(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
深紫外線（ＤＵＶ）連続波（ＣＷ）レーザーであって、
約１μｍ〜１．１μｍの対応する波長を持つ基本波周波数を発生させるように構成された基本波ＣＷレーザーと、
前記基本波周波数の第１の部分を使用して、３次高調波を発生させるように構成された３次高調波発生器モジュールと、
５次高調波発生器モジュールであって、
前記基本波周波数に対応する波長で共振する空洞を形成し、前記３次高調波と前記基本波周波数の第２の部分とを前記空洞内で操作可能に結合するように構成された複数の光学素子と、
操作可能に前記空洞に配置され、前記第２の基本波周波数部分と前記３次高調波とを組み合わせることにより、５次高調波を発生させるように集合的に構成された、第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶と第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶と、
を有する５次高調波発生器モジュールと、
を備える、レーザー。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザーであって、前記空洞を形成する前記複数の光学素子のうち第１の光学素子は入力結合器を含み、前記５次高調波発生器モジュールは、前記入力結合器を通って、前記空洞内に前記第２の基本波周波数部分を集束および結合させるように構成されたモード整合レンズをさらに含む、レーザー。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザーであって、前記複数の光学素子のうち第２の光学素子は、前記第２の基本波周波数部分を空洞光路に沿って反射させ、前記３次高調波が、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内で前記第２の基本波周波数部分と重なり合うように、前記空洞を通過するように構成されたダイクロイック曲面鏡を含み、
前記５次高調波発生器モジュールは、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に前記３次高調波を集束させるように構成された１以上の第１のレンズをさらに備える、レーザー。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザーであって、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶は、前記第２の基本波周波数部分と前記３次高調波とを加算することにより、４次高調波を発生させるように構成された、レーザー。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザーであって、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶は、ＣＬＢＯ、ＣＢＯ、ＬＢＯ、ＬＢ４、およびＢＢＯのうち１つを含む、レーザー。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザーであって、前記５次高調波発生器モジュールは、前記空洞光路に操作可能に配置され、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶を通過した未消費の３次高調波を前記空洞外へそらすように構成された、第１のビームスプリッタをさらに含む、レーザー。
【請求項７】
請求項４に記載のレーザーであって、前記５次高調波発生器モジュールは、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶と前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶との間の前記空洞光路に配置され、未消費の基本波周波数部分と前記第４次高調波との周波数加算により前記第５次高調波を発生させるように、前記第２の基本波周波数部分の未消費部分と前記４次高調波を前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に集束するように構成される、１以上の第２のレンズをさらに含む、レーザー。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザーであって、前記１以上の第２のレンズは、１以上のアクロマティックレンズを含む、レーザー。
【請求項９】
請求項１に記載のレーザーであって、前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶は、ＣＬＢＯ、ＬＢ４、およびＢＢＯのうち１つを含む、レーザー。
【請求項１０】
請求項１に記載のレーザーであって、前記５次高調波発生器モジュールは、前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶を通過した前記基本波周波数の第２の未消費部分を前記空洞光路に沿って透過させ、前記５次高調波と前記４次高調波の未消費部分を前記空洞外へそらすように構成された第２のビームスプリッタをさらに含む、レーザー。
【請求項１１】
深紫外線（ＤＵＶ）連続波（ＣＷ）レーザーであって、
約１μｍ〜１．１μｍの対応する波長を持つ基本波周波数を発生させるように構成された基本波ＣＷレーザーと、
前記基本波周波数の第１の部分を使用して、３次高調波を発生させるように構成された３次高調波発生器モジュールと、
５次高調波発生器モジュールであって、
ボウタイ空洞の光路を有し、前記基本波周波数の前記対応する波長に共振する空洞を形成するように構成された複数の光学素子を含み、前記複数の光学素子のうち少なくとも１つは、前記基本波周波数の第２の部分と前記３次高調波とを前記空洞内に操作可能に結合するように構成され、さらに、
前記空洞光路に配置される第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶と、
前記３次高調波を前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に集束するように構成され、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶は、前記第２の基本波周波数部分と前記３次高調波とを組み合わせて、４次高調波を発生させるように構成された、１以上の第１のレンズと、
前記空洞光路に配置された第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶と、
前記４次高調波を前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に集束するように構成され、前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶は、未消費の基本波周波数部分と前記４次高調波とを組み合わせて周波数加算により５次高調波を発生させるように構成された、１以上の第２のレンズと、
を有する５次高調波発生器モジュールと、
を備える、レーザー。
【請求項１２】
深紫外線（ＤＵＶ）連続波（ＣＷ）レーザー照射を発生させる方法であって、
それぞれが約１μｍ〜１．１μｍの対応する波長を持つ基本波周波数を有する、第１の基本波周波数部分と第２の基本波周波数部分とを発生させることと、
前記第１の基本波周波数部分を３次高調波に変換させることと、
空洞に操作可能に配置され、前記第２の基本波周波数部分と前記３次高調波との和周波発生を実行するように構成された第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に前記３次高調波を集束させることにより、４次高調波を発生させることと、
前記空洞に操作可能に配置され、前記第２の基本波周波数部分の未消費部分と前記４次高調波との和周波発生を実行するように構成された、第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に前記４次高調波を集束させることにより、５次高調波を発生させることと、
前記５次高調波と前記４次高調波の未消費部分とを前記空洞外へそらすことと、
を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記４次高調波の前記発生は、入力結合器を使用して前記第２の基本波周波数部分を前記空洞内に結合させ、前記第２の基本波周波数部分が空洞光路に沿ってダイクロイック曲面鏡の方へ向けられるようにすることと、
前記ダイクロイック曲面鏡を使用して、前記第２の基本波周波数部分を反射させるとともに前記３次高調波を前記空洞内に結合させ、前記第２の部分と前記３次高調波がいずれも前記空洞光路の一部に沿って前記第１の線形光学（ＮＬＯ）結晶の方へ向けられるようにすることを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、前記４次高調波の前記発生は、１以上の第１のレンズを使用して、前記３次高調波が前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内で前記第２の基本波周波数部分と重なり合うように、前記３次高調波を前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に集束させることをさらに含む、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、前記第１の非線形光学（ＮＬＯ）結晶から出た前記３次高調波の未消費部分をそらし、前記未消費の３次高周波部分が前記空洞内で再循環しないようにすることをさらに含む、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法であって、前記５次高調波の前記発生は、１以上の第２のレンズを使用して、前記第２の基本波周波数部分の未消費部分と前記４次高調波との周波数加算により前記５次高調波を発生させるように、前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶内に前記４次高調波を集束させることを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の方法であって、前記未消費の４次高調波部分は前記空洞内で再循環しないように、前記第２の非線形光学（ＮＬＯ）結晶から出た前記４次高調波の未消費部分をそらすことをさらに含む、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記未消費部分をそらすことは、ダイクロイック鏡およびプリズムのうち１つを使用して、未消費の基本波周波数を前記空洞光路に沿って循環可能にしつつ、前記４次高調波の前記未消費部分と前記５次高調波との両方を前記空洞外へそらすることをさらに含む、方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の方法であって、前記４次高調波の前記発生は、水素アニールされたＣＬＢＯ、ＣＢＯ、ＬＢＯ、ＬＢ４、およびＢＢＯのうち１つを含むバルク単結晶を使用することを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１２に記載の方法であって、前記５次高調波の前記発生は、水素アニールされたＣＬＢＯ、ＬＢ４、およびＢＢＯのうち１つを含むバルク単結晶を使用することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、Ｃｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．によって２０１３年６月１１日に出願された「ＣＷ  ＤＵＶ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ」と題された米国仮特許出願第６１／８３３，７１６号の優先権を主張し、同出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
半導体の検査及び計測は、微小欠陥を検出するため及び／または微小寸法の非常に正確な測定を行うために、非常に安定した、低ノイズの光源を必要とする。ＵＶ光源、すなわち１００〜４００ｎｍの波長を持つ光源が重要である理由は、一般に、短波長は微小な欠陥または寸法に対するよりよい感度を提供するからである。
【０００３】
低ノイズ、高安定性のレーザーは、可視及び近赤外の波長については入手可能である。しかしながら、２５０ｍＷを超えるパワーを有する入手可能な深ＵＶ  ＣＷレーザーは、非常に少なく、それらのレーザーは、高価で、高ノイズであり、長期安定性が悪く、頻繁な調節または保守を必要とし得る。
【０００４】
現在入手可能な深ＵＶ（ＤＵＶ）、すなわち３００ｎｍより短波長の、ＣＷレーザーは、赤外（ＩＲ）基本波レーザーの４次高調波を発生させることによって動作する。２つの周波数変換ステージが使用される。第１のステージは、２次高調波を発生させ、第２のステージは、４次高調波を発生させる。各周波数変換ステージは、非線形光学（ＮＬＯ）結晶を使用する。
【０００５】
周波数２倍化プロセスは、電界強度の２乗に依存する。結晶内のパワー密度が低い場合、変換プロセスは、非常に非効率的である。数ワットまたは数十ワットのパワーの赤外レーザーは、ＮＬＯ結晶内に集束される場合、低パワー密度のため、非常にわずかな２次高調波しかもたらさない。これは、相当量の２次高調波をもたらすことができる（最良の場合、入力のほぼ５０％が２次高調波に変換され得る）同様の平均パワーレベルを有するパルスレーザーとは対照的であるが、その理由は、ピークパワー密度は、平均パワー密度より何倍も高いからである。
【０００６】
ＤＵＶ  ＣＷ（連続波）レーザーは、変換効率を向上させるために、共振空洞を使用してＮＬＯ結晶内のパワー密度を上昇させる。２次高調波に変換されることなくＮＬＯ結晶を通過する光のほとんどは、パワー密度を蓄積させるために、共振空洞内で再循環させられる。２次高調波は、共振空洞から脱出することができる。最終的に、パワー密度は、２次高調波として共振空洞を離脱するパワーと共振空洞内の損失との和が入力パワーに等しくなるレベルにまで増大する。したがって、深ＵＶ波長を発生させるためには、これらの空洞の２つが直列に接続されなければならない。第１の共振空洞は、ＩＲ基本波を再循環させることによって２次高調波（すなわち、可視波長、典型的には５３２ｎｍ等のグリーン波長）を発生させ、第２の共振空洞は、２次高調波を再循環させることによって４次高調波（すなわち、２６６ｎｍ等の深ＵＶ波長）を発生させる。
【０００７】
図１は、２つの共振空洞を含む、例示的な深ＵＶ  ＣＷレーザー１００を図示する。レーザー１００において、２次高調波を発生させるための第１の空洞は、鏡１１０、１１１、１１２、及び１１３、ならびにＮＬＯ結晶１１５を含む。４次高調波を発生させるための第２の空洞は、鏡１３０、１３１、１３２、及び１３３、ならびにＮＬＯ結晶１３５を含む。とりわけ、これらの空洞は、積極的に制御されなければならない。第１の空洞のための制御は、発振器１０４（周波数ｆ１で信号を発生させる）、変調器１０３、フォトダイオード１０５、及び同期検出器１０６（鏡１１１の位置を制御するためのアクチュエータ制御信号１０７を発生させる）を含む。第２の空洞のための制御は、発振器１２４（周波数ｆ２で信号を発生させる）、変調器１２３、フォトダイオード１２５、及び同期検出器１２６（鏡１３１の位置を制御するためのアクチュエータ制御信号１２７を発生させる）を含む。
【０００８】
レーザー１００は、１０６４ｎｍの波長でＩＲ光を発生させる基本波レーザー１０１を含む。このＩＲ光は、鏡１１０を介して第１の空洞に入り、鏡１１１及び１１２から反射した後、ＮＬＯ結晶１１５に入る。結晶１１５に入るＩＲ光の一部は、５３２ｎｍの波長の２次高調波に変換される。５３２ｎｍの光は、鏡１１３を通過し、第２の空洞に方向付けされる。ＮＬＯ結晶１１５を通過するＩＲ光のほとんどは、変換されることなくＮＬＯ結晶から出現し、１０６４ｎｍの光を反射させる一方で５３２ｎｍの光を透過させるように被膜された鏡１１３から反射される。鏡１１３から反射された光は、入力鏡１１０に再び到来する。鏡１１０上の被膜は、鏡１１３からの光線の入射角で到来するＩＲに対しては高反射性となる一方で、基本波レーザー１０１から到来する入来ＩＲ照射に対しては高透過性となるように設計される。
【０００９】
第１の空洞で高いパワー密度を蓄積するためには、第１の空洞内を循環してきたＩＲ照射が、入来する照射と同位相で鏡１１０に到来することが重要である。この同位相の到来は、正確な空洞光路長を維持するために鏡１１１を機械的に動かすサーボ制御（例えば、圧電トランスデューサまたはボイスコイルによって）を使用することによって達成され得る。フォトダイオード１０５は、サーボ制御に信号を提供するために、第１の空洞内を循環する光のわずかな部分を監視する。入力レーザービームは、第１の空洞が調節される必要があるか、及びもしそうであればどの方向へかを判定するためにサーボ制御によって使用される時変信号を提供するために、変調器１０３によって周波数ｆ１で変調される。第１の空洞のための上述のサーボ制御ループは、一般的に使用され、パウンド−ドレバー−ホール（ＰＤＨ）制御として知られている。その理論は、Ｄｒｅｖｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｌａｓｅｒ  ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ  ３１，ｐｐ９７−１０５（１９８３）によって記載されている。追加の詳細は、例えば、１９９４年１１月２２日に交付され、「Ｌａｓｅｒ  ｌｉｇｈｔ  ｂｅａｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題された米国特許第５，３６７，５３１号、及びＢｌａｃｋによるＬＩＧＯ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｎｏｔｅ  ＬＩＧＯ−Ｔ９８００４５−００−Ｄ（１９９８）に見ることができる。
【００１０】
レーザーサーボ制御ループで一般的に使用される別の方式は、ヘンシュ−クイヨー（ＨＣ）技術である。この方式では、空洞に入る前のビームについては変調は不要である。しかしながら、これは、偏光感受型の空洞についてのみ機能する。この方式は、反射されたまたは透過された全ビームの偏光変化を検出して、空洞が共振しているか否かを判定する。この方式に関するさらなる詳細は、Ｈaｎｓｃｈ及びＣｏｕｉｌｌａｕｄによる「Ｌａｓｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ａ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｃａｖｉｔｙ」，Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．３５（３），４４１（１９８０）に見ることができる。
【００１１】
第２の空洞は、入力波長が５３２ｎｍであり出力波長が２６６ｎｍであることを除いて、第１の空洞と実質的に同様の方法で動作する。第２空洞コンポーネントの被膜及び材料は、それらの波長のために適切に選択される。レーザー１００において、第２の変調器１２３は、光を、第２の空洞に入る前に、周波数ｆ２で変調する。光は、鏡１３０を通じて第２の空洞に入り、鏡１３１及び１３２から反射した後、ＮＬＯ結晶１３５に入る。結晶１３５に入る光の一部は、２６６ｎｍの波長の４次高調波に変換される。２６６ｎｍの光は、鏡１３３を通過し、レーザー１００の出力に方向付けされる。ＮＬＯ結晶１３５を通過する光のほとんどは、変換されることなくＮＬＯ結晶から出現し、５３２ｎｍの光を反射させる一方で２６６ｎｍの光を透過させるように被膜された鏡１３３から反射される。鏡１３３から反射された光は、入力鏡１３０に再び到来する。鏡１３０上の被膜は、鏡１３３からの光線の入射角で到来する光に対しては高反射性となる一方で、変調器１２３から到来する入来光に対しては高透過性となるように設計される。フォトダイオード１２５は、循環する光のわずかな部分を検出する。１２５からの信号は、空洞の正確な光路長を維持するために鏡１３１の位置を制御する制御信号１２７を発生させるために、同期検出器１２６によって使用される。
【００１２】
一部の実施形態（図示せず）では、変調器１２３及び発振器１２４は、省かれており、したがって、サーボループの両方は、同じ変調周波数で動作する。さらに他の実施形態（図示せず）では、変調器１０３及び１２３の両方は、省かれている。この場合、基本波レーザー１０１は、２つのモードが発生するようにレーザーを動作させることによって、変調出力を発生させる。それらの２つのモードは、２つのモード間のビートによって適切に変調された出力が発生するように、波長分離及び相対振幅を有するように選択することができる。
【００１３】
１つまたは両方の空洞は、４つではなく２つまたは３つの鏡を備え得ることに留意されたい。
【００１４】
一部の先行技術の装置では、ＤＵＶ出力波長は、ＮＬＯ結晶１３５と鏡１３３との間に設けられたビームスプリッタ（図示せず）によって、再循環する可視光から分離され得る。一部の先行技術の装置では、周期分極反転非線形光学（ＮＬＯ）材料は、擬似位相整合によりグリーン及び／またはＵＶのＣＷ光を発生させるために、周波数変換に使用される。現在、半導体検査に有用なパワーレベルでＤＵＶ光を発生させることのできる入手可能な周期分極反転材料は存在しない。
【００１５】
上で説明したように、先行技術の装置では、２つの周波数２倍化用空洞が直列で使用され得る。この場合、第１の空洞は、ＩＲ領域の波長に対応する基本波周波数で共振し、第２の空洞は、ＩＲ光の波長の半分の波長を有する２次高調波周波数で共振する。同じ量の空洞の光路長変化に対して、第２の空洞の相変化は、第１の空洞と比較して２倍である。結果として、第２の空洞は、そのより高い感度のため、安定化させるのがより困難である。さらに、第１の空洞からのノイズは、典型的に、第２の空洞内へ結合し、安定性に著しい影響を及ぼし得、それにより第２の空洞の変換効率を損なう。とりわけ、第２の空洞のフィードバックループは、その入力光からのノイズと空洞自体からのノイズとを区別することができない。したがって、第２の空洞は、不整合を補償しようと絶えず試みる。結果として、この種の先行技術のＣＷ  ＤＵＶレーザーは、典型的に、非常に高ノイズであり、安定性のために複雑なサーボループを必要とする。
【００１６】
先行技術の装置に関する別の制限は、空洞のフィードバックループが、空洞の光路長変化を補償するために空洞長を調節することしかできないことである。空洞の焦点または非点収差の変化は、空洞長を調節することによっては補償できない。
【００１７】
例えば、非線形結晶内部の温度勾配は、その結晶内において不均一な屈折率分布を作り出す。結晶の平均屈折率のいかなる変化も、空洞の平均光路長を変化させ、物理的な空洞長の変化によって補償し得る。しかしながら、屈折率の空間的変動は、空洞内の光学系の焦点距離を変化させ得、及び／または循環するレーザービームの焦点に非点収差を作り出し得る。焦点の変化は、原則として、空洞が焦点の変化を検出し得るセンサを組み込んでいる場合は、空洞長の変化によって補償し得るが、必要とされる空洞長の変化は、光路長を維持し空洞を共振状態に保つために必要とされる空洞長の変化と同じではないであろう。したがって、焦点の補正は、レーザーの出力パワーを減少または不安定化させるであろう。非点収差は、異なる方向における異なる焦点位置によって引き起こされるため、いかなる空洞長の変化も、非点収差を補償することはできない。焦点及び非点収差の変化は、典型的に、第１よりも第２の空洞においてより深刻な問題であるが、その理由は、ＤＵＶ光が、基本波または２次高調波の光によって誘起されるよりも大きなＮＬＯ結晶特性の変化を誘起し得るからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００４−０８６１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、約２５０ｍＷを超えるパワーレベルを有し、低ノイズで、良好な長期安定性を有しながら、上記の欠点の一部または全部を克服するＤＵＶ  ＣＷレーザーの必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本明細書に記載される向上されたレーザーシステム及び関連技術に従って、ＩＲレーザーの基本波周波数の４次または５次高調波に対応する周波数を有する深紫外線（ＤＵＶ）連続波（ＣＷ）レーザーシステムは、ただ１つの共振空洞または２つのＩＲ共振空洞により発生させることができる。向上されたレーザーシステムは、先行技術のＤＵＶ  ＣＷレーザーと比較して、より複雑でないフィードバックループ及びはるかに良好な安定性を有する。
【００２１】
ＤＵＶ  ＣＷレーザーシステムは、基本波ＣＷレーザー、３次高調波発生器、及び４次高調波発生器を含む。基本波ＣＷレーザーは、約１μｍ〜１．１μｍの対応する波長を有する基本波周波数を発生させるように構成される。３次高調波発生器モジュールは、３次高調波を発生させるための、少なくとも１つの周期分極反転非線形光学（ＮＬＯ）結晶を含む。４次高調波発生器モジュールは、基本波周波数で共振する空洞を含む。４次高調波発生器モジュールは、基本波周波数と３次高調波とを組み合わせて４次高調波を発生させるように構成される。
【００２２】
別のＤＵＶ  ＣＷレーザーシステムは、基本波ＣＷレーザー、３次高調波発生器、及び５次高調波発生器を含む。基本波ＣＷレーザーは、約１μｍ〜１．１μｍの対応する波長を有する基本波周波数を発生させるように構成される。３次高調波発生器モジュールは、３次高調波を発生させるための、少なくとも１つの周期分極反転ＮＬＯ結晶を含む。５次高調波発生器モジュールは、基本波周波数と３次高調波とを組み合わせて５次高調波を発生させるための、基本波周波数で共振する空洞を含む。
【００２３】
さらに別のＤＵＶ  ＣＷレーザーシステムは、基本波ＣＷレーザー、３次高調波発生器、及び５次高調波発生器を含む。基本波ＣＷレーザーは、約１μｍ〜１．１μｍの対応する波長を有する基本波周波数を発生させるように構成される。３次高調波発生器モジュールは、２次高調波及び３次高調波を発生させるための、少なくとも１つの周期分極反転ＮＬＯ結晶を含む。５次高調波発生器モジュールは、２次高調波と３次高調波とを組み合わせて５次高調波を発生させるための、２次高調波周波数で共振する空洞を含む。
【００２４】
様々な実施形態は、以下の特徴を有し得る。３次高調波発生器モジュールは、共振空洞を使用しなくてもよい。３次高調波発生器モジュールはさらに、基本波周波数で共振する空洞を含み得る。少なくとも１つの周期分極反転ＮＬＯ結晶は、２次高調波または３次高調波を発生させ得る。少なくとも１つの周期分極反転ＮＬＯ結晶は、３次高調波の直接発生のために二重周期の分極反転結晶を含み得る。３次高調波発生器モジュールは、２つの周期分極反転ＮＬＯ結晶を含み得る。少なくとも１つの周期分極反転ＮＬＯ結晶は、３次高調波発生効率を最大化するために温度制御され得る。基本波周波数は、少なくとも１つの周期分極反転ＮＬＯ結晶の分極反転深さに実質的に平行な短軸を有する楕円ビームに集束され得る。３次高調波発生器モジュールは、３次高調波の和周波発生のための３次擬似位相整合を達成するために、２μｍより長いドメイン周期を有する周期分極反転ＮＬＯ結晶を使用し得る。電気光学変調は、３次高調波変換効率を高めるために使用され得る。４次高調波発生器モジュールは、３次高調波を空洞内で再循環させなくてもよい。５次高調波発生器モジュールは、３次高調波を空洞内で再循環させなくてもよい。
【００２５】
約１〜１．１μｍの波長に対応する基本波周波数から４次高調波を発生させる方法が記載される。２次高調波周波数は、周期分極反転ＮＬＯ結晶を使用して基本波周波数の一部を変換することによって作り出される。基本波周波数の別の一部は、２次高調波と組み合わせられて３次高調波を発生させる。４次高調波は、基本波周波数で共振する空洞において基本波周波数の別の一部と３次高調波とを組み合わせることによって作り出される。この方法では、基本波の空洞と２次高調波の空洞とを直列で使用する先行技術のシステムと比較すると、２次高調波で共振する空洞は、使用されない。２次高調波は、基本波周波数の波長の半分の波長を有するため、２次高調波周波数で共振する空洞は、基本波周波数で共振する空洞よりも不安定であり、ドリフト及び不安定性をより発生させやすい。
【００２６】
約１〜１．１μｍの波長に対応する基本波周波数から５次高調波を発生させる方法が記載される。基本波周波数の一部は、周期分極反転ＮＬＯ結晶を使用して２次高調波に変換される。基本波周波数の別の一部は、２次高調波と組み合わせられて３次高調波を発生させる。４次高調波は、基本波周波数で共振する空洞において基本波周波数の別の一部と３次高調波とを組み合わせることによって発生する。５次高調波は、共振空洞内で４次高調波と再循環する基本波周波数とを組み合わせることによって発生する。
【００２７】
約１〜１．１μｍの波長に対応する基本波周波数から５次高調波を発生させる方法が記載される。基本波周波数の一部は、周期分極反転ＮＬＯ結晶を使用して２次高調波に変換される。基本波周波数の別の一部は、２次高調波と組み合わせられて３次高調波を発生させる。５次高調波は、２次高調波周波数で共振する空洞内で２次高調波と３次高調波とを組み合わせることによって発生する。
【００２８】
一実施形態では、２次高調波を発生させるＮＬＯ結晶は、いずれの共振空洞内にも設けられない。この実施形態では、１つの共振空洞、すなわち４次及び５次高調波を発生させる空洞のみが使用される。別の実施形態では、２次及び３次高調波を発生させるＮＬＯ結晶は、基本波周波数で共振する空洞に収容される。この実施形態では、２つの共振空洞が使用され、両方の空洞は、基本波周波数でのみ共振する。
【００２９】
一実施形態では、２次及び３次高調波周波数を発生させるＮＬＯ結晶は、いずれの共振空洞内にも設けられない。この実施形態では、２次高調波周波数で共振する１つの共振空洞のみが使用される。５次高調波を発生させる空洞である。別の実施形態では、２次及び３次高調波を発生させるＮＬＯ結晶は、基本波周波数で共振する空洞に収容される。この実施形態では、２つの共振空洞が使用される。先行技術の装置のように、基本波周波数で共振する１つのものの後に、２次高調波周波数で共振する別のものが続く。とりわけ、この構成は、先行技術の装置と比較して、より高い周波数を発生させる。
【００３０】
基本波レーザーが１０６４ｎｍの波長を発生させる場合、４次高調波周波数が２６６ｎｍの波長に対応し、５次高調波周波数が約２１３ｎｍの波長に対応することに留意されたい。基本波レーザーのレーザー媒質は、イッテルビウムドープファイバ、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット結晶、ネオジムドープオルトバナジン酸イットリウム、またはネオジムドープバナジウム酸ガドリニウムを含み得る。
【００３１】
３次高調波の直接発生は、光学媒質のχ（３）の低い非線形性及び位相整合の制約のため、困難である。したがって、本明細書で開示される向上されたレーザーでは、３次高調波発生は、入力ビームの周波数２倍化に始まり和周波発生がそれに続く縦続接続プロセスとして実現され、両方のプロセスは、χ（２）の非線形性を有する非線形結晶材料に基づく。
【００３２】
３次高調波発生器モジュールの一実施形態では、周期分極反転結晶は、擬似位相整合（ＱＰＭ）のために使用される。バルクＮＬＯ結晶による完全に位相整合された場合と比較して、ＱＰＭは、全ての相互作用する波に対して同じ偏光方向を使用することを可能にし、これは、しばしば、非線形テンソルのより強力な要素を使用することに対応する。変換効率は、臨界位相整合の場合よりも著しく高くなり得る。伝搬方向は、空間的ウォークオフが回避され、受光角が広くなるように、結晶の光軸沿いであり得る。さらに、周期分極反転結晶は、低減された光屈折を有し得るが、その理由は、配向の異なるドメインにおける効果は互いに打ち消し合う傾向があるからである。
【００３３】
分極反転周期は、ある特定の非線形プロセスの疑似位相整合を行うことのできる波長を決定する。正しい分極反転周期の計算は、例えば、セルマイヤーの近似式から得られる屈折率の値に基づく。
【００３４】
基本波周波数を発生させ、高品質の周期分極反転結晶を使用する高パワーの単周波数ＩＲレーザー源の場合、単一パス方式は、後続の和周波発生ステージのための十分な３次高調波周波数を発生させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】２つの共振空洞を含む、例示的な先行技術の深ＵＶ  ＣＷレーザーを図示する。
【図２Ａ】単一パス構成の例示的な３次高調波発生器モジュールを図示する。
【図２Ｂ】効率的な３次高調波発生のために単結晶を有する別の例示的な３次高調波発生器モジュールを図示する。
【図２Ｃ】３次高調波発生用の基本波パワーを高めるために共振空洞を含む、さらに別の例示的な３次高調波発生器モジュールを図示する。
【図３】ボウタイ空洞を含む、例示的な４次高調波発生器モジュールを図示する。
【図４】ボウタイ空洞において４次高調波発生器モジュールからの４次高調波と基本波の未消費部分とを組み合わせて５次高調波を発生させるように構成された、例示的な５次高調波発生器モジュールを図示する。
【図５】３次高調波発生器モジュールからの３次高調波と２次高調波の未消費部分（及び／または２次高調波）とを組み合わせて５次高調波を発生させる際に和周波発生を実行するように構成された、別の例示的な５次高調波発生器モジュールを図示する。
【図６】基材からの透過及び反射光を測定するように構成された、例示的なレチクルまたはフォトマスク検査システムを図示する。
【図７】異なる波長範囲に対して最適化された異なる対物で異なる波長または波長範囲を有する複数の光源を含む、例示的な検査システムを図示する。
【図８】暗視野及び明視野検査モードを有する、例示的な反射屈折結像システムを図示する。
【図９Ａ】斜線照明を有する暗視野検査システムを図示する。
【図９Ｂ】斜線照明を有する暗視野検査システムを図示する。
【図１０】表面上の異常を検査するために使用することのできる表面検査システムを図示する。
【図１１】垂直及び斜行照明ビーム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を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図２Ａは、単一ポンピングパス構成の例示的な３次高調波発生器モジュール２００を図示する。この実施形態では、周波数ωで動作する基本波レーザー２０１は、基本波２０２を発生させる。レンズ２０３は、２次高調波発生（ＳＨＧ）のために、基本波２０２を第１の周期分極反転ＮＬＯ結晶２０４に集束させるように位置決めされる。アクロマティックレンズ２０６は、和周波発生（ＳＦＧ）のために、未消費の基本波（ω）とＮＬＯ結晶２０４から発生した２次高調波（２ω）２０５とを第２の周期分極反転ＮＬＯ結晶２０７上に集束させるように位置決めされる。レンズ２０６は、一部の実施形態では、ダブレットを備え得る。ＮＬＯ結晶２０４、２０７、及び／またはレンズ２０３、２０６の表面は、１つ以上の周波数における高透過性のために適切に被膜され得ることに留意されたい。ビームスプリッタ対２０８（またはプリズム）を使用して、発生した３次高調波（３ω）２０９、未消費の２次高調波（２ω）２１０、及び未消費の基本波（ω）２１１を分離させ得る。
【００３７】
一部の実施形態では、１つ以上のＮＬＯ結晶２０４、２０７は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、定比タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）、砒素酸チタニルカリウム（ＫＴＡ）、及び／または酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３）もしくは酸化マグネシウムドープ定比タンタル酸リチウム（ＭｇＯ：ＳＬＴ）等のドープ材料を含み得る。本明細書に記載される向上されたレーザーシステムの一部の実施形態では、１０ｍｍより長い結晶を使用して０．０１２％／Ｗ２より高い変換効率を達成し得る。
【００３８】
一実施形態では、ＮＬＯ結晶２０４、２０７の温度を制御して位相整合効率が最大化される。別の実施形態では、レンズ２０３、２０６は、それらの各ビームを周期分極反転ＮＬＯ結晶の深さ方向に沿った短軸を有する楕円形に集束させ得るが、その理由は、特に必要な分極反転周期が短い場合に、結晶内部深くよりも表面付近で欠陥が少なく、分極反転周期がより均一になり得るからである。例えば、基本波及び２次高調波を約２００μｍのビーム直径に集束させる代わりに、それらは、結晶の頂面に対して実質的に平行に配向された約４００μｍの長軸と結晶の頂面に対して実質的に垂直な約１００μｍの短軸とを有する楕円形に集束させ得る。分極反転結晶の最も均一な領域は、表面から約１００μｍ以内にあり得るため、楕円の短軸を約１００μｍ以下に保つことは、変換効率及び結晶寿命を向上させ得る。好ましい実施形態では、２つの高調波の微小な相対変位が変換効率に与える影響が最小限に抑えられるように、高調波のうちの１つは、他方よりもわずかに広いスポットに集束されることになる。利用可能な基本波のパワーは、２次高調波のパワーよりも大きいため、２次高調波を基本波よりも密に集束させることが好ましい。例えば、基本波は、約４００μｍ×約１００μｍの楕円に集束させ得る一方で、２次高調波は、約３８０μｍ×約８０μｍの楕円に集束される。
【００３９】
ＵＶ和周波の効率的発生のための１次疑似位相整合（ＱＰＭ）条件は、典型的に、約２μｍ未満のドメイン周期を含む。一部の実施形態は、２μｍよりも長いドメイン周期とともに和周波発生ステージの３次疑似位相整合を使用する。３次疑似位相整合は、所与の結晶長に対してより低い変換効率という結果を生じさせるが、この長いドメイン周期は、３次高調波発生器モジュールのために十分な効率をもたらし得る一方で、周期分極反転ＮＬＯ結晶の作製を単純化する。
【００４０】
図２Ｂは、効率的な３次高調波発生のために単結晶を有する別の３次高調波発生器モジュール２２０を図示する。この実施形態では、周波数ωで動作する基本波レーザー２２１は、基本波２２２を発生させる。レンズ２２３は、２次及び３次高調波を発生させるために、基本波２２２を二重周期の分極反転ＮＬＯ結晶２２４に集束させるように位置決めされる。このような結晶は、２つの別々の光パラメトリックプロセス、すなわち周波数２倍化と和周波発生とを、縦続接続の疑似位相整合の相互作用を通じて結合することを可能にし、それにより超格子結晶サンプルから３次高調波を直接発生させることを可能にする。二重周期及び超格子の分極反転ＮＬＯ材料の理論的説明は、Ａｎｔｏｎｏｓｙａｎ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｐｈａｓｅ−ｒｅｖｅｒｓｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｏｆ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ」，ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／１１０９．２７５１ｖ１（２０１１）に見ることができる。二重周期のタンタル酸リチウム構造の例は、Ｌｉｕ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｑｕａｓｉ−Ｃｗ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｄｕａｌ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ＬｉＴａＯ３  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｂｙ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｔｒｉｐｌｉｎｇ」，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４０，ｐｐ６８４１−６８４４（２００１）に見ることができる。これらの論文の両方は、参照により本明細書に組み込まれる。二重周期の分極反転ＮＬＯ２２４は、２つのバルク結晶または周期分極反転結晶を直列で使用するものよりも、３次高調波発生において、より高い効率性及びより単純な光路を有し得る。二重周期の分極反転ＮＬＯ結晶２２４及び／またはレンズ２２３の表面は、１つ以上の周波数における高透過性のために適切に被膜され得る。ビームスプリッタ対２２５（またはプリズム）を使用して、発生した３次高調波（３ω）２２６、未消費の２次高調波（２ω）２２７、及び未消費の基本波（ω）２２８を分離させ得る。
【００４１】
一部の実施形態では、電気光学効果を用いて結合波の位相整合条件及びエネルギー分布を操作し、非線形変換効率を高め得る。これは、ＮＬＯ結晶の長手方向に沿って直流電界を印加することによって達成され得る。これがどのように非線形変換を高めることができるかの説明は、Ｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｎ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．２３，ｐｐ４９８０−４９８４（２００５）に見ることができ、同論文は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４２】
図２Ｃは、３次高調波発生のための基本波パワーを高めるための共振空洞を含む、さらに別の例示的な３次高調波発生器モジュール２３０を図示する。この実施形態では、周波数ωで動作する基本波レーザー２３１は、基本波２３２を発生させる。曲面鏡等の入力結合器２３３は、２次高調波発生のために、基本波２３２を第１の周期分極反転ＮＬＯ結晶２３４に集束させるように位置決めされる。アクロマティックレンズ２３６（またはダブレット）は、和周波発生のために、ＮＬＯ結晶２３４から発生した２次高調波（２ω）と未消費の基本波（ω）２３５とを第２の周期分極反転ＮＬＯ結晶２３７に集束させるように位置決めされる。ＮＬＯ結晶２３４、２３７、及び／またはレンズ２３６の表面は、１つ以上の周波数における高透過性のために適切に被膜され得る。第２及び第３高調波周波数は、空洞の外で出力結合器２３８を通じて結合され、出力結合器２３８は、基本波（ω）に対して高反射性であり、２次高調波（２ω）及び３次高調波（３ω）に対して高透過性である。一実施形態では、出力結合器２３８は、鏡によって実現される。ビームスプリッタ対２３９（またはプリズム）は、未消費の２次高調波（２ω）２４０及び３次高調波（３ω）２４１を分離させ得る。出力結合器２３８からの反射後、残存基本波（ω）２４２は、それがプリズム２４３を通過する際に平行化され、入力結合器２３３に戻り、空洞内部を循環する。一実施形態では、プリズム２４３は、空洞長のフィードバック制御のために圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）２４４に装着される。
【００４３】
一部の実施形態では、２次（２ω）及び３次高調波（３ω）光はまた、出力結合器２３８に対する複雑な被膜及び破損の可能性を回避するために出力結合器２３８の前にビームスプリッタを追加することによって、共振基本波（ω）から分離され得る。図２Ｃは、入力結合器２３３、出力結合器２３８、及びプリズム２４３を含む三角空洞を示しているが、ボウタイ空洞または方形空洞を含む任意の形状の空洞を使用し得ることに留意されたい。
【００４４】
一実施形態では、プリズム２４３は、１つ以上の鏡によって置き換えられ得る。別の実施形態では、プリズム２４３は、入射及び出射面をブリュースター角またはその近似角で有し、それにより反射防止膜を不要としている。プリズム２４３は、空洞長制御のために前後に移動させ得るが、プリズム２４３外部の経路方向は、変化しないことに留意されたい。さらに別の実施形態では、上で図２Ｂを参照して説明されたように、二重周期の分極反転ＮＬＯ結晶が、空洞内で２つの周期分極反転ＮＬＯ結晶の代わりに使用され得、それによりより高い効率性及びより単純な光路を提供する。
【００４５】
図３は、ボウタイ空洞を含む４次高調波発生器モジュール３００を図示する。この実施形態では、基本波（ω）３０１は、基本波３０１をボウタイ空洞内へ集束及び結合させるために、ボウタイ空洞に入る前に１つ以上のモード整合レンズ３０２を通過する。ボウタイ空洞は、入力結合器３０３、鏡３０４、３０５、３０６、及びＮＬＯ結晶３０９を含む。一実施形態では、入力結合器３０３は、鏡によって実現される。モジュール３００において、３次高調波（３ω）３０７は、鏡３０５、例えばダイクロイック曲面鏡を通じてボウタイ空洞に入り、和周波発生のためにＮＬＯ結晶３０９内部で基本波周波数（ω）と重なり合う。鏡３０５は、３次高調波を効率的に通過させることができる一方で基本波を高効率で反射するように、適切に被膜される。
【００４６】
好ましい実施形態では、ＮＬＯ結晶３０９は、水素アニールホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）、三ホウ酸セシウム（ＣＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、四ホウ酸リチウム（ＬＢ４）またはベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）等の材料を含むバルク単結晶である。ＮＬＯ結晶３０９としてのバルク単結晶の利点は、周期分極反転結晶において短波長の４次高調波を発生させるためには非常に短い分極反転周期が必要とされるであろうということである。このような短い分極反転周期を必要な品質とともに作製することは、困難または高価になり得る。ＮＬＯ結晶３０９の両面は、基本波（ω）に対してブリュースターカットであり得、３次（３ω）高調波及び４次高調波（４ω）の高透過性のための適切な被膜を有する。
【００４７】
レンズ（複数可）３０８は、３次高調波（３ω）をＮＬＯ結晶３０９の中心近傍に集束させる。ビームスプリッタ３１０（またはプリズムもしくはダイクロイック鏡）は、４次高調波（４ω）３１２及び未消費の３次高調波（３ω）３１３を空洞外へ反射させ得る。４次高調波３１２及び３次高調波３１３はさらに、ビームスプリッタ３１１（またはプリズム）により分離される。この実施形態では、未消費の基本波（ω）３１４は、ビームスプリッタ３１０を通過し、空洞内部を循環して強度を蓄積する。基本波（ω）３１４が十分に強い場合、３次高調波光（３ω）から４次高調波（４ω）への変換効率は、非常に高い。この実施形態では、４次高調波周波数は、基本波周波数で共振する空洞のみを使用して発生する。
【００４８】
一部の実施形態では、ボウタイ空洞の代わりに、デルタ形状等の他の形状の空洞または定在波の空洞が使用される。定在波の空洞が使用される場合、４次高調波は、入射される３次高調波光と同じ方向に発生する。
【００４９】
上述のように発生した２次、３次、及び４次高調波周波数を使用して、基本波の５次高調波に対応する波長のようなより短い波長を発生させることが可能である。より短い波長は、様々な検査用途のために解像度をさらに向上させることができる。
【００５０】
図４は、ボウタイ空洞において４次高調波発生器モジュール（例えば、図３を参照）からの４次高調波と基本波の未消費部分とを組み合わせて５次高調波を発生させるように構成された、例示的な５次高調波発生器モジュール４００を図示する。位相整合レンズ４０２（またはレンズ）は、基本波４０１を空洞内へ集束及び結合させる。鏡４０３（入力結合器）、４０４、４０５、４０６を含む空洞は、基本波周波数で共振する。３次高調波（３ω）４０７は、鏡４０５（例えば、ダイクロイック曲面鏡）を通過し、第１のＮＬＯ結晶４０９内で基本波周波数（ω）と重なり合う。レンズ４０８は、３次高調波（３ω）をＮＬＯ結晶４０９の中央近傍に集束させる。ＮＬＯ結晶４０９は、基本波周波数（ω）と３次高調波（３ω）とを加算して４次高調波（４ω）を作り出す。ビームスプリッタ４１０は、いかなる未消費の３次高調波（３ω）４１１も反射させる一方で、４次高調波（４ω）及び未消費の基本波（ω）を効率的に透過させる。アクロマティックレンズ４１２（またはダブレット）は、未消費の基本波（ω）と４次高調波（４ω）とを第２のＮＬＯ結晶４１３の中心近傍に集束させ、周波数加算によって５次高調波（５ω）を発生させる。ＮＬＯ結晶４０９は、ＣＬＢＯ、ＣＢＯ、ＬＢＯ、ＬＢ４、ＢＢＯ等を含み得る一方、ＮＬＯ結晶４１３は、ＣＬＢＯ、ＬＢ４、またはＢＢＯを含み得る。ビームスプリッタ４１４（またはダイクロイック鏡もしくはプリズム）を使用して、基本波（ω）４１８を通過させ、発生した５次高調波（５ω）４１７及びいかなる未消費の４次高調波（４ω）４１６も空洞外へそらす。ダイクロイックビームスプリッタ４１５（またはプリズム）はさらに、４次高調波４１６及び５次高調波４１７を分離させる。一部の実施形態では、基本波、４次高調波、及び５次高調波は、単一のビームスプリッタ（またはプリズム）により、互いに分離され得る。ビームスプリッタ４１４を通過する未消費の基本波光（ω）４１８は、ボウタイ空洞内部を循環する。この実施形態では、５次高調波周波数は、基本波周波数で共振する空洞を使用することのみにより発生する。
【００５１】
図５は、別の例示的な５次高調波発生器モジュール５００を図示する。この実施形態では、ＮＬＯ結晶５０９は、３次高調波発生器モジュール（例えば、図２Ｂを参照）からの３次高調波（３ω）５０７と２次高調波（２ω）５１３の未消費部分（及び／または２次高調波５０１）とを組み合わせる際に、和周波発生を実行して５次高調波５１４を発生させることができる。変換効率を高めるために、２次高調波５０１は、鏡５０３（入力結合器）、５０４、５０５、５０６、及びＮＬＯ結晶５０９を備える共振空洞内へ結合される。３次高調波（３ω）５０７は、鏡５０５（例えば、ダイクロイック曲面鏡）を通じて空洞に入り、ＮＬＯ結晶５０９内部で２次高調波（２ω）５１３と重なり合う。鏡５０５は、３次高調波５０７を効率的に通過させる一方で２次高調波５０１，５１３を効率的に反射するように、被膜される。したがって、この構成は、空洞が基本波（ω）の代わりに２次高調波（２ω）と共振することを除いて、４次高調波発生器モジュール（例えば、図３に示される）と実質的に同様である。一実施形態では、ＮＬＯ結晶５０９は、ＢＢＯを含むが、その理由は、ＢＢＯは、２次及び３次高調波の周波数加算のための位相整合を行うことができるからである。ＮＬＯ結晶５０９の両面は、２次高調波（２ω）に対してブリュースターカットであり得、３次高調波（３ω）及び５次高調波（５ω）の高透過性のために適切に被膜され得る。モード整合レンズ５０２（またはレンズ）は、２次高調波５０１を空洞内へと集束及び結合させる。レンズ（複数可）５０８は、３次高調波（３ω）５０７をＮＬＯ結晶５０９の中心近傍に集束させる。ビームスプリッタ５１０（またはダイクロイック鏡もしくはプリズム）は、５次高調波（５ω）５１４及び未消費の３次高調波（３ω）５１２を空洞外へ反射させる。これら２つの異なる高調波５１２及び５１４はさらに、別のビームスプリッタまたはプリズム５１１により分離され得る。一部の実施形態では、２次、３次、及び５次高調波は、単一のプリズムまたはビームスプリッタによって、互いに分離され得る。
【００５２】
５次高調波発生器モジュール５００が２００または２２０の３次高調波発生器モジュール（そのどちらも空洞を使用しない）と組み合わせられる場合、５次高調波は、先行技術の装置における少なくとも２つの空洞と比較して、１つの空洞のみを使用して発生することに留意されたい。５次高調波発生器モジュール５００が３次高調波発生器モジュール２３０（これは、単一の空洞を使用する）と組み合わせられる場合、５次高調波は、基本波周波数で共振する１つの空洞と２次高調波周波数で共振する第２の空洞とにより発生する。２つの共振空洞を使用する先行技術のＣＷレーザーは、４次高調波のみを発生させる。したがって、基本波及び２次高調波でそれぞれ共振する２つの空洞を含む実施形態は、空洞の数は同じでありながら、より短い波長を発生させるという利点を有する。
【００５３】
先行技術のＣＷレーザーと同様に、空洞は、標準的なＰＤＨ（パウンド−ドレバー−ホール）またはＨＣ（ヘンシュ−クイヨー）ロック技術により、安定化させることができる。空洞長は、鏡（図３の鏡３０４、図４の鏡４０４、もしくは図５の鏡５０４等）またはプリズム（図２Ｂのプリズム２２５等）の位置を制御信号（図示せず）を通じて調節することによって、共振を維持するために調節される。ＰＺＴ、ボイスコイル、または他の機構を使用して、可動コンポーネントの位置を調整し得る。
【００５４】
該当分野の熟練者は、３次高調波発生及び後続の和周波発生ステージのための他の変換効率向上方法は本発明の範囲内であることを理解するであろう。
【００５５】
基本波ＩＲレーザーの４次高調波を発生させる、本明細書に記載される向上されたレーザーの実施形態は、基本波周波数で共振する空洞よりも不安定であり、ドリフトをより発生させやすい２次高調波周波数で共振する空洞を必要としない。一実施形態では、基本波周波数で共振する１つの空洞のみを使用して、基本波ＩＲレーザーの４次高調波を発生させる。別の実施形態では、２つの共振空洞を使用して、基本波ＩＲレーザーの４次高調波を発生させるが、両方の空洞が、基本波周波数でのみ共振する。
【００５６】
基本波ＩＲレーザーの５次高調波を発生させる、本明細書に記載される向上されたレーザーの実施形態は、２つの空洞を使用する先行技術の装置よりも短い波長を発生させる。基本波ＩＲレーザーの５次高調波を発生させる第１の実施形態は、基本波周波数で共振する１つの空洞のみを使用する。基本波ＩＲレーザーの５次高調波を発生させる第２の実施形態は、基本波周波数で共振する２つの空洞を使用する。基本波ＩＲレーザーの５次高調波を発生させる第３の実施形態は、２次高調波で共振する１つの空洞のみを使用する。基本波ＩＲレーザーの５次高調波を発生させる第４の実施形態は、基本波周波数で共振する空洞を２次高調波周波数で共振する空洞の前に使用することによって、５次高調波においてより高いパワーを発生させることができる。
【００５７】
先行技術の装置と比較して、向上されたＣＷ  ＤＵＶレーザーシステムは、より複雑でないフィードバックループ及びはるかに良好な安定性を有し、及び／またはより短い波長に対応するより高い周波を発生させることになる。
【００５８】
図６〜１１は、本明細書に記載される向上されたＤＵＶ  ＣＷレーザーを含み得る例示的なウエハ検査、レチクルまたはフォトマスクの検査及び計測システムを図示する。検査または計測システムにおいて使用される場合、これらのレーザーは、２００９年９月２９日に出願された「ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＵＢＳＹＳＴＥＭＳ  ＯＦ  Ａ  ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ  ＳＹＳＴＥＭ，ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ，ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＮＧ  Ａ  ＳＰＥＣＩＭＥＮ  ＦＯＲ  ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ」と題された同時係属中のＰＣＴ出願公開第ＷＯ２０１０／０３７１０６号と、２０１１年９月２２日に出願された「ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＮＧ  Ａ  ＳＰＥＣＩＭＥＮ  ＦＯＲ  ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ  ＯＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ」と題された同時係属中の米国特許出願第１３／０７３，９８６号とで開示されているコヒーレンス及びスペックルを低減する装置及び方法と有利に組み合わせることができ、これらの両方は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００５９】
図６は、基材からの透過及び反射光を測定するように構成された、例示的なレチクルまたはフォトマスクの検査システム６００を図示する。システム６００は、一般的に、第１の光学配置６５１及び第２の光学配置６５７を含む。示されているように、第１の光学配置６５１は、少なくとも１つの光源６５２、検査光学系６５４、及び基準光学系６５６を含む一方で、第２の光学配置６５７は、少なくとも透過光光学系６５８、透過光検出器６６０、反射光光学系６６２、及び反射光検出器６６４を含む。好ましい一構成では、光源６５２は、上述の向上されたレーザーのうちの１つを含む。
【００６０】
光源６５２は、音響光学装置６７０を通過する光ビームを射出するように構成され、音響光学装置６７０は、光ビームを偏向及び集束させるように配置される。音響光学装置６７０は、光ビームをＹ方向に偏向させＺ方向に集束させる１対の音響光学素子、例えば音響光学プリスキャナ及び音響光学スキャナを含み得る。例として、ほとんどの音響光学装置は、ＲＦ信号を石英またはＴｅＯ２等の結晶に送ることによって、動作する。このＲＦ信号により、音波が結晶中を移動する。移動する音波のため、結晶は、非対称となり、これは、結晶全体を通じて屈折率を変化させる。この変化により、入射ビームは、振動式に偏向される集束移動スポットを形成する。
【００６１】
光ビームが音響光学装置６７０から出現すると、それは、その後、１対の１／４波長板６７２及びリレーレンズ６７４を通過する。リレーレンズ６７４は、光ビームを平行化するように配置される。平行化された光ビームは、その後、その経路上を進み続けて回折格子６７６に到達する。回折格子６７６は、光ビームをラッパ状に広げるように、より具体的には、光ビームを、互いに空間的に識別可能な（すなわち、空間的に別個の）３つの別個のビームへと分離させるように、配置される。ほとんどの場合、空間的に別個のビームはまた、等間隔で隔てられ、実質的に等しい光強度を有するように、配置される。
【００６２】
回折格子６７６を出た後、３つのビームは、開口部６８０を通過し、その後、進み続けてビームスプリッタキューブ６８２に到達する。ビームスプリッタキューブ６８２は（１／４波長板６７２と組み合わせて）、ビームを２つの経路、すなわち、一方が下向きのものと他方が右向き（図６に示される構成）のものとに分けるように、配置される。下向きの経路は、ビームの第１の光部分を基材６１２に対して分配するために使用される一方、右向きの経路は、ビームの第２の光部分を基準光学系６５６に対して分配するために使用される。ほとんどの実施形態では、ほとんどの光は、基材６１２に対して分配され、小さい割合の光は、基準光学系６５６に対して分配されるが、百分率比は、各光学検査システムの具体的設計に従って変わり得る。一実施形態では、基準光学系６５６は、基準集光レンズ６１４及び基準検出器６１６を含み得る。基準集光レンズ６１４は、ビームの１部分を基準検出器６１６上に集光及び方向付けするように配置され、基準検出器６１６は、光の強度を測定するように配置される。基準光学系は、一般的に、当業界でよく知られており、簡潔さのため、詳細には論じない。
【００６３】
ビームスプリッタ６８２からの下向きの３つのビームは、光を再方向付け及び拡大する複数のレンズ素子を含む望遠鏡６８８によって受光される。一実施形態では、望遠鏡６８８は、タレット上で回転する複数の望遠鏡を含む望遠鏡システムの一部である。例えば、３つの望遠鏡が使用され得る。これらの望遠鏡の目的は、基材上の走査スポットのサイズを変化させることであり、それにより検出可能な最小欠陥サイズの選択を可能にする。より具体的には、それぞれの望遠鏡は、一般的に、異なるピクセルサイズを表す。したがって、ある望遠鏡は、検査をより高速かつより低感度（例えば、低解像度）にする、より大きなスポットサイズを発生させ得る一方で、別の望遠鏡は、検査をより低速かつより高感度（例えば、高解像度）にする、より小さいスポットサイズを発生させ得る。
【００６４】
望遠鏡６８８から、３つのビームは、ビームを基材６１２の表面上に集束させるように配置された、対物レンズ６９０を通過する。ビームが３つの別個のスポットとして表面と交差する際、反射光ビームと透過光ビームとの両方が発生し得る。透過光ビームは、基材６１２を通過する一方で、反射光ビームは、表面で反射される。例として、反射光ビームは、基材の不透明な表面で反射され得、透過光ビームは、基材の透明な区域を透過し得る。透過光ビームは、透過光光学系６５８によって集光され、反射光ビームは、反射光光学系６６２によって集光される。
【００６５】
透過光光学系６５８に関しては、透過光ビームは、基材６１２を通過した後、第１の透過レンズ６９６によって集光され、球面収差補正レンズ６９８の援助により透過プリズム６１０上に集束される。プリズム６１０は、透過光ビーム毎に１つの切子面を有するように構成され得、切子面は、透過光ビームを再位置付け及び曲折させるように配置される。ほとんどの場合、プリズム６１０は、各ビームが透過光検出器配置６６０（３つの個別の検出器として示される）中の単一の検出器に当たるように、ビームを分離させるために使用される。したがって、ビームがプリズム６１０を出ると、ビームは、第２の透過レンズ６０２を通過し、第２の透過レンズ６０２は、分離された各ビームを３つの検出器のうちの１つにそれぞれ集束させるが、各検出器は、透過光の強度を測定するように配置される。
【００６６】
反射光光学系６６２に関しては、基材６１２で反射された後の反射光ビームは、対物レンズ６９０によって集光され、対物レンズ６９０は、その後、ビームを望遠鏡６８８に方向付けする。望遠鏡６８８に到達する前に、ビームはまた、１／４波長板６０４を通過する。一般論としては、対物レンズ６９０及び望遠鏡６８８は、入射ビームが操作される仕方に対して光学的に反対の方法で、集光されたビームを操作する。つまり、対物レンズ６９０は、ビームを再平行化し、望遠鏡６８８は、それらのサイズを低減させる。ビームが望遠鏡６８８を出ると、ビームは、（後方へ）進み続けてビームスプリッタキューブ６８２に到達する。ビームスプリッタ６８２は、１／４波長板６０４とともに機能してビームを中央経路６０６上に方向付けするように構成される。
【００６７】
経路６０６上を進み続けるビームは、その後、第１の反射レンズ６０８によって集光され、第１の反射レンズ６０８は、各ビームを反射プリズム６０９上に集束させるが、反射プリズム６０９は、各反射光ビームのための切子面を含む。反射プリズム６０９は、反射光ビームを再位置付け及び曲折させるように配置される。透過プリズムと６１０と同様に、反射プリズム６０９は、各ビームが反射光検出器配置６６４中の単一の検出器に当たるように、ビームを分離させるために使用される。示されているように、反射光検出器配置６６４は、３つのそれぞれ別個の検出器を含む。ビームが反射プリズム６０９を出ると、ビームは、第２の反射レンズ６１１を通過し、第２の反射レンズ６１１は、分離された各ビームをこれら３つの検出器のうちの１つにそれぞれ集束させるが、各検出器は、反射光の強度を測定するように配置される。
【００６８】
上記光学アセンブリによって容易化され得る検査モードは、複数存在する。例として、光学アセンブリは、透過光検査モード、反射光検査モード、及び同時検査モードを容易化し得る。透過光検査モードに関しては、透過モード検出は、典型的に、透明区域と不透明区域とを有する従来の光マスク等の基材上の欠陥検出のために使用される。光ビームがマスク（または基材６１２）を走査する際、光は、透明ポイントでマスクを貫通し、透過光検出器６６０によって検出されるが、透過光検出器６６０は、マスクの背後に位置し、第１の透過レンズ６９６、第２の透過レンズ６０２、球面収差レンズ６９８、及びプリズム６１０を含む透過光光学系６５８によって集光される各光ビームの強度を測定する。
【００６９】
反射光検査モードに関しては、反射光検査は、クロム、現像されたフォトレジスト、または他の特徴の形で画像情報を含有する透明または不透明な基材上で実行され得る。基材６１２によって反射された光は、検査光学系６５４と同じ光路に沿って後方へ進むが、その後、偏向ビームスプリッタ６８２によって検出器６６４内へ外らされる。より具体的には、第１の反射レンズ６０８、プリズム６０９、及び第２の反射レンズ６１１は、反らされた光ビームからの光を検出器６６４上に投射する。反射光検査はまた、不透明な基材頂面上への異物混入を検出するために使用され得る。
【００７０】
同時検査モードに関しては、透過光と反射光との両方が、欠陥の存在及び／または種類を判定するために利用される。システムの２つの測定値は、透過光検出器６６０によって検知される、基材６１２を通じて透過される光ビームの強度、及び反射光検出器６６４によって検出される、反射光ビームの強度である。それら２つの測定値は、その後、基材６１２上の対応するポイントにおける欠陥（もしあれば）の種類を判定するために、処理され得る。
【００７１】
より具体的には、透過及び反射の同時検出は、透過検出器によって検知される不透明な欠陥の存在を開示し得る一方で、反射検出器の出力は、欠陥の種類を開示するために使用され得る。一例として、基材上にクロムのドットまたは粒子のいずれかがあると、両方とも、透過検出器で低い透過光表示という結果が生じ得るが、反射性のクロム欠陥があると、高い反射光表示という結果が生じ得、粒子があると、同じ反射光検出器でより低い反射光表示という結果が生じ得る。したがって、反射及び透過検出の両方を使用することによって、欠陥の反射または透過特性のみが吟味される場合は発見されないであろうような、クロムの幾何形状上の粒子を発見し得る。加えて、反射及び透過光の強度比等、ある特定の種類の欠陥に関する識別特性を判定し得る。この情報は、その後、欠陥を自動的に分類するために使用され得る。
【００７２】
２００８年４月１日に交付された「ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＢＥＡＭ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」と題された米国特許第７，３５２，４５７号は、システム６００に関するさらなる詳細を記載しており、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。本開示の発明的レーザーを使用し得るレチクル及びフォトマスク検査システムに関するさらなる詳細については、米国特許第５，５６３，７０２号も参照されたいが、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。本開示の向上されたレーザーを利用するレチクルまたはフォトマスク検査システムは、米国特許第７，５２８，９４３号で記載されているように、レチクルまたはフォトマスクからの反射及び透過画像を単一の検出器上で同時に検出し得、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００７３】
図７は、異なる波長範囲に対して最適化された異なる対物で異なる波長または波長範囲を有する複数の光源を含む、例示的な検査システム７００を図示する。システム７００において、レーザー源７０１からの照明は、照明サブシステムの複数のセクションに送られる。照明サブシステムの第１のセクションは、素子７０２ａ〜７０６ａを含む。レンズ７０２ａは、レーザー７０１からの光を集束させる。レンズ７０２ａからの光は、その後、鏡７０３ａから反射される。鏡７０３ａは、図示の目的のためにこの場所に設けられており、別の場所に位置決めされ得る。鏡７０３ａからの光は、その後、照明瞳面７０５ａを形成するレンズ７０４ａによって集光される。検査モードの要件に応じて、光を修正するための開口部、フィルタ、または他の装置を瞳面７０５ａ内に設け得る。瞳面７０５ａからの光は、その後、レンズ７０６ａを通過し、照明フィールド面７０７を形成する。
【００７４】
照明サブシステムの第２のセクションは、素子７０２ｂ〜７０６ｂを含む。レンズ７０２ｂは、レーザー７０１からの光を集束させる。レンズ７０２ｂからの光は、その後、鏡７０３ｂから反射される。鏡７０３ｂからの光は、その後、照明瞳面７０５ｂを形成するレンズ７０４ｂによって集光される。検査モードの要件に応じて、光を修正するための開口部、フィルタ、または他の装置を瞳面７０５ｂ内に設け得る。瞳面７０５ｂからの光は、その後、レンズ７０６ｂを通過し、照明フィールド面７０７を形成する。第２のセクションからの光は、その後、照明フィールド面７０７における照明フィールド光エネルギーが照明セクションの組み合わせからなるように、鏡または反射面によって再方向付けされる。
【００７５】
フィールド面光は、その後、レンズ７０９によって集光されてから、ビームスプリッタ７１０で反射される。レンズ７０６ａ及び７０９は、第１の照明瞳面７０５ａの画像を対物瞳面７１１において形成する。同様に、レンズ７０６ｂ及び７０９は、第２の照明瞳面７０５ｂの画像を対物瞳面７１１において形成する。対物７１２（または代替として７１３）は、その後、瞳光を受け、照明フィールド７０７の画像をサンプル７１４において形成する。対物７１２または対物７１３は、サンプル７１４に近接して位置決めされ得る。サンプル７１４は、サンプルを所望の場所に位置決めするステージ（図示せず）上を移動し得る。サンプル７１４から反射及び散乱された光は、高ＮＡの反射屈折対物７１２または対物７１３によって集光される。反射された光瞳を対物瞳面７１１において形成した後、光エネルギーは、ビームスプリッタ７１０及びレンズ７１５を通過してから、結像システム内に内部フィールド７１６を形成する。この内部結像フィールドは、サンプル７１４及び対応する照明フィールド７０７の画像である。このフィールドは、照明フィールドに対応する複数のフィールドへと空間的に分離され得る。これらの各フィールドは、別々の結像モードを支援し得る。
【００７６】
これらのフィールドのうちの１つは、鏡７１７を使用して再方向付けされ得る。再方向付けされた光は、その後、レンズ７１８ｂを通過してから、別の結像瞳７１９ｂを形成する。この結像瞳は、瞳７１１及び対応する照明瞳７０５ｂの画像である。検査モードの要件に応じて、光を修正するための開口部、フィルタ、または他の装置を瞳面７１９ｂ内に設け得る。瞳面７１９ｂからの光は、その後、レンズ７２０ｂを通過し、センサ７２１ｂ上に画像を形成する。同様の方法で、鏡または反射面７１７を通り過ぎる光は、レンズ７１８ａによって集光され、結像瞳７１９ａを形成する。結像瞳７１９ａからの光は、その後、レンズ７２０ａによって集光されてから、検出器７２１ａ上に画像を形成する。検出器７２１ａ上に結像される光は、センサ７２１ｂ上に結像される光とは異なる結像モードのために使用され得る。
【００７７】
システム７００で用いられる照明サブシステムは、レーザー源７０１、集光光学系７０２ａ、７０２ｂ、７０３ａ、７０３ｂ、７０４ａ、７０４ｂ、瞳面７０５ａと７０５ｂに近接して設けられるビーム整形コンポーネント、ならびにリレー光学系７０６ａ、７０６ｂ及び７０９から構成される。内部フィールド面７０７は、レンズ７０６ａ、７０６ｂと７０９との間に位置する。一構成では、レーザー源７０１は、上述の向上されたレーザーのうちの１つを含み得る。
【００７８】
レーザー源７０１に関しては、２つの透過ポイントまたは透過角度を有する単一の均一なブロックとして図示されているが、現実には、これは、２つの照明チャネル、例えば、素子７０２ａ〜７０６ａを通過する第１の周波数のレーザー光エネルギー等の、第１の光エネルギーチャネルと、素子７０２ｂ〜７０６ｂを通過する第２の周波数のレーザー光エネルギー等の、第２の光エネルギーチャネルと、を提供することができるレーザー源を表す。１つのチャネルにおいて明視野照明及び他方のチャネルにおいて暗視野モード等、異なる光照明モードを用い得る。
【００７９】
レーザー源７０１からの光エネルギーは、９０度離して射出されるように示され、素子７０２ａ〜７０６ａ及び７０２ｂ〜７０６ｂは、９０度の角度で配向されるが、現実には、光は、必ずしも２次元ではない様々な配向において射出され得、コンポーネントは、示されているのとは異なって配向され得る。図７は、したがって、用いられるコンポーネントの単なる表示であり、示されている角度または距離は、縮尺ではなく、また特に設計に必要でもない。
【００８０】
瞳面７０５ａ、７０５ｂに近接して設けられる素子は、現在のシステムにおいて、成形開口の概念を使用して用いられ得る。この設計を使用すると、均一な照明または均一に近い照明、及び個別ポイント照明、リング照明、４極照明、または他の望ましいパターンもまた実現され得る。
【００８１】
対物に関する様々な実装は、一般的な結像サブシステムにおいて用いられ得る。単一の固定対物が使用され得る。単一の対物は、すべての所望の結像及び検査モードを支援し得る。このような設計は、結像システムが比較的広いフィールドサイズ及び比較的高い開口数を支援する場合に、達成可能である。開口数は、瞳面７０５ａ、７０５ｂ、７１９ａ、及び７１９ｂに設けられた内部開口部を使用することによって、所望の値へ低減され得る。
【００８２】
図７に示されているように、複数の対物も使用され得る。例えば、２つの対物７１２及び７１３が示されているが、任意の数が可能である。このような設計における各対物は、レーザー源７０１によってもたらされる各波長に対して最適化され得る。これらの対物７１２及び７１３は、固定位置を有するか、またはサンプル７１４に近接する位置へ移動され得る。複数の対物をサンプルに近接して移動させるためには、標準的顕微鏡で一般的であるように、回転タレットが使用され得る。複数の対物をサンプルに近接して移動させるための他の設計は、利用可能であり、対物をステージ上で横に移動させること及び角度計を使用して対物を円弧上で移動させることを含むが、これらには限定されない。加えて、本システムによれば、固定対物とタレット上の複数の対物との任意の組み合わせが達成可能である。
【００８３】
この構成の最大開口数は、０．９７に接近またはそれを超過し得るが、ある特定の例では、より高くなり得る。この高ＮＡ反射屈折結像システムにおいて可能な幅広い照明及び集光角度は、その広いフィールドサイズとの組み合わせにより、システムが複数の検査モードを同時に支援することを可能にする。上の段落から理解され得るように、複数の結像モードは、単一の光学システムまたは機械を照明装置と接続して使用することで実現され得る。開示される照明及び集光用の高ＮＡは、同じ光学システムを使用して結像モードを実現することを可能にし、それにより異なる種類の欠陥またはサンプルに対して結像を最適化することを可能にする。
【００８４】
結像サブシステムはまた、中間画像形成光学系７１５を含む。画像形成光学系７１５の目的は、サンプル７１４の内部画像７１６を形成することである。この内部画像７１６には、検査モードのうちの１つに対応する光を再方向付けするために、鏡７１７が設けられ得る。この場所で光を再方向付けすることが可能である理由は、結像モードのための光は空間的に別々であるからである。画像形成光学系７１８（７１８ａ及び７１８ｂ）ならびに７２０（７２０ａ及び７２０ｂ）は、可変焦点ズーム、集束光学系を有する複数のアフォーカルチューブレンズ、または複数の画像形成マグチューブを含む、いくつかの異なる形で実現され得る。２００９年７月１６日に公開された「ＳＰＬＩＴ  ＦＩＥＬＤ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＵＳＩＮＧ  ＳＭＡＬＬ  ＣＡＴＡＤＩＯＰＴＲＩＣ  ＯＢＪＥＣＴＩＶＥＳ」と題された米国公開出願第２００９／０１８０１７６号は、検査システム７００をより詳細に記載しており、同出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８５】
図８は、暗視野及び明視野検査モードを有する、例示的な反射屈折結像システム８００を図示する。システム８００において、照明ブロックは、レーザー８０１、検査中の表面上の照明ビームサイズ及びプロファイルを制御するための適合光学系８０２、機構収容部８０４内の開口部及び窓８０３、ならびにサンプル８０８の表面に対して垂直入射の光軸に沿ってレーザーを再方向付けするためのプリズム８０５を含む。プリズム８０５はまた、サンプル８０８の表面特徴からの鏡面反射と対物８０６の光学的表面からの反射とを光路に沿って結像面８０９に方向付けする。対物８０６のレンズは、反射屈折対物、集束レンズ群、及びズームチューブレンズセクション８０７という一般的な形で提供され得る。好ましい実施形態では、レーザー８０１は、上述の向上されたレーザーのうちの１つによって実現され得る。図８は、２００７年１月４日に公開された「Ｂｅａｍ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国公開出願第２００７／０００２４６５号でさらに詳細に記載されており、同出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８６】
図９Ａ及び９Ｂは、斜線照明を有する暗視野検査システムを図示する。この検査システムは、示されているような軸外れ及び垂直近傍の集光を含む、２つまたは３つの異なる集光システムを有し得る。この暗視野検査システムはまた、垂直入射線照明（図示せず）を含み得る。図９Ａ及び９Ｂに示されるシステムの説明を含むさらなる詳細は、２００９年４月２８日に交付された「Ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ｌａｓｅｒ  ｌｉｎｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ」と題された米国特許第７，５２５，６４９号でさらに詳細に記載されており、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８７】
図９Ａは、表面９１１の区域を検査するための、照明システム９０１及び集光システム９１０を含む表面検査装置９００を図示する。図９Ａに示されているように、レーザーシステム９２０は、ビーム整形光学系９０３を通じて光ビーム９０２を方向付けする。好ましい実施形態では、レーザーシステム９２０は、上述のレーザーのうちの１つを含む。第１のビーム整形光学系９０３は、レーザーシステムからのビームを受光するように構成され得、ビームは、表面９１１上に集束される。
【００８８】
ビーム整形光学系９０３は、その主面がサンプル表面９１１に対して実質的に平行になるように、及び結果として、照明線９０５が表面９１１上でビーム整形光学系９０３の焦点面に形成されるように、配向される。加えて、光ビーム９０２及び集束されたビーム９０４は、表面９１１に対して非直交入射角で方向付けされる。特に、光ビーム９０２及び集束されたビーム９０４は、表面９１１に対して垂直方向から約１度〜約８５度の角度で方向付けされ得る。このように、照明線９０５は、実質的に、集束されたビーム９０４の入射面内にある。
【００８９】
集光システム９１０は、照明線９０５からの散乱光を集光するためのレンズ９１２と、感光性検出器のアレイを備える電荷結合素子（ＣＣＤ）９１４等の装置上にレンズ９１２から出てくる光を集束させるためのレンズ９１３とを含む。一実施形態では、ＣＣＤ９１４は、検出器の線形アレイを含み得る。このような場合、ＣＣＤ９１４内の検出器の線形アレイは、照明線９０５に対して平行に配向され得る。一実施形態では、複数の集光システムが含められ得、各集光システムは、同様のコンポーネントを含むが、配向が異なる。
【００９０】
例えば、図９Ｂは、表面検査システムのための、集光システム９３１、９３２、及び９３３の例示的なアレイを図示する（ここで、その照明システム、例えば照明システム９０１と同様のものは、簡略化のために示されていない）。集光システム９３１内の第１の光学系は、サンプルの表面９１１から第１の方向に散乱された光を集光する。集光システム９３２内の第２の光学系は、サンプルの表面９１１から第２の方向に散乱された光を集光する。集光システム９３３内の第３の光学系は、サンプルの表面９１１から第３の方向に散乱された光を集光する。第１、第２、及び第３の経路は、該サンプルの表面９１１に対して異なる反射角にあることに留意されたい。サンプル９１１を支持する台座９２１は、サンプル９１１の全表面が走査され得るように、光学系とサンプル９１１との間の相対運動を引き起こすために使用され得る。
【００９１】
このレーザーはまた、図１０及び１１に示されているもののような、パターン化されていないウエハのための検査システムにおいて使用され得る。このような検査システムは、これらの図に示されているように、斜行及び／または垂直入射照明ならびに散乱光のための大きい集光立体角を組み込み得る。
【００９２】
図１０は、表面１００１上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１０００を図示する。この実施形態では、表面１００１は、上述の向上されたレーザーのうちの１つによって発生されるレーザービームを含む、レーザーシステム１０３０の実質的に静止した照明装置部分によって照明され得る。レーザーシステム１０３０の出力は、ビームを拡大及び集束させるために、偏向光学系１０２１、ビ−ムエキスパンダ及び開口部１０２２、ならびにビーム形成光学系１０２３を連続的に通過させられ得る。
【００９３】
結果として生じる集束されたレーザービーム１００２は、その後、ビーム折り畳みコンポーネント１００３及びビーム偏向器１００４によって反射され、表面を照明するためにビーム１００５を表面１００１に方向付けする。好ましい実施形態では、ビーム１００５は、表面１００１に対して実質的に垂直または直角であるが、他の実施形態では、ビーム１００５は、表面１００１に対して斜角であり得る。
【００９４】
一実施形態では、ビーム１００５は、表面１００１に対して実質的に直角または垂直であり、ビーム偏向器１００４は、表面１００１からのビームの鏡面反射をビーム折り返しコンポーネント１００３へ反射させ、それにより鏡面反射が検出器に到達するのを防止する遮蔽物として機能する。鏡面反射の方向は、サンプルの表面１００１に対して垂直である、線ＳＲ沿いである。ビーム１００５が表面１００１に対して垂直である一実施形態では、この線ＳＲは、照明ビーム１００５の方向と一致し、この共通の基準線または方向は、本明細書において検査システム１０００の軸と称される。ビーム１００５が表面１００１に対して斜角である場合、鏡面反射の方向ＳＲは、ビーム１００５の入来方向とは一致しないであろう。このような場合、表面垂直の方向を示す線ＳＲは、検査システム１０００の集光部分の主軸と称される。
【００９５】
微小粒子によって散乱される光は、鏡１００６によって集光され、開口部１００７及び検出器１００８に方向付けされる。大粒子によって散乱される光は、レンズ１００９によって集光され、開口部１０１０及び検出器１０１１に方向付けされる。一部の大粒子は、同じく集光され検出器１００８に方向付けされる光を散乱させることになり、同様に一部の微小粒子は、同じく集光され検出器１０１１に方向付けされる光を散乱させることになるが、このような光は、各検出器が検出するように設計される散乱光の強度と比較すると比較的低強度であることに留意されたい。一実施形態では、検出器１０１１は、感光性素子のアレイを含み得、感光性素子のアレイの各感光性素子は、照明線の拡大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、パターン化されていないウエハ上の欠陥を検出する際の使用のために構成され得る。図１０は、２００１年８月７日に交付された「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｆｏｒ  ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ」と題された米国特許第６，２７１，９１６号でさらに詳細に記載されており、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００９６】
図１１は、垂直及び斜行の両方の照明ビーム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１１００を図示する。この構成では、上述の向上されたレーザーのうちの１つを含むレーザーシステム１１３０が、レーザービーム１１０１を提供し得る。レンズ１１０２は、ビーム１１０１を空間フィルタ１１０３を通じて集束させ、レンズ１１０４は、ビームを平行化し、それを偏向ビームスプリッタ１１０５へ伝える。ビームスプリッタ１１０５は、第１の偏光コンポーネントを垂直照明チャネルへ通し、第２の偏光コンポーネントを斜行照明チャネルへ通すが、ここで、第１及び第２のコンポーネントは、直交している。垂直照明チャネル１１０６では、第１の偏光コンポーネントは、光学系１１０７によって集光され、鏡１１０８によってサンプル１１０９の表面へ反射される。サンプル１１０９によって散乱された照射は、放物面鏡１１１０によって集光され、光電子増倍管または検出器１１１１に集束される。
【００９７】
斜行照明チャネル１１１２では、第２の偏光コンポーネントは、ビームスプリッタ１１０５によって、このようなビームを１／２波長板１１１４を通じて反射させる鏡１１１３へと反射され、光学系１１１５によってサンプル１１０９に集束される。斜行チャネル１１１２の斜行照明ビームに由来し、サンプル１１０９によって散乱される照射はまた、放物面鏡１１１０によって集光され、検出器１１１１に集束される。一部の実施形態では、検出器１１１１は、光電子増倍管、アバランシェ検出器、線形アレイ検出器、電子衝撃型の線形アレイ検出器、及び画像強調型の線形アレイ検出器のうちの１つを備える。検出器１１１１は、その入口に開口部を有することに留意されたい。開口部ならびに（表面１１０９上の垂直及び斜行照明チャネルから）照明されるスポットまたは線は、好ましくは、放物面鏡１１１０の焦点にある。
【００９８】
放物面鏡１１１０は、サンプル１１０９からの散乱された照射を平行化し、平行化されたビーム１１１６とする。平行化されたビーム１１１６は、その後、対物１１１７によって、及び分析器１１１８を通じて、検出器１１１１に集束される。放物面形状以外の形状を有する曲面鏡の表面もまた用いられ得ることに留意されたい。器具１１２０は、ビームがサンプル１１０９の表面にわたって走査されるように、ビームとサンプル１１０９との間の相対運動を提供し得る。図１１に示されているものと同様の検査システムは、２００１年３月１３日に交付された「Ｓａｍｐｌｅ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国特許第６，２０１，６０１でさらに詳細に記載されており、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００９９】
上述された本発明の構造及び方法の様々な実施形態は、本発明の原理をただ例示するものであり、本発明の範囲を記載されている特定の実施形態に限定することを意図したものではない。例えば、基本波レーザーは、上に列挙されている具体的なレーザーの種類に限定される必要はない。上の基本波レーザーの種類に加えて、基本波レーザーは、ダイオードレーザー、ファイバレーザー、ネオジムドープフッ化イットリウムリチウムレーザー、または約１μｍ〜約１．１μｍの波長に対応する基本波周波数を発生させる任意の種類のレーザーを含み得る。上に列挙されたもの以外の種類のＮＬＯ結晶は、１つ以上の高調波発生器モジュールにおいて代用し得る。上述の高調波発生器モジュールのうちの一部は、共振空洞を含む。２つ、３つ、または４つの鏡またはプリズムを備えるもの等、当業界で知られている任意の種類の光共振空洞が使用され得る。任意のレンズ、プリズム、ビームスプリッタ、または他の光学コンポーネントは、２０１４年４月２９日にＡｒｍｓｔｒｏｎｇに対して交付された「Ｈｉｇｈ  ｄａｍａｇｅ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国特許第８，７１１，４６０号に記載されているもの等のブリュースター角光学系を備え得、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲及びそれらの等価物によってのみ限定される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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