JP7192156B2 - 光源装置及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び検査装置に関する。

非線形光学結晶を外部共振器の内部に配置し、干渉効果を利用して高効率に波長変換を行うことが知られている。このような場合、単一周波数（縦シングルモード）のレーザ光を非線形光学結晶に入射するのが一般的である。外部共振器の長さを、アクチュエータを用いて単一周波数のレーザ光の波長の整数倍に制御することで、干渉が保たれ、連続発振の波長変換光が発生する（例えば、特許文献１参照）。なお、単一周波数以外のレーザ光を外部共振器により波長変換する技術も提案されている。例えば、特許文献２は、数１００本もの縦マルチモードのレーザ光を波長変換して、ノイズの少ない光を発生する技術を開示している。

ここで、単一周波数のレーザ光を非線形光学結晶に入射すると、発生する紫外光のエネルギーによって結晶の内部が変質し、出力が時間と共に低下することが知られている。極端な場合には、結晶内部に周期的な屈折率分布が生じ、透過型回折格子が形成され、共振器内を周回する基本波が反射され逆周回する（特許文献３参照）。逆周回した光がレーザ光源に戻ると、基本波が不安定になったり、単一周波数発振が乱されて複数周波数発振が生じたりする現象に至り、さらには紫外光の出力が大幅に減少するおそれがある。結晶の内部の変質が、発生する光の出力を制限し、光源の信頼性を損なう要因となっていた。

単一周波数発振のレーザは、レーザの利得の範囲内で発振し得る縦モードにおいて、波長選択素子等で他のモードの損失を高めることにより、一つのモードの光だけが発振するように構成される。しかし、外部の光学部品から反射光等の光が入射すると、発振が乱されて、単一周波数の発振を保てなくなる可能性がある。そこで、反射光を抑制するために、光路上に光アイソレータが設置されるが、光アイソレータだけでは外部からの光の入射を完全に防ぐことはできない場合がある。

一方、共振器長の制御には、一般的にＰＤＨ（Ｐｏｕｎｄ Ｄｒｅｖｅｒ Ｈａｌｌ）法（ＦＭサイドバンド法とも称される）や、Ｈａｎｓｃｈ Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ法が用いられる。ここで、ＰＤＨ法では、基本波となるレーザ光を位相変調器で変調することにより、誤差信号を生成する。このような場合、位相変調器の変調周波数は、一般的に外部共振器の周波数間隔（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の５～２０％程度に設定される。そして、位相変調器の変調度は、波長変換される搬送波のパワー損失が小さくなるように小さい値（例えば、０．５未満）が設定される（例えば、特許文献４参照）。

また、特許文献５は、位相変調器を用いてレーザ光の過干渉性を低減する技術を開示している。なお、特許文献５では、上述した非線形光学結晶の変質についての言及はされていない。

特許３３０９４３０号公報 米国特許第５６９６７８０号明細書 特開２００７－１６３８９３号公報 特開平５－２４３６６１号公報 特開平９－１２１０６９号公報

上記の通り、紫外光のエネルギーによって非線形光学結晶の出力が時間とともに低下するという問題があった。この問題の解決策として、特許文献３は、（１）レーザの中心波長を変化させる、（２）非線形光学結晶の温度を変化させる、（３）非線形光学結晶に応力を与える、（４）非線形光学結晶に紫外光を照射する等の方法を提案している。しかし、（１）及び（２）の方法は、波長変換で最も重要な位相整合条件を外してしまうという致命的な欠陥があり実用化は極めて困難である。また、（３）及び（４）の方法は、具体的な構成が不明であり、効果の有無も確認できていない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、非線形光学結晶による波長変換光の出力低下を抑制する光源装置及び検査装置を提供する。

本発明に係る光源装置は、
連続発振レーザ光である基本波を発生する基本波光源と、
複数の光学鏡から構成される外部共振器と、
前記外部共振器の内部に設置され、前記基本波よりも波長の短い光を発生する非線形光学結晶と、を有する光源装置であって、
前記基本波光源と前記外部共振器との間に配置され、前記外部共振器の共振周波数間隔の整数倍の変調周波数によって前記基本波を変調する少なくとも１つの位相変調手段、
を備える。

また、本発明に係る検査装置は、上記光源装置で発生した前記光を試料に照射して検査を行う。

本発明によれば、非線形光学結晶による波長変換光の出力低下を抑制する光源装置及び検査装置を提供できる。

実施形態１にかかる光源装置の構成を示す構成図である。 変調波の０次～２次のスペクトル成分の光強度と変調度との関係を示すグラフである。 変調度が１．０のときの変調波の各スペクトル成分の光強度を示すグラフである。 変調度が１．５のときの変調波の各スペクトル成分の光強度を示すグラフである。 変調度が２．０のときの変調波の各スペクトル成分の光強度を示すグラフである。 変調度が３．０のときの変調波の各スペクトル成分の光強度を示すグラフである。 実施形態１にかかる位相変調器の構成例を示すブロック図である。 実施形態１にかかる位相変調器の動作例を示す概略図である。 実施形態１にかかる外部共振器における共振周波数の計算結果を示す概略図である。 変調度が０．９のときの変調波及び波長変換光のパワースペクトルを示すグラフである。 変調度が１．５のときの変調波及び波長変換光のパワースペクトルを示すグラフである。 変形例にかかる光源装置の構成を示す構成図である。 変形例にかかる位相変調器の第１の構成例を示す概略図である。 変形例にかかる位相変調器の第２の構成例を示す概略図である。 実施形態１にかかる検査装置の構成例を示す構成図である。 変調深さと最大紫外出力光との関係を示すグラフである。

以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

（実施形態１）
実施形態１にかかる光源装置は、非線形光学結晶によって基本波を波長変換し、基本波よりも短い波長の光を生成する光源装置である。実施形態１では、フォトマスクなどの半導体検査装置の照明光源として用いられる光源装置について説明するが、光源装置の用途は検査装置に限られるものではない。

実施形態１に係る光源装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、実施形態１に係る光源装置１００の構成を示す構成図である。光源装置１００は、基本波光源１１０、位相変調器１２０、外部共振器１３０、アクチュエータ１４０、及び非線形光学結晶１５０を備えている。

基本波光源１１０は、連続発振レーザ光である基本波Ｌ１を発生する。基本波光源１１０は、単一周波数ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザ光源である。基本波Ｌ１の周波数をｆ_０とし、波長をλ_０とする。基本波Ｌ１は、後述する位相変調器１２０によって位相変調された後、後述する非線形光学結晶１５０に入射される。

位相変調器１２０は、基本波光源１１０と後述する外部共振器１３０との間に配置される。位相変調器１２０として、例えば、ＬｉＮＢＯ_３、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＢＢＯ（β－ＢａＢ_２Ｏ_４）等の非線形光学結晶に電極を設けた電気光学的な位相変調器が使用されてもよい。

位相変調器１２０は、後述する外部共振器１３０の共振周波数間隔Ｆの整数倍の変調周波数ｆ_ｍによって基本波Ｌ１を変調し、変調波Ｌ２を生成する。基本波Ｌ１を位相変調することにより、側帯波（サイドバンド光とも称される）が発生する。

外部共振器を用いた波長変換において位相変調を行うと、一般に側帯波は外部共振器の共振条件を満たさないので波長変換光の出力は下がってしまう。そこで、光源装置１００では、変調周波数ｆ_ｍを外部共振器１３０の共振周波数間隔Ｆないしその整数倍に一致させ、全ての側帯波の共振条件（Ｌ＝λ×整数）を満足させる。これにより、側帯波も外部共振器１３０内で共振し、波長変換に寄与できる。結果として、光源装置１００は、単一周波数の光を非線形光学結晶１５０に入力させた場合と同等の短波長光を発生できる。

図２は、位相変調器１２０の変調度（変調深さとも称される）βと、変調波Ｌ２の０次～３次のスペクトル成分の光の強度との関係を示すグラフである。横軸は、位相変調器１２０の変調度βを表している。縦軸は各スペクトル成分の光強度を表している。変調波Ｌ２の０次成分の光強度は実線で示されており、変調波の１次成分の光強度は１点鎖線で示されており、変調波Ｌ２の２次成分の光強度は点線で示されており、変調波Ｌ２の３次成分の光強度は２点鎖線で示されている。変調波Ｌ２の０次のスペクトル成分は、基本波Ｌ１と同一の周波数ｆ_０を有する成分であり、搬送波とも称される。変調波Ｌ２の１次成分、２次成分、及び３次成分は、側帯波を表している。

図２を参照すると、例えば変調度βが３ラジアンのとき、変調波Ｌ２の１次～３次の成分の光強度は十分大きい。このような場合、変調波Ｌ２には、３つの下側側帯波（－３次～－１次成分）、搬送波（０次成分）、及び３つの上側側帯波（＋１次～＋３次成分）が少なくとも含まれ、計７種類以上の波長の光を含むマルチモード光となる。サイドバンド光の数は、位相変調に用いられる高周波電力や結晶のサイズ等に依存した変調度βに応じて変化する。位相変調器１２０は、計３～１０の光を含むマルチモード光を生成できる。

図３～図６は、変調度βをそれぞれ１．０、１．５、２．０、３．０としたときの変調波Ｌ２の各スペクトル成分の光強度を示すグラフである。縦軸は光強度を表し、横軸は各スペクトル成分の次数を表している。

図３を参照すると、変調度βが１．０のときの変調波Ｌ２は、搬送波及び（±１）次の側帯波を含み、３種類の波長の光を含むマルチモード光となる。図４を参照すると、変調度βが１．５のときの変調波Ｌ２は、搬送波、（±１次）の側帯波、及び（±２次）の側帯波を含み、計５種類の波長の光を含むマルチモード光となる。図５を参照すると、変調度βが２．０のときの変調波Ｌ２は、搬送波、（±１次）の側帯波、（±２）次の側帯波、及び（±３）次の側帯波を含み、計７種類の波長の光を含むマルチモード光となる。図６を参照すると、変調度βが３．０のときの変調波Ｌ２は、搬送波、（±１）次の側帯波、（±２）次の側帯波、（±３）次の側帯波、及び（±４）次の側帯波を含み、計９種類の波長の光を含むマルチモード光となる。

位相変調器１２０は、例えば、０．５ラジアン以上の変調度βで基本波Ｌ１を変調してもよい。変調度βを０．５ラジアン以上とすることにより、位相変調器１２０は、±１次の側帯波を生じさせることができるため好ましい。また、変調度を１ラジアン以上とすることにより、位相変調器１２０は、（±１）次の側帯波と（±２）次の側帯波を生じさせることができるためさらに好ましい。

変調波Ｌ２の搬送波だけでなく側帯波も、後述する外部共振器１３０において共振する。以下、その理由について説明する。上述の通り、位相変調器１２０の変調周波数ｆ_ｍと、後述する外部共振器１３０の共振周波数間隔Ｆとの間には、ｆ_ｍ＝Ｆ×Ｎ（Ｎは２以上の整数）という関係が成立する。そして、変調波Ｌ２に含まれる側帯波の周波数は、それぞれｆ_０±Ｎ×Ｆ、ｆ_０±２Ｎ×Ｆ、ｆ_０±３Ｎ×Ｆ・・・となる。したがって、周波数ｆ_０の基本波Ｌ１が外部共振器１３０で共振する場合、変調波Ｌ２の側帯波も外部共振器１３０で共振する。よって、光源装置１００における波長変換の効率は、位相変調器１２０を備えない従来技術と比べても殆ど変化しない。

位相変調器１２０の数は複数であってもよい。図７は、２台の位相変調器１２０－１及び１２０－２を備える構成を示す概略図である。位相変調器１２０－１は、基本波Ｌ１を変調し、変調波Ｌ２－１を生成する。位相変調器１２０－２は、変調波Ｌ２－１を変調し、変調波Ｌ２－２を出力する。

例えば、位相変調器１２０－１の変調度βが１．３であり、位相変調器１２０－２の変調度βが１．３であるとする。このような場合、位相変調器１２０－１及び１２０－２は、光の１つのスペクトル成分から、３つのスペクトル成分を生成する（図２参照）。

そして、位相変調器１２０－１及び位相変調器１２０－２は、変調周波数ｆ_ｍが互いに異なっているものとする。例えば、位相変調器１２０－１の変調周波数ｆ_ｍは、位相変調器１２０－２の変調周波数ｆ_ｍの３倍とする。

図８は、位相変調器１２０－１及び位相変調器１２０－２の動作の概要を示す概略図である。図８の上から１番目のグラフは、位相変調器１２０－１が出力する変調波Ｌ２－１のパワースペクトルを表している。図８の上から２番目のグラフは、位相変調器１２０－２が出力する変調波Ｌ２－２のパワースペクトルを表している。

位相変調器１２０－１は、例えば、後段の位相変調器１２０－２の変調周波数ｆ_ｍの３倍の変調周波数ｆ_ｍで基本波Ｌ１を変調する。そして、位相変調器１２０－２は、変調波Ｌ２－１の３つのスペクトル成分の各々から３つのスペクトル成分を生成し、計９種類の光を含む変調波Ｌ２－２を生成する。このように、複数台の位相変調器１２０を備えることにより、光源装置１００は、基本波Ｌ１からより多くのサイドバンド光を生成できる。尚、位相変調器１２０の数は、２台には限られない。

図１に戻り説明を続ける。外部共振器１３０は、複数（例えば、４枚）の光学鏡１３１～１３４から構成される。光学鏡１３１～１３４は、例えば凹面鏡又は平面鏡である。変調波Ｌ２は、光学鏡１３１を介して、外部共振器１３０に導かれる。変調波Ｌ２は、光学鏡１３１～１３４での反射を順番に繰り返していく。外部共振器１３０内には、後述する非線形光学結晶１５０が配置されている。

光学鏡１３１～１３４のうちの一つ（例えば、光学鏡１３４）には、外部共振器１３０の長さ（以下、外部共振器長Ｌと称する）を調整するためのアクチュエータ１４０が取り付けられる。図示しない制御装置がアクチュエータ１４０を適切に制御することにより外部共振器１３０の共振が保たれる。

上記の通り、変調波Ｌ２には搬送波及び側帯波が含まれており、搬送波だけでなく側帯波も外部共振器１３０で共振する。以下では、複数種類の光が外部共振器１３０で共振する条件について補足的な説明を行う。

２つの対向する鏡からなる直線型光共振器の場合、共振する光の波長λは、その半分が外部共振器長Ｌに一致する。したがって、λ＝２×Ｌ／Ｎ（Ｎは整数）、つまりＮ＝（２×Ｌ）／λが成立する。２つの互いに異なる波長λ_１及びλ_２の光が共振する場合には、（２×Ｌ）／λ_１＝Ｎ、（２×Ｌ）／λ_２＝Ｍ（Ｎ、Ｍは互いに異なる整数）が成立する。したがって、光の周波数ν_１及びν_２について、ν_１＝ｃ／λ_１＝（ｃ×Ｎ）／（２×Ｌ）、ν_２＝ｃ／λ_２＝（ｃ×Ｍ）／（２×Ｌ）が成立する（ｃは、光速度を表す）。

周波数の差分ν_１－ν_２は、｛（ｃ×Ｎ）／（２×Ｌ）－（ｃ×Ｍ）／（２×Ｌ）｝＝｛（Ｎ－Ｍ）×ｃ｝／（２×Ｌ）［Ｈｚ］となる。ここで、差分ν_１－ν_２の最小値（以下、Δνと称される）は、上述した共振器周波数間隔Ｆを表す。Ｎ－Ｍの最小値は１であるため、共振周波数間隔Ｆ＝Δν＝ｃ／（２×Ｌ）となる。

したがって、共振する光に対して、その周波数の差が共振周波数間隔Ｆ＝ｃ／（２×Ｌ）の整数倍に一致する光の全てが、その共振器において共振することになる。なお、３枚以上の鏡から構成されるリング型共振器の場合、共振器周波数間隔Ｆ＝ｃ／Ｌとなる。

位相変調器１２０は、上記の通り、共振器周波数間隔Ｆの整数倍の周波数で位相変調を行う。したがって、変調波Ｌ２に含まれる全ての種類の光が、外部共振器１３０で共振することとなる。

図９は、リング型の外部共振器１３０における共振周波数νの具体的な数値例を示している。共振器長Ｌが０．６ｍの場合、共振器周波数間隔Ｆ＝（ｃ／Ｌ）は、５×１０^８［Ｈｚ］となる。共振する光の周波数（例えば、３×１０^１４）に対して、周波数の差が共振周波数間隔Ｆの（－１）倍（例えば、（３×１０^１４）－（５×１０^８）［Ｈｚ］）となる光や、共振周波数間隔Ｆの（＋１）倍（例えば、（３×１０^１４）＋（５×１０^８）［Ｈｚ］）となる光も、その共振器において共振していることがわかる。

図１に戻り説明を続ける。非線形光学結晶１５０は、外部共振器１３０の内部に設置され、基本波Ｌ１よりも波長の短い光（以下、波長変換光Ｌ３と称される）を発生する。非線形光学結晶１５０は、ここでは光学鏡１３１と光学鏡１３２の間に配置されている。波長変換光Ｌ３には、λ_０／２の波長成分が含まれる。ここで、λ_０は、上記の通り、基本波Ｌ１の波長、つまり変調波Ｌ２に含まれる搬送波の波長を表している。非線形光学結晶１５０は、例えばＢＢＯ（β－ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１）結晶、又はＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶であり、４００ｎｍ以下の波長の光を生成してもよい。

図１０及び図１１は、波長変換光Ｌ３のパワースペクトルを示す概略図である。図１０の上から１番目のグラフは、位相変調器１２０の変調度βが０．９のときの変調波Ｌ２のパワースペクトルを表す。基本波Ｌ１を変調度０．９で位相変調すると、３つの周波数成分（例えば、ｆ_０、ｆ_０＋ｆ_ｍ及びｆ_０－ｆ_ｍ）を含む変調波Ｌ２が得られる。このような変調波Ｌ２を非線形光学結晶１５０により波長変換すると、５つの周波数成分（例えば、２ｆ_０、２ｆ_０＋ｆ_ｍ、２ｆ_０－ｆ_ｍ、２ｆ_０＋２ｆ_ｍ、及び２ｆ_０－２ｆ_ｍ）を含む波長変換光Ｌ３が得られる。

図１１の上から１番目のグラフは、位相変調器１２０の変調度βが１．５のときの変調波Ｌ２のパワースペクトルを表す。基本波Ｌ１を変調度β１．５で位相変調すると、５つの周波数成分（例えば、ｆ_０、ｆ_０＋ｆ_ｍ、ｆ_０－ｆ_ｍ、ｆ_０＋２ｆ_ｍ、ｆ_０－２ｆ_ｍ）を含む変調波Ｌ２が得られる。このような変調波Ｌ２を非線形光学結晶１５０により波長変換すると、９つの周波数成分（例えば、２ｆ_０、２ｆ_０＋ｆ_ｍ、２ｆ_０－ｆ_ｍ、２ｆ_０＋２ｆ_ｍ、２ｆ_０－２ｆ_ｍ、２ｆ_０＋３ｆ_ｍ、２ｆ_０－３ｆ_ｍ、２ｆ_０＋４ｆ_ｍ、２ｆ_０－４ｆ_ｍ）を含む波長変換光Ｌ３が得られる。

次に、実施形態１にかかる光源装置が奏する効果について説明する。上記の通り、特許文献３は、紫外光の作用により非線形光学結晶内に屈折率分布が発生することを指摘している。本願の発明者は、位相変調により搬送波に加えて側帯波を発生させ、搬送波と側帯波の全てを外部共振器で共振させることにより、屈折率分布の発生を抑制できることを発見した。この効果は、非線形光学結晶に入射する入射光と、発生する紫外光との可干渉性が低減し、屈折率分布が発生しなくなることによるものと推測される。

非線形光学結晶１５０に入力される変調波Ｌ２は、単一周波数の光ではなく複数の周波数成分を含む光であるため、実質的に光スペクトル幅（帯域）が拡大している。これにより、変調波Ｌ２及び波長変換光Ｌ３の両方の可干渉性が低下するため、非線形光学結晶１５０において干渉効果に基づく透過型回折格子が出来にくくなる。その結果、非線形光学結晶１５０は、より高い出力の波長変換光Ｌ３を生成できる。

次に、具体例として、基本波光源１１０が波長５３２ｎｍの基本波Ｌ１を生成し、波長２６６ｎｍの紫外光である波長変換光Ｌ３を生成する例について説明する。非線形光学結晶１５０を長さ１０ｍｍのＢＢＯ結晶とし、外部共振器１３０が共振器長４００ｍｍのリング型共振器とする。このような場合、光路長＝３９０＋１０×（ＢＢＯの屈折率１．６７２）＝４０６．７２ｍｍとなり、共振器周波数間隔Ｆ＝ｃ／Ｌ＝７３７．１ＭＨｚとなる。基本波Ｌ１を変調周波数ｆｍ＝７３７．１ＭＨｚ、変調度を１ラジアン以上として位相変調すると、７３７．１ＭＨｚの周波数間隔ごとにサイドバンド光が発生する。位相変調器１２０として、ＬｉＮＢＯ_３、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＢＢＯ（β－ＢａＢ２Ｏ_４）等の非線形光学結晶に電極を設けた電気光学的な位相変調器が使用される。

位相変調前の光、及びサイドバンド光の全てが外部共振器の共振条件を満たす場合、非線形光学結晶１５０に入射する光の強度は、位相変調の深さ（変調度）に依存しない。したがって、非線形光学結晶１５０から出射される光の強度は、位相変調しなかった場合（単一周波数の場合）の光の強度と同等である。

基本波が単一周波数の場合、そのスペクトル幅は極めて狭く（例えば、１００ｋＨｚ以下）、干渉性が極めて強い（例えば、過干渉距離が数ｋｍ）。これに対して、周波数間隔ｆ＝７３７．１ＭＨｚで周波数変調し、例えば１０本のサイドバンド光を発生した場合、スペクトル幅は、７３７．１×９＝６．６ＧＨｚとなる。したがって、位相変調された光は、過干渉距離が４５ｍｍ程度であり、可干渉性の弱い光となる。これにより、干渉効果に基づく透過型回折格子がＢＢＯ結晶等の非線形光学結晶１５０内に発現することを抑制できる。

なお、ＢＢＯ結晶の位相整合許容幅は、１００ＧＨｚ程度あるため、波長変換効率が低下することはない。発明者は、７本程度のサイドバンド光を発生させた場合、透過型回折格子の発現による紫外光出力の限界値が、２倍程度に上昇することを発見した（図１６参照）。

実施形態１にかかる光源装置によると、非線形光学結晶における結晶の変質を抑制し、より高出力の短波長光を生成できる。また、非線形光学結晶の変質による反射光の生成を抑制できるため、基本波を安定化させることにより、より安定な短波長光を生成できる。さらに、実施形態１にかかる光源装置によると、紫外光の干渉性を下げることにより、スペックルノイズの低い短波長光を生成できる。

（変形例１）
変形例１にかかる光源装置１００ａは、上述した位相変調器１２０に加え、共振器長を制御するための誤差信号を生成する誤差変調器を備える。図１２は、光源装置１００ａの構成を示す構成図である。光源装置１００ａは、上述した光源装置１００と比べて、誤差変調器１６０、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）発振器１７０、検出器１８０、ミキサ１９０、ローパスフィルタ２００、及びサーボ制御器２１０が追加されている。

誤差変調器１６０は、位相変調器１２０と同様に、基本波光源１１０と外部共振器１３０との間に配置されており、ＦＭサイドバンド法における誤差信号を発生するために用いられる。誤差変調器１６０は、位相変調器１２０が変調した変調波Ｌ２をさらに変調し、変調波Ｌ２ａを出力する。ここで、誤差変調器１６０は、ＲＦ発振器１７０が出力した変調信号ｆ_ｎを用いて、変調波Ｌ２を位相変調する。位相変調器１２０の位相変調に用いられる変調信号ｆ_ｍと、誤差変調器１６０の位相変調に用いられる変調信号ｆ_ｎは周波数が異なる。誤差変調器１６０から出射された変調波Ｌ２ａは、外部共振器１３０に導かれる。

検出器１８０は、外部共振器１３０に送られた変調波Ｌ２ａの反射光Ｒを検出する。ミキサ１９０は、反射光Ｒの検出信号とＲＦ発振器１７０の変調信号ｆ_ｎとを乗算する。乗算結果がローパスフィルタ２００に通されることで、外部共振器長Ｌの制御に用いられる誤差信号が生成される。サーボ制御器２１０は、誤差信号を用いてアクチュエータ１４０を駆動する。

ここで、光源装置１００ａは、位相変調器１２０の機能と誤差変調器１６０の機能とを兼ね備える１台の位相変調器２２０を有していてもよい。図１３及び図１４は、位相変調手段と誤差変調手段とを兼ね備えた位相変調器２２０の構成例を示している。

図１３は、変形例１にかかる位相変調器２２０の第１の構成例を示す概略図である。図１４に示す位相変調器２２０は、電気光学結晶２２１と、電極２２２－１及び２２２－２とを備えている。電極２２２－１及び２２２－２には、電気光学結晶２２１に電場を印加するための変調信号が入力される。電極２２２－１には、位相変調器１２０で用いられる変調信号ｆ_ｍが入力される。そして、電極２２２－２には、誤差変調器１６０で用いられる変調信号ｆ_ｎが入力される。電気光学結晶２２１から出射される光には、サイドバンド光と誤差変調に用いられる光の成分の両方が含まれている。

図１４は、変形例１にかかる位相変調器２２０の第２の構成例を示す概略図である。図１４に示す位相変調器２２０は、電気光学結晶２２１、電極２２２、及びミキサ２２３を備えている。ミキサ２２３は、位相変調器１２０で用いられる変調信号ｆ_ｍと、誤差変調器１６０で用いられる変調信号ｆ_ｎとを乗算する。電極２２２にミキサ１２５の出力が入力され、電気光学結晶２２１に電場が印加される。電気光学結晶２２１から出射される光には、サイドバンド光と誤差変調に用いられる光の成分の両方が含まれている。

変形例１にかかる光源装置によると、ＦＭサイドバンド法を用いて外部共振器の共振器長を適切に制御できる。サイドバンド光の生成に用いられる位相変調器は、誤差変調手段を兼ね備えることができる。なお、位相変調器の変調周波数は基本波発生用レーザ光源の縦モード間隔とも一致させることが望ましい。その場合、万一レーザ光源の単一周波数発振が保たれずに縦マルチモード発振する場合にも、外部共振器においては全てのモードを共振し続けさせることができるので、安定に高出力の紫外光を発生できる。

（検査装置）
次に、実施の形態１にかかる光源装置１００を用いた検査装置の構成について、図１５を用いて説明する。図１５は、検査装置３００の全体構成を示す図である。図１５に示す検査装置３００は、半導体製造の露光工程に用いられるマスクの検査装置である。なお、検査対象であるフォトマスクは、主に１９３ｎｍのＤＵＶ光を露光波長とするリソグラフィーに用いられる。もちろん、検査対象はフォトマスクに限定されるものではない。

図１５に示すように、検査装置３００は、光源装置１００、レンズ３０２ａ～３０２ｄ、均一化光学系３０３ａ、３０３ｂ、λ／２波長板３０４、偏光ビームスプリッタ３０５、λ／４波長板３０６、対物レンズ３０７、結像レンズ３１１、二次元光検出器３１２、ハーフミラー３１３ａ、ミラー３１３ｂ～３１３ｃ、コンデンサーレンズ３１４、３λ／４波長板３１５を有している。

光源装置１００はＰ波である照明光Ｌ１１１を発生する。照明光Ｌ１１１は、図１の波長変換光Ｌ３に相当する。あるいは、波長変換光Ｌ３をさらに波長変換素子に入射させることで、発生した波長変換光を照明光として用いてもよい。照明光Ｌ１１１はハーフミラー３１３ａにより２本の照明光に分岐される。ここで、ハーフミラー３１３ａを透過した照明光Ｌ１１１は、反射照明用レーザ光Ｌ３０１となり、ハーフミラー３１３ａで反射した照明光Ｌ１１１は、透過照明用レーザ光Ｌ３０６となる。

反射照明用レーザ光Ｌ３０１は、レンズ３０２ａで集光され、均一化光学系３０３ａに入射する。均一化光学系３０３ａには、例えば、ロッド型インテグレータと呼ばれるものなどが適する。

均一化光学系３０３ａから、空間的に強度分布が均一化された反射照明用レーザ光Ｌ３０１が出射する。反射照明用レーザ光Ｌ３０１は、レンズ３０２ｂを通り、λ／２波長板３０４を通ることによって偏光方向が９０度回転してＳ波となる。そして、Ｓ波となった反射照明用レーザ光Ｌ３０１は、偏光ビームスプリッタ３０５に入射し、反射照明用レーザ光Ｌ３０２のように図５の下方に反射する。反射照明用レーザ光Ｌ３０２は、λ／４波長板３０６を通って円偏光の反射照明用レーザ光Ｌ３０３になる。反射照明用レーザ光Ｌ３０３は、対物レンズ３０７を通ってマスク３０８のパターン面３０９内の観察領域３１０を照明する。なお、以上は反射照明と呼ばれる照明系である。そして、マスク３０８のパターン面３０９で反射して上方に進む反射光がレーザ光Ｌ３０４となる。

一方、光源装置１００から供給された透過照明用レーザ光Ｌ３０６は、ミラー３１３ｂで反射される。ミラー３１３ｂで反射した透過照明用レーザ光Ｌ３０６は、レンズ３０２ｃで集光され、均一化光学系３０３ｂに入射する。均一化光学系３０３ｂ内を進むことで、空間的に強度分布が均一化された透過照明用レーザ光Ｌ３０７が出射する。透過照明レーザ光Ｌ３０７はレンズ３０２ｄを通過し、ミラー３１３ｃで反射し、３／４波長板３１５を通過して、円偏光の透過照明レーザ光Ｌ３０８のようになる。そして、透過照明用レーザ光Ｌ３０８は、コンデンサーレンズ３１４を通り、マスク３０８のパターン面３０９内の観察領域３１０を照射する。なお、以上は透過照明と呼ばれる照明系である。マスク３０８を通過して、上方に進む透過光は、レーザ光Ｌ３０４となる。

マスク３０８を反射したレーザ光Ｌ３０４、又はマスク３０８を透過したレーザ光Ｌ３０４は、対物レンズ３０７を通過後、λ／４波長板３０６を通過して直線偏光に戻る。上方に進むレーザ光Ｌ３０４は、下方に進む透過照明用レーザ光Ｌ３０２とは偏光方向が直交するＰ波となり、偏光ビームスプリッタ３０５を透過する。その結果、レーザ光Ｌ３０５のように進んで結像レンズ３１１を通過して二次元光検出器３１２に当たる。したがって、二次元光検出器３１２は、波長変換光により照明されたマスク３０８を撮像する。観察領域３１０を二次元光検出器３１２上に拡大投影させて、パターン検査する。なお、二次元光検出器３１２としては、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、又はＴＤＩセンサなどの撮像装置を用いることができる。

上記のように、光源装置１００は、非線形光学結晶における結晶の変質を抑制し、より高出力の短波長光を安定に生成できる。よって、高い精度で欠陥を検出することができ、検査速度を向上できる。

実施形態１によれば、非線形光学結晶を用いてレーザ光を短波長化した光源装置１００において、安定した高出力の短波長出力を実現する。半導体検査用の光源装置１００においては、被測定物への照射光量が多少でも変動すると、測定データにばらつきが生じ、正確な検査結果が得られなくなる。また、長期間に渡っての出力安定性も求められる。実施形態１に係る光源装置によって、レーザ光の光量を安定化させることができる。よって、光源装置１００からの波長変換光Ｌ３によって、検査対象を照明することで、安定した検査が可能となる。また、実施形態１によれば、検査装置における干渉ノイズを低減できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

１００、１００ａ 光源装置
１１０ 基本波光源
１２０、１２０－１、１２０－２ 位相変調器
１３０ 外部共振器
１３１、１３２、１３３、１３４ 光学鏡
１４０ アクチュエータ
１５０ 非線形光学結晶
１６０ 誤差変調器
１７０ ＲＦ発振器
１８０ 検出器
１９０ ミキサ
２００ ローパスフィルタ
２１０ サーボ制御器
２２０ 位相変調器
２２１ 電気光学結晶
２２２、２２２－１、２２２－２ 電極
２２３ ミキサ

Claims (8)

1. 単一周波数の連続発振レーザ光である基本波を生成する基本波光源と、
   複数の光学鏡から構成される外部共振器と、
   前記外部共振器の内部に設置され、前記基本波よりも波長の短い紫外光を発生する非線形光学結晶と、を有する光源装置であって、
   前記基本波光源と前記外部共振器との間に配置され、前記外部共振器の共振周波数間隔の整数倍の変調周波数によって前記基本波を変調する少なくとも１つの位相変調手段を備える、光源装置。
2. 前記変調周波数が、前記基本波を生成するレーザの縦モード間隔に等しい、
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記位相変調手段による変調度は、０．５ラジアン以上である、
   請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記光源装置は、
   前記変調周波数が互いに異なる複数の前記位相変調手段を備える、
   請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 前記光源装置は、
   前記基本波光源と前記外部共振器との間に配置され、ＦＭサイドバンド法における誤差信号を発生するための誤差変調手段、
   をさらに備える請求項１又は２に記載の光源装置。
6. 前記位相変調手段と前記誤差変調手段とを兼ね備える位相変調器を有する、
   請求項５に記載の光源装置。
7. 前記非線形光学結晶は、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶のいずれかであり、４００ｎｍ以下の波長の前記紫外光を発生する、
   請求項１又は２に記載の光源装置。
8. 請求項１又は２に記載の光源装置で発生した前記紫外光を試料に照射して検査を行う検査装置。

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