JP6073020B2 - 高品質で安定した出力ビーム、および長寿命高変換効率の非線形結晶を備えたレーザ - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、「Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ ＵＶ Ｌａｓｅｒ Ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ，Ｓｔａｂｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｂｅａｍ， Ｌｏｎｇ−Ｌｉｆｅ Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ａｎｄ Ａ Ｗａｆｅｒ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ ＵＶＬａｓｅｒ」と題し、２０１１年７月２２日に出願された米国仮出願第６１／５１０，６３３号の優先権を主張する。

本発明はレーザに関し、特に周波数変換プロセスによってより長波長の放射からより短波長の放射を得るために非線形結晶を使用するレーザに関する。

半導体製造の各連続ノードは、ウェハのより小さな欠陥および粒子の検出を必要とする。したがって、ウェハ検査用のなおさらに高い出力およびより短い波長のＵＶ（紫外線）レーザはつねに需要がある。欠陥または粒径は縮小されるため、その欠陥または粒子によって反射または散乱される光の小部分も通常は縮小される。結果的に、より小さい欠陥および粒子を検出するには改善された信号対雑音比が必要になる。欠陥または粒子を照明するためにより明るい光源が使用される場合、その結果より多くの光子が散乱または反射され、他の雑音源が制御されている限り信号対雑音比を改善できる。光の波長よりも小さい粒子によって散乱する光の小部分は、波長が減少するにつれ大きくなるため、より短い波長を使用することで、より小さな欠陥に対する感度をさらに改善することができる。

一般に、半導体ウェハの検査および計測のニーズは、（たとえば、Ｍ^２がビームのビームパラメータ積の、同じ波長の理想的なガウスビームのビームパラメータ積に対する比である、１に近いＭ^２を用いる）高いビーム品質の連続波（ＣＷ）レーザによって満たすことができる。十分な出力およびビーム品質のＣＷレーザが利用できない場合、次いで一般に次善の代替策は、たとえば約５０ＭＨｚ以上の繰返し率の高繰返し率レーザである。係る高繰返し率は（パルスレーザの一種である）モードロックレーザで可能である。Ｑスイッチレーザは、はるかに低い（１０ＭＨｚより低く、通常は１ＭＨｚよりも低い）繰返し率を有する。一般に、モードロックレーザは約ピコ秒またはフェムト秒ものきわめて短いパルスを発することができる。モードロックレーザは、その共振空洞のモードの間に固定された位相関係を生じさせ、その結果それらのモード間の干渉によってパルスとしてレーザ光を生じさせる。

小さな欠陥または粒子を検出するおよび／または小さな面積を測定するためにはレーザビームを小さなスポット（または線）に集束しなければならないため、（たとえば、Ｍ^２によって測定されるような）ビーム品質は、半導体の検査および計測の用途で重要である。ビーム品質が低い場合には、ウェハ上の集束されたスポット（または線）は、プロファイルがガウスではなく、そのプロファイルの尾部は理想よりも多くのエネルギーを含む。それらの尾部がより大きくなった結果、信号の少なくともいくらかが関心のある領域外から収集され、それによって関心のある領域からの信号のコントラストが削減される。

非線形結晶は、長波長ビームの高調波を発生させることによって、または異なる周波数の２つのレーザビームを混合して、その２つの周波数の和（または差）に等しい周波数を生じさせることによってＵＶレーザビームを生じさせるために使用できる。高調波の発生および混合のプロセスは非線形プロセスであるため、より高い入射出力密度は、通常より効率的な変換プロセスおよびより高い出力パワーを生じさせる。

しかしながら、非線形結晶上で入射レーザ出力を増大すると望ましくない副次的影響が生じることがある。具体的には、高出力レベルは結晶の屈折率を変化させることがある（写真屈折検査法）。結晶内で集束したレーザスポットはほぼガウスのプロファイルを有するため、輝度は結晶内部の異なる場所で相違する。したがって、屈折率の変化は結晶内の場所で変わる。結晶でのこの屈折率勾配は出力ビームを歪め、それによって非点収差を生じさせることがある。出力レーザビームの質が悪化するにつれ、そのビームによって生成されるウェハ上のスポットまたは線はより広くなり、したがって小さな粒子または欠陥を検出するにはより効率的でなくなる。少量の非点収差は結晶の後ろのビーム経路に配置される光学部品によってほぼ補正され得るが、係る補正はおおよそであるにすぎず、初期の非点収差レベルが非常に低い場合にのみ効果的となる。

結晶でのより高い入射出力レベルの別の望ましくない副次的影響は、経時的に結晶内で恒久的な損傷が発生することがあるという点である。露光が蓄積されると、この損傷により非点収差が概して増大するだけではなく、出力強度も概して減少することがある。したがって、光学部品を用いて非点収差を補正するには、頻繁な較正調整が必要となり、商業的な用途では実現困難だろう。さらに、非点収差が、調整を行っても較正が可能ではないレベルまで急速に増大することもある。

また、より短い出力波長を生成することは、出力光子がより活動的であり、したがって結晶の特性を変化させる、または結晶の特性に恒久的に損傷を与えることもあるため、結晶の劣化を加速することもある。したがって、より短い出力波長では、非点収差および他の有害なビーム品質および強度の影響が次第に発生することもある。

非線形結晶の最適出力密度は、（通常は可能な限り高い出力密度を要求する）最大変換効率と、優れたビームプロファイルを維持しつつ、最小化する色中心形成、写真屈折検査法、および二光子吸収（そのすべてが出力密度を引き下げることによって最小限に抑えられる）との間のバランスである。

特に、写真屈折検査法および二光子吸収は光学特性に一時的な変化を生じさせることがあり、それは少なくとも入射レーザパルスの持続時間の間、および通常はそれ以後の短時間持続する。Ｑスイッチレーザにおいてのようにレーザ繰返し率が低いとき、あるパルスと次のパルスとの間に、結晶に対するこれらの変化が元の状態に戻るまで部分的にまたは完全に軽減するほど十分な時間がある場合がある。この軽減は、（標準的な動作にとって典型的な温度範囲である、１２０℃と１５０℃の間等の）高温で結晶が動作している場合にはより速くなることがある。半導体の検査および計測での用途には、通常、モードロックレーザによって達成できるような（５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、またはそれ以上等の）非常に高い繰返し率がより役立つ。ただし、係る高繰返し率は、通常、結晶特性の変化があるパルスから次のパルスで実質的に軽減する時間を与えない。

ＣＬＢＯ（セシウムホウ酸リチウム）またはＣＢＯ（ホウ酸セシウム）等の非線形結晶は、可視レーザ光入力の第２高調波から深いＵＶ光を生じさせるために使用できる。たとえば、２６６ｎｍの波長光はＣＬＢＯを使用して５３２ｎｍのレーザビームから生じさせることができる。別の実施形態では、２１３ｎｍの波長に近い光を、たとえば２６６ｎｍの波長と１０６４ｎｍの波長を混合することによって生じさせることができる。係る結晶を操作できる最大出力レベルは、結晶内の欠陥および不純物によって制限される。

結晶内の不純物またはその結晶格子の欠陥は、結晶の寿命を低下する、または結晶の光学特性での変化が結晶内の他の場所よりも速く起こる場所になる色中心を生じさせることがある。したがって、可能な範囲で、結晶を製作するためには最高の純度の出発物質が使用されるべきである。

特に水等の不純物は、結晶の中にその成長過程の間、またはたとえ出発物質に存在しなくても（検査システムで使用されているときには）通常の操作の間にも組み込まれることがある。これらの不純物は高出力密度で結晶の寿命に悪影響を及ぼすことがある。残念なことに、出発物質の純度を改善しても、操作中に組み込まれる不純物は削減されない。

結晶での劣化を削減するまたは遅くするための１つの既知の技法は、（通常は１２０℃と１５０℃の間の）高温で結晶を操作することであり、これは結晶内でより高いエネルギー電子を生成する。これらのより高いエネルギー電子はより容易に動き回ることができ、それによって短期間での光誘起変化のいくつかを取り消す。パルス間には相対的に長い時間間隔があり、それが１個のパルスの影響からの回復を可能にするため、この技法は、低い繰返し率のレーザに対して最も役立つ。また、この高い動作温度は、結晶が使用されている間の結晶による水の吸収を防ぐのに役立つことがある。

高温で結晶を操作することによって、結晶内でのいくつかの変化を無効にするほど十分に高い移動性をもったより多くの電子を提供できるが、それによって結晶内の欠陥状態のエネルギーも高まる。したがって、高い操作温度は、他の欠陥のメカニズムを加速する一方でいくつかの欠陥のメカニズムを遅くすることがある。特に、高まった温度は、繰返し率が高いときに結晶内での短期変化を削減するにはあまり効果的ではない。

結晶の損傷に対処する別の既知の技法は、一時期結晶内の１つの場所を使用し、次いで出力ビームの質および／または強度の劣化が過度になる前に新しい場所に移動することである。周波数変換に使用される結晶内の場所の頻繁な調整とは、動作時間のかなりの部分、レーザが調整されている、再調整されている、または調整後に安定化することを意味する。調整および再調整が自動化されていても、レーザが調整後に安定化する間に完全な仕様までレーザが動作していないときがある場合がある。製造施設が１日２４時間稼働する半導体業界のような産業での検査用途および測定用途では、動作時間に対するこの中断または動作時間の削減は著しい不利益である。損傷率が高い場合、結晶内の変換場所の頻繁かつ自動的な調整を行ったとしても、結晶は依然として、交換を必要とする前に数日または数週間しか持ちこたえられない場合がある。業務イベント間の係る短い時間間隔は、半導体業界では受け入れがたい。

米国特許出願公開第２００９／０１８０１７６号公報 米国特許出願公開第２０１１／００７３９８２号公報 米国特許第５１０８１７６号 米国特許第５３７７００１号 米国特許第５３７７００２号 米国特許第５１８９４８１号 米国特許第５７１２７０１号 米国特許６１１８５２５号 米国特許第６２０１６０１号 米国特許第６２７１９１６号 米国特許第６６０８６７６号 米国特許第７０８８４４３号 米国特許第７４９２４５１号 米国特許第７５２５６４９号 米国特許第７９５７０６６号

したがって、周波数変換結晶（つまり、基本レーザ波長の高調波を発生できる非線形結晶）を含み、しかも高品質で安定したレーザビームおよび長い結晶寿命を保証できる高出力レーザシステムに対するニーズが生じる。

低温で動作可能なモードロックレーザシステムが説明される。本明細書で使用されるように、「低」温は約５０℃以下である（従来の標準的な動作温度は少なくとも１００℃、および通常は１２０℃と１５０℃の間である）。一実施形態では、低温は３０℃と‐１０℃の間であってよい。このレーザシステムは、アニールされた周波数変換結晶、および低温での標準的な動作の間に結晶を不純物から保護し、それによって結晶のアニール状態を維持するためのハウジングを含むことがある。一般に、結晶は、非ウォークオフ方向でのレイリー領域の２倍、およびラジアン単位でのウォークオフ角で除算されたウォークオフ方向でのビームウエスト半径の２倍の長さの小さい方にほぼ等しい長さを有する。一実施形態では、結晶は（５３２ｎｍを２６６ｎｍに変換するために使用される典型的な長さ１０ｍｍのＣＬＢＯと比較して、長さ１２．５ｍｍまたは長さ１５ｍｍのＣＬＢＯ等の）増加した長さを有することがある。第１のビーム成形光学部品は、光源から、結晶内にまたは結晶に近接して位置するビームウエストでの楕円断面にビームを集束するように構成できる。高調波分離ブロックは、結晶からの出力を空間で分離される異なる周波数のビームに分割できる。一実施形態では、モードロックレーザシステムは、所望される周波数のビームの楕円断面を、円形断面等の所望されるアスペクト比のビームに変換するように構成された第２のビーム成形光学部品をさらに含むことがある。

一実施形態では、結晶内の楕円断面は２：１と６：１との間のアスペクト比を有することがある。第１のビーム成形光学部品は、プリズム、円筒形湾曲素子、放射状‐対称湾曲素子、および回折素子の内の少なくとも１つを含むことがある。高調波分離ブロックは、ペラン‐ブロカプリズム等のプリズムを含むことがある。結晶はＣＬＢＯ（セシウムホウ酸リチウム）結晶、ＣＢＯ（ホウ酸セシウム）結晶、ＢＢＯ（βホウ酸バリウム）結晶、ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム）結晶、ニオブ酸リチウム結晶、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）結晶、または別の非線形光学結晶である場合がある。

低温でレーザシステムを操作する方法も説明される。この方法では、光源からのビームを、アニールされた周波数変換結晶内のまたはアニールされた周波数変換結晶に近接したビームウエストでの楕円断面に集束することができる。結晶の出力から、任意の望ましくない周波数ビームから所望される周波数ビームを分離することもできる。方法は、低温での標準的な動作中に結晶のアニール状態を維持すること、および／または楕円断面を円形断面に変換することをさらに含むことがある。

周波数変換結晶をアニールする方法も説明される。この方法では、温度は約２時間にわたって結晶の約１５０℃に上昇させることができる。温度は約１０時間、１５０℃近くで保持できる。次いで、温度は約１時間にわたって約２００℃に上昇させることができる。このとき、約１００時間、温度が１５０℃と２００℃との間で保持されることがある。最終的に、温度は約３時間にわたって室温まで低下させることができる。

周波数変換結晶をアニールする別の方法も説明される。この方法では、上述された第１のアニールステップの間に、−ＯＨ結合吸収が第１のレベルであるかどうかが決定される。第１のレベルではない場合、次いで温度は１５０℃近くで保持され続ける。第１のレベルである場合、次いで温度は約１時間にわたって約２００℃に上昇される。上述された第２のアニールステップの間に、―ＯＨ結合吸収が第２のレベルであるかどうかが決定される。第２のレベルではない場合、次いで温度は１５０℃と２００℃との間で保持され続ける。第２のレベルである場合、次いで温度は約３時間にわたって室温まで低下される。一実施形態では、吸収を決定することは、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外線分光法）を使用して実行できる。たとえば、ＦＴＩＲは赤外線スペクトルの３５８０ｃｍ^−１近くで−ＯＨ結合を監視できる。

多段強化アニールプロセスも説明される。このプロセスでは、第１の強化段階が第１の所定の温度に温度を上昇させることができる。温度は第１の所定期間、第１の所定温度で保持できる。次いで、第２の強化段階が第２の所定の温度に温度を上昇させることができ、第２の所定の温度は第１の所定の温度よりも高い。温度は第２の所定の期間、第２の所定の温度で保持できる。最後に、温度は室温まで低下させることができる。

別の多段強化アニールプロセスも説明される。このプロセスでは、第１の強化段階は第１の所定温度に温度を上昇させることができる。温度は、−ＯＨ結合吸収が第１のレベルになるまで第１の所定温度で保持できる。次いで、第２の強化段階が、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度に温度を上昇させることができる。温度は、−ＯＨ結合吸収が第２のレベルになるまで第２の所定温度で保持できる。最後に、温度は室温まで低下させることができる。

試験表面で汚染物質および欠陥を検出するための光学システムも説明される。この光学システムは、レーザビームを生成するための改善型レーザシステム、およびレーザビームを経路に沿って試験表面の上に導き、その上に照明スポットを生じさせる光学部品を含むことがある。検出器および楕円鏡面も提供される。鏡面および検出器は、試験表面に直角な線の回りに対称軸を有する。鏡面は、試験表面に近接して配置されて、表面からそこを通って散乱した光を受光する入力アパーチャ、および出口アパーチャを画定する。鏡面は対称軸の回りで実質的に回転対称であり、したがって鏡面は、入力アパーチャを通って検出器に移動する光を対称軸の回りで回転対称に反射し、集束する。出口アパーチャは入力アパーチャの反対に位置する。

サンプルの異常を検出するための光学システムも説明される。この光学システムは、第１のビームおよび第２のビームを生成するための改善型レーザシステムを含むことがある。第１の光学部品は、発光の第１のビームを第１の経路に沿ってサンプルの表面の第１のスポットの上に導くことができる。第２の光学部品は、発光の第２のビームを第２の経路に沿ってサンプルの表面の第２のスポットの上に導くことができる。第１の経路および第２の経路は、サンプルの該表面への異なる入射角となる。集光光学部品はサンプル表面の第１のスポットまたは第２のスポットから散乱し、第１のビームまたは第２のビームから生じる発光を受け取り、散乱した発光を第１の検出器に集束するための曲線状の鏡面を含むことがある。第１の検出器は、該曲線状の鏡面によってその上に集束された発光に応えて単一の出力値を提供できる。計器は、スポットがサンプルの表面全体で走査されるように、２つのビームとサンプルとの間に相対的な運動を引き起こすことがある。

表面検出装置も説明される。この装置は、発光のビームを生成するための改善型レーザシステムを含むことがある。照明システムは、表面を基準にして非正規入射角で発光のビームを集束して、実質的に集束ビームの入射面内の表面に照明線を形成するように構成できる。入射平面は、集束ビーム、および集束ビームを通り、表面に垂直である方向によって画定される。集光システムは、照明線を結像するように構成できる。集光システムは、照明線を含む、表面の領域から散乱した光を集光するための結像レンズ、集光された光を集束するための焦点レンズ、および受光素子のアレイを含む装置を含むことがある。受光素子のアレイの各受光素子は、照明線の拡大画像の対応する部分を検出するように構成できる。

入力レーザパルスを生成するための改善型レーザシステムを含むパルス逓倍器も説明される。このパルス逓倍器は、入力レーザパルスを受け取る偏光ビームスプリッタをさらに含むことがある。波長板は、偏光されたビームスプリッタから光を受光し、第１のセットのパルスおよび第２のセットのパルスを生成し、第１のセットのパルスは第２のセットのパルスとは異なる偏光を有する。鏡のセットは、偏光ビームスプリッタおよび波長板を含む、リング空洞を生じさせることがある。偏光ビームスプリッタは、第１のセットのパルスをパルス逓倍器の出力として伝達し、第２のセットのパルスをリング空洞の中に反射することができる。

本発明に係る簡略化されたレーザシステムを示す図である。 ビームウエストが示された、例示的なガウスレーザビームを示す図である。 不純物から周波数変換結晶を保護し、それによってレーザが動作しているのか、それとも動作していないのかに関わりなく、結晶のアニール状態を維持するためのハウジングを実装できる例示的なハウジングを示す図である。 不純物から周波数変換結晶を保護し、それによってレーザが動作しているのか、それとも動作していないのかに関わりなく、結晶のアニール状態を維持するためのハウジングを実装できる例示的なハウジングを示す図である。 不純物から周波数変換結晶を保護し、それによってレーザが動作しているのか、それとも動作していないのかに関わりなく、結晶のアニール状態を維持するためのハウジングを実装できる例示的なハウジングを示す図である。 例示的な多段周波数変換を示す図である。 光源出力の楕円断面を生じさせるための例示的なアナモルフィック光学部品を示す図である。 光源出力の楕円断面を生じさせるための例示的なアナモルフィック光学部品を示す図である。 光源出力の楕円断面を生じさせるための例示的なアナモルフィック光学部品を示す図である。 周波数変換結晶で使用できる例示的なアニールプロセスを示す図である。 周波数変換結晶で使用できる例示的なアニールプロセスを示す図である。 改善型レーザシステムを含む例示的な検査システムを示す図である。 改善型レーザシステムを含む例示的な検査システムを示す図である。 改善型レーザシステムを含む例示的な検査システムを示す図である。 改善型レーザシステムを含む例示的な検査システムを示す図である。 改善型レーザシステムによって生成される各入力レーザパルスからパルス列を生成するように構成された例示的なパルス逓倍器を示す図である。

改善されたレーザシステムおよび動作に従って、モードロックレーザシステムは、アニールされた周波数変換結晶、および通常の動作中に結晶内にまたは結晶に近接して位置する楕円断面ビームウエストを生じさせる入力光源を含む。いくつかの実施形態では、周波数変換結晶は低温で維持される。本明細書に使用されるように、「低」温はほぼ５０℃以下である。一実施形態では、低温は３０℃と‐１０℃の間であってよい。構成要素と動作のこの組合せが、ビーム品質、ビーム安定性、および結晶寿命を保証できる。

レーザシステムのいくつかの実施形態に従って、（以下に説明される）「長い」結晶を含むことができる。レーザの典型的な周波数変換段階では、入力レーザビームは周波数変換結晶内のまたは周波数変換結晶に近接したほぼ円形の断面ビームウエストに集束される。入力レーザビームは結晶内部でより多くの時間を費やすため、結晶が長いほど、出力波長に変換される入力波長（複数の場合がある）が多くなる。ただし、入力波長と出力波長との間のウォークオフのために、長すぎる結晶はビーム品質を下げる。最大使用可能変換結晶長を決定する１つの要因は（結晶材料および入力波長および出力波長に依存する）ウォークオフ角およびビーム直径である。半導体の検査および測定のための用途では、優れたビーム品質が必要とされ、したがって通常、最大使用可能結晶長は、ラジアン単位のウォークオフ角で除算されたレーザビームウエスト直径にほぼ等しい。方程式として表される場合、ビームウエストの半径がｗ_０であると、ラジアン単位のウォークオフ角はα_ｗ０であり、結晶長がＬであると、最大使用可能結晶長は以下によってほぼ与えられる。

たとえば、ＣＬＢＯ結晶で５３２ｎｍの入力レーザビームを２６６ｎｍに変換するためには、（動作温度に対する弱い依存性がある場合）ウォークオフ角はほぼ３３ｍｒａｄである。ビームウエスト半径が約１７５μｍである場合、最大結晶長は約１１ｍｍになるだろう。係る用途には、通常１０ｍｍのＣＬＢＯ結晶長が使用されるだろう。ビームウエスト半径を増加するとより長い結晶を使用できるようになるだろうが、単位長あたりの変換効率はｗ_０の二乗とともに逆に拡大縮小する出力密度に依存するため、全体的な変換効率は下がるだろう。

高すぎる出力密度は結晶に急速に損傷を与えるため、一般に、ｗ_０の非常に小さい値は望ましくない。さらに、ｗ_０の小さな値は集束レーザビームのレイリー領域を縮小し、したがってシステムをミスアラインメントに対しより敏感にし、結晶長がレイリー領域の約２倍よりも大きい場合、結晶長の一部だけしか周波数変換のために効率的に使用させない。ほぼ断面のビームおよび優れたビーム品質（つまり、以下に説明される１．０に近いＭ^２）のレーザビームのレイリー領域は、以下によって与えられる。

十分に優れた品質の十分に大きな結晶が妥当なコストで入手できる場合、多くの場合、結晶長はレイリー領域の２倍、および上記Ｌ_ｍａｘの小さい方にほぼ等しくなるように選ばれる。したがって、一般に、結晶はレイリー領域の２倍、およびラジアン単位のウォークオフ角で除算されたビームウエスト半径の２倍の長さの小さい方にほぼ等しい長さを有する。

本発明のいくつかの実施形態では、ビームは、以下に説明されるように、結晶内のまたは結晶に近接したビームウエストでの楕円断面の中に集束される。楕円は、非ウォークオフ方向に比べてウォークオフ方向で細長い。Ｌ_ｍａｘはウォークオフ方向のｗ_０の値だけに依存するので、ウォークオフ方向でのビームウエスト半径の増加によって、より長い結晶を使用できるようになる。

楕円焦点での出力密度はビームウエスト半径の積に反比例する（または円形断面ビームウエストの場合、二乗されたビームウエスト半径に反比例する）。出力密度が円形焦点の出力密度にほぼ同等となるように、円形焦点の代わりに、２つのビームウエスト半径が選ばれた楕円焦点を使用することができ、単位長あたりの変換効率および損傷率は円形焦点のケースと楕円焦点のケースの間でほぼ類似する結果になる。ただし、楕円焦点はウォークオフ方向でより大きなビームウエスト半径を有するため、結晶長が長くなり、全体的な変換効率が増加する結果となる場合がある。代わりに、楕円焦点ビームウエスト半径が、出力密度をわずかに（たとえば、円形ビームウエストの出力密度の約７０%に）削減するために選ばれて、十分に長い結晶（この例では２倍の長さ）を使用して実質的に等しい全体的な変換効率を生じさせる一方で、結晶に対する損傷率を削減することができるだろう。楕円が大きすぎるアスペクト比を有する場合、次いでよりぴったりと集束した方向でのより小さいｗ_０値がその方向でのより小さいレイリー領域につながり、したがって最大有効結晶長を制限することに留意されたい。当業者は、これら、ならびに全体的な変換効率、損傷率、結晶長およびコストの他のトレードオフを理解し、適切なビームウエストプロファイルを選択できる。

楕円焦点が本発明の実施形態に従って使用されるときに非ウォークオフ方向でのビームウエスト半径はウォークオフビームウエスト半径よりも小さいので、非ウォークオフ方向のレイリー領域はウォークオフ方向でのレイリー領域よりも短くなる。したがって、最大有効結晶長は、非ウォークオフ方向でのレイリー領域の２倍、およびラジアン単位のウォークオフ角で除算されたウォークオフ方向でのビームウエスト半径の２倍によって定められる長さの小さい方によってほぼ決定される。

たとえば、ＣＬＢＯ結晶を使用して５３２ｎｍを２６６ｎｍに変換する周波数変換段階では、半径が約１７５μｍの円形ビームウエストの代わりに、半径が約１２５μｍ（非ウォークオフ方向） ｘ 半径２５０μｍ（ウォークオフ方向）の楕円形ビームウエストが使用できるだろう。これらの２つの場合の出力密度は実質的に類似しているが、円形焦点の場合の約１１ｍｍの最大結晶長に対し、楕円焦点は約１５ｍｍの最大結晶長を可能にするだろう。全体的な変換効率は、より長い結晶と使用される場合、楕円焦点の場合約５０%大きくなるだろう。

図１Ａは、簡略化された改善型レーザシステム１００を示す。レーザシステム１００では、光源１０１の出力は、ビーム成形光学部品１０２を使用して（参照を容易にするために結晶１０３とも呼ばれる）周波数変換結晶１０３内のまたは周波数変換結晶１０３に近接した楕円断面ガウスビームウエストに集束できる。本明細書に使用されるように、用語「近接した」は好ましくは結晶１０３の中心からレイリー領域の半分未満である。結晶１０３が、上述したように長い結晶であってよい、または標準サイズの結晶であってよいことに留意されたい。好ましい一実施形態では、楕円の主軸のガウス幅間のアスペクト比は約２:１と約６:１との間となるだろう。楕円１０４の主軸１０４Ａおよび１０４Ｂが互いに対して直角であり、楕円１０４の最長長さおよび最も幅広い幅を画定することに留意されたい。他の好ましい実施形態では、楕円の主軸間の比は約２:１と約１０:１の間となるだろう。一実施形態では、より幅広いガウス幅は、周波数変換結晶のウォークオフ方向と（たとえば、位置合わせの約１０°の範囲内に）実質的に位置合わせされる。

図１Ｂは、（明確にするために尾部が強調された）例示的なガウスレーザビーム１０８を示し、線１０４Ｃは（焦点領域とも呼ばれる）２ｘビームウエストを示す。図１Ｃ、図１Ｄ、および図１Ｅは、標準動作中に周波数変換結晶１０３を保護できるハウジング１０７を実装できるだろう例示的なハウジングを示す。一実施形態では、ハウジング１０７は、不純物から結晶１０３を保護し、それによって低い標準動作温度、つまり約５０℃未満でもそのアニール状態を維持しやすくすることができる。経時的に不純物にさらされる結晶は劣化を開始し、実質的にアニールされていない状態に戻ることがあることに留意されたい。２００８年５月６日に出願された「Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ Ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」と題する米国特許出願第１２／１５４，３３７号は、これらのハウジングをさらに詳細に説明し、参照により本明細書に組み込まれる。他の実施形態では、ハウジング１０７は、結晶１０３およびレーザシステムの他の構成部品を含むより大きな構造体であってよい。一実施形態では、ハウジング１０７はレーザシステムのすべての構成部品を収納するほど十分に大きい。ハウジングが大きくなるほど、（劣化から結晶１０３を保護し、そのアニール状態を維持するために）レーザシステムの保守および修理により多くの予防措置が必要となることに留意されたい。したがって、一実施形態では、ハウジング１０７は好ましくはより大きいより、むしろより小さい。

ビーム成形光学部品１０２は、光源１０１からの出力の断面を変更できるアナモルフィック光学部品を含むことがある。アナモルフィック光学部品は、たとえばプリズム、円筒形湾曲素子、放射状‐対称湾曲素子、および屈折素子の内の少なくとも１つを含むことがある。一実施形態では、光源１０１は、結晶１０３の内部で二倍にされる、たとえば５３２ｎｍ等、可視範囲で周波数を生成するレーザを含むことがある。他の実施形態では、光源１０１は、結晶１０３の内部で結合されて和周波数または差周波数を生成する２つ以上の周波数を生成するレーザソースを含むことがある。

図１Ｆは、たとえば１０６４ｎｍの基本波長から第４高調波発生を発生させる例示的な周波数変換を示す。レーザ１９０によって生成される基本波長は、第２高調波発生技法１９１および周波数分離技法１９２を使用して第２高調波１９６（つまり５３２ｎｍの波長）に変換できる。周波数分離技法１９２は、不必要な基本（つまり、消費されていない基本１９７）を第２高調波１９６から分離できる。一実施形態では、第２高調波発生技法１９１および周波数分離技法１９２は、上述されたビーム成形光学部品１０２、周波数変換結晶１０３、および高調波分離ブロック１０５を使用して実装できる。

第２高調波１９６は、同様に、第４高調波発生技法１９３および周波数分離技法１９４を使用して生じさせることができる第４高調波１９８（つまり、２６６ｎｍ波長）のソースとなることがある。周波数分離技法１９４は、第４高調波１９８から不必要な第２高調波、つまり消費されていない第２高調波１９９を分離する。一実施形態では、第４高調波発生技法１９３および周波数分離技法１９４は、上述されたビーム成形光学部品１０２、周波数変換結晶１０３、および高調波分離ブロック１０５を使用して実装できる。別の実施形態では、（例の第１高調波発生段階および第４高調波発生段階等の）周波数変換段階および周波数分離段階の内の複数を、上述されたビーム成形光学部品１０２、周波数変換結晶１０３、および高調波分離ブロック１０５を使用して実装できる。

図１Ｆの例示的な周波数変換が事例的にすぎず、制限ではないことに留意されたい。他の高調波は、たとえば基本を第２高調波と混合して第３高調波を生じさせる、または基本を第４高調波と混合して（または第２高調波と第３高調波を混合して）第５高調波を生じさせることによって生じ得る。紫外線（ＵＶ）波長を生成する変換段階のいずれかまたはすべてが、ビーム成形光学部品、周波数変換結晶、および高調波分離ブロックを使用できる。図１Ｆは、あたかも高調波分離ブロックが不要な周波数を反射し、求められている周波数は実質的には偏位されずに移動するかのように示されているが、これは単にその高調波分離ブロックが周波数を分離するという説明図にすぎず、どの周波数が反射される、または伝達されるのかを制限するように意図されていないことに留意されたい。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは例示的なアナモルフィック光学部品を示す。図２Ａは、ブルースター角近くで動作するように構成できる２つのプリズム２０１および２０２を示す。一実施形態では、プリズム２０１および２０２は、システムにいかなる出力も導入せずにビームの楕円率を調節するために調整できる。図２Ｂは、２枚のレンズ２０３および２０４で実装される円筒形の望遠鏡を示す。円筒形の望遠鏡では、大部分の非点収差を補償するために視準を設定できることに留意されたい。図２Ｃは、３枚のレンズ２０５、２０６、２０７で実装される無限焦点円筒形ズーム望遠鏡を示す。無限焦点円筒形ズーム望遠鏡は、ビーム直径を調整し、焦点調節を設定するために使用できる。図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃのアナモルフィック光学部品は２つまたは３つの構成部品を含んでいるが、他の実施形態は任意の数の構成部品を含んでよいことに留意されたい。実際に、図２Ａから図２Ｃの光学部品の構成は事例的にすぎず、制限ではない。図１を参照し直すと、ビーム成形光学部品１０２は楕円断面ビーム出力を生成し、楕円断面ビーム出力は、次いで既知の球形光学部品または円筒形光学部品（不図示）を使用して結晶１０３内のまたは結晶１０３に近接したビームウエストで集束できる。

高調波分離ブロック１０５は、ビーム分離用のプリズムを含むことがある。一実施形態では、コーティングされていないペラン‐ブロカプリズムが、一方のビーム（つまり、所望される周波数のビーム）がフレネル反射に起因して最小の損失を有し、他方のビーム（つまり、望ましくない周波数のビーム）がフレネル反射に起因して多大な損失を被るように２つのビームを生じさせることができる。特に、ペラン‐ブロカプリズムによって生成される出力ビームは入力ビームに対して９０度であり、それが、便利なセットアップおよび不必要なビーム（つまり、不必要な周波数）の除去を可能にする。他の実施形態が所望される波長の複数のビームを生成すること、および／または望ましくない周波数を有する１つまたは複数の不必要なビームを除去するための他の手段を含んでよいことに留意されたい。さらに、高調波分離ブロック１０５は、たとえば第２高調波、第３高調波、第４高調波、または第５高調波等の任意の数の高調波、および／または係る高調波および／または基本の和周波数または差周波数を生成してよい。

特に、ビーム成形光学部品１０６は、レーザシステム１００の出力ビーム用に実質的に円形の対称ビームプロファイルを生じさせるために結晶１０３の後ろに配置できる。一実施形態では、当業者によって理解されるように、ビーム成形光学部品１０２（円形ビームから楕円ビームへ）の光学部品に類似した光学部品が楕円断面から円形断面に出力ビームを変換するために使用されてよい。ただし、（通常軸に対して直角であり、ビームへの歪みを引き起こす）ウォークオフ平面では、出力ビームの開きは入力ビームの開きに実質的に類似しているが、結晶１０３によって引き起こされるビームプロファイルの歪みに起因して少し大きくなってよいことに留意されたい。対照的に、非ウォークオフ方向で（つまり、通常軸で）は、出力ビームの幅は非線形（ほぼ二次）変換プロセスのために約

の因数で縮小されることになる。さらに、ビーム成形光学部品１０６を実装するための光学部品も出力ビームのより短い波長の主原因となるはずである。特に、より高いレーザ出力および／またはより短いレーザ波長が、より高速でのより小さな欠陥の検出を可能にする。Ｍ^２＝１．０に近い高品質ビームを小さなスポットまたは狭い線にぴったりと集束し、それによって小さい欠陥の検出を容易にすることができる。１．０のＭ^２値が理想的なガウス断面のあるレーザビームに相当することに留意されたい。好ましい一実施形態では、ビーム成形光学部品１０６は約１．２未満であるＭ^２値の出力ビームを生じさせることができる。

Ｍ^２はビーム品質の１つの測定基準であるが、ビーム品質はその非点収差によってさらに定量化され得る。レーザシステム１００の別の態様に従って、ビーム成形光学部品１０２（および使用されているとき、ビーム成形光学部品１０６）は、２つの軸の相対的なウエスト位置でわずか１０％のレイリー領域のシフトを引き起こす非点収差のあるＵＶ出力レーザを生じさせることがある。

いくつかの用途では、楕円出力ビームがレーザシステム１００の用途にさらによく適合し得ることに留意されたい。たとえば、ＵＶ照明ビームが斜めにウェハに入射する場合、楕円レーザビームは円形のスポットを可能にするだろう。係る用途の場合、アナモルフィック光学部品はビーム成形光学部品１０６には不必要な場合がある。代わりに、他の実施形態では、ビーム成形光学部品１０６のアナモルフィック光学部品は、出力楕円断面を、ビーム成形光学部品１０２によって出力される楕円断面とは異なる楕円断面に変更してよい。その実施形態では、ビーム品質はＭ_ｘ ^２およびＭ_ｙ ^２で測定することができ、ｘおよびｙは楕円の主軸（つまり、図１の１０４Ａおよび１０４Ｂ）を表す。この場合、Ｍ_ｘ ^２とＭ_ｙ ^２の両方とも１．２未満であるべきである。

一実施形態では、結晶１０３の欠陥または（Ｈ_２Ｏおよび／またはＯＨ等の）不純物を削減するために、改善されたアニールプロセスを実行できる。一般に、アニールは約２０ｐｐｍ未満の水のある環境で実行できる。一実施形態では、環境は清潔で乾燥した空気または（Ｎ_２またはＡｒ等の）乾燥した不活性ガスを含むことがある。

図３Ａに示される１つの多段強化アニールプロセス３００で、温度は、ステップ３０１の約２時間の時間間隔にわたって室温から約１５０℃にゆっくりと上昇させることができる。ステップ３０２は、約１０から２０時間１５０℃近くの温度を保持できる。ステップ３０３は、次いで別の約１時間の期間にわたって約２００℃に温度を上昇させることができる。初期結晶が特に高い含水量を有する場合、次いでステップ３０３はこの温度ランピングをよりゆっくりと実行してよい。次いで、ステップ３０４は少なくとも１００時間（いくつかの実施形態では、約２００時間または３００時間）、約１５０℃と２００℃との間に温度を保持してよい。他方、初期含水量がより低い場合、次いでより速い温度ランピング（ステップ３０３）およびたとえば４８時間等のより短いアニール時間（ステップ３０４）を使用できる。ステップ３０５は、約３時間にわたって温度を室温まで低下させることができる。ステップ３０１から３０５に関連する時間が、約５から１５ｍｍの範囲の線形寸法の結晶に対してであることに留意されたい。結晶のバルクから水を除去するプロセスは基本的に拡散プロセスであるため、より大きな寸法（したがって、より低い表面積対体積の比）の結晶はより長いアニール時間を要することがある。対照的に、より小さい寸法（したがって、より大きい表面積対体積の比）の結晶はより短時間で適切にアニールされ得る。

さらに、初期に過剰に速く払われる水に起因するのか、それとも温度変化によって誘発される機械的な応力に起因するのかに関わりなく、結晶に対して機械的な損傷が発生しないことを保証するために温度ランピング速度を調節できる。一般に、より高いレベルの水を含む、またはより大きい機械的寸法の結晶は、より小さい結晶またはより乾燥した結晶に比べて、よりゆっくりとした温度ランピングおよび／または１５０℃近くでのより長い保持時間を必要とすることがある。

図３Ｂに示される別の多段強化アニールプロセス３１０では、ＦＴＩＲ（フーリエ変換変換赤外線分光法）が、赤外線スペクトルの３５８０ｃｍ^−１近くで（Ｈ_２Ｏ）を含む−ＯＨ結合の吸収を監視するために使用されてよい。たとえば、ＦＴＩＲ監視は、結晶がステップ３０２Ａでアニールを受けている（つまり、１５０℃近くの温度を保持している）間に結晶に対して行うことができる。ステップ３０２Ｂは、−ＯＨ吸収ピークがその初期値から約２０％削減される等、吸収が第の１レベルであるかどうかを判断できる。第１のレベルではない場合、次いでプロセスはステップ３０２Ａで続行する。第１のレベルである場合、次いでプロセスはステップ３０２Ａのアニールに進む。さらに、ステップ３０４Ａで、アニールの（つまり、約１５０℃と２００℃との間に温度を保持する）間にＦＴＩＲ測定を行うことができる。ステップ３０４Ｂは、−ＯＨ吸収ピーク領域がその元の値の約５％に削減された等、吸収が第２のレベルであるかどうかを判断できる。第２のレベルではない場合、次いでプロセスはステップ３０４Ａで続行する。第２のレベルである場合、次いでプロセスはステップ３０５の下降に進む。

アニールプロセス３００および３１０は、たとえばＣＬＢＯ、ＣＢＯ、ＢＢＯ、ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム）、ニオブ酸リチウム、ＫＤＰ、または他の非線形材料から作られる結晶を含む多様な周波数変換結晶のために使用できる。いくつかの実施形態では、これらの結晶材料は、ドーパント等の他の要素を含んでよい。アニールプロセス３００および３１０は、ＣＢＯおよびＣＬＢＯ等の吸湿剤に特に有効であってよい。いくつかの非吸湿性材料にとっても、アニールは表面のまたはバルクの汚染物質を削減するために有効である場合がある。

１５０℃を十分に下回るレーザ動作温度は、欠陥または不純物がほとんどない高純度の周波数変換結晶と使用されるときに特に役立つ。特に、最小の欠陥／不純物を有する結晶は、通常の動作よりもはるかに低温で使用され、それによって結晶寿命を延ばすことができる。たとえば、一実施形態では、（上述されたプロセスの内の１つを使用してアニールされた）結晶１０３は約１０℃と約５０℃の間の動作温度等の、室温に近いまたは室温以下の温度でも使用できる。好ましい一実施形態では、結晶の動作温度は約３０℃である。別の好ましい実施形態では、結晶は水蒸気がない制御された環境に保存され、次いで約０℃、−１０℃、またはさらに冷たい等非常に低い温度で使用できる。一実施形態では、結晶１０３の温度を維持し、制御するために熱電（つまりペルチェ）冷却器を使用できる。

変換結晶の寿命を延ばすことは、レーザシステムの保守の頻度を有利に減少させ、レーザシステムを組み込む検査ツールまたは計測ツールが生産的に動作する時間の割合を高める。また、レーザシステムの各業務イベント間の時間間隔を延ばすことができるため、結晶の寿命の増加はレーザシステムにとってのより低い操業費も意味する。

本書で説明されるレーザシステムは、参照により本明細書に組み込まれる、現在は米国第２０１１０２２８２６３号として公開されている、２０１１年３月２８日に出願された米国特許出願第１３／０７３，９８６号（第９８６号出願）に開示されるコヒーレンス削減方式を有利に組み込むことができる。第９８６号出願に説明されるように、１台または複数の電気光学変換器との１つまたは複数の分散素子の組合せは、光を変調することによって、ならびに光の空間特性および時間特性を混合することによってコヒーレンスを削減するために使用できる。

図４は、表面４０１の異常を検出するために使用できる表面検査システムを示す。本実施形態では、表面４０１は、レーザシステム１００（図１を参照）によって生成されるレーザビームを含むシステム４００の実質的に固定された照明装置部分によって照明できる。ビームを拡大し、集束するために、レーザシステム１００の出力を偏光光学部品４２１、ビームエクスパンダおよびアパーチャ４２２、ならびにビーム形成光学部品４２３に連続して通過させることができる。

集束されたレーザビーム４０２は、次いでビーム折畳み構成部品４０３およびビーム偏向器４０４によって反射されて、表面を照明するためにビーム４０５を表面４０１に向かって導く。他の実施形態では、ビームは表面４０１に対して斜めであってよいが、好ましい実施形態では、ビーム４０５は表面４０１に対して実質的に垂直または直角をなす。

一実施形態では、ビーム４０５は表面４０１に対して実質的に直角をなす、または垂直であり、ビーム偏向器４０４が表面４０１からのビームの鏡面反射をビームターニング構成部品４０３に向かって反射し、それによって鏡面反射が検出器に到達するのを防ぐためのシールドとして働く。鏡面反射の方向は、表面４０１に垂直である線ＳＲに沿っている。ビーム４０５が表面４０１に垂直である一実施形態では、この線ＳＲは照明ビーム４０５の方向と一致し、本明細書ではこの共通の基準線または方向は検査システム４００の軸と呼ばれる。ビーム４０５が表面４０１に対して斜めである場合、鏡面反射ＳＲの方向はビーム４０５の入射方向と一致しないだろう。係る例では、表面法線の方向を示す線ＳＲは、検査システム４００の集光部分の主軸と呼ばれる。

小さい粒子によって散乱する光は鏡４０６によって集光され、アパーチャ４０７および検出器４０８に向かって導かれる。大きな粒子によって散乱する光はレンズ４０９によって集光され、アパーチャ４１０および検出器４１１に向かって導かれる。いくつかの大きな粒子が、やはり集光され、検出器４０７に導かれる光を散乱させ、同様にいくつかの小さい粒子が、やはり集光され、検出器４１１に導かれる光を散乱させるが、係る光は、それぞれの検出器が検出するように設計される散乱光の輝度に比較して相対的に低い輝度であることに留意されたい。一実施形態では、検査システムは、パターンのないウェハの欠陥を検出する際に使用するために構成できる。

図５は、法線照明ビームと斜照明ビームの両方を使用して異常検出を実施するように構成された検査システム５００を示す。この構成では、レーザシステム１００（図１）がレーザビーム５０１を提供できる。レンズ５０２は空間フィルタ５０３を通してビーム５０１を集束し、レンズ５０４がビームを視準し、偏光ビームスプリッタ５０５にビームを伝達する。ビームスプリッタ５０５は、第１の偏光成分を法線照明チャネルに通し、第２の偏光成分を斜照明チャネルに通し、そこで第１の成分および第２の成分は直交している。法線照明チャネル５０６では、第１の偏光成分は光学部品５０７によって集束され、鏡５０８によってサンプル５０９の表面に向かって反射される。サンプル５０９によって散乱する発光は集光され、放物面鏡５１０によって光電子増倍管５１１に集束される。

斜照明チャネル５１２では、第２の偏光成分がビームスプリッタ５０５によって、半波長板５１４を通して係るビームを反射する鏡５１３に反射され、光学部品５１５によってサンプル５０９に集束される。斜チャネル５１２の斜照明ビームから発し、サンプル５０９によって散乱する発光は放物面鏡５１０によって集光され、光電子倍増管５１１に集束される。光電子倍増管５１１はピンホール入口を有する。ピンホールおよび（表面５０９の法線照明チャネルおよび斜照明チャネルから）照明されたスポットは、好ましくは放物面鏡５１０の焦点にある。

放物面鏡５１０は、サンプル５０９から散乱する発光を視準ビーム５１６の中に視準する。視準ビーム５１６は、次いで対物レンズ５１７によって、およびアナライザ５１８を通して光電子倍増管５１１に集束される。放物面形状以外の形状を有する曲線状の鏡面も使用され得ることに留意されたい。スポットがサンプル５０９の表面全体で走査されるように、計器５２０はビームとサンプル５０９との間で相対的な運動を提供できる。

図６は、表面２０の領域を検査するための、照明システム６０１および集光システム６１０を含む別の表面検査装置６００を示す。図６に示されるように、レーザシステム１００（図１）はレンズ６０３を通して光ビーム６０２を導くように構成される。レンズ６０３は、その主平面が表面６１１に対して実質的に平行となり、その結果、レンズ６０３の焦点面内の表面６１１に照明線６０５が形成されるように配向される。さらに、光ビーム６０２および集束ビーム６０４は表面６１１に対して非直交入射角で導かれる。特に、光ビーム６０２および集束ビーム６０４は、法線方向から表面６１１に約１度と約８５度との間の角度で導かれてよい。このようにして、照明線６０５は実質的には集束ビーム６０４の入射平面内にある。

集光システム６１０は、照明線６０５から散乱する光を集光するためのレンズ６１２、およびレンズ６１２から出射する光を、光検出器のアレイを含む、電荷結合素子（ＣＣＤ）６１４等の装置の上に集束するためのレンズ６１３を含む。一実施形態では、ＣＣＤ６１４は検出器の直線アレイを含んでよい。係る場合、ＣＣＤ６１４内部の検出器の直線アレイは、照明線６１５に対して平行に配向できる。一実施形態では、複数の集光システムを含むことができ、集光システムのそれぞれが類似する構成部品を含むが、向きで異なる。たとえば、図７は、表面検出システム（たとえば照明システム６０１の照明システムに類似するその照明システムは、簡単にするために不図示である）用の集光システム７０１、７０２、７０３の例示的なアレイを示す。

（すべてが参照により本明細書に組み込まれる）米国特許出願公開第２００９／０１８０１７６号および第２０１１／００７３９８２号だけではなく、米国特許第５，１０８，１７６号、第５，３７７，００１号、第５，３７７，００２号、第５，１８９，４８１号、第５,７１２，７０１号、第６、１１８，５２５号、第６,２０１，６０１号、第６,２７１，９１６号、第６,６０８,６７６号、第７,０８８，４４３号、第７,４９２，４５１号、第７,５２５,６４９号、および第７,９５７、０６６号は、レーザシステム１００を含むことがある他の検査システムの実施形態を説明する。レーザシステム１００は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年６月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／４９６，４４６号に開示されるパルスストレッチ方式およびパルスレート逓倍方式の内の１つまたは複数と組み合わせることもできる。

図８は、レーザシステム１００（図１）によって出力される各入力パルス８０１からパルス列を生成するように構成された例示的なパルス逓倍器を示す。入力パルス８０１は、入力パルス８０１の入力偏光のためにその光のすべてをレンズ８０６に伝達する偏光ビームスプリッタ８０２に衝突する。このようにして、伝達された偏光は入力パルス８０１の入力偏光に平行である。レンズ８０６は入力パルス８０１の光を集束し、半波長板８０５に導く。一般に、波長板は光波の垂直偏光成分間で位相をシフトし、よって波長板を通過する光の偏光状態を変更できる。波長板では、１つの偏光成分は垂直成分よりもわずかにゆっくりと伝搬する。半波長板８０５は、出射する光の場合、一方の偏光成分が他方の偏光成分に比して実質的に波長の半分（１８０度）遅延するように製作される。いくつかの好ましい実施形態では、半波長板８０５は、その光軸が入力偏光の平面に対して実質的に２７．４°になるように配向される。したがって、入力偏光のある光が半波長板８０５にぶつかるとき、これらの好ましい実施形態では、その偏光は実質的に５４．８°、回転される。

半波長板８０５を出射する光は、鏡８０４および８０３によって偏光ビームスプリッタ８０２に反射して戻される。したがって、偏光ビームスプリッタ８０２、レンズ８０６、半波長板８０５、ならびに鏡８０４および８０３はリング空洞構成を形成する。リング空洞を横切った後に偏光ビームスプリッタ８０２に衝突する光は、半波長板８０５のために、入力偏光を基準にした角度（いくつかの好ましい実施形態では実質的に５４．８°の角度）で偏光される。したがって、偏光ビームスプリッタ８０２は、矢印８０９によって示されるように、ある光は伝達し、他の光は反射する。具体的には、偏光ビームスプリッタ８０２は、入力パルス８０１と同じ偏光を有する鏡８０３からの光を伝達する。この伝達された光は、出力パルス８０７としてパルス逓倍器８００を出射する。入力パルス８０１の偏光に垂直な偏光を有する反射光は、リング空洞の中に再導入される（簡単にするためにパルスは不図示）。半波長板８０５軸が入力偏光に対して実質的に２７．４°で配向されたそれらの好ましい実施形態では、単一入射パルスのエネルギーの実質的に３分の２がリング空洞の中に反射し直され、入射エネルギー単一パルスの実質的に３分の１が伝達される。

特に、これらの再導入されるパルスは、上述されたようにリングを横切り、さらに半波長板８０５によって偏光回転され、次いで偏光ビームスプリッタ８０２によって光分割される。したがって、一般に、上述されたリング空洞は、いくらかの光が出射し、（いくらかの最小損失のある）光の残りがリングの回りで続行できるように構成される。毎回リングを横断する間に、追加の入力パルスが導入されないと、総光のエネルギーは、出力パルス８０７としてリングを出射する光のために減少するだろう。

周期的に、新しい入力パルスがパルス逓倍器８００に提供される。リングのサイズ、したがってリングの時間遅延は、矢印８０８で示される軸に沿って鏡８０４を移動することによって調整できる。リングの時間遅延がレーザ１００からのパルス間の繰返し時間のほぼ半分になるように調整されると、次いで出力パルスの半分は入力パルス間のほぼ中間となり、リングからのパルスの残り半分が入力パルスとほぼ一致する。

例示的な一実施形態では、レーザは１２５ＭＨｚの繰返し率および約１０から２０ｐｓのパルス幅を有する可能性があり、空洞は４．０５ｎｓの遅延時間を有することがあるため、空洞を１周したパルスは２つの入力パルス間のほぼ中間で到着し、２周した第２のパルスは、次の入力レーザパルスの約１００ｐｓ後に到着する。したがって、この例の実施形態での１２５ＭＨｚでの狭い入力パルスの一定の流れは、２５０ＭＨｚの繰返し率でのはるかに幅広いパルスの流れに変えられる（空洞時間は、厳格にではないが、入力パルス間の時間間隔の半分に近くなるように慎重に設定されているため、広げられる）だろう。半波長板の光軸が入力パルスの偏光に対して実質的に２７．４℃で配向される好ましい実施形態では、出力パルスは総エネルギーで互いに実質的に等しくなる。

上述される本発明の構造および方法の多様な実施形態は、本発明の原理を示すだけであり、説明された特定の実施形態に本発明の範囲を制限することを目的としていない。たとえば、上述された検査システムは暗視野検査ツールまたは明視野検査ツールのどちらかに組み込むことができる。したがって、本発明は以下の特許請求の範囲およびその同等物によってのみ制限される。

Claims (12)

1. 低温で動作可能なモードロックレーザシステムであって、
   光源と、
   アニールされた周波数変換結晶と、
   前記低温での標準動作中に前記結晶のアニール状態を維持するためのハウジングと、
   前記光源からビームを受光し、前記結晶内にまたは前記結晶に近接して位置するビームウエストでの楕円断面に前記ビームを集束するように構成された第１のビーム成形光学部品と、
   前記結晶からの出力を、空間で分離された異なる周波数のビームに分割するための高調波分離ブロックと、
   を備え、
   前記結晶が、非ウォークオフ方向でのレイリー領域の２倍、およびラジアン単位のウォークオフ角で除算されたウォークオフ方向でのビームウエスト半径の２倍の長さの小さい方にほぼ等しい長さを有する、
   モードロックレーザシステム。
2. 前記結晶が、約２６６ｎｍの高調波を生じさせ、前記長さが少なくとも１２．５ｍｍであるセシウムホウ酸リチウム（ＣＬＢＯ）結晶である、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
3. 所望される周波数ビームの楕円断面を所望されるアスペクト比に変換するように構成された第２のビーム成形光学部品をさらに含む、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
4. 前記結晶の前記楕円断面が２：１と６：１との間のアスペクト比を有する、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
5. 前記第１のビーム成形光学部品が、プリズム、円筒形湾曲素子、放射状‐対称湾曲素子、および屈折素子の内の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
6. 前記高調波分離ブロックがプリズムを含む、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
7. 前記プリズムがペラン‐ブロカプリズムである、請求項６に記載のモードロックレーザシステム。
8. 前記結晶が、ＣＬＢＯ（セシウムホウ酸リチウム）結晶、ＣＢＯ（ホウ酸セシウム）結晶、ＢＢＯ（βホウ酸バリウム）結晶、ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム）結晶、ニオブ酸リチウム結晶、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）結晶、または別の非線形光学結晶の内の１つである、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
9. 前記光源の光周波数高調波を生成するための第２のアニールされた周波数変換結晶をさらに含む、請求項１に記載のモードロックレーザシステム。
10. 低温でレーザシステムを操作する方法であって、
    光源から、アニールされた周波数変換結晶内にまたはアニールされた周波数変換結晶に近接して位置するビームウエストでの楕円断面の中にビームを集束すること、
    前記結晶の出力から、任意の望ましくない周波数ビームから所望される周波数ビームを分離すること、
    を含み、
    前記結晶が、非ウォークオフ方向でのレイリー領域の２倍、およびラジアン単位のウォークオフ角で除算されたウォークオフ方向でのビームウエスト半径の２倍の長さの小さい方にほぼ等しい長さを有する、
    方法。
11. 前記低温での標準動作中に前記結晶のアニール状態を維持することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記楕円断面を円形断面に変換することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。