(57)【要約】【課題】比較的簡易で実用的な光学系をもってパルスレーザのピークパワーを減ずる。【解決手段】モード同期レーザ装置１１と、このモード同期レーザ装置１１から出力されるレーザ光を波長変換する波長変換部１２と、分散光学系を用いてパルスレーザ光のパルス幅を伸長させるパルス幅伸長部１３とを有する構成とする。パルス周期を変えずにピークパワーを低減化することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モード同期レーザ装置と、
前記モード同期レーザ装置から出力されるレーザ光を波長変換する波長変換部と、
分散光学系を用いてパルスレーザ光のパルス幅を伸長させるパルス幅伸長部と、を有する
ことを特徴とするパルスレーザ光発生装置。
【請求項２】
前記パルス伸長部は、一対の回折格子より構成される
ことを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ光発生装置。
【請求項３】
前記パルス伸長部は、一対のプリズムより構成される
ことを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ光発生装置。
【請求項４】
パルスレーザ光を波長変換し、
前記波長変換されたパルスレーザ光のパルス幅を分散光学系により伸長して、被検査体の表面に照射する
ことを特徴とする表面検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば非線形光学結晶を用いた波長変換部を有するパルスレーザ光発生装置及びこれを用いた表面検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピークパワーが高いモード同期レーザを用いて波長変換することによって容易に紫外線レーザが得られることが知られている。
図９は、このようなモード同期レーザ装置の一例の概略構成図である。バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザ等より成る励起光源１から出力されるレーザ光が、ミラー４２、４３を介してレンズ４４により波長変換部に入力される。波長変換部には、ミラー４５、非線形光学結晶４６、ミラー４７及び４８、ブリュースタープリズム４９及び５０、半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ：Semiconductor Saturable Absorber Mirrors）５１、スリット５２、アウトプットカプラー５３が光路上に配置される。励起光源４１から出力された励起光は、波長変換部において例えば２次高調波に変換されるとともに、プリズム４９及び５０により分散補償される。半導体可飽和吸収体ミラー５１によりパルス発振がスタートし、カーレンズモード同期によりモード同期されたレーザ光Ｌｏが出力される。
【０００３】
また、図１０に、カー偏光回転によるモード同期を行うモード同期レーザ装置の一例の概略構成図を示す。この場合は、ミラー６１、レンズ６２、ファイバ増幅レーザ６３、カップラー６４、励起光源６５、レンズ６６、ファラデーローテータ６７、波長板６８、偏光子６９、レンズ７０及び半導体可飽和吸収体ミラー７２より構成する例を示す。半導体レーザ等の励起光源６５から出力されるレーザ光は、カップラー６４を介してファイバ増幅レーザ６３に入力される。レーザ光はレンズ６２を介してミラー６１で反射されてファイバ増幅レーザ６３に再入力されて増幅される。そしてレンズ６６を介してファラデーローテータ67により偏向方向を回転され、波長板６８を介して偏光子６９に入力される。偏光子６９を透過した光はレンズ７０を介して半導体可飽和吸収体ミラー７１に入力され、パルス発振がスタートする。可飽和吸収体ミラー７１から反射された光は再びファイバ増幅レーザ６３に入力される。増幅したパルスレーザ光は、偏光子６９により反射されてカー偏光回転によりモード同期されたレーザ光Ｌｏが出力される。
【０００４】
ところで、このようなモード同期レーザ装置から得られるパルスレーザは、上述したようにピークパワーが高い。したがってこのレーザ光を用いて観察や検査などを行う場合、その対象物に損傷を生じる恐れがある。
【０００５】
石英の２光子吸収は光エネルギー３．８ｅＶ以上すなわち波長３２５ｎｍ以下になると急激に吸収係数が増大し損傷リスクが高まることが報告されている（例えば非特許文献１参照。）。
図１１は、石英の２光子吸収係数βの光子エネルギー依存性を示し、例えばＫｒＦエキシマレーザ（光エネルギー５．０ｅＶ、すなわち波長２４８ｎｍ）のβ値が８×１０−１１ｃｍＷ−１であることがわかる。波長２６６ｎｍにおける２光子吸収断面積σは、
σ＝９×１０−１１ｃｍＷ−１
であり、このためピークパワーが１ＧＷ／ｃｍ２の場合は、１ｃｍあたり９％ものエネルギーが吸収されてしまうこととなる。
【０００６】
【非特許文献１】T. Mizunami et al., “Two-photon absorption in silica optical fibers measured with a XeBrexcimer laser”, Optics Communications, Elsevier Science Publishers B.V., 1988, Vol.68, No.3, pp223-227
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の問題に対し、パルスエネルギーを下げることでピークパワーを減ずることが考えられる。ただし、光量を一定に保つためには、ピークパワーを下げる代わりにパルスの発生繰り返し周波数を増大させなければならない。すなわち、図１２Ａに示す波形の周期及びピーク値をもつパルスに対し、図１２Ｂに示すように、周期を短くすることが必要となる。
しかしながらレーザ装置としてパルス繰り返し周波数を増大させるのは非常に難しい。繰り返し周期Ｔは、共振器長Ｌと光速度ｃを用いてＴ＝２Ｌ／ｃで決まる。したがって例えば１０倍の繰り返しを得るためには、共振器の全光路長を１０分の一にして再設計しなければならない。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みて、比較的簡易な光学系の構成をもってパルスレーザ光のピークパワーを低減化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明によるパルスレーザ光発生装置は、モード同期レーザ装置と、このモード同期レーザ装置から出力されるレーザ光を波長変換する波長変換部と、分散光学系を用いてパルスレーザ光のパルス幅を伸長させるパルス幅伸長部と、を有する構成とする。
また、本発明による表面検査方法は、パルスレーザ光を波長変換し、波長変換されたパルスレーザ光のパルス幅を分散光学系により伸長して、被検査体の表面に照射するものである。
【００１０】
上述したように、本発明においては、モード同期レーザ装置から出力されるレーザ光を波長変換部において波長変換して出力するパルスレーザ光発生装置であって、分散光学系を用いてパルスレーザ光をパルス幅伸長部においてパルス幅を伸長させるものである。このように、分散光学系を用いることにより、比較的簡易でかつ実用的な光学系の構成をもってパルス幅伸長部を構成することができ、またピークパワーを下げることにより、これを表面検査に用いる場合等において、レーザ光の照射対象物、例えば被検査体の損傷、改質、破壊などを抑制ないしは回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、比較的簡易な光学系をもって、パルスレーザ光のパルス幅を伸張しピークパワーを低減化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１は、本発明によるパルスレーザ光発生装置の一実施形態例の概略構成図である。図１に示すように、本発明のパルスレーザ光発生装置は、モード同期レーザ装置１１と、波長変換部１２と、分散光学系を有するパルス幅伸長部１３とより構成される。なお、従来一般のパルスレーザ光源１０は、破線で示すようにモード同期レーザ装置１１及び波長変換部１２とより構成される。
このような構成において、図２Ａに示すモード同期レーザ装置１１からのレーザ光（波長λ＝λ１）は、図２Ｂに示すように波長変換部１２において波長λ２のパルスレーザ光に変換され、更に図２Ｃに示すように、パルス周期は同一でパルス幅を伸長して出力される。このとき、パルスレーザ光のピークパワー値は低下する。したがって、例えばこのパルスレーザ光発生装置を用いた表面検査方法によれば、パルスレーザ光の被照射体である被検査体、例えばシリコンウェファ等の損傷を生じる閾値エネルギーＥｔよりも低いピークパワーのパルスレーザ光を容易に出力することが可能となる。
【００１３】
ここでパルスレーザ光に分散を与える方法としては、図３Ａに示すように、モード同期パルスすなわちどの瞬間も同じ波長のパルスから、２次分散を与えることによってチャープパルスすなわち時間と共に波長が変化するパルスに変換する方法を用いる。
ここで、２次分散について簡単に説明する。光の振幅をＡ０、角周波数をω、時間をｔ、位相の遅れをφとすると、光は
Ａ０ｓｉｎ（ω×ｔ＋φ）
と表される。実際の光は複数の角周波数が含まれているので、下記の数１に示すように表されることとなる。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
上記数１の位相部分φｎ＝φ（ω）をテイラー展開すると、下記の数２に示す式となる。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
上記数２において、３次以降の項は十分小さいので無視してもよい。すると、φ（ω）のω＝ω０での１次偏微分を下記の数３、２次偏微分を下記の数４で示すと、上記数２は、下記の数５で表される。
【００１８】
【数３】
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【００１９】
【数４】
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【００２０】
【数５】
2007189160.tif 000007
【００２１】
上記数５において、１次の項は郡遅延を示すので、周波数によって時間の遅れが変わる成分は２次の項のみとなる。つまり、２次分散を与えることによって、パルス幅を伸長することができる。なお、分散については、例えばM. Bass等編による”HANDBOOK OF OPTICS : Fiber Optics and Nonlinear Optics”（Volume IV, Second Edition, McGraw-Hill社刊、２０００年１０月発行）のCHAPTER７において詳しく説明されている。
【００２２】
２次分散を与える方法としては、図４Ａに示すように、分散媒質８０中を通過させる方法がある。分散媒質８０中を通過する距離をｌｍａｔとして示す。２次分散の値にバンド幅を乗ずることにより伸長されたパルス幅が概略計算できる。したがって例えばパルス幅１８０ｆｓ、波長７８０ｎｍのモード同期レーザを、分散媒質として長さ２８ｍの溶融石英製光ファイバを通過させた場合、１０−２４ｓ２の２次分散を与えることになる。ここでパルスのスペクトル幅が５ｎｍのとき角周波数の幅はΔω＝１．５×１０１３Ｈｚであるので、モード同期レーザは１５ｐｓに伸長されることになる。したがって８０倍以上に伸長できたことになる。
【００２３】
しかし、このように媒質の分散を利用する場合は、上記計算例のように厚さ２８ｍもの長尺材料が必要になる。これを実現する手段としてファイバケーブルが考えられるが、モード同期レーザをファイバに入力させると端面で損傷してしまう恐れがある。したがって、ファイバケーブルを利用する場合は、入力端の口径が徐々に広がるテーパードファイバを用いることが望ましい。
【００２４】
その他の分散光学系としては、図４Ｂに示すように、一対の回折格子９１及び９２とミラー９３を用いる分散光学系、または図４Ｃに示すように、一対のプリズム９５及び９６とミラー９７を用いる分散光学系などが利用可能である。回折格子対またはプリズム対によって、波長の長さ、すなわち短波長の光をλshort、長波長の光をλlongで示すように波長によって光が分離され、それぞれの周波数に対応する遅延が生じてパルス幅が伸長される。
【００２５】
例えば図４Ｂに示す光学系において、回折格子９１及び９２の間の間隔をｌｇｒ、入射角度をθ０、回折角度をγ、回折格子の溝間隔をｄ、入射光の中心波長をλ０とすると、その系の２次分散は、下記の数６により表される（例えばE. B. Treacy, “Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-5, No.9, September 1969, pp454-458参照。）。
【００２６】
【数６】
2007189160.tif 000008
【００２７】
このときの出力パルス幅は、下記の数７により表される。
【００２８】
【数７】
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【００２９】
また、図４Ｃに示す光学系においては、プリズム９５からミラー９７に至る光路の長さを波長の関数ｌ（λ）とすると、その系の２次分散は下記の数８で表される。
【００３０】
【数８】
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【００３１】
図５に、このような分散光学系によるパルス伸長部を設けた本発明構成のパルスレーザ光発生装置の一実施形態例の概略構成図を示す。
この例においては、モード同期レーザ装置１１においてモードロックレーザシード部１１Ａ及びアンプ部１１Ｂを有する構成とする。すなわち、半導体レーザ等の励起光源１０１、レンズ１０２、Ｎｄ：ＶＡＮ等より成るレーザ媒質１０３、半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）１０４、アウトプットカプラー１０５、レンズ１０６より成るモードロックレーザシード部１１Ａと、カップラー１０７、ファイバーアンプ１０９、カップラー１１０、励起光源１１１を有するアンプ部１１Ｂとより構成される。
励起光源１０１から出力される励起光は、レーザ媒質１０３に入力されてレーザ光が出力され、半導体可飽和吸収体ミラー１０４によりモード同期を行って、ファイバーアンプ１０９の一方の端部から入力されて、ここにおいて増幅され、波長変換部１２側に出力される。この例においては、励起光源１１１からの光をファイバーアンプ１０９の他方の端部からカップラー１０９を介して入力する例を示す。
【００３２】
またこの例においては、波長変換部１２において、レンズ１１３及び１１５の間に非線形光学結晶１１４、例えばＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶が配置され、レンズ１１６及び１１８の間に非線形光学結晶１１７、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶が配置されて構成される。
波長変換部１２に入力された波長例えば１０６４ｎｍのパルスレーザ光は、非線形光学結晶１１４により波長例えば５３２ｎｍの緑色光に波長変換され、さらに非線形光学結晶１１７により波長例えば２６６ｎｍの紫外光に変換されて、パルス伸長部１３に入力される。
そしてこのパルス伸長部１３において、上述の方法によりパルス幅が伸長されて、外部にパルス幅が伸長され、比較的ピーク値が低く抑えられたパルスレーザ光Ｌｏとして出力される。
【００３３】
図５に示す例においては、固体レーザ、ファイバレーザ及び半導体レーザによりモード同期レーザ装置を構成したが、本発明に用いるモード同期レーザ装置は、固体レーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ、気体レーザ、エキシマレーザ、色素レーザのうちの１つまたはこれらの組み合わせから構成することが可能である。
また、波長変換部は、上述の例に示すように非線形光学結晶を用いることによって、簡易な光学系をもって構成することができる。
【００３４】
ここで、一例として波長２６６ｎｍの入力光のバンド幅が０．２ｎｍ（＝０．８ＴＨｚ）、パルス幅が０．５ｐｓ（＝τｉｎ）とする。
図５に示すパルス伸長部１３の回折格子の溝本数が２６００本／ｍｍ、入射角が２０°、回折格子９１及び９２の間隔ｌｇｒが１．０ｍとすると、２次分散は下記の数９に示すように、１ｐｓ２となり、パルス幅の変動量Δτｇｒは、下記の数１０により表される。
【００３５】
【数９】
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【００３６】
【数１０】
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【００３７】
したがって、伸長後のパルス幅τｏｕｔは、
τｏｕｔ＝τｉｎ＋Δτｇｒ＝８．５［ｐｓ］
となる。
パルス幅が１０倍以上となったことにより、ピークパワー値は１／１０以下となるので、このパルスレーザを照射する被照射体に対し、光量を一定に保ったままピークパワーを下げて照射することが可能になり、被照射体への影響を抑制ないしは回避することができることとなる。
【００３８】
例えば図６に示すように、従来は表面検査装置において、パルスレーザ光源２１から出力される光をそのまま材料検査部２３における被検査体表面にパルスレーザ光を照射する光学系に入力していたが、図７に示すように、本発明のパルスレーザ光発生装置を用いた表面検査方法によれば、パルスレーザ光源２１から出力されるパルスレーザ光は、パルス伸長部２２を介して材料検査部２３の光学系に入力される。このようにして、表面検査装置に本発明を適用することによって、被検査体、例えばシリコンウェファ等に対して表面の破壊や汚損、変質が抑制ないし回避された検査が可能になる。
【００３９】
上述の例においては、パルス幅を１０倍以上に伸長した例を示したが、伸長の度合いは、対象とする被照射体に対して影響を及ぼさない程度のピークパワーとなればよい。一般的には、確実にピークパワーを低下させるためには、３倍以上程度に伸長すればよい。
【００４０】
本発明によるパルスレーザ光発生装置は、表面検査方法に限定されることなく、その他種々の光学装置に適用可能である。例えば図８に示すように、パルスレーザ光源１０（モード同期レーザ装置及び波長変換部を含む）、パルス伸長部１３及び顕微鏡光学系１４を配置して、パルスレーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光を、パルス伸長部１３においてパルス幅を伸長してから、顕微鏡光学系１４に入力してもよい。このようにパルス幅を伸長してピークパワーを低減化した短パルスレーザ光を利用することによって、被観察物の表面を変質、破壊することなく観察することが可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本発明のパルスレーザ光発生装置によれば、被照射物の破壊リスクを低減してパルスレーザ光を照射することができる。
特に、パルス伸長部において、回折格子対またはプリズム対を用いることによって、簡易で実用的な構成をもって、ピークパワーを低減化することが可能なパルスレーザ光発生装置を提供することができる。
また、本発明の表面検査方法によれば、ピークパワーを低減化した短パルスレーザ光を利用することができるので、これまで使用できなかった短パルス紫外光を用いた例えばシリコンウェファ表面の検査を行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明によるパルスレーザ光発生装置は、上述の各実施形態例に限定されるものではなく、その他例えばモード同期レーザ装置として、前述の図９及び図１０において説明したモード同期レーザ装置を用いるなど、その他本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明によるパルスレーザ光発生装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図２】Ａ〜Ｃは本発明のパルスレーザ光発生装置におけるレーザ光の説明図である。
【図３】Ａ及びＢはパルス波形の一例の説明図である。
【図４】Ａは分散方法の一例の説明図である。Ｂ及びＣは本発明のパルスレーザ光発生装置のパルス伸長部の一実施形態例の概略構成図である。
【図５】本発明のパルスレーザ光発生装置の一実施形態例の概略構成図である。
【図６】従来の表面検査方法の説明図である。
【図７】本発明による表面検査方法の一実施形態例の説明図である。
【図８】本発明によるパルスレーザ光発生装置を用いた光学系の一例の概略構成図である。
【図９】従来のモード同期レーザ装置の一例の概略構成図である。
【図１０】従来のモード同期レーザ装置の一例の概略構成図である。
【図１１】２光子吸収の測定結果を示す図である。
【図１２】Ａはパルスレーザ光の一例の波形を示す図である。ＢはＡに示すパルスレーザ光の周期を短くした場合の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０．パルスレーザ光源、１１．モード同期レーザ装置、１２．波長変換部、１３．パルス幅伸長部、８０．分散媒質、９１．回折格子、９２．回折格子、９３．ミラー、９５．プリズム、９６．プリズム、９７．ミラー、１０１．励起光源、１０２．レンズ、１０３．レーザ媒質、１０４．半導体可飽和吸収体ミラー、１０５．アウトプットカプラー、１０６．レンズ、１０７．カプラー、１０９．ファイバーアンプ、１１０．カプラー、１１１．励起光源、１１２．レンズ、１１３．レンズ、１１４．非線形光学結晶、１１５．レンズ、１１６．レンズ、１１７．非線形光学結晶、１１８．レンズ、１１９．ハーフミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007189160.tif 000019
【図８】
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【図９】
2007189160.tif 000021
【図１０】
2007189160.tif 000022
【図１１】
2007189160.tif 000023
【図１２】
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