JPH07231135A - 固体レーザ発振器及び露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、効率良く第３高調波を発生で
きる固体レーザ発振器を提供するにある。 【構成】固体レーザ媒質２から発生する基本波のレーザ
光１ａ，１ｂは、それぞれ集光レンズ５ａ、及び５ｂに
入射し、集光レンズ５ａ，５ｂと全反射凹面鏡３ａ、及
び３ｂとで形成されるそれぞれの焦点に設置された第１
の非線形光学結晶６ａ、及び第２の非線形光学結晶６ｂ
に入射し、非線形光学結晶６ａから発生した第２高調波
は、ダイクロイックミラー７ａ，７ｂで反射して非線形
光学結晶６ｂに入射し、非線形光学結晶６ｂで基本波と
第２高調波とが合成された第３高調波は、ダイクロイッ
クミラー７ｃから取り出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ装置に係り、特
に、紫外光を発生する固体レーザ発振器に関するもので
ある。また、紫外光を照射する露光装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＹＡＧレーザなどの固体レーザ
において、レーザの共振器中に非線形光学結晶を配置す
る内部波長変換を行うと、共振器中ではレーザ光のパワ
ーが高いため、波長変換効率が高くなる特長がある。ま
た、内部波長変換では、基本波と第２高調波とを分離さ
せるために反射率に波長依存性の有する分離ミラーを用
いて、第２高調波のみが共振器外部に取り出される。
尚、この分離ミラーのように、波長の異なる複数のレー
ザ光に対して、それらの分離や合成を可能とするミラー
を以下ダイクロイックミラーと呼ぶ。

【０００３】次に、内部波長変換による第３高調波の発
生に関する従来技術を説明する。

【０００４】図５に示した従来装置４００のように、固
体レーザ媒質２″の他に、２個の非線形光学結晶６
ａ″，６ｂ″を、全反射鏡９ａと出力鏡９ｂにより構成
される共振器中に挿入することで、第２高調波と基本波
との合成による第３高調波を内部波長変換によって発生
させることができる。すなわち、固体レーザ媒質２″か
ら発生する基本波のレーザ光１ｅを第１の非線形光学結
晶６ａ″中に入射させて第２高調波を発生させ、この第
２高調波と未変換の基本波とを第２の非線形光学結晶６
ｂ″中に入射させることで第３高調波を発生させてい
た。それにより、第３高調波に対して高透過率となるダ
イクロイックミラーの機能を有する出力鏡９ｂから第３
高調波であるレーザ光１ｇを取り出していた。尚、この
ような従来装置に関しては、例えば、APPLIED OPTICS V
ol．３２，No.６，pp．９７１−９７５（１９９３）に
おいて説明されている。

【０００５】次に、従来の紫外光の露光装置について説
明する。

【０００６】一般に、波長約０.４ ミクロン以下の紫外
光のみに反応するフォトレジストや紫外線硬化樹脂など
に対してパターン状に露光する露光装置では、紫外域で
連続発振する波長０.３２５ ミクロンのＨｅ−Ｃｄレー
ザや、アルゴンレーザの波長０.３５〜０.３６ミクロン
の発振ラインなどを用いて、取り出されるレーザ光をス
キャンすることで、任意のパターンを形成していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の内部波長変
換による第３高調波の発生法では、以下の２つの理由に
より、効率良く第３高調波を発生することができなかっ
た。

【０００８】第２の非線形光学結晶に入射させる基本波
は、第１の非線形光学結晶において第２高調波の発生に
寄与しなかった未変換のレーザ光であるため、レーザ光
強度が変換前に比較して低いことから、これを用いた第
３高調波の発生効率は低くなってしまう。すなわち、従
来装置４００において、レーザ光１ｅが非線形光学結晶
６ａ″に入射すると、レーザ光強度が高い部分が効率良
く第２高調波に波長変換する。その結果、非線形光学結
晶６ａ″を通過後のレーザ光１ｆにおける未変換の基本
波のレーザ光強度は低くなり、これが非線形光学結晶６
ｂ″において第３高調波の発生に用いられるからであ
る。

【０００９】また、ＹＡＧ結晶などの固体レーザ媒質は
可視光や紫外光を強く吸収するのに対して、従来法では
共振器中を左方に進む第２高調波と第３高調波は固体レ
ーザ媒質２″に入射するため、ここで吸収されてほとん
どのパワーが失われる。つまり共振器中ではレーザ光は
往復しているため、約５０％の第２高調波が失われ、そ
の結果、第３高調波の発生するパワーが低下するだけで
なく、発生した第３高調波においても約５０％が失われ
るため、第３高調波を効率良く取り出すことができなか
った。これによると、固体レーザ発振器が通常のランプ
励起の場合、第３高調波の電気効率は０.１％ 以下でレ
ーザ光のパワーが弱かった。

【００１０】弱いレーザ光を露光装置に使用すると、従
来の露光装置では、レーザ光をスキャンするため、パタ
ーン状に露光する時間が長く作業能率が悪かったばかり
か、また鮮明なパターンが得らにくく品質に問題があっ
た。また、従来のＨｅ−Ｃｄレーザなどのイオンレーザ
では、電気効率が０.０１〜０.１％と低いことも問題で
あった。

【００１１】本発明の第１の目的は、上記の問題を解決
した効率良く第３高調波を発生できる固体レーザ発振器
を提供することである。

【００１２】また、第２の目的は、瞬時に任意のパター
ンの紫外光による露光ができ、しかも光源の電気効率が
高い露光装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、固体レーザ媒質とレーザ共振器を構成する一
方の鏡との間に第１の非線形光学結晶を配置し、かつ固
体レーザ媒質と共振器を構成するもう一方の鏡との間に
第２の非線形光学結晶を配置し、かつ固体レーザ媒質と
第１の非線形光学結晶との間に、基本波と第２高調波と
を分離できる第１のダイクロイックミラーを配置し、か
つ固体レーザ媒質と第２の非線形光学結晶との間に第２
のダイクロイックミラーを配置し、かつ第２高調波に対
する共振器を構成し、第２高調波に対する共振器中に第
２高調波と第３高調波とを分離できる第３の分離ミラー
を配置したものである。

【００１４】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の固体レーザ発振器の光源を液晶マスクを有する
露光装置に用いたものである。

【００１５】

【作用】第２の非線形光学結晶に対して、第１の非線形
光学結晶を出射した未変換の基本波を直接入射させず
に、固体レーザ媒質を通って強められた基本波を入射さ
せるようにできる。この基本波のレーザ光強度は低下し
ていないため、第３高調波への変換効率を高くすること
ができる。

【００１６】また、第１の非線形光学結晶から発生した
第２高調波を第１のダイクロイックミラーにより、基本
波と第２高調波とを分離でき、また第２のダイクロイッ
クミラーにより一度分離された基本波と第２高調波とを
再び合成できる。これにより、第２高調波に対して内部
に固体レーザ媒質を含まない共振器を構成することがで
き、第２高調波が固体レーザ媒質により減衰することは
無い。したがって、光軸のどちらに進む第２高調波に対
しても損失無く第２の非線形光学結晶に入射させること
ができる。そこで、第２の非線形光学結晶を基本波と第
２高調波との和周波数が発生するように位相整合させて
おけば、第２の非線形光学結晶から第２高調波を発生さ
せることなく、効率良く第３高調波を発生できる。

【００１７】また、一般に、液晶マスクは、ここに入射
するレーザ光に対して、そのビーム断面内において任意
なパターンで偏光方向を制御することができる。しか
も、パターンの変更が瞬時に可能である。

【００１８】一方、液晶マスクでは、図４に示したよう
に、透過できる波長は約０.３５ ミクロン以上である。
これに対して、紫外域は約０.４ ミクロン以下であるた
め、液晶マスクが利用できる紫外光源として、波長０.
３５５ ミクロンであるＹＡＧレーザの第３高調波を用
いることができる。そこで、本発明の固体レーザ発振器
を光源として用いることで、従来に比べて高い電気効率
で瞬時に任意のパターンの紫外光により露光できる露光
装置が実現する。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２０】図１は、本発明の一実施例である固体レー
ザ発振器１００の構成図である。

【００２１】固体レーザ発振器１００では、固体レーザ
媒質２としてＹＡＧ結晶が用いられている。レーザの共
振器は全反射凹面鏡３ａと３ｂとで構成される。

【００２２】固体レーザ媒質２から発生する基本波であ
るレーザ光１ａ，１ｂはそれぞれ集光レンズ５ａ、及び
５ｂを通り、絞られながら進む。ダイクロイックミラー
７ａ、及び７ｂは基本波を透過させる特性となっている
ため、これらの基本波はそれぞれ非線形光学結晶６ａ、
及び６ｂを通過し、全反射凹面鏡３ａ、及び３ｂにおい
て全反射することで、基本波に対する共振器が構成され
る。集光レンズ５ａ、及び５ｂと全反射凹面鏡３ａ、及
び３ｂとにより、共振器中の２か所でレーザ光が集光さ
れ、それぞれの集光点に第１の非線形光学結晶６ａ、及
び第２の非線形光学結晶６ｂが配置される。

【００２３】第２高調波を発生させるための第１の非線
形光学結晶６ａとしては、ＬＢＯ結晶，ＫＴＰ結晶、あ
るいはＢＢＯ結晶などが適している。

【００２４】第２の非線形光学結晶６ｂは、基本波と第
２高調波との和周波数を発生させるように位相整合され
ているため、基本波であるレーザ光１ｂのみが入射した
場合は波長変換せず、基本波はほとんど損失しない。

【００２５】第１の非線形光学結晶６ａから発生した第
２高調波は、第１のダイクロイックミラー７ａを反射し
て、基本波から分離される。この第２高調波は、レーザ
光１ｃのように進み、折り返し鏡４で反射して、偏光方
向を調整するための波長板８，集光レンズ５ｃを通過す
る。さらに、第２高調波に対して高い反射率を有する第
３のダイクロイックミラー７ｃで反射し、第２のダイク
ロイックミラー７ｂで反射することで再び基本波と合成
される。

【００２６】第２高調波は基本波と同様に全反射凹面鏡
３ａ、及び３ｂとで全反射して往復することから、第２
高調波に対して内部に固体レーザ媒質２を含まない第２
の共振器が構成される。また、第２高調波は非線形光学
結晶６ｂに入射するため、基本波と第２高調波との和周
波数である第３高調波が発生する。

【００２７】非線形光学結晶６ｂとしては、ＢＢＯ結晶
やＬＢＯ結晶などが適している。発生する第３高調波は
ダイクロイックミラー７ｂを反射し、第２高調波に対す
る共振器の内部に設置された第３のダイクロイックミラ
ー７ｃにより第２高調波から分離され、レーザ光１ｄと
して共振器外部に取り出される。尚、第３高調波を発生
させる際の基本波と第２高調波との合成に関しては、波
長板８により第２高調波の偏光方向を適当に調整するこ
とで、タイプ１、あるいはタイプ２のどちらの位相整合
にも合わせることができる。

【００２８】以上のように、固体レーザ発振器１００で
は、第１の非線形光学結晶６ａに入射する基本波は、固
体レーザ媒質２から左方向に進むレーザ光１ａであり、
第２の非線形光学結晶６ｂに入射する基本波は、固体レ
ーザ媒質２から右方向に進むレーザ光１ｂである。した
がって、どちらのレーザ光１ａ，１ｂも固体レーザ媒質
２において強められており、レーザ光強度は十分高いこ
とから、波長変換効率は高くなる。

【００２９】また、前述したように、発生する第２高調
波に対する第２の共振器中には、第２高調波を強く吸収
する固体レーザ媒質２が含まれない。それによって、非
線形光学結晶６ａで発生した第２高調波はほとんど損失
無く非線形光学結晶６ｂに導かれ、効率良く第３高調波
が発生する。

【００３０】このため、本発明では、効率良く第３高調
波のレーザ光を発生することが出来るようになり、この
レーザ光の電気効率を約１％程度となり、従来法やイオ
ンレーザ等に比べて１桁程度も効率を高めることが出来
るようになり、レーザ光パワーが高くなり、固体レーザ
発振器を小型化出来ると共に、本発明のレーザ光を使用
した露光は瞬時にパターンを鮮明に出来ので、作業効率
が良いばかりか又製品歩留まりを著しく向上することが
出来るようになった。

【００３１】次に本発明の固体レーザ発振器の他の実施
例としての固体レーザ発振器２００について図２を用い
て説明する。

【００３２】固体レーザ媒質２′から発生する基本波で
あるレーザ光１ａ′，１ｂ′はそれぞれ折り返し鏡４
ａ，４ｂで反射し、集光レンズ５ａ′、及び５ｂ′に入
射する。ダイクロイックミラー７ａ′、及び７ｂ′はこ
れらの基本波を反射させる特性となっているため、それ
ぞれ非線形光学結晶６ａ′、及び６ｂ′を通過し、全反
射凹面鏡３ａ′、及び３ｂ′で全反射することで、基本
波に対する共振器が構成される。集光レンズ５ａ′、及
び５ｂ′と全反射凹面鏡３ａ′、及び３ｂ′とにより、
共振器中の２か所でレーザ光が集光され、それぞれの集
光点に第１の非線形光学結晶６ａ′、及び第２の非線形
光学結晶６ｂ′が配置される。第１の非線形光学結晶６
ａ′から発生した第２高調波は、第１のダイクロイック
ミラー7a′を透過して基本波から分離される。

【００３３】これにより第２高調波はレーザ光１ｃ′の
ように進み、集光レンズ５ｃ′，偏光方向を調整するた
めの波長板８′、及び第２のダイクロイックミラー７
ｂ′を透過して、再び基本波と合成される。また、第２
高調波は基本波と同様に全反射凹面鏡３ａ′、及び３
ｂ′とで全反射することから、第２高調波に対して内部
に固体レーザ媒質２′を含まない第２の共振器が構成さ
れる。更に、基本波と第２高調波の両方が非線形光学結
晶６ｂ′に入射することで、それらの和周波数である第
３高調波が発生する。この第３高調波はダイクロイック
ミラー７ｃ′を反射し、基本波と第２高調波から分離さ
れ、レーザ光１ｄ′として共振器外部に取り出される。

【００３４】固体レーザ発振器２００では、図１に示さ
れた固体レーザ発振器１００と比べて以下の２点が異な
る。

【００３５】第１点としては、基本波と第２高調波とを
分離するダイクロイックミラー7a′、及び７ｂ′は、基
本波に対して高い反射率を有すが、第２高調波に対して
は高い透過率を有するようになっている。一般に、レー
ザ光をミラー中を透過させる場合、ミラー中でレーザ光
が多少吸収による損失を受けることがある。

【００３６】そこで、この実施例では、それぞれのダイ
クロイックミラー７ａ′、及び7b′として基本波が反射
する特性のものを用いることで、基本波に対する共振器
中での損失が少なくなり、基本波のパワーが高くなる。

【００３７】第２点としては、第３高調波を取り出すた
めに用いられる第３のダイクロイックミラー７ｃ′が、
基本波と第２高調波との両方が通過する光路中に置かれ
ている。その効果を以下に説明する。この実施例では第
３高調波を発生させる際に、第２の非線形光学結晶６
ｂ′がタイプ１で用いられるため、非線形光学結晶6b′
中では、基本波と第２高調波との偏光方向を一致させる
必要がある。これに対して、発生する第３高調波の偏光
方向は、基本波や第２高調波の偏光方向と直交すること
から、第３高調波のみを分離させる場合、波長だけでな
く偏光方向が他と異なるため、ダイクロイックミラー７
ｃ′においてその分離性能が高くなる。

【００３８】次に、本発明の固体レーザ発振器を光源と
して用いた露光装置の一実施例について図３を用いて説
明する。

【００３９】露光装置３００では、光源として上記で説
明した固体レーザ発振器１００が用いられている。特に
ここでは、固体レーザ媒質としてＹＡＧ結晶が用いられ
ているため、第３高調波は波長０.３５５ ミクロンであ
る。この波長では前述したように液晶マスクに対して高
い透過率である。固体レーザ発振器１００から取り出さ
れた第３高調波のレーザ光１ｄは、ビーム拡大器１１を
通ってビーム径が拡大され、液晶マスク１２の全面に一
度に照射される。ここではレーザ光の偏光方向が液晶マ
スク内の各画素ごとに制御され、ここを通過するレーザ
光のうち、液晶マスク１２で形成されたパターンに対応
する偏光方向のレーザ光のみが偏光ビームスプリッタ１
３で反射して、結像レンズ１４に入射する。結像レンズ
１４により、液晶マスク１２の位置における像がフォト
レジスト１５に結像されるようになっている。

【００４０】その結果、前記パターンを有する第３高調
波の紫外光がフォトレジスト１５に一度に照射され、瞬
時にパターン露光される。尚、液晶マスク１２では、任
意なパターンを形成でき、パターンの変更も瞬時にでき
る。

【００４１】以上により、瞬時に任意なパターンの紫外
光により露光できる露光装置が構成でき、しかも光源と
して本発明の固体レーザ発振器を用いたことで、従来よ
りも電気効率が高くなった。

【００４２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明では、効
率良く第３高調波のレーザ光を発生することが出来るよ
うになり、このレーザ光の電気効率を約１％程度とな
り、従来法やイオンレーザ等に比べて１桁程度も効率を
高めることが出来るようになり、レーザ光パワーが強く
なり、固体レーザ発振器を小型化出来ると共に、本発明
のレーザ光を使用した露光は瞬時にパターンを鮮明に出
来ので、作業効率が良いばかりか、又製品歩留まりを著
しく向上することが出来るようになった。

【００４３】さらにまた、本発明では瞬時に紫外光のパ
ターンを照射できるため、紫外線硬化樹脂による立体モ
デルの製作に適用させると、短時間で製作できるように
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例として示した固体レーザ発振器
の構成を説明した図である。

【図２】本発明の他実施例として示した固体レーザ発振
器の構成を説明した図である。

【図３】本発明の図１，図２の固体レーザ発振器を光源
とした露光装置の構成を説明した図である。

【図４】通常の液晶マスクの透過率を示した特性図であ
る。

【図５】従来法の実施例として示した固体レーザ発振器
の構成を説明した図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…レーザ光、２，２′，２″…
固体レーザ媒質、６ａ，６ｂ，６ａ′，６ｂ′，６
ａ″，６ｂ″…非線形光学結晶、７ａ，７ｂ，７ｃ，７
ａ′，７ｂ′，７ｃ′…ダイクロイックミラー、８，
８′…波長板、１２…液晶マスク、１５…フォトレジス
ト、１００，２００…固体レーザ発振器、３００…露光
装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体レーザ媒質を含んだレーザ共振器にお
   いて、前記固体レーザ媒質と前記共振器を構成する一方
   の鏡との間に第１の非線形光学結晶を配置し、かつ前記
   固体レーザ媒質と前記共振器を構成するもう一方の鏡と
   の間に第２の非線形光学結晶を配置し、かつ前記固体レ
   ーザ媒質と前記第１の非線形光学結晶との間に、基本波
   と第２高調波とを分離できる第１の分離ミラーを配置
   し、かつ前記固体レーザ媒質と前記第２の非線形光学結
   晶との間に、基本波と第２高調波とを分離できる第２の
   分離ミラーを配置し、かつ第２高調波に対する共振器を
   構成し、かつ前記第２高調波に対する共振器中に第２高
   調波と第３高調波とを分離できる第３の分離ミラーを配
   置することを特徴とした固体レーザ発振器。
2. 【請求項２】前記固体レーザ発振器からのレーザを液晶
   マスクを用いた露光に使用することを特徴とした請求項
   １記載の露光装置。