レーザ装置、レーザ装置を備えた露光装置及び検査装置
【課題】出力光の吸収による位相不整合を低減して波長変換効率を向上可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】本発明を例示する態様のレーザ装置は、第１のレーザ光Ｌ10を出力する第１レーザ光出力部１０と、第１のレーザ光を波長変換して変換光Ｌ30を出力する波長変換光学素子３０と、第１のレーザ光と異なる波長の第２のレーザ光Ｌ20を出力する第２レーザ光出力部２０と、第２のレーザ光Ｌ20を第１のレーザ光Ｌ10と重ね合わせて波長変換光学素子３０に入射させる合成光学素子３１とを備える。第２のレーザ光Ｌ20は、波長変換光学素子３０における第２のレーザ光Ｌ20の吸収によって発生する熱量が、波長変換光学素子における変換光Ｌ30の吸収によって発生する熱量と略等しくなるように設定される。
【解決手段】本発明を例示する態様のレーザ装置は、第１のレーザ光Ｌ10を出力する第１レーザ光出力部１０と、第１のレーザ光を波長変換して変換光Ｌ30を出力する波長変換光学素子３０と、第１のレーザ光と異なる波長の第２のレーザ光Ｌ20を出力する第２レーザ光出力部２０と、第２のレーザ光Ｌ20を第１のレーザ光Ｌ10と重ね合わせて波長変換光学素子３０に入射させる合成光学素子３１とを備える。第２のレーザ光Ｌ20は、波長変換光学素子３０における第２のレーザ光Ｌ20の吸収によって発生する熱量が、波長変換光学素子における変換光Ｌ30の吸収によって発生する熱量と略等しくなるように設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、レーザ光出力部から出力されたレーザ光を波長変換して変換光を出力する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置に関する。また、このようなレーザ装置を備えた露光装置及び検査装置等のレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光出力部と波長変換光学素子とを備えたレーザ装置は、顕微鏡や形状測定装置、露光装置、検査装置などのレーザシステムの光源として用いられている。このようなレーザシステムでは、赤外〜可視領域のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に変換する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置が好適に用いられる。レーザ装置の出力波長は、そのレーザ装置が組み込まれるシステムの用途及び機能に応じて設定され、レーザ装置の出力波長に応じたレーザ光出力部及び波長変換光学素子が用いられる（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
例えば、レーザ光出力部から波長５３２[ｎｍ]の可視光が出力され、波長変換光学素子において第２高調波発生により波長２６６[ｎｍ]の紫外光に波長変換して出力される。あるいは、レーザ光出力部から波長１０６４[ｎｍ]の赤外光と波長５３２[ｎｍ]の可視光が出力され、波長変換光学素子において和周波発生により波長３５５[ｎｍ]の紫外光に変換して出力されるように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５０９１４号公報
【特許文献２】特開２００４−８６１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長変換光学素子で紫外光を発生させる場合に、発生した紫外光の吸収による発熱が起こる。発熱による温度上昇は波長変換光学素子の屈折率を変化させる。屈折率が変化すると波長変換の際に位相不整合が生じ（位相不整合量Δｋが増大し）、波長変換効率が低下する。波長変換により紫外光を発生する波長変換素子において、ビームの伝播方向をｚ軸にとり、波長変換素子への入射面をｚ＝０、波長変換素子からの出射面をｚ＝Ｌとする場合を考える。このときｚ＝０（入射面）では紫外光は存在しないため、紫外光が波長変換素子に吸収されることによる発熱はないが、ｚ方向へのビームの伝播とともに紫外光強度が増加する。それに伴って紫外光の吸収が増加するために発熱量も増加し、ｚ＝Ｌ（出射面）近傍で紫外光強度は最大になり、同時に発熱量も最大となる。この結果、ｚ軸方向に温度分布が発生して位相不整合が生じ、波長変換効率が低くなるという課題があった。波長変換効率の低下は、波長変換により発生する紫外光のパワーが高いほど顕著に表れ、高出力化の妨げになっているという課題があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、波長変換効率の向上可能なレーザ装置を提供することを目的とする。また、エネルギー効率を高めた露光装置や検査装置等のレーザシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明を例示する第１の態様はレーザ装置である。レーザ装置は、第１のレーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、第１レーザ光出力部から出力された第１のレーザ光を波長変換して変換光を出力する波長変換光学素子と、第１のレーザ光と波長が異なる第２のレーザ光を出力する第２レーザ光出力部と、第２レーザ光出力部から出力された第２のレーザ光を波長変換光学素子に入射させる合成光学素子とを備える。第２のレーザ光の光路は、波長変換光学素子の入射面及び出射面において第１のレーザ光の光路の近傍に位置するか、または、波長変換光学素子の入出射面間において第１のレーザ光の光路と重ね合わされており、第２のレーザ光の波長及びパワーは、波長変換光学素子における第２のレーザ光の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子における変換光の吸収によって発生する熱量とが略等しくなるように設定される。なお、「近傍」とは、第１のレーザ光の光路と第２のレーザ光の光路とが接近して、熱的に相互作用を及ぼし合うような位置関係をいう。上記波長変換光学素子の入射側、あるいは出射側にさらに波長変換光学素子を設けてレーザ装置を構成しても良い。
【０００８】
なお、前記変換光の波長は紫外領域であり、前記第２のレーザ光の波長は赤外領域であるように構成することができる。
【０００９】
また、波長変換光学素子における第２のレーザ光の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、波長変換光学素子において第２のレーザ光が伝播する方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌの値はほぼ１であるように構成することができる。
【００１０】
また、波長変換光学素子における変換光の吸収係数をα1、第２のレーザ光の吸収係数をα2とし、波長変換光学素子から出力される変換光のパワーをＰ1、波長変換光学素子に入射する第２のレーザ光のパワーをＰ2としたときに、α1×Ｐ1≒α2×Ｐ2を満足するように第２のレーザ光のパワーＰ2を設定することができる。
【００１１】
なお、前記第１のレーザ光は、第１波長のレーザ光（例えば、実施形態における波長１０６４[ｎｍ]の基本波）と第２波長のレーザ光（例えば、実施形態における波長５３２[ｎｍ]の第２高調波）とが同軸に重複されて形成されており、波長変換光学素子は、第１波長のレーザ光と第２波長のレーザ光との和周波発生により変換光を発生するように構成することができる。あるいは、前記第１のレーザ光は、第３波長のレーザ光（例えば、実施形態における波長が５３２[ｎｍ]である第２高調波Ｌ15）であり、波長変換光学素子は、第３波長のレーザ光の第２高調波発生により変換光を発生するように構成しても良い。
【００１２】
本発明を例示する第２の態様は露光装置である。この露光装置は、上記のようなレーザ装置と、所定の露光パターンが形成さ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露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光をマスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。
【００１３】
本発明を例示する第３の態様は検査装置である。この検査装置は、上記のようなレーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光を被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１４】
第１の態様のレーザ装置では、波長変換の対象である第１のレーザ光と第２のレーザ光とを重ね合わせて、または、入射面及び出射面で第１のレーザ光の近傍を通るように、第２のレーザ光を波長変換光学素子に入射させる。第２のレーザ光の波長及びパワーは、波長変換光学素子における第２のレーザ光の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子における変換光の吸収によって発生する熱量とが、略等しくなるように設定されている。前述したように、変換光（紫外光）の吸収による発熱は、入射面において最小、出射面において最大になる。一方、第２のレーザ光の吸収による発熱は、入射面において最大、出射面において最小になる。その結果、波長変換光学素子の出射面側では変換光の吸収によって波長変換光学素子の温度が上昇し、入射面側では第２のレーザ光の吸収によって波長変換光学素子の温度が上昇する。本構成形態においては、両者の吸収により発生する熱量が略等しくなるように設定されている。このため、入射面側の温度上昇と出射面側の温度上昇が同程度となり、第２のレーザ光が存在しない場合（従来）と比べて波長変換光学素子の内部における温度偏差が大幅に縮小される。温度偏差の縮小は位相不整合量Δｋの縮小を意味する。これにより波長変換効率を向上させることができる。
【００１５】
第２の態様の露光装置は、波長変換効率を向上したレーザ装置を備えている。そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた露光装置を提供することができる。
【００１６】
第３の態様の検査装置は、波長変換効率を向上したレーザ装置を備えている。そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の適用例として示す第１構成形態のレーザ装置の概要構成図である。
【図２】ＬＢＯ結晶の光の透過特性を示すグラフである。
【図３】ＬＢＯ結晶内のｚ軸に沿った発熱分布のシミュレーション結果である。
【図４】図３の算出に用いた条件値である。
【図５】本発明の適用例として示す第２構成形態のレーザ装置の概要構成図である。
【図６】ＢＢＯ結晶の光の透過特性を示すグラフである。
【図７】ＢＢＯ結晶内のｚ軸に沿った発熱分布のシミュレーション結果である。
【図８】図７の算出に用いた条件値である。
【図９】本発明の適用例として示す露光装置の概要構成図である。
【図１０】本発明の適用例として示す検査装置の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用したレーザ装置の一例として、第１構成形態のレーザ装置ＬＳ１の概要構成図を図１に示す。レーザ装置ＬＳ１は、第１のレーザ光Ｌ10を出力する第１レーザ光出力部１０と、第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10を波長変換して変換光Ｌ30を出力する波長変換光学素子３０と、第１のレーザ光Ｌ10と波長が異なる第２のレーザ光Ｌ20を出力する第２レーザ光出力部２０と、第２レーザ光出力部２０から出力された第２のレーザ光Ｌ20を第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10と同軸に重ね合わせて波長変換光学素子３０に入射させる合成光学素子３１などを備えて構成される。なお、図１及び後述する図５においては、コリメートレンズや集光レンズ、アイソレータ等の光学部品の記載を省略している。
【００１９】
第１レーザ光出力部１０及び波長変換光学素子３０は、レーザ装置ＬＳ１から出力する変換光Ｌ30の波長に応じて適宜に設定することができる。本構成形態においては、第１レーザ光出力部１０から出力する第１のレーザ光Ｌ10は、波長が１０６４[ｎｍ]のレーザ光である基本波Ｌ11と、波長が５３２[ｎｍ]のレーザ光である前記基本波の第２高調波Ｌ12とが重ね合わされたものである。波長変換光学素子３０は、基本波Ｌ11と前記基本波の第２高調波Ｌ12の和周波である波長３５５[ｎｍ]の変換光Ｌ30を発生させる。
【００２０】
第１レーザ光出力部１０は、シード光を発生するレーザ光発生部１１と、レーザ光発生部１１により発生されたシード光を増幅して増幅されたシード光すなわち基本波Ｌ11を出力する増幅部１２と、増幅部１２から出力された基本波Ｌ11の波長を変換する波長変換光学素子１３とを有して構成される。
【００２１】
レーザ光発生部１１は、波長１０６４[ｎｍ]のシード光を発生するレーザ光源を備える。レーザ光源としては、例えば、ＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を制御することにより連続発振またはパルス発振させることができる。また、ＤＦＢ半導体レーザは、温度制御することにより所定の波長範囲の狭帯域化された単一波長のレーザ光を出射させることができる。なお、レーザ光源の出力側に電気光学変調器（ＥＯＭ）を設け、レーザ光源により発生されたレーザ光の一部を電気光学変調器により切り出してシード光を出力するように構成しても良い。レーザ光発生部１１から出力されたシード光は増幅部１２に入射する。
【００２２】
増幅部１２は、ファイバ光増幅器を備えて構成される。波長１０６４[ｎｍ]のシード光を増幅するファイバ光増幅器として、１０００〜１１００[ｎｍ]の波長帯域に利得を有するイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。ファイバ光増幅器により所定パワーに増幅されたシード光、すなわち基本波Ｌ11は増幅部１２から出力される。本構成例の場合、増幅部から出力される基本波Ｌ11のパワーは、例えば数十〜数百Ｗである。なお、増幅部１２は、増幅すべきパワーに応じて複数のファイバ光増幅器を直列及び／または並列に接続して構成することができる。増幅部１２から出力された基本波Ｌ11は、図示省略するレンズを介して波長変換光学素子１３に集光されて入射する。
【００２３】
波長変換光学素子１３では、基本波の第２高調波が発生する。すなわち波長５３２[ｎｍ]の第２高調波が発生する。本構成形態では、波長変換光学素子１３として、ＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶を用いた場合を例示する。なお、ＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶やＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ3）結晶等を用いることもできる。波長変換光学素子１３からは、波長変換光学素子１３を波長変換されずに透過した基本波Ｌ11と、波長変換光学素子１３で発生した第２高調波Ｌ12とが重ね合わされた状態で出射される。重ね合わされた状態で出射された基本波Ｌ11と第２高調波Ｌ12とはレンズを介して合成光学素子３１に入射する。すなわち、第１レーザ光出力部１０からは、波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11と波長５３２[ｎｍ]の第２高調波Ｌ12からなる第１のレーザ光Ｌ10が出射され、第１のレーザ光Ｌ10は合成光学素子３１に入射する。
【００２４】
第２レーザ光出力部２０は、上記第１レーザ光出力部１０から出力される第１のレーザ光Ｌ10とは異なる波長の第２のレーザ光Ｌ20を出力するレーザ光出力部である。第２のレーザ光Ｌ20については後に詳述するが、波長変換光学素子３０における第２のレーザ光Ｌ20の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子３０により発生する変換光Ｌ30を波長変換光学素子３０が吸収することによって発生する熱量とが、ほぼ等しくなるように種々の条件が設定される。本構成形態において、第２のレーザ光Ｌ20の波長は２．５[μｍ]であり、第２レーザ光出力部２０は波長２．５[μｍ]のレーザ光を発生するレーザ光源を主体として構成される。このようなレーザ光源としては、例えば、半導体レーザを用いることができる。第２レーザ光出力部２０から出力された波長２．５[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ20は、レンズを介して合成光学素子３１に入射する。すなわち、第２レーザ光出力部２０からは、波長２．５[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ20が出射され、第２のレーザ光Ｌ20は合成光学素子３１に入射する。
【００２５】
合成光学素子３１は、第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10（基本波Ｌ11及び第２高調波Ｌ12）と第２レーザ光出力部２０から出力された第２のレーザ光Ｌ20とを同軸に重ね合わせる光学素子である。具体的には、波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11及び波長５３２[ｎｍ]の第２高調波Ｌ12を透過し、波長２．５[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ20を反射するダイクロイックミラーが好適に用いられる。合成光学素子３１によって同軸に重ね合わされた第１のレーザ光Ｌ10（基本波Ｌ11及び第２高調波Ｌ12）と第２のレーザ光Ｌ20は、波長変換光学素子３０に入射する。
【００２６】
波長変換光学素子３０では、基本波Ｌ11と第２高調波Ｌ12との和周波発生により、波長が３５５[ｎｍ]の第３高調波である変換光Ｌ30が発生する。発生した変換光Ｌ30はレーザ装置ＬＳ１から出力される。本構成例では、波長変換光学素子３０としてＬＢＯ結晶を用いた場合を例示する。なお、波長変換光学素子３０としてＢＢＯ結晶を用いてもよい。
【００２７】
波長変換光学素子３０における和周波発生に関与するのは第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10（基本波Ｌ11及び第２高調波Ｌ12）であり、第２レーザ光出力部２０から出力された第２のレーザ光Ｌ20は上記和周波の発生には関与しない。しかしながら、第２のレーザ光Ｌ20は、波長変換光学素子３０における和周波発生の発生効率、すなわち変換効率を向上させるという重要な効果を奏する。以降では、この第２のレーザ光Ｌ20の効果について詳細に説明する。
【００２８】
波長変換光学素子３０に、波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11（以下、１０６４ｎｍ光とも表記する）と波長５３２[ｎｍ]の第２高調波Ｌ12（以下、５３２ｎｍ光とも表記する）が入射されと、これらの光が波長変換光学素子３０の内部を進行するのに伴って、和周波が発生する。すなわち、波長３５５[ｎｍ]の変換光Ｌ30（以下、３５５ｎｍ光とも表記する）が発生する。発生する３５５ｎｍ光の量は、波長変換光学素子３０の入射面ではゼロであり、出射面で最大になる。波長変換光学素子３０における光の吸収は、１０６４ｎｍ光及び５３２ｎｍ光と比較して、３５５ｎｍ光は顕著に大きい。そのため、波長変換光学素子３０が３５５ｎｍ光を吸収することによる発熱は、波長変換光学素子３０の入射面で最小、出射面で最大になり、波長変換光学素子３０の内部には温度偏差が発生する。例えば、波長変換光学素子３０において入射面と出射面の間に温度勾配が発生する。波長変換光学素子３０の内部に温度偏差が発生すると、１０６４ｎｍ光と５３２ｎｍ光の間に位相不整合が生じて、和周波発生による波長変換効率は低下する。
【００２９】
本技術は、波長変換光学素子３０における温度偏差を縮小することで、位相不整合を低減するものである。その具体的手段として、波長変換光学素子３０として用いるＬＢＯ結晶が大きな吸収をもつ波長域の光である波長２．５μｍの第２のレーザ光Ｌ20（以下、２．５μｍ光とも表記する）の光路を、第１のレーザ光Ｌ10（１０６４ｎｍ光Ｌ11及び５３２ｎｍ光Ｌ12を重複させた光）の光路と同軸に重ね合わせるか、または、第１のレーザ光Ｌ10の近傍に光路が平行となるように、第１のレーザ光Ｌ10の入射面側から入射させる。これにより、第２のレーザ光Ｌ20の吸収による発熱は、波長変換光学素子３０の入射面側ほど大きい。その際、第２のレーザ光の吸収による発熱量が、変換光Ｌ30（３５５ｎｍ光）の吸収による発熱量と略等しくなるように設定される。
【００３０】
ＬＢＯ結晶における光の透過特性を図２に示す。図２における横軸は波長、縦軸は透過率である。図２から定量的な把握は難しいが、ＬＢＯ結晶は波長３５５[ｎｍ]の光に対して１％未満の僅かな吸収を示す。長波長側では概ね２[μｍ]あたりから透過率が低下し始め、２．３[μｍ]以上の領域では相当透過率が低い（吸収率が高い）。本構成形態では、第２のレーザ光Ｌ20の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、ＬＢＯ結晶のｚ軸方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌが１近傍の値となるように、第２のレーザ光Ｌ20の波長を２．５[μｍ]に設定している。換言すれば、第２のレーザ光Ｌ20の波長は、ＬＢＯ結晶に入射した第２のレーザ光が出射面に至る過程でほぼ吸収されるように設定される。
【００３１】
以下、ＬＢＯ結晶（波長変換光学素子３０）における波長変換過程で生じる３５５ｎｍ光による発熱と、２．５μｍ光による発熱の状況について、具体例を交えて定量的に説明する。ＬＢＯ結晶で発生する３５５ｎｍ光のビーム強度をＰ1[Ｗ]、吸収係数をα1[ｃｍ-1]とすると、３５５ｎｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε1は、ε1＝α1Ｐ1[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。同様に、ＬＢＯ結晶に入射する２．５μｍ光のビーム強度をＰ2[Ｗ]、吸収係数をα2[ｃｍ-1]とすると、２．５μｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε2は、ε2＝α2Ｐ2[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。
【００３２】
３５５ｎｍ光はＬＢＯ結晶内での波長変換過程により生成され、入射面からの距離の増加とともに増大する。すなわち、３５５ｎｍ光のビーム強度Ｐ1はビームの伝播方向をｚ軸にとったときにｚの関数でありＰ1(ｚ)で表される。３５５ｎｍ光のビーム強度Ｐ1(ｚ)は、入射面をｚ＝０とすると、概ねＰ1(ｚ)∝tanh2(βｚ）のように成長する。比例係数やβは波長変換過程に応じて定まる。
【００３３】
一方、ＬＢＯ結晶に入射した２．５μｍ光のビーム強度Ｐ2は、結晶内での吸収に伴って入射面からの距離の増加とともに減衰する。すなわち、２．５μｍ光のビーム強度Ｐ2もｚの関数であり、Ｐ2(ｚ)で表される。ＬＢＯ結晶に入射した２．５μｍ光のビーム強度Ｐ2(ｚ)は、Ｐ2(ｚ)＝Ｐ2(０)＊exp(−α2ｚ）のように変化する。Ｐ2(０)は入射面での強度、すなわち入射強度である。
【００３４】
これらの式に具体的な値を代入し、ＬＢＯ結晶について結晶内のｚ軸に沿った発熱分布を算出した結果を図３に示す。図３における横軸はｚ軸に沿った結晶の位置、縦軸は単位長さ当たりの発熱量である。本構成例においてＬＢＯ結晶のｚ軸に沿った長さはＬ＝２[ｃｍ]である。図３中の細かい点線は３５５ｎｍ光の吸収による発熱ε1、粗い点線は２．５μｍ光の吸収による発熱ε2、実線は両者の発熱の和ε3＝ε1＋ε2を示す。図３の計算に用いた３５５ｎｍ光及び２．５μｍ光の吸収係数α1，α2、ビーム強度Ｐ1(Ｌ)，Ｐ2(０)の具体的な値を図４に示す。２．５μｍ光の入力パワーＰ2(０)は、概ねα1×Ｐ1(Ｌ)≒α2×Ｐ2(０)を満たすように設定される。
【００３５】
２．５μｍ光（第２のレーザ光Ｌ20）が入射されない状態では、ＬＢＯ結晶内の発熱は３５５ｎｍ光の吸収による発熱ε1のみであり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ａで示す幅を有する。一方、２．５μｍ光が入射された状態では、ＬＢＯ結晶内の発熱は、３５５ｎｍ光の吸収による発熱ε1と２．５μｍ光の吸収による発熱ε2との和ε3になり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ｂで示す幅となる。
【００３６】
両者を対比して明らかなように、第１のレーザ光Ｌ10（１０６４ｎｍ光Ｌ11及び５３２ｎｍ光Ｌ12）に、第２のレーザ光Ｌ20（２．５μｍ光）を同時入射した場合に、ＬＢＯ結晶内の発熱のばらつきが大幅に抑制され、本構成例においては約１／３に低減されることが分かる。その結果、ＬＢＯ結晶内における温度のばらつきΔｔも同程度抑制されて位相不整合量Δｋが低減され、これにより波長変換効率の向上が実現される。
【００３７】
次に、第２構成形態のレーザ装置ＬＳ２について、その概要構成を示す図５を参照して説明する。なお、レーザ装置ＬＳ１と同様部分に同一番号を付して重複説明を省略する。ーザ装置ＬＳ２は、第１のレーザ光Ｌ15を出力する第１レーザ光出力部１５と、第１レーザ光出力部１５から出力された第１のレーザ光Ｌ15を波長変換して変換光Ｌ35を出力する波長変換光学素子３５と、第１のレーザ光Ｌ15と波長が異なる第２のレーザ光Ｌ25を出力する第２レーザ光出力部２５と、第２レーザ光出力部２５から出力された第２のレーザ光Ｌ25を第１レーザ光出力部１５から出力された第１のレーザ光Ｌ15と同軸に重ね合わせて波長変換光学素子３５に入射させる合成光学素子３６などを備えて構成される。
【００３８】
第１レーザ光出力部１５は、シード光を発生するレーザ光発生部１１と、レーザ光発生部１１により発生されたシード光を増幅して増幅されたシード光すなわち基本波Ｌ11を出力する増幅部１２と、増幅部１２から出力された基本波Ｌ11の波長を変換する波長変換光学素子１６とを有して構成される。レーザ光発生部１１、増幅部１２の構成は前述したレーザ装置ＬＳ１と同様であり、増幅部１２から出力された波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11が図示省略するレンズを介して波長変換光学素子１６に集光入射する。
【００３９】
波長変換光学素子１６では、基本波の第２高調波発生により波長５３２[ｎｍ]の第２高調波が発生する。本構成形態では、波長変換光学素子１６としてＬＢＯ結晶を用いた場合を例示する。なお、入射する基本波Ｌ11のパワーに応じて、ＰＰＬＮ結晶やＢＢＯ結晶等を用いることもできる。発生した第２高調波は第１のレーザ光Ｌ15として波長変換光学素子１６から出射され、第１レーザ光出力部１５から出力される。第１レーザ光出力部１５から出力された波長５３２[ｎｍ]の第１のレーザ光Ｌ15は、レンズを介して合成光学素子３６に入射する。
【００４０】
第２レーザ光出力部２５は、上記第１レーザ光出力部１５から出力される第１のレーザ光Ｌ15とは異なる波長の第２のレーザ光Ｌ25を出力するレーザ光出力部である。第２のレーザ光Ｌ25は、波長変換光学素子３５における第２のレーザ光Ｌ25の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子３５により発生する変換光Ｌ35を波長変換光学素子３５が吸収することによって発生する熱量とが、ほぼ等しくなるように種々の条件が設定される。本構成形態において、第２のレーザ光Ｌ25の波長は２．６[μｍ]であり、第２レーザ光出力部２５は波長２．６[μｍ]のレーザ光を発生するレーザ光源（例えば半導体レーザ）を主体として構成される。第２レーザ光出力部２５から出力された波長２．６[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ25は、レンズを介して合成光学素子３６に入射する。すなわち、第２レーザ光出力部２５からは、波長２．６[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ25が出射され、第２のレーザ光Ｌ25は合成光学素子３６に入射する。
【００４１】
合成光学素子３６は、第１レーザ光出力部１５から出力された第１のレーザ光Ｌ15と第２レーザ光出力部２５から出力された第２のレーザ光Ｌ25とを同軸に重ね合わせる光学素子である。具体的には、波長５３２[ｎｍ]の第１のレーザ光Ｌ15を透過し、波長２．６[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ25を反射するダイクロイックミラーが好適に用いられる。合成光学素子３６によって同軸に重ね合わされた第１のレーザ光Ｌ15及び第２のレーザ光Ｌ25は、波長変換光学素子３５に入射する。
【００４２】
波長変換光学素子３５では、第１のレーザ光Ｌ15の第２高調波発生が行われ、波長が２６６[ｎｍ]の変換光Ｌ35が発生する。そして、発生した波長２６６[ｎｍ]の変換光Ｌ35がレーザ装置ＬＳ２から出力される。本構成例では、波長変換光学素子３５としてＢＢＯ結晶を用いた場合を例示する。なお、ＣＬＢＯ結晶を用いてもよい
【００４３】
波長変換光学素子３５で発生する変換光（２６６ｎｍ光）Ｌ35の量は、波長変換光学素子３５の入射面ではゼロであり、出射面で最大になる。そのため、波長変換光学素子３５が２６６ｎｍ光を吸収することによる発熱は、波長変換光学素子３５の入射面で最小、出射面で最大になり、波長変換光学素子３５の内部には温度偏差が発生する。波長変換光学素子３５の内部に温度偏差が発生すると位相不整合が生じ、第２高調波発生の波長変換効率は低下する。本技術は、波長変換光学素子３５における温度偏差を縮小することで位相不整合を低減する。その具体的手段として、波長変換光学素子３５として用いるＢＢＯ結晶が大きな吸収をもつ波長域の光である波長２．６μｍの第２のレーザ光Ｌ25（２．６μｍ光）の光路を、第１のレーザ光Ｌ15の光路と同軸に重ね合わせるか、または第１のレーザ光Ｌ15の近傍に平行となるように、第１のレーザ光Ｌ15の入射面側から入射させる。第２のレーザ光Ｌ25の吸収による発熱は、波長変換光学素子３５の入射面側ほど大きい。第２のレーザ光のパワーは、第２のレーザ光の吸収による発熱量が、変換光Ｌ35（２６６ｎｍ光）の吸収による発熱量と略等しくなるように設定される。
【００４４】
ＢＢＯ結晶における光の透過特性を図６に示す。図６における横軸は波長、縦軸は透過率である。図６からは定量的な把握はやや難しいものの、ＢＢＯ結晶は波長２６６[ｎｍ]の光に対して１％未満の僅かな吸収を示す。長波長側では概ね２[μｍ]あたりから透過率が低下し始め、２．５[μｍ]以上の領域では相当透過率が低い（吸収率が高い）状態になる。本構成形態では、第２のレーザ光Ｌ25の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、ＢＢＯ結晶のｚ軸方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌが１近傍の値となるように、第２のレーザ光Ｌ25の波長を２．６[μｍ]に設定している。
【００４５】
ＢＢＯ結晶で発生する２６６ｎｍ光のビーム強度をＰ1[Ｗ]、吸収係数をα1[ｃｍ-1]とすると、２６６ｎｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε1は、ε1＝α1Ｐ1[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。同様に、ＢＢＯ結晶に入射する２．６μｍ光のビーム強度をＰ2[Ｗ]、吸収係数をα2[ｃｍ-1]とすると、２．６μｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε2は、ε2＝α2Ｐ2[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。
【００４６】
ＢＢＯ結晶内において生成される２６６ｎｍ光のビーム強度Ｐ1は、ビームの伝播方向をｚ軸にとったときにｚの関数であり、Ｐ1(ｚ)で表される。入射面をｚ＝０とすると、２６６ｎｍ光のビーム強度Ｐ1(ｚ)は、概ねＰ1(ｚ)∝tanh2(βｚ）のように成長する。ＢＢＯ結晶に入射した２．６μｍ光のビーム強度Ｐ2もｚの関数でありＰ2(ｚ)で表される。ＢＢＯ結晶に入射した２．６μｍ光のビーム強度Ｐ2(ｚ)は、Ｐ2(ｚ)＝Ｐ2(０)＊exp(−α2ｚ）のように変化する。
【００４７】
これらの式に具体的な値を代入し、ＢＢＯ結晶について結晶内のｚ軸に沿った各部の発熱量を算出した結果を図７に示す。図７における縦軸、横軸は図３と同様であり、ＢＢＯ結晶のｚ軸に沿った長さはＬ＝２[ｃｍ]である。図７中の細かい点線は２６６ｎｍ光の吸収による発熱ε1、粗い点線は２．６μｍ光の吸収による発熱ε2、実線は両者の発熱の和ε3＝ε1＋ε2を示す。図７の計算に用いた２６６ｎｍ光及び２．６μｍ光の吸収係数α1，α2、ビーム強度Ｐ1(Ｌ)，Ｐ2(０)の具体的な値を図８に示す。２．６μｍ光の入力パワーＰ2(０)は、概ねα1×Ｐ1(Ｌ)≒α2×Ｐ2(０)を満たすように設定される。
【００４８】
２．６μｍ光（第２のレーザ光Ｌ25）が入射されない状態では、ＢＢＯ結晶内の発熱は２６６ｎｍ光の吸収による発熱ε1のみであり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ｃで示す幅を有する。一方、２．６μｍ光が入射された状態では、ＢＢＯ結晶内の発熱は、２６６ｎｍ光の吸収による発熱ε1と２．６μｍ光の吸収による発熱ε2との和ε3になり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ｄで示す幅となる。
【００４９】
両者を対比して明らかなように、第１のレーザ光（１０６４ｎｍ光）Ｌ15に、第２のレーザ光（２．６μｍ光）Ｌ25を同時入射した場合に、ＢＢＯ結晶内の発熱のばらつきが大幅に抑制され、本構成例においても約１／３に低減されることが分かる。その結果、ＢＢＯ結晶内における温度のばらつきΔｔも同程度抑制されて位相不整合量Δｋが低減され、これにより波長変換効率の向上が実現される。
【００５０】
従って、以上説明したようなレーザ装置ＬＳ（ＬＳ１，ＬＳ２）によれば、第２のレーザ光が存在しない場合と比べて波長変換光学素子内の温度偏差を大幅に縮小することができ、これにより波長変換効率を向上させることができる。また、レーザ装置ＬＳにおいては、第２のレーザ光が第１のレーザ光と同軸に重ね合わされて入射するので、第１のレーザ光の光路近傍を直接加熱することができる。このため、結晶の外部から温度分布を制御する構成と比較して、より的確に第１のレーザ光の光路に沿って温度偏差を抑制することができる。
【００５１】
なお、以上では、波長変換光学素子３５の例として、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶を示し、出力される変換光として３５５ｎｍ光、２６６ｎｍ光を例示したが、本技術は他の非線形光学結晶や出力波長（例えばＣＬＢＯ結晶、１９３ｎｍ等）に適用することができる。また、変換光を波長変換光学素子３５の短波長側の光とし、第２のレーザ光を長波長側の光としたが（図２、図６を参照）、これらを逆にした構成にしても良い。すなわち、波長変換光学素子において差周波発生等により赤外領域の変換光を出力する場合に、紫外領域の第２のレーザ光を同軸入射することで結晶内温度の均質化を図ることができる。
【００５２】
以上説明したようなレーザ装置ＬＳ（ＬＳ１，ＬＳ２）は、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、露光装置や光造形装置等の光加工装置、フォトマスクやウェハ等の検査装置、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光治療装置などのシステムに好適に適用することができる。
【００５３】
次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第１の適用例として、半導体製造や液晶パネル製造のフォトリソグラフィエ程で用いられる露光装置について、その概要構成を示す図９を参照して説明する。露光装置１００は、原理的には写真製版と同じであり、石英ガラス製のフォトマスク１１３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やガラス基板などの露光対象物１１５に光学的に投影して転写する。
【００５４】
露光装置１００は、上述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系１０２と、フォトマスク１１３を保持するマスク支持台１０３と、投影光学系１０４と、露光対象物１１５を保持する露光対象物支持テーブル１０５と、露光対象物支持テーブル１０５を水平面内で移動させる駆動機構１０６とを備えて構成される。照明光学系１０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、マスク支持部１０３に保持されたフォトマスク１１３に照射する。投影光学系１０４も複数のレンズ群により構成され、フォトマスク１１３を透過した光を露光対象物支持テーブル上の露光対象物１１５に投影する。
【００５５】
このような構成の露光装置１００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系１０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光がマスク支持台１０３に保持されたフォトマスク１１３に照射される。フォトマスク１１３を通過した光はフォトマスク１１３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１０４を介して露光対象物支持テーブル１０５に保持された露光対象物１１５の所定位置に照射される。これにより、フォトマスク１１３のデバイスパターンの像が、半導体ウェハや液晶パネル等の露光対象物１１５の上に所定倍率で結像露光される。
【００５６】
このような露光装置１００は、波長変換効率を向上したレーザ装置ＬＳを備えている。そのため、そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた露光装置を提供することができる。
【００５７】
次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第２の適用例として、フォトマスクや液晶パネル、ウェハ等（被検物）の検査工程で使用される検査装置について、その概要構成を示す図１０を参照して説明する。図１０に例示する検査装置２００は、フォトマスク等の光透過性を有する被検物２１３に描かれた微細なデバイスパターンの検査に好適に使用される。
【００５８】
検査装置２００は、前述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系２０２と、被検物２１３を保持する被検物支持台２０３と、投影光学系２０４と、被検物２１３からの光を検出するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ２１５と、被検物支持台２０３を水平面内で移動させる駆動機構２０６とを備えて構成される。照明光学系２０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、所定光束に調整して被検物支持部２０３に保持された被検物２１３に照射する。投影光学系２０４も複数のレンズ群により構成され、被検物２１３を透過した光をＴＤＩセンサ２１５に投影する。
【００５９】
このような構成の検査装置２００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系２０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光が被検物支持台２０３に保持されたフォトマスク等の被検物２１３に照射される。被検物２１３からの光（本構成例においては透過光）は、被検物２１３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２０４を介してＴＤＩセンサ２１５に投影され結像する。このとき、駆動機構２０６による被検物支持台２０３の水平移動速度と、ＴＤＩセンサ２１５の転送クロックとは同期して制御される。
【００６０】
そのため、被検物２１３のデバイスパターンの像がＴＤＩセンサ２１５により検出され、このようにして検出された被検物２１３の検出画像と、予め設定された所定の参照画像とを比較することにより、被検物に描かれた微細パターンの欠陥が抽出される。
【００６１】
このような検査装置２００は、波長変換効率を向上したレーザ装置ＬＳを備えている。そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた検査装置を提供することができる。なお、被検物２１３がウェハ等のように光透過性を有さない場合には、被検物からの反射光を投影光学系２０４に入射してＴＤＩセンサ２１５に導くことにより、同様に構成することができる。
【符号の説明】
【００６２】
ＬＳ１ 第１構成形態のレーザ装置
１０ 第１レーザ光出力部
２０ 第２レーザ光出力部
３０ 波長変換光学素子
３１ 合成光学素子
Ｌ10 第１のレーザ光（Ｌ11 基本波、Ｌ12 第２高調波）
Ｌ20 第２のレーザ光
Ｌ30 変換光
ε1 ３５５ｎｍ光の吸収による発熱
ε2 ２．５μｍ光の吸収による発熱
ε3 発熱の和（ε3＝ε1＋ε2）
Ａ ２．５μｍ光が入射されない状態での結晶内の発熱のばらつき
Ｂ ２．５μｍ光が入射された状態での結晶内の発熱のばらつき
ＬＳ２ 第２構成形態のレーザ装置
１５ 第１レーザ光出力部
２５ 第２レーザ光出力部
３５ 波長変換光学素子
３６ 合成光学素子
Ｌ15 第１のレーザ光
Ｌ25 第２のレーザ光
Ｌ35 変換光
ε1 ２６６ｎｍ光の吸収による発熱
ε2 ２．６μｍ光の吸収による発熱
ε3 発熱の和（ε3＝ε1＋ε2）
Ｃ ２．６μｍ光が入射されない状態での結晶内の発熱のばらつき
Ｄ ２．６μｍ光が入射された状態での結晶内の発熱のばらつき
１００ 露光装置
１０２ 照明光学系 １０３ マスク支持台
１０４ 投影光学系 １０５ 露光対象物支持テーブル
１１３ フォトマスク １１５ 露光対象物
２００ 検査装置
２０２ 照明光学系 ２０３ 被検物支持台
２０４ 投影光学系 ２１３ 被検物
２１５ ＴＤＩセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、レーザ光出力部から出力されたレーザ光を波長変換して変換光を出力する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置に関する。また、このようなレーザ装置を備えた露光装置及び検査装置等のレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光出力部と波長変換光学素子とを備えたレーザ装置は、顕微鏡や形状測定装置、露光装置、検査装置などのレーザシステムの光源として用いられている。このようなレーザシステムでは、赤外〜可視領域のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に変換する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置が好適に用いられる。レーザ装置の出力波長は、そのレーザ装置が組み込まれるシステムの用途及び機能に応じて設定され、レーザ装置の出力波長に応じたレーザ光出力部及び波長変換光学素子が用いられる（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
例えば、レーザ光出力部から波長５３２[ｎｍ]の可視光が出力され、波長変換光学素子において第２高調波発生により波長２６６[ｎｍ]の紫外光に波長変換して出力される。あるいは、レーザ光出力部から波長１０６４[ｎｍ]の赤外光と波長５３２[ｎｍ]の可視光が出力され、波長変換光学素子において和周波発生により波長３５５[ｎｍ]の紫外光に変換して出力されるように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５０９１４号公報
【特許文献２】特開２００４−８６１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長変換光学素子で紫外光を発生させる場合に、発生した紫外光の吸収による発熱が起こる。発熱による温度上昇は波長変換光学素子の屈折率を変化させる。屈折率が変化すると波長変換の際に位相不整合が生じ（位相不整合量Δｋが増大し）、波長変換効率が低下する。波長変換により紫外光を発生する波長変換素子において、ビームの伝播方向をｚ軸にとり、波長変換素子への入射面をｚ＝０、波長変換素子からの出射面をｚ＝Ｌとする場合を考える。このときｚ＝０（入射面）では紫外光は存在しないため、紫外光が波長変換素子に吸収されることによる発熱はないが、ｚ方向へのビームの伝播とともに紫外光強度が増加する。それに伴って紫外光の吸収が増加するために発熱量も増加し、ｚ＝Ｌ（出射面）近傍で紫外光強度は最大になり、同時に発熱量も最大となる。この結果、ｚ軸方向に温度分布が発生して位相不整合が生じ、波長変換効率が低くなるという課題があった。波長変換効率の低下は、波長変換により発生する紫外光のパワーが高いほど顕著に表れ、高出力化の妨げになっているという課題があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、波長変換効率の向上可能なレーザ装置を提供することを目的とする。また、エネルギー効率を高めた露光装置や検査装置等のレーザシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明を例示する第１の態様はレーザ装置である。レーザ装置は、第１のレーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、第１レーザ光出力部から出力された第１のレーザ光を波長変換して変換光を出力する波長変換光学素子と、第１のレーザ光と波長が異なる第２のレーザ光を出力する第２レーザ光出力部と、第２レーザ光出力部から出力された第２のレーザ光を波長変換光学素子に入射させる合成光学素子とを備える。第２のレーザ光の光路は、波長変換光学素子の入射面及び出射面において第１のレーザ光の光路の近傍に位置するか、または、波長変換光学素子の入出射面間において第１のレーザ光の光路と重ね合わされており、第２のレーザ光の波長及びパワーは、波長変換光学素子における第２のレーザ光の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子における変換光の吸収によって発生する熱量とが略等しくなるように設定される。なお、「近傍」とは、第１のレーザ光の光路と第２のレーザ光の光路とが接近して、熱的に相互作用を及ぼし合うような位置関係をいう。上記波長変換光学素子の入射側、あるいは出射側にさらに波長変換光学素子を設けてレーザ装置を構成しても良い。
【０００８】
なお、前記変換光の波長は紫外領域であり、前記第２のレーザ光の波長は赤外領域であるように構成することができる。
【０００９】
また、波長変換光学素子における第２のレーザ光の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、波長変換光学素子において第２のレーザ光が伝播する方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌの値はほぼ１であるように構成することができる。
【００１０】
また、波長変換光学素子における変換光の吸収係数をα1、第２のレーザ光の吸収係数をα2とし、波長変換光学素子から出力される変換光のパワーをＰ1、波長変換光学素子に入射する第２のレーザ光のパワーをＰ2としたときに、α1×Ｐ1≒α2×Ｐ2を満足するように第２のレーザ光のパワーＰ2を設定することができる。
【００１１】
なお、前記第１のレーザ光は、第１波長のレーザ光（例えば、実施形態における波長１０６４[ｎｍ]の基本波）と第２波長のレーザ光（例えば、実施形態における波長５３２[ｎｍ]の第２高調波）とが同軸に重複されて形成されており、波長変換光学素子は、第１波長のレーザ光と第２波長のレーザ光との和周波発生により変換光を発生するように構成することができる。あるいは、前記第１のレーザ光は、第３波長のレーザ光（例えば、実施形態における波長が５３２[ｎｍ]である第２高調波Ｌ15）であり、波長変換光学素子は、第３波長のレーザ光の第２高調波発生により変換光を発生するように構成しても良い。
【００１２】
本発明を例示する第２の態様は露光装置である。この露光装置は、上記のようなレーザ装置と、所定の露光パターンが形成さ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露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光をマスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。
【００１３】
本発明を例示する第３の態様は検査装置である。この検査装置は、上記のようなレーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光を被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１４】
第１の態様のレーザ装置では、波長変換の対象である第１のレーザ光と第２のレーザ光とを重ね合わせて、または、入射面及び出射面で第１のレーザ光の近傍を通るように、第２のレーザ光を波長変換光学素子に入射させる。第２のレーザ光の波長及びパワーは、波長変換光学素子における第２のレーザ光の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子における変換光の吸収によって発生する熱量とが、略等しくなるように設定されている。前述したように、変換光（紫外光）の吸収による発熱は、入射面において最小、出射面において最大になる。一方、第２のレーザ光の吸収による発熱は、入射面において最大、出射面において最小になる。その結果、波長変換光学素子の出射面側では変換光の吸収によって波長変換光学素子の温度が上昇し、入射面側では第２のレーザ光の吸収によって波長変換光学素子の温度が上昇する。本構成形態においては、両者の吸収により発生する熱量が略等しくなるように設定されている。このため、入射面側の温度上昇と出射面側の温度上昇が同程度となり、第２のレーザ光が存在しない場合（従来）と比べて波長変換光学素子の内部における温度偏差が大幅に縮小される。温度偏差の縮小は位相不整合量Δｋの縮小を意味する。これにより波長変換効率を向上させることができる。
【００１５】
第２の態様の露光装置は、波長変換効率を向上したレーザ装置を備えている。そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた露光装置を提供することができる。
【００１６】
第３の態様の検査装置は、波長変換効率を向上したレーザ装置を備えている。そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の適用例として示す第１構成形態のレーザ装置の概要構成図である。
【図２】ＬＢＯ結晶の光の透過特性を示すグラフである。
【図３】ＬＢＯ結晶内のｚ軸に沿った発熱分布のシミュレーション結果である。
【図４】図３の算出に用いた条件値である。
【図５】本発明の適用例として示す第２構成形態のレーザ装置の概要構成図である。
【図６】ＢＢＯ結晶の光の透過特性を示すグラフである。
【図７】ＢＢＯ結晶内のｚ軸に沿った発熱分布のシミュレーション結果である。
【図８】図７の算出に用いた条件値である。
【図９】本発明の適用例として示す露光装置の概要構成図である。
【図１０】本発明の適用例として示す検査装置の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用したレーザ装置の一例として、第１構成形態のレーザ装置ＬＳ１の概要構成図を図１に示す。レーザ装置ＬＳ１は、第１のレーザ光Ｌ10を出力する第１レーザ光出力部１０と、第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10を波長変換して変換光Ｌ30を出力する波長変換光学素子３０と、第１のレーザ光Ｌ10と波長が異なる第２のレーザ光Ｌ20を出力する第２レーザ光出力部２０と、第２レーザ光出力部２０から出力された第２のレーザ光Ｌ20を第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10と同軸に重ね合わせて波長変換光学素子３０に入射させる合成光学素子３１などを備えて構成される。なお、図１及び後述する図５においては、コリメートレンズや集光レンズ、アイソレータ等の光学部品の記載を省略している。
【００１９】
第１レーザ光出力部１０及び波長変換光学素子３０は、レーザ装置ＬＳ１から出力する変換光Ｌ30の波長に応じて適宜に設定することができる。本構成形態においては、第１レーザ光出力部１０から出力する第１のレーザ光Ｌ10は、波長が１０６４[ｎｍ]のレーザ光である基本波Ｌ11と、波長が５３２[ｎｍ]のレーザ光である前記基本波の第２高調波Ｌ12とが重ね合わされたものである。波長変換光学素子３０は、基本波Ｌ11と前記基本波の第２高調波Ｌ12の和周波である波長３５５[ｎｍ]の変換光Ｌ30を発生させる。
【００２０】
第１レーザ光出力部１０は、シード光を発生するレーザ光発生部１１と、レーザ光発生部１１により発生されたシード光を増幅して増幅されたシード光すなわち基本波Ｌ11を出力する増幅部１２と、増幅部１２から出力された基本波Ｌ11の波長を変換する波長変換光学素子１３とを有して構成される。
【００２１】
レーザ光発生部１１は、波長１０６４[ｎｍ]のシード光を発生するレーザ光源を備える。レーザ光源としては、例えば、ＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を制御することにより連続発振またはパルス発振させることができる。また、ＤＦＢ半導体レーザは、温度制御することにより所定の波長範囲の狭帯域化された単一波長のレーザ光を出射させることができる。なお、レーザ光源の出力側に電気光学変調器（ＥＯＭ）を設け、レーザ光源により発生されたレーザ光の一部を電気光学変調器により切り出してシード光を出力するように構成しても良い。レーザ光発生部１１から出力されたシード光は増幅部１２に入射する。
【００２２】
増幅部１２は、ファイバ光増幅器を備えて構成される。波長１０６４[ｎｍ]のシード光を増幅するファイバ光増幅器として、１０００〜１１００[ｎｍ]の波長帯域に利得を有するイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。ファイバ光増幅器により所定パワーに増幅されたシード光、すなわち基本波Ｌ11は増幅部１２から出力される。本構成例の場合、増幅部から出力される基本波Ｌ11のパワーは、例えば数十〜数百Ｗである。なお、増幅部１２は、増幅すべきパワーに応じて複数のファイバ光増幅器を直列及び／または並列に接続して構成することができる。増幅部１２から出力された基本波Ｌ11は、図示省略するレンズを介して波長変換光学素子１３に集光されて入射する。
【００２３】
波長変換光学素子１３では、基本波の第２高調波が発生する。すなわち波長５３２[ｎｍ]の第２高調波が発生する。本構成形態では、波長変換光学素子１３として、ＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶を用いた場合を例示する。なお、ＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶やＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ3）結晶等を用いることもできる。波長変換光学素子１３からは、波長変換光学素子１３を波長変換されずに透過した基本波Ｌ11と、波長変換光学素子１３で発生した第２高調波Ｌ12とが重ね合わされた状態で出射される。重ね合わされた状態で出射された基本波Ｌ11と第２高調波Ｌ12とはレンズを介して合成光学素子３１に入射する。すなわち、第１レーザ光出力部１０からは、波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11と波長５３２[ｎｍ]の第２高調波Ｌ12からなる第１のレーザ光Ｌ10が出射され、第１のレーザ光Ｌ10は合成光学素子３１に入射する。
【００２４】
第２レーザ光出力部２０は、上記第１レーザ光出力部１０から出力される第１のレーザ光Ｌ10とは異なる波長の第２のレーザ光Ｌ20を出力するレーザ光出力部である。第２のレーザ光Ｌ20については後に詳述するが、波長変換光学素子３０における第２のレーザ光Ｌ20の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子３０により発生する変換光Ｌ30を波長変換光学素子３０が吸収することによって発生する熱量とが、ほぼ等しくなるように種々の条件が設定される。本構成形態において、第２のレーザ光Ｌ20の波長は２．５[μｍ]であり、第２レーザ光出力部２０は波長２．５[μｍ]のレーザ光を発生するレーザ光源を主体として構成される。このようなレーザ光源としては、例えば、半導体レーザを用いることができる。第２レーザ光出力部２０から出力された波長２．５[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ20は、レンズを介して合成光学素子３１に入射する。すなわち、第２レーザ光出力部２０からは、波長２．５[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ20が出射され、第２のレーザ光Ｌ20は合成光学素子３１に入射する。
【００２５】
合成光学素子３１は、第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10（基本波Ｌ11及び第２高調波Ｌ12）と第２レーザ光出力部２０から出力された第２のレーザ光Ｌ20とを同軸に重ね合わせる光学素子である。具体的には、波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11及び波長５３２[ｎｍ]の第２高調波Ｌ12を透過し、波長２．５[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ20を反射するダイクロイックミラーが好適に用いられる。合成光学素子３１によって同軸に重ね合わされた第１のレーザ光Ｌ10（基本波Ｌ11及び第２高調波Ｌ12）と第２のレーザ光Ｌ20は、波長変換光学素子３０に入射する。
【００２６】
波長変換光学素子３０では、基本波Ｌ11と第２高調波Ｌ12との和周波発生により、波長が３５５[ｎｍ]の第３高調波である変換光Ｌ30が発生する。発生した変換光Ｌ30はレーザ装置ＬＳ１から出力される。本構成例では、波長変換光学素子３０としてＬＢＯ結晶を用いた場合を例示する。なお、波長変換光学素子３０としてＢＢＯ結晶を用いてもよい。
【００２７】
波長変換光学素子３０における和周波発生に関与するのは第１レーザ光出力部１０から出力された第１のレーザ光Ｌ10（基本波Ｌ11及び第２高調波Ｌ12）であり、第２レーザ光出力部２０から出力された第２のレーザ光Ｌ20は上記和周波の発生には関与しない。しかしながら、第２のレーザ光Ｌ20は、波長変換光学素子３０における和周波発生の発生効率、すなわち変換効率を向上させるという重要な効果を奏する。以降では、この第２のレーザ光Ｌ20の効果について詳細に説明する。
【００２８】
波長変換光学素子３０に、波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11（以下、１０６４ｎｍ光とも表記する）と波長５３２[ｎｍ]の第２高調波Ｌ12（以下、５３２ｎｍ光とも表記する）が入射されと、これらの光が波長変換光学素子３０の内部を進行するのに伴って、和周波が発生する。すなわち、波長３５５[ｎｍ]の変換光Ｌ30（以下、３５５ｎｍ光とも表記する）が発生する。発生する３５５ｎｍ光の量は、波長変換光学素子３０の入射面ではゼロであり、出射面で最大になる。波長変換光学素子３０における光の吸収は、１０６４ｎｍ光及び５３２ｎｍ光と比較して、３５５ｎｍ光は顕著に大きい。そのため、波長変換光学素子３０が３５５ｎｍ光を吸収することによる発熱は、波長変換光学素子３０の入射面で最小、出射面で最大になり、波長変換光学素子３０の内部には温度偏差が発生する。例えば、波長変換光学素子３０において入射面と出射面の間に温度勾配が発生する。波長変換光学素子３０の内部に温度偏差が発生すると、１０６４ｎｍ光と５３２ｎｍ光の間に位相不整合が生じて、和周波発生による波長変換効率は低下する。
【００２９】
本技術は、波長変換光学素子３０における温度偏差を縮小することで、位相不整合を低減するものである。その具体的手段として、波長変換光学素子３０として用いるＬＢＯ結晶が大きな吸収をもつ波長域の光である波長２．５μｍの第２のレーザ光Ｌ20（以下、２．５μｍ光とも表記する）の光路を、第１のレーザ光Ｌ10（１０６４ｎｍ光Ｌ11及び５３２ｎｍ光Ｌ12を重複させた光）の光路と同軸に重ね合わせるか、または、第１のレーザ光Ｌ10の近傍に光路が平行となるように、第１のレーザ光Ｌ10の入射面側から入射させる。これにより、第２のレーザ光Ｌ20の吸収による発熱は、波長変換光学素子３０の入射面側ほど大きい。その際、第２のレーザ光の吸収による発熱量が、変換光Ｌ30（３５５ｎｍ光）の吸収による発熱量と略等しくなるように設定される。
【００３０】
ＬＢＯ結晶における光の透過特性を図２に示す。図２における横軸は波長、縦軸は透過率である。図２から定量的な把握は難しいが、ＬＢＯ結晶は波長３５５[ｎｍ]の光に対して１％未満の僅かな吸収を示す。長波長側では概ね２[μｍ]あたりから透過率が低下し始め、２．３[μｍ]以上の領域では相当透過率が低い（吸収率が高い）。本構成形態では、第２のレーザ光Ｌ20の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、ＬＢＯ結晶のｚ軸方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌが１近傍の値となるように、第２のレーザ光Ｌ20の波長を２．５[μｍ]に設定している。換言すれば、第２のレーザ光Ｌ20の波長は、ＬＢＯ結晶に入射した第２のレーザ光が出射面に至る過程でほぼ吸収されるように設定される。
【００３１】
以下、ＬＢＯ結晶（波長変換光学素子３０）における波長変換過程で生じる３５５ｎｍ光による発熱と、２．５μｍ光による発熱の状況について、具体例を交えて定量的に説明する。ＬＢＯ結晶で発生する３５５ｎｍ光のビーム強度をＰ1[Ｗ]、吸収係数をα1[ｃｍ-1]とすると、３５５ｎｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε1は、ε1＝α1Ｐ1[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。同様に、ＬＢＯ結晶に入射する２．５μｍ光のビーム強度をＰ2[Ｗ]、吸収係数をα2[ｃｍ-1]とすると、２．５μｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε2は、ε2＝α2Ｐ2[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。
【００３２】
３５５ｎｍ光はＬＢＯ結晶内での波長変換過程により生成され、入射面からの距離の増加とともに増大する。すなわち、３５５ｎｍ光のビーム強度Ｐ1はビームの伝播方向をｚ軸にとったときにｚの関数でありＰ1(ｚ)で表される。３５５ｎｍ光のビーム強度Ｐ1(ｚ)は、入射面をｚ＝０とすると、概ねＰ1(ｚ)∝tanh2(βｚ）のように成長する。比例係数やβは波長変換過程に応じて定まる。
【００３３】
一方、ＬＢＯ結晶に入射した２．５μｍ光のビーム強度Ｐ2は、結晶内での吸収に伴って入射面からの距離の増加とともに減衰する。すなわち、２．５μｍ光のビーム強度Ｐ2もｚの関数であり、Ｐ2(ｚ)で表される。ＬＢＯ結晶に入射した２．５μｍ光のビーム強度Ｐ2(ｚ)は、Ｐ2(ｚ)＝Ｐ2(０)＊exp(−α2ｚ）のように変化する。Ｐ2(０)は入射面での強度、すなわち入射強度である。
【００３４】
これらの式に具体的な値を代入し、ＬＢＯ結晶について結晶内のｚ軸に沿った発熱分布を算出した結果を図３に示す。図３における横軸はｚ軸に沿った結晶の位置、縦軸は単位長さ当たりの発熱量である。本構成例においてＬＢＯ結晶のｚ軸に沿った長さはＬ＝２[ｃｍ]である。図３中の細かい点線は３５５ｎｍ光の吸収による発熱ε1、粗い点線は２．５μｍ光の吸収による発熱ε2、実線は両者の発熱の和ε3＝ε1＋ε2を示す。図３の計算に用いた３５５ｎｍ光及び２．５μｍ光の吸収係数α1，α2、ビーム強度Ｐ1(Ｌ)，Ｐ2(０)の具体的な値を図４に示す。２．５μｍ光の入力パワーＰ2(０)は、概ねα1×Ｐ1(Ｌ)≒α2×Ｐ2(０)を満たすように設定される。
【００３５】
２．５μｍ光（第２のレーザ光Ｌ20）が入射されない状態では、ＬＢＯ結晶内の発熱は３５５ｎｍ光の吸収による発熱ε1のみであり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ａで示す幅を有する。一方、２．５μｍ光が入射された状態では、ＬＢＯ結晶内の発熱は、３５５ｎｍ光の吸収による発熱ε1と２．５μｍ光の吸収による発熱ε2との和ε3になり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ｂで示す幅となる。
【００３６】
両者を対比して明らかなように、第１のレーザ光Ｌ10（１０６４ｎｍ光Ｌ11及び５３２ｎｍ光Ｌ12）に、第２のレーザ光Ｌ20（２．５μｍ光）を同時入射した場合に、ＬＢＯ結晶内の発熱のばらつきが大幅に抑制され、本構成例においては約１／３に低減されることが分かる。その結果、ＬＢＯ結晶内における温度のばらつきΔｔも同程度抑制されて位相不整合量Δｋが低減され、これにより波長変換効率の向上が実現される。
【００３７】
次に、第２構成形態のレーザ装置ＬＳ２について、その概要構成を示す図５を参照して説明する。なお、レーザ装置ＬＳ１と同様部分に同一番号を付して重複説明を省略する。ーザ装置ＬＳ２は、第１のレーザ光Ｌ15を出力する第１レーザ光出力部１５と、第１レーザ光出力部１５から出力された第１のレーザ光Ｌ15を波長変換して変換光Ｌ35を出力する波長変換光学素子３５と、第１のレーザ光Ｌ15と波長が異なる第２のレーザ光Ｌ25を出力する第２レーザ光出力部２５と、第２レーザ光出力部２５から出力された第２のレーザ光Ｌ25を第１レーザ光出力部１５から出力された第１のレーザ光Ｌ15と同軸に重ね合わせて波長変換光学素子３５に入射させる合成光学素子３６などを備えて構成される。
【００３８】
第１レーザ光出力部１５は、シード光を発生するレーザ光発生部１１と、レーザ光発生部１１により発生されたシード光を増幅して増幅されたシード光すなわち基本波Ｌ11を出力する増幅部１２と、増幅部１２から出力された基本波Ｌ11の波長を変換する波長変換光学素子１６とを有して構成される。レーザ光発生部１１、増幅部１２の構成は前述したレーザ装置ＬＳ１と同様であり、増幅部１２から出力された波長１０６４[ｎｍ]の基本波Ｌ11が図示省略するレンズを介して波長変換光学素子１６に集光入射する。
【００３９】
波長変換光学素子１６では、基本波の第２高調波発生により波長５３２[ｎｍ]の第２高調波が発生する。本構成形態では、波長変換光学素子１６としてＬＢＯ結晶を用いた場合を例示する。なお、入射する基本波Ｌ11のパワーに応じて、ＰＰＬＮ結晶やＢＢＯ結晶等を用いることもできる。発生した第２高調波は第１のレーザ光Ｌ15として波長変換光学素子１６から出射され、第１レーザ光出力部１５から出力される。第１レーザ光出力部１５から出力された波長５３２[ｎｍ]の第１のレーザ光Ｌ15は、レンズを介して合成光学素子３６に入射する。
【００４０】
第２レーザ光出力部２５は、上記第１レーザ光出力部１５から出力される第１のレーザ光Ｌ15とは異なる波長の第２のレーザ光Ｌ25を出力するレーザ光出力部である。第２のレーザ光Ｌ25は、波長変換光学素子３５における第２のレーザ光Ｌ25の吸収によって発生する熱量と、波長変換光学素子３５により発生する変換光Ｌ35を波長変換光学素子３５が吸収することによって発生する熱量とが、ほぼ等しくなるように種々の条件が設定される。本構成形態において、第２のレーザ光Ｌ25の波長は２．６[μｍ]であり、第２レーザ光出力部２５は波長２．６[μｍ]のレーザ光を発生するレーザ光源（例えば半導体レーザ）を主体として構成される。第２レーザ光出力部２５から出力された波長２．６[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ25は、レンズを介して合成光学素子３６に入射する。すなわち、第２レーザ光出力部２５からは、波長２．６[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ25が出射され、第２のレーザ光Ｌ25は合成光学素子３６に入射する。
【００４１】
合成光学素子３６は、第１レーザ光出力部１５から出力された第１のレーザ光Ｌ15と第２レーザ光出力部２５から出力された第２のレーザ光Ｌ25とを同軸に重ね合わせる光学素子である。具体的には、波長５３２[ｎｍ]の第１のレーザ光Ｌ15を透過し、波長２．６[μｍ]の第２のレーザ光Ｌ25を反射するダイクロイックミラーが好適に用いられる。合成光学素子３６によって同軸に重ね合わされた第１のレーザ光Ｌ15及び第２のレーザ光Ｌ25は、波長変換光学素子３５に入射する。
【００４２】
波長変換光学素子３５では、第１のレーザ光Ｌ15の第２高調波発生が行われ、波長が２６６[ｎｍ]の変換光Ｌ35が発生する。そして、発生した波長２６６[ｎｍ]の変換光Ｌ35がレーザ装置ＬＳ２から出力される。本構成例では、波長変換光学素子３５としてＢＢＯ結晶を用いた場合を例示する。なお、ＣＬＢＯ結晶を用いてもよい
【００４３】
波長変換光学素子３５で発生する変換光（２６６ｎｍ光）Ｌ35の量は、波長変換光学素子３５の入射面ではゼロであり、出射面で最大になる。そのため、波長変換光学素子３５が２６６ｎｍ光を吸収することによる発熱は、波長変換光学素子３５の入射面で最小、出射面で最大になり、波長変換光学素子３５の内部には温度偏差が発生する。波長変換光学素子３５の内部に温度偏差が発生すると位相不整合が生じ、第２高調波発生の波長変換効率は低下する。本技術は、波長変換光学素子３５における温度偏差を縮小することで位相不整合を低減する。その具体的手段として、波長変換光学素子３５として用いるＢＢＯ結晶が大きな吸収をもつ波長域の光である波長２．６μｍの第２のレーザ光Ｌ25（２．６μｍ光）の光路を、第１のレーザ光Ｌ15の光路と同軸に重ね合わせるか、または第１のレーザ光Ｌ15の近傍に平行となるように、第１のレーザ光Ｌ15の入射面側から入射させる。第２のレーザ光Ｌ25の吸収による発熱は、波長変換光学素子３５の入射面側ほど大きい。第２のレーザ光のパワーは、第２のレーザ光の吸収による発熱量が、変換光Ｌ35（２６６ｎｍ光）の吸収による発熱量と略等しくなるように設定される。
【００４４】
ＢＢＯ結晶における光の透過特性を図６に示す。図６における横軸は波長、縦軸は透過率である。図６からは定量的な把握はやや難しいものの、ＢＢＯ結晶は波長２６６[ｎｍ]の光に対して１％未満の僅かな吸収を示す。長波長側では概ね２[μｍ]あたりから透過率が低下し始め、２．５[μｍ]以上の領域では相当透過率が低い（吸収率が高い）状態になる。本構成形態では、第２のレーザ光Ｌ25の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、ＢＢＯ結晶のｚ軸方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌが１近傍の値となるように、第２のレーザ光Ｌ25の波長を２．６[μｍ]に設定している。
【００４５】
ＢＢＯ結晶で発生する２６６ｎｍ光のビーム強度をＰ1[Ｗ]、吸収係数をα1[ｃｍ-1]とすると、２６６ｎｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε1は、ε1＝α1Ｐ1[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。同様に、ＢＢＯ結晶に入射する２．６μｍ光のビーム強度をＰ2[Ｗ]、吸収係数をα2[ｃｍ-1]とすると、２．６μｍ光の吸収による単位長さ当たりの発熱ε2は、ε2＝α2Ｐ2[Ｗ／ｃｍ]で与えられる。
【００４６】
ＢＢＯ結晶内において生成される２６６ｎｍ光のビーム強度Ｐ1は、ビームの伝播方向をｚ軸にとったときにｚの関数であり、Ｐ1(ｚ)で表される。入射面をｚ＝０とすると、２６６ｎｍ光のビーム強度Ｐ1(ｚ)は、概ねＰ1(ｚ)∝tanh2(βｚ）のように成長する。ＢＢＯ結晶に入射した２．６μｍ光のビーム強度Ｐ2もｚの関数でありＰ2(ｚ)で表される。ＢＢＯ結晶に入射した２．６μｍ光のビーム強度Ｐ2(ｚ)は、Ｐ2(ｚ)＝Ｐ2(０)＊exp(−α2ｚ）のように変化する。
【００４７】
これらの式に具体的な値を代入し、ＢＢＯ結晶について結晶内のｚ軸に沿った各部の発熱量を算出した結果を図７に示す。図７における縦軸、横軸は図３と同様であり、ＢＢＯ結晶のｚ軸に沿った長さはＬ＝２[ｃｍ]である。図７中の細かい点線は２６６ｎｍ光の吸収による発熱ε1、粗い点線は２．６μｍ光の吸収による発熱ε2、実線は両者の発熱の和ε3＝ε1＋ε2を示す。図７の計算に用いた２６６ｎｍ光及び２．６μｍ光の吸収係数α1，α2、ビーム強度Ｐ1(Ｌ)，Ｐ2(０)の具体的な値を図８に示す。２．６μｍ光の入力パワーＰ2(０)は、概ねα1×Ｐ1(Ｌ)≒α2×Ｐ2(０)を満たすように設定される。
【００４８】
２．６μｍ光（第２のレーザ光Ｌ25）が入射されない状態では、ＢＢＯ結晶内の発熱は２６６ｎｍ光の吸収による発熱ε1のみであり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ｃで示す幅を有する。一方、２．６μｍ光が入射された状態では、ＢＢＯ結晶内の発熱は、２６６ｎｍ光の吸収による発熱ε1と２．６μｍ光の吸収による発熱ε2との和ε3になり、結晶内の発熱のばらつきは符号Ｄで示す幅となる。
【００４９】
両者を対比して明らかなように、第１のレーザ光（１０６４ｎｍ光）Ｌ15に、第２のレーザ光（２．６μｍ光）Ｌ25を同時入射した場合に、ＢＢＯ結晶内の発熱のばらつきが大幅に抑制され、本構成例においても約１／３に低減されることが分かる。その結果、ＢＢＯ結晶内における温度のばらつきΔｔも同程度抑制されて位相不整合量Δｋが低減され、これにより波長変換効率の向上が実現される。
【００５０】
従って、以上説明したようなレーザ装置ＬＳ（ＬＳ１，ＬＳ２）によれば、第２のレーザ光が存在しない場合と比べて波長変換光学素子内の温度偏差を大幅に縮小することができ、これにより波長変換効率を向上させることができる。また、レーザ装置ＬＳにおいては、第２のレーザ光が第１のレーザ光と同軸に重ね合わされて入射するので、第１のレーザ光の光路近傍を直接加熱することができる。このため、結晶の外部から温度分布を制御する構成と比較して、より的確に第１のレーザ光の光路に沿って温度偏差を抑制することができる。
【００５１】
なお、以上では、波長変換光学素子３５の例として、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶を示し、出力される変換光として３５５ｎｍ光、２６６ｎｍ光を例示したが、本技術は他の非線形光学結晶や出力波長（例えばＣＬＢＯ結晶、１９３ｎｍ等）に適用することができる。また、変換光を波長変換光学素子３５の短波長側の光とし、第２のレーザ光を長波長側の光としたが（図２、図６を参照）、これらを逆にした構成にしても良い。すなわち、波長変換光学素子において差周波発生等により赤外領域の変換光を出力する場合に、紫外領域の第２のレーザ光を同軸入射することで結晶内温度の均質化を図ることができる。
【００５２】
以上説明したようなレーザ装置ＬＳ（ＬＳ１，ＬＳ２）は、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、露光装置や光造形装置等の光加工装置、フォトマスクやウェハ等の検査装置、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光治療装置などのシステムに好適に適用することができる。
【００５３】
次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第１の適用例として、半導体製造や液晶パネル製造のフォトリソグラフィエ程で用いられる露光装置について、その概要構成を示す図９を参照して説明する。露光装置１００は、原理的には写真製版と同じであり、石英ガラス製のフォトマスク１１３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やガラス基板などの露光対象物１１５に光学的に投影して転写する。
【００５４】
露光装置１００は、上述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系１０２と、フォトマスク１１３を保持するマスク支持台１０３と、投影光学系１０４と、露光対象物１１５を保持する露光対象物支持テーブル１０５と、露光対象物支持テーブル１０５を水平面内で移動させる駆動機構１０６とを備えて構成される。照明光学系１０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、マスク支持部１０３に保持されたフォトマスク１１３に照射する。投影光学系１０４も複数のレンズ群により構成され、フォトマスク１１３を透過した光を露光対象物支持テーブル上の露光対象物１１５に投影する。
【００５５】
このような構成の露光装置１００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系１０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光がマスク支持台１０３に保持されたフォトマスク１１３に照射される。フォトマスク１１３を通過した光はフォトマスク１１３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１０４を介して露光対象物支持テーブル１０５に保持された露光対象物１１５の所定位置に照射される。これにより、フォトマスク１１３のデバイスパターンの像が、半導体ウェハや液晶パネル等の露光対象物１１５の上に所定倍率で結像露光される。
【００５６】
このような露光装置１００は、波長変換効率を向上したレーザ装置ＬＳを備えている。そのため、そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた露光装置を提供することができる。
【００５７】
次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第２の適用例として、フォトマスクや液晶パネル、ウェハ等（被検物）の検査工程で使用される検査装置について、その概要構成を示す図１０を参照して説明する。図１０に例示する検査装置２００は、フォトマスク等の光透過性を有する被検物２１３に描かれた微細なデバイスパターンの検査に好適に使用される。
【００５８】
検査装置２００は、前述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系２０２と、被検物２１３を保持する被検物支持台２０３と、投影光学系２０４と、被検物２１３からの光を検出するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ２１５と、被検物支持台２０３を水平面内で移動させる駆動機構２０６とを備えて構成される。照明光学系２０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、所定光束に調整して被検物支持部２０３に保持された被検物２１３に照射する。投影光学系２０４も複数のレンズ群により構成され、被検物２１３を透過した光をＴＤＩセンサ２１５に投影する。
【００５９】
このような構成の検査装置２００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系２０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光が被検物支持台２０３に保持されたフォトマスク等の被検物２１３に照射される。被検物２１３からの光（本構成例においては透過光）は、被検物２１３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２０４を介してＴＤＩセンサ２１５に投影され結像する。このとき、駆動機構２０６による被検物支持台２０３の水平移動速度と、ＴＤＩセンサ２１５の転送クロックとは同期して制御される。
【００６０】
そのため、被検物２１３のデバイスパターンの像がＴＤＩセンサ２１５により検出され、このようにして検出された被検物２１３の検出画像と、予め設定された所定の参照画像とを比較することにより、被検物に描かれた微細パターンの欠陥が抽出される。
【００６１】
このような検査装置２００は、波長変換効率を向上したレーザ装置ＬＳを備えている。そのため、同じ供給電力で高い変換光出力（あるいは低い供給電力で同じ変換光出力）を得ることができ、エネルギー効率を高めた検査装置を提供することができる。なお、被検物２１３がウェハ等のように光透過性を有さない場合には、被検物からの反射光を投影光学系２０４に入射してＴＤＩセンサ２１５に導くことにより、同様に構成することができる。
【符号の説明】
【００６２】
ＬＳ１ 第１構成形態のレーザ装置
１０ 第１レーザ光出力部
２０ 第２レーザ光出力部
３０ 波長変換光学素子
３１ 合成光学素子
Ｌ10 第１のレーザ光（Ｌ11 基本波、Ｌ12 第２高調波）
Ｌ20 第２のレーザ光
Ｌ30 変換光
ε1 ３５５ｎｍ光の吸収による発熱
ε2 ２．５μｍ光の吸収による発熱
ε3 発熱の和（ε3＝ε1＋ε2）
Ａ ２．５μｍ光が入射されない状態での結晶内の発熱のばらつき
Ｂ ２．５μｍ光が入射された状態での結晶内の発熱のばらつき
ＬＳ２ 第２構成形態のレーザ装置
１５ 第１レーザ光出力部
２５ 第２レーザ光出力部
３５ 波長変換光学素子
３６ 合成光学素子
Ｌ15 第１のレーザ光
Ｌ25 第２のレーザ光
Ｌ35 変換光
ε1 ２６６ｎｍ光の吸収による発熱
ε2 ２．６μｍ光の吸収による発熱
ε3 発熱の和（ε3＝ε1＋ε2）
Ｃ ２．６μｍ光が入射されない状態での結晶内の発熱のばらつき
Ｄ ２．６μｍ光が入射された状態での結晶内の発熱のばらつき
１００ 露光装置
１０２ 照明光学系 １０３ マスク支持台
１０４ 投影光学系 １０５ 露光対象物支持テーブル
１１３ フォトマスク １１５ 露光対象物
２００ 検査装置
２０２ 照明光学系 ２０３ 被検物支持台
２０４ 投影光学系 ２１３ 被検物
２１５ ＴＤＩセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、
前記第１レーザ光出力部から出力された前記第１のレーザ光を波長変換して変換光を出力する波長変換光学素子と、
前記第１のレーザ光と波長が異なる第２のレーザ光を出力する第２レーザ光出力部と、
前記第２レーザ光出力部から出力された前記第２のレーザ光を前記波長変換光学素子に入射させる合成光学素子とを備え、
前記第２のレーザ光の光路は、前記波長変換光学素子の入射面及び出射面において前記第１のレーザ光の光路の近傍に位置するか、または、前記波長変換光学素子の入出射面間において前記第１のレーザ光の光路と重ね合わされており、
前記第２のレーザ光の波長及びパワーは、前記波長変換光学素子における前記第２のレーザ光の吸収によって発生する熱量と、前記波長変換光学素子における前記変換光の吸収によって発生する熱量とが、略等しくなるように設定されることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記変換光の波長は紫外領域であり、前記第２のレーザ光の波長は赤外領域であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記波長変換光学素子における前記第２のレーザ光の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、前記波長変換光学素子において、前記第２のレーザ光が伝播する方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌの値はほぼ１であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記波長変換光学素子における前記変換光の吸収係数をα1、前記第２のレーザ光の吸収係数をα2とし、前記波長変換光学素子から出力される前記変換光のパワーをＰ1、前記波長変換光学素子に入射する前記第２のレーザ光のパワーをＰ2としたときに、
α1×Ｐ1≒α2×Ｐ2を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光は、第１波長のレーザ光と第２波長のレーザ光とが同軸に重複されて形成されており、
前記波長変換光学素子は、前記第１波長のレーザ光と前記第２波長のレーザ光との和周波発生により前記変換光を発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光は、第３波長のレーザ光であり、
前記波長変換光学素子は、前記第３波長のレーザ光の第２高調波発生により前記変換光を発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
所定の露光パターンが形成さ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露光対象物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ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する照明光学系と、
前記フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
被検物を保持する被検物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、
前記被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする検査装置。
【請求項１】
第１のレーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、
前記第１レーザ光出力部から出力された前記第１のレーザ光を波長変換して変換光を出力する波長変換光学素子と、
前記第１のレーザ光と波長が異なる第２のレーザ光を出力する第２レーザ光出力部と、
前記第２レーザ光出力部から出力された前記第２のレーザ光を前記波長変換光学素子に入射させる合成光学素子とを備え、
前記第２のレーザ光の光路は、前記波長変換光学素子の入射面及び出射面において前記第１のレーザ光の光路の近傍に位置するか、または、前記波長変換光学素子の入出射面間において前記第１のレーザ光の光路と重ね合わされており、
前記第２のレーザ光の波長及びパワーは、前記波長変換光学素子における前記第２のレーザ光の吸収によって発生する熱量と、前記波長変換光学素子における前記変換光の吸収によって発生する熱量とが、略等しくなるように設定されることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記変換光の波長は紫外領域であり、前記第２のレーザ光の波長は赤外領域であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記波長変換光学素子における前記第２のレーザ光の吸収係数をα2[ｃｍ-1]、前記波長変換光学素子において、前記第２のレーザ光が伝播する方向の長さをＬ[ｃｍ]としたときに、α2×Ｌの値はほぼ１であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記波長変換光学素子における前記変換光の吸収係数をα1、前記第２のレーザ光の吸収係数をα2とし、前記波長変換光学素子から出力される前記変換光のパワーをＰ1、前記波長変換光学素子に入射する前記第２のレーザ光のパワーをＰ2としたときに、
α1×Ｐ1≒α2×Ｐ2を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光は、第１波長のレーザ光と第２波長のレーザ光とが同軸に重複されて形成されており、
前記波長変換光学素子は、前記第１波長のレーザ光と前記第２波長のレーザ光との和周波発生により前記変換光を発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光は、第３波長のレーザ光であり、
前記波長変換光学素子は、前記第３波長のレーザ光の第２高調波発生により前記変換光を発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
所定の露光パターンが形成さ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露光対象物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ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する照明光学系と、
前記フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
被検物を保持する被検物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、
前記被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２５１１４（Ｐ２０１３−２５１１４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０２７３（Ｐ２０１１−１６０２７３）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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