(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲の出力波長を有するレーザー出力光を生成するレーザーアセンブリであって、
基本波周波数を有する基本波光を生成するように構成された基本波レーザーと、
基本波光の第１の部分を受け取るように、前記基本波レーザーに結合された光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）であって、基本波周波数より少ないダウンコンバートされた周波数を有するダウンコンバートされた信号を生成するように構成された光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）と、
前記基本波光の第２の部分を受け取るように、前記基本波レーザーに結合された第５高調波発生器であって、前記基本波周波数の５倍に等しい第５高調波周波数を有する第５高調波光を生成するように構成された第５高調波発生器と、
前記ＯＰＳから前記ダウンコンバートされた信号を受け取るように、また、前記第５高調波発生器から第５高調波光を受け取るように光学的に結合されて、前記ダウンコンバートされた信号と前記第５高調波光を混合することによって前記レーザー出力光を生成するように構成された周波数混合モジュールと、を備え、
前記ＯＰＳが、
前記ダウンコンバートされた周波数と第１のパワーレベルを有するダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成されたダウンコンバート済シード信号発生器と、
前記ダウンコンバートされたシード信号と、前記基本波光の一部分が、非線形結晶を一度通過することによって混合されるように構成された光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を備え、前記非線形結晶は、前記混合が、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第１のパワーレベルの１０倍を超える第２のパワーレベルで生成するように構成され、
前記ＯＰＳは、前記ダウンコンバートされた周波数と前記第５高調波周波数の合計が、前記レーザー出力を約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲で生成するように構成され、
前記ＯＰＳがさらに、前記基本波光の前記第１の部分を、第１の副部分と第２の副部分に分岐するように構成されたビームスプリッタを含み、
前記ダウンコンバート済シード信号発生器が、前記第１の副部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成された光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を備え、
前記ＯＰＡは、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第２の副部分と混合するように構成されていることを特徴とするレーザーアセンブリ。
【請求項２】
前記基本波レーザーが、約１０６４ｎｍ、約１０５３ｎｍ、約１０４７ｎｍおよび約１０３０ｎｍのうち１つに等しい対応する波長を有する前記基本波周波数で前記基本波光を生成するように構成される、請求項１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項３】
前記第５高調波発生器および前記周波数混合モジュールのうち少なくとも１つは、アニール処理したＣＬＢＯ結晶、重水素処理したＣＬＢＯ結晶または水素処理したＣＬＢＯ結晶のうち少なくとも１つを備える、請求項１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項４】
前記ＯＰＡが、
前記基本波光の前記第１の基本波光部分を、前記ダウンコンバートされたシード信号と混合するように構成されたビームコンバイナと、
前記ダウンコンバートされたシード信号を受け取り、前記基本波光の第１の部分の誘導ダウンコンバージョンによって、前記ダウンコンバートされたシード信号を増幅するように構成された非線形結晶と、
前記ダウンコンバートされた信号を、前記非線形結晶から受け取った他の周波数から分離し、前記ダウンコンバートされた信号を、前記周波数混合モジュールに向けるように構成されたビームスプリッタと、
を備えている、請求項１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項５】
前記ダウンコンバート済シード信号発生器が、前記ダウンコンバートされたシード信号を、１ｍＷから５００ｍＷの範囲の前記第１のパワーレベルで生成するように構成され、前記ＯＰＡは、前記ダウンコンバートされたシード信号を、１Ｗから２０Ｗの範囲の前記第２のパワーレベルで生成するように構成されている、請求項４に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項６】
前記ビームコンバイナはさらに、第２の波長を透過しながら第１の波長を反射し、前記基本波光部分および前記ダウンコンバートされたシード信号が、前記非線形結晶を介して実質的に同一線で透過するように構成される請求項４に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項７】
前記非線形結晶が、周期的分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的分極酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム、周期的分極化学量論的タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、周期的分極酸化マグネシウムドープ化学量論的タンタル酸リチウムおよび周期的分極チタン酸リン酸カリウム（ＰＰＫＴＰ）のうち１つを含む、請求項６に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項８】
前記ＯＰＳの前記ダウンコンバート済シード信号発生器がダイオードレーザーを含む、請求項１に記載のレーザーアセンブリ。  
【請求項９】
前記ダウンコンバートされた信号は、前記ダウンコンバートされた周波数に対応するダウンコンバートされた波長を有し、
前記ＯＰＯは、第１の集束ミラーと、非線形結晶と、第２の集束ミラー、波長セレクタと、出力結合器を含み、それらは作動的に構成されてキャビティを形成し、そのキャビティ内で光が、前記第１と第２の集束ミラーと前記非線形結晶によって、前記波長セレクタと前記出力結合器の間で反射され、
前記波長セレクタは、前記ダウンコンバートされた波長の約０．２ｎｍの波長範囲に波長を有する光を高度に反射するように構成され、
前記出力結合器は、前記波長セレクタと前記出力結合器の間で反射する前記光の部分を、前記ダウンコンバートされたシード信号として通すように構成される、
請求項１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項１０】
前記ＯＰＳが、
前記第２の副部分を、前記ダウンコンバートされたシード信号と混合するように構成されたビームコンバイナと、
前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第２の副部分の誘導ダウンコンバージョンによって増幅するように構成された非線形結晶を備え、
前記ビームスプリッタから前記ビームコンバイナまでの光路長は、前記第２の副部分のパルスが、前記ダウンコンバートされたシード信号のパルスと実質的に同時に前記ビームコンバイナに到達するように設定される、請求項９に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項１１】
前記ダウンコンバートされた信号が約１２５０ｎｍから約１８３０ｎｍの範囲の信号波長を有するように、前記光パラメトリックシステムが構成されている、請求項１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項１２】
前記基本波周波数が約１０６４．４ｎｍの対応する波長を有するように、前記基本波レーザーが構成され、前記ダウンコンバートされた信号が約１２５０ｎｍから約１４２０ｎｍの範囲の信号波長を有するように、前記光パラメトリックシステムが構成されている、請求項１１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項１３】
前記基本波周波数が約１０３０ｎｍの対応する波長を有するように、前記基本波レーザーが構成され、前記ダウンコンバートされた信号が約１４００ｎｍから約１８３０ｎｍの範囲の信号波長を有するように、前記光パラメトリックシステムが構成されている、請求項１１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項１４】
前記基本波レーザーが、モードロックレーザー、準連続波レーザー、レーザー ダイオードおよびファイバーレーザーのうち１つを備える、請求項１１に記載のレーザーアセンブリ。
【請求項１５】
検査システムであって、
約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲の出力波長を有するレーザー出力光を生成するように構成されたレーザーアセンブリと、
前記レーザーアセンブリからのレーザー出力光を、被検査物に向けるように構成された第１の光学素子と、
前記被検査物によって影響を受けた前記レーザー出力光の画像部分を収集し、前記画像部分を１つ以上のセンサに向けるように構成された第２の光学素子と、
を備え、
前記レーザーアセンブリが、
基本波周波数を有する基本波光を生成するように構成された基本波レーザーと、
前記基本波光の第１の部分を受け取るように、前記基本波レーザーに結合された光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）であって、基本波周波数より少ないダウンコンバートされた周波数を有するダウンコンバートされた信号を生成するように構成された光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）と、
前記基本波光の第２の部分を受け取るように、前記基本波レーザーに結合された第５高調波発生器であって、基本波周波数の５倍に等しい第５高調波光を生成するように構成された第５高調波発生器と、
前記ＯＰＳから前記ダウンコンバートされた信号を受け取るように、また、前記第５高調波発生器から第５高調波光を受け取るように光学的に結合されて、前記ダウンコンバートされた信号と前記第５高調波光を混合することによって前記レーザー出力光を生成するように構成された周波数混合モジュールと、を備え、
前記ＯＰＳが、
前記ダウンコンバートされた周波数と第１のパワーレベルを有するダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成されたダウンコンバート済シード信号発生器と、
前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記基本波光の一部分と混合して、
前記混合により、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第１のパワーレベルの１０倍を超える第２のパワーレベルで生成するように構成されている、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）と、
を備え、
前記ＯＰＳは、前記ダウンコンバートされた周波数と第５高調波周波数の合計が、前記レーザー出力光を約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲で生成するように構成され、
前記ＯＰＳがさらに、前記基本波光の前記第１の部分を、第１の副部分と第２の副部分に分岐するように構成されたビームスプリッタを含み、
前記ダウンコンバート済シード信号発生器が、前記第１の副部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成された光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を備え、
前記ＯＰＡは、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第２の副部分と混合するように構成されていることを特徴とする検査システム。
【請求項１６】
前記検査システムが、暗視野検査システムを含む、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項１７】
前記被検査物に向けられるレーザー出力光のコヒーレンスを減少させるように構成された、音響光学変調器および電気光学変調器のうち少なくとも１つをさらに備える、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項１８】
前記レーザーアセンブリのパルス繰返し率を増加させるように構成されたパルスレート乗算器をさらに備える、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項１９】
前記第２の光学素子は、反射画像部分と透過画像部分を１つのセンサに同時に向けるように構成される、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項２０】
前記第１の光学素子は、前記レーザー出力光が前記被検査物上に１つの照射ラインを形成するように、前記レーザー出力光を向けるように構成された１つ以上の構成部品を備える、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項２１】
前記第１の光学素子は、前記レーザー出力光が、前記被検査物上に、複数の同時に照射されたスポットを形成するように、前記レーザー出力光を向けるように構成された１つ以上の構成部品を備える、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項２２】
前記ダウンコンバートされた信号が約１２５０ｎｍから約１８３０ｎｍの範囲の信号波長を有するように、前記光パラメトリックシステムが構成されている、請求項１５に記載の検査システム。
【請求項２３】
前記第５高調波発生器が、アニール処理したＣＬＢＯ結晶、重水素処理したＣＬＢＯ結晶または水素処理したＣＬＢＯ結晶のうち少なくとも１つを備える、請求項２２に記載の検査システム。
【請求項２４】
約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの間の波長の光を生成する方法であって、
約１０６４．４ｎｍの対応する基本波長を有する基本波周波数で基本波光を生成し、
前記基本波光の第１の部分をダウンコンバートして、その結果、前記ダウンコンバートにより、約１２５０ｎｍから約１４２０ｎｍの間の対応するダウンコンバートされた波長を有するダウンコンバートされた周波数で、ダウンコンバートされた信号を生成し、
前記基本波光の第２の部分をコンバートして、その結果、前記コンバートにより、前記基本波周波数の第５高調波周波数で第５高調波光を生成し、
前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号を混合し、その結果前記混合により、前記ダウンコンバートされた周波数と前記第５高調波周波数の合計に対応する出力波長を有する出力レーザー光を生成する、
ことを含み、
前記基本波光の前記第１の部分をダウンコンバートすることが、
前記ダウンコンバートされた周波数と第１のパワーレベルを有するダウンコンバートされたシード信号を生成し、
前記ダウンコンバートされたシード信号を前記基本波光の前記第１の部分と混合して、前記ダウンコンバートされたシード信号の混合により、前記ダウンコンバートされた信号を、前記第１のパワーレベルの１０倍を超える第２のパワーレベルで生成する、
ことを含み、
前記基本波光の前記第１の部分を、第１の副部分と第２の副部分に分岐し、
前記第１の副部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成し、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第２の副部分と混合し、
前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号の混合は、前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号を、アニール処理したＣＬＢＯ結晶、重水素処理したＣＬＢＯ結晶または水素処理したＣＬＢＯ結晶のうち少なくとも１つを通すことを含む、方法。
【請求項２５】
約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの間の波長の光を生成する方法であって、
約１０３０ｎｍの対応する基本波長を有する基本波周波数で基本波光を生成し、
前記基本波光の第１の部分をダウンコンバートして、その結果、前記ダウンコンバートにより、約１４００ｎｍから約１８３０ｎｍの間の対応するダウンコンバートされた波長を有するダウンコンバートされた周波数で、ダウンコンバートされた信号を生成し、
前記基本波光の第２の部分をコンバートして、その結果、前記コンバートにより、前記基本波周波数の第５高調波周波数で第５高調波光を生成し、
前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号とを混合し、その結果前記混合により、前記ダウンコンバートされた周波数と前記第５高調波周波数の合計に対応する出力波長を有する出力レーザー光を生成する、
ことを含み、
前記基本波光の前記第１の部分をダウンコンバートすることが、
前記ダウンコンバートされた周波数と第１のピークパワーレベルを有するダウンコンバートされたシード信号を生成し、
前記ダウンコンバートされたシード信号を前記基本波光の前記第１の部分と混合して、前記ダウンコンバートされたシード信号の混合により、前記ダウンコンバートされた信号を、前記第１のパワーレベルの１０倍を超える第２のピークパワーレベルで生成する、
ことを含み、
前記基本波光の前記第１の部分を、第１の副部分と第２の副部分に分岐し、
前記第１の副部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成し、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第２の副部分と混合し、
前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号の混合は、前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号を、アニール処理したＣＬＢＯ結晶、重水素処理したＣＬＢＯ結晶または水素処理したＣＬＢＯ結晶のうち少なくとも１つを通すことを含む、方法。
【請求項２６】
サンプルの検査方法であって、
約１０３０ｎｍの対応する基本波波長を有する基本波周波数でパルスレーザー光を生成し、
基本波光の第１の部分をコンバートして、その結果、ダウンコンバートにより、約１４００ｎｍから約１８３０ｎｍの間の対応するダウンコンバートされた波長を有するダウンコンバートされた周波数で、ダウンコンバートされた信号を生成し、
前記基本波光の第２の部分をコンバートして、その結果、前記コンバートにより、前記基本波周波数の第５高調波周波数で第５高調波光を生成し、
前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号とを混合して、その結果前記混合により、前記ダウンコンバートされた周波数と前記第５高調波周波数の合計に対応する出力波長を有する出力レーザー光を生成し、
前記出力レーザー光を被検査物に向け、
前記被検査物によって影響を受けた前記レーザー出力光の画像部分を収集し、前記画像部分を１つ以上のセンサに向けることを含み、
前記基本波光の前記第１の部分をダウンコンバートすることが、
前記ダウンコンバート周波数と第１のパワーレベルを有するダウンコンバートされたシード信号を生成し、
前記ダウンコンバートされたシード信号を前記基本波光の前記第１の部分と混合して、前記ダウンコンバートされたシード信号の混合により、前記ダウンコンバートされた信号を、前記第１のパワーレベルの１０倍を超える第２のパワーレベルで生成する、
ことを含み、
前記基本波光の前記第１の部分を、第１の副部分と第２の副部分に分岐し、
前記第１の副部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成し、前記ダウンコンバートされたシード信号を、前記第２の副部分と混合し、
前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号の混合は、前記第５高調波光と前記ダウンコンバートされた信号を、アニール処理したＣＬＢＯ結晶、重水素処理したＣＬＢＯ結晶または水素処理したＣＬＢＯ結晶のうち少なくとも１つを通すことを含む、方法。
【請求項２７】
約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲の出力波長を有するレーザー出力光を生成するレーザーアセンブリであって、
基本波周波数を有する基本波光を生成するように構成された基本波レーザーと、
前記基本波光の第１の部分を受け取るように前記基本波レーザーに結合され、前記基本波周波数の二倍に等しい第２高調波周波数を有する第２高調波光を生成するように構成された第２高調波発生器と、
基本波光の第２高調波周波数を有する第２高調波光の部分を受け取るように、前記基本波レーザーに結合された光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）であって、基本波周波数より少ないダウンコンバートされた周波数を有するダウンコンバートされた信号を生成するように構成された光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）と、
前記基本波光の第２の部分を受け取るように、前記基本波レーザーに結合された第５高調波発生器であって、前記基本波周波数の５倍に等しい第５高調波周波数を有する第５高調波光を生成するように構成された第５高調波発生器と、
前記ＯＰＳから前記ダウンコンバートされた信号を受け取るように、また、前記第５高調波発生器から第５高調波光を受け取るように光学的に結合されて、前記ダウンコンバートされた信号と前記第５高調波光を混合することによって前記レーザー出力光を生成するように構成された周波数混合モジュールと、を備え、
前記基本波レーザーは、前記第２高調波光部分が可視緑色光を含むように、前記基本波光を生成するように構成され、
前記ＯＰＳが、前記第２高調波光をダウンコンバートすることによって前記ダウンコンバートされた信号を生成するように構成された光パラメトリック発振器を備え、
前記ＯＰＳは、前記ダウンコンバートされた周波数と前記第５高調波周波数の合計が、前記レーザー出力を約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲で生成するように構成されることを特徴とするレーザーアセンブリ。
【請求項２８】
前記ダウンコンバートされた信号は、前記ダウンコンバートされた周波数に対応するダウンコンバートされた波長を有し、
前記ＯＰＳが、第１の集束ミラー、非線形結晶、第２の集束ミラー、波長セレクタ、および出力結合器を備え、それらは、キャビティを形成するように作動的に構成され、前記キャビティ内で、光が、前記第１と第２の集束ミラーおよび前記非線形結晶によって前記波長セレクタと前記出力結合器の間で反射され、
前記波長セレクタは、前記ダウンコンバートされた波長の約０．２ｎｍの波長範囲に波長を有する光を高度に反射するように構成され、
前記出力結合器は、前記波長セレクタと前記出力結合器の間で反射する前記光の一部分を、前記ダウンコンバートされた信号として通すように構成され、前記非線形結晶がリチウムトリボレート（ＬＢＯ）結晶を含む、請求項２７に記載のレーザーアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はレーザーに関し、特に、１８３ｎｍ近傍の放射線を発生し、フォトマスク、レチクルおよび／またはウェーハの検査での使用に適した固体またはファイバーレーザーに関する。レーザーは好ましくは、Ｑスイッチレーザーまたはモードロックレーザー等のパルスレーザーである。本開示はさらに、１８３ｎｍ近傍の波長で動作するレーザーを用いた検査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
優先権出願
本出願は、２０１４年１０月３日にＣｈｕａｎｇらによって出願された「１８３ＮＭ  ＬＡＳＥＲ  ＡＮＤ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」と題した米国特許仮出願第６２／０５９，３６８号に対する優先権を主張する。
【０００３】
関連出願
本出願は、２０１３年３月１２日にＣｈｕａｎｇらによって出願され、本明細書に参照により組み込まれる、「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  １９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ」と題した米国特許出願第１３／７９７，９３９号に関連する。
【０００４】
１９３ｎｍで光を生成するエキシマレーザーは、当技術分野で公知である。残念ながら、そのようなレーザーは、それらの低いレーザーパルス繰返し率と、高い所有コストをもたらすそれらのレーザー媒体中の有毒で腐食性のガスの使用により検査用途に十分に適しているものではない。
【０００５】
１９３ｎｍ近傍の光を生成する固体およびファイバーレーザーもまた公知である。例示のレーザーは、２つの異なる基本波波長（例えばＬｅｉらによる特許文献１）、または第８高調波（例えばＴｏｋｕｈｉｓａらによる特許文献２）を用い、それらはいずれも、高価であるか、または大量生産されていないレーザーまたは材料を要する。別の取り組み（Ｍｅａｄらの特許文献３）は、半導体検査用途に必要とされる安定した出力と高パワーでの商業生産に至っていない（保守イベント間に３ヶ月以上連続稼動するレーザーでは、典型的に約１Ｗ以上が必要とされる）。さらに、これらのレーザーのうちほとんどは非常に低いパワー出力を有し、数ＭＨｚ未満のレーザーパルス繰返し率に制限される。
【０００６】
半導体デバイスの寸法が縮小するにつれ、デバイスを故障させ得る最大粒子またはパターン欠陥のサイズも縮小する。故に、パターン付きまたはパターンなし半導体ウェーハ上のより小さい粒子および欠陥を検出する必要が出てくる。粒子によって散乱される光の、その光の波長より小さい強度は一般に、その粒子の寸法の高次べき乗として概算される（例えば、隔離された小さい球状の粒子からの光の総散乱強度は、球の直径の６乗に比例し、波長の４乗に反比例する）。散乱光の強度が増加するため、より短い波長は一般に、小さい粒子および欠陥を検出するにあたり、より長い波長に勝る感度を提供する。
【０００７】
小さい粒子および欠陥から散乱される光の強度は一般に非常に低いため、非常に短時間で検出され得る信号を生成するには、高い照射強度が必要とされる。１Ｗ以上の平均光源パワーレベルが必要とされる。これらの高い平均パワーレベルにおいて、繰返し率が高いほどパルス毎のエネルギーは低くなり、したがって、システム光学素子または被検査物に対する損傷のリスクが小さくなるため、高いパルス繰返し率が望ましい。高い繰返し率（約５０ＭＨｚ以上等）は、各画像につき多くのパルスが収集されることを可能にし、パルス毎の強度のばらつきに対する感度を下げるため、高い繰返し率は高速検査においても望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１１１７９９号
【特許文献２】米国特許第７，６２３，５５７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７４２，６２６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、１９３ｎｍ未満の放射線を生成し、フォトマスク、レチクルおよび／またはウェーハの検査での使用に適したレーザー、さらに好ましくは、固体またはファイバーレーザーに対する必要が出てくる。とりわけ、高速でのそのような検査はしばしば、数ＭＨｚの最小レーザーパルス繰返し率（例えばいくつかの場合には５０ＭＨｚより大きい）を要する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、レーザーアセンブリを対象とし、また、基本波レーザー光の第５高調波を生成して、ダウンコンバートされた信号と混合することによって、基本波レーザーを用いて１８３ｎｍのレーザー光を生成することに関連する方法を対象とし、ダウンコンバートされた信号は、必要とされるダウンコンバートされた周波数を有する低パワーのダウンコンバートされたシード信号を生成し、次にダウンコンバートされたシード信号を基本波レーザー光の一部と混合して、ダウンコンバートされたシード信号よりも１０倍以上大きいピークパワーレベルのダウンコンバートされた信号を生成することにより生成される。第５高調波を利用して１８３ｎｍの出力レーザー光を生成することに関する効率に加えて、本発明による、ダウンコンバートされた信号を生成するための二段階の手法は、従来の方法論に勝るいくつかの有益な点を提供する。第１に、より低いパワーのダウンコンバートされたシード信号を生成する最初の段階は、より高いパワーのダウンコンバートされた信号を生成するために利用される光学構成部品への歪みと損傷の回避を助長するが、それは、大抵の非線形の結晶によって、歪みおよび／または損傷を引き起こすような様式で吸収される約４μｍ以上の波長を有する高パワーアイドラ周波数へのこれらの構成部品の露出を極減することによる。第２に、ダウンコンバートされたシード信号を比較的低いパワーで生成することは、ダウンコンバートされた周波数に対するより大きな制御を助長し、それがひいては１８３ｎｍのレーザー出力光の微調整を助長する。本発明の別の利点は、多種多様な構成部品を用いた１８３ｎｍのレーザーアセンブリの製造を助長し、それにより、すぐに入手できる構成部品および／または製造時に比較的安価である構成部品を選択し利用することを製造業者に可能にすることによって、製造融通性を提供することである。例えば、説明される様々な実施形態は、選択された基本波周波数（例えば、約１０６４ｎｍまたは約１０３０ｎｍの対応する基本波波長を有する）を、対応するダウンコンバートされた信号周波数（例えば、約１２５０ｎｍから約１４２０ｎｍの範囲、または約１４００ｎｍから約１８３０ｎｍの範囲の対応するダウンコンバートされた波長を有する）と混合することによって１８３ｎｍのレーザー出力光を生成する。これらの基本波周波数のうち少なくとも１つを生成できる基本波レーザーは、典型的に、適正価格で、パワーと繰返し率の様々な組み合わせですぐに入手できる。光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）は、ダウンコンバートされた信号周波数の制御を助長する方式でダウンコンバートされた信号を生成するので、本発明は、１８３ｎｍのレーザー出力光が製造されるという絶対的信頼をもって、所与の製造ランに関して最も低価格の、または最もすぐに入手できる基本波レーザーを製造業者が選択することを可能にする。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、レーザーアセンブリは、基本波レーザーと、光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）と、第５高調波発生器と、周波数混合モジュールを含む。基本波レーザーは、基本波波長（例えば、約１０６４ｎｍ、約１０５３ｎｍ、約１０４７ｎｍ、または約１０３０ｎｍのうち１つに等しい）および対応する基本波周波数を有する基本波光を生成するように構成される。ＯＰＳは、基本波光の第１の部分を受け取るように基本波レーザーに光学的に結合され、必要とされるダウンコンバートされた周波数 ωｓを有するダウンコンバートされた信号を生成するように構成される。一実施形態において、必要とされるダウンコンバートされた周波数（ωｓ）は、基本波周波数（ω）より低く、基本波周波数の５０％よりも高い（すなわち、０．５ω＜ωｓ＜ω）。第５高調波発生器は、基本波光の第２の部分を受け取り、任意選択的に、第４高調波も受け取り、第５高調波光（すなわち、基本波周波数の５倍に等しい第５高調波周波数（５ω）を有する）を生成するように構成される。周波数混合モジュールは、ＯＰＳからダウンコンバートされた信号を受け取り、第５高調波発生器から第５高調波光を受け取るように光学的に結合され、ダウンコンバートされた信号と第５高調波光を作動的に混合することによって１８３ｎｍのレーザー出力光を生成するように構成される。本発明によれば、ＯＰＳは、ダウンコンバートされたシード信号を、必要とされるダウンコンバートされた周波数と、比較的低い（第１の）ピークパワーレベルとで生成するように構成されたダウンコンバート済シード信号発生器（すなわち、シードレーザーまたは光パラメトリック発振器）と、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を含み、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）は、ダウンコンバートされたシード信号と基本波光の一部分が、非線形結晶を一度通過することによって混合され、それにより、ダウンコンバートされた信号を、ダウンコンバートされた周波数で、また、ダウンコンバートされたシード信号より１０倍（または１０倍以上）の（第２の）ピークパワーレベルで、生成するように構成される。ＯＰＳは、ダウンコンバートされた周波数と前記第５高調波周波数の合計が、約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲の前記レーザー出力光を生成するように、ダウンコンバートされた信号を、適切なダウンコンバートされた周波数とピークパワーレベルで生成するようにも構成される。
【００１２】
別の実施形態において、基本波レーザーは、約１０６４ｎｍ、約１０５３ｎｍ、約１０４７ｎｍおよび約１０３０ｎｍのうち１つに等しい対応する波長を有する基本波周波数で基本波光を生成するように構成され、ＯＰＳは、ダウンコンバートされた信号周波数と、対応する波長で、ダウンコンバートされた信号を生成するように構成され、それは、基本波周波数の第５高調波（例えば、約１０６４ｎｍの基本波波長に関して約１２５０ｎｍから１４２０ｎｍ）と混合された場合に、約１８３ｎｍでのレーザー出力光を生成する。さらなる例として、基本波波長が約１０３０ｎｍである場合、ダウンコンバートされた信号は約１４００ｎｍから１８３０ｎｍの波長で生成し、また、約１０４７ｎｍまたは約１０５３ｎｍの波長の基本波レーザーの場合、ダウンコンバートされた信号は約１２９０ｎｍと１５８０ｎｍの間の波長で生成される。別の実施形態において、本明細書に記載される約１８３ｎｍの出力波長を生成するためのレーザーアセンブリは、Ｑスイッチレーザー、モードロックレーザーまたは準連続波レーザーである基本波レーザーを利用する。最終周波数混合モジュールに、近似非臨界位相整合が用いられるため、その最終変換段階は効率がよくて微小なミスアライメントに比較的感応せず、約１Ｗから２０Ｗまたはそれ以上の範囲でのパワーレベルで安定した出力を可能にする。
【００１３】
一実施形態において、第５高調波発生器と周波数混合モジュールのうち少なくとも一方は、約２０６ｎｍから２１３ｎｍの間の波長を赤外波長と混合することによって１８３ｎｍ近傍の波長を生成するために、ほぼ非臨界位相整合された、アニール処理した、水素処理または重水素処理セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）結晶を含む。近似非臨界位相整合故に、周波数混合は非常に効率良く（例えば、非線形係数が約１ｐｍＶ−１、または１ｐｍＶ−１より少し大きい）、低ウォークオフ角（例えば、約３０ｍｒａｄ未満）である。好ましい実施形態では、アニール処理したＣＬＢＯ結晶は、５０℃近傍の一定温度で保持される。
【００１４】
例示の実施形態によれば、ダウンコンバート済シード信号発生器は、１ｍＷから５００ｍＷの範囲の、より低い（第１の）平均パワーレベルでダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成され、ＯＰＡは、１Ｗから２０Ｗ（またはそれ以上）の範囲のより高い（第２の）パワーレベルでダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成される。一例示の実施形態において、ＯＰＳのダウンコンバート済シード信号発生器は、ダウンコンバートされたシード信号を直接生成するシードダイオードレーザーを用いて実現され、別の例示の実施形態において、ダウンコンバート済シード信号発生器は、基本波光の一部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成するように構成された光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を用いて実現される。両例示の実施形態において、光パラメトリックシステムのＯＰＡは、第１の基本波光部分をダウンコンバートされたシード信号と混合するように構成されたビームコンバイナと、前記基本波光の第１の部分の誘導ダウンコンバージョンによって、ダウンコンバートされたシード信号を増幅するように構成された非線形結晶と、ダウンコンバートされた信号を、不要な周波数から分離するように構成されたビームスプリッタ（波長分離装置）を含む。この好ましい実施形態では、ＯＰＳ（例えば、ＯＰＡおよびオプションのＯＰＯ）で利用される非線形結晶は、周期的に分極される非線形光学的結晶（例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬＮ）、化学量論的タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、酸化マグネシウムドープ化学量論的タンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＳＬＴ）またはチタン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ））を用いて実現される。
【００１５】
本発明の別の実施形態によれば、１８３ｎｍのレーザー出力光は、上述と同じ方式で、第５高調波光をダウンコンバートされた信号と混合することによって生成されるが、この場合、ダウンコンバートされた信号は、基本波レーザー光の第２の高調波をダウンコンバートすることによって生成される（すなわち、光を基本波周波数でダウンコンバートする代わりに）。１０６４ｎｍの波長を有する基本波レーザー光が用いられる場合、第２の高調波光は、可視緑色スペクトル内の光を含み（すなわち、第２の高調波光は５３２ｎｍの波長を有する）、それにより、「緑色ポンプ」ＯＰＯのを使用するダウンコンバートされた信号を生成することは、１０６４ｎｍの基本波光から１．３μｍのダウンコンバートされた信号を生成することに関わる加熱の問題（すなわち、４μｍを越える波長を有するアイドラ信号の吸収によって引き起こされるＯＰＳにおける非線形結晶への歪み／損傷）を回避し、したがって、上述の実施形態で利用された、より低いパワーのシード信号を生成する必要をなくする。しかしながら、５３２ｎｍの光をダウンコンバートすることによって１．３μｍのダウンコンバートされた信号を生成することは、「緑色ポンプ」ＯＰＯ（ここで好ましい非線形結晶はＬＢＯである）で使用できる非線形結晶のタイプを制限し、ダウンコンバージョンプロセスの効率が下がるという別の問題をもたらす。   
【００１６】
本明細書において、半導体ウェーハ、フォトマスクまたはレチクル等の物を検査するためのシステムおよび方法も開示される。これらのシステムおよび方法は、最終周波数合計段階で近似非臨界位相整合を用いて１８３ｎｍ近傍の出力波長を生成するレーザーを含む。
【００１７】
本発明の１８３ｎｍのレーザーは、１９３ｎｍレーザーと比較して、短い波長に加えて、いくつかの利点を有する。第６高調波または第８高調波として１９３ｎｍを生成するレーザーと比較して、本発明の１８３ｎｍのレーザーは、数十または数百Ｗのパワーレベルですぐに利用できる基本波波長を用いるという利点を有する。第５高調波を信号周波数と混合することによって１９３ｎｍを生成するレーザーと比較した利点は、ＣＬＢＯが約２０６ｎｍから約２１３ｎｍの範囲の第５高調波波長から１８３ｎｍを生成するために近似非臨界位相整合されているため、１８３ｎｍのレーザーの周波数混合モジュールは、より高効率であるということである。これは、信号周波数と第５高調波の、最終出力へのより高効率の変換を可能にし、周波数混合モジュールをより安定させる。別の利点は、約 １．２５μｍから約１．８３μｍの間の対応する波長を有する信号周波数では、アイドラに比べて顕著に多いエネルギーが信号に入ることであり、それにより、基本パワーのより高効率の変換をもたらす（ほぼ等しいパワーが信号とアイドラに入らなければならない、２．１μｍ近傍の信号波長と比べて）ことである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の別の例示の実施形態による例示の１８３ｎｍのレーザーアセンブリを示す簡略ブロック図である。
【図１Ｂ】本発明の別の例示の実施形態による例示の１８３ｎｍのレーザーアセンブリを示す簡略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１Ａの１８３ｎｍのレーザーアセンブリで用いられる例示の第５高調波発生器を示す簡略ブロック図である。
【図３】本発明の別の実施形態による、１８３ｎｍのレーザー出力光を生成するために、図１Ａの１８３ｎｍのレーザーアセンブリ内で生成されて混合される例示の波長の表である。
【図４】本発明の一実施形態による、図１Ａの１８３ｎｍのレーザーアセンブリで用いられる例示の周波数混合モジュールを示す簡略ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による、基本波レーザー光パワーを増加させるために、図１Ａの１８３ｎｍのレーザーアセンブリで任意選択的に用いられる増幅器モジュールを示す簡略ブロック図である。
【図６Ａ】本発明の別の特定の実施形態による図１Ａの１８３ｎｍのレーザーアセンブリで用いられるダウンコンバートされた信号を生成するように構成された例示の光パラメトリックシステムを示す簡略ブロック図である。
【図６Ｂ】本発明の別の特定の実施形態による図１Ａの１８３ｎｍのレーザーアセンブリで用いられるダウンコンバートされた信号を生成するように構成された例示の光パラメトリックシステムを示す簡略ブロック図である。
【図７】１つのセンサ上の２つの画像または信号のチャネルを同時に検出するレチクル、フォトマスクまたはウェーハ検査システムの図である。
【図８】複数の対物レンズと、上述の改良された１９３ｎｍレーザーのうち１つを含む、例示の検査システムの図である。
【図９】反射屈折イメージングシステムに直角入射レーザー暗視野照射を付加した図である。
【図１０Ａ】表面の領域を検査するための照射システムおよび収集システムを含む表面検査装置の図である。
【図１０Ｂ】表面検査装置の収集システムの例示のアレイの図である。
【図１１】表面の異常を検査するために使用され得る表面検査システムの図である。
【図１２】直角および斜めの照射ビームの両方を使用して異常検出を実現するように構成された検査システムの図である。
【図１３】検査または計測システムで上述の１８３ｎｍのレーザーと共に使用される例示のパルス乗算器の図である。
【図１４】本発明のもう１つの別の実施形態による１８３ｎｍのレーザーアセンブリを示す簡略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、半導体製造業で用いられる検査システムにおける改善に関し、特に、約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲（例えば約１８３ｎｍ）の平均出力波長を有するレーザー光を生成でき、先行技術の手法に関わる問題を回避できる方式で１Ｗ以上の平均光源パワーレベルを有するレーザー光を生成できるような検査システム向けのレーザーアセンブリに関する。以下の説明は、当業者が、特定の用途およびその要件の範囲で提供された本発明を作成し利用できるように提示される。以下の説明において、波長は条件なしで言及されているが、波長は真空波長と仮定され得ることに留意すべきである。
【００２０】
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の別の例示の実施形態による１８３ｎｍのレーザーアセンブリ１００Ａおよび１００Ｂをそれぞれ示す簡略ブロック図である。レーザーアセンブリ１００Ａと１００Ｂは特定の点において異なっているが、各レーザーアセンブリ１００Ａおよび１００Ｂは、実質的に同じ、中核となる光学構成部品のセットを利用する、すなわち、レーザーアセンブリ１００Ａおよび１００Ｂはそれぞれ、基本波レーザー１０２と、光パラメトリックシステム（ＯＰＳ）１１６と、第５高調波発生器（以下に説明する理由により、図１Ａでは「１０３」を用いて、図１Ｂでは「１５７」を用いて識別されている）と、約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲、また最も好ましくは約１８３ｎｍの周波数を有するレーザー出力光１４０を生成するように配置され構成された周波数混合モジュール１０４を含む。これらの中核となる構成部品は、図１Ａおよび１Ｂにおいて同じまたは同様の参照番号で識別され、これら２つの例示の実施形態それぞれにおいてこれらの中核となる構成部品が、同じまたは同様の方式で構成され機能することを示していることに留意すべきである。特に、各実施形態において、基本波レーザー１０２は、基本波波長（例えば約１０６４ｎｍ）および対応する基本波周波数ωを有する基本波光１２８を生成するように構成される。同様に、各実施形態においてＯＰＳ１１６は基本波レーザー１０２に光学的に結合され、その結果、ＯＰＳ１１６は、基本波光１２８の部分１２７を入力光として受け取り、ＯＰＳ１１６は、ダウンコンバートされた信号１２９を生成するように構成される。同様に、第５高調波発生器１０３は、基本波レーザー１０２に光学的に結合され、その結果、第５高調波発生器１０３は、基本波光１２８の少なくとも一部分１３０を入力光として受け取り、第５高調波発生器１０３は、基本波周波数ωの５倍に等しい第５高調波周波数５ωで第５高調波光１３４を生成するように構成される。周波数混合モジュール１０４は、ＯＰＳ１１６からのダウンコンバートされた信号１２９と、第５高調波発生器１０３からの第５高調波光１３４を両方とも入力光として受け取るように光学的に結合され、ダウンコンバートされた信号１２９と第５高調波光１３４を混合することによってレーザー出力光１４０を生成するように構成される。
【００２１】
本発明の一態様によれば、ＯＰＳ１１６は、ダウンコンバート済シード信号発生器１１７（例えば、ダイオードレーザーまたはＯＰＯ）および光パラメトリック増幅器(ＯＰＡ)１１９を利用して、ダウンコンバートされた周波数ωｓでのダウンコンバートされた信号１２９を生成し、その結果、周波数混合モジュール１０４内で第５高調波光１３４と混合されると、所望の波長（すなわち約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲）でのレーザー出力光１４０を生成する。特に、ダウンコンバート済シード信号発生器１１７は、ダウンコンバートされた信号１２９と同じダウンコンバートされた周波数ωｓを有するが、ダウンコンバートされた信号１２９のパワーレベルより実質的に低い、より低い（第１の）パワーレベルを有するダウンコンバートされたシード信号１１８を生成するように構成される。本明細書で用いられる「ダウンコンバートされた」という語句は、ダウンコンバートされた信号１２９のダウンコンバートされた周波数ωｓが、基本波レーザー信号１２８の基本波周波数ωよりも低い周波数であるということを示唆することを意図している。特定の実施形態において、ダウンコンバートされた周波数ωｓはさらに、基本波周波数ωの５０％（１／２）よりも大きい（すなわち、０．５ω＜ωｓ＜ω）。ＯＰＡ１１９は、ダウンコンバートされたシード信号１１８を基本波光部分１２７と混合して、必要とされる（第２の）ピークパワーレベル（すなわち、第１のピークパワーレベルの１０倍を超える）でのダウンコンバートされた信号１２９を生成するように構成される。より低パワーのダウンコンバートされたシード信号１１８を基本波光と混合することで、より高パワーのダウンコンバートされた信号１２９を生成する１つの利点は、より低パワーのレーザー光の安定性と帯域幅の制御がより容易であることであり、そのため、より低い（第１の）パワーレベルでのダウンコンバートされたシード信号１１８を生成することは、ダウンコンバートされた信号１２９のダウンコンバートされた周波数ωｓに対する、より大きな制御を助長する。より低パワーのダウンコンバートされたシード信号１１８を用いてより高パワーのダウンコンバートされた信号１２９を生成することの別の利点は、この手法が、ダウンコンバートされたシード信号１１８と基本波周波数部分１２７をＯＰＡ１１９に一度のみ通すことによってダウンコンバートされた信号１２９の生成を助長し、それは（以下にさらに詳しく説明するように）、より高パワーのダウンコンバートされた信号を用いて１８３ｎｍのレーザー出力光１４０を生成した場合に、アイドラ周波数によって引き起こされるダウンコンバートされた信号１２９の歪みを極減することである。
【００２２】
上記の中核となる構成部品ぞれぞれの機能的配置および動作は、レーザーアセンブリ１００Ａ（図１Ａ）の詳細な説明を参照して以下にさらに詳細に説明される。別途指定しない限り、図１Ａを参照して下記に提供されるさらなる詳細は、レーザーアセンブリ１００Ｂで用いられる対応する中核となる構成部品にも該当するため、簡潔にするために、図１Ｂ（下記の）の説明では、さらなる詳細を繰り返すことは省略した。
【００２３】
図１Ａを参照すると、上記の中核となる構成部品に加えて、レーザーアセンブリ１００Ａは、基本波レーザー１０２と、ＯＰＳ１１６および第５高調波発生器１０３両方との間に光学的に結合されたビームスプリッタ１２０を利用している。特に、基本波レーザー１０２は、ビームスプリッタ１２０に向けられる基本波光１２８を生成し、ビームスプリッタ１２０は、基本波光１２８を２つの部分、すなわち、第１の（例えば下向き）のＯＰＳ１１６に向けられる第１の部分１２７と、第２の（例えば水平）方向の第５高調波発生器１０３に向けられる第２の部分１３０に分割するように機能する。ＯＰＳ１１６は、ＯＰＡ１１９を用いて基本波光部分１２７をダウンコンバートし、ダウンコンバートされた周波数ωｓを有するダウンコンバートされた信号１２９を周波数混合モジュール１０４に伝送する。第５高調波発生器モジュール１０３は基本波光部分１３０を変換して第５高調波光１３４を周波数混合モジュール１０４に伝送する。周波数混合モジュール１０４はダウンコンバートされた信号１２９と第５高調波光１３４を混合してレーザー出力光１４０を生成する。
【００２４】
図１Ａの左側部分を参照すると、基本波レーザー１０２は、既知の技法を用いて、基本帯域幅（範囲）Δω内の基本波周波数での基本波光１２８（当業界では単に「基本波」と呼ばれる）を生成するように構成される。一実施形態では、基本波レーザー１０２は、赤外波長約１０６４ｎｍに対応する基本波周波数ωで基本波光１２８が生成されるように構成される。１つの例示の実施形態において、基本波レーザー１０２は、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）のレーザー媒体、Ｎｄドープイットリウムオルトバナデートのレーザー媒体のうち１つを用いて、またはイッテルビウムドープファイバレーザーにより実現される。適切な基本波レーザーは、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｎｃ．（８０ＭＨｚおよび１２０ＭＨｚの繰返し率を備えたＰａｌａｄｉｎファミリー内のモデルを含む）、Ｎｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｅｘｐｌｏｒｅｒファミリー内のモデルを含む）、および他の製造業者からパルス（Ｑスイッチ型またはモードロック型または準ＣＷ）として市販されている。そのような基本波レーザーのレーザーパワーレベルは、数ミリワットから数十ワット以上の範囲であり得る。別の例示の実施形態では、基本波レーザー１０２は、１０５３ｎｍまたは１０４７ｎｍ近傍の基本波波長で基本波レーザー光を生成する、Ｎｄ：ＹＬＦ（ネオジムドープイットリウムフッ化リチウム）のレーザー媒体を用いてレーザーにより実現される。さらに別の例示の実施形態では、基本波レーザー１０２は、１０３０ｎｍ近傍の基本波波長で基本波レーザー光を生成する、イットテルビウムドープファイバレーザーによって実現され得る。
【００２５】
図１Ａで基本波レーザー１０２の右側部分を参照すると、ビームスプリッタ１２０は、基本波光１２８を基本波光部分１２７と１３０に分割するように機能し、それらはそれぞれＯＰＳ１１６と第５高調波発生器モジュール１０３に向けられる。好ましい実施形態では、ビームスプリッタ１２０は、エタロンまたはその他の波長選択デバイスを備え、波長選択デバイスは、基本波波長から第１の部分と第２の部分を選択し、第２の部分１３０が、基本波波長帯域幅において第１の部分１２７よりも狭い波長範囲を備えるようにする。ビームスプリッタ１２０に波長選択デバイスを用いると、基本波レーザー１０２の帯域幅とは無関係にレーザーの出力帯域幅が制御されることを可能にする。１８３ｎｍ近傍の波長を生成するレーザー等の、深ＵＶレーザーの出力帯域幅を制御するために、波長選択デバイスがどのように用いられ得るかに関するさらなる詳細は、Ｄｅｎｇらによって２０１４年６月９日に出願された米国特許出願第１４／３００，２２７号からわかる。この特許出願は、本明細書に参照により組み込まれる。一実施形態において、１８３ｎｍのレーザーアセンブリ１００Ａは、高速検査の用途には重要である１ＭＨｚを越える繰り返し率で動作するように構成される。この高い繰返し率での動作を達成するために、基本波レーザー１０２は、約５０ＭＨｚ以上の繰返し率で動作するモードロックまたは準ＣＷ基本波レーザーを用いて実現され、約５０ＭＨｚ以上の繰返し率は、そのような高い繰返し率を用いると、同じパワーのより低い繰返し率のレーザーと比べて高速の画像取得を可能にし、各パルスのピークパワーを低減する（したがって光学素子と被検査物に対する損傷がより少ない）ため、半導体ウェーハ、フォトマスクおよびレチクルの高速検査には特に有益である。本明細書において、本発明は、所望の１８３ｎｍ波長でのレーザー出力光１４０の生成を助長する種々の基本波波長を用いて説明されるが、別の基本波波長を用いて、１８３ｎｍから数ナノメータ差の範囲の別の波長が生成されてもよい（すなわち、適切な信号周波数と混合した場合）。添付の特許請求の範囲に別段指定しない限り、そのようなレーザーを利用するそのようなレーザーおよびシステムは、本発明の範囲内にあると見なされる。
【００２６】
図１Ａにおいてビームスプリッタ１２０の下方に配置されたＯＰＳ１１６は、基本波光１２８の第１の部分１２７を受け取ってダウンコンバートし、このダウンコンバージョンが、必要とされるダウンコンバートされた周波数ωｓでのダウンコンバートされた信号１２９を生成する（すなわち、ダウンコンバートされた信号１２９と第５高調波光１３４を混合して、約１８３ｎｍの出力レーザー光１４０を生成する）ように構成される。別の実施形態では、ＯＰＳ１１６は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）またはＯＰＯとＯＰＡ両方の組み合わせを含む。
【００２７】
本発明の一態様によれば、ＯＰＳ１１６は、ＯＰＯまたはＯＰＡと共同して動作して、ダウンコンバートされた信号１２９の周波数ωｓと帯域幅を決定する、体積型ブラッググレーティングまたは狭帯域幅の安定化シードダイオード等の波長選択デバイス１１７も含み、所与の特定実施形態で利用される、特定波長選択は、基本波光１２８の周波数／波長およびレーザー出力光１４０の所望の波長に基づいて選択される。例えば、基本波レーザー１０２が基本波光１２８を約１０６４ｎｍの波長（約１０６４ｎｍから約１０６５ｎｍの間の波長等）で生成する場合、波長選択デバイス１１７は、ＯＰＳ１１６に、ダウンコンバートされた信号１２９を、約１２５０ｎｍから約１４２０ｎｍの間の波長に対応する周波数で生成させる特定の波長選択デバイスによって実現され、その結果、第５高調波生成モジュール１０３によって、１０６４ｎｍの基本波周波数に基づいて生成された第５高調波光１３４と混合された場合、レーザーアセンブリ１００Ａに、約１８２ｎｍから約１８５ｎｍの間の波長でレーザー出力光１４０を生成させる。別例では、基本波レーザー１０２が基本波光１２８を約１０５３ｎｍの波長（すなわち、約１０５３ｎｍから約１０５４ｎｍの間の波長等）で生成する場合、波長選択デバイス１１７は、ＯＰＳ１１６に、ダウンコンバートされた信号１２９を、約１２９０ｎｍから約１５２０ｎｍの間の波長に対応する周波数で生成させる別の特定の波長選択デバイスによって実現され、その結果、約１８１ｎｍから約１８５ｎｍの間の波長でレーザー出力光１４０を生成させる。さらに別の例では、基本波レーザー１０２が基本波光１２８を約１０４７ｎｍの波長（すなわち、約１０４７ｎｍから約１０４８ｎｍの間の波長等）で生成する場合、波長選択デバイス１１７は、ＯＰＳ１１６に、ダウンコンバートされた信号１２９を、約１２９０ｎｍから約１５８０ｎｍの間の波長に対応する周波数で生成させるさらに別の特定の波長選択デバイスによって実現され、その結果、約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの間の波長でレーザー出力光１４０を生成させる。最後の例では、基本波レーザー１０２が基本波光１２８を約１０３０ｎｍの波長（すなわち、約１０２９ｎｍから約１０３１ｎｍの間の波長等）で生成する場合、波長選択デバイス１１７は、ＯＰＳ１１６に、ダウンコンバートされた信号１２９を、約１４００ｎｍから約１８３０ｎｍの間の波長に対応する周波数で生成させるさらに別の特定の波長選択デバイスによって実現され、その結果、約１７９ｎｍから約１８５ｎｍの間の波長でレーザー出力光１４０を生成させる。これらの例示の数値が与えられると、当業者は、所与の基本波周波数とレーザー出力波長に対して適正な波長選択デバイスを選択する方法を理解するであろう。
【００２８】
図１Ａを再び参照すると、基本波光１２８の第２の部分１３０は、ビームスプリッタ１２０から、基本波部分１３０を変換することによって基本波周波数ωの５倍の周波数を有する第５高調波光１３４を生成するように構成され機能する第５高調波生成モジュール１０３の方に向けられる。第２の基本波部分１３０の帯域幅が基本波光１２８の帯域幅よりも狭い場合（すなわち、ビームスプリッタ１２０が波長選択デバイスを備えているため）、第５高調波光１３４も、波長選択デバイスを用いずに基本波光１２８から直接生成された場合よりも狭い帯域幅を有することになる。
【００２９】
図２は、本発明の好ましい実施形態による、第１周波数倍増モジュール（第２高調波生成）２０２、オプションのビームスプリッタ／プリズム２１２、第２周波数倍増モジュール（第４高調波生成）２０３、オプションのビームスプリッタ／コンバイナ２１３、周波数加算モジュール（第５高調波生成）２０４およびオプションのビームスプリッタまたは波長分離装置２１４を含む第５高調波発生器モジュール１０３を示す。一般に、第５高調波発生器モジュール１０３は、周波数倍増モジュール２０２および２０３を用いて基本波周波数ωの入力信号の一部分（すなわち、第２の基本波部分１３０）を変換して、基本波周波数の４倍（４ω）の第４高調波レーザー光２０３Ａを生成し、次に、周波数加算モジュール２０４を用いて第４高調波レーザー光２０３Ａを入力光の未消費の部分と混合することによって第５高調波光１３４を生成するように機能する。本発明の好ましい実施形態によれば、第１周波数倍増モジュール２０２、第２周波数倍増モジュール２０３、周波数加算モジュール２０４のうち少なくとも１つは、アニール処理したＣＬＢＯ結晶、重水素処理したＣＬＢＯ結晶または水素処理したＣＬＢＯ結晶を用いて実現される。
【００３０】
第５高調波発生器モジュール１０３は、第１周波数倍増モジュール２０２によって第２高調波レーザー光２０２Ａを生成し、次に、第２周波数倍増モジュール２０３を用いて第２高調波レーザー光２０２Ａを倍増することによって第４高調波レーザー光２０３Ａを生成する。図２の左側を参照すると、第１周波数倍増モジュール２０２は、基本波周波数ωの基本波部分１３０を受け取り変換して、基本波周波数の２倍（２ω）の第２高調波光２０２Ａを形成する。第２周波数倍増モジュール２０３は第２高調波光２０２Ａを受け取り変換して、基本波周波数の４倍（４ω）の第４高調波光２０３Ａを形成する。第１周波数倍増モジュール２０２から出ていく基本波光１３０の未消費の部分２０２Ｂは、ビームスプリッタまたはプリズム２１２によって第２高調波光２０２Ａから分離されて、周波数加算モジュール２０４の方に向けられてもよい。一実施形態において（図示せず）、未消費の基本波部分２０２Ｂは、第２高調波２０２Ａから分離されず、第２周波数倍増モジュール２０３を介して第２の高調波光２０２Ａと共伝搬し、第４高調波２０３Ａと実質的に同時に周波数加算モジュール２０４に到達する。未消費の基本波部分２０２Ｂを第２高調波光２０２Ａから分離する１つの利点は、２つのレーザーパルスが周波数加算モジュール２０４に実質的に同時に到達するように、未消費の基本波部分２０２Ｂまたは第４高調波光２０３Ａのいずれかに、適切な時間遅延が適用され得るということである。さらなる利点は、光を向けるおよび／または集束するために用いられる、ミラー、レンズおよびプリズム（図示せず）等の光学的要素が、適切な波長に関して各経路において別個に最適化され得るということである。
【００３１】
一実施形態において、未消費の第２高調波部分２０２Ｂ（すなわち、第２周波数倍増モジュール２０３内で使用されない第２の高調波光の部分）は、オプションのビームスプリッタ／コンバイナ２１３によって第４高調波２０３Ａから分離される。ビームスプリッタ／コンバイナ２１３は、１つ以上のビームスプリッタおよび／または１つ以上のプリズムを備えていてもよい。ビームスプリッタ／コンバイナ２１３は、必要な場合、未消費の基本波２０２Ｂを第４高調波２０３Ａと混合して、両方が一緒に周波数加算モジュール２０４に伝播できるようにしてもよい。
【００３２】
図２の右側を参照すると、周波数加算モジュール２０４は、第４高調波光２０３Ａを未消費の基本波光部分２０２Ｂに加算することによって第５高調波光１３４を生成する。いくつかの実施形態において、オプションのビームスプリッタまたは波長分離装置２１４を用いて、第５高調波光１３４から任意の未消費の 基本波および第４高調波２０４Ｂを分離してもよい。ビームスプリッタ２１４は、 プリズム、偏光型ビームスプリッタ、ダイクロイックビームスプリッタ、または光学的要素の組み合わせを含んでもよい。
【００３３】
１つの好ましい実施形態では, 第２高調波生成モジュール２０２は、周波数変換のためにリチウムトリボレート（ＬＢＯ）結晶を備える。別の実施形態では、第２高調波生成モジュール２０２は、ＣＬＢＯ、ＢＢＯまたはその他の周波数変換のための非線形結晶を備える。第５高調波発生器１０３の１つの好ましい実施形態では、第４高調波生成モジュール２０３は周波数変換のためにＣＬＢＯ結晶を備える。別の実施形態では、第４高調波生成モジュール２０３はＢＢＯまたは周波数変換のための別の非線形結晶を備えてもよい。第５高調波発生器１０３の１つの好ましい実施形態では、周波数加算モジュール２０４は、周波数加算のためにＣＬＢＯ結晶を備える。別の実施形態では、周波数加算モジュール２０４は周波数加算のためにＢＢＯまたは別の非線形結晶を備えてもよい。
【００３４】
図３は、図１に示した１８３ｎｍのレーザーについての例示の波長範囲（ｎｍ単位の）の表を示す。各基本波レーザータイプについて、例示の短波長基本波および例示の長波長基本波が、所望の出力波長（表に示された例では、１８３ｎｍ）に必要な高調波およびダウンコンバートされた信号に対応する波長と共に示されている。基本波レーザーの正確な波長は、レーザー媒体の正確な組成、レーザー媒体の動作温度、および光共振器のデザインを含む多くの要因に依存する。所与のレーザー媒体の同じレーザーラインを使用する２つのレーザーは、前述の、および他の要因により、１ｎｍまたは数ｎｍの数十分の一だけ異なる波長で動作することができる。該当分野の当業者は、表に記載されているものに近い任意の基本波波長から所望の出力波長を生成するために、ダウンコンバートされた信号に適切な波長を選択する方法を理解するであろう。同様に、所望の出力波長が１８３ｎｍから数ｎｍだけ異なる場合、この所望の出力波長もまた、ダウンコンバートされた信号の波長の適切な調整によって達成することができる。
【００３５】
図４は、レーザーアセンブリ１００Ａ(図１Ａ)で用いる好ましい実施形態による周波数混合モジュール１０４を示す。周波数混合モジュール１０４は非線形結晶４０２を含み、非線形結晶４０２は、好ましい実施形態では、入力表面４４２および対向する出力表面４５２を含むアニール処理した（重水素処理したまたは水素処理した）セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）結晶を含む。非線形結晶４０２は、第５高調波光１３４（すなわち第５高調波発生器１０３から）と、ダウンコンバートされた信号１２９（ＯＰＳ発生器１１６から）を両方とも、入力表面４４２で受け取るように位置決めされ、その結果、信号１２９と光１３４の両方が、ほぼ同一線で（例えば、図４に破線矢印で示す方向４１０に）非線形結晶４０２に入射し、結晶４０２の内部または近傍に配置された対応するビームウェスト（ビームウェストは図示せず）に集束する。１４３３ｎｍ近傍の波長を有するダウンコンバートされた信号と、２０６ｎｍ近傍の波長を有する第５高調波での、約５０℃の温度における、ＣＬＢＯ内のタイプＩの整合については、位相整合角度は約７４．９°である。１２７４ｎｍ近傍の波長を有するダウンコンバートされた信号と、２１３ｎｍ近傍の波長を有する第５高調波での、約５０℃の温度における、ＣＬＢＯ内のタイプＩの整合については、位相整合角度は約８５．７°である。これらの例は両方とも、１８３ｎｍ近傍の波長を生成するための、高効率且つ低ウォークオフでの、ほぼ非臨界位相整合が達成され得ることを示している。これらの波長の組み合わせは例に過ぎず、本発明の範囲を限定する意図はない。適切な分野の当業者は、位相整合を達成するために、波長、温度および角度の異なる組合せを選択する方法を理解する。
【００３６】
いくつかの実施形態では、結晶４０２の入力表面４４２は、第５高調波光１３４に対して（すなわち、方向４１０および第５高調波光１３４の偏光に対して）ほぼブリュースター角度となるように切断され配置される。この角度は、第５高調波の反射を極減し、それにより、いくつかの実施形態において、入力表面４４２上への反射防止コーティングの必要の回避を助長する。別の実施形態では、反射防止コーティング（図示せず）が、表面４４２に施されて、第５高調波および／または信号波長の反射される光を減少させる。結晶４０２の出力表面４５２は、コーティングされてもコーティングされなくてもよい。一実施形態において、結晶４０２の出力表面４５２は切断されて、レーザー出力光１４０に対してブリュースター角度に維持され、また、コーティングはされない。タイプＩの位相整合が用いられる場合、レーザー出力光１４０の偏光は好ましくは、入力波長の（すなわち、第５高調波光１３４とダウンコンバートされた信号１２９の）偏光に対して垂直であり、ブリュースター角度の出力表面４５２は、適切に切断されなければならないことに留意されたい。出力表面４５２をコーティングしないことの利点は、コーティングは、強いＵＶ放射線に曝されたときに、短い寿命を有し得るということである。
【００３７】
図４を再び参照すると、好ましい実施形態では、周波数混合モジュール１０４は、１つ以上の光学的要素（光学素子）４０５を用いて、所望の出力波長、すなわち約１８３ｎｍのレーザー出力光１４０を、他の不必要な波長４５１（例えば、第５高調波光１３４の未消費の部分および／またはダウンコンバートされた信号１２９の未消費の部分）から分離することができる。光学的要素４０５は、ビームスプリッタ、プリズム、格子、または他の光学的要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、結晶４０２の出力表面４５２のウォークオフと角度との組み合わせは、光学的要素４０５を必要とせずに、レーザー出力１４０を他の波長から十分に分離することを達成できる。
【００３８】
１８３ｎｍのレーザーの好ましい実施形態では、第５高調波光１３４のかなりの部分、またはほとんど全てが、高パワーのダウンコンバートされた信号１２９の使用により、結晶４０２内で消費される。これは、基本波光１２８（図１の）からレーザー出力光１４０への総合変換効率を低くすることになり得るが、所与の出力パワーについて、信号波長により多くのパワーを使用し、第５高調波により少ないパワーを使用するレーザーは、耐用年数を長引かせ、必要な保守の頻度も低くすることができ、それは、第４および第５高調波等の深ＵＶ光が、レーザー内の光学素子に損傷や光汚染をもたらしやすいためである。
【００３９】
いずれの実施形態でも、基本波または必要に応じてその他の波長を向けるために、例えば、ミラー、プリズム、ペリスコープ等が用いられてもよいことに留意されたい。例えば、プリズム、ビームスプリッタ、ビームコンバイナおよびダイクロイックコーティングされたミラーが、必要に応じてビームを分離し合成するために用いられてもよい。ミラーおよびビームスプリッタの様々な組み合わせが、任意の適切なシーケンスで、異なる周波数変換段の間で様々な波長を分離し、またルーティングするために使用することができる。周波数変換結晶、プリズム、ビームスプリッタまたはレンズの面は、反射防止コーティングを使用せずに反射を極減または制御するために、入射波長に対してブリュースター角度に略等しい角度で切断されてもよい。この切断は、ＵＶ放射線が入射する表面には特に有利であり、なぜなら、反射防止コーティングは、そのような表面で使用される場合、ＵＶに曝されると劣化することがあり、したがってレーザーの信頼性が低下することもあるからである。波長板（ブリュースター角度波長板または位相差板）または他の光学的要素は、必要に応じて波長のいずれかの偏光特性を回転して、偏光特性を次の周波数変換または周波数混合段の適切な結晶軸に整合させるために使用することができる。ＤＵＶレーザーにおけるブリュースター角度光学素子の使用は、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇの、「Ｈｉｇｈ  Ｄａｍａｇｅ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題した米国特許第８，７１１，４７０号により詳細に説明されている。この特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４０】
上記の説明と、関連する図面は、約１８３ｎｍの波長を有する光を生成する種々のレーザーを説明する。実施形態を説明するために、いくつかの特定の波長および波長範囲が説明されている。１８３ｎｍより数ｎｍだけ短いまたは長い別の波長を生成する、上記に説明したレーザー実施形態と同様の他のレーザー実施形態も可能であり、それらは本発明の範囲内にある。
【００４１】
上記の図は、構成要素の実際の物理的レイアウトを表すことを意図しない。上述の図は、プロセスに関連する主な光学的モジュールを示しているが、全ての光学的要素を示していない。該当分野の当業者は、上述の図およびそれに関連する記述から、１８３ｎｍのレーザーを構築する方法を理解するであろう。必要に応じて、より多くのまたはより少ない光学構成要素を使用して、光を向けることができることを理解されたい。必要に応じて、レンズおよび／または曲面ミラーを使用して、ビームウェストを非線形結晶の内部または近傍の実質的に円形または楕円形の断面の焦点に集束させることができる。必要に応じて、プリズム、ビームスプリッタ、格子、または回折光学的要素を使用し、各周波数変換器または混合器モジュールの出力の異なる波長を操縦または分離してもよい。プリズム、コーティングされたミラー、または他の素子を適宜使用して、周波数変換器および混合器への入力の異なる波長を合成してもよい。ビームスプリッタ、またはコーティングされたミラーを適宜使用して、１つの波長を２つのビームに分割してもよい。フィルタを使用して、任意の段の出力の不必要な波長を遮断または分離してもよい。必要に応じて、波長板を使用して、偏光特性を回転させてもよい。別の光学的要素を適宜使用してもよい。いくつかの場合では、未消費の光が、次の段でその光が必要とされていない場合でも、１つの周波数変換段から次の段に通過することを可能にすることは、許容され得る。これは、パワー密度が損傷の原因とならないほど十分に低い場合、かつ所望の周波数変換プロセスにほとんど干渉しない場合（例えば、結晶角度で位相整合しない理由で、または光の偏光特性により）、許容され得る。適切な技術分野の当業者は、１８３ｎｍのレーザーの実現形態で可能である様々なトレードオフおよび代替物を理解するであろう。
【００４２】
好ましい実施形態では、第２高調波を生成する第１周波数倍増モジュール２０２（図２）は、室温と約２００℃の間の温度で実質的に非臨界位相整合する（ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｌａｎｅ）ことができ、約５１５ｎｍから約５３２ｎｍの波長範囲で第２高調波を生成するリチウムトリボレート（ＬＢＯ）結晶を含み得る。別の実施形態では、第１周波数倍増モジュール２０２は、いずれも、臨界位相整合して、約５１５ｎｍから約５３２ｎｍの波長範囲で第２高調波を生成するセシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）結晶またはベータバリウムボレート（ＢＢＯ）結晶を含み得る。
【００４３】
第４高調波を生成する第２周波数倍増モジュール２０３（図２）と、第５高調波を生成する周波数加算モジュール２０４は、ＣＬＢＯ、ＢＢＯまたはその他の非線形結晶での臨界位相整合を用いてもよい。好ましい実施形態では、周波数倍増モジュール２０３と周波数加算モジュール２０４は両方ともＣＬＢＯ結晶を備える。
【００４４】
いずれの周波数変換段（図１Ａ、２および４に示した周波数変換段を含む）も、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらによる、「Ｌａｓｅｒ Ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ,  Ｓｔａｂｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｂｅａｍ，  Ａｎｄ  Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ  Ｃｒｙｓｔａｌ」と題した米国特許第８，８７３，５９６号で開示された方法およびシステムのいくつか、または全てを有利に使用することができる。この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４５】
いずれの周波数変換段（図１Ａ、２および４に示した周波数変換段を含む）も、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇによる、「Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ  ｆｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｔｈｅ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｒｙｓｔａｌｓ」と題した米国特許第８，２９８，３３５号に記載されたもののような１つ以上の保護環境を備えることができる。この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。単一の保護環境は、複数の段または単一の段を包囲できることに留意されたい。
【００４６】
いずれの周波数変換段（図１Ａ、２および４に示した周波数変換段を含む）も、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらによる、「Ａｌｌｅｖｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｄａｍａｇｅ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｂｙ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｃｏｌｏｒ  ｃｅｎｔｅｒｓ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｐｈｏｎｏｎ  ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ」と題した米国特許第８，２９８，３３５号に記載された任意の方法またはシステム、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇによる、「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｉｔｅ  ｌｉｆｅｔｉｍｅ  ｉｎ  ａ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｒｙｔａｌ」と題した米国特許第８，８２４，５１４号に記載された任意の装置または方法、Ｇｅｎｉｓによる、「Ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題した米国特許第８，９７６，３４３号に記載された任意の装置および方法、Ｇｅｎｉｓによって２０１３年６月１９日に出願された、「Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｓｈｉｆｔ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｐｒｏｌｏｎｇ  ｔｈｅ  ｌｉｆｅ  ａｎｄ  ｍｉｎｉｍｉｚｅ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ａ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｒｙｓｔａｌ」と題した米国特許仮出願第６１／８３７，０５３号に記載された任意のシステムおよび方法、それぞれ２０１２年６月２９日および２０１３年２月７日にＡｒｍｓｔｒｏｎｇらによって出願された、「Ｓｃａｎ  ｒａｔｅ  ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｍｏｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｉｎ  ａ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ  ｌａｓｅｒ」と題した米国特許仮出願第６１／６６６，６７５号および第６１／７６２，２６９号に記載された任意のシステムおよび方法を組み込んでもよい。レーザーはさらに、「Ｄｙｎａｍｉｃ  ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ」と題した、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇへの米国特許第８，６８６，３３１号に記載された任意のシステムおよび方法を組み込んでもよい。これらの特許、出願および仮出願はすべて、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４７】
さらに、周波数変換段（図１Ａ、２および４に示した周波数変換段を含む）のうちいずれも、有利には重水素、ハロゲンおよび／またはフッ素ドープまたは処理非線形結晶を使用できることに留意されたい。そのような結晶は、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらによって２０１０年９月３日に出願された米国特許第９，０２３，１５２号、または、Ｃｈｕａｎｇらによって２０１２年６月１日に出願された２つの米国特許同時係属出願、第１３／４８８，６３５号、およびＤｒｉｂｉｎｓｋｉらによって２０１４年４月８日に出願された米国特許出願第１４／２４８，０４５号に記載されたプロセスまたは方法のうちいずれによって生成、処理または取り扱われてもよい。これらの特許および出願は、本明細書に参照により組み込まれる。ドープされ処理された結晶は、周波数倍増モジュール２０３、周波数加算モジュール２０４および周波数混合モジュール１０４を含む深ＵＶ波長を包含する段階に特に役立ち得る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、基本波波長で十分なパワーを生成するために、１つ以上の増幅器を使用して基本波のパワーを増加させることができる。２つ以上の増幅器が使用される場合、好ましくは、１つのシードレーザーが全ての増幅器にシーディングし、それらが全て同じ波長で同期されたレーザーパルスを出力するように、使用されるべきである。図５は、シードレーザー５０３が、所望の基本波波長（例えば、約１０６４ｎｍ、約１０５３ｎｍ、約１０４７ｎｍまたは約１０３０ｎｍ）の安定化された狭帯域シードレーザー光５０４を生成することができる例示の増幅器モジュール５００を示す。いくつかの実施形態では、シードレーザー５０３は、ＮｄドープＹＡＧレーザー、Ｎｄドープイットリウムオルトバナデートレーザー、ＮｄドープＹＬＦレーザー、ファイバーレーザー、または安定化ダイオードレーザーのうちの１つである。シード光５０４は、光をより高いパワーレベルに増幅する第１の増幅器５０７に進んで、基本波１２８を生成する。一実施形態では、第１の増幅器５０７は、ＮｄドープＹＡＧまたはＮｄドープイットリウムオルトバナデートを含む。一実施形態では、増幅器ポンプ５０５は、第１の増幅器５０７をポンピングすることができるレーザーを含む。いくつかの実施形態では、このポンピングは、約８０８ｎｍの波長で、または約８８８ｎｍの波長で、動作する１つ以上のダイオードレーザーを使用して行うことができる。他の実施形態では、第１の増幅器５０７は、Ｙｂドープファイバ増幅器を含むことができる。
【００４９】
図５はまた、増幅器モジュール５００のいくつかの実施形態で使用することができる例示の追加の構成部品を示す。ＯＰＯ／ＯＰＡ１１６、第１周波数倍増モジュール２０２および周波数加算モジュール２０４（図１および２）は、基本波レーザー波長を入力として受け取るので、波長において１８３ｎｍ近傍で必要な出力パワーに依存して、必要とされる帯域幅、安定性およびビーム品質で単一の増幅器によって便利に生成することができるさらなる基本波レーザー光が必要とされ得る。実際には、光増幅器のパワー出力を増加させることにより、帯域幅の増加、熱レンズまたは他の影響によるビーム品質の劣化、安定性の低下、および／または寿命の短縮をもたらす可能性がある。
【００５０】
したがって、増幅器モジュール５００のいくつかの実施形態では、第１の増幅器５０７および追加の第２の増幅器５１７を使用して、２つの基本波レーザー出力１２８および５２８をそれぞれ生成することができ、基本波光１２８は上記のように用いられ、光５２８は、例えば、１２７（図１Ａの）または２０２Ｂ（図２の）の代わりに、別の周波数変換段（図示せず）に向けられ得る。第２の増幅器５１７は、第１の増幅器５０７と実質的に同一であり得る。一実施形態では、増幅器ポンプ５１５は、第２の増幅器５１７をポンピングすることができるレーザーを含む。増幅器ポンプ５１５は、増幅器ポンプ５０５と実質的に同一であり得る。とりわけ、出力１２８と５２８が同じ波長であり、かつ同期することを保証するために、同じシードレーザー５０３を使用して両方のレーザーにシーディングすることができる。ビームスプリッタまたはプリズム５１１およびミラーまたはプリズム５１２は、シード光５０４を分割し、その一部を第２の増幅器５１７に向けることができる。
【００５１】
図６Ａおよび６Ｂは、２つの別の例示の実施形態によるＯＰＳ１１６ＤおよびＯＰＳ１１６Ｅをそれぞれ示す。図１Ａを参照して上述したように、ＯＰＳ１１６は、ダウンコンバートされた信号シード発生器（ＤＣＳＳＧ）１１７を含み、ダウンコンバートされた信号シード発生器（ＤＣＳＳＧ）１１７は、より低パワーのダウンコンバートされたシード信号１１８を生成し、より低パワーのダウンコンバートされたシード信号１１８は、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ)１１９を用いて基本波光部分１２７と合成されてより高いパワーのダウンコンバートされた信号１２９を生成し、それは次に第５高調波光１３４と混合するために周波数混合モジュール１０４に伝送される。以下の例示の実施形態に述べられるように、ＯＰＳ１１６Ｄ およびＯＰＳ１１６Ｅは同一のＯＰＡ構造を利用するが、２つの別々のＤＣＳＳＧ構成を利用する。具体的には、ＯＰＳ１１６Ｄ（図６Ａ）がシードレーザーを用いてダウンコンバートされたシード信号を直接生成する場合、ＯＰＳ１１６Ｅ（図６Ｂ）は光パラメトリック発振器を用いて、基本波レーザー光の一部分を変換することによってダウンコンバートされたシード信号を生成する。これらの手法それぞれの利点は、以下の説明に述べられる。
【００５２】
図６Ａを参照すると、ＯＰＳ１１６Ｄは一般に、シードレーザー６０３と、ビームコンバイナ６１１、非線形結晶６０７およびビームスプリッタ６２１を含むＯＰＡ１１９Ｄとを用いて実現されるダウンコンバートされた信号シード発生器（ＤＣＳＳＧ）１１７Ｄを含む。シードレーザー６０３は、所望のダウンコンバートされた信号周波数ωｓでダウンコンバートされたシード光１１８Ｄを直接生成し、ダウンコンバートされたシード光１１８ＤをＯＰＡ１１９Ｄ内のビームコンバイナ６１１に向けるように構成される。ビームコンバイナ６１１は、基本波周波数ωの基本波光部分１２７（入力レーザー光）とダウンコンバートされたシード光１１８Ｄの両方を受け取り、基本波光部分１２７とダウンコンバートされたシード光１１８Ｄの両方を合成し（同一線経路に沿って向ける）、両方が非線形結晶６０７に入るように構成され位置決めされる。非線形結晶６０７は、基本波光部分１２７の誘導ダウンコンバージョンによってダウンコンバートされたシード信号１１８を増幅し、増幅された信号をビームスプリッタ（波長分離装置）６２１の方に向けるように構成される。ビームスプリッタ６２１は、非線形結晶６０７から受け取った増幅された信号に存在する他の周波数からダウンコンバートされた信号１２９を分離し、ダウンコンバートされた信号１２９を周波数混合モジュール（図示せず）に向けるように構成される。これらの構成部品それぞれに関しては、以下の段落でさらに詳細に説明する。
【００５３】
好ましい実施形態では、シードレーザー６０３は、ダイオードレーザーまたは低パワーファイバレーザーを用いて実現され、ダウンコンバートされた信号周波数ωｓでシードレーザー光６０４を生成するように構成され、それは次に、その周波数のダウンコンバージョンプロセスをシーディングするように構成される。シードレーザー６０３は、約１ｍＷから数百ｍＷの平均パワーのみを必要とする。一つの好ましい実施形態では、シードレーザー６０３は、一つの格子を使用することと、温度を安定化することによって安定化される。シードレーザーの周波数と帯域幅が、ダウンコンバートされた信号１２９の周波数と帯域幅を決める。シードレーザーを用いることの利点は、高パワーレーザーよりも、より低いパワーのレーザーでは安定性と帯域幅の制御がより容易であるということである。安定した、狭帯域幅のシードレーザーは、ダウンコンバートされた信号１２９の帯域幅と安定性を決定付ける。一実施形態において, シードレーザー６０３は、偏光を生成し、その偏光は次に、基本波、すなわち入力レーザー光１２７の偏光特性に対して実質的に垂直に偏光されて非線形変換器６０７に導入される。
【００５４】
一実施形態において、ビームコンバイナ６１１（例えばプリズム）はダイクロイックコーティングを含み、ダイクロイックコーティングは、第２の波長を透過させながら第１の波長を効率的に反射して、基本波光部分１２７と、透過したシードレーザー光１１８Ｄが、非線形変換器６０７を通って実質的に同一線で伝播するようにする。例えば、図６Ａに示すように、ビームコンバイナ６１１は、基本波光部分１２７を反射し、シードレーザー光１１８Ｄを透過して、図示のように、両方の光が実質的に同一線で非線形変換器６０７を透過するようにする。別の実施形態では（図示せず）、ビームコンバイナは、基本波光部分を透過し、シードレーザー光を反射して、両方の光が実質的に同一線で非線形変換器を透過するように構成され配置される。
【００５５】
一実施形態において、非線形結晶６０７は、入力レーザー周波数ωとダウンコンバートされた信号周波数ωｓに関して位相整合または準位相整合できる任意の適切な非線形光学的結晶または周期的分極非線形光学的結晶を用いて実現される。１つの好ましい実施形態では、非線形結晶６０７は、周期的分極ニオブ酸リチウム、周期的分極酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム、周期的分極化学量論的タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、周期的分極酸化マグネシウムドープ化学量論的タンタル酸リチウム、および周期的分極チタン酸リン酸カリウム（ＰＰＫＴＰ）のうち１つを含む。
【００５６】
一実施形態において、ビームスプリッタ６２１（例えばプリズム）は、既知の技法を用いて、不必要な周波数６２３（例えば未消費の基本波およびアイドラ）から、ダウンコンバートされた信号１２９を分離するように構成され位置決めされる。一実施形態において（図示せず）、未消費の基本波は、基本波光部分１２７の次に到来するレーザーパルスに整合するように設定した時間遅延を伴って非線形変換器６０７の入力に戻され、再循環されてもよい。
【００５７】
図６Ｂは、基本波レーザー光の一部分を変換することによって、必要とされるダウンコンバートされた信号周波数ωｓの高出力（約３Ｗを超えるなど）のダウンコンバートされた信号１２９を生成する、第２の例示の実施形態によるＯＰＳ１１６Ｅを示す。ＯＰＳ１１６Ｅは一般に、基本波周波数ωの基本波光部分１２７を、第１の副部分１２７Ａと第２の副部分１２７Ｂに分岐するように構成されたビームスプリッタ６３１と、基本波光の副部分１２７Ａを変換することによってダウンコンバートされたシード信号１１８Ｅを生成するように構成された光パラメトリック発振器（ＯＰＯ、すなわちダウンコンバート済シード信号発生器）１１７Ｅと、ダウンコンバートされたシード信号１１８Ｅを（第２の）基本波光の副部分１２７Ｂと混合するように構成されたＯＰＡ１１９Ｅを含む。ＯＰＯ１１７Ｅは、第１の集束ミラー６３２と、非線形結晶６３３と、第２の集束ミラー６３４と、波長セレクタ６３７と、出力結合器６３６を含み、それらは図示のように作動的に構成されて光学キャビティを形成し、その中で、光が、集束ミラー６３２および６３４と非線形結晶６３３によって、波長セレクタ６３７と出力結合器６３６の間で反射される。ＯＰＳ１１６ＤのＯＰＡ（図６Ａ）と同様に、ＯＰＡ１１９Ｅは、ビームコンバイナ６４０、非線形結晶６４１および波長分離装置６４２を含む。これら構成部品それぞれについては、以下の段落でさらに詳細に説明する。
【００５８】
図６Ｂの左側を参照すると、一実施形態において、基本波周波数ωの基本波光部分（入力レーザー光）１２７は、ビームスプリッタ６３１によって、ＯＰＯ１１７Ｅに向けられる副部分１２７Ａが、入力レーザー光１２７のエネルギーの５０％未満を含み、ＯＰＡ１１９Ｅに向けられる副部分１２７Ｂが、入力レーザー光１２７のエネルギーの５０％以上を含むように分割される。副部分１２７Ａは、集束ミラー６３２を通過することによってＯＰＯ１１７Ｅに入る。集束またはモード整合光学素子（図示せず）が、非線形結晶６３３の中心付近に副部分１２７Ａを集束するために、ＯＰＯ１１７Ｅの前に入力レーザー光１２７の光路に配置されてもよい。
【００５９】
非線形結晶６３３は、周波数ωの副部分１２７Ａから信号周波数ωｓの光を生成するための位相整合または準位相整合向けに設計されている。一実施形態において、非線形結晶６３３は、周期的分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）または周期的分極化学量論的タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）等の周期的に分極される材料を含む。非線形結晶６３３によって信号周波数光に変換されない入力レーザー光はいずれも集束ミラー６３４を通過して、減衰され得る。集束ミラー６３４は好ましくは、非線形結晶６３３で生成されるアイドラ周波数をも通すべきである。
【００６０】
一実施形態において、集束ミラー６３４は、信号周波数ωｓの光に対して非常に高反射性に構成され、非線形結晶６３３内で生成される、または非線形結晶６３３を通過する信号周波数の光を出力結合器６３６に向けるように構成される。出力結合器６３６は、入射光の第１の部分（約２０％の部分等）を信号周波数ωｓで透過させ、入射光の第２の部分（約８０％等）を反射する。信号周波数ωｓの光の第２の部分は、反射して集束ミラー６３４に戻り、非線形結晶６３３を通過する光を集束ミラー６３２へ向け直し、次に集束ミラー６３２は光を波長セレクタ６３７に向け直す。
【００６１】
波長セレクタ６３７は、既知の技法を用いて、所望の信号周波数ωｓを中心とする狭い範囲の周波数に対して非常に高反射性に構成される。例えば, 波長セレクタ６３７は、約０．２ｎｍＦＷＨＭの波長を反射してもよい。波長セレクタ６３７は、レーザー出力１４０の波長を決定するために重要である（例えば図１Ａ参照）が、それは、レーザー出力１４０の波長が、基本波の第５高調波と、信号周波数ωｓの合計に対応する波長であるからである。一実施形態において 波長セレクタ６３７は、体積型ブラッググレーティングを含む。好ましい実施形態では、波長セレクタ６３７は、中心波長が一定に保たれることを保証するために、一定温度にある。一実施形態において、信号周波数ωｓを変更するために波長セレクタ６３７の温度を調整することで、レーザー出力１４０の波長の微調整が行われる。
【００６２】
信号周波数ωｓのダウンコンバートされた光は、波長セレクタ６３７からの反射の後で、集束ミラー６３２に戻り、集束ミラー６３２は、その光を非線形結晶６３３に向け戻す。信号周波数ωｓの光が、非線形結晶６３３から集束ミラー６３４へ、さらに出力結合器６３６へ通り、非線形結晶６３３を介して集束ミラー６３４に戻り、さらに集束ミラー６３２を通って波長セレクタ６３７に通り、集束ミラー６３２に戻り、さらに非線形結晶６３３に戻るときに辿る光路長は、信号周波数ωｓの光の各パルスが、入力レーザー光１２７のパルスと実質的に同時に非線形結晶６３３に到達するような長さとなるべきである。この構成は、入力レーザー光１２７のパルスと信号周波数の光が非線形結晶６３３を介して実質的に共伝搬することを保証して、入力レーザー光の、信号周波数ωｓの光への誘導ダウンコンバージョンを可能にするために用いられる。好ましい実施形態では、光路長は、信号周波数ωｓの光のパルスの到達時間と、入力レーザー光１２７のパルスの到達時間における不整合が、入力レーザー光１２７のパルスの幅の約１０％未満となるような光路長であるべきである。
【００６３】
一実施形態において、集束ミラー６３２および６３４は、信号周波数の光のパルスが、説明した完全な一周を経て非線形結晶６３３に戻り、非線形結晶の中心付近に集束されて、入力レーザー光１２７のパルスに実質的に空間的に重なる状態となるように設定された焦点距離を含むように構成される。別の実施形態において、波長セレクタ６３７および／または出力結合器６３６が、集束ミラー６３２および６３４の代わりまたは集束ミラー６３２および６３４に加えて、信号周波数ωｓの光を集束してもよい。別の実施形態において、集束ミラーの代わりに、または集束ミラーに加えて、１つ以上のレンズを用いて信号周波数を再集束してもよい。
【００６４】
信号周波数ωｓの光と、入力レーザー光１２７Ｂの第２の部分をビームコンバイナ６４０に向け直すために、付加的なミラーおよび／またはプリズムを組み込むために適切なレイアウト変更がなされる限り、出力結合器６３６と波長セレクタ６３７の相対位置は交換されてもよいことにも留意すべきである。図６Ｂに示されたレイアウトは、動作の原理を説明するため例証を意図している。
【００６５】
当技術分野で公知の別のＯＰＯ構成で、ＯＰＯ１１７Ｅを置き換えてもよい。例えば、リングキャビティ型ＯＰＯまたは蝶タイ型キャビティＯＰＯが用いられてもよい。本発明の範囲から逸脱せずに、ＯＰＯ１１７Ｅに別の変更がなされてもよい。例えば、波長セレクタ６３７の代わりにミラーが用いられてもよく、透過性波長セレクタ（図示せず）が、信号周波数ωｓの光路に含まれてもよい。例えば、全体的にコンパクトなサイズを維持しながら所望の光路長を達成するために、ＯＰＯ１１７Ｅに付加的な平型ミラーまたはプリズムが含まれてもよい。
【００６６】
１Ｗ以上のパワー等の高パワーレーザー出力１４０に関して、基本波の第２の高調波からではなく、基本波レーザー光から直接信号周波数ωｓを生成することが好ましいが、それは、浪費されるパワーがより少なく、したがって、所与の出力パワーに関してより低パワーの基本波レーザー１０２（例えば図１Ａ）が用いられ得るからである。一般に、ＯＰＯは、約１Ｗ以上のレーザー出力１４０を生成するために必要となり得る数ワット以上のパワーの信号周波数ωｓ等の、高平均出力パワーを生成することができる。本発明は、１μｍ近傍の基本波波長から、約１８０ｎｍから１８５ｎｍの間の波長を有するレーザー出力１４０を生成することを対象とする。これは、約１．２μｍから約１．６μｍの間の波長（図３に、いくつかの例示的波長の組み合わせを示す）に対応する信号周波数ωｓを必要とする。基本波レーザーの波長より短い、そのような短波長を生成することは、信号周波数と同時に生成されたアイドラが、約４μｍより長い等の、長い波長を備えていなければならないということを意味する。ＰＰＬＮおよびＰＰＳＬＴ等の、１μｍ近傍の波長から、約１．２μｍと約１．６μｍの間の信号波長を生成するのに適した、すぐ入手できる、高利得の高品質非線形結晶は、約４μｍより長い波長で吸収性が強い。所望範囲の信号周波数で高パワーを生成するためにＯＰＯ１１７Ｅが用いられた場合、アイドラもまた相当なパワーを含み得る。非線形結晶６３３によるアイドラの吸収により、アイドラパワーが高い場合には、非線形結晶６３３内で顕著な温度勾配が生じる。これらの温度勾配は、非線形結晶６３３の光学特性を局所的に変え、信号周波数ωｓで生成される光の変則的なプロファイルをもたらし、同様に、ＯＰＯ１１７Ｅの不安定な動作をもたらす。
【００６７】
本発明では、これらの問題は、数百ｍＷの平均出力等の信号周波数ωｓでの比較的低い出力パワーを生成するためにＯＰＯ１１７Ｅを操作することによって克服される。そのような出力パワーでは非線形結晶６３３の局所的加熱は最小限であり、ＯＰＯ１１７Ｅはダウンコンバートされたシード信号１１８Ｅ向けに適したプロファイルで安定して動作できる。非線形結晶６３３は、例えば、ＰＰＬＮまたはＰＰＳＬＴ等の高非線形係数を備えた材料の長い長さを用い、損傷または熱特性への懸念を少なくして、変換効率を最大化するために選択され得る。
【００６８】
本発明では、ＯＰＯ１１７Ｅによって生成される信号周波数ωｓの光１１８Ｅは、ＯＰＡ１１９Ｅによって、ダウンコンバートされた信号１２９として必要とされるパワーレベルに増幅される。ビームコンバイナ６４０は、入力レーザー光１２７の第２の部分をＯＰＯ１１７Ｅからの信号周波数の光ωｓと合成する。ビームスプリッタ６３１からビームコンバイナ６４０までの光路長は、入力レーザー光のパルスが、信号周波数ωｓの光のパルスと実質的に同時にビームコンバイナ６４０に到達するような長さになっている。パルスが６４０に実質的に同時に到達することを保証するために、６３１と６４０の間の光路および／または６３６と６４０の間の光路に、付加的なミラー、プリズムまたはその他の光学構成部品が配置されてもよい。入力レーザー光１２７の第２の部分と信号周波数ωｓの光が実質的に空間的に重なり、両方の光が非線形結晶６４１の中心付近に集束することを保証するために、必要に応じて、いずれかの光路に、レンズ、曲面ミラーまたはその他の光学的要素 （図示せず）が用いられてもよい。
【００６９】
ビームコンバイナ６４０は、光パルスを非線形結晶６４１に向ける。非線形結晶６４１は、第２の基本波光の副部分１２７Ｂの誘導ダウンコンバージョンによって信号周波数ωｓの光を増幅する。波長分離装置６４２は、未消費の入力レーザー光６４３と、アイドラから、ダウンコンバートされた信号１２９を分離する。波長分離装置６４２は、偏光型ビームスプリッタ（ダウンコンバートされた信号１２９が、入力レーザー光とは異なる偏光特性を有している場合）、ダイクロイックミラー、ペランブロッカプリズムまたは当技術分野で公知の任意のその他の適切な波長分離装置を備えていてよい。非線形結晶６４１は、入力レーザー周波数ωおよびダウンコンバートされた信号周波数ωｓに対して位相整合または準位相整合できる任意の適切な非線形光学的結晶または周期的にポーリングされる非線形光学的結晶を備えてもよい。１つの好ましい実施形態では、非線形結晶６４１は、ＰＰＳＬＴまたは周期的にポーリングされる ＭｇドープＳＬＴを備えてもよい。これらの材料は、より高いパワーレベルでの動作に特に適している。
【００７０】
ダウンコンバートされた信号１２９は非線形結晶６４１を一度のみ通過するため、結晶６４１内の温度勾配は、同じ出力パワーを生成するように構成されたＯＰＯにおいて引き起こされ得る光プロファイルの劣化よりも少ない劣化を引き起こす。すなわち、ＯＰＡ１１９ＥをＯＰＯ（例えば、ＯＰＯ１１７Ｅとして構成された）と置き換えると、信号周波数ωｓの光が、その非線形結晶（例えば、ＯＰＯ１１７Ｅ内の非線形結晶６３３）を複数回通過することが必要とされ、その結果、アイドラによるかなりの加熱をもたらす。したがって、先ずより低パワーのシード信号を生成して次にシード信号を基本波光の一部分と混合するという二段階の手法を利用して、必要とされる周波数およびパワーレベルで、ダウンコンバートされた信号１２９を生成することにより、本発明は、１つのＯＰＯのみを用いて高出力のダウンコンバートされた信号１２９を生成するという大きな制約を克服する。
【００７１】
図１Ｂを参照すると、上述のように、レーザーアセンブリ１００Ｂは、レーザーアセンブリ１００Ａ(図１Ａ)と同様であるが、それは、両レーザーアセンブリとも、基本波波長ωを有する基本波光１２８を生成するように構成された基本波レーザー１０２と、基本波光１２８の部分１２７を受け取るように光学的に結合され、ダウンコンバートされた信号１２９を生成するように構成されたＯＰＳ１１６と、第５高調波モジュール１５７と、周波数混合モジュール１０４を含み、周波数混合モジュール１０４が、ダウンコンバートされた信号１２９と、第５高調波発生器１５７から第５高調波レーザー光１３４を受け取り混合してレーザー出力光１４０を生成するように構成されていることにおいてである。さらに、ＯＰＳ１１６は、ＤＣＳＳＧ１１７を用いて、ダウンコンバートされた波長ωｓの、より低パワーのダウンコンバートされたシード信号１１８を生成し、次に、ダウンコンバートされたシード信号１１８を基本波光部分１２７と混合することによってダウンコンバートされた信号１２９を生成する。 
【００７２】
レーザーアセンブリ１００Ｂとレーザーアセンブリ１００Ａ（図１Ａ）の第１の違いは、基本波レーザー１０２によって生成される基本波光１２８の全部が第２高調波生成モジュール１５３を通り、ＯＰＳ１１６および第５高調波モジュール１５７に供給される部分１２７および１３０が、第２高調波生成モジュール１５３から出ていく未使用の基本波光１８２から得られるという点である。この手法は、基本波レーザー１０２が第２の基本波光および未使用の基本波光を出力する場合（すなわち、基本波レーザーが第２高調波生成モジュール１５３を有効に含む場合）の有益な代替形態を示す。この代替形態を助長するために、第１のビームスプリッタ１８１は、第２高調波生成モジュール１５３から出ていく第２の高調波光１８９を未使用の基本波光１８２から分離するために利用され、その結果、第２の高調波光１８９が第４高調波生成モジュール１５５に伝送され、未使用の基本波光１８２が第２ビームスプリッタ１８３に伝送され、第２ビームスプリッタ１８３は、ＯＰＳ１１６と第５高調波モジュール１５７にそれぞれ向けられる部分１２７と１３０を生成する。
【００７３】
上述の違い以外は、レーザーアセンブリ１００Ｂの動作は、レーザーアセンブリ１００Ａの動作と本質的に同じである。第２高調波生成モジュール１５３は、第１周波数倍増モジュール２０２（図２）と実質的に同様に機能し、且つ第１周波数倍増モジュール２０２（図２）と同様に構成されてもよい。第４高調波生成モジュール１５５は、第２周波数倍増モジュール２０３（図２）と実質的に同様に機能し、且つ第２周波数倍増モジュール２０３（図２）と同様に構成されてもよい。第５高調波生成モジュール１５７は、周波数加算モジュール２０４（図２）と実質的に同様に機能し、周波数加算モジュール２０４（図２）と同様に構成されてもよい。言い換えると、モジュール１５３、１５５および１５７は、第５高調波発生モジュール１０３と実質的に同じ機能を実行するが、基本波と種々のモジュールの間で異なるルーティングを伴っている。
【００７４】
図７−１２は、上述の１８３ｎｍのレーザーのうち１つを含み得るシステムを示す。これらのシステムは、フォトマスク、レチクル、またはウェーハ検査および計測用途に用いられ得る。
【００７５】
図７は、１つのセンサ７７０を使用して画像または信号の２つのチャネルを同時に検出するレチクル、フォトマスク、またはウェーハの検査システム７００を示す。照射源（レーザーアセンブリ）７０９は、本明細書に記載されたような約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲（例えば１８３ｎｍ）での出力波長を有するレーザー出力光７１０を生成するように構成される。照射源７０９はさらに、パルス繰返し率乗算器および／またはコヒーレンス低減スキームを備えてもよい。２つの画像／信号チャネルは、ステージ７３０上に配置された被検査物が透明である（例えば、レチクルまたはフォトマスク）場合、反射され透過された光を含んでもよく、または、入射角度、偏光特性状態、波長範囲、またはそれらのいくつかの組み合わせ等の２つの異なる照射モードを含んでもよい。
【００７６】
図７に示されるように、検査システム７００は照射中継（第１の）光学的要素７１５および７２０を含み、それらは、既知の技法を用いて、照射源７０９から、ステージ７３０上に配置された被検査物へ照射（レーザー出力光）７１０を中継するように構成された光学システムである。被検査物は、検査対象となるレチクル、フォトマスク、半導体ウェーハ、または他の物品であり得る。検査システム７００は、画像中継（第２の）光学素子７４０、７５５および７６０も含み、それらは、既知の技法を用いて、被検査物による影響を受けた（すなわち、被検査物から反射、散乱および／または透過された）照射７１０の部分７１０´をセンサ７７０に中継するように構成された光学システムである。２つのチャネルで検出される信号または画像に対応するデータは、データ７８０として示され、処理のためにコンピュータ（図示せず）に送信される。
【００７７】
レチクルまたはフォトマスクからの透過されたおよび反射された光を計測するように構成することができるレチクルまたはフォトマスクの検査システムの実施形態の他の詳細は、参照によって本明細書に組み込まれる、Ｅｍｅｒｙらの米国特許第５，５６３，７０２号、Ｋｖａｍｍｅらの米国特許第７，３５２，４５７号、およびＢｒｏｗｎらの第７，５２８，９４３号に記載されている。
【００７８】
図８は、複数の対物レンズと、上述の１８３ｎｍのレーザーのうちの１つを備える例示の検査システム８００を示す。システム８００では、レーザー源８０１からの照射は、照射サブシステムの複数のセクションに送られる。照射サブシステムの第１のセクションは、素子８０２ａ〜８０６ａを備える。レンズ８０２ａは、レーザー源８０１からの光を集束させる。レンズ８０２ａからの光は、次にミラー８０３ａで反射される。ミラー８０３ａは、説明のためにこの位置に置かれるが、別の位置に配置されてもよい。ミラー８０３ａからの光は、次に照射瞳面８０５ａを形成するレンズ８０４ａによって収集される。検査モードの要件に依存して、光を変調させるための開口部、フィルタ、または他のデバイスを、瞳面８０５ａ内に置くことができる。瞳面８０５ａからの光は、次にレンズ８０６ａを通過し、照射フィールド面８０７を形成する。
【００７９】
照射サブシステムの第２のセクションは、素子８０２ｂ〜８０６ｂを備える。レンズ８０２ｂは、レーザー源８０１からの光を集束させる。レンズ８０２ｂからの光は、次にミラー８０３ｂで反射される。ミラー８０３ｂからの光は、次に照射瞳面８０５ｂを形成するレンズ８０４ｂによって収集される。検査モードの要件に依存して、光を変調するための開口部、フィルタ、または他のデバイスを瞳面８０５ｂに置くことができる。瞳面８０５ｂからの光は、次にレンズ８０６ｂを通過し、照射フィールド面８０７を形成する。第２のセクションからの光は、次に、照射フィールド面８０７における照射フィールド光エネルギーが組み合わせられた照射セクションから構成されるように、ミラーまたは反射表面によって方向が変えられる。
【００８０】
フィールド面光は、次に、ビームスプリッタ８１０で反射される前に、レンズ８０９によって収集される。レンズ８０６ａおよび８０９は、対物レンズ瞳面８１１に第１の照射瞳面８０５ａの画像を形成する。同様に、レンズ８０６ｂおよび８０９は、対物レンズ瞳面８１１に第２の照射瞳面８０５ｂの画像を形成する。次に対物レンズ８１２（または、代替的に８１３）は、瞳光を受け取り、サンプル８１４に照射フィールド８０７の画像を形成する。対物レンズ８１２または対物レンズ８１３は、サンプル８１４近傍に配置することができる。サンプル８１４は、サンプルを所望の位置に配置するステージ（図示せず）で移動することができる。サンプル８１４から反射された、および散乱された光は、高ＮＡの反射屈折対物レンズ８１２または対物レンズ８１３によって収集される。対物瞳面８１１に反射された光瞳を形成後、光エネルギーは、イメージングサブシステム内に内部フィールド８１６を形成する前に、ビームスプリッタ８１０およびレンズ８１５を通過する。この内部イメージングフィールドは、サンプル８１４およびそれに対応する照射フィールド８０７の画像である。このフィールドは、照射フィールドに対応する複数のフィールドに空間的に分離されてもよい。これらのフィールドの各々は、別個のイメージングモードをサポートすることができる。例えば、１つのイメージングモードは、明視野イメージングモードであり得るが、別のイメージングモードは、暗視野イメージングモードであり得る。
【００８１】
これらのフィールドのうち１つは、ミラー８１７を使用して方向を変えることができる。方向を変えられた光は、次に、別のイメージング瞳８１９ｂを形成する前に、レンズ８１８ｂを通過する。このイメージング瞳は、瞳８１１およびそれに対応する照射瞳８０５ｂの画像である。検査モードの要件に依存して、光を変調するための開口部、フィルタ、または他のデバイスが、瞳面８１９ｂに配置されてもよい。瞳面８１９ｂからの光は、次にレンズ８２０ｂを通過し、センサ８２１ｂ上に画像を形成する。同様な方式で、ミラーまたは反射表面８１７によって通過する光は、レンズ８１８ａによって収集され、イメージング瞳８１９ａを形成する。イメージング瞳８１９ａからの光は、次に、検出器８２１ａ上に画像を形成する前に、レンズ８２０ａによって収集される。検出器８２１ａ上に結像された光は、センサ８２１ｂ上に結像された光と異なるイメージングモードに使用することができる。
【００８２】
システム８００で用いられる照射サブシステムは、レーザー源８０１、収集光学素子８０２〜８０４、瞳面８０５近傍に配置されるビーム成形構成部品、および中継光学素子８０６および８０９からなる。内部フィールド面８０７は、レンズ８０６と８０９との間に配置される。１つの好ましい構成では、レーザー源８０１は、上述の１８３ｎｍのレーザーのうちの１つを含み得る。
【００８３】
レーザー源８０１は、透過の２つの点または角度を有する単一の均一なブロックとして示されているが、実際にはこれは、照射の２つのチャネルを提供することができるレーザー源を表し、２つのチャネルは、例えば、素子８０２ａ〜８０６ａを通過する第１の周波数（例えば、１８３ｎｍ近傍の深ＵＶ波長）のレーザー光エネルギーなどの光エネルギーの第１のチャネルと、素子８０２ｂ〜８０６ｂを通過する第２の周波数（例えば、同じレーザーからの第４または第５高調波などの異なる高調波、または異なるレーザーからの光）のレーザー光エネルギーなどの光エネルギーの第２のチャネルである。
【００８４】
レーザー源８０１からの光エネルギーは、９０度離れて放出されるように示され、素子８０２ａ〜８０６ａおよび８０２ｂ〜８０６ａは、９０度の角度に配向されるが、実際には、光は、必ずしも２次元ではなく、様々な向きで放出することができ、構成要素は、示されているものと異なるように配向されてもよい。図８は、したがって、用いられた構成要素の単なる表現であり、示された角度または距離は、縮尺通りではなく、設計のために具体的に必要とされるものでもない。
【００８５】
瞳面８０５ａ／８０５ｂの近くに配置された素子は、開口部成形の概念を使用して現在のシステムに用いることができる。この設計を使用し、均一な照射または近似的に均一な照射、ならびに個々の点照射、リング照射、４重極照射、または他の所望のパターンを、実現することができる。
【００８６】
対物レンズのための様々な実施形態は、一般的なイメージングサブシステム内で用いられてもよい。単一の固定された対物レンズを使用してもよい。単一の対物レンズは、全ての所望のイメージングおよび検査モードをサポートしてもよい。このような設計は、イメージングシステムが比較的大きなフィールドサイズおよび比較的高い開口数をサポートする場合、達成可能である。開口数は、瞳面８０５ａ、８０５ｂ、８１９ａ、および８１９ｂに配置される内部開口部を使用することにより、所望の値まで縮小することができる。
【００８７】
複数の対物レンズはまた、図８に示されるように使用することができる。例えば、２つの対物レンズ８１２および８１３が示されているが、任意の数が可能である。そのような設計における各対物レンズは、レーザー源８０１によって生成される各波長に対して最適化することができる。これらの対物レンズ８１２および８１３は、固定された位置を有するか、または、サンプル８１４に近接する位置に移動できるか、のいずれでもよい。複数の対物レンズをサンプル近傍に移動するために、標準的な顕微鏡に通例であるように、回転式タレットを使用することができる。サンプル近傍に対物レンズを移動するための他の設計は、限定するものではないが、ステージ上で横方向に対物レンズを平行移動させることと、ゴニオメータを使用して円弧上で対物レンズを平行移動させることと、を含めて、利用可能である。さらに、固定された対物レンズとタレット上の複数の対物レンズの任意の組み合わせを、本システムに従って達成することができる。
【００８８】
この構成の最大開口数は、０．９７付近またはそれを超えることができるが、ある場合においてはより小さくてもよい。この高ＮＡの反射屈折イメージングシステムで可能である広範囲の照射および収集角度は、その大きなフィールドサイズと相まって、システムが複数の検査モードを同時にサポートすることを可能にする。前段落から理解できるように、複数のイメージングモードは、照射デバイスと関連する単一の光学システムまたは機械を使用して実現することができる。照射および収集について開示された高ＮＡは、同じ光学的システムを使用した諸イメージングモードの実行形態を可能にし、したがって、異なるタイプの欠陥またはサンプルについてのイメージングの最適化を可能にする。
【００８９】
イメージングサブシステムはまた、中間画像形成光学素子８１５を備える。画像形成光学素子８１５の目的は、サンプル８１４の内部画像８１６を形成することである。この内部画像８１６では、検査モードの１つに対応する光の方向を変えるように、ミラー８１７を配置できる。イメージングモードのための光が空間的に分離しているので、この位置で光の方向を変えることが可能である。画像形成光学的要素８１８（８１８ａおよび８１８ｂ）および８２０（８２０ａおよび８２０ｂ）は、可変焦点ズーム、集束光学的要素を備えた複数の無限焦点チューブレンズ、または複数画像形成マグチューブを含めて、いくつかの異なる形態で実現することができる。２０１１年６月７日に発行され、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第７，９５７，０６６号は、システム８００に関するさらなる詳細を記載している。
【００９０】
図９は、明視野モードと暗視野検査モードを備えた検査システムとして構成された例示の反射屈折イメージングシステム９００を示す。システム９００は、２つの照射源、すなわち、レーザー９０１と広帯域光照射モジュール９２０を組み込んでもよい。一実施形態において、レーザー９０１は、本明細書に記載されるような１８３ｎｍのレーザーを含んでもよい。
【００９１】
暗視野モードでは、レーザー９０１からの光は、レーザー照射ビームサイズおよび検査対象の表面上のプロファイルを制御するための適合化光学素子９０２に向けられる。機械的ハウジング９０４は、開口部および窓９０３と、光軸に沿うレーザーをサンプル９０８の表面への直角入射に方向を変えるプリズム９０５と、を含む。プリズム９０５はまた、サンプル９０８の表面フィーチャからの鏡面反射を対物レンズ９０６から外れた方向に向ける。対物レンズ９０６はサンプル９０８から散乱された光を収集してセンサ９０９に集束する。対物レンズ９０６のレンズは、反射屈折対物レンズ９１２、集束レンズ群９１３、チューブレンズセクション９１４の一般的形態で提供されてもよく、それらは任意選択的にズーム機能を含んでもよい。
【００９２】
明視野モードでは、広帯域照射モジュール９２０は広帯域光をビームスプリッタ９１０に向け、ビームスプリッタ９１０は、その光を集束レンズ群９１３と反射屈折対物レンズ９１２のほうに反射する。反射屈折対物レンズ９１２はサンプル９０８を広帯域光で照射する。サンプル９０８によって反射または散乱された光は、対物レンズ９０６によって収集されて、センサ９０９に集束される。広帯域照射モジュール９２０は、  例えば、レーザープラズマ光源またはアークランプを備える。広帯域照射モジュール９２０は、反射屈折対物レンズ９１２に対するサンプル９０８の高さを制御するための信号を供給するためのオートフォーカスシステムをも含んでもよい。
【００９３】
「Ｂｅａｍ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ」と題した、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第７，３４５，８２５号、「Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｅａｍ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ  ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｉｎ ａ  ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ」と題したＡｒｍｓｔｒｏｎｇへの米国特許第８，６６５，５３６号、「Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｅａｍ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ  ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｗｉｔｈ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ」と題したＡｒｍｓｔｒｏｎｇの米国特許第８，８９６，９１７号は、すべて本明細書に参照により組み込まれ、システム９００をさらに詳細に記載している。
【００９４】
図１０Ａは、表面１０１１上の領域を検査するための照射システム１００１および収集システム１０１０を含む表面検査装置１０００を示す。図１０Ａに示すように、レーザーシステム１０２０は、レンズ１００３を介して光ビーム１００２を向ける。好ましい実施形態では、レーザーシステム１０２０は、上述の１８３ｎｍのレーザーのうちの１つと、アニール処理された結晶と、結晶のアニール処理された状態を、湿気また他の環境的汚染物質から保護することによって、標準的な動作の間維持するためのハウジングと、を備える。第１のビーム成形光学素子は、レーザーからビームを受け取り、そのビームを、結晶内の、または結晶近傍のビームウェストの楕円形の断面に集束させるように構成することができる。
【００９５】
レンズ１００３は、その主要面がサンプル表面１０１１に対して実質的に平行となり、その結果、照射ライン１００５がレンズ１００３の焦点面内の表面１０１１上に形成されるように、向けられる。さらに、光ビーム１００２および集束されたビーム１００４は、表面１０１１への非直交入射角度に向けられる。具体的には、光ビーム１００２および集束されたビーム１００４は、表面１０１１への直角方向から約１度〜約８５度の間の角度に向けることができる。このように、照射ライン１００５は、実質的に、集束されたビーム１００４の入射面内にある。
【００９６】
収集システム１０１０は、照射ライン１００５から散乱された光を収集するためのレンズ１０１２と、レンズ１０１２から出る光を、光感知検出器のアレイを備える電荷結合デバイス（ＣＣＤ）１０１４などのデバイス上に集束させるためのレンズ１０１３と、を備える。一実施形態では、ＣＣＤ１０１４は、検出器の線形アレイを含んでもよい。そのような場合では、ＣＣＤ１０１４内の検出器の線形アレイは、照射ライン１０１５に対して平行に向けることができる。一実施形態では、ＣＣＤ１０１４は電子打ち込み型ＣＣＤまたはアバランシェ光検出器の線形アレイであってもよい。一実施形態では、複数の収集システムを含むことができ、その場合収集システムの各々は、方向が異なるが同様な構成要素を含む。
【００９７】
例えば、図１０Ｂは、表面検査装置のための収集システム１０３１、１０３２、および１０３３の例示のアレイを示す（その照射システムは、例えば、簡略化のために示されていないが、照射システム１００１のものと同様である）。収集システム１０３１内の第１の光学素子は、サンプル１０１１の表面から第１の方向に散乱された光を収集する。収集システム１０３２内の第２の光学素子は、サンプル１０１１の表面から第２の方向に散乱された光を収集する。収集システム１０３３内の第３の光学素子は、サンプル１０１１の表面から第３の方向に散乱された光を収集する。第１、第２、および第３のパスは、サンプル１０１１の表面への異なる入射角度にあることに留意されたい。サンプル１０１１を支持するプラットホーム１０３５は、光学素子とサンプル１０１１との間の相対的運動を生じさせるために使用することができ、その結果、サンプル１０１１の表面全体を走査することができる。２００９年４月２８日にＬｅｏｎｇらに発行された米国特許第７，５２５，６４９号は、参照により本明細書に組み込まれ、表面検査装置１０００および他の複数の収集システムをさらに詳細に記載する。
【００９８】
図１１は、表面１１０１上の異常を検査するために使用することができる表面検査システム１１００を示す。この実施形態では、表面１１０１は、上述の１８３ｎｍのレーザーのうちの１つを備えるレーザーシステム１１３０の実質的に静止した照射デバイス部分によって照射することができる。レーザーシステム１１３０の出力は、偏光光学素子１１２１、ビーム拡張器および開口１１２２、およびビーム拡張し、集束させるためのビーム形成光学的要素１１２３を連続して通過することができる。
【００９９】
集束されたレーザービーム１１０２は、次に、ビーム折畳み構成要素１１０３およびビーム偏向器１１０４によって反射され、表面を照射するために表面１１０１の方にビーム１１０５を向ける。好ましい実施形態では、ビーム１１０５は、表面１１０１に対して実質的に直角または垂直であるが、他の実施形態では、ビーム１１０５は、表面１１０１に対して斜めの角度であってもよい。
【０１００】
一実施形態では、ビーム１１０５は、表面１１０１に対して実質的に垂直または直角であり、ビーム偏向器１１０４は、表面１１０１からのビームの鏡面反射をビーム転向構成部品１１０３の方に反射し、したがって、鏡面反射が検出器に到達することを防ぐシールドとして機能する。鏡面反射の方向は、サンプルの表面１１０１に対して直角であるラインＳＲに沿う。ビーム１１０５が表面１１０１に対して直角である一実施形態では、このラインＳＲは、照射ビーム１１０５の方向と一致し、この共通の基準ラインまたは方向は、本明細書では検査システム１１００の軸と呼ばれる。ビーム１１０５が表面１１０１に対して斜めの角度である場合、鏡面反射ＳＲの方向は、ビーム１１０５の到来方向と一致せず、このような例では、表面法線の方向を示すラインＳＲは、検査システム１１００の収集部分の主軸と呼ばれる。
【０１０１】
小さい粒子によって散乱された光は、ミラー１１０６によって収集され、開口１１０７および検出器１１０８の方に向けられる。大きい粒子によって散乱された光は、レンズ１１０９によって収集され、開口１１１０および検出器１１１１の方に向けられる。いくつかの大きい粒子は、検出器１１０８へ収集されて向けられる光を散乱することもあり、同様に、いくつかの小さい粒子は、検出器１１１１へ収集されて向けられる光を散乱することもあるが、そのような光は、それぞれの検出器が検出するように設計された散乱された光の強度と比較すると比較的低い強度であることに留意されたい。一実施形態では、検出器１１１１は、光感知素子のアレイを含むことができ、光感知素子のアレイの各光感知素子は、照射ラインの拡大された画像の対応する部分を検出するように構成される。一実施形態では、検査システムは、パターンなしウェーハ上の欠陥の検出での使用に適するように構成することができる。Ｍａｒｘらによって２００１年８月７日に発行された米国特許第６，２７１，９１６号は、参照により本明細書に組み込まれるが、検査システム１１００をさらに詳細に記載する。
【０１０２】
図１２は、直角および斜めの照射ビームの両方を使用して異常検出を実現するように構成された検査システム１２００を示す。この構成では、上述の１８３ｎｍのレーザーのうちの１つを含むレーザーシステム１２３０は、レーザービーム１２０１を提供することができる。レンズ１２０２は、空間的フィルタ１２０３を介してビーム１２０１を集束させ、レンズ１２０４は、そのビームを平行化し、偏光ビームスプリッタ１２０５に搬送する。ビームスプリッタ１２０５は、第１の偏光成分を直角照射チャネルに、かつ第２の偏光成分を斜めの照射チャネルに、通過させ、第１および第２の成分は直交する。直角照射チャネル１２０６では、第１の偏光成分は、光学的要素１２０７によって集束され、ミラー１２０８によってサンプル１２０９の表面の方に反射される。サンプル１２０９によって散乱された放射線は、放物面ミラー１２１０によって、検出器または光電子倍増管１２１１へ収集されて集束される。
【０１０３】
斜めの照射チャネル１２１２では、第２の偏光成分は、ビームスプリッタ１２０５によって、そのようなビームを、半波長板１２１４を介して反射するミラー１２１３に反射され、光学的要素１２１５によってサンプル１２０９に集束される。斜めのチャネル１２１２内の斜めの照射ビームから発生してサンプル１２０９によって散乱された放射線は、放物面ミラー１２１０によって収集され、検出器または光電子倍増管１２１１に集束される。検出器または光電子倍増管１２１１は、ピンホールまたはスリットの入口を有する。そのピンホールまたはスリットおよび照射されたスポット（直角および斜めの照射チャネルから表面１２０９上に）は、好ましくは放物面ミラー１２１０の焦点にある。
【０１０４】
放物面ミラー１２１０は、サンプル１２０９からの散乱された放射線を平行化ビーム１２１６に平行化する。平行化ビーム１２１６は、次に対物レンズ１２１７によって、分析器１２１８を介して光電子倍増管１２１１に集束される。放物面形状以外の形状を有する湾曲した鏡面もまた、使用することができることに留意されたい。機器１２２０は、スポットがサンプル１２０９の表面全体を走査するように、ビームとサンプル１２０９との間の相対的運動を提供することができる。Ｖａｅｚ−Ｉｒａｖａｎｉらによって２００１年３月１３日に発行された米国特許第６，２０１，６０１号は、参照により本明細書に組み込まれ、検査システム１２００をさらに詳細に記載する。
【０１０５】
図１３は、上述の検査システムのうち１つのような検査または計測システムで、上述の１８３ｎｍのレーザーと共に使用される例示のパルス乗算器１３００を示す。パルス乗算器１３００は、１８３ｎｍのレーザー（図示せず）からの各入力パルス１３０１からパルス列を生成するように構成される。入力パルス１３０１は、ビームスプリッタ１３０７に衝突する。ビームスプリッタ１３０７によって透過された各パルスの部分は、出力方向１３０２にあり、リングキャビティに進入する。参照により本明細書に組み込まれる、Ｃｈｕａｎｇらによって２０１２年１２月１１日に出願された、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ」と題した米国特許出願第１３／７１１，５９３号（本明細書では「５９３」出願）に説明されるように、パルスレート倍増器として使用された場合、リングキャビティとビームスプリッタ１３０７が無損失であるとすると、好ましくはビームスプリッタ１３０７は各レーザーパルスのエネルギーの約３分の１を透過し、約３分の２をリングキャビティに反射するはずである。「５９３」出願に説明されるように、これらの透過値と反射値は、パルスレート倍増器において実質的に等エネルギーの出力パルスを維持するために、ビームスプリッタおよびキャビティのロスを見込むために修正され得る。
【０１０６】
レーザーパルスは、リングキャビティに入った後で、曲面ミラー１３０５から反射されて、曲面ミラー１３０６の方に向けられる。ミラー１３０６は、光をミラー１３０５の方に向け直す。両ミラーからの複数の反射（図１３に示す例では各ミラーから２つの反射）の後で、パルスは補償板１３０８を通過してビームスプリッタ１３０７に戻る。補償板１３０８は、レーザーパルスの、リングキャビティ内部のビームスプリッタ１３０７を透過するときの変位を補償することを目的としている。好ましくは、補償板１３０８は、ビームスプリッタ１３０７と実質的に同じ厚さと屈折率を有する。補償板１３０８がビームスプリッタ１３０７（図示の）と同じリングキャビティ光路の部分に配置されている場合、補償板１３０８は好ましくは、ビームスプリッタ１３０７と、光路に対して反対方向であるが同じ角度で配向するはずである。あるいは、補償板１３０８は、リングキャビティの別の部分に、適切な配向で配置されてもよい。
【０１０７】
「５９３」出願に説明されるように、ビームスプリッタ１３０７および補償板１３０８がないリングキャビティは、Ｈｅｒｒｉｏｔｔらによる、「Ｏｆｆ−ａｘｉｓ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ」、 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３, ＃４, ｐｐ５２３−５２６（１９６４）およびＨｅｒｒｉｏｔｔらによる、「Ｆｏｌｄｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ４, ＃８, ｐｐ８８３−８８９（１９６５）に記載されるリングキャビティに類似している。これらの参考文献に記載されるように、各ミラーからの反射の数は、２つのミラーの、ミラーの乖離度に対する曲率半径ｄにのみ依存し、光がリングキャビティに入る正確な角度には依存しない。例えば、２つのミラーの曲率半径がｄである（すなわち、各ミラーの焦点距離がｄ／２である）とすれば、各ミラーからの２つの反射の後で、各パルスは、再び集束されて、その開始位置（図１３のビームスプリッタ１３０７）に戻る。Ｈｅｒｒｉｏｔｔら（１９６４）は、ミラーの焦点距離の値（したがって曲率半径）を、各ミラーからの２、３、４、６、１２および２４反射に関するｄの倍数として与えている。Ｈｅｒｒｉｏｔｔら（１９６４）によって説明されるように、別の回数の反射が可能である。Ｈｅｒｒｉｏｔｔら（１９６４）によって説明されるように、反射は反射の回数と、ビームスプリッタ１３０７からミラー１３０５に光が入射する角度に依存して、１つの平面上になくてもよい。各ミラーから２つの反射を用いるキャビティと比べて、各ミラーから２を越える反射があれば、キャビティはより小型になる。しかしながら、一部の光は各ミラー反射で失われるため、ミラー反射損失がそれほど小さくない（例えば、深ＵＶ波長のように）場合は、ミラー毎に２反射が好ましいが、ミラー反射損失が小さい（例えば、赤外線、可視波長または近ＵＶ波長のように）場合は、ミラー毎に２を越える反射が使用され得る。リングキャビティの長さ、したがって、リングキャビティの集束は、距離ｄを調節することによって調節され得ることに留意されたい。
【０１０８】
レーザーパルスが、キャビティを横断した後でビームスプリッタ１３０７に戻ると、パルスの一部はリングキャビティを越えて方向１３０２に反射し、その部分はリングキャビティに戻るように透過する。パルス乗算器１３００は、入力レーザーパルスのビームウェストの位置に関らずレーザーパルスを再集束し、その結果、方向１３０２に出て行く出力パルスが、入力パルスとほぼまたは実質的に同じ分岐およびビームウェスト位置を有するかのようになる。パルス乗算器１３００のいくつかの好ましい実施形態では、方向１３０１からの入力レーザーパルスは、ビームスプリッタ１３０７に入射するパワー密度を極減するために平行化される。すると出力レーザーパルスも実質的に平行化される。
【０１０９】
周期的に、新規の入力パルス１３０１がレーザーによってパルス乗算器１３００に提供される。一実施形態では、レーザーは、約８０ＭＨｚの繰返し率で約０．０１５ナノ秒（ｎｓ）のレーザーパルスを生成でき、キャビティはその繰返し率を増倍できる。リングキャビティの光路長、したがってリングキャビティの遅延は、ミラー１３０５および１３０６の距離ｄと曲率半径の選択によって制御されることができ、それは、レーザーパルスの再集束を保証しながら反射回数を制御することに留意されたい。
【０１１０】
リングキャビティの光路長は、倍増率で除算したパルス間隔から直接に計算される公称の長さよりも僅かに大きい、または僅かに小さい、ことがある。これは、偏光ビームスプリッタと正確に同じ時間に全ては到着しないパルスをもたらし、出力パルスを僅かに広げる。例えば、入力パルスの繰返し率が８０ＭＨｚのとき、キャビティ遅延は、２による周波数倍増の場合、公称で６．２５ｎｓになるであろう。一実施形態では、多重に反射されるパルスが、到来するパルスとして正確に同時には到着しないように、６．２７ｎｓの遅延に対応するキャビティ長さを使用することができる。さらに、８０ＭＨｚの入力パルス繰返し率の場合の６．２７ｎｓのキャビティ長さはまた、有利にパルスを広げ、かつパルス高さを減少させることもできる。異なる入力パルスレートまたは異なる倍率を有する他のパルス乗算器は、異なるキャビティ遅延を有することができる。
【０１１１】
検査および計測システムにおける１８３ｎｍのレーザーでの使用に適した  パルス乗算および代替的パルス乗算器のさらなる詳細は、上記の「５９３」出願、２０１２年６月１日にＣｈｕａｎｇらによって出願された、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ」と題した米国特許出願第１３／４８７，０７５号、および２０１５年１月１４日にＣｈｕａｎｇらによって出願された、「Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｉｓｍｓ」と題した米国特許出願第１４／５９６，７３８号に見出すことができる。これらの出願は全て、本明細書に参照により組み込まれる。  
【０１１２】
基本波光を用いてダウンコンバートされた信号を生成することによって１８３ｎｍのレーザー出力光を生成する、上記に記載した解決策に加えて、第２の高調波光をダウンコンバートすることによって、適切なダウンコンバートされた信号を生成することも可能である。例えば、図１４は、図１Ａおよび１Ｂの実施形態で用いられたのと同じ構成部品のうちいくつかを含み、したがって、それらが同じ参照番号で示されるレーザーアセンブリ１４００を示す。特に、レーザーアセンブリ１４００は、基本波波長ωを有する基本波光１２８を生成するように構成され、ビームスプリッタ１２０を用いて基本波光１２８を部分１２７と１３０に分割し、部分１３０は第５高調波発生器１０３ｃに向けられる。別法として、第５高調波発生器に向けられる基本波の部分１３０は、第２高調波生成モジュール１５３の出力からの未消費の部分から、図１Ｂで描写されたのと同じ方式で取得されてもよいことに留意されたい。加えて、図１Ｂに示した手法と同様に、レーザーアセンブリ１４００は、第５高調波生成モジュール１０３ｃに透過される第２の高調波光１７５と第４の高調波光１６２を生成する第２高調波生成モジュール１５３および第４高調波生成モジュール１５５を含む。最後に、レーザーアセンブリ１４００は、ダウンコンバートされた周波数ωｓのダウンコンバートされた信号１２９を生成し、ダウンコンバートされた信号１２９が続いて周波数混合モジュール１０４内で第５高調波光１３４と混合されたとき、約１８０ｎｍから約１８５ｎｍの範囲のレーザー出力光１４０を生成するように機能するＯＰＳ１１６Ｃを含む。
【０１１３】
本実施形態によれば、レーザーアセンブリ１４００は、図１Ａおよび１Ｂの実施形態とは異なっており、その違いは、ＯＰＳ１１６Ｃが、第２の高調波光部分１７７を受け取ってダウンコンバートする「緑色ポンプ」光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）１１７Ｃを含むという点であり、第２の高調波光部分１７７は、ビームスプリッタ１７４によって第２高調波生成モジュール１５３の出力から分割される。上述の共通の基本波レーザー（すなわち、１０３０ｎｍ から１０６４ｎｍの範囲の対応する波長を有する）の種々の周波数において、第２の高調波光部分１７７の第２の高調波周波数２ωは、５１５ｎｍから５３２ｎｍの範囲の対応する波長を有し、それは、一般に可視緑色光（すなわち４９５から５７０ｎｍ）に関連する範囲である。そのため、ＯＰＯ１１７Ｃは、その入力が、可視緑色スペクトル内の光であるという意味で「緑色ポンプ」である。図１４の左下部分の破線で示すように、ＯＰＯ１１７Ｃはそれ以外は、ＯＰＯ１１７Ｅ（上述の）と同じ方式で構築され構成されて、第２の高調波光部分１７７を適切なダウンコンバートされた信号周波数（例えば５３２ｎｍ から約１．３μｍ）にダウンコンバートする。つまり、非線形結晶６３３Ｃ（以下に説明する）以外は、ＯＰＯ１１７Ｃによって用いられる連続波、単共振型ＯＰＯ構成を形成する光学構成要素は、ＯＰＯ１１７Ｅを参照して上記で説明したものと同じであり、そのため、それらに関する説明は、簡潔にするためここでは繰り返さない。この手法の利点は、低出力シード信号の必要を回避するため（すなわち、５３２ｎｍの光のダウンコンバージョンは、ほとんどの非線形結晶によって吸収される周波数を生成しないため）、ダウンコンバートされた信号１２９の生成が、ＯＰＯと、ダウンコンバートされた信号１２９から不必要な 周波数を除去するために用いられ得るオプションのビームスプリッタ６４２Ｃのみを用いて達成されるという点において、ＯＰＳ１１６Ｃを簡略化するということである。
【０１１４】
レーザーアセンブリ１４００に用いられる緑色ポンプＯＰＯ手法は、緑色ポンプ ＯＰＯ１１７Ｃを用いて１８３ｎｍ出力レーザー光を生成するために必要とされるダウンコンバートされた周波数ωｓ（例えば１．３μｍ）でのダウンコンバートされた信号１２９を上首尾に生成するために用いられたが、第２の高調波（緑色）光を用いてダウンコンバートされた信号１２９を生成することは、ＯＰＯ１１７Ｃに用いられ得る非線形結晶のタイプを制約し、緑色光の変換は、より低い基本波周波数の変換よりも効率が低い。すなわち、高パワーレベルでは、より高い周波数（例えば、 ＯＰＯ１１７Ｅ、図６Ｂ参照）で用いられる好ましい非線形結晶（例えばＰＰＳＬＴ）のうち多くが、可視緑色スペクトル (例えば５３２ｎｍ)における光の二光子吸収によって損傷する。この問題に対処するために、緑色ポンプＯＰＯ１１７Ｃは好ましくはリチウムトリボレート（ＬＢＯ）結晶を用いる非線形結晶６３３Ｃを実装するが、それは、ＬＢＯ結晶は、ニオブ酸リチウムまたはＳＬＴよりも大きなバンドギャップを有し、したがって、緑色光周波数での高出力による損傷を受けないからである。しかしながら、ＯＰＯ１１７ＣにおいてＬＢＯ結晶（または別の緑色光耐性結晶）が用いられたとしても、緑色光のダウンコンバージョンは、１．３μｍ光子毎に望ましくない約９００ｎｍ光子を生成するため、ＯＰＯ１１７Ｃに行くパワーの半分以上が失われ、レーザーアセンブリ１４００を、レーザーアセンブリ１００Ａおよび１００Ｂ（上述の）よりも効率が低いものにする。
【０１１５】
さらにもう１つの可能な実施形態によれば、ＯＰＳ１１６が、リチウムインジウムセレニド（ＬＩＳＥ）結晶を用いる従来型ＯＰＯと置き換えられた、図１Ａと同様なレーザーアセンブリが作製され得る。本発明者らは、ＬＩＳＥ結晶が、６μｍ周辺の周波数を強度に吸収しないと考えられるため、加熱により顕著に歪んだり損傷を蒙ることがないはずであると思われる故に、この手法は有効であると考える。しかしながら、ＬＩＳＥ結晶は新規のものであり、十分に高品質なＬＩＳＥ結晶の利用可能性は現在のところ判断しがたい。
【０１１６】
本発明に記載される１８３ｎｍのレーザーは、検査または計測システムにおいて、光学素子とともに、パルス成形、コヒーレンス低減、スペックル低減のために用いられ得る。パルス成形、コヒーレンス低減、スペックル低減装置のさらなる詳細は、２０１５年７月１４日に発行された米国特許第９，０８０，９９０号および２０１５年７月１４日に発行された米国特許第９，０８０，９９１号に開示されている。これらの特許は両方とも本明細書に参照により組み込まれる。
【０１１７】
本明細書に記載の構造および方法の様々な実施形態は、単に本発明の原理の実例であり、本発明の範囲を記載の特定の実施形態に限定することを意図しない。例えば、ＣＬＢＯ、ＬＢＯ、またはＢＢＯまたは周期的にポーリングされる材料以外の非線形結晶を、周波数変換、高調波生成および混合段のいくつかで使用することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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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