JP5446263B2 - 光ファイバ増幅器、光源装置、露光装置、被検査物検査装置及び加工装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバ増幅器及び光源装置、及びそれを利用した露光装置、被検査物検査装置及び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。
このようなレーザ光源として固体レーザ（本明細書においては、半導体レーザ（ダイオードレーザを含む概念として使用する））を用いる場合、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、直接紫外光を発生させる方法は確立されていない。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深紫外光（例えば８倍波：波長193nm）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。このような目的に用いられる非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等が知られている。
このようなレーザ光源においては、たとえばＤＦＢ−ＬＤから発生するレーザ光を複数の光ファイバ増幅器（例えば、ＥＤＦＡ）を用いて増幅し、その後、上記のような波長変換光学系により深紫外光にするのが一般的である。
特開２００１−３５３１７６号公報
このようなレーザ光源においては、出力されるレーザ光の強度を目的の値に保つために、フィードバック制御を行うのが一般的である。このような光源装置の概要を図７に示す。ＤＦＢ−ＬＤ１からの出力光は、光ファイバ増幅器３に入って増幅され、その後、波長板からなる偏光状態調整光学素子４を通って、波長変換光学系５に入り、目的の波長を有する光に波長変換される。
偏光状態調整光学素子４は、波長変換光学系５に入るレーザ光の偏光状態を、波長変換光学系５の変換効率が最大になるように調整するものであり、例えば１／４波長板で偏光の楕円度を調整し、１／２波長板で偏光の向きを調整する。
波長変換光学系５からの出力光（例えば、ＤＦＢ−ＬＤ１からの波長1547ｎｍの光の８倍波である波長193ｎｍの光）は、ハーフミラー６によりその一部が反射され、モニタ光として取り出される。自動出力制御装置７は、このモニタ光の強度が一定となるように、光ファイバ増幅器３に入力される励起光源（ポンプ光源）８を操作する。このフィードバック制御系により、波長変換光学系５からの出力光の強度が目的の値に保たれる、と考えていた。
しかし実際には、ポンプ光強度の増減に対する波長変換光学系５からの出力光の変化が想定したものと大きく異なり、フィードバック制御が十分機能しない状況が発生することがあった。さらに極端な場合には、ポンプ光の出力を上げると、波長変換光学系５の出力が下がるような状態となり、前述のフィードバック制御が発散する場合もある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ポンプ光の強度が変化しても、出力光の偏光状態の変化が小さく、フィードバック制御系の機能が十分に発揮できる光ファイバ増幅器、及びそれを使用した光源装置、さらにはそれを利用した露光装置、被検査物検査装置及び加工装置を提供することができる。
本発明の参考形態は、固体レーザ光源から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器により光増幅し、光増幅された光を波長変換光学系に入力して、所定の波長を有する出力光を得る光源装置であって、前記出力光の一部をモニタ光として取り出す光分離手段と、前記光分離手段で取り出されたモニタ光の強度が目的の値となるように、前記光ファイバ増幅器のうち少なくとも１つに供給される励起光の強度を操作する光強度調整装置を有し、強度が操作される前記励起光によって増幅率を変化させる光ファイバ増幅器が、入力される光の偏光状態を、増幅率を変化させても、出力光の偏光状態が変化しないように調整する偏光状態調整光学素子を有することを特徴とする光源装置である。
発明者がこのような目的で使用される光ファイバ増幅器３の特性を詳しく調査した結果、ある範囲の入力光の偏光状態に対して、ポンプ光の強度が変化した場合に、それにつれて出力光の偏光の状態が著しく変化する場合があることが分かった。光ファイバ増幅器３の出力光の偏光状態が変化すると、せっかく偏光状態調整光学素子４で最適に調整されている波長変換光学系５への入力光の偏光状態も変化し、その結果、波長変換光学系５の出力も、ポンプ光の強度の変化によるものとは別の原因（偏光状態の変化による、波長変換光学系の効率の変動）によっても変化することがわかった。
さらなる発明者らの考察の結果、光ファイバ増幅器の増幅率（ポンプ光の強度）によって発生する出力光の偏光状態（偏光の向きと楕円度）の変化は、光ファイバ増幅器に入力される光の偏光状態（偏光の向きと楕円度）によって異なり、光ファイバ増幅器に入力される光の偏光状態を調整してやれば、光ファイバ増幅器の増幅率によって発生する出力光の偏光状態の変化は、無くなるか非常に小さいものになることが分かった。よって、光ファイバ増幅器に入力される光の偏光状態をこのような状態に調整してやることにより、光ファイバ増幅器の増幅率の変化によって発生する出力光の偏光状態の変化を、無くするか非常に小さいものにすることができる。
なお、「出力光の偏光状態が変化しないように調整されている」とは、全く変化しない場合のみならず、波長変換効率の最適値（偏光状態が、波長変換に最適な状態になっているときの変換効率の値）からの低下が実用上無いとみなされる程度に変化が小さいことを意味し、これは、本明細書及び特許請求の範囲で共通である。
本手段においては、例えば波長板からなる偏光状態調整光学素子が設けられているので、これを調整することにより、入力される光の偏光状態を、光ファイバ増幅器の増幅率を変化させても、出力光の偏光状態が変化しないように調整することができる。
本手段においては、光源装置の出力光を目的の強度にするフィードバック制御を行う際に、励起光の増減に起因して発生する光ファイバ増幅器の出力光の偏光状態の変化を小さくすることができるので、波長変換光学系の変換効率をほぼ一定に保つことができ、安定したフィードバック制御が可能となる。
前記課題を解決するための第１の手段は、レーザ光源から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器により光増幅し、光増幅された光を波長変換光学系に入射して、所定の波長を有する出力光を得る光源装置であって、前記出力光の一部をモニタ光として取り出す光分離手段と、前記光分離手段で取り出されたモニタ光の強度が目的の値となるように、前記光ファイバ増幅器に供給される励起光の強度を操作する光強度調整装置を有し、前記レーザ光源と前記光ファイバ増幅器の間に、前記光ファイバ増幅器に入力される光の偏光状態を、増幅率を変化させても、前記光ファイバ増幅器の出力光の偏光状態が変化しないように調整するための偏光状態調整光学素子を配置したことを特徴とする光源装置である。
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記偏光状態調整光学素子は1/4波長板と1/2波長板からなる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３の手段は、前記第１の手段であって、前記光ファイバ増幅器は複数であり、前記光分離手段で取り出されたモニタ光は少なくとも一つの前記光ファイバ増幅器に供給する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４の手段は、前記第１の手段であって、前記偏光状態調整光学素子は、前記レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光が最初に入射する前記光ファイバ増幅器の間に配置されている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の手段である光源装置と、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、前記光源装置から出射される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する照明光学系と、前記フォトマスクからの光を前記対象物保持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置である。
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段である光源装置と、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、前記光源装置から出射される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、前記被検物からの光を前記検出器に投影する投影光学系とを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７の手段は、高分子結晶を加工する高分子結晶の加工装置であって、前記第１の手段の光源装置と、当該光源装置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加工装置である。
本発明によれば、ポンプ光の強度が変化しても、出力光の偏光状態の変化が小さく、フィードバック制御系の機能が十分に発揮できる光ファイバ増幅器、及びそれを使用した光源装置、さらにはそれを利用した露光装置、被検査物検査装置及び加工装置を提供することができる。
１…ＤＦＢ−ＬＤ、２…偏光状態調整光学素子、増幅器３…光ファイバ増幅器、４…偏光状態調整光学素子、５…波長変換光学系、６…ハーフミラー、７…自動出力制御装置、８…励起光源（ポンプ光源）
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、本発明の実施の形態の１例である光ファイバ増幅器、及びそれを使用した光源装置の概要を示す図である。ＤＦＢ−ＬＤ１からの出力光は、波長板からなる偏光状態調整光学素子２を通って、光ファイバ増幅器３に入って増幅され、その後、波長板からなる偏光状態調整光学素子４を通って、波長変換光学系５に入り、目的の波長を有する光に波長変換される。
偏光状態調整光学素子４は、波長変換光学系５に入るレーザ光の偏光状態を、波長変換光学系５の変換効率が最大になるように調整するものであり、例えば１／４波長板で偏光の楕円度を調整し、１／２波長板で偏光の向きを調整する。
波長変換光学系５からの出力光（例えば、ＤＦＢ−ＬＤ１からの波長1547ｎｍの光の８倍波である波長193ｎｍの光）は、ハーフミラー６によりその一部が反射され、モニタ光として取り出される。自動出力制御装置７は、このモニタ光の強度が一定となるように、光ファイバ増幅器３に入力される励起光源（ポンプ光源）８を操作する。このフィードバック制御系により、波長変換光学系５からの出力光の強度が目的の値に保たれる。
この実施の形態と、図７に示す従来の光源回路とを比較すると、本実施の形態においては、偏光状態調整光学素子２が設けられているところのみが異なっている。偏光状態調整光学素子２は、１／２波長板と１／４波長板からなり、偏光の方向と楕円度を調整する。予め偏光状態調整光学素子２を調整することにより、励起光源（ポンプ光源）８の出力を変化させても、光ファイバ増幅器３の出力光の偏光特性（偏光の方向と楕円度）が変化しないか、変化の程度が十分小さくなるように調整される。この状態で、偏光状態調整光学素子４によって、波長変換光学系５に入るレーザ光の偏光状態を、波長変換光学系５の変換効率が最大になるように調整する。このようにすれば、励起光源（ポンプ光源）８の出力を変化させても、波長変換光学系５の変換効率は最高に近い状態に保たれ、かつフィードバック制御も安定となる。
図２に、光ファイバ増幅器３に入る光の偏光状態が未調整な場合（Input Polarization 1）と、本発明の方法により、光ファイバ増幅器３に入る光の偏光状態を調整した場合（Input Polarization 2）における、励起光（ポンプ光）の強度（横軸で、規格化された値）と、波長変換光学系５の第二高調波の強度（縦軸で、規格化された値）を示す。
入力光の偏光状態が未調整の場合は、励起光（ポンプ光）の強度の変化に対応する波長変換光学系５の第二高調波の強度の変化の割合が大きい。図示はしていないが、励起光（ポンプ光）の強度が１を超えたときに、励起光（ポンプ光）の強度が増加すると波長変換光学系５の出力光の強度が低下するような場合もある。これは、励起光（ポンプ光）強度の変化に伴い、光ファイバ増幅器の出力の偏光状態が大きく変化し、波長変換光学系５の変換効率が最適値から、大きくずれていることを意味する。
これに対し、本発明の方法により光ファイバ増幅器３に入る光の偏光状態を調整した場合には、励起光（ポンプ光）強度の変化に対する波長変換光学系５の出力光の強度の変化が小さく、安定したものとなっているのが分かる。 これは、励起光（ポンプ光）強度の変化に伴う、光ファイバ増幅器からの出力光の偏光状態の変化がほとんど無く、波長変換光学系５の変換効率が最適値に保たれていることを意味する。
なお、波長変換光学系５に入る前の光を、複数段の光ファイバ増幅器により増幅する場合があるが、この場合には、ポンプ光を変化させる光ファイバ増幅器のうち最初の段の光ファイバ増幅器の前に、偏光状態調整光学素子２をおいて、最後の段の光ファイバ増幅器の出力光の偏光状態の変化を無くすか最小にするように調整すればよい。
又、波長変換光学系５の構成は色々なものが考えられているが、周知のものであり、特許文献１にもその例が説明されているので例示と説明を省略する。
次に、上述した本発明の実施の形態である光源装置１０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３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、上述した光源装置１０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、上述した光源装置１０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光源装置１０を用いて構成されるマスク欠陥検査装置について、図４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、上述した光源装置１０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、上述した光源装置１０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５は本発明の光源装置１０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。
光源装置１０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6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５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6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。
Claims (7)
- レーザ光源から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器により光増幅し、光増幅された光を波長変換光学系に入射して、所定の波長を有する出力光を得る光源装置であって、前記出力光の一部をモニタ光として取り出す光分離手段と、前記光分離手段で取り出されたモニタ光の強度が目的の値となるように、前記光ファイバ増幅器に供給される励起光の強度を操作する光強度調整装置を有し、前記レーザ光源と前記光ファイバ増幅器の間に、前記光ファイバ増幅器に入力される光の偏光状態を、増幅率を変化させても、前記光ファイバ増幅器の出力光の偏光状態が変化しないように調整するための偏光状態調整光学素子を配置したことを特徴とする光源装置。
- 前記偏光状態調整光学素子は1/4波長板と1/2波長板からなることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
- 前記光ファイバ増幅器は複数であり、前記光分離手段で取り出されたモニタ光は少なくとも一つの前記光ファイバ増幅器に供給することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
- 前記偏光状態調整光学素子は、前記レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光が最初に入射する前記光ファイバ増幅器の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
- 請求項１に記載の光源装置と、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、前記光源装置から出射される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する照明光学系と、前記フォトマスクからの光を前記対象物保持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
- 請求項１に記載の光源装置と、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、前記光源装置から出射される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、前記被検物からの光を前記検出器に投影する投影光学系とを有することを特徴とする被検物検査装置。
- 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１に記載の光源装置と、当該光源装置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。
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