光学デバイス、レーザ装置および露光装置
【課題】複数の波長変換処理を組み合わせて行う際、また波長変換処理と光変調処理とを組み合わせて行う際に、これらの組み合わせ処理を安定的に、かつ高い効率で行うことができる優れた光学性能を有する光学デバイス、当該光学デバイスを用いて所望波長のレーザ光を安定して発生するレーザ装置、および当該光学デバイスを用いて所望波長の光を被露光面に照射して露光する露光装置を提供する。
【解決手段】強誘電体基板３１では、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に空間光変調部３５が設けられ、波長変換部３１５から出力されるレーザ光を変調するとともに特定波長の０次光のみが基板に導光されてＬＳＩデータに対応するパターンが描画される。また、単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４、３１５とともに空間光変調部３５が設けられている。
【解決手段】強誘電体基板３１では、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に空間光変調部３５が設けられ、波長変換部３１５から出力されるレーザ光を変調するとともに特定波長の０次光のみが基板に導光されてＬＳＩデータに対応するパターンが描画される。また、単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４、３１５とともに空間光変調部３５が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長変換機能を有する光学デバイス（以下においては、単に「光学デバイス」という）、当該光学デバイスを用いたレーザ装置および当該光学デバイスを使用する露光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強誘電体結晶により構成された強誘電体基板を用いて波長変換処理や光変調処理を行う光学デバイスおよび該光学デバイスを用いた装置が数多く提案されている。例えば特許文献１には、光変調処理を行う光学デバイスを用いて露光処理を行う装置が記載されている。この装置では、所定の波長の光ビームを出射する半導体レーザなどにより構成された光源部が設けられている。そして、光源部から出力されたレーザ光が照明光学系により平行光ビームに整形された後、光学デバイス（空間光変調器）に入射される。この光学デバイスでは、強誘電体結晶が薄板形状（スラブ形状）に仕上げられており、強誘電体結晶の一方主面（または両主面）上に複数の電極要素が一定ピッチで配列されて格子電極が形成されている。そして、これらの電極要素間に電位差を付与することによって強誘電体結晶中で生じる電界により強誘電体結晶の内部で周期的な屈折率の変化が生じて回折格子が形成される。この強誘電体結晶に対して格子電極の長さ方向とほぼ平行に光を入射させ、主にラマン・ナス回折を生じさせることにより空間光変調が行われている。
【０００３】
このような装置のコンパクト化および使用波長の適正化を図るために波長変換技術を用いることが提案されている。例えば特許文献２では、強誘電体基板に波長変換部を設け、近赤外レーザ光を短波長化する技術が提案されている。この従来技術では、強誘電体基板に導波型第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）部を設けた光学デバイスが用いられている。つまり、固体レーザ素子から出力される基本波を光学デバイス中の第２高調波発生部に伝播させることで、基本波に対して半分の波長（２倍の周波数）に波長変換された第２高調波を得ている。したがって、特許文献２に記載のレーザ装置を特許文献１に記載の露光装置（光学ヘッド）に適用することで装置の小型化を図ることができる。
【０００４】
また、露光装置で使用するレーザ光の短波長化を図るために、第２高調波発生部を備えた光学デバイスの後段側に和周波数発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）部を備えた光学デバイスを追加配置することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３１７３２号公報（図２、図３）
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００９／０１６７０９号（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、波長変換処理を行う光学デバイスを複数個組み合わせて所定の波長の光を出力させる場合、あるいは波長変換処理を行う光学デバイスと光変調処理を行う光学デバイスとを組み合わせる場合のいずれにおいても、これらの光学デバイスはそれぞれディスクリートな素子であるため、光軸アライメントに対して高い精度が要求される。さらに、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることがあり、光量安定性、波長変換効率および光変調効率などの光学性能が不安定となることがある。
【０００７】
この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数の波長変換処理を組み合わせて行う際、また波長変換処理と光変調処理とを組み合わせて行う際に、これらの組み合わせ処理を安定的に、かつ高い効率で行うことができる優れた光学性能を有する光学デバイス、当該光学デバイスを用いて所望波長のレーザ光を安定して発生するレーザ装置、および当該光学デバイスを用いて所望波長の光を被露光面に照射して露光する露光装置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】
【０００８】
この発明にかかる光学デバイスは、上記目的を達成するため、強誘電体結晶により構成され、光が入射される入射面と、入射面と対向する出射面と、入射面および出射面と異なる被支持面とを有する強誘電体基板と、被支持面と対向する対向面を有する支持基板と、被支持面と対向面との間に配置されて強誘電体基板を支持基板に一体化させる金属膜とを備え、強誘電体基板は、入射面と出射面との間に設けられた第１の周期分極反転構造部と、第１の周期分極反転構造部と出射面との間に設けられた第１の周期分極反転構造部と異なる第２の周期分極反転構造部とを有し、入射面に入射される光に対して第１の周期分極反転構造部により波長変換処理を行うとともに、第１の周期分極反転構造部から出力された光に対して第２の周期分極反転構造部により波長変換処理または光変調処理を行うことを特徴としている。
【０００９】
このように構成された発明では、強誘電体結晶により構成された強誘電体基板に対し、互いに異なる２つの周期分極反転構造部が設けられ、まず第１の周期分極反転構造部が入射面に入射された光に対して波長変換処理を行う。また、第２の周期分極反転構造部が第１の周期分極反転構造部から出力された光に対して波長変換処理または光変調処理を行う。このように単一の強誘電体基板内で複数の波長変換処理を組み合わせた処理（２段階の波長変換処理）、波長変換処理と光変調処理とを組み合わせた処理が行われる。このため、これらの組み合わせ処理を安定的に、かつ高い効率で行うことができ、優れた光学性能が得られる。しかも、この強誘電体基板は金属膜により支持基板と一体化されているため、支持基板と一体化した状態で強誘電体基板内の光路長制御や周期分極反転構造の形成が可能となる。その結果、強誘電体基板の薄膜化や周期分極反転構造の高精度化が可能となり、光学性能をさらに高めることができる。
【００１０】
ここで、入射面に入射された光を出射面に導波するスラブ導波路を強誘電体基板内に設けてもよく、このスラブ導波路を伝播する光に対して上記した２段階の波長変換を実行することで所望波長の光が得られる。また１段目の波長変換により得られた所望波長の光に対して光変調処理を行うことができる。
【００１１】
また、第１の周期分極反転構造部を、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第１の波長変換部として設けてもよい。また、第２の周期分極反転構造部を、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第２の波長変換部として設けてもよい。このように２段階の波長変換により所望波長の光が得られる。例えば第１の周期分極反転構造部および第２の周期分極反転構造部として、それぞれ第２高調波発生部および和周波数発生部を設けてもよい。また、第１の周期分極反転構造部および第２の周期分極反転構造部として、それぞれ第２高調波発生部および差周波数発生部を設けてもよい。
【００１２】
また、上記のように２つの周期分極反転構造部をともに波長変換部とした場合、強誘電体基板に対して光変調部、ビームエキスパンダー等のビーム拡大部、ホモジナイザー等の光強度均一化部、あるいは光学部などを追加的に設けて光学デバイスの多機能化を図ってもよい。従来技術では、このように光変調部、ビーム拡大部、光強度均一化部や光学部などについては、それぞれディスクリートな素子で提供されていたため、上記したように高精度な光軸アライメントが必要となるという問題、光量安定性および波長変換効率などの光学性能が不安定であるという問題などがあったが、強誘電体基板に対して光変調部などを設けることによって上記問題が解消される。
【００１３】
このような多機能化の一例として、例えば第２の周期分極反転構造部（第２の波長変換部）と出射面との間に光変調部を設けて第２の周期分極反転構造部から出力された光を変調するように構成してもよい。もちろん、第２の周期分極反転構造部を波長変換部とする代わりに光変調部としてもよい。
【００１４】
このような光変調部としては、例えば光変調部を挟んで金属膜に対向して第１電極を複数個配置し、複数の第１電極と金属膜の間に与えられる電界に応じて周期分極反転構造内でブラッグ回折またはラマン・ナス回折を発生させて空間光変調を行うものを採用してもよい。
【００１５】
また、第２の波長変換部と光変調部との間にビーム拡大部や光強度均一化部を設けてもよい。例えばビーム拡大部を設けることで光変調部に入射される前に光を所望形状に整形することができる。また、光強度均一化部を設けることで光変調部に入射される前に光強度の均一化を図ることができる。
【００１６】
また、光変調部と出射面との間に光学部を設け、当該光学部の第１レンズにより光変調部から出力された光を所望位置に集光するように構成してもよい。ここで、第１レンズを可変焦点レンズとすることで光の集光位置を調整することができる。より具体的には、第２電極が光学部を挟んで金属膜に対向して配置されるとともに、電界を受けて発生する分極の向きが第１レンズと第１レンズの周辺部とで互いに反対となる分極反転構造を光学部に設け、第２電極と金属膜の間に与えられる電界に応じて第１レンズと、第１レンズの周辺部とで屈折率を変化させて第１レンズの焦点距離を変化させるように構成してもよい。
【００１７】
また、光学部内を伝播する光の進行方向に第１レンズを複数個配置したレンズ群を設けてもよい。このように複数の第１レンズを組み合わせることで高性能な投影性能や結像性能が得られる。また、このように構成されたレンズ群が光学部内を伝播する光の進行方向と直交する方向に複数個配置されてもよい。さらに、このような複数のレンズ群を１または複数個に区分けし、区分けされたレンズ群毎に第１レンズの焦点距離の変化量を制御するように構成してもよく、この場合、区分けされた領域ごとにフォーカス量を変更することができる。
【００１８】
また、本発明にかかる露光装置の一態様は、請求項５ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイスと、強誘電体基板の入射面に光を出力する光源部と、強誘電体基板の変調部で変調されて出射面から出力される光を被露光面上に導光する光学部とを備えることを特徴としている。また、本発明にかかる露光装置の他の態様は、請求項１０ないし１５のいずれか一項に記載の光学デバイスと、強誘電体基板の入射面に光を出力する光源部と、強誘電体基板の出射面と被露光面との間に配置される第２レンズとを備え、第１レンズは光変調部から出力された光を強誘電体基板の結晶軸方向と直交する方向に集光し、第２レンズは強誘電体基板の出射面から出力された光を少なくとも結晶軸方向に集光することを特徴としている。このように構成された発明では、露光装置内での光軸アライメントが容易となり、しかも露光処理を安定して行うことができる。なお、光源部が近赤外レーザ光を出力し、第１の周期分極反転構造部が第２高調波発生部であり、第２の周期分極反転構造部が和周波数発生部であり、光変調部が第２の周期分極反転構造部と出射面との間に設けられる場合、紫外線領域のレーザ光を用いて露光処理を行うことが可能となる。
【００１９】
また、本発明にかかるレーザ装置は、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光学デバイスと、強誘電体基板の入射面に光を出力する光源部とを備えることを特徴としている。このように構成された発明では、レーザ装置内での光軸アライメントが容易となり、しかも所望波長のレーザ光を安定して出力することができる。なお、光源部が近赤外レーザ光を出力し、第１の周期分極反転構造部は第２高調波発生部であり、第２の周期分極反転構造部は和周波数発生部である場合、紫外線領域のレーザ光を安定して出力することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、強誘電体基板が金属膜により支持基板と一体化され、しかも当該強誘電体基板に対して波長変換処理を行う第１の周期分極反転構造部と、波長変換処理または光変調処理を行う第２の周期分極反転構造部とが設けられているため、優れた光学性能が得られる。また、このように構成された光学デバイスを用いて露光装置を構成することで所望波長の光を被露光面に照射して露光することができる。さらに、このように構成された光学デバイスを用いてレーザ装置を構成することで所望波長のレーザ光を安定して発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態を用いたレーザ装置を示す図である。
【図２】本発明にかかる光学デバイスの第２実施形態を用いたレーザ装置を示す図である。
【図３】本発明にかかる光学デバイスの第６実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す斜視図である。
【図４】図３に示すパターン描画装置の側面図である。
【図５】図３のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図６】光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図である。
【図７】光学ヘッドの一部構成を示す斜視図である。
【図８】空間光変調部の部分拡大模式図である。
【図９】本発明にかかる光学デバイスの第７実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す図である。
【図１０】本発明にかかる光学デバイスの第８実施形態を示す図である。
【図１１】本発明にかかる光学デバイスの第９実施形態を示す図である。
【図１２】本発明にかかる光学デバイスの第１０実施形態を示す図である。
【図１３】本発明にかかる光学デバイスの第１１実施形態を示す図である。
【図１４】本発明にかかる光学デバイスの第１２実施形態を示す斜視図である。
【図１５】図１４の光学デバイスの断面図である。
【図１６】図１４の光学デバイスに組み込まれた投影光学系の部分拡大図である。
【図１７】本発明にかかる光学デバイスの第１３実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の一態様は、金属膜を介して支持基板に支持された強誘電体基板中の強誘電体結晶に対して互いに異なる周期分極反転構造部を設けて多段階の波長変換処理を行う光学デバイス、および当該光学デバイスを用いたレーザ装置に関するものである。また、本発明の他の態様は、波長変換処理を行う１つまたは複数の周期分極反転構造部と、光変調処理を行う周期分極反転構造部とを設けた光学デバイス、および当該光学デバイスを用いた露光装置に関するものである。そこで、これらの本発明の作用・効果を一層明らかにするため、「Ａ．本発明にかかる光学デバイスを用いたレーザ装置」と、「Ｂ．本発明にかかる光学デバイスを用いた露光装置」とに分けて説明する。
【００２３】
Ａ．本発明にかかる光学デバイスを用いたレーザ装置
Ａ−１．光学デバイスの第１実施形態を用いたレーザ装置
図１は本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態を用いたレーザ装置を示す図であり、同図（ａ）はレーザ装置の構成を示す斜視図であり、同図（ｂ）は断面図である。なお、同図は模式的なものであり、各部のサイズやサイズ比率などは現実のものとは異なる。この点に関しては、後で説明する図面においても同様である。
【００２４】
このレーザ装置ＬＳは、励起光源１と、励起光源１から出力されるレーザ光Ｌ１を励起光とし、レーザ光の増幅とともに発振を行う固体レーザ部２と、固体レーザ部２から出力される近赤外線領域（波長１０６４［ｎｍ］）のレーザ光Ｌ２を２段階で波長変換して紫外線領域のレーザ光に変換する光学デバイス３とを備えている。
【００２５】
励起光源１は、支持基板１１と、支持基板１１の上面に配置された共通電極１２と、共通電極１２の上面に配置された４つの半導体レーザ１３とを有している。これら４つの半導体レーザ１３は幅方向Ｘに配列されており、各半導体レーザ１３の上面に設けられた電極（図示省略）と共通電極１２とに所定電位を与えることで、各半導体レーザ１３から励起光Ｌ１が幅方向Ｘと直交する光軸方向Ｙに出力され、固体レーザ部２に照射される。このように、本明細書ではレーザ光が進む方向を光軸方向Ｙとしている。
【００２６】
この固体レーザ部２は、支持基板２１と、支持基板２１の上面に配置された固体レーザ素子２２とを備えている。この固体レーザ素子２２は平板形状を有しており、光軸方向Ｙに対して垂直な２つの端面を有しており、それらのうち半導体レーザ１３を向いた端面が入射面２２１となっており、この入射面２２１に対して半導体レーザ１３から励起光Ｌ１が入射される。一方、反半導体レーザ側の端面は出射面２２２となっている。また、入射面２２１と出射面２２２とに挟まれた素子内部では、光導波路構造が形成されており、半導体レーザ１３からの励起光Ｌ１を吸収し、誘導放出によって生成されるレーザ光を光軸方向Ｙに伝播し、出射面２２２から出力する。この実施形態では、固体レーザ素子２２は、半導体レーザ１３からの励起光Ｌ１を吸収して１０６４［ｎｍ］のレーザ光Ｌ２を出力するＮｄ：ＹＡＧ結晶層と、この結晶層の上下両面上に接合したクラッド層とで構成されている。なお、結晶層としては、上記したＮｄ：ＹＡＧ以外に、例えばＮｄ：ＹＶＯ４を用いることができる。この場合、波長１０６４［ｎｍ］もしくは９１４［ｎｍ］のレーザ光Ｌ２が主に発振される。このように本実施形態では、励起光源１と固体レーザ部２とで本発明の「光源部」が構成されている。
【００２７】
このように構成された固体レーザ部２から出力される近赤外線領域のレーザ光Ｌ２は光学デバイス３に入射される。この光学デバイス３は、本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態に相当するものであり、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板３１と、強誘電体基板３１を下方から支持する支持基板３２と、強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に介挿されて強誘電体基板３１を支持基板３２で支持しながら一体化させる金属膜３３とを備えている。このように強誘電体基板３１の下面が本発明の「被支持面」に相当し、支持基板３２の上面が本発明の「対向面」に相当している。
【００２８】
この強誘電体基板３１は、平板形状を有する強誘電体結晶３１１と、強誘電体結晶３１１の上下面に形成された絶縁層３１２、３１３とを有している。強誘電体結晶３１１は、光軸方向Ｙに対して垂直な２つの端面を有しており、それらのうち固体レーザ素子２２を向いた端面が入射面３１１ａとなっており、この入射面３１１ａに対して固体レーザ素子２２から出力されるレーザ光Ｌ２が入射される。一方、反固体レーザ素子側の端面は出射面３１１ｂとなっている。また、強誘電体結晶３１１が上下方向Ｚから絶縁層３１２、３１３で挟み込まれ、結晶内部にステップインデックス型のスラブ導波路が形成されている。このため、入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光Ｌ２は、上下方向Ｚにおいてスラブ導波路に閉じ込められながら結晶内部を光軸方向Ｙに進む。なお、第１実施形態および以下に説明する実施形態では、強誘電体結晶３１１として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したストイキオメトリリチウムタンタレート（MgO：Stoichiometric Lithium Tantalate）の単結晶を用いており、以下の説明では、単に「ＭｇＯ：ＳＬＴ」と称する。また、絶縁層３１２、３１３として、０．５〜１．０［μｍ］程度の厚みを有するシリコン酸化膜を用いている。
【００２９】
また、強誘電体結晶３１１には、２種類の波長変換部３１４、３１５が形成されている。この波長変換部３１４は、分極の向きが互いに反対である第１分極部３１４１および第２分極部３１４２が交互に配列された周期分極反転構造を有している。こうして、波長変換部３１４では分極反転グレーティングが形成されている。より詳しくは、第１分極部３１４１および第２分極部３１４２はいずれも幅方向Ｘに伸びる帯状形状を有するとともに、互いに隣接配列された第１分極部３１４１および第２分極部３１４２からなる分極対が所定周期Λ１で光軸方向Ｙに配列されている。この実施形態では、図１（ｂ）に示すように、光軸方向Ｙにおける第１分極部３１４１および第２分極部３１４２の厚みはいずれも３．９［μｍ］であり、周期Λ１は７．８［μｍ］である。このため、波長変換部３１４は導波型第２高調波発生部として機能し、入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光Ｌ２の半分の波長、つまり５３２［ｎｍ］のレーザ光を発生する。このため、波長変換部３１４から出力されるレーザ光Ｌ３は、
・第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と
を含んでおり、次の波長変換部３１５に出力される。このように波長変換部３１４が本発明の「第１の周期分極反転構造部」および「第１の波長変換部」に相当している。
【００３０】
この波長変換部３１５も、波長変換部３１４と同様に、分極の向きが互いに反対である第１分極部３１５１および第２分極部３１５２が交互に配列された周期分極反転構造を有しており、分極反転グレーティングが形成されている。より詳しくは、互いに隣接配列された、厚み１．１［μｍ］の第１分極部３１５１および厚み１．１［μｍ］の第２分極部３１５２からなる分極対が周期Λ２（＝２．２［μｍ］）で光軸方向Ｙに配列されている。そして、波長変換部３１５は和周波数発生部として機能し、第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、波長変換部３１４で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）との和周波数の光（波長３５５［ｎｍ］）が発生する。このため、波長変換部３１５から出力されるレーザ光Ｌ４は、
・波長変換部３１４、３１５で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で発生し、波長変換部３１５で変換されずに透過してきた第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１５で発生した第３高調波の光（波長３５５［ｎｍ］）と
を含んでおり、出射面３１１ｂを介して強誘電体基板３１から出力される。このように波長変換部３１５が本発明の「第２の周期分極反転構造部」および「第２の波長変換部」に相当している。
【００３１】
以上にように、第１実施形態にかかる光学デバイス３では、単一の強誘電体基板３１内で２段階の波長変換（１０６４［ｎｍ］→５３２［ｎｍ］→３５５［ｎｍ］）が行われる。このため、それぞれディスクリートな第２高調波発生素子および和周波数発生素子を組み合わせていた従来技術での問題は解消される、つまり高精度な光軸アライメントは不要となる。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性および波長変換効率などの光学性能を安定化させることができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、スラブ導波路を形成して入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光L２を強誘電体基板３１中のスラブ導波路に閉じ込めながら波長変換を行っているため、いわゆるバルク型の光学デバイスに比べて高い波長変換効率が得られる。また、波長変換部３１４では、強誘電体結晶３１１の分極を周期的に反転させた分極反転グレーティングを作製することで２次非線形光学テンソルの周期的符号反転構造を実現し、励起光と第２高調波光との間の位相速度不整合を補償して擬似的に位相整合を達成している。このように擬似位相整合法（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）を採用することで波長変換部３１４での波長変換の高効率化が図られている。この点に関しては、波長変換部３１５についても同様である。
【００３３】
また、上記のように強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、優れた光学性能が担保される。すなわち、このような構成を採用しているため、支持基板３２と一体化した状態で強誘電体基板３１を構成する強誘電体結晶３１１の厚み制御や高精度な周期分極反転構造の形成が可能となる。例えば絶縁層３１２が形成されていない強誘電体基板３１の下面と、支持基板３２の上面とに金属材料をそれぞれコーティングし、両コーティング面を相互に密着させて金属膜３３を形成することで強誘電体基板３１が支持基板３２と一体化される。この状態で強誘電体基板３１の上面、つまり強誘電体結晶３１１の上面を研磨することで強誘電体結晶３１１の結晶厚を所望サイズまで薄膜化することができ、さらに従来より周知の電圧印加法を適用して強誘電体結晶３１１に周期分極反転構造を高精度で作製することができる。その結果、優れた光学性能が得られる。なお、金属膜３３を構成する金属材料としては、例えば金やクロムなどを用いることができる。
【００３４】
さらに、このように優れた光学性能を有する光学デバイス３を用いてレーザ装置ＬＳを構成しているので、レーザ装置ＬＳ内での光軸アライメントが容易となり、しかも所望波長のレーザ光を安定して出力することができる。
【００３５】
Ａ−２．光学デバイスの第２実施形態を用いたレーザ装置
図２は本発明にかかる光学デバイスの第２実施形態を用いたレーザ装置を示す図であり、同図（ａ）はレーザ装置の構成を示す斜視図であり、同図（ｂ）は断面図である。この第２実施形態にかかる光学デバイスが第１実施形態のそれと大きく相違する点は、波長選択部３４が追加されている点であり、その他の構成は基本的に第１実施形態と同一である。そこで、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】
この波長選択部３４は波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に設けられた周期分極反転構造部３１６を有している。そして、この周期分極反転構造部３１６の上方位置に複数の電極３１７が配置されており、支持基板３２の上面全体を覆うように形成された金属膜３３とで周期分極反転構造部３１６を挟み込むように構成されている。この実施形態では、金属膜３３は複数の電極３１７に対して対向して配置されており、次のように構成された周期分極反転構造部３１６に回折格子を形成するための共通電極３３１として機能する。
【００３７】
周期分極反転構造部３１６は、波長変換部３１４、３１５と同様に、分極の向きが互いに反対である第１分極部３１６１および第２分極部３１６２が交互に配列された周期分極反転構造を有しているが、それらが配列される方向は光軸方向Ｙに対して所定角度θｂ（図８（ｂ）参照）だけ傾いた方向となっている。また、複数の電極３１７はいずれもレーザ光の進む方向、つまり光軸方向Ｙと平行な方向に伸びるスラブ形状を有しており、幅方向Ｘに所定ピッチで離間配置されている。さらに、金属膜３３の共通電極３３１は強誘電体基板３１全体を下方より覆うように設けられるとともに、一部が幅方向Ｘに翼状で延設されて接地されている。
【００３８】
このように波長選択部３４は実質的に周期分極反転構造部３１６、複数の電極３１７および共通電極３３１で構成されており、レーザ装置ＬＳを制御する制御部（図示省略）から各電極３１７に所定電位が与えられると、電極３１７と共通電極３３１の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して周期分極反転構造部３１６に回折格子が形成される。しかも、この実施形態では、第１分極部３１６１および第２分極部３１６２の配列方向の傾斜角θｂは上記のようにして形成される回折格子によりブラッグ回折が生じる条件を満足するように設定されている。したがって、ブラッグ回折により波長変換部３１５から出力されるレーザ光Ｌ４に含まれる光のうち特定の光、例えば紫外線領域のレーザ光のみがブラッグ回折されて水平面（ＸＺ平面）内で光軸方向Ｙに対して角度（２θｂ）だけ傾いて波長選択部３４からブラッグ回折光として出射される。このように第２実施形態では、ブラッグ回折により特定波長のレーザ光を他のレーザ光と異なる方向に取り出すことが可能となっている。
【００３９】
なお、この実施形態で採用した波長選択部３４の構成や動作は、後で説明する露光装置で採用した空間光変調部と共通するため、後で詳述する。また、本実施形態では、ブラッグ回折型の分極反転グレーティングを作成して特定波長のレーザ光を取り出しているが、これと異なる回折方式、例えば特許文献１に記載のラマン・ナス回折型の分極反転グレーティングを作成するように構成してもよい。
【００４０】
以上のように、第２実施形態にかかる光学デバイスを用いたレーザ装置ＬＳでは、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に波長選択部３４を設け、波長変換部３１５から出力される複数の波長領域を有するレーザ光のうち特定波長のレーザ光のみを所定方向に取り出すことができる。また、このように波長選択部３４を追加しているが、波長選択部３４（周期分極反転構造部３１６）は単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４、３１５とともに設けられているため、高精度な光軸アライメントは不要となっている。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性、波長変換効率および波長選択性などの光学性能を安定化させることができる。
【００４１】
Ａ−３．光学デバイスの第３実施形態を用いたレーザ装置
なお、上記第２実施形態では、回折型の分極反転グレーティングを用いて波長選択を行っているが、これに代えて波長選択コーティングを用いることができる。すなわち、図１に示すレーザ装置ＬＳにおいて、誘電体多層膜や金属膜などの波長選択コーティングを出射面３１１ｂに施すことで、レーザ装置ＬＳから出力されるレーザ光Ｌ５の波長を選択することが可能である。
【００４２】
Ａ−４．光学デバイスの第４実施形態を用いたレーザ装置
また、上記実施形態にかかる光学デバイス３では、擬似位相整合法により波長変換の高効率化を図っている。したがって、各波長変換部３１４、３１５において、分極部を高精度に形成する必要がある。しかしながら、波長変換部３１４、３１５を作製する際に生じる加工誤差を完全に回避することは困難である。そこで、各波長変換部３１４、３１５に対応して熱制御位相整合手段を設け、各波長変換部３１４、３１５の温度を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うように構成してもよい。なお、この実施形態で採用した熱制御位相整合手段の構成や動作は、後で説明する露光装置で採用した熱制御位相整合手段と同一であるため、後で詳述する。
【００４３】
Ａ−５．光学デバイスの第５実施形態を用いたレーザ装置
また、上記第４実施形態にかかる光学デバイスでは、温度制御部により波長変換部の温度を調整することで位相整合の向上を図っているが、各波長変換部の上面に電極を設け、当該電極と金属膜との間に発生させる電界を調整することで位相整合の向上を図ってもよい。なお、この実施形態で採用した電界調整の構成や動作は、後で説明する露光装置で採用した電界調整と同一であるため、後で詳述する。
【００４４】
Ｂ．本発明にかかる光学デバイスを用いた露光装置
Ｂ−１．光学デバイスの第６実施形態を用いた露光装置
図３は本発明にかかる光学デバイスの第６実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す斜視図であり、図４は図３に示すパターン描画装置の側面図であり、図５は図３のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。このパターン描画装置１００は、感光材料が表面に付与された半導体基板やガラス基板等の基板Ｗの表面に光を照射してパターンを描画する装置である。
【００４５】
このパターン描画装置１００では、本体フレーム１０１に対してカバー１０２が取り付けられて形成される本体内部に装置各部が配置されて本体部が構成されるとともに、本体部の外側（本実施形態では、図４に示すように本体部の右手側）に基板収納カセット１１０が配置されている。この基板収納カセット１１０には、露光処理を受けるべき未処理基板Ｗが収納されており、本体内部に配置される搬送ロボット１２０によって本体部にローディングされる。また、未処理基板Ｗに対して露光処理（パターン描画処理）が施された後、当該基板Ｗが搬送ロボット１２０によって本体部からアンローディングされて基板収納カセット１１０に戻される。
【００４６】
この本体部では、図３および図４に示すように、カバー１０２に囲まれた本体内部の右手端部に搬送ロボット１２０が配置されている。また、この搬送ロボット１２０の左手側には基台１３０が配置されている。この基台１３０の一方端側領域（図３および図４の右手側領域）が、搬送ロボット１２０との間で基板Ｗの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域（図３および図４の左手側領域）が基板Ｗへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台１３０上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部１４０が設けられている。このヘッド支持部１４０では、基台１３０から上方に２本の脚部材１４１、１４２が立設されるとともに、それらの脚部材１４１、１４２の頂部を橋渡しするように梁部材１４３が横設されている。そして、図４に示すように、梁部材１４３のパターン描画領域側側面にカメラ（撮像部）１５０が固定されてステージ１６０に保持された基板Ｗの表面（被描画面、被露光面）を撮像可能となっている。
【００４７】
このステージ１６０は基台１３０上でステージ移動機構１６１によりＸ方向、Ｙ方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構１６１は基台１３０の上面にＹ軸駆動部１６１Ｙ（図５）、Ｘ軸駆動部１６１Ｘ（図５）およびθ軸駆動部１６１Ｔ（図５）をこの順序で積層配置したものであり、ステージ１６０を水平面内で２次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ１６０をθ軸（鉛直軸）回りに回転させて後述する光学ヘッドＯＨに対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構１６１としては、従来より多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。
【００４８】
また、このように構成されたヘッド支持部１４０のパターン描画領域側で光学ヘッドＯＨがボックス１７２に対して固定的に取り付けられている。なお、光学ヘッドＯＨは本発明にかかる光学デバイスを用いており、基板Ｗに対して光を照射して露光するものであり、本発明の「露光装置」に相当している。その構成および動作については、後で詳述する。
【００４９】
また、基台１３０の反基板受渡側端部（図３および図４の左手側端部）においても、２本の脚部材１４４が立設されている。そして、この梁部材１４３と２本の脚部材１４４の頂部を橋渡しするように光学ヘッドＯＨの一部を収納したボックス１７２が設けられており、基台１３０のパターン描画領域を上方から覆っている。したがって、パターン描画装置１００が設置されるクリーンルーム内に供給されているダウンフローを本体内部に引き入れたとしても、パターン描画領域にダウンフローが供給されない空間ＳＰが形成される。
【００５０】
そこで、本実施形態にかかるパターン描画装置１００では、上記空間ＳＰの反搬送ロボット側にステージ１６０と光学ヘッドＯＨのボックス１７２とに挟まれた空間ＳＰに向けて温調された気体を吹き出す気体吹出部１９０が配置されている。この実施形態では、本体部の左手側壁を構成するカバー１０２を貫通するように２つの気体吹出部１９０が上下に取り付けられている。これらの気体吹出部１９０は空調器１９１に接続されており、露光制御部１８１から指令に応じて作動して空調器１９１で温調された空気を空間ＳＰに向けて吹き出す。これによって、気体吹出部１９０から吹き出された温調気体が横向きに流れて空間ＳＰを通過する。これによって上記空間ＳＰの雰囲気が入れ替えられてパターン描画領域での温度変化が抑制される。また、このように上記空間ＳＰを通過した空気は搬送ロボット１２０に流れ込むが、この実施形態では、搬送ロボット１２０の下方部に排気口１９２が設けられるとともに、排気口１９２が配管１９３を介して空調器１９１に接続されている。したがって、排気口１９２を設けたことで搬送ロボット１２０を取り囲む雰囲気は排気されて同雰囲気内で下向きの気流、つまりダウンフローが形成される。したがって、搬送ロボット１２０でパーティクルが舞い上がり散乱するのが効果的に防止される。
【００５１】
次に光学ヘッド（露光装置）ＯＨの構成および動作について説明する。この実施形態では、光学ヘッドＯＨはボックス１７２に対して固定的に取り付けられており、光学ヘッドＯＨの直下位置で移動している基板Ｗに対して光を落射することでステージ１６０に保持された基板Ｗを露光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、光学ヘッドＯＨはＸ方向に複数チャンネルで光を同時に照射可能となっており、Ｘ方向が「副走査方向」に相当している。また、ステージ１６０をＹ方向に移動させることで基板Ｗに対してパターンを２次元的に描画することが可能となっており、Ｙ方向が「主走査方向」に相当している。
【００５２】
図６は光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図であり、同図（ａ）は光学ヘッドＯＨの光軸ＯＡおよび副走査方向Ｘに沿って光学ヘッドＯＨを上方（すなわち、図３中の（＋Ｚ）側）から見た場合の光学ヘッドＯＨの内部構成を示し、同図（ｂ）は主走査方向Ｙに沿って図３の装置手前側（左下側）から光学ヘッドＯＨ側を見た場合（すなわち、光学ヘッドＯＨの（＋Ｘ）側から（−Ｘ）方向を向いて見た場合）の光学ヘッドＯＨの内部構成を示している。また、図７は光学ヘッドの一部構成を示す斜視図である。また、図８は空間光変調部の部分拡大模式図である。
【００５３】
図６に示す光学ヘッドＯＨは、光源制御部１４により制御される励起光源１と、固体レーザ部２と、固体レーザ部２から出力される近赤外線領域（波長１０６４［ｎｍ］）のレーザ光Ｌ２を２段階で波長変換して紫外線領域（波長３５５［ｎｍ］）のレーザ光に変換するとともに当該レーザ光を変調する光学デバイス３と、光学デバイス３から出力される変調光を基板Ｗの表面上に導光する光学系４とを備えている。これらの構成要素のうち励起光源１および固体レーザ部２はレーザ装置ＬＳで採用しているものと同一であり、これらが本発明の「光源部」に相当している。また、光学デバイス３は本発明にかかる光学デバイスの第６実施形態に相当する。なお、励起光源１および固体レーザ部２の構成は第１実施形態と同一であるため、同一構成に同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
光学デバイス３では、図６および図７に示すように、支持基板３２の上面全体を覆うように金属膜３３が設けられており、後述するように共通電極３３１として機能する。また、金属膜３３上に強誘電体結晶により構成される強誘電体基板３１が配置されており、金属膜３３により支持基板３２と接合されて一体化されている。この強誘電体基板３１は、ＭｇＯ：ＳＬＴの単結晶の上下面にシリコン酸化膜３１２、３１３を形成したものであり、結晶内部にステップインデックス型のスラブ導波路を有している。そして、第１実施形態ないし第５実施形態にかかる光学デバイス３と同様に、強誘電体基板３１に互いに異なる周期分極反転構造を有する波長変換部３１４、３１５が形成されている。一方、第６実施形態にかかる光学デバイス３では、波長変換部３１５の出力側に空間光変調部３５が追加して設けられている。
【００５５】
この空間光変調部３５は、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に設けられた周期分極反転構造部３１６を有している。そして、この周期分極反転構造部３１６の上方位置に複数の電極３１７が配置されており、金属膜３３とで周期分極反転構造部３１６を挟み込むように構成されている。この実施形態では、金属膜３３は複数の電極３１７に対して対向して配置されており、次のように構成された周期分極反転構造部３１６に回折格子を形成するための共通電極３３１として機能する。このように、本実施形態では、電極３１７が本発明の「第１電極」に相当している。
【００５６】
この周期分極反転構造部３１６では、電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対である第１分極部３１６１および第２分極部３１６２が交互に配列されている。この実施形態では、特に、図８に示すように、第１分極部３１６１および第２分極部３１６２はいずれも配列方向ＡＤに垂直な方向ＷＤに伸びる帯状形状を有し、配列方向ＡＤにおいて同一幅を有するとともに、互いに隣接配列された第１分極部３１６１および第２分極部３１６２からなる分極対３１６３が所定周期（ＸＺ断面において格子周期Λ３）で配列方向ＡＤに配列されており、強誘電体基板３１の空間光変調部３５はいわゆる周期分極反転構造を有している。なお、本実施形態では、レーザ光の進む方向Ｙに対して角度θｂだけ傾いた方向となっている。
【００５７】
また、周期分極反転構造部３１６では、第１分極部３１６１および第２分極部３１６２の結晶軸は互いに反対の向きを有しており、次に説明するように電極３１７と共通電極３３１の間で電位差を発生させて電界を周期分極反転構造内に与えると、当該電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対となる。
【００５８】
また、第１分極部３１６１と第２分極部３１６２は結晶の軸方位が逆であるが、元々均一な方位を持った結晶に例えば第２分極部に相当する部分（周期的）に結晶が固有に持っている分極反転電圧を一時的に印加するなどして部分的（周期的）に結晶の軸方位を反転させて作る。この加工を施された結晶を用いる。故に本実施形態の場合、第１分極部３１６１は元々の結晶の軸方位であり、第２分極部は分極反転加工された軸方位となっている。
【００５９】
この実施形態では、図５および図６に示すように、複数（図８では「５本」のみを図示している）の電極３１７はいずれも波長変換部３１５から出力されてきたレーザ光Ｌ４の進む方向Ｙと平行な方向に伸びるスラブ形状を有しており、レーザ光Ｌ４の進む方向Ｙとほぼ直交する幅方向Ｘにおける電極幅ＥＷ1は格子周期Λ３の約３倍となっている。また、このような形状を有する電極３１７は、強誘電体基板３１の上面で、かつ周期分極反転構造部３１６の上方位置でＸ方向に格子周期Λ３より短い間隔ＥＷ2で平行に配列されている。一方、強誘電体基板３１の下面に対しては、当該下面全体を覆うように共通電極３３１が配置されており、複数の電極３１７に対する共通電極として機能する。
【００６０】
このように構成された空間光変調部３５では、共通電極３３１は接地されるのに対し、複数の電極３１７は変調制御部３６に接続され、露光制御部１８１からの動作指令に応じてそれぞれ独立して変調制御部３６から電位付与を受ける。このため、周期分極反転構造部３１６内では、変調制御部３６から所定電位Ｖ1（０Ｖ以外の電位）が付与された電極３１７に対応する領域でのみ電極３１７と共通電極３３１の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して回折格子が形成される。しかも、この実施形態では、角度θｂは上記のようにして形成される回折格子により露光処理に供する波長（３５５［ｎｍ］）についてブラッグ回折が生じる条件を満足するように設定されている。したがって、例えば図８に示すように、５本の電極３１７のうち第２チャンネルに相当する電極３１７（２ｃｈ）に対してのみ電位Ｖ1を印加すると、当該電極３１７（２ｃｈ）に対応する周期分極反転構造の内部領域でのみ屈折率変化による回折格子が形成され、レーザ光Ｌ４のうち電極３１７（２ｃｈ）と第２電極３３１の間を進む波長（３５５［ｎｍ］）の光ビームのみがブラッグ回折して水平面（ＸＺ平面）内で方向Ｙに対して角度（２θｂ）だけ傾いて空間光変調部３５からブラッグ回折光ＢＬとして出射する。一方、電極３１７への電圧印加を行わずに電極３１７と第２電極３３１の電位差がゼロであり、電界が発生しない場合には、両電極３１７、３３１間の屈折率分布は一様となっており、回折格子は形成されない。したがって、この場合の光ビームはそのまま真っ直ぐに強誘電体基板３１のスラブ導波路内を直進して光学デバイス３から０次光Ｌ０として出射する。このように各電極３１７に対する電位付与をそれぞれ制御することで電極３１７の設置本数分の光変調を行うことができる。
【００６１】
図６に戻って、光学ヘッドＯＨの構成説明を続ける。上記のように構成された光学デバイス３の出力側（図６の右手側）に、投影光学系４が配置されている。この投影光学系４では、バンドパスフィルター４１と、シリンドリカルレンズ４２と、シュリーレン光学部４３とがこの順序でＹ方向に配置されている。このバンドパスフィルター４１は波長３５５［ｎｍ］のレーザ光のみを透過させるものである。したがって、光学デバイス３の出射面３１１ｂから出力された複数波長（本実施形態では、１０６４［ｎｍ］、５３２［ｎｍ］、３５５［ｎｍ］）のうち波長３５５［ｎｍ］のレーザ光のみがシリンドリカルレンズ４２に入射される。このシリンドリカルレンズ４２はＺ方向にのみ正の集光機能を有しており、バンドパスフィルター４１を通過した０次光Ｌ０または回折光ＢＬは、図６（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ４２にて平行な光とされ、シュリーレン光学部４３に入射される。
【００６２】
このシュリーレン光学部４３では、レンズ４３１、アパーチャ４３２１を有するアパーチャ板４３２、レンズ４３３がこの順序でＹ方向に配置されている。レンズ４３１の前側焦点は電極３１７の（＋Ｙ）側の端部近傍における空間光変調部３５内の位置とされ、レンズ４３１の後側焦点にアパーチャ４３２１が位置するようにアパーチャ板４３２が配置される。したがって、空間光変調部３５中で回折を受けず、バンドパスフィルター４１およびレンズ４２を通過した波長３５５［ｎｍ］の０次光Ｌ０は、図６（ａ）中に細い実線にて示すように、レンズ４３１を介してアパーチャ４３２１に集光し、当該アパーチャ４３２１を通過してレンズ４３３に入射する。このレンズ４３３は、前側焦点がアパーチャ４３２１の近傍に位置し、後側焦点がステージ１６０に保持された基板Ｗの表面上となるように配置されており、この０次光Ｌ０はレンズ４３３を介して基板Ｗの表面上に照射されて露光される。一方、回折光ＢＬは、図６（ａ）中に破線にて示すように、光軸ＯＡに対して所定角度だけ傾いて空間光変調部３５から出射されるため、アパーチャ４３２１から離れた位置、つまりアパーチャ板４３２の表面で遮蔽される。
【００６３】
このように構成されたシュリーレン光学部４３は両側テレセントリック光学系と同等の配置であり、図６に示すように、複数のチャンネルを有する光学ヘッドＯＨで基板Ｗに露光する場合にも、その露光面（基板Ｗの表面）に対して各チャンネルの０次光Ｌ０の主光線（図６中の２点鎖線）は垂直であり、露光面のピント方向Ｙの変動に対して倍率の変化を受けない。その結果、高精度な露光が可能となる。このように第６実施形態にかかる光学デバイス３を用いた光学ヘッドＯＨでは、波長３５５［ｎｍ］の０次光を用いて基板Ｗへのパターン描画を行っている。また、上記のように配置された投影光学系４が本発明の「光学系」として機能しており、空間光変調部３５からの光を基板Ｗの表面（被露光面、被描画面）に案内している。
【００６４】
なお、上記のように構成されたパターン描画装置１００は装置全体を制御するためにコンピュータ２００を有している。このコンピュータ２００はＣＰＵやメモリ２０１等を有しており、露光制御部１８１とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。また、コンピュータ２００内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部２０２、伸縮率算出部２０３、データ修正部２０４およびデータ生成部２０５が実現される。例えば１つのＬＳＩに相当するパターンのデータは外部のＣＡＤ等により生成されたデータであり、予めＬＳＩデータ２１１としてメモリ２０１に準備されており、当該ＬＳＩデータ２１１に基づき次のようにしてＬＳＩのパターンが基板Ｗ上に描画される。
【００６５】
ラスタライズ部２０２は、ＬＳＩデータ２１１が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ２１２を生成してメモリ２０１に保存する。こうしてラスタデータ２１２の準備後、または、ラスタデータ２１２の準備と並行して、上記のようにしてカセット１１０に収納されている未処理の基板Ｗが搬送ロボット１２０により搬出され、搬送ロボット１２０によってステージ１６０に載置される。
【００６６】
その後、ステージ移動機構１６１によりステージ１６０がカメラ１５０の直下位置に移動して基板Ｗ上の各アライメントマーク（基準マーク）を順番にカメラ１５０の撮像可能位置に位置決めし、カメラ１５０によるマーク撮像が実行される。カメラ１５０から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路（図５において図示省略）により処理され、アライメントマークのステージ１６０上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部１６１Ｔが作動してステージ１６０を鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗへのパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）される。ここで、ステージ１６０を光学ヘッドＯＨの直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。
【００６７】
図５に示す伸縮率算出部２０３は、画像処理回路にて求められた基板Ｗ上のアライメントマークの位置、および基板Ｗの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、並びに、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｘに対する基板Ｗの伸縮率（すなわち、主面の伸縮率）を求める。
【００６８】
一方、データ修正部２０４はラスタデータ２１２を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第４０２０２４８号に記載の方法を採用することができ、１つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ２１２がデータ生成部２０５へと送られる。データ生成部２０５では、変更後の分割領域に対応する描画データ、すなわち、１つのストライプに相当するデータが生成される。
【００６９】
こうして生成された描画データは、データ生成部２０５から露光制御部１８１へと送られ、露光制御部１８１が光源制御部１４、変調制御部３６およびステージ移動機構１６１の各部を制御することにより１ストライプ分の描画が行われる。なお、露光動作については、光源制御部１４により半導体レーザ１３を点灯させるとともに変調制御部３６による電界発生制御により行われる。そして、１つのストライプに対する露光記録が終了すると、次の分割領域に対して同様の処理が行われ、ストライプごとの描画が繰り返される。こうして、基板Ｗ上の全ストライプの描画が終了して基板Ｗの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ１６０は描画済み基板Ｗを載置したまま基板受渡位置（図３および図４の右側領域）に移動した後、基板搬送ロボット１２０により基板Ｗがカセット１１０へと戻され、次の基板Ｗが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセット１１０に収納されている全ての基板Ｗに対するパターン描画が終了すると、カセット１１０がパターン描画装置１００から搬出される。
【００７０】
以上のように、第６実施形態にかかる光学デバイスを用いた光学ヘッド（露光装置）ＯＨでは、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に空間光変調部３５を設け、波長変換部３１５から出力されるレーザ光が変調されるとともに、特定波長（本実施形態では３５５［ｎｍ］）の０次光Ｌ０のみが基板Ｗ（記録材料）に導光されてＬＳＩデータに対応するパターンが描画される。また、単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４、３１５とともに空間光変調部３５が設けられているため、これら波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５の間での高精度な光軸アライメントは不要となっている。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性、波長変換効率および空間光変調性などの光学性能を安定化させることができる。
【００７１】
また、強誘電体基板３１では、厚さ方向Ｚよりも幅方向Ｘに広がるスラブ導波路を設けるとともに、幅方向Ｘに複数の電極３１７を配置し、変調制御部３６が電極３１７に印加する電圧を制御して電極３１７の各々と共通電極３３１の間での電界発生を制御し、電極３１７ごとに周期分極反転構造内での回折効率を変調している。このように本実施形態では、電極３１７と同数のチャンネル数で光変調を行うことが可能となっている。
【００７２】
また、２つの波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５が形成される強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第１実施形態と同様の理由から、優れた光学性能が担保される。
【００７３】
さらに、このように優れた光学性能を有する光学デバイス３を用いて光学ヘッド（露光装置）ＯＨを構成しているので、光学ヘッドＯＨ内での光軸アライメントが容易となり、しかも露光処理に適した波長（本実施形態では、波長３５５［ｎｍ］）のレーザ光を安定して出力することができる。
【００７４】
Ｂ−２．光学デバイスの第７実施形態を用いた露光装置
図９は本発明にかかる光学デバイスの第７実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す図である。この第７実施形態にかかる光学デバイスを用いた光学ヘッド（露光装置）ＯＨはブラッグ回折光ＢＬを用いて基板Ｗの表面へのパターン描画を行う点で、０次光Ｌ０を用いて露光記録を行う光学ヘッドと大きく相違している。すなわち、第７実施形態の特徴部分は、図９に示すように、投影光学系４にバンドパスフィルター４１が設けられておらず、シリンドリカルレンズ４２とシュリーレン光学系４３とで投影光学系４が構成されている点と、その投影光学系４がＸＹ平面において入射レーザ光Ｌ４の進む方向（空間光変調部３５の入射側の光軸ＯＡ）に対して角度２θbだけ傾斜して配置されている点である。
【００７５】
このように構成されたパターン描画装置では、同図（ａ）の破線にて示すように、空間光変調部３５でブラッグ回折されて強誘電体基板３１の出射面３１１ｂから出力される、ブラッグ回折光ＢＬはレンズ４３１を介してアパーチャ４３２１に集光し、当該アパーチャ４３２１を通過してレンズ４３３に入射する。そして、このレンズ４３３によりブラッグ回折光ＢＬは基板Ｗの表面上に照射される。例えば第１、３〜５チャンネルの第１電極３３３に電圧Ｖ1を付与したときには、これらのチャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応するブラッグ回折光ＢＬが上記のようにして基板Ｗの表面上に照射されて各チャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応してスポット状に露光される。一方、２チャンネルの光、つまり０次光Ｌ０は、図９（ａ）中に実線にて示すように、光軸ＯＡと平行に強誘電体基板３１から出射されるため、アパーチャ４３２１から離れた位置、つまりアパーチャ板４３２の表面で遮蔽される。
【００７６】
以上のように、第７実施形態においては、変調制御部３６により空間光変調部３５の周期分極反転構造部３１６内での電界発生を制御することでブラッグ回折光ＢＬを生じさせることができ、ブラッグ回折を利用して紫外線領域のブラッグ回折光ＢＬのみを露光処理に供している。そのため、第６実施形態と同様の作用効果が得られるのみならず、バンドパスフィルター４１の設置が不要となり、第６実施形態に比べて光学ヘッドＯＨの装置構成を簡素化することができる。
【００７７】
Ｂ−３．光学デバイスの第８実施形態を用いた露光装置
図１０は本発明にかかる光学デバイスの第８実施形態を示す図である。この第８実施形態が第６実施形態と大きく相違する点は、熱制御位相整合手段が追加されている点であり、その他の構成は基本的に第６実施形態と同一である。したがって、以下の説明では相違点を中心に説明する。
【００７８】
この第８実施形態では、金属膜３３として３つの金属膜３３４〜３３６が強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に配置されるとともに、金属膜３３４、３３５の上方位置に平面視で矩形波形状を有する配線３７４、３７５がそれぞれ配置されている。より詳しくは、金属膜３３４および配線３７４は例えば０．１〜０．５［ｎｍ］のタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）などの金属材料で形成されている。この金属膜３３４は波長変換部３１４全体を下方より覆うように設けられるとともに、両端部が幅方向Ｘに翼状で延設されるとともに、温度制御部（図示省略）の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から金属膜３３４への給電により金属膜３３４が発熱して波長変換部３１４を下方側より加熱する。また、配線３７４は波長変換部３１４の上方に配置されるとともに、配線３７４の両端部が温度制御部の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から配線３７４への給電により配線３７４が発熱して波長変換部３１４を上方側より加熱する。このように、本実施形態では、金属膜３３４、配線３７４および温度制御部により、波長変換部３１４を加熱する熱制御位相整合手段が構成されている。したがって、波長変換部３１４の温度を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができる。
【００７９】
また、波長変換部３１５に対しても、波長変換部３１４と同様に、熱制御位相整合手段が設けられている。すなわち、金属膜３３５は波長変換部３１５全体を下方より覆うように設けられるとともに、両端部が温度制御部の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から金属膜３３５への給電により金属膜３３５が発熱して波長変換部３１５を下方側より加熱する。また、配線３７５は波長変換部３１５の上方に配置されるとともに、配線３７５の両端部が温度制御部の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から配線３７５への給電により配線３７５が発熱して波長変換部３１５を上方側より加熱する。
【００８０】
以上のように、第８実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３４〜３３６により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。また、熱制御位相整合手段により波長変換部３１４、３１５の温度を調整可能となっている。したがって、波長変換部３１４、３１５を作製する際に加工誤差が生じたとしても、熱制御位相整合手段により、各波長変換部３１４、３１５の温度を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができ、擬似位相整合法により波長変換を高効率で行うことができる。
【００８１】
Ｂ−４．光学デバイスの第９実施形態を用いた露光装置
各波長変換部３１４、３１５での波長変換のための位相整合を上記第８実施形態では温度調整により行っているが、次に説明するように、各波長変換部３１４、３１５に対して電界を与えることで屈折率を変化させて位相整合を図ってもよい。
【００８２】
図１１は本発明にかかる光学デバイスの第９実施形態を示す図である。この第９実施形態が第８実施形態と大きく相違する点は、熱制御位相整合手段の代わりに、屈折率可変位相整合手段が設けられている点であり、その他の構成は基本的に第８実施形態と同一である。したがって、以下の説明では相違点を中心に説明する。
【００８３】
この第９実施形態では、金属膜３３として３つの金属膜３３４〜３３６が強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に配置されるとともに、金属膜３３４、３３５の上方位置に平面視で矩形平面形状を有する電極３８４、３８５がそれぞれ配置されている。この金属膜３３４は波長変換部３１４全体を下方より覆うように設けられるとともに、一方端部が幅方向Ｘに翼状で延設されるとともに、電圧制御部（図示省略）の負極と電気的に接続されている。また、電極３８４は波長変換部３１４全体の上方から覆うように設けられるとともに、電極３８４が電圧制御部の正極と電気的に接続されている。そして、電圧制御部により金属膜３３４と電極３８４との間の電位差を制御することで波長変換部３１４に印加される電界を可変可能となっている。このように、本実施形態では、金属膜３３４、電極３８４および電圧制御部により、波長変換部３１４の屈折率を変化させる屈折率可変位相整合手段が構成されている。したがって、波長変換部３１４の屈折率を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができる。
【００８４】
また、波長変換部３１５に対しても、波長変換部３１４と同様に、屈折率可変位相整合手段が設けられている。すなわち、金属膜３３５は波長変換部３１５全体を下方より覆うように設けられるとともに、一方端部が電圧制御部の負極と電気的に接続されている。また、電極３８５は波長変換部３１５全体の上方から覆うように設けられるとともに、電極３８５が電圧制御部の正極と電気的に接続されている。そして、電圧制御部により金属膜３３５と電極３８５との間の電位差を制御することで波長変換部３１５に印加される電界を可変可能となっている。このように、本実施形態では、金属膜３３５、電極３８５および電圧制御部により、波長変換部３１５の屈折率を変化させる屈折率可変位相整合手段が構成されている。
【００８５】
以上のように、第９実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３４〜３３６により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。また、屈折率可変位相整合手段により波長変換部３１４、３１５の屈折率を調整可能となっている。したがって、波長変換部３１４、３１５を作製する際に加工誤差が生じたとしても、屈折率可変位相整合手段により、各波長変換部３１４、３１５の屈折率を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができ、擬似位相整合法により波長変換を高効率で行うことができる。
【００８６】
Ｂ−５．光学デバイスの第１０実施形態を用いた露光装置
図１２は本発明にかかる光学デバイスの第１０実施形態を示す図である。この第１０実施形態では、励起光源１は単一の半導体レーザ１３で構成されており、この半導体レーザ１３から出力された励起光が光軸方向Ｙに出力され、光ファイバー５に導入される。この光ファイバー５のコア部（図示省略）には希土類材料がドープされており、光ファイバー５自体がレーザ媒質となるため、半導体レーザ１３からの励起光を吸収し、誘導放出によって生成されるレーザ光を光軸方向Ｙに伝播する。この実施形態では、光ファイバー５はファイバーレーザを用いており、半導体レーザ１３からの励起光を吸収して１０６４［ｎｍ］のレーザ光を出力する。
【００８７】
また、光ファイバー５の出力端面から出力されたレーザ光が光学デバイス３の入射面３１１ａに入射する。このため、レーザ光が入射される領域は一部に限定されている。そこで、第１０実施形態にかかる光学デバイス３では、チャンネル導波路、ビーム整形領域およびスラブ導波路が形成されている。
【００８８】
光学デバイス３は、本発明にかかる光学デバイスの第１０実施形態に相当するものであり、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板３１と、強誘電体基板３１を下方から支持する支持基板３２と、強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に介挿されて強誘電体基板３１を支持基板３２で支持しながら一体化させる金属膜３３とを備えている。
【００８９】
この強誘電体基板３１は上記実施形態と同様に強誘電体結晶３１１を有している。そして、強誘電体結晶３１１の両端面のうち光ファイバー５の出力端面と対向する面が入射面３１１ａとなっており、その入射面３１１ａの中央領域に固体レーザ素子から出力されるレーザ光Ｌ２が入射される。そして、チャネル導波路に沿って上記実施形態と同様に波長変換部３１４、３１５がこの順序で設けられている。なお、各波長変換部３１４、３１５は、幅方向Ｘの寸法が上記実施形態と比べて小さくなっている点を除き、上記実施形態と同一である。
【００９０】
そして、光ファイバー５を介して入射された波長１０６４［ｎｍ］のレーザ光は波長変換部３１４、３１５の２段階で波長変換される。つまり、波長変換部３１４での波長変換処理により
・第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と
が次の波長変換部３１５に出力される。また、波長変換部３１５での波長変換処理により
・波長変換部３１４、３１５で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で発生し、波長変換部３１５で変換されずに透過してきた第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１５で発生した第３高調波の光（波長３５５［ｎｍ］）と
が出力される。
【００９１】
また、強誘電体結晶３１１の中央部、つまり波長変換部３１５と空間光変調部３５との間には、本発明の「ビーム拡大部」の一例としてビームエキスパンダー３８が設けられている。つまり、図１２（ａ）に示すように、このビームエキスパンダー３８は上方からの平面視で波長変換部３１５から空間光変調部３５に向けて末広がり形状の導波路で構成されている。このため、波長変換部３１５から出力されたレーザ光は、上下方向Ｚにおける広がりが規制される一方、幅方向Ｘにおいては当該導波路内を広がりながら空間光変調部３５に導光される。その結果、レーザ光は扁平形状に整形されて空間光変調部３５に入射される。
【００９２】
なお、この空間光変調部３５は上記実施形態と同一であり、電極３１７の設置本数と同一数のチャンネルで光変調を行い、変調光を強誘電体結晶３１１の出射面３１１ｂから出力する。また、このように構成された光学デバイス３から出力される変調光については、投影光学系４により基板Ｗの表面上に導光される。これによって、基板Ｗの表面上に照射されて各チャンネルに対応してスポット状に露光される。
【００９３】
以上のように、第１０実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５、ビームエキスパンダー３８および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。
【００９４】
Ｂ−６．光学デバイスの第１１実施形態を用いた露光装置
上記したように第１０実施形態では、波長変換部３１５と空間光変調部３５との間にビームエキスパンダー３８を配置しているが、例えば図１３に示すように、ビームエキスパンダー３８と空間光変調部３５との間に本発明の「光強度均一化部」の一例としてホモジナイザー３９をさらに設けてもよい（第１１実施形態）。これにより空間光変調部３５に入射される前に光強度の均一化を図ることができる。もちろん、この場合も、２つの波長変換部３１４、３１５、ビームエキスパンダー３８、ホモジナイザー３９および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化することで上記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、ホモジナイザー等の光強度均一化部については、上記第６実施形態ないし第９実施形態に追加してもよい、つまり波長変換部３１５と空間光変調部３５との間に光強度均一化部を追加してもよく、これによって同様の作用効果が得られる。
【００９５】
また、上記第１１実施形態では、ビームエキスパンダー３８およびホモジナイザー３９をこの順序で用いているが、配設順序はこれに限定されるものではなく、逆であってもよい。また、ビームエキスパンダー３８およびホモジナイザー３９の代わりに、ビーム拡大機能と光強度均一化機能とを兼ね備えた複合機能部を強誘電体基板３１に設けてもよい。
【００９６】
Ｂ−７．光学デバイスの第１２実施形態を用いた露光装置
ところで、上記第６実施形態ないし第１１実施形態の光学デバイス３を用いた露光装置（光学ヘッド）では、光学デバイス３と投影光学系４とをそれぞれ独立させていたが、投影光学系４を光学デバイス３に組み込んでもよい。また、光学デバイス３に組み込まれたレンズの屈折率を制御してオートフォーカス機能を付加してもよい。以下、図１４ないし図１６を参照しつつ光学デバイスの第１２実施形態について説明する。
【００９７】
図１４は本発明にかかる光学デバイスの第１２実施形態を示す斜視図である。また、図１５は図１４の光学デバイスの断面図である。さらに、図１６は図１４の光学デバイスに組み込まれた投影光学系の部分拡大図である。この第１２実施形態は第９実施形態にかかる光学デバイス３に投影光学部４０を組み込んだものである。したがって、以下の説明では、追加された投影光学部４０の構成および動作を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００９８】
この第１２実施形態では、強誘電体結晶３１１内に投影光学部４０が設けられている。この投影光学部４０は空間光変調部３５と出射面３１１ｂとの間に配置されており、分極反転により形成される複数のマイクロレンズＭＬを有している。すなわち、投影光学部４０では、電界を受けて発生する分極の向きがマイクロレンズＭＬと、マイクロレンズＭＬの周辺部とで互いに反対となる分極反転構造部３１８を有している。このようにマイクロレンズＭＬと、マイクロレンズＭＬの周辺部とは結晶の軸方位が逆であるが、元々均一な方位を持った結晶に例えば第２分極部に相当する部分に結晶が固有に持っている分極反転電圧を一時的に印加するなどして部分的に結晶の軸方位を反転させて作製しており、本実施形態ではマイクロレンズＭＬの周辺部は元々の結晶の軸方位であり、マイクロレンズＭＬは分極反転加工された軸方位となっている。したがって、図１６（ｃ）に示すように、各マイクロレンズＭＬは結晶方位軸（Ｚ軸）に対して直交する方向Ｘにパワーを有しておりＸＹ平面内で光を集光する。
【００９９】
また、複数のマイクロレンズＭＬはＸＹ平面内で２次元配列されている。より具体的には、Ｙ方向に５個のマイクロレンズＭＬが一列に配列された小レンズ群ＳＧを一単位とし、当該小レンズ群ＳＧがＹ方向に４組一列に配列されて大レンズ群ＬＧが形成されている。さらに、Ｘ方向に当該大レンズ群ＬＧが空間光変調部３５のチャンネル数、つまり電極３１７の個数と同数個、しかも電極３１７と同一ピッチで一列に配列されている。なお、構成説明のために、大レンズ群ＬＧを構成する４つの小レンズ群ＳＧのうち最も空間光変調部３５に近接するものを「第１小レンズ群ＳＧ１」と称し、それからＹ方向に並んでいる小レンズ群ＳＧをそれぞれ「第２小レンズ群ＳＧ２」、「第３小レンズ群ＳＧ３」、「第４小レンズ群ＳＧ４」と称する。なお、大レンズ群ＬＧの個数は空間光変調部３５のチャンネル数と同数であることは、本発明の必須事項ではなく、大レンズ群ＬＧの個数と空間光変調部３５のチャンネル数との関係は任意である。
【０１００】
このように構成された投影光学部４０では、ＸＹ平面内で空間光変調部３５から出力される変調光は第１小レンズ群ＳＧ１および第２小レンズ群ＳＧ２により、第２小レンズ群ＳＧ２と第３小レンズ群ＳＧ３との間に集光されて反転像を形成する。また、この反転像はＸＹ平面内で第３小レンズ群ＳＧ３および第４小レンズ群ＳＧ４により基板Ｗの表面（被露光面、被描画面）に結像される。
【０１０１】
また、上記したように強誘電体基板３１内に形成される各マイクロレンズＭＬは結晶方位軸（Ｚ軸）に対して直交する方向Ｘにのみパワーを有しており、Ｚ方向にはパワーを有していない。そこで、本実施形態では、強誘電体基板３１の出射面３１１ｂの近傍にＺ方向にパワーを有するシリンドリカルレンズＣＬを配置している。また、所望の波長のレーザ光のみを露光処理に供するために、出射面３１１ｂに波長選択膜などのフィルターＦＴを設けている。このように本実施形態では、マイクロレンズＭＬが本発明の「第１レンズ」に相当し、シリンドリカルレンズＣＬが本発明の「第２レンズ」に相当している。
【０１０２】
こうして、特定波長のレーザ光を基板Ｗの表面に集光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、ブラッグ回折光ＢＬ（図１６（ｂ）中の破線）を遮光するために、ブラッグ回折光ＢＬの光路上に微小穴ＨＬが設けられている。つまり、微小穴ＨＬは図１６（ｂ）に示すように、第１小レンズ群ＳＧ１と第２小レンズ群ＳＧ２との間で、かつ大レンズ群ＬＧの光軸ＯＡから回折方向に外れた位置に設けられている。
【０１０３】
また、本実施形態では、マイクロレンズＭＬの焦点距離を調整するオートフォーカス機能を投影光学部４０に付加するために、電極３１９Ａ、３１９Ｂが投影光学部４０の上方に配置されており、支持基板３２の上面全体を覆うように形成された金属膜３３８とで分極反転構造部３１８を挟み込むように構成されている。この実施形態では、金属膜３３８は電極３１９Ａ、３１９Ｂに対して対向して配置され、図示を省略する電圧制御部の負極と電気的に接続されている。このように金属膜３３８は投影光学部４０を構成するマイクロレンズＭＬの屈折率を調整するための共通電極として機能している。
【０１０４】
電極３１９Ａ、３１９ＢはそれぞれＸ方向に並んで配置されており、電極３１９Ａは（＋Ｘ）側のマイクロレンズＭＬの上方位置に位置する一方、電極３１９Ｂは（−Ｘ）側のマイクロレンズＭＬの上方位置に位置している。また、電極３１９Ａ、３１９Ｂは電圧制御部の正極と電気的に接続されている。そして、電圧制御部から電極３１９Ａ、３１９Ｂに対して印加する電位をそれぞれ独立して制御可能となっている。
【０１０５】
そして、電圧制御部が電極３１９Ａ、３１９Ｂと共通電極（金属膜３３８）との電位差をそれぞれ制御することでマイクロレンズＭＬの屈折率を変化させて投影像の位置を調整可能となっている。
【０１０６】
以上のように、第１２実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５、空間光変調部３５および投影光学部４０を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３４〜３３６、３３８により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。また、投影光学系４と同様の機能を有する投影光学部４０を光学デバイス３に組み込んだことで光学ヘッドＯＨを大幅に小型化することができる。さらに、投影光学部４０を構成するマイクロレンズＭＬは可変焦点レンズとなっており、投影光学部４０はオートフォーカス機能を有しているため、投影像を確実に基板Ｗの表面に結像させて良好なパターン描画を行うことができる。
【０１０７】
また、２つの電極３１９Ａ、３１９Ｂを設けてオートフォーカス領域を２つに分割しているので、オートフォーカス領域毎にフォーカス量をそれぞれ独立して制御可能となっている。もちろん、投影光学部４０の上方に配置する電極の個数、形状および大きさなどについては、上記実施形態のそれに限定されるものではなく、オートフォーカス領域の分割数に応じて設定すればよい。
【０１０８】
Ｂ−８．光学デバイスの第１３実施形態を用いた露光装置
図１７は本発明にかかる光学デバイスの第１３実施形態を示す図である。この第１３実施形態は、第２の波長変換部３１５が設けられていない点を除き、第６実施形態（図７）と基本的に同一である。すなわち、光学デバイス３では、強誘電体基板３１の強誘電体結晶３１１に対して入射面３１１ａと出射面３１１ｂの間に波長変換部３１４が設けられるとともに、この波長変換部３１４と出射面３１１ｂとの間に光変調部３５が設けられている。なお、波長変換部３１４と光変調部３５とはいずれも第６実施形態のそれらと同一であり、波長変換部３１４は導波型第２高調波発生部として機能し、入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光Ｌ２の半分の波長、つまり５３２［ｎｍ］のレーザ光を発生する。そして、波長変換部３１４から出力されたレーザ光Ｌ３は光変調部３５に入射され、変調処理を受けて出射面３１１ｂから出力され、第６実施形態と同様に、投影光学系４を介して基板Ｗの表面に案内される。なお、第１３実施形態では、５３２［ｎｍ］の０次光Ｌ０のみを基板Ｗに導光するために、投影光学系４は、波長５３２［ｎｍ］のレーザ光のみを透過させるバンドパスフィルター４１（図９参照）を有している。
【０１０９】
以上のように、第１３実施形態にかかる光学デバイスを用いた光学ヘッド（露光装置）ＯＨでは、波長変換部３１４と空間光変調部３５を設けているので、特定波長（本実施形態では５３２［ｎｍ］）の０次光Ｌ０のみが基板Ｗ（記録材料）に導光されてＬＳＩデータに対応するパターンが描画される。また、単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４と空間光変調部３５とが設けられているため、波長変換部３１４および空間光変調部３５の間での高精度な光軸アライメントは不要となっている。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性、波長変換効率および光変調効率などの光学性能を安定化させることができる。
【０１１０】
また、波長変換部３１４および空間光変調部３５が形成される強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第１実施形態と同様の理由から、優れた光学性能が担保される。
【０１１１】
このように、第１３実施形態では、波長変換部３１４および空間光変調部３５がそれぞれ本発明の「第１の周期分極反転構造部」および「第２の周期分極反転構造部」に相当している。なお、２つの波長変換部の一方に代えて光変調部を設ける、つまり単一の波長変換部と光変調部とを同一の強誘電体基板３１内に設けるという技術思想については、第７実施形態ないし第１２実施形態などにも適用することができ、上記と同様の作用効果が得られる。
【０１１２】
Ｃ．その他
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、強誘電体結晶３１１として、ＭｇＯ：ＳＬＴを用いているが、その他の強誘電体結晶、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したリチウムナイオベート（MgO：Lithium Niobate）を用いてもよい。
【０１１３】
また、上記実施形態では、波長変換部３１４を第２高調波発生部とするとともに、波長変換部３１５を和周波数発生部としているが、種々の波長変換部から互いに異なる２種を波長変換部３１４、３１５として用いることができる。例えば波長変換部３１４、３１５の組み合わせとしては、（第２高調波発生部、差周波数発生部）がある。また、波長変換部の個数は「２」に限定されるものではなく、さらに波長変換部３１４、３１５と異なる１つ以上の波長変換部を強誘電体基板３１に設けてもよい。
【０１１４】
また、上記実施形態では、スラブ導波路としてステップインデックス導波路を強誘電体基板３１に形成しているが、プロトン交換導波路を形成してもよい。
【０１１５】
また、上記実施形態では、絶縁層としてＳｉＯ２を用いたが、酸化窒素膜（ＳｉＯｘＮｙ）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの透明誘電体膜を用いてもよい。
【０１１６】
また、上記した光学ヘッドＯＨでは空間光変調部３５においてブラッグ回折を発生させて光変調を行っているが、ラマン・ナス回折を発生させて光変調を行うように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
この発明は、波長変換機能を有する光学デバイス、当該光学デバイスを用いたレーザ装置および当該光学デバイスを使用する露光装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１…励起光源
２…固体レーザ部
３…光学デバイス
４…投影光学系
１３…半導体レーザ
２２…固体レーザ素子
３１…強誘電体基板
３２…支持基板
３３、３３４〜３３６、３３８…金属膜
３４…波長選択部
３５…空間光変調部
３８…ビームエキスパンダー（ビーム拡大部）
３９…ホモジナイザー（光強度均一化部）
４０…投影光学部
４１…バンドパスフィルター
４２…シリンドリカルレンズ
４３…シュリーレン光学部
１００…パターン描画装置
３１１…強誘電体結晶
３１１ａ…入射面
３１１ｂ…出射面
３１４、３１５…波長変換部
３１６…周期分極反転構造部
３１７…電極
３１８…分極反転構造部
３１９Ａ、３１９Ｂ…電極
ＬＧ…大レンズ群
ＬＳ…レーザ装置
ＭＬ…マイクロレンズ
ＯＨ…光学ヘッド
Ｗ…基板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長変換機能を有する光学デバイス（以下においては、単に「光学デバイス」という）、当該光学デバイスを用いたレーザ装置および当該光学デバイスを使用する露光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強誘電体結晶により構成された強誘電体基板を用いて波長変換処理や光変調処理を行う光学デバイスおよび該光学デバイスを用いた装置が数多く提案されている。例えば特許文献１には、光変調処理を行う光学デバイスを用いて露光処理を行う装置が記載されている。この装置では、所定の波長の光ビームを出射する半導体レーザなどにより構成された光源部が設けられている。そして、光源部から出力されたレーザ光が照明光学系により平行光ビームに整形された後、光学デバイス（空間光変調器）に入射される。この光学デバイスでは、強誘電体結晶が薄板形状（スラブ形状）に仕上げられており、強誘電体結晶の一方主面（または両主面）上に複数の電極要素が一定ピッチで配列されて格子電極が形成されている。そして、これらの電極要素間に電位差を付与することによって強誘電体結晶中で生じる電界により強誘電体結晶の内部で周期的な屈折率の変化が生じて回折格子が形成される。この強誘電体結晶に対して格子電極の長さ方向とほぼ平行に光を入射させ、主にラマン・ナス回折を生じさせることにより空間光変調が行われている。
【０００３】
このような装置のコンパクト化および使用波長の適正化を図るために波長変換技術を用いることが提案されている。例えば特許文献２では、強誘電体基板に波長変換部を設け、近赤外レーザ光を短波長化する技術が提案されている。この従来技術では、強誘電体基板に導波型第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）部を設けた光学デバイスが用いられている。つまり、固体レーザ素子から出力される基本波を光学デバイス中の第２高調波発生部に伝播させることで、基本波に対して半分の波長（２倍の周波数）に波長変換された第２高調波を得ている。したがって、特許文献２に記載のレーザ装置を特許文献１に記載の露光装置（光学ヘッド）に適用することで装置の小型化を図ることができる。
【０００４】
また、露光装置で使用するレーザ光の短波長化を図るために、第２高調波発生部を備えた光学デバイスの後段側に和周波数発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）部を備えた光学デバイスを追加配置することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３１７３２号公報（図２、図３）
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００９／０１６７０９号（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、波長変換処理を行う光学デバイスを複数個組み合わせて所定の波長の光を出力させる場合、あるいは波長変換処理を行う光学デバイスと光変調処理を行う光学デバイスとを組み合わせる場合のいずれにおいても、これらの光学デバイスはそれぞれディスクリートな素子であるため、光軸アライメントに対して高い精度が要求される。さらに、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることがあり、光量安定性、波長変換効率および光変調効率などの光学性能が不安定となることがある。
【０００７】
この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数の波長変換処理を組み合わせて行う際、また波長変換処理と光変調処理とを組み合わせて行う際に、これらの組み合わせ処理を安定的に、かつ高い効率で行うことができる優れた光学性能を有する光学デバイス、当該光学デバイスを用いて所望波長のレーザ光を安定して発生するレーザ装置、および当該光学デバイスを用いて所望波長の光を被露光面に照射して露光する露光装置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】
【０００８】
この発明にかかる光学デバイスは、上記目的を達成するため、強誘電体結晶により構成され、光が入射される入射面と、入射面と対向する出射面と、入射面および出射面と異なる被支持面とを有する強誘電体基板と、被支持面と対向する対向面を有する支持基板と、被支持面と対向面との間に配置されて強誘電体基板を支持基板に一体化させる金属膜とを備え、強誘電体基板は、入射面と出射面との間に設けられた第１の周期分極反転構造部と、第１の周期分極反転構造部と出射面との間に設けられた第１の周期分極反転構造部と異なる第２の周期分極反転構造部とを有し、入射面に入射される光に対して第１の周期分極反転構造部により波長変換処理を行うとともに、第１の周期分極反転構造部から出力された光に対して第２の周期分極反転構造部により波長変換処理または光変調処理を行うことを特徴としている。
【０００９】
このように構成された発明では、強誘電体結晶により構成された強誘電体基板に対し、互いに異なる２つの周期分極反転構造部が設けられ、まず第１の周期分極反転構造部が入射面に入射された光に対して波長変換処理を行う。また、第２の周期分極反転構造部が第１の周期分極反転構造部から出力された光に対して波長変換処理または光変調処理を行う。このように単一の強誘電体基板内で複数の波長変換処理を組み合わせた処理（２段階の波長変換処理）、波長変換処理と光変調処理とを組み合わせた処理が行われる。このため、これらの組み合わせ処理を安定的に、かつ高い効率で行うことができ、優れた光学性能が得られる。しかも、この強誘電体基板は金属膜により支持基板と一体化されているため、支持基板と一体化した状態で強誘電体基板内の光路長制御や周期分極反転構造の形成が可能となる。その結果、強誘電体基板の薄膜化や周期分極反転構造の高精度化が可能となり、光学性能をさらに高めることができる。
【００１０】
ここで、入射面に入射された光を出射面に導波するスラブ導波路を強誘電体基板内に設けてもよく、このスラブ導波路を伝播する光に対して上記した２段階の波長変換を実行することで所望波長の光が得られる。また１段目の波長変換により得られた所望波長の光に対して光変調処理を行うことができる。
【００１１】
また、第１の周期分極反転構造部を、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第１の波長変換部として設けてもよい。また、第２の周期分極反転構造部を、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第２の波長変換部として設けてもよい。このように２段階の波長変換により所望波長の光が得られる。例えば第１の周期分極反転構造部および第２の周期分極反転構造部として、それぞれ第２高調波発生部および和周波数発生部を設けてもよい。また、第１の周期分極反転構造部および第２の周期分極反転構造部として、それぞれ第２高調波発生部および差周波数発生部を設けてもよい。
【００１２】
また、上記のように２つの周期分極反転構造部をともに波長変換部とした場合、強誘電体基板に対して光変調部、ビームエキスパンダー等のビーム拡大部、ホモジナイザー等の光強度均一化部、あるいは光学部などを追加的に設けて光学デバイスの多機能化を図ってもよい。従来技術では、このように光変調部、ビーム拡大部、光強度均一化部や光学部などについては、それぞれディスクリートな素子で提供されていたため、上記したように高精度な光軸アライメントが必要となるという問題、光量安定性および波長変換効率などの光学性能が不安定であるという問題などがあったが、強誘電体基板に対して光変調部などを設けることによって上記問題が解消される。
【００１３】
このような多機能化の一例として、例えば第２の周期分極反転構造部（第２の波長変換部）と出射面との間に光変調部を設けて第２の周期分極反転構造部から出力された光を変調するように構成してもよい。もちろん、第２の周期分極反転構造部を波長変換部とする代わりに光変調部としてもよい。
【００１４】
このような光変調部としては、例えば光変調部を挟んで金属膜に対向して第１電極を複数個配置し、複数の第１電極と金属膜の間に与えられる電界に応じて周期分極反転構造内でブラッグ回折またはラマン・ナス回折を発生させて空間光変調を行うものを採用してもよい。
【００１５】
また、第２の波長変換部と光変調部との間にビーム拡大部や光強度均一化部を設けてもよい。例えばビーム拡大部を設けることで光変調部に入射される前に光を所望形状に整形することができる。また、光強度均一化部を設けることで光変調部に入射される前に光強度の均一化を図ることができる。
【００１６】
また、光変調部と出射面との間に光学部を設け、当該光学部の第１レンズにより光変調部から出力された光を所望位置に集光するように構成してもよい。ここで、第１レンズを可変焦点レンズとすることで光の集光位置を調整することができる。より具体的には、第２電極が光学部を挟んで金属膜に対向して配置されるとともに、電界を受けて発生する分極の向きが第１レンズと第１レンズの周辺部とで互いに反対となる分極反転構造を光学部に設け、第２電極と金属膜の間に与えられる電界に応じて第１レンズと、第１レンズの周辺部とで屈折率を変化させて第１レンズの焦点距離を変化させるように構成してもよい。
【００１７】
また、光学部内を伝播する光の進行方向に第１レンズを複数個配置したレンズ群を設けてもよい。このように複数の第１レンズを組み合わせることで高性能な投影性能や結像性能が得られる。また、このように構成されたレンズ群が光学部内を伝播する光の進行方向と直交する方向に複数個配置されてもよい。さらに、このような複数のレンズ群を１または複数個に区分けし、区分けされたレンズ群毎に第１レンズの焦点距離の変化量を制御するように構成してもよく、この場合、区分けされた領域ごとにフォーカス量を変更することができる。
【００１８】
また、本発明にかかる露光装置の一態様は、請求項５ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイスと、強誘電体基板の入射面に光を出力する光源部と、強誘電体基板の変調部で変調されて出射面から出力される光を被露光面上に導光する光学部とを備えることを特徴としている。また、本発明にかかる露光装置の他の態様は、請求項１０ないし１５のいずれか一項に記載の光学デバイスと、強誘電体基板の入射面に光を出力する光源部と、強誘電体基板の出射面と被露光面との間に配置される第２レンズとを備え、第１レンズは光変調部から出力された光を強誘電体基板の結晶軸方向と直交する方向に集光し、第２レンズは強誘電体基板の出射面から出力された光を少なくとも結晶軸方向に集光することを特徴としている。このように構成された発明では、露光装置内での光軸アライメントが容易となり、しかも露光処理を安定して行うことができる。なお、光源部が近赤外レーザ光を出力し、第１の周期分極反転構造部が第２高調波発生部であり、第２の周期分極反転構造部が和周波数発生部であり、光変調部が第２の周期分極反転構造部と出射面との間に設けられる場合、紫外線領域のレーザ光を用いて露光処理を行うことが可能となる。
【００１９】
また、本発明にかかるレーザ装置は、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光学デバイスと、強誘電体基板の入射面に光を出力する光源部とを備えることを特徴としている。このように構成された発明では、レーザ装置内での光軸アライメントが容易となり、しかも所望波長のレーザ光を安定して出力することができる。なお、光源部が近赤外レーザ光を出力し、第１の周期分極反転構造部は第２高調波発生部であり、第２の周期分極反転構造部は和周波数発生部である場合、紫外線領域のレーザ光を安定して出力することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、強誘電体基板が金属膜により支持基板と一体化され、しかも当該強誘電体基板に対して波長変換処理を行う第１の周期分極反転構造部と、波長変換処理または光変調処理を行う第２の周期分極反転構造部とが設けられているため、優れた光学性能が得られる。また、このように構成された光学デバイスを用いて露光装置を構成することで所望波長の光を被露光面に照射して露光することができる。さらに、このように構成された光学デバイスを用いてレーザ装置を構成することで所望波長のレーザ光を安定して発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態を用いたレーザ装置を示す図である。
【図２】本発明にかかる光学デバイスの第２実施形態を用いたレーザ装置を示す図である。
【図３】本発明にかかる光学デバイスの第６実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す斜視図である。
【図４】図３に示すパターン描画装置の側面図である。
【図５】図３のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図６】光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図である。
【図７】光学ヘッドの一部構成を示す斜視図である。
【図８】空間光変調部の部分拡大模式図である。
【図９】本発明にかかる光学デバイスの第７実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す図である。
【図１０】本発明にかかる光学デバイスの第８実施形態を示す図である。
【図１１】本発明にかかる光学デバイスの第９実施形態を示す図である。
【図１２】本発明にかかる光学デバイスの第１０実施形態を示す図である。
【図１３】本発明にかかる光学デバイスの第１１実施形態を示す図である。
【図１４】本発明にかかる光学デバイスの第１２実施形態を示す斜視図である。
【図１５】図１４の光学デバイスの断面図である。
【図１６】図１４の光学デバイスに組み込まれた投影光学系の部分拡大図である。
【図１７】本発明にかかる光学デバイスの第１３実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の一態様は、金属膜を介して支持基板に支持された強誘電体基板中の強誘電体結晶に対して互いに異なる周期分極反転構造部を設けて多段階の波長変換処理を行う光学デバイス、および当該光学デバイスを用いたレーザ装置に関するものである。また、本発明の他の態様は、波長変換処理を行う１つまたは複数の周期分極反転構造部と、光変調処理を行う周期分極反転構造部とを設けた光学デバイス、および当該光学デバイスを用いた露光装置に関するものである。そこで、これらの本発明の作用・効果を一層明らかにするため、「Ａ．本発明にかかる光学デバイスを用いたレーザ装置」と、「Ｂ．本発明にかかる光学デバイスを用いた露光装置」とに分けて説明する。
【００２３】
Ａ．本発明にかかる光学デバイスを用いたレーザ装置
Ａ−１．光学デバイスの第１実施形態を用いたレーザ装置
図１は本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態を用いたレーザ装置を示す図であり、同図（ａ）はレーザ装置の構成を示す斜視図であり、同図（ｂ）は断面図である。なお、同図は模式的なものであり、各部のサイズやサイズ比率などは現実のものとは異なる。この点に関しては、後で説明する図面においても同様である。
【００２４】
このレーザ装置ＬＳは、励起光源１と、励起光源１から出力されるレーザ光Ｌ１を励起光とし、レーザ光の増幅とともに発振を行う固体レーザ部２と、固体レーザ部２から出力される近赤外線領域（波長１０６４［ｎｍ］）のレーザ光Ｌ２を２段階で波長変換して紫外線領域のレーザ光に変換する光学デバイス３とを備えている。
【００２５】
励起光源１は、支持基板１１と、支持基板１１の上面に配置された共通電極１２と、共通電極１２の上面に配置された４つの半導体レーザ１３とを有している。これら４つの半導体レーザ１３は幅方向Ｘに配列されており、各半導体レーザ１３の上面に設けられた電極（図示省略）と共通電極１２とに所定電位を与えることで、各半導体レーザ１３から励起光Ｌ１が幅方向Ｘと直交する光軸方向Ｙに出力され、固体レーザ部２に照射される。このように、本明細書ではレーザ光が進む方向を光軸方向Ｙとしている。
【００２６】
この固体レーザ部２は、支持基板２１と、支持基板２１の上面に配置された固体レーザ素子２２とを備えている。この固体レーザ素子２２は平板形状を有しており、光軸方向Ｙに対して垂直な２つの端面を有しており、それらのうち半導体レーザ１３を向いた端面が入射面２２１となっており、この入射面２２１に対して半導体レーザ１３から励起光Ｌ１が入射される。一方、反半導体レーザ側の端面は出射面２２２となっている。また、入射面２２１と出射面２２２とに挟まれた素子内部では、光導波路構造が形成されており、半導体レーザ１３からの励起光Ｌ１を吸収し、誘導放出によって生成されるレーザ光を光軸方向Ｙに伝播し、出射面２２２から出力する。この実施形態では、固体レーザ素子２２は、半導体レーザ１３からの励起光Ｌ１を吸収して１０６４［ｎｍ］のレーザ光Ｌ２を出力するＮｄ：ＹＡＧ結晶層と、この結晶層の上下両面上に接合したクラッド層とで構成されている。なお、結晶層としては、上記したＮｄ：ＹＡＧ以外に、例えばＮｄ：ＹＶＯ４を用いることができる。この場合、波長１０６４［ｎｍ］もしくは９１４［ｎｍ］のレーザ光Ｌ２が主に発振される。このように本実施形態では、励起光源１と固体レーザ部２とで本発明の「光源部」が構成されている。
【００２７】
このように構成された固体レーザ部２から出力される近赤外線領域のレーザ光Ｌ２は光学デバイス３に入射される。この光学デバイス３は、本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態に相当するものであり、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板３１と、強誘電体基板３１を下方から支持する支持基板３２と、強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に介挿されて強誘電体基板３１を支持基板３２で支持しながら一体化させる金属膜３３とを備えている。このように強誘電体基板３１の下面が本発明の「被支持面」に相当し、支持基板３２の上面が本発明の「対向面」に相当している。
【００２８】
この強誘電体基板３１は、平板形状を有する強誘電体結晶３１１と、強誘電体結晶３１１の上下面に形成された絶縁層３１２、３１３とを有している。強誘電体結晶３１１は、光軸方向Ｙに対して垂直な２つの端面を有しており、それらのうち固体レーザ素子２２を向いた端面が入射面３１１ａとなっており、この入射面３１１ａに対して固体レーザ素子２２から出力されるレーザ光Ｌ２が入射される。一方、反固体レーザ素子側の端面は出射面３１１ｂとなっている。また、強誘電体結晶３１１が上下方向Ｚから絶縁層３１２、３１３で挟み込まれ、結晶内部にステップインデックス型のスラブ導波路が形成されている。このため、入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光Ｌ２は、上下方向Ｚにおいてスラブ導波路に閉じ込められながら結晶内部を光軸方向Ｙに進む。なお、第１実施形態および以下に説明する実施形態では、強誘電体結晶３１１として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したストイキオメトリリチウムタンタレート（MgO：Stoichiometric Lithium Tantalate）の単結晶を用いており、以下の説明では、単に「ＭｇＯ：ＳＬＴ」と称する。また、絶縁層３１２、３１３として、０．５〜１．０［μｍ］程度の厚みを有するシリコン酸化膜を用いている。
【００２９】
また、強誘電体結晶３１１には、２種類の波長変換部３１４、３１５が形成されている。この波長変換部３１４は、分極の向きが互いに反対である第１分極部３１４１および第２分極部３１４２が交互に配列された周期分極反転構造を有している。こうして、波長変換部３１４では分極反転グレーティングが形成されている。より詳しくは、第１分極部３１４１および第２分極部３１４２はいずれも幅方向Ｘに伸びる帯状形状を有するとともに、互いに隣接配列された第１分極部３１４１および第２分極部３１４２からなる分極対が所定周期Λ１で光軸方向Ｙに配列されている。この実施形態では、図１（ｂ）に示すように、光軸方向Ｙにおける第１分極部３１４１および第２分極部３１４２の厚みはいずれも３．９［μｍ］であり、周期Λ１は７．８［μｍ］である。このため、波長変換部３１４は導波型第２高調波発生部として機能し、入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光Ｌ２の半分の波長、つまり５３２［ｎｍ］のレーザ光を発生する。このため、波長変換部３１４から出力されるレーザ光Ｌ３は、
・第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と
を含んでおり、次の波長変換部３１５に出力される。このように波長変換部３１４が本発明の「第１の周期分極反転構造部」および「第１の波長変換部」に相当している。
【００３０】
この波長変換部３１５も、波長変換部３１４と同様に、分極の向きが互いに反対である第１分極部３１５１および第２分極部３１５２が交互に配列された周期分極反転構造を有しており、分極反転グレーティングが形成されている。より詳しくは、互いに隣接配列された、厚み１．１［μｍ］の第１分極部３１５１および厚み１．１［μｍ］の第２分極部３１５２からなる分極対が周期Λ２（＝２．２［μｍ］）で光軸方向Ｙに配列されている。そして、波長変換部３１５は和周波数発生部として機能し、第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、波長変換部３１４で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）との和周波数の光（波長３５５［ｎｍ］）が発生する。このため、波長変換部３１５から出力されるレーザ光Ｌ４は、
・波長変換部３１４、３１５で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で発生し、波長変換部３１５で変換されずに透過してきた第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１５で発生した第３高調波の光（波長３５５［ｎｍ］）と
を含んでおり、出射面３１１ｂを介して強誘電体基板３１から出力される。このように波長変換部３１５が本発明の「第２の周期分極反転構造部」および「第２の波長変換部」に相当している。
【００３１】
以上にように、第１実施形態にかかる光学デバイス３では、単一の強誘電体基板３１内で２段階の波長変換（１０６４［ｎｍ］→５３２［ｎｍ］→３５５［ｎｍ］）が行われる。このため、それぞれディスクリートな第２高調波発生素子および和周波数発生素子を組み合わせていた従来技術での問題は解消される、つまり高精度な光軸アライメントは不要となる。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性および波長変換効率などの光学性能を安定化させることができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、スラブ導波路を形成して入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光L２を強誘電体基板３１中のスラブ導波路に閉じ込めながら波長変換を行っているため、いわゆるバルク型の光学デバイスに比べて高い波長変換効率が得られる。また、波長変換部３１４では、強誘電体結晶３１１の分極を周期的に反転させた分極反転グレーティングを作製することで２次非線形光学テンソルの周期的符号反転構造を実現し、励起光と第２高調波光との間の位相速度不整合を補償して擬似的に位相整合を達成している。このように擬似位相整合法（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）を採用することで波長変換部３１４での波長変換の高効率化が図られている。この点に関しては、波長変換部３１５についても同様である。
【００３３】
また、上記のように強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、優れた光学性能が担保される。すなわち、このような構成を採用しているため、支持基板３２と一体化した状態で強誘電体基板３１を構成する強誘電体結晶３１１の厚み制御や高精度な周期分極反転構造の形成が可能となる。例えば絶縁層３１２が形成されていない強誘電体基板３１の下面と、支持基板３２の上面とに金属材料をそれぞれコーティングし、両コーティング面を相互に密着させて金属膜３３を形成することで強誘電体基板３１が支持基板３２と一体化される。この状態で強誘電体基板３１の上面、つまり強誘電体結晶３１１の上面を研磨することで強誘電体結晶３１１の結晶厚を所望サイズまで薄膜化することができ、さらに従来より周知の電圧印加法を適用して強誘電体結晶３１１に周期分極反転構造を高精度で作製することができる。その結果、優れた光学性能が得られる。なお、金属膜３３を構成する金属材料としては、例えば金やクロムなどを用いることができる。
【００３４】
さらに、このように優れた光学性能を有する光学デバイス３を用いてレーザ装置ＬＳを構成しているので、レーザ装置ＬＳ内での光軸アライメントが容易となり、しかも所望波長のレーザ光を安定して出力することができる。
【００３５】
Ａ−２．光学デバイスの第２実施形態を用いたレーザ装置
図２は本発明にかかる光学デバイスの第２実施形態を用いたレーザ装置を示す図であり、同図（ａ）はレーザ装置の構成を示す斜視図であり、同図（ｂ）は断面図である。この第２実施形態にかかる光学デバイスが第１実施形態のそれと大きく相違する点は、波長選択部３４が追加されている点であり、その他の構成は基本的に第１実施形態と同一である。そこで、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】
この波長選択部３４は波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に設けられた周期分極反転構造部３１６を有している。そして、この周期分極反転構造部３１６の上方位置に複数の電極３１７が配置されており、支持基板３２の上面全体を覆うように形成された金属膜３３とで周期分極反転構造部３１６を挟み込むように構成されている。この実施形態では、金属膜３３は複数の電極３１７に対して対向して配置されており、次のように構成された周期分極反転構造部３１６に回折格子を形成するための共通電極３３１として機能する。
【００３７】
周期分極反転構造部３１６は、波長変換部３１４、３１５と同様に、分極の向きが互いに反対である第１分極部３１６１および第２分極部３１６２が交互に配列された周期分極反転構造を有しているが、それらが配列される方向は光軸方向Ｙに対して所定角度θｂ（図８（ｂ）参照）だけ傾いた方向となっている。また、複数の電極３１７はいずれもレーザ光の進む方向、つまり光軸方向Ｙと平行な方向に伸びるスラブ形状を有しており、幅方向Ｘに所定ピッチで離間配置されている。さらに、金属膜３３の共通電極３３１は強誘電体基板３１全体を下方より覆うように設けられるとともに、一部が幅方向Ｘに翼状で延設されて接地されている。
【００３８】
このように波長選択部３４は実質的に周期分極反転構造部３１６、複数の電極３１７および共通電極３３１で構成されており、レーザ装置ＬＳを制御する制御部（図示省略）から各電極３１７に所定電位が与えられると、電極３１７と共通電極３３１の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して周期分極反転構造部３１６に回折格子が形成される。しかも、この実施形態では、第１分極部３１６１および第２分極部３１６２の配列方向の傾斜角θｂは上記のようにして形成される回折格子によりブラッグ回折が生じる条件を満足するように設定されている。したがって、ブラッグ回折により波長変換部３１５から出力されるレーザ光Ｌ４に含まれる光のうち特定の光、例えば紫外線領域のレーザ光のみがブラッグ回折されて水平面（ＸＺ平面）内で光軸方向Ｙに対して角度（２θｂ）だけ傾いて波長選択部３４からブラッグ回折光として出射される。このように第２実施形態では、ブラッグ回折により特定波長のレーザ光を他のレーザ光と異なる方向に取り出すことが可能となっている。
【００３９】
なお、この実施形態で採用した波長選択部３４の構成や動作は、後で説明する露光装置で採用した空間光変調部と共通するため、後で詳述する。また、本実施形態では、ブラッグ回折型の分極反転グレーティングを作成して特定波長のレーザ光を取り出しているが、これと異なる回折方式、例えば特許文献１に記載のラマン・ナス回折型の分極反転グレーティングを作成するように構成してもよい。
【００４０】
以上のように、第２実施形態にかかる光学デバイスを用いたレーザ装置ＬＳでは、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に波長選択部３４を設け、波長変換部３１５から出力される複数の波長領域を有するレーザ光のうち特定波長のレーザ光のみを所定方向に取り出すことができる。また、このように波長選択部３４を追加しているが、波長選択部３４（周期分極反転構造部３１６）は単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４、３１５とともに設けられているため、高精度な光軸アライメントは不要となっている。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性、波長変換効率および波長選択性などの光学性能を安定化させることができる。
【００４１】
Ａ−３．光学デバイスの第３実施形態を用いたレーザ装置
なお、上記第２実施形態では、回折型の分極反転グレーティングを用いて波長選択を行っているが、これに代えて波長選択コーティングを用いることができる。すなわち、図１に示すレーザ装置ＬＳにおいて、誘電体多層膜や金属膜などの波長選択コーティングを出射面３１１ｂに施すことで、レーザ装置ＬＳから出力されるレーザ光Ｌ５の波長を選択することが可能である。
【００４２】
Ａ−４．光学デバイスの第４実施形態を用いたレーザ装置
また、上記実施形態にかかる光学デバイス３では、擬似位相整合法により波長変換の高効率化を図っている。したがって、各波長変換部３１４、３１５において、分極部を高精度に形成する必要がある。しかしながら、波長変換部３１４、３１５を作製する際に生じる加工誤差を完全に回避することは困難である。そこで、各波長変換部３１４、３１５に対応して熱制御位相整合手段を設け、各波長変換部３１４、３１５の温度を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うように構成してもよい。なお、この実施形態で採用した熱制御位相整合手段の構成や動作は、後で説明する露光装置で採用した熱制御位相整合手段と同一であるため、後で詳述する。
【００４３】
Ａ−５．光学デバイスの第５実施形態を用いたレーザ装置
また、上記第４実施形態にかかる光学デバイスでは、温度制御部により波長変換部の温度を調整することで位相整合の向上を図っているが、各波長変換部の上面に電極を設け、当該電極と金属膜との間に発生させる電界を調整することで位相整合の向上を図ってもよい。なお、この実施形態で採用した電界調整の構成や動作は、後で説明する露光装置で採用した電界調整と同一であるため、後で詳述する。
【００４４】
Ｂ．本発明にかかる光学デバイスを用いた露光装置
Ｂ−１．光学デバイスの第６実施形態を用いた露光装置
図３は本発明にかかる光学デバイスの第６実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す斜視図であり、図４は図３に示すパターン描画装置の側面図であり、図５は図３のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。このパターン描画装置１００は、感光材料が表面に付与された半導体基板やガラス基板等の基板Ｗの表面に光を照射してパターンを描画する装置である。
【００４５】
このパターン描画装置１００では、本体フレーム１０１に対してカバー１０２が取り付けられて形成される本体内部に装置各部が配置されて本体部が構成されるとともに、本体部の外側（本実施形態では、図４に示すように本体部の右手側）に基板収納カセット１１０が配置されている。この基板収納カセット１１０には、露光処理を受けるべき未処理基板Ｗが収納されており、本体内部に配置される搬送ロボット１２０によって本体部にローディングされる。また、未処理基板Ｗに対して露光処理（パターン描画処理）が施された後、当該基板Ｗが搬送ロボット１２０によって本体部からアンローディングされて基板収納カセット１１０に戻される。
【００４６】
この本体部では、図３および図４に示すように、カバー１０２に囲まれた本体内部の右手端部に搬送ロボット１２０が配置されている。また、この搬送ロボット１２０の左手側には基台１３０が配置されている。この基台１３０の一方端側領域（図３および図４の右手側領域）が、搬送ロボット１２０との間で基板Ｗの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域（図３および図４の左手側領域）が基板Ｗへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台１３０上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部１４０が設けられている。このヘッド支持部１４０では、基台１３０から上方に２本の脚部材１４１、１４２が立設されるとともに、それらの脚部材１４１、１４２の頂部を橋渡しするように梁部材１４３が横設されている。そして、図４に示すように、梁部材１４３のパターン描画領域側側面にカメラ（撮像部）１５０が固定されてステージ１６０に保持された基板Ｗの表面（被描画面、被露光面）を撮像可能となっている。
【００４７】
このステージ１６０は基台１３０上でステージ移動機構１６１によりＸ方向、Ｙ方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構１６１は基台１３０の上面にＹ軸駆動部１６１Ｙ（図５）、Ｘ軸駆動部１６１Ｘ（図５）およびθ軸駆動部１６１Ｔ（図５）をこの順序で積層配置したものであり、ステージ１６０を水平面内で２次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ１６０をθ軸（鉛直軸）回りに回転させて後述する光学ヘッドＯＨに対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構１６１としては、従来より多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。
【００４８】
また、このように構成されたヘッド支持部１４０のパターン描画領域側で光学ヘッドＯＨがボックス１７２に対して固定的に取り付けられている。なお、光学ヘッドＯＨは本発明にかかる光学デバイスを用いており、基板Ｗに対して光を照射して露光するものであり、本発明の「露光装置」に相当している。その構成および動作については、後で詳述する。
【００４９】
また、基台１３０の反基板受渡側端部（図３および図４の左手側端部）においても、２本の脚部材１４４が立設されている。そして、この梁部材１４３と２本の脚部材１４４の頂部を橋渡しするように光学ヘッドＯＨの一部を収納したボックス１７２が設けられており、基台１３０のパターン描画領域を上方から覆っている。したがって、パターン描画装置１００が設置されるクリーンルーム内に供給されているダウンフローを本体内部に引き入れたとしても、パターン描画領域にダウンフローが供給されない空間ＳＰが形成される。
【００５０】
そこで、本実施形態にかかるパターン描画装置１００では、上記空間ＳＰの反搬送ロボット側にステージ１６０と光学ヘッドＯＨのボックス１７２とに挟まれた空間ＳＰに向けて温調された気体を吹き出す気体吹出部１９０が配置されている。この実施形態では、本体部の左手側壁を構成するカバー１０２を貫通するように２つの気体吹出部１９０が上下に取り付けられている。これらの気体吹出部１９０は空調器１９１に接続されており、露光制御部１８１から指令に応じて作動して空調器１９１で温調された空気を空間ＳＰに向けて吹き出す。これによって、気体吹出部１９０から吹き出された温調気体が横向きに流れて空間ＳＰを通過する。これによって上記空間ＳＰの雰囲気が入れ替えられてパターン描画領域での温度変化が抑制される。また、このように上記空間ＳＰを通過した空気は搬送ロボット１２０に流れ込むが、この実施形態では、搬送ロボット１２０の下方部に排気口１９２が設けられるとともに、排気口１９２が配管１９３を介して空調器１９１に接続されている。したがって、排気口１９２を設けたことで搬送ロボット１２０を取り囲む雰囲気は排気されて同雰囲気内で下向きの気流、つまりダウンフローが形成される。したがって、搬送ロボット１２０でパーティクルが舞い上がり散乱するのが効果的に防止される。
【００５１】
次に光学ヘッド（露光装置）ＯＨの構成および動作について説明する。この実施形態では、光学ヘッドＯＨはボックス１７２に対して固定的に取り付けられており、光学ヘッドＯＨの直下位置で移動している基板Ｗに対して光を落射することでステージ１６０に保持された基板Ｗを露光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、光学ヘッドＯＨはＸ方向に複数チャンネルで光を同時に照射可能となっており、Ｘ方向が「副走査方向」に相当している。また、ステージ１６０をＹ方向に移動させることで基板Ｗに対してパターンを２次元的に描画することが可能となっており、Ｙ方向が「主走査方向」に相当している。
【００５２】
図６は光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図であり、同図（ａ）は光学ヘッドＯＨの光軸ＯＡおよび副走査方向Ｘに沿って光学ヘッドＯＨを上方（すなわち、図３中の（＋Ｚ）側）から見た場合の光学ヘッドＯＨの内部構成を示し、同図（ｂ）は主走査方向Ｙに沿って図３の装置手前側（左下側）から光学ヘッドＯＨ側を見た場合（すなわち、光学ヘッドＯＨの（＋Ｘ）側から（−Ｘ）方向を向いて見た場合）の光学ヘッドＯＨの内部構成を示している。また、図７は光学ヘッドの一部構成を示す斜視図である。また、図８は空間光変調部の部分拡大模式図である。
【００５３】
図６に示す光学ヘッドＯＨは、光源制御部１４により制御される励起光源１と、固体レーザ部２と、固体レーザ部２から出力される近赤外線領域（波長１０６４［ｎｍ］）のレーザ光Ｌ２を２段階で波長変換して紫外線領域（波長３５５［ｎｍ］）のレーザ光に変換するとともに当該レーザ光を変調する光学デバイス３と、光学デバイス３から出力される変調光を基板Ｗの表面上に導光する光学系４とを備えている。これらの構成要素のうち励起光源１および固体レーザ部２はレーザ装置ＬＳで採用しているものと同一であり、これらが本発明の「光源部」に相当している。また、光学デバイス３は本発明にかかる光学デバイスの第６実施形態に相当する。なお、励起光源１および固体レーザ部２の構成は第１実施形態と同一であるため、同一構成に同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
光学デバイス３では、図６および図７に示すように、支持基板３２の上面全体を覆うように金属膜３３が設けられており、後述するように共通電極３３１として機能する。また、金属膜３３上に強誘電体結晶により構成される強誘電体基板３１が配置されており、金属膜３３により支持基板３２と接合されて一体化されている。この強誘電体基板３１は、ＭｇＯ：ＳＬＴの単結晶の上下面にシリコン酸化膜３１２、３１３を形成したものであり、結晶内部にステップインデックス型のスラブ導波路を有している。そして、第１実施形態ないし第５実施形態にかかる光学デバイス３と同様に、強誘電体基板３１に互いに異なる周期分極反転構造を有する波長変換部３１４、３１５が形成されている。一方、第６実施形態にかかる光学デバイス３では、波長変換部３１５の出力側に空間光変調部３５が追加して設けられている。
【００５５】
この空間光変調部３５は、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に設けられた周期分極反転構造部３１６を有している。そして、この周期分極反転構造部３１６の上方位置に複数の電極３１７が配置されており、金属膜３３とで周期分極反転構造部３１６を挟み込むように構成されている。この実施形態では、金属膜３３は複数の電極３１７に対して対向して配置されており、次のように構成された周期分極反転構造部３１６に回折格子を形成するための共通電極３３１として機能する。このように、本実施形態では、電極３１７が本発明の「第１電極」に相当している。
【００５６】
この周期分極反転構造部３１６では、電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対である第１分極部３１６１および第２分極部３１６２が交互に配列されている。この実施形態では、特に、図８に示すように、第１分極部３１６１および第２分極部３１６２はいずれも配列方向ＡＤに垂直な方向ＷＤに伸びる帯状形状を有し、配列方向ＡＤにおいて同一幅を有するとともに、互いに隣接配列された第１分極部３１６１および第２分極部３１６２からなる分極対３１６３が所定周期（ＸＺ断面において格子周期Λ３）で配列方向ＡＤに配列されており、強誘電体基板３１の空間光変調部３５はいわゆる周期分極反転構造を有している。なお、本実施形態では、レーザ光の進む方向Ｙに対して角度θｂだけ傾いた方向となっている。
【００５７】
また、周期分極反転構造部３１６では、第１分極部３１６１および第２分極部３１６２の結晶軸は互いに反対の向きを有しており、次に説明するように電極３１７と共通電極３３１の間で電位差を発生させて電界を周期分極反転構造内に与えると、当該電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対となる。
【００５８】
また、第１分極部３１６１と第２分極部３１６２は結晶の軸方位が逆であるが、元々均一な方位を持った結晶に例えば第２分極部に相当する部分（周期的）に結晶が固有に持っている分極反転電圧を一時的に印加するなどして部分的（周期的）に結晶の軸方位を反転させて作る。この加工を施された結晶を用いる。故に本実施形態の場合、第１分極部３１６１は元々の結晶の軸方位であり、第２分極部は分極反転加工された軸方位となっている。
【００５９】
この実施形態では、図５および図６に示すように、複数（図８では「５本」のみを図示している）の電極３１７はいずれも波長変換部３１５から出力されてきたレーザ光Ｌ４の進む方向Ｙと平行な方向に伸びるスラブ形状を有しており、レーザ光Ｌ４の進む方向Ｙとほぼ直交する幅方向Ｘにおける電極幅ＥＷ1は格子周期Λ３の約３倍となっている。また、このような形状を有する電極３１７は、強誘電体基板３１の上面で、かつ周期分極反転構造部３１６の上方位置でＸ方向に格子周期Λ３より短い間隔ＥＷ2で平行に配列されている。一方、強誘電体基板３１の下面に対しては、当該下面全体を覆うように共通電極３３１が配置されており、複数の電極３１７に対する共通電極として機能する。
【００６０】
このように構成された空間光変調部３５では、共通電極３３１は接地されるのに対し、複数の電極３１７は変調制御部３６に接続され、露光制御部１８１からの動作指令に応じてそれぞれ独立して変調制御部３６から電位付与を受ける。このため、周期分極反転構造部３１６内では、変調制御部３６から所定電位Ｖ1（０Ｖ以外の電位）が付与された電極３１７に対応する領域でのみ電極３１７と共通電極３３１の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して回折格子が形成される。しかも、この実施形態では、角度θｂは上記のようにして形成される回折格子により露光処理に供する波長（３５５［ｎｍ］）についてブラッグ回折が生じる条件を満足するように設定されている。したがって、例えば図８に示すように、５本の電極３１７のうち第２チャンネルに相当する電極３１７（２ｃｈ）に対してのみ電位Ｖ1を印加すると、当該電極３１７（２ｃｈ）に対応する周期分極反転構造の内部領域でのみ屈折率変化による回折格子が形成され、レーザ光Ｌ４のうち電極３１７（２ｃｈ）と第２電極３３１の間を進む波長（３５５［ｎｍ］）の光ビームのみがブラッグ回折して水平面（ＸＺ平面）内で方向Ｙに対して角度（２θｂ）だけ傾いて空間光変調部３５からブラッグ回折光ＢＬとして出射する。一方、電極３１７への電圧印加を行わずに電極３１７と第２電極３３１の電位差がゼロであり、電界が発生しない場合には、両電極３１７、３３１間の屈折率分布は一様となっており、回折格子は形成されない。したがって、この場合の光ビームはそのまま真っ直ぐに強誘電体基板３１のスラブ導波路内を直進して光学デバイス３から０次光Ｌ０として出射する。このように各電極３１７に対する電位付与をそれぞれ制御することで電極３１７の設置本数分の光変調を行うことができる。
【００６１】
図６に戻って、光学ヘッドＯＨの構成説明を続ける。上記のように構成された光学デバイス３の出力側（図６の右手側）に、投影光学系４が配置されている。この投影光学系４では、バンドパスフィルター４１と、シリンドリカルレンズ４２と、シュリーレン光学部４３とがこの順序でＹ方向に配置されている。このバンドパスフィルター４１は波長３５５［ｎｍ］のレーザ光のみを透過させるものである。したがって、光学デバイス３の出射面３１１ｂから出力された複数波長（本実施形態では、１０６４［ｎｍ］、５３２［ｎｍ］、３５５［ｎｍ］）のうち波長３５５［ｎｍ］のレーザ光のみがシリンドリカルレンズ４２に入射される。このシリンドリカルレンズ４２はＺ方向にのみ正の集光機能を有しており、バンドパスフィルター４１を通過した０次光Ｌ０または回折光ＢＬは、図６（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ４２にて平行な光とされ、シュリーレン光学部４３に入射される。
【００６２】
このシュリーレン光学部４３では、レンズ４３１、アパーチャ４３２１を有するアパーチャ板４３２、レンズ４３３がこの順序でＹ方向に配置されている。レンズ４３１の前側焦点は電極３１７の（＋Ｙ）側の端部近傍における空間光変調部３５内の位置とされ、レンズ４３１の後側焦点にアパーチャ４３２１が位置するようにアパーチャ板４３２が配置される。したがって、空間光変調部３５中で回折を受けず、バンドパスフィルター４１およびレンズ４２を通過した波長３５５［ｎｍ］の０次光Ｌ０は、図６（ａ）中に細い実線にて示すように、レンズ４３１を介してアパーチャ４３２１に集光し、当該アパーチャ４３２１を通過してレンズ４３３に入射する。このレンズ４３３は、前側焦点がアパーチャ４３２１の近傍に位置し、後側焦点がステージ１６０に保持された基板Ｗの表面上となるように配置されており、この０次光Ｌ０はレンズ４３３を介して基板Ｗの表面上に照射されて露光される。一方、回折光ＢＬは、図６（ａ）中に破線にて示すように、光軸ＯＡに対して所定角度だけ傾いて空間光変調部３５から出射されるため、アパーチャ４３２１から離れた位置、つまりアパーチャ板４３２の表面で遮蔽される。
【００６３】
このように構成されたシュリーレン光学部４３は両側テレセントリック光学系と同等の配置であり、図６に示すように、複数のチャンネルを有する光学ヘッドＯＨで基板Ｗに露光する場合にも、その露光面（基板Ｗの表面）に対して各チャンネルの０次光Ｌ０の主光線（図６中の２点鎖線）は垂直であり、露光面のピント方向Ｙの変動に対して倍率の変化を受けない。その結果、高精度な露光が可能となる。このように第６実施形態にかかる光学デバイス３を用いた光学ヘッドＯＨでは、波長３５５［ｎｍ］の０次光を用いて基板Ｗへのパターン描画を行っている。また、上記のように配置された投影光学系４が本発明の「光学系」として機能しており、空間光変調部３５からの光を基板Ｗの表面（被露光面、被描画面）に案内している。
【００６４】
なお、上記のように構成されたパターン描画装置１００は装置全体を制御するためにコンピュータ２００を有している。このコンピュータ２００はＣＰＵやメモリ２０１等を有しており、露光制御部１８１とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。また、コンピュータ２００内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部２０２、伸縮率算出部２０３、データ修正部２０４およびデータ生成部２０５が実現される。例えば１つのＬＳＩに相当するパターンのデータは外部のＣＡＤ等により生成されたデータであり、予めＬＳＩデータ２１１としてメモリ２０１に準備されており、当該ＬＳＩデータ２１１に基づき次のようにしてＬＳＩのパターンが基板Ｗ上に描画される。
【００６５】
ラスタライズ部２０２は、ＬＳＩデータ２１１が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ２１２を生成してメモリ２０１に保存する。こうしてラスタデータ２１２の準備後、または、ラスタデータ２１２の準備と並行して、上記のようにしてカセット１１０に収納されている未処理の基板Ｗが搬送ロボット１２０により搬出され、搬送ロボット１２０によってステージ１６０に載置される。
【００６６】
その後、ステージ移動機構１６１によりステージ１６０がカメラ１５０の直下位置に移動して基板Ｗ上の各アライメントマーク（基準マーク）を順番にカメラ１５０の撮像可能位置に位置決めし、カメラ１５０によるマーク撮像が実行される。カメラ１５０から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路（図５において図示省略）により処理され、アライメントマークのステージ１６０上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部１６１Ｔが作動してステージ１６０を鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗへのパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）される。ここで、ステージ１６０を光学ヘッドＯＨの直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。
【００６７】
図５に示す伸縮率算出部２０３は、画像処理回路にて求められた基板Ｗ上のアライメントマークの位置、および基板Ｗの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、並びに、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｘに対する基板Ｗの伸縮率（すなわち、主面の伸縮率）を求める。
【００６８】
一方、データ修正部２０４はラスタデータ２１２を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第４０２０２４８号に記載の方法を採用することができ、１つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ２１２がデータ生成部２０５へと送られる。データ生成部２０５では、変更後の分割領域に対応する描画データ、すなわち、１つのストライプに相当するデータが生成される。
【００６９】
こうして生成された描画データは、データ生成部２０５から露光制御部１８１へと送られ、露光制御部１８１が光源制御部１４、変調制御部３６およびステージ移動機構１６１の各部を制御することにより１ストライプ分の描画が行われる。なお、露光動作については、光源制御部１４により半導体レーザ１３を点灯させるとともに変調制御部３６による電界発生制御により行われる。そして、１つのストライプに対する露光記録が終了すると、次の分割領域に対して同様の処理が行われ、ストライプごとの描画が繰り返される。こうして、基板Ｗ上の全ストライプの描画が終了して基板Ｗの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ１６０は描画済み基板Ｗを載置したまま基板受渡位置（図３および図４の右側領域）に移動した後、基板搬送ロボット１２０により基板Ｗがカセット１１０へと戻され、次の基板Ｗが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセット１１０に収納されている全ての基板Ｗに対するパターン描画が終了すると、カセット１１０がパターン描画装置１００から搬出される。
【００７０】
以上のように、第６実施形態にかかる光学デバイスを用いた光学ヘッド（露光装置）ＯＨでは、波長変換部３１５と出射面３１１ｂとの間に空間光変調部３５を設け、波長変換部３１５から出力されるレーザ光が変調されるとともに、特定波長（本実施形態では３５５［ｎｍ］）の０次光Ｌ０のみが基板Ｗ（記録材料）に導光されてＬＳＩデータに対応するパターンが描画される。また、単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４、３１５とともに空間光変調部３５が設けられているため、これら波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５の間での高精度な光軸アライメントは不要となっている。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性、波長変換効率および空間光変調性などの光学性能を安定化させることができる。
【００７１】
また、強誘電体基板３１では、厚さ方向Ｚよりも幅方向Ｘに広がるスラブ導波路を設けるとともに、幅方向Ｘに複数の電極３１７を配置し、変調制御部３６が電極３１７に印加する電圧を制御して電極３１７の各々と共通電極３３１の間での電界発生を制御し、電極３１７ごとに周期分極反転構造内での回折効率を変調している。このように本実施形態では、電極３１７と同数のチャンネル数で光変調を行うことが可能となっている。
【００７２】
また、２つの波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５が形成される強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第１実施形態と同様の理由から、優れた光学性能が担保される。
【００７３】
さらに、このように優れた光学性能を有する光学デバイス３を用いて光学ヘッド（露光装置）ＯＨを構成しているので、光学ヘッドＯＨ内での光軸アライメントが容易となり、しかも露光処理に適した波長（本実施形態では、波長３５５［ｎｍ］）のレーザ光を安定して出力することができる。
【００７４】
Ｂ−２．光学デバイスの第７実施形態を用いた露光装置
図９は本発明にかかる光学デバイスの第７実施形態を用いた露光装置を装備したパターン描画装置を示す図である。この第７実施形態にかかる光学デバイスを用いた光学ヘッド（露光装置）ＯＨはブラッグ回折光ＢＬを用いて基板Ｗの表面へのパターン描画を行う点で、０次光Ｌ０を用いて露光記録を行う光学ヘッドと大きく相違している。すなわち、第７実施形態の特徴部分は、図９に示すように、投影光学系４にバンドパスフィルター４１が設けられておらず、シリンドリカルレンズ４２とシュリーレン光学系４３とで投影光学系４が構成されている点と、その投影光学系４がＸＹ平面において入射レーザ光Ｌ４の進む方向（空間光変調部３５の入射側の光軸ＯＡ）に対して角度２θbだけ傾斜して配置されている点である。
【００７５】
このように構成されたパターン描画装置では、同図（ａ）の破線にて示すように、空間光変調部３５でブラッグ回折されて強誘電体基板３１の出射面３１１ｂから出力される、ブラッグ回折光ＢＬはレンズ４３１を介してアパーチャ４３２１に集光し、当該アパーチャ４３２１を通過してレンズ４３３に入射する。そして、このレンズ４３３によりブラッグ回折光ＢＬは基板Ｗの表面上に照射される。例えば第１、３〜５チャンネルの第１電極３３３に電圧Ｖ1を付与したときには、これらのチャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応するブラッグ回折光ＢＬが上記のようにして基板Ｗの表面上に照射されて各チャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応してスポット状に露光される。一方、２チャンネルの光、つまり０次光Ｌ０は、図９（ａ）中に実線にて示すように、光軸ＯＡと平行に強誘電体基板３１から出射されるため、アパーチャ４３２１から離れた位置、つまりアパーチャ板４３２の表面で遮蔽される。
【００７６】
以上のように、第７実施形態においては、変調制御部３６により空間光変調部３５の周期分極反転構造部３１６内での電界発生を制御することでブラッグ回折光ＢＬを生じさせることができ、ブラッグ回折を利用して紫外線領域のブラッグ回折光ＢＬのみを露光処理に供している。そのため、第６実施形態と同様の作用効果が得られるのみならず、バンドパスフィルター４１の設置が不要となり、第６実施形態に比べて光学ヘッドＯＨの装置構成を簡素化することができる。
【００７７】
Ｂ−３．光学デバイスの第８実施形態を用いた露光装置
図１０は本発明にかかる光学デバイスの第８実施形態を示す図である。この第８実施形態が第６実施形態と大きく相違する点は、熱制御位相整合手段が追加されている点であり、その他の構成は基本的に第６実施形態と同一である。したがって、以下の説明では相違点を中心に説明する。
【００７８】
この第８実施形態では、金属膜３３として３つの金属膜３３４〜３３６が強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に配置されるとともに、金属膜３３４、３３５の上方位置に平面視で矩形波形状を有する配線３７４、３７５がそれぞれ配置されている。より詳しくは、金属膜３３４および配線３７４は例えば０．１〜０．５［ｎｍ］のタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）などの金属材料で形成されている。この金属膜３３４は波長変換部３１４全体を下方より覆うように設けられるとともに、両端部が幅方向Ｘに翼状で延設されるとともに、温度制御部（図示省略）の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から金属膜３３４への給電により金属膜３３４が発熱して波長変換部３１４を下方側より加熱する。また、配線３７４は波長変換部３１４の上方に配置されるとともに、配線３７４の両端部が温度制御部の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から配線３７４への給電により配線３７４が発熱して波長変換部３１４を上方側より加熱する。このように、本実施形態では、金属膜３３４、配線３７４および温度制御部により、波長変換部３１４を加熱する熱制御位相整合手段が構成されている。したがって、波長変換部３１４の温度を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができる。
【００７９】
また、波長変換部３１５に対しても、波長変換部３１４と同様に、熱制御位相整合手段が設けられている。すなわち、金属膜３３５は波長変換部３１５全体を下方より覆うように設けられるとともに、両端部が温度制御部の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から金属膜３３５への給電により金属膜３３５が発熱して波長変換部３１５を下方側より加熱する。また、配線３７５は波長変換部３１５の上方に配置されるとともに、配線３７５の両端部が温度制御部の正極および負極とそれぞれ電気的に接続されている。そして、温度制御部から配線３７５への給電により配線３７５が発熱して波長変換部３１５を上方側より加熱する。
【００８０】
以上のように、第８実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３４〜３３６により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。また、熱制御位相整合手段により波長変換部３１４、３１５の温度を調整可能となっている。したがって、波長変換部３１４、３１５を作製する際に加工誤差が生じたとしても、熱制御位相整合手段により、各波長変換部３１４、３１５の温度を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができ、擬似位相整合法により波長変換を高効率で行うことができる。
【００８１】
Ｂ−４．光学デバイスの第９実施形態を用いた露光装置
各波長変換部３１４、３１５での波長変換のための位相整合を上記第８実施形態では温度調整により行っているが、次に説明するように、各波長変換部３１４、３１５に対して電界を与えることで屈折率を変化させて位相整合を図ってもよい。
【００８２】
図１１は本発明にかかる光学デバイスの第９実施形態を示す図である。この第９実施形態が第８実施形態と大きく相違する点は、熱制御位相整合手段の代わりに、屈折率可変位相整合手段が設けられている点であり、その他の構成は基本的に第８実施形態と同一である。したがって、以下の説明では相違点を中心に説明する。
【００８３】
この第９実施形態では、金属膜３３として３つの金属膜３３４〜３３６が強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に配置されるとともに、金属膜３３４、３３５の上方位置に平面視で矩形平面形状を有する電極３８４、３８５がそれぞれ配置されている。この金属膜３３４は波長変換部３１４全体を下方より覆うように設けられるとともに、一方端部が幅方向Ｘに翼状で延設されるとともに、電圧制御部（図示省略）の負極と電気的に接続されている。また、電極３８４は波長変換部３１４全体の上方から覆うように設けられるとともに、電極３８４が電圧制御部の正極と電気的に接続されている。そして、電圧制御部により金属膜３３４と電極３８４との間の電位差を制御することで波長変換部３１４に印加される電界を可変可能となっている。このように、本実施形態では、金属膜３３４、電極３８４および電圧制御部により、波長変換部３１４の屈折率を変化させる屈折率可変位相整合手段が構成されている。したがって、波長変換部３１４の屈折率を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができる。
【００８４】
また、波長変換部３１５に対しても、波長変換部３１４と同様に、屈折率可変位相整合手段が設けられている。すなわち、金属膜３３５は波長変換部３１５全体を下方より覆うように設けられるとともに、一方端部が電圧制御部の負極と電気的に接続されている。また、電極３８５は波長変換部３１５全体の上方から覆うように設けられるとともに、電極３８５が電圧制御部の正極と電気的に接続されている。そして、電圧制御部により金属膜３３５と電極３８５との間の電位差を制御することで波長変換部３１５に印加される電界を可変可能となっている。このように、本実施形態では、金属膜３３５、電極３８５および電圧制御部により、波長変換部３１５の屈折率を変化させる屈折率可変位相整合手段が構成されている。
【００８５】
以上のように、第９実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３４〜３３６により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。また、屈折率可変位相整合手段により波長変換部３１４、３１５の屈折率を調整可能となっている。したがって、波長変換部３１４、３１５を作製する際に加工誤差が生じたとしても、屈折率可変位相整合手段により、各波長変換部３１４、３１５の屈折率を調整することで波長変換のための位相整合を確実に行うことができ、擬似位相整合法により波長変換を高効率で行うことができる。
【００８６】
Ｂ−５．光学デバイスの第１０実施形態を用いた露光装置
図１２は本発明にかかる光学デバイスの第１０実施形態を示す図である。この第１０実施形態では、励起光源１は単一の半導体レーザ１３で構成されており、この半導体レーザ１３から出力された励起光が光軸方向Ｙに出力され、光ファイバー５に導入される。この光ファイバー５のコア部（図示省略）には希土類材料がドープされており、光ファイバー５自体がレーザ媒質となるため、半導体レーザ１３からの励起光を吸収し、誘導放出によって生成されるレーザ光を光軸方向Ｙに伝播する。この実施形態では、光ファイバー５はファイバーレーザを用いており、半導体レーザ１３からの励起光を吸収して１０６４［ｎｍ］のレーザ光を出力する。
【００８７】
また、光ファイバー５の出力端面から出力されたレーザ光が光学デバイス３の入射面３１１ａに入射する。このため、レーザ光が入射される領域は一部に限定されている。そこで、第１０実施形態にかかる光学デバイス３では、チャンネル導波路、ビーム整形領域およびスラブ導波路が形成されている。
【００８８】
光学デバイス３は、本発明にかかる光学デバイスの第１０実施形態に相当するものであり、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板３１と、強誘電体基板３１を下方から支持する支持基板３２と、強誘電体基板３１の下面と支持基板３２の上面との間に介挿されて強誘電体基板３１を支持基板３２で支持しながら一体化させる金属膜３３とを備えている。
【００８９】
この強誘電体基板３１は上記実施形態と同様に強誘電体結晶３１１を有している。そして、強誘電体結晶３１１の両端面のうち光ファイバー５の出力端面と対向する面が入射面３１１ａとなっており、その入射面３１１ａの中央領域に固体レーザ素子から出力されるレーザ光Ｌ２が入射される。そして、チャネル導波路に沿って上記実施形態と同様に波長変換部３１４、３１５がこの順序で設けられている。なお、各波長変換部３１４、３１５は、幅方向Ｘの寸法が上記実施形態と比べて小さくなっている点を除き、上記実施形態と同一である。
【００９０】
そして、光ファイバー５を介して入射された波長１０６４［ｎｍ］のレーザ光は波長変換部３１４、３１５の２段階で波長変換される。つまり、波長変換部３１４での波長変換処理により
・第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と
が次の波長変換部３１５に出力される。また、波長変換部３１５での波長変換処理により
・波長変換部３１４、３１５で変換されずに透過してきた光（波長１０６４［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１４で発生し、波長変換部３１５で変換されずに透過してきた第２高調波の光（波長５３２［ｎｍ］）と、
・波長変換部３１５で発生した第３高調波の光（波長３５５［ｎｍ］）と
が出力される。
【００９１】
また、強誘電体結晶３１１の中央部、つまり波長変換部３１５と空間光変調部３５との間には、本発明の「ビーム拡大部」の一例としてビームエキスパンダー３８が設けられている。つまり、図１２（ａ）に示すように、このビームエキスパンダー３８は上方からの平面視で波長変換部３１５から空間光変調部３５に向けて末広がり形状の導波路で構成されている。このため、波長変換部３１５から出力されたレーザ光は、上下方向Ｚにおける広がりが規制される一方、幅方向Ｘにおいては当該導波路内を広がりながら空間光変調部３５に導光される。その結果、レーザ光は扁平形状に整形されて空間光変調部３５に入射される。
【００９２】
なお、この空間光変調部３５は上記実施形態と同一であり、電極３１７の設置本数と同一数のチャンネルで光変調を行い、変調光を強誘電体結晶３１１の出射面３１１ｂから出力する。また、このように構成された光学デバイス３から出力される変調光については、投影光学系４により基板Ｗの表面上に導光される。これによって、基板Ｗの表面上に照射されて各チャンネルに対応してスポット状に露光される。
【００９３】
以上のように、第１０実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５、ビームエキスパンダー３８および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。
【００９４】
Ｂ−６．光学デバイスの第１１実施形態を用いた露光装置
上記したように第１０実施形態では、波長変換部３１５と空間光変調部３５との間にビームエキスパンダー３８を配置しているが、例えば図１３に示すように、ビームエキスパンダー３８と空間光変調部３５との間に本発明の「光強度均一化部」の一例としてホモジナイザー３９をさらに設けてもよい（第１１実施形態）。これにより空間光変調部３５に入射される前に光強度の均一化を図ることができる。もちろん、この場合も、２つの波長変換部３１４、３１５、ビームエキスパンダー３８、ホモジナイザー３９および空間光変調部３５を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化することで上記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、ホモジナイザー等の光強度均一化部については、上記第６実施形態ないし第９実施形態に追加してもよい、つまり波長変換部３１５と空間光変調部３５との間に光強度均一化部を追加してもよく、これによって同様の作用効果が得られる。
【００９５】
また、上記第１１実施形態では、ビームエキスパンダー３８およびホモジナイザー３９をこの順序で用いているが、配設順序はこれに限定されるものではなく、逆であってもよい。また、ビームエキスパンダー３８およびホモジナイザー３９の代わりに、ビーム拡大機能と光強度均一化機能とを兼ね備えた複合機能部を強誘電体基板３１に設けてもよい。
【００９６】
Ｂ−７．光学デバイスの第１２実施形態を用いた露光装置
ところで、上記第６実施形態ないし第１１実施形態の光学デバイス３を用いた露光装置（光学ヘッド）では、光学デバイス３と投影光学系４とをそれぞれ独立させていたが、投影光学系４を光学デバイス３に組み込んでもよい。また、光学デバイス３に組み込まれたレンズの屈折率を制御してオートフォーカス機能を付加してもよい。以下、図１４ないし図１６を参照しつつ光学デバイスの第１２実施形態について説明する。
【００９７】
図１４は本発明にかかる光学デバイスの第１２実施形態を示す斜視図である。また、図１５は図１４の光学デバイスの断面図である。さらに、図１６は図１４の光学デバイスに組み込まれた投影光学系の部分拡大図である。この第１２実施形態は第９実施形態にかかる光学デバイス３に投影光学部４０を組み込んだものである。したがって、以下の説明では、追加された投影光学部４０の構成および動作を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００９８】
この第１２実施形態では、強誘電体結晶３１１内に投影光学部４０が設けられている。この投影光学部４０は空間光変調部３５と出射面３１１ｂとの間に配置されており、分極反転により形成される複数のマイクロレンズＭＬを有している。すなわち、投影光学部４０では、電界を受けて発生する分極の向きがマイクロレンズＭＬと、マイクロレンズＭＬの周辺部とで互いに反対となる分極反転構造部３１８を有している。このようにマイクロレンズＭＬと、マイクロレンズＭＬの周辺部とは結晶の軸方位が逆であるが、元々均一な方位を持った結晶に例えば第２分極部に相当する部分に結晶が固有に持っている分極反転電圧を一時的に印加するなどして部分的に結晶の軸方位を反転させて作製しており、本実施形態ではマイクロレンズＭＬの周辺部は元々の結晶の軸方位であり、マイクロレンズＭＬは分極反転加工された軸方位となっている。したがって、図１６（ｃ）に示すように、各マイクロレンズＭＬは結晶方位軸（Ｚ軸）に対して直交する方向Ｘにパワーを有しておりＸＹ平面内で光を集光する。
【００９９】
また、複数のマイクロレンズＭＬはＸＹ平面内で２次元配列されている。より具体的には、Ｙ方向に５個のマイクロレンズＭＬが一列に配列された小レンズ群ＳＧを一単位とし、当該小レンズ群ＳＧがＹ方向に４組一列に配列されて大レンズ群ＬＧが形成されている。さらに、Ｘ方向に当該大レンズ群ＬＧが空間光変調部３５のチャンネル数、つまり電極３１７の個数と同数個、しかも電極３１７と同一ピッチで一列に配列されている。なお、構成説明のために、大レンズ群ＬＧを構成する４つの小レンズ群ＳＧのうち最も空間光変調部３５に近接するものを「第１小レンズ群ＳＧ１」と称し、それからＹ方向に並んでいる小レンズ群ＳＧをそれぞれ「第２小レンズ群ＳＧ２」、「第３小レンズ群ＳＧ３」、「第４小レンズ群ＳＧ４」と称する。なお、大レンズ群ＬＧの個数は空間光変調部３５のチャンネル数と同数であることは、本発明の必須事項ではなく、大レンズ群ＬＧの個数と空間光変調部３５のチャンネル数との関係は任意である。
【０１００】
このように構成された投影光学部４０では、ＸＹ平面内で空間光変調部３５から出力される変調光は第１小レンズ群ＳＧ１および第２小レンズ群ＳＧ２により、第２小レンズ群ＳＧ２と第３小レンズ群ＳＧ３との間に集光されて反転像を形成する。また、この反転像はＸＹ平面内で第３小レンズ群ＳＧ３および第４小レンズ群ＳＧ４により基板Ｗの表面（被露光面、被描画面）に結像される。
【０１０１】
また、上記したように強誘電体基板３１内に形成される各マイクロレンズＭＬは結晶方位軸（Ｚ軸）に対して直交する方向Ｘにのみパワーを有しており、Ｚ方向にはパワーを有していない。そこで、本実施形態では、強誘電体基板３１の出射面３１１ｂの近傍にＺ方向にパワーを有するシリンドリカルレンズＣＬを配置している。また、所望の波長のレーザ光のみを露光処理に供するために、出射面３１１ｂに波長選択膜などのフィルターＦＴを設けている。このように本実施形態では、マイクロレンズＭＬが本発明の「第１レンズ」に相当し、シリンドリカルレンズＣＬが本発明の「第２レンズ」に相当している。
【０１０２】
こうして、特定波長のレーザ光を基板Ｗの表面に集光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、ブラッグ回折光ＢＬ（図１６（ｂ）中の破線）を遮光するために、ブラッグ回折光ＢＬの光路上に微小穴ＨＬが設けられている。つまり、微小穴ＨＬは図１６（ｂ）に示すように、第１小レンズ群ＳＧ１と第２小レンズ群ＳＧ２との間で、かつ大レンズ群ＬＧの光軸ＯＡから回折方向に外れた位置に設けられている。
【０１０３】
また、本実施形態では、マイクロレンズＭＬの焦点距離を調整するオートフォーカス機能を投影光学部４０に付加するために、電極３１９Ａ、３１９Ｂが投影光学部４０の上方に配置されており、支持基板３２の上面全体を覆うように形成された金属膜３３８とで分極反転構造部３１８を挟み込むように構成されている。この実施形態では、金属膜３３８は電極３１９Ａ、３１９Ｂに対して対向して配置され、図示を省略する電圧制御部の負極と電気的に接続されている。このように金属膜３３８は投影光学部４０を構成するマイクロレンズＭＬの屈折率を調整するための共通電極として機能している。
【０１０４】
電極３１９Ａ、３１９ＢはそれぞれＸ方向に並んで配置されており、電極３１９Ａは（＋Ｘ）側のマイクロレンズＭＬの上方位置に位置する一方、電極３１９Ｂは（−Ｘ）側のマイクロレンズＭＬの上方位置に位置している。また、電極３１９Ａ、３１９Ｂは電圧制御部の正極と電気的に接続されている。そして、電圧制御部から電極３１９Ａ、３１９Ｂに対して印加する電位をそれぞれ独立して制御可能となっている。
【０１０５】
そして、電圧制御部が電極３１９Ａ、３１９Ｂと共通電極（金属膜３３８）との電位差をそれぞれ制御することでマイクロレンズＭＬの屈折率を変化させて投影像の位置を調整可能となっている。
【０１０６】
以上のように、第１２実施形態においては、２つの波長変換部３１４、３１５、空間光変調部３５および投影光学部４０を単一の強誘電体基板３１に形成するとともに、当該強誘電体基板３１を金属膜３３４〜３３６、３３８により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第６実施形態と同様に、優れた光学性能が得られる。また、投影光学系４と同様の機能を有する投影光学部４０を光学デバイス３に組み込んだことで光学ヘッドＯＨを大幅に小型化することができる。さらに、投影光学部４０を構成するマイクロレンズＭＬは可変焦点レンズとなっており、投影光学部４０はオートフォーカス機能を有しているため、投影像を確実に基板Ｗの表面に結像させて良好なパターン描画を行うことができる。
【０１０７】
また、２つの電極３１９Ａ、３１９Ｂを設けてオートフォーカス領域を２つに分割しているので、オートフォーカス領域毎にフォーカス量をそれぞれ独立して制御可能となっている。もちろん、投影光学部４０の上方に配置する電極の個数、形状および大きさなどについては、上記実施形態のそれに限定されるものではなく、オートフォーカス領域の分割数に応じて設定すればよい。
【０１０８】
Ｂ−８．光学デバイスの第１３実施形態を用いた露光装置
図１７は本発明にかかる光学デバイスの第１３実施形態を示す図である。この第１３実施形態は、第２の波長変換部３１５が設けられていない点を除き、第６実施形態（図７）と基本的に同一である。すなわち、光学デバイス３では、強誘電体基板３１の強誘電体結晶３１１に対して入射面３１１ａと出射面３１１ｂの間に波長変換部３１４が設けられるとともに、この波長変換部３１４と出射面３１１ｂとの間に光変調部３５が設けられている。なお、波長変換部３１４と光変調部３５とはいずれも第６実施形態のそれらと同一であり、波長変換部３１４は導波型第２高調波発生部として機能し、入射面３１１ａを介して入射されたレーザ光Ｌ２の半分の波長、つまり５３２［ｎｍ］のレーザ光を発生する。そして、波長変換部３１４から出力されたレーザ光Ｌ３は光変調部３５に入射され、変調処理を受けて出射面３１１ｂから出力され、第６実施形態と同様に、投影光学系４を介して基板Ｗの表面に案内される。なお、第１３実施形態では、５３２［ｎｍ］の０次光Ｌ０のみを基板Ｗに導光するために、投影光学系４は、波長５３２［ｎｍ］のレーザ光のみを透過させるバンドパスフィルター４１（図９参照）を有している。
【０１０９】
以上のように、第１３実施形態にかかる光学デバイスを用いた光学ヘッド（露光装置）ＯＨでは、波長変換部３１４と空間光変調部３５を設けているので、特定波長（本実施形態では５３２［ｎｍ］）の０次光Ｌ０のみが基板Ｗ（記録材料）に導光されてＬＳＩデータに対応するパターンが描画される。また、単一の強誘電体基板３１内で波長変換部３１４と空間光変調部３５とが設けられているため、波長変換部３１４および空間光変調部３５の間での高精度な光軸アライメントは不要となっている。また、温度環境変化や湿度変化などの影響で、光軸アライメントがずれることもなく、光量安定性、波長変換効率および光変調効率などの光学性能を安定化させることができる。
【０１１０】
また、波長変換部３１４および空間光変調部３５が形成される強誘電体基板３１を金属膜３３により支持基板３２と一体化するという構成を採用しているため、第１実施形態と同様の理由から、優れた光学性能が担保される。
【０１１１】
このように、第１３実施形態では、波長変換部３１４および空間光変調部３５がそれぞれ本発明の「第１の周期分極反転構造部」および「第２の周期分極反転構造部」に相当している。なお、２つの波長変換部の一方に代えて光変調部を設ける、つまり単一の波長変換部と光変調部とを同一の強誘電体基板３１内に設けるという技術思想については、第７実施形態ないし第１２実施形態などにも適用することができ、上記と同様の作用効果が得られる。
【０１１２】
Ｃ．その他
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、強誘電体結晶３１１として、ＭｇＯ：ＳＬＴを用いているが、その他の強誘電体結晶、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したリチウムナイオベート（MgO：Lithium Niobate）を用いてもよい。
【０１１３】
また、上記実施形態では、波長変換部３１４を第２高調波発生部とするとともに、波長変換部３１５を和周波数発生部としているが、種々の波長変換部から互いに異なる２種を波長変換部３１４、３１５として用いることができる。例えば波長変換部３１４、３１５の組み合わせとしては、（第２高調波発生部、差周波数発生部）がある。また、波長変換部の個数は「２」に限定されるものではなく、さらに波長変換部３１４、３１５と異なる１つ以上の波長変換部を強誘電体基板３１に設けてもよい。
【０１１４】
また、上記実施形態では、スラブ導波路としてステップインデックス導波路を強誘電体基板３１に形成しているが、プロトン交換導波路を形成してもよい。
【０１１５】
また、上記実施形態では、絶縁層としてＳｉＯ２を用いたが、酸化窒素膜（ＳｉＯｘＮｙ）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの透明誘電体膜を用いてもよい。
【０１１６】
また、上記した光学ヘッドＯＨでは空間光変調部３５においてブラッグ回折を発生させて光変調を行っているが、ラマン・ナス回折を発生させて光変調を行うように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
この発明は、波長変換機能を有する光学デバイス、当該光学デバイスを用いたレーザ装置および当該光学デバイスを使用する露光装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１…励起光源
２…固体レーザ部
３…光学デバイス
４…投影光学系
１３…半導体レーザ
２２…固体レーザ素子
３１…強誘電体基板
３２…支持基板
３３、３３４〜３３６、３３８…金属膜
３４…波長選択部
３５…空間光変調部
３８…ビームエキスパンダー（ビーム拡大部）
３９…ホモジナイザー（光強度均一化部）
４０…投影光学部
４１…バンドパスフィルター
４２…シリンドリカルレンズ
４３…シュリーレン光学部
１００…パターン描画装置
３１１…強誘電体結晶
３１１ａ…入射面
３１１ｂ…出射面
３１４、３１５…波長変換部
３１６…周期分極反転構造部
３１７…電極
３１８…分極反転構造部
３１９Ａ、３１９Ｂ…電極
ＬＧ…大レンズ群
ＬＳ…レーザ装置
ＭＬ…マイクロレンズ
ＯＨ…光学ヘッド
Ｗ…基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶により構成され、光が入射される入射面と、前記入射面と対向する出射面と、前記入射面および前記出射面と異なる被支持面とを有する強誘電体基板と、
前記被支持面と対向する対向面を有する支持基板と、
前記被支持面と前記対向面との間に配置されて前記強誘電体基板を前記支持基板に一体化させる金属膜とを備え、
前記強誘電体基板は、
前記入射面と前記出射面との間に設けられた第１の周期分極反転構造部と、前記第１の周期分極反転構造部と前記出射面との間に設けられた前記第１の周期分極反転構造部と異なる第２の周期分極反転構造部とを有し、
前記入射面に入射される光に対して前記第１の周期分極反転構造部により波長変換処理を行うとともに、前記第１の周期分極反転構造部から出力された光に対して前記第２の周期分極反転構造部により波長変換処理または光変調処理を行う
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記強誘電体基板は、前記入射面に入射された光を前記出射面に導波するスラブ導波路を有する請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記第１の周期分極反転構造部は、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第１の波長変換部である請求項１または２に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記第２の周期分極反転構造部は、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第２の波長変換部である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記強誘電体基板は、前記第２の周期分極反転構造部と前記出射面との間に設けられ、前記第２の周期分極反転構造部から出力された光を変調する光変調部をさらに有する請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記第２の周期分極反転構造部は、前記第１の周期分極反転構造部から出力された光を変調する光変調部である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記光変調部を挟んで前記金属膜に対向して配置される複数の第１電極をさらに備え、
前記光変調部は、前記複数の第１電極と前記金属膜の間に与えられる電界に応じて前記周期分極反転構造内でブラッグ回折またはラマン・ナス回折を発生させて空間光変調を行う請求項５または６に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記強誘電体基板は、前記入射面と前記光変調部との間に設けられるビーム拡大部をさらに有する請求項５ないし７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記強誘電体基板は、前記入射面と前記光変調部との間に設けられる光強度均一化部をさらに有する請求項５ないし８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記強誘電体基板は、前記光変調部と前記出射面との間に設けられ、前記光変調部から出力された光を集光する第１レンズを含む光学部をさらに有する請求項５ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記第１レンズは可変焦点レンズである請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記光学部を挟んで前記金属膜に対向して配置される第２電極をさらに備え、
前記光学部は、電界を受けて発生する分極の向きが前記第１レンズと、前記第１レンズの周辺部とで互いに反対となる分極反転構造を有し、前記第２電極と前記金属膜の間に与えられる電界に応じて前記第１レンズと、前記第１レンズの周辺部とで屈折率を変化させて前記第１レンズの焦点距離を変化させる請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記光学部は、前記光学部内を伝播する光の進行方向に前記第１レンズを複数個配置したレンズ群を有する請求項１１または１２に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
前記レンズ群が前記光学部内を伝播する光の進行方向と直交する方向に複数個配置される請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記複数のレンズ群は１または複数個に区分けされ、
前記区分けされたレンズ群毎に前記第１レンズの焦点距離の変化量を制御可能となっている請求項１４に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
請求項５ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
前記強誘電体基板の前記入射面に光を出力する光源部と、
前記強誘電体基板の前記光変調部で変調されて前記出射面から出力される光を被露光面上に導光する光学部と
を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１７】
請求項１０ないし１５のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
前記強誘電体基板の前記入射面に光を出力する光源部と、
前記強誘電体基板の前記出射面と被露光面との間に配置される第２レンズとを備え、
前記第１レンズは前記光変調部から出力された光を前記強誘電体基板の結晶軸方向と直交する方向に集光し、
前記第２レンズは前記強誘電体基板の前記出射面から出力された光を少なくとも前記結晶軸方向に集光することを特徴とする露光装置。
【請求項１８】
前記光源部は近赤外レーザ光を出力し、
前記第１の周期分極反転構造部は第２高調波発生部であり、
前記第２の周期分極反転構造部は和周波数発生部であり、
前記光変調部は前記第２の周期分極反転構造部と前記出射面との間に設けられる請求項１６または１７に記載の露光装置。
【請求項１９】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
前記強誘電体基板の前記入射面に光を出力する光源部と
を備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２０】
前記光源部は近赤外レーザ光を出力し、
前記第１の周期分極反転構造部は第２高調波発生部であり、
前記第２の周期分極反転構造部は和周波数発生部である請求項１９に記載のレーザ装置。
【請求項１】
強誘電体結晶により構成され、光が入射される入射面と、前記入射面と対向する出射面と、前記入射面および前記出射面と異なる被支持面とを有する強誘電体基板と、
前記被支持面と対向する対向面を有する支持基板と、
前記被支持面と前記対向面との間に配置されて前記強誘電体基板を前記支持基板に一体化させる金属膜とを備え、
前記強誘電体基板は、
前記入射面と前記出射面との間に設けられた第１の周期分極反転構造部と、前記第１の周期分極反転構造部と前記出射面との間に設けられた前記第１の周期分極反転構造部と異なる第２の周期分極反転構造部とを有し、
前記入射面に入射される光に対して前記第１の周期分極反転構造部により波長変換処理を行うとともに、前記第１の周期分極反転構造部から出力された光に対して前記第２の周期分極反転構造部により波長変換処理または光変調処理を行う
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記強誘電体基板は、前記入射面に入射された光を前記出射面に導波するスラブ導波路を有する請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記第１の周期分極反転構造部は、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第１の波長変換部である請求項１または２に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記第２の周期分極反転構造部は、第２高調波発生部、第３高調波発生部、和周波数発生部、差周波数発生部および光パラメトリック発振器のいずれかを構成する第２の波長変換部である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記強誘電体基板は、前記第２の周期分極反転構造部と前記出射面との間に設けられ、前記第２の周期分極反転構造部から出力された光を変調する光変調部をさらに有する請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記第２の周期分極反転構造部は、前記第１の周期分極反転構造部から出力された光を変調する光変調部である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記光変調部を挟んで前記金属膜に対向して配置される複数の第１電極をさらに備え、
前記光変調部は、前記複数の第１電極と前記金属膜の間に与えられる電界に応じて前記周期分極反転構造内でブラッグ回折またはラマン・ナス回折を発生させて空間光変調を行う請求項５または６に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記強誘電体基板は、前記入射面と前記光変調部との間に設けられるビーム拡大部をさらに有する請求項５ないし７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記強誘電体基板は、前記入射面と前記光変調部との間に設けられる光強度均一化部をさらに有する請求項５ないし８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記強誘電体基板は、前記光変調部と前記出射面との間に設けられ、前記光変調部から出力された光を集光する第１レンズを含む光学部をさらに有する請求項５ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記第１レンズは可変焦点レンズである請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記光学部を挟んで前記金属膜に対向して配置される第２電極をさらに備え、
前記光学部は、電界を受けて発生する分極の向きが前記第１レンズと、前記第１レンズの周辺部とで互いに反対となる分極反転構造を有し、前記第２電極と前記金属膜の間に与えられる電界に応じて前記第１レンズと、前記第１レンズの周辺部とで屈折率を変化させて前記第１レンズの焦点距離を変化させる請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記光学部は、前記光学部内を伝播する光の進行方向に前記第１レンズを複数個配置したレンズ群を有する請求項１１または１２に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
前記レンズ群が前記光学部内を伝播する光の進行方向と直交する方向に複数個配置される請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記複数のレンズ群は１または複数個に区分けされ、
前記区分けされたレンズ群毎に前記第１レンズの焦点距離の変化量を制御可能となっている請求項１４に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
請求項５ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
前記強誘電体基板の前記入射面に光を出力する光源部と、
前記強誘電体基板の前記光変調部で変調されて前記出射面から出力される光を被露光面上に導光する光学部と
を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１７】
請求項１０ないし１５のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
前記強誘電体基板の前記入射面に光を出力する光源部と、
前記強誘電体基板の前記出射面と被露光面との間に配置される第２レンズとを備え、
前記第１レンズは前記光変調部から出力された光を前記強誘電体基板の結晶軸方向と直交する方向に集光し、
前記第２レンズは前記強誘電体基板の前記出射面から出力された光を少なくとも前記結晶軸方向に集光することを特徴とする露光装置。
【請求項１８】
前記光源部は近赤外レーザ光を出力し、
前記第１の周期分極反転構造部は第２高調波発生部であり、
前記第２の周期分極反転構造部は和周波数発生部であり、
前記光変調部は前記第２の周期分極反転構造部と前記出射面との間に設けられる請求項１６または１７に記載の露光装置。
【請求項１９】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
前記強誘電体基板の前記入射面に光を出力する光源部と
を備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２０】
前記光源部は近赤外レーザ光を出力し、
前記第１の周期分極反転構造部は第２高調波発生部であり、
前記第２の周期分極反転構造部は和周波数発生部である請求項１９に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１４５８９０（Ｐ２０１２−１４５８９０Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１３０（Ｐ２０１１−６１３０）
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
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