本発明は液晶表示素子やプラズマディスプレイ素子等の表示素子、薄膜磁気ディスク、及びマイクロマシーン、ＤＮＡチップ等のデバイスを製造する際にも適用することができる。また、投影露光装置用のフォトマスクを製造する際にも本発明を適用することができる。
なお、本発明の露光光源としてのレーザ装置は、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。
なお、本実施の形態の露光装置として、投影光学系を用いることなくマスクと基板とを密接させてマスクのパターンを露光するプロキシミティ露光装置にも適用することができる。
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。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む１９９９年９月１０日付け提出の日本国特許出願第１１−２５８１３１号の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、光ファイバー増幅器を用いているため、小型で、かつメンテナンスの容易なレーザ装置を露光光源として備えた露光装置を提供することができる。
また、使用する光学素子の非線形効果に起因した波長幅の広がりを抑制できる。
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装置を更に備え、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は、本発明の実施の形態の一例の紫外光発生装置を示す図である。図２は、図１中の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎの第１の構成例を示す図である。図３は、光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎの第２の構成例を示す図である。図４は、光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎの第３の構成例を示す図である。図５は、光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎの第４の構成例を示す図である。図６は、光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎの第５の構成例を示す図である。図７は、本発明の実施の形態の他の例の各部のレーザ光の波形を示す図である。図８において、（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９において、（ａ）は波長変換部２０の第３の構成例を示す図、（ｂ）は波長変換部２０の第４の構成例を示す図である。図１０は、上記の実施の形態の紫外光発生装置を適用した露光装置の一例を示す構成図である。図１１は、上記の実施の形態の紫外光発生装置を適用した露光装置の他の例を示す構成図である。

Claims (28)

1. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、
   前記レーザ装置は、
   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たレーザ光を順次増幅する複数段の光ファイバー増幅器と、該複数段の光ファイバー増幅器の間に配置された狭帯域フィルタ及びアイソレータと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
   を備えたことを特徴とする露光装置。
2. 前記レーザ装置は、前記複数段の光ファイバー増幅器の少なくとも１つで用いられる励起光を発生する励起光発生光源を有し、前記光増幅器は、前記励起光を反射する反射膜が前記狭帯域フィルタに結合される光ファイバー端に形成されることを特徴とする請求の範囲１に記載の露光装置。
3. 前記狭帯域フィルタ及びアイソレータはフォノン・サイドバンドに相当する波長のノイズを低減することを特徴とする請求の範囲１に記載の露光装置。
4. 前記複数段の光ファイバー増幅器は少なくとも３段設けられ、各光ファイバー増幅器間にそれぞれ狭帯域フィルタ及びアイソレータを設けることを特徴とする請求の範囲１に記載の露光装置。
5. 前記複数段の光ファイバー増幅器の間に、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｉｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を時間的に取り除くためのゲート素子を更に設けることを特徴とする請求の範囲１に記載の露光装置。
6. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、
   前記レーザ装置は、
   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たレーザ光を順次増幅する複数段の増幅用光ファイバーと、該複数段の増幅用光ファイバーの少なくとも一段の増幅用光ファイバー用の励起光を発生する励起光発生光源と、前記複数段の増幅用光ファイバーの間に配置された狭帯域フィルタ又はアイソレータと、該狭帯域フィルタ又はアイソレータと並列に前記励起光を通過させるためのバイパス部材と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
   を備えたことを特徴とする露光装置。
7. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、
   前記レーザ装置は、
   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たレーザ光を順次増幅する複数段の光ファイバー増幅器と、該複数段の光ファイバー増幅器のそれぞれのために励起光を発生する複数の励起光発生光源と、前記複数段の光ファイバー増幅器の間に配置される狭帯域フィルタとを有し、該狭帯域フィルタの両側に結合された光ファイバー端に励起光を反射するための反射膜が形成された光増幅部と、
   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
   を備えたことを特徴とする露光装置。
8. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、
   前記レーザ装置は、
   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たレーザ光を所定の繰り返し周波数で所定幅のパルス光に変換する光変調部と、
   該光変調部を通過し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、
   前記光変調部で変換されるパルス光の幅は、最終的に発生する紫外光で所定の波長幅を得るためのパルス幅よりも広く設定されることを特徴とする露光装置。
9. 前記光変調部で変換されるパルス光の幅は、２〜５ｎｓであることを特徴とする請求の範囲８に記載の露光装置。
10. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、
    前記レーザ装置は、
    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たレーザ光を増幅する光ファイバー増幅器と、該光ファイバー増幅器で増幅されたレーザ光を伝播する伝送用光ファイバーと、前記光ファイバー増幅器と前記伝送用光ファイバーとの間に配置された狭帯域フィルタと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
    を備えたことを特徴とする露光装置。
11. 前記狭帯域フィルタは、前記光ファイバー増幅器に励起光を供給するための合波用の波長分割多重素子としても兼用されることを特徴とする請求の範囲１０に記載の露光装置。
12. 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パルス光に変換するとともに、該パルス光の幅を前記紫外光で所定の波長幅を得るためのパルス幅よりも広く設定する光変調部を有することを特徴とする請求の範囲１、６、７、１０、及び１１のいずれか一項に記載の露光装置。
13. 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装置を有するとともに、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独立に設けられ、
    前記複数に分岐されたレーザ光の出力をほぼ均一とするように、前記光増幅部の増幅利得を調整する調整装置を更に備えることを特徴とする請求の範囲１２に記載の露光装置。
14. 前記光ファイバー増幅部は、エルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器であり、該増幅器用の励起光として波長（９８０±１０）ｎｍのレーザ光を使用することを特徴とする請求の範囲１〜１１の何れか一項記載の露光装置。
15. 前記狭帯域フィルタとして多層膜フィルタ又はファイバー・ブラッグ・グレーティングを使用することを特徴とする請求の範囲１〜８、１０、及び１１の何れか一項記載の露光装置。
16. 前記レーザ光発生部は、
    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単一波長発振レーザと、前記発生するレーザ光の発振波長を一定波長に制御する発振波長制御手段とを備えることを特徴とする請求の範囲１〜１１の何れか一項記載の露光装置。
17. 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装置を更に備え、
    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の範囲１〜１１の何れか一項記載の露光装置。
18. 前記複数に分岐されたレーザ光の出力をほぼ均一とするように、前記光増幅部の増幅利得を調整する調整装置を更に備えることを特徴とする請求の範囲１７に記載の露光装置。
19. 前記調整装置は、前記光増幅部内で光ファイバー増幅器に用いられる励起光の出力を変更することを特徴とする請求の範囲１７に記載の露光装置。
20. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体を経た紫外光で第２物体を露光する露光装置であって、
    前記レーザ装置は、
    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、前記レーザ光を複数に分岐する光分岐装置と、前記複数に分岐されたレーザ光をそれぞれ独立に増幅する複数の光ファイバー増幅器と、前記増幅されたレーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部とを有し、
    前記複数に分岐されたレーザ光の出力をほぼ均一とするように、前記複数の光ファイバー増幅器の少なくとも１つでの増幅利得を調整する調整装置を備えることを特徴とする露光装置。
21. 前記調整装置は、前記少なくとも１つの光ファイバー増幅器で用いられる励起光を発生する励起光発生光源を制御することを特徴とする請求の範囲２０に記載の露光装置。
22. 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の範囲１〜１１、２０、及び２１の何れか一項記載の露光装置。
23. 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、的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の範囲１〜１１、２０、及び２１の何れか一項記載の露光装置。
24. 請求の範囲１〜１１、２０、及び２１の何れか一項記載の露光装置であって、
    前記レーザ装置からの紫外光を前記第１物体としてのマスクに照射する照明系と、前記マスクのパターンの像を前記第２物体としての基板上に投影する投影光学系とを有することを特徴とする露光装置。
25. 請求の範囲１〜１１、２０、及び２１の何れか一項記載の露光装置を用いた露光方法であって、
    前記レーザ装置からの紫外光で前記第１物体と前記第２物体とのアライメントを行うことを特徴とする露光装置。
26. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置の製造方法であって、
    前記レーザ装置を
    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たレーザ光を順次増幅する複数段の光ファイバー増幅器と、該複数段の光ファイバー増幅器の間に配置された狭帯域フィルタ及びアイソレータと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
    を所定の位置関係で配置して構成したことを特徴とする露光装置の製造方法。
27. レーザ装置からの紫外光で第１物体のパターンを照明し、該第１物体のパターンを経た紫外光で第２物体を露光する露光装置の製造方法であって、
    前記レーザ装置を、
    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たレーザ光を順次増幅する複数段の増幅用光ファイバーと、該複数段の増幅用光ファイバーの少なくとも一段の増幅用光ファイバー用の励起光を発生する励起光発生光源と、前記複数段の増幅用光ファイバーの間に配置された狭帯域フィルタ又はアイソレータと、該狭帯域フィルタ又はアイソレータと並列に前記励起光を通過させるためのバイパス部材と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
    を所定の位置関係で配置して構成したことを特徴とする露光装置の製造方法。
28. 請求の範囲１〜１１、２０、及び２１の何れか一項記載の露光装置を用いてマスクパターンを基板上に転写する工程を含むデバイスの製造方法。

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