(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長９５０ｎｍ〜１１００ｎｍの第１のコヒーレント光と、波長２００ｎｍ〜２５０ｎｍの第２のコヒーレント光とをＣＬＢＯ結晶に入射し和周波光を発生させる方法であって、
波長がほぼ１９３ｎｍの和周波光を発生するように上記ＣＬＢＯ結晶を冷却することを特徴とするＣＬＢＯ結晶による和周波光の発生方法。
【請求項２】
第１のコヒーレント光がＮｄ：ＹＡＧレーザ光、または、Ｎｄ：ＹＶＯ4 レーザ光であり、上記結晶の温度が−１８０°Ｃ以下である
ことを特徴とする請求項１のＣＬＢＯ結晶による和周波光の発生方法。
【請求項３】
前記結晶の温度は、位相整合する角度がほぼ９０度となる温度である
ことを特徴とする請求項１のＣＬＢＯ結晶による和周波光の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長１９３ｎｍの光を放出するＡｒＦエキシマレーザの代替光源として使用される固体レーザ光源等に用いられるＣＬＢＯ結晶による１９３ｎｍの和周波光の発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路等の微細化に伴い、露光光の波長が短波長化しており、次世代の半導体リソグラフィー用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザが有力視されている。
しかし、上記エキシマレーザは、レーザ媒質として腐食性ガスを使用するためメンテナスン上の問題があり、実用化する上で解決しなければならない問題も多い。そこで、ＡｒＦエキシマレーザの代替光源として使用できる波長がほぼ１９３ｎｍの光を放出する固体レーザの開発が検討されている。
【０００３】
固体レーザを用いて上記ＡｒＦエキシマレーザの代替光源を構成するには、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源等が放出するコヒーレント光と、波長可変レーザや光パラメトリック発振器が放出するコヒーレント光あるいはその高調波光を、ＣＬＢＯ結晶等の和周波結晶に入射して、波長がほぼ１９３ｎｍの和周波光を得る方法が考えられる。
すなわち、波長が９５０ｎｍ〜１１００ｎｍの第１のコヒーレント光と、波長がほぼ２００ｎｍ〜２５０ｎｍの第２のコヒーレント光（例えば、ほぼ１０６４ｎｍの波長の光を放出するＮｄ：ＹＡＧレーザ光と、ほぼ２３６ｎｍの波長の光を放出する可変波長レーザ光）をＣＬＢＯ結晶に入射し、和周波混合することにより、波長がほぼ１９３ｎｍの光を得る方法が考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、波長が９５０ｎｍ〜１１００ｎｍの第１のコヒーレント光と、波長がほぼ２００ｎｍ〜２５０ｎｍの第２のコヒーレント光をＣＬＢＯ結晶に入射し、和周波混合することにより、ほぼ１９３ｎｍの光を得ることができるが、ＣＬＢＯ結晶により和周波光を得るには、位相整合がとられていなければならず、従来においては、上記２波長の光の組み合わせで、１９３ｎｍの和周波光を発生させるための条件が必ずしも明らかにされていなかった。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ＣＬＢＯ結晶により１９３ｎｍの和周波光を発生させるための実用上の条件を明らかにし、実用上実現可能なＣＬＢＯ結晶による和周波光の発生方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が種々実験を行い検討したところ、１０６４ｎｍの波長の光と２３６ｎｍの波長の光をＣＬＢＯ結晶に入射して波長がほぼ１９３ｎｍの光を発生させるには、ＣＬＢＯ結晶を適切な温度環境下におく必要があることが明らかになった。
すなわち、ＣＬＢＯ結晶に入射する一方の光の波長を固定し、他方の光の波長とＣＬＢＯ結晶の温度を変えて位相整合角を求める実験を行ったところ、ＣＬＢＯ結晶の温度が室温（２３°Ｃ）とき、波長がほぼ１９５ｎｍの和周波光を得ることができたが、波長をさらに１９３ｎｍに近づけるには、ＣＬＢＯ結晶の温度をさらに低下させることが好ましいことが分かった。
【０００６】
本発明は上記知見に基づきなされたものであって、上記課題を次のようにして解決する。
（１）ＣＬＢＯ結晶を冷却し、波長９５０ｎｍ〜１１００ｎｍの第１のコヒーレント光と、波長２００ｎｍ〜２５０ｎｍの第２のコヒーレント光から、ほぼ１９３ｎｍの和周波光を発生させる。
（２）上記（１）において、第１のコヒーレント光をＮｄ：ＹＡＧレーザ光、または、Ｎｄ：ＹＶＯ4 レーザ光とし、上記結晶の温度を−１８０°Ｃ以下とする。
（３）上記（１）において、ＣＬＢＯ結晶の温度を、位相整合する角度（光が位相整合するときの結晶の光学軸と光の入射方向のなす角度）がほぼ９０度となる温度にする。
本発明は上記（１）〜（３）のように構成したので、ＣＬＢＯ結晶により波長がほぼ１９３ｎｍの和周波光を得ることができる。また、位相整合する角度をほぼ９０度となる温度にすることにより、角度許容幅を大きくすること（ノン・クリティカル・フェーズ・マッチング）ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の測定系におけるＣＬＢＯ結晶と入射光と出射光の関係を示す図である。同図に示すように、光学軸を光の入射方向に対してθ度傾けたＣＬＢＯ結晶１に波長λ１（第１波長λ１という）の第１のコヒーレント光と、波長λ２（第２波長λ２という）の第２のコヒーレント光に入射し、プリズム２により、波長λ３の和周波光を取り出した。なお、同図では波長λ１，λ２，λ３の光を３本に分けて記載しているが、実際は重なっている。
本実施例では上記第１のコヒーレント光として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波光である波長１０６４ｎｍの光を用い、第２のコヒーレント光として、チタンサファイアレーザから構成される可変波長レーザ光を用いた。また、ＣＬＢＯ結晶を内部が真空に保たれた容器内に収納し、該容器に液体窒素を用いた冷却機構を設けて、ＣＬＢＯ結晶の温度を−２００°Ｃ近傍まで冷却できるようにした。
そして、第１波長λ１を上記１０６４ｎｍに固定し、第２のコヒーレント光の第２波長λ２を変えて、各温度におけるＣＬＢＯ結晶の位相整合角の温度依存特性を調べた。
【０００８】
具体的には、図２に示す測定系を用いて測定を行った。
図２に示すように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源３から放射される光を３倍波発生用非線形結晶７に入射し、３倍波を発生し、ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ３を介して和周波発生用非線形光学結晶８（ＣＬＢＯ）に入射した。
また、タイミング調整器５で上記Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源３と同期が取られたＮｄ：ＹＡＧレーザ光源４に組み込まれたその２倍波（５３２ｎｍ）のレーザ光により波長可変レーザ光源であるチタンサファイアレーザ光源６（Ｔｉ：ＳＡレーザ光源という）を励起し、Ｔｉ：ＳＡレーザ光源６が放出するレーザ光をミラーＭ４、ハーフミラーＨｓ１、ミラーＭ２、ダイクロイックミラーＤＭ３を介して和周波発生用非線形光学結晶８に入射した。
和周波発生用非線形光学結晶８は、上記３倍波とＴｉ：ＳＡレーザ光源が放出するレーザ光の和周波光を発生する。この和周波光（波長λ２）をダイクロイックミラーＤＭ２を介して、被測定対象であるＣＬＢＯ結晶１に入射した。
【０００９】
一方、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源３から放射される基本波レーザ光（波長λ１）をダイクロイックミラーＤＭ１、ミラーＭ１、ダイクロイックミラーＤＭ２を介して被測定対象であるＣＬＢＯ結晶１に入射した。
また、上記Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源３とＮｄ：ＹＡＧレーザ光源４の同期が正しくとられ、被測定対象ＣＬＢＯ結晶１に同時にＴｉ：ＳＡレーザ光源６からのレーザ光と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源３の基本波光が到達しているかを調べるため、ピンフォトダイオード１１，１２により上記波長λ１の光とλ２の光を検出し、オッシロスコープ１３でモニタした。
【００１０】
波長λ２は、Ｔｉ：ＳＡレーザ光源６が放出するレーザ光の波長を変えることにより、２３０〜２４０ｎｍの範囲で変えた。Ｔｉ：ＳＡレーザ光源６が放出するレーザ光の波長は波長計９により測定した。
また、位相整合角は、前記図１のθを変え、結晶表面からの反射光の入射光軸からのズレを検出することにより測定した。また、位相整合のピークを確認するため、発生する和周波光のパワーをサーモパイル型パワーメータまたは、蕉電型パワーメータ１０で測定した。
上記のように、波長λ１の光と波長λ２の光を測定対象となるＣＬＢＯ結晶１に入射し、位相整合角を求めてグラフ上にプロットし、各温度における温度依存特性を調べた。
【００１１】
図３は上記のようにして測定した各温度における位相整合角と第２波長λ２の関係を示す図である。同図において、横軸は第２波長λ２、縦軸は位相整合角であり、各曲線は、ＣＬＢＯ結晶を１８０°Ｃ、１００°Ｃ、２３°Ｃ、−９０°Ｃ、−１６０°Ｃ、−１８５°Ｃの温度にしたときの波長λ２と位相整合角の関係を示しており、各曲線に付された１９６．４８ｎｍ、１９５．６９ｎｍ、１９４．８２ｎｍ、１９３．９３ｎｍ、１９３．３９ｎｍは、各温度において位相整合角が９０°のときにＣＬＢＯ結晶から出射される和周波光の波長を示している。なお、−１６０°Ｃのときの和周波光の波長は−１８５°Ｃのときの和周波光の波長に近いので図示されていない。
【００１２】
同図に示すように、ＣＬＢＯ結晶の温度を低下させると、位相整合可能な第２波長λ２が低下し、これに伴い和周波光の波長も１９３ｎｍに近づいていく。
また、位相整合角が９０°のとき、第２波長λ２が最も小さくなりこれに伴い和周波光の波長も小さくなる。
さらに図３から明らかなように、位相整合角が９０°近傍であればＣＬＢＯ結晶の角度θ（位相整合角）の変動に対する和周波光の波長の変動も小さくなる。すなわち、位相整合角が９０°のとき、いわゆる、ノン・クリティカル・フェーズ・マッチングとすることができる。
【００１３】
図４は上記図３に基づきＣＬＢＯ結晶の温度と、第２波長λ２および得られる和周波光の波長をプロットした図である。同図において、横軸はＣＬＢＯ結晶の温度、縦軸は、混合する第２波長λ２である。
同図から明らかなように、温度を低下させるに従って、位相整合可能な第２波長λ２が小さくなり、これに伴い和周波光の波長も短くなる。
以上の実験から、ＣＬＢＯ結晶の温度を低下させていくことにより波長が１９３ｎｍに近い和周波光を得ることができることがわかった。また、ＣＬＢＯ結晶の温度を−１８０°Ｃ以下にすることにより、１９３ｎｍに近い１９３．３９ｎｍの和周波光を得ることができた。
また、位相整合角が９０°であれば、ＣＬＢＯ結晶の温度が同じとき和周波光の波長は最も短くなり、さらに前記したように、いわゆる、ノン・クリティカル・フェーズ・マッチングとすることができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、ＣＬＢＯを冷却したので、波長９５０ｎｍ〜１１００ｎｍの第１のコヒーレント光と、波長２００ｎｍ〜２５０ｎｍの第２のコヒーレント光からほぼ１９３ｎｍの和周波光を発生させることができる。特に、第１のコヒーレント光をＮｄ：ＹＡＧレーザ光、または、Ｎｄ：ＹＶＯ4 レーザ光とし、上記結晶の温度を−１８０°Ｃ以下とすることにより、１９３ｎｍに近い１９３．３９ｎｍの和周波光を得ることができる。
さらに、ＣＬＢＯ結晶の温度を、位相整合する角度がほぼ９０度となる温度にすることにより、ノン・クリティカル・フェーズ・マッチングとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の測定系におけるＣＬＢＯ結晶の入射光と出射光の関係を示す図である。
【図２】本発明で使用した測定系の構成例を示す図である。
【図３】各温度における位相整合角と第２波長λ２の関係を示す図である。
【図４】ＣＬＢＯ結晶の温度と第２波長λ２および和周波光の波長の関係を示す図である。
【符号の説明】
１          被測定ＣＬＢＯ結晶
２          プリズム
３，４      Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源
５          タイミング調整器
６          チタンサファイアレーザ光源
７          ３倍波発生用非線形光学結晶
８          和周波発生用非線形光学結晶
９          波長計
１０        パワーメータ
１１，１２  ピンフォトダイオード
１３        オッシロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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