JP2010054547A - 紫外レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マスク検査に利用できる準連続発振の第５高調波発生による紫外レーザ光源を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る紫外レーザ装置１０は、５０ｐｓｅｃ以下のパルス幅の基本波を出力するモードロックレーザ装置１と、基本波が入射され、第２高調波を発生する第２高調波発生用結晶２と、第２高調波発生用結晶２から出射する第２高調波と残存基本波とを分離するビームスプリッタＢＳ１と、第２高調波が入射され、第４高調波を発生する第４高調波発生用結晶３と、第４高調波発生用結晶３から出射する第４高調波と、第２高調波発生用結晶２からの残存基本波とを同軸とするビームコンバイナーＢＳ２と、同軸の第４高調波と残存基本波とを和周波混合して第５高調波を発生する第５高調波発生用結晶４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外レーザ装置に関し、特に準連続的に発振できる紫外レーザ装置に関する。

微細化の進む半導体露光用フォトマスクの検査装置には、照明用として紫外光源が用いられている。その光源波長としては、特許文献１に示されるような２４８ｎｍ、１９３ｎｍなどの露光波長を用いることが有用である。しかし、これらの波長光を発するエキシマレーザはせいぜい数ｋＨｚの低繰り返しパルス発振しかできず、検査用光源として利用するにはスループットが上がらないという問題ある。

キセノンランプ等では、２４８ｎｍの連続光が得られるが、輝度が低いという問題がある。また、特許文献２には、１９３ｎｍの固体光源の利用が提示されている。しかし、特許文献２に記載の光源では、５段もの波長変換を利用しており、装置が複雑、保守が大変であるという課題がある。

このような事情から、検査装置の照明用光源としては、露光波長とは異なっても連続出力のレーザ光源が用いられることが多い。よく用いられる光源は、アルゴンイオンレーザの第２高調波（２４４ｎｍないし２５７ｎｍ）である。しかしながら、アルゴンイオンレーザは、高電圧の電界による放電を利用したガスレーザで、電気光変換効率が極めて低く、装置が大型、短寿命で頻繁な保守によるダウンタイムが長い等の課題を抱えている。

また、特許文献３には、２４４ｎｍアルゴンレーザに１０６４ｎｍの光を混合して、１９８．５ｎｍの光を発生させる装置が提示されている。しかし、特許文献３に記載の装置では、さらに装置が大型化し、保守が頻繁になる等の課題が増している。１０６４ｎｍ固体レーザの第４高調波である２６６ｎｍ光の場合、ガスレーザに比して高効率かつ、小型な構成で連続発振が可能である。しかし、マスク検査に実用可能な出力を得るには、スペクトル幅の狭い単一周波数の第２次高調波（５３２ｎｍ）を用いて外部共振器変換させる必要があり、発生される２６６ｎｍも狭帯域されてしまう。

検査装置の照明用光源としては、スペクトル幅が狭いほうが光学系の色収差による悪影響が少ない。しかし、照明系の各光学部品において干渉ノイズが生じ、照明効果が著しく悪化するという課題が大きな障害となる。特許文献４には、これを解決する方法が提示されているが、レーザ装置が２台必要となり、装置が大型化、複雑化するという新たな課題がある。

従来から知られている１０６４ｎｍ固体レーザの第５高調波発生では、第４高調波２６６ｎｍに基本波１０６４ｎｍを和周波混合することによって、１台のレーザ装置から波長２１３ｎｍの深紫外光が得られる。第５高調波は、１台のレーザ装置から比較的簡素な構成で深紫外光が得られることが特徴で、一般にナノ秒オーダーのパルス幅を有するＱスイッチレーザが利用される。

しかしながら、従来技術では、第５高調波（２１３ｎｍ）については、数ｋＨｚという低繰返しのパルス発振のものは市販されているものの、準連続発振の２１３ｎｍ光源については実証された報告例はない。２１３ｎｍ光の動作としては、特許文献５に示されるように連続発振も可能であるが、２６６ｎｍ光と同様に干渉ノイズの問題がある。
特開平８−９４３３８号公報 特開２００１−８５３０６号公報 特許第３９３９９２８号公報 特開２００６−７２１３９号公報 特開２００６−３４３７８６号公報

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、マスク検査に利用できる準連続発振の第５高調波発生による紫外レーザ光源を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る紫外レーザ装置は、５０ｐｓｅｃ以下のパルス幅の基本波を出力するモードロックレーザ装置と、前記基本波が入射され、第２高調波を発生する第１非線形光学結晶と、前記第１非線形光学結晶から出射する第２高調波と残存基本波とを分離するビームスプリッタと、前記第２高調波が入射され、第４高調波を発生する第２非線形光学結晶と、前記第２非線形光学結晶から出射する第４高調波と、前記第１非線形光学結晶からの残存基本波とを同軸とするビームコンバイナーと、同軸の第４高調波と残存基本波とを和周波混合して第５高調波を発生する第３非線形光学結晶とを備えるものである。これにより、準連続発振の第５高調波を発生させることができる。

本発明の第２の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、残存基本波に比して第４高調波のパルスが先行して前記第３非線形光学結晶に到着し、前記第３非線形光学結晶内部を略同時に通過するための第１光学手段をさらに備えるものである。これにより、準連続発振の第５高調波の変換効率を向上させることができる。

本発明の第３の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記第１光学手段は、前記ビームスプリッタを経た後の残存基本波の光路上に設けられた少なくとも１枚の平行平面の透明基板であることを特徴とするものである。これにより、簡易な構成で、準連続発振の第５高調波の変換効率を向上させることができる。

本発明の第４の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記第１光学手段には、反射防止膜が施されていることを特徴とするものである。これにより、反射によるビームパワーの損失を低減させることができる。

本発明の第５の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記第１光学手段は、前記ビームスプリッタ及び前記ビームコンバイナーの少なくともいずれか一方の厚さ調整することにより形成されることを特徴とするものである。これにより、部材数を増加させることなく、準連続発振の第５高調波の変換効率を向上させることができる。

本発明の第６の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記ビームスプリッタと前記ビームコンバイナーとの間の残存基本波、第２高調波又は第４高調波のいずれかの光路上に、その出力ないし偏光方向を調整する第２光学手段を設けたことを特徴とするものである。これにより、第５高調波の出力を安定化させることが可能となる。

本発明の第７の態様に係る紫外レーザ装置は、基本波を出力する、モードロックレーザ装置又はＱスイッチレーザ装置と、前記基本波が入射され、第２高調波を発生する第１非線形光学結晶と、前記第１非線形光学結晶から出射する第２高調波と残存基本波とを分離するビームスプリッタと、前記第２高調波が入射され、第４高調波を発生する第２非線形光学結晶と、前記第２非線形光学結晶から出射する第４高調波と、前記第１非線形光学結晶からの残存基本波とを同軸とするビームコンバイナーと、同軸の第４高調波と残存基本波とを和周波混合して第５高調波を発生する第３非線形光学結晶と、前記ビームスプリッタと前記ビームコンバイナーとの間の残存基本波、第２高調波又は第４高調波のいずれかの光路上に、その出力ないし偏光方向を調整する第２光学手段とを備えるものである。これにより、第５高調波の出力を安定化させることが可能となる。

本発明の第８の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記第２光学手段は、半波長板を備えることを特徴とするものである。これにより、残存基本波、第２高調波又は第４高調波の偏光方向を調整することができ、第５高調波の出力を安定化することが可能となる。

本発明の第９の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記第２光学手段は、偏光子をさらに備えることを特徴とするものである。これにより、残存基本波、第２高調波又は第４高調波の出力を調整するができ、第５高調波の出力を安定化することが可能となる。

本発明の第１０の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記第５高調波の一部を検出する光検出器と、前記光検出器の出力が略一定となるように、前記半波長板を回転駆動させる制御機構とをさらに備えるものである。これにより、自動的に、第５高調波の出力を安定化することができる。

本発明の第１１の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記モードロックレーザ装置から出射される基本波の波長は、１０２０〜１１００ｎｍであり、第５高調波の波長は２０４〜２２０ｎｍであることを特徴とするものである。

本発明の第１２の態様に係る紫外レーザ装置は、上記の紫外レーザ装置において、前記モードロックレーザ装置は、モードロック動作のレーザ発振器と、その出力光を増幅する増幅器からなることを特徴とするものである。

本発明によれば、マスク検査に利用できる準連続発振の第５高調波発生による紫外レーザ光源を提供することができる。

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。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る紫外レーザ装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る紫外レーザ装置１０の構成を示す図である。図１に示すように、紫外レーザ装置１０は、モードロックレーザ装置１、第２高調波発生用結晶（第１非線形光学結晶）２、第４高調波発生用結晶（第２非線形光学結晶）３、第５高調波発生用結晶（第３非線形光学結晶）４、集光レンズＬ１、Ｌ３、コリメートレンズＬ２、Ｌ４、再集光レンズＬ５、Ｌ６、レンズＬ７、ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ３、ビームコンバイナーＢＳ２、折返し鏡Ｍ１、Ｍ２を備えている。

モードロックレーザ装置１は、５０ｐｓｅｃ以下のパルス幅の波長１０６４ｎｍのレーザ光を出射する。モードロックレーザ装置１からの１０６４ｎｍ光は、第２高調波発生用結晶２に集光レンズＬ１によって集光され、その一部が波長５３２ｎｍの第２高調波に変換される。この第２高調波発生用結晶２としては、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＬｉＮｂＯ_３、ＰＰＬＮ等が用いられる。変換効率は、１０６４ｎｍ光のビーム品質やパルス幅、結晶品質等に依存するが、通常４０〜６０％となる。

発生した５３２ｎｍ光はコリメートレンズＬ２で平行にされた後、ビームスプリッタＢＳ１により反射され、折返し鏡Ｍ１、集光レンズＬ３を経て第４高調波発生用結晶３に入射する。５３２ｎｍ光は、第４高調波発生用結晶３により、その一部が第４高調波である２６６ｎｍに変換される。第４高調波発生用結晶３としては、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＢ４等が用いられる。

第４高調波発生用結晶３から出た２６６ｎｍ光はコリメートレンズＬ４、再集光レンズＬ５を経てビームコンバイナーＢＳ２で反射されて、第５高調波発生用結晶４に入射する。この第５高調波発生用結晶４としては、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＢ４等が利用できる。

一方、第２高調波発生用結晶２で変換されなかった残存１０６４ｎｍ光は、ビームスプリッタＢＳ１を透過する。ビームスプリッタＢＳ１を透過した１０６４ｎｍ光は、折返し鏡Ｍ２で反射され、再集光レンズＬ６を経てビームコンバイナーＢＳ２を透過する。ビームコンバイナーＢＳ２を透過した１０６４ｎｍ光は、２６６ｎｍ光と同軸に戻され、第５高調波発生用結晶４に入射し、波長２１３ｎｍの準連続発振の第５高調波が発生する。

この第５高調波は、パルス幅５０ｐｓｅｃ未満となり、そのスペクトル幅は０．００１ｎｍ程度である。このスペクトル幅は、マスク検査装置で干渉ノイズの問題を生じることはなく、また、色収差の問題も生じない適度な広がりである。

波長２１３ｎｍの第５高調波は、ビームスプリッタＢＳ３で反射され、レンズＬ７を透過して、出力される。このように本実施の形態によれば、簡素な構成で、マスク検査に利用できる準連続発振の紫外レーザ装置を実現することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る紫外レーザ装置について図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係る紫外レーザ装置１０の構成を示す図である。本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、光路長補償素子５が設けられている点である。図２において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本発明者は、１０６４ｎｍモードロックレーザ装置を用いて準連続発振の２１３ｎｍ光発生を行ったところ、準連続発振での２１３ｎｍ光の発生効率を向上させるために、以下の点を見出した。例えば、実験に用いたモードロックレーザ装置１によるレーザ光のパルス幅は１０ｐｓｅｃであり、空気中の伝播距離は僅か３ｍｍという短い長さであった。この場合、第３、第４高調波では問題とならない光学部品での群遅延によって、第５高調波発生用結晶４に入射する１０６４ｎｍと２６６ｎｍ光パルスの時間的な重なりがずれることがある。

本発明者は、モードロックレーザによる第５高調波発生の効率を向上させるためには、第５高調波発生用結晶４に入射する１０６４ｎｍと２６６ｎｍ光パルスの時間的な重なりを合わせることが有効であることを見出した。

ここで、図３を参照して、紫外レーザ装置１０における群遅延について説明する。図３に示すように、第２高調波発生後の１０６４ｎｍ光と５３２ｎｍ光をビームスプリッタＢＳ１により分離して、５３２ｎｍ光から変換された２６６ｎｍ光とビームコンバイナーＢＳ２で再結合する場合について考える。

この構成では、１０６４ｎｍ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ１、ＢＳ２）を２回透過するので、通過時間が長くなる。さらに、１０６４ｎｍ光はビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ２により上側に曲げられるので５３２ｎｍ、２６６ｎｍ光の光路長より長くなる。例えば、ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ２が、郡屈折率１．４６の合成石英製であり、厚さが５ｍｍであるとする。この場合、遅延時間の合計は３１．５ｐｓｅｃとなる。また、再集光レンズＬ６における１０６４ｎｍの群遅延は、その厚みが５ｍｍの石英製であるとすると７．７ｐｓｅｃとなる。

一方、第４高調波発生用結晶３を長さ１０ｍｍのＣＬＢＯ結晶、レンズＬ３、Ｌ４、Ｌ５を厚さ５ｍｍの石英レンズとする。集光レンズＬ３による５３２ｎｍ光の群遅延と第４高調波発生用結晶３、コリメートレンズＬ４、再集光レンズＬ５の通過に伴う２６６ｎｍ光の群遅延は、合計４９．１ｐｓｅｃである。

従って、この例の場合、第５高調波発生用結晶４に到着する１０６４ｎｍ光のパルスは、２６６ｎｍ光に対して９．９ｐｓｅｃ先行する。本実施の形態では、１０６４ｎｍ光と２６６ｎｍ光が第５高調波発生用結晶４内において時間的に重なるように、光路長補償素子５を設けている。１０６４ｎｍ光の光路長と５３２ｎｍ光及び２６６ｎｍ光の光路長を略一致させることで、２１３ｎｍ光への変換効率を高めることができる。

一般にレーザ光路長の遅延方法としては、図１１に示されるように、４枚の平面鏡Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４を組み合わせて実現することが多い（例えば、特許公報３６８６７７号公報）。しかし、このような構成は複雑かつ大型化する上に、本実施の形態のような１０ｐｓｅｃ（３ｍｍ）程度の僅かな遅延時間の調整には不適切である。

図２に示すように、本実施の形態では、光路長補償素子５は、ビームスプリッタＢＳ１を経た後の残存基本波１０６４ｎｍ光の光路上に設けられている。光路長補償素子５は、１０６４ｎｍ光と２６６光の光路長を略一致させ、モードロックレーザ装置１からのパルス光の変換効率を向上させるために設けられている。光路長補償素子５としては、１０６４ｎｍ光を透過させる、少なくとも１枚の平行平面の透明基板を用いることができる。

なお、第５高調波発生用結晶４の透過における群遅延も発生するため、１０６４ｎｍ光のパルスは、２６６ｎｍ光のパルスよりもやや遅れて入射させることが好ましい。これにより、第５高調波発生用結晶４の中央付近で２つのパルスが重なり、２１３ｎｍ光の変換効率を最大にすることができる。

上述したように、図３で説明した例では、光路長補償素子５を設けない場合、１０６４ｎｍ光のパルスが２６６ｎｍ光のパルスに対して、約９．９ｐｓｅｃ先に第５高調波発生用結晶４に入射する。本実施の形態では、光路長補償素子５として、例えば、厚さ８．５ｍｍの合成石英（１０６４ｎｍにおける群屈折率１．４６）の平行平板を用いる。

この場合、１０６４ｎｍ光が空気中を通過する場合に比して、８．５ｍｍ×（１．４６−１．００）÷光速＝１３．０ｐｓｅｃ余計に時間がかかる。これにより、２６６ｎｍ光のパルスを、１０６４ｎｍ光のパルスに比して（１３−９．９）＝３．１ｐｓｅｃ先行して第５高調波発生用結晶４に入射させることができる。この第５高調波発生用結晶４を長さ１０ｍｍのＣＬＢＯ結晶とした場合、１０６４ｎｍの群屈折率１．５０に対して２６６ｎｍの群屈折率は１．６９である。このため、第５高調波発生用結晶４の中央付近で１０６４ｎｍ光のパルスは２６６ｎｍ光のパルスに追いつき、最も効率的に和周波混合が可能となる。

図４に、光路長補償素子５を設けた場合と、光路長補償素子５を設けない場合の、第５高調波への変換効率を示す。図４に示す例では、モードロックレーザ装置１として最大出力９．５Ｗのモードロック発振Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザを用いている。本発明を利用しなかった場合の第５高調波出力は、わずか４０ｍＷしか得られない。しかしながら、本発明を利用することにより、最大４００ｍＷの１０倍もの出力を得ることができた。このように、光路長補償素子５を１０６４ｎｍ光の光路長に挿入することにより、変換効率を大幅に向上させることができる。

また、２１３ｎｍ光の出力が最大となるように、光路長補償素子５の合計厚みを選択するため、複数の光路長補償素子５を設けることが好ましい。光路長補償素子５として、平行平板の透明基板を用いることにより、複数の光路長補償素子５を適宜１０６４ｎｍ光の光路上に挿入しても、光軸角度を変化させることなく、容易に最適化することができる。これは、装置を複数製作する際には極めて有用な特徴である。

なお、厚みの異なる光路長補償素子５に適宜変更することも可能である。また、光路長補償素子５の入射面、出射面に対する反射防止膜を施すことが好ましい。これにより、パワーの損失を抑制することができる。また、ビームスプリッタＢＳ１及びビームコンバイナーＢＳ２の少なくともいずれか一方の厚さを調整して、光路長を補償することも可能である。例えば、上述の例では、ビームスプリッタＢＳ１及びビームコンバイナーＢＳ２の厚みを９ｍｍ以上とすることができる。これにより、部品数を増加させることなく、光路長を補償することができる。

図５に、本実施の形態に係る紫外レーザ装置において用いられる光路長補償素子５の他の構成例を示す。図５に示すように、２枚の光路長補償素子５ａ、５ｂをブリュースター角に近い対照配置にする。水平偏光となるように、光路長補償素子５ａに入射させることにより、光路長補償素子５に反射防止膜を設けなくても略同様の効果が得られる。

また、光路長補償素子５としては、合成石英でなくとも、１０６４ｎｍ光を透過させる任意の透明な光学材料を用いることができる。例えば、ＢＫ７等のガラスやサファイア、ＣａＦ_２、ＢＢＯ等の結晶でもよい。

ここで、図６、図７を参照して、本実施の形態に係る紫外レーザ装置の他の構成例について説明する。図６に示すように、ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ２として、１０６４ｎｍ光を反射、５３２ｎｍ光を透過させるものを用いてもよい。この場合、ビームスプリッタの透過によって５３２ｎｍ光は遅延するため、１０６４ｎｍ光の光路長を調整する光路長補償素子５としては、さらに大きなものが必要となる。

また、図７に示すように、ビームスプリッタＢＳ１として、１０６４ｎｍ光を反射、５３２ｎｍ光を透過させるものを、ビームコンバイナーＢＳ２として、１０６４ｎｍ光を問うか、５３２ｎｍ光を反射するものを用いることも可能である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、一台のモードロックレーザ装置を基本波として適度なスペクトル幅を有して干渉ノイズの問題がない比較的小型な構成でマスク検査に利用できる準連続発振の第５高調波発生による高出力深紫外レーザ光源を実現することが可能である。

なお、本実施の形態では、光路長補償素子５を１０６４ｎｍ光の光路上に設ける構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、ビームスプリッタＢＳ１で反射された後の第２高調波の光路上や、第４高調波発生用結晶３で変換された後の第４高調波の光路上に設けることも可能である。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る紫外レーザ装置について、図８を参照して説明する。図８は本実施の形態に係る紫外レーザ装置２０の構成を示す図である。本実施の形態に係る紫外レーザ装置２０は、第５高調波の出力を安定化する機能を有する。

従来から、ＡＰＣ（Automatic Power Control）回路を設けて、発生する波長変換光の出力を安定化することは、高調波発生型の光源において行われている。ところが、本発明者が検討した結果、従来のようにＡＰＣ回路を設けても、安定な制御が非常に困難であるということが分かった。

すなわち、第５高調波のように３段階もの波長変換過程を経ると、励起光出力に対する第５高調波の出力の直線性は全くない。また、図１０に示すように、基本波の出力変動に対して、第５高調波の出力はその５乗に依存することが分かった。従って、基本波出力が変動すると、第５高調波の出力はより大きく変動する。

また、３つもの非線形光学結晶により波長変換を行っているので、基本波の出力を変化させると、各結晶での光吸収による温度が変化する。このため位相整合条件の変化を誘引してしまい、ヒステリシスが大きいという現象もある。このため、各段の非線形光学結晶に入射する光出力、発生する波長変換出力はなるべく変化させないほうが望ましい。

そこで、本実施の形態においては、簡素な手段により制御性のよい出力安定化機構を有する第５高調波発生による紫外レーザ装置を提供することを目的として、以下に説明する紫外レーザ装置を考案した。

図８に示すように、本実施の形態に係る紫外レーザ装置２０は、モードロックレーザ装置１、第２高調波発生用結晶２、第４高調波発生用結晶３、第５高調波発生用結晶４、回転型波長板６、偏光子７、光検出器８、ＡＰＣ回路９、集光レンズＬ１、Ｌ３、コリメートレンズＬ２、Ｌ４、再集光レンズＬ５、Ｌ６、レンズＬ７、ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ３、ＢＳ４、ビームコンバイナーＢＳ２、折返し鏡Ｍ１、Ｍ２を備えている。ここでは、モードロックレーザ装置１として、波長１０６４ｎｍ、出力１０ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた例について説明する。

モードロックレーザ装置１からの１０６４ｎｍ光は、第２高調波発生用結晶２に集光レンズＬ１によって集光され、その一部が波長５３２ｎｍの第２高調波に変換される。この第２高調波発生用結晶２としては、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＬｉＮｂＯ_３、ＰＰＬＮ等が用いられる。変換効率は、１０６４ｎｍ光のビーム品質やパルス幅、結晶品質等に依存するが、通常５０％、５Ｗ程度となる。

発生した５３２ｎｍ光はコリメートレンズＬ２で平行にされた後、ビームスプリッタＢＳ１により反射され、折返し鏡Ｍ１、集光レンズＬ３を経て第４高調波発生用結晶３に入射する。５３２ｎｍ光は、第４高調波発生用結晶３により、その一部が第４高調波である２６６ｎｍに変換される。第４高調波発生用結晶３としては、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＢ４等が用いられる。５Ｗの５３２ｎｍ光からは、最大２Ｗ程度の２６６ｎｍ光が発生される。

第４高調波発生用結晶３から出た２６６ｎｍ光はコリメートレンズＬ４、再集光レンズＬ５を経てビームコンバイナーＢＳ２で反射されて、第５高調波発生用結晶４に入射する。この第５高調波発生用結晶４としては、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＢ４等が利用できる。

一方、第２高調波発生用結晶２で変換されなかった残存１０６４ｎｍ光は、５Ｗ程度である。この残存１０６４ｎｍ光は、ビームスプリッタＢＳ１を透過した後に、折返し鏡Ｍ２で反射され、再集光レンズＬ６を経てビームコンバイナーＢＳ２を透過する。ビームコンバイナーＢＳ２を透過した１０６４ｎｍ光は、２６６ｎｍ光と同軸に戻され、第５高調波発生用結晶４に入射する。

最適状態では、２Ｗの２６６ｎｍ光と５Ｗの１０６４ｎｍ光から、最大で１Ｗ程度の第５高調波（２１３ｎｍ）が発生する。実際には、途中の光学部品での損失等により、もう少し小さくなる場合が多い。

この際、ビームスプリッタＢＳ１により分離された残存基本波の光路には、回転型波長板６と偏光子７とが設置されている。残存基本波は、回転型波長板６の回転によって偏光子７を通過する。これにより、残存１０６４ｎｍ光の出力を容易に調整することが出来る。第５高調波の出力は残存基本波と第４高調波の出力の積に比例する。従って、図９の示すように、第５高調波の出力は基本波の出力変動に比例する。このため、残存基本波の出力を調整すれば、第２、第４高調波の出力を略一定に保ったまま、第５高調波の出力をその調整された残存基本波の出力に比例して制御することができるので、容易かつ安定に制御することが可能である。

第５高調波は、ビームスプリッタＢＳ３により反射され、光分岐手段であるビームスプリッタＢＳ４に入射する。ビームスプリッタＢＳ４、第５高調波の一部を光検出器８のほうへ反射し、残りを透過する。第５高調波の一部は光検出器８により検出される。ＡＰＣ回路９は、この光検出器８が出力する光検出信号に基づいて回転型波長板６を回転駆動することにより、１０６４ｎｍ光の出力を制御し第５高調波の出力を所定の値に保つ。

この１０６４ｎｍ光の出力は、半波長板の０〜４５°の回転角度θに対して、（ｓｉｎθ）^２に比例する。回転型波長板６は、半波長板をステップモータ駆動の回転装置に取り付けた構成を有している。ＡＰＣ回路９により、第５高調波である２１３ｎｍ光の光検出器８による検出値が一定となるように制御すれば、２１３ｎｍ光の出力の自動一定制御（ＡＰＣ）が実現できる。

本実施の形態によれば、モードロックレーザ装置１による第５高調波の出力を、結晶や光学部品の劣化等による出力変化を補償して、一定制御するＡＰＣ機能が容易に実現できる。なぜなら、熱的な影響によるヒステリシス効果が顕著な２６６ｎｍ出力を変化させることなく、１０６４ｎｍ光の出力又は偏光面だけを調整することで、２１３ｎｍ光の出力が調整できるからである。これにより、従来は±５％程度の安定度しか確保できなかったものを、±２％程度に安定に制御することができる。このため、フォトマスクの欠陥検査装置用の光源、あるいは加工等に利用できる。

なお、本実施の形態においては、半波長板と偏光子との組合せとしたが、偏光子を取り除いても同様の効果が得られる。第５高調波発生用結晶４において、２６６ｎｍ光と混合できる１０６４ｎｍ光の偏光方向は一定なので、半波長板により偏光面を回転させると、第５高調波発生に寄与する成分は、やはり半波長板の回転角度をθとすると、（ｓｉｎθ）^２に依存する。

また、上述の実施の形態においては、残存基本波の光路上に回転型波長板６、偏光子７を配置する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、ビームスプリッタＢＳ１の後の第２高調波の光路上、第４高調波発生用結晶３の後の第４高調波の光路上に、その出力ないし偏光方向を調整する光学手段を設けることも可能である。

さらに、本実施の形態においては、モードロックレーザ装置１を用いたが、これに代わり、Ｑスイッチレーザを用いることも可能である。さらに、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせて、ＡＰＣ機能と光路長補償機能とを同時に実現することも可能である。

実施の形態１に係る紫外レーザ装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る紫外レーザ装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る紫外レーザ装置における各波長の光の群遅延について説明するための図である。 実施の形態２に係る紫外レーザ装置の第５高調波変換の結果を示すグラフである。 実施の形態２に係る紫外レーザ装置に用いられる光路長補償素子の他の構成例を示す図である。 実施の形態２に係る紫外レーザ装置の他の構成例を示す図である。 実施の形態２に係る紫外レーザ装置の他の構成例を示す図である。 実施の形態３に係る紫外レーザ装置の構成を示す図である。 実施の形態３に係る紫外レーザ装置の第５高調波と基本波との関係を示すグラフである。 従来の紫外レーザ装置の第５高調波と基本波との関係を示すグラフである。 従来のレーザ光路長の遅延方法を説明するための図である。

１ モードロックレーザ装置
２ 第２高調波発生用結晶
３ 第４高調波発生用結晶
４ 第５高調波発生用結晶
５ 光路長補償素子
６ 回転型波長板
７ 偏光子
８ 光検出器
９ ＡＰＣ回路
１０、２０ 紫外レーザ装置
Ｌ１、Ｌ３ 集光レンズ
Ｌ２、Ｌ４ コリメートレンズ
Ｌ５、Ｌ６ 再集光レンズ
Ｌ７ レンズ
Ｍ１、Ｍ２ 折返し鏡
Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４ 平面鏡
ＢＳ１、ＢＳ３、ＢＳ４ ビームスプリッタ
ＢＳ２ ビームコンバイナー

Claims (12)

1. ５０ｐｓｅｃ以下のパルス幅の基本波を出力するモードロックレーザ装置と、
   前記基本波が入射され、第２高調波を発生する第１非線形光学結晶と、
   前記第１非線形光学結晶から出射する第２高調波と残存基本波とを分離するビームスプリッタと、
   前記第２高調波が入射され、第４高調波を発生する第２非線形光学結晶と、
   前記第２非線形光学結晶から出射する第４高調波と、前記第１非線形光学結晶からの残存基本波とを同軸とするビームコンバイナーと、
   同軸の第４高調波と残存基本波とを和周波混合して第５高調波を発生する第３非線形光学結晶とを備える紫外レーザ装置。
2. 残存基本波に比して第４高調波のパルスが先行して前記第３非線形光学結晶に到着し、前記第３非線形光学結晶内部を略同時に通過するための第１光学手段をさらに備える請求項１に記載の紫外レーザ装置。
3. 前記第１光学手段は、前記ビームスプリッタを経た後の残存基本波の光路上に設けられた少なくとも１枚の平行平面の透明基板であることを特徴とする請求項２に記載の紫外レーザ装置。
4. 前記第１光学手段には、反射防止膜が施されていることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の紫外レーザ装置。
5. 前記第１光学手段は、前記ビームスプリッタ及び前記ビームコンバイナーの少なくともいずれか一方の厚さ調整することにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
6. 前記ビームスプリッタと前記ビームコンバイナーとの間の残存基本波、第２高調波又は第４高調波のいずれかの光路上に、その出力ないし偏光方向を調整する第２光学手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外レーザ装置。
7. 基本波を出力する、モードロックレーザ装置又はＱスイッチレーザ装置と、
   前記基本波が入射され、第２高調波を発生する第１非線形光学結晶と、
   前記第１非線形光学結晶から出射する第２高調波と残存基本波とを分離するビームスプリッタと、
   前記第２高調波が入射され、第４高調波を発生する第２非線形光学結晶と、
   前記第２非線形光学結晶から出射する第４高調波と、前記第１非線形光学結晶からの残存基本波とを同軸とするビームコンバイナーと、
   同軸の第４高調波と残存基本波とを和周波混合して第５高調波を発生する第３非線形光学結晶と、
   前記ビームスプリッタと前記ビームコンバイナーとの間の残存基本波、第２高調波又は第４高調波のいずれかの光路上に、その出力ないし偏光方向を調整する第２光学手段とを備える紫外レーザ装置。
8. 前記第２光学手段は、半波長板を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の紫外レーザ装置。
9. 前記第２光学手段は、偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の紫外レーザ装置。
10. 前記第５高調波の一部を検出する光検出器と、
    前記光検出器の出力が略一定となるように、前記半波長板を回転駆動させる制御機構と、
    をさらに備える請求項６〜９のいずれか１項に記載の紫外レーザ装置。
11. 前記モードロックレーザ装置から出射される基本波の波長は、１０２０〜１１００ｎｍであり、第５高調波の波長は２０４〜２２０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の紫外レーザ装置。
12. 前記モードロックレーザ装置は、モードロック動作のレーザ発振器と、その出力光を増幅する増幅器からなることを特徴とする請求項１〜１１に記載の紫外レーザ装置。

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