(57)【要約】第１の波長の光と第２の波長の光を同軸で入射した非線形光学結晶（１８９）が、非臨界位相整合又は擬似位相整合によって第１の波長の光からその第２高調波である第３の光を効率良く生成するとともに、第２の波長の光と前記第３の波長の光とをほぼ同軸で射出する。従って、後段の非線形光学結晶（１９１）において、第２の波長の光と前記第３の波長の光との和周波生成における位相整合のための光路調整用部品を使用せずに、効率良く和周波生成を行うことができる。このため、簡単な構成で、波長変換された光を効率良く発生することができる。
2002071143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一波長の光を発生するレーザ光発生部と；
前記レーザ光発生部が発生するレーザ光と同一波長の光を入射光として波長変換を行う波長変換部と；を備え、
前記波長変換部は、前記入射光及び該入射光の高調波のうちの第１の波長の光と第２の波長の光とを入射し、非臨界位相整合及び擬似位相整合の一方を使用した第２高調波生成により、前記第１の波長の１／２の波長である第３の波長の光を生成し、前記第２の波長の光と前記第３の波長の光とをほぼ同軸で射出する第１の非線形光学結晶を有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、
第１の非線形光学結晶は、ＧｄＹＣＯＢ（ＧｄＸＹ１−ＸＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶からなる群から選ばれるいずれかであることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光源装置において、
前記第１の非線形光学結晶は、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶からなる群から選ばれるいずれかであり、
前記第１の波長の光は、前記第１の非線形光学結晶中を、非線形光学定数がほぼ最大となる方向に進行することを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光源装置において、
前記波長変換部は、前記第１の非線形光学結晶から射出された前記第２の波長の光と前記第３の波長の光とを入射し、和周波生成により第４の波長の光を生成する第２の非線形光学結晶を更に有することを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光源装置において、
前記波長変換部は、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶との間における前記第２の波長の光及び前記第３の波長の光の光路上に配設され、前記第２の波長の光と前記第３の波長の光との光軸ずれを補正する光路補正器を更に有することを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光源装置において、
前記波長変換部は、前記第１の非線形光学結晶よりも前段に配置され、非臨界位相整合及び擬似位相整合の一方を使用して波長変換を行う少なくとも１つの非線形光学結晶を更に有することを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光源装置において、
前記少なくとも１つの非線形光学結晶それぞれは、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶からなる群から選ばれるいずれかであることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項１に記載の光源装置において、
前記レーザ光発生部が発生した光を増幅し、前記波長変換部へ向けて射出する光増幅部を更に備えることを特徴とする光源装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光源装置において、
前記光増幅部は、光ファイバ増幅器を有することを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の光源装置において、
前記レーザ光発生器は、赤外域から可視域までの波長範囲内のレーザ光を発生し、前記波長変換部は紫外光を射出することを特徴とする光源装置。
【請求項１１】
物体に光を照射する光照射装置であって、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光源装置と；
前記光源装置から射出された光を前記物体に向けて射出する照射光学系と；を備える光照射装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光照射装置において、
前記物体は、感光物体であることを特徴とする光照射装置。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光源装置と；
前記光源装置から射出された光を第１物体に照射する照明光学系と；を備え、
前記第１物体に形成されたパターンが第２物体に転写されるように前記第１物体に照射された光で前記第２物体を露光することを特徴とする露光装置。
【請求項１４】
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフィ工程では、請求項１２に記載の光照射装置を用いて前記感光物体を露光することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光源装置、光照射装置及び露光装置、並びにデバイス製造方法に係り、さらに詳しくは、レーザ光を波長変換した光を発生する光源装置、該光源装置を備える光照射装置及び露光装置、並びに前記光照射装置をリソグラフィ工程で用いるデバイス製造方法に関する。
背景技術
従来から、物体の微細構造の検査、物体の微細加工、また、視力矯正の治療等に光照射装置が使用されている。例えば、半導体素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成されたパターンを、投影光学系を介してレジスト等が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板（以下、適宜「基板」又は「ウエハ」という）上に転写するために、光照射装置の一種である露光装置が用いられている。こうした露光装置としては、ステップ・アンド・リピート方式を採用する静止露光型の投影露光装置（いわゆるステッパ）や、ステップ・アンド・スキャン方式を採用する走査露光型の投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が主として用いられている。また、視力矯正のために、角膜表面のアブレーション（ＰＲＫ：Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｋｅｒａｔｅｃｔｏｍｙ）あるいは角膜内部のアブレーション（ＬＡＳＩＫ：Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｔｒａｓｔｒｏｍａｌ  Ｋｅｒａｔｏｍｉｌｅｕｓｉｓ）を行って近視や乱視等の治療をするために、光照射装置の一種であるレーザ治療装置が用いられている。
かかる光照射装置のために、短波長の光を発生する光源について多くの開発がなされてきた。こうした、短波長光源の開発の方向は、主に次の２種に大別される。その一つはレーザの発振波長自身が短波長であるエキシマレーザ光源の開発であり、もう一つは赤外又は可視光レーザの高調波生成を利用した短波長光源の開発である。
このうち、前者の方向に沿っては、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を使用する光源装置が開発され、現在ではさらに短波長の光源としてＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）等を使用する光源装置の開発が進められている。しかし、これらのエキシマレーザは大型であること、有毒なフッ素ガスを使用するためレーザのメインテナンスが煩雑でかつ費用が高額となるなどの、光源装置として不利な点が存在する。
そこで、後者の方向に沿った短波長化の方法である、非線形光学結晶の非線形光学効果を利用し、長波長の光（赤外光、可視光）をより短波長の紫外光に変換する方法が注目を集めている。かかる方法を使用した光源装置としては、例えば、国際公開公報ＷＯ９９／４６８３５に開示されたもの（以下、単に「従来例」という）がある。
上述のような非線形光学結晶を使用する短波長化の方法では、複数の非線形光学結晶を直列（及び、必要に応じて並列）に配置し、各非線形光学結晶における第２高調波生成又は和周波生成により、段階的に波長変換をする方法が、一般的に採用されている。こうした波長変換の方法を採用した場合には、ある段の非線形光学結晶において生成した第２高調波と、より前の段で使用した光あるいは生成した光との和周波生成を、より後の段の非線形光学結晶で行わせることがしばしば起きる。
しかしながら、通常使用される臨界位相整合の方法では、非線形光学結晶内において第２高調波生成や和周波生成により発生した光の進行方向と、その元となった非線形光学結晶への入射光の進行方向との角度ずれ（Ｗａｌｋ−ｏｆｆ）が発生する。したがって、和周波生成により短波長の光を効率良く発生させるために、ある段の非線形光学結晶において生成された第２高調波と、より前の段で使用した光あるいは生成された光とを、より後の段の非線形光学結晶に同軸で入射させるには、少なくとも一方の光についてその光路（光軸）を調整することが必要であった。このため、光軸調整用に多くの光学部品を配置しなければ、段階的に波長変換をする光源装置を実現することができなかった。
このため、段階的に波長変換をする従来の光源装置の構成は複雑かつ大規模なものとなってしまうとともに、微妙な光路調整が必須であった。
本発明は、上記の事情のもとでなされたものであり、その第１の目的は、簡単な構成で、波長変換された光を効率良く発生することができる光源装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、効率良く波長変換された光を物体（照射対象物）に照射することができる光照射装置を提供することにある。
また、本発明の第３の目的は、効率良く波長変換された光を用いて第１物体に形成されたパターンを第２物体上に精度良く転写することができる露光装置を提供することにある。
また、本発明の第４の目的は、デバイスの生産性の向上を図ることが可能なデバイス製造方法を提供することにある。
発明の開示
本発明は、第１の観点からすると、単一波長の光を発生するレーザ光発生部と；前記レーザ光発生部が発生するレーザ光と同一波長の光を入射光として波長変換を行う波長変換部と；を備え、前記波長変換部は、前記入射光及び該入射光の高調波のうちの第１の波長の光と第２の波長の光とを入射し、非臨界位相整合及び擬似位相整合の一方を使用した第２高調波生成により、前記第１の波長の１／２の波長である第３の波長の光を生成し、前記第２の波長の光と前記第３の波長の光とをほぼ同軸で射出する第１の非線形光学結晶を有することを特徴とする光源装置である。
これによれば、第１の非線形光学結晶が、非臨界位相整合又は擬似位相整合によって第１の波長の光からその第２高調波である第３の波長の光を効率良く生成するとともに、第２の波長の光と前記第３の波長の光とをほぼ同軸で射出する。このため、例えば、第１の非線形光学結晶の後段において、第２の波長の光と前記第３の波長の光との和周波生成を効率良く行うのにあたって、その位相整合のために光路の調整を行わずに済む。従って、簡単な構成で、波長変換された光を効率良く発生することができる。
この場合において、前記第１の非線形光学結晶として、ＧｄＹＣＯＢ（ＧｄＸＹ１−ＸＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３）結晶（Ｏ＜Ｘ＜１）、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶からなる群から選ばれるいずれかを採用することができる。
この場合において、前記第１の非線形光学結晶を、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶からなる群から選ばれるいずれかとし、前記第１の波長の光が、前記第１の非線形光学結晶中を、非線形光学定数がほぼ最大となる方向に進行する構成とすることができる。
また、本発明の光源装置では、前記波長変換部が、前記第１の非線形光学結晶から射出された前記第２の波長の光と前記第３の波長の光とを入射し、和周波生成により第４の波長の光を生成する第２の非線形光学結晶を更に有する構成とすることができる。
この場合において、前記波長変換部が、前記第１の非線形光学結晶と前記第２の非線形光学結晶との間における前記第２の波長の光及び前記第３の波長の光の光路上に配設され、前記第２の波長の光と前記第３の波長の光との光軸ずれを補正する光路補正器を更に有する構成とすることができる。
また、本発明の光源装置では、前記波長変換部が、前記第１の非線形光学結晶よりも前段に配置され、非臨界位相整合及び擬似位相整合の一方を使用して波長変換を行う少なくとも１つの非線形光学結晶を更に有する構成とすることができる。
この場合において、前記少なくとも１つの非線形光学結晶それぞれとして、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶からなる群から選ばれるいずれかを採用することができる。
また、本発明の光源装置では、前記レーザ光発生部が発生した光を増幅し、前記波長変換部へ向けて射出する光増幅部を更に備える構成とすることができる。
この場合において、前記光増幅部が光ファイバ増幅器を有する構成とすることができる。
また、本発明の光源装置では、前記レーザ光発生器が赤外域から可視域までの波長範囲内のレーザ光を発生し、前記波長変換部が紫外光を射出する構成とすることができる。
本発明は、第２の観点からすると、物体に光を照射する光照射装置であって、本発明の光源装置と；前記光源装置から射出された光を前記物体に向けて射出する照射光学系と；を備える光照射装置である。
これによれば、本発明の光源装置から射出された光を、照射光学系を介して物体に照射するので、効率良く波長変換された光を物体に照射することができる。
この場合において、前記光が照射される物体としては、光照射装置の使用目的に応じて種々の物体が用いられる。例えば、光照射装置をデバイスパターンの形成に使用する場合には、前記物体として感光物体を用いることができる。
本発明は、第３の観点からすると、本発明の光源装置と；該光源装置から射出された光を第１物体に照射する照明光学系と；を備え、前記第１物体に形成されたパターンが第２物体に転写されるように前記第１物体に照射された光で前記第２物体を露光することを特徴とする露光装置である。
これによれば、本発明の光源装置から射出された光が照明光学系によりパターンが形成された第１物体に照射されるので、効率良く波長変換された光が第１物体に照射され、その第１物体に照射された光で第２物体が露光される。従って、第１物体に形成されたパターンを第２物体に精度良く転写することが可能になる。
また、リソグラフィ工程において、物体として感光物体を用いる本発明の光照射装置を用いて前記感光物体を露光することにより、感光物体上にパターンを精度良く形成することができ、これにより、より高集積度のマイクロデバイスを生産性（歩留まりを含む）良く製造することができる。また、リソグラフィ工程において、本発明の露光装置を用いて第２物体上に第１物体に形成されたパターンを転写することにより、第２物体上に精度良くそのパターンを転写することができ、これにより、より高集積度のマイクロデバイスを生産性（歩留まりを含む）良く製造することができる。従って、本発明は、更に別の観点からすると、本発明の光照射装置あるいは露光装置などを用いるデバイス製造方法であるとも言える。
発明を実施するための最良の形態
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。
図１には、本発明に係る光源装置を含んで構成された第１の実施形態に係る光照射装置としての露光装置１０の概略構成が示されている。この露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置である。
この露光装置１０は、光源装置１６及び照明光学系１２から成る照明系、この照明系からの露光用照明光（以下、「照明光」又は「露光光」という）ＩＬにより照明されるレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲを介した露光光ＩＬを感光物体（及び物体）としてのウエハＷ上に投射する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持するＺチルトステージ５８が搭載されたＸＹステージ１４、及びこれらの制御系等を備えている。
前記光源装置１６は、例えば、波長１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ光とほぼ同一波長）の紫外パルス光、あるいは波長１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ光とほぼ同一波長）の紫外パルス光を出力する高調波生成装置である。この光源装置１６は、前記照明光学系１２、レチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、Ｚチルトステージ５８、ＸＹステージ１４及びこれら各部が搭載された不図示の本体コラム等から成る露光装置本体とともに、温度、圧力、湿度等が高精度に調整されたエンバイロンメンタル・チャンバ（以下、「チャンバ」という）１１内に収納されている。なお、本第１の実施形態では、光源装置１６を全てチャンバ１１内に配置するものとしたが、光源装置１６の一部、例えば後述する波長変換部１６３のみをチャンバ１１内、特に照明光学系１２と同一の架台に設け、この波長変換部１６３と光源装置１６の本体部とを光ファイバ等で接続しても良い。
図２には、光源装置１６の内部構成が装置全体を統括制御する主制御装置５０とともにブロック図にて示されている。この図２に示されるように、光源装置１６は、光源部１６Ａ、レーザ制御装置１６Ｂ、及び光量制御装置１６Ｃ等を含んで構成されている。
前記光源部１６Ａは、レーザ光発生部としてのパルス光発生部１６０、光増幅部１６１、波長変換部１６３、及びビームモニタ機構１６４を含んで構成されている。
前記パルス光発生部１６０は、レーザ光源１６０Ａ、光カップラＢＳ、光アイソレータ１６０Ｂ及び光変調器としての電気光学変調器（以下、「ＥＯＭ」という）１６０Ｃ等を有する。
前記レーザ光源１６０Ａとしては、ここでは、単一波長発振レーザ、例えば、発振波長１．５４４μｍ、連続波出力（以下「ＣＷ出力」という）のＤＦＢ半導体レーザが用いられている。以下においては、レーザ光源１６０Ａを適宜「ＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａ」とも呼ぶものとする。
なお、ＤＦＢ半導体レーザは、通常、ヒートシンクの上に設けられ、これらが筐体内に収納されている。本第１の実施形態では、ＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａに付設されるヒートシンク上に温度調整器（例えばペルチェ素子など）が設けられており、レーザ制御装置１６Ｂがその温度を制御することにより発振波長が制御（調整）可能な構成となっている。
前記光カップラＢＳとしては、透過率が９７％程度のものが用いられている。このため、ＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａからのレーザ光は、光カップラＢＳによって２つに分岐され、その９７％程度が次段の光アイソレータ１６０Ｂに向かって進み、残り３％程度がビームモニタ機構１６４に入射するようになっている。
前記ビームモニタ機構１６４は、フォトダイオード等の光電変換素子から成るエネルギモニタ（図示省略）を含んでいる。このエネルギモニタの出力は、レーザ制御装置１６Ｂを介して主制御装置５０に供給されており、主制御装置５０ではエネルギモニタの出力に基づいてレーザ光のエネルギパワーを検出し、レーザ制御装置１６Ｂを介してＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａで発振されるレーザ光の光量を必要に応じて制御する。
前記光アイソレータ１６０Ｂは、光カップラＢＳからＥＯＭ１６０Ｃに向かう方向の光のみを通過させ、反対向きの光の通過を阻止する。この光アイソレータ１６０Ｂにより、反射光（戻り光）に起因するＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａの発振モードの変化や雑音の発生等が防止される。
前記ＥＯＭ１６０Ｃは、光アイソレータ１６０Ｂを通過したレーザ光（ＣＷ光（連続光））をパルス光に変換するためのものである。ＥＯＭ１６０Ｃとしては、屈折率の時間変化に伴うチャープによる半導体レーザ出力の波長広がりが小さくなるように、チャープ補正を行った電極構造を持つ電気光学変調器（例えば二電極型変調器）が用いられている。ＥＯＭ１６０Ｃは、光量制御装置１６Ｃから印加される電圧パルスに同期して変調されたパルス光を出力する。例えば、ＥＯＭ１６０ＣによりＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａで発振されたレーザ光がパルス幅１ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ（パルス周期約１０μｓ）のパルス光に変調する。なお、繰り返し周波数は、光ファイバ増幅器における自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に起因するノイズの影響を抑制できる値が選択される。
なお、ＥＯＭ１６０Ｃへの印加電圧とＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａへの供給電流制御とを併用して、出力光のパルス化を行うことが望ましい。かかる場合には、消光比を向上することができる。このようにすれば、ＥＯＭ１６０Ｃのみを用いる場合に比べて、消光比を向上しつつ、パルス幅が狭いパルス光を容易に発生させることが可能になるとともに、パルス光の発振間隔や発振の開始及びその停止などをより簡単に制御することが可能になる。また、ＥＯＭ１６０Ｃに代えて、音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いることも可能である。
前記光増幅部１６１は、ＥＯＭ１６０Ｃからのパルス光を増幅するもので、図３に示されるように、ＥＯＭ１６０Ｃからのパルス光を時間順に周期的に振り分けて分岐（例えば、１２８分岐）する光分岐器１６６と、複数の光ファイバ増幅器１６７とを含んで構成されている。
図３に示されるように、光ファイバ増幅器１６７は、増幅用媒体としての増幅用光ファイバ１７５、ポンプ光を発生する励起用半導体レーザ１７８１，１７８２、上述のＥＯＭ１６０Ｃの出力光とポンプ光とを合成し、こうして得られた合成光を増幅用光ファイバ１７５に供給する波長分割多重化装置（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：ＷＤＭ）１７９１，１７９２を備えている。ここで、励起用半導体レーザ１７８１及びＷＤＭ１７９１は前方励起に使用され、一方、励起用半導体レーザ１７８２及びＷＤＭ１７９２は後方励起に使用されている。これにより、入力光強度に対する光増幅率の線形性の維持と、光増幅率の向上とを図っている。
前記増幅用光ファイバ１７５は、シリカガラス又はフォスフェイトガラスを主材とし、コアとクラッドを有し、コアにエルビウム（Ｅｒ）、あるいはＥｒとイッテルビウム（Ｙｂ）との２種のイオンが高密度にドープされた光ファイバが用いられる。
以上のように構成された光ファイバ増幅器１６７において、増幅用光ファイバ１７５に、励起用半導体レーザ１７８１，１７８２が発生したポンプ光がＷＤＭ１７９１，１７９２を介して供給された状態で、ＷＤＭ１７９１を介してパルス光が入射し増幅用光ファイバ１７５のコア中を進行すると、誘導放射が発生し、パルス光が増幅される。かかる光増幅にあたって、増幅用光ファイバ１７５は高い増幅率を有するので、波長の単一性が高い高輝度のパルス光が出力される。このため、効率良く狭帯域の光を得ることができる。
前記励起用半導体レーザ１７８１，１７８２は、ＤＦＢ半導体レーザ１６０Ａにおける発振波長よりも短い波長（例えば、９８０ｎｍ）の光をポンプ光として発生する。このポンプ光がＷＤＭ１７９１，１７９２を介して増幅用光ファイバ１７５に供給され、それによりＥｒの殻外電子が励起され、いわゆるエネルギ準位の反転分布が発生する。なお、励起用半導体レーザ１７８１，１７８２は、光量制御装置１６Ｃによって制御されるようになっている。
また、本第１の実施形態では、各光ファイバ増幅器１６７のゲインの差を抑制するため、光ファイバ増幅器１６７の内部で出力光の一部が分岐され、それぞれの分岐端に設けられた光電変換素子１７１によって前記分岐された光がそれぞれ光電変換されるようになっている。これらの光電変換素子１７１の出力信号が光量制御装置１６Ｃに供給されるようになっている。
光量制御装置１６Ｃでは、各光ファイバ増幅器１６７からの光出力が一定になるように（即ちバランスするように）、各励起用半導体レーザ１７８１，１７８２のドライブ電流をフィードバック制御するようになっている。
前記波長変換部１６３は、複数の非線形光学結晶を含み、光増幅部１６１からのパルス光（波長１．５４４μｍの光）をその８倍高調波に波長変換して、ＡｒＦエキシマレーザとほぼ同じ出力波長（１９３ｎｍ）のパルス紫外光を発生する。
図４には、この波長変換部１６３の構成例が示されている。ここで、この図に基づいて波長変換部１６３の具体例について説明する。なお、図４には、光増幅部１６１から射出される波長１．５４４μｍの光を基本波として、非線形光学結晶を用いて８倍波（高調波）に波長変換して、ＡｒＦエキシマレーザとほぼ同じ波長である１９３ｎｍの紫外光を発生する構成例を示す。
図４の波長変換部１６３では、基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）→３倍波（波長５１５ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）→７倍波（波長２２１ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎｍ）の順に波長変換が行われる。
これを更に詳述すると、光増幅部１６１から射出された波長１．５４４μｍ（周波数ω）の光（基本波）は、集光レンズ１８１を介して、１段目の非線形光学結晶１８３に入射する。基本波がこの非線形光学結晶１８３を通る際に、いわゆるタイプ１の第２高調波生成により基本波の周波数ωの２倍、すなわち周波数２ω（波長は１／２の７７２ｎｍ）の２倍波が発生する。
この１段目の非線形光学結晶１８３として、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）結晶が用いられ、不図示の温度調整器によって温度調整され、基本波を２倍波に波長変換するための位相整合が、ノンクリティカル位相整合（ＮＣＰＭ：Ｎｏｎ−Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）によって行われる。ＮＣＰＭは、非線形光学結晶内での基本波と第二高調波との角度ずれ（Ｗａｌｋ−ｏｆｆ）が起こらず、高効率で２倍波への変換を可能にする。また、発生した２倍波はＷａｌｋ−ｏｆｆによるビームの変形も受けないため有利である。そして、ＮＣＰＭによる第２高調波生成ではＷａｌｋ−ｏｆｆが発生しないため、非線形光学結晶１８３からは、基本波及び２倍波がほぼ同軸で射出される。
非線形光学結晶１８３から射出された基本波と２倍波とは、波長板１８４でそれぞれの電界成分に半波長、１波長の遅延が与えられる。この結果、基本波のみその偏光方向が９０度回転する。そして、偏光方向が９０度回転した基本波と２倍波とが、集光レンズ１８５を介して、２段目の非線形光学結晶１８６に入射する。２段目の非線形光学結晶１８６としてＬＢＯ結晶が用いられるとともに、そのＬＢＯ結晶は１段目の非線形光学結晶（ＬＢＯ結晶）１８３とは異なる温度でＮＣＰＭによる位相整合が図られる。この非線形光学結晶１８６では、１段目の非線形光学結晶１８３で発生した２倍波と、波長変換されずにその非線形光学結晶１８３を透過した基本波とからタイプ１の和周波生成により３倍波（波長５１５ｎｍ）を得る。そして、非線形光学結晶１８６からは、基本波、２倍波、および３倍波がほぼ同軸で射出される。
次に、非線形光学結晶１８６から射出された基本波と、２倍波及び３倍波とは、波長選択素子であるダイクロイック・ミラー１８７により分離される。ここで、２倍波及び３倍波は反射され、集光レンズ１８８を介した後、３段目の非線形光学結晶１８９に入射する。一方、ダイクロイック・ミラー１８７を透過した基本波は、ミラー１９４、集光レンズ１９５１，１９５２、及びミラー１９６を順次介し、後述する最終段である５段目の非線形光学結晶１９８へ向けて進行する。
３段目の非線形光学結晶１８９としてはＧｄＹＣＯＢ（ＧｄＸＹ１−ＸＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３）結晶が用いられ、３倍波は波長変換されずにそのＬＢＯ結晶を透過するとともに、２倍波がタイプ１の第２高調波生成により４倍波（波長３８６ｎｍ）に変換される。このＧｄＹＣＯＢ結晶１８９は、組成を決定するパラメータＸを調整して、２倍波から４倍波を生成する第２高調波生成をＮＣＰＭにより行える複屈折率を有するようにされている。なお、ＧｄＹＣＯＢ結晶１８９も温度制御によって、位相整合角の微調整が行われるようになっている。そして、非線形光学結晶１８９からは、３倍波及び４倍波がほぼ同軸で射出される。
非線形光学結晶１８９から射出された３倍波及び４倍波は、集光レンズ１９０を介して、４段目の非線形光学結晶１９１に入射する。４段目の非線形光学結晶１９１としては、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶が用いられ、３倍波と４倍波とからタイプ１の和周波生成により７倍波（波長２２１ｎｍ）を生成する。非線形光学結晶１９１で得られた７倍波は集光レンズ１９２，１９３を介するとともに、ダイクロイック・ミラー１９７で、前述したダイクロイック・ミラー１８７を透過した基本波と同軸に合成されて、５段目の非線形光学結晶１９８に入射する。
５段目の非線形光学結晶１９８としてＬＢＯ結晶が用いられ、基本波と７倍波とからタイプ１の和周波生成により８倍波（波長１９３ｎｍ）を得る。上記構成において、８倍波生成用ＬＢＯ結晶１９８のかわりに、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）結晶、あるいはＬｉ２Ｂ４Ｏ７（ＬＢ４）結晶などを用いることも可能である。なお、本実施形態では、３倍波と４倍波とから７倍波を生成するものとしたが、例えば基本波と６倍波とから７倍波を生成する場合には、その非線形光学結晶としてＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＬＢ４結晶、あるいはＬＢＯ結晶などを用いることが可能である。
図１に戻り、前記照明光学系１２は、オプティカルインテグレータ、可変ＮＤフィルタ、及びレチクルブラインド等（いずれも不図示）を含んで構成されている。ここで、オプティカルインテグレータとしてはフライアイレンズ、内面反射型インテグレータ（ロッドインテグレータ等）、あるいは回折光学素子等が用いられる。こうした照明光学系の構成は、例えば、特開平１０−１１２４３３号公報、特開平６−３４９７０１号公報及びこれに対応する米国特許第５，５３４，９７０号公報などに開示されている。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
この照明光学系１２から射出された露光光ＩＬは、ミラーＭによって光路が垂直下方に折り曲げられた後、コンデンサレンズ３２を経て、レチクルステージＲＳＴ上に保持されたレチクルＲ上の矩形の照明領域４２Ｒを均一な照度分布で照明する。
前記レチクルステージＲＳＴ上にはレチクルＲが載置され、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、水平面（ＸＹ平面）内で移動可能であり、レチクルステージ駆動部４９によって走査方向（ここでは図１の紙面左右方向であるＹ方向とする）に所定ストローク範囲で走査されるようになっている。この走査中のレチクルステージＲＳＴの位置及び回転量は、レチクルステージＲＳＴ上に固定された移動鏡５２Ｒを介して外部のレーザ干渉計５４Ｒによって計測され、このレーザ干渉計５４Ｒの計測値が主制御装置５０に供給されるようになっている。
前記投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックな縮小系であり、共通のＺ軸方向の光軸ＡＸを有する複数枚のレンズエレメントから構成されている。また、この投影光学系ＰＬとしては、投影倍率βが例えば１／４、１／５、１／６等のものが使用されている。このため、上記のようにして、露光光ＩＬによりレチクルＲにおける照明領域４２Ｒが照明されると、そのレチクルＲに形成されたパターンのうち照明領域４２Ｒ内の一部を投影光学系ＰＬによって投影倍率βで縮小した像が、投影光学系ＰＬの視野内で照明領域４２Ｒと共役な矩形の投影領域４２Ｗに形成され、ウエハＷの表面に塗布されたレジスト（感光剤）にその縮小像が転写される。
前記ＸＹステージ１４は、ウエハステージ駆動部５６によって走査方向であるＹ方向及びこれに直交するＸ方向（図１における紙面直交方向）に２次元駆動されるようになっている。このＸＹステージ１４上に搭載されたＺチルトステージ５８上に不図示のウエハホルダを介してウエハＷが真空吸着等により保持されている。Ｚチルトステージ５８は、例えば３つのアクチュエータ（ピエゾ素子又はボイスコイルモータなど）によってウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）を調整すると共に、ＸＹ平面（投影光学系ＰＬの像面）に対するウエハＷの傾斜角を調整する機能を有する。また、ＸＹステージ１４の位置は、Ｚチルトステージ５８上に固定された移動鏡５２Ｗを介して外部のレーザ干渉計５４Ｗにより計測され、このレーザ干渉計５４Ｗの計測値が主制御装置５０に供給されるようになっている。
ここで、移動鏡は、実際には、Ｘ軸に垂直な反射面を有するＸ移動鏡とＹ軸に垂直な反射面を有するＹ移動鏡とが存在し、これに対応してレーザ干渉計もＸ軸位置計測用、Ｙ軸位置計測用、及び回転（ヨーイング量、ピッチング量、ローリング量を含む）計測用のものがそれぞれ設けられているが、図１では、これらが代表的に、移動鏡５２Ｗ、レーザ干渉計５４Ｗとして示されている。
Ｚチルトステージ５８上には、後述するレチクルアライメント等を行う際に使用される基準マーク板ＦＭが設けられている。この基準マーク板ＦＭは、その表面がウエハＷの表面とほぼ同一の高さとされている。この基準マーク板ＦＭの表面には、レチクルアライメント用基準マーク、ベースライン計測用基準マーク等の基準マークが形成されている。
更に、本第１の実施形態の露光装置１０では、図１に示されるように、主制御装置５０の制御の下で、投影光学系ＰＬの結像面（ＸＹ平面）に設定される多数の計測点に向けてそれぞれピンホール又はスリットの像を形成するための結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向より照射する照射系６０ａと、それらの結像光束のウエハＷ表面での反射光束を受光する受光系６０ｂとからなる斜入射方式の多点焦点位置検出系（フォーカスセンサ）が設けられている。なお、本第１の実施形態と同様の多点焦点位置検出系（フォーカスセンサ）の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報及びこれに対応する米国特許第５，４４８，３３２号等に開示されている。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
走査露光時等に、主制御装置５０は、受光光学系６０ｂからの各計測点について検出されたＺ位置に基づいて、計測点が存在するショット領域の一部の表面のＺ位置及び傾斜量を逐次算出しつつ、この算出結果に基づいてＺチルトステージ５８のＺ位置や傾斜角を不図示の駆動系を介して制御することにより、オートフォーカス（自動焦点合わせ）及びオートレベリングを実行する。
前記主制御装置５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等から成るいわゆるマイクロコンピュータ（又はワークステーション）を含んで構成され、これまでに説明した各種の制御を行う他、露光動作が的確に行われるように、例えばレチクルＲとウエハＷの同期走査、ウエハＷのステッピング、露光タイミング等を制御する。また、本第１の実施形態では、主制御装置５０は、後述するように走査露光の際の露光量の制御を行ったりする等の他、装置全体を統括制御する。
具体的には、主制御装置５０は、例えば走査露光時には、レチクルＲが照明領域４２Ｒに対してレチクルステージＲＳＴを介して＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度ＶＲ＝Ｖで走査されるのに同期して、ＸＹステージ１４を介してウエハＷが投影領域４２Ｗに対して−Ｙ方向（又は＋Ｙ方向）に速度ＶＷ＝β・Ｖ（βはレチクルＲからウエハＷに対する投影倍率）で走査されるように、レーザ干渉計５４Ｒ、５４Ｗの計測値に基づいてレチクルステージ駆動部４９、ウエハステージ駆動部５６をそれぞれ介してレチクルステージＲＳＴ、ＸＹステージ１４の位置及び速度をそれぞれ制御する。また、ステッピングの際には、主制御装置５０ではレーザ干渉計５４Ｗの計測値に基づいてウエハステージ駆動部５６を介してＸＹステージ１４の位置を制御する。
次に、本第１の実施形態の露光装置１０において所定枚数（Ｎ枚）のウエハＷ上にレチクルパターンの露光を行う場合の露光シーケンスについて主制御装置５０の制御動作を中心として説明する。
まず、主制御装置５０では、不図示のレチクルローダを用いて露光対象のレチクルＲをレチクルステージＲＳＴ上にロードする。
次いで、不図示のレチクルアライメント系を用いてレチクルアライメントを行うとともに、前述した基準マークを用いてオフアクシス方式のアライメント系（不図示）のベースライン計測を行う。なお、レチクルアライメント、ベースライン計測等の準備作業については、例えば特開平７−１７６４６８号公報及びこれに対応する米国特許第５，６４６，４１３号に詳細に開示されており、本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び対応する上記米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
次に、主制御装置５０では、不図示のウエハ搬送系にウエハＷの交換を指示する。これにより、ウエハ搬送系及びＸＹステージ１４上の不図示のウエハ受け渡し機構によってウエハ交換（ステージ上にウエハが無い場合は、単なるウエハロード）が行われる。このウエハ交換は、公知の露光装置と同様に行われるので詳細説明は省略する。
次いで、前述のベースライン計測が行われたアライメント系を用いて、ファインアライメント、例えば特開昭６１−４４４２９号公報及びこれに対応する米国特許第４，７８０，６１７号等に詳細に開示されるＥＧＡ方式のウエハアライメント等を含む一連のアライメント工程の処理が行われる。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び対応する上記米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
次に、上記のアライメント結果及びショットマップデータに基づいて、ウエハＷ上の各ショット領域の露光のための走査開始位置にウエハＷを移動させる動作と、前述した走査露光動作とを繰り返し行って、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の複数のショット領域にレチクルパターンを転写する。かかる走査露光中に、主制御装置５０は、露光条件及びレジスト感度に応じて決定された目標積算露光量をウエハＷに与えるため、光量制御装置１６Ｃに指令を与え、露光光量の制御を行う。
１枚目のウエハＷに対する露光が終了すると、主制御装置５０では、不図示のウエハ搬送系にウエハＷの交換を指示する。これにより、ウエハ搬送系及びＸＹステージ１４上の不図示のウエハ受け渡し機構によってウエハ交換が行われ、以後上記と同様にしてその交換後のウエハに対してサーチアライメント、ファインアライメントを行う。
そして、上記と同様にして、このウエハＷ上の複数のショット領域にステップ・アンド・スキャン方式でレチクルパターンを転写する。
なお、露光条件及び／又はレチクルパターンの変更によって照度が変化するときは、ウエハ（レジスト）に適正な露光量が与えられるように、光源１６から射出される光の周波数とピークパワーとの少なくとも一方を制御することが望ましい。このとき、周波数及びピークパワーの少なくとも一方に加えてレチクル及びウエハの走査速度を調整するようにしても良い。
これまでの説明から明らかなように、本実施形態では、光照射装置としての露光装置１０を構成する照射光学系が照明光学系１２、ミラーＭ、コンデンサレンズ３２及び投影光学系ＰＬによって構成されている。但し、露光装置の種類によっては、投影光学系は必ずしも用いられないので、このような場合には、光源装置と感光物体との間に配置される光学系及び光学素子によって照射光学系が構成されることになる。
以上説明したように、本第１の実施形態に係る光源装置１６によれば、パルス光発生部１６０が発生した連続的な光パルス列を光増幅部１６１が増幅した後、波長変換部１６３において、非臨界位相整合を多用して段階的に波長変換するので、通常の臨界位相整合の場合に位相整合のために光路を設定するための多くの光部品を用いることなく、高輝度の波長変換光（紫外光）を発生することができる。すなわち、簡単な構成で、波長変換された光を効率良く発生することができる。
また、本第１の実施形態の露光装置１０によれば、走査露光にあたって高輝度の照明光ＩＬをレチクルＲに照射できるので、レチクルＲに形成されたパターンを精度良く効率的にウエハＷに転写することができる。
なお、上記の第１の実施形態では、３段目の非線形光学結晶１８９から射出された光が、集光レンズ１９０を介して４段目の非線形光学結晶１９１に入射するように構成したが（図４参照）、図５に示されるように、非線形光学結晶１８９と非線形光学結晶１９１との間に、非線形光学結晶１８９から射出された３倍波と４倍波との同軸性を補正する光路補正器１９９を更に配置する構成とすることもできる。光路補正器１９９としては、光軸に垂直な方向へのずれを補正する平行平面板、プリズム対等や、光軸方向へのずれを補正するレンズ等を用いることができる。このような構成は、非線形光学結晶１９１の加工誤差等により３倍波と４倍波との同軸性が所望の精度で達成できないような場合に有効である。
また、ダイクロイック・ミラー１８７，１９７の波長弁別性能が十分でないときには、図６に示されるように、基本波を反射し、基本波よりも短い波長の光を透過するダイクロイック・ミラー１８７Ａ，１９７Ａ、２倍波及び３倍波を効率良く反射するミラー１９４Ａ、７倍波を効率良く反射するミラー１９６Ａを使用し、ミラー１９４Ａとミラー１９６Ａとの間で、４倍波及び７倍波の生成を行っても良い。
また、ダイクロイック・ミラー１８７，１９７の波長弁別性能やミラー１９４，１９６の反射性能、更には波長変換部における入射光方向と射出光方向との所望の関係に応じて、波長変換部を、図７〜図９に代表的に示されるような様々な構成とすることもできる。
なお、上述の図５〜図９に関する説明では、図４と同じ部材には同一の符号を付して、その説明を省略している。
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本第２の実施形態の露光装置は、第１の実施形態の露光装置１０と同様に構成されており、光源装置における波長変換部の構成のみが相違する。かかる相違点に主に着目して、以下の説明を行う。なお、本第２の実施形態の説明にあたって、第１の実施形態と同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
本第２の実施形態の波長変換部１６３では、上述した第１の実施形態の波長変換部と同様に、光増幅部１６１からのパルス光（波長１．５４４μｍの光：基本波）をその８倍高調波に波長変換して、ＡｒＦエキシマレーザとほぼ同じ出力波長（１９３ｎｍ）のパルス紫外光を発生する。本第２の実施形態の波長変換部１６３は、図１０に示されるように、図４に示される第１の実施形態の波長変換部と比べて、（ａ）基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）の波長変換を第２高調波生成により行う１段目の非線形光学結晶として、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）結晶１８３に代えて周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶３０１が使用されている点、（ｂ）２倍波（波長７７２ｎｍ）→３倍波（波長５１５ｎｍ）の波長変換を和周波生成により行う２段目の非線形光学結晶として、ＬＢＯ結晶１８６に代えて周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０２が使用されている点、（ｃ）２倍波（波長７７２ｎｍ）→４倍波（波長３８６ｎｍ）の波長変換を行う３段目の非線形光学結晶として、ＧｄＹＣＯＢ結晶１８９に代えて周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０３が使用されている点、（ｄ）図４における非線形光学結晶１８３とレンズ１８５との間に配置された基本波についての１／２波長板１８３が取り除かれている点、及び、（ｅ）ミラー１９６とダイクロイック・ミラー１９７との間における基本波の光路上に、基本波についての１／２波長板３２１が配置されている点が相違している。
周期的ドメイン反転ＬＮ結晶は、周期的ドメイン反転誘電体結晶の一種であり、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）により、第２高調波生成あるいは和周波生成を行う。周期的ドメイン反転誘電体結晶としては、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶以外に、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）結晶、周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶、及び水晶ＱＰＭ素子等があり、これらの周期的ドメイン反転誘電体結晶も、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０１〜３０３に代えて使用することができる。
ＱＰＭによる第２高調波又は和周波の生成でも、元となった光（原波）の進行方向と、生成した光の進行方向との角度ずれ（Ｗａｌｋ−ｏｆｆ）が発生しないため、非線形光学結晶３０１〜３０３からは、原波及び生成光が同軸で射出される。このため、ＮＣＰＭの場合と同様に、後の段の非線形光学結晶における位相整合のための光路調整用の光学部品の多くを省略することができる。
ＱＰＭを行うためには、例えば、図１１に示されるように、同図における紙面上下方向の矢印で表される誘電分極方向が互いに反対向きの領域３０５及び領城３０６が、光の進行方向に沿って交互かつ周期的に形成された周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０１（３０２，３０３）を使用する。ここで、領域３０５及び領域３０６の光の進行方向に沿った幅は、以下のように定められるΛに設定されている。
周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０１，３０３の場合のように、第２高調波生成を行うときには、幅Λは、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０１，３０３内において、入射光の波数ベクトルの絶対値をｋ１とし、生成される第２高調波の波数ベクトルの絶対値をｋ２として、
Λ＝２π／（ｋ２−２ｋ１）                      …（１）
によって定められる。
なお、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０２の場合のように、和周波生成を行うときには、幅Λは、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０２内において、入射光の波数ベクトルの絶対値をｋ３，ｋ４とし、生成される和周波の波数ベクトルの絶対値をｋ５として、
Λ＝２π／（ｋ５−（ｋ３＋ｋ４））              …（２）
によって定められる。
上記の領域３０５及び領域３０６のようなドメイン領域の形成は、例えば、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ結晶の場合には、一方の種類の領域にのみ、誘電分極方向が通常（電圧印加されないとき）の誘電分極方向と逆方向となるような高電圧を印加することにより行われる。また、例えば、水晶ＱＰＭの場合には、応力発生をさせることにより行われる。
かかる周期的ドメイン反転誘電体結晶を使用したＱＰＭによる第２高調波生成や和周波生成では、周期的ドメイン反転誘電体結晶の結晶方位と入射光の進行方向との関係によって、波長変換効率が異なる。かかる波長変換効率は、第２高調波生成や和周波生成において利用する非線形光学定数の種類に依存するが、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ結晶、及び周期的ドメイン反転ＫＴＰ結晶の場合には、非線形光学定数ｄ３３を利用するときが最も波長変換効率が高くなる。本実施形態においては、こうした最も波長変換効率が高くなる非線形光学定数ｄ３３を利用する方向に沿って、入射した光を進行させることにしている。
以上のように、本実施形態では、周期的ドメイン反転ＬＮ結晶３０１〜３０３において非線形光学定数ｄ３３を利用して、第２高調波生成や和周波生成を行うが、こうした場合におけるＱＰＭによる第２高調波生成では、原波（入射光）の偏光方向と生成光（波長変換光）の偏光方向とが平行となることになる。また、ＱＰＭによる和周波生成では、互いに平行に設定される第１原波及び第２原波の偏光方向と生成光の偏光方向とが平行となることになる。
一方、第１の実施形態におけるＮＣＰＭによるタイプ１の第２高調波生成では、原波の偏光方向と、生成光の偏光方向とは互いに直交する。また、第１の実施形態におけるＮＣＰＭやＣＰＭによるタイプ１の和周波生成では、互いに平行に設定される第１原波及び第２原波の偏光方向と、生成光の偏光方向とは互いに直交する。
以上のような、ＱＰＭとＮＣＰＭ及びＣＰＭとの作用の相違、及び、タイプ１の和周波生成における、非線形光学結晶への入射時における第１原波の偏光方向と第２原波の偏光方向における平行性の要請（以下、「偏光方向平行化の要請」という）により、本第２の実施形態の波長変換部１６３は、第１の実施形態の波長変換部と比べて、上述の（ｄ）及び（ｅ）の構成上の相違点を有する構成とされている。
以下、本第２の実施形態の波長変換部１６３の作用を説明する。
光増幅部１６１から射出された波長１．５４４μｍ（周波数ω）の光（基本波）は、集光レンズ１８１を介して、１段目の非線形光学結晶３０１に入射する。基本波がこの非線形光学結晶３０１を通る際に、第２高調波生成により基本波の周波数ωの２倍、すなわち周波数２ωの２倍波が発生する。ここで、基本波の偏光方向と２倍波の偏光方向とはほぼ平行となっており、基本波と２倍波とは非線形光学結晶３０１からほぼ同軸で射出される。
非線形光学結晶３０１から射出された基本波と２倍波とは、集光レンズ１８５を介して、２段目の非線形光学結晶３０２に入射する。この非線形光学結晶３０２では、１段目の非線形光学結晶３０１で発生した２倍波と、波長変換されずにその非線形光学結晶３０１を透過した基本波とから和周波生成により３倍波（波長５１５ｎｍ）を得る。そして、非線形光学結晶３０２からは、基本波、２倍波、及び３倍波がほぼ同軸で射出される。ここで、基本波、２倍波、及び３倍波それぞれの偏光方向は互いにほぼ平行となっている。
次に、非線形光学結晶３０２から射出された基本波と、２倍波及び３倍波とは、波長選択素子であるダイクロイック・ミラー１８７により分離される。ここで、２倍波及び３倍波は反射され、集光レンズ１８８を介した後、３段目の非線形光学結晶３０３に入射する。一方、ダイクロイック・ミラー１８７を透過した基本波は、ミラー１９４、集光レンズ１９５１，１９５２、ミラー１９６、及び１／２波長板３２１を順次介し、後述する最終段である５段目の非線形光学結晶１９８へ向けて進行する。なお、基本波は、１／２波長板３２１を介することにより、偏光方向が９０°回転する。
３段目の非線形光学結晶３０３では、３倍波は波長変換されずにそのまま透過するとともに、２倍波が第２高調波生成により４倍波（波長３８６ｎｍ）に変換される。そして、非線形光学結晶３０３からは、３倍波及び４倍波がほぼ同軸で射出される。ここで、３倍波及び４倍波それぞれの偏光方向はほぼ平行となっている。
非線形光学結晶３０３から射出された３倍波及び４倍波は、集光レンズ１９０を介して、４段目の非線形光学結晶１９１に入射する。非線形光学結晶１９１では、３倍波と４倍波とから和周波生成により７倍波（波長２２１ｎｍ）を生成する。ここで、３倍波又は４倍波の偏光方向と７倍波の偏光方向とは互いに直交している。
非線形光学結晶１９１で得られた７倍波は集光レンズ１９２，１９３を介するとともに、ダイクロイック・ミラー１９７で、前述したダイクロイック・ミラー１８７を透過した基本波と同軸に合成されて、５段目の非線形光学結晶１９８に入射する。ここで、上述した１／２波長板３２１の作用により、非線形光学結晶１９８に入射する段階における基本波の偏光方向と７倍波の偏光方向とがほぼ平行となるように調整されている。
そして、５段目の非線形光学結晶１９８において、基本波と７倍波とから和周波生成により８倍波（波長１９３ｎｍ）を得る。
以上説明したように、本第２の実施形態に係る光源装置１６によれば、パルス光発生部１６０が発生した連続的な光パルス列を光増幅部１６１が増幅した後、波長変換部１６３において、擬似位相整合を多用して段階的に波長変換するので、通常の臨界位相整合の場合に位相整合のために光路を設定するための多くの光部品を用いることなく、高輝度の波長変換光（紫外光）を発生することができる。すなわち、簡単な構成で、波長変換された光を効率良く発生することができる。
また、本第２の実施形態の露光装置によれば、走査露光にあたって高輝度の照明光ＩＬをレチクルＲに照射できるので、レチクルＲに形成されたパターンを精度良く効率的にウエハＷに転写することができる。
なお、本第２の実施形態では、波長変換部１６３における１〜３段目の非線形光学結晶の全てに周期的ドメイン反転誘電体結晶３０１〜３０３を使用したが、図１２に示されるように、波長変換部１６３における１段目及び３段目の非線形光学結晶として、周期的ドメイン反転誘電体結晶３０１，３０３を使用することもできる。かかる場合には、上述した和周波生成における偏光方向平行化の要請を満たすために、非線形光学結晶３０３と非線形光学結晶１９１との間の光路上に、３倍波の偏光方向と４倍波の偏光方向とを平行化する波長板３２２が配置される構成となる。なお、この場合には、図１０における１／２波長板３２１は不用である。
また、図１３に示されるように、波長変換部１６３における１段目及び２段目の非線形光学結晶として、周期的ドメイン反転誘電体結晶３０１，３０２を使用することもできる。かかる場合には、和周波生成における偏光方向平行化の要請に応じ、図１２の場合と同様に、非線形光学結晶１８９と非線形光学結晶１９１との間の光路上に、３倍波の偏光方向と４倍波の偏光方向とを平行化する波長板３２２が配置される構成となる。なお、この場合にも、図１０における１／２波長板３２１は不用である。
また、図１４に示されるように、波長変換部１６３における２段目及び３段目の非線形光学結晶として、周期的ドメイン反転誘電体結晶３０２，３０３を使用することもできる。かかる場合には、和周波生成における偏光方向平行化の要請に応じ、第１の実施形態の場合と同様に、非線形光学結晶１８３と非線形光学結晶３０２との間（図１４では、非線形光学結晶１８３とレンズ１８５との間）の光路上に基本波の偏光方向と２倍波の偏光方向とを平行化する波長板１８４が配置されるとともに、図１０の場合と同様に１／２波長板３２１が配置される構成となる。
また、図１５に示されるように、波長変換部１６３における１段目の非線形光学結晶としてのみ、周期的ドメイン反転誘電体結晶３０１を使用することもできる。かかる場合には、和周波生成における偏光方向平行化の要請に応じた波長板は全く不用となる。
また、図１６に示されるように、波長変換部１６３における２段目の非線形光学結晶としてのみ、周期的ドメイン反転誘電体結晶３０２を使用することもできる。かかる場合には、和周波生成における偏光方向平行化の要請に応じ、第１の実施形態の場合と同様に、非線形光学結晶１８３と非線形光学結晶３０２との間（図１６では、非線形光学結晶１８３とレンズ１８５との間）の光路上に基本波の偏光方向と２倍波の偏光方向とを平行化する波長板１８４が配置されるとともに、図１２又は図１３の場合と同様に、非線形光学結晶１８９と非線形光学結晶１９１との間の光路上に、３倍波の偏光方向と４倍波の偏光方向とを平行化する波長板３２２が配置される構成となる。なお、この場合にも、図１０における１／２波長板３２１は不用である。
また、図１７に示されるように、波長変換部１６３における３段目の非線形光学結晶としてのみ、周期的ドメイン反転誘電体結晶３０３を使用することもできる。かかる場合には、和周波生成における偏光方向平行化の要請に応じ、第１の実施形態の場合と同様に、非線形光学結晶１８３と非線形光学結晶１８６との間（図１７では、非線形光学結晶１８３とレンズ１８５との間）の光路上に基本波の偏光方向と２倍波の偏光方向とを平行化する波長板１８４が配置されるとともに、非線形光学結晶１８６と非線形光学結晶３０３との間の光路上に、２倍波の偏光方向と３倍波の偏光方向とを平行化する波長板３２３が配置される構成となる。なお、この場合にも、図１０における１／２波長板３２１は不用である。
また、上記の第２の実施形態では、波長変換部１６３における１段目の非線形光学結晶３０１と２段目の非線形光学結晶３０２との間の光路上にレンズ１８５を配置したが、図１８に示されるように、非線形光学結晶３０１と非線形光学結晶３０２とを近接させて配置することにより、レンズ１８５を省略することができる。これにより波長変換部１６３の小型化を図ることができる。
また、上記の第２の実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、８倍波生成用ＬＢＯ結晶１９８の代わりに、ＣＬＢＯ結晶、あるいはＬＢ４結晶などを用いることが可能である。なお、本実施形態では３倍波と４倍波とから７倍波を生成するものとしたが、例えば基本波と６倍波とから７倍波を生成する場合には、その非線形光学結晶としてＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＬＢ４結晶、あるいはＬＢＯ結晶などを用いることが可能である。
また、上記の第２の実施形態においても、第１の実施形態における図５〜図９への変形と同様の変形が可能である。
また、上記の第２の実施形態では、第１の実施形態の波長変換部における１〜３段目の非線形光学結晶を、ＮＣＰＭにより第２高調波生成又は和周波生成を行う非線形光学結晶から、ＱＰＭにより第２高調波生成又は和周波生成を行う周期的ドメイン反転誘電体結晶に置き換えたが、周期的ドメイン反転誘電体結晶として水晶ＱＰＭ素子を使用すれば、第１の実施形態の波長変換部における全ての非線形光学結晶を、水晶ＱＰＭ素子に置き換えることができる。
なお、上記の各実施形態では、光源部１６０からパルス光が射出されるため、波長変換部１６３における基本波〜７倍波は全てパルス光となる。このため、効率的に８倍波を発生するには、波長変換部１６３において、基本波から順次７倍波にまでに波長変換され、該７倍波が基本波と同軸に合成されるまでの光路長と、基本波が７倍波と同軸に合成されるまでの光路の光路長とをほぼ同一に設定することが必要になる。このためには、予め上記の波長変換部１６３を構成する光学部品の幾何学的配置を考慮するとともに、最終的に、ダイクロイック・ミラー１８７からレンズ１８８等を順次介してダイクロイック・ミラー１９７に至る光路、又はダイクロイック・ミラー１８７からミラー１９４等を順次介してダイクロイック・ミラー１９７に至る光路に、例えば光透過性の平行平板又は複数のミラー等からなる光路長補正部材を挿入すれば良い。
また、上記の各実施形態における波長変換部の非線形光学結晶の材料、出力波長等は一例であって、これに限定されないことは勿論である。例えば、光増幅部１６１から射出される波長１．５７μｍの基本波を、非線形光学結晶を用いて１０倍波の高調波生成を行い、Ｆ２レーザと同じ波長である１５７ｎｍの紫外光を発生することもできる。
また、上記の各実施形態では、レーザ光源１６０Ａとして、ＤＦＢ半導体レーザを使用したが、他の半導体レーザや、例えば発振波長が９９０ｎｍ付近のイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバーレーザ等のファイバレーザを使用することもできる。
また、上記の各実施形態では、増幅用光ファイバとしてＥｒドープファイバを採用したが、Ｙｂドープファイバその他の希土類元素ドープファイバを採用することも可能である。
また、上記の各実施形態では、増幅用媒体として希土類元素がコア部に添加された光ファイバを採用したが、例えば、希土類元素が添加されたロッド状のガラス体を採用し、これに励起光を照射するようにしても良い。
また、光増幅部１６１において並列に配置される光ファイバ増幅器１６７の数は任意でよく、本発明に係る光源装置が適用される製品において要求される仕様に応じてその本数を決定すれば良い。特に、光源装置として高出力を要求されない場合には、光ファイバ増幅器１６７の数を減らして、構成を簡略化することができる。なお、光ファイバ増幅器１６７を１つのみ含むように簡略化するときは、分岐器１６６も不要となる。
また、上記の各実施形態では、光源装置が射出する紫外光の波長を、ＡｒＦエキシマレーザとほぼ同一に設定するものとしたが、その設定波長は任意でよく、この設定すべき波長に応じて、レーザ光源１６０Ａの発振波長や波長変換部１６３の構成及び高調波の倍率などを決定すれば良い。なお、設定波長は、一例として、ウエハ上に転写すべきパターンのデザインルール（線幅、ピッチなど）に応じて決定するようにしてもよく、さらにはその決定に際して前述の露光条件やレチクルの種類（位相シフト型か否か）などを考慮しても良い。
また、上記の各実施形態では、本発明に係る光源装置がステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に適用された場合について説明したが、露光装置以外でデバイス製造工程などに用いられる装置、例えば、ウエハ上に形成された回路パターンの一部（ヒューズなど）を切断するために用いられるレーザリペア装置などにも本発明に係る光源装置を適用することができる。また、本発明は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に限らず、静止露光型、例えばステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパなど）にも好適に適用できるものである。更にはステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置、ミラープロジェクション・アライナーなどにも適用できる。
また、上記の実施形態では、本発明に係る光源装置が露光用照明光を発生する光源装置として使用される例を説明したが、露光用照明光とほぼ同一の波長の光を必要とする上述のレチクルアライメント用の光源装置、あるいは投影光学系の物体面又は像面に配置されるマークの投影像を検出して当該投影光学系の光学特性を求める空間像検出系の光源装置等として使用することも可能である。
なお、本発明の光源装置は、露光装置以外にも様々な装置に利用することができる。例えば、レーザ光を角膜に照射して表面のアブレーション（あるいは切開した角膜内部のアブレーション）を行い、角膜の曲率若しくは凹凸を矯正して近眼、乱視などの治療を行うレーザ治療装置に使用される光源装置として利用することができる。また、光学式検査装置等における光源装置としても、本発明の光源装置は利用可能である。
また、本発明の光源装置は、上記の実施形態における投影光学系のような光学系の光学調整（光軸合わせ等）用又は検査用としても利用可能である。さらには、エキシマレーザを光源として有する各種装置において、エキシマレーザに置き換えて本発明の光源装置を適用できる。
なお、図２に示された光源装置１６の構成は図１の露光装置１０における使用を前提としたものであって、光源装置１６は、図２の構成に限られるものではない。露光装置では高精度な波長制御や光量制御等が必要となるが、例えば、露光装置以外で厳密な光量制御等が不要であれば、光量モニタや光量制御装置１６Ｃ等を設けなくとも良い。
次に、上記の各実施形態の露光装置を使用したデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造について説明する。
まず、設計ステップにおいて、デバイスの機能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、マスク製作ステップにおいて、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ウエハ製造ステップにおいて、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
次に、ウエハ処理ステップにおいて、上記のステップで用意されたマスクとウエハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路等を形成する。
このウエハ処理ステップは、例えば、半導体デバイスの製造にあたっては、ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打込みステップといったウエハプロセスの各段階の前処理工程と、後述する後処理工程を有している。前処理工程は、ウエハプロセスの各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
ウエハプロセスの各段階において、前処理工程が終了すると、レジスト処理ステップにおいてウエハに感光剤が塗布され、引き続き、露光ステップにおいて上記で説明した露光装置１０によってマスク（又はレチクル）に形成された回路パターンをウエハに転写する。すなわちウエハの露光を行う。次に、現像ステップにおいて露光されたウエハが現像され、引き続き、エッチングステップにおいて、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、レジスト除去ステップにおいて、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
以上のようにして、前処理工程と、レジスト処理ステップからレジスト除去ステップまでの後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
こうしてウエハ処理ステップが終了すると、組み立てステップにおいて、ウエハ処理ステップにおいて処理されたウエハを用いてチップ化する。この組み立てには、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）やパッケージング工程（チップ封入）等の工程が含まれる。
最後に、検査ステップにおいて、組み立てステップで作製されたデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。
以上のようにして、精度良く微細なパターンが形成されたデバイスが、高い生産性で製造される。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明の光源装置は、簡単な構成で、波長変換された光を効率良く発生するのに適している。また、本発明の光照射装置は、効率良く波長変換された光を物体に照射するのに適している。また、本発明の露光装置は、パターンを物体に転写するのに適している。また、本発明のデバイス製造方法は、微細なパターンを感光物体上に形成するのに適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。
図２は、図１の光源装置の内部構成を主制御装置とともに示すブロック図である。
図３は、図２の光増幅部を構成する光ファイバ増幅器及びその周辺部を、波長変換部の一部とともに概略的に示す図である。
図４は、図２の波長変換部の構成を示す図である。
図５は、図４の波長変換部の変形例（その１）を説明するための図である。
図６は、図４の波長変換部の変形例（その２）を説明するための図である。
図７は、図４の波長変換部の変形例（その３）を説明するための図である。
図８は、図４の波長変換部の変形例（その４）を説明するための図である。
図９は、図４の波長変換部の変形例（その５）を説明するための図である。
図１０は、第２実施形態に係る波長変換部の構成を示す図である。
図１１は、図１０の周期的ドメイン反転誘電体結晶の構成を示す図である。
図１２は、図１０の波長変換部の変形例（その１）を説明するための図である。
図１３は、図１０の波長変換部の変形例（その２）を説明するための図である。
図１４は、図１０の波長変換部の変形例（その３）を説明するための図である。
図１５は、図１０の波長変換部の変形例（その４）を説明するための図である。
図１６は、図１０の波長変換部の変形例（その５）を説明するための図である。
図１７は、図１０の波長変換部の変形例（その６）を説明するための図である。
図１８は、図１０の波長変換部の変形例（その７）を説明するための図である。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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