WO2004054050A1 - 紫外光源、紫外光源を用いた光治療装置、および紫外光源を用いた露光装置 - Google Patents

紫外光源、紫外光源を用いた光治療装置、および紫外光源を用いた露光装置 Download PDF

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WO2004054050A1
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ultraviolet light
fiber
laser
light
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Akira Tokuhisa
Hiroshi Kitano
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Nikon Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet light source that amplifies signal light in the infrared to visible region with a fiber-optic amplifier, converts the signal light into ultraviolet light with a wavelength conversion optical system, and outputs the converted light.
  • the present invention also relates to a phototherapy device and an exposure device using an ultraviolet light source. Background art
  • Ultraviolet laser light having a short wavelength and high temporal coherence has been used in various applications in recent years. For example, exposure equipment in semiconductor device manufacturing equipment, and surgical and therapeutic equipment such as surgery, ophthalmology, and dentistry, and various types of measurement ⁇ It is used for analysis equipment and processing equipment.
  • Various devices have been put to practical use. However, such an ultraviolet light source has a problem that the laser device itself is large and expensive, and maintenance is complicated and running cost is high because fluorine gas is used as a working medium.
  • a solid-state laser that oscillates in the infrared to visible light region is used as a signal light source, the output light is amplified by a fiber-optic amplifier, and the wavelength is converted to ultraviolet light of a predetermined wavelength using a wavelength conversion optical system.
  • the output light is amplified to a required light intensity by an erbium-doped fiber-optical amplifier (hereinafter abbreviated as “EDFA”), and further 8 times higher harmonics by a wavelength conversion optical system using a wavelength conversion crystal.
  • EDFA erbium-doped fiber-optical amplifier
  • An ultraviolet light source that converts the light into ultraviolet light having a wavelength of 193 nm and outputs the converted light has been proposed (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-200747 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-353176).
  • a single-clad EDFA that excites a single-clad 'single-mode erbium-dope' optical fiber (EDF) with a single-mode oscillation semiconductor laser is used.
  • EDF single-clad 'single-mode erbium-dope' optical fiber
  • a double-class EDFA that excites a double-class EDF with a multi-mode oscillation semiconductor laser see, for example, JP-A-2000-200747 and JP-A-2001-353176.
  • the conventional EDFA as described above has the following problems.
  • the optical output of a single-mode oscillation semiconductor laser that excites it is limited to a low output of about several hundred mW, so a high peak power of 10 kW or more (pulse width ⁇ Ins)
  • a high peak power 10 kW or more
  • the light output from the EDFA can have a low average output of only about 100 mW even if a high peak power is obtained. This meant that the inherent amplification capability of a fiber-optic amplifier could not be fully demonstrated.
  • an electro-optic modulation element or an acousto-optic modulation element is arranged between each stage in order to supply a signal light with a high SN ratio to the subsequent EDFA, and these modulation elements are used as a signal light source.
  • a configuration that removes the DC noise component by performing synchronous control was adopted. For this reason, the configuration of the EDFA becomes complicated and expensive, and the insertion of the modulation element causes a loss of signal light.
  • a first cladding is formed around the core doped with the laser medium, where the excitation light is force-coupled, and a second cladding forming a first-cladding waveguide is formed around the first cladding.
  • the first clad is multimode and has a large cross-sectional area, so it is possible to efficiently power-couple a multimode oscillation high-power semiconductor laser, and increase the pulse repetition frequency and average output by increasing the pump light power. .
  • the pumping efficiency per unit length is lower than that of the single-cladding EDFA in which pumping light is directly injected into the core, and it is difficult to shorten the length of the fiber. For this reason, there has been a problem that the loss of signal light increases due to a non-linear effect such as a parametric process or stimulated Raman scattering generated in the fiber, and a high peak power unlike a single-class EDF A cannot be obtained. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above-described points, and has as its object to provide an ultraviolet light source that has both a high peak power and a high average output with a simple device configuration.
  • An object of the present invention is to provide an exposure apparatus configured using a light source and a phototherapy apparatus.
  • the present invention provides a laser light source that generates signal light in the infrared to visible region, and at least one-stage fiber-light amplification.
  • An optical amplifier having an optical amplifier that amplifies the signal light generated by the laser light source and a wavelength conversion optical system that converts the wavelength of the signal light amplified by the optical amplifier into ultraviolet light and outputs the light.
  • An ultraviolet light source is constructed using a single-mode fiber laser as the excitation light source for at least one fiber-optical amplifier in the optical amplifier.
  • the fiber optical amplifier using the single-mode fiber laser as an excitation light source is a fiber-optical amplifier at the last stage of the optical amplifier.
  • the ultraviolet light source of the present invention it is preferable to use a Raman fiber laser as the single mode fiber laser.
  • a Raman fiber laser it is possible to use an Itbi-beam (Yb) '-doped fiber laser as the single-mode fiber laser.
  • a wavelength division multiplexing device for coaxially superposing the signal light and the excitation light from the excitation light source on the ultraviolet light source is a fiber fusion type wavelength division multiplexing device. It may be arranged on the input side of the amplifier.
  • the phototherapy device of the present invention includes the above-mentioned ultraviolet light source, and an irradiation optical system that guides and irradiates ultraviolet light emitted from the ultraviolet light source to a treatment site.
  • the exposure apparatus of the present invention includes the above-described ultraviolet light source, a mask support unit that holds a photomask provided with a predetermined exposure pattern, an object holding unit that holds an exposure target, and light emitted from the ultraviolet light source.
  • An illumination optical system for irradiating the photomask held by the mask support unit with ultraviolet light, and irradiating the photomask via the illumination optical system and passing the illumination light through the photomask is held by the object holding unit.
  • a projection optical system for irradiating the object to be exposed BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laser light source and an optical amplifier in an ultraviolet light source according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a wavelength conversion optical system in the ultraviolet light source according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a composite module in the optical amplifier.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a laser light source and an optical amplifier in another ultraviolet light source according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the output of the pump light from the Raman's fiber-laser and the output of the signal light output from the optical amplifier.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the fundamental wave output at 1547 nm and the eighth harmonic output at 193 nm.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the phototherapy device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of an irradiation optical system and an observation optical system that constitute the phototherapy device.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of an exposure apparatus according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a mask defect inspection apparatus according to the present invention.
  • UV light source
  • the ultraviolet light source 1 has a laser light source 10 for generating signal light in the infrared to visible range, and a fiber-optic amplifier 21 and 22 for the front and rear stages, and amplifies the signal light generated by the laser light source 10. And a wavelength conversion optical system 30 that converts the wavelength of the signal light amplified by the optical amplifier into ultraviolet light and outputs the converted light, and a fiber-optical amplifier at a subsequent stage in the optical amplifier 20.
  • a single-mode fiber-laser is used as the excitation light source 26.
  • the laser light source 10 includes a solid-state laser 11 and a control device 12 for controlling the operation of the solid-state laser, and is a signal light source that outputs pulsed signal light to the optical amplifier 20.
  • the oscillation wavelength of the above DFB semiconductor laser has a temperature dependence of about 0.1 nm / ° C. Therefore, by controlling this to a constant temperature and oscillating it, for example, a single wavelength with a narrow wavelength of 1547 nm Can be output.
  • the pulse oscillation operation is performed, and a pulsed signal light having a peak power of about 10 mW is output to the optical amplifier 20.
  • the DFB semiconductor laser 11 may be stably oscillated at the CW output, and the output light may be cut into pulses by an external modulator such as an electro-optic modulator or an acousto-optic modulator to be used as signal light. According to such a configuration, it is possible to output to the optical amplifier 20 a signal light with a small frequency capture and a narrower band.
  • the optical amplifier 20 is an amplifier that amplifies the signal light with a wavelength of 1547 nm output from the laser light source 10, and the first and second fiber-optical amplifiers 21, 2. 2, a polarization controller 24, a composite module 25, and a pumping light source 26 that excites the fiber-optical amplifier 22 in the subsequent stage.
  • the front and rear fiber-optical amplifiers 21 and 22 are connected in series. Discloses an example in which an optical amplifier is configured.
  • the polarization controller 24 provided at the input section of the optical amplifier 20 is a fiber-type polarization controller, and can control four-wave mixing and stimulated Raman scattering that can be generated in the subsequent fiber-optical amplifier 22. It controls the polarization of signal light to suppress nonlinear processes.
  • the fiber-optical amplifier 21 in the preceding stage is a preamplifier that amplifies the signal light having a beak power of about 10 mW output from the laser light source 10 to about 1 kW. Since the peak power of the output light is about 1 kW in this preamplifier, a single-mode EDF (erbium-doped fiber) is used as the fiber-optical amplifier 21, and the output light of the single-mode semiconductor laser is power-coupled. And can be excited.
  • FIG. 1 the illustration of an EDF pump light source and a wavelength division multiplexing device (WDM) for coupling the pump light to the fiber core, which constitute the fiber-optical amplifier 21, is omitted.
  • WDM wavelength division multiplexing device
  • the fiber-optical amplifier 21 in the preceding stage is composed of about two-stage EDFAs.
  • a narrow-band filter that removes ASE generated in the first stage between the first and second EDFAs and an isolator to suppress oscillation in the first and second stages Insert
  • the peak power exceeds 1 kW, the decrease in signal gain due to nonlinear effects such as four-wave mixing and stimulated Raman scattering cannot be ignored.
  • the composite module 25 has a collimator lens 251, a narrow-band filter 255, an isolator 250, and a wavelength division multiplexer (WDM). ) Consists of 255, collimating lens 255, condenser lens 256, etc., which are integrated into a unit.
  • WDM wavelength division multiplexer
  • the narrow-band filter 255 is a filter that transmits only signal light having a predetermined transmission bandwidth centered on the output wavelength of the DFB semiconductor laser 11, and is, for example, a narrow-band filter having a transmission bandwidth of about 1 nm.
  • the isolator 25 3 is provided to separate the first-stage fiber-optic amplifier 21 from the second-stage fiber-optic amplifier 22, and oscillates due to the return light from the second-stage fiber-optic amplifier 22. And the decrease in gain due to multiple reflection of ASE is suppressed.
  • a wavelength division multiplexing device (hereinafter abbreviated as “WDM”) 255 is a signal light emitted from the fiber-optical amplifier 21 at the preceding stage and collimated by the collimating lens 251, and an excitation light source.
  • This is a device that combines the pump light (pump light) guided from the fiber 26 through the fiber 2668 and collimated by the collimating lens 255.
  • the light is emitted from the fiber-optical amplifier 21.
  • An example of a reflective WDM to be combined is shown.
  • the pumping light source 26 is a single-mode fiber laser, and FIG. 1 shows an example using a Raman fiber laser.
  • the Raman fiber laser will be briefly described.
  • This fiber laser is composed of a cascaded Raman resonator using an FBG connected to the output end of the it-lived fiber laser.
  • the reflection type WDM built in the composite module 25 described above is used.
  • a fiber fusion type WDM 29 be separately provided in addition to the composite module 28 including the isolator and the bandpass filter. According to such a configuration, an optical amplifier having excellent durability can be obtained even when a high-output pump light source having an average output exceeding 5 W is used.
  • the amplified high-peak-power signal light passes through the WDM29, which induces a nonlinear process and consequently high-peak power Cannot be output.
  • the signal light with low peak power before amplification passes through WDM, so that high beak power can be output without inducing a nonlinear process.
  • the output of the pump light decreases in the process of propagating through the EDF.
  • the output is relatively high enough to prevent signal light amplification near the exit.
  • the signal light from the first-stage fiber-optic amplifier 21 and the excitation light from the Raman-fiber-laser 26, which are coaxially superimposed by the WDM 254, are collected by the condensing lens 256, and Input to the optical amplifier 22.
  • the latter-stage fiber-optical amplifier 22 is a final-stage pump that amplifies the signal light having a peak power of 1 kW amplified by the former-stage fiber-optical amplifier 21 to a peak power of about 20 kW.
  • the fiber optical amplifier 22 uses a single-class EDF, and is pumped by single-mode high-output pump light guided from a Raman fiber laser 26.
  • the peak power of the signal light is already about lkW, and the output peak power is extremely high, about 20 kW. Therefore, to avoid nonlinear processes in the fiber, a single-class EDF doped with high concentration erbium (E r> 100 ppm) with a large mode diameter of about 10 / m or more is used.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between the output of the pump light from the Raman fiber-laser laser and the output of the signal light output from the optical amplifier (the fundamental wave output at 1547 nm).
  • the signal light output from the optical amplifier is controlled by changing the output of the pump light from the Raman's fiber-laser.
  • the repetition frequency of the signal light is 100kHz (... garden...), 200kHz (1 ⁇ 1), LD pumping is (1 ⁇ 1) It is represented by
  • the signal light with a peak power of 10 mW is amplified and output as high-output infrared light with a peak power of 15 kW and an average output of 3 W or more.
  • the pulse repetition frequency of the signal light can be increased to several hundred kHz, and the pulse signal ON time per unit time increases and the pulse signal OFF time decreases.
  • the components are relatively reduced and the signal-to-noise ratio is significantly improved.
  • active modulators such as electro-optic modulators and acousto-optic modulators, which were conventionally provided to boost DC noise components between the number of stages of a multi-stage EDFA, and these modulators are used as signal light pulses. This eliminates the need for a control device that controls the operation in synchronism with the optical amplifier, thereby greatly simplifying the optical amplifier, reducing its cost, and achieving high stability.
  • an example was described in which an EDF in which erbium alone was doped in the core was used as the fiber of the fiber-optical amplifier 22 in the subsequent stage.
  • the Yttrium beam (Yb ) can be used, and in this case, a single mode of the excitation light source 26 can be used.
  • a fiber-to-fiber amplifier 22 is formed by using an Itbidium'-doped fiber laser as a do-fiber laser.
  • the CW output of single-mode fiber-doped fiber laser is 10 W or more in single mode, and can output an average power of 2 W or more, similar to the EDFA using the Raman's fiber-laser as the excitation light source.
  • a simple fiber-optic amplifier can be constructed.
  • Figures 1 and 4 disclose an example in which the LD 23 is used as the pumping light source for the EDF that composes the preceding fiber-optical amplifier 21.
  • a Raman fiber laser can also be used.
  • a method of separately preparing and using a Raman fiber laser different from the Raman fiber laser 26, and a method of branching the fiber 268 provided in the Raman fiber laser There is a method of arranging for a composite module.
  • the signal light having a wavelength of 1547 nm amplified by the optical amplifier 20 is once collimated by the collimating lens 27 and output to the wavelength conversion optical system 30.
  • the wavelength conversion optical system 30 is an optical system that converts signal light in the infrared region input from the optical amplifier 20 into ultraviolet light and outputs the converted light.
  • FIG. 2 shows an example of a wavelength conversion optical system having such a function, in which the signal light (the fundamental laser light Lr) having a wavelength of 1;
  • An example of a configuration in which a wavelength corresponding to a wave is converted into an ultraviolet laser beam Lv of 193.4 nm and outputted is described with reference to FIG.
  • the wavelength conversion optical system 30 is provided between the wavelength conversion crystals 31 to 35 and these wavelength conversion crystals, and collects laser light emitted from the preceding wavelength conversion crystal to the next wavelength conversion crystal. It consists of lenses 41 to 47 for light incidence, mirrors 51 to 58 for separating or combining high-order harmonics, and wave plates 48, 49 for adjusting the polarization direction.
  • the fundamental laser light Lr having a wavelength of 1547 nm (frequency) input from the optical amplifier 20 on the left side of the figure is separated by a dichroic mirror having wavelength selectivity. 33, 34, and 35 are transmitted from left to right in the figure.
  • the LBO crystal (LiB 3 O 5 crystal) is used as the wavelength conversion crystal 31, and a method of adjusting the temperature of the LBO crystal for phase matching is used.
  • Phase Matching Use NCPM.
  • SHG second harmonic generation
  • the optical frequency optical frequency 2 ⁇ , wavelength 2 times
  • the second harmonic generated by the wavelength conversion in the LBO crystal 31 and the fundamental wave ( ⁇ ) transmitted through the crystal 31 without wavelength conversion are incident on the wave plate 48, and the delay of one wavelength and one half wavelength is respectively caused.
  • the polarization direction of only the fundamental wave is rotated by 90 degrees, the light is condensed and incident on the same point of the second-stage wavelength conversion crystal 32 through a condensing lens (achromatic lens) 42.
  • an LBO crystal is used as the wavelength conversion crystal 32, and the LBO crystal 31 in the first-stage wavelength conversion unit is used at a different temperature NCP.
  • the third harmonic that has been wavelength-converted by the LBO crystal 32 and the fundamental wave that has passed through the crystal 32 without wavelength conversion are separated by the dichroic mirror 51.
  • the third harmonic (3 ⁇ ) is transmitted through the dichroic mirror 5 1 and the condensing lens 43 Then, the light is focused and incident on the third-stage wavelength conversion crystal 33.
  • the fundamental wave ( ⁇ ) is reflected by the dichroic mirror 51 and is incident on the fourth-stage wavelength conversion crystal 34 through the mirror 52, the condenser lens 44 and the dichroic mirror 54.
  • the third-stage wavelength converter is a CLBO crystal as the wavelength conversion crystal 33.
  • the dichroic mirror 55 separates the seventh harmonic that has been wavelength-converted by the CB 0 crystal 34 from the fundamental wave ( ⁇ ) that has passed through the crystal 34 without wavelength conversion.
  • the 7th harmonic (7 ⁇ ) is reflected by the dichroic mirror 55, and is incident on the fifth-stage wavelength conversion crystal 35 via the mirror 57, the focusing lens 47 and the dichroic mirror 58. .
  • the fundamental wave ( ⁇ ) is transmitted through the dichroic mirror 55, the polarization plane is rotated 90 degrees by the wave plate 49, passes through the condenser lens 46, and is increased 7 times by the dichroic mirror 58.
  • the light is coaxially multiplexed with the wave and condensed and incident on the wavelength conversion crystal 35 of the fifth wavelength conversion unit.
  • a CLB0 crystal or a ⁇ 0 crystal can be used instead of the CBO crystal.
  • the fifth-stage wavelength converter uses a CLBO crystal as the wavelength conversion crystal 35 with angular phase matching, and generates a sum frequency ( ⁇ + 7) from the fundamental wave ( ⁇ ) and the seventh harmonic (7 ⁇ ).
  • C LB O LB ⁇ crystals may be used instead of crystals.
  • a wavelength conversion optical system 30 since wavelength conversion can be performed by utilizing the characteristics of the input signal light as it is, it is possible to output ultraviolet light with high peak power and high average output.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the fundamental wave output at 1547 nm and the eighth harmonic output at 193 nm.
  • the conversion efficiency from the fundamental wave at 1547 nm to the eighth harmonic at 193 nm is about 4.5%, which is high. This indicates that the beam quality of the fundamental wave is high.
  • the ultraviolet light source 1 described above it is possible to obtain an all-solid-state ultraviolet light source capable of outputting an ultraviolet light having a high peak power and a high average output with a simple and compact configuration without requiring complicated maintenance. be able to.
  • a DFB semiconductor laser operating in the infrared region with an oscillation wavelength of 1547 nm is used as an example of the laser light source 10 that generates signal light.
  • An example is shown in which a wavelength conversion crystal of a stage is used to convert the wavelength to the 8th harmonic of 193.4 nm, which is equivalent to that of an ArF excimer laser, but the laser light source 10 uses an Er-YAG laser or a visible light region.
  • wavelength conversion optical system may be another known crystal arrangement (for example, fundamental wave ⁇ 2 ⁇ ⁇ 4 ⁇ ⁇ 8 ⁇ ) or a fiber type.
  • Wavelength of ultraviolet light to be emitted from or ultraviolet light source is not limited to 193nm band, for example, K r F excimer one
  • the equivalent 248nm band or: may be a F 2 laser equivalent 157nm band .
  • the phototherapy device 5 irradiates the cornea with an ultraviolet laser beam to perform abrasion on the corneal surface (PRK: Photorefractive Keratectomy) or abrasion inside the incised cornea (LASIK: Laser ntrastromal Keratomileusis) to obtain a corneal curvature. Or it is a device that corrects unevenness and performs treatment such as myopia and astigmatism.
  • PRK Photorefractive Keratectomy
  • LASIK Laser ntrastromal Keratomileusis
  • the phototherapy device 5 basically includes the above-described ultraviolet light source 1 and the ultraviolet laser beam Lv output from the ultraviolet light source 1 in the device housing 60, as shown in FIG.
  • An irradiation optical system 70 for guiding and irradiating the surface (treatment site) of the cornea HC and an observation optical system 80 for observing the treatment site are provided.
  • the device housing 60 is disposed on the base portion 61 via the XY moving table 62.
  • the entire device housing 60 is positioned in the direction of the arrow X in FIG. It is configured to be movable in the direction and the Y direction perpendicular to the paper.
  • FIG. 8 shows the configuration of the irradiation optical system 70 and the observation optical system 80.
  • the irradiation optical system 70 is provided with a condensing lens 71 for condensing the ultraviolet laser light Lv having a wavelength of 193 nm emitted from the ultraviolet light source 1 so as to form a predetermined spot diameter on the eyeball EY, and a condensing lens 71.
  • the dichroic mirror 72 reflects the ultraviolet laser light from the lens 71 and irradiates the surface of the cornea HC of the eye EY to be treated.
  • the dichroic mirror 72 is set so as to reflect light in the ultraviolet region and transmit light in the visible region, and reflects the ultraviolet laser beam Lv coaxially with the optical axis of the observation optical system 80 described below.
  • the cornea HC surface can be irradiated.
  • the observation optical system 80 includes an illumination lamp 85 for illuminating the surface of the cornea HC of the eye EY to be treated, and an illumination lamp 85 for illumination by the cornea HC.
  • An objective lens 81 that receives the light in the visible region that is transmitted and transmitted through the dichroic mirror 72, a prism 82 that reflects the light from the objective lens 81, and an image that receives the light reflected from the prism
  • an eyepiece 83 to be turned on, so that an enlarged image of the cornea HC can be observed through the eyepiece 83.
  • an operator such as an ophthalmologist can perform phototherapy while visually observing through the observation optical system 80.
  • the device housing 60 is moved in the X direction and the .Y direction, and the surface of the cornea HC to be treated is irradiated with ultraviolet laser light as spot light, thereby evaporating the irradiated area. Let me do it.
  • the operation of the XY movement table 62 is controlled by an operation control device (not shown), and the device housing 60 is moved in the X direction and the Y direction to irradiate the spot light on the surface of the cornea HC.
  • the corneal surface can be moved by scanning to perform corrective treatment such as myopia, astigmatism, and hyperopia.
  • the output control of the ultraviolet laser light source 1 is performed, for example, by controlling the pulse frequency of the laser light source 10.
  • the control can be easily performed by controlling the output of the excitation light in the optical amplifier 20 or the like.
  • ON / OFF control of ultraviolet laser light can be performed by ON / OFF control of the DFB semiconductor laser in the laser light source 10, and an electro-optic modulation element, an acousto-optic modulation element, etc. This can be easily achieved by arranging the above-mentioned modulation element or arranging a mechanical two-dimensional shirt.
  • Exposure equipment used in the optical lithography process is in principle the same as photolithography, in which a device pattern precisely drawn on a photomask (reticle) is coated with a photoresist on a semiconductor wafer or a glass substrate. It is optically projected and transferred onto such a device.
  • the exposure apparatus 100 includes an ultraviolet light source 1 described above, an illumination optical system 102, a mask support 103 supporting a photomask (reticle) 110, a projection optical system 104, The apparatus is provided with a mounting table 105 for mounting and holding a semiconductor wafer 115 to be exposed, and a driving device 106 for horizontally moving the mounting table 105.
  • the ultraviolet laser light Lv output from the ultraviolet light source 1 is input to the illumination optical system 102 composed of a plurality of lenses, and passes therethrough.
  • the entire surface of the photomask 110 supported by 103 is irradiated.
  • the light thus irradiated and having passed through the photomask 110 has an image of the device pattern drawn on the photomask 110, and this light is transmitted through the projection optical system 104.
  • a predetermined position of the semiconductor wafer 115 mounted on the mounting table 105 is irradiated. At this time, the image of the device pattern of the photomask 110 is reduced on the semiconductor wafer 115 by the projection optical system 104 and subjected to image formation exposure.
  • the control of the irradiation light amount in the exposure apparatus can be easily performed by, for example, pulse frequency control in the laser light source 10, output control of the excitation light in the optical amplifier 20, and the like.
  • ON / OFF control of the ultraviolet laser light can be performed by ON / OFF control of the DFB semiconductor laser in the laser light source 10, and an electro-optic modulation element or an acousto-optic modulation element can be provided on any of the optical paths. This can be easily performed by disposing a modulation element such as the above, or disposing a mechanical shirt.
  • the exposure apparatus is small and has good maintainability and operability by utilizing the characteristics of the ultraviolet light source which is small and lightweight and has a high degree of freedom in arrangement. A device can be obtained.
  • the ultraviolet light source since a single-mode fiber laser is used as the excitation light source of the fiber-optic amplifier, both high peak power and high average output can be achieved with a simple device configuration.
  • a UV light source can be provided.
  • a mask defect inspection system optically projects a device pattern precisely drawn on a photomask onto a TDI sensor (Time Delay and Integration), compares the sensor image with a predetermined reference image, and Pattern defects are extracted from the differences.
  • TDI sensor Time Delay and Integration
  • the mask defect inspection apparatus 120 includes the ultraviolet light source 1 described above, the illumination optical system 112, a mask support 111 supporting the photomask 110, and a driving device 1 for horizontally moving the mask support. 16, a projection optical system 114, and a TDI sensor 125.
  • the ultraviolet laser light Lv output from the above-described ultraviolet light source 1 is input to an illumination optical system 112 including a plurality of lenses, and passes therethrough to a mask.
  • a predetermined area of the photomask 110 supported by the support 113 is irradiated.
  • the light that has been irradiated and passed through the photomask 110 has an image of the device pattern drawn on the photomask 110, and this light is transmitted through the projection optical system 114 to the TDI sensor.
  • An image is formed at a predetermined position of 125.
  • the horizontal movement speed of the mask support 113 is synchronized with the transfer clock of the TDI 125.

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Abstract

赤外領域の信号光を発生させるレーザ光源１０と、ファイバー光増幅器２１，２２を有しレーザ光源１０で発生された信号光を増幅する光増幅器２０と、光増幅器２０で増幅された信号光を紫外光に波長変換して出力する波長変換光学系３０とを備え、光増幅器２０における少なくとも１段のファイバー光増幅器２２の励起光源としてシングルモードファイバーレーザ２６を用いて紫外光源１を構成する。

Description

糸田 β 紫外光源、 紫外光源を用いた光治療装置、 および紫外光源を用いた露光 装置 技術分野
本発明は、 赤外〜可視領域の信号光をファイバ一光増幅器で増幅し、 波 長変換光学系で紫外光に変換して出力する紫外光源に関する。 本発明はま た、 紫外光源を用いた光治療装置および露光装置に関する。 背景技術
波長が短く時間的コヒーレンスが高い紫外レーザ光は、 近年において 種々の用途に用いられており、 例えば半導体デバイス製造装置における露 光装置や、 外科， 眼科， 歯科等の手術および治療装置、 各種計測 ·分析装 置、 加工装置などに用いられている。 これらの装置に用いられる紫外光源 としては、 発振波長え = 248nmの Κ Γ Fエキシマレ一ザや、 発振波長 λ = 193ηηιの A r Fエキシマレ一ザなどがあり、 既にこれらのエキシマレ一ザ を光源とした各種装置が実用化されている。 ところが、 このような紫外光 源では、 レーザ装置自体が大型且つ高価なうえ、 フッ素ガスを作動媒体と して用いるためメンテナンスが煩雑でランニングコストも高額であるとい う問題があった。
このため、 赤外〜可視光領域で発振する固体レーザを信号光源として用 い、 その出力光をファイバ一光増幅器で増幅し、 波長変換光学系を用いて 所定波長の紫外光に波長変換して出力する全固体型の紫外光源の検討が鋭 意進められている。 このような全固体型の紫外光源として、 例えば、 波長 λ = 1.55 ζηι帯で安定発振する D F B半導体レ一ザを信号光源として用い、 その出力光をエルビウム · ド一プ · ファイバ一光増幅器 （以下、 「ED F A」 と略記する） で所要の光強度に増幅し、 さらに波長変換結晶を用いた 波長変換光学系で 8倍高調波の波長人 = 193nmの紫外光に変換して出力 する紫外光源が提案されている （例えば、 特閧 2000— 200747号 公報、 特開 2001— 353176号公報を参照） 。
そして、 このような全固体型紫外光源に用いられる ED F Aとして、 シ ングルクラッド 'シングルモ一ドのエルビゥム · ド一プ '光フアイバー（ E D F) をシングルモード発振の半導体レーザで励起するシングルクラッ ド EDFA、 およびダブルクラッ ドの E D Fをマルチモード発振の半導体レ —ザで励起するダブルクラヅド ED F Aが知られている （例えば、 特開 2 000-200747号公報、特開 2001 - 353 176号公報を参照）。 しかしながら、 上記のような従来の ED F Aでは以下のような問題があ つた。 まず、 シングルクラッド EDFAでは、 これを励起するシングルモ 一ド発振の半導体レ一ザの光出力が数百 mW程度の低出力に限られている ため、 10kW以上の高ピークパワー （パルス幅〜 Ins) を発生させるため には、 数 kH z程度の低い繰り返し周波数、 かつ低デューティの信号光で 増幅動作させざるを得なかった。このため、 E D F Aから出力される光は、 高ピークパワーが得られても平均出力としては高々 lOOmW程度の低出力 しか得られないという問題があった。 このことは、 ファイバ一光増幅器と して本来的に備えている増幅能力を充分に発揮できていないことを意味す るものであった。
また、 上記のようなファイバ一光増幅器では、 所定のピークパワーを得 るために、 複数の E D F Aを直列に接続した多段構成とするのが一般的で ある。 ところが、 信号光のパルスとパルスとの間の無信号部分では、 ED FAにおける ASE (Amplified Spontaneous Emission： 自然放出光 の光増幅） によりパルス間に ASEノイズ （D C成分） が発生して増幅さ れ、 出力光の S N比を著しく低下させる。 このため、 多段構成の E D F A では、 後段の E D F Aに S N比の高い信号光を供給するため、 各段の間に 電気光学変調素子または音響光学変調素子を配置し、 これらの変調素子を 信号光源と同期制御することで D Cノイズ成分を除去する構成が取られて いた。 このため、 E D F Aの構成が複雑且つ高価になるうえ、 変調素子の 挿入によつて信号光の損失が生じるという問題があつた。
一方、 ダブルクラッ ド E D F Aでは、 レーザ媒質がドープされたコアの 周囲に励起光が力ップリングされる第 1クラッ ドが形成され、 その外周に 第 1クラッドの導波路を形成する第 2クラッ ドが設けられる。 第 1クラッ ドはマルチモードで断面積も大きいためマルチモード発振の高出力半導体 レーザを効率よく力ップリングすることができ、 励起光パワーを高めるこ とでパルス繰り返し周波数および平均出力を高めることができる。しかし、 ダブルクラッ ド E D F Aの場合には、 コアに励起光を直接投入するシング ルクラッ ド E D F Aに比べて単位長さあたりの励起効率が低く、 ファイバ —の短尺化が困難である。 そのために、 ファイバ一中で発生するパラメ ト リック過程や誘導ラマン散乱などの非線形効果によって信号光の損失が増 大し、 シングルクラヅド E D F Aのような高いピークパワーが得られない という問題があった。 発明の開示
本発明は、 上記諸点に鑑みてなされたものであり、 簡明な装置構成で、 高ピークパワーと高い平均出力とを両立させた紫外光源を提供することを 目的とし、 併せて、 このような紫外光源を用いて構成される露光装置や、 光治療装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決して目的を達成するため、 本発明は、 赤外から可視領域 の信号光を発生させるレーザ光源と、 少なくとも 1段のファイバ一光増幅 器を有しレーザ光源で発生された信号光を増幅する光増幅器と、 光増幅器 で増幅された信号光を紫外光に波長変換して出力する波長変換光学系とを 備えてなる紫外光源において、 光増幅器における少なくとも 1段のフアイ バ一光増幅器の励起光源にシングルモードファイバーレーザを用いて紫外 光源を構成する。
この発明の紫外光源において、 上記シングルモ一ドファイバーレーザを 励起光源とするフアイバー光増幅器が、 光増幅器における終段のファイバ —光増幅器であるのが好ましい。
さらに、 上記発明の紫外光源において、 上記シングルモードファイバ一 レーザとしてラマン （R aman) ファイバーレーザを用いるのが好ましレヽ。 この場合の紫外光源において、 上記シングルモ一ドファイバーレーザと してイツトリビゥム （Y b ) ' ド一プ ·ファイバ一レーザを用いることが できる。
また、 上記紫外光源を、 信号光と励起光源からの励起光とを同軸に重ね 合わせる波長分割多重化装置がファイバー融着型の波長分割多重化装置で あって、 この波長分割多重化装置を光増幅器の入力側に配置して構成して も良い。
本発明の光治療装置は、 上述した紫外光源と、 この紫外光源から出射さ れる紫外光を治療部位に導いて照射させる照射光学系とを備えて構成され る。
本発明の露光装置は、 上述した紫外光源と、 所定の露光パターンが設け られたフォトマスクを保持するマスク支持部と、 露光対象物を保持する対 象物保持部と、 上記紫外光源から出射される紫外光をマスク支持部に保持 されたフォトマスクに照射させる照明光学系と、 照明光学系を介して前記 フォトマスクに照射されてここを通過した照射光を前記対象物保持部に保 持された露光対象物に照射させる投影光学系とを備えて構成される。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る紫外光源におけるレーザ光源および光増幅器の構 成を示す概略図である。
図 2は、 本発明に係る紫外光源における波長変換光学系の構成を示す概 略図である。
図 3は、 上記光増幅器における複合モジュールの構成を示す概略図であ る。
図 4は、 本発明に係る別の紫外光源におけるレーザ光源および光増幅器 の構成を示す概略図である。
図 5は、 ラマン ' ファイバ一レーザからの励起光の出力と光増幅器から 出力された信号光の出力との関係を示す図である。
図 6は、 1547nmの基本波出力と 193nmの 8倍波出力との関係を示す図 である。
図 7は、 本発明に係る光治療装置の構成を示す概略図である。
図 8は、 上記光治療装置を構成する照射光学系および観察光学系の構成 を示す概略図である。
図 9は、 本発明に係る露光装置の構成を示す概略図である。
図 1 0は、本発明に係るマスク欠陥検査装置の構成を示す概略図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら 説明する。 紫外光源
まず、 本発明に係る紫外光源の構成例を図 1〜図 4の各図に領域ごとに „ -
6
示しており、 これらの各図を参照しながら説明する。 紫外光源 1は、 赤外 から可視領域の信号光を発生させるレーザ光源 1 0と、 前段および後段の ファイバ一光増幅器 2 1 , 2 2を有しレーザ光源 1 0で発生された信号光 を増幅する光増幅器 2 0と、 光増幅器で増幅された信号光を紫外光に波長 変換して出力する波長変換光学系 3 0とを備えており、 光増幅器 2 0にお ける後段のファイバ一光増幅器 2 2の励起光源 2 6としてシングルモード ファイバ一レーザを用いて構成している。
レーザ光源 1 0は、 固体レーザ 1 1とこの固体レーザの作動を制御する 制御装置 1 2とからなり、 光増幅器 2 0にパルス状の信号光を出力する信 号光源である。 固体レーザ 1 1としては、 例えば、 発振波長 λ = 1.55 /ηι 帯の赤外領域で発振する I n G aAsP ,D F B (Distributed Feedback：分 布帰還型） 半導体レーザを用いることができる。 上記 D F B半導体レーザ の発振波長は 0.1nm/°C程度の温度依存性をもち、 従ってこれを一定温度 に温度制御して発振させることで、 例えば発振波長人 = 1547nmで狭帯域 化した単一波長の赤外光を出力させることができる。 制御装置 1 2は、 D F B半導体レーザ 1 1の作動を制御するドライバーであり、 パルス幅約 1 ns、 繰り返し周波数： f =数十〜数百 kHzの駆動信号を D F B半導体レーザ 1 1に供給してパルス発振作動させ、 ピークパワー 10mW程度のパルス状 の信号光を光増幅器 2 0に出力させる。
なお、 D F B半導体レーザ 1 1を C W出力で安定発振させておき、 その 出力光を電気光学変調素子や音響光学変調素子等の外部変調器でパルス状 に切り出して信号光としてもよい。 このような構成によれば、 周波数チヤ —プが少なく、 さらに狭帯域化させた信号光を光増幅器 2 0に出力させる ことができる。
光増幅器 2 0は、 レーザ光源 1 0から出力された波長え = 1547nmの信 号光を増幅する増幅器であり、 前段， 後段のファイバ一光増幅器 2 1 , 2 2、 偏光制御装置 2 4、 複合モジュール 2 5、 後段のファイバ一光増幅器 2 2を励起する励起光源 2 6などから構成され、 前後のファイバ一光増幅 器 2 1 , 2 2を直列に接続して光増幅器を構成した例を開示している。 光増幅器 2 0の入力部に設けられた偏光制御装置 2 4は、 ファイバ一型 の偏光制御器であり、 後段のファイバ一光増幅器 2 2で発生し得る 4光波 混合や、 誘導ラマン散乱などの非線形過程を抑制するために信号光の偏光 を制御するものである。
前段のファイバ一光増幅器 2 1は、 レーザ光源 1 0から出力されたビー クパワー 10mW程度の信号光を l kW程度にまで増幅するプリアンプであ る。 このプリアンプ部では出力光のピークパワーが l kW程度であるため、 ファイバ一光増幅器 2 1として、シングルクラヅドの E D F (エルビウム · ドープ . ファイバー） を用い、 シングルモード半導体レ一ザの出力光を力 ヅプリングして励起することができる。 なお、 図 1ではファイバ一光増幅 器 2 1を構成する E D Fの励起光源および励起光をファイバーコアに結合 する波長分割多重化装置 （Wavelength Division Multiplexer： W D M ) 等の記載を図示省略している。
なお、 ビークパワー 10mWから l kW (利得 5 0 d B ) までの光増幅を 安定的に行わせるために、 前段のファイバ一光増幅器 2 1を 2段程度の E D F Aで構成することも好ましく、 その際には、 第 1段の E D F Aと第 2 段の E D F Aとの間に第 1段で発生した A S Eを除去する狭帯域フィル夕 や、 第 1， 第 2段での発振を抑制するためのアイソレータを挿入する。 一方、 ピークパワーが l kWを超える領域になると、 4光波混合や誘導 ラマン散乱などの非線形効果による信号利得の低下が無視できなくなって くる。 従って、 ファイバ一光増幅器 2 1を単段で構成する場合のファイバ —や、 2段構成とする場合の第 2段のファイバーには、 モード径 10 zm程 度の大モ一ド径で、 高濃度のエルビウムをドープした （E r濃度 > lOOOppm) シングルクラッ ドの E D Fを用いることが望ましい。
前段のファイバ一光増幅器 2 1から射出された信号光は、 複合モジユー ル 2 5に入射される。 複合モジュール 2 5は、 その内部構成を図 3に示す ように、 コリメ一夕レンズ 2 5 1、 狭帯域フィル夕 2 5 2、 アイソレー夕 2 5 3、 波長分割多重化装置 （Wavelength Division Multiplexer： W D M ) 2 5 4、 コリメ一夕レンズ 2 5 5、 集光レンズ 2 5 6等からなり、 一体のュニッ トにまとめられて構成される。
ここで、 狭帯域フィル夕 2 5 2は、 D F B半導体レーザ 1 1の出力波長 を中心として所定透過帯域幅の信号光のみを透過させるフィル夕であり、 例えば透過帯域幅 l nm程度の狭帯域フィル夕を用いることで、前段のファ ィバ一光増幅器 2 1で発生する A S E等のノイズ成分を除去し、 後段のフ アイバ一光増幅器 2 2に投入する信号光の S N比を向上させている。また、 アイソレータ 2 5 3は、 前段のファイバ一光増幅器 2 1と後段のファイバ 一光増幅器 2 2とを分離するために設けており、 後段のファイバ一光増幅 器 2 2からの戻り光による発振および A S Eの多重反射による利得の低下 を抑制している。
波長分割多重化装置 （以下、 「W D M」 と略記する） 2 5 4は、 前段の フアイバ一光増幅器 2 1から射出されコリメ一夕レンズ 2 5 1でコリメ一 卜された信号光と、 励起光源 2 6からファイバー 2 6 8を通して導かれコ リメ一夕レンズ 2 5 5でコリメートされた励起光 （ポンプ光） とを合波す る装置であり、 図 3では、 ファイバ一光増幅器 2 1から射出された波長 λ = 1547nmの信号光を透過し、 励起光源 （ラマン · ファイバ一レーザ） 2 6から導かれた波長え = 1480nmの励起光を反射して、 信号光と励起光と を同軸に重ね合わせる反射型の W D Mを例示している。
このように、 各光学素子を 1つのユニッ トにまとめてファイバー型の複 合モジュール 2 5を形成することにより、 カツプリングロスゃ融着ロスを 低減させて効率を高めることができるとともに、 ファイバーを短尺化して 非線形効果を回避することができる。
励起光源 2 6はシングルモードのファイバ一レ一ザであり、 図 1ではラ マン · ファイバ一レーザを用いた例を示している。 ラマン 'ファイバ一レ 一ザ 2 6は、 後段のファイバ光増幅器 22の励起光源であり、 波長入 == 1480nm、 シングルモ一ド C W出力 10Wの励起光を、 ファイバ一 2 6 8を 通して WDM 2 54に供給する。 ここで、 ラマン ' ファイバーレーザにつ いて簡潔に説明すれば、 このファイバ一レーザは、 イットリビゥム ' ド一 プ · ファイバ一レーザの出力端に F B Gを用いたカスケ一ド ·ラマン共振 器を接続して構成されたレーザであり、 出力波長 λ = 1480ηιη、 シングル モードで CW出力 20W程度までのレーザ光を出力可能である。
なお、 ラマン · ファイバ一レーザ 2 6から出力される励起光が CW出力 で 5 Wを超えるような領域で動作させる場合には、 前述した複合モジュ一 ル 2 5に内蔵される反射型の WDMに代えて、 図 4のように、 アイソレー 夕とバンドパスフィル夕一からなる複合モジュール 2 8の他に、 ファイバ ー融着型の WDM 2 9を別途設ける構成とすることが好ましい。 このよう な構成によれば、 平均出力 5 Wを超えるような高出力の励起光源を用いる 場合でも耐久性に優れた光増幅器とすることができる。
反射型の WDM 254を用いる場合は、 図 1に示すように前方励起 （信 号光と励起光の進行方向が同じ） に限らず、 後方励起 （信号光と励起光の 進行方向が反対） によってカヅプリングを行うことができるが、 図 4に示 すようなファイバ一融着型の WDM 2 9を用いる場合は、 前方励起 （信号 光と励起光の進行方向が同じ） を行うことが好ましい。
ファイバ一融着型 WDM2 9を用いて後方励起した場合は、 増幅後の高 ピークパワーの信号光が WDM 2 9を通過することになるので、 非線形過 程を誘発し、 結果的に高ピークパワーが出力できない。 それに対して、 前方励起を行なう場合は、 増幅前の低ピークパワーの信 号光が WDMを通過することになるので、 非線形過程を誘発することがな く、 高ビークパワーを出力できる。
また、 高出力の信号光が通過する EDFの出口付近では、 励起光の出力 は E D Fを伝播する過程で低下するものの、 ラマン .ファイバ一レーザは、 高出力であるので、 信号光に対しては相対的に十分な高出力が保たれてお り、 出口付近での信号光の増幅を妨げることもない。
こうして WDM 254で同軸に重ね合わされた前段のファイバ一光増幅 器 2 1からの信号光と、 ラマン ·ファイバ一レーザ 26からの励起光とは、 集光レンズ 256によって集光され、 後段のファイバ一光増幅器 22に投 入される。
後段のファイバ一光増幅器 22は、 前段のファイバ一光増幅器 21で増 幅されたピークパワー 1 kWの信号光をピークパヮ一 20kW程度にまで増 幅する最終段のァンプである。 このフアイバー光増幅器 22はシングルク ラッ ドの EDFを用い、 ラマン · ファイバーレ一ザ 26から導いたシング ルモード高出力の励起光で励起する。
後段のファイバ一光増幅器 22では、 信号光のピークパワーが既に lk W程度あり、 さらに、 出力されるピークパワーが 20kW程度と極めて高く なる。 そこで EDFは、 ファイバ一中での非線形過程を避けるため、 モー ド径 10 /m程度以上の大モード径で、 高濃度のエルビウム （E r> lOOOppm) をドープしたシングルクラヅド EDFを使用する。
図 5は、 ラマン · ファイバ一レーザからの励起光の出力と光増幅器から 出力された信号光の出力 （1547nmの基本波出力） との関係を示す図であ る。 ラマン ' ファイバ一レーザからの励起光の出力を変化させることによ り、 光増幅器から出力される信号光を制御している。 信号光の繰り返し周 波数が 100kHzは （…園…）、 200kHzは（一♦一）、 LD励起は （一♦一) で表している。
このような構成により、 例えば、 ラマン ' ファイバ一レーザ 2 6からの 励起光出力を 10Wとしたときに、 前段のファイバ一光増幅器 2 1から入力 された繰り返し周波数: f = 200kHz、 パルス幅 l ns、 ピークパワー 10mW の信号光が、 ピークパワー 15kW、 平均出力 3 W以上の高出力の赤外光に 増幅されて出力される。
このように、 最終段のフアイバー光増幅器の励起光源に高出力シングル モ一ドのファイバ一レーザを用いることにより、 20kW以上の高ピ一クパ ヮ一と、 2W以上の高い平均出力とを両立させた光増幅器を得ることがで きる。 また、 E D Fとして単位長さあたりの励起効率が高いシングルクラ ッド · シングルモードの E D Fを使用することができ、 これにより、 E D F Aのファイバ一長を短尺化して装置を小型 ·軽量に構成しながら、 高ビ ークパワーと高平均出力とを両立させた光増幅器を実現できる。
さらに、 信号光のパルス繰り返し周波数を数百 kHzにまで上昇させるこ とが可能になり、 単位時間あたりのパルス信号 ON時間が増大しパルス信 号 OFF時間が減少することから、 信号光における D Cノィズ成分が相対的 に減少し、 S N比が格段に向上する。 このため、 従来多段 E D F Aの段数 間に D Cノィズ成分を力ッ トするために設けていた電気光学変調素子や音 響光学変調素子等の能動的な変調素子、 およびこれらの変調素子を信号光 パルスに同期させて作動制御していた制御装置などが不要となり、 これに より光増幅器の大幅な簡素化、 低価格化、 高安定化を実現することができ る。
なお、 上記実施例では、 後段のファイバ一光増幅器 2 2のファイバーと して、コアにエルビウム単体をド一プした E D Fを用いた例を開示したが、 エルビウムに加えてィッ トリビゥム（Y b )を共添加した Y b ·コド一プ · E D Fを用いることもでき、 この場合には、 励起光源 2 6のシングルモー ド · ファイバーレーザとして、 イッ トリビゥム ' ドープ . ファイバーレ一 ザを用いてファイバ一光増幅器 2 2を構成する。ィッ トリビゥム ·ド一プ · ファイバーレーザはシングルモードで C W出力が 10W以上得られており、 上記ラマン'ファイバ一レーザを励起光源として用いた E D F Aと同様に、 2 W以上の平均出力を出力可能なファイバ一光増幅器を構成することがで きる。
図 1、 図 4では前段のファイバ一光増幅器 2 1を構成する E D Fの励起 光源として L D 2 3を用いた例を開示したが、 前段のファイバ一光増幅器 2 1を構成する E D Fの励起光源としてもラマン · ファイバ一レーザを用 いることができる。 その場合、 ラマン · ファイバーレ一ザ 2 6とは異なる ラマン · ファイバ一レーザを別途用意して用いる方法と、 ラマン · フアイ バーレーザ 2 6に設けられたファイバ一 2 6 8を分岐して不図示の複合モ ジュールに向けて配置する方法がある。
光増幅器 2 0で増幅された波長え = 1547nmの信号光は、 一旦コリメ一 夕レンズ 2 7でコリメ一トされ、 波長変換光学系 3 0に出力される。 波長 変換光学系 3 0は、 光増幅器 2 0から入力された赤外領域の信号光を紫外 光に変換して出力する光学系である。 図 2には、 このような機能を有する 波長変換光学系の一例として、 光増幅器 2 0から入力された波長; 1 = 1547nmの信号光 （基本波レーザ光 L r) を、 基本波の 8倍波にあたる波長 人 = 193.4nmの紫外レーザ光 Lvに変換して出力する構成を例示しており、 以下この図を参照しながら説明する。
波長変換光学系 3 0は、 波長変換結晶 3 1〜3 5、 これらの波長変換結 晶の間に配設されて前段の波長変換結晶から射出されるレーザ光を次段の 波長変換結晶に集光入射させるレンズ 4 1〜4 7、 高次高調波を分離しあ るいは合成するためのミラ一 5 1〜5 8、偏光方向を調整する波長板 4 8， 4 9などから構成される。 図中左側の光増幅器 20から入力された波長え = 1547nm (周波数 ） の基本波レーザ光 Lrは、 波長選択性のあるダイクロイツク · ミラ一で分 離 '合成されつつ波長変換結晶 31 , 32, 33， 34, 35を図中左か ら右に向かって透過する。 この過程で基本波（λ = 1547ηηι)は、 2倍波（入
Figure imgf000015_0001
倍波（人=515.611111)→ 6倍波（人=257.811111) →7倍波（え = 221nm)→8倍波（え = 193.4nm)の順に波長変換され、 最終的に図面右端 側から基本波の 8倍波 （第 8高調波） にあたる波長え = 194.3nmの紫外レ 一ザ光 Lvに変換されて出力される。
基本波を 2倍波に変換する第 1段の波長変換部では、 波長変換結晶 3 1 として LBO結晶 (LiB3O5結晶）を用い、 位相整合に LBO結晶の温度調節 による方法、 Non-Critical Phase Matching： NCPMを使用する。 LB 0結晶 31では第 2高調波発生 （SHG) が行われ、 基本波の 2倍の光周 波数 (光周波数 2 ω、 波長
Figure imgf000015_0002
をもつ 2倍波を発生させる。
LBO結晶 31で波長変換され発生した 2倍波と、 この結晶 31を波長 変換されずに透過した基本波 (ω)とは、 波長板 48に入射させてそれそれ 1波長、 半波長の遅延を与え、 基本波のみ偏光方向を 90度回転させたの ち、 集光レンズ (色消しレンズ） 42を通して第 2段の波長変換結晶 32の 同一点に集光入射させる。
2段目の波長変換部では、 波長変換結晶 32として LBO結晶を用い、 1段目の波長変換部における LBO結晶 3 1と異なる温度の N CP Μで使 用する。 この LBO結晶 32では 1段目の波長変換部で発生させた 2倍波 (2 ω)と、波長変換されずに透過した基本波（ω)とから和周波発生（S F G, ω + 2 ω = 3 ω)により 3倍波（3 ω，え =515.6nm) を発生させる。
LBO結晶 32で波長変換された 3倍波とこの結晶 32を波長変換され ずに透過した基本波とは、 ダイクロイツク · ミラー 5 1により分離する。 3倍波（3ω)はダイクロイヅク · ミラ一 5 1を透過させ、 集光レンズ 43 で 3段目の波長変換結晶 3 3に集光入射させる。 基本波 (ω)はダイクロイ ック · ミラー 5 1で反射させ、 ミラ一 5 2， 集光レンズ 44およびダイク ロイック · ミラー 54を介して 4段目の波長変換結晶 34に入射させる。
3段目の波長変換部は、 波長変換結晶 3 3として C LB O結晶
(CsLiBsO。結晶） を用い角度位相整合で使用する。 この C LB O結晶 3 3中では 3倍波の第 2高調波発生を行わせ、 3倍波（3 ω)の 2倍の周波数 をもつ 6倍波（6 ω，え =257.8nm)を発生させる。 C L B 0結晶 3 3で発生 された 6倍波は、 ミラー 5 3、 集光レンズ 4 5を介してダイクロイヅク · ミラー 5 4で基本波 (ω)と同軸に合波され、 第 4段目の波長変換結晶 34 に集光入射される。 なお、 C L B O結晶に代えて ΒΒ Ο結晶 （ ?-BaB2O4 結晶） を用いてもよい。
4段目の波長変換部では、 波長変換結晶 34として CB 0結晶（CsB305 結晶） を角度位相整合で使用し、基本波 (ω)と 6倍波（6 ω)とから和周波発 生（ω+ 6 ω= 7 ω)により 7倍波（7 ω,え =221nm)を発生させる。 CB 0 結晶 34で波長変換された 7倍波と、 この結晶 34を波長変換されずに透 過した基本波（ω)とはダイクロイツク ' ミラー 5 5により分離する。 7倍 波（7 ω)はダイクロイヅク · ミラー 5 5で反射させ、 ミラー 5 7， 集光レ ンズ 4 7およびダイクロイック · ミラ一 5 8を介して 5段目の波長変換結 晶 3 5に入射させる。 基本波 (ω)はダイクロイヅク · ミラ一 5 5を透過さ せ、 波長板 4 9で偏光面を 9 0度回転させたのち集光レンズ 4 6を通し、 ダイクロイツク · ミラ一 5 8で 7倍波と同軸に合波させて 5段目の波長変 換部の波長変換結晶 3 5に集光入射させる。 なお、 CBO結晶に代えて C LB 0結晶または ΒΒ 0結晶を用いることもできる。
5段目の波長変換部は、 波長変換結晶 3 5として C LB O結晶を角度位 相整合で使用し、基本波 (ω)と 7倍波（7 ω)とから和周波発生（ω + 7 ω二 8 ω) により 8倍波 （ 8 ω，え = 193.4nm) を発生させる。 なお、 C LB O 結晶に代えて L B◦結晶を用いてもよい。
このようにして、 光増幅器 2 0から波長変換光学系 3 0に入射された波 長え = 1547nmの基本波レーザ光 （増幅された信号光） L rは、 5段の波長 変換部を透過する過程において順次波長変換され、 最終的に基本波に対し て 8倍波にあたる波長え = 193nmの紫外レーザ光 L vが出力される。 この ような波長変換光学系 3 0では、 入力される信号光の特性をそのまま生か して波長変換可能なため、 高ピークパワーかつ高平均出力の紫外光を出力 させることができる。
図 6は、 1547nmの基本波出力と、 193nmの 8倍波出力との関係を示す 図である。 1547nmの基本波から 193nmの 8倍波への変換効率は約 4.5 %で あり、 変換効率が高い。 これは、 基本波のビーム品質が高いことを示して いる。
従って、 以上説明したような紫外光源 1によれば、 煩雑なメンテナンス を要することなく、 簡明、 コンパク 卜な構成で、 高ピークパワーかつ高い 平均出力の紫外光を出力可能な全固体紫外光源を得ることができる。 なお、 上述した実施例では、 信号光を発生するレーザ光源 1 0の一例と して発振波長え = 1547nmの赤外領域で動作する D F B半導体レーザを用 い、 また波長変換光学系 3 0では 5段の波長変換結晶を用いて A r Fェキ シマレーザと同等の波長え = 193.4nmの 8倍波に変換する構成を例示した が、 レーザ光源 1 0は E r—Y A Gレーザや可視光領域のレ一ザ等であつ てもよく、 波長変換光学系の構成は他の公知の結晶配列 （例えば、 基本波 ω 2 ω→4 ω→ 8 ωなど） やファイバー形態のものであってもよい。 ま た紫外光源から射出させる紫外光の波長は 193nm帯に限るものではなく、 例えば、 K r Fエキシマレ一ザと同等の 248nm帯や、 ： F 2レーザと同等の 157nm帯などであってもよい。 光治療装置
次に、 以上説明した本発明に係る紫外光源 1を用いて構成される光治療 装置について、 図 7および図 8を参照して以下に説明する。 この光治療装 置 5は、 紫外レーザ光を角膜に照射して角膜表面のアブレーシヨン（P R K： Photorefractive Keratectomy)あるいは切開した角膜内部のアブレ一 シヨン ( L A S I K : Laser丄 ntrastromal Keratomileusis ) を行い、 角 の曲率もしくは凹凸を矯正して近眼、 乱視などの治療を行う装置である。 光治療装置 5は、 図 7に示すように基本的には、 装置筐体 6 0内に、 上 述した紫外光源 1と、 この紫外光源 1から出力された紫外レーザ光 L vを 眼球 E Yの角膜 H Cの表面 （治療部位） に導いて照射させる照射光学系 7 0と、 治療部位の観察を'行う観察光学系 8 0とを備えて構成される。 装置筐体 6 0は X— Y移動テーブル 6 2を介してベース部 6 1上に配設 されており、 眼球 E Yに対して装置筐体 6 0全体が、 図 7における矢印 X 方向すなわち図面左右方向と、 紙面に垂直な Y方向とに移動可能に構成さ れている。
照射光学系 7 0および観察光学系 8 0の構成を図 8に示している。 照射 光学系 7 0は、 紫外光源 1から射出された波長 193nmの紫外レーザ光 L v を、 眼球 E Y上において所定のスポッ ト径を形成するように集光させる集 光レンズ 7 1と、 集光レンズ 7 1からの紫外レーザ光を反射させて治療対 象となる眼球 E Yの角膜 H Cの表面に照射させるダイクロイック · ミラ一 7 2とを有して構成される。 ダイクロイツク · ミラー 7 2は、 紫外領域の 光を反射させ可視領域の光を透過させるように設定され、 次述する観察光 学系 8 0の光軸と同軸上に紫外レーザ光 L vを反射させて角膜 H C表面に 照射可能になっている。
一方、 観察光学系 8 0は、 治療対象となる眼球 E Yの角膜 H Cの表面を 照明する照明ランプ 8 5と、 照明ランプ 8 5により照明され角膜 H Cで反 射されてダイクロイック · ミラ一 7 2を透過した可視領域の光を受ける対 物レンズ 8 1と、 対物レンズ 8 1からの光を反射させるプリズム 8 2と、 プリズムからの反射光を受けて結像させる接眼レンズ 8 3とから構成され、 接眼レンズ 8 3を通して角膜 H Cの拡大像を観察できるようになっている。
これにより、 眼科医等の術者が観察光学系 8 0を介して目視観察しなが ら光治療を行うことができる。 例えば、 眼球 E Yを目視観察しながら装置 筐体 6 0を X方向および. Y方向に移動させ、 治療対象となる角膜 H Cの表 面に紫外レーザ光をスポット光として照射させ、 照射領域の蒸散を行わせ る。 また、 図示省略する作動制御装置により X— Y移動テーブル 6 2の作 動を制御し、 装置筐体 6 0を X方向および Y方向に移動させて角膜 H Cの 表面上に照射されるスポッ ト光を走査移動させ、 角膜表面のアブレ一ショ ンを行って近視、 乱視、 遠視等の矯正治療を行うことができる。
なお、 光治療におけるアブレ一シヨンの大きさは、 角膜 H Cに照射され る紫外レーザ光 L vの出力によって大きく変化するが、 紫外レーザ光源 1 の出力制御は、 例えば、 レーザ光源 1 0におけるパルス周波数制御、 光増 幅器 2 0における励起光の出力制御等により容易に行うことができる。 ま た、 紫外レーザ光の ON-OFF制御は、 レーザ光源 1 0における D F B半導 体レーザを ON-OFF制御することにより行えるほか、 光路上のいずれかに 電気光学変調素子や音響光学変調素子等の変調素子を配設し、 あるいはメ 力二カルシャツ夕を配設するなどにより容易に行うことができる。
従って、 上記のような光治療装置によれば、 小型軽量で、 メンテナンス 性、 操作性の良好な治療装置を得ることができる。 露光装置
次に、 上述した紫外光源 1を用いて構成され、 半導体製造工程の一つで あるフォトリソグラフイエ程で使用される露光装置 1 0 0について、 図 9 -
18
を参照して説明する。 光リソグラフイエ程で使用される露光装置は、 原理 的には写真製版と同じであり、 フォ トマスク （レチクル） 上に精密に描か れたデバイスパターンを、 フォトレジストを塗布した半導体ウェハーゃガ ラス基板などの上に光学的に投影して転写する。 この露光装置 1 0 0は、 上述した紫外光源 1と、 照明光学系 1 0 2と、 フォトマスク （レチクル） 1 1 0を支持するマスク支持台 1 0 3と、 投影光学系 1 0 4と、 露光対象 物たる半導体ウェハ 1 1 5を載置保持する載置台 1 0 5と、 載置台 1 0 5 を水平移動させる駆動装置 1 0 6とを備えて構成される。
この露光装置 1 0 0においては、 上述した紫外光源 1から出力される紫 外レーザ光 L vが、 複数のレンズから構成される照明光学系 1 0 2に入力 され、 ここを通ってマスク支持台 1 0 3に支持されたフォトマスク 1 1 0 の全面に照射される。 このように照射されてフォトマスク 1 1 0を通過し た光は、 フォ トマスク 1 1 0に描かれたデバイスパターンの像を有してお り、 この光が投影光学系 1 0 4を介して載置台 1 0 5に載置された半導体 ウェハ 1 1 5の所定位置に照射される。 このとき、 投影光学系 1 0 4によ りフォ トマスク 1 1 0のデバイスパターンの像が半導体ウェハ 1 1 5の上 に縮小されて結像露光される。
なお、 露光装置における照射光量の制御は、 例えば、 レーザ光源 1 0に おけるパルス周波数制御、 光増幅器 2 0における励起光の出力制御等によ り容易に行うことができる。 また、 紫外レ一ザ光の ON-OFF制御は、 レー ザ光源 1 0における D F B半導体レーザを ON-OFF制御することにより行 えるほか、 光路上のいずれかに電気光学変調素子や音響光学変調素子等の 変調素子を配設し、 あるいはメカニカルシャツ夕を配設するなどにより容 易に行うことができる。
従って、 上記のような露光装置によれば、 小型軽量で配置の自由度が高 い紫外光源の特性を生かして小型でメンテナンス性、 操作性の良好な露光 装置を得ることができる。
以上説明したように、 本発明に係る紫外光源では、 ファイバ一光増幅器 の励起光源としてシングルモ一ドのファイバーレーザを用いているため、 簡明な装置構成で、 高ピークパワーと高い平均出力とを両立させた紫外光 源を提供することができる。 マスク欠陥検査装置
次に、 以上説明した本発明に係る紫外光源 1を用いて構成されるマスク 欠陥検査装置について、 図 1 0を参照して以下に説明する。
マスク欠陥検査装置は、 フォ トマスク上に精密に描かれたデバイスパ夕 —ンを T D Iセンサ （Time Delay and Integration) 上に光学的に投 影し、 センサ画像と所定の参照画像とを比較し、 その差からパターンの欠 陥を抽出する。
マスク欠陥検査装置 1 2 0は、 上述した紫外光源 1と、 照明光学系 1 1 2と、 フォトマスク 1 1 0を支持するマスク支持台 1 1 3と、 マスク支持 台を水平移動させる駆動装置 1 1 6と、 投影光学系 1 1 4と、 T D Iセン サ 1 2 5とを備えて構成される。
このマスク欠陥検査装置 1 2 0においては、 上述した紫外光源 1から出 力される紫外レーザ光 L vが、 複数のレンズから構成される照明光学系 1 1 2に入力され、 ここを通ってマスク支持台 1 1 3に支持されたフォトマ スク 1 1 0の所定領域に照射される。 このように照射されてフォトマスク 1 1 0を通過した光は、 フォトマスク 1 1 0に描かれたデバイスパターン の像を有しており、 この光が投影光学系 1 1 4を介して T D Iセンサ 1 2 5の所定の位置に結像される。 なお、 マスク支持台 1 1 3の水平移動速度 と、 T D I 1 2 5の転送クロックとは同期している。

Claims

言青 求 の 範 囲
1 . 赤外から可視領域の信号光を発生させるレーザ光源と、
少なくとも 1段のファイバ一光増幅器を有し前記レーザ光源で発生さ れた信号光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器で増幅された信号光を紫外光に波長変換して出力する波 長変換光学系とを備えてなる紫外光源において、
前記光増幅器における少なくとも 1段のファイバ一光増幅器の励起光 源がシングルモードフアイバーレ一ザであることを特徴とする紫外光源。
2 . 前記シングルモードファイバ一レーザを励起光源とするファイバ一光 増幅器が、 前記光増幅器における終段のファイバ一光増幅器であること を特徴とする請求項 1に記載の紫外光源。 3 . 前記シングルモードファイバーレーザがラマン ' ファイバ一レーザで あることを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の紫外光源。
. 前記シングルモードファイバ一レーザがイツトリビゥム · ドープ ' フ アイバーレーザであることを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載 の紫外光源。
5 . 前記信号光と前記励起光源からの励起光とを同軸に重ね合わせる波長 分割多重化装置が、 ファイバー融着型の波長分割多重化装置であって、 該波長分割多重化装置を前記光増幅器の入力側に配置してなることを特 徴とする請求項 1から請求項 4のいずれか一項に記載の紫外光源。
6 . 請求項 1から請求項 5のいずれかに記載の紫外光源と、
前記紫外光源から出射される紫外光を治療部位に導いて照射させる照 射光学系とを備えて構成されることを特徴とする光治療装置。
7 . 請求項 1から請求項 5のいずれかに記載の紫外光源と、
所定の露光パターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持 部と、
露光対象物を保持する対象物保持部と、
前記紫外光源から出射される紫外光を前記マスク支持部に保持された フォトマスクに照射させる照明光学系と、
前記照明光学系を介して前記フオトマスクに照射されてここを通過し た照射光を前記対象物保持部に保持された露光対象物に照射させる投影 光学系とを備えて構成されることを特徴とする露光装置。 8 . 請求項 1から請求項 5のいずれかに記載の紫外光源と、
所定のパターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、 前記パターンの投影像を検出する検出器と、
前記紫外光源から出射される紫外光を前記マスク支持部に保持された フォトマスクに照射させる照明光学系と、
前記照明光学系を介して前記フォトマスクに照射されて、 通過した照 明光を前記検出器に投影させる投影光学系とを特徴とするマスク欠陥検 査装置。
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