JP6879950B2 - 出力スケーリング可能な非線形光波長コンバータ - Google Patents

出力スケーリング可能な非線形光波長コンバータ Download PDF

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Description

本開示は、光波長変換に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年７月１日に出願され、米国出願第６２／１８７，７３９号として採番された仮特許出願の優先権を主張し、この仮特許出願の開示内容を、本願に引用して援用する。
ウェーハ上の欠陥を検出して収率を上げるための検査プロセスが、半導体製造期間中の様々なステップで用いられている。しかしながら、半導体装置の寸法が減少するにつれて、より小さい欠陥がデバイスを故障させることがあり得るので、検査は、半導体装置製造の成功にとって、より重要になる。半導体メーカーは、粒子、異常、および他の欠陥タイプに対する感度の改善を追求しながら、その一方で、ウェーハ検査システムにおける全体的な検査速度（毎時ウェーハ数）を維持している。
半導体製造の各連続したノードでは、ウェーハ上のより小さい欠陥および粒子の検出を必要とする。したがって、ウェーハ検査のためのより高出力および短波長のＵＶ（紫外線）レーザが必要である。欠陥または粒子のサイズが減少しているので、その欠陥または粒子によって反射され、または散乱される光の割合も通常減少している。その結果、より小さい欠陥および粒子を検出するために、信号対雑音比の改善が必要となり得る。より明るい光源を用いて欠陥または粒子を照らす場合、より多くの光子が散乱し、または反射され、他の雑音源が制御されるならば、信号対雑音比を改善することができる。波長が減少するにつれて、光の波長よりも小さい粒子によって散乱される光の割合が増加するので、より短い波長を使用することによって、より小さい欠陥に対する感度を更に改善することができる。
ウェーハのためのいくつかの検査ツールおよび半導体産業において使用するレチクル検査は、深紫外（ＤＵＶ）放射に依存する。ＵＶおよびＤＵＶスペクトル領域のレーザ放射で最もコンパクトで効率的かつ費用効果的なソースのいくつかは、非線形光学結晶内の固体物理レーザ放射の波長変換に基づく。高出力のＤＵＶ放射を浴びると、非線形光学結晶を含む光学コンポーネントは、光学的に誘発された損傷を受ける傾向があり、それは個々のコンポーネント上、またはその内部に存在する最大出力密度を制限する。この出力密度制限のため、光学部品設計者は、波長コンバータデバイスの達成可能なＤＵＶ出力、空間ビーム質、コンポーネント寿命とフォームファクタとの間のトレードオフを行わざるを得ない。非線形結晶内のビームサイズを最適化することが、高調波（ＤＵＶ）出力、空間ビーム質および非線形結晶寿命の利点およびそれらの間のトレードオフをするために必要となり得る。一方、望ましいコンポーネント寿命を達成するためには光学部品上の低い出力密度が必要となり得る。
非線形波長変換プロセスに関係する波長の１つ以上がＤＵＶ領域にある場合、ＤＵＶ放射は光学的に非線形結晶においてだけでなく、ビーム整形光学部品の他の光学コンポーネントに対しても誘発損傷を起こしやすい。両方とも結晶内およびビーム整形光学部品上／内の出力密度を制限することが、この場合重要になる。ビーム整形光学部品上の許容できる出力密度は、非線形結晶自体におけるよりもかなり低くすることができる。この要件は、一部は物質特性に起因し（例えば、石英ガラスの場合）、そして一部は、非線形結晶のために一般に用いられるスポットシフトのスキームが非整列および異常をビーム経路にもたらすこと無しには多くの光学部品コンポーネント（例えば、球面レンズ）に適用することができないという事実に起因する。このため、ビーム整形光学部品を、ビームが光学出力密度を許容可能レベルに下げるために非線形結晶から十分に離れた距離に配置することが必要になる。非線形結晶内の焦点サイズを増加させることは、ビーム発散を減少させる。非線形結晶からビーム整形光学部品までの必要距離はそれに応じて増加し、その結果、波長変換モジュールは望むより大きくなることがある。
非線形結晶は、ビームに対して垂直に周期的にシフトすることができ、それは複数の結晶位置を使用する。非線形結晶の１つの領域が損傷している場合、非線形結晶は、異なる損傷していない領域にビームが照射されるように、ビームに対して移動される。これは非線形結晶が置換されなければならなくなる前の期間を延長することができる一方で、これは非線形結晶への損傷の原因に対処することができない。
米国特許出願公開第２００３／０２０６２８８号 米国特許出願公開第２０１１／００００８９８号 米国特許出願公開第２０１５／００２２８０５号
したがって、必要であるのは、改良された非線形光学波長コンバータである。
第１の実施形態においては、システムが提供される。システムは、レーザ光源と、非線形結晶と、結晶実装アセンブリとを含む。レーザ光源は、レーザビームを発生させるように構成される。非線形結晶は、波長変換のために構成される。非線形結晶は、レーザビームの焦点が、レーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側に存在するように、配置される。非線形結晶は、結晶実装アセンブリ上に配置される。
ビーム整形光学部品は、レーザ光源と非線形結晶との間に配置することができ、および／または、ビーム伝搬方向の非線形結晶の下流に配置することができる。
結晶実装アセンブリは、非線形結晶の中心と焦点との間の距離を調節することによって、非線形結晶内のレーザビームのビームサイズを調節するように構成することができる。
非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にレーザビームの焦点が存在するように、配置することができる。
レーザビームは、パルスレーザビームとすることができる。非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンス出力密度または高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するパルスレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にパルスレーザビームの焦点が存在するように、配置することができる。
結晶実装アセンブリは、レーザ光源から異なる距離にある複数の実装機構を含むことができる。結晶実装アセンブリは、実装機構のうちの１つに配置されるように構成することができ、非線形結晶内のレーザビームのビームサイズは、実装機構のうちの１つを選択することによって与えることができる。
複数の実装機構を使用して、非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にレーザビームの焦点が存在するように、配置することができる。
複数の実装機構を使用して、レーザビームは、パルスレーザビームとすることができる。非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するパルスレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にパルスレーザビームの焦点が存在するように、配置することができる。
結晶実装アセンブリは、調節可能とすることができる。非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にレーザビームの焦点が存在するように、配置することができる。
レーザビームはパルスレーザビームとすることができ、結晶実装アセンブリは調節可能とすることができる。非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するパルスレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にパルスレーザビームの焦点が存在するように、配置される。
焦点は、円形、楕円、または非点収差のあるもののうちの少なくとも１つであり得る。
焦点は楕円とすることができ、ウォークオフと平行な平面内の焦点は、ウォークオフに対して垂直な平面内の焦点より大きい。
焦点は、例えば、１つの平面の焦点が非線形結晶内部に存在し、別の平面の焦点が非線形結晶の外側に存在するように、非点収差のあるものとすることができる。
焦点は、非点収差がありかつ楕円とすることができる。１つの平面の焦点は、非線形結晶内部に存在し、別の平面の焦点は、非線形結晶の外側に存在する。非線形結晶内部の焦点は、非線形結晶の外側の焦点より大きい幅を有する。
システムは、波長変換が第二高調波発生、和周波発生または差周波数発生のうちの１つであるように、構成することができる。
システムは、結晶実装アセンブリに接続された調節アセンブリを更に含むことができる。調節アセンブリは、例えば、ロッキングメカニズムを有するネジでもよい。
第２の実施態様においては、方法が提供される。方法は、レーザビームを発生させることと、レーザビームを波長変換のために構成された非線形結晶へ導くことと、レーザビームを非線形変換することを含む。非線形結晶は、レーザビームの焦点がレーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側に存在するように配置される。レーザビームの非線形変換は、第二高調波発生、和周波発生または差周波数発生のうちの１つとすることができる。
本開示の本質および目的のより完全な理解のために、添付の図面とともに考慮される、以下の詳細な説明への参照が行われるべきである。
本開示による波長コンバータの一実施形態を例示する概略図である。 本開示によるシステムの第１の実施形態を例示する概略図である。 本開示によるシステムの第２の実施形態を例示する概略図である。 本開示によるシステムの第３の実施形態を例示する概略図である。 例示的な焦点サイズの図である。 本開示の一実施形態によるフローチャートである。
特許請求される主題は、特定の実施形態に関して記載されるが、本明細書において記載される利点および特徴の全てを提供するわけではない実施形態を含む他の実施形態も、この開示の範囲内である。各種の構造的、論理的な処理ステップおよび電子的変更は、本開示の範囲から逸脱せずに行うことができる。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲への参照によってのみ定められる。
本明細書において開示される改良された非線形光学波長コンバータは、ビームサイズ、および、したがって、ビーム整形光学部品の非線形結晶内と、隣接する光学素子上との両方における出力密度を、独立に最適化する自由度をもたらす。他の波長コンバータデバイスとは対照的に、この最適化はデバイスのフォームファクタを増加させずに達成することができる。結晶内部の比較的大きいビームサイズに対してさえ、ビーム発散角を大きくして、下流の光学部品上の出力密度を低減することができる。加えて、非線形光学結晶内部のビームサイズは、必要に応じて、光学部品設計に最小の変化を有する高調波出力をスケーリングするように調節することができる。
本開示は、光学性能ならびにコンポーネント寿命を改善する非線形光学波長コンバータのためのコンパクト設計を含む。本開示は、光学部品設計者が、ビーム整形光学部品の非線形結晶および他のコンポーネント内、または、その上の光学出力密度をそれぞれに最適化することができるようにする。これは、基本ビームの焦点の外側で非線形結晶の位置を決めることによって達成される。更にまた、非線形結晶内部の出力密度は、非線形結晶の焦点がずれた位置を調節することによって、波長コンバータ光学部品トレインを再設計することなくビームサイズを介して、スケーリングすることができる。この特徴のため、非線形結晶内の最適出力密度は高調波出力を上昇させるときに維持することができる。
非線形結晶を用いて、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周波数を２つの周波数の和（または差）に等しくすることによって紫外レーザビームを発生させることができる。したがって、非線形光学結晶内の和周波発生（ＳＦＧ）および第二高調波発生（ＳＨＧ）などの非線形波長変換は、効率的な固体レーザ光源の放射ラインによって直接アクセス可能でない波長で、レーザ放射を発生させることができる。この方法は、例えば、近赤外において放射するダイオード励起固体レーザの波長範囲を、可視、ＵＶおよびＤＵＶに拡張するために用いることができる。ＵＶおよびＤＵＶ発生は、２つまたは複数のＳＨＧおよびＳＦＧステップを段階的に行うことによって通常達成される。第三高調波（ＴＨＧ）は、例えば、ＳＨＧプロセスにＳＦＧプロセスを続けることによって発生するが、第四高調波（ＦＨＧ）は２つの段階的に行うＳＨＧプロセスで発生する。高調波発生および混合プロセスが非線形プロセスであるので、入射出力密度がより高いほど、通常より効率的な転換プロセスおよびより高い出力パワーに結果としてなる。
効率的な波長変換を、例えばＳＨＧプロセスにおいて達成するために、基本波と第二高調波間の分散は、最小化される。これは、基本波長での通常の屈折率が第二高調波波長での特別な屈折率と、またはその逆で一致するように、複屈折の非線形結晶の伝搬方向（すなわち、位相整合角）を選択することによって、達成することができる。大部分の位相整合角に対して、非線形結晶内部の第二高調波ビームのポインティングベクトルは、波動ベクトルと平行でない。この状態は、一般に臨界位相整合と呼ばれる。ポインティングベクトルウォークオフ（「ウォークオフ」）はいかなる非線形波長コンバータ設計のためにも考慮することができ、その結果、空間ビーム質に対するいかなる有害な影響も最小化することができる。
ＳＨＧの小信号利得は、基本出力密度の平方に比例する。ガウシアンビームは、結晶の全体にわたって出力密度を最大にして最大限の変換効率を達成するために、非線形結晶にフォーカスされる。
最適焦点サイズは、非線形結晶およびそのウォークオフ角度の長さの両方ともに依存する。臨界位相整合の場合、非線形変換効率は、ウォークオフの平面内で大きなウエストを有する楕円焦点を選択することによって更に増加することができる。より高い変換効率を達成することに加えて、楕円フォーカスは、空間ビーム質上のウォークオフの影響を減らすために用いることができる。円形および楕円フォーカスのフォーカス条件を最適化するソフトウェアパッケージを用いることができる。
高出力の用途においては、第二高調波の出力および空間ビーム質は、高い出力密度によって導かれる有害な作用（例えば、非線形吸収、熱ディフェージングおよび光屈折）に、悪い影響を受けることがあり得る。更にまた、非線形物質の高い出力密度は、結晶欠陥（例えば励起子およびカラーセンター）、光屈折損傷および光学的に誘発された地表損害の形成を引き起こし得る。これらの作用は、結果として時間とともに非線形結晶品質の低下になることがあり得る。材料の二光子吸収を考慮に入れるために放射の光子エネルギーが十分大きいときに、作用は特に顕著である。使われる非線形物質に応じて、これは、可視、ＵＶまたはＤＵＶの放射に対するケースとなり得る。結晶内部の焦点サイズを増加させることは、出力密度を低下させることになり得る。この方法が変換効率を低下させることにもなるので、非線形結晶の非線形変換効率、空間ビーム質および耐用寿命の間でトレードオフがなされなければならない。臨界位相整合の場合、楕円フォーカスは、所定の出力密度で変換効率の増加およびビーム質の改良を一般にもたらす。
基本ビーム上の焦点が非線形結晶の中央に位置する場合、基本ビームの焦点サイズは非線形結晶内のビームサイズを増加させるために、増加しなければならない。したがって、基本フォーカスおよび高調波ビーム整形光学部品は、再設計することが必要となる。デバイスのフォームファクタが不変のままである場合、フォーカスおよびビーム整形光学部品素子上のビームサイズは減少する。これは、光学部品上の出力密度を増加させて、したがって、光学部品の寿命を減少させる。
非線形結晶上の入射レーザ放射を増加させることは、好ましくない副作用があり得る。例えば、永続的な損傷が時間とともに結晶で生じる場合がある。放射露光量の累積により、この損傷は、全般的な出力強度の減少ならびに全般的な非点収差の増加に結果としてなることがあり得る。したがって、光学部品での非点収差を修正することは頻繁な補正調節を必要とする可能性があり、それは商業的用途では非実用的である。更に、非点収差はまた、正確な補整が調節によっても可能でないレベルまで急速に増加し得る。
より短い出力波長を発生させることはまた、出力光子がより高エネルギーで、したがって、結晶の特性を変えることができるかまたは永久に損傷を与えることさえできるので、結晶の劣化を加速し得る。したがって、より短い出力波長で、非点収差および他の悪いビーム質および強度効果も、ますます発生する場合がある。
高調波出力を（例えば、より高出力の基本レーザ光源が利用できるようになるにつれて、基本出力を増加させることによって）スケーリングするときに、光学出力、空間ビーム質および結晶寿命の間のトレードオフは最適化することができないことがあり、その結果、非線形結晶内のビームサイズは再最適化されなければならない。非線形結晶内の焦点サイズは、再最適化するため変更することが必要となり得る。これは、非線形波長コンバータモジュールの大きな光学的および光学機械的再設計を必要とし得る。
図１は、波長コンバータ１００の実施形態を例示する概略図である。波長コンバータ１００は、非線形結晶１０１およびビーム整形光学部品１０２を含む。ビーム整形光学部品１０２は、１つ以上のレンズ、ミラーまたは他の光学コンポーネントを含むことができる。１つ以上のレンズ、ミラーまたは他の光学コンポーネントをまた含むことができる付加的なビーム整形光学部品（図示せず）は、ビーム整形光学部品１０２から非線形結晶１０１の反対側に配置することができる。
レーザビーム１０３は、非線形結晶１０１に照射される。レーザビーム１０３は、レーザビーム１０３のビーム伝搬方向１０９に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶１０１の外側に存在する焦点１０４を有する。例えば、この平面は、ビームサイズ１０８を表している破線と平行でもよい。非線形結晶１０１の中心焦点１０４との間の距離は、設定するかまたは調節することができる。
レーザビーム１０３の焦点１０４は十分に小さくなるように、そしてそれによりビーム発散が十分に大きくなるように選ばれ、その結果、焦点１０４の下流または上流の１つ以上の光学素子上の基本および／または高調波出力密度は、目的用途のための充分なコンポーネント寿命（例えば、１年または更なる期間以上）を確実にするのに十分低いままである。基本および高調波放射の波長およびコンポーネントの物質特性に応じて、最大限の許容出力密度は１００Ｗ／ｃｍ２から１ＭＷ／ｃｍ２までの範囲であることが可能であり、その間の１．０Ｗ／ｃｍ２までの範囲の全ての値を含む。
任意の所定のガウシアンまたは近ガウシアンビームに対して、２本の相互に垂直な軸ｘおよびｙであって、両方ともビーム伝搬方向１０９に対して垂直であるものに沿って測定されるビーム直径は、式１および式２に見られるように、焦点位置までの距離（ｚ−ｚ０）の関数である。
Figure 0006879950
Figure 0006879950
 ここで、２＊ｗ（ｚ）は、ビームプロファイル全体の出力分布の標準偏差の４倍として定義される位置ｚにおけるビーム直径であり、２＊ｗ０はビームウエスト直径であり、ｚ０はビーム伝搬の方向のビームウエスト位置であり、λは放射の波長であり、そして、Ｍ２はビーム伝搬パラメータである。式３に見られるように、ビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本出力密度ＤＦは、ビーム半径の関数として算出することができる。
Figure 0006879950
 ここで、ＰＦは、時間平均された基本出力である。例えば、非線形光学プロセスが第二高調波発生である場合、ビームサイズおよび高調波ビームおよび特定の結晶位置のための変換効率の出力密度は、式１および２に記載されている基本ビームサイズに基づいて算出することができる。ウォークオフがある場合には、これは、フォーカスされたガウシアンビームに対する高調波発生の数値シミュレーションを用いて達成することができる。他の非線形光学的波長変換プロセスのための類似の数値モデルが利用可能である。基本出力密度が所望の変換効率および高調波出力パワーを達成するのに十分なだけ高く保たれるように、結晶位置Ｚと、したがってビームサイズを選択することができ、その一方で、この境界条件の制限内で、基本および高調波出力密度は最小化され、その結果、非線形結晶１０１のスポット寿命は最大化される。焦点１０４の位置と非線形結晶１０１の場所の間の典型的距離は、数ミリメートルから数十センチメートルの範囲である。しかしながら、他の距離は可能である。
一例において、ＢＢＯなどの非線形結晶１０１において発生する２６６ｎｍの波長を有する高調波放射の出力は、非線形結晶１０１の基本波および高調波出力密度が不変である間は２倍になる。これらの条件の下で、結晶スポット寿命は、同様に不変のままである。これは、基本レーザの出力ならびに非線形結晶１０１内部のビームエリアを２倍にすることによって達成することができる。例えば、４５０μｍ×２００μｍの楕円基本ビームサイズは、４５０μｍ×４００μｍに増やすことができる。この例では、楕円の長軸はウォークオフと平行である。非線形結晶１０１のビームサイズは、非線形結晶１０１の内部に位置する焦点のサイズを増加させることによって、増加することができる。その結果、例えば０．５ｍ離れたところの下流の光学上のビームエリアは、１．８分の１に減少し、その結果、光学部品上、または、その中の高調波出力密度は３．６倍に増加する。下流の光学部品が、ＤＵＶ出力密度の平方によって拡大縮小する損傷メカニズムを経験する場合、光学部品寿命は１０分の１よりも減少する。
本明細書において開示される実施形態を使用すると、最初の焦点サイズおよび位置を維持して、０．１ｍだけ焦点１０４の下流に非線形結晶１０１を移動することによって、非線形結晶１０１において同じＤＵＶ出力およびＤＵＶ出力密度を達成することができる。焦点サイズに変化がないので、下流のミラー上の基本および高調波ビームサイズは同一のままであり（熱レンズなどの二次効果が存在しない中で）、そのため、ミラー上のＤＵＶ出力密度は２倍しか増加せず、結果として光学部品寿命への影響がより少ないものになる。これは、以前のシステムに対する著しい改善である。非線形結晶１０１が焦点１０４の上流または下流に移動される距離は変化させることができ、非線形結晶１０１を０．１ｍだけ焦点１０４の下流に移動することは単に１つの例に過ぎない。
非線形結晶１０１は、位相整合を提供して効率的な非線形相互作用を媒質において達成するように、構成することができる。非線形結晶１０１は、臨界位相整合、非臨界位相整合、準非臨界位相整合または擬似位相整合を利用することができる。
非線形結晶１０１は、ＤＵＶ用途のためにＢＢＯまたはＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）であることができるかまたはそれらを含むことができる。しかしながら、ＬｉＩＯ３、ＫＮｂＯ３、リン酸一カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ＧａＳｅ、チタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ＬｉＩＯ３またはリン酸二水素アンモニウム（ＡＤＰ）であるかそれらを含む他のタイプの非線形結晶を用いることができる。
非線形結晶（例えば非線形結晶１０１）は、通常はブールにおいて成長させ、その後、個々の水晶素子にカットされる。入力および出力面は、カットの後研磨する。利用できる水晶素子の寸法は、選ばれた非線形光学材料のブールサイズおよびブール質特性に依存する。非線形光学結晶は１ｍｍからの５０ｍｍまで長さ寸法、３ｍｍからの２０ｍｍまで幅寸法および０．５ｍｍからの１０ｍｍまで高さ寸法を有することが可能であり、その間の０．０１ｍｍまでの範囲の全ての値を含む。ビーム伝搬方向１０９などのビーム伝搬の方向は、「長さ」と一般的に呼ばれる。他の非線形結晶寸法は、異なる用途に対して可能である。望ましい用途に適しているいかなるサイズの非線形結晶１０１も、本明細書において開示される実施形態において用いることができる。
図１に示すように、非線形結晶１０１が焦点１０４の下流に配置されるので、非線形結晶１０１での、または、その中のビームサイズ１０７（破線によって表される）は焦点１０４でのビームサイズ１０８（破線によって表される）より大きい。ビームサイズ１０７での出力密度は、ビームサイズ１０８での密度より小さい。したがって、非線形結晶１０１は、より低い出力密度を有するレーザビーム１０３の一部に影響を受ける。
非線形結晶１０１内部のビームサイズ１０７は、焦点１０４の外側で非線形結晶１０１の位置を調節することによって、最適化することができる。本明細書において開示される技術を使用すると、レーザビーム１０３の焦点１０４のサイズと位置の変化は回避することができる。焦点１０４のウエストサイズおよび位置を変えないままにできるので、非線形結晶１０１の下流のビーム整形光学部品１０２上のビームサイズは不変のままとすることができる。より具体的には、非線形結晶１０１の下流のビーム整形光学部品１０２上のビームサイズは減少しないようにできる。
非線形結晶１０１の下流では、レーザビーム１０３は、基本ビーム１０５および高調波ビーム１０６を含む。高調波ビーム１０６が図１では特定の方法で例示されているが、高調波ビーム１０６のビームサイズは１．４１（すなわち、√２）倍だけ基本ビームサイズ１０５より小さくてもよい。
波長コンバータ１００は、非線形結晶１０１内部で発散または収束ビームを使用することができる。（ウォークオフに対して平行または垂直な）１つの平面で、または、両方の平面で、基本ビーム１０５は、図１に示すように結晶の外側でフォーカスされる。焦点１０４のサイズは、ビーム整形光学部品１０２上の出力密度を所望の光学部品寿命を提供するレベルに引き下げるために十分に短いレイリー領域および、したがって十分大きいビーム発散を提供するように、選択することができる。この場合、レイリー領域は、ウエストからビーム幅が√２倍に増加する場所へのビーム伝搬方向１０９に沿った距離である。出力スケーラビリティが波長コンバータ１００対して意図される場合、ビーム整形光学部品１０２上のビームサイズは、ビーム整形光学部品１０２上の必要最大出力密度が波長コンバータの出力スケーリングされたバージョンに存在する最高の意図された基本および高調波出力に対して越えられないように、十分大きく選ばれる。臨界位相整合の場合にいかなる出力および／またはビーム質のペナルティも回避するために、ウォークオフと平行な平面内の非線形結晶１０１の範囲内のビーム発散（または収束）は、結晶角度受容によって設定される限度未満のままとすることができる。そのマージンは、用途に対する特定のビーム質要件に依存する。
レーザビームの発散または収束は、ガウシアンビーム伝搬によって記述することができる。ビーム伝搬方向に沿った特定の位置ｚで、所定の横軸と平行なビーム発散は、式１および２の一次導関数のアークタンジェントである。したがって、所定の位置の発散角は、ウエストサイズを増加させることによって減少することができる。非線形プロセスの受光角は、位相整合の臨界方向の最適位相整合角からの角度オフセットとして定義され、これに対して非線形変換効率が最適位相整合条件で変換効率の５０％に減少する。本明細書において１／２の角度として定義される、ＤＵＶへの高調波発生のための角度受容の典型的な値は、結晶長の０．０５〜０．５ｍｒａｄ＊ｃｍのオーダーである。受光角は、非線形プロセス、用いられている非線形結晶材料および非線形結晶の長さに依存し得る。受光角は、非線形結晶材料のためのセルマイヤー方程式に基づいて算出することができる。あるいは、角度受容を算出するためにソフトウェアパッケージを用いることができる。ビーム発散角に起因する変換効率損失を４％未満に減らすために、位相整合の臨界方向において角度的レーザ出力分散に対する標準偏差の２倍と定められたビーム発散角は、上記に定めるように受光角の５０％未満に限ることができる。
ビーム伝搬方向１０９の軸に沿った非線形結晶１０１の位置は、非線形結晶１０１の出力密度が、変換効率、空間ビーム質、結晶寿命または結晶スポット寿命のうちの１つ以上であるか２つ以上の間の、所望のトレードオフを達成するために必要な要件を満たすように、選択することができる。
非線形波長変換に対して、出力密度の増加とともに変換効率が増加するので、非線形結晶１０１のビームサイズができるだけ小さいことが、変換効率を最大にするために望ましいことであり得る。一方で、非線形結晶１０１は発生された高調波によって、または、基本放射によってさえ誘発される損傷を経験する可能性があり、その結果、波長変換のために使用する結晶スポット寿命は限られる。正確なスケーリング則は、結晶によって経験される特定の損傷メカニズムに依存し得る。しかしながら、結晶の寿命は出力密度の増加とともに減少するので、結晶内のできるだけ大きいビームサイズはスポット寿命を最大にするために望ましいものであり得る。
非線形結晶スポットシフトは波長コンバータのためのサービスイベントを起こすことができるので、十分大きいスポット寿命（例えば、数百時間の範囲またはそれ以上）を維持することで所望のサービスインターバルを達成することができる。結晶寿命は、全体として、全ての結晶スポットに対するスポット寿命の合計である。スポット寿命がスポットサイズの減少（すなわち、出力密度の増加）とともに線形に減少する場合、利用できるスポットの数が個々のスポット寿命が減少するのと同じ率で増加するので、結晶寿命はスポットサイズに影響されないようになる。線形より急速であるスケーリング則（例えば、出力密度の平方に反比例し減少するスポット寿命）に従う損傷メカニズムに対して、ビームサイズを増加させることは利用できるスポットの数がビームエリアの増加とともに線形に減少するので、結晶寿命を改善するが、個々の結晶スポット寿命はスポットサイズの増加とともに線形に増加するよりも更に急速に（例えば、上記例のビームエリアの平方に対して比例して）増加する。
非線形結晶１０１は、レーザビーム１０３の波長変換を提供する。非線形結晶１０１の最適ビームサイズは、達成可能な変換効率を最大にして、したがって、高調波波長で出力を最大にして、その一方で、必要スポット寿命および／または結晶寿命を維持するように、選ぶことができる。あるいは、非線形結晶１０１の最適ビームサイズは、アプリケーションのために必要とされる高調波波長で変換効率および、したがって出力を達成すると共に、達成可能なスポット寿命および／または結晶寿命を最大にするように選ぶことができる。
波長コンバータ１００は、レーザビーム１０３を発生させるために用いる主要なレーザ光源から基本出力を増やすことによって、第二高調波出力のスケーリングを有効にする。最適出力密度は、焦点１０４からより遠くに間隔をおいて配置される非線形結晶１０１を移動することによって、維持することができる。基本フォーカス光学部品設計に対する変更は必要とされない場合がある。高調波ビーム整形光学部品の小幅な変更は、非線形結晶１０１の異なる位置および非線形結晶１０１内のビームサイズによって誘導される可能性がある効果を補償するために、まだ実行することができる。例えば、結晶内部のあり得る熱レンズの位置および出力の変化は補償することができる。しかしながら、これらの変化は、波長コンバータ光学部品トレインの完全な再設計と比較して軽微である。このような変化は、下流のビーム整形光学部品１０２の高調波ビームのための可調ビーム形成コンポーネント、例えば調節可能なビーム拡大望遠鏡またはクックトリプレットを利用することによって、適応することができる。
一例において、焦点１０４の外に非線形結晶１０１を配置して所望のパラメータを有するレーザビーム１０３を提供する特定の非線形結晶１０１のための焦点１０４は、２段階のプロセスにおいて決定することができる。第１に、非線形結晶１０１の基本ビームサイズは、非線形結晶１０１の位置の関数として、本明細書において開示される技術を用いて決定することができる。第２に、高調波ビームサイズは、基本ビームサイズに基づいて算出することができる。これらの算出を使用して、焦点１０４と非線形結晶１０１との間の距離は、基本および高調波出力密度が特殊用途のための仕様を満たすように選択することができる。
図２は、システム２００の実施形態を例示する概略図である。レーザ活性媒質を含むレーザ光源２０１は、ビーム伝搬方向２０６の基本放射、例えばレーザビーム１０３を発生させる。レーザ光源２０１は、例えば、固体レーザ、半導体レーザ、ガスレーザ、ファイバレーザ、ＣＷレーザ、モードロックレーザ、Ｑスイッチレーザ、利得スイッチレーザ、ビルトイン非線形波長コンバータを有するレーザまたは別のタイプのレーザでもよい。レーザ光源２０１によって発されるレーザビーム１０３は、回折限界または近回折限界ガウシアンビームでもよい。他のタイプのレーザビーム１０３が可能である。
一例において、レーザ光源２０１は、交換可能なレーザ光源である。非線形光学系の一部である交換可能なレーザ光源は、その故障の際の現地交換可能部品として、または、一旦それがサービス寿命の終わりに達した場合に、同一の設計のレーザ光源と交換することができる。非線形光学系の一部である交換可能なレーザ光源はまた、より高い出力レーザ光源などの異なる設計のレーザ光源と交換することができて、性能（例えば、非線形光学系の出力パワー）を改善する。この場合、本明細書において記載されているように、非線形結晶１０１の焦点がずれた位置は調節して、高調波出力と非線形結晶１０１の寿命との間の最適トレードオフを達成することができる。
レーザビーム１０３は、非線形結晶１０１の上流のビーム成形光学部品２０２を通して照射する。ビーム整形光学部品２０２は、１つ以上のレンズ、ミラーまたは他の光学コンポーネントを含むことができる。ビーム整形光学部品２０２は、単レンズまたは複数のレンズを含むことができて、非点収差の有無にかかわらず円形または楕円の焦点を発生させることができる。ビーム整形光学部品２０２は、調節可能であっても調節可能でなくてもよい。ビーム整形光学部品２０２は、レーザ光源２０１と非線形結晶１０１との間に位置することができ、またはレーザ光源２０１に集積することができる。レーザビーム１０３の焦点１０４は、レーザビーム１０３のビーム伝搬方向２０６に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶１０１の外側に存在する。焦点１０４の位置およびサイズは、変化することができる。典型的焦点直径は５μｍからほぼ１ｍｍの範囲であることが可能であり、その間の１μｍまでの範囲の全ての値を含む。焦点１０４位置と非線形結晶１０１の間の典型的距離は、数ミリメートルから数十センチメートルの範囲である。しかしながら、この範囲外の焦点１０４のサイズおよび非線形結晶１０１までの距離は可能である。
非線形結晶１０１は、結晶実装アセンブリ２０３に配置される。例えば、非線形結晶１０１は、結晶実装アセンブリ２０３上に、または、その中にあってもよい。結晶実装アセンブリ２０３は、限定するものではではないが、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、銅タングステンまたはニッケルなどの金属で製造することができる。結晶実装アセンブリ２０３はまた、セラミックまたは他の材料で製造することができる。
結晶実装アセンブリ２０３は、非線形波長コンバータの出荷および動作の間、非線形結晶１０１の位置を例えば数十ミクロンの範囲内で安定に保ち、入射レーザビームに対する角度を、角度受容範囲の例えば２７％以内に安定に保つように設計することができる。ウォークオフ方向の角度受容の２７％の角度変更は、最適位相整合角に対して変換効率の５％の低下に結果としてなることがあり得る。
結晶実装アセンブリ２０３は、ばね式のアセンブリであってもよく、そこにおいて、非線形結晶１０１はＬブラケットに置かれて、ビーム伝搬方向１０９に対して垂直な１つ以上の軸に沿ってばねによって定位置に保たれる。ばねは、Ｌブラケット上へ、または、それに対して、非線形結晶１０１を押圧する。
非線形光学相互作用の限られた角度受容のため、角度許容度は、０．０３ｍｒａｄから０．３ｍｒａｄまでの範囲であり得る。したがって、結晶実装アセンブリ２０３は、非線形相互作用の位相整合角を調節する機構を含むことができる。このような機構は、これに限定されるものではないが、手動のファインスレッドねじによって働く回転ステージ、手動マイクロメータアクチュエータ、手動差動マイクロメータアクチュエータ、またはモーター付きアクチュエータを含む。結晶実装アセンブリ２０３全体は、結晶位相整合角の調節の間、回転することができる。結晶実装アセンブリ２０３は、一旦アライメントが完了すると非線形結晶１０１の回転角度をロックするための、ロッキングメカニズムを含むことができる。このようなロッキングメカニズムは、回転方向に対して垂直な方向において締められて、十分に高い摩擦を提供して表面に対してステージの回転部分を押圧するネジを含むが、これらに限定されない。典型的寸法を有する非線形結晶１０１に対して、結晶実装アセンブリ２０３のサイズは、通常いずれかの方向に１０ｍｍから１５０ｍｍまでの範囲である。結晶実装アセンブリ２０３の他の寸法は可能であり、これらの範囲は単に例示的なものに過ぎない。
加えて、結晶実装アセンブリは手動あるいはモーター付きの移動ステージを含むことができ、そのため非線形結晶１０１がビーム伝搬方向１０９と平行および／または垂直に移動することができる。
結晶実装アセンブリ２０３は、温度調節することができる。角度アライメントに加えて、位相整合条件は、基本および高調波波長の屈折率が異なる温度依存性を有するので、非線形結晶１０１の温度に影響される。温度受容は、非線形光学変換効率が最適位相整合温度での変換効率の５０％より高い最適位相整合温度のまわりの温度域として、定義することができる。ＤＵＶ放射を発生させるために用いる非線形結晶のための典型的温度受容範囲は、結晶長の６°Ｃ＊ｃｍのオーダーである。変換効率を最適位相整合温度の値の９５％より大きく保つために、結晶範囲の温度を温度受容の２５％未満の範囲に（すなわち、結晶長の１．５°Ｃ＊ｃｍの範囲に）保つことが必要であり得る。結晶温度を記載されている最適範囲に保つために、結晶温度は、能動的に制御することができる。これは、限定するものではないが、熱電対、サーミスタまたはＲＴＤ温度センサなどを含む温度調節器を用いて温度を測定することにより達成することができる。温度調節器はまた、温度を調節するセンサに電子的に接続されたヒーターまたはペルチェ素子を含むことができる。センサおよび温度調節器は、結晶実装アセンブリ２０３に集積することができるかまたはそれに接続することができる。温度調節器はまた、温度調節ループを決める比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを、含み得る。
結晶実装アセンブリ２０３は、結晶エンクロージャおよび／またはクリスタルオーブンを含むことができる。ＬＢＯ、ＣＬＢＯおよびＬｉＩＯ３を含むいくつかの非線形結晶材料は、非常に吸湿性である。エンクロージャを使用している環境湿度からこのような非線形結晶を保護することは、有益であり得る。エンクロージャは、乾燥したパージガス（例えば窒素、アルゴンまたは清潔な乾燥した空気）によって、気密封止することができるかまたは能動的に除去することができる。エンクロージャボディは、金属またはセラミックでできていてもよい。エンクロージャは、基本レーザビームの入口ならびに基本および高調波ビームの両方の出口とすることのできる２つのウィンドウを有する。ウィンドウは、基本および高調波波長を伝送する基板材料を含むことができる。可能なウィンドウ材料としては、石英ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムまたは結晶性水晶を含むが、これに限定されるものではない。エンクロージャのボディとウィンドウ間の界面は、Ｏリングシールまたは他のタイプのシールなどのシールを用いて封止してもよい。結晶エンクロージャは、クリスタルオーブンまたは温度調節されたクリスタルマウントを含むことができる。
吸湿性結晶の湿潤暴露を最小化するために、結晶は昇温状態で操作されて、結晶面上の環境湿度の結露の危険度を最小化することができる。昇温状態は、例えば、４０°Ｃから２００°Ｃとすることができる。結晶は、クリスタルオーブンを使用して加熱することができる。オーブンボディは、金属（例えば、アルミニウムまたは銅）で、またはセラミックで製作することができる。この設計は、本明細書において記載される温度調節されたクリスタルマウントと類似していてもよい。高温作動のためにオーブンを最適化するための機構、例えば高温動作のために最適化される抵抗性加熱器またはオーブン内部で温度分布の等質性を改良する熱絶縁機構を追加することができる。このような絶縁機構は、熱絶縁層（例えば、セラミックまたはフルオロポリマーを含んでいるもの）を含むことができる。
結晶実装アセンブリ２０３は、非線形結晶１０１がその寿命の終わりに達すると交換可能であるように構成することができる。
結晶実装アセンブリ２０３は、ビーム伝搬軸２０６と垂直である平面の少なくとも１つの焦点１０４が非線形結晶１０１の外側に存在するように、ビーム伝搬軸２０６に沿った位置にある。結晶実装アセンブリ２０３は、固定することができるかまたは、ビーム伝搬方向２０６に対して垂直および／または平行に移動可能とすることができる。図２の実施形態において、結晶実装アセンブリ２０３は、所望の位置でシステム２００の壁部に取り付けられるかまたは固定される。
レーザビーム１０３は、非線形結晶１０１の下流のビーム整形光学部品１０２を通過する。ビーム整形光学部品１０２は、１つ以上のレンズ、ミラーまたは他の光学コンポーネントを含むことができる。ビーム整形光学部品１０２は、調節可能でもよく、または、調節可能でなくてもよい。
一例において、ビーム整形光学部品１０２は、非線形結晶１０１において発生する高調波ビームのためのビーム整形光学部品であるかまたはそれを含む。この高調波ビーム整形光学部品は、調節可能な光学素子および／または調節可能な光学機械式素子を含むことができる。
一例において、レーザビーム１０３は、ステージ２０５に配置されているウェーハ２０４を撮像するために用いる。しかしながら、レーザ１０３が、他の用途において、または、他の部品とともに用いることができる。
本明細書中で使用する場合、「ウェーハ」という用語は、半導体または非半導体物質により形成される基板を通常意味する。このような半導体または非半導体物質の例は、単結晶シリコン、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、燐化インジウム、サファイヤおよびガラスを含むが、これに限定されるものではない。このような基板は、一般に見つつけることができ、および／または、半導体製造施設において処理してもよい。
ウェーハは、基板上に形成される１つ以上の層を含むことができる。例えば、このような層は、フォトレジスト、誘電材料、導電材料および半導電材料を含むことができるが、これに限定されるものではない。多くの異なるタイプのこのような層は本技術において周知であり、本明細書で用いられる用語ウェーハは全ての種類のこのような層を含むウェーハを含むことを意図する。
ウェーハの上に形成される１つ以上の層は、パターン化されてもよく、またはパターン化されなくてもよい。例えば、ウェーハは複数のダイを含むことができ、各々が反復可能なパターン化された機構または周期構造を有する。材料のこのような層の形成および処理の結果として、最終的に完成されたデバイスとすることができる。多くの異なるタイプのデバイスはウェーハ上に形成することができ、本明細書で用いられる用語ウェーハは、当技術分野で周知のあらゆる種類の装置が作られるウェーハを含むことを意図する。
図３および４に示すように、結晶実装アセンブリ２０３が基本焦点の外側の１つ以上の位置に配置することができるように、結晶実装アセンブリ２０３は構成することができ、その結果、基本ビームサイズは、ビーム整形光学部品１０２、２０２のアライメントを変える必要なしに、変換効率、空間ビーム質、結晶寿命または結晶スポット寿命の間の最適トレードオフを達成するように、調節することができる。例えば、結晶実装アセンブリ２０３は、非線形結晶１０１の中心と焦点１０４との間の距離を調節するように構成することができる。
図３は、システム３００の実施形態を例示する概略図である。システムは、１つ以上の実装機構３０１を含む。４つの実装機構３０１が図３に図示されるが、それより多くであるかより少ない実装機構３０１は可能である。これらの実装機構３０１は、配列として配置することができる。実装機構３０１は、レーザ光源２０１からの異なる距離で、または、ビーム整形光学部品１０２、２０２の間に配置される。結晶実装アセンブリ２０３は、実装機構３０１のうちの１つの上に、または、その中に配置されるように構成される。非線形結晶１０１のレーザビーム１０３のビームサイズは、焦点１０４により近い、またはそれからより遠い実装機構３０１のうち１つを選択することによって提供される。このように、実装機構３０１は、非線形結晶１０１の中心と焦点１０４との間の距離の調節を可能とすることによって非線形結晶１０１のレーザビーム１０３のビームサイズを調節するように構成される。
一例において、各実装機構３０１は、結晶実装アセンブリ２０３のコンポーネントを受けるように構成された１つ以上のスロットまたはホールを含む。例えば、実装機構３０１は、結晶実装アセンブリ２０３が固定される留め金具ホールであることができる。結晶実装アセンブリ２０３は、一例では実装機構にネジ止めすることができる。
非線形結晶１０１の異なるビームサイズは、結晶実装アセンブリ２０３を非ウォークオフ方向のより小さい焦点の下流または上流の異なる位置の方へ動かすことによって発生させることができる。システム３００については、非線形結晶１０１のビームサイズを調節する能力は、改良材質を有するより高い出力のレーザ光源２０１および／または非線形結晶１０１が利用できるときなどに、ＤＵＶ光源の出力スケーリングを簡単にする。焦点１０４は、基本光学出力密度またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の高調波光学出力密度を制限し、および／または非線形結晶１０１内部のビームサイズを最適化するように構成されたレイリー領域を有する、非線形結晶１０１の外側に存在することができる。
図４は、システム４００の実施形態を例示する概略図である。結晶実装アセンブリ２０３は、調節アセンブリ４０１を使用して非線形結晶１０１の中心と焦点１０４との間の距離を調節することによって、非線形結晶１０１のレーザビーム１０３のビームサイズを調節するように構成される。調節アセンブリ４０１は、結晶実装アセンブリ２０３に接続している。調節アセンブリ４０１は、図２または図３の構成と関連して、更なる自由度、正確度および／または精度を提供することができる。調節アセンブリ４０１は、結晶実装アセンブリ２０３を１本、２本または、３本の軸において移動することができる。
調節アセンブリ４０１は、例えば、ロッキングメカニズムを有するファインスレッドねじ、ロッキングメカニズムを有するマイクロメータねじ、アクチュエータまたはロボットシステムであることができる。ファインスレッドねじまたはマイクロメータねじは、手動で作動することができるかまたは自動化することができる。
本明細書において開示される実施形態はパワーセンサおよびコンポーネントを含んで、高調波出力のための制御ループを実装することができる。これは、例えば、光ループでもよい。このような制御ループは、偏光子、波長板、音響光学変調器、基本もしくは高調波ビームの経路の電気光学変調器または基本もしくは高調波出力を制御するレーザ光源２０１への電子フィードバックなどの、１つ以上のコンポーネントを使用することができる。
制御ループは、高調波出力パワーを一定に保つことができる。これを達成するために、高調波出力は、フォトダイオード、熱電対列センサまたは他のタイプのセンサなどのセンサを用いて、ビーム出力の近くで測定することができる。制御ループは、測定された高調波出力パワーを出力目標と比較して、それに応じて高調波出力パワーを調節する。この調節は、異なる複数の方法で達成することができる。
高調波出力は、非線形結晶１０１の下流の高調波ビーム経路の変調器を用いて、直接調節することができる。適切な変調器は、音響光学変調器、電気光学変調器ならびに回転可能な半波長板および偏光板の組合せを備える可変減衰器を含むが、これに限定されるものではない。
あるいは、変調器は、非線形結晶１０１の上流の基本ビーム経路に配置することができる。
非線形結晶１０１の温度を調節して、位相整合を同調または離調することができ、そしてそれによって、非線形変換効率および出力パワーを調節することができる。
制御信号はレーザ光源へ戻して伝達することができ、その結果、レーザ出力パワーは発生された高調波出力を調節するために調節することができる。
本明細書において開示されるいかなる実施形態においても、非線形結晶１０１は結晶実装アセンブリ２０３内で再配置することができるかまたは調節することができ、および／または、結晶実装アセンブリ２０３はレーザビーム１０３に対して再配置することができ、それにより、非線形結晶１０１が損傷している場合に非線形結晶１０１の非損傷部品がレーザビーム１０３を受信するようになる。例えば、結晶実装アセンブリ２０３および／または非線形結晶１０１は、ビーム伝搬方向２０６に対して垂直な１つまたは２つの方向に移動することができる。焦点１０４は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学出力密度または高調波光学出力密度を制限し、および／または非線形結晶１０１内部のビームサイズを最適化するように構成されたレイリー領域を有する、非線形結晶１０１の外側に存在することができる。
非線形結晶１０１は、ウォークオフに垂直な軸において、または、両方の軸において発散するレーザビーム１０３内に置くことができる。非線形結晶１０１の中央の所定のビームサイズに対して、これは、結晶出力ファセット上の出力密度を低下させて、結晶スポット寿命を増加させることができる。
本明細書において開示される実施形態の焦点は、円形でもよく、または楕円でもよい。楕円焦点は一方向へ、別の方向より長いレイリー領域を有することができ、それによって、ビームサイズが焦点１０４からの非線形結晶１０１の距離の関数を、より短いレイリー領域の方向においてよりも、より長いレイリー領域の方向において感受性が高くないように変化させる。楕円焦点については、楕円焦点のより小さいウエストを非線形結晶１０１の外側に配置することができる。臨界位相整合を有する非線形結晶１０１の場合、ウォークオフ方向と平行な平面においてより大きいウエスト直径を有する楕円焦点を用いることができ、その結果、ウォークオフと平行な平面内の焦点を、ウォークオフに対して垂直な平面内の焦点より大きくすることができる。
焦点はまた、非点収差のあるものでもよい。非点収差のある焦点については、１つの平面の焦点は非線形結晶１０１内部であることができ、別の平面の焦点は非線形結晶１０１の外側に存在する。
一例において、焦点は、非点収差がありかつ楕円である。この例では、１つの平面の焦点は非線形結晶１０１内部であり、別の平面の焦点は非線形結晶１０１の外側に存在する。非線形結晶１０１内部の焦点は、非線形結晶１０１の外側の焦点より大きい幅を有する。
一例において、レーザビーム１０３は回折限界または近回折限界であり、臨界位相整合を有する非線形結晶１０１が用いられる。この例では、ウォークオフに対する平行方向の焦点サイズは、ビーム質上のウォークオフの影響を最小とすることができるように、非線形結晶１０１の所望の焦点がずれた位置の全てで十分大きい。きつくフォーカスされた、大きい発散を有するビームに対して、ウォークオフは、理想的なガウシアンビーム形状からの偏差が生じ、したがって、ウォークオフ方向の空間ビーム質に悪影響を与え得る、ウォークオフ方向のビームのサイドローブを生じさせ得る。これは、理想的なガウシアンビーム形状に依存する用途（例えば、ウェーハ検査する際）にとって有害であり得る。所定の結晶長、ビームサイズおよびウォークオフ角度に対して発生される高調波ビームの遠電界ビーム形状は、シミュレーションすることができる。シミュレーションに基づいて、次に理想的ガウスプロファイルからの遠距離電磁界プロファイルの偏差は、ビームプロファイル全体のいかなる横方向の位置に対しても決定することができる。この算出に基づいて、ウエストサイズは選択することができ、その結果、ガウスプロファイルからの横方向の遠距離電磁界プロファイルの最大偏差は所定値より小さい。この所定値は、例えば、４％でもよい。
別の例では、レーザビーム１０３は回折限界または近回折限界であり、臨界位相整合を有する非線形結晶１０１が用いられる。非線形結晶１０１の位置は、調節可能である。ウォークオフに対する平行方向のレイリー領域は十分大きく、そのため、空間ビーム質上の結晶角度受容の影響が最小化することができるようにウォークオフに対する平行方向のレーザビーム１０３発散が非線形結晶１０１の所望の焦点がずれた位置の全ての割に十分に小さいままである。
図５は、例示的な商店１０４のサイズである。ウォークオフと平行な平面（破線）内のレーザビーム１０３の焦点１０４のサイズは、ウォークオフに対して垂直な平面（実線）内のそれより大きい。両方の平面の焦点は、非線形結晶１０１の外側に位置する。ウォークオフ方向の焦点は、非ウォークオフ方向の焦点より大きい。ウォークオフ方向のビーム伝搬はより少ない曲率の線によって記載されているが、非ウォークオフ方向の伝搬はより小さいおよびより顕著なビームウエストを示す。
一例において、非線形結晶は、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するレーザビームの、ビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側にレーザビームの焦点が存在するように配置される。結晶実装アセンブリは、調節可能であり得るかまたはこの例でレーザ光源から異なる距離にある複数の実装機構を含むことができる。
別の例では、レーザビームはパルスレーザビームである。非線形結晶は、パルスレーザビームの焦点が、システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、またはシステムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の、基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ２未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有するパルスレーザビームの、ビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側に存在するように、配置される。基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスの他の値は、可能である。例えば、少なくとも１つの光学コンポーネント上またはその中の基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスは、１Ｊ／ｃｍ２から２０Ｊ／ｃｍ２まであることが可能であり、その間の０．５Ｊ／ｃｍ２までの範囲の全ての値を含む。結晶実装アセンブリは、調節可能であり得るかまたはこの例でレーザ光源から異なる距離にある複数の実装機構を含むことができる。
図６は、方法５００のフローチャートである。方法５００は、５０１でレーザビームを発生させることを含む。５０２でレーザビームを非線形結晶へ導く。これは、例えばビーム整形光学部品を通してであってもよい。５０３でレーザビームは非線形結晶を通過する。レーザビームの焦点は、レーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において非線形結晶の外側に存在する。５０４でビームが非線形変換される。レーザビームの非線形変換は、ＳＨＧ、ＳＦＧまたは差周波数発生（ＤＦＧ）であることができる。結晶実装アセンブリは調節可能であり得るか、または、レーザ光源から異なる距離にある複数の実装機構を含むことができる。
焦点１０４はまた、非線形結晶１０１の下流に位置することができて、本明細書において開示される利点の多数を提供することができる。結晶出力ファセット上のビームサイズは、上流の焦点の場合より下流の焦点で小さい。したがって、出力ファセット上の出力密度はより高く、結晶寿命はより短い場合がある。この効果は通常、最小限であるので、上流の焦点または下流の焦点のいずれもが本明細書において開示される実施形態によって使用可能である。
本明細書において記載されている非線形波長変換プロセスおよび実施形態は、ＳＨＧ、ＳＦＧまたは差周波数発生であることができる。例えば、波長変換プロセスは、１つ以上の入力レーザビームを含むことができる。
本明細書において開示される実施形態は、複数の長所または利点を提供する。第１には、ビームサイズは、それぞれに最適化することができる。したがって、非線形結晶内の、そして、ビーム整形光学部品のコンポーネント上の光学出力密度は、最適化することができる。小さい焦点（少なくとも１つの平面内の）は、波長コンバータ１００などの波長コンバータ内部での高調波レーザビームの発散および収束を増加させる。したがって、ビーム整形光学部品上の出力密度は、波長コンバータの寸法を増加させずに減少することができる。これは、光学部品寿命を増加させる。ガウシアンビーム伝搬によって記述されるレーザビームは、ウエスト直径ｄ０および遠方発散角θＦＦの定数積を有し、そのためにＭ２≧１でのｄ０＊θＦＦ＝Ｍ２＊λ／（２＊π）はビーム伝搬パラメータで、λが放射の波長である。所定のレーザビームに対して、各軸と平行でビーム伝搬方向に垂直であるｄ０およびθＦＦの積は定数であるので、ウエスト直径が減少するにつれて、遠距離電磁界発散角は増加する。したがって、ウエストサイズが減少するときに、基本ビームの発散は増加する。
基本ビームの発散が増加するにつれて、高調波ビームの発散は同様に増加する。ＳＨＧの例では、基本波および高調波ビームの発散は、非ウォークオフ方向において同一である。ウォークオフ方向においては、基本波および高調波ビームの発散は、ウォークオフの存在のため同一でない。しかしながら、基本ビームの発散が増加する結果、まだ高調波ビームの発散が増加する。
第２には、焦点の外側に非線形結晶を配置することによって、非線形結晶内部の出力密度は減少する。これは、非線形結晶寿命を増加させて、高調波放射の空間ビーム質を改善する。非線形結晶内部の、そして、ビーム整形光学部品上の両方の出力密度は、波長コンバータのフォームファクタを増加させることなく互いと独立して、最適化することができる。
第３には、非線形結晶内の出力密度は、ビーム伝搬方向に沿って非線形結晶を移動することによって、光学部品再設計なしで調節することができる。これは、２つの出力スケーリングオプションを簡単にする。一例において、高調波出力は同じ出力密度を維持しながら、基本出力を上昇させることによって増加することができる。例えば、基本出力は、より強力なレーザを用いて増加することができる。これは、焦点から非線形結晶を遠ざけて、したがって、非線形結晶内部でビームサイズを増加させることによって、達成される。別の例において、高調波出力は、より高い損傷閾値を有する非線形結晶が利用できるようになると、結晶内部で出力密度と、したがって変換効率を上昇させることによって、増加させることができる。これは、焦点の方へ非線形結晶を移動して、したがって、非線形結晶内部でビームサイズを減らすことによって、達成される。
第４には、これは、ビーム整形光学部品に対して必要となるのが最小の変更であるので、既存のツールを改造するために用いることができる。システムの一部である波長コンバータ１００などの波長コンバータは、光学部品設計に対するいかなる変更もなく、または、最小の変更で、現地アップグレードの一部として修正または再構成することができる。
第５には、非線形結晶の位置は、非線形結晶の材料またはレーザビームの出力密度に応じて移動することができる。例えば、非線形結晶の位置は、例えばレーザビームのタイプまたは特性が変化する場合、調節することができるかまたは最適化することができる。
第６には、本明細書において開示される実施形態は、改良された性能または寿命をパルスレーザビームに提供することができる。パルスレーザは、高い出力密度で非線形結晶に重大な損傷を引き起こすことがあり得る。非線形結晶内の出力密度を変えることで、非線形結晶への損傷をより少なくしてパルスレーザビームの使用を可能にすることができる。
本開示が１つ以上の実施形態に関して記載されているにもかかわらず、本開示の他の実施形態が本開示の要旨を逸脱しない範囲で行うことができることが理解されよう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその合理的な解釈によってのみ限定されるものとみなされる。

Claims (27)

  1. レーザビームを発生させるように構成されたレーザ光源と、
    非線形結晶であって、前記レーザビームの焦点が、前記レーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に存在するように配置され、前記レーザビームが、前記非線形結晶により、第１の波長から第２の波長に変換される、非線形結晶と、
    結晶実装アセンブリであって、前記非線形結晶が、前記結晶実装アセンブリ上に配置され、前記結晶実装アセンブリが、前記ビーム伝搬方向において前記レーザ光源から異なる距離にある複数の実装機構を含み、前記実装機構の各々に、前記結晶実装アセンブリが固定される穴を含み、前記非線形結晶内の前記レーザビームのビームサイズは、前記実装機構のうちの１つを選択することにより与えられ、角度受容範囲に対して０％よりも大きく２７％以下である角度安定性が動作中に得られる、結晶実装アセンブリと
    を備えることを特徴とするシステム。
  2. 請求項１に記載のシステムであって、前記レーザ光源と前記非線形結晶との間に配置され、前記ビーム伝搬方向の前記非線形結晶の下流に配置されるビーム整形光学部品を更に備えることを特徴とするシステム。
  3. 請求項１に記載のシステムであって、前記結晶実装アセンブリは、前記非線形結晶の中心と前記焦点との間の距離を調節することによって、前記非線形結晶内の前記レーザビームのビームサイズを調節するように構成されることを特徴とするシステム。
  4. 請求項１に記載のシステムであって、前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記レーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に前記レーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とするシステム。
  5. 請求項１に記載のシステムであって、前記レーザビームは、パルスレーザビームであり、前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンス出力密度または高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記パルスレーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に前記パルスレーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とするシステム。
  6. 請求項１に記載のシステムであって、前記結晶実装アセンブリは調節可能であり、前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記レーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に前記レーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とするシステム。
  7. 請求項１に記載のシステムであって、前記レーザビームは、パルスレーザビームであり、前記結晶実装アセンブリは調節可能であり、前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または前記システムの少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記パルスレーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側にパルスレーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とするシステム。
  8. 請求項１に記載のシステムであって、前記焦点は、円形、楕円、または非点収差のあるもののうちの少なくとも１つであることを特徴とするシステム。
  9. 請求項１に記載のシステムであって、前記焦点は楕円であり、ウォークオフと平行な平面内の前記焦点は、前記ウォークオフに対して垂直な平面内の前記焦点より大きいことを特徴とするシステム。
  10. 請求項１に記載のシステムであって、前記焦点は非点収差があり、１つの平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の内部に存在し、別の平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の外側に存在することを特徴とするシステム。
  11. 請求項１に記載のシステムであって、前記焦点は非点収差がありかつ楕円であり、１つの平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の内部に存在し、別の平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の外側に存在し、前記非線形結晶内部の前記焦点は、前記非線形結晶の外側の前記焦点より大きい幅を有することを特徴とするシステム。
  12. 請求項１のシステムであって、前記システムは、波長変換が第二高調波発生、和周波発生、または差周波数発生のうちの１つであるように構成されることを特徴とするシステム。
  13. 請求項１のシステムであって、前記結晶実装アセンブリが、前記実装機構のうちの１つにネジ止めされることを特徴とするシステム。
  14. レーザビームを発生させることと、
    波長変換のために構成された非線形結晶であって、前記レーザビームの焦点が前記レーザビームのビーム伝搬方向に対して垂直な少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に存在するように配置された非線形結晶に前記レーザビームを導くことと、
    前記非線形結晶により、第１の波長から第２の波長に前記レーザビームを非線形変換することと
    を含み、
    角度受容範囲に対して０％よりも大きく２７％以下である角度安定性が動作中に得られる結晶実装アセンブリ上に前記非線形結晶が配置され、前記結晶実装アセンブリが、前記ビーム伝搬方向においてレーザ光源から異なる距離にある複数の実装機構を含み、前記実装機構の各々に、前記結晶実装アセンブリが固定される穴を含み、前記非線形結晶内の前記レーザビームのビームサイズは、前記実装機構のうちの１つを選択することにより与えられることを特徴とする方法。
  15. 請求項１４に記載の方法であって、前記非線形変換は、第二高調波発生、和周波発生、または差周波数発生のうちの１つであることを特徴とする方法。
  16. 請求項１４に記載の方法であって、レーザ光源と前記非線形結晶との間に配置され、前記ビーム伝搬方向の前記非線形結晶の下流に配置されるビーム整形光学部品を介して前記レーザビームを導くことを更に含むことを特徴とする方法。
  17. 請求項１４に記載の方法であって、前記結晶実装アセンブリにより、前記非線形結晶の中心と前記焦点との間の距離を調節することによって、前記非線形結晶内の前記レーザビームのビームサイズを調節することを更に含むことを特徴とする方法。
  18. 請求項１４に記載の方法であって、少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記レーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に前記レーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とする方法。
  19. 請求項１４に記載の方法であって、前記レーザビームは、パルスレーザビームであり、少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンス出力密度または高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記パルスレーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に前記パルスレーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とする方法。
  20. 請求項１４に記載の方法であって、前記結晶実装アセンブリは調節可能であり、少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または少なくとも１つの光学コンポーネントの中のビームプロファイルの空間ピークでの時間平均された基本光学出力密度または高調波光学出力密度が１ＭＷ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記レーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側に前記レーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とする方法。
  21. 請求項１４に記載の方法であって、前記レーザビームは、パルスレーザビームであり、前記結晶実装アセンブリは調節可能であり、少なくとも１つの光学コンポーネント上の、または少なくとも１つの光学コンポーネントの中の基本光学フルーエンスまたは高調波光学フルーエンスが１０Ｊ／ｃｍ ２ 未満に制限されるように構成されたレイリー領域を有する前記パルスレーザビームの前記ビーム伝搬方向に対して垂直な前記少なくとも１つの平面において前記非線形結晶の外側にパルスレーザビームの前記焦点が存在するように、前記非線形結晶が配置されることを特徴とする方法。
  22. 請求項１４に記載の方法であって、前記焦点は、円形、楕円、または非点収差のあるもののうちの少なくとも１つであることを特徴とする方法。
  23. 請求項１４に記載の方法であって、前記焦点は楕円であり、ウォークオフと平行な平面内の前記焦点は、前記ウォークオフに対して垂直な平面内の前記焦点より大きいことを特徴とする方法。
  24. 請求項１４に記載の方法であって、前記焦点は非点収差があり、１つの平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の内部に存在し、別の平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の外側に存在することを特徴とする方法。
  25. 請求項１４に記載の方法であって、前記焦点は非点収差がありかつ楕円であり、１つの平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の内部に存在し、別の平面内の前記焦点は、前記非線形結晶の外側に存在し、前記非線形結晶内部の前記焦点は、前記非線形結晶の外側の前記焦点より大きい幅を有することを特徴とする方法。
  26. 請求項１４に記載の方法であって、前記結晶実装アセンブリを前記実装機構のうちの１つに固定することを更に含むことを特徴とする方法。
  27. 請求項２６に記載の方法であって、前記固定することが、前記結晶実装アセンブリを前記実装機構のうちの１つにネジ止めすることを含むことを特徴とする方法。
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