(57)【要約】【課題】コヒーレントな紫外線光源の発生は半導体、医用、バイオなどの分野で必要になっているが、小型で安定した実用装置がなかった。このためにレーザ発振技術と非線形光学技術を用いて解決する。【解決手段】解決しようとする課題は、高効率的で小型なコヒーレントUV光源をチューナブルな赤外線レーザ発振器出力と固定レーザ波長の固体レーザ発振出力を共に非線形光学結晶を用いて夫々高効率な波長変換方法により2種類の波長の第2高調波にし、これらの2種の波長のコヒーレントを光和周波混合用非線形光学結晶を通じて短波長化し、波長210nmから260nmの範囲のコヒーレント紫外線を高い変換効率で発生可能なコヒーレント紫外線発生装置を実現した。【選択図】  図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１以上の励起用固体レーザ共振器と、
上記励起用レーザ共振器からのレーザビームで2種類の固体レーザ媒体を励起して2波長のコヒーレントビームを発生させる手段と、
上記コヒーレントビームを夫々の波長に整合した非線形光学結晶に導き夫々の第２高調波コヒーレントビームを夫々の波長毎に発生する手段と、
上記第２高調波のコヒーレントビームを同軸上に配置する光学手段と、
上記同軸に配置したコヒーレントビームを和周波光混合用非線形結晶に導く手段と、
上記和周波混合用非線形光学結晶から和周波ビームを発生させる高効率コヒーレント紫外線発生装置。
【請求項２】
半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ１出力を第2高調波発生させ、上記出力でチューナブルレーザ結晶を励起し、発振波長750〜1000nmの範囲のレーザ光λ2を発振させ、この出力を第2高調波発生により波長350nm〜500nmの波長λ2/２の第1のコヒーレント光に変換し、
一方で、半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ3の第2高調波出力である波長λ3/２の第２のコヒーレント光を発生させ、波長λ2/２の第1のコヒーレント光と波長λ3/２の第2のコヒーレント光を同軸に配置し、非線形光学結晶において和周波混合により第3の波長λ4(λ4=λ2・λ3/｛２（λ2＋λ3）｝の210nmから260nmの高効率コヒーレント紫外線発生装置。
【請求項３】
半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ１出力を第2高調波発生させ、上記出力でチューナブルレーザ結晶を励起し、発振波長750〜1000nmの範囲のレーザ光λ2を発振させ、この出力を第2高調波発生により波長350nm〜500nmの波長λ2/２の第1のコヒーレント光に変換し、
一方で、半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ3の第2高調波出力である波長λ3/２の第２のコヒーレント光を発生させ、波長λ2/２の第1のコヒーレント光と波長λ3/２の第2のコヒーレント光を同軸に配置し、非線形光学結晶において和周波混合により第3の波長λ4(λ4=λ2・λ3/｛２（λ2＋λ3）｝の210nmから260nmの高効率コヒーレント紫外線発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全固体レーザ装置により紫外線波長210nmから260nmのコヒーレント光を発生する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハ等の表面欠陥や汚れを検出するためにレーザ光を照射し、表面からの散乱を測定する方法において、アルゴンイオンレーザの発振波長488nmを非線形光学結晶により倍波に変換し、波長244nmの紫外線レーザを用いることで微細な欠陥や汚れを検出することが行われている。一方、半導体リソグラフィ装置に用いるエキシマレーザ波長248nmのレーザ光線に代わって、固体レーザで紫外線光を発振させることにより光源装置の小型化や長寿命化をはかり利用の拡大を図ることができる。例えば、リソグラフィの露光光源ばかりでなく、関連部品のマスクなどの検査にも利用することで設備コストを低減することも可能になる。
【０００３】
このため高効率のコヒーレント紫外線発生方法として図1に示すような構成が考えられている。半導体レーザLD１からの励起光２で励起した固体レーザNd:YAG３で波長1.06μmの基本発振波長４を発振させ、この光を周知の方法に基づく前記固体レーザ共振器内もしくは前記共振器の外部に形成した非線形光学結晶内蔵の共鳴形共振器または外部に設置した非線形光学結晶５により第2高調波に変換して、グリーン光６を得る。このグリーン光をチタン添加のサファイヤ（Ti:Sa）7を発振媒体とするチューナブルレーザの光励起光源に使用し、発振波長750nmを発振するチタンサファイヤレーザを光励起する。
【０００４】
この光をを用いて、第2高調波発生用非線形結晶9において波長375nmの第2高調波を発生させる。一方半導体レーザダイオード11からの発振出力12によって固体レーザ13を光励起し、この出力光14を非線形光学結晶15に入射しグリーン光16を発生させる。チタン添加サファイヤ17をグリーン光16で光励起して波長750nmのレーザ発振を行い出力18を得る。この波長750nmのビームをミラー19で反射し、ダイクロイックミラー20において前記の固体レーザの第2高調波出力ビーム10と同一の光軸に合わせる。これによって2波長の重畳されたビーム21を形成し、当該ビーム２１を和周波混合用の非線形光学結晶22に導き、この結晶から2波長の和周波混合周波数である250nm近傍のコヒーレントな紫外線を発生する。
【０００５】
このような構成による紫外線発生装置による電気から光出力への変換効率は、最終段階の和周波光混合を行うためのビームの各波長がチューナブル固体レーザの発振段階を経由しているので、この段階での発振効率の低下が含まれ、結果的に全体システムの出力に関して高々１％に満たない効率となる。
【０００６】
波長変換による連続発振出力の波長250nm近傍の紫外光発生法としては、例えば、Optics Letter誌, Vol.25, No.19, p.1457, 2000に、チタンサファイアレーザ光の第2高調波（373nm）と半導体レーザからの近赤外光（780nm）をBBO結晶により和周波混合して連続出力紫外光（252nm）を得たことが報告されている。これは、共鳴効果を利用して光強度を高めることで波長変換効率を高める外部共振器を用いた波長変換法で、和周波混合する両方の光を共鳴させる2波長共振という方法を利用したものである。
【０００７】
特開2000-171843においては、Nd:YAGレーザー等の第2高調波（532nm）にチタンサファイアレーザー光（約700nm）の光を和周波混合させた上で、再度Nd:YAGレーザー基本波（1064nm）の光を和周波混合することにより波長約248nmの光を得る技術が提案されている。更に、Applied Optics, Vol.39, No.30, p.5505, 2000には、Nd:YLFレーザ第3高調波(349nm)とチタンサファイアレーザ光（780nm）の和周波混合によって波長242nmのパルス発振紫外光が得られたことが報告されている。
【０００８】
前記した第1の従来例であるチタンサファイアレーザ光の第2高調波（373nm）と半導体レーザからの近赤外光（780nm）をBBO結晶により和周波混合する方式では、上記例に示された波長252nmで50mWという出力が現状報告された最大であり、産業用として100mW以上の出力を得るには困難と考えられる。これは、和周波混合に用いるチタンサファイアレーザ、半導体レーザとも最大出力が高々数Wであり、またウォークオフ効果と呼ばれる波長変換効率を制限する効果の大きなBBOという結晶を用いないと混合ができないことに起因している。
【０００９】
もう一つの例である特開2000-171843に示された方法では、和周波混合を2段階行うということで複雑な構成となるため連続出力の紫外光発生への適用は容易でなく、実際に報告された例がない。
【特許文献１】特開２０００―１７１８４３号公報
【特許文献２】特開２００３―５０４１２号公報
【特許文献３】米国特許第４，８２６，２８３号公報
【特許文献４】米国特許第５，８３５，５１３号公報
【特許文献５】米国特許第５，８５０，４０７号公報
【特許文献６】米国特許第５，８９８，７１７号公報
【特許文献７】米国特許第５，９３６，９８３号公報
【特許文献８】米国特許第６，００２，６９７号公報
【特許文献９】米国特許第６，０６１，３７０号公報
【特許文献１０】米国特許第６，２２９，８２９号公報
【特許文献１１】米国特許第６，５３２，１００号公報
【特許文献１２】米国特許第６，５８４，１３４号公報
【特許文献１３】米国特許第６，５８７，４８７号公報
【非特許文献１】Optics Letter誌, Vol.25, No.19, p.1457, 2000
【非特許文献２】Applied Optics, Vol.39, No.30, p.5505, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
レーザ応用として半導体、通信、医用、微細加工、理科学分野に、特に半導体分野での微細加工プロセス、検査工程や装置の検査に益々短波長レーザ光源が要求されている。本発明が解決しようとする課題は、このために高効率的で小型なコヒーレントUV光源をチューナブルな赤外線レーザ発振器出力と固定レーザ波長の固体レーザ発振出力を共に非線形光学結晶を用いて夫々高効率な波長変換方法により2種類の波長の第2高調波にし、和周波混合用非線形光学結晶を通じて波長210nmから260nmの範囲のコヒーレント紫外線を高い変換効率で出力するコヒーレント紫外線発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、少なくとも１以上の励起用固体レーザ共振器と、
上記励起用レーザ共振器からのレーザビームで2種類の固体レーザ媒体を励起して2波長のコヒーレントビームを発生させる手段と、
上記コヒーレントビームを夫々の波長に整合した非線形光学結晶に導き夫々の第２高調波コヒーレントビームを夫々の波長毎に発生する手段と、
上記第２高調波のコヒーレントビームを同軸上に配置する光学手段と、
上記同軸に配置したコヒーレントビームを和周波光混合用非線形結晶に導く手段と、
上記和周波混合用非線形光学結晶から和周波ビームを発生させる高効率コヒーレント紫外線発生装置によって上記の課題を解決する。
【００１２】
本発明は、また、半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ１出力を第2高調波発生させ、上記出力でチューナブルレーザ（例えば、チタンドープのサファイヤ）結晶を励起し、発振波長750〜1000nmの範囲のレーザ光λ2を発振させ、この出力を第2高調波発生により波長350nm〜500nmの波長λ2/２の第1のコヒーレント光に変換し、一方で、半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ3の第2高調波出力である波長λ3/２の第２のコヒーレント光を発生させ、波長λ2/２の第1のコヒーレント光と波長λ3/２の第2のコヒーレント光を同軸に配置し、非線形光学結晶において和周波混合により第3の波長λ4(λ4=λ2・λ3/｛２（λ2＋λ3）｝の210nmから260nmの高効率コヒーレント紫外線発生装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の効果として、2種類の固体レーザ発振器の基本波から変換効率の高い共振器内部の第2高調波の発生方法を用いた2種類の波長のコヒーレントビームを同軸上に配置し、それらの波長のビームから非線形光学結晶を用いた和周波混合を用いて高い変換効率で第3の波長を有する和周波出力ビームを得ることができ、波長210nm〜260nmのコヒーレント紫外線が高い効率で小型の全固体装置で実現できる。
【００１４】
具体的には、本発明の装置によれば、（１）〜（３）の顕著な効果を奏することができる。
【００１５】
（１）前記第1のレーザーとして、上記のNd:YAGレーザー第2高調波で励起可能なチタンサファイアレーザーを適用することができる。全固体構成で数W級の出力が容易に得られ、非線形光学結晶による第2高調波としても数100mW〜１W程度が可能であり、高出力な紫外光源を可能とする。
【００１６】
（２）前記第２のレーザーとして、固体レーザーとしては最大の出力が発生しうる波長1064ｎｍのNd:YAGレーザーが用いることができる。その基本波は、KTPやLBO等の非線形光学結晶により第2高調波に変換され、最大10Ｗ程度以上の波長532nmの連続出力可視レーザー光が容易に発生させられ、装置の高出力化を図ることができる。
【００１７】
（３）前記の和周波混合用結晶としては、BBO結晶でなくCLBO結晶を用いることができる。CLBO結晶は、BBO結晶よりウォークオフ効果が小さく、また短波長の吸収端が短いため、より高出力な紫外光を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ１出力を第2高調波発生させ、上記出力でチューナブルレーザ（例えば、チタンドープのサファイヤ）結晶を励起し、発振波長750〜1000nmの範囲のレーザ光λ2を発振させ、この出力を第2高調波発生により波長350nm〜500nmの波長λ2/２の第1のコヒーレント光に変換し、一方で、半導体レーザ励起の固体レーザ出力波長λ3の第2高調波出力である波長λ3/２の第２のコヒーレント光を発生させ、波長λ2/２の第1のコヒーレント光と波長λ3/２の第2のコヒーレント光を同軸に配置し、非線形光学結晶において和周波混合により第3の波長λ4(λ4=λ2・λ3/｛２（λ2＋λ3）｝の210nmから260nmの高効率コヒーレント紫外線発生装置を提供する。
【００１９】
このような構成により高い第2高調波変換と高い和周波混合現象により小型で高効率のコヒーレント紫外線光を発生でき、従来のアルゴンイオンレーザの第2高調波発生装置からの244nmやKrFエキシマレーザの248nm発生装置より格段に小型高効率の全固体レーザが実現できる。以下、本発明の実施の形態について、図2を用いて説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例の概略構成を図2に示す。固体レーザ媒体を共振器内に設置し、固体レーザ励起用の半導体レーザダイオードＬＤ31の出力光32で固体レーザ媒体を励起した固体レーザ発振器からの赤外レーザ光を非線形光学結晶の使用により波長が532nm近傍のグリーン波長域の波長ω1(=1/λ１) の光34を発生する。この種の構成の固体レーザ発振器33の構成は周知の技術を用いることが可能であり、非線形光学結晶は固体レーザ発振器33の共振器の内部又は外部に設置される。
【００２１】
このグリーン光34を励起光として、例えば、チタン添加のサファイヤからなるレーザ媒体を励起するためにチューナブルレーザ共振器内に設置したレーザ媒体に導引き、周波数ω2（=1/λ2）のチューナブルレーザ36を発振させる。チューナブルな基本波36のレーザ発振出力から非線形光学結晶37を用いて周波数2ω2の第2高調波出力37を発生する。
【００２２】
必要に応じてチタンサファイヤと非線形光学結晶を同一のレーザ共振器内に設置し、高い電場の下で非線形現象を有効に発揮して高い変換効率を得ることが出来る。また、非線形光学結晶37は前記チューナブルレーザ共振器の内部に設置しない外部に設置することも可能である。
【００２３】
一方、半導体レーザダイオード39からのビーム40は固体レーザ発振器41のレーザ媒体を励起に用いられ、周波数ω3(=１/λ3)の固体レーザの基本波である赤外線発振光を発振させる、この基本波レーザ光は周波数2ω3である第2高調波を発生させる非線形光学結晶43を用い、グリーン光である周波数2ω3の第2高調波44を発生する。これは波長532nm近傍のグリーン光である。
【００２４】
非線形光学結晶43は固体レーザ発振器41の発振器の内部、又は外部に設置してもよい。この周波数2ω3の第2高調波44は前記チューナブルレーザの周波数2ω2の第2高調波38と光学的に同軸上に配置され少なくとも周波数2ω2と2ω3の2波長ビームが同軸上に進行するビーム48となるように夫々の光軸調整がなされる。このため全反射鏡45は周波数2ω3に対して高い反射率であり、波長の異なる２種のビームを重畳するために用いるダイクロイックミラー47は波長2ω2に対しては高い透過率であり、周波数2ω3には高い反射率特性を有し、2種の波長の夫々はこのダイクロイックミラー47によりビームが同軸上のビーム48として導かれる。
【００２５】
2波長の重畳されたビーム48は和周波混合用の非線形光学結晶49に位相整合条件で合せて入射され周波数2（ω2＋ω3）の周波数のコヒーレント光に一部の入射ビームエネルギーが変換される。上記の構成で固体レーザ媒体としてはNd:YAG,Nd:YVO4,Nd:YLFなどの固体レーザ媒体が用いられる。チューナブル固体レーザ媒体としてはチタン添加のサファイヤ、Cr添加のアレキサンドライト、その他の原子発振レベルの下位準位が振動準位でなる固体レーザ媒体などが使用される。非線形光学結晶にはKTP,  LBO, BBO, LiNbO3, LiIO3, KDP, KD*P BaNa(NbO3)その他の周知の非線形光学結晶を用いることが出来る。
【００２６】
この発明による構成では、2種の波長のうちの片方が半導体レーザ励起の固体レーザの第2高調波からなるために高出力であるばかりでなく高い発振効率であり、しかも、これが和周波混合の電場形成に寄与するために、和周波光混合の変換効率が高くなる。この全固体システムの波長変換は約5%で高い変換効率が得られる。固体レーザとしてNd:YAGレーザの第2高調波をチタンサファイヤレーザの励起に使用し、発振波長をチューナブルな波長として700nm~1000nmとし、第2高調波を350nm~500nmをビーム38として得ることが出来る。
【００２７】
一方、周波数ω2の固体レーザとしては、Nd:YAGレーザを用いると波長は532nmで固定であり、これらの和周波は211nm~257nmとなる。この波長範囲はアルゴンイオンレーザの第2高調波である244nmやKrFレーザのエキシマレーザである波長248nmを含み、ガスレーザのレーザ発振器より小型軽量で高効率のレーザ発振器が実現できる。
【００２８】
なお、チューナブルレーザ励起用のグリーンレーザビーム34と和周波混合用の周波数λ3のビーム44は同一の固体レーザからの出力ビームを分割して用いてもよい。この場合には、固体レーザ発振媒体としては、チューナブルレーザ発振媒体とグリーン光発生用の基本波発振レーザ媒体の2種類で済ませることができる。
【実施例２】
【００２９】
本発明の実施例2の構成図を図3に示す。単一縦モード発振連続出力の近赤外レーザ51、例えばチタンサファイアレーザ装置であり、周波数ω2で発振する。その出力光5２は、4枚のミラー53, 54, 55, 56からなるリング型の外部共振器の内部に4枚のミラーの1つを形成するミラー5３を介して入射し、共振器内を周回しつつ、その一部は入射ミラー5３から出射する。
【００３０】
出射した光とミラー３で出力光52の直接反射した反射光が合わさった2ビーム5７の相対的な位相差を第1の誤差信号検出部58で検知して、ミラー55を駆動するためのピエゾ素子等のアクチュエーター59によってリング共振器の光路長をレーザ光波長の整数倍にフィードバック制御することにより、共振器内においての光共鳴が得られる共振器内における電場を増強される条件に調整する。
【００３１】
これにより、共振器内の光強度が増加するため非線形光学結晶60によって周波数2ω2の第2高調波が効率良く発生させられ、出力ミラー5６を介してリング共振器外部に第2高調波出力61として出射させられる。チタンサファイアレーザ光5２の波長を900nmとすれば、第2高調波61の波長は450nmとなる。第2高調波は、ミラー62, 63, 64, 65からなる第2のリング型の外部共振器に入射し内部に周回しながら内部に外部より増強された電場を持ったビーム75を形成する。
【００３２】
第2高調波61のミラー62からの反射光の位相と第2のリング型共振器内を周回してミラー62から透過して外部に出てきたビームの位相の差、即ち誤差信号は第2の誤差信号検出部66により検出し、チタンサファイアレーザ5１の波長を位相誤差信号が最小になるように帰還してレーザ１の共振器を制御することにより共鳴が得られる。
【００３３】
また単一縦モード発振の周波数ω3のNd:YAGレーザ67は非線形光学結晶69を用いてNd：YAGレーザの基本波を周波数2ω3の第2高調波に変換したレーザ光70の発生装置であり、波長532nmの出力光70はミラー63を介してリング型の外部共振器に入射する。この光は前述した波長2ω2である450nmの光61とは第2の誤差信号検出部71とピエゾ素子72により、誤差信号の帰還により駆動され共鳴条件が保たれる。このようにして、第2の外部共振器に入射するビーム61の波長450nmおよびビーム70の周波数2ω3である波長532nmの両方のビームが同一の共鳴共振器内で共鳴した周回ビーム76が形成されるため、非線形光学結晶66による和周波混合作用は効率良く実現され、周波数２（ω2+ω3）である波長244nmの和周波光73が発生する。波長532nmと450nmの光を和周波混合するための非線形光学結晶としては、BBOのほかCLBOが適用できる。
【００３４】
第１のレーザ発振器として例えばアルゴンイオンレーザを用いた場合、第1の非線形光学結晶としてはBBOの他、CLBO結晶を用いることができる。
【００３５】
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明は上述した形態や波長に限定されるものではない。例えばチタンサファイアレーザの波長として930ｎｍとすれば、本構成による和周波波長は半導体露光用等に広く用いられている248nmとなり、半導体検査装置用の照射光源として有効である。Nd:YAGレーザの代わりにNd:YLFレーザや、Yb:YAGレーザ、Yb:GLASSレーザ等を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の活用例として、全固体の高効率のコヒーレント紫外線光源としてパルスレーザ発振やＣＷ発振の出力を得ることができる。この種の装置は、従来、発振効率が低く、大型装置を必要としたがこの発明により、小型軽量高効率長寿命の装置で実現された。このことは、レーザ応用分野であるDVD、半導体ウエハ検査、リソグラフィ、生物化学、光通信部品加工等のコヒーレント紫外線光源を必要とする分野において記録の高密度化、半導体デバイスの高集積化、ファイバブラッググレーテイングの書き込み工程の製造プロセス、微細加工などにおいて大きな革新をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術の構成図
【図２】実施例1の構成図
【図３】実施例2の構成図
【符号の説明】
【００３８】
31, 39：励起用半導体ダイオードレーザ
33：第2高調波発生固体レーザ
35：チューナブル固体レーザ
37, 43：第2高調波発生用非線形光学結晶
41：固体レーザ、
47…ダイクロイックミラー
49：和周波混合用非線形光学結晶 
51：近赤外レーザ(チタンサファイヤレーザ)
58：第1の誤差信号検出部
59：ピエゾアクチュエータ
60：非線形光学結晶
53, 54, 55, 56：リング型共振器ミラー
62, 63, 64, 65：第2のリング型共振器ミラー
66：第2の誤差信号検出部
67：Ｎd:YAGレーザ
69：非線形光学結晶
72：ピエゾ素子
66：和周波混合用非線形光学結晶 
74：ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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