JP6016086B2 - 紫外レーザ装置、この紫外レーザ装置を備えた露光装置及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外波長のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光を紫外波長のレーザ光に波長変換する波長変換光学系とを備え、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置に関する。

波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を利用するシステムとして、例えば、露光装置や検査装置、治療装置等が知られている。このようなシステムに好適な紫外レーザ装置として種々の構成が提案されている。例えば、レーザ光源から出射された赤外波長のシード光をエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）により増幅し、増幅された赤外レーザ光を複数の波長変換光学素子により順次波長変換して、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。このような構成により、取り扱いが容易で小型の全固体型の紫外レーザ装置が実現される。

特開２００４−８６１９３号公報 特開２０１０−９３２１０号公報

しかしながら、提案されている紫外レーザ装置には一長一短がある。本発明は、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力可能な、新規構成の紫外レーザ装置を提供することを目的とする。また、新規構成の紫外レーザ装置を備えた露光装置、検査装置等を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明を例示する第１の態様は紫外レーザ装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の紫外レーザ装置は、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある赤外レーザ光を出力するレーザ光出力部と、レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光を複数の波長変換光学素子により順次波長変換して赤外レーザ光の第８高調波である第１紫外レーザ光を発生させる第１波長変換光学系と、レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光及び第１波長変換光学系により発生された第１紫外レーザ光が入射する第２波長変換光学系とを備える。第２波長変換光学系は、第１紫外レーザ光と赤外レーザ光との和周波発生により第２紫外レーザ光を発生させる第１の波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３５）と、第２紫外レーザ光と第１の波長変換光学素子を透過した赤外レーザ光との和周波発生により波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を発生させる第２の波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３６）とを有し、第１の波長変換光学素子における位相整合は、赤外レーザ光を常光、第１紫外レーザ光を異常光とし、第２紫外レーザ光を常光として発生させるタイプII位相整合であることを特徴とする。

第１の態様に含まれる第２の構成形態の紫外レーザ装置は、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある赤外レーザ光を出力するレーザ光出力部と、レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光を複数の波長変換光学素子により順次波長変換して赤外レーザ光の第８高調波である第１紫外レーザ光を発生させる第１波長変換光学系と、レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光及び第１波長変換光学系により発生された第１紫外レーザ光が入射する第２波長変換光学系とを備える。第２波長変換光学系は、第１紫外レーザ光と赤外レーザ光との和周波発生により第２紫外レーザ光を発生させる第１の波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３５）と、第２紫外レーザ光と第１の波長変換光学素子を透過した赤外レーザ光との和周波発生により波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を発生させる第２の波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３６）とを有し、第１の波長変換光学素子における位相整合は、赤外レーザ光を異常光、第１紫外レーザ光を常光とし、第２紫外レーザ光を異常光として発生させるタイプII位相整合であり、第１の波長変換光学素子はＣＢＯ結晶であることを特徴とする。

なお、前記第２の波長変換光学素子における位相整合は、赤外レーザ光及び第２紫外レーザ光を常光とし、深紫外レーザ光を異常光として発生させるタイプＩ位相整合とすることができる。あるいは、前記第２の波長変換光学素子における位相整合は、赤外レーザ光及び第２紫外レーザ光を異常光とし、深紫外レーザ光を常光として発生させるタイプＩ位相整合とすることができる。

前記第２の波長変換光学素子はＣＬＢＯ結晶あるいはＣＢＯ結晶とすることができ、前記第１の構成形態のレーザ装置における前記第１の波長変換光学素子はＬＢＯ結晶とすることができる。また、前記レーザ光出力部は、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器を有して構成することができる。

なお、前記レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光が第１波長変換光学系を透過して第２波長変換光学系に入射するように構成することができる。

また、前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光が光路の途中で分岐されて前記第２波長変換光学系に入射するように構成することができる。

あるいは、前記レーザ光出力部は、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある第１の赤外レーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある第２の赤外レーザ光を出力する第２レーザ光出力部とを有し、第１レーザ光出力部から出力された第１の赤外レーザ光が第１波長変換光学系に入射し、第２レーザ光出力部から出力された第２の赤外レーザ光が前記第２波長変換光学系に入射するように構成することができる。

本発明を例示する第２の態様は露光装置である。この露光装置は、以上のいずれかに記載の紫外レーザ装置と、所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する露光対象物支持部と、紫外レーザ装置から出力された深紫外レーザ光をマスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。

本発明を例示する第３の態様は検査装置である。この検査装置は、上記のいずれかに記載の紫外レーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、紫外レーザ装置から出力された深紫外レーザ光を被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、被検物からの光を検出する検出器とを備えて構成される。

第１の態様の紫外レーザ装置によれば、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力可能な、新規構成の紫外レーザ装置を提供することができる。

第２の態様の露光装置によれば、新規構成の紫外レーザ装置を備えた露光装置を提供することができ、第３の態様用の検査装置によれば、新規構成の紫外レーザ装置を備えた検査装置を提供することができる。

本発明の態様として示す紫外レーザ装置のブロック図である。 第１構成形態の紫外レーザ装置の概要構成図である。 第２構成形態の紫外レーザ装置の概要構成図である。 第３構成形態の紫外レーザ装置の概要構成図である。 第４構成形態の紫外レーザ装置の概要構成図である。 本発明の態様として例示する露光装置の概要構成図である。 本発明の態様として例示する検査装置の概要構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様として示す紫外レーザ装置ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ４）のブロック図を図１に示す。紫外レーザ装置ＬＳは、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁，Ｌａ₂）を出力するレーザ光出力部１、レーザ光出力部１から出力された赤外レーザ光Ｌａを深紫外レーザ光Ｌｏに波長変換して出力する波長変換部３、レーザ光出力部１及び波長変換部３の作動を制御する制御部８などを備えて構成される。赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁，Ｌａ₂）の具体的な波長は、紫外レーザ装置ＬＳから出力する深紫外レーザ光Ｌｏの波長、波長変換部３の構成等に応じて設定することができる。

波長変換部３には、複数の波長変換光学素子、集光レンズ、ミラー等からなる波長変換光学系３０が設けられている。波長変換光学系３０は、レーザ光出力部１から出力された赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁）が入射する第１波長変換光学系３０ａと、レーザ光出力部１から出力された赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₂）及び第１波長変換光学系３０ａの出力光が入射する第２波長変換光学系３０ｂとから構成される。

第１波長変換光学系３０ａには３つの波長変換光学素子３１，３２，３３が設けられる。レーザ光出力部１から出力された赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁）は、これらの波長変換光学素子３１，３２，３３を透過する過程で順次波長変換され、赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁）の第８高調波である第１紫外レーザ光Ｌｖ₁が発生する。

第２波長変換光学系３０ｂには２つの波長変換光学素子３５，３６が設けられる。波長変換光学素子３５では、第１波長変換光学系３０ａから出力された第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と、レーザ光出力部１から出力された赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₂）との和周波発生により第２紫外レーザ光Ｌｖ₂が発生する。波長変換光学素子３６では、波長変換光学素子３５で発生した第２紫外レーザ光Ｌｖ₂と、波長変換光学素子３５を透過した赤外レーザ光Ｌａ（Ｌａ₂）との和周波発生により波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光Ｌｏが発生し、紫外レーザ装置ＬＳから出力される。このように構成される紫外レーザ装置ＬＳにおいては、重ね合わせが僅か一回の簡明な構成で深紫外レーザ光を出力させることができる。

以下、紫外レーザ装置ＬＳの具体的な構成について、第１構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ１の概要を示す図２を参照して説明する。各図において、光路上に楕円形で示すものはコリメータレンズや集光レンズであり個々の説明を省略する。

紫外レーザ装置ＬＳ１においては、レーザ光出力部１は、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある第１の赤外レーザ光Ｌａ₁を出力する第１レーザ光出力部１ａと、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある第２の赤外レーザ光Ｌａ₂を出力する第２レーザ光出力部１ｂとを備える。第１の赤外レーザ光Ｌａ₁及び第２の赤外レーザ光Ｌａ₂の波長は、紫外レーザ装置ＬＳから出力する深紫外レーザ光Ｌｏの波長、及び波長変換部３の構成等に応じて設定することができる。

図２に例示する構成は、第１レーザ光出力部１ａから出力される第１の赤外レーザ光Ｌａ₁の波長、第２レーザ光出力部１ｂから出力される第２の赤外レーザ光Ｌａ₂の波長を、ともに１９３４ｎｍとした場合を示す。

第１レーザ光出力部１ａは、波長が１９３４ｎｍのシード光を出射する第１レーザ光源１１と、第１レーザ光源１１から出力されたシード光を増幅する第１ファイバ増幅器２１とを備えて構成される。同様に、第２レーザ光出力部１ｂは、波長が１９３４ｎｍのシード光を出射する第２レーザ光源１２と、第２レーザ光源１２から出力されたシード光を増幅する第２ファイバ増幅器２２とを備えて構成される。各図では、ファイバ増幅器における励起光光源の記載を省略している。

第１レーザ光源１１及び第２レーザ光源１２は、発振波長が１９３４ｎｍ近傍のＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ペルチェ素子等を利用した温度調整器によって温度制御することにより発振波長を所定範囲で調整設定できるとともに、設定後には狭帯域化された単一波長のシード光を発生させることができる。また、ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することにより任意強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができる。

なお、ＤＦＢ半導体レーザの出力ポートとファイバ増幅器との間に、ＥＯＭ（Electro Optic Modulator）等の外部変調器を設け、ＣＷ発振またはパルス発振させたＤＦＢ半導体レーザの出力光を外部変調器により切り出して、所要パルス波形のシード光をファイバ増幅器に出力するように構成しても良い。

第１ファイバ増幅器２１及び第２ファイバ増幅器２２は、増幅用光ファイバのコアにツリウム（Ｔｍ）がドープされたツリウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）を好適に用いることができる。ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器は、波長が１７００〜２１００ｎｍの帯域に利得を有する。そのため、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にあるシード光を効率的に増幅することができる。またツリウム・ドープ・ファイバ増幅器は、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）と対比して、より高出領域まで安定して動作させることができ、高出力の第１，第２の赤外レーザ光Ｌａ₁，Ｌａ₂を得ることができる。

第１レーザ光源１１から出射され、第１ファイバ増幅器２１により増幅された波長１９３４ｎｍの第１の赤外レーザ光Ｌａ₁は、第１レーザ光出力部１ａから出力され、波長変換部３の第１波長変換光学系３０ａに入射する。第２レーザ光源１２から出射され第２ファイバ増幅器２２により増幅された波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、第２レーザ光出力部１ｂから出力され、ミラー４２を介して波長変換部３のダイクロイックミラー４１に入射する。

なお、第１レーザ光出力部１ａを第１レーザ光源１１と第１ファイバ増幅器２１とにより構成し、第２レーザ光出力部１ｂを、第２レーザ光源１２と第２ファイバ増幅器２２とにより構成した形態を例示したが、各レーザ光出力部は、少なくともいずれかについて、ファイバ増幅器の入出射端にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）等による共振器を組み込んだファイバレーザ（Ｔｍファイバレーザ）を用いて構成しても良い。

第１レーザ光出力部１ａから出力された第１の赤外レーザ光Ｌａ₁が入射する第１波長変換光学系３０ａは、３つの波長変換光学素子３１，３２，３３を主体として構成される。第１波長変換光学系３０ａにおいては、入射した第１の赤外レーザ光Ｌａ₁が波長変換光学素子３１，３２，３３を透過する過程で順次波長変換され、第１の赤外レーザ光Ｌａ₁の第８高調波である第１紫外レーザ光Ｌｖ₁が発生する。

波長変換光学素子３１は、第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）により第１の赤外レーザ光Ｌａ₁の第２高調波を発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３１に入射した波長１９３４ｎｍの第１の赤外レーザ光Ｌａ₁は、この波長変換光学素子３１を透過する過程で波長変換され、波長が９６７ｎｍのレーザ光（以下、９６７ｎｍ光という）が発生する。波長変換光学素子３１として、ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ₃）結晶を好適に用いることができる。波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ結晶を用いることにより、高効率でビーム品質の高い９６７ｎｍ光を発生させることができる。

なお、波長変換光学素子３１としては、ＰＰＬＴ（Periodically Poled ＬiＴaＯ₃）結晶やＰＰＫＴＰ（Periodically Poled ＫＴiＯＰＯ₄）等の疑似位相整合（ＱＰＭ： Quasi Phase Matching）結晶を用いても良い。また、ＬＢＯ（ＬiＢ₃Ｏ₅）結晶を用いることもできる。波長変換光学素子３１で発生した９６７ｎｍ光は、波長変換光学素子３２に入射する。

波長変換光学素子３２は、第２高調波発生（ＳＨＧ）により９６７ｎｍ光の第２高調波を発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３２に入射した９６７ｎｍ光は、この波長変換光学素子３２を透過する過程で波長変換され、第１の赤外レーザ光Ｌａ₁の第４高調波である波長４８３．５ｎｍのレーザ光（以下、４８４ｎｍ光という）が発生する。波長変換光学素子３２としてＬＢＯ結晶を好適に用いることができる。このとき、ウォークオフ角は８ｍradと小さく、ビーム品質が比較的良好な４８４ｎｍ光を得ることができる。なお、波長変換光学素子３２としては、ＰＰＬＴ結晶を用いることもできる。波長変換光学素子３２で発生した４８４ｎｍ光は、波長変換光学素子３３に入射する。

波長変換光学素子３３は、第２高調波発生（ＳＨＧ）により４８４ｎｍ光の第２高調波を発生させる非線形光学結晶である。波長変換光学素子３３に入射した４８４ｎｍ光（第１の赤外レーザ光の第４高調波）は、波長変換光学素子３３を透過する過程で波長変換され、第１の赤外レーザ光Ｌａ₁の第８高調波である波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁が発生する。波長変換光学素子３３として、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ₆Ｏ₁₀）結晶を好適に用いることができる。このとき、ウォークオフ角は１４ｍradと小さく、また実効非線形光学定数ｄ_effがｄ_eff＝０．９１ｐｍ／Ｖと高いため、高効率で第１紫外レーザ光Ｌｖ₁を発生させることができる。なお、波長変換光学素子３３としては、ＢＢＯ（β-ＢaＢ₂Ｏ₄）結晶を用いることもできる。

ＣＬＢＯ結晶から出射する第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は、ウォークオフに起因してビーム断面が楕円形になっているため、２枚のシリンドリカルレンズによりビーム断面を円形に整形し、ダイクロイックミラー４１の第１面に入射させる。一方、ダイクロイックミラー４１の第２面には、第２レーザ光出力部１ｂから出力された第２の赤外レーザ光Ｌａ₂が入射する。

ダイクロイックミラー４１は、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁の波長帯域の光を反射し、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂の波長帯域の光を透過する波長選択性を有して構成される。ダイクロイックミラー４１の反射波長は、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂の波長よりも短く、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁の波長を含む波長帯域内であれば任意であるが、例えば、３５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度以下に設定することができる。このように設定することで、第１波長変換光学系３０ａから出射した光に含まれる第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と、これ以外の波長成分の光（第１の赤外レーザ光、９６７ｎｍ光、４８４ｎｍ光）とを、ダイクロイックミラー４１を利用して分離することができる。これにより、第２波長変換光学系３０ｂに、不要な波長のレーザ光が入射すること、及び第２波長変換光学系３０ｂから出射することを抑止することができる。

そのため、ダイクロイックミラー４１の第１面に入射した波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は、ダイクロイックミラー４１により反射され、第２波長変換光学系３０ｂの波長変換光学素子３５に入射する。また、ダイクロイックミラー４１の第２面に入射した波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、ダイクロイックミラー４１を透過して第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と同軸に重ね合わされ、第２波長変換光学系３０ｂの波長変換光学素子３５に入射する。なお、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁及び第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、波長変換光学素子３５に入射する際の偏光面が相互に直交するように設定する。例えば、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は偏光面が紙面に垂直なｓ偏光、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は偏光面が紙面に平行なｐ偏光で波長変換光学素子３５に入射するように設定する。

波長変換光学素子３５は、和周波発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）により、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と第２の赤外レーザ光Ｌａ₂との和周波を発生させる非線形光学結晶である。また、波長変換光学素子３５は、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂を常光、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁を異常光として入射させ、第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を常光として発生させる非線形光学結晶である。このような波長変換光学素子３５として、本構成例においてはＬＢＯ結晶を用いる。なお、波長変換光学素子３５としては、ＣＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ（ＣsＢ₃Ｏ₅）結晶を用いることも可能である。これらの結晶を用いた場合については後述する。

波長変換光学素子（ＬＢＯ結晶）３５には、結晶温度を約３００度Ｋとし、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂を常光（ｏ）、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁を異常光（ｅ）として入射させて、タイプII位相整合により位相整合させる。波長変換光学素子３５では、波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と、波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁との和周波発生により、第１，第２の赤外レーザ光の第９高調波である、波長２１４．９ｎｍの第２紫外レーザ光Ｌｖ₂が発生する。

このとき、異常光（ｅ）で入射する第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は複屈折によりウォークオフを生じるが、ウォークオフ角は８ｍrad程度と極めて小さく、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と良好な重ね合わせが確保される。波長変換光学素子３５において発生する第２紫外レーザ光のビーム形状も比較的良好に保たれる。また、この波長変換におけるＬＢＯ結晶の実効非線形光学定数はｄ_eff＝０．７７ｐｍ／Ｖと比較的高い。このため、波長変換光学素子３５において効率的に第２紫外レーザ光が発生され、良好なビーム品質の第２紫外レーザ光Ｌｖ₂が波長変換光学素子３５から出力される。

さらに、波長変換光学素子３５において発生する第２紫外レーザ光Ｌｖ₂と、波長変換光学素子３５を透過する第２の赤外レーザ光Ｌａ₂とは、ともに常光（ｏ）である。このため、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と第２紫外レーザ光Ｌｖ₂とは、ビームの重心位置が大きくずれるようなことはなく、空間的な重ね合わせが良好に保たれた状態で波長変換光学素子３５から出射する。

これにより、波長帯域が既に紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、ビーム成形や重ね合わせ調整のための光学素子を設けることなく、次段の波長変換光学素子３６で効率的に波長変換することができる。波長変換光学素子３５から出射した第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂は、波長変換光学素子３６に入射する。

波長変換光学素子３６は、和周波発生（ＳＦＧ）により、第２紫外レーザ光Ｌｖ₂と、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂との和周波を発生させる非線形光学結晶である。また、波長変換光学素子３６は、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を常光（ｏ）として入射させ、深紫外レーザ光Ｌｏを異常光（ｅ）として発生させる非線形光学結晶である。このような波長変換光学素子３６として、本構成例においてはＣＬＢＯ結晶を用いる。なお、波長変換光学素子３６としては、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることもできる。これらの結晶を用いた場合については後述する。

波長変換光学素子（ＣＬＢＯ結晶）３６には、結晶温度を約４２０度Ｋとし、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を常光（ｏ）として入射させ、タイプＩ位相整合により位相整合させる。波長変換光学素子３６では、波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と、波長２１４．９ｎｍの第２紫外レーザ光Ｌｖ₂との和周波発生により、第１，第２の赤外レーザ光の第１０高調波である、波長１９３．４ｎｍの深紫外レーザ光Ｌｏが発生する。

ここで、前段の波長変換光学素子３５から出射する第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂は偏光状態が同じ（例えばｓ偏光）であり、波長変換光学素子３６における位相整合は、入射光の偏光方向が平行なタイプＩ位相整合になっている。そのため、波長帯域が深紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、偏光方向を調整するための波長板等を配設する必要がない。また、この波長変換におけるＣＬＢＯ結晶の実効非線形光学定数はｄ_eff＝０．９３ｐｍ／Ｖと高く、高効率で深紫外レーザ光Ｌｏが発生する。

波長変換光学素子３６で発生した波長１９３．４ｎｍの深紫外レーザ光Ｌｏは、第２波長変換光学系３０ｂから出射され、紫外レーザ装置ＬＳ１から出力される。

このように、紫外レーザ装置ＬＳ１においては、第２波長変換光学系３０ｂにおける第１の波長変換光学素子３５における位相整合が、第２の赤外レーザ光を常光、第１紫外レーザ光を異常光とし、第２紫外レーザ光を常光として発生させるタイプII位相整合であり、第２波長変換光学系３０ｂにおける第２の波長変換光学素子３６における位相整合は、第２の赤外レーザ光及び第２紫外レーザ光を常光とし、深紫外レーザ光を異常光として発生させるタイプＩ位相整合である。そのため、波長帯域が深紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、ビーム成形光学系や波長板等の光学素子を設ける必要がなく、簡明な構成で、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置を提供することができる。

また、第１，第２の赤外レーザ光の波長１９３４ｎｍは、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）において容易に増幅可能な波長であり、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器は、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）等と対比して、より高出領域まで安定して動作可能なファイバ増幅器である。そのため、第１，第２ファイバ増幅器２１，２２としてＴＤＦＡを用いることにより、高いパワーの赤外レーザ光を波長変換部３に供給し、高出力の深紫外レーザ光を得ることができる。

また、第１ファイバ増幅器２１から出力された第１の赤外レーザ光Ｌａ₁を第１波長変換光学系３０ａに入射し、第２ファイバ増幅器２２から出力された第２の赤外レーザ光Ｌａ₂を第２波長変換光学系３０ｂに入射する構成により、第１波長変換光学系３０ａ及び第２波長変換光学系３０ｂに各々十分なパワーの赤外レーザ光を供給することができ、これにより、高出力かつ高効率な紫外レーザ装置を提供することができる。

以上の実施例においては、第１，第２の赤外レーザ光の波長を１９３４ｎｍとした場合について説明したが、波長は１８００〜２０００ｎｍの範囲で適宜に選択することができる。また第１の赤外レーザ光の波長と第２の赤外レーザ光の波長とを同一とした場合について説明したが、両者は異なる波長とすることもできる。

なお、紫外レーザ装置ＬＳ１から短パルスの深紫外レーザ光Ｌｏを出力させる場合には、波長変換光学素子３５，３６において、第１，第２紫外レーザ光と第２の赤外レーザ光とが時間的に重なり合うように設定する。具体的には、第１レーザ光源１１で発生したパルス光（シード光）が第１紫外レーザ光Ｌｖ₁になって波長変換光学素子３５に入射するタイミングと、第２レーザ光源１２で発生したパルス光（シード光）が第２の赤外レーザ光Ｌａ₂になって波長変換光学素子３５に入射するタイミングが同一になるように、これらのパルス光の発生タイミングを調整設定し、あるいは、これら２つの経路の光路長を調整設定すればよい。

（第２構成形態）
次に、第２構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２について、図３を参照して説明する。本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２は、レーザ光出力部１の構成が相違する点を除いて、既述した第１構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ１と同様である。すなわち、本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２には、既述した第１レーザ光出力部１ａ及び第２レーザ光出力部１ｂを一体とし、レーザ光出力部１において発生された一つの赤外レーザ光Ｌaを二つに分割して、各赤外レーザ光を第１波長変換光学系３０ａと第２波長変換光学系３０ｂとに入射させるように構成される。第１波長変換光学系３０ａを構成する波長変換光学素子３１，３２，３３、第２波長変換光学系３０ｂを構成する波長変換光学素子３５，３６等は、図２を参照して説明した第１構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ１と同様である。そこで、図３における同様部分に同一番号を付して重複説明を省略し、以下では、紫外レーザ装置ＬＳ１と構成が相違する部分を中心に説明する。なお、図３では、レンズ等の記載を省略しレーザ光の光路を主体として示している。

紫外レーザ装置ＬＳ２においては、レーザ光出力部１は、波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある単一の赤外レーザ光Ｌａを発生し出力する。赤外レーザ光Ｌａの波長は適宜に設定することができるが、本構成例においては、前述したレーザ光出力部と同様に、１９３４ｎｍとした場合を示す。

レーザ光出力部１は、波長が１９３４ｎｍのシード光を出射するレーザ光源１３とレーザ光源１３から出力されたシード光を増幅するファイバ増幅器２３とを備えて構成される。レーザ光源１３は、発振波長が１９３４ｎｍ近傍のＤＦＢ半導体レーザを好適に用いることができる。また、ＤＦＢ半導体レーザの出力ポートとファイバ増幅器との間に、ＥＯＭ等の外部変調器を設け、ＣＷ発振またはパルス発振させたＤＦＢ半導体レーザの出力光を外部変調器により切り出して、所要パルス波形のシード光をファイバ増幅器に出力するように構成してもよい。

ファイバ増幅器２３は、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）を好適に用いることができる。ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器を用いることにより、高出力の赤外レーザ光Ｌａを比較的容易に得ることができる。

レーザ光源１３から出射され、ファイバ増幅器２３より増幅された波長１９３４ｎｍの赤外レーザ光Ｌaは、ビームスプリッタ４３により適宜な割合で二分割される。そして、一方の赤外レーザ光（第１の赤外レーザ光）Ｌａ₁が第１波長変換光学系３０ａに入射し、他方の赤外レーザ光（第２の赤外レーザ光）Ｌａ₂が第２波長変換光学系３０ｂに入射する。

なお、ビームスプリッタ４３は、レーザ光出力部１及び波長変換部３のいずれに設けてもよい。すなわち、ビームスプリッタ４３をレーザ光出力部１に設けて第１，第２の赤外レーザ光Ｌａ₁，Ｌａ₂が波長変換部３に入射するように構成し、あるいは、ビームスプリッタ４３を波長変換部３に設けて単一の赤外レーザ光Ｌaが波長変換部に入射するように構成してもよい。

第１の赤外レーザ光Ｌａ₁が入射する第１波長変換光学系３０ａ、及び第２の赤外レーザ光Ｌａ₂が入射する第２波長変換光学系３０ｂは、既述した紫外レーザ装置ＬＳ１における第１波長変換光学系３０ａ及び第２波長変換光学系３０ｂと同様である。

すなわち、第１波長変換光学系３０ａには３つの波長変換光学素子３１，３２，３３が設けられており、第１波長変換光学系３０ａに入射した第１の赤外レーザ光Ｌａ₁が波長変換光学素子３１，３２，３３を透過する過程で順次波長変換され、赤外レーザ光Ｌａの第８高調波である波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁が発生する。

第１波長変換光学系３０ａで発生した第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は、ミラー４５を介してダイクロイックミラー４６の第１面に入射させる。一方、ビームスプリッタ４３により分岐された第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、ミラー４４を介してダイクロイックミラー４６の第２面に入射させる。

ダイクロイックミラー４６は、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁の波長帯域の光を反射し、赤外レーザ光Ｌａの波長帯域の光を透過する波長選択性を有して構成される。ダイクロイックミラー４６の反射波長は、赤外レーザ光Ｌａの波長よりも短く、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁の波長を含む波長帯域内で任意であるが、例えば、３５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度以下に設定できる。このように設定すれば、第１波長変換光学系３０ａから出射した光に含まれる第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と、これ以外の波長成分の光（第１の赤外レーザ光、９６７ｎｍ光、４８４ｎｍ光）とを、ダイクロイックミラー４６を利用して分離することができる。これにより、第２波長変換光学系３０ｂに、不要な波長のレーザ光が入射すること、及び第２波長変換光学系３０ｂから出射することを抑止することができる。

ダイクロイックミラー４６の第１面に入射した波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は、ダイクロイックミラー４６により反射され、第２波長変換光学系３０ｂの波長変換光学素子３５に入射する。また、ダイクロイックミラー４６の第２面に入射した波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、ダイクロイックミラー４６を透過して第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と同軸に重ね合わされ、第２波長変換光学系３０ｂの波長変換光学素子３５に入射する。

なお、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁及び第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、波長変換光学素子３５に入射する際の偏光面が相互に直交するように設定する。例えば、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は偏光面が紙面に直交するｓ偏光、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は偏光面が紙面に平行なｐ偏光で波長変換光学素子３５に入射するように設定する。本構成形態においては、第１の赤外レーザ光Ｌａ₁及び第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、共通の赤外レーザ光Ｌａを基礎としている。また、代表例として示した結晶構成の第１波長変換光学系３０ａにおいては、入射する第１の赤外レーザ光Ｌａ₁の偏光方向と、出射する第１紫外レーザ光Ｌｖ₁の偏光方向とが同一（例えばｐ偏光）である。

そこで、波長変換光学素子３５に入射する第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と第２の赤外レーザ光Ｌａ₂の偏光方向が直交するように設定する具体的な手段として、ビームスプリッタ４３により分岐された光路の一方、例えば第２波長変換光学系３０ｂに向かう光路に波長板（λ／２板）を配設し、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂の偏光面を９０度回転させる構成が例示される。あるいは、ビームスプリッタ４３として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用い、例えば偏光面が斜め４５度に傾斜した赤外レーザ光Ｌａを入射させて、ｐ偏光の第１の赤外レーザ光Ｌａ₁とｓ偏光の第２の赤外レーザ光Ｌａ₂とに分割する構成が例示される。このような構成により、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁及び第２の赤外レーザ光Ｌａ₂を、偏光面が相互に直交した状態で波長変換光学素子３５に入射させることができる。

以降の第２波長変換光学系３０ｂの構成、第２波長変換光学系３０ｂにおける波長変換過程等は、既述した第１構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ１と同様である。そこで、以下では要旨のみを簡潔にまとめて説明する。

波長変換光学素子３５は、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂を常光、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁を異常光として入射させ、和周波光である第２紫外レーザ光を常光として発生させる非線形光学結晶であり、ＬＢＯ結晶が好適に用いられる。波長変換光学素子３５では、波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と、波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁との和周波発生により、赤外レーザ光Ｌａの第９高調波である、波長２１４．９ｎｍの第２紫外レーザ光Ｌｖ₂が発生する。

このとき、異常光（ｅ）で入射する第１紫外レーザ光Ｌｖ₁のウォークオフ角は８ｍrad程度と極めて小さく、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と良好な重ね合わせが確保される。波長変換光学素子３５で発生する第２紫外レーザ光Ｌｖ₂のビーム形状も比較的良好に保たれる。また、この波長変換におけるＬＢＯ結晶の実効非線形光学定数は比較的高い。このため、波長変換光学素子３５において効率的に第２紫外レーザ光が発生され、良好なビーム品質の第２紫外レーザ光Ｌｖ₂が波長変換光学素子３５から出力される。

さらに、波長変換光学素子３５において発生する第２紫外レーザ光Ｌｖ₂、及び波長変換光学素子３５を透過する第２の赤外レーザ光Ｌａ₂は、ともに常光であるため、両者のビームの重心位置が大きくずれるようなことはなく、空間的な重ね合わせが良好に保たれた状態で波長変換光学素子３５から出射する。

これにより、波長帯域が深紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、ビーム成形や重ね合わせ調整のための光学素子を設けることなく、次段の波長変換光学素子３６で効率的に波長変換することができる。波長変換光学素子３５から出射した第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂は、波長変換光学素子３６に入射する。

波長変換光学素子３６は、第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を常光として入射させ、和周波光である深紫外レーザ光Ｌｏを異常光として発生させる非線形光学結晶であり、ＣＬＢＯ結晶が好適に用いられる。波長変換光学素子３６では、波長１９３４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌａ₂と、波長２１４．９ｎｍの第２紫外レーザ光Ｌｖ₂との和周波発生により、赤外レーザ光Ｌａの第１０高調波である、波長１９３．４ｎｍの深紫外レーザ光Ｌｏが発生する。

ここで、前段の波長変換光学素子３５から出射する第２の赤外レーザ光Ｌａ₂及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂は偏光状態が同じ（例えばｓ偏光）であり、波長変換光学素子３６における位相整合は、入射光の偏光方向が平行なタイプＩ位相整合になっている。そのため、波長帯域が深紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、偏光方向を調整するための波長板等を配設する必要がない。また、この波長変換におけるＣＬＢＯ結晶の実効非線形光学定数は高く、高効率で深紫外レーザ光が発生する。波長変換光学素子３６で発生した波長１９３．４ｎｍの深紫外レーザ光Ｌｏは、第２波長変換光学系３０ｂから出射され、紫外レーザ装置ＬＳ１から出力される。

このように、波長変換光学素子３５における位相整合が、第２の赤外レーザ光を常光、第１紫外レーザ光を異常光とし、第２紫外レーザ光を常光として発生させるタイプII位相整合であり、波長変換光学素子３６における位相整合は、第２の赤外レーザ光及び第２紫外レーザ光を常光とし、深紫外レーザ光を異常光として発生させるタイプＩ位相整合である。そのため、波長帯域が深紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、ビーム成形光学系や波長板等の光学素子を設ける必要がなく、簡明な構成で、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置を提供することができる。

また、本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２は、ファイバ増幅器２３から出力された赤外レーザ光Ｌａを、二つに分割して第１波長変換光学系３０ａと第２波長変換光学系３０ｂとに入射させる構成になっている。これにより、レーザ光出力部１の構成、ひいては紫外レーザ装置全体の構成を簡明化し、２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置を低コストで提供することができる。

（第３構成形態）
次に、第３構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ３について、図４を参照して説明する。本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ３は、第２波長変換光学系３０ｂに入射させる赤外レーザ光の分岐位置が第２構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２と相違する点を除いて、他の構成は紫外レーザ装置ＬＳ２と同様である。すなわち、本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ３においては、第１波長変換光学系３０ａの光路の途中から赤外レーザ光を分岐して、第２波長変換光学系３０ｂに入射させる構成としている。レーザ光出力部１、第１波長変換光学系３０ａを構成する波長変換光学素子３１，３２，３３、第２波長変換光学系３０ｂを構成する波長変換光学素子３５，３６等は、既述した第２構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２と同様である。そこで、図４における同様部分に同一番号を付して重複説明を省略し、紫外レーザ装置ＬＳ２と相違する部分を中心として簡潔に説明する。なお、図４においては、図３と同様にレンズ等の記載を省略しレーザ光の光路を主体として示している。

レーザ光出力部１においてレーザ光源１３から出射され、ファイバ増幅器２３より増幅された波長１９３４ｎｍの赤外レーザ光Ｌaは、第１波長変換光学系３０ａの波長変換光学素子３１に入射する。

第１波長変換光学系３０ａの光路上には、波長変換光学素子３１を波長変換されずに透過した赤外レーザ光Ｌａ′を分岐するダイクロイックミラーが設けられている。図４には、波長変換光学素子３１と波長変換光学素子３２との間にダイクロイックミラー４７を設けた構成を例示する。ダイクロイックミラー４７は、赤外レーザ光Ｌａの波長帯域の光を反射し、９６７ｎｍ光の波長帯域の光を透過する波長選択性を有して構成される。

そのため、波長変換光学素子３１で発生した９６７ｎｍ光はダイクロイックミラー４７を透過し、波長変換光学素子３２に入射する。そして、波長変換光学素子３２，３３を透過する過程で順次波長変換され、波長２４１．８ｎｍの第１紫外レーザ光Ｌｖ₁が発生する。波長変換光学素子３３で発生した第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は、ミラー４５を介してダイクロイックミラー４６の第１面に入射する。一方、波長変換光学素子３１を波長変換されずに透過した赤外レーザ光Ｌａ′は、ダイクロイックミラー４７により反射され、ミラー４４を介してダイクロイックミラー４６の第２面に入射する。

既述したように、ダイクロイックミラー４６は、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁の波長帯域の光を反射し、赤外レーザ光Ｌａの波長帯域の光を透過する波長選択性を有して構成される。そのため、ダイクロイックミラー４６の第１面に入射した第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は、ダイクロイックミラー４６により反射され、第２波長変換光学系３０ｂの波長変換光学素子３５に入射する。また、ダイクロイックミラー４６の第２面に入射した赤外レーザ光Ｌａ′は、ダイクロイックミラー４６を透過して第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と同軸に重ね合わされ、第２波長変換光学系３０ｂの波長変換光学素子３５に入射する。

なお、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁及び赤外レーザ光Ｌａ′は、波長変換光学素子３５に入射する際の偏光面が相互に直交するように設定する。例えば、赤外レーザ光Ｌａ′は偏光面が紙面に直交するｓ偏光、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁は偏光面が紙面に平行なｐ偏光で波長変換光学素子３５に入射するように設定する。例えば、ダイクロイックミラー４７により分岐された光路の一方、例えば第２波長変換光学系３０ｂに向かう光路に波長板４８を配設し、赤外レーザ光Ｌａ′の偏光面を９０度回転させる。

以降の第２波長変換光学系３０ｂの構成、第２波長変換光学系３０ｂにおける波長変換過程等は、既述した第１，第２構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ１，ＬＳ２と同様である。

従って、紫外レーザ装置ＬＳ３においても、波長帯域が深紫外領域である波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６との間に、ビーム成形光学系や波長板等の光学素子を設ける必要がなく、簡明な構成で、波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置を提供することができる。また、本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ３は、ファイバ増幅器２３から出力された赤外レーザ光Ｌａを、第１波長変換光学系３０ａの光路の途中で分岐して第２波長変換光学系３０ｂに入射させる構成になっている。これにより、レーザ光出力部１の構成、ひいては紫外レーザ装置全体の構成を簡明化し、２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置を低コストで提供することができる。

（第４構成形態）
次に、第４構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ４について、図５を参照して説明する。本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ４は、第１波長変換光学系３０ａを透過した赤外レーザ光を第２波長変換光学系３０ｂに入射させる点を除いて、他の構成は基本的に第１〜第３構成形態のレーザ装置ＬＳ１〜ＬＳ３と同様である。すなわち、本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ４においては、第２波長変換光学系３０ｂに入射する赤外レーザ光は、異なるレーザ光出力部で発生したり、レーザ光出力部から出力された赤外レーザ光を途中の光路で分岐したりせずに、第１波長変換光学系３０ａを透過した光を利用する。レーザ光出力部１、第１波長変換光学系３０ａを構成する波長変換光学素子３１，３２，３３、第２波長変換光学系３０ｂを構成する波長変換光学素子３５，３６等は、基本的には、既述した第２，第３構成形態の紫外レーザ装置ＬＳ２，ＬＳ３と同様に構成できる。そこで、図５における同様部分に同一番号を付して重複説明を省略し、本構成形態の要点について簡潔に説明する。なお、図３，図４と同様にレンズ等の記載を省略しレーザ光の光路を主体として示す。

レーザ光出力部１においてレーザ光源１３から出射され、ファイバ増幅器２３より増幅された波長１９３４ｎｍの赤外レーザ光Ｌaは、第１波長変換光学系３０ａに入射する。第１波長変換光学系３０ａには３つのは長変換光学素子３１，３２，３３が直列に設けられている。波長変換光学素子３１は、赤外レーザ光Ｌaの第２高調波（９６７ｎｍ光）を発生する非線形光学結晶であり、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶が好適に用いられる。波長変換光学素子３２は、９６７ｎｍ光の第２高調波（４８４ｎｍ光）を発生する非線形光学結晶であり、ＰＰＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶が好適に用いられる。波長変換光学素子３３は４８４ｎｍ光の第２高調波（第１紫外レーザ光Ｌｖ₁）を発生する非線形光学結晶であり、ＣＬＢＯ結晶が好適に用いられる。

本構成形態においては、波長変換光学素子３２としてＰＰＬＴ結晶を用いた構成を例示する。波長変換光学素子３２としてＰＰＬＴ結晶を用いた場合には、発生する４８４ｎｍ光にウォークオフが生じない。そのため、第２波長変換光学系３０ｂにおいて良好なビームの重ね合わせを実現できる。波長変換光学素子３３で発生した第１紫外レーザ光Ｌｖ₁及び波長変換光学素子３１，３２，３３を透過した赤外レーザ光Ｌａ′は、第２波長変換光学系３０ｂに入射する。このとき、波長変換光学素子３５に入射する第１紫外レーザ光Ｌｖ₁及び赤外レーザ光Ｌａ′は、両者の偏光面が相互に直交するように設定される。

第２波長変換光学系３０ｂには２つの波長変換光学素子３５，３６が設けられている。波長変換光学素子３５は、和周波発生（ＳＦＧ）により第１紫外レーザ光Ｌｖ₁と赤外レーザ光Ｌａ′との和周波を発生させる非線形光学結晶である。一方、本構成形態における波長変換光学素子３５は、赤外レーザ光Ｌａ′を異常光、第１紫外レーザ光Ｌｖ₁を常光で入射し、第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を異常光として発生させる非線形光学結晶である。このような波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶が例示される。ここでは、波長変換光学素子３５としてＣＢＯ結晶を用いた構成を例示する。

波長変換光学素子３５としてＣＢＯ結晶を用いた場合には、赤外レーザ光Ｌａ′のウォークオフ角が１０ｍrad、第２紫外レーザ光Ｌｖ₂のウォークオフ角が１８ｍrad（両者の角度差は８ｍrad）と小さいため、ビーム形状も比較的良好に保たれ、また実効非線形光学定数が１．２９ｐｍ／Ｖと高いため、効率的に第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を発生することができる。波長変換光学素子３５で発生した第２紫外レーザ光Ｌｖ₂及び波長変換光学素子３５を透過した赤外レーザ光赤外レーザ光Ｌａ′は波長変換光学素子３６に入射する。

波長変換光学素子３６は、和周波発生（ＳＦＧ）により、第２紫外レーザ光Ｌｖ₂と第２の赤外レーザ光Ｌａ₂との和周波を発生させる非線形光学結晶である。また、波長変換光学素子３６は、赤外レーザ光Ｌａ′及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を常光（ｏ）で入射し、深紫外レーザ光Ｌｏを異常光（ｅ）として発生させる非線形光学結晶である。このような波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶が例示される。ここではＬＢＯ結晶を用いた構成を例示する。波長変換光学素子３６としてＬＢＯ結晶を用いた場合には、実効非線形光学定数はＣＬＢＯ結晶の場合よりも低いが、発生する深紫外レーザ光Ｌｏのウォークオフ角はＣＬＢＯ結晶の場合の約半分であり、良好なビーム形状の深紫外レーザ光Ｌｏを発生させることができる。

第２紫外レーザ光Ｌｖ₂と第２の赤外レーザ光Ｌａ₂との和周波を発生させる波長変換光学素子３６の他の構成として、赤外レーザ光Ｌａ′及び第２紫外レーザ光Ｌｖ₂を異常光（ｅ）で入射し、深紫外レーザ光Ｌｏを常光（ｏ）として発生させる形態がある。このような波長変換光学素子３６として、ＣＢＯ結晶が例示される。波長変換光学素子３６としてＣＢＯ結晶を用いた場合には、赤外レーザ光Ｌａ′のウォークオフ角が１７ｍrad、第２紫外レーザ光Ｌｖ₂のウォークオフ角が３９ｍrad程度発生するが、実効非線形光学定数が１．７９ｐｍ／Ｖと高いため、比較的効率的に深紫外レーザ光Ｌｏを発生させることができる。

以上説明した紫外レーザ装置ＬＳ４では、単一のレーザ光出力部で発生した赤外レーザ光を用い、分岐光路等を設けることなく直列に配置した波長変換光学素子を透過させて波長２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力させることができる。また、個々の波長変換光学素子で発生するビームのウォークオフ角が概ね２０ｍrad程度以下であることから、波長変換光学素子間に配設されるレンズを省略することも可能となる。いま、波長変換光学素子の結晶長をＬ、入射するレーザ光のビーム径をＤ、ウォークオフ角をρとしたとき、Ｌρ＜Ｄであればレンズなしでも重ね合わせは実現できる。例えば、結晶長Ｌ＝５ｍｍ、ウォークオフ角ρ＝１０ｍrad、ビーム径Ｄ＝３００μｍのとき、Ｌρ＝５０μｍであり、比較的良好な重ね合わせを実現できる。

さらに、レーザ光出力部１から出力される赤外レーザ光Ｌａの集光スポット径（及びスポット位置）を適宜に設定することにより、波長変換光学素子間のレンズを全て省略することも可能である。例えば、レーザ光出力部１から出力される赤外レーザ光Ｌａの集光スポット径（直径）がＤ＝３００μｍになるように集光したとすると、このときコンフォーカル長（ビーム径が略一定とみなせる長さ範囲）は約７３ｍｍになる。波長変換光学素子３１，３２，３３，３５，３６の各結晶長を５ｍｍとすれば、これら５個の波長変換光学素子を直列に並べたときの長さは２５ｍｍであり、間にスペースを設けたとしても充分にコンフォーカル長の中に配置することができる。

従って、このような構成の紫外レーザ装置ＬＳ４によれば、極めて簡明な構成で、波長２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置を提供することができる。

なお、以上説明した第１〜第４構成形態の実施例では、レーザ光出力部１から出力する赤外レーザ光の波長を１９３４ｎｍとし、波長変換部３から出力する深紫外レーザ光の波長を１９３．４ｎｍとした場合について、具体的な構成を例示した。しかし、本発明は係る具体例に限られるものではなく、赤外レーザ光の波長、深紫外レーザ光の波長や、第１波長変換光学系３０ａ、第２波長変換光学系３０ｂの構成等は、適宜変更することができる。

以上説明したような紫外レーザ装置ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ４）は、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、露光装置や光造形装置等の光加工装置、フォトマスクやウェハ等の検査装置、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光治療装置などのシステムに好適に適用することができる。

次に、紫外レーザ装置ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ４）を備えたシステムの第１の適用例として、半導体製造や液晶パネル製造等のフォトリソグラフィエ程で用いられる露光装置について、その概要構成を示す図６を参照して説明する。露光装置１００は、原理的には写真製版と同じであり、石英ガラス製のフォトマスク１１３に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウェハやガラス基板などの露光対象物１１５に光学的に投影して転写する。

露光装置１００は、上述した紫外レーザ装置ＬＳと、照明光学系１０２と、フォトマスク１１３を保持するマスク支持台１０３と、投影光学系１０４と、露光対象物１１５を保持する露光対象物支持テーブル１０５と、露光対象物支持テーブル１０５を水平面内で移動させる駆動機構１０６とを備えて構成される。照明光学系１０２は複数のレンズ群からなり、紫外レーザ装置ＬＳから出力された深紫外レーザ光を、マスク支持台１０３に保持されたフォトマスク１１３に照射する。投影光学系１０４も複数のレンズ群により構成され、フォトマスク１１３を透過した光を露光対象物支持テーブル上の露光対象物１１５に投影する。

このような構成の露光装置１００においては、紫外レーザ装置ＬＳから出力された深紫外レーザ光が照明光学系１０２に入力され、所定光束に調整された深紫外レーザ光がマスク支持台１０３に保持されたフォトマスク１１３に照射される。フォトマスク１１３を通過した光はフォトマスク１１３に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系１０４を介して露光対象物支持テーブル１０５に保持された露光対象物１１５の所定位置に照射される。これにより、フォトマスク１１３のデバイスパターンの像が、半導体ウェハや液晶パネル等の露光対象物１１５の上に所定倍率で結像露光される。

このような露光装置１００は、簡明な構成で、高出力の深紫外レーザ光Ｌｏを出力可能な紫外レーザ装置ＬＳを備えている。そのため、簡明な構成の露光装置を提供することができる。

次に、紫外レーザ装置ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ４）を備えたシステムの第２の適用例として、フォトマスクや液晶パネル、ウェハ等（被検物）の検査工程で使用される検査装置について、その概要構成を示す図７を参照して説明する。図７に例示する検査装置２００は、フォトマスク等の光透過性を有する被検物２１３に描かれた微細なデバイスパターンの検査に好適に使用される。

検査装置２００は、前述した紫外レーザ装置ＬＳと、照明光学系２０２と、被検物２１３を保持する被検物支持台２０３と、投影光学系２０４と、被検物２１３からの光を検出するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ２１５と、被検物支持台２０３を水平面内で移動させる駆動機構２０６とを備えて構成される。照明光学系２０２は複数のレンズ群からなり、紫外レーザ装置ＬＳから出力された深紫外レーザ光を、所定光束に調整して被検物支持台２０３に保持された被検物２１３に照射する。投影光学系２０４も複数のレンズ群により構成され、被検物２１３を透過した光をＴＤＩセンサ２１５に投影する。

このような構成の検査装置２００においては、紫外レーザ装置ＬＳから出力された深紫外レーザ光が照明光学系２０２に入力され、所定光束に調整された深紫外レーザ光が被検物支持台２０３に保持されたフォトマスク等の被検物２１３に照射される。被検物２１３からの光（本構成例においては透過光）は、被検物２１３に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系２０４を介してＴＤＩセンサ２１５に投影され結像する。このとき、駆動機構２０６による被検物支持台２０３の水平移動速度と、ＴＤＩセンサ２１５の転送クロックとは同期して制御される。

そのため、被検物２１３のデバイスパターンの像がＴＤＩセンサ２１５により検出され、このようにして検出された被検物２１３の検出画像と、予め設定された所定の参照画像とを比較することにより、被検物に描かれた微細パターンの欠陥が抽出される。なお、被検物２１３がウェハ等のように光透過性を有さない場合には、被検物からの反射光を投影光学系２０４に入射してＴＤＩセンサ２１５に導くことにより、同様に構成することができる。

このような検査装置２００は、簡明な構成で、高出力の深紫外レーザ光Ｌｏを出力可能な紫外レーザ装置ＬＳを備えている。そのため、簡明な構成の検査装置を提供することができる。

ＬＳ 紫外レーザ装置
ＬＳ１ 第１構成形態の紫外レーザ装置
ＬＳ２ 第２構成形態の紫外レーザ装置
ＬＳ３ 第３構成形態の紫外レーザ装置
ＬＳ４ 第４構成形態の紫外レーザ装置
Ｌａ，Ｌａ′ 赤外レーザ光
Ｌａ₁ 第１の赤外レーザ光 Ｌａ₂ 第２の赤外レーザ光
Ｌｖ₁ 第１紫外レーザ光 Ｌｖ₂ 第２紫外レーザ光
Ｌｏ 深紫外レーザ光
１ レーザ光出力部
１ａ 第１レーザ光出力部 １ｂ 第２レーザ光出力部
１１ 第１レーザ光源 １２ 第２レーザ光源
１３ レーザ光源
２１ 第１ファイバ増幅器 ２２ 第２ファイバ増幅器
２３ ファイバ増幅器
３ 波長変換部 ３０ 波長変換光学系
３０ａ 第１波長変換光学系 ３０ｂ 第２波長変換光学系
３１，３２，３３，３５，３６ 波長変換光学素子
４１ ダイクロイックミラー ４３ ビームスプリッタ
４６ ダイクロイックミラー ４７ ダイクロイックミラー
１００ 露光装置
１０２ 照明光学系 １０３ マスク支持台
１０４ 投影光学系 １０５ 露光対象物支持テーブル
１１３ フォトマスク １１５ 露光対象物
２００ 検査装置
２０２ 照明光学系 ２０３ 被検物支持台
２０４ 投影光学系 ２１３ 被検物
２１５ ＴＤＩセンサ

Claims (13)

1. 波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある赤外レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
   前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光を複数の波長変換光学素子により順次波長変換して前記赤外レーザ光の第８高調波である第１紫外レーザ光を発生させる第１波長変換光学系と、
   前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光及び前記第１波長変換光学系により発生された前記第１紫外レーザ光が入射する第２波長変換光学系とを備え、
   前記第２波長変換光学系は、
   前記第１紫外レーザ光と前記赤外レーザ光との和周波発生により第２紫外レーザ光を発生させる第１の波長変換光学素子と、
   前記第２紫外レーザ光と前記第１の波長変換光学素子を透過した前記赤外レーザ光との和周波発生により波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を発生させる第２の波長変換光学素子とを有し、
   前記第１の波長変換光学素子における位相整合は、前記赤外レーザ光を常光、前記第１紫外レーザ光を異常光とし、前記第２紫外レーザ光を常光として発生させるタイプII位相整合である
   ことを特徴とする紫外レーザ装置。
2. 波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある赤外レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
   前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光を複数の波長変換光学素子により順次波長変換して前記赤外レーザ光の第８高調波である第１紫外レーザ光を発生させる第１波長変換光学系と、
   前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光及び前記第１波長変換光学系により発生された前記第１紫外レーザ光が入射する第２波長変換光学系とを備え、
   前記第２波長変換光学系は、
   前記第１紫外レーザ光と前記赤外レーザ光との和周波発生により第２紫外レーザ光を発生させる第１の波長変換光学素子と、
   前記第２紫外レーザ光と前記第１の波長変換光学素子を透過した前記赤外レーザ光との和周波発生により波長が２００ｎｍ以下の深紫外レーザ光を発生させる第２の波長変換光学素子とを有し、
   前記第１の波長変換光学素子における位相整合は、前記赤外レーザ光を異常光、前記第１紫外レーザ光を常光とし、前記第２紫外レーザ光を異常光として発生させるタイプII位相整合であり、
   前記第１の波長変換光学素子はＣＢＯ結晶である
   ことを特徴とする紫外レーザ装置。
3. 前記第２の波長変換光学素子における位相整合は、前記赤外レーザ光及び前記第２紫外レーザ光を常光とし、前記深紫外レーザ光を異常光として発生させるタイプＩ位相整合である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の紫外レーザ装置。
4. 前記第２の波長変換光学素子における位相整合は、前記赤外レーザ光及び前記第２紫外レーザ光を異常光とし、前記深紫外レーザ光を常光として発生させるタイプＩ位相整合である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の紫外レーザ装置。
5. 前記第２の波長変換光学素子はＣＬＢＯ結晶であることを特徴とする請求項３に記載の紫外レーザ装置。
6. 前記第２の波長変換光学素子はＣＢＯ結晶であることを特徴とする請求項４に記載の紫外レーザ装置。
7. 前記第１の波長変換光学素子はＬＢＯ結晶であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項（請求項２及び請求項２に従属するものを除く）に記載の紫外レーザ装置。
8. 前記レーザ光出力部は、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器を有する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。
9. 前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光が前記第１波長変換光学系を透過して前記第２波長変換光学系に入射する
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。
10. 前記レーザ光出力部から出力された前記赤外レーザ光が光路の途中で分岐されて前記第２波長変換光学系に入射する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。
11. 前記レーザ光出力部は、
    波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある第１の前記赤外レーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、
    波長が１８００〜２０００ｎｍの帯域にある第２の前記赤外レーザ光を出力する第２レーザ光出力部とを有し、
    前記第１レーザ光出力部から出力された前記第１の赤外レーザ光が前記第１波長変換光学系に入射し、前記第２レーザ光出力部から出力された前記第２の赤外レーザ光が前記第２波長変換光学系に入射する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置と、
    所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、
    露光対象物を保持する露光対象物支持部と、
    前記紫外レーザ装置から出力された前記深紫外レーザ光を前記マスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、
    前記フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系と
    を備えたことを特徴とする露光装置。
13. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置と、
    被検物を保持する被検物支持部と、
    前記紫外レーザ装置から出力された前記深紫外レーザ光を前記被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、
    前記被検物からの光を検出する検出器と
    を備えたことを特徴とする検査装置。

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