TWI470294B - An optical fiber amplifier, a light source device, an exposure device, an inspection device and a processing device - Google Patents

An optical fiber amplifier, a light source device, an exposure device, an inspection device and a processing device Download PDF

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Description

光纖放大器、光源裝置、曝光裝置、被檢查物檢查裝置及加工裝置
本發明係關於一種光纖放大器及光源裝置、以及利用其之曝光裝置、被檢查物檢查裝置及加工裝置。
近年來，雷射光被使用在各種用途，例如進行金屬之切割或加工、用來作為半導體製造裝置之光微影裝置之光源、使用於各種測定裝置、使用於外科、眼科、齒科等手術及醫療裝置。
當使用固態雷射(本說明書中，半導體雷射(以包含二極體雷射之概念使用))作為此種雷射光源時，從固態雷射發射之雷射光之波長係從可見域至紅外域，而直接產生紫外光之方法尚未確立。例如，為了使用於檢查裝置，波長不得過長。因此，開發出使用非線性光學結晶將從此種固態雷射發射之雷射光之長波長的光轉換為短波長之深紫外光(例如8倍波：波長193nm)之方法，例如，揭示於日本特開2001－353176號公報(專利文獻1)。作為用於此種目的之非線性光學結晶，已知有BBO結晶、LBO結晶、CLBO結晶等。
此種雷射光源，一般係使用例如複數個光纖放大器(例如EDFA)將從DFB－LD產生之雷射光放大，然後，利用上述波長轉換光學系統轉換為深紫外光。
專利文獻1：日本特開2001－353176號公報
此種雷射光源，為將輸出之雷射光強度保持在目的值，一般係進行回授控制。將此種光源裝置之概要表示於圖7。來自DFB－LD1之輸出光係進入光纖放大器而加以放大，然後，通過由波長板構成之偏光狀態調整光學元件4進入波長轉換光學系統5，加以波長轉換成具有目的波長的光。
偏光狀態調整光學元件4，係調整進入波長轉換光學系統5之雷射光之偏光狀態，使波長轉換光學系統5之波長轉換效率變成最大，例如以1/4波長板調整偏光之橢圓度，以1/2波長板調整偏光之方向。
以往，來自波長轉換光學系統5之輸出光(例如來自DFB－LD1之波長1547nm的光之8倍波之波長193nm的光)係利用半反射鏡反射其一部分並加以取出作為監測光。自動輸出控制裝置7係控制輸入至光纖放大器3之激發光源(泵激光源)8，使此監測光之強度成為一定。藉由此回授控制系統使來自波長轉換光學系統5之輸出光強度保持在目的值。
然而，實際上，有時來自波長轉換光學系統5之輸出光對泵激光強度之增減的變化與設想者大不同，產生回授控制不能充分發揮功能之狀況。極端之情形時，亦會有提高泵激光之輸出，波長轉換光學系統5之輸出即降低之狀態，前述回授控制發散之情形。
本發明係有鑑於此種情況而成者，能提供即使泵激光之強度改變，輸出光之偏光狀態改變亦小，且能充分發揮回授控制系統的功能之光纖放大器、及使用其之光源裝置、以及利用其之曝光裝置、被檢查物檢查裝置及加工裝置。
為達成該目的，第1發明係一種光纖放大器，其特徵在於，將輸入光之偏光狀態調整為即使放大率改變，輸出光之偏光狀態亦不會改變。
經發明人詳細調查以此種目的使用之光纖放大器3之特性結果得知，當泵激光強度相對於某範圍之輸入光之偏光狀態而改變時，有時會有輸出光之偏光狀態隨此而明顯改變之情形。此外，亦得知若光纖放大器3之輸出光之偏光狀態改變，特意以偏光狀態調整光學元件4調整成最佳並輸入至波長轉換光學系統5的光之偏光狀態亦改變，其結果，波長轉換光學系統5之輸出，亦由於與泵激光之強度改變原因不同之原因(因偏光狀態之改變所造成之波長轉換光學系統效率之變動)而改變。
經發明人等進一步之考察結果可知，因光纖放大器之放大率(泵激光之強度)而產生之輸出光偏光狀態(偏光方向與橢圓度)之改變，係因輸入至光纖放大器之光的偏光狀態(偏光方向與橢圓度)而不同，若調整輸入至光纖放大器之光的偏光狀態，則因光纖放大器之放大率而產生之輸出光的偏光狀態之改變，將會消除或變得非常小。因此，藉由將輸入至光纖放大器之光的偏光狀態調整成此種狀態，即能將因光纖放大器放大率之改變而產生之輸出光偏光狀態之改變消除或使其變得非常小。
此外，所謂「調整成使輸出光之偏光狀態不會改變」，係指不僅完全不會改變之情形，亦指波長轉換效率之最佳值(偏光狀態被波長轉換成最佳狀態時之轉換效率的值)之降低小到實用上能看作無的程度之改變，此在本說明書及專利申請範圍係共通。
為解決上述問題之第2發明係一種光纖放大器，其特徵在於，具有偏光狀態調整光學元件，其係將輸入光之偏光狀態調整為即使放大率改變，輸出光之偏光狀態亦不會改變。
在本發明中，由於設有例如由波長板構成之偏光狀態調整光學元件，因此藉調整此偏光狀態調整光學元件，即能將輸入光的偏光狀態調整為即使光纖放大器之放大率改變，輸出光之偏光狀態亦不會改變。
為解決上述問題，第3發明係一種光源裝置，係利用光纖放大器將從固態雷射光源產生之雷射光加以放大，將光放大後的光射入波長轉換光學系統用以獲得具有既定波長之輸出光，其特徵在於，具有：光分離機構，用以取出該輸出光一部分作為監測光；以及光強度調整裝置，控制供應至該光纖放大器中至少一個之激發光強度使得以該光分離機構取出之監測光強度成為目的值；藉由該強度受到控制之激發光而使放大率改變之光纖放大器，係第1發明或第2發明之光纖放大器。
在本發明中，當進行將光源裝置之輸出光設定為目的強度之回授控制時，由於能減少因激發光之增減而產生之光纖放大器之輸出光之偏光狀態改變，因此能將波長轉換光學系統之轉換效率大致保持一定，且能進行穩定的回授控制。
為解決上述問題，第4發明係一種曝光裝置，其特徵在於，具備：該第3發明之光源裝置；光罩支撐部，用以保持設有既定曝光圖案之光罩；對象物保持部，用以保持曝光對象物；照明光學系統，將從該光源裝置射出的光照射至保持於該光罩支撐部之光罩；以及投影光學系統，將來自該光罩的光投影至保持於該對象物保持部之曝光對象物。
為解決上述問題，第5發明係一種被檢查物檢查裝置，其特徵在於，具有：該第3發明之光源裝置；支撐部，用以保持被檢查物；檢測器，用以檢測該被檢查物之投影像；照明光學系統，將從該光源裝置射出的光照射至保持於該支撐部之被檢查物；以及投影光學系統，將來自該被檢查物的光投影至該檢測器。
為解決上述問題，第6發明係一種高分子結晶之加工裝置，係用以加工高分子結晶，其特徵在於，具有：該第3發明之光源裝置；光學系統，將從該光源裝置發射之雷射光導引至被加工物之高分子結晶而聚光於該高分子結晶之被加工部位；以及使該光學系統與該高分子結晶之相對位置改變之機構。
依本發明，能提供即使泵激光之強度改變，輸出光之偏壓狀態變化仍小，且能充分發揮回授控制系統功能之光纖放大器、及使用其之光源裝置、以及利用其之曝光裝置、被檢查物檢查裝置及加工裝置。
以下，使用圖式說明本發明之實施形態例。圖1係表示本發明實施形態1例之光纖放大器、及使用其之光源裝置之概要圖。來自DFB－LD1之輸出光通過由波長板構成之偏光狀態調整光學元件2進入光纖放大器3並加以放大，然後，通過由波長板構成之偏光狀態調整光學元件4進入波長轉換光學系統5，進行波長轉換成具有目的波長的光。
偏光狀態調整光學元件4，係調整進入波長轉換光學系統5之雷射光之偏光狀態，使波長轉換光學系統5之轉換效率變最大，例如，以1/4波長板調整偏光之橢圓度，以1/2波長板調整偏光之方向。
來自波長轉換光學系統5之輸出光(例如，來自DFB－LD1之波長1547nm的光之8倍波之波長193nm的光)，係利用半反射鏡反射其一部分並加以取出作為監測光。自動輸出控制裝置7係控制進入光纖放大器3之激發光源(泵激光源)8以使此監測光強度成為一定，利用此回授控制系統使來自波長轉換光學系統5之輸出光強度保持在目的值。
若將此實施形態與圖7所示之習知之光源電路加以比較，本實施形態中，僅在設置有偏光狀態調整光學元件2方面不同。偏光狀態調整光學元件2，係由1/2波長板與1/4波長板構成，用以調整偏光方向與橢圓度。藉事先調整偏光狀態調整光學元件2，即使改變激發光源(泵激光源)8之輸出，光纖放大器3之輸出光之偏光特性(偏光方向與橢圓度)亦不會改變或改變程度變得非常小。在此種狀態下，利用偏光狀態調整光學元件4，調整進入波長轉換光學系統5之雷射光之偏光狀態以使波長轉換光學系統5之轉換效率成為最大。如此，即使激發光源(泵激光源)8之輸出改變，波長轉換光學系統5之轉換效率亦保持在接近最高狀態，且回授控制亦穩定。
圖2係表示進入光纖放大器之光的偏光狀態未調整時(輸入偏光1)、與利用本發明之方法調整進入光纖放大器3之光的偏光狀態(輸入偏光2)時，激發光(泵激光)之強度(在縱軸已規格化的值)與波長轉換光學系統5之第2高諧波之強度(縱軸、已規格化的值)。
輸入光的偏光狀態未調整時，與激發光(泵激光)之強度的變化對應之波長轉換光學系統5之第2高諧波之強度變化之比例大。雖未圖示，當激發光(泵激光)之強度超過1時，若增加激發光(泵激光)之強度，有時波長轉換光學系統5之輸出光強度會降低。此係意味著光纖放大器之輸出的偏光狀態隨著激發光(泵激光)之強度改變而大改變，波長轉換光學系統5之轉換效率大大地偏離最佳值。相對於此，可知當利用本發明之方法調整進入光纖放大器3之光的偏光狀態時，波長轉換光學系統5之輸出光的強度改變相對於激發光(泵激光)之強度改變小且穩定。此係意味著隨著激發光(泵激光)強度改變，來自光纖放大器之輸出的偏光狀態幾乎沒有改變，波長轉換光學系統5之轉換效率能保持在最佳值。
此外，雖有時利用複數段的光纖放大器來放大進入波長轉換光學系統5前之光，此時，只要將偏光狀態調整光學元件2調整為，在泵激光改變之光纖放大器中、於最初段之光纖放大器之前，以使最後段之光纖放大器之輸出光偏光狀態之改變消除或成為最小。
又，雖然波長轉換光學系統5可有各種構成，但由於係周知，且專利文獻1中亦有說明其例，因此例示與說明予以省略。
其次，針對使用上述本發明之實施形態之光源裝置10構成，為半導體製程之一之光微影製程所使用之曝光裝置100，參照圖3加以說明。光微影製程所使用之曝光裝置原理上係與照相製版相同，將精密描繪於光罩(標線片)上之元件圖案以光學方式投影轉印於塗有光阻之半導體晶圓或玻璃基板等之上。
此曝光裝置100具備：上述之光源裝置10、照明光學系統102、用以支撐光罩(標線片)110之光罩支撐台103、投影光學系統104、用以裝載保持曝光對象物之半導體晶圓115之裝載台105、以及使裝載台105水平移動之驅動裝置106。此曝光裝置100中，從上述之光源裝置10輸出之雷射光進入由複數個透鏡構成之照明光學系統102，通過照明光學系統102照射於支撐在光罩支撐台103之光罩110之全面。以此種方式進行照射而通過光罩110的光具有描繪於光罩110之元件圖案的像，此光透過投影光學系統104照射於裝載在裝載台105之半導體晶圓115之既定位置。
此時，利用投影光學系統104使光罩110之元件圖案像縮小於半導體晶圓115之上並加以成像曝光。依上述般之曝光裝置，則能有效利用以小型量輕配置自由度高的紫外光源之特性，並以小型獲得維護性、操作性良好之曝光裝置。
其次，針對使用以上說明之本發明之光源裝置10所構成之光罩缺陷檢查裝置，參照圖4說明如下。光罩缺陷檢查裝置，係將精密描繪於光罩上之元件圖案以光學方式投影於TDI感測器(Time Delay and Integration)上，將感測影像與既定之參照影像加以比較，從其差取出圖案之缺陷。光罩缺陷檢查裝置120之構成具備：上述之光源裝置10、照明光學系統112、用以支撐光罩110之光罩支撐台113、使光罩支撐台水平移動之驅動裝置116、投影光學系統114、以及TDI感測器125。
此光罩缺陷檢查裝置120，從上述之光源裝置10輸出之雷射光輸入至由複數個透鏡構成之照明光學系統112，通過照明光學系統112而照射至支撐於光罩支撐台113之光罩110之既定區域。以此種方式照射而通過光罩110的光具有描繪於光罩110之元件圖案的像，此光透過投影光學系統114成像於TDI感測器125之既定位置。
此外，光罩支撐台113之水平移動速度與TDI125之轉送時脈係同步。被檢查物並非限定於光罩，亦可使用於晶圓、液晶面板等之檢查。
圖5係表示使用本發明之光源裝置10所構成之高分子結晶之加工裝置之概要圖。
從光源裝置10發射之紫外短脈衝雷射光139透過光閘132、強度調整元件133、照射位置控制機構134、聚光光學系統135而聚光照射於試料容器136中所裝之高分子結晶138。試料容器136係裝載於載台137，以光軸方向為z軸，能於x－y－z正交座標系統進行x軸、y軸、z軸之三維方向移動，並且能繞z軸周圍旋轉。藉由聚光照射於高分子結晶138之表面的雷射光能進行高分子結晶之加工。
然而，當加工高分子結晶之被加工物時，必須確認雷射光要照射於被加工物之何處。然而，由於雷射光通常往往不是可見光而無法目視，因此最好與光學顯微鏡組合使用。
將其例表示於圖6。(a)所示之光學系統中，將來自紫外短脈衝雷射系統141(與圖5之符號21、132~134對應)之雷射光透過聚光光學系統135而聚光於既定點。載台137具有圖6中所說明之功能，裝有高分子結晶138之試料容器136係裝載於載台137上。來自照明光源142之可見光被反射鏡143反射，對試料容器136進行科勒(Kohler)照明。透過光學顯微鏡之物鏡144、目鏡145，以肉眼146進行高分子結晶138之目視。在光學顯微鏡之光軸位置形成有十字形標記，而能目視光軸位置。
又，光學顯微鏡之焦點位置(聚焦位置，亦即目視時對焦之物面)係固定。被聚光光學系統135聚光之雷射光聚光於光學顯微鏡之光軸位置且光學顯微鏡之焦點位置。因此，當把被加工物裝載於載台137上用光學顯微鏡觀察其像時，進行對焦點且在位於十字標記中心之位置使來自雷射系統141之雷射光聚光。此外，將雷射系統141、聚光光學系統135、及光學顯微鏡部之相對位置關係固定，僅有載台137能相對於該等固定系統移動。
因此，藉一邊移動載台137以使欲加工部位位於光學顯微鏡之光軸位置且聚焦位置，一邊進行加工，即能進行所欲部位之加工及所欲形狀之加工。若欲進行自動加工，則只要在光學顯微鏡上安裝自動焦點調整裝置，利用其指令驅動載台137，並且驅動載台137使載台137之預定的既定部分位於光學顯微鏡之光軸即可。或亦可在進行最初之基準位置之對準後，藉由伺服機構將載台137進行二維或三維驅動。
1．．．DFB－LD
2．．．偏光狀態調整光學元件
3．．．光纖放大器
4．．．偏光狀態調整光學元件
5．．．波長轉換光學系統
6．．．半反射鏡
7．．．自動輸出控制裝置
8．．．激發光源(泵激光源)
圖1係表示本發明之實施形態之1例之光纖放大器、及使用其之光源裝置之概要圖。
圖2係表示進入光纖放大器之光的偏光狀態未調整時、與利用本發明之方法調整進入光纖放大器3之光的偏光狀態時，激發光(泵激光)之強度、與波長轉換光學系統5之輸出光之強度的圖。
圖3係表示使用本發明之實施形態之光源裝置之曝光裝置之概要圖。
圖4係表示使用本發明之實施形態之光源裝置之光罩缺陷檢查裝置之概要圖。
圖5係表示使用本發明之實施形態之光源裝置之高分子結晶之加工裝置之概要圖。
圖6係表示將使用本發明之實施形態之光源裝置之高分子結晶之加工裝置與光學顯微鏡組合使用之例。
圖7係表示習知之雷射光源裝置之概要圖。
1．．．DFB－LD
2．．．偏光狀態調整光學元件
3．．．光纖放大器
4．．．偏光狀態調整光學元件
5．．．波長轉換光學系統
6．．．半反射鏡
7．．．自動輸出控制裝置
8．．．激發光源(泵激光源)

Claims (8)

  1. 一種光纖放大器，其特徵在於，具有偏光狀態調整光學元件，其係將輸入光之偏光狀態調整為即使放大率改變，輸出光之偏光狀態亦不會改變。
  2. 一種光源裝置，係利用光纖放大器將從雷射光源產生之雷射光加以放大，並將光放大後的光射入波長轉換光學系統，以獲得具有既定波長之輸出光，其特徵在於，具有：光分離機構，用以取出該輸出光之一部分作為監測光；及光強度調整裝置，控制供應至該光纖放大器中至少一個之激發光強度，使得以該光分離機構所取出之監測光之強度成為目的值；藉由該強度受到控制之激發光而使放大率改變之光纖放大器，係申請專利範圍第1項之光纖放大器。
  3. 如申請專利範圍第2項之光源裝置，其中，該偏光狀態調整光學元件係由1/4波長板與1/2波長板構成。
  4. 如申請專利範圍第2項之光源裝置，其中，該光纖放大器為複數個，以該光分離機構取出之監測光供應於至少一個該光纖放大器。
  5. 如申請專利範圍第2項之光源裝置，其中，該偏光狀態調整光學元件，配置於該雷射光源與自該雷射光源射出之雷射光最初射入之該光纖放大器之間。
  6. 一種曝光裝置，其特徵在於，具備：申請專利範圍第2項之光源裝置； 光罩支撐部，用以保持設置有既定曝光圖案之光罩；對象物保持部，用以保持曝光對象物；照明光學系統，將從該光源裝置射出的光照射至保持於該光罩支撐部之光罩；以及投影光學系統，將來自該光罩的光投影至保持於該對象物保持部之曝光對象物。
  7. 一種被檢查物檢查裝置，其特徵在於，具有：申請專利範圍第2項之光源裝置；支撐部，用以保持被檢查物；檢測器，用以檢測該被檢查物之投影像；照明光學系統，將從該光源裝置射出的光照射至保持於該支撐部之被檢查物；以及投影光學系統，將來自該被檢查物的光投影至該檢測器。
  8. 一種高分子結晶之加工裝置，係用以加工高分子結晶，其特徵在於，具有：申請專利範圍第2項之光源裝置；光學系統，將從該光源裝置發射之雷射光導引至被加工物之高分子結晶而聚光於該高分子結晶之被加工部位；以及使該光學系統與該高分子結晶之相對位置改變之機構。
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