JP4640029B2 - 波長変換光学系、レーザ光源、露光装置、被検物検査装置、及び高分子結晶の加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として長波長の半導体レーザ光からその８倍波（基本波のｎ倍の周波数を有する光をｎ倍波と称する）を発生させる波長変換光学系、それを使用したレーザ光源、及びこのレーザ光源を利用した露光装置、被検物検査装置、及び高分子結晶の加工装置に関するものである。

レーザ光は近年において種々の用途に用いられており、例えば、金属の切断や加工を行ったり、半導体製造装置におけるフォトリソグラフィー装置の光源として用いられたり、各種測定装置に用いられたり、外科、眼科、歯科等の手術および治療装置に用いられたりしている。

ところが、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は、チャンバー内にアルゴンガス、フッ素ガス、ネオンガス等を封入して構成されるものであり、これらガスを密封する必要がある。さらに、各ガスの充填、回収を行う必要もあり、装置が大型化且つ複雑化しやすいという問題がある。又、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は、所定のレーザ光発生性能を保持するために、定期的に内部ガスの交換を行ったり、オーバーホールを行ったりする必要があるという問題もある。

よって、レーザ光源としてはこのようなエキシマレーザでなく、固体レーザを用いることが好ましい。ところが、固体レーザから放出されるレーザ光の波長は、可視領域から赤外領域であり、例えば検査装置に使用するには、波長が長すぎて向いていない。そこで、このような固体レーザから放出される長波長の光を、非線形光学結晶を用いることにより短波長の紫外光（例えば８倍波）に変換して用いる方法が開発され、例えば特開２００１−３５３１７６号公報（特許文献１）に記載されている。

このようなレーザ装置の光学系の概要を図9に示す。図において、楕円形で示されるのはコリメータレンズや集光レンズであり、その説明を省略する。又、Ｐ偏光を矢印で、Ｓ偏光を○中に点のある印で示し、基本波をω、ｎ倍波をｎωで示す。

この例においては、図示しないＤＦＢレーザから放出される基本光（波長1547nm）を、ＥＤＦＡ光増幅器５１で増幅し、Ｐ偏光とした後に２倍波形成光学素子（ＰＰＬＮ結晶）５２に入射させる。２倍波形成光学素子５２からは、基本波と共にＰ偏光の２倍波が発生する。

この基本波と２倍波を、３倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）５３に入射させる。３倍波形成光学素子５３からは、基本波と２倍波と共に、Ｓ偏光の３倍波が発生する。これらの光を、ダイクロイックミラー５４を透過させることにより、基本波と、２倍波・３倍波に分離する。 分離された２倍波・３倍波は、２波長波長板５５を透過し、その際、２倍波がＳ偏光に変換される。共にＳ偏光となった２倍波と３倍波を、５倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）５６に入射させる。５倍波形成光学素子５６からは、２倍波と３倍波と共にＰ偏光の５倍波が発生する。

これらの２倍波、３倍波、５倍波を、ダイクロイックミラー５７を透過させることにより、２倍波と５倍波を分離する。分離された５倍波は、ミラー５８で反射され、シリンドリカルレンズ５９、６０でビーム整形される。一般に５倍波形成光学素子５６から発生する５倍波は、ウォークオフのため、断面が楕円形の形状をしており、そのままでは集光性が悪くて、次の波長変換には使用できない。よって、シリンドリカルレンズ５９、６０により、この楕円形の断面形状を円形に整形する。

ダイクロイックミラー５７で分離された２倍波は、１／２波長板６１を通過することによりＰ偏光に変換され、ミラー６２で反射されて、ダイクロイックミラー６３により、前記の５倍波と光路を同一にされる。ダイクロイックミラー６３は、２倍波を透過し、５倍波を反射するものである。これらの２倍波と５倍波を、７倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）６４に入射させる。７倍波形成光学素子６４からは、２倍波と５倍波と共に、Ｓ偏光の７倍波が発生する。この７倍波も、ウォークオフのため、断面が楕円形の形状をしており、そのままでは集光性が悪くて、次の波長変換には使用できない。よって、シリンドリカルレンズ６５、６６により、この楕円形の断面形状を円形に整形する。

一方、ダイクロイックミラー５４で分離された基本波は、ミラー６７で反射され、１／２波長板６８を通過することによりＳ偏光に変換され、ダイクロイックミラー６９により、前記の７倍波と光路を同一にされる。ダイクロイックミラー６９は、基本波を透過し、７倍波を反射するものである。 これらの基本波と７倍波を、８倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）７０に入射させる。８倍波形成光学素子７０からは、基本波と７倍波と共に、Ｐ偏光の８倍波が発生する。
特開２００１−３５３１７６号公報

しかしながら、図9に示す光学系においては、使用されている光学要素が多くて複雑である他、基本波と７倍波の合成のためのダイクロイックミラー６９が必要であるという問題点がある。波長が193nmの８倍波を形成する場合、７倍波の波長は221nmとなる。このような深紫外光に対しては、一般のダイクロイックミラーは耐久性に問題がある。又、基本波と７倍波をダイクロイックミラー６９で重ね合わせるための調整が必要であり、この作業が困難であるという問題点もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、従来の光学系よりも簡単な光学系において８倍波を形成できる波長変換光学系、これに加えて基本波と７倍波の重ね合わせを不要とした波長変換光学系、これらの波長変換光学系を用いたレーザ光源、及びこのレーザ光源を使用した、露光装置、マスク検査装置、及び高分子結晶の加工装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、第１の基本波から少なくとも一つの波長変換光学素子を経て５倍波を形成する第１の波長変換光学系と、第２の基本波から２倍波形成光学素子を経て２倍波を形成する第２の波長変換光学系と、第３の基本波と前記２倍波形成光学素子から出射した前記２倍波とを同一光路に合成して第１の合成波を出射する第１の光学部材と、前記第１の光学部材から出射した前記第１の合成波と前記第１の波長変換光学系から出射した前記５倍波とを同一光路に合成して第２の合成波を出射する第２の光学部材と、 前記第２の合成波を構成する前記２倍波と前記５倍波とから７倍波を形成する７倍波形成光学素子と、前記７倍波形成光学素子から出射した前記第３の基本波と前記７倍波とから８倍波を形成する８倍波形成光学素子とを有してなる波長変換光学系である。

前記課題を解決するための第２の手段は、第１の基本波から第１の２倍波を形成する第１の２倍波形成光学素子と、前記第１の２倍波形成光学素子から出射した前記第１の基本波と前記２倍波とから３倍波を形成する３倍波形成光学素子と、前記３倍波形成光学素子から出射した前記２倍波と前記３倍波とから５倍波を形成する５倍波形成光学素子と、を備えた第１の波長変換光学系と、 第２の基本波から第２の２倍波形成光学素子を経て第２の２倍波を形成する第２の波長変換光学系と、第３の基本波と前記第２の２倍波形成光学素子から出射した前記第２の２倍波とを同一光路に合成して第１の合成波を出射する第１の光学部材と、前記第１の光学部材から出射した前記第１の合成波と前記第１の波長変換光学系から出射した前記５倍波とを同一光路を合成して第２の合成波を出射する第２の光学部材と、前記第２の合成波を構成する前記第２の２倍波と前記５倍波とから７倍波を形成する７倍波形成光学素子と、前記７倍波形成光学素子から出射した前記第３の基本波と前記７倍波とから８倍波を形成する８倍波形成光学素子とを有してなる波長変換光学系である。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段から第２の手段であって、前記第１の基本波乃至第３の基本波のパルス幅が５０ｐｓ以下である。
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記７倍波形成光学素子と前記８倍波形成素子との間に、集光光学系を有しないことを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の基本波乃至前記第３の基本波を発振する少なくとも１つのレーザ光源と、前記第１の基本波乃至第３の基本波をそれぞれ増幅する複数の光ファイバー増幅器と、前記第１の基本波乃至第３の基本波のうちの少なくとも２つの基本波が前記各光ファイバー増幅器に入射するタイミングをそれぞれ制御する複数の遅延装置と、第１の手段から第４の手段のいずれかの波長変換光学系を備えたことを特徴とするレーザ光源である。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であるレーザ光源と、所定の露光パターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する対象物保持部と、前記レーザ光源から出射される紫外光を前記マスク支持部に保持されたフォトマスクに照射させる照明光学系と、前記照明光学系を介して前記フォトマスクに照射されてここを通過した照射光を前記対象物保持部に保持された露光対象物に照射させる投影光学系とを備えて構成されることを特徴とする露光装置である。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第５の手段であるレーザ光源と、被検物を保持する支持部と、前記被検物の投影像を検出する検出器と、前記レーザ光源から出射される紫外光を前記支持部に保持された被検物に照射させる照明光学系と、前記照明光学系を介して前記被検物に照射されて、通過した照明光を前記検出器に投影させる投影光学系とを有することを特徴とする被検物検査装置である。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第５の手段であるレーザ光源と、当該レーザ光源から放出されるレーザ光を、被加工物である高分子結晶に導き、当該高分子結晶の被加工場所に集光させる光学系と、前記光学系と前記高分子結晶の相対位置を変化させる機構を有することを特徴とする高分子結晶の加工装置である。

本発明によれば、従来の光学系よりも簡単な光学系において８倍波を形成できる波長変換光学系、これらの波長変換光学系を用いたレーザ光源、及びこのレーザ光源を使用した、露光装置、被検物検査装置、及び高分子結晶の加工装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるレーザ装置の光学系の概要を示す図である。図１、図４おいては、楕円形で示されるのはコリメータレンズや集光レンズであり、その説明を省略する。又、Ｐ偏光を矢印で、Ｓ偏光を○中に点のある印で示し、基本波をω、ｎ倍波をｎωで示す。

この実施の形態においては、図示しない１つのＤＦＢレーザから放出される基本波（波長1547nm）を、３つに分岐して第１のＥＤＦＡ１と第２のＥＤＦＡ２と第３のＥＤＦＡ１４でそれぞれ増幅しているが、３つのＤＦＢレーザから放出される基本波をそれぞれＥＤＦＡにより増幅してもよい。 図１に示すように、第１のＥＤＦＡ１で増幅されたＰ偏光の基本波は、第１の２倍波形成光学素子（ＰＰＬＮ結晶）３に入射し、第１の２倍波形成光学素子３からは、基本波と共にＰ偏光の２倍波が発生する。この基本波と２倍波を、３倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）４に入射させる。３倍波形成光学素子４からは、基本波と２倍波と共に、Ｓ偏光の３倍波が発生する。なお、２倍波形成光学素子３としては、ＰＰＬＮ結晶に限らず、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。

これらの光を、２波長波長板５を通すことにより、２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板として、例えば結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。一方の波長の光（２倍波）に対しては、偏光を回転させ、他方の波長の光に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対しては、λ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットする。そして、共にＳ偏光となった２倍波と３倍波を、５倍波形成光学素子（ＬＢＯ結晶）６に入射させる。５倍波形成光学素子６からは、２倍波と３倍波と共にＰ偏光の５倍波が発生する。なお、Ｐ偏光の基本波はそのまま５倍波形成光学素子６を透過する。

５倍波形成光学素子６から発生する５倍波は、ウォークオフのため、断面が楕円形の形状をしており、そのままでは集光性が悪くて、次の波長変換には使用できない。よって、シリンドリカルレンズ７、８により、この楕円形の断面形状を円形に整形する。なお、５倍波形成光学素子６としては、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることもできる。

一方、第２のＥＤＦＡ２で増幅されたＰ偏光の基本波は、第２の２倍波形成光学素子（ＰＰＬＮ結晶）９に入射し、第２の２倍波形成光学素子９からは、基本波と共にＰ偏光の２倍波が発生する。なお、ＰＰＬＮ結晶に代えてＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を使用してもよい。なお、可能な限り基本波から２倍波への変換が多くされる２倍波形成光学素子を選択することが好ましく、基本波から２倍波へ変換効率は６０％以上であることが好ましい。

さらに、第３のＥＤＦＡ１４で増幅されたＳ偏光の基本波は、ダイクロイックミラー１３により前述のＰ偏光の２倍波と合成される。この例ではダイクロイックミラー１３は、基本波を透過し、２倍波を反射するようなものとなっている。合成されたＳ偏光の基本波とＰ偏光の２倍波を、前述のＰ偏光の５倍波と、ダイクロイックミラー１０により合成する。この例では、ダイクロイックミラー１０は、基本波と２倍波を透過し、５倍波を反射するようなものとなっている。この光の合成には、バルク型光学素子を用いることが可能であり、例えば、色分解・合成ミラー（ダイクロイックミラー）、反射型及び透過型回折光学素子を用いることが可能である。

合成されたＳ偏光の基本波、Ｐ偏光の２倍波、Ｐ偏光の５倍波は、７倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）１１に入射し、７倍波形成光学素子１１からは、これらの光と共に、Ｓ偏光の７倍波が発生する。これらの光は、８倍波形成光学素子（ＣＬＢＯ結晶）１２に入射し、ここでＳ偏光の基本波とＳ偏光の７倍波が合成されてＰ偏光の８倍波が発生する。もし、８倍波のみを８倍波形成光学素子１２から放出される他の波長の光から分離したい場合は、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズムを使用することにより、これらを分離すればよい。

まず、本実施形態の特徴を定性的に説明すると、第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波からできるだけピークパワーの高い７倍波形成用２倍波を発生させることにより、５倍波から７倍波への変換効率をあげて、よりピークパワーの高い７倍波を発生させることができる。また、その７倍波に対して、７倍波から８倍波への変換効率をあげるために十分なピークパワーの8倍波形成用基本波として、第３のＥＤＦＡ１４で増幅された基本波を供給することにより、よりピークパワーの高い８倍波を形成することができる。

なお、７倍波形成用２倍波と8倍波形成用基本波を第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波から供給することも可能であるが、その場合、７倍波形成用２倍波と８倍波形成用基本波を各々バランスよく存在させる必要があり、５倍波から７倍波への変換効率を上げるために十分といえる７倍波形成用２倍波を供給することができない。

このことについて図２を用いて定量的に説明する。図２(a)は第１の実施の形態の２倍波のピークパワーに対する5倍波から７倍波への変換効率を示す図であり、（ｂ）は基本波のピークパワーに対する7倍波から８倍波への変換効率を示す図である。
例えば、第２ＥＤＦＡ２で増幅されたピークパワー５ｋＷの基本波を用いて７倍波形成用２倍波を最大限発生させた場合、ピークパワー4ｋＷ程度（変換効率約８０％）の２倍波を出力できる。

一方、第２のＥＤＦＡ２で増幅されたピークパワー５ｋＷの基本波を用いて、７倍波形成用２倍波と8倍波形成用基本波をそれぞれ発生させる場合、８倍波形成用基本波とのバランスを考慮して７倍波形成用２倍波は、例えばピークパワー2.5ｋＷで出力させる。
図２に示すように約0.69ｋＷの５倍波に対して、２倍波のピークパワーが2.5ｋＷの場合は、5倍波から７倍波への変換効率は７７％程度であるが、２倍波が4ｋｗの場合は、変換効率は100％程度である。これは５倍波の出力にも依存するが、この傾向は略同じである。ここで変換効率は5倍波出力に対する7倍波出力で定義される。

また、約0.6kW の７倍波に対して、基本波のピークパワーが2.5ｋWの場合は、７倍波から8倍波への変換効率は55％程度であるが、基本波が5ｋW程度の場合は、変換効率は70％程度（外挿値）である。これは７倍波の出力にも依存するが、この傾向は略同じである。ここで変換効率は７倍波出力に対する８倍波出力で定義される。

第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波から発生した７倍波形成用２倍波と第３のＥＤＦＡ１４で増幅された８倍波形成用基本波と同様のピークパワーを確保するために、第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波から７倍波形成用２倍波と8倍波形成用基本波を供給しようとして第２のＥＤＦＡでの基本波の増幅率を上げた場合、それに伴ってＥＤＦＡ中での非線形性によって基本波のスペクトル幅が広がり、その結果、8倍波のスペクトル幅も広がってしまう。また、２倍波形成光学素子を通過した基本波のビーム形状は変形（ピークパワーが下がる）して、新鮮な基本波に比べて変換効率が低下する。

さらに、本実施形態によれば、８倍波形成用基本波と７倍波形成用２倍波とを別々に光軸調整可能であるので、７倍波形成光学素子の複屈折によって発生するＷａｌｋｏｆｆの影響を回避し、理想的な光軸調整が可能である。また、８倍波形成用基本波と７倍波形成用2倍波のビームウエストも最適な位置に調整することができる。これにより、高い変換効率、安定性を達成することができる。

高出力化の際にも本形態は有効である。7倍波形成光学素子、8倍波形成光学素子は、単位面積あたりの紫外光（7倍波、８倍波）の平均出力の増加に伴い、ビーム領域の加熱による位相不整合や損傷の問題などが発生する。そのため８倍形成用基本波、７倍波形成用２倍波、５倍波のビーム径を極力大きくし、単位面積あたりの平均出力の低い7倍波、８倍波を発生させることが好ましい。

しかしながら、8倍波形成用基本波、7倍波形成用２倍波のパワー密度を下げると、５倍波から7倍波への変換効率及び７倍波から８倍波への変換効率が下がってしまう（変換効率は、8倍波形成用基本波、７倍波形成用２倍波のパワー密度に依存する）。

実施形態では、７倍波形成用２倍波は第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波から供給され、8倍波発生用基本波は第３のＥＤＦＡ１４で増幅された基本波から供給されるので、８倍波形成用基本波、7倍波形成用２倍波を第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波から供給する場合に比べて、高い平均出力の８倍波形成用基本波、７倍波形成用2倍波を供給することができる。これにより8倍波形成用基本波、７倍波形成用２倍波、5倍波のビーム径を広げても、十分な変換効率を確保するために必要な8倍波形成用基本波、７倍波形成用2倍波のパワー密度が得られる一方で、7倍波、８倍波の単位面積あたりの平均出力を低下させることができる。こうして、変換効率を低下させることなく単位面積あたりの紫外光の平均出力を下げることが可能になり、前記問題を解決しつつ高出力化を図ることができる。

さらなる本実施形態の特徴は、基本波のパルス幅が短い場合に用いられる点にある。基本波のパルス幅を１０ｐｓ程度（パルス間隔１０ｎｓ）の場合を考える。7倍波発生用2倍波と8倍波発生用基本波が同一のＥＤＦＡで増幅された基本波から供給される場合、８倍波形成用基本波、７倍波形成用２倍波、５倍波は、図３(a)に示すような状態で長さ１０ｍｍの７倍波形成光学素子１１に到達していると仮定することができる。図３(a)は、基本波のパルス幅が１０ｐｓのときに、８倍波形成用基本波、７倍波形成用２倍波、５倍波、７倍波が７倍波形成光学素子及び８倍波形成光学素子を通過する状態を示した図である。

なお、パルス幅１０ｐｓ程度（パルス間隔１０ｎｓ）の基本波が、ＤＦＢレーザ及びＥＯＭでは生成できない場合には、モードロックレーザを用いる。
また、基本波のパルス幅が１０ｐｓの場合、その空間的なパルス幅は約1.9ｍｍであり、高調波になるにしたがってパルス幅は短くなる。

７倍波形成用２倍波と５倍波が７倍波形成光学素子１１を通過する過程で７倍波を発生するが、短波長側の光は長波長側の光に比べて７倍波形成光学素子１１の中を通過する速度が遅いので、８倍波形成用基本波、７倍波形成用２倍波、５倍波、７倍波は、７倍波形成光学素子１１の出射端では図３(a)に示すようになり７倍波の位置は基本波より1．3mm程度遅れた状態になっている。

その状態で7倍波形成光学素子１１に隣接配置された長さ１０ｍｍの8倍波形成光学素子１２を通過すると、さらに７倍波の基本波に対する遅れは、８倍波形成光学素子１２の中央付近では2.2ｍｍ、出射端付近では3.1ｍｍと拡大し、8倍波形成光学素子１２中で双方が重なり合うことはなく、８倍波の発生が著しく低下するという事態が生じる。

これに対して、本発明の実施形態では、８倍波形成用基本波は、第３のＥＤＦＡ１４で別途発生させているので、第２のＥＤＦＡ２で発生させた７倍波形成用２倍波とは個別に制御が可能である。そのため、８倍波形成用基本波が8倍波形成光学素子１２に入射するタイミングを所定時間遅らせることにより、８倍波形成用基本波と７倍波が光学素子を通過する過程で十分に重なり合う状態を作り出すことが可能である。８倍波形成用基本波が８倍波形成光学素子１２に入射するタイミングの制御は、第３のＥＤＦＡ１４の入射側に配置した第２のDelay装置１６により行う。
なお、２倍波が７倍波形成光学素子１１に入射するタイミングの制御は、第１のDelay装置１５により行う。

図３（ｂ）に示すように、８倍波形成用基本波は７倍波に対して0.9ｍｍ程度遅れた状態で８倍波形成光学素子１２に入射すると、８倍波形成光学素子１２の中央付近で８倍波形成用基本波は７倍波と重なり合い、出射端付近では、基本波は７倍波よりも0.9ｍｍ程度先に出射する。なお、第１のDelay装置１５、第２のDelay装置１６のそれぞれを用いた、２倍波が７倍波形成光学素子１１に入射するタイミングの制御及び第３の基本波が８倍波形成光学素子１２入射するタイミングの制御は図３に示す方法に限られず、パルス幅などを考慮して各光学素子での変換効率が最大になるように制御することが好ましい。

実効的な変換効率を確保しようとすると、基本波のピークパワーにも依存するが、長さが５ｍｍ程度以上の光学素子が必要となり、基本波のパルス幅が５０ｐｓ程度以下になると８倍波形成光学素子１２中で８倍波形成用基本波と７倍波とが重なり合わないという問題が生じるので、実施形態の構成は有効である。

なお、２倍波形成光学素子等の各波長変換光学素子に入射する光の偏光（Ｐ波、Ｓ波）の組み合わせは、第１の実施形態の組み合わせに限定されない。
図４は、本発明の第２の実施形態であるレーザ装置の光学系の概要を示す図である。図４における構成は、図１に示す構成とその一部を共通にしているので、同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

図４において、第２のＥＤＦＡ２で増幅された基本波から２倍波を発生させる光学系、第３のＥＤＦＡ１４で増幅された基本波を前述の２倍波と合成する光学系は図１に示したものと同じである。

図４における光学系では、５倍波を発生させる光学系として、第４のＥＤＦＡ１８で増幅された基本波から第3の２倍波形成光学素子１９により２倍波を発生させて、３倍波形成光学素子４から発生した３倍波と合成する光学系が新たに設けられている点が異なる。具体的には、第４のＥＤＦＡ１８で増幅されたＳ偏光の基本波は、第３の２倍波形成光学素子１９に入射し、第３の2倍波形成光学素子１９からは、基本波と共にＳ偏光の２倍波が発生する。この２倍波は、ダイクロイックミラー２０により３倍波形成光学素子４から発生したＳ偏光の３倍波と合成される。この例では、ダイクロイックミラー２０は、２倍波を反射し、３倍波を透過するようなものとなっている。なお、第３のDelay装置１７が第４のＥＤＦＡ１８の入射側に配置されている。

次に、上述した本発明の実施の形態であるレーザ装置２１を用いて構成され、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィエ程で使用される露光装置１００について、図５を参照して説明する。光リソグラフィエ程で使用される露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、フォトマスク（レチクル）上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板などの上に光学的に投影して転写する。

この露光装置１００は、上述したレーザ装置２１と、照明光学系１０２と、フォトマスク（レチクル）１１０を支持するマスク支持台１０３と、投影光学系１０４と、露光対象物たる半導体ウエハ１１５を載置保持する載置台１０５と、載置台１０５を水平移動させる駆動装置１０６とを備えて構成される。 この露光装置１００においては、上述したレーザ装置２１から出力されるレーザ光が、複数のレンズから構成される照明光学系１０２に入力され、ここを通ってマスク支持台１０３に支持されたフォトマスク１１０の全面に照射される。このように照射されてフォトマスク１１０を通過した光は、フォトマスク１１０に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系１０４を介して載置台１０５に載置された半導体ウエハ１１５の所定位置に照射される。

このとき、投影光学系１０４によりフォトマスク１１０のデバイスパターンの像が半導体ウエハ１１５の上に縮小されて結像露光される。上記のような露光装置によれば、小型軽量で配置の自由度が高い紫外光源の特性を生かして小型でメンテナンス性、操作性の良好な露光装置を得ることができる。

次に、以上説明した本発明に係るレーザ装置２１を用いて構成されるマスク欠陥検査装置について、図６を参照して以下に説明する。マスク欠陥検査装置は、フォトマスク上に精密に描かれたデバイスパターンをＴＤＩセンサ(Time Delay and Integration)上に光学的に投影し、センサ画像と所定の参照画像とを比較し、その差からパターンの欠陥を抽出する。マスク欠陥検査装置１２０は、上述したレーザ装置２１と、照明光学系１１２と、フォトマスク１１０を支持するマスク支持台１１３と、マスク支持台を水平移動させる駆動装置１１６と、投影光学系１１４と、ＴＤＩセンサ１２５とを備えて構成される。

このマスク欠陥検査装置１２０においては、上述したレーザ装置２１から出力されるレーザ光が、複数のレンズから構成される照明光学系１１２に入力され、ここを通ってマスク支持台１１３に支持されたフォトマスク１１０の所定領域に照射される。このように照射されてフオトマスク１１０を通過した光は、フォトマスク１１０に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系１１４を介してＴＤＩセンサ１２５の所定の位置に結像される。

なお、マスク支持台１１３の水平移動速度と、ＴＤＩ１２５の転送クロックとは同期している。被検物はマスクに限られず、ウエハ、液晶パネル等の検査にも用いられる。
図7は本発明のレーザ装置２１を用いて構成される高分子結晶の加工装置の概要図である。レーザ装置２１から放出された紫外短パルスレーザ光１３９は、シャッタ１３２、強度調整素子１３３、照射位置制御機構１３４、集光光学系１３５を介して試料容器１３６中に入れられた高分子結晶１３８に集光照射される。試料容器１３６は、ステージ１３７に搭載され、光軸方向をｚ軸として、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系でｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３次元方向の移動が可能とされていると共に、ｚ軸の周りに回転可能となっている。高分子結晶１３８の表面に集光照射されたレーザ光により、高分子結晶の加工が行われる。

ところで、高分子結晶である被加工物を加工する場合、レーザ光が被加工物の何処に照射されているかを確認する必要がある。しかし、レーザ光は、通常可視光でないことが多く、目視することができないので、光学顕微鏡と組み合わせて使用することが好ましい。

その例を図8に示す。(a)に示す光学系においては、紫外短パルスレーザシステム１４１(図7の符号２１、１３２〜１３４に対応)からのレーザ光を、集光光学系１３５を介して所定の点に集光する。ステージ１３７は図8において説明したような機能を有しており、高分子結晶１３８の入った試料容器１３６がステージ１３７上に載置されている。照明光源１４２からの可視光は、反射光１４３で反射され、試料容器１３６をケーラー照明する。高分子結晶１３８は、光学顕微鏡の対物レンズ１４４、接眼レンズ１４５を介して眼１４６により目視される。 光学顕微鏡の光軸位置には、十字状のマークが形成されており、光軸位置が目視できるようになっている。

そして、光学顕微鏡の焦点位置（合焦位置、すなわち目視したときピントが合う物面）は固定とされている。集光光学系１３５により集光されたレーザ光は、光学顕微鏡の光軸位置で、かつ光学顕微鏡の焦点位置に集光されるようになっている。よって、ステージ１３７上に被加工物を載置し、光学顕微鏡でその像を観察した場合、ピントが合っており、かつ十字マークの中心にある位置に、レーザシステム１４１からのレーザ光が集光されるようになっている。なお、レーザシステム１４１、集光光学系１３５、及び光学顕微鏡部の相対位置関係は固定されており、ステージ１３７のみがこれらの固定系に対して相対的に移動可能とされている。

よって、加工を行いたい場所が光学顕微鏡の光軸位置でかつ合焦位置となるようにステージ１３７を移動させながら加工を行うことにより、所望の場所の加工、及ぴ所望の形状の加工を行うことができる。もし、自動的に加工を行わせたいのであれば、光学顕微鏡に自動焦点調整装置をつけてステージ１３７をその指令により駆動すると共に、ステージ１３７の予め定められた所定部分が光学顕微鏡の光軸になるように、ステージ１３７を駆動するようにすればよい。または、初めに基準となる位置を合わせた後、サーボ機構によりステージ１３７を2次元又は3次元に駆動するようにしてもよい。

本発明のレーザ装置を使用したレーザ治療装置については、レーザ装置が異なるだけで、前記特許文献１に記載した技術がそのまま使用できるので、その説明を省略する。

本発明の第１の実施の形態であるレーザ装置の光学系の概要を示す図である。 (a)は第１の実施の形態の２倍波のピークパワーに対する5倍波から７倍波への変換効率を示す図であり、（ｂ）は基本波のピークパワーに対する7倍波から８倍波への変換効率を示す図である。 基本波のパルス幅が１０ｐｓのときに、基本波、２倍波、５倍波、７倍波が７倍波形成光学素子及び８倍波形成光学素子を通過する状態を示した図である。 本発明の第２の実施の形態であるレーザ装置の光学系の概要を示す図である。 本発明の実施の形態であるレーザ装置を用いた露光装置の概要を示す図である。 本発明の実施の形態であるレーザ装置を用いたマスク欠陥検査装置の概要を示す図である。 本発明の実施の形態であるレーザ装置を用いた高分子結晶の加工装置の概要を示す図である。 本発明の実施の形態であるレーザ装置を用いた高分子結晶の加工装置を光学顕微鏡と組み合わせて使用する例を示す図である。 従来のレーザ装置の光学系の概要を示す図である。

符号の説明

１…第１のＥＤＦＡ、２…第２のＥＤＦＡ、３…第１の２倍波発生光学素子、４…３倍波形成光学素子、５…２波長波長板、６…５倍波形成光学素子、７…シリンドリカルレンズ、８…シリンドリカルレンズ、９…第２の２倍波形成光学素子、１０…ダイクロイックミラー、１１…７倍波形成光学素子、１２…８倍波形成光学素子、１３・・・ダイクロイックミラー、１４・・・第３のＥＤＡＦ増幅器、１５・・・第１のDelay装置、１６・・・第２のDelay装置、１７・・・第３のDelay装置、１８・・・第4のＥＤＦＡ、１９・・・第3の２倍波形成光学素子、２０・・・ダイクロイックミラー、２１…レーザ装置

Claims (8)

1. 第１の基本波から少なくとも一つの波長変換光学素子を経て５倍波を形成する第１の波長変換光学系と、
   第２の基本波から２倍波形成光学素子を経て２倍波を形成する第２の波長変換光学系と、
   第３の基本波と前記２倍波形成光学素子から出射した前記２倍波とを同一光路に合成して第１の合成波を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材から出射した前記第１の合成波と前記第１の波長変換光学系から出射した前記５倍波とを同一光路に合成して第２の合成波を出射する第２の光学部材と、
   前記第２の合成波を構成する前記２倍波と前記５倍波とから７倍波を形成する７倍波形成光学素子と、
   前記７倍波形成光学素子から出射した前記第３の基本波と前記７倍波とから８倍波を形成する８倍波形成光学素子とを有してなる波長変換光学系。
2. 第１の基本波から第１の２倍波を形成する第１の２倍波形成光学素子と、前記第１の２倍波形成光学素子から出射した前記第１の基本波と前記２倍波とから３倍波を形成する３倍波形成光学素子と、前記３倍波形成光学素子から出射した前記２倍波と前記３倍波とから５倍波を形成する５倍波形成光学素子と、を備えた第１の波長変換光学系と、
   第２の基本波から第２の２倍波形成光学素子を経て第２の２倍波を形成する第２の波長変換光学系と、
   第３の基本波と前記第２の２倍波形成光学素子から出射した前記第２の２倍波とを同一光路に合成して第１の合成波を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材から出射した前記第１の合成波と前記第１の波長変換光学系から出射した前記５倍波とを同一光路を合成して第２の合成波を出射する第２の光学部材と、
   前記第２の合成波を構成する前記第２の２倍波と前記５倍波とから７倍波を形成する７倍波形成光学素子と、
   前記７倍波形成光学素子から出射した前記第３の基本波と前記７倍波とから８倍波を形成する８倍波形成光学素子とを有してなる波長変換光学系。
3. 前記第１の基本波乃至第３の基本波のパルス幅が５０ｐｓ以下であることを特徴とする請求項１から２記載のいずれか一項の波長変換光学系。
4. 前記７倍波形成光学素子と前記８倍波形成素子との間に、光学系を有しないことを特徴とする請求項１から３記載のいずれか一項の波長変換光学系。
5. 前記第１の基本波乃至前記第３の基本波を発振する少なくとも１つのレーザ光源と、
   前記第１の基本波乃至第３の基本波をそれぞれ増幅する複数の光ファイバー増幅器と、
   前記第１の基本波乃至第３の基本波のうちの少なくとも２つの基本波が前記各光ファイバー増幅器に入射するタイミングをそれぞれ制御する複数の遅延装置と、
   請求項１から請求項４記載のいずれか一項の波長変換光学系を備えたことを特徴とするレーザ光源。
6. 請求項５に記載のレーザ光源と、
   所定の露光パターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する対象物保持部と、
   前記レーザ光源から出射される紫外光を前記マスク支持部に保持されたフォトマスクに照射させる照明光学系と、
   前記照明光学系を介して前記フォトマスクに照射されてここを通過した照射光を前記対象物保持部に保持された露光対象物に照射させる投影光学系とを備えて構成されることを特徴とする露光装置。
7. 請求項５に記載のレーザ光源と、
   被検物を保持する支持部と、
   前記被検物の投影像を検出する検出器と、
   前記レーザ光源から出射される紫外光を前記支持部に保持された被検物に照射させる照明光学系と、
   前記照明光学系を介して前記被検物に照射されて、通過した照明光を前記検出器に投影させる投影光学系とを有することを特徴とする被検物検査装置。
8. 高分子結晶を加工する高分子結晶の加工装置であって、請求項５に記載のレーザ光源と、当該レーザ光源から放出されるレーザ光を、被加工物である高分子結晶に導き、当該高分子結晶の被加工場所に集光させる光学系と、
   前記光学系と前記高分子結晶の相対位置を変化させる機構を有することを特徴とする高分子結晶の加工装置。