(57)【要約】  レーザ装置は、基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、基本波レーザ光を波長変換して変換レーザ光を出力する波長変換部と、変換レーザ光のパワーが一定になるように基本波レーザ光のパワーを制御するパワーフィードバック回路と、波長変換光学素子における位相整合に関する状態量を変化させる位相整合調整構造と、位相整合調整構造の動作を制御する位相整合制御回路とを備える。位相整合制御回路は、パワーフィードバック回路により変換レーザ光のパワーが一定になるように制御された状態において、位相整合調整構造により状態量を所定範囲で変化させ、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光のパワーが最小となる状態量に調整するように構成される。
2013133278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
波長変換光学素子を有し、前記レーザ光出力部から出力された前記基本波レーザ光を波長変換して変換レーザ光を出力する波長変換部と、
前記波長変換部から出力される前記変換レーザ光のパワーを検出する出力検出器と、
前記出力検出器により検出された前記変換レーザ光のパワーに基づいて、前記波長変換部から出力する前記変換レーザ光のパワーが一定になるように、前記レーザ光出力部から出力する前記基本波レーザ光のパワーを制御するパワーフィードバック回路と、
前記波長変換光学素子における位相整合に関する状態量を変化させて、当該波長変換光学素子において位相整合条件を満たすように調整可能に構成された位相整合調整構造と、
前記位相整合調整構造による前記状態量の設定を制御する位相整合制御回路とを備え、
前記位相整合制御回路は、前記パワーフィードバック回路により前記変換レーザ光のパワーが一定になるように制御された状態において、前記位相整合調整構造により前記状態量を所定範囲で変化させ、前記レーザ光出力部から出力する前記基本波レーザ光のパワーが最小となる状態量に調整するレーザ装置。
【請求項２】
前記パワーフィードバック回路により前記変換レーザ光のパワーを制御する制御ループの周期をｐaとし、前記位相整合調整構造により前記状態量を所定範囲で変化させる周期
をｐbとしたときに、ｐb≧４ｐaである、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記波長変換光学素子に入射するレーザ光の入射位置をシフトさせるシフト機構を備え、
前記位相整合制御回路は、前記シフト機構により前記レーザ光の入射位置がシフトされたときに、前記位相整合調整構造による前記状態量の調整を行う請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記状態量は前記波長変換光学素子の温度であり、
前記位相整合調整構造は前記波長変換光学素子の温度を変化させる温度調整機器である請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記波長変換光学素子における位相整合は、非臨界位相整合である請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記状態量は前記波長変換光学素子に入射するレーザ光の入射角度であり、
前記位相整合調整構造は前記入射角度を変化させる角度調整機器である請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、
露光対象物を保持する露光対象物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記マスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、
前記フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系と
を備えた露光装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
被検物を保持する被検物支持部と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、
前記被検物からの光を検出器に投影する投影光学系と
を備えた検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部から出力された基本波レーザ光を波長変換して変換レーザ光を出力する波長変換部とを備えたレーザ装置に関する。また、このようなレーザ装置を備えた露光装置及び検査装置等のレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなレーザ装置は、例えば顕微鏡や形状測定装置、露光装置、検査装置などのレーザシステムの光源として用いられている。レーザ装置の出力波長は、この装置が組み込まれるレーザシステムの用途及び機能に応じて設定される。具体的には、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光の波長や、波長変換部に設ける波長変換光学素子の種類及び組み合わせが、上記レーザシステムの用途及び機能に応じて適宜設定される（特許文献１を参照）。【０００３】
波長変換光学素子（非線形光学結晶）により波長変換を行うためには、波長変換過程における位相整合条件を満たす必要がある。例えば、位相整合が臨界位相整合（ＣＰＭ：Critical Phase Matching）の場合には、所定の温度環境において波長変換光学素子の光学軸に対するレーザ光の入射角度が所定の位相整合角と合致するように、レーザ光に対する波長変換光学素子の角度を調整する。位相整合が非臨界位相整合（ＮＣＰＭ：Non-Critical Phase Matching）の場合には、所定の入射環境（波長変換光学素子の光学軸に対するレーザ光の入射角度が９０度または０度の状態）において、波長変換素子を構成する非線形光学結晶の温度が所定の位相整合温度となるように、波長変換光学素子の温度を調整する。（特許文献２、特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００４−８６１９３号公報
【特許文献２】日本国特開２００２−９０７８７号公報
【特許文献３】日本国特開２００８−１２２７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長変換光学素子は、当該波長変換光学素子により実施しようとする波長変換に応じた結晶の角度となるように、所望の形状寸法（例えば入射面が５mm×５mmで長さが２０mm等）に切り出される。従って、波長変換光学素子の入射面に入射されたレーザ光が、入射面内の任意の入射位置において位相整合条件が満たされるように、臨界位相整合（ＣＰＭ）の場合には波長変換光学素子の角度を、また、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）の場合には波長変換を構成する非線形光学結晶の温度を調整すれば、レーザ光を相対的に平行移動させた後の入射位置においても位相整合条件は満たされるはずである。しかしながら、実際には、非線形光学結晶の組成を完全に均一にすることは難しい。また、非線形光学結晶内の温度を完全に均一にすることは難しく、入射面には温度分布が発生する。そのため、レーザ光の入射位置が変化すると、その大きさは様々であるが、一般的に位相整合条件が満たされない状態、すなわち位相不整合が発生する。【０００６】
また、波長変換光学素子は、波長変換を行っているうちに、波長変換光学素子を透過するレーザ光により損傷を受けて徐々に劣化する。この現象は透過するレーザ光のパワーが高いほど、また、透過するレーザ光の波長が短いほど顕著に表れる。波長変換光学素子に入射するレーザ光のパワーが数十Ｗ以上となるハイパワーのレーザ装置や、波長変換光学素子で発生するレーザ光の波長が紫外領域のレーザ装置では、レーザ光出力が所定時間となるごとに波長変換光学素子を自動的に平行移動させてレーザ光の入射位置をシフトさせるシフト機構が設けられている。なお、変換光学素子に入射するレーザハイパワーでないものや、波長変換光学素子で発生するレーザ光の波長が紫外領域でないレーザ装置であっても、波長変換光学素子を効率的に使用するため、シフト機構が設けられているものもある。【０００７】
上記のように、波長変換光学素子をシフトさせてレーザ光の入射位置を変化させた場合、位相不整合が発生する。発生する位相不整合の大きさ、すなわち位相不整合量はシフト量が一定でも同一になるとは限らない。レーザ光の入射位置が入射面における端部に近い場合、入射位置の変化に伴って発生する位相不整合量の変化が大きくなる場合がある。そのため、位相不整合を解消するための確認作業や調整作業を、波長変換光学素子へのレーザ光の入射位置に応じて、波長変換光学素子をシフトさせるごとに実施するか、あるいは、所定回数シフトさせてから実施するか、選択する必要があった。このような異なる作業手順を選択して実施することは煩雑であるとともに、レーザ装置の稼働率向上を妨げる一つの要因になっていた。【０００８】
また、波長変換光学素子をシフトさせない場合であっても、波長変換光学素子にハイパワーのレーザ光が長時間照射されることで、フォトリフラクティブ効果等により波長変換光学素子の屈折率が変化し、位相不整合が発生することも考えられる。この場合も同様に位相不整合を解消するための調整作業が必要となる。【０００９】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、煩雑な調整作業を排除し、稼働中に位相不整合を解消可能なレーザ装置を提供する。また、調整作業のためのダウンタイムを排除することにより、稼働率を向上させた露光装置、検査装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、レーザ装置は、基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有し、レーザ光出力部から出力された基本波レーザ光を波長変換して変換レーザ光を出力する波長変換部と、波長変換部から出力される変換レーザ光のパワーを検出する出力検出器と、出力検出器により検出された変換レーザ光のパワーに基づいて、波長変換部から出力する変換レーザ光のパワーが一定になるように、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光のパワーを制御するパワーフィードバック回路と、波長変換光学素子における位相整合に関する状態量を変化させて、当該波長変換光学素子において位相整合条件を満たすように調整可能に構成された位相整合調整構造と、位相整合調整構造による状態量の設定を制御する位相整合制御回路とを備え、位相整合制御回路は、パワーフィードバック回路により変換レーザ光のパワーが一定になるように制御された状態において、位相整合調整構造により状態量を所定範囲で変化させ、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光のパワーが最小となる状態量に調整するように構成される。【００１１】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様のレーザ装置において、パワーフィードバック回路により変換レーザ光のパワーを制御する制御ループの周期をｐaとし、位相整合調整構造により状態量を所定範囲で変化させる周期をｐbとしたときに、ｐb≧４ｐaであるように構成することが好ましい。【００１２】
本発明の第３の態様によれば、第１または第２の態様のレーザ装置において、波長変換光学素子に入射するレーザ光の入射位置を入射面内でシフトさせるシフト機構を備え、位相整合制御回路は、シフト機構によりレーザ光の入射位置がシフトされたときに、位相整合調整構造による状態量の調整を行うように構成することが好ましい。【００１３】
本発明の第４の態様によれば、第１〜第３の態様のレーザ装置において、状態量は波長変換光学素子の温度であり、位相整合調整構造は波長変換光学素子の温度を変化させる温度調整機器とすることが好ましい。【００１４】
本発明の第５の態様によれば、第４の態様のレーザ装置において、波長変換光学素子における位相整合は、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）とすることが好ましい。【００１５】
本発明の第６の態様によれば、第１〜第３の態様のレーザ装置において、状態量は波長変換光学素子に入射するレーザ光の入射角度であり、位相整合調整構造は入射角度を変化させる角度調整機器とすることが好ましい。【００１６】
本発明の第７の態様によれば、露光装置は、第１〜第６の態様のレーザ装置と、所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光をマスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。【００１７】
本発明の第８の態様によれば、検査装置は、第１〜第６の態様のレーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光を被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るレーザ装置においては、位相整合制御回路が、パワーフィードバック回路により変換レーザ光のパワーが一定になるように制御された状態で、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光のパワーが最小となる状態、すなわち、波長変換効率が最大となるように、位相整合に関する状態量を調整する。そのため、調整用の治具等を用いた煩雑な調整作業を行うことなく、稼働中に位相不整合を解消可能なレーザ装置を提供することができる。【００１９】
本発明に係る露光装置は、稼働中に位相不整合を解消可能なレーザ装置を備えている。そのため、位相整合調整作業のためのダウンタイムを排除でき、稼働率を向上させた露光装置を提供することができる。【００２０】
本発明に係る検査装置は、稼働中に位相不整合を解消可能なレーザ装置を備えている。そのため、位相整合調整作業のためのダウンタイムを排除でき、稼働率を向上させた検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の一実施例としてのレーザ装置の概要構成図である。
【図２】図２は、第１構成形態の位相整合最適化装置の概要構成図である。
【図３】図３は、波長変換光学素子の温度と波長変換効率との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、位相整合最適化装置による調整作用を説明するための説明図である。
【図５】図５は、第２構成形態の位相整合最適化装置の概要構成図である。
【図６】図６は、波長変換光学素子に入射するレーザ光の入射角と波長変換効率との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明に係るレーザ装置を備えたシステムの第１の適用例としての露光装置の概要構成図である。
【図８】図８は、本発明に係るレーザ装置を備えたシステムの第２の適用例としての検査装置の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の一構成例としてレーザ装置ＬＳの概要構成図を図１に示す。レーザ装置ＬＳは、基本波レーザ光Ｌaを出力するレーザ光出力部１と、レーザ光出力部１から出力された基本波レーザ光を波長変換して変換レーザ光Ｌvを出力する波長変換部３と、レーザ光出力部１及び波長変換部３の動作を制御する制御部８とを備えて構成される。
【００２３】
レーザ光出力部１や波長変換部３の具体的な構成は、特許文献１にも開示されているように多数の形態がある。本実施形態においては、レーザ光出力部１から出力する基本波レーザ光Ｌaの波長を１０６４ｎｍ、波長変換部から出力する変換レーザ光Ｌvの波長を３５５ｎｍとした場合を例として説明する。
【００２４】
レーザ光出力部１は、シード光を出射する光源部１０と、光源部１０から出射されたシード光を増幅する増幅部２０とから構成される。
【００２５】
光源部１０は、基本波波長のレーザ光を発生する信号光源１１を主体として構成される。信号光源１１は、発振波長が１０６４ｎｍ近傍のＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ペルチェ素子等を利用した温度調整器によって温度制御することにより、発振波長を所定範囲に狭帯域化して、単一波長のシード光を発生させることができる。また、ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することにより任意強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができる。
【００２６】
本構成例では、信号光源１１の出射端部に、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）等の外部変調器１５を設け、パルス発振させた信号光源１１の出力光を外部変調器１５により切り出して、所要パルス波形のシード光Ｌsを増幅部２０に出力する形態を示す。
【００２７】
増幅部２０は、光源部１０から出力されたシード光Ｌsを増幅するファイバ増幅器を主体として構成される。図１には、三つのファイバ増幅器２１，２２，２３を直列に接続した構成例を示す。ファイバ増幅器２１，２２，２３として、イッテルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）を好適に用いることができる。
【００２８】
ファイバ増幅器２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた増幅用ファイバ２１ａと、増幅用ファイバに励起光を供給してイッテルビウムを励起する励起光源２１ｂとを主体として構成される。ファイバ増幅器２２及び２３についても同様であり、各々増幅用ファイバ２２ａ，２３ａ、励起光源２２ｂ，２３ｂを有して構成される。励起光源２１ｂ，２２ｂ，２３ｂには、例えば半導体レーザやラマンレーザが用いられる。
【００２９】
イッテルビウム・ドープ・ファイバ増幅器は、波長が１０００〜１１００ｎｍの帯域に利得を有する。そのため、波長が１０６４ｎｍのシード光Ｌsを効率的に増幅することができる。各ファイバ増幅器のゲインは、増幅用ファイバを励起する励起光のパワーを制御すること、具体的には励起光源２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの駆動電力（励起電力）を制御することにより調整することができる。
【００３０】
増幅部２０に入射したシード光Ｌsは、まず１段目のファイバ増幅器２１に入射して増幅され、続いて２段目のファイバ増幅器２２、３段目のファイバ増幅器２３に順次入射して順次増幅される。これら３段のファイバ増幅器によって増幅されたシード光、すなわち基本波レーザ光Ｌaは、レーザ光出力部１から出力され、波長変換部３に入射する。レーザ光出力部１から出力される基本波レーザ光Ｌaのパワーは５０〜１００Ｗ程度と高く、高出力の基本波レーザ光Ｌaが波長変換部３に入射する。
【００３１】
なお、本構成例では高パワーの基本波レーザ光Ｌaを出力する場合の構成として、増幅部２０に３段のファイバ増幅器を設けた構成を例示したが、所要のパワーに応じて単段、２段等に適宜構成することができる。また、レーザ光出力部１は、所要パワーの基本波レーザ光を出力可能な構成であれば良く、例えば、ファイバ増幅器の入出射端に共振器を組み込んだファイバレーザ（ファイバレーザとしてはＹｂファイバレーザを用いる）や、ＹＡＧレーザ等により構成しても良い。
【００３２】
波長変換部３には、レーザ光出力部１から出力された基本波レーザ光Ｌaが入射する波長変換光学系３０が設けられている。波長変換光学系３０は、二つの波長変換光学素子３１，３２を主体とし、図示省略するレンズやカプラ等を有して構成される。波長変換部３に入射した基本波レーザ光Ｌaは、レンズを介して波長変換光学素子３１に集光入射する。
【００３３】
波長変換光学素子３１は、第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）により基本波レーザ光Ｌaの第２高調波を発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３１に入射した波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光Ｌaは、この波長変換光学素子３１を伝播する過程で波長変換され、基本波レーザ光Ｌaの第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光（以下、５３２ｎｍ光という）が発生する。本構成例においては、波長変換光学素子３１としてＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶を用いる。ＬＢＯ結晶を用いた場合には、５３２ｎｍ光を発生させる波長変換における位相整合を、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ：Non-Critical Phase Matching）とすることができる。
【００３４】
具体的には、ＬＢＯ結晶の入射面に、基本波レーザ光Ｌaを略垂直に入射させ、結晶温度が非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）の位相整合条件を満たす温度（１４８℃）になるように調整することで位相整合を行うことができる。位相整合が非臨界位相整合の場合には、発生する５３２ｎｍ光にウォークオフが生じない。そのため、十分な相互作用長を確保して効率的に波長変換を行うことができる。また、出力される５３２ｎｍ光のビーム断面が楕円化しないため、シリンドリカルレンズ等のビーム整形光学素子を設ける必要がなく、次段の波長変換光学素子３２において効率的に波長変換することができる。
【００３５】
なお、５３２ｎｍ光を発生させるための波長変換光学素子３１としては、結晶に入射する基本波レーザ光Ｌaのパワー等に応じて、ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ3）結晶や、ＰＰＬＴ（Periodically Poled ＬiＴaＯ3）結晶、ＰＰＫＴＰ（Periodically Poled ＫＴiＯＰＯ4）結晶、ＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶などを用いることもできる。波長変換光学素子３１で発生した５３２ｎｍ光と、波長変換光学素子３１を透過した基本波レーザ光は、不図示の２波長波長板を通して何れか一方のレーザ光のみ偏向面を９０℃回転させ、レンズを介して波長変換光学素子３２に集光入射する。
【００３６】
波長変換光学素子３２は、和周波発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）により基本波レーザ光Ｌaと５３２ｎｍ光との和周波を発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３２に入射した基本波レーザ光Ｌa及び５３２ｎｍ光は、波長変換光学素子３２を伝播する過程で波長変換され、基本波レーザ光Ｌaの第３高調波である波長３５４．６ｎｍのレーザ光（変換レーザ光、便宜的に３５５ｎｍ光とも称する）Ｌvが発生する。波長変換光学素子３２としてＬＢＯ結晶を好適に用いることができる。ＬＢＯ結晶による３５５ｎｍ光発生の波長変換における位相整合は、タイプＩの臨界位相整合（ＣＰＭ：Critical Phase Matching）となる。
【００３７】
具体的には、波長変換光学素子３２の温度を５０〜１００℃の所定温度（例えば８０℃程度）に設定し、当該温度において、非線形光学結晶の光学軸に対する基本波レーザ光及び５３２ｎｍ光の入射角度が臨界位相整合（ＣＰＭ）の位相整合条件を満たすように、波長変換光学素子３２の角度位置を調整することで位相整合を行うことができる。なお、３５５ｎｍ光発生用の波長変換光学素子３２としては、ＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ6Ｏ10）結晶などを用いても良い。
【００３８】
波長変換光学素子３２で発生した３５５ｎｍ光は波長変換部３から出射され、変換レーザ光Ｌvとしてレーザ装置ＬＳから出力される。
【００３９】
制御部８は、信号光源１１や外部変調器１５、ファイバ増幅器２１〜２３、を含むレーザ装置全体の動作を制御するコントロールユニットである。制御部８には、詳細図示を省略するが、レーザ装置ＬＳの制御プログラムや各種パラメータが格納された記憶部、制御プログラムに基づいて演算処理を実行する演算処理部、各部を駆動するドライバなどが設けられている。また、制御部８の操作盤には、レーザ装置のオペレータが操作するキーボードや各種のスイッチ類、制御プログラムの実行状態や各種アラーム等を表示する表示パネルやランプ類などが設けられている。
【００４０】
波長変換部３には、波長変換光学素子３２から出射された変換レーザ光Ｌvの一部を分岐させてパワーを検出する出力検出器５１が設けられ、制御部８には、波長変換部３から出力される変換レーザ光のパワーが所定パワーになるように、レーザ光出力部１の動作を制御するパワーフィードバック回路５５が設けられている。パワーフィードバック回路５５は、レーザ装置ＬＳの制御プログラムにおいて指定された出力指令値と、出力検出器５１により検出された変換レーザ光Ｌvのパワーとを比較し、変換レーザ光Ｌvのパワーが出力指令値と一致するように、レーザ光出力部１から出力する基本波レーザ光Ｌaのパワーを制御する。
【００４１】
例えば、出力検出器５１によって検出された変換レーザ光Ｌvのパワーが、制御プログラムにおいて指定された出力指令値よりも低い場合には、その偏差に応じてレーザ光出力部１から出力する基本波レーザ光Ｌaのパワーを増加させ、変換レーザ光Ｌvのパワーが出力指令値と一致する（出力指令値を中心とする所定の幅内になる）ように制御する。例えば、ファイバ増幅器２３における、励起光源２３ｂから出力される励起光のパワーを制御することにより、増幅用ファイバ２３ａのゲインを変化させ、レーザ光出力部１から出力する基本波レーザ光Ｌaのパワーを制御する。パワーフィードバック回路５５が変換レーザ光Ｌvのパワーを制御する制御ループの周期ｐaは、１０ｍsec〜１sec（例えば１０ｍsec、制御周波数ｆa＝１００Hz程度）に設定されており、短周期で変換レーザ光のパワーがフィードバック制御される。
【００４２】
このようにして、パワーフィードバック回路５５によりパワーが制御された状態においては、波長変換部３から出力される変換レーザ光Ｌvのパワーは、制御プログラムで指定された出力指令値のパワーで一定に維持されるようになっている。
【００４３】
以上説明した構成例のレーザ装置ＬＳにおいては、波長変換部３には波長変換光学素子３１，３２に入射するレーザ光（基本波レーザ光、あるいは５３２ｎｍ光）の入射位置を、所定の時間間隔でシフトさせるシフト機構が設けられる。また、レーザ装置ＬＳには、波長変換光学素子における位相整合状態を最適化する（位相不整合の程度を最小化する）位相整合最適化装置が設けられている。まず、位相整合最適化装置を波長変換光学素子３１に適用した場合を例として、第１構成形態の位相整合最適化装置１００について説明する。図２は、位相整合最適化装置１００の概要構成を示す図であり、波長変換光学素子３１は、入射するレーザ光に直交する面の断面図を表している。
【００４４】
位相整合最適化装置１００は、波長変換光学素子３１の位相整合に関する状態量、すなわち本構成形態においては波長変換光学素子３１の温度を調整するための温度調整器１１０と、温度調整器１１０による温度調整を制御する位相整合制御回路１２０とを備える。
【００４５】
前述したように、波長変換光学素子３１による５３２ｎｍ光発生の波長変換は、位相整合が非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）であり、レーザ光が透過する部位の温度（結晶温度）を所定の位相整合温度（１４８℃）に調整することによって、位相整合条件を満たす。そのため、温度調整器１１０は、ヒータ１１１、温度センサ１１２、及び温度コントローラ１１５等により構成される。波長変換光学素子３１は、ヒータ１１１及び温度センサ１１２が埋め込まれた結晶ホルダ１１６に保持され、入出射面を除いて保温カバー１１７により周囲が覆われている。
【００４６】
これらが一体化された結晶ユニット４０は、鉛直軸回りに回転して角度方向の調整が可能な結晶角度アジャスタ４５に取り付けられ、これにより、波長変換光学素子３１に入射する基本波レーザ光Ｌaの入射角度を調整可能としている。さらに、結晶ユニット４０は、結晶角度アジャスタ４５を介して、基本波レーザ光Ｌaの光軸に直交する面内で水平方向及び鉛直方向に移動させるシフト機構４６に取り付けられ、基本波レーザ光に対する波長変換光学素子３１の位置、すなわち基本波レーザ光Ｌaの入射位置を調整可能としている。シフト機構４６の動作は制御部８により制御される。
【００４７】
制御部８は、任意の入射位置における変換レーザ光の出力時間が予め設定された所定時間に到達するごとに、シフト機構４６にシフト動作を指示するシフト信号を出力して波長変換光学素子３１を所定量移動させ、基本波レーザ光Ｌaの入射位置を新たな位置にシフトさせる。
【００４８】
位相整合制御回路１２０は制御部８に設けられており、比較部、演算部、Ｉ／Ｏ部などからなる。具体的には、位相整合制御は、制御部８を構成するパーソナルコンピュータにプログラムされた位相整合制御プログラムが実行されることにより行われる。位相整合制御回路１２０には、パワーフィードバック回路５５により変換レーザ光のパワーが一定に制御されるパワーコントロール状態になっているか否かを表すＡＰＣ信号、シフト機構４６により波長変換光学素子３１を移動させるシフト信号、ファイバ増幅器２１〜２３を励起する励起光のパワーに対応する信号（例えば、励起光源２１ｂ，２２ｂ，２３ｂに供給する励起電力に相当する信号、以下、ＰＰ信号という）などが入力される。
【００４９】
位相整合制御回路１２０は、パワーフィードバック回路５５により変換レーザ光のパワーが一定に制御されていることを示すＡＰＣ信号がオン状態である場合において、シフト機構４６により波長変換光学素子３１を移動させるシフト信号が入力された時、温度調整器１１０の温度コントローラ１１５に位相整合調整信号を出力して波長変換光学素子３１の温度を所定範囲で変化させる。
【００５０】
温度コントローラ１１５は、位相整合制御回路１２０から位相整合調整信号が入力されると、ヒータ１１１に供給する電力を制御してヒータ１１１の発熱量を変化させ、波長変換光学素子３１の温度が所定の温度範囲で変化するように制御する。
【００５１】
図３に、波長変換光学素子３１の温度ｔと、波長変換光学素子３１の波長変換効率ηとの関係を示す。なお、縦軸の波長変換効率ηは、位相整合条件が満たされた状態を１として示している。図３に示したように、波長変換光学素子３１における波長変換効率ηは、レーザ光の通過部位の温度が位相整合条件が満たされる温度ｔpm（本構成例において位相整合温度ｔpm＝１４８℃）のときに最大になり、この温度よりも高くなっても、あるいは低くなっても低下する。
【００５２】
波長変換光学素子３１のレーザ光の通過部位の温度と波長変換効率ηとの関係は既知であり、温度コントローラ１１５が制御する温度幅Δｔは、波長変換効率ηの低下が５％程度以内となる温度幅となるように設定される。温度コントローラ１１５は、温度センサ１１２により検出される波長変換光学素子３１の温度に応じてヒータ１１１に供給する電力を制御し、波長変換光学素子３１の温度が上記所定の温度範囲で正弦波状に変化するように制御する。この所定の温度範囲で波長変換光学素子３１の温度を正弦波状に変化させる制御を、本明細書においては「温度変調制御」という。
【００５３】
温度変調制御の周期（正弦波の周期）ｐbは、前述したパワーフィードバック回路５５によるパワー制御の制御ループの周期ｐaに対して、ｐb≧４ｐaとなるように設定される。本構成例においては、パワー制御の制御ループの周期ｐa＝１０ｍsec〜１secに対して、温度変調制御の周期ｐbは５〜１５sec（例えば１０sec程度）に設定される。なお、温度変調制御の周期ｐbの具体的な値は、上記制御ループの周期ｐaとの関係に加えて、ヒータ１１１の加熱能力や結晶ホルダ１１６の熱容量等の熱的条件、波長変換光学素子３１の温度を最適化するまでに要する時間などを考慮して決定される。
【００５４】
位相整合制御回路１２０は、上記のようにパワーフィードバック回路５５により変換レーザ光のパワーが一定の状態に維持され、温度コントローラ１１５により波長変換光学素子３１の温度が正弦波状に変化する状態において、ファイバ増幅器２１〜２３を励起する励起光のパワーに対応する信号であるＰＰ信号を監視する。
【００５５】
図４に、上記制御時における、(ａ)変換レーザ光Ｌvのパワー、(ｂ)ファイバ増幅器２１〜２３を励起する励起光のパワー（ＰＰ信号）、(ｃ)波長変換光学素子３１の温度、の時間的な変化の様子を示す。
【００５６】
図４(ａ)に示す変換レーザ光のパワーは、パワーフィードバック回路５５によるパワー制御によって一定に維持される。
【００５７】
図４(ｃ)に示す波長変換光学素子３１の温度は、温度コントローラ１１５による温度変調制御により正弦波状に変化する。温度変調制御の周期ｐbは、パワーフィードバック回路によるパワー制御の周期ｐaに対してｐb≧４ｐaであるため、変換レーザ光のパワーが安定的に維持された状態で、波長変換光学素子３１の温度が正弦波状に変化する。
【００５８】
一方、波長変換光学素子３１の温度が変化するということは、波長変換光学素子３１における波長変換効率ηが変化することを意味する（図３を参照）。また、波長変換効率ηが変化するなかで、変換レーザ光Ｌvのパワーが一定に維持されるということは、パワーフィードバック回路５５によって波長変換光学素子３１に入射する基本波レーザ光Ｌaのパワーが増減制御されていること、すなわち、ファイバ増幅器２３を励起する励起光のパワーが増減制御されていることを意味する。
【００５９】
図４(ｂ)はこの状況を示しており、波長変換光学素子３１におけるレーザ光の透過部位の温度である結晶温度が、位相整合条件を満たす位相整合温度ｔpmに合致したときに、励起光のパワーが最低（波長変換効率が最大）になり、結晶温度が位相整合温度ｔpmよりも高いとき及び低いときには、ともに励起光のパワーが増大する。
【００６０】
位相整合制御回路１２０は、励起光のパワーに対応する信号であるＰＰ信号を監視し、パワーフィードバック制御下において励起光のパワーが最小となるときの波長変換光学素子３１の温度（最適化温度という）を算出する。位相整合制御回路１２０は、波長変換光学素子３１の温度を最適化温度で一定に制御すべき旨の定温制御信号を、温度コントローラ１１５に出力する。温度コントローラ１１５は、位相整合制御回路１２０から出力された定温制御信号に基づいてヒータ１１１の動作を制御し、波長変換光学素子３１の温度が最適化温度になるように調整する。次にシフト信号が入力されるまで、波長変換光学素子３１の温度が最適化温度で略一定になるように制御する。
【００６１】
シフト機構４６によって波長変換光学素子３１に入射する基本波レーザ光の入射位置が変化し、当該入射位置において位相不整合が生じた場合でも、位相整合最適化装置１００の動作により自動的に位相不整合が解消され、高効率で変換レーザ光が一定のパワーで出力される状態に設定される。これにより、位相整合状態を調整するために稼働を停止させたり、調整用の治具をセットしたりすることなく、レーザ装置ＬＳを稼働させた状態のまま位相不整合を解消することができ、常に高効率で変換レーザ光を出力することができる。これにより、稼働率が高く、電力効率が高いレーザ装置を提供することができる。
【００６２】
以上、波長変換光学素子における位相整合が非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）である場合の構成形態について説明したが、位相整合が臨界位相整合（ＣＰＭ）である場合にも適用することが可能である。この場合、波長変換光学素子の温度変化に対する波長変換効率の変化は、図３に示した例よりも緩やかになる。そのため、温度調整器１１０により変化させる波長変換光学素子の温度幅は、非臨界位相整合の場合よりも大きくなるが、同様の制御により位相整合状態を最適化することができる。
【００６３】
また、本構成形態においては、シフト機構４６により波長変換光学素子３１がシフト動作されたときに、位相整合最適化装置１００が位相整合条件の最適化を行う例を示したが、シフト動作の有無に拘わらず位相整合条件の最適化を行うように構成しても良い。例えば、レーザ装置から出力する変換レーザ光の出力時間が所定時間を経過するごとに最適化動作を行うように構成してもよい。あるいは、波長変換光学素子３１に入射する基本波レーザ光の入射位置が、入射面における端部近傍である場合には最適化動作を行うように構成してもよいし、常時、最適化動作を行うように構成しても良い。
【００６４】
次に、位相整合最適化装置を波長変換光学素子３２に適用した場合を例として、第２構成形態の位相整合最適化装置２００について説明する。図５は、位相整合最適化装置２００の概要構成を示す図であり、波長変換光学素子３２は、入射するレーザ光に直交する面の断面図を表している。
【００６５】
第２構成形態の位相整合最適化装置２００は、波長変換光学素子３２の位相整合に関する状態量、すなわち本構成形態においては波長変換光学素子３２に入射する５３２ｎｍ光の入射角度、を調整するための角度調整器２１０と、角度調整器２１０による角度設定を制御する位相整合制御回路２２０とを備える。
【００６６】
前述したように、波長変換光学素子３２による３５５ｎｍ光発生の波長変換は、位相整合が臨界位相整合（ＣＰＭ）であり、波長変換光学素子３２に入射する５３２ｎｍ光の入射角度が所定の位相整合角に合致するように調整することによって、位相整合条件を満たす。このため、角度調整器２１０は、前述した結晶角度アジャスタ４５を外部から電気的に制御可能に構成したものであり、ステッピングモータ等により結晶ホルダ１１６を鉛直軸回りに回動させる回動ステージ２１１、回動ステージ２１１の角度位置を検出するロータリエンコーダ２１２、及び回動ステージの動作を制御するステージコントローラ２１５等により構成される。
【００６７】
すなわち、第２構成形態の位相整合最適化装置２００は、制御対象が波長変換光学素子の温度から角度に代わった点を除いて、既述した第１構成形態の位相整合最適化装置１００と基本構成は同様である。そこで、各図には、同様の構成部分に同一番号を付して重複説明を省略し、以下簡潔に説明する。
【００６８】
位相整合制御回路２２０には、パワーフィードバック回路５５により変換レーザ光のパワーが一定に制御されるパワーコントロール状態になっているか否かを表すＡＰＣ信号、シフト機構４６により波長変換光学素子３２を移動させるシフト信号、ファイバ増幅器２１〜２３を励起する励起光のパワーに対応するＰＰ信号などが入力されている。
【００６９】
位相整合制御回路２２０は、変換レーザ光のパワーが一定に制御されるＡＰＣ信号がオン状態である場合において、シフト機構４６により波長変換光学素子３２を移動させるシフト信号が入力されたときに、角度調整器２１０のステージコントローラ２１５に位相整合調整信号を出力する。ステージコントローラ２１５は、位相整合制御回路２２０から位相整合調整信号が入力されると、回動ステージ２１１に駆動信号を出力して波長変換光学素子３２を所定の回動角度範囲で揺動させる。
【００７０】
図６に、波長変換光学素子３２に入射する５３２ｎｎ光の入射角θと、波長変換光学素子３２における波長変換効率ηとの関係を示す。波長変換効率ηは、位相整合条件が満たされた状態を１として示している。図６に示したように、波長変換光学素子３２における波長変換効率ηは、５３２ｎｎ光の入射角θが位相整合角θpmに合致したときに最大になり、この角度位置から外れるに従って低下する。
【００７１】
波長変換光学素子３２におけるレーザ光の入射角と波長変換効率ηとの関係は既知であり、ステージコントローラ２１５が制御する角度幅Δθは、波長変換効率ηの低下が５％程度以内となる角度幅に設定される。ステージコントローラ２１５は、ロータリエンコーダ２１２により検出される波長変換光学素子３２の角度に応じて回動ステージ２１１を駆動し、波長変換光学素子３２が上記所定の角度範囲で揺動するように制御する。この所定の角度範囲で波長変換光学素子３２を揺動させる制御を、本明細書においては「角度変調制御」という。
【００７２】
角度調制御の周期（揺動周期）ｐbは、パワーフィードバック回路５５によるパワー制御の制御ループの周期ｐaに対して、ｐb≧４ｐaとなるように設定される。本構成例においては、パワー制御の制御ループの周期ｐa＝１０ｍsec〜１secに対して、角度変調制御の周期ｐbは１〜１０sec（例えば５sec程度）に設定される。
【００７３】
位相整合制御回路２２０は、上記のようにパワーフィードバック回路５５により変換レーザ光のパワーが一定の状態に維持され、ステージコントローラ２１５により波長変換光学素子３２が揺動された状態において、ファイバ増幅器２１〜２３を励起する励起光のパワーに対応する信号であるＰＰ信号を監視する。
【００７４】
このとき、変換レーザ光Ｌvのパワーや、ファイバ増幅器２１〜２３を励起する励起光のパワー等の変化は、図４(ａ)，(ｂ)とほぼ同様である。また、本構成形態においては、図４(ｃ)の縦軸が波長変換光学素子３１の温度ｔから波長変換光学素子３２の角度θに変更される点を除いて同様である。
【００７５】
波長変換光学素子３２の角度、すなわち、５３２ｎｍ光の入射角が、位相整合角θpmに合致したときに、励起光のパワーが最低（波長変換効率が最大）になり、５３２ｎｍ光の入射角が位相整合角θpmから外れるに従って、励起光のパワーが増大する（図４(ｂ)を参照）。
【００７６】
位相整合制御回路２２０は、励起光のパワーに対応する信号であるＰＰ信号を監視し、パワーフィードバック制御下において励起光のパワーが最小となるときの波長変換光学素子３２の角度（最適化角度という）を算出する。波長変換光学素子３２の角度位置を最適化角度に設定すべき旨の定位置制御信号を、ステージコントローラ２１５に出力する。ステージコントローラ２１５は、位相整合制御回路２２０から出力された定位置制御信号に基づいて回動ステージ２１１を駆動し、波長変換光学素子３２の角度位置を最適化角度に調整する。次にシフト信号が入力されるまで、波長変換光学素子３２を最適化角度の角度に保持する。
【００７７】
シフト機構４６によって波長変換光学素子３２に入射する基本波レーザ光の入射位置が変化し、当該入射位置において位相不整合が生じた場合でも、位相整合最適化装置２００の動作により自動的に位相不整合が解消され、高効率で変換レーザ光が一定パワーで出力される状態に設定される。これにより、位相整合状態を調整するために稼働を停止させたり、調整用の治具をセットしたりすることなく、レーザ装置ＬＳを稼働させた状態のまま位相不整合を解消することができ、常に高効率で変換レーザ光を出力することができる。これにより、稼働率が高く、電力効率が高いレーザ装置を提供することができる。
【００７８】
以上、シフト機構４６により波長変換光学素子３２がシフト動作されたときに、位相整合最適化装置２００が位相整合条件の最適化を行う構成形態について説明したが、シフト動作の有無に拘わらず位相整合条件の最適化を行うように構成しても良い。
【００７９】
また、以上の構成形態の説明では、レーザ光出力部１から波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光を出力し、波長変換部３に設けられた二つの波長変換光学素子３１，３２で波長３５５ｎｍの変換レーザ光に波長変換して出力する構成を例示したが、基本波レーザ光及び変換レーザ光の波長、波長変換光学素子の個数や配置等は任意である。例えば、レーザ光出力部１から波長１．５μｍ帯の基本波レーザ光を出力し、複数の波長変換光学素子で波長１９３ｎｍの変換レーザ光に波長変換して出力するような構成であってもよい。
【００８０】
以上説明したようなレーザ装置ＬＳは、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、露光装置や光造形装置等の光加工装置、フォトマスクやウェハ等の検査装置、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光治療装置などのシステムに好適に適用することができる。
【００８１】
レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第１の適用例として、半導体製造や液晶パネル製造のフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置について、その概要構成を示す図７を参照して説明する。露光装置５００は、原理的には写真製版と同じであり、石英ガラス製のフォトマスク５１３に精密に描かれたパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウェハやガラス基板などの露光対象物５１５に光学的に投影して転写する。
【００８２】
露光装置５００は、上述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系５０２と、フォトマスク５１３を保持するマスク支持台５０３と、投影光学系５０４と、露光対象物５１５を保持する露光対象物支持テーブル５０５と、露光対象物支持テーブル５０５を水平面内で移動させる駆動機構５０６とを備えて構成される。照明光学系５０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、マスク支持台５０３に保持されたフォトマスク５１３に照射する。投影光学系５０４は複数のレンズ群により構成され、フォトマスク５１３を透過した光を露光対象物支持テーブル上の露光対象物５１５に投影する。
【００８３】
このような構成の露光装置５００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系５０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光がマスク支持台５０３に保持されたフォトマスク５１３に照射される。フォトマスク５１３に描かれたパターン像は投影光学系５０４を介して露光対象物支持テーブル５０５に保持された露光対象物５１５の所定位置に結像する。これにより、フォトマスク５１３のパターンの像が、半導体ウェハや液晶パネル用ガラス基板等の露光対象物５１５の上に所定倍率で露光される。
【００８４】
このような露光装置５００によれば、稼働率が高く、電力効率が高いレーザ装置を備えているので、ダウンタイムを抑制し稼働率を向上させた露光装置を提供することができる。
【００８５】
次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第２の適用例として、フォトマスクや液晶パネル、ウェハ等（被検物）の検査工程で使用される検査装置について、その概要構成を示す図８を参照して説明する。検査装置６００は、フォトマスク等の光透過性を有する被検物６１３に描かれた微細なパターンの検査に好適に使用される。
【００８６】
検査装置６００は、前述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系６０２と、被検物６１３を保持する被検物支持台６０３と、投影光学系６０４と、被検物６１３からの光を検出するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ６１５と、被検物支持台６０３を水平面内で移動させる駆動機構６０６とを備えて構成される。照明光学系６０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、所定光束に調整して被検物支持台６０３に保持された被検物６１３に照射する。投影光学系６０４は複数のレンズ群により構成され、被検物６１３を透過した光をＴＤＩセンサ６１５に投影する。
【００８７】
このような構成の検査装置６００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系６０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光が被検物支持台６０３に保持されたフォトマスク等の被検物６１３に照射される。被検物６１３からの光（本構成例においては透過光）は、被検物６１３に描かれたパターンの像を有しており、この光が投影光学系６０４を介してＴＤＩセンサ６１５に投影され結像する。このとき、駆動機構６０６による被検物支持台６０３の水平移動速度と、ＴＤＩセンサ６１５の転送クロックとは同期して制御される。
【００８８】
被検物６１３のパターンの像はＴＤＩセンサ６１５により検出され、検出された画像と、予め設定された所定の参照画像とを比較することにより、被検物に描かれたパターンに欠陥がある場合には、これを抽出することができる。なお、被検物６１３がウェハ等のように光透過性を有さない場合には、被検物からの反射光を投影光学系６０４に入射してＴＤＩセンサ６１５に導くことにより、同様に構成することができる。
【００８９】
このような検査装置６００によれば、稼働率が高く、電力効率が高いレーザ装置を備えているので、ダウンタイムを抑制し稼働率を向上させた検査装置を提供することができる。
【００９０】
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【００９１】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１２年第０４８２１１号（２０１２年３月５日出願）
【図１】
2013133278.tif 000003
【図２】
2013133278.tif 000004
【図３】
2013133278.tif 000005
【図４】
2013133278.tif 000006
【図５】
2013133278.tif 000007
【図６】
2013133278.tif 000008
【図７】
2013133278.tif 000009
【図８】
2013133278.tif 000010
【国際調査報告】
2013133278.tif 000011
2013133278.tif 000012
2013133278.tif 000013
2013133278.tif 000014