光源装置
【課題】簡易な構成で、可干渉距離が短く連続光を発生させることができる光源装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る光源装置は、赤外波長域の連続光である第１のレーザー光を発生する第１のレーザー媒質１ａと、第１のレーザー光と略同一波長の連続光である第２のレーザー光を発生する第２のレーザー媒質１ｂと、第１のレーザー光の第２高調波を発生する第２高調波発生用非線形光学結晶２と、第２高調波と第２レーザー光とを和周波混合し、出力１０ｍＷ以上、可干渉距離１ｍ以下の連続出力光を発生させる和周波混合用非線形光学結晶３とを備える。
【解決手段】本発明の一態様に係る光源装置は、赤外波長域の連続光である第１のレーザー光を発生する第１のレーザー媒質１ａと、第１のレーザー光と略同一波長の連続光である第２のレーザー光を発生する第２のレーザー媒質１ｂと、第１のレーザー光の第２高調波を発生する第２高調波発生用非線形光学結晶２と、第２高調波と第２レーザー光とを和周波混合し、出力１０ｍＷ以上、可干渉距離１ｍ以下の連続出力光を発生させる和周波混合用非線形光学結晶３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に関し、特に連続的に発振できる紫外光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細化が進む半導体露光用フォトマスク原板の製造過程では、原板内の微小な欠陥を測定することが必要である。その測定には、連続出力の光を被測定対象物に照射して、その散乱等による強度変化を捉える検査装置がよく利用されている。照射用の光源としては、可視ないし紫外の横シングルモードレーザーが用いられる。その出力は、最低でも１０ｍＷが必要である。
【０００３】
レーザー光は一般に単色で干渉性が高いため、被測定対象物からの反射光と検査装置内に用いられる光学部材からの反射光が干渉を起こし、測定に支障となることがある。このため、半導体検査用の光源としては、干渉効果が強い単一周波数のレーザーではなく、光学系の色収差が問題にならない範囲で可干渉距離の短い光源が適する。
【０００４】
発明者等は、このような検査に適したレーザー光源の可干渉距離は１ｍ以下（光帯域３００ＭＨｚ以上）であることを見出した。このような条件を満たすレーザー光源としては、古くからある波長５１５ｎｍ、４８８ｎｍ、３５１ｎｍ等で発振するアルゴンイオンレーザーが知られている。また、近年では、Ｎｄイオンを添加した固体レーザーの共振器内波長変換による第２高調波（５３２ｎｍ）等がある。
【０００５】
このうち、アルゴンイオンレーザーは、低効率で大電力を必要とする上、装置の寿命が短く、頻繁な交換や調整作業が必要になるという課題を抱えている。このため、２４時間可動を前提とする半導体製造工場等では、固体レーザーの利用が望まれている。
【０００６】
そのような背景から、５１５ｎｍ、４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザーは、多少波長が長くとも５３２ｎｍの固体レーザーへの置換が進んでいる。なお、最近では、波長３７０ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の半導体レーザーも高出力化が進んでいるが、横シングルモードでの出力は不十分である。
【０００７】
一方、波長３５１ｎｍのアルゴンレーザーは、数１００ｍＷという半導体検査に必要な出力が得られ、５３２ｎｍ、４８８ｎｍ等のレーザーよりも単波長であるために検査性能の向上が可能である。しかしながら、波長３５１ｎｍのアルゴンレーザーは、５１５ｎｍ、４８８ｎｍに比してさらに発振効率が低く、保守性も悪い。このため、今後は、３５１ｎｍのアルゴンイオンレーザーの固体レーザーによる置換が期待されている。
【０００８】
波長３５１ｎｍ付近で発振する実用的な固体レーザーは存在しないが、１μｍ帯で発振する固体レーザーの第３高調波がこの波長域に対応する。例えば、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーの第３高調波は、３５５ｎｍである。その変換は、図７に示すように、パルスレーザー装置１１から出射される１０６４ｎｍ光が第２高調波発生用非線形光学結晶１２により５３２ｎｍ光に変換され、和周波混合用非線形光学結晶１３で１０６４ｎｍ光と５３２ｎｍ光の和周波発生により３５５ｎｍの波長の光が取り出される２段階の変換過程が必要となる。
【０００９】
Ｑスイッチ等のピーク強度が高いパルスレーザー装置１１では、図７のようにレーザー共振器の外部に２つの非線形光学結晶を配した外部変換方式でも、１０６４ｎｍから３５５ｎｍの変換効率は２０％〜３０％が比較的容易に得られる。しかしながら、連続出力のレーザー光はそのまま非線形光学結晶内で集光しても強度が低いため、図７の外部変換方式では初段の第２高調波ですら十分な変換効率を得ることが難しい。
【００１０】
近年は、図８のように、２枚の高反射ミラー１４ａ、１４ｂで構成されるレーザー共振器の内部に２つの非線形光学結晶を配置した共振器内変換方式によるさらに変換効率の高い光源が構築されている。波長３５５ｎｍの光は、出力ミラー１５により外部に取り出される。このような方式による波長３５５ｎｍの紫外パルス光源は、近年では主に材料加工用として数多く市販されている。
【００１１】
しかし、共振器内変換方式でも連続出力の場合は十分な効率を得ることは困難である。これは、共振器内に設置された第２高調波発生用結晶により５３２ｎｍは高い変換効率が得られるものの、１０６４ｎｍに対する損失要因となって、共振器内の１０６４ｎｍ強度が極端に下がってしまう。このため、３５５ｎｍへの和周波混合の効率を高めることは困難だからである。このような事情から、連続出力の第３高調波発生はいずれの方式の報告例も少なく、市販品も低出力なものに止まっている。
【００１２】
高出力な連続出力３５５ｎｍの発生方法として、例えば、特許文献１に示された２重共振法というものがある。これは、干渉作用により光強度が増強される共振器内に、非線形光学結晶を配置する外部共振器変換法の一種である。例えば、２台の単一周波数レーザー装置から発生する波長１０６４ｎｍ、５３２ｎｍのレーザー光を、外部共振器で同時に共振させて、高い和周波混合効率を実現するものである。しかしながら、この方法では、単一周波数の３５５ｎｍの光しか得ることができない。
【００１３】
特許文献２では、単一周波数のレーザー光と縦マルチモードのレーザー光の両方に対して独立した外部共振器が構成されている。例えば、１０６４ｎｍと２６６ｎｍのレーザー光から２１３ｎｍの光を発生させる構成が提案されている。しかし、１つの非線形光学結晶を共有する独立した２つの外部共振器を設けるため、構成が複雑である。また、縦マルチモード用の外部共振器長は、入射するレーザー共振器の２ｎ（ｎは整数）倍というきわめて特殊な条件に制御する必要があり、安定した動作は困難である。
【００１４】
また、特許文献３には、単一周波数の紫外光を外部共振器にて共振させ、赤外レーザー光との和周波混合により、波長２００ｎｍ付近の単波長光を得る方法が示されている。紫外光は低出力のため、単一周波数の紫外光を外部共振器によって増強する構成である。しかし、光子エネルギーの高い紫外光を共振させる外部共振器は、その公正部品が光損傷を被る懸念が高い。
【００１５】
また、近年では、連続出力の光に対しても高い変換効率が得られる分極反転型の波長変換素子の開発が進んでおり、波長３４０ｎｍ付近の光を発生を得た報告例もある（非特許文献１）。しかしながら、現状で分極反転できるＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３結晶等の波長３５０ｎｍ近傍での透過率は十分でないために、半導体検査に必要な数１００ｍＷの出力を安定に得ることは現状困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平８−１９４２４０号公報
【特許文献２】特許第４０６５８８０号公報
【特許文献３】特開２００４−５５６９５号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】応用物理学会学術講演会講演予稿集、Vol.57、No.3(19960907)、p.941
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、以上のように見出だされた技術課題を克服するべくなされたものであり、簡易な構成で、可干渉距離が短い連続光を出力できる光源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】
【００１９】
本発明の第１の態様に係る光源装置は、赤外波長域の連続光である第１のレーザー光を発生する第１のレーザー装置と、前記第１のレーザー光と略同一波長の連続光である第２のレーザー光を発生する第２のレーザー装置と、前記第１のレーザー光の第２高調波を発生する第１の非線形光学結晶と、前記第２高調波と前記第２レーザー光とを和周波混合し、出力１０ｍＷ以上、可干渉距離１ｍ以下の連続出力光を発生させる第２の非線形光学結晶とを備えるものである。これにより、簡易な構成で、可干渉距離が短い連続光を発生させることができる。
【００２０】
本発明の第２の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー光又は前記第２のレーザー光の少なくともいずれか一方は、単一周波数でないことを特徴とするものである。これにより、可干渉距離が短い、連続出力光を発生させることができる。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置の波長は、１０３０〜１０８０ｎｍであることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第４の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー光を共振させる第１のレーザー共振器を備え、前記第１の非線形光学結晶は、前記第１のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明の第５の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第２のレーザー光を共振させる第２のレーザー共振器を備え、前記第２の非線形結晶は、前記第２のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明の第６の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第２のレーザー共振器は、少なくとも３枚の光学鏡を含むことを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２５】
本発明の第７の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１の非線形光学結晶は、擬似位相整合型結晶であることを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２６】
本発明の第８の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第２の非線形光学結晶に対し、入射する２つの光の偏光方向が直交していることを特徴とするものである。これにより、光損失を低減することができる。
【００２７】
本発明の第９の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、前記第２のレーザー装置の媒質は１０３０ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第１０の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー媒質は、１０４７ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、前記第２のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第１１の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー媒質及び前記第２のレーザー装置は、１０５３ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第１２の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置は、イッテリビウムを添加した光ファイバー形状であることを特徴とするものである。これにより、検査装置等への搭載が容易となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、マスク検査等に利用できる連続発振の紫外光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１に係る光源装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態２に係る光源装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態３に係る光源装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態４に係る光源装置の構成を示す図である。
【図５】実施の形態５に係る光源装置の構成を示す図である。
【図６】波長３５１ｎｍの連続光を発生させるための第１のファイバーレーザー、第２のファイバーレーザーの組み合わせの例を示す表である。
【図７】従来の光源装置の構成を示す図である。
【図８】従来の光源装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００３４】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光源装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。図１に示すように、光源装置は、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂ、第２高調波発生用非線形光学結晶２、和周波混合用非線形光学結晶３、高反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、ダイクロイックミラー５、６、７を備えている。
【００３５】
第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂは、Ｎｄ：ＹＡＧロッド等の固体レーザー媒質である。これらは、外部から照射される半導体レーザー光等で励起され、波長１０６４ｎｍ付近の赤外波長域の略同一波長のレーザー光を出射するレーザー装置の一部である。
【００３６】
２枚の高反射ミラー４ａ、４ｂは、第１のレーザー媒質１ａ、ダイクロイックミラー５、第２高調波発生用非線形光学結晶２を挟んで、対向して配置されている。高反射ミラー４ａ、４ｂは、第１のレーザー媒質１ａからの第１のレーザー光を共振させる第１の共振器を構成している。すなわち、第２高調波発生用非線形光学結晶２は、第１の共振器内に配置されている。第１のレーザー媒質１ａからの第１のレーザー光の強度は、高反射ミラー４ａ、４ｂにより高められる。
【００３７】
第１の共振器内には、第２高調波発生用非線形光学結晶２が配置されている。第２高調波発生用非線形光学結晶２は、入射する第１のレーザー媒質１ａからの第１のレーザー光の第２高調波を発生する。本例では、第２高調波発生用非線形光学結晶２は、１０６４ｎｍのレーザー光から５３２ｎｍの可視光を発生させる。
【００３８】
２枚の高反射ミラー４ｃ、４ｄは、第２のレーザー媒質１ｂ、ダイクロイックミラー６、和周波混合用非線形光学結晶３、ダイクロイックミラー７を挟んで、対向して配置されている。高反射ミラー４ｃ、４ｄは、第２のレーザー媒質１ｂからの第２のレーザー光を共振させる第２の共振器を構成している。すなわち、和周波混合用非線形光学結晶３は、第２の共振器内に配置されている。第２のレーザー媒質１ｂからの第２のレーザー光の強度は、高反射ミラー４ｃ、４ｄにより高められる。
【００３９】
ダイクロイックミラー５、６は、１０６４ｎｍの光を透過し、５３２ｎｍの光を反射する。第２高調波発生用非線形光学結晶２で発生した５３２ｎｍの光は、ダイクロイックミラー５で反射され第１の共振器外に導かれる。そして、ダイクロイックミラー５で反射された光は、第２の共振器内に配置されたダイクロイックミラー６により反射され、第２の共振器の光軸と同軸になって、和周波混合用非線形光学結晶３に入射する。
【００４０】
和周波混合用非線形光学結晶３は、入射する１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍの光から３５５ｎｍの紫外光を発生させる。ダイクロイックミラー７は、１０６４ｎｍの光を透過し、３５５ｎｍの光を反射する。和周波混合用非線形光学結晶３により発生した３５５ｎｍの光は、ダイクロイックミラー７により反射され、第２の共振器の外部に取り出される。
【００４１】
このように、本実施の形態では、赤外波長域の略同一の波長のレーザー光を出射する２つの取扱い性の良い固体レーザー媒質を用いて、簡易な構成でマスク検査等に利用できる連続の紫外光を発生させることができる。レーザー媒質にＮｄ：ＹＡＧを用いているため、１０ｍＷ以上の安定性の高い高出力のレーザーが得られる。また、略同一の波長のレーザー光を出射するレーザー媒質を用いているため、共通の光学部品を用いることができ、コストを削減することが可能となる。なお、レーザー媒質としてはＮｄ：ＹＡＧに限られず、Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＹＬＦ等でも良い。
【００４２】
本実施の形態では、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂのいずれも、単一周波数ではない赤外波長領域の同一波長の光を出射する。つまり、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂは、赤外波長領域において複数の縦モードを含む光を出力する。すなわち、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂは、複数の縦モードの光を同時に発振する縦マルチモードのレーザー装置を構成している。
【００４３】
このため、特に発振スペクトルを制限する光学素子等を用いなければ、発生する３５５ｎｍ光は単一周波数にはならない。すなわち、発生する３５５ｎｍの光の可干渉距離を短くすることができる。例えば、本実施の形態では、可干渉距離を１ｍ以下の連続出力光を得ることができる。これにより、検査時にスペックルや干渉縞の問題を軽減することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、第１のレーザー媒質１ａ及び第２のレーザー媒質１ｂのいずれも単一周波数ではない光を出射するものを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、第１のレーザー媒質１ａ又は第２のレーザー媒質１ｂの少なくともいずれか一方が単一周波数でない光を出射すれば、可干渉距離が短い３５５ｎｍの光を得ることができる。
【００４５】
また、ダイクロイックミラー５で反射された５３２ｎｍ光の偏光方向と、ダイクロイックミラー６を透過する１０６４ｎｍ光の偏光方向とが略直交していることが好ましい。例えば、５３２ｎｍ光の偏光方向を紙面に垂直とし、１０６４ｎｍ光の偏光方向を紙面に平行とすることができる。これにより、１０６４ｎｍ光を透過し、５３２ｎｍ光を反射するダイクロイックミラー６として、偏光方向により光を分岐するものを用いることができる。従って、ダイクロイックミラー６を容易に作ることができ、コストを低減させることができる。
【００４６】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る光源装置について図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。本実施の形態では、第２高調波発生用非線形光学結晶２として、擬似位相整合型のものを利用した構成を示している。
【００４７】
擬似位相整合とは、結晶中での屈折率の違いにより赤外光と可視光とが干渉して消滅するのを防止するために、結晶の伝播方向に周期的に非線形光学定数の符号を反転させて補償する方法である。通常の複屈折位相整合による非線形光学結晶では、連続光に対して１％の変換効率を得ることも容易ではない。
【００４８】
しかし、擬似位相整合型結晶では、３０％〜４０％程度の１０６４ｎｍから５３２ｎｍへの変換効率を得ることが可能となる。このため、実施の形態１のように、共振器内に第２高調波発生用非線形光学結晶２を配置して、共振器内で波長変換をしなくてもよい。なお、共振器内に第２高調波発生用非線形光学結晶２を配置することも可能である。
【００４９】
本実施の形態においては、第２高調波発生用非線形光学結晶２は第１の共振器外に配置されている。高反射ミラー４ｂを透過した１０６４ｎｍの光は、第２高調波発生用非線形光学結晶２に入射して５３２ｎｍの光に変換される。５３２ｎｍの光は、折り返しミラー８で反射され、高反射ミラー４ｃ、４ｄから構成される第２共振器内のダイクロイックミラー６の方向へ進む。
【００５０】
そして、実施の形態１と同様に、和周波混合用非線形光学結晶３により、１０６４ｎｍの光と５３２ｎｍの光の和周波混合により、３５５ｎｍの光が発生する。このように、固体レーザー媒質を用いて、簡易な構成により紫外光を発生させることができる。また、本実施の形態では、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂのいずれも、単一周波数ではない赤外波長領域の光を出射する。このため、可干渉距離の短い紫外光を得ることができる。
【００５１】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る光源装置の構成について、図３を参照して説明する。図３に示す光源装置では、図２の第１のレーザー媒質１ａの代わりに、ファイバーレーザーを用いている。ファイバーレーザーは、電源と光発生部が一体化したものである。光発生部で発生した光は、ファイバーを介して出力される。このため、検査装置等に容易に搭載することができる。
【００５２】
第２高調波発生用非線形光学結晶２は、第１のファイバーレーザー９からの１０６４ｎｍ光の第２高調波を発生させる。この第２高調波は、折り返しミラー８によりダイクロイックミラー６のほうへ折り返される。
【００５３】
本実施の形態においては、和周波混合用非線形光学結晶３は、高反射ミラー４ｃ、４ｄで形成される共振器内に配置されている。高反射ミラー４ｃ、４ｄは、第２のレーザー媒質１ｂから出射される１０６４ｎｍ光を共振させる。共振された１０６４ｎｍ光と、第２高調波である５３２ｎｍ光は和周波混合用非線形光学結晶３で和周波混合され、３５５ｎｍ光が発生する。発生した３５５ｎｍ光は、ダイクロイックミラー７により共振器の外部に導かれる。
【００５４】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る光源装置の構成について、図４を参照して説明する。図４に示す例では、図２に示す第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂをそれぞれ第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０に置き換えている。
【００５５】
第１のファイバーレーザー９は、単一周波数でない１０６４ｎｍ光を出射する。第２高調波発生用非線形光学結晶２は、第１のファイバーレーザー９からの１０６４ｎｍ光の第２高調波を発生させる。この第２高調波は、折り返しミラー８によりダイクロイックミラー６のほうへ折り返される。
【００５６】
第２のファイバーレーザー１０は、１０６４ｎｍの単一周波数の光を出射する。本実施の形態では、第２のファイバーレーザー１０からの１０６４ｎｍ光を共振させる共振器を構成する４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが設けられている。この４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから構成される共振器内には、和周波混合用非線形光学結晶３が配置されている。
【００５７】
和周波混合用非線形光学結晶３の入射側にはダイクロイックミラー６が配置されており、出射側にはダイクロイックミラー７が配置されている。共振された１０６４ｎｍ光と、第２高調波である５３２ｎｍ光は和周波混合用非線形光学結晶３で和周波混合され、３５５ｎｍ光が発生する。発生した３５５ｎｍ光は、ダイクロイックミラー７により共振器の外部に導かれる。
【００５８】
このように、略同一の赤外波長域の光を発生する２つのファイバーレーザーを用いることにより、簡易な構成でマスク検査等に利用できる１０ｍＷ以上の高出力の連続紫外光を発生させることができる。また、ファイバーレーザーを用いることにより、検査装置等への搭載を容易にすることができる。
【００５９】
また、略同一の波長のレーザー光を出射するファイバーレーザーを用いているため、共通の光学部品を用いることができ、コストを削減することが可能となる。また、２つのファイバーレーザーのうち、少なくとも一方は、単一周波数ではないものを用いている。これにより、可干渉距離の短い紫外光を得ることができる。
【００６０】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る光源装置について、図５を参照して説明する。図５に示す例では、図２に示す第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂをそれぞれ第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０に置き換えている。また、第２高調波発生用非線形光学結晶２が、第２のファイバーレーザー１０の出射側に配置されている。
【００６１】
第１のファイバーレーザー９は、単一周波数でない１０６４ｎｍ光を出射する。この１０６４ｎｍ光は、折り返しミラー８によりダイクロイックミラー６のほうへ折り返される。第２のファイバーレーザー１０は、１０６４ｎｍの単一周波数の光を出射する。本実施の形態では、第２のファイバーレーザー１０から出射された１０６４ｎｍ光は、第２高調波発生用非線形光学結晶２により５３２ｎｍの第２高調波に変換される。
【００６２】
この第２高調波は、４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなる共振器内で共振される。この４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから構成される共振器内には、和周波混合用非線形光学結晶３が配置されている。
【００６３】
和周波混合用非線形光学結晶３の入射側にはダイクロイックミラー６が配置されており、出射側にはダイクロイックミラー７が配置されている。ここでは、ダイクロイックミラー６は、５３２ｎｍ光を透過し、１０６４ｎｍ光を反射する。共振された１０６４ｎｍ光と、第２高調波である５３２ｎｍ光は和周波混合用非線形光学結晶３で和周波混合され、３５５ｎｍ光が発生する。発生した３５５ｎｍ光は、ダイクロイックミラー７により共振器の外部に導かれる。
【００６４】
このような構成により、簡易な構成でマスク検査等に利用できる１０ｍＷ以上の高出力の連続紫外光を発生させることができる。また、ファイバーレーザーを用いることにより、検査装置等への搭載を容易にすることができる。また、２つのファイバーレーザーのうち、少なくとも一方は、単一周波数ではないものを用いている。これにより、可干渉距離の短い紫外光を得ることができる。
【００６５】
なお、実施の形態４、５においては、共振器が４枚のミラーから構成される例を示したが、３枚のミラーにより構成することも可能である。少なくとも３枚のミラーを用いることにより、共振器を構成することができる。
【００６６】
上述の実施の形態においては、第１のレーザー装置、第２のレーザー装置として、１０６４ｎｍの光を出射するものを用いたが、これに限定されるものではない。第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０が略同一の赤外波長域の光を出射するものであればよい。波長３５１ｎｍの連続光を発生させるための第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０の組み合わせの例について、図６に示す。
【００６７】
図６の例１では、第１のファイバーレーザーとして波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ添加ファイバーを、第２のファイバーレーザーとして波長１０３１ｎｍのＹｂ:ＹＡＧ、Ｙｂ添加ファイバーを用いている。例２では、第１のファイバーレーザーとして波長１０４７ｎｍのＮｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ添加ファイバーを、第２のファイバーレーザーとして波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ添加ファイバーを用いている。例３では、第１及び第２のファイバーレーザーとして波長１０５３ｎｍのＮｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ添加ファイバーを用いている。
【００６８】
いずれにおいても、第１、第２のレーザー装置からの光の波長を図６に示す表の組合せとすれば、アルゴンイオンレーザーの発振波長３５１ｎｍとほぼ等しくすることができる。３５１ｎｍアルゴンイオンレーザーにより構築された応用装置において、波長をほぼ等しいままで本発明の固体レーザーを用いた光源装置に置換することが可能である。
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、赤外波長域の略同一波長の光を出射する２つの独立したレーザー装置を用い、少なくとも一方を単一周波数動作ではない構成とすることで、半導体検査光源に適した波長１μｍの第３高調波である波長３５０ｎｍ近傍の高出力の連続出力紫外光を発生させることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１〜４では、波長５３２ｎｍの第２高調波は共振しないが、高反射ミラー４ｃ、４ｄからなる第２のレーザー共振器又は、ミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなる外部共振器において１０６４ｎｍの強度が高められている。強度が高められた１０６４ｎｍ光と第２高調波とを混合するため、効率よく３５５ｎｍ光を発生させることが可能となる。
【００７１】
また、実施の形態１〜４の第２のレーザー媒質１ｂ、第２のファイバーレーザー１０からのレーザー光は和周波発生だけに利用されるため、安定かつ高効率に紫外光を発生することができる。さらに、２つの独立した１μｍ帯のレーザー装置は、同一波長帯でその構成が類似している。このため、光源装置の構築が容易でコストを抑制することができる。
【００７２】
なお、上述の実施の形態では、和周波混合用非線形光学結晶３としては、Ｔｙｐｅ−ＩＩ型位相整合が適用可能である。例えば、和周波混合用非線形光学結晶３としてＬＢＯ結晶を用いることができる。
【００７３】
この場合、入射する２つの光の偏光方向を直行させることができる。これにより、ダイクロイックミラーでの透過光の偏光を水平、反射光の偏光を垂直に構成することで、ダイクロイックミラーでの損失を低減することができる。
【００７４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、略同一波長の赤外波長域の光を照射する２つのレーザー装置を用いることにより、アルゴンイオンレーザーに代替できる、単一周波数ではない波長３５１ｎｍ近傍の実用性の高い紫外光源を実現することが可能となる。なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ 第１のレーザー媒質
１ｂ 第２のレーザー媒質
２ 第２高調波発生用非線形光学結晶
３ 和周波混合用非線形光学結晶
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 高反射ミラー
５ ダイクロイックミラー
６ ダイクロイックミラー
７ ダイクロイックミラー
８ 折り返しミラー
９ 第１のファイバーレーザー
１０ 第２のファイバーレーザー
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に関し、特に連続的に発振できる紫外光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細化が進む半導体露光用フォトマスク原板の製造過程では、原板内の微小な欠陥を測定することが必要である。その測定には、連続出力の光を被測定対象物に照射して、その散乱等による強度変化を捉える検査装置がよく利用されている。照射用の光源としては、可視ないし紫外の横シングルモードレーザーが用いられる。その出力は、最低でも１０ｍＷが必要である。
【０００３】
レーザー光は一般に単色で干渉性が高いため、被測定対象物からの反射光と検査装置内に用いられる光学部材からの反射光が干渉を起こし、測定に支障となることがある。このため、半導体検査用の光源としては、干渉効果が強い単一周波数のレーザーではなく、光学系の色収差が問題にならない範囲で可干渉距離の短い光源が適する。
【０００４】
発明者等は、このような検査に適したレーザー光源の可干渉距離は１ｍ以下（光帯域３００ＭＨｚ以上）であることを見出した。このような条件を満たすレーザー光源としては、古くからある波長５１５ｎｍ、４８８ｎｍ、３５１ｎｍ等で発振するアルゴンイオンレーザーが知られている。また、近年では、Ｎｄイオンを添加した固体レーザーの共振器内波長変換による第２高調波（５３２ｎｍ）等がある。
【０００５】
このうち、アルゴンイオンレーザーは、低効率で大電力を必要とする上、装置の寿命が短く、頻繁な交換や調整作業が必要になるという課題を抱えている。このため、２４時間可動を前提とする半導体製造工場等では、固体レーザーの利用が望まれている。
【０００６】
そのような背景から、５１５ｎｍ、４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザーは、多少波長が長くとも５３２ｎｍの固体レーザーへの置換が進んでいる。なお、最近では、波長３７０ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の半導体レーザーも高出力化が進んでいるが、横シングルモードでの出力は不十分である。
【０００７】
一方、波長３５１ｎｍのアルゴンレーザーは、数１００ｍＷという半導体検査に必要な出力が得られ、５３２ｎｍ、４８８ｎｍ等のレーザーよりも単波長であるために検査性能の向上が可能である。しかしながら、波長３５１ｎｍのアルゴンレーザーは、５１５ｎｍ、４８８ｎｍに比してさらに発振効率が低く、保守性も悪い。このため、今後は、３５１ｎｍのアルゴンイオンレーザーの固体レーザーによる置換が期待されている。
【０００８】
波長３５１ｎｍ付近で発振する実用的な固体レーザーは存在しないが、１μｍ帯で発振する固体レーザーの第３高調波がこの波長域に対応する。例えば、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーの第３高調波は、３５５ｎｍである。その変換は、図７に示すように、パルスレーザー装置１１から出射される１０６４ｎｍ光が第２高調波発生用非線形光学結晶１２により５３２ｎｍ光に変換され、和周波混合用非線形光学結晶１３で１０６４ｎｍ光と５３２ｎｍ光の和周波発生により３５５ｎｍの波長の光が取り出される２段階の変換過程が必要となる。
【０００９】
Ｑスイッチ等のピーク強度が高いパルスレーザー装置１１では、図７のようにレーザー共振器の外部に２つの非線形光学結晶を配した外部変換方式でも、１０６４ｎｍから３５５ｎｍの変換効率は２０％〜３０％が比較的容易に得られる。しかしながら、連続出力のレーザー光はそのまま非線形光学結晶内で集光しても強度が低いため、図７の外部変換方式では初段の第２高調波ですら十分な変換効率を得ることが難しい。
【００１０】
近年は、図８のように、２枚の高反射ミラー１４ａ、１４ｂで構成されるレーザー共振器の内部に２つの非線形光学結晶を配置した共振器内変換方式によるさらに変換効率の高い光源が構築されている。波長３５５ｎｍの光は、出力ミラー１５により外部に取り出される。このような方式による波長３５５ｎｍの紫外パルス光源は、近年では主に材料加工用として数多く市販されている。
【００１１】
しかし、共振器内変換方式でも連続出力の場合は十分な効率を得ることは困難である。これは、共振器内に設置された第２高調波発生用結晶により５３２ｎｍは高い変換効率が得られるものの、１０６４ｎｍに対する損失要因となって、共振器内の１０６４ｎｍ強度が極端に下がってしまう。このため、３５５ｎｍへの和周波混合の効率を高めることは困難だからである。このような事情から、連続出力の第３高調波発生はいずれの方式の報告例も少なく、市販品も低出力なものに止まっている。
【００１２】
高出力な連続出力３５５ｎｍの発生方法として、例えば、特許文献１に示された２重共振法というものがある。これは、干渉作用により光強度が増強される共振器内に、非線形光学結晶を配置する外部共振器変換法の一種である。例えば、２台の単一周波数レーザー装置から発生する波長１０６４ｎｍ、５３２ｎｍのレーザー光を、外部共振器で同時に共振させて、高い和周波混合効率を実現するものである。しかしながら、この方法では、単一周波数の３５５ｎｍの光しか得ることができない。
【００１３】
特許文献２では、単一周波数のレーザー光と縦マルチモードのレーザー光の両方に対して独立した外部共振器が構成されている。例えば、１０６４ｎｍと２６６ｎｍのレーザー光から２１３ｎｍの光を発生させる構成が提案されている。しかし、１つの非線形光学結晶を共有する独立した２つの外部共振器を設けるため、構成が複雑である。また、縦マルチモード用の外部共振器長は、入射するレーザー共振器の２ｎ（ｎは整数）倍というきわめて特殊な条件に制御する必要があり、安定した動作は困難である。
【００１４】
また、特許文献３には、単一周波数の紫外光を外部共振器にて共振させ、赤外レーザー光との和周波混合により、波長２００ｎｍ付近の単波長光を得る方法が示されている。紫外光は低出力のため、単一周波数の紫外光を外部共振器によって増強する構成である。しかし、光子エネルギーの高い紫外光を共振させる外部共振器は、その公正部品が光損傷を被る懸念が高い。
【００１５】
また、近年では、連続出力の光に対しても高い変換効率が得られる分極反転型の波長変換素子の開発が進んでおり、波長３４０ｎｍ付近の光を発生を得た報告例もある（非特許文献１）。しかしながら、現状で分極反転できるＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３結晶等の波長３５０ｎｍ近傍での透過率は十分でないために、半導体検査に必要な数１００ｍＷの出力を安定に得ることは現状困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平８−１９４２４０号公報
【特許文献２】特許第４０６５８８０号公報
【特許文献３】特開２００４−５５６９５号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】応用物理学会学術講演会講演予稿集、Vol.57、No.3(19960907)、p.941
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、以上のように見出だされた技術課題を克服するべくなされたものであり、簡易な構成で、可干渉距離が短い連続光を出力できる光源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】
【００１９】
本発明の第１の態様に係る光源装置は、赤外波長域の連続光である第１のレーザー光を発生する第１のレーザー装置と、前記第１のレーザー光と略同一波長の連続光である第２のレーザー光を発生する第２のレーザー装置と、前記第１のレーザー光の第２高調波を発生する第１の非線形光学結晶と、前記第２高調波と前記第２レーザー光とを和周波混合し、出力１０ｍＷ以上、可干渉距離１ｍ以下の連続出力光を発生させる第２の非線形光学結晶とを備えるものである。これにより、簡易な構成で、可干渉距離が短い連続光を発生させることができる。
【００２０】
本発明の第２の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー光又は前記第２のレーザー光の少なくともいずれか一方は、単一周波数でないことを特徴とするものである。これにより、可干渉距離が短い、連続出力光を発生させることができる。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置の波長は、１０３０〜１０８０ｎｍであることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第４の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー光を共振させる第１のレーザー共振器を備え、前記第１の非線形光学結晶は、前記第１のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明の第５の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第２のレーザー光を共振させる第２のレーザー共振器を備え、前記第２の非線形結晶は、前記第２のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明の第６の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第２のレーザー共振器は、少なくとも３枚の光学鏡を含むことを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２５】
本発明の第７の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１の非線形光学結晶は、擬似位相整合型結晶であることを特徴とするものである。これにより、変換効率を向上させることができる。
【００２６】
本発明の第８の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第２の非線形光学結晶に対し、入射する２つの光の偏光方向が直交していることを特徴とするものである。これにより、光損失を低減することができる。
【００２７】
本発明の第９の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、前記第２のレーザー装置の媒質は１０３０ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第１０の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー媒質は、１０４７ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、前記第２のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第１１の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー媒質及び前記第２のレーザー装置は、１０５３ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第１２の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置は、イッテリビウムを添加した光ファイバー形状であることを特徴とするものである。これにより、検査装置等への搭載が容易となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、マスク検査等に利用できる連続発振の紫外光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１に係る光源装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態２に係る光源装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態３に係る光源装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態４に係る光源装置の構成を示す図である。
【図５】実施の形態５に係る光源装置の構成を示す図である。
【図６】波長３５１ｎｍの連続光を発生させるための第１のファイバーレーザー、第２のファイバーレーザーの組み合わせの例を示す表である。
【図７】従来の光源装置の構成を示す図である。
【図８】従来の光源装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００３４】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光源装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。図１に示すように、光源装置は、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂ、第２高調波発生用非線形光学結晶２、和周波混合用非線形光学結晶３、高反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、ダイクロイックミラー５、６、７を備えている。
【００３５】
第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂは、Ｎｄ：ＹＡＧロッド等の固体レーザー媒質である。これらは、外部から照射される半導体レーザー光等で励起され、波長１０６４ｎｍ付近の赤外波長域の略同一波長のレーザー光を出射するレーザー装置の一部である。
【００３６】
２枚の高反射ミラー４ａ、４ｂは、第１のレーザー媒質１ａ、ダイクロイックミラー５、第２高調波発生用非線形光学結晶２を挟んで、対向して配置されている。高反射ミラー４ａ、４ｂは、第１のレーザー媒質１ａからの第１のレーザー光を共振させる第１の共振器を構成している。すなわち、第２高調波発生用非線形光学結晶２は、第１の共振器内に配置されている。第１のレーザー媒質１ａからの第１のレーザー光の強度は、高反射ミラー４ａ、４ｂにより高められる。
【００３７】
第１の共振器内には、第２高調波発生用非線形光学結晶２が配置されている。第２高調波発生用非線形光学結晶２は、入射する第１のレーザー媒質１ａからの第１のレーザー光の第２高調波を発生する。本例では、第２高調波発生用非線形光学結晶２は、１０６４ｎｍのレーザー光から５３２ｎｍの可視光を発生させる。
【００３８】
２枚の高反射ミラー４ｃ、４ｄは、第２のレーザー媒質１ｂ、ダイクロイックミラー６、和周波混合用非線形光学結晶３、ダイクロイックミラー７を挟んで、対向して配置されている。高反射ミラー４ｃ、４ｄは、第２のレーザー媒質１ｂからの第２のレーザー光を共振させる第２の共振器を構成している。すなわち、和周波混合用非線形光学結晶３は、第２の共振器内に配置されている。第２のレーザー媒質１ｂからの第２のレーザー光の強度は、高反射ミラー４ｃ、４ｄにより高められる。
【００３９】
ダイクロイックミラー５、６は、１０６４ｎｍの光を透過し、５３２ｎｍの光を反射する。第２高調波発生用非線形光学結晶２で発生した５３２ｎｍの光は、ダイクロイックミラー５で反射され第１の共振器外に導かれる。そして、ダイクロイックミラー５で反射された光は、第２の共振器内に配置されたダイクロイックミラー６により反射され、第２の共振器の光軸と同軸になって、和周波混合用非線形光学結晶３に入射する。
【００４０】
和周波混合用非線形光学結晶３は、入射する１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍの光から３５５ｎｍの紫外光を発生させる。ダイクロイックミラー７は、１０６４ｎｍの光を透過し、３５５ｎｍの光を反射する。和周波混合用非線形光学結晶３により発生した３５５ｎｍの光は、ダイクロイックミラー７により反射され、第２の共振器の外部に取り出される。
【００４１】
このように、本実施の形態では、赤外波長域の略同一の波長のレーザー光を出射する２つの取扱い性の良い固体レーザー媒質を用いて、簡易な構成でマスク検査等に利用できる連続の紫外光を発生させることができる。レーザー媒質にＮｄ：ＹＡＧを用いているため、１０ｍＷ以上の安定性の高い高出力のレーザーが得られる。また、略同一の波長のレーザー光を出射するレーザー媒質を用いているため、共通の光学部品を用いることができ、コストを削減することが可能となる。なお、レーザー媒質としてはＮｄ：ＹＡＧに限られず、Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＹＬＦ等でも良い。
【００４２】
本実施の形態では、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂのいずれも、単一周波数ではない赤外波長領域の同一波長の光を出射する。つまり、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂは、赤外波長領域において複数の縦モードを含む光を出力する。すなわち、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂは、複数の縦モードの光を同時に発振する縦マルチモードのレーザー装置を構成している。
【００４３】
このため、特に発振スペクトルを制限する光学素子等を用いなければ、発生する３５５ｎｍ光は単一周波数にはならない。すなわち、発生する３５５ｎｍの光の可干渉距離を短くすることができる。例えば、本実施の形態では、可干渉距離を１ｍ以下の連続出力光を得ることができる。これにより、検査時にスペックルや干渉縞の問題を軽減することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、第１のレーザー媒質１ａ及び第２のレーザー媒質１ｂのいずれも単一周波数ではない光を出射するものを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、第１のレーザー媒質１ａ又は第２のレーザー媒質１ｂの少なくともいずれか一方が単一周波数でない光を出射すれば、可干渉距離が短い３５５ｎｍの光を得ることができる。
【００４５】
また、ダイクロイックミラー５で反射された５３２ｎｍ光の偏光方向と、ダイクロイックミラー６を透過する１０６４ｎｍ光の偏光方向とが略直交していることが好ましい。例えば、５３２ｎｍ光の偏光方向を紙面に垂直とし、１０６４ｎｍ光の偏光方向を紙面に平行とすることができる。これにより、１０６４ｎｍ光を透過し、５３２ｎｍ光を反射するダイクロイックミラー６として、偏光方向により光を分岐するものを用いることができる。従って、ダイクロイックミラー６を容易に作ることができ、コストを低減させることができる。
【００４６】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る光源装置について図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。本実施の形態では、第２高調波発生用非線形光学結晶２として、擬似位相整合型のものを利用した構成を示している。
【００４７】
擬似位相整合とは、結晶中での屈折率の違いにより赤外光と可視光とが干渉して消滅するのを防止するために、結晶の伝播方向に周期的に非線形光学定数の符号を反転させて補償する方法である。通常の複屈折位相整合による非線形光学結晶では、連続光に対して１％の変換効率を得ることも容易ではない。
【００４８】
しかし、擬似位相整合型結晶では、３０％〜４０％程度の１０６４ｎｍから５３２ｎｍへの変換効率を得ることが可能となる。このため、実施の形態１のように、共振器内に第２高調波発生用非線形光学結晶２を配置して、共振器内で波長変換をしなくてもよい。なお、共振器内に第２高調波発生用非線形光学結晶２を配置することも可能である。
【００４９】
本実施の形態においては、第２高調波発生用非線形光学結晶２は第１の共振器外に配置されている。高反射ミラー４ｂを透過した１０６４ｎｍの光は、第２高調波発生用非線形光学結晶２に入射して５３２ｎｍの光に変換される。５３２ｎｍの光は、折り返しミラー８で反射され、高反射ミラー４ｃ、４ｄから構成される第２共振器内のダイクロイックミラー６の方向へ進む。
【００５０】
そして、実施の形態１と同様に、和周波混合用非線形光学結晶３により、１０６４ｎｍの光と５３２ｎｍの光の和周波混合により、３５５ｎｍの光が発生する。このように、固体レーザー媒質を用いて、簡易な構成により紫外光を発生させることができる。また、本実施の形態では、第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂのいずれも、単一周波数ではない赤外波長領域の光を出射する。このため、可干渉距離の短い紫外光を得ることができる。
【００５１】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る光源装置の構成について、図３を参照して説明する。図３に示す光源装置では、図２の第１のレーザー媒質１ａの代わりに、ファイバーレーザーを用いている。ファイバーレーザーは、電源と光発生部が一体化したものである。光発生部で発生した光は、ファイバーを介して出力される。このため、検査装置等に容易に搭載することができる。
【００５２】
第２高調波発生用非線形光学結晶２は、第１のファイバーレーザー９からの１０６４ｎｍ光の第２高調波を発生させる。この第２高調波は、折り返しミラー８によりダイクロイックミラー６のほうへ折り返される。
【００５３】
本実施の形態においては、和周波混合用非線形光学結晶３は、高反射ミラー４ｃ、４ｄで形成される共振器内に配置されている。高反射ミラー４ｃ、４ｄは、第２のレーザー媒質１ｂから出射される１０６４ｎｍ光を共振させる。共振された１０６４ｎｍ光と、第２高調波である５３２ｎｍ光は和周波混合用非線形光学結晶３で和周波混合され、３５５ｎｍ光が発生する。発生した３５５ｎｍ光は、ダイクロイックミラー７により共振器の外部に導かれる。
【００５４】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る光源装置の構成について、図４を参照して説明する。図４に示す例では、図２に示す第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂをそれぞれ第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０に置き換えている。
【００５５】
第１のファイバーレーザー９は、単一周波数でない１０６４ｎｍ光を出射する。第２高調波発生用非線形光学結晶２は、第１のファイバーレーザー９からの１０６４ｎｍ光の第２高調波を発生させる。この第２高調波は、折り返しミラー８によりダイクロイックミラー６のほうへ折り返される。
【００５６】
第２のファイバーレーザー１０は、１０６４ｎｍの単一周波数の光を出射する。本実施の形態では、第２のファイバーレーザー１０からの１０６４ｎｍ光を共振させる共振器を構成する４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが設けられている。この４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから構成される共振器内には、和周波混合用非線形光学結晶３が配置されている。
【００５７】
和周波混合用非線形光学結晶３の入射側にはダイクロイックミラー６が配置されており、出射側にはダイクロイックミラー７が配置されている。共振された１０６４ｎｍ光と、第２高調波である５３２ｎｍ光は和周波混合用非線形光学結晶３で和周波混合され、３５５ｎｍ光が発生する。発生した３５５ｎｍ光は、ダイクロイックミラー７により共振器の外部に導かれる。
【００５８】
このように、略同一の赤外波長域の光を発生する２つのファイバーレーザーを用いることにより、簡易な構成でマスク検査等に利用できる１０ｍＷ以上の高出力の連続紫外光を発生させることができる。また、ファイバーレーザーを用いることにより、検査装置等への搭載を容易にすることができる。
【００５９】
また、略同一の波長のレーザー光を出射するファイバーレーザーを用いているため、共通の光学部品を用いることができ、コストを削減することが可能となる。また、２つのファイバーレーザーのうち、少なくとも一方は、単一周波数ではないものを用いている。これにより、可干渉距離の短い紫外光を得ることができる。
【００６０】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る光源装置について、図５を参照して説明する。図５に示す例では、図２に示す第１のレーザー媒質１ａ、第２のレーザー媒質１ｂをそれぞれ第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０に置き換えている。また、第２高調波発生用非線形光学結晶２が、第２のファイバーレーザー１０の出射側に配置されている。
【００６１】
第１のファイバーレーザー９は、単一周波数でない１０６４ｎｍ光を出射する。この１０６４ｎｍ光は、折り返しミラー８によりダイクロイックミラー６のほうへ折り返される。第２のファイバーレーザー１０は、１０６４ｎｍの単一周波数の光を出射する。本実施の形態では、第２のファイバーレーザー１０から出射された１０６４ｎｍ光は、第２高調波発生用非線形光学結晶２により５３２ｎｍの第２高調波に変換される。
【００６２】
この第２高調波は、４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなる共振器内で共振される。この４枚のミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから構成される共振器内には、和周波混合用非線形光学結晶３が配置されている。
【００６３】
和周波混合用非線形光学結晶３の入射側にはダイクロイックミラー６が配置されており、出射側にはダイクロイックミラー７が配置されている。ここでは、ダイクロイックミラー６は、５３２ｎｍ光を透過し、１０６４ｎｍ光を反射する。共振された１０６４ｎｍ光と、第２高調波である５３２ｎｍ光は和周波混合用非線形光学結晶３で和周波混合され、３５５ｎｍ光が発生する。発生した３５５ｎｍ光は、ダイクロイックミラー７により共振器の外部に導かれる。
【００６４】
このような構成により、簡易な構成でマスク検査等に利用できる１０ｍＷ以上の高出力の連続紫外光を発生させることができる。また、ファイバーレーザーを用いることにより、検査装置等への搭載を容易にすることができる。また、２つのファイバーレーザーのうち、少なくとも一方は、単一周波数ではないものを用いている。これにより、可干渉距離の短い紫外光を得ることができる。
【００６５】
なお、実施の形態４、５においては、共振器が４枚のミラーから構成される例を示したが、３枚のミラーにより構成することも可能である。少なくとも３枚のミラーを用いることにより、共振器を構成することができる。
【００６６】
上述の実施の形態においては、第１のレーザー装置、第２のレーザー装置として、１０６４ｎｍの光を出射するものを用いたが、これに限定されるものではない。第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０が略同一の赤外波長域の光を出射するものであればよい。波長３５１ｎｍの連続光を発生させるための第１のファイバーレーザー９、第２のファイバーレーザー１０の組み合わせの例について、図６に示す。
【００６７】
図６の例１では、第１のファイバーレーザーとして波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ添加ファイバーを、第２のファイバーレーザーとして波長１０３１ｎｍのＹｂ:ＹＡＧ、Ｙｂ添加ファイバーを用いている。例２では、第１のファイバーレーザーとして波長１０４７ｎｍのＮｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ添加ファイバーを、第２のファイバーレーザーとして波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ添加ファイバーを用いている。例３では、第１及び第２のファイバーレーザーとして波長１０５３ｎｍのＮｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ添加ファイバーを用いている。
【００６８】
いずれにおいても、第１、第２のレーザー装置からの光の波長を図６に示す表の組合せとすれば、アルゴンイオンレーザーの発振波長３５１ｎｍとほぼ等しくすることができる。３５１ｎｍアルゴンイオンレーザーにより構築された応用装置において、波長をほぼ等しいままで本発明の固体レーザーを用いた光源装置に置換することが可能である。
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、赤外波長域の略同一波長の光を出射する２つの独立したレーザー装置を用い、少なくとも一方を単一周波数動作ではない構成とすることで、半導体検査光源に適した波長１μｍの第３高調波である波長３５０ｎｍ近傍の高出力の連続出力紫外光を発生させることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１〜４では、波長５３２ｎｍの第２高調波は共振しないが、高反射ミラー４ｃ、４ｄからなる第２のレーザー共振器又は、ミラー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなる外部共振器において１０６４ｎｍの強度が高められている。強度が高められた１０６４ｎｍ光と第２高調波とを混合するため、効率よく３５５ｎｍ光を発生させることが可能となる。
【００７１】
また、実施の形態１〜４の第２のレーザー媒質１ｂ、第２のファイバーレーザー１０からのレーザー光は和周波発生だけに利用されるため、安定かつ高効率に紫外光を発生することができる。さらに、２つの独立した１μｍ帯のレーザー装置は、同一波長帯でその構成が類似している。このため、光源装置の構築が容易でコストを抑制することができる。
【００７２】
なお、上述の実施の形態では、和周波混合用非線形光学結晶３としては、Ｔｙｐｅ−ＩＩ型位相整合が適用可能である。例えば、和周波混合用非線形光学結晶３としてＬＢＯ結晶を用いることができる。
【００７３】
この場合、入射する２つの光の偏光方向を直行させることができる。これにより、ダイクロイックミラーでの透過光の偏光を水平、反射光の偏光を垂直に構成することで、ダイクロイックミラーでの損失を低減することができる。
【００７４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、略同一波長の赤外波長域の光を照射する２つのレーザー装置を用いることにより、アルゴンイオンレーザーに代替できる、単一周波数ではない波長３５１ｎｍ近傍の実用性の高い紫外光源を実現することが可能となる。なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ 第１のレーザー媒質
１ｂ 第２のレーザー媒質
２ 第２高調波発生用非線形光学結晶
３ 和周波混合用非線形光学結晶
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 高反射ミラー
５ ダイクロイックミラー
６ ダイクロイックミラー
７ ダイクロイックミラー
８ 折り返しミラー
９ 第１のファイバーレーザー
１０ 第２のファイバーレーザー
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外波長域の連続光である第１のレーザー光を発生する第１のレーザー装置と、
前記第１のレーザー光と略同一波長の連続光である第２のレーザー光を発生する第２のレーザー装置と、
前記第１のレーザー光の第２高調波を発生する第１の非線形光学結晶と、
前記第２高調波と前記第２レーザー光とを和周波混合し、出力１０ｍＷ以上、可干渉距離１ｍ以下の連続出力光を発生させる第２の非線形光学結晶と、
を備える光源装置。
【請求項２】
前記第１のレーザー光又は前記第２のレーザー光の少なくともいずれか一方は、単一周波数でないことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置の波長は、１０３０〜１０８０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記第１のレーザー光を共振させる第１のレーザー共振器を備え、
前記第１の非線形光学結晶は、前記第１のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第２のレーザー光を共振させる第２のレーザー共振器を備え、
前記第２の非線形結晶は、前記第２のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第２のレーザー共振器は、少なくとも３枚の光学鏡を含むことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第１の非線形光学結晶は、擬似位相整合型結晶であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第２の非線形光学結晶に対し、入射する２つの光の偏光方向が直交していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第１のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、
前記第２のレーザー装置の媒質は１０３０ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、
前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記第１のレーザー媒質は、１０４７ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、
前記第２のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、
前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記第１のレーザー媒質及び前記第２のレーザー装置は、１０５３ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、
前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置は、イッテリビウムを添加した光ファイバー形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１】
赤外波長域の連続光である第１のレーザー光を発生する第１のレーザー装置と、
前記第１のレーザー光と略同一波長の連続光である第２のレーザー光を発生する第２のレーザー装置と、
前記第１のレーザー光の第２高調波を発生する第１の非線形光学結晶と、
前記第２高調波と前記第２レーザー光とを和周波混合し、出力１０ｍＷ以上、可干渉距離１ｍ以下の連続出力光を発生させる第２の非線形光学結晶と、
を備える光源装置。
【請求項２】
前記第１のレーザー光又は前記第２のレーザー光の少なくともいずれか一方は、単一周波数でないことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置の波長は、１０３０〜１０８０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記第１のレーザー光を共振させる第１のレーザー共振器を備え、
前記第１の非線形光学結晶は、前記第１のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第２のレーザー光を共振させる第２のレーザー共振器を備え、
前記第２の非線形結晶は、前記第２のレーザー共振器の内部に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第２のレーザー共振器は、少なくとも３枚の光学鏡を含むことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第１の非線形光学結晶は、擬似位相整合型結晶であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第２の非線形光学結晶に対し、入射する２つの光の偏光方向が直交していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第１のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、
前記第２のレーザー装置の媒質は１０３０ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテイビウム添加の固体状媒質であり、
前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記第１のレーザー媒質は、１０４７ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、
前記第２のレーザー装置の媒質は１０６４ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、
前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記第１のレーザー媒質及び前記第２のレーザー装置は、１０５３ｎｍ付近で発光するネオジウム又はイッテリビウム添加の固体状媒質であり、
前記連続出力光の波長は、３５１ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記第１のレーザー装置及び前記第２のレーザー装置は、イッテリビウムを添加した光ファイバー形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１８６９３９（Ｐ２０１０−１８６９３９Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３１２７５（Ｐ２００９−３１２７５）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
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