(57)【要約】【課題】効率よくＤＵＶ光を発生させる光源装置、検査装置、及びコヒーレント光発生方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかる光源装置は、波長１０６０〜１０８０ｎｍ光を発生させる第１のレーザ光源１１と、波長１７５０〜２１００ｎｍ光を発生させる第２のレーザ光源１６と、波長１０８０〜１１２０ｎｍ光を発生させる第３のレーザ光源１７と、第４次高調波発生により波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させる第２高調波発生器１２，１３と、第１のＤＵＶ光と第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させる第１の和周波発生器１４と、第２のＤＵＶ光と第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる第１のレーザ光源と、
波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる第２のレーザ光源と、
波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる第３のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源の出力光の第４次高調波発生により波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させる第１の波長変換手段と、
前記第１のＤＵＶ光と前記第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させる第２の波長変換手段と、
前記第２のＤＵＶ光と前記第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えた光源装置。
【請求項２】
波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる第１のレーザ光源と、
波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる第２のレーザ光源と、
波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる第３のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源の第４次高調波発生により波長２６６ｎｍ近傍の第１のＤＵＶ光を発生させる第１の波長変換手段と、
前記第１のＤＵＶ光と第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３４．９ｎｍ近傍の第２のＤＵＶ光を発生させる第２の波長変換手段と、
第２のＤＵＶ光と第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長が略１９３．４ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えた光源装置。
【請求項３】
前記第２の波長変換手段は、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶を有していることを特徴とする請求項１、又は２に記載の光源装置
【請求項４】
前記第３の波長変換手段は、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶を有していることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の光源装置
【請求項５】
前記第１のレーザ光源、第２のレーザ光源、及び第３のレーザ光源が連続出力であり、
前記第２の波長変換手段、および第２の波長変換手段のそれぞれが、少なくとも３枚の光学鏡を有する外部共振器と、前記外部共振器の内部に設置された非線形光学結晶と、を備えている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光源は、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ又はアンプ、あるいはネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザ、ネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザファイバーレーザ又はアンプである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第２のレーザ光源はツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ又はアンプであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第３のレーザ光源はイッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第１のＤＵＶ光の波長は２６６ｎｍ近傍であり、
前記第２のレーザ光源の波長は１９５０〜２０１０ｎｍであり、
前記第２のＤＵＶ光波長は２３４．１〜２３４．９ｎｍであり、
前記第３のレーザ光源の波長は１０９６〜１１１１ｎｍであり、
前記第３のＤＵＶ光波長は１９３．４ｎｍ近傍であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれか１項に記載の光源装置を備え、
前記光源装置からのＤＵＶ光を試料に照射して検査を行うマスク検査装置。
【請求項１１】
波長１０６０〜１０８０ｎｍの光の第４高調波によって波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させるステップと、
前記第１のＤＵＶ光と、波長１７５０〜２１００ｎｍの光の和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させるステップと。
前記第２のＤＵＶ光と、波長１０８０〜１１２０ｎｍの光との和周波混合によって、波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させるステップと、を備えるコヒーレント光発生方法。
【請求項１２】
波長１０６０〜１０８０ｎｍの光の第４高調波によって波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させるステップと、
前記第１のＤＵＶ光と、波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光の和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させるステップと。
前記第２のＤＵＶ光と、波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光との和周波混合によって、ＡｒＦエキシマレーザの発振可能範囲の波長の第３のＤＵＶ光を発生させるステップと、を備えるコヒーレント光発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学効果を用いた波長変換技術による深紫外域のコヒーレント光発生方法および深紫外光源装置、並びにそれを用いたマスク検査装置に関し、さらに詳細には、ＡｒＦエキシマレーザの発振波長に相当する深紫外光を波長変換技術により高効率で発生する深紫外（ＤＵＶ：ｄｅｅｐ ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）コヒーレント光の発生方法および深紫外光源装置、並びにそれを用いたマスク検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高性能化のために、その露光用フォトマスク原板に描かれる回路パターンはますます微細化・高集積化している。そのような半導体デバイスの製造においては、フォトマスクの原版ないし原版に形成された回路パターン内の微小な欠陥を測定する過程が必須である。露光光源としてＡｒＦエキシマレーザによる波長１９３．４ｎｍ近傍のＤＵＶ光が使われる最先端の半導体露光用マスクの検査には、連続ないし高繰返しパルス発振出力の深紫外（ＤＵＶ）光を均一に照射してそのパターンをＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ等に結像してデータ処理を行うＤＵＶ光検査装置が用いられている。
【０００３】
検査装置のＤＵＶ光波長は分解能向上の観点からは短いほど有利である。一方で製造工程における検査時間の短縮も重要であり、そのためには検査用ＤＵＶ光源の高出力化とともに、ＣＣＤカメラ等との同期が不要となる超高繰返し、理想的には連続出力が求められている。また光出力としては１００ｍＷ程度が必要である。このような高出力の連続出力ＤＵＶ光源としては、非線形光学結晶を用いた波長変換により発生する方法が唯一の実用的アプローチとして追求されてきた。
【０００４】
ネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザないしファイバーレーザ（アンプ）の第４次高調波(波長２６６ｎｍ)や、アルゴンイオンレーザ第２高調波（２５７ｎｍ、２４４ｎｍ)等がその代表であるが、近年は２００ｎｍ未満のＤＵＶ光が必要とされている。例えば、特許文献１に示される波長１９８．５ｎｍの連続発振のＤＵＶ光源がある。この方式では非特許文献１に記されているが、発明者の知る限り波長２００ｎｍ未満で１００ｍＷ以上の発生が報告された現状唯一の連続出力ＤＵＶ光源である。しかしながら、波長１９８．５ｎｍよりもＡｒＦエキシマレーザの波長と等しい１９３．４ｎｍ近傍での連続出力光源がマスク検査装置用ＤＵＶ光源として実用化されれば、露光波長に対する欠陥を正確に評価できる等、その有用性は遥かに高く、最先端の半導体製造に大きく貢献できる。
【０００５】
波長変換により波長１９３．４ｎｍの紫外光を得るには、一つないし複数のレーザ光源を基本波として用い、それらの高調波発生ないし和周波混合の組合せにより発生させることが必要である。その重要性は極めて高いため１９３．４ｎｍ光の発生方式については過去に様々な提案が為されてきた。しかしながら実際に発生が報告された方式は、パルス発振だけであり、発明者の知る限り連続出力光源は報告されていない。その理由は様々であるが、端的に言って技術的に実現可能なレーザ光源と非線形光学結晶の組合せで実用的な連続出力の１９３．４ｎｍ光を得る方式が見出されていなかったということである。
【０００６】
一般に波長変換により高出力の紫外光を発生させるためには、（１）高調波発生や和周波混合をする光波長に対して複屈折性を利用した位相整合条件を満たす非線形光学結晶が存在すること、（２）その結晶の物理定数等により決まる変換係数が高いこと、（３）発生波長において結晶の吸収が少ないこと、等が求められる。波長１９３．４ｎｍの光を発生させることが可能な結晶は、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ２ＢＯ３Ｆ２）等が知られている。
【０００７】
このうち、ＫＢＢＦは波長３８６．８ｎｍ光の第２高調波発生による１９３．４ｎｍ光発生過程について位相整合が報告された現状唯一の結晶であるが、毒性の物質を含む上に結晶の育成が難しく民生用として実用化できる見通しがない（非特許文献２）。それ以外の結晶を用いて１９３．４ｎｍ発生に対する位相整合を得るには、３８６．８ｎｍより長波長（λ１＞３８６．８ｎｍ）と短波長（λ２＜３８６．８ｎｍ）の光の和周波混合に依らねばならない。λ１とλ２としては、以下の（１）式を満足する必要がある。
【０００８】
１／λ１＋１／λ２＝１／１９３.４    ・・・（１）
【０００９】
また位相整合条件は高効率な波長変換に必要な通常のコリニア型の場合、以下の（２）式でと表される。
【００１０】
ｎ１／λ１＋ｎ２／λ２＝ｎ３／１９３.４    ・・・（２）
【００１１】
ｎ１、ｎ２、ｎ３はそれぞれ、波長λ１、λ２、１９３．４ｎｍにおける結晶の屈折率である。
【００１２】
このような条件を満足する和周波混合波長の組合せに関して過去に提案された方式としては以下がある。
（１）λ１＝２．０７５μｍとλ２＝２１３ｎｍとの和周波混合による方式（図１２：特許文献２）、
（２）λ１＝１．５５μｍとλ２＝２２１ｎｍとの和周波混合による方式(図１３：特許文献３、図１４：特許文献４および特許文献５、図１５：特許文献６および特許文献７)、
（３）λ１＝１．４１５μｍとλ２＝２２４ｎｍの和周波混合による方式（図１６：特許文献５）、
（４）λ１〜１１０５ｎｍとλ２〜２３４ｎｍの和周波混合による方式（図１７：特許文献６、図１８：特許文献７）、
（５）λ１〜１０６４ｎｍとλ２〜２３６ｎｍの和周波混合による方式（図１９：特許文献８、図２０：特許文献９および特許文献１０）、
（６）λ１〜７１０ｎｍとλ２＝２６６ｎｍの和周波混合による方式（図２１：特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４）
（７）λ１＝７４０〜７９０ｎｍとλ２＝２５６〜２６２ｎｍの和周波混合による方式（特許文献１５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２５８３３９号公報
【特許文献２】米国特許明細書第５７４２６２６
【特許文献３】特開２０００―２００７４７号公報
【特許文献４】米国特許明細書第７５９３４３７
【特許文献５】特開２００７−８６１０８号公報
【特許文献６】特表２００９−５４０５３８号公報
【特許文献７】特開２００４−０８６１９３号
【特許文献８】特開平１１−２５１６６６号公報
【特許文献９】再表９９/０１４６３号公報
【特許文献１０】特開２０００−１６２６５５号公報
【特許文献１１】特開平１０−３４１０５４号公報
【特許文献１２】特開平１１−２５８６４５号公報
【特許文献１３】特開２００２−９９００７号公報
【特許文献１４】米国特許明細書第６３７３８６９
【特許文献１５】特開２０１０−５０３８９号公報
【特許文献１６】米国特許明細書第７４７１７０５
【特許文献１７】特表２００９−５１３９９５号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】J.Sakuma, Y. Okada, T. Sumiyoshi, H. Sekita, M. Obara, "CW DUV light sources for inspection tools," 25th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology 3-7 Oct. 2005, paper 5992-139.
【非特許文献２】H. Zhang他, "175 to 210 nm widely tunable deep-ultraviolet light generation based on KBBF crystal," Applied Physics B: Lasers and Optics, Volume 93, Numbers 2-3, pp. 323-326 (2008), Springer Berlin / Heidelberg
【非特許文献３】V.G. Dmitriev, G.G. Gurzadyan and D.N. Nikogosyan, "Handbook of Nonlinear Optical Crystals," Springer-Verlag, New York, 1995.
【非特許文献４】吉村他、J. Plasma Fusion Res. Vol.85, No.5,243-246、2009
【非特許文献５】Y. K. Yap, T. Inoue, H. Sakai, Y. Kagebayashi, Y. Mori, T. Sasaki, K. Deki, and M. Horiguchi, "Long-term operation of CsLiB6O10 at elevated crystal temperature," Opt. Lett. 23, 34-36 (1998)
【非特許文献６】Pan Feng, Wang Xiaoqing , Shen Guangqiu and Shen Dezhong, "Cracking Mechanism of ＣＬＢＯ crystals at room temperature," Journal of Crystal Growth, Vol. 241,pp. 129-134. 2002,
【非特許文献７】Ａｃｔｉｎｉｘ社ホームページ  Ｍｏｄｅｌ３１９３  ［平成２２年３月２９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： http://www.actinix.com/model%203193.htm＞
【非特許文献８】J. Sakuma, Y. Asakawa, T. Sumiyoshi, and H. Sekita, "（Invited paper） High-power, CW, Deep-UV Coherent Light Sources Around 200-nm Based on External Resonant Sum-frequency Mixing," IEEE Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 10, pp. 1244-1251 (2004).
【非特許文献９】株式会社ニコンホームページ  １９３ｎｍ固体レーザ  ［平成２２年３月２９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.ave.nikon.co.jp/cp/products_sys4.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
各和周波混合に対してＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯの各結晶が位相整合するかどうか、また位相整合する場合の特性の計算方法については非特許文献３等に記載されている。それによると、ＢＢＯ結晶は（１）〜（６）すべての和周波混合に対して位相整合するが、波長１９０ｎｍが透過領域の短波長限界であり、発生波長１９３．４ｎｍでの顕著な吸収があるために、高出力の１９３．４ｎｍ光を安定に発生させるには適しない。ＣＬＢＯは吸収端が１８０ｎｍであり波長１９３．４ｎｍにおける吸収も小さいが、複屈折性がＫＢＢＦ、ＢＢＯより小さいため位相整合条件を満足する和周波混合の波長の組合せが限られ、例えば上記（５）および（６）の和周波混合には使えない。
【００１６】
しかしながら、ＣＬＢＯ結晶を用いたＤＵＶ光発生の例としては、パルス発振であるが１１の方式で出力５００ｍＷの発生が得られているとされる(非特許文献4)。また波長は１９８．５ｎｍであるが、λ１＝１０６４ｎｍとλ２＝２４４ｎｍとの和周波混合により、連続出力で３００ｍＷの発生が報告されている（非特許文献１）。ＬＢＯはＣＬＢＯより非線形光学定数が小さく、たとえ位相整合が得られる場合でもＣＬＢＯより高出力の２００ｎｍ未満のＤＵＶ光発生は難しい。このように現状では波長２００ｎｍ以下で１００ｍＷ以上のＤＵＶ光を発生させるためには、ＣＬＢＯ結晶を利用できる和周波混合が必要条件であると言って良い。
【００１７】
ＣＬＢＯ結晶による和周波混合に関しては、特許文献９において波長が１０００〜１８００ｎｍのレーザ光源の高調波と、高調波により励起されるコヒーレント光源の和周波混合から、波長がほぼ１９３ｎｍを発生させる装置が提案されており、例えば１０６４ｎｍと２３５．８ｎｍの和周波混合、ないし１０４７ｎｍと２３６．６ｎｍの和周波混合により１９３ｎｍが発生されるとある。しかしながら、後に同じ発明者等により提案された特許文献１０において、ＣＬＢＯ結晶による前述の和周波混合は実現不可能であり、結晶を−１８０℃まで冷却することによって屈折率を変化させると辛うじて２３６．３ｎｍと１０６４ｎｍとの非臨界位相整合型（ＮＣＰＭ：Ｎｏｎ−ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）の和周波混合が可能になり、１９３．４３９ｎｍが発生できるとされている。ところがＣＬＢＯ結晶は吸湿性による劣化を防ぐために１００℃以上に加熱して利用するのが通常である(例えば非特許文献５)。また、−１８０℃どころか室温で用いていてもクラックが発生して使えなくなることも数多く報告されている（例えば非特許文献６）。
【００１８】
したがって、ＣＬＢＯ結晶を−１８０℃に冷却するということは実用的な方法とは言えない。特許文献１６には１０００ｎｍ付近の光源の第４次高調波（〜２５０ｎｍ)と基本波とのＣＬＢＯ結晶による和周波混合（すなわち第５次高調波発生）により２００ｎｍ付近のＤＵＶ光を効率的に発生する方法が提案されている。この特許文献にはλ１＝１０９０ｎｍと波長９４４ｎｍ光の第４次高調波発生によるλ２＝２３６ｎｍとの和周波混合により波長１９４ｎｍが効率的に発生できるとも記載されている。しかし波長９４４ｎｍで発生するレーザ光源を構築する具体的手段が無い上に、理想的な１９３．４ｎｍには達しないとも記載されている。
【００１９】
特許文献１７にもほぼ同様の構成が提示され、波長９９８ｎｍの第５次高調波発生で１９９．７ｎｍのＤＵＶ光が効率的に発生されること、また波長１１９３．３３ｎｍのレーザ光の第４次高調波発生で得られるλ２＝２３８．６６６ｎｍとλ１＝１０６４ｎｍとの和周波混合により波長１９４．９ｎｍが発生できると記載されているが、やはり１９３．４ｎｍに達しない。
【００２０】
このように、ＣＬＢＯ結晶を用いて１９３．４ｎｍが発生できる和周波混合の方式としてこれまでに提案されたのは、前述した各発生方式の内、（１）２．１μｍと２１３ｎｍの和周波混合、（２）１．５５μｍと２２１ｎｍの和周波混合、（３）１．４４μｍと２２３ｎｍの和周波混合、（４）１．１０５μｍと２３４．４ｎｍの和周波混合、の４種類である。
【００２１】
このうち２．１μｍと２１３ｎｍの和周波混合による方式（図１２）ではパルス発振の１９３．４ｎｍ光源が市販されている（非特許文献7：だだし１９３ｎｍ発生にはＢＢＯ結晶使用）。また連続出力の２１３ｎｍ発生については非特許文献８に報告されているが、１９３．４ｎｍ発生は報告されていない。
【００２２】
また、（２）の方式としては、１．５５４μｍのファイバーアンプを基本光源とした第８次高調波発生（図１３）により、やはりパルス発振ではあるが波長１９３．０ｎｍの光源が実用化されている（非特許文献９）。しかしながら、（３）および（４）の方式では発生は報告されておらず、特に連続出力の１９３．４ｎｍ光発生については、理論上可能な方式であっても一切報告されていない。この理由の一つは、１９３．４ｎｍ光の発生が理論上可能であるとはいえ、実用的な光源構築に必要な出力のレーザ光源がないことである。例えば上記（３）の１．４４μｍや（４）の１．１０５μｍという波長のレーザ光源は、発振可能であっても利得が低い等の理由で高出力化が困難である。また、特に強度の低い連続出力で効率的な波長変換を実現するには通常外部共振器を利用する必要があるが、４〜５段階の波長変換過程を必要とする１９３．４ｎｍ光源は装置が複雑化し、実用に適した安定かつ高品質の光を発生させることが困難であったと考えられる。
【００２３】
この点を踏まえた連続出力の１９３．４ｎｍ光発生に関して特許文献１４には具体的な構成例が提示されているが、上記（７）の方式によるものであり、１９３．４ｎｍ光発生にはＢＢＯ結晶しか使えない構成なので安定化が難しい。また過去に見出された発生方式はＣＬＢＯ結晶で１９３．４ｎｍが発生できる方式であっても、その変換効率が低いためにレーザ光源の出力が非常に大きくなり、サイズやコストの点でも実用に供しないと判断されてきたことが主な要因と考えられる。
【００２４】
また、特許文献６には、非臨界位相整合のＣＬＢＯ結晶を用いた和周波混合によって、１１０４ｎｍ光と２３３．９ｎｍ光から１９３．０ｎｍ光を発生させる点が言及されている。同文献において２３３．９ｎｍ発生の方法としてはＮｄドープ増幅器による９３５.６ｎｍ出力の第４次高調波発生が挙げられているが、Ｎｄドープ増幅器による９３５.６ｎｍのレーザ動作は３準位系であるため、高出力の光を発生させることは非常に困難である。このように、従来技術では、１９３．４ｎｍ周辺のＤＵＶ光を効率よく発生させることができないという問題点がある。
【００２５】
本発明は、効率をよくＤＵＶ光を発生させることができる光源装置、マスク検査装置、及びコヒーレント光発生方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の第１の態様に係る光源装置は、波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる第１のレーザ光源と、波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる第２のレーザ光源と、波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる第３のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源の出力光の第４次高調波発生により波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させる第１の波長変換手段と、前記第１のＤＵＶ光と前記第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させる第２の波長変換手段と、前記第２のＤＵＶ光と前記第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えたものである。これにより、波長１９２．５〜１９４．５ｎｍのＤＵＶ光を効率よく発生させることができる。
【００２７】
本発明の第２の態様に係る光源装置は、波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる第１のレーザ光源と、波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる第２のレーザ光源と、波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる第３のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源の第４次高調波発生により波長２６６ｎｍ近傍の第１のＤＵＶ光を発生させる第１の波長変換手段と、前記第１のＤＵＶ光と第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３４．９ｎｍ近傍の第２のＤＵＶ光を発生させる第２の波長変換手段と、第２のＤＵＶ光と第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長が略１９３．４ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えたものである。これにより、波長が略１９３．４ｎｍのＤＵＶ光を効率よく発生させることができる。
【００２８】
本発明の第３の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第２の波長変換手段は、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶を有していることを特徴とするり波長１９３．４ｎｍ近傍の第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えたものである。これにより、効率よく波長変換することができ、発生効率を向上することができる。
【００２９】
本発明の第４の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第３の波長変換手段は、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶を有していることを特徴とするものである。これにより、効率よく波長変換することができ、発生効率を向上することができる。
【００３０】
本発明の第５の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第１のレーザ光源、第２のレーザ光源、及び第３のレーザ光源が連続出力であり、前記第２の波長変換手段、および第２の波長変換手段のそれぞれが、少なくとも３枚の光学鏡を有する外部共振器と、前記外部共振器の内部に設置された非線形光学結晶と、を備えているものである。これにより、連続出力のＤＵＶ光を効率よく発生させることができる。
【００３１】
本発明の第６の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第１のレーザ光源は、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ又はアンプ、あるいはネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザ、ネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザファイバーレーザ又はアンプであるものである。これにより、効率よく、第１のレーザ光を発生させることができる。
本発明の第７の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第２のレーザ光源はツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ又はアンプであるものである。これにより、効率よく、第２のレーザ光を発生させることができる。
本発明の第８の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第３のレーザ光源はイッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザであることを特徴とするものである。これにより、効率よく、第３のレーザ光を発生させることができる。
【００３２】
本発明の第９の態様に係る光源装置は、上記の光源装置であって、前記第１のＤＵＶ光の波長は２６６ｎｍ近傍であり、前記第２のレーザ光源の波長は１９５０〜２０１０ｎｍであり、前記第２のＤＵＶ光波長は２３４．１〜２３４．９ｎｍであり、前記第３のレーザ光源の波長は１０９６〜１１１１ｎｍであり、前記第３のＤＵＶ光波長は１９３．４ｎｍ近傍であることを特徴とするものである。
【００３３】
本発明の第１０の態様に係るマスク検査装置は、上記の光源装置を備え、前記光源装置からのＤＵＶ光を試料に照射して検査を行うものである。これにより、効率よく、ＤＵＶ光を発生することができるため、検査を効率よく行うことができる。
【００３４】
本発明の第１１の態様に係るコヒーレント光発生方法は、波長１０６０〜１０８０ｎｍの光の第４高調波によって波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させるステップと、前記第１のＤＵＶ光と、波長１７５０〜２１００ｎｍの光の和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させるステップと、前記第２のＤＵＶ光と、波長１０８０〜１１２０ｎｍの光との和周波混合によって、波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させるステップと、を備えるものである。これにより、波長１９２．５〜１９４．５ｎｍのＤＵＶ光を効率よく発生させることができる。
【００３５】
本発明の第１２の態様に係るコヒーレント光発生方法は、波長１０６０〜１０８０ｎｍの光の第４高調波によって波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させるステップと、前記第１のＤＵＶ光と、波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光の和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させるステップと。前記第２のＤＵＶ光と、波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光との和周波混合によって、ＡｒＦエキシマレーザの発振可能範囲の波長の第３のＤＵＶ光を発生させるステップと、を備えるコヒーレント光発生方法。これにより、ＡｒＦエキシマレーザの発振可能範囲の波長のＤＵＶ光を効率よく発生させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、効率をよくＤＵＶ光を発生させることができる光源装置、マスク検査装置、及びコヒーレント光発生方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る光源装置の構成を示す図である。
【図２】ＮＣＰＭ動作ＣＬＢＯ結晶での和周波混合により１９３．４ｎｍを発生する場合の入射光波長と結晶温度の関係を示すグラフである。
【図３】１９３．４ｎｍ光発生における変換係数計算値を示す表である。
【図４】イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバー吸収・発光スペクトルを示すグラフである。
【図５】ツリウム（Ｔｍ）添加ファイバー吸収・発光スペクトルを示すグラフである。
【図６】２３４．９ｎｍ光発生における変換係数計算値を示す表である。
【図７】ＮＣＰＭ動作ＬＢＯ結晶により２６６ｎｍ光と和周波混合する場合の発生波長と結晶温度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明にかかる光源装置に用いられる光共振器と非線形光学結晶の配置を示す図である。
【図９】１００ｍＷの連続出力１９３．４ｎｍ光出力発生に必要な各光源の出力計算例を示す図である。
【図１０】１００ｍＷの連続出力１９３．４ｎｍ光出力発生に必要な各光源の出力計算例を示す図である。
【図１１】ＡｒＦエキシマレーザの発振スペクトルを示すグラフである。
【図１２】特許文献２に記載された構成を示す図である。
【図１３】特許文献３に記載された構成を示す図である。
【図１４】特許文献４、５に記載された構成を示す図である。
【図１５】特許文献６、７に記載された構成を示す図である。
【図１６】特許文献５に記載された構成を示す図である。
【図１７】特許文献８に記載された構成を示す図である。
【図１８】特許文献１１に記載された構成を示す図である。
【図１９】特許文献８に記載された構成を示す図である。
【図２０】特許文献９，１０に記載された構成を示す図である。
【図２１】特許文献１１，１２，１３，１４に記載された構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
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。
【００３９】
図１に本実施の形態にかかる光源装置の構成を示す。光源装置は、第１のレーザ光源１１と、第１の高調波発生器１２、第２の高調波発生器１３と、第１の和周波発生器１４と、第２の和周波発生器１５と、第２のレーザ光源１６と、第３のレーザ光源１７とを備えている。
【００４０】
第１のレーザ光源１１は、波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる。第１のレーザ光源１１から出射するレーザ光を第１のレーザ光とする。例えば、第１のレーザ光は、中心波長１０６４ｎｍのレーザ光である。第１のレーザ光は、第１の高調波発生器１２に入射する。第１の高調波発生器１２は、入射光の第２高調波を発生する。これにより、第１のレーザ光の第２高調波が発生する。第２高調波の中心波長は、５３２ｎｍとなる。波長５３２ｎｍの第２高調波は、第２の第２高調波発生器１３に入射する。第２高調波発生器１３は、入射光の第２高調波を発生する。よって、第２高調波発生器１３からは、第１のレーザ光の第４高調波が発生する。第４高調波は、波長２６５〜２７０ｎｍである。この第４高調波を第１のＤＵＶ光とする。第１のＤＵＶ光は、例えば中心波長２６６ｎｍである。第１のＤＵＶ光は第１の和周波発生器１４に入射する。このように、第１の第２高調波発生器と、第２の第２高調波発生器とが第４高調波を発生させる波長変換手段となる。
【００４１】
また、第２のレーザ光源１６は、波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる。第２のレーザ光源１６から出射するレーザ光を第２のレーザ光とする。第２のレーザ光は、例えば、中心波長２００９ｎｍのレーザ光である。第２のレーザ光は、第１の和周波発生器１４に入射する。第１の和周波発生器１４は、波長変換手段であり、第１のＤＵＶ光と、第２のレーザ光の和周波を発生させる。すなわち、第１の和周波発生器１４は、和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍのＤＵＶ光を発生させる。第１の和周波発生器１４は、例えば、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶によって、和周波を発生させる。第１の和周波発生器１４によって発生したＤＵＶ光を第２のＤＵＶ光とする。第２のＤＵＶ光は、中心波長２３４．９ｎｍである。第２のＤＵＶ光は、第２の和周波発生器１５に入射する。
【００４２】
また、第３のレーザ光源１７は、波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる。第３のレーザ光源１６から出射するレーザ光を第３のレーザ光とする。第３のレーザ光は、例えば、中心波長１０９６ｎｍのレーザ光である。第３のレーザ光は、第２の和周波発生器１５に入射する。第２の和周波発生器１５は、波長変換手段であり、第２のＤＵＶ光と、第３のレーザ光の和周波を発生させる。すなわち、第２の和周波発生器１５は、和周波混合によって、波長１９２．５〜１９４．５ｎｍのＤＵＶ光を発生させる。第２の和周波発生器１５は、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶によって、和周波を発生させる。第２の和周波発生器１５によって発生したＤＵＶ光を第３のＤＵＶ光とする。第３のＤＵＶ光は、例えば中心波長１９３．４ｎｍのＤＵＶ光であり、ＡｒＦレーザの発振波長に対応している。このように、光源装置は、ＡｒＦレーザの発振可能範囲に含まれる波長のコヒーレント光を発生する。光源装置からのＤＵＶ光は、波長が、略１９３．４ｎｍである。なお、光源装置からのＤＵＶ光の中心波長が少なくとも１９３ｎｍ〜１９４ｎｍに含まれているようであれば、略１９３ｎｍの波長ということができる。
【００４３】
第１のレーザ光源１１、第２のレーザ光源１６、及び第３のレーザ光源１７は、連続出力のレーザ光源とすることができる。第１のレーザ光源１１として、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ（アンプ）又はネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザないしファイバーレーザ（アンプ）を用いることができる。第２のレーザ光源１６として、ツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ（アンプ）を用いることができる。第３のレーザ光源１７として、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ（アンプ）を用いることができる。
【００４４】
第１のＤＵＶ光波長は２６６ｎｍ近傍、第２のＤＵＶ光波長は２３４．９ｎｍ近傍、第３のＤＵＶ光波長は１９３．４ｎｍ近傍とする。これにより、ＡｒＦレーザの発振波長と実質的に一致するＤＵＶ光を発生させることができる。本実施の形態にかかる光源装置は、ＤＵＶマスクの検査装置用の光源として好適である。すなわち、露光波長と検査波長を一致させることができるため、より正確にマスク検査を行うことができる。検査装置は、光源と、光源装置からのＤＵＶ光を試料であるマスク（マスクブランクスを含む）に照射する光学系とを備える。そして、光源装置からのＤＵＶ光を試料に照射して、検査を行う。上記の構成で、ＡｒＦレーザの発振可能範囲の波長のＤＵＶ光を効率よく発生させることができる。よって、効率よく、マスクを検査することができる。以下、光源装置の具体的構成例、及びその効果について詳細に説明する。
【００４５】
ＣＬＢＯ結晶は、高出力ＤＵＶ光を発生するのに適した結晶ではあるが、非特許文献１０（Ｊ. Ｓａｋｕｍａ, ｅｔ ａｌ, "Ａｌｌ−ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ, １Ｗ, ５ｋＨｚ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｂｅｌｏｗ ２００ｎｍ", ＯＳＡ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ. ２６, ｐｐ. ８９−９２ （１９９９).）において非臨界位相整合（ＮＣＰＭ)と呼ばれる条件を満足した場合、そのＤＵＶ光出力が特に大きくなることが報告されている。
【００４６】
前記した特許文献１０では、ＣＬＢＯ結晶を−１８０℃まで冷却することによって屈折率を変化させると２３６．３ｎｍと１０６４ｎｍとのＮＣＰＭ和周波混合が可能になり、１９３．４３９ｎｍが発生可能になることが示されている。これらの報告以降、ＮＣＰＭ動作のＣＬＢＯ結晶は高効率な波長変換に適することが更に示されており、例えば４７３ｎｍ光の第２高調波発生において−１５℃の温度とする場合も報告されている（David C.Gerstenberger, Thomas M Trautmann, Mark Bowers, "Noncritically phase-matched second-harmonic generation in cesium lithium borate,"  Optics Letters, Vol. 28 Issue 14, pp.1242-1244 (2003)）。
【００４７】
しかしながら、ＣＬＢＯ結晶は吸湿性による劣化を防ぐために水の沸点である１００℃以上に加熱して利用することが望ましく、−１８０℃に冷却するのは実用的ではない。図２にＮＣＰＭ動作ＣＬＢＯ結晶での和周波混合により１９３．４ｎｍを発生する場合の入射光波長と結晶温度の関係（計算値）を示す。図２から判るように、ＣＬＢＯ結晶を実用に適した１００℃以上２００℃以下に加熱した状態でＡｒＦエキシマレーザの中心波長１９３．４ｎｍを発生させるためには、混合する２つ光の波長（λ１、λ２）として、長波長側は１０９６ｎｍ≦λ１≦１１１１ｎｍ、短波長側２３４．１ｎｍ≦λ２≦２３４．９ｎｍ、とする必要があることを発明者は見出した。前述の特許文献（特許文献１６、特許文献１７）は、この条件を満たしていないので１９３．４ｎｍの発生には適用できない。和周波混合による変換効率係数は非特許文献１１（Ｇ. Ｄ. Ｂｏｙｄ ａｎｄ Ｄ. Ａ. Ｋｌｅｉｎｍａｎ, "Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｃｕｓｅｄ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍｓ," Ｊ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. ３９, ＩＩＩ５９７−３６７９ （１９６８）.）に示された以下の式（３）で計算できる。
【００４８】
【数１】
2011215472.tif 000003
【００４９】
上式におけるＢは結晶のウォークオフ角と呼ばれる角度ρに比例するパラメータ、ζは集光条件を表すパラメータ、Ｄｅｆｆは結晶の有効非線形定数、ｌは結晶長である。ｈの計算式は文献に記されているが、位相整合条件から決まるρすなわちＢの値に対して、ｈを最大とするζが最適な集光条件となる。ρが小さいほどｈは大きくなり、特にρ＝０のＮＣＰＭ動作ではＢ＝０となり、Ｂ＝０での最適集光条件ζ＝２．８４においてｈの値は最大の１．０６８となる。ＮＣＰＭでない場合はＢ＞０となり、その場合の最適集光条件である１．３９２≦ζ＜２．８４に対してｈの値は１．０６８より小さくなる。変換効率係数を用いて和周波混合光の出力ＰＳＦＧは以下の式（４）で計算される。
【００５０】
ＰＳＦＧ＝γＳＦＧ Ｐ１・Ｐ２    ・・・（４）
【００５１】
Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ入射する波長λ１、λ２の光の出力である。特に強度の低い連続出力のレーザ光で和周波混合を行うには、なるべくｈを最大化、すなわち最適集光条件を実現することが重要となる。ＣＬＢＯの結晶長として、高品質な結晶が容易に入手可能な２０ｍｍとして、前述の公知例を含めて最適集光条件における変換効率係数を計算したものを図３に表１として示す。
【００５２】
表１から判るように、λ１＝１０９６ｎｍ、λ２＝２３４．９ｎｍの和周波混合による１９３．４ｎｍ発生は１００℃付近に加熱したＣＬＢＯ結晶によりＮＣＰＭ動作となり、公知例に比して極端に大きくなる。例えばλ１＝１１１１ｎｍ、λ２＝２３４．１ｎｍとしても、結晶温度を約２００℃まで上昇させればＮＣＰＭ動作となり同様の変換効率が得られる。
【００５３】
そこで、具体的に１０９６〜１１１１ｎｍと２３４．１〜２３４．９ｎｍという光を現実的に得る手段があるかどうかが問題となる。１０９６〜１１１１ｎｍについては、近年良く用いられているイッテリビウム（Ｙｂ）添加のファイバーは、図４に発光スペクトルを示すように１０３０〜１１２０ｎｍで利得があり、１１００ｎｍ付近での発振、増幅が十分に可能である。とはいうものの、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザないしアンプは、ネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザないしファイバーレーザ（アンプ）の発振波長でもある１０６４ｎｍ付近での利得は高く、数１０Ｗという高出力化も容易であるが、１１００ｎｍ付近での利得は低いので高出力化は容易とは言えないことは実用上考慮が必要である。
一方２３４．１〜２３４．９ｎｍ（＝λ３）については、やはり、以下の（５）式に示す波長変換に依らなければならない。
【００５４】
１／λ１＋１／λ２＝１／λ３    ・・・（５）
【００５５】
式（５）で示さされる和周波混合を行うためのλ１、λ２の組合せとしては、以下が考えられる。
（１）  チタンサファイアレーザ等によるλ１〜７００ｎｍ光と、イッテリビウム（Ｙｂ）添加固体（ファイバー）レーザ（アンプ）の第３次高調波λ２〜３５５ｎｍとの和周波混合（非特許文献１０）
（２）  エルビウム（Ｅｒ）添加ファイバーレーザ（アンプ）によるλ1〜１．５５μｍ光とイッテリビウム（Ｙｂ）添加固体（ファイバー）レーザ（アンプ）の第４次高調波λ２〜２７７ｎｍとの和周波混合（特許文献７）
（３）  ツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ（アンプ）等によるλ１〜２．０μｍ光とイッテリビウム（Ｙｂ）添加固体（ファイバー）レーザ（アンプ）の第４次高調波λ２〜２６６ｎｍとの和周波混合
（４）  プラセオジム（Ｐｒ）添加固体レーザ等により得られる４７０ｎｍ光の第２高調波発生。
【００５６】
このうち、（４）のプラセオジム（Ｐｒ）添加固体レーザは今後の実用化は十分に期待されるが、現状は研究段階である。また、（１）のチタンサファイアレーザは複雑な装置であり半導体製造のような高信頼性が要求される産業用途には適さない。（２）の方式として、特許文献７にてイッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ（アンプ）による１１０５ｎｍ光の第４次高調波（〜２７６ｎｍ）とエルビウム（Ｅｒ）添加ファイバーレーザ (アンプ)による１．５５μｍ光のＢＢＯ結晶を用いた和周波混合により２３４．４ｎｍを発生する方式が示されている。しかしながら、前述したように１１０５ｎｍという波長は、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザで発振可能とはいえ、高出力化は難しい波長である。その第４次高調波となると更に高出力化が難しくなるという問題がある。
一方で（３）の方式の場合、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ（アンプ）ないしネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザないしファイバーレーザ（アンプ）の第４次高調波として特に波長２６６ｎｍの光源が広く実用化されている。
【００５７】
λ２＝２６６ｎｍの場合、２３４．１〜２３４．９ｎｍ発生のための長波長側波長はλ１＝１９５０〜２０１０ｎｍとなるが、図５に発振スペクトルを示すようにツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザないしアンプにより容易に出力が得られる波長となる。この和周波混合に位相整合する非線形光学結晶としては、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ結晶等がある。これらの各結晶を用いた場合の最適集光における（２）と（３）の各方式における変換係数の計算値を図６に表２として示す。
【００５８】
全ての結晶について、その長さは一般に容易に入手可能なサイズである２０ｍｍと仮定して計算している。ただしＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶は通常入出射端面の反射防止膜を施せるので直方体型と仮定し、損失は大きめに１％と見積もっている。一般に反射防止膜を施した垂直入射型の方が結晶内でレーザ光が広がらないので変換効率は高いが、ＣＬＢＯ結晶は反射防止膜の利用が困難なのでブリュースター型と仮定した。表２から判るように、λ１＝２００９ｎｍとλ２＝２６６ｎｍとの和周波混合による２３４．９ｎｍ発生では、５２℃付近のＬＢＯ結晶でＮＣＰＭ動作となり、その変換効率係数は他に比して非常に高くなっている。λ１＝２００９ｎｍを１９５０ｎｍに変更すると発生波長は２３４．１ｎｍとなる。図７にλ２＝２６６ｎｍ固定としてλ１＝１９５０〜２０１０ｎｍで変化させた場合の和周波混合による発生波長λ３と、この和周波混合に対してＮＣＰＭ動作を得るためのＬＢＯ結晶の温度の関係を示す。なお、和周波混合による発生波長λ３は以下の式（６）で示される。
【００５９】
１／λ３＝１／λ１＋１／２６６    ・・・（６）
【００６０】
波長１９５０ｎｍに対してもＬＢＯ結晶の温度１℃でＮＣＰＭ動作が得られる。これでも動作は可能であるが、結露等の対策が必要となるので、実際は室温でＮＣＰＭ動作となる波長１９７０ｎｍ以上とした方が望ましい。
一方で、特許文献１７に示された２７６ｎｍと１．５５μｍ光との和周波混合ではＬＢＯ結晶を用いてもＮＣＰＭ動作を得ることはできず、むしろＢＢＯ結晶の方が変換効率は高くなっている。しかし、ＮＣＰＭ動作のＬＢＯ結晶によるλ１＝１９５０〜２００９ｎｍとλ２＝２６６ｎｍとの和周波混合により２３４．１〜２３４．９ｎｍの光を発生させた方が、その６倍もの高効率の変換効率が得られるので圧倒的に有利である。
【００６１】
以上のように、発生波長１９５０〜２００９ｎｍ付近のツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ（ＴＤＦＬ：Ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）またはアンプ（ＴＤＦＡ：Ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の出力光と、発生波長１０６４ｎｍ付近のレーザ光の第４次高調波発生による波長２６６ｎｍの紫外光とのＬＢＯ結晶を利用した和周波混合により発生する２３４．９ｎｍの紫外光に、第２段階として発振波長１０９６〜１１１１ｎｍ付近のイッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ（ＹＤＦＬ：Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）ないしアンプ（ＹＤＦＡ：Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の出力光をＣＬＢＯ結晶により和周波混合するという構成によって非常に高効率な１９３．４ｎｍ光源を実現できることを発明者は見出した。
【００６２】
２６６ｎｍ発生のための１０６４ｎｍ光源としては、ＹＤＦＬ、ＹＤＦＡ以外にネオジウム（Ｎｄ）添加のファイバーレーザ、ファイバーアンプ、ないし固体レーザも十分に実用的である。
【００６３】
従来の公知例は全て１ないし２台のレーザ光源により１９３．４ｎｍ近傍の深紫外光を発生させており一見小型化に適しているが、本発明の構成は遥かに変換効率が高いため装置はむしろ小型になる。その上連続出力の１９３．４ｎｍ深紫外光を発生させるために必要な外部共振器の構築が容易になるという特徴もある。和周波混合において連続出力の波長変換光を得るには、外部共振器により長波長側の光を増強した内部に非線形光学結晶を配し、その結晶に対して短波長側の光をシングルパスで通過させる方法がある（特許文献１等）。
【００６４】
このような単共振型和周波混合による連続出力の１９３．４ｎｍ光源の概略の構成例を図８に示す。図８は、第１及び第２の和周波発生器の構成を模式的に示す図である。図８において２３４．９ｎｍ発生および１９３．４ｎｍ発生の和周波混合は、各４枚の光学鏡からなる外部共振器として示してある。例えば、第１の和周波混合器１４は、光学鏡２１、光学鏡２２、光学鏡２３、光学鏡２４、及びＬＢＯ結晶２５を備えている。そして、第４高調波（中心波長２６６ｎｍ）と第２のレーザ光（中心波長２００９ｎｍ）が第１の和周波混合器１４の外部共振器に入射する。光学鏡２３と光学鏡２４の間に配置されたＬＢＯ結晶２５によって、和周波が発生する。そして、第１の和周波発生器１４で発生した和周波（中心波長２３４．９ｎｍ）が、第２の和周波発生器１５に入射する。
【００６５】
同様に、第２の和周波混合器１５は、光学鏡３１、光学鏡３２、光学鏡３３、光学鏡３４、及びＣＬＢＯ結晶３５を備えている。また、第３のレーザ光（中心波長１０９６ｎｍ）が、光学鏡３６、３７を介して、第２の和周波混合器１５の外部共振器に入射する。光学鏡３３と光学鏡３４の間に配置されたＣＬＢＯ結晶３５によって、和周波が発生する。そして、第２の和周波発生器１５で発生した中心波長１９３．４ｎｍの和周波が光源装置から出力される。
【００６６】
２３４．９ｎｍ発生用のＬＢＯ結晶２５は入出射面に反射防止膜が施された直方体型とし、２００９ｎｍの光を共振させて２６６ｎｍ光はシングルパスで結晶を通過させることを示している。ＬＢＯ結晶はブリュースターカット型でもよく、また効率は下がるがＢＢＯ結晶等他の結晶でも構わない。
【００６７】
２００９ｎｍ光を外部共振器で共振させるためには、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザ等で狭帯域化された光をＴＤＦＡで増幅した出力光、ないしファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いて狭帯域化されたＴＤＦＬを用いればよい。外部共振器は、ＰＤＨ法（Ｒ. Ｗ. Ｐ. Ｄｒｅｖｅｒ, Ｊ. Ｌ. Ｈａｌｌ, Ｆ. Ｖ. Ｋｏｗａｌｓｋｉ, Ｊ. Ｈｏｕｇｈ, Ｇ. Ｍ. Ｆｏｒｄ, Ａ. Ｊ. Ｍｕｎｌｅｙ, ａｎｄ Ｈ. Ｗａｒｄ, "Ｌａｓｅｒ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ," Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ ３１ （２）, ９７−１０５ （１９８３）.）、またはＨＣ法（Ｔ.Ｗ. Ｈａｎｓｃｈ ａｎｄ Ｂ. Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ, Ｏｐｔ. Ｃｏｍｍｕｎ. ３５, ４４１ （１９８０））と呼ばれる制御法により共振器長を入射光波長の整数倍に保持すれば共振が保たれる。いずれも広く利用されている一般的な手法なので図においてそれぞれに必要な光学素子、電気回路は省略している。また、それぞれの共振器に用いられる光学鏡の数は３以上であればよい。
【００６８】
１９３．４ｎｍ発生用のＣＬＢＯ結晶３５はブリュースターカット型として１０９６ｎｍの光を共振させ、２３４．９ｎｍの光をシングルパスで通過させて１９３．４ｎｍの光を発生させる構成としている。１０９６ｎｍの光は２００９ｎｍ光と同様にＤＦＢレーザ光のイッテリビウム（Ｙｂ）ファイバーアンプ（ＹＤＦＡ)による増幅光、ないしＦＢＧを用いて狭帯域化されたイッテリビウム（Ｙｂ）ファイバーレーザ（ＹＤＦＬ)等を用いる。ＣＬＢＯ結晶は端面に反射防止膜を施せた場合は直方体型としても構わない。このようにして発生する連続出力の１９３．４ｎｍ光は、半導体検査等に適した線幅ＭＨｚ帯域の狭帯域光となる。
【００６９】
（発明の効果）
外部共振器による光強度の増強度は、共振器を構成する光学鏡の性能等に依存するが、一般には４０〜１００倍程度とすることができる。低めに４０倍と仮定して、本発明の構成および公知例において１００ｍＷの１９３．４ｎｍを発生させるために必要な各光出力を見積もると、例えば図９、図１０のようになる。図９では、本実施の形態にかかる構成を最上段に示し、公知例による構成を２〜４段目に示している。また、図１０は公知例による構成を示している。
【００７０】
これまでの公知例はすべて１ないし２台のレーザ光源を用いるとしているが、連続出力光源の構築は困難となるので全て３台用いるものとして計算している。それぞれの方式に用いられる２６６ｎｍ、２５７ｎｍ、２７８ｎｍの各出力は、市販製品レベルである１Ｗで共通とした。各和周波混合用結晶としては、各変換に対して計算上最も効率の高くなる長さ２０ｍｍのＬＢＯないしＣＬＢＯを仮定した。ＣＬＢＯ結晶の場合は反射防止膜を施すことが困難なためブリュースターカットと仮定し、出射端面でのフレネル反射による損失を考慮した。図９、１０における菱形はＣＬＢＯを示している。
【００７１】
図９、１０から判るように、本発明においては２６６ｎｍから１９３．４ｎｍ発生までの効率が極めて高いために、第２、第３の光源としてはその合計出力として僅か２Ｗの１１００ｎｍ付近のイッテリビウム（Ｙｂ）ファイバーレーザ（アンプ）、と２０００ｎｍ付近のツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ（アンプ）があれば良い。一方で各公知例では第２、第３光源の出力の合計として９〜４５Ｗという高出力光源が必要となる。このような高出力の光源を用いた場合、外部共振器内のパワーは１ｋＷ程度にも達するので、共振器を構成する光学鏡の損傷の懸念が高くなる。また、非線形光学結晶の光吸収、発熱による出力不安定性の問題も大きくなる。
【００７２】
波長１１０５ｎｍ光源を適用する方式（特許文献１７）では、他の公知例に比べれば効率は高いものの、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ（アンプ）でも低利得の波長１１０５ｎｍの第４次高調波２７８ｎｍにおいて出力１Ｗ程度の高出力紫外光が必要であり、その実用化は容易ではない。
これらの公知例に対して高効率な本発明では、各光源の消費電力、サイズ、コストに関しても全て公知例よりも小さくなり、検査装置等に適用する際の優位性は極めて高い。しかも本発明に用いている２６６ｎｍは最も高出力が得やすい波長であり、高出力化が容易という拡張性もある。また、本発明における２３４．１〜２３４．９ｎｍ光、１９３．４ｎｍ光の発生は、ともに発生効率が高いだけでなく、ウォークオフと呼ばれる現象がない非臨界位相整合（ＮＣＰＭ）か、それに近い動作であるため、サイドローブとよばれるビームの空間強度分布上の歪みが発生せず、応用においても使いやすいビームであるという特長もある。１９３．４ｎｍのみならず、途中で発生する２３４．９ｎｍの光は、光ディスクマスタリング、ファイバーグレーティング書き込み等、現状様々な産業分野で利用されている２６６ｎｍおよびアルゴンイオンレーザ第２高調波発生による２５７ｎｍ、２４４ｎｍよりも短波長であり、本発明に示した高効率な構成によってこれらの応用においても利用することが可能である。
【００７３】
以上の説明ではＡｒＦエキシマレーザの中心波長１９３．４ｎｍの発生として各波長を示したが、各レーザ光源および途中段階の波長は多少違っていても結晶の温度調整や角度調整により位相整合が得られるので構わない。例えば２３４．９ｎｍを発生させるのにはλ１＝１９２０ｎｍ、λ２＝２６７．５ｎｍとし、ＬＢＯ結晶で和周波混合しても得ることができる。この場合のＬＢＯ結晶はＮＣＰＭ動作とはならないが、これまでの公知例よりは高い変換効率が得られる。また、イッテリビウム（Ｙｂ）ないしネオジウム（Ｎｄ）添加の固体レーザ、ファイバーレーザ（アンプ）の第４次高調波発生による２６６ｎｍの光源を用いるとしたが、これらは１０６０〜１０８０ｎｍにて高出力の第４次高調波が得られ、その場合の波長は２６５．２５〜２７０ｎｍとなり、それを用いてもよい。
【００７４】
また本発明は最終的に１９３．４ｎｍだけを発生するために限ることものではなく、図１１に示したようなＡｒＦエキシマレーザで発振可能な１９２．５〜１９４．５ｎｍの範囲で発生させることに適用することが可能である。その場合も各レーザ光源および途中段階の波長は説明した波長とは多少異なる場合がある。以上の説明では、連続出力での１９３．４ｎｍ光発生を主眼に説明したが、パルスレーザを用いてパルス発振の１９３．４ｎｍ光を発生させる場合にも高効率な光源を得られることは同様である。以上の構成の説明において例として示したレーザは全てビーム品質方向安定性等に優れたファイバーレーザ（アンプ）であるので安定な波長変換出力が得られる上に、波長変換部と各レーザ光源をファイバーで結合できるので、１９３．４ｎｍ発生部を小型化でき、保守性にも優れている。ただし、必ずしもファイバーレーザ（アンプ）でなくても構わず、例えば通常の固体媒質にイッテリビウム（Ｙｂ）等を添加した固体レーザでも構わない。
【００７５】
なお、以上の発明の説明において、和周波混合に用いるＬＢＯ結晶およびＣＬＢＯ結晶はいずれもＮＣＰＭ動作であるとしたが、ＮＣＰＭに近い動作であれば実用上は差し支えない。ＮＣＰＭ用の結晶は通常そのカット角が結晶軸に対して０度ないし９０度であるが、多少ずれていても構わない。また、それにより入射光波長、発生光波長が以上の説明と多少異なっていたとしても、発明の本質から外れるものではない。また、結晶の不純物等によって若干位相整合するための波長や温度が説明と異なる場合もあるが、やはり発明の本質から外れるものではない。
【００７６】
本発明によれば、取扱い性の良いファイバーレーザ（アンプ）ないし固体レーザと、特殊ではない非線形光学結晶で構成され、高出力でかつ連続出力も可能な１９３．４ｎｍ近傍のＤＵＶ光源を提供することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１１  第１のレーザ光源
１２  第１の第２高調波発生器
１３  第２の第２高調波発生器
１４  第１の和周波発生器
１５  第２の和周波発生器
１６  第２のレーザ光源
１７  第３のレーザ光源
２１〜２４  光学鏡
２５  ＢＢＯ結晶
３１〜３４  光学鏡
３５  ＣＬＢＯ結晶
３６、３７  光学鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月16日(2010.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる第１のレーザ光源と、
波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる第２のレーザ光源と、
波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる第３のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源の出力光の第４次高調波発生により波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させる第１の波長変換手段と、
前記第１のＤＵＶ光と前記第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させる第２の波長変換手段と、
ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶を有し、前記第２のＤＵＶ光と前記第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えた光源装置。
【請求項２】
波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光を発生させる第１のレーザ光源と、
波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光を発生させる第２のレーザ光源と、
波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光を発生させる第３のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源の第４次高調波発生により波長２６６ｎｍ近傍の第１のＤＵＶ光を発生させる第１の波長変換手段と、
前記第１のＤＵＶ光と第２のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長２３４．９ｎｍ近傍の第２のＤＵＶ光を発生させる第２の波長変換手段と、
ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶を有し、第２のＤＵＶ光と第３のレーザ光源の出力光との和周波混合により波長が略１９３．４ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させる第３の波長変換手段とを備えた光源装置。
【請求項３】
前記第２の波長変換手段は、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶を有していることを特徴とする請求項１、又は２に記載の光源装置
【請求項４】
前記第１のレーザ光源、第２のレーザ光源、及び第３のレーザ光源が連続出力であり、
前記第２の波長変換手段、および第３の波長変換手段のそれぞれが、少なくとも３枚の光学鏡を有する外部共振器と、前記外部共振器の内部に設置された非線形光学結晶と、を備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光源は、イッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザ又はアンプ、あるいはネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザ、ネオジウム（Ｎｄ）添加固体レーザファイバーレーザ又はアンプである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第２のレーザ光源はツリウム（Ｔｍ）添加ファイバーレーザ又はアンプであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第３のレーザ光源はイッテリビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第１のＤＵＶ光の波長は２６６ｎｍ近傍であり、
前記第２のレーザ光源の波長は１９５０〜２０１０ｎｍであり、
前記第２のＤＵＶ光波長は２３４．１〜２３４．９ｎｍであり、
前記第３のレーザ光源の波長は１０９６〜１１１１ｎｍであり、
前記第３のＤＵＶ光波長は１９３．４ｎｍ近傍であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置を備え、
前記光源装置からのＤＵＶ光を試料に照射して検査を行うマスク検査装置。
【請求項１０】
波長１０６０〜１０８０ｎｍの光の第４高調波によって波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させるステップと、
前記第１のＤＵＶ光と、波長１７５０〜２１００ｎｍの光の和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させるステップと。
前記第２のＤＵＶ光と、波長１０８０〜１１２０ｎｍの光との和周波混合によって、波長１９２．５〜１９４．５ｎｍの第３のＤＵＶ光を発生させるステップと、を備え、
前記第３のＤＵＶ光を発生させるステップでは、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶を有する波長変換手段を用いているコヒーレント光発生方法。
【請求項１１】
波長１０６０〜１０８０ｎｍの光の第４高調波によって波長２６５〜２７０ｎｍの第１のＤＵＶ光を発生させるステップと、
前記第１のＤＵＶ光と、波長１７５０〜２１００ｎｍのレーザ光の和周波混合によって、波長２３２〜２３７ｎｍの第２のＤＵＶ光を発生させるステップと。
前記第２のＤＵＶ光と、波長１０８０〜１１２０ｎｍのレーザ光との和周波混合によって、ＡｒＦエキシマレーザの発振可能範囲の波長の第３のＤＵＶ光を発生させるステップと、を備え、
前記第３のＤＵＶ光を発生させるステップでは、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶を有する波長変換手段を用いているコヒーレント光発生方法。