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WO2019186767A1 - 波長変換システム及び加工方法 - Google Patents

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WO2019186767A1
WO2019186767A1 PCT/JP2018/012761 JP2018012761W WO2019186767A1 WO 2019186767 A1 WO2019186767 A1 WO 2019186767A1 JP 2018012761 W JP2018012761 W JP 2018012761W WO 2019186767 A1 WO2019186767 A1 WO 2019186767A1
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WO
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wavelength
light
sum frequency
conversion system
nonlinear optical
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PCT/JP2018/012761
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English (en)
French (fr)
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晨 曲
小林　洋平
智剛 趙
裕紀 五十嵐
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Gigaphoton Inc
University of Tokyo NUC
Original Assignee
Gigaphoton Inc
University of Tokyo NUC
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Publication date
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    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3507—Arrangements comprising two or more nonlinear optical devices

Definitions

  • the present disclosure relates to a wavelength conversion system and a processing method.
  • the semiconductor exposure apparatus As semiconductor integrated circuits are miniaturized and highly integrated, improvement in resolving power is demanded in semiconductor exposure apparatuses.
  • the semiconductor exposure apparatus is simply referred to as “exposure apparatus”. For this reason, the wavelength of light output from the light source for exposure is being shortened.
  • a gas laser device As a light source for exposure, a gas laser device is used instead of a conventional mercury lamp.
  • a KrF excimer laser device that outputs ultraviolet light with a wavelength of 248 nm and an ArF excimer laser device that outputs ultraviolet light with a wavelength of 193.4 nm are used as the exposure laser device.
  • Current exposure technology includes immersion exposure that fills the gap between the projection lens on the exposure apparatus side and the wafer with liquid and changes the refractive index of the gap to shorten the apparent wavelength of the exposure light source.
  • immersion exposure is performed using an ArF excimer laser device as an exposure light source, the wafer is irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 134 nm in water. This technique is called ArF immersion exposure.
  • ArF immersion exposure is also called ArF immersion lithography.
  • the spectral line width in natural oscillation of KrF and ArF excimer laser devices is as wide as about 350 to 400 pm, the chromatic aberration of laser light (ultraviolet light) projected on the wafer by the projection lens on the exposure device side is generated, resulting in high resolution descend. Therefore, it is necessary to narrow the spectral line width of the laser light output from the gas laser device until the chromatic aberration becomes negligible. For this reason, a narrowband module (Line Narrowing Module) having a narrowband element is provided in the laser resonator of the gas laser device. With this narrowband module, the spectral linewidth is narrowed.
  • the band narrowing element may be an etalon or a grating.
  • a laser device whose spectral line width is narrowed in this way is called a narrow-band laser device.
  • a wavelength conversion system comprises: A. By inputting the first pulsed laser light having the first polarization state and the first wavelength, and the second pulsed laser light having the second polarization state and the second wavelength, A first sum frequency light having a third wavelength generated by the sum frequency mixing of the first wavelength and the second wavelength in the second polarization state, and a second pulse laser beam are output. A first nonlinear optical crystal; and B. The second non-linearity that outputs the third pulsed laser light having the fourth wavelength by inputting the first sum frequency light and the second pulsed laser light output from the first nonlinear optical crystal. Optical crystal.
  • a wavelength conversion system comprises: A. By inputting the first pulsed laser light having the first polarization state and the first wavelength, and the second pulsed laser light having the first polarization state and the second wavelength, A first sum frequency light having a third wavelength generated by the sum frequency mixing of the first wavelength and the second wavelength in the second polarization state, and a second pulse laser beam are output.
  • a first nonlinear optical crystal B.
  • the first sum frequency light and the second pulse laser light output from the first nonlinear optical crystal are input, and the polarization of the second pulse laser light is changed without changing the polarization state of the first sum frequency light.
  • a wave plate that changes the state to a second polarization state; and C.
  • a second nonlinear optical crystal that outputs a third pulsed laser beam having a fourth wavelength by inputting the first sum frequency light and the second pulsed laser beam transmitted through the wave plate.
  • the processing method according to one aspect of the present disclosure is a processing method for processing a workpiece by exposing the workpiece with a laser beam output from a laser device for an exposure apparatus including any one of the wavelength conversion systems described above.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of a laser apparatus for an exposure apparatus according to a comparative example.
  • FIG. 2 schematically shows a configuration of the amplifier shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the wavelength conversion system shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a first CLBO crystal having a type-1 phase matching condition.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of the wavelength conversion system according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a first CLBO crystal having a type-2 phase matching condition.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the allowable incident angle width of a type-2 crystal.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a configuration of a wavelength conversion system according to the second embodiment.
  • FIG. 9A is a diagram showing the beam diameter of the second pulse laser beam incident on the first and second CLBO crystals of the first embodiment.
  • FIG. 9B is a diagram showing the beam diameters of the first sum frequency light and the first pulse laser light incident on the first and second CLBO crystals of the first embodiment.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating the beam diameter of the second pulse laser beam incident on the first and second CLBO crystals of the second embodiment.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating the beam diameters of the first sum frequency light and the first pulse laser light incident on the first and second CLBO crystals of the second embodiment.
  • FIG. 11 shows the arrangement of the exposure apparatus.
  • FIG. 1 schematically shows a configuration of an exposure apparatus laser apparatus 2 according to a comparative example.
  • the exposure apparatus laser apparatus 2 includes a solid-state laser system 3, a first high reflection mirror 4a, a second high reflection mirror 4b, an amplifier 5, a synchronization control unit 6, and a laser control unit 7. .
  • the solid-state laser system 3 includes a first solid-state laser device 11 that outputs a first pulsed laser beam PL1, a second solid-state laser device 12 that outputs a second pulsed laser beam PL2, a wavelength conversion system 13, A synchronization circuit 14 and a solid-state laser control unit 15 are included.
  • the first solid-state laser device 11 includes a first seed laser 20, a first light intensity variable unit 21, a first amplifier 22, and a wavelength conversion unit 23.
  • the first amplifier 22 includes a fiber amplifier 22a, a solid-state amplifier 22b, and a CW pumped semiconductor laser (not shown).
  • the wavelength conversion unit 23 includes an LBO (LiB 3 O 5 ) crystal 23 a and a CLBO (CsLiB 6 O 10 ) crystal 23 b.
  • the LBO crystal 23a and the CLBO crystal 23b are nonlinear optical crystals.
  • the first seed laser 20 is a single longitudinal mode and outputs CW light or pulse light having a wavelength of about 1030 nm as the first seed light.
  • the first seed laser 20 is, for example, a distributed feedback semiconductor laser.
  • the first light intensity variable unit 21 includes a semiconductor element to which the first seed light is incident from the first seed laser 20.
  • the first light intensity varying unit 21 converts the first seed light into laser light having a predetermined pulse width by applying a pulse current to the semiconductor element by a current control unit (not shown).
  • the first seed light converted by the first light intensity varying unit 21 is referred to as first seed pulse light.
  • the fiber amplifier 22a is obtained by connecting a plurality of quartz fibers doped with Yb in multiple stages.
  • the solid-state amplifier 22b is a YAG crystal doped with Yb.
  • the fiber amplifier 22a and the solid-state amplifier 22b are optically pumped by CW pumping light input from a pumping semiconductor laser (not shown).
  • the first amplifier 22 amplifies the first seed pulse light incident from the first light intensity variable unit 21.
  • the wavelength conversion unit 23 converts the first seed pulse light amplified by the first amplifier 22 into a harmonic and outputs it as the first pulse laser light PL1.
  • the wavelength conversion unit 23 includes the LBO crystal 23a and the CLBO crystal 23b, thereby generating the first seed pulse light with the fourth harmonic having a wavelength of about 257.5 nm.
  • the wave is output as the first pulse laser beam PL1.
  • the second solid-state laser device 12 includes a second seed laser 30, a second light intensity variable unit 31, and a second amplifier 32.
  • the second amplifier 32 includes an Er fiber amplifier (not shown) in which a plurality of quartz fibers doped with both Er and Yb are connected in multiple stages, and a pumping semiconductor laser (not shown).
  • the second seed laser 30 is a single longitudinal mode, and outputs CW light or pulse light having a wavelength of about 1554 nm as second seed light.
  • the second seed laser 30 is, for example, a distributed feedback type semiconductor laser.
  • the second light intensity variable unit 31 includes a semiconductor element to which the second seed light is incident from the second seed laser 30.
  • the second light intensity variable unit 31 converts the second seed light into laser light having a predetermined pulse width by applying a pulse current to the semiconductor element by a current control unit (not shown).
  • the second seed light converted by the second light intensity varying unit 31 is referred to as second seed pulse light.
  • the Er fiber amplifier included in the second amplifier 32 is optically pumped by CW pumping light input from a pumping semiconductor laser (not shown).
  • the second amplifier 32 amplifies the second seed pulse light incident from the second light intensity variable unit 31.
  • the second amplifier 32 outputs the amplified second seed pulse light as the second pulse laser light PL2.
  • the wavelength conversion system 13 is based on the first pulsed laser light PL1 output from the first solid-state laser device 11 and the second pulsed laser light PL2 output from the second solid-state laser device 12, The pulse laser beam PL3 is generated and output.
  • the third pulse laser beam PL3 has a wavelength of about 193.4 nm.
  • the solid-state laser control unit 15 is electrically connected to the first and second seed lasers 20 and 30, the CW pumped semiconductor lasers included in the first and second amplifiers 22 and 32, and a signal line (not shown). It is connected.
  • the first high reflection mirror 4a and the second high reflection mirror 4b are arranged so that pulsed laser light having a wavelength of about 193.4 nm is incident on the amplifier.
  • FIG. 2 schematically shows a configuration of the amplifier 5 shown in FIG.
  • an amplifier 5 includes an amplifier control unit 40, a charging unit 41, a trigger correction unit 42, a pulse power module (PPM) 44 including a switch 43, a chamber 45, a partial reflection mirror 46, and an output coupling. And a mirror 47.
  • PPM pulse power module
  • the chamber 45 is provided with windows 49a and 49b. In the chamber 45, for example, a laser gas containing Ar gas, F2 gas, and Ne gas is enclosed. A pair of discharge electrodes 48 are disposed in the chamber 45. The pair of discharge electrodes 48 is connected to the output terminal of the PPM 44.
  • an optical resonator including a partial reflection mirror 46 and an output coupling mirror 47 is configured.
  • the partial reflection mirror 46 is configured, for example, by coating a substrate made of CaF 2 crystal that transmits light having a wavelength of about 193.4 nm with a partial reflection film having a reflectance of 70% to 90%.
  • the output coupling mirror 47 is configured, for example, by coating a substrate made of CaF 2 crystal that transmits light having a wavelength of about 193.4 nm with a partial reflection film having a reflectance of 10% to 20%.
  • the amplifier 5 is an example in which the optical resonator is a Fabry-Perot resonator, but is not limited to this example, and may be a ring resonator.
  • the laser control unit 7 operates each seed laser via the solid-state laser control unit 15 to cause CW oscillation of an excitation semiconductor laser (not shown).
  • the synchronization control unit 6 receives the delay data of the first trigger signal Tr1 and the second trigger signal Tr2 from the solid state laser control unit 15.
  • the synchronization control unit 6 controls the delay time between the first trigger signal Tr1 and the second trigger signal Tr2.
  • the synchronization control unit 6 performs the first pulse so that the third pulse laser beam PL3 output from the solid-state laser system 3 is injected into the optical resonator of the amplifier 5 and discharged in synchronization.
  • the delay time between the trigger signal Tr1 and the second trigger signal Tr2 is controlled.
  • the synchronization circuit 14 When the synchronization circuit 14 receives the first trigger signal Tr1, the synchronization circuit 14 transmits control signals to the first and second light intensity variable sections 21 and 31, respectively.
  • the first light intensity varying unit 21 When receiving the control signal, the first light intensity varying unit 21 amplifies the first seed light only for a predetermined period to generate a first seed pulse light having a predetermined pulse width. The light is incident on the amplifier 22.
  • the second light intensity variable unit 31 amplifies the second seed light only for a predetermined period to generate a second seed pulse light having a predetermined pulse width, The light is incident on the second amplifier 32.
  • the first and second seed pulse lights are incident on the first and second amplifiers 22 and 32, respectively, stimulated emission occurs and is amplified.
  • the first seed pulse light amplified by the first amplifier 22 enters the wavelength converter 23.
  • the first seed pulse light incident on the wavelength conversion unit 23 is converted into the fourth harmonic wave, and is output from the first solid-state laser device 11 as the first pulse laser light PL1.
  • the second seed pulse light amplified by the second amplifier 32 is output from the second solid-state laser device 12 as the second pulse laser light PL2.
  • the first pulsed laser beam PL1 output from the first solid-state laser device 11 and the second pulsed laser beam PL2 output from the second solid-state laser device 12 are incident on the wavelength conversion system 13.
  • the delay data is transmitted from the solid-state laser controller 15 to the synchronization circuit 14 so that the first and second pulse laser beams PL1 and PL2 are incident on the first CLBO crystal 50a described later at substantially the same timing.
  • the synchronization circuit 14 converts the third trigger signal Tr3 and the fourth trigger signal Tr4 from the first light intensity variable unit 21 and the second light intensity variable at a predetermined timing based on the first trigger signal Tr1. To the unit 31.
  • the wavelength conversion system 13 outputs a third pulse laser beam PL3 having a wavelength of about 193.4 nm. .
  • the third pulse laser beam PL3 is highly reflected by the first and second high reflection mirrors 4a and 4b, and is injected into the resonator of the amplifier 5 as seed light.
  • the trigger correction unit 42 adjusts the timing of the switch 43 of the PPM so that the seed light is efficiently amplified by the amplifier 5.
  • amplification oscillation occurs by the optical resonator, and amplified pulsed laser light is output from the output coupling mirror 47.
  • pulse laser light having a wavelength of about 193.4 nm is incident on the exposure device 8.
  • FIG. 3 schematically shows the configuration of the wavelength conversion system 13 shown in FIG.
  • the wavelength conversion system 13 includes first and second CLBO crystals 50a and 50b, first to fifth dichroic mirrors 51a to 51d, first to third high reflection mirrors 52a to 52c, and a half wavelength.
  • a plate 54, a condenser lens 53a, and a collimator lens 53b are included.
  • the first dichroic mirror 51a is coated with a film that highly reflects the first pulse laser beam PL1 and highly transmits the second pulse laser beam PL2.
  • the first pulse laser beam PL1 is incident on one surface of the first dichroic mirror 51a.
  • the second pulse laser beam PL2 is incident on the other surface of the first dichroic mirror 51a through the condenser lens 53a.
  • the first dichroic mirror 51a is arranged so that the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are incident on the first CLBO crystal 50a with the optical path axes coinciding with each other.
  • the first CLBO crystal 50a is a nonlinear optical crystal having a type-1 phase matching condition.
  • the first sum frequency light SF1 having a wavelength of about 220.9 nm, which is the sum frequency of the first pulse laser light PL1 and the second pulse laser light PL2, is generated.
  • the second dichroic mirror 51b is disposed on the optical path between the first and second pulse laser beams PL1 and PL2 output from the first CLBO crystal 50a and the first sum frequency light SF1.
  • the second dichroic mirror 51b is coated with a film that transmits the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 at a high level and reflects the first sum frequency beam SF1 at a high level.
  • the first sum frequency light SF1 is generated as the sum frequency light of the first pulse laser light PL1 and the second pulse laser light PL2 in the first CLBO crystal 50a, and the wavelength is about 220.9 nm.
  • the third dichroic mirror 51c is disposed on the optical path of the first and second pulse laser beams PL1 and PL2 that have passed through the second dichroic mirror 51b.
  • the third dichroic mirror 51c is coated with a film that highly reflects the first pulse laser beam PL1 and highly transmits the second pulse laser beam PL2.
  • a damper 55 is disposed on the optical path of the first pulse laser beam PL1 reflected by the third dichroic mirror 51c.
  • the damper 55 absorbs the incident first pulse laser beam PL1.
  • the collimator lens 53b is disposed on the optical path of the second pulse laser beam PL2 that has passed through the third dichroic mirror 51c.
  • the first high reflection mirror 52a is disposed on the optical path of the second pulse laser beam PL2 that has passed through the collimator lens 53b, and highly reflects the second pulse laser beam PL2.
  • the half-wave plate 54 is disposed on the optical path of the second pulse laser beam PL2 reflected by the first high reflection mirror 52a.
  • the half-wave plate 54 rotates the polarization direction of the transmitted second pulsed laser light PL2 by 90 °.
  • the second high reflection mirror 52b is disposed on the optical path of the first sum frequency light SF1 reflected by the second dichroic mirror 51b, and highly reflects the first sum frequency light SF1.
  • the fourth dichroic mirror 51d is disposed on the optical path between the second pulse laser beam PL2 that has been transmitted through the half-wave plate 54 and the first sum frequency light SF1 that has been reflected by the second high reflection mirror 52b. Has been.
  • the fourth dichroic mirror 51d is coated with a film that highly reflects the first sum frequency light SF1 and highly transmits the second pulsed laser light PL2.
  • the second CLBO crystal 50b is a nonlinear optical crystal having a type-1 phase matching condition.
  • the second CLBO crystal 50b is disposed on the optical path between the second pulse laser beam PL2 transmitted through the fourth dichroic mirror 51d and the first sum frequency light SF1 reflected by the fourth dichroic mirror 51d. ing.
  • the second sum frequency light SF2 having a wavelength of about 193.4 nm, which is the sum frequency of the second pulse laser light PL2 and the first sum frequency light SF1, is generated.
  • the fifth dichroic mirror 51e is disposed on the optical path of the second pulse laser beam PL2 and the first and second sum frequency lights SF1 and SF2.
  • the fifth dichroic mirror 51e is coated with a film that transmits the second pulsed laser light PL2 and the first sum frequency light SF1 with high transmission and highly reflects the second sum frequency light SF2.
  • the second sum frequency light SF2 is a sum frequency light of the second pulse laser light PL2 and the first sum frequency light SF1, and has a wavelength of about 193.4 nm.
  • the third high reflection mirror 52c is disposed on the optical path of the second sum frequency light SF2 reflected by the fifth dichroic mirror 51e, and highly reflects the second sum frequency light SF2.
  • the second sum frequency light SF2 is output from the wavelength conversion system 13 as the third pulse laser light PL3.
  • FIG. 4 shows the configuration of the first CLBO crystal 50a.
  • the first CLBO crystal 50a is configured such that the angle ⁇ 1 formed by the optical axis OA and the optical path axis OP of the incident pulse laser beam is a phase matching angle satisfying the type-1 phase matching condition. .
  • free software SNLO has been developed by Dr. Arlee Smith of AS-Photonics.
  • the phase matching angle can be calculated using SNLO. This SNL is available from “http://www.as-photonics.com/snlo”. The same applies to the configuration of the second CLBO crystal 50b.
  • linearly polarized light whose polarization direction is perpendicular to the plane defined by the optical axis OA of the nonlinear optical crystal and the optical path axis OP of the incident light is the first polarization state and the polarization direction is parallel.
  • a certain linearly polarized light is referred to as a second polarization state.
  • the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are incident on the wavelength conversion system 13.
  • the first pulse laser beam PL1 and the second pulse laser beam PL2 are both linearly polarized light, and in this comparative example, both are incident on the first dichroic mirror 51a as p polarized light.
  • the first pulse laser beam PL1 reflected by the first dichroic mirror 51a and the second pulse laser beam PL2 transmitted through the first dichroic mirror 51a are incident on the first CLBO crystal 50a almost simultaneously. Sum frequency mixing is performed.
  • Both the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 incident on the first CLBO crystal 50a are in the first polarization state and the polarization directions are parallel to each other.
  • first sum frequency light SF1 having a wavelength of about 220.9 nm, which is a sum frequency of a wavelength of about 257.5 nm and a wavelength of about 1554 nm, is generated.
  • the first sum frequency light SF1 is in the second polarization state.
  • the first sum frequency light SF1 is separated from the first and second pulse laser lights PL1 and PL2.
  • the second pulse laser beam PL2 is separated from the first pulse laser beam PL1.
  • the first pulse laser beam PL1 is absorbed by the damper 55.
  • the second pulse laser beam PL2 separated by the third dichroic mirror 51c enters the second collimator lens 53.
  • the collimator lens 53b focuses the diverging second pulsed laser light PL2 so that the beam diameter is not vignetted at the incident end face of the second CLBO crystal 50b. If the divergence angle of the second pulse laser beam PL2 is small, the collimator lens 53b may be omitted.
  • the second pulse laser beam PL2 that has passed through the collimator lens 53b is highly reflected by the first high reflection mirror 52a and enters the half-wave plate 54.
  • the polarization direction of the second pulse laser beam PL2 is rotated by 90 ° by the half-wave plate 54, and the polarization state changes from the first polarization state to the second polarization state.
  • the optical path of the first sum frequency light SF1 substantially coincides with the optical path of the second pulse laser light PL2, and the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 are The light enters the second CLBO crystal 50b almost simultaneously.
  • the first sum frequency light SF1 and the second pulsed laser light PL2 incident on the second CLBO crystal 50b are both in the second polarization state, and the polarization directions are parallel to each other.
  • the second sum frequency light SF2 having a wavelength of about 193.4 nm which is the sum frequency of the wavelength of about 220.9 nm and the wavelength of about 1554 nm is generated.
  • the second pulse laser beam PL2 and the sum frequency light SF1 are highly transmitted through the fifth dichroic mirror 51e, and the second sum frequency light SF2 is highly reflected by the fifth dichroic mirror 51e.
  • the second sum frequency light SF2 highly reflected by the fifth dichroic mirror 51e is highly reflected by the third high reflection mirror 52c, and is output from the wavelength conversion system 13 as the above-described third pulse laser light PL3. .
  • the wavelength conversion system 13 differs in the polarization state of the sum frequency light SF1 output from the first CLBO crystal 50a and the second pulsed laser light PL2, and makes these polarization states coincide with each other in the second CLBO crystal 50b.
  • the wavelength conversion system 13 requires an optical element such as a dichroic mirror or a high reflection mirror for branching and joining the optical paths, so that the size and the installation area are increased.
  • these optical elements have a low damage threshold for ultraviolet light, it is difficult to increase the output of pulsed laser light.
  • the laser apparatus for exposure apparatus according to the first embodiment is the same as that of the laser apparatus 2 for exposure apparatus according to the comparative example shown in FIGS. 1 and 2 except that the configuration of the wavelength conversion system is different.
  • substantially the same components as those of the exposure apparatus laser apparatus 2 according to the comparative example shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
  • FIG. 5 schematically shows the configuration of the wavelength conversion system 13a according to the first embodiment.
  • the wavelength conversion system 13a includes first and second CLBO crystals 60a and 60b, first to third dichroic mirrors 61a to 61c, a condenser lens 62, and a damper 63.
  • the first dichroic mirror 61a has the same configuration as that of the first dichroic mirror 51a of the comparative example, and is coated with a film that highly reflects the first pulse laser beam PL1 and highly transmits the second pulse laser beam PL2.
  • the first pulse laser beam PL1 is incident on one surface of the first dichroic mirror 61a.
  • the second pulse laser beam PL2 is incident on the other surface of the first dichroic mirror 61a via the condenser lens 62.
  • the first dichroic mirror 61a is arranged so that the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are incident on the first CLBO crystal 60a with the optical path axes aligned.
  • the wavelength of the first pulse laser beam PL1 is about 257.5 nm, which corresponds to the first wavelength described in the claims.
  • the wavelength of the second pulse laser beam PL2 is about 1554 nm, and corresponds to the second wavelength described in the claims.
  • the first CLBO crystal 60a is a nonlinear optical crystal having a type-2 phase matching condition.
  • the first sum frequency light SF1 having a wavelength of about 220.9 nm, which is the sum frequency of the first pulse laser light PL1 and the second pulse laser light PL2, is generated.
  • the wavelength of the first sum frequency light SF1 corresponds to the third wavelength described in the claims.
  • the second dichroic mirror 61b is disposed on the optical path between the first and second pulse laser beams PL1 and PL2 output from the first CLBO crystal 60a and the first sum frequency light SF1.
  • the second dichroic mirror 61b is coated with a film that highly reflects the first pulse laser light PL1 and highly transmits the second pulse laser light PL2 and the first sum frequency light SF1.
  • a damper 63 is disposed on the optical path of the first pulse laser beam PL1 reflected by the second dichroic mirror 61b.
  • the damper 63 absorbs the incident first pulse laser beam PL1.
  • the second CLBO crystal 60b is a nonlinear optical crystal having a type-1 phase matching condition.
  • the second CLBO crystal 60b is disposed on the optical path between the second pulse laser beam PL2 and the first sum frequency light SF1 transmitted through the second dichroic mirror 61b.
  • the second sum frequency light SF2 having a wavelength of about 193.4 nm, which is the sum frequency of the second pulse laser light PL2 and the first sum frequency light SF1
  • the wavelength of the second sum frequency light SF1 corresponds to the fourth wavelength described in the claims.
  • the third dichroic mirror 61c is disposed on the optical path of the second pulse laser beam PL2 and the first and second sum frequency lights SF1 and SF2.
  • the third dichroic mirror 61c is coated with a film that allows the second pulse laser beam PL2 and the first sum frequency light SF1 to pass through highly and reflects the second sum frequency light SF2 highly.
  • the second sum frequency light SF2 is output from the wavelength conversion system 13a as the third pulse laser light PL3.
  • the second wavelength is larger than the first wavelength.
  • the first wavelength is greater than the third wavelength.
  • the third wavelength is greater than the fourth wavelength.
  • FIG. 6 shows the configuration of the first CLBO crystal 60a.
  • the first CLBO crystal 60a is configured such that the angle ⁇ 2 formed between the optical axis OA and the optical path axis OP of the incident pulse laser beam is a phase matching angle satisfying the type-2 phase matching condition. .
  • the phase matching angle can be calculated using the above-described SNLO.
  • the second CLBO crystal 60b has the same configuration as the second CLBO crystal 50b of the comparative example.
  • the first pulsed laser light PL1 having the first wavelength is in the first polarization state
  • the second pulsed laser light PL2 having the second wavelength is in the second polarization state
  • the third The first sum frequency light SF1 having a wavelength of 2 is in the second polarization state.
  • the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are incident on the wavelength conversion system 13a. Both the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are linearly polarized light.
  • the first pulsed laser beam PL1 is incident on the first dichroic mirror 51a as p-polarized light
  • the second pulse laser beam PL2 is incident on the first dichroic mirror 51a as s-polarized light.
  • the first pulse laser beam PL1 reflected by the first dichroic mirror 61a and the second pulse laser beam PL2 transmitted through the first dichroic mirror 61a are incident on the first CLBO crystal 60a almost simultaneously. Sum frequency mixing is performed.
  • the first pulse laser beam PL1 incident on the first CLBO crystal 60a is in the first polarization state.
  • the second pulse laser beam PL2 incident on the first CLBO crystal 60a is in the second polarization state. That is, the polarization directions of the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are orthogonal to each other.
  • first sum frequency light SF1 having a wavelength of about 220.9 nm, which is a sum frequency of a wavelength of about 257.5 nm and a wavelength of about 1554 nm, is generated.
  • the first CLBO crystal 60a has the type-2 phase matching condition, the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 output from the first CLBO crystal 60a are: The polarization directions are parallel to each other.
  • the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 are separated from the first pulse laser light PL1.
  • the first pulse laser beam PL1 is absorbed by the damper 63.
  • the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 separated by the second dichroic mirror 61b are incident on the second CLBO crystal 60b almost simultaneously.
  • the sum frequency light SF1 and the second pulsed laser light PL2 incident on the second CLBO crystal 60b are both in the second polarization state, and the polarization directions are parallel to each other.
  • the second sum frequency light SF2 having a wavelength of about 193.4 nm which is the sum frequency of the wavelength of about 220.9 nm and the wavelength of about 1554 nm is generated.
  • the second pulse laser beam PL2 and the sum frequency light SF1 are highly transmitted through the third dichroic mirror 61c, and the second sum frequency light SF2 is highly reflected by the third dichroic mirror 61c.
  • the second sum frequency light SF2 highly reflected by the third dichroic mirror 61c is reflected by the third high reflection mirror 52c, and is output from the wavelength conversion system 13a as the third pulse laser light PL3.
  • the first CLBO crystal 60a has a type-2 phase matching condition. Since the first and second pulse laser beams PL1 and PL2 whose polarization directions are orthogonal to each other are incident on the first CLBO crystal 60a, the first sum frequency light SF1 output from the first CLBO crystal 60a. And the second pulse laser beam PL2 are parallel to each other. Therefore, in the present embodiment, the first sum frequency light SF1 and the second pulse are used without using an optical element such as a dichroic mirror or a high reflection mirror for branching and joining the optical paths as shown in the comparative example.
  • the laser beam PL2 can be incident on the second CLBO crystal 60b having a type-1 phase matching condition.
  • the optical path between the first CLBO crystal 60a and the second CLBO crystal 60b can be shortened, and the apparatus becomes compact. Further, since the number of optical elements is small, the probability that the optical elements are damaged is reduced.
  • the second pulse laser beam PL2 is easily divergent because it is infrared light having a long wavelength of about 1554 nm.
  • the optical path between the first CLBO crystal 60a and the second CLBO crystal 60b can be shortened to a range where the second pulsed laser light PL2 can be regarded as parallel light.
  • the collimator lens as used in the example can also be omitted.
  • the second dichroic mirror 61b is disposed between the first CLBO crystal 60a and the second CLBO crystal 60b, so that the first pulse laser beam PL1 is converted into the second CLBO crystal. It guides to the damper 63 so that it may not enter into 60b. However, even if the first pulse laser beam PL1 is incident on the second CLBO crystal 60b, wavelength conversion does not occur, and therefore the second dichroic mirror 61b and the damper 63 can be omitted. Thereby, the optical path between the first CLBO crystal 60a and the second CLBO crystal 60b can be further shortened.
  • the upstream first CLBO crystal 60a is a nonlinear optical crystal having a type-2 phase matching condition
  • the downstream second CLBO crystal 60b has a type-1 phase matching condition. It is a nonlinear optical crystal.
  • the upstream first CLBO crystal 60a is a nonlinear optical crystal having a type-1 phase matching condition
  • the downstream second CLBO crystal 60b is a type-2 phase. It is also possible to use a nonlinear optical crystal having matching conditions.
  • the case where the upstream first CLBO crystal 60a is type-2 is less than the case where the downstream second CLBO crystal 60b is type-2.
  • Table 1 shows the difference in the nonlinear optical constant and the allowable incident angle between the type-1 crystal and the type-2 crystal. Between them, the nonlinear constant is almost the same. However, as shown in FIG. 7, the type-2 crystal has an incident angle allowable width (mrad ⁇ cm) with respect to the second pulsed laser beam PL2 of infrared light having a long wavelength of about 1554 nm of about 11.08, It is extremely large compared to about 2.56 which is a value in the case of type-1 crystal.
  • the second pulse laser beam PL2 of infrared light is first incident on the type-1 crystal, many components that are not incident at a favorable angle are generated at the incident end of the crystal. In this case, since the loss of the second pulse laser beam PL2 occurs in the crystal through which the second pulse laser beam PL2 first passes, the intensity of the generated first sum frequency light SF1 is lowered. In contrast, when the second pulse laser beam PL2 of infrared light is first incident on the type-2 crystal as in the present embodiment, the loss at the incident end of the crystal is small, which is high. An intensity first sum frequency light SF1 is generated. When the first sum frequency light SF1 is high, the intensity of the second sum frequency light SF2 generated by the next crystal is also high. Thus, by making the first CLBO crystal 60a on the upstream side of type-2, the conversion efficiency is improved, and the intensity of the first sum frequency light SF1 and the second sum frequency light SF2 is increased.
  • the exposure apparatus laser apparatus according to the second embodiment is the same as the exposure apparatus laser apparatus according to the first embodiment except that the configuration of the wavelength conversion system is different.
  • FIG. 8 schematically illustrates the configuration of a wavelength conversion system 13b according to the second embodiment.
  • the wavelength conversion system 13b includes a first CLBO crystal 70a which is a nonlinear optical crystal having a type-1 phase matching condition, instead of the first CLBO crystal 60a which is a nonlinear optical crystal having a type-2 phase matching condition. Is used.
  • the dual-wavelength plate 71 is disposed between the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b.
  • the dual wavelength wave plate 71 is a wave plate that shows a specific phase difference at two wavelengths. Specifically, the dual wavelength wave plate 71 does not change the polarization direction of the first pulsed laser beam PL1 having a wavelength of about 257.5 nm, and rotates the polarization direction of the second pulsed laser beam PL2 having a wavelength of about 1554 nm by 90 °.
  • the first and second pulsed laser beams PL1 and PL2 incident on the first CLBO crystal 70a are changed to the first CLBO crystal 70a. 1 polarization state.
  • the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are incident on the wavelength conversion system 13b. Both the first pulsed laser beam PL1 and the second pulsed laser beam PL2 are linearly polarized. In this embodiment, the first and second pulsed laser beams PL1 and PL2 are both p-polarized and the first dichroic. Incident on the mirror 51a. The first pulse laser beam PL1 reflected by the first dichroic mirror 61a and the second pulse laser beam PL2 transmitted through the first dichroic mirror 61a are incident on the first CLBO crystal 70a almost simultaneously. Sum frequency mixing is performed.
  • Both the first and second pulse laser beams PL1 and PL2 incident on the first CLBO crystal 70a are in the first polarization state.
  • the first sum frequency light SF1 having a wavelength of about 220.9 nm, which is the sum frequency of the wavelength of about 257.5 nm and the wavelength of about 1554 nm, is generated.
  • the first CLBO crystal 70a has a type-1 phase matching condition
  • the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 output from the first CLBO crystal 70a are:
  • the polarization directions are orthogonal to each other. Specifically, the first sum frequency light SF1 output from the first CLBO crystal 70a is in the second polarization state, and the second pulse laser light PL2 output from the first CLBO crystal 70a is the second polarization state. 1 polarization state.
  • the operation of the second dichroic mirror 61b and the damper 63 is the same as that of the first embodiment, and the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 are separated from the first pulse laser light PL1.
  • the first sum frequency light SF1 and the second pulse laser light PL2 separated by the second dichroic mirror 61b are incident on the two-wavelength wavelength plate 71.
  • the polarization direction of the transmitted first sum frequency light SF1 does not change and remains in the second polarization state, and the polarization direction of the second pulsed laser light PL2 is rotated by 90 ° to the second wavelength.
  • the polarization state becomes.
  • the first sum frequency light SF1 and the second pulsed laser light PL2 transmitted through the two-wavelength wavelength plate 71 are incident on the second CLBO crystal 60b almost simultaneously. Both the first sum frequency light SF1 and the second pulsed laser light PL2 incident on the second CLBO crystal 60b are in the second polarization state.
  • the operation of the second CLBO crystal 60b and the third dichroic mirror 61c is the same as that of the first embodiment.
  • the second sum frequency light SF2 having a wavelength of about 193.4 nm is generated.
  • the second sum frequency light SF2 highly reflected by the third dichroic mirror 61c is reflected by the third high reflection mirror 52c, and is output from the wavelength conversion system 13b as the third pulse laser light PL3.
  • the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b are both typed by disposing the two-wavelength wavelength plate 71 between the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b.
  • a nonlinear optical crystal having a phase matching condition of ⁇ 1 can be obtained.
  • Type-1 crystals are more available than type-2 crystals. Therefore, this embodiment has an effect that the wavelength conversion system 13b can be manufactured at a low cost in addition to the effect of the first embodiment.
  • both the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b can be type-2 crystals.
  • the nonlinear constant (pm / V) of the second CLBO crystal 60b is about 0.692
  • the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b are Both are lower than the value of about 0.998 in the case of type-1 crystal. Accordingly, it is not very advantageous to make both the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b a type-2 crystal compared to the present embodiment.
  • Wa represents the beam diameter of the second pulsed laser light PL2 on the incident end face incident on the first CLBO crystal 60a.
  • Wb represents the beam diameter of the second pulse laser beam PL2 on the incident end face that is incident on the second CLBO crystal 60b.
  • the second pulse laser beam PL2 is infrared light, and the beam waist appears remarkably.
  • Wc represents the beam diameter of the second pulse laser beam PL2 at the beam waist position.
  • Wd indicates the beam diameter of the first pulse laser beam PL1 on the incident end face that is incident on the first CLBO crystal 60a.
  • Each beam diameter preferably satisfies the relationship of Wa> Wb and Wd> We. Furthermore, it is preferable that the relationship of Wa ⁇ Wd and Wb ⁇ We is satisfied. Further, the beam waist position of the second pulse laser beam PL2 is preferably located within a range R1 from the position of the emission end face of the first CLBO crystal 60a to the center position of the second CLBO crystal 60b.
  • Table 3 shows ideal values of the intensity of the pulsed laser light at the end faces of the first CLBO crystal 60a and the second CLBO crystal 60b. Each intensity is preferably within a range of ⁇ 20% of the ideal value.
  • each beam diameter preferably satisfies the relationship of Wa> Wb and Wd> Wd. Furthermore, it is preferable that the relationship of Wa ⁇ Wd and Wb ⁇ We is satisfied.
  • the beam waist position of the second pulsed laser beam PL2 is preferably located within a range R2 from the two-wavelength wavelength plate 71 to the center position of the second CLBO crystal 60b. .
  • the intensity of the pulse laser beam at each end face of the first CLBO crystal 70a and the second CLBO crystal 60b is within a range of ⁇ 20% of the ideal value shown in Table 3. Preferably there is.
  • Wavelength Adjustable Range Table 4 shows the wavelength adjustable range in the first and second embodiments.
  • the wavelength of the first pulse laser beam PL1 is fixed at about 257.5 nm and the second pulse laser beam PL2 is changed within the range of 1549 nm to 1557 nm
  • the wavelength of the first sum frequency light SF1 is 220. .Varies within the range of 80 nm to 220.96 nm.
  • the wavelength of the second sum frequency light SF2 varies within a range of 193.25 nm or more and 193.50 nm or less.
  • the exposure apparatus 8 includes an illumination optical system 80 and a projection optical system 81.
  • the illumination optical system 80 illuminates the reticle pattern of the reticle stage RT with the laser light incident from the exposure apparatus laser apparatus 2.
  • the projection optical system 81 projects the laser beam transmitted through the reticle in a reduced scale and forms an image on a workpiece (not shown) disposed on the workpiece table WT.
  • the workpiece is a photosensitive substrate such as a semiconductor wafer coated with a photoresist.
  • the exposure apparatus 8 exposes the workpiece with laser light reflecting the reticle pattern by moving the reticle stage RT and the workpiece table WT in parallel in a synchronized manner.
  • a semiconductor device is manufactured using the exposure process as described above.
  • a semiconductor device can be manufactured by transferring and processing a device pattern on a semiconductor wafer by the exposure process as described above.
  • the wavelength conversion system included in the exposure apparatus laser apparatus 2 may be either the wavelength conversion system 13a of the first embodiment or the wavelength conversion system 13b of the second embodiment.
  • a CLBO crystal is used as the nonlinear optical crystal, but a KBBF (KBe 2 BO 3 F 2 ) crystal or a BBO ( ⁇ -BaB 2 O 4 ) crystal is used instead of the CLBO crystal. Is also possible.

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Abstract

波長変換システムであって、以下を備える：Ａ．第１の偏光状態であって第１の波長を有する第１のパルスレーザ光と、第２の偏光状態であって第２の波長を有する第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第２の偏光状態であって第１の波長と第２の波長との和周波混合により生成される第３の波長を有する第１の和周波光と、第２のパルスレーザ光とを出力する第１の非線形光学結晶；及び、Ｂ．第１の非線形光学結晶から出力された第１の和周波光と第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第４の波長を有する第３のパルスレーザ光を出力する第２の非線形光学結晶。

Description

波長変換システム及び加工方法
　本開示は、波長変換システム及び加工方法に関する。
　半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用レーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３．４ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
　現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけ上の波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。
　ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０～４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には、狭帯域化素子を有する狭帯域化モジュール（Line Narrowing Module）が設けられている。この狭帯域化モジュールによりスペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。狭帯域化素子は、エタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル線幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。
特許第４９２５０８５号 特開平１０－６８９７６号公報 特開２００１－５１３１２号公報
概要
　本開示の１つの観点に係る波長変換システムは、以下を備える：
　Ａ．第１の偏光状態であって第１の波長を有する第１のパルスレーザ光と、第２の偏光状態であって第２の波長を有する第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第２の偏光状態であって第１の波長と第２の波長との和周波混合により生成される第３の波長を有する第１の和周波光と、第２のパルスレーザ光とを出力する第１の非線形光学結晶；及び
　Ｂ．第１の非線形光学結晶から出力された第１の和周波光と第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第４の波長を有する第３のパルスレーザ光を出力する第２の非線形光学結晶。
　本開示の１つの観点に係る波長変換システムは、以下を備える：
　Ａ．第１の偏光状態であって第１の波長を有する第１のパルスレーザ光と、第１の偏光状態であって第２の波長を有する第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第２の偏光状態であって第１の波長と第２の波長との和周波混合により生成される第３の波長を有する第１の和周波光と、第２のパルスレーザ光とを出力する第１の非線形光学結晶；
　Ｂ．第１の非線形光学結晶から出力された第１の和周波光と第２のパルスレーザ光とが入力され、第１の和周波光の偏光状態を変えずに、第２のパルスレーザ光の偏光状態を第２の偏光状態に変更する波長板；及び
　Ｃ．波長板を透過した第１の和周波光と第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第４の波長を有する第３のパルスレーザ光を出力する第２の非線形光学結晶。
　本開示の１つの観点に係る加工方法は、上記いずれかの波長変換システムを含む露光装置用レーザ装置から出力されるレーザ光によりワークピースに露光を行い、ワークピースを加工する加工方法。
　本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、比較例に係る露光装置用レーザ装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１に示される増幅器の構成を概略的に示す図である。 図３は、図１に示される波長変換システムの構成を概略的に示す図である。 図４は、タイプ－１の位相整合条件を有する第１のＣＬＢＯ結晶の構成を示す図である。 図５は、第１の実施形態に係る波長変換システムの構成を概略的に示す図である。 図６は、タイプ－２の位相整合条件を有する第１のＣＬＢＯ結晶の構成を示す図である。 図７は、タイプ－２の結晶の入射角許容幅を説明する図である。 図８は、第２の実施形態に係る波長変換システムの構成を概略的に示す図である。 図９Ａは、第１の実施形態の第１及び第２のＣＬＢＯ結晶に入射する第２のパルスレーザ光のビーム径を示す図である。図９Ｂは、第１の実施形態の第１及び第２のＣＬＢＯ結晶に入射する第１の和周波光及び第１のパルスレーザ光のビーム径を示す図である。 図１０Ａは、第２の実施形態の第１及び第２のＣＬＢＯ結晶に入射する第２のパルスレーザ光のビーム径を示す図である。図１０Ｂは、第２の実施形態の第１及び第２のＣＬＢＯ結晶に入射する第１の和周波光及び第１のパルスレーザ光のビーム径を示す図である。 図１１は、露光装置の構成を示す図である。
実施形態
　＜内容＞
　１．比較例
　　１．１　構成
　　　１．１．１　全体構成
　　　１．１．２　増幅器の構成
　　１．２　動作
　　１．３　波長変換システム
　　　１．３．１　全体構成
　　　１．３．２　ＣＬＢＯ結晶の構成
　　　１．３．３　作用
　　１．４　課題
　２．第１の実施形態
　　２．１　全体構成
　　２．２　ＣＬＢＯ結晶の構成
　　２．３　作用
　　２．４　効果
　３．第２の実施形態
　　３．１　構成
　　３．２　作用
　　３．３　効果
　４．ビーム径の関係
　５．波長調整可能範囲
　６．露光装置
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
　１．比較例
　　１．１　構成
　　　１．１．１　全体構成
　図１は、比較例に係る露光装置用レーザ装置２の構成を概略的に示す。露光装置用レーザ装置２は、固体レーザシステム３と、第１の高反射ミラー４ａと、第２の高反射ミラー４ｂと、増幅器５と、同期制御部６と、レーザ制御部７と、を含む。
　固体レーザシステム３は、第１のパルスレーザ光ＰＬ１を出力する第１の固体レーザ装置１１と、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を出力する第２の固体レーザ装置１２と、波長変換システム１３と、同期回路１４と、固体レーザ制御部１５と、含む。
　第１の固体レーザ装置１１は、第１のシードレーザ２０と、第１の光強度可変部２１と、第１の増幅器２２と、波長変換部２３と、を含む。第１の増幅器２２は、ファイバ増幅器２２ａと、固体増幅器２２ｂと、図示しないＣＷ励起半導体レーザと、を含む。波長変換部２３は、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶２３ａと、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10）結晶２３ｂと、を含む。ＬＢＯ結晶２３ａとＣＬＢＯ結晶２３ｂとは、非線形光学結晶である。
　第１のシードレーザ２０は、シングル縦モードであって、波長が約１０３０ｎｍのＣＷ光またはパルス光を第１のシード光として出力する。第１のシードレーザ２０は、例えば、分布帰還型の半導体レーザである。第１の光強度可変部２１は、第１のシードレーザ２０から第１のシード光が入射される半導体素子を含む。第１の光強度可変部２１は、図示しない電流制御部によって、半導体素子にパルス電流を印加することによって、第１のシード光を所定のパルス幅のレーザ光に変換する。以下、第１の光強度可変部２１によって変換された第１のシード光を、第１のシードパルス光という。
　ファイバ増幅器２２ａは、Ｙｂがドープされた複数の石英ファイバが多段に接続されたものである。固体増幅器２２ｂは、ＹｂがドープされたＹＡＧ結晶である。ファイバ増幅器２２ａ及び固体増幅器２２ｂは、図示しない励起用半導体レーザから入力されるＣＷ励起光によって光励起される。第１の増幅器２２は、第１の光強度可変部２１から入射する第１のシードパルス光を増幅する。
　波長変換部２３は、第１の増幅器２２によって増幅された第１のシードパルス光を、高調波に変換して、第１のパルスレーザ光ＰＬ１として出力する。具体的には、波長変換部２３は、ＬＢＯ結晶２３ａとＣＬＢＯ結晶２３ｂとを含むことにより、第１のシードパルス光を、波長が約２５７．５ｎｍの第４高調波を生成し、第４高調波を第１のパルスレーザ光ＰＬ１として出力する。
　第２の固体レーザ装置１２は、第２のシードレーザ３０と、第２の光強度可変部３１と、第２の増幅器３２と、を含む。第２の増幅器３２は、ＥｒとＹｂが共にドープされた複数の石英ファイバが多段に接続された図示しないＥｒファイバ増幅器と、図示しない励起用半導体レーザと、を含む。
　第２のシードレーザ３０は、シングル縦モードであって、波長が約１５５４ｎｍのＣＷ光またはパルス光を第２のシード光として出力する。第２のシードレーザ３０は、例えば、分布帰還型の半導体レーザである。第２の光強度可変部３１は、第２のシードレーザ３０から第２のシード光が入射される半導体素子を含む。第２の光強度可変部３１は、図示しない電流制御部によって、半導体素子にパルス電流を印加することによって、第２のシード光を所定のパルス幅のレーザ光に変換する。以下、第２の光強度可変部３１によって変換された第２のシード光を、第２のシードパルス光という。
　第２の増幅器３２に含まれるＥｒファイバ増幅器は、図示しない励起用半導体レーザから入力されるＣＷ励起光によって光励起される。第２の増幅器３２は、第２の光強度可変部３１から入射する第２のシードパルス光を増幅する。第２の増幅器３２は、増幅した第２のシードパルス光を、第２のパルスレーザ光ＰＬ２として出力する。
　波長変換システム１３は、第１の固体レーザ装置１１から出力された第１のパルスレーザ光ＰＬ１と、第２の固体レーザ装置１２から出力された第２のパルスレーザ光ＰＬ２とに基づき、第３のパルスレーザ光ＰＬ３を生成して出力する。第３のパルスレーザ光ＰＬ３は、波長が約１９３．４ｎｍである。
　固体レーザ制御部１５は、第１及び第２のシードレーザ２０，３０と、第１及び第２の増幅器２２，３２に含まれる各ＣＷ励起半導体レーザと、図示しない信号線を介して電気的に接続されている。第１の高反射ミラー４ａと第２の高反射ミラー４ｂは、波長約１９３．４ｎｍのパルスレーザ光が、増幅器に入射するように配置される。
　　　１．１．２　増幅器の構成
　図２は、図１に示される増幅器５の構成を概略的に示す。図２において、増幅器５は、増幅器制御部４０と、充電部４１と、トリガ補正部４２と、スイッチ４３を含むパルスパワーモジュール（ＰＰＭ）４４と、チャンバ４５と、部分反射ミラー４６と、出力結合ミラー４７と、を含む。
　チャンバ４５には、ウインドウ４９ａ，４９ｂが設けられている。チャンバ４５の中には、例えば、ＡｒガスとＦ２ガスとＮｅガスとを含むレーザガスが封入されている。チャンバ４５の中には、一対の放電電極４８が配置されている。一対の放電電極４８は、ＰＰＭ４４の出力端子に接続されている。
　増幅器５において、部分反射ミラー４６と出力結合ミラー４７とを含む光共振器が構成されている。部分反射ミラー４６は、例えば、波長が約１９３．４ｎｍの光を透過するＣａＦ2結晶からなる基板に、反射率が７０％～９０％の部分反射膜をコートすることにより構成されている。出力結合ミラー４７は、例えば、波長が約１９３．４ｎｍの光を透過するＣａＦ2結晶からなる基板に、反射率が１０％～２０％の部分反射膜をコートすることにより構成されている。
　増幅器５は、光共振器がファブリペロ共振器の場合の例を示したが、この例に限定されることなく、リング共振器であってもよい。
　　１．２　動作
　次に、比較例に係る露光装置用レーザ装置２の動作について説明する。レーザ制御部７は、固体レーザ制御部１５を介して、各シードレーザを動作させ、図示しない励起用半導体レーザをＣＷ発振させる。同期制御部６は、固体レーザ制御部１５から、第１のトリガ信号Ｔｒ１と、第２のトリガ信号Ｔｒ２との遅延データを受信する。同期制御部６は、レーザ制御部７を介して、露光装置８からの発振トリガＴｒを受信すると、第１のトリガ信号Ｔｒ１と第２のトリガ信号Ｔｒ２との遅延時間を制御する。具体的には、同期制御部６は、固体レーザシステム３から出力された第３のパルスレーザ光ＰＬ３が、増幅器５の光共振器内に注入されるとともに同期して放電するように、第１のトリガ信号Ｔｒ１と第２のトリガ信号Ｔｒ２との遅延時間を制御する。
　同期回路１４は、第１のトリガ信号Ｔｒ１を受信すると、第１及び第２の光強度可変部２１，３１に制御信号をそれぞれ送信する。第１の光強度可変部２１は、制御信号を受信すると、所定の期間のみ第１のシード光を増幅させることにより、所定のパルス幅を有する第１のシードパルス光を生成し、第１の増幅器２２に入射させる。同様に、第２の光強度可変部３１は、制御信号を受信すると、所定の期間のみ第２のシード光を増幅させることにより、所定のパルス幅を有する第２のシードパルス光を生成し、第２の増幅器３２に入射させる。
　第１及び第２のシードパルス光は、それぞれ第１及び第２の増幅器２２，３２に入射すると、誘導放出が生じて増幅される。第１の増幅器２２により増幅された第１のシードパルス光は、波長変換部２３に入射する。波長変換部２３に入射された第１のシードパルス光は、第４高調波に変換され、第１のパルスレーザ光ＰＬ１として第１の固体レーザ装置１１から出力される。一方、第２の増幅器３２により増幅された第２のシードパルス光は、第２のパルスレーザ光ＰＬ２として第２の固体レーザ装置１２から出力される。
　第１の固体レーザ装置１１から出力された第１のパルスレーザ光ＰＬ１と、第２の固体レーザ装置１２から出力された第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、波長変換システム１３に入射する。
　ここで、固体レーザ制御部１５から同期回路１４に、第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２が、後述する第１のＣＬＢＯ結晶５０ａにほぼ同じタイミングで入射するように遅延データが送信される。同期回路１４は、第１のトリガ信号Ｔｒ１に基づいて、第３のトリガ信号Ｔｒ３と第４のトリガ信号Ｔｒ４とを、所定のタイミングで第１の光強度可変部２１と第２の光強度可変部３１とに送信する。
　第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２が第１のＣＬＢＯ結晶５０ａにほぼ同じタイミングで入射した結果、波長変換システム１３から波長約１９３．４ｎｍの第３のパルスレーザ光ＰＬ３が出力される。第３のパルスレーザ光ＰＬ３は、第１及び第２の高反射ミラー４ａ，４ｂで高反射され、シード光として増幅器５の共振器中に注入される。
　このシード光の注入に同期して、増幅器５に反転分布が生成される。ここで、トリガ補正部４２は、シード光が増幅器５で効率よく増幅されるようにＰＰＭのスイッチ４３のタイミングを調整する。その結果、光共振器によって、増幅発振して、出力結合ミラー４７から、増幅されたパルスレーザ光が出力される。そして、露光装置８に、波長約１９３．４ｎｍのパルスレーザ光が入射する。
　　１．３　波長変換システム
　　　１．３．１　全体構成
　図３は、図１に示される波長変換システム１３の構成を概略的に示す。波長変換システム１３は、第１及び第２のＣＬＢＯ結晶５０ａ，５０ｂと、第１～第５のダイクロイックミラー５１ａ～５１ｄと、第１～第３の高反射ミラー５２ａ～５２ｃと、１／２波長板５４と、集光レンズ５３ａと、コリメータレンズ５３ｂと、を含む。
　第１のダイクロイックミラー５１ａは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１を高反射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高透過させる膜がコートされている。第１のダイクロイックミラー５１ａの一方の面には、第１のパルスレーザ光ＰＬ１が入射する。第１のダイクロイックミラー５１ａの他方の面には、集光レンズ５３ａを介して第２のパルスレーザ光ＰＬ２が入射する。第１のダイクロイックミラー５１ａは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが、光路軸が一致して第１のＣＬＢＯ結晶５０ａに入射するように配置されている。
　第１のＣＬＢＯ結晶５０ａは、タイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶である。第１のＣＬＢＯ結晶５０ａでは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２との和周波である波長約２２０．９ｎｍの第１の和周波光ＳＦ１が生成される。
　第２のダイクロイックミラー５１ｂは、第１のＣＬＢＯ結晶５０ａから出力された第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１との光路上に配置されている。第２のダイクロイックミラー５１ｂは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とを高透過し、第１の和周波光ＳＦ１を高反射する膜がコートされている。第１の和周波光ＳＦ１は、第１のＣＬＢＯ結晶５０ａにおいて第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２との和周波光として生成され、波長が約２２０．９ｎｍである。
　第３のダイクロイックミラー５１ｃは、第２のダイクロイックミラー５１ｂを透過した第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２の光路上に配置されている。第３のダイクロイックミラー５１ｃは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１を高反射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高透過させる膜がコートされている。
　第３のダイクロイックミラー５１ｃにより反射された第１のパルスレーザ光ＰＬ１の光路上には、ダンパ５５が配置されている。ダンパ５５は、入射した第１のパルスレーザ光ＰＬ１を吸収する。
　コリメータレンズ５３ｂは、第３のダイクロイックミラー５１ｃを透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２の光路上に配置されている。第１の高反射ミラー５２ａは、コリメータレンズ５３ｂを通過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２の光路上に配置されており、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高反射する。
　１／２波長板５４は、第１の高反射ミラー５２ａで反射された第２のパルスレーザ光ＰＬ２の光路上に配置されている。１／２波長板５４は、透過する第２のパルスレーザ光ＰＬ２の偏光方向を９０°回転させる。
　第２の高反射ミラー５２ｂは、第２のダイクロイックミラー５１ｂにより反射された第１の和周波光ＳＦ１の光路上に配置されており、第１の和周波光ＳＦ１を高反射する。第４のダイクロイックミラー５１ｄは、１／２波長板５４を透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２と、第２の高反射ミラー５２ｂにより反射された第１の和周波光ＳＦ１との光路上に配置されている。第４のダイクロイックミラー５１ｄは、第１の和周波光ＳＦ１を高反射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高透過させる膜がコートされている。
　第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂは、タイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶である。第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂは、第４のダイクロイックミラー５１ｄを透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２と、第４のダイクロイックミラー５１ｄにより反射された第１の和周波光ＳＦ１との光路上に配置されている。第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂでは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１との和周波である波長約１９３．４ｎｍの第２の和周波光ＳＦ２が生成される。
　第５のダイクロイックミラー５１ｅは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と、第１及び第２の和周波光ＳＦ１，ＳＦ２との光路上に配置されている。第５のダイクロイックミラー５１ｅは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１とを高透過させ、第２の和周波光ＳＦ２を高反射する膜がコートされている。第２の和周波光ＳＦ２は、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１との和周波光であり、波長が約１９３．４ｎｍである。
　第３の高反射ミラー５２ｃは、第５のダイクロイックミラー５１ｅにより反射された第２の和周波光ＳＦ２の光路上に配置されており、第２の和周波光ＳＦ２を高反射する。第２の和周波光ＳＦ２は、第３のパルスレーザ光ＰＬ３として波長変換システム１３から出力される。
　　　１．３．２　ＣＬＢＯ結晶の構成
　図４は、第１のＣＬＢＯ結晶５０ａの構成を示す。第１のＣＬＢＯ結晶５０ａは、その光学軸ＯＡと、入射するパルスレーザ光の光路軸ＯＰとのなす角度θ1がタイプ－１の位相整合条件を満たす位相整合角となるように構成されている。この位相整合角については、AS-Photonics社のDr. Arlee SmithによりフリーソフトのＳＮＬＯが開発されている。ＳＮＬＯを用いて位相整合角を算出することができる。このＳＮＬは、「http://www.as-photonics.com/snlo」から入手可能である。第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂの構成についても同様である。
　また、本開示では、非線形光学結晶の光学軸ＯＡと入射光の光路軸ＯＰとで定義される面に対して、偏光方向が垂直である直線偏光を第１の偏光状態、偏光方向が平行である直線偏光を第２の偏光状態という。
　　　１．３．３　作用
　次に、波長変換システム１３の作用について説明する。波長変換システム１３には、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが入射する。第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは共に直線偏光であり、本比較例では、共にｐ偏光として第１のダイクロイックミラー５１ａに入射する。第１のダイクロイックミラー５１ａにより反射された第１のパルスレーザ光ＰＬ１と、第１のダイクロイックミラー５１ａを透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、第１のＣＬＢＯ結晶５０ａにほぼ同時に入射して、和周波混合が行われる。
　第１のＣＬＢＯ結晶５０ａに入射する第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、共に、第１の偏光状態であり、偏光方向が互いに平行である。第１のＣＬＢＯ結晶５０ａでは、波長約２５７．５ｎｍと波長約１５５４ｎｍとの和周波である波長約２２０．９ｎｍの第１の和周波光ＳＦ１が生成される。第１の和周波光ＳＦ１は、第２の偏光状態である。
　第２のダイクロイックミラー５１ｂでは、第１の和周波光ＳＦ１が、第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２とから分離される。第３のダイクロイックミラー５１ｃでは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２が、第１のパルスレーザ光ＰＬ１から分離される。第１のパルスレーザ光ＰＬ１は、ダンパ５５に吸収される。
　第３のダイクロイックミラー５１ｃで分離された第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、第２のコリメータレンズ５３に入射する。コリメータレンズ５３ｂは、発散する第２のパルスレーザ光ＰＬ２を集束させ、ビーム径を、第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂの入射端面でケラれることのない大きさとする。なお、第２のパルスレーザ光ＰＬ２の発散角が小さい場合は、コリメータレンズ５３ｂを省略してもよい。
　コリメータレンズ５３ｂを通過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、第１の高反射ミラー５２ａで高反射されて１／２波長板５４に入射する。第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、１／２波長板５４により偏光方向が９０°回転され、偏光状態が第１の偏光状態から第２の偏光状態に変化する。
　第４のダイクロイックミラー５１ｄにより、第１の和周波光ＳＦ１の光路が、第２のパルスレーザ光ＰＬ２の光路とほぼ一致し、第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂにほぼ同時に入射する。第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂに入射する第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、共に第２の偏光状態であり、偏光方向が互いに平行である。
　第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂでは、波長約２２０．９ｎｍと波長約１５５４ｎｍとの和周波である波長約１９３．４ｎｍの第２の和周波光ＳＦ２が生成される。第２のパルスレーザ光ＰＬ２と和周波光ＳＦ１とは、第５のダイクロイックミラー５１ｅを高透過し、第２の和周波光ＳＦ２は、第５のダイクロイックミラー５１ｅにより高反射される。第５のダイクロイックミラー５１ｅにより高反射された第２の和周波光ＳＦ２は、第３の高反射ミラー５２ｃにより高反射され、前述の第３のパルスレーザ光ＰＬ３として波長変換システム１３から出力される。
　　１．４　課題
　次に、比較例に係る露光装置用レーザ装置２に含まれる波長変換システム１３の課題について説明する。波長変換システム１３は、第１のＣＬＢＯ結晶５０ａから出力される和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２との偏光状態が異なり、これらの偏光状態を一致させて第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂに入射させるために光路を分岐・合流する必要がある。そして、分岐した２つの光路の一方に１／２波長板５４を配置する必要がある。このために、波長変換システム１３では、光路を分岐・合流するためのダイクロイックミラーや高反射ミラー等の光学素子が必要であるので、サイズ及び設置面積が大きくなる。また、これらの光学素子は、紫外光に対する損傷閾値が低いので、パルスレーザ光の高出力化が困難である。
　２．第１の実施形態
　次に、本開示の第１の実施形態に係る露光装置用レーザ装置について説明する。第１の実施形態に係る露光装置用レーザ装置は、波長変換システムの構成が異なること以外は、図１及び図２に示した比較例に係る露光装置用レーザ装置２の構成と同一である。以下では、図１に示した比較例に係る露光装置用レーザ装置２の構成要素と略同じ部分については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
　　２．１　全体構成
　図５は、第１の実施形態に係る波長変換システム１３ａの構成を概略的に示す。波長変換システム１３ａは、第１及び第２のＣＬＢＯ結晶６０ａ，６０ｂと、第１～第３のダイクロイックミラー６１ａ～６１ｃと、集光レンズ６２と、ダンパ６３と、を含む。
　第１のダイクロイックミラー６１ａは、比較例の第１のダイクロイックミラー５１ａと同様の構成であり、第１のパルスレーザ光ＰＬ１を高反射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高透過させる膜がコートされている。第１のダイクロイックミラー６１ａの一方の面には、第１のパルスレーザ光ＰＬ１が入射する。第１のダイクロイックミラー６１ａの他方の面には、集光レンズ６２を介して第２のパルスレーザ光ＰＬ２が入射する。第１のダイクロイックミラー６１ａは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが、光路軸が一致して第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに入射するように配置されている。
　第１のパルスレーザ光ＰＬ１の波長は、約２５７．５ｎｍであり、特許請求の範囲に記載の第１の波長に対応する。第２のパルスレーザ光ＰＬ２の波長は、約１５５４ｎｍであり、特許請求の範囲に記載の第２の波長に対応する。
　第１のＣＬＢＯ結晶６０ａは、タイプ－２の位相整合条件を有する非線形光学結晶である。第１のＣＬＢＯ結晶６０ａでは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２との和周波である波長約２２０．９ｎｍの第１の和周波光ＳＦ１が生成される。第１の和周波光ＳＦ１の波長は、特許請求の範囲に記載の第３の波長に対応する。
　第２のダイクロイックミラー６１ｂは、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａから出力された第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１との光路上に配置されている。第２のダイクロイックミラー６１ｂは、第１のパルスレーザ光ＰＬ１を高反射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１とを高透過させる膜がコートされている。
　第２のダイクロイックミラー６１ｂにより反射された第１のパルスレーザ光ＰＬ１の光路上には、ダンパ６３が配置されている。ダンパ６３は、入射した第１のパルスレーザ光ＰＬ１を吸収する。
　第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂは、タイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶である。第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂは、第２のダイクロイックミラー６１ｂを透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１との光路上に配置されている。第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂでは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１との和周波である波長約１９３．４ｎｍの第２の和周波光ＳＦ２が生成される。第２の和周波光ＳＦ１の波長は、特許請求の範囲に記載の第４の波長に対応する。
　第３のダイクロイックミラー６１ｃは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と、第１及び第２の和周波光ＳＦ１，ＳＦ２との光路上に配置されている。第３のダイクロイックミラー６１ｃは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第１の和周波光ＳＦ１とを高透過させ、第２の和周波光ＳＦ２を高反射する膜がコートされている。第２の和周波光ＳＦ２は、第３のパルスレーザ光ＰＬ３として波長変換システム１３ａから出力される。
　なお、第２の波長は第１の波長より大きい。第１の波長は第３の波長より大きい。第３の波長は第４の波長より大きい。
　　２．２　ＣＬＢＯ結晶の構成
　図６は、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａの構成を示す。第１のＣＬＢＯ結晶６０ａは、その光学軸ＯＡと、入射するパルスレーザ光の光路軸ＯＰとのなす角度θ2がタイプ－２の位相整合条件を満たす位相整合角となるように構成されている。この位相整合角については、前述のＳＮＬＯを用いて位相整合角を算出することができる。第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂは、比較例の第２のＣＬＢＯ結晶５０ｂと同様の構成である。
　なお、図６によれば、第１の波長を有する第１のパルスレーザ光ＰＬ１が第１の偏光状態、第２の波長を有する第２のパルスレーザ光ＰＬ２が第２の偏光状態、第３の波長を有する第１の和周波光ＳＦ１が第２の偏光状態である。ＳＮＬＯによる位相整合角の算出結果によれば、タイプ－２のＣＬＢＯ結晶では、この他の偏光条件では位相整合角が存在しない。
　　２．３　作用
　次に、波長変換システム１３ａの作用について説明する。波長変換システム１３ａには、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが入射する。第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは共に直線偏光であり、本実施形態では、第１のパルスレーザ光ＰＬ１は、ｐ偏光として第１のダイクロイックミラー５１ａに入射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、ｓ偏光として第１のダイクロイックミラー５１ａに入射する。第１のダイクロイックミラー６１ａにより反射された第１のパルスレーザ光ＰＬ１と、第１のダイクロイックミラー６１ａを透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａにほぼ同時に入射して、和周波混合が行われる。
　第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに入射する第１のパルスレーザ光ＰＬ１は、第１の偏光状態である。第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに入射する第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、第２の偏光状態である。すなわち、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、偏光方向が互いに直交している。
　第１のＣＬＢＯ結晶６０ａでは、波長約２５７．５ｎｍと波長約１５５４ｎｍとの和周波である波長約２２０．９ｎｍの第１の和周波光ＳＦ１が生成される。ここで、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａは、タイプ－２の位相整合条件を有するので、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａから出力される第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、偏光方向が互いに平行である。
　第２のダイクロイックミラー６１ｂでは、第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが、第１のパルスレーザ光ＰＬ１から分離される。第１のパルスレーザ光ＰＬ１は、ダンパ６３に吸収される。
　第２のダイクロイックミラー６１ｂで分離された第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂにほぼ同時に入射する。第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射する和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、共に第２の偏光状態であり、偏光方向が互いに平行である。
　第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂでは、波長約２２０．９ｎｍと波長約１５５４ｎｍとの和周波である波長約１９３．４ｎｍの第２の和周波光ＳＦ２が生成される。第２のパルスレーザ光ＰＬ２と和周波光ＳＦ１とは、第３のダイクロイックミラー６１ｃを高透過し、第２の和周波光ＳＦ２は、第３のダイクロイックミラー６１ｃにより高反射される。第３のダイクロイックミラー６１ｃにより高反射された第２の和周波光ＳＦ２は、第３の高反射ミラー５２ｃにより反射され、前述の第３のパルスレーザ光ＰＬ３として波長変換システム１３ａから出力される。
　　２．４　効果
　次に、本実施形態に係る露光装置用レーザ装置に含まれる波長変換システム１３ａの効果について説明する。本実施形態では、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａは、タイプ－２の位相整合条件を有する。第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに、偏光方向が互いに直交する第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２を入射させているので、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａから出力される第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２との偏光方向は互いに平行である。このため、本実施形態では、比較例で示したような光路を分岐・合流するためのダイクロイックミラーや高反射ミラー等の光学素子を用いずに、第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とを、タイプ－１の位相整合条件を有する第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射させることができる。
　この結果、比較例に比べて、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとの間の光路を短縮することができ、装置がコンパクト化する。また、光学素子が少なくて済むので、光学素子がダメージを受ける確率が低減する。
　また、第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、波長が約１５５４ｎｍと長い赤外光であるので発散しやすい。しかし、本実施形態では、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとの間の光路を、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を平行光とみなせる範囲内まで短くすることができるので、比較例で用いたようなコリメータレンズも省略可能である。
　なお、本実施形態では、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとの間に第２のダイクロイックミラー６１ｂを配置することにより、第１のパルスレーザ光ＰＬ１を、第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射させないようにダンパ６３に導いている。しかし、第１のパルスレーザ光ＰＬ１が第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射したとしても波長変換が生じることはないため、第２のダイクロイックミラー６１ｂとダンパ６３とは省略可能である。これにより、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとの間の光路をさらに短縮することができる。
　また、本実施形態では、上流側の第１のＣＬＢＯ結晶６０ａをタイプ－２の位相整合条件を有する非線形光学結晶とし、下流側の第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂをタイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶としている。原理的には、上記とは逆に、上流側の第１のＣＬＢＯ結晶６０ａをタイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶とし、下流側の第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂをタイプ－２の位相整合条件を有する非線形光学結晶とすることも可能である。しかし、本実施形態のように、上流側の第１のＣＬＢＯ結晶６０ａをタイプ－２とする場合の方が、下流側の第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂをタイプ－２とする場合より、以下の点で利点がある。
　表１は、タイプ－１の結晶とタイプ－２の結晶との間での非線形光学定数及び入射許容角の違いを示す。両者の間で、非線形定数はほぼ同等である。しかし、図７に示すように、タイプ－２の結晶は、波長が約１５５４ｎｍと長い赤外光の第２のパルスレーザ光ＰＬ２に対する入射角許容幅（ｍｒａｄ・ｃｍ）が約１１．０８と、タイプ－１の結晶の場合の値である約２．５６と比べて極めて大きい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　したがって、仮に、赤外光の第２のパルスレーザ光ＰＬ２を先にタイプ－１の結晶に入射させる場合には、結晶の入射端部において良好な角度で入射しない成分が多く発生する。この場合、第２のパルスレーザ光ＰＬ２が先に通過する結晶で第２のパルスレーザ光ＰＬ２のロスが多く発生するので、生成される第１の和周波光ＳＦ１の強度が低くなってしまう。これに対して、本実施形態のように、赤外光の第２のパルスレーザ光ＰＬ２を先にタイプ－２の結晶に入射させる場合には、結晶の入射端部におけるロスが少ないため、高い強度の第１の和周波光ＳＦ１が発生される。第１の和周波光ＳＦ１が高いと、次段の結晶で生成される第２の和周波光ＳＦ２の強度も高くなる。このように、上流側の第１のＣＬＢＯ結晶６０ａをタイプ－２とすることにより、変換効率が向上し、第１の和周波光ＳＦ１と第２の和周波光ＳＦ２との強度が高くなる。
　３．第２の実施形態
　次に、本開示の第２の実施形態に係る露光装置用レーザ装置について説明する。第２の実施形態に係る露光装置用レーザ装置は、波長変換システムの構成が異なること以外は、第１の実施形態に係る露光装置用レーザ装置の構成と同一である。以下では、図４に示した波長変換システム１３ａの構成要素と略同じ部分については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
　　３．１　構成
　図８は、第２の実施形態に係る波長変換システム１３ｂの構成を概略的に示す。波長変換システム１３ｂは、タイプ－２の位相整合条件を有する非線形光学結晶である第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに代えて、タイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶である第１のＣＬＢＯ結晶７０ａを用いる。また、本実施形態では、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとの間に、二波長波長板７１を配置する。
　二波長波長板７１は、２つの波長で特定の位相差を示す波長板である。具体的には、二波長波長板７１は、波長約２５７．５ｎｍの第１のパルスレーザ光ＰＬ１の偏光方向を変えず、波長約１５５４ｎｍの第２のパルスレーザ光ＰＬ２の偏光方向を９０°回転させる。
　また、本実施形態では、タイプ－１の位相整合条件を有する第１のＣＬＢＯ結晶７０ａを用いるので、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａに入射させる第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２を、第１の偏光状態とする。
　　３．２　作用
　次に、波長変換システム１３ｂの作用について説明する。波長変換システム１３ｂには、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが入射する。第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは共に直線偏光であり、本実施形態では、第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２は、共にｐ偏光として第１のダイクロイックミラー５１ａに入射する。第１のダイクロイックミラー６１ａにより反射された第１のパルスレーザ光ＰＬ１と、第１のダイクロイックミラー６１ａを透過した第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａにほぼ同時に入射して、和周波混合が行われる。
　第１のＣＬＢＯ結晶７０ａに入射する第１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ１，ＰＬ２は、共に第１の偏光状態である。第１のＣＬＢＯ結晶７０ａでは、波長約２５７．５ｎｍと波長約１５５４ｎｍとの和周波である波長約２２０．９ｎｍの第１の和周波光ＳＦ１が生成される。ここで、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａは、タイプ－１の位相整合条件を有するので、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａから出力される第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、偏光方向が互いに直交する。具体的には、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａから出力される第１の和周波光ＳＦ１は第２の偏光状態であり、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａから出力される第２のパルスレーザ光ＰＬ２は第１の偏光状態である。
　第２のダイクロイックミラー６１ｂ及びダンパ６３の作用は第１の実施形態と同様であり、第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが、第１のパルスレーザ光ＰＬ１から分離される。第２のダイクロイックミラー６１ｂで分離された第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、二波長波長板７１に入射する。二波長波長板７１では、透過する第１の和周波光ＳＦ１の偏光方向は変わらず第２の偏光状態のままであり、第２のパルスレーザ光ＰＬ２の偏光方向が９０°回転して第２の偏光状態となる。
　二波長波長板７１を透過した第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂにほぼ同時に入射する。第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射する第１の和周波光ＳＦ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とは、共に第２の偏光状態である。
　第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂと第３のダイクロイックミラー６１ｃとの作用は、第１の実施形態と同様である。第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂでは、波長約１９３．４ｎｍの第２の和周波光ＳＦ２が生成される。第３のダイクロイックミラー６１ｃにより高反射された第２の和周波光ＳＦ２は、第３の高反射ミラー５２ｃにより反射され、前述の第３のパルスレーザ光ＰＬ３として波長変換システム１３ｂから出力される。
　　３．３　効果
　次に、本実施形態に係る露光装置用レーザ装置に含まれる波長変換システム１３ｂの効果について説明する。本実施形態では、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとの間に二波長波長板７１を配置することにより、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとを共にタイプ－１の位相整合条件を有する非線形光学結晶とすることができる。タイプ－１の結晶は、タイプ－２の結晶よりも入手性が高い。したがって、本実施形態は、第１の実施形態の効果に加えて、波長変換システム１３ｂを安価に製造することができるという効果を有する。
　なお、製造コストを考慮しなければ、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとを共にタイプ－２の結晶とすることも可能である。しかし、この場合には、表２に示すように、第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂの非線形定数（ｐｍ／Ｖ）が約０．６９２と、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとが共にタイプ－１の結晶の場合の値である約０．９９８と比べて低くなってしまう。したがって、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａと第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂとを共にタイプ－２の結晶とすることは、本実施形態と比べてあまり利点はない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　４．ビーム径の関係
　次に、第１の実施形態において、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａ及び第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射する各パルスレーザ光のビーム径について説明する。
　図９Ａにおいて、Ｗａは、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに入射する入射端面における第２のパルスレーザ光ＰＬ２のビーム径を示す。Ｗｂは、第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射する入射端面における第２のパルスレーザ光ＰＬ２のビーム径を示す。第２のパルスレーザ光ＰＬ２は赤外光であり、ビームウェストが顕著に現れる。Ｗｃは、第２のパルスレーザ光ＰＬ２のビームウェスト位置におけるビーム径を示す。
　図９Ｂにおいて、Ｗｄは、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａに入射する入射端面における第１のパルスレーザ光ＰＬ１のビーム径を示す。Ｗｅは、第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射する入射端面における第１の和周波光ＳＦ１のビーム径を示す。
　各ビーム径は、Ｗａ＞Ｗｂ及びＷｄ＞Ｗｅの関係を満たすことが好ましい。さらに、Ｗａ＜Ｗｄ及びＷｂ＜Ｗｅの関係を満たすことが好ましい。また、第２のパルスレーザ光ＰＬ２のビームウェスト位置は、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａの出射端面の位置から第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂの中央の位置までの範囲Ｒ１内に位置することが好ましい。
　表３は、第１のＣＬＢＯ結晶６０ａ及び第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂの各端面におけるパルスレーザ光の強度の理想値を示す。各強度は、理想値の±２０％の範囲内であることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、第２の実施形態において、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａ及び第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂに入射する各パルスレーザ光のビーム径について説明する。図１０Ａおよび図１０ＢにおけるＷａ～Ｗｅは、上記第２の実施形態の場合の定義と同様である。第２の実施形態においても各ビーム径は、Ｗａ＞Ｗｂ及びＷｄ＞Ｗｄの関係を満たすことが好ましい。さらに、Ｗａ＜Ｗｄ及びＷｂ＜Ｗｅの関係を満たすことが好ましい。また、第２の実施形態においては、第２のパルスレーザ光ＰＬ２のビームウェスト位置は、二波長波長板７１から第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂの中央の位置までの範囲Ｒ２内に位置することが好ましい。
　第２の実施形態においても上記と同様に、第１のＣＬＢＯ結晶７０ａ及び第２のＣＬＢＯ結晶６０ｂの各端面におけるパルスレーザ光の強度は、表３に示す理想値の±２０％の範囲内であることが好ましい。
　５．波長調整可能範囲
　表４は、第１及び第２の実施形態における波長の調整可能範囲を示す。第１のパルスレーザ光ＰＬ１の波長を約２５７．５ｎｍと固定し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２を１５４９ｎｍ以上１５５７ｎｍ以下の範囲内で変化させた場合、第１の和周波光ＳＦ１の波長は２２０．８０ｎｍ以上２２０．９６ｎｍ以下の範囲内で変化する。また、この場合、第２の和周波光ＳＦ２の波長は１９３．２５ｎｍ以上１９３．５０ｎｍ以下の範囲内で変化する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　６．露光装置
　次に、露光装置８の構成について説明する。図１１において、露光装置８は、照明光学系８０と投影光学系８１とを含む。照明光学系８０は、露光装置用レーザ装置２から入射したレーザ光によって、レチクルステージＲＴのレチクルパターンを照明する。投影光学系８１は、レチクルを透過したレーザ光を、縮小投影してワークピーステーブルＷＴ上に配置された図示しないワークピースに結像させる。ワークピースはフォトレジストが塗布された半導体ウエハ等の感光基板である。
　露光装置８は、レチクルステージＲＴとワークピーステーブルＷＴとを同期して平行移動させることにより、レチクルパターンを反映したレーザ光をワークピースに露光する。以上のような露光工程を利用して半導体デバイスを製造する。以上のような露光工程によって半導体ウエハにデバイスパターンを転写し、加工することで半導体デバイスを製造することができる。
　なお、露光装置用レーザ装置２に含まれる波長変換システムは、第１の実施形態の波長変換システム１３ａと、第２の実施形態の波長変換システム１３ｂとのいずれであってもよい。
　また、上記各実施形態では、非線形光学結晶としてＣＬＢＯ結晶を用いているが、ＣＬＢＯ結晶に代えて、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）結晶やＢＢＯ（β－ＢａＢ2Ｏ4）結晶を用いることも可能である。
　上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
　本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。

Claims (18)

  1. 　波長変換システムであって、以下を備える：
    　Ａ．第１の偏光状態であって第１の波長を有する第１のパルスレーザ光と、第２の偏光状態であって第２の波長を有する第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第２の偏光状態であって前記第１の波長と前記第２の波長との和周波混合により生成される第３の波長を有する第１の和周波光と、前記第２のパルスレーザ光とを出力する第１の非線形光学結晶；及び
    　Ｂ．前記第１の非線形光学結晶から出力された前記第１の和周波光と前記第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第４の波長を有する第３のパルスレーザ光を出力する第２の非線形光学結晶。
  2. 　請求項１に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とはＣＬＢＯ結晶である。
  3. 　請求項１に記載の波長変換システムであって、
    　前記第２の波長は前記第１の波長より大きく、前記第１の波長は前記第３の波長より大きく、前記第３の波長は前記第４の波長より大きい。
  4. 　請求項３に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の波長は２５７．５ｎｍであり、
    　前記第２の波長は１５４９ｎｍ以上１５５７ｎｍ以下の範囲内であり、
    　前記第３の波長は２２０．８０ｎｍ以上２２０．９６ｎｍ以下の範囲内であり、
    　前記第４の波長は１９３．２５ｎｍ以上１９３．５０ｎｍ以下の範囲内である。
  5. 　請求項１に記載の波長変換システムであって、
    　前記第４の波長は、前記第２の波長と前記第３の波長との和周波混合により生成される。
  6. 　請求項１に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の偏光状態と前記第２の偏光状態とは、非線形光学結晶の光学軸と入射光の光路軸とで定義される面に対して、偏光方向が平行あるいは垂直な直線偏光であり、偏光方向が互いに直交する。
  7. 　請求項１に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の非線形光学結晶は、タイプ－２の位相整合条件を有し、前記第２の非線形光学結晶は、タイプ－１の位相整合条件を有する。
  8. 　波長変換システムであって、以下を備える：
    　Ａ．第１の偏光状態であって第１の波長を有する第１のパルスレーザ光と、第１の偏光状態であって第２の波長を有する第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第２の偏光状態であって前記第１の波長と前記第２の波長との和周波混合により生成される第３の波長を有する第１の和周波光と、前記第２のパルスレーザ光とを出力する第１の非線形光学結晶；
    　Ｂ．前記第１の非線形光学結晶から出力された前記第１の和周波光と前記第２のパルスレーザ光とが入力され、前記第１の和周波光の偏光状態を変えずに、前記第２のパルスレーザ光の偏光状態を第２の偏光状態に変更する波長板；及び
    　Ｃ．前記波長板を透過した前記第１の和周波光と前記第２のパルスレーザ光とが入力されることにより、第４の波長を有する第３のパルスレーザ光を出力する第２の非線形光学結晶。
  9. 　請求項８に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶とはＣＬＢＯ結晶である。
  10. 　請求項８に記載の波長変換システムであって、
    　前記第２の波長は前記第１の波長より大きく、前記第１の波長は前記第３の波長より大きく、前記第３の波長は前記第４の波長より大きい。
  11. 　請求項１０に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の波長は２５７．５ｎｍであり、
    　前記第２の波長は１５４９ｎｍ以上１５５７ｎｍ以下の範囲内であり、
    　前記第３の波長は２２０．８０ｎｍ以上２２０．９６ｎｍ以下の範囲内であり、
    　前記第４の波長は１９３．２５ｎｍ以上１９３．５０ｎｍ以下の範囲内である。
  12. 　請求項８に記載の波長変換システムであって、
    　前記第４の波長は、前記第２の波長と前記第３の波長との和周波混合により生成される。
  13. 　請求項８に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の偏光状態と前記第２の偏光状態とは、非線形光学結晶の光学軸と入射光の光路軸とで定義される面に対して、偏光方向が平行あるいは垂直な直線偏光であり、偏光方向が互いに直交する。
  14. 　請求項８に記載の波長変換システムであって、
    　前記第１の非線形光学結晶は、タイプ－１の位相整合条件を有し、前記第２の非線形光学結晶は、タイプ－１の位相整合条件を有する。
  15. 　請求項１に記載の波長変換システムを含む露光装置用レーザ装置から出力されるレーザ光によりワークピースに露光を行い、前記ワークピースを加工する加工方法。
  16. 　請求項１５に記載の加工方法であって、
    　前記ワークピースは、半導体ウエハである。
  17. 　請求項８に記載の波長変換システムを含む露光装置用レーザ装置から出力されるレーザ光によりワークピースに露光を行い、前記ワークピースを加工する加工方法。
  18. 　請求項１５に記載の加工方法であって、
    　前記ワークピースは、半導体ウエハである。
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