JP2007206452A - 深紫外光源及び、その深紫外光源を用いたマスク検査装置及び露光装置 - Google Patents

深紫外光源及び、その深紫外光源を用いたマスク検査装置及び露光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 室温で動作することが可能な深紫外光を効率良く発生できるレーザ光源を提供することであり、また、この深紫外光レーザ光源により、高い欠陥検出感度を有する小型で安定したマスク検査装置及び露光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 波長0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光を出射する固体レーザと、前記固体レーザから取り出された波長0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光の第4高調波を発生させる第4高調波発生部と、前記第4高調波発生部で発生した第4高調波と、波長1.3μm帯のレーザ光との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備える深紫外光源。
【選択図】 図1

Description

本発明は、深紫外光源及び、その深紫外光源を用いたマスク検査装置及び露光装置に関する。特に、波長200nm以下のレーザ装置に関し、半導体製造工程で利用されるフォトマスクの欠陥検出に利用されるマスク検査装置や露光装置に好適な光源に関する。
一般にマスクの欠陥検査では、マスクのパターン像を顕微鏡で観察している。その際、観察する部分を光で照明する必要がある。また、このときに用いられるマスク検査光源にはランプを用いる場合とレーザを用いる場合とに大別される。さらに、レーザを用いる検査装置においては、一般に連続のレーザ光が用いられている。
また、半導体の微細化とともに要求される欠陥サイズが年々小さくなっている。従って、欠陥検出感度を高めるために検査光源の短波長化が必要となっている。従来の検査装置において波長364nmのアルゴンレーザを光源に用いていたが、最近ではアルゴンレーザにおける最大出力ラインである波長514nmの第2高調波である波長257nmの連続レーザ光を用いたマスク検査装置(例えば、非特許文献1)が市販されている。また、検出感度の点から検査光源のさらなる短波長化が望まれている。
しかしながら、アルゴンレーザはレーザの中でも電気効率が低いことから、十分なレーザ出力を得るために大型化しなければならず、消費電力も数十kWと高いことが問題になっている。そこで、アルゴンレーザの代わりに、近赤外域でレーザ発振する固体レーザをベースとし、波長変換によって紫外光を発生させた波長変換型の固体レーザをマスク検査光源として用いることも検討されている。例えば、特許文献1には、波長1064nmでレーザ発振するNd:YAGレーザ(三価のNdイオンがドープされたYAl12結晶を母体とした固体レーザ)の第4高調波(4倍波とも呼ばれる。)の波長266nmの紫外光を光源としたマスク検査装置が示されている。
一方、波長200nm以下で波長190nm近くの検査光源が望まれている。これは、レンズ材である合成石英が利用できる波長域が波長190nm程度までであり、顕微鏡周辺の光学系をほとんど変更せずに用いるためにはこの深紫外光のレーザが最も有効的である。特に露光用ArFエキシマレーザの発振波長である波長193.4nmでは、ArFエキシマレーザ用に開発されてきた様々なコーティングがそのまま利用できるため、パルスでしか動作できないArFエキシマレーザに代わり、波長193.4nmの連続のレーザ光源が望まれている。ただし、露光用でなく、狭帯域化されていないArFエキシマレーザでは、その発振スペクトルは、波長193.4nmを中心として、波長幅0.4nm程度の広がりを有する。
また、マスクのパターン面に付ける半透明膜であるシフタの厚みによって位相差を付ける位相シフトマスクは、ArFエキシマレーザ用に作成されることが多い。そのシフタの厚みを測定する検査装置では、露光用ArFエキシマレーザの波長と同じ波長で検査する必要がある。そこで、シフタの検査用光源としては、キセノンランプなど紫外域まで広い発光スペクトルを有するランプが利用されていた。
しかしながら、ArFエキシマレーザは有毒ガスであるフッ素ガスを必要とするため、ArFエキシマレーザを用いずにArFエキシマレーザの発振波長と同じ193.4nm付近に発振波長を持つレーザが必要とされている。そこで、ArFエキシマレーザの発振波長と同じ193.4nmで連続動作するレーザ光を、固体レーザや半導体レーザ、及び波長変換用の非線形光学結晶などの固体素子で発生させるさまざまな手法が検討されている。それらのいくつかの従来例を以下に説明する。
非特許文献2に示されている従来手法では、図15(a)に示した深紫外光源900のような構成になる。まず、Nd:YAGレーザ901の基本波(ωと示す。)である波長1064nmのレーザ光を非線形光学結晶(NLOと示す。NLOはNon Linear Opticsである。)902に通すことで波長532nmの第2高調波(2ωと示す。)を発生させる。さらに、この波長532nmの第2高調波をNLO903に通すことで、4倍波(4ωと示す。)である波長266nmの紫外光が発生する。
次に、最初の波長変換において未変換の基本波か、あるいは別の固体レーザから基本波を取り出し、この基本波(ω)と上述の波長266nmである4倍波(4ω)とをNLO905に通すことで、これらの和周波数が発生し(SFGと示す。SFGはSum Frequency Generationである。)、波長213nmである5倍波(5ω)が発生する。なお、図ではレーザ光を矢印付の太線で示してあるが、実際にSFGがおこるには、2本のレーザ光をダイクロイックミラー等で合成して1本のビームにしてから、NLOに通す必要がある。また後述する従来例でも同様である。
さらに、固体レーザの基本波をOPO(Optical Parametric Oscillationである。)904と呼ばれる波長可変である長波長光の発生技術を用いて、波長2105nmの赤外光を発生させる。この波長2105nmの光と上述の波長213nmである5倍波(5ω)とをNLO906に通すことによってSFGをおこし、波長193.4nmの深紫外光が発生する。
また、図15(b)に示した従来の深紫外光源910では、Nd:YAGレーザ911の波長1064nmの基本波(ω)から、NLO912により波長532nmである2倍波(2ω)を発生させる。波長532nmである2倍波(2ω)と未変換の波長1064nmである基本波(ω)とをNLO914に通すことでSFGをおこし、波長355nmである3倍波(3ω)の紫外光を発生させる。
さらに、Nd:YAGレーザ911の波長1064nmである基本波(ω)から、NLO913により波長532nmである2倍波(2ω)を発生させる。この波長532nmである2倍波(2ω)を励起光源としてレーザ動作するチタンサファイアレーザ(Ti:Sapphire Laser、以下、TiSレーザと示す。)915によって、波長708nmにチューニングされた近赤外光を発生させる。TiSレーザ915から発振した波長708nmの光(ω)と上述の波長355nmである3倍波(3ω)とをNLO916に通すことによってSFGを行い、波長236nmの紫外光を発生させる。波長236nmの紫外光とNd:YAGレーザの波長1064nmである基本波(ω)とをNLO917によりSFGを行うことで、和周波である波長193.4nmの深紫外光が得られる。
以上に説明した従来手法では、固体素子だけでArFエキシマレーザの発振波長と同じ波長193.4nmの深紫外光を発生できるため、装置的に扱いやすいという特長がある。しかしながら、波長193.4nmの深紫外光を発生させるまでに、波長変換を4回か5回行う必要があることから、得られるレーザ光のパワーばらつきが極めて大きくなってしまうことが問題であった。これは、NLOに光を通すことによって波長変換を行うと、得られるレーザ光のパワーがNLOに入射したレーザ光のパワーの二乗に比例するためである。そのため、波長変換の段数が高いほど、パワーのばらつきは増大してしまう。
そこで、従来の方法として波長変換の段数を減らした特許文献2に示された手法がある。この手法においては、図15(c)に示した深紫外光源920のように、Nd:YAGレーザ921をベースに用いて、Nd:YAGレーザ921の波長0.9μm帯の発振ラインである946nmを用いる。波長946nmの基本波(ω)をNLO922とNLO923とに通すことによって、波長236.5nmである第4次高調波(4ω)を発生させる。波長236.5nmである4倍波(4ω)とNd:YAGレーザ921から発振する波長1064nmの光(ω)とをNLO924に通すことによってSFGを行い、波長193.5nmの深紫外光を発生できることが示唆されている。この手法では、波長変換を3回行うことで波長193.5nmの深紫外光を得ることができる。
しかしながら、この方法においては波長236.5nmの光と波長1064nmの光とのSFGを、CLBOを用いた場合は室温でおこすことができない。波長200nm以下の深紫外光を効率良く発生できるNLOとしては、現状ではBBOとCLBOが一般に広く利用されている。しかし、波長193nm近傍の光をBBOに通すと吸収量が大きく発生する光量が大きく減少してしまう。また、CLBOにおいても、SFGの際の短波長側のレーザ光の波長λ1が約236nmになると、常温では位相整合ができず約−180℃に冷却する必要が生じることが報告されている(例えば、非特許文献2)。さらにまた、下記非特許文献によれば、波長193nmの光をCLBOによってSFGで発生させるには、短波長側の光の波長λは波長234nm以下でなければならないとされている(例えば非特許文献3)。この問題は、前述の図15(b)における深紫外光発生においてもおこる問題点である。なお、前記BBOやCLBOなどの非線形光学結晶やSFGによる深紫外光の発生に関しては、例えば、非特許文献4において説明されている。
特開平7−270328号公報 特開2000−223408号公報 Proceedings of SPIE Vol.5446、2004年、p.265−278 レーザー研究、第27巻、1999年8月号、p.525−530 Optics Communications、Vol.198、2001年、p.403−406 レーザー研究、第26巻、1998年3月号、p.215−219
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、CLBOを用いて室温で動作することが可能な深紫外光を効率良く発生できるレーザ光源を提供することを目的とする。また、この深紫外光レーザ光源により、高い欠陥検出感度を有する小型で安定したマスク検査装置及び露光装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様に係る深紫外光源は、波長0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光を出射する固体レーザと、前記固体レーザから取り出された波長0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光の第4高調波を発生させる第4高調波発生部と、前記第4高調波発生部で発生した第4高調波と、波長1.3μm帯のレーザ光との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備えるものである。このことによって、波長変換を3回行うのみで、193.4nm近傍の波長を有する深紫外光を発生させることができる。
本発明の第2の態様に係る深紫外光源は、前記固体レーザから、前記波長1.3μm帯のレーザ光を取り出すものである。このようにすることによって、パルス動作を行う場合に、それら2本のビームのパルスタイミングをまったく同じにすることが可能であるからである。
本発明の第3の態様に係る深紫外光源は、上述の深紫外光源において、前記第1の固体レーザとして、YLFレーザ、あるいはKGWレーザ、あるいはYVOレーザを用いることを特徴としたものである。このことによって、0.9μm帯の光の第4高調波がCLBOの室温における位相整合条件を満たすことができる。
本発明の第4の態様に係る深紫外光源は、上述の深紫外光源において、前記固体レーザがパルス発振型固体レーザであることを特徴とするものである。レーザ光をパルスを用いることによって、パルス毎のパワーが大きいため、波長変換を容易に行うことができる。
本発明の第5の態様に係る深紫外光源は、InGaAs系の半導体レーザである第1のレーザ光源と、前記第1のレーザ光源から取り出されたレーザ光の第4高調波を発生させる第4高調波発生部と、InGaAs系の半導体レーザ又は、固体レーザである第2のレーザ光源と、前記第4高調波発生部で発生した第4高調波と、前記第2のレーザ光源から取り出されたレーザ光との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備えるものである。半導体レーザを用いることによって、所望の波長にあわせることができるため、設計自由度を増大させることができる。
本発明の第6の態様に係る深紫外光源は、上述の深紫外光源において、前記第1のレーザ光源の発振波長は、900nm以上936nm以下であるものである。このことによって、第1のInGaAs系の半導体レーザの第4高調波がCLBOの室温における位相整合条件を満たすことができる。
本発明の第7の態様に係る深紫外光源は、上述の深紫外光源において、前記第2のレーザ光源がInGaAs系の半導体レーザであり、前記第1のレーザ光源と前記第2のレーザ光源とをタイミングが同期されたパルス状の駆動電流によって動作させることを特徴とするものである。このようにすることによって、パルス動作を行う場合に、それら2本のビームのパルスタイミングをまったく同じにすることが可能となり、容易に波長変換を行うことができる。
本発明の第8の態様に係る深紫外光源は、波長476.5nmのレーザ光を出射するアルゴンレーザである第1のレーザ光源と、前記第1のレーザ光源から取り出されるレーザ光の第2高調波を発生させる第2高調波発生部と、波長1.0μm帯のレーザ光を出射する、半導体レーザ又は固体レーザである、第2のレーザ光源と、前記第2のレーザ光源から取り出されるレーザ光と、前記第2高調波発生部から取り出される第2高調波との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備えるものである。この構成にすることによって、2回の波長変換を行うことで、193.4nm近傍の波長を有する深紫外光を発生させることができる。
本発明の第9の態様に係る深紫外光源は、波長457.9nmのレーザ光を出射するアルゴンレーザである第1のレーザ光源と、前記第1のレーザ光源から取り出されるレーザ光の第2高調波を発生させる第2高調波発生部と、波長1.3μm帯のレーザ光を出射する、半導体レーザ又は固体レーザである、第2のレーザ光源と、前記第2のレーザ光源から取り出されるレーザ光と、前記第2高調波発生部から取り出される第2高調波との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備えるものである。この構成にすることによって、2回の波長変換を行うことで、193.4nm近傍の波長を有する深紫外光を発生させることができる。
本発明の第10の態様に係るマスク検査装置は、上述の深紫外光源を用いたものである。さらに、本発明の第11の態様に係る露光装置は、上述の深紫外光源を用いたものである。このようにすることによって、検査装置又は露光装置をコンパクトにすることができ、高繰り返しパルス動作も可能となる。
本発明に係る深紫外光源、及びマスク検査装置によれば、波長変換が2〜3回のみで、しかもCLBOを用いて効率良くSFGを行うことができる。そのため、効率よく深紫外光を発生させることができる深紫外光源及び、その深紫外光源を用いた検査装置や露光装置を提供できる。
第1の実施の形態
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、深紫外光源及び、その深紫外光源を用いたマスク検査装置及び露光装置に適用したものである。まず、本実施の形態にかかる深紫外光源の手法の概念図を図1(a)に示す。
図1(a)に示されるように、本実施の形態においては、波長0.9μm帯の発振ラインが0.90μm以上0.92μm以下である第1の固体レーザ11と波長1.3μm帯の発振ラインを持つ第2の固体レーザ12を用意する。第1の固体レーザから取り出されるレーザ光の第4高調波(4ω)をNLO(NLOはNon Linear Opticsである。)13とNLO14とに2回通すことによって取り出す。また、第2の固体レーザから1.3μm帯で発振させたレーザ光(ω)の基本波を取り出す。そして、上述の2つの波長のレーザ光をNLO15に通すことによって、2つの周波数のSFG(SFGはSum Frequency Generationである。)をひきおこし、193.4nm近傍の波長を持つ深紫外のレーザ光を取り出すことができる。ここでいう193.4nm近傍の波長とは、190nm以上197nm以下の波長のことである。また、波長1.3μm帯とは、1300nm〜1360nmの波長範囲のことである。
ここで、SFGによって発生する波長193nm近傍の深紫外光の説明図を図2に示す。図2において、横軸は短波長側の波長λを示し、縦軸は長波長側の波長λを示す。図2内のラインは、横軸の波長の光と縦軸の波長の光のSFGをおこすことによって、波長193nmの光を取り出すことができるλとλとの値を示している。つまり、式1で示されるλとλとをプロットしたものである。
1/λ+1/λ=1/193・・・式1
また、この図2のライン上に、深紫外光において一般的に用いられるNLOであるCLBOとBBOのSFGによる深紫外光発生の室温で位相整合することができる限界波長が示されている。BBOに関しては、波長193nm近傍で吸収が強いので本発明の目的にそぐわないため考慮に入れる必要がない。CLBOにおいては、波長236nm近傍のところに限界波長があり、これ以下の光を用いてSFGを行うことによって、波長193nm近傍の深紫外光を発生させることができる。従来技術に示したように、CLBOによる波長が193nm近傍の光をSFGで発生させるには、短波長側λは波長234nm以下でなければならないとされている。
本実施の形態においては、第1の固体レーザ11の0.9μm帯の発振ラインが0.90μm以上0.92μm以下であるために、この光の第4高調波の波長は225nm以上230nm以下となり、CLBOにおける室温で位相整合することができる限界波長以下であるので、CLBOによってSFGをおこすことが可能である。また、本実施の形態においては、1本のビームラインから取り出される高調波を用い、最後の波長変換のみSFGを行っているため、ビームラインを合わせることによる光のパワーのロスを少なくすることができる。
さらに、1つの固体レーザから0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光と1.3μm帯のレーザ光を発生させることが好ましい。すなわち、第1の固体レーザ11と第2の固体レーザ12が同一のレーザとなる。これは、1つのレーザによって両方の発振ラインの波長の光を発振できると、パルス動作を行う場合に、それら2本のビームのパルスタイミングが全く同じになり、タイミングがずれることがないためである。その結果、SFGをおこすときにおいて高い変換効率が得られる。特に連続励起のモードロックによって固体レーザを発振させると、100MHz前後の非常に高い繰り返し数のパルス動作を行わせることも可能であり、その場合は、連続発振させて取り出させた連続レーザ光と同様の利用が可能であり、しかも連続の場合のパワーに比べて、各パルスのピークパワーは高いため、波長変換の効率が高くなる。
さらにまた、第1の固体レーザ11と第2の固体レーザ12とは、三価のNdイオンがドープされたLiYF結晶による固体レーザであるNd:YLFレーザ(以下、YLFレーザと略す。)、三価のNdイオンがドープされたKGd(WO結晶による固体レーザであるNd:KGWレーザ(以下、KGWレーザと略す。)、三価のNdイオンがドープされたYVO結晶による固体レーザであるNd:YVOレーザ(以下、YVOレーザと略す。)であることが好ましい。
この理由を説明するのに、三価のNdイオンがドープされた固体レーザにおけるNdイオンのエネルギー準位間のレーザ遷移を図3に示す。3/2から9/2への遷移が波長0.9μm帯の発振をおこし、3/2から13/2への遷移が波長1.3μm帯の発振をおこす。また、3/2から11/2への遷移が波長1.0μm帯の発振を引き起こしている。つまり、三価のNdイオンがドープされた固体レーザを用いれば、1.3μm帯の発振と0.9μm帯の発振を一つの固体レーザだけでおこすことができる。
さらに、それぞれのレーザについて考えてみるために、YLFレーザとKGWレーザとYVOレーザとにおける1.0μm帯と1.3μm帯と0.9μm帯の発振波長を示したのが図4である。図4においては、三価のNdイオンがドープされたYAl12結晶を母体とした固体レーザであるNd:YAGレーザ(以下、YAGレーザと略す。)の1.0μm帯と1.3μm帯と0.9μm帯とも示している。図4(a)がYAGレーザの場合、図4(b)がYLFレーザの場合、図4(c)がKGWレーザの場合、図4(d)がYVOレーザの場合である。
まず、固体レーザとしてYAGレーザを用いた場合、図4(a)に示したように、波長0.9μm帯のレーザ発振ラインが946nmであるため、その第4高調波は、波長236.5nmとなる。これは従来技術のところで示したように位相整合条件に適用できず、室温でSFGを行うことができない。
それに対して、固体レーザとしてYLFレーザを用いた場合、図4(b)に示したように、波長0.9μm帯のレーザ発振ラインは908nmであるため、その第4高調波は、波長227nmとなる。この波長227nmのレーザ光と、YLFレーザの波長1.3μm帯のレーザ発振ラインである波長1314nm(ただし1321nmにも発振ラインがある。)とのSFGが室温付近での角度制御で実現でき、波長約193.6nmの深紫外光を発生できる。
また、固体レーザとしてKGWレーザを用いた場合、図4(c)に示したように、波長0.9μm帯のレーザ発振ラインは911nmであるため、その第4高調波は、波長227.8nmとなる。この波長227.8nmのレーザ光と、KGWレーザの波長1.3μm帯のレーザ発振ラインである波長1351nmとのSFGが室温付近での角度制御で実現でき、波長194.9nmの深紫外光を発生できる。
さらに、固体レーザとしてYVOレーザを用いた場合は、図4(d)に示したように、波長0.9μm帯のレーザ発振ラインは914nmであるため、その第4高調波は、波長228.5nmとなる。この波長228.5nmのレーザ光と、YVOレーザの波長1.3μm帯のレーザ発振ラインである波長1342nmとのSFGが室温による角度制御で実現でき、波長195.3nmの深紫外光を発生できる。
以上に説明した各種の固体レーザにおける本実施の形態に係る深紫外光発生手法による深紫外光の波長をまとめた表を図5に示す。図5に示したように、本実施の形態においては、YLFレーザとKGWレーザとYVOレーザとの場合において、SFGをおこすことによって193.4nm近傍の深紫外光が得られる。
以上のことから、本実施の形態に係る深紫外レーザ光の発生手法を用いることによって、3回の波長変換で193.4nm近傍の深紫外光を室温で発生させることができる。そのため、波長変換のときに発生する波長幅の増大を減少させることができる。また、波長変換のときに失われるエネルギーを減少させることができる。このことによって、高出力かつパワー変動の小さい深紫外光源を実現できる。また、フッ素ガスなどの有毒なガスを用いない固体レーザのみの構成であるために容易に扱うことのできる光源とすることができる。また、深紫外レーザ光を発生させる結晶を用いた光学系を組むことによって大きな装置を用いる必要がないため、193.4nm近傍の深紫外光を用いた高い欠陥検出感度を有する小型で安定したマスク検査装置を提供することができる。
また、本実施の形態では、ArFエキシマレーザの波長の波長193.4nmに近傍の深紫外光を発生できるため、波長193.4nmの連続光源を用いたマスク検査装置が実現されたと仮定した場合に比べて、欠陥検査感度はほとんど同等である。その理由としては、検出感度は、欠陥のサイズに対する検査光源の波長の割合で定まるため、ある大きさの欠陥のサイズを、193.4nmで割った値と、190〜197nmで割った値とは、ほぼ同等になるからである。
第2の実施の形態
図1(b)に示されるように、本実施の形態においては、第1のInGaAs系半導体レーザ21と、第2のInGaAs系半導体レーザあるいは固体レーザ22を使用する。第2のInGaAs系半導体レーザあるいは固体レーザ22は、第1のInGaAs系半導体レーザ21から発振されるレーザ光の第4高調波とのSFGが行われることで、193.4nm近傍の光が得られる波長のレーザ光を発振する。ここでいうInGaAs系半導体レーザとは、活性層がInGaAsから構成されている半導体レーザのことである。
第1のInGaAs系半導体レーザ21から取り出されたレーザ光(ω)をNLO23とNLO24とに通すことによって、このレーザ光の第4高調波(4ω)を取り出す。また、第2のInGaAs系半導体レーザ又は固体レーザ22から基本波(ω)を取り出す。そして、上述の2つの波長のレーザ光をNLO25に通すことによって、2つの周波数のSFGを行う。これにより、193.4nm近傍の波長を持つ深紫外のレーザ光を取り出すことができる。
本実施の形態においては、半導体レーザを用いているために、NLO25において波長変換することができる波長域のレーザ光を出射するものを選択することができる。また、半導体レーザを用いることによって、SFGによって193.4nm近傍の光を発生する波長を、半導体レーザの発振波長として選択することができる。このことから、本実施の形態においては、所望の波長のレーザ光を発振することが可能となる。また、本実施の形態においては、1本のビームラインから取り出される高調波を用い、最後の波長変換のみSFGを行っているため、ビームラインをあわせることによる光のパワーのロスを少なくすることができる。
さらに、第1のInGaAs系半導体レーザ21の発振波長は、900nm以上936nm以下の波長であることが望ましい。これは、900nm以上936nm以下の波長を持つレーザ光を発振する半導体レーザであれば、深紫外のレーザ光における波長変換を行う一般的な結晶であるCLBOを使用することができるからである。これは、図2に示されたCLBOの位相整合条件から、SFGを行う短波長側のレーザ光の波長が234nm以下にしなければCLBOを用いて193.4nm近傍の波長を持つ深紫外光を発生させることができないためである。基本波の波長を936nm以下にすることによって、第4高調波をCLBOの位相整合条件に合う234nm以下にすることができる。
ここで、図6に各種半導体レーザの発振波長域を示す。上述の900nm以上936nm以下の波長領域の光を出すことができるのは、現在発見されている半導体レーザのうち、InGaAs系の半導体レーザだけである。そこで、本実施の形態においては、InGaAs系の半導体レーザから取り出されたレーザ光の第4高調波を短波長側とし、長波長側のレーザ光を固体レーザ又はInGaAs系の半導体レーザから取り出すことによって行っている。例えば、短波長側のレーザ光を取り出すためのInGaAs系半導体レーザとして、0.93nmの波長のレーザ光を発振する半導体レーザを選択したとすると、1150nmの波長のレーザ光を発振する半導体レーザを長波長側の半導体レーザとして選択する。そして、両方のレーザ光のSFGを行うことによって、193.4nmの波長のレーザ光を取り出すことができる。
また、長波長側のレーザ光を取り出すためにInGaAs系の半導体レーザを選択した場合に、タイミングが同期されたパルス状の駆動電流によって動作させるとよい。これは、短波長のレーザ光と長波長側の同じInGaAs系の半導体レーザを選択し、タイミングが同期されていると、SFGを行う際に位相整合を行いやすくなるためである。
以上のようにすることによって、3回の波長変換で193.4nm近傍の深紫外光を室温で発生させることができる。そのため、波長変換のときに発生する波長幅の増大を減少させることができ、波長変換のときに失われるエネルギーを減少させることができる。このことによって、高出力かつパワー変動の小さい深紫外光源を実現できる。また、フッ素ガスなどの有毒なガスを用いない固体レーザのみの構成であるために容易に扱うことのできる光源とすることができる。また、半導体レーザを用いることによって、所望の波長を選択することが可能となる。さらに、深紫外レーザ光を発生させる結晶を用いた光学系を組むことによって大きな装置を用いる必要がないため、193.4nm近傍の深紫外光を用いた高い欠陥検出感度を有する小型で安定したマスク検査装置を提供することができる。
第3の実施の形態
本実施の形態においては、アルゴンレーザを用いている。図1(c)に示したように、アルゴンレーザ31から発生する波長476.5nmのレーザ光の第2高調波(2ω)と固体レーザ32における1.0μm帯のレーザ光(ω)とでSFGを行ったものである。波長476.5nmのレーザ光(ω)をNLO33に通すことによって発生した第2高調波(2ω)は波長238.3nmとなる。従って、図2に示された位相整合条件による限界波長よりも高い波長によるSFGを行うことになるが、波長238〜242nmの紫外光と1.0μm帯のレーザ光(ω)とのSFGは、室温近くで90度位相整合が実現できることが明らかになっている。そこで、アルゴンレーザ31から発生した波長476.5nmのレーザ光の第2高調波(2ω)と固体レーザ32における1.0μm帯のレーザ光(ω)とをNLO34に通すことによってSFGを行い、波長194.3nm近傍の深紫外光を発生できる。
また、ここでいう1.0μm帯とは1.0μm〜1.05μmの波長範囲である。さらに、本実施の形態において、固体レーザ32としては、三価のNdイオンがレーザ用結晶にドープされた固体レーザだけでなく、三価のYb(イッテルビウム)イオンがレーザ用結晶にドープされた固体レーザでもよい。
本実施の形態においては、1本のビームラインから取り出される高調波を用い、最後の波長変換のみSFGを行っているため、ビームラインをあわせることによる光のパワーのロスを少なくすることができる。さらに、本実施の形態においては、2回の波長変換を行うことで193.4nm近傍のレーザ光を取り出すことができるため、波長変換の際に失われるレーザ光のパワーを少なくすることができる。
以上のことから、2回の波長変換で193.4nm近傍のレーザ光を取り出すことができ、そのためパワーの強い193.4nmのレーザ光を取り出すことができる。このことによって、高出力かつパワー変動の小さい深紫外光源を実現できる。また、フッ素ガスなどの有毒なガスを用いない固体レーザのみの構成であるために容易に扱うことのできる光源とすることができる。また、深紫外レーザ光を発生させる結晶を用いた光学系を組むことによって大きな装置を用いる必要がないため、193.4nm近傍の深紫外光を用いた高い欠陥検出感度を有する小型で安定したマスク検査装置を提供することができる。
第4の実施の形態
本実施の形態においては、アルゴンレーザを用いている。図1(d)に示したように、アルゴンレーザ41から発生する波長457.9nmのレーザ光の第2高調波(2ω)と固体レーザ42における1.3μm帯のレーザ光(ω)とでSFGを行ったものである。アルゴンレーザから発振した波長457.9nmのレーザ光(ω)をNLO43に通す。NLO43からの第2高調波(2ω)は、波長229.0nmの紫外光になる。従って、図2に示したCLBOの位相整合条件の制限波長より短い波長にすることができる。そのため、アルゴンレーザから発振した波長457.9nmのレーザ光の第2高調波である波長229nmの紫外光(2ω)と、1.3μm帯のレーザ光(ω)とをNLO44に通すことによって行うSFGを、室温における位相制御で実現でき、波長193.4nm近傍の深紫外光を発生することができる。また、ここでいう1.3μm帯とは、1300nm〜1360nmの波長範囲である。
本実施の形態においては、1本のビームラインから取り出される高調波を用い、最後の波長変換のみSFGを行っているため、ビームラインをあわせることによる光のパワーのロスを少なくすることができる。さらに、本実施の形態においては、2回の波長変換を行うことで193.4nm近傍のレーザ光を取り出すことができるため、波長変換の際に失われるレーザ光のパワーを少なくすることができる。
以上のことから、2回の波長変換で193.4nm近傍のレーザ光を取り出すことができ、そのためパワーの強い193.4nmのレーザ光を取り出すことができる。このことによって、高出力かつパワー変動の小さい深紫外光源を実現できる。また、フッ素ガスなどの有毒なガスを用いない固体レーザのみの構成であるために容易に扱うことのできる光源とすることができる。また、深紫外レーザ光を発生させる結晶を用いた光学系を組むことによって大きな装置を用いる必要がないため、193.4nm近傍の深紫外光を用いた高い欠陥検出感度を有する小型で安定したマスク検査装置を提供することができる。
第1の実施例
第1の実施の形態を具現化する深紫外光源100の構成を図7に示す。ここではYLFレーザの場合を例として示す。また、Nd:YLF結晶の励起光源として波長約0.8μmで発振する半導体レーザ(LD)を用いる場合を示している。ここでいうNd:YLF結晶とは、三価のNdイオンがLiYF結晶にドープされたレーザ結晶のことである。
LD110はファイバ111と結合しており、ファイバ111内を伝播して出射端からの光が取り出される。LD110は、後述するNd:YLF結晶122を励起するための光源であり、発振波長は0.8μmである。ファイバ111から取り出される光はコリメートレンズ112を通過し、波長0.9μm帯のレーザ光の第2高調波を発生させるための内部波長変換型のZ型共振器120内に入射する。
Z型共振器120は、ダイクロイック凹凸ミラー113a、113b、113c、及び凹面ミラー116とでZ字型に配置されている。ダイクロイック凹凸ミラー113aと113bとの間にNd:YLF結晶122が配置され、ダイクロイック凹凸ミラー113cと凹面ミラー116との間にNLO117aが配置されている。NLO117aは、Nd:YLF結晶122から取り出される波長908nmの光の第2高調波を発生させるものである。また、NLO117aとしては、LBO、BBO、あるいはBiBOなどが適している。
コリメートレンズ112から入射された光はダイクロイック凹凸ミラー113aをほぼ90%の透過率で通過し、Nd:YLF結晶122のダイクロイック凹凸ミラー113a側端面より数ミリ内部に入った位置で集光している。Z型共振器120を構成するダイクロイック凹凸ミラー113a、113b、113c、及び凹面ミラー116は、波長908nmにおいて99%以上の高い反射率を有している。その結果、Z型共振器120中では、波長908nmのレーザ光が強く発生する。
一方、ダイクロイック凹凸ミラー113bに関しては、波長1314nmにおいて90%以上の高い透過率になっており、ダイクロイック凹凸ミラー113bを透過した光のほとんどは、波長1314nmの光である。ただし後述するダイクロイック凹凸ミラー113fに関しては、波長1314nmにおいて約80%の反射率を有するようになっており、その結果、ダイクロイック凹凸ミラー113aと113fとで構成される長い共振器内では、波長1314nmのレーザ光が共振している。つまり、Z型共振器120内の光には、波長908nmの他に波長1314nmのレーザ光も含んでいる。
Z型共振器120内の波長908nmのレーザ光は、ダイクロイック凹凸ミラー113bで高い反射率で反射し、ダイクロイック凹凸ミラー113cで反射してNLO117aに入射する。NLO117aに入射されるときに、光は絞られながら進みNLO117a中で集光する。これによって波長908nmの第2高調波が発生する。
また、ダイクロイック凹凸ミラー113cは波長454nmにおいてダイクロイックミラー113bより高い透過率を有しているため、発生した第2高調波である波長454nmのレーザ光はダイクロイック凹凸ミラー113cからZ型共振器120の外部に取り出される。凹面ミラー116は波長454nmにおいても高い反射率を有しているため、NLO117aから右側に発生する第2高調波は凹面ミラー116で反射して、正反対に戻されてから、ダイクロイック凹凸ミラー113cから取り出される。
次に、ダイクロイック凹凸ミラー113cから取り出された波長454nmのレーザ光は、レンズ114bで絞られながら、ダイクロイック凹凸ミラー113dを通過してNLO117bに集光する。これによって、波長454nmの第2高調波である波長227nmのレーザ光が発生する。すなわち、基本波の第4高調波が発生する。NLO117bとしては、BBOやCLBOなどが適している。
また、ダイクロイック凹凸ミラー113eは、波長454nmおいて95%以上の高い反射率を有しているが、波長227nmにおいては90%以上の高い透過率を有している。そのため、NLO117bで発生した波長227nmのレーザ光はダイクロイック凹凸ミラー113eを通過する。また、NLO117bの右方向に発生する波長227nmのレーザ光は、ダイクロイック凹凸ミラー113dで高い反射率で反射して、再びNLO117bを通り、ダイクロイック凹凸ミラー113eを通過する。
ダイクロイック凹凸ミラー113eを通過したレーザ光は、レンズ114cを通り、ミラー115bで反射される。ミラー115bで反射した光は、ダイクロイック平面ミラー119で反射して、レンズ114dを通過して絞られながら進み、ダイクロイック凹凸ミラー113fに入射される。ダイクロイック凹凸ミラー113fに入射された光はダイクロイック凹凸ミラー113fを通過して、NLO117cに集光する。
一方、ダイクロイック凹凸ミラー113bを通過した波長1314nmのレーザ光はレンズ114aを通過して平行ビームになる。この平行ビームはミラー115a、115cで反射してレンズ114eを通って絞られながらダイクロイック凹凸ミラー113gに入射される。ダイクロイック凹凸ミラー113gは、波長1314nmにおいて高い透過率を有するため、ダイクロイック凹凸ミラー113gに入射された光はダイクロイック凹凸ミラー113gを通過し、NLO117cで集光する。ダイクロイック凹凸ミラー113fに当たる。ダイクロイック凹凸ミラー113fは、波長1314nmにおいて高い反射率を有しており、ダイクロイック凹凸ミラー113fとダイクロイック凹凸ミラー113gとの間を通るレーザ光における波長1314nmの成分はここで全て反射して、再びNLO117cを通過するようになっている。
すなわち、NLO117cには、波長227nmのレーザ光と、波長1314nmのレーザ光とが集光するようになっており、これらのSFGが行われる。それによって波長193.6nmの深紫外光が発生し、この波長で高い透過率を有するダイクロイック凹凸ミラー113fを通過し、さらにレンズ114dとダイクロイック平面ミラー119を通過して、波長193.6nmの深紫外光が取り出される。
図7で示した深紫外光源100の特徴は、レーザ光を発生させるために、Nd:YLF結晶122が1個用いられているだけであり、ここで波長908nmと1314nmの2波長を発生させている点である。その結果、深紫外光源100をパルス動作させるには、Z型共振器120中の光路にQスイッチ123を配置すればよい。例えば、超音波Qスイッチを用いると、5〜20kHzの高繰り返しパルス動作が可能である。これにより、Z型共振器120から取り出される波長454nmのレーザ光も、波長1314nmのレーザ光も、同じタイミングでパルス発振するため、NLO117cにおけるSFGが効率良く行われる。
ただし、パルス動作時に、本実施例のように、SFGの発生効率を上げるために同一のレーザを用いてもよいが、あるいは、2台のレーザを接近させて並べて、Qスイッチだけを1個用いて共用させてもよい。その場合もそれら2台のレーザからのパルス光のタイミングが全く同じになり、効率良くSFGが行える。
このように、本実施例では、波長193.6nmにおいて、20kHz程度の高い繰り返しパルス動作の深紫外光も得られることになり、ArF露光装置用のArFエキシマレーザを発振器と増幅器とで構成する場合に、発振器として利用することもできる。つまり、ArFエキシマレーザの発振波長は、狭帯域化しないと、約0.3nmもの広い波長範囲に亘って発振する。従ってArFレーザは、波長193.6nmにも利得領域があり、本実施例に係る深紫外光源100を発振器として用いることが可能である。
第2の実施例
本実施例は、図1(a)に示された第1の実施の形態を具現化する、第1の実施例とは異なる実施例である。図8は本実施例に係る深紫外光源200の構成図である。深紫外光源200が、図7に示した深紫外光源100と大きく異なる点としては、固体レーザを2台用いて、最終段で深紫外光を発生させる際のSFGで用いる波長1314nmの基本波のNd:YLFレーザを独立に用いるものである。以下、図面に沿って構成を説明する。
深紫外光源200では、励起光源として用いられているLD210aに結合されたファイバ211aから取り出される0.8μmの励起光を、コリメートレンズ212aを通過させ、コリメートレンズ212aによって絞られながら、基本波を発生させるためのレーザ共振器220内に入射する。
レーザ共振器220は、ダイクロイック凹凸ミラー213aと213b、及び凹面ミラー216aと216bとでZ字型に形成されている。LD210aからの励起光はダイクロイック凹凸ミラー213aを90%以上の高い透過率で通過し、Nd:YLF結晶222aの左側端面より数ミリ内部に入った位置で集光している。Nd:YLF結晶222aにLD210aからの励起光が入射されることによって、波長908nmのレーザ光がNd:YLF結晶222aから取り出される。
レーザ共振器220を構成するダイクロイック凹凸ミラー213aと213b、及び凹面ミラー216aと216bは、波長908nmにおいて99%以上の高い反射率を有している。特に凹面ミラー216aは、後述する波長908nmのレーザ光の第4高調波とSFGを行うレーザ光の波長1314nmにおいては、10%以下の低い反射率になっている。その結果、Z型共振器220中では、波長908nmのレーザ光が強く発生し、波長1314nmのレーザ光は増幅されないため発生しない。
波長908nmのレーザ光は、ダイクロイック凹凸ミラー213bで高い反射率で反射して絞られながら進み、NLO217a中で集光する。これによって波長908nmの第2高調波である波長454nmのレーザ光が、ダイクロイック凹凸ミラー213bからレーザ共振器220の外部に取り出される。ミラー216bは波長454nmにおいても高い反射率を有しているため、NLO217aから右側に発生する第2高調波は一度ミラー216bで反射して、正反対に戻されてから、ダイクロイック凹凸ミラー213bから取り出される。また、NLO217aとしては、LBO、BBO、BiBOなどが適している。
ダイクロイック凹凸ミラー213bから取り出された波長454nmのレーザ光は、レンズ214aで絞られながら進み、外部共振器221a内に入る。外部共振器221aは、ダイクロイック凹凸ミラー213c、213dとNLO217bとピエゾ素子(PZT)218aによって構成される。ダイクロイック凹凸ミラー213c、213dは、波長454nmにおいて高い反射率を有している。また、ダイクロイック凹凸ミラー213dに取り付けられたPZT218aによって、これらダイクロイック凹凸ミラー213cとダイクロイック凹凸ミラー213dとの間隔を波長454nmの整数倍になるように常に微調整されている。その結果、波長454nmのレーザ光は、外部共振器221a内で共振する。
外部共振器221a内部で共振するレーザ光が集光される位置にNLO217bが配置されているため、波長454nmの第2高調波である波長227nmのレーザ光が発生する。ダイクロイック凹凸ミラー213cは、波長227nmにおいて100%近い反射率を有し、ダイクロイック凹凸ミラー213dは波長227nmにおいて95%以上の高い反射率を有している。そのため、ダイクロイック凹凸ミラー213dから、波長227nmのレーザ光が外部共振器221aの外部に取り出される。なお、NLO217bとしては、CLBOやBBOなどが適している。
ダイクロイック凹凸ミラー213dを透過した波長227nmのレーザ光は、外部共振器221bを構成するダイクロイック凹凸ミラー213eを通過して外部共振器221bに入射する。外部共振器221bは、ダイクロイック凹凸ミラー213eとダイクロイック凹凸ミラー213fとNLO217cとPZT218bで構成される。外部共振器221bでは、ダイクロイック凹凸ミラー213eにPZT218bが取り付けられており、共振器長が波長227nmの整数倍に調整されている。すなわち、外部共振器221bでは波長227nmのレーザ光が共振するようになっている。
一方、励起光源として用いられているもう1台のLD210bはファイバ211bに結合している。ファイバ211bを介してLD210bから取り出される0.8μmの励起光は、2枚の凸レンズで構成されているコリメートレンズ212bを通過する。そして光はコリメートレンズ212bを通過することによって、絞られながら進みNd:YLF結晶222bの端部に集光する。Nd:YLF結晶222bにLD210bからの励起光が入射されることによって、波長1314nmのレーザ光がNd:YLF結晶222bから取り出される。
ダイクロイック凸面ミラー213g、213h、213e、及びミラー216cは、全て波長1314nmのレーザ光が45度入射した際に、99%以上の高い反射率で反射するようになっている。その結果、これらの4枚のミラーでは、波長1314nmのレーザ光の共振器が構成され、Nd:YLF結晶222bから発生するレーザ光の波長は1314nmになっている。
一方、NLO217cは、この波長1314nmのレーザ光の共振器中に配置されることになるため、NLO217cには、前述したように、波長227nmのレーザ光と、波長1314nmのレーザ光の両方が通過し、どちらもここで集光されるようになるため、これらの2つの波長のレーザ光においてSFGが行われる。その結果、波長193.6nmのレーザ光が発生し、この波長において高い透過率を有するダイクロイック平面ミラー213hから深紫外光として取り出される。なお、NLO217cとしては、特にCLBOが適している。
本実施例の特長としては、深紫外光を発生させる際のSFGに必要な波長1314nmのレーザ光の発生だけにNd:YLFレーザが1台利用されており、NLO217c内における波長1314nmのレーザ光の強度を高くでき、その結果、高出力の193.6nmの深紫外光が得られる。
なお、以上に説明した2つの実施例におけるNd:YLF結晶の代わりに、Nd:KGW結晶やNd:YVO結晶を用いる場合も、図7や図8に示した装置と同様の構成を用いることができる。ただし、最終的にSFGで発生する深紫外光の波長は、それぞれ194.9nm、及び195.3nmと多少長めになる。
さらにまた、Nd:YLF結晶の代わりに、Nd:YAP(YAlO)結晶を用いてもよい。Nd:YAPレーザは、波長0.93μmと波長1.34μmでレーザ発振することが知られており、前記同様の本発明の手法によって、波長約198nmの深紫外光が得られる。
また、図8に示された深紫外光源200における2台目の固体レーザとして、Nd:YLFレーザではなく、Nd:YAGレーザを用いてもよい。すなわち、Nd:YLF結晶222bをNd:YAG結晶に変えても良い。ただしその場合、Nd:YAG結晶の1.3μm帯の発振波長は1338nmであるため、SFGを行って得られる深紫外光の波長は194.1nmとなる。あるいはまた、Nd:YAG結晶の1.3μm帯の発振波長として1319nmを利用すれば、深紫外光の波長は193.7nmとなり、これらの手法を用いてもよい。
第3の実施例
本実施例は、図1(b)に示された第2の実施の形態を具現化する実施例である。図9は本実施例に係る深紫外光源300の構成図である。深紫外光源300では、基本波を発生させるレーザとして、InGaAs系LD301aが用いられている。LD301aでは、活性層がInGaAs系であるが、これを挟む上下にはAlGaAs系媒質(ただし図示せず。)で挟まれたダブルヘテロ(DH)構造で分布帰還型(DFB)レーザとなっている。ただし数ワットの高出力レーザ光が得られるように、テーパー型パワー増幅器を結合した不安定共振器構造になっている。これにより、波長920nmのレーザ光が取り出される。
基本波であるレーザ光は、凹面ミラー316aで反射して、ダイクロイック凹凸ミラー313aで反射し、NLO317aに集光する。その結果、第2高調波である波長460nmのレーザ光が、ダイクロイック凹凸ミラー313aから取り出される。ただし、NLO317aから右側に出射する第2高調波は、凹面ミラー316bで反射して戻されてから、ダイクロイック凹凸ミラー313aから取り出される。なお、ダイクロイック凹凸ミラー313aは、波長460nmにおいて高い透過率を有するが、波長920nmにおいて高い反射率を有する特性になっている。また、NLO317aとしては、LBO、BBO、BiBOなどが適している。
波長460nmのレーザ光は、レンズ314aで絞られながら進み、外部共振器321内に入る。外部共振器321を構成するダイクロイック凹凸ミラー313bとダイクロイック凹凸ミラー313cは、波長460nmにおいて高い反射率を有している。また、ダイクロイック凹凸ミラー313cに取り付けられたPZT318によって、これらダイクロイック凹凸ミラー313bとダイクロイック凹凸ミラー313cとの間隔を波長460nmの整数倍になるように常に微調整されている。その結果、波長460nmのレーザ光は、外部共振器321内で共振する。
外部共振器321内部で共振するレーザ光が集光される位置にNLO317bが配置されているため、波長460nmの第2高調波である波長230nmのレーザ光が発生する。ダイクロイック凹凸ミラー313cは、波長230nmおいて95%以上の高い反射率を有しているため、波長230nmのレーザ光が外部共振器321の外部に取り出される。なお、NLO317bとしては、CLBOやBBOなどが適している。
外部共振器321の外部に取り出されたレーザ光は、レンズ314bを通過し、絞られながら進んで、ダイクロイック凹凸ミラー313dを通過して、NLO317cに入射する。ダイクロイック凹凸ミラー313dは、波長230nmにおいて95%以上の高い透過率を有すが、ダイクロイック凹凸ミラー313eは波長230nmにおいて95%以上の高い反射率を有するようになっている。
一方、SFGを行う際の長波長側のレーザとしては、波長1215nmでレーザ発振するように調整されたInGaAs系LD301bが用いられている。LD301bから取り出されたレーザ光は、凹面ミラー316cで反射し、ダイクロイック平凸ミラー313fで反射して、ダイクロイック凹凸ミラー313eを透過して、NLO317c中に集光する。これにより、NLO317cには、波長230nmのレーザ光と、波長1215nmのレーザ光が通過するため、これらのレーザ光においてSFGが行われる。その結果、波長193.4nmのレーザ光が発生し、波長193.4nmにおいて高い透過率を有するダイクロイック平凸ミラー313fから波長193.4nmの深紫外光として取り出される。なお、NLO317cとしては、特にCLBOが適している。
本実施例の特長としては、基本波を発生させるレーザに半導体レーザを用いている点であり、半導体レーザはある程度の波長範囲で自由な波長でレーザ発振できる。したがって、最終的に得られる深紫外光の波長を、正確に193.4nmに合わせることが可能である。
また、本実施例では、LD301aとLD301bとを駆動する電流源330が共有されており、これによってパルス動作を行う際は、LD301aとLD301bとに対して、電流源330から電源ケーブル331a、331bを伝わって供給されるパルス電流のタイミングが全く等しくなり、その結果、それぞれから発生するパルス状のレーザ光のタイミングも全く等しくなることから、NLO317cでのSFGが効率良く行える。
第4の実施例
本実施例は、図1(b)に示された第2の実施の形態を具現化する、第3の実施例と異なる実施例である。図10は本実施例に係る深紫外光源400の構成図である。深紫外光源400では、基本波を発生させるレーザとして、InGaAs系LD401が用いられている。LD401は、前述した図9のLD301と同様の構造になっているが、発振波長が多少短波長側に設定されており、波長904nmのレーザ光が取り出される。
波長904nmのレーザ光は、凹面ミラー416aで反射して、ダイクロイック凹凸ミラー413aで反射し、NLO417aに集光し、第2高調波である波長452nmのレーザ光が、ダイクロイック凹凸ミラー413aから取り出される。ただし、NLO417aから右側に出射する第2高調波は、凹面ミラー416bで反射して戻されてから、ダイクロイック凹凸ミラー413aから取り出される。なお、ダイクロイック凹凸ミラー413aは、波長452nmにおいて高い透過率を有するが、波長904nmにおいて高い反射率を有する特性になっている。また、NLO417aとしては、LBO、BBO、BiBOなどが適している。
波長452nmのレーザ光は、レンズ414aで絞られながら進み、外部共振器421内に入る。外部共振器421を構成するダイクロイック凹凸ミラー413bとダイクロイック凹凸ミラー413cは、波長452nmにおいて高い反射率を有しているが、ダイクロイック凹凸ミラー413cに取り付けられたPZT418によって、これらダイクロイック凹凸ミラー413bとダイクロイック凹凸ミラー413cとの間隔を波長452nmの整数倍になるように常に微調整されており、その結果、波長452nmのレーザ光は、外部共振器421内で共振する。
外部共振器421内部で共振するレーザ光が集光される位置にNLO417bが配置されているため、波長452nmの第2高調波である波長226nmのレーザ光が発生するが、ダイクロイック凹凸ミラー413cは、波長226nmおいて95%以上の高い反射率を有しているため、波長226nmのレーザ光が外部共振器421の外部に取り出され、レーザ光となって進む。なお、NLO417bとしては、CLBOやBBOなどが適している。
波長226nmのレーザ光は、レンズ414bを通過し、絞られながら進んで、ダイクロイック凹凸ミラー413dを通過して、NLO417cに入射する。ダイクロイック凹凸ミラー413dは、波長226nmにおいて95%以上の高い透過率を有すが、ダイクロイック凹凸ミラー413eは波長226nmにおいて95%以上の高い反射率を有するようになっている。
一方、励起光源として用いられているLD410に結合されたファイバ411から取り出される0.8μmの励起光は、2枚の凸レンズで構成されているコリメートレンズ412を通過して、絞られながら進み、Nd:YAG結晶422の端部に集光する。
ところで、ダイクロイック凹凸ミラー413d、413f、413g、及び凹面ミラー416cは、全て波長1338nmのレーザ光を99%以上の高い反射率で反射するようになっている。その結果、これらの4枚のミラーでは、波長1338nmにおける共振器が構成され、Nd:YAG結晶422から発生するレーザ光の波長は1338nmになっている。
一方、NLO417cは、この波長1338nmのレーザ光の共振器中に配置されることになる。そのため、NLO417cには、前述したように、波長226nmのレーザ光と、波長1338nmのレーザ光の両方が通過する。そして、これらのレーザ光においてSFGが行われる。その結果、波長193.4nmのレーザ光が発生し、この波長において高い透過率を有するダイクロイック平凸ミラー413gから波長193.4nmの深紫外光として取り出される。なお、NLO417cとしては、特にCLBOが適している。
本実施例の特長としては、波長193.4nmの深紫外光を発生させる際のSFGに必要な波長1338nmのレーザ光の発生だけにYAGレーザの1.3μm帯が利用されており、NLO467c内における波長1338nmのレーザ光の強度を高くでき、その結果、高出力の193.4nmの深紫外光が得られる。
第5の実施例.
本実施例は、図1(c)に示された第3の実施の形態を具現化する実施例である。図11は本実施例に係る深紫外光源500の構成図である。深紫外光源500では、Z型共振器構造を有するアルゴンレーザ501が用いられている。すなわちアルゴンレーザ501の共振器は、放電管502の片側に平面ミラー503と分散プリズム504とが配置され、反対側には、凹面ミラー516a、ダイクロイック凹凸ミラー513a、及び凹面ミラー516bが配置され、アルゴンレーザ501は、共振器構成がZ字型の内部波長変換型になっている。このアルゴンレーザ501は分散プリズム504によって、基本波として波長476.5nmのレーザ光のみが発振するように波長選択されている。
一方、ダイクロイック凹凸ミラー513aと凹面ミラー516bとで、基本波のレーザ光集光される位置にNLO517aが配置しており、これによって波長238.3nmの第2高調波が発生し、波長238.3nmにおいて高い透過率を有するダイクロイック凹凸ミラー513aから波長238.3nmのレーザ光のように取り出されるようになっている。
ダイクロイック凹凸ミラー513aから取り出されたレーザ光はコリメートレンズ512aを通過して絞られながら進み、ダイクロイック凹凸ミラー513bを通って、NLO517bで集光する。一方、LD510に直結された光ファイバ511から出射する波長0.8μm付近の励起光は、コリメートレンズ512bを通る。この励起光は波長0.8μm付近で高い透過率を有するダイクロイック凹凸ミラー513dを通過する。そして、Nd:YLF結晶522の端面に集光して、これを励起している。
このダイクロイック凹凸ミラー513d、凹面ミラー516c、ダイクロイック平面ミラー519、及びダイクロイック凹凸ミラー513bは、波長1047nmにおいては高い反射率を有している。その結果、これらのミラーによってZ字型に構成されている共振器内に配置されているNd:YLF結晶522からは、波長1.0μm帯における強い発振ラインである波長1047nmのレーザ光が発生する。
したがって、NLO517bとして用いられているCLBOを通過するレーザ光には、波長238.3nmと波長1047nmが含まれる。そして、これらのSFGである波長194.1nmの深紫外光が発生する。図11で右に進む波長194.1nmのレーザ光は、波長194.1nmにおいて高い透過率を有するダイクロイック平面ミラー519から波長194.1nmの深紫外光として取り出される。
以上に示したように、本実施例の特長としては、使用するNLOがNLO517aと517bの2個で済むだけでなく、SFGを行うNLO517bにおける短波長側の波長が238.3nmであるため、CLBOによる位相整合が室温に近い温度で行われ、効率良く深紫外光を発生できる。
なお、本実施例におけるNd:YLF結晶522の代わりに、三価のYbイオンがYAl12結晶、あるいはKGd(WO結晶、あるいはKY(WO結晶にドープされたYb系の固体レーザを用いてもよい。すなわち、これらYb:YAGレーザ、Yb:KGWレーザ、あるいはYb:KYWレーザは、それぞれ波長1030nm、1026nm、及び1025nmの近赤外光が得られることが知られており、これらのレーザの基本波と、波長238.3nmとのSFGによって得られる深紫外光は、それぞれ波長193.5nm、193.4nm、及び193.4nmとなるため、露光用ArFエキシマレーザの波長にさらに近くなる。したがって、露光用ArFエキシマレーザの波長とほぼ等しい波長でないと利用できない用途、例えば、ArFエキシマレーザ増幅器用の発振器や、あるいはArFマスクの膜厚測定装置などの光源として特に適する。
第6の実施例.
本実施例は、図1(d)に示された第4の実施の形態を具現化する実施例である。図12は本実施例に係る深紫外光源600の構成図である。深紫外光源600では、Z型共振器構造を有するアルゴンレーザ601が用いられている。すなわちアルゴンレーザ601の放電管602の片側に平面ミラー603と分散プリズム604とが配置される。その反対側には、凹面ミラー605a、ダイクロイック平面ミラー609、及び凹面ミラー605bが配置される。アルゴンレーザ601は、共振器構成がZ字型の内部波長変換になっている。このアルゴンレーザ601は分散プリズム604によって、基本波として波長457.9nmのレーザ光のみが発振するように波長選択されている。
一方、レンズ606aと凹面ミラー605bとで、基本波のレーザ光集光される位置にNLO607aが配置されている。NLO607aによって波長229nmの第2高調波が発生する。そして、波長229nmにおいて高い透過率を有するダイクロイック平面ミラー609から波長229nmのレーザ光が取り出されるようになっている。
ダイクロイック平面ミラー609から取り出されたレーザ光はレンズ606bを通過して絞られながら進み、NLO607bで集光する。一方、LD610に直結された光ファイバ611から出射する波長0.8μm付近の励起光は、コリメートレンズ612を通る。そして、波長0.8μm付近で高い透過率を有するダイクロイック凹凸ミラー608bを通過する。ダイクロイック凹凸ミラー608bを通過した光は、Nd:YLF結晶613の端面に集光し、これを励起している。
これらダイクロイック凹凸ミラー608b、608a、ダイクロイック平面ミラー609、凹面ミラー605cは、波長1314nmにおいては高い反射率を有している。その結果、これらのミラーによってZ字型に構成されている共振器内に配置されているNd:YLF結晶613は、波長1.3μm帯における強い発振ラインである波長1314nmでレーザ発振する。したがって、NLO607bとして用いられているCLBOを通過するレーザ光には、波長229nmと波長1314nmの両方が含まれる。そして、これらのSFGである波長195.0nmの深紫外光が発生する。波長195.0nmにおいて高い透過率を有するダイクロイック凹凸ミラー608aから波長195.0nmの深紫外光として取り出される。
以上の本実施例において、使用するNLOがNLO607aと607bの2個で済むだけでなく、SFGを行うNLO607bにおける短波長側の波長が229nmであるため、CLBOによる位相整合が室温で行われ、効率良く深紫外光を発生できる。
なお、本実施例の特長としては、SFGを行うNLO607bを通過する2つの波長のレーザ光に関して、波長1314nmのレーザ光は、Nd:YLFレーザの共振器中に閉じ込められている。一方、波長229nmのレーザ光は、この波長で高い反射率を有する凹面ミラー605bと凹面ミラー605cとの間に閉じ込められている。したがって、どちらの波長のレーザ光も高いパワーになっており、SFGが効率良く行える。すなわち、このようにSFGを行う2つのレーザ光のどちらに対しても、PZT等で共振器長を正確に制御する必要がある外部共振器を利用していない点に大きな特徴があり、その結果、外乱に強い安定した共振器構造になっている。
第7の実施例.
次に図1に示された本発明の深紫外光源100を用いたマスク検査装置700に関して、図13を用いて説明する。なお、マスク検査装置700はマスク701のパターン面に発生した欠陥を検出するための装置である。
深紫外光源100から取り出された深紫外光は、マスク検査装置700内に入り、先ずハーフミラー702に入射される。ここでは約50%が透過し、約50%が反射する。ハーフミラー702を反射した深紫外光は、集光レンズ703aを通過して、検査対象であるマスク701のパターン面(図で下側の面)に集光する。マスク701を出射した深紫外光は対物レンズ704aによって、二次元光検出器705aに入射される。すなわち、深紫外光がマスク701に集光した部分のパターン像が、二次元光検出器705aに結像される。なお、本実施例では、二次元光検出器705a、及び705bとしては、画素数が2048画素×512画素(=1048576画素)のTDI(Time Domain Integration)センサーが用いられているが、CCDセンサーを用いてもよい。
一方、ハーフミラー702を透過した深紫外光は、ミラー706で反射し、深紫外光は集光レンズ703bを通過して、検査対象であるマスク701のパターン面に集光する。マスク701を出射した深紫外光は対物レンズ704bによって、二次元光検出器705bに入射される。
二次元光検出器705a、及び二次元光検出器705bでの信号は、それぞれ信号線707a、707bによってパターン比較装置708に送られる。これによって、Die−to−Die比較検査が行われる。
本実施例の特長としては、検査光源に本発明の深紫外光源100を用いていることから、装置全体がコンパクトになっただけでなく、安定した検査が長時間行えるようになった。
第8の実施例.
次に、第1の実施例で示した深紫外光源100を用いたパターン露光装置800に関して図14を用いて説明する。図14は本発明のパターン露光装置800の構成図である。パターン露光装置800は、露光光源として、図7に構造が示された本発明の深紫外光源100を用いており、そこから取り出される波長193.6nmの深紫外光によって、ウエハ上にパターンを描画する装置である。
深紫外光源100からのレーザ光は、ミラー802で反射してから、ミラーデバイス803に入射される。ミラーデバイス803は、照射されるレーザービームの反射光を、ビーム断面内で二次元的に制御するデバイスであり、例えば、米国のTI社が製品化しているマイクロミラーデバイス(DMD)等が適している。パターン情報を有する深紫外光は、縮小投影光学系804を通って、XYステージ805上に載せられたウエハ801に入射される。すなわち、縮小投影光学系804は、ミラーデバイス803を、ウエハ801上に縮小投影している。また、ウエハ801にはレジストが塗布されているため、そのレジストがパターン状に露光される。
本実施例の特長としては、ウエハ上のレジストを任意なパターンに露光できる直接露光装置において、その光源に本発明の深紫外光源100を用いているため、一般的なArFエキシマレーザを用いる場合に比べて、コンパクトであり、しかもArFエキシマレーザとは異なり、有毒なフッ素ガスを用いる必要もない。ただし、露光光である深紫外光は、波長193.4nmのArFエキシマレーザとは僅かに異なる波長であるが、僅か0.2nmしかずれていないため、広く市販されているArFレジストをそのまま利用できる。
以上のことから、本発明の深紫外光源は、高出力の波長約193nmの深紫外光を安定して発生できるため、ArFマスク用の欠陥検査装置や、ArFマスク用位相シフタ等の位相差測定器の光源に適している。
さらに、ArFエキシマレーザに比べてコンパクトであり、高繰り返しパルス動作も可能であるため、ArF露光装置用のArFエキシマレーザを発振器と増幅器とで構成した場合の発振器にも利用できる。
また、スループットをそれ程必要としない試作用の露光装置や、パルス光だとダメージが入りやすいマイクロミラーデバイスを用いたパターン露光装置などには、ArFエキシマレーザを用いずに、本発明の深紫外光源を露光光源として利用できる。
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
本発明における深紫外光源の手法の概念図である。 SFGによって波長193nmを発生させる位相整合の説明図である。 三価のNdイオンがドープされた固体レーザのレーザ遷移を示す説明図である。 各種固体レーザのレーザ遷移を示す説明図である。 各種の固体レーザにおける深紫外光の波長をまとめた表である。 各種半導体レーザの発振波長帯を示した説明図である。 深紫外光源100の構造を示す構成図である。 深紫外光源200の構造を示す構成図である。 深紫外光源300の構造を示す構成図である。 深紫外光源400の構造を示す構成図である。 深紫外光源500の構造を示す構成図である。 深紫外光源600の構造を示す構成図である。 マスク検査装置700の構成図である。 パターン露光装置800の構成図である。 従来提案されてきた様々な深紫外光発生手法を示す説明図である。
符号の説明
11 第1の固体レーザ 12 第2の固体レーザ 13、14、15 NLO
21 InGaAs系半導体レーザ 22 固体レーザ又はInGaAs系半導体レーザ
23、24、25 NLO
31 アルゴンレーザ 32 固体レーザ 33、34 NLO
41 アルゴンレーザ 42 固体レーザ 43、44 NLO
100 深紫外光源
110 LD 111 ファイバ 112 コリメートレンズ
113a、113b、113d、113d、113e、113f、113g ダイクロイック凹凸ミラー
114a、114b、114c、114d、114e レンズ
115a、115b、115c ミラー
116 凹面ミラー 117a、117b、117c NLO
119 ダイクロイック平面ミラー 120 レーザ共振器
120 Z型共振器 122 Nd:YLF結晶 123 Qスイッチ190nm
200 深紫外光源 210a、210b LD 211a、211b ファイバ
212a、212b コリメートレンズ
213a、213b、213c、213d、213e、213f ダイクロイック凹凸ミラー 213g、213h ダイクロイック凹面ミラー
214a、214b レンズ 216a、216b、216c ミラー
217a、217b、217c NLO 218 PZT
220 レーザ共振器 221a、221b 外部共振器
222a、222b Nd:YLF結晶
300 深紫外光源 301a、301b LD
313a、313b、313c、313d、313e ダイクロイック凹凸ミラー
313f ダイクロイック凹凸ミラー 314a、314b レンズ
316a、316b、316c 凹面ミラー
321 外部共振器 330 電流源 331a、331b 電源ケーブル
400 深紫外光源
401、410 LD 411 ファイバ 412 コリメートレンズ
413a、413b、413c、413d、413e ダイクロイック凹凸ミラー
413g ダイクロイック平凸ミラー 414a、414b レンズ
416a、416b、416c 凹面ミラー 417a、417b、417c NLO
418 PZT 421 外部共振器 422 Nd:YAG結晶
500 深紫外光源 501 アルゴンレーザ 502 放電管 503 平面ミラー
504 分散プリズム 511 光ファイバ
512a、512b コリメートレンズ
513a、513b、513c、513d ダイクロイック凹凸ミラー
516a、516b、516c 凹面ミラー
517a、517b NLO 518 PZT 519 ダイクロイック平面ミラー
522 Nd:YLF結晶
600 深紫外光源 601 アルゴンレーザ 602 放電管 603 平面ミラー
604 分散プリズム 605a、605b、605c 凹面ミラー
606a、606b レンズ 607a、607b NLO
608a、608b ダイクロイック凹凸ミラー 609 ダイクロイック平面ミラー
611 光ファイバ 612 コリメートレンズ 613 Nd:YLF結晶
700 マスク検査装置 701 マスク 702 ハーフミラー
703a、703b 集光レンズ 704a、704b 対物レンズ
705a、705b 二次元光検出器 706 ミラー
707a、707b 信号線 708 パターン比較装置
800 パターン露光装置 801 ウエハ 802 ミラー 803 ミラーデバイス
804 縮小投影光学系 805 ステージ
900 深紫外光源 901 Nd:YAGレーザ
902、903、904、905、906 NLO
910 深紫外光源 911 固体レーザ 915 Ti:Sレーザ
912、913、914、916、917 NLO
920 深紫外光源 921 Nd:YAGレーザ
922、923、924 NLO

Claims (11)

  1. 波長0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光を出射する固体レーザと、
    前記固体レーザから取り出された波長0.90μm以上0.92μm以下のレーザ光の第4高調波を発生させる第4高調波発生部と、
    前記第4高調波発生部で発生した第4高調波と、波長1.3μm帯のレーザ光との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備える深紫外光源。
  2. 前記固体レーザから、前記波長1.3μm帯のレーザ光を取り出す、請求項1に記載の深紫外光源。
  3. 前記固体レーザとして、YLFレーザ、KGWレーザ、又はYVOレーザを用いることを特徴とした請求項1又は請求項2に記載の深紫外光源。
  4. 前記固体レーザがパルス発振型固体レーザである、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の深紫外光源。
  5. InGaAs系の半導体レーザである第1のレーザ光源と、
    前記第1のレーザ光源から取り出されたレーザ光の第4高調波を発生させる第4高調波発生部と、
    InGaAs系の半導体レーザ又は、固体レーザである第2のレーザ光源と、
    前記第4高調波発生部で発生した第4高調波と、前記第2のレーザ光源から取り出されたレーザ光との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備える深紫外光源。
  6. 前記第1のレーザ光源の発振波長は、900nm以上936nm以下である、請求項5に記載の深紫外光源。
  7. 前記第2のレーザ光源がInGaAs系の半導体レーザであり、
    前記第1のレーザ光源と前記第2のレーザ光源とをタイミングが同期されたパルス状の駆動電流によって動作させることを特徴とする請求項5又は請求項6の深紫外光源。
  8. 波長476.5nmのレーザ光を出射するアルゴンレーザである第1のレーザ光源と、
    前記第1のレーザ光源から取り出されるレーザ光の第2高調波を発生させる第2高調波発生部と、
    波長1.0μm帯のレーザ光を出射する、半導体レーザ又は固体レーザである、第2のレーザ光源と、
    前記第2のレーザ光源から取り出されるレーザ光と、前記第2高調波発生部から取り出される第2高調波との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備える深紫外光源。
  9. 波長457.9nmのレーザ光を出射するアルゴンレーザである第1のレーザ光源と、
    前記第1のレーザ光源から取り出されるレーザ光の第2高調波を発生させる第2高調波発生部と、
    波長1.3μm帯のレーザ光を出射する、半導体レーザ又は固体レーザである、第2のレーザ光源と、
    前記第2のレーザ光源から取り出されるレーザ光と、前記第2高調波発生部から取り出される第2高調波との和周波の光を発生させる和周波発生部とを備える深紫外光源。
  10. 請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の深紫外光源を用いたマスク検査装置。
  11. 請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の深紫外光源を用いた露光装置。
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