特表2023-530266積み重ねられた四ホウ酸ストロンチウム板を使用した周波数変換
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-14
(54)【発明の名称】積み重ねられた四ホウ酸ストロンチウム板を使用した周波数変換
(51)【国際特許分類】
G02F 1/37 20060101AFI20230707BHJP
G01N 21/956 20060101ALI20230707BHJP
G01N 21/84 20060101ALI20230707BHJP
【ＦＩ】
G02F1/37
G01N21/956 A
G01N21/84 E
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022575949
(86)(22)【出願日】2021-06-07
(85)【翻訳文提出日】2023-02-08
(86)【国際出願番号】 US2021036071
(87)【国際公開番号】W WO2021252306
(87)【国際公開日】2021-12-16
(31)【優先権主張番号】63/038,134
(32)【優先日】2020-06-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/076,391
(32)【優先日】2020-09-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/239,561
(32)【優先日】2021-04-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】500049141
【氏名又は名称】ケーエルエー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】チュアン ユン－ホ アレックス
(72)【発明者】
【氏名】シャオリー インイン
(72)【発明者】
【氏名】ロギノバ エレナ
(72)【発明者】
【氏名】フィールデン ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ジャン バイガン
【テーマコード（参考）】
2G051
2K102
【Ｆターム（参考）】
2G051AA51
2G051AA56
2G051AB02
2G051BA05
2G051BA10
2G051BB05
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2K102AA07
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2K102EB12
2K102EB20
2K102EB22
2K102EB26
(57)【要約】
積み重ねられた四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）結晶板を含む非線形結晶は、疑似位相整合（ＱＰＭ）のための周期構造を作成するように協調的に構成され、レーザアセンブリの最終周波数変換段で使用されて、１２５ｎｍ～１８３ｎｍの範囲の波長を有するレーザ出力光を発生する。１～１．１μｍの間の基本波長を有する１つ以上の基本光ビームは、複数の中間周波数変換段を使用して倍増及び／又は合計されて、１つ以上の中間光ビーム周波数（例えば、第２次～第８次高調波、又はそれらの合計）を発生し、次に、最終周波数変換段は、非線形結晶を利用して、単一の中間光ビーム周波数を倍増するか、２つの中間光ビーム周波数を合計して、所望のレーザ出力光を高出力及び光子エネルギーレベルで発生する。レーザアセンブリを組み込んだ方法及び検査システムについて、更に説明する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲内の対応する波長を備える出力周波数を有するレーザ出力光ビームを発生するためのレーザアセンブリであって、対応する基本周波数を有する基本光ビームを発生するようにそれぞれ構成された１つ以上の基本波レーザと、
前記１つ以上の基本光ビームを使用して１つ以上の中間光ビームを発生するように集合的に構成される複数の中間周波数変換段であって、前記１つ以上の中間光ビームのそれぞれが関連する中間周波数を有している、複数の中間周波数変換段と、
前記１つ以上の中間光ビームを非線形結晶に通すように構成された最終周波数変換段と、を備え、
ここで前記非線形結晶は、積み重ねた構成で配置される複数の四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）結晶板を含み、各前記ＳＢＯ結晶板は少なくとも１つの隣接する前記結晶板と界面表面を形成し、
ここで前記複数のＳＢＯ結晶板は、前記１つ以上の中間光ビームの疑似位相整合（ＱＰＭ）を実現する周期構造を形成するように協調的に構成されることで、前記非線形結晶を出る光が前記出力周波数を有する前記レーザ出力光ビームを含む、
レーザアセンブリ。
【請求項2】
前記複数のＳＢＯ結晶板は、前記各ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が前記隣接するＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転するように構成される、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項3】
前記最終周波数変換段は、前記１つ以上の中間光ビームが、前記複数のＳＢＯ結晶板を通って前記第１及び第２の結晶軸の（ｉ）ａ軸及び（ｉｉ）ｂ軸のうちの１つに平行な方向に伝播するように構成される、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項4】
前記最終周波数変換段は更に、前記１つ以上の中間光ビームを受け取って循環させるように構成されることで、前記１つ以上の中間光ビームのビームウエストが前記非線形結晶で生じる、複数のミラーと、
前記非線形結晶を出る前記光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタが前記出射光の第１の部分を反射して前記レーザ出力光ビームを形成するように、かつ前記出射光の第２の部分が前記ビームスプリッタを通過し、前記複数のミラーによって循環されるように構成されるビームスプリッタと、
を含む、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項5】
前記ビームスプリッタは、ＳＢＯ結晶、ＳＢＯガラス、又はＣａＦ２結晶のうちの１つを含む、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項6】
前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の基本周波数を有する基本光を発生するように構成され、前記複数の中間周波数変換段は、
前記基本光を受け取るように結合され、前記基本周波数の２倍に等しい第２次高調波周波数を有する第２次高調波光を発生するように構成された第１の周波数倍増段と、
前記第１の周波数倍増段から前記第２次高調波光を受け取るように結合され、前記基本周波数の４倍に等しい第４次高調波周波数を有する第４次高調波光として前記中間光ビームを発生するように構成された第２の周波数倍増段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第４次高調波光を周波数倍増するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記基本周波数の８倍に等しくなる、
請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項7】
前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第８次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第４次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項６に記載のレーザアセンブリ。
【請求項8】
前記複数のＳＢＯ結晶板は、第１の前記ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が、隣接する第２の前記ＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転されるように構成され、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の前記結晶軸は、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の両方の結晶ｃ軸が、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板を通過する前記第４次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記出力周波数は実質的に１３３ｎｍに等しく、
前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の少なくとも１つは、前記周期構造の極間の間隔が０．１３μｍの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第４次高調波周波数と前記第８次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項６に記載のレーザアセンブリ。
【請求項9】
前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第１の基本周波数を有する第１の基本光を発生するように構成される第１の基本波レーザと、
対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第２の基本周波数を有する第２の基本光を発生するように構成される第２の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第１の基本光を受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の２倍に等しい第２次高調波周波数を有する第２次高調波光を発生するように構成された周波数倍増段と、
前記周波数倍増段から前記第２次高調波光と前記第２の基本光とを受け取るように結合され、前記中間光ビームを、前記第１の基本周波数の３倍に実質的に等しい第３次高調波周波数を有する第３次高調波光として発生するように構成された周波数合計段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第３次高調波光を周波数倍増するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記第１の基本周波数の６倍に実質的に等しくなる、
請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項10】
前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第６次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第３次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項９に記載のレーザアセンブリ。
【請求項11】
前記複数のＳＢＯ結晶板は、第１の前記ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が、隣接する第２の前記ＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転されるように構成され、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の前記結晶軸は、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の両方の結晶ｃ軸が、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板を通過する前記第３次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記出力周波数は実質的に１７７ｎｍに等しく、
前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の少なくとも１つは、前記周期構造の極間の間隔が０．６０μｍの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第３次高調波周波数と前記第６次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項９に記載のレーザアセンブリ。
【請求項12】
前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第１の基本周波数を有する第１の基本光を発生するように構成される第１の基本波レーザと、
対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第２の基本周波数を有する第２の基本光を発生するように構成される第２の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第１の基本光を受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の２倍に等しい第２次高調波周波数を有する第２次高調波光を発生するように構成された第１の周波数倍増段と、
前記第１の周波数倍増段から前記第２次高調波光の第１の部分と前記第２の基本光とを受け取るように結合され、第１の前記中間光ビームを、前記第１の基本周波数の３倍に実質的に等しい第３次高調波周波数を有する第３次高調波光として発生するように構成された周波数合計段と、
前記第１の周波数倍増段から前記第２次高調波光の第２の部分を受け取るように結合され、第２の前記中間光ビームを、前記第１の基本周波数の４倍に等しい第４次高調波周波数を有する第４次高調波光として発生するように構成された第２の周波数倍増段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記周波数合計段から受け取った前記第３次高調波光と、前記第２の周波数倍増段から受け取った前記第４次高調波光とを合計するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記第１の基本周波数の７倍に実質的に等しくなる、
請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項13】
前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第７次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第３次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項１２に記載のレーザアセンブリ。
【請求項14】
前記複数のＳＢＯ結晶板は、第１の前記ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が、隣接する第２の前記ＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転されるように構成され、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板は、前記第１及び第２の結晶軸の両方の結晶ｃ軸が、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板を通過する前記第３次及び第４次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記出力周波数は実質的に１５２ｎｍに等しく、
前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の少なくとも１つは、前記周期構造の極間の間隔が０．３０μｍの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第３次高調波周波数、前記第４次高調波周波数、及び前記第７次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項１２に記載のレーザアセンブリ。
【請求項15】
前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第１の基本周波数を有する第１の基本光を発生するように構成される第１の基本波レーザと、
対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第２の基本周波数を有する第２の基本光を発生するように構成される第２の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第１の基本光を受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の２倍に等しい第２次高調波周波数を有する第２次高調波光を発生するように構成された第１の周波数倍増段と、
前記第１の周波数倍増段から前記第２次高調波光の第１の部分を受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の４倍に等しい第４次高調波周波数を有する第４次高調波光を発生するように構成された第２の周波数倍増段と、
前記第２の周波数倍増段から前記第４次高調波光と前記第２の基本光とを受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の５倍に実質的に等しい第５次高調波周波数を有する第５次高調波光を発生するように構成された周波数合計段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第５次高調波光を前記第１の周波数倍増段からの前記第２次高調波光の第２部分と合計するように構成され、前記レーザ出力光の前記出力周波数が実質的に前記第１の基本周波数の第７次高調波周波数となる、
請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項16】
前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第７次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第２次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項１５に記載のレーザアセンブリ。
【請求項17】
前記複数のＳＢＯ結晶板は、第１の前記ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が、隣接する第２の前記ＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転されるように構成され、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の前記結晶軸は、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の両方の結晶ｃ軸が、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板を通過する前記第３次及び第４次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の少なくとも１つは、前記周期構造の極間の間隔が０．３４μｍの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第２次高調波周波数、前記第５次高調波周波数、及び前記第７次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項１５に記載のレーザアセンブリ。
【請求項18】
前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第１の基本周波数を有する第１の基本光を発生するように構成される第１の基本波レーザと、
対応する基本波長が１μｍ～１．１μｍの間の第２の基本周波数を有する第２の基本光を発生するように構成される第２の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第２の基本光を受け取るように結合され、前記第２の基本周波数の２倍に等しい第２次高調波周波数を有する第１の前記中間光ビームを発生するように構成された第１の周波数倍増段と、
前記第１の基本光を受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の２倍に等しい第２次高調波周波数を有する第２次高調波光を発生するように構成された第２の周波数倍増段と、
前記第２の周波数倍増段から前記第２次高調波光を受け取るように結合され、前記第１の基本周波数の４倍に等しい第４次高調波周波数を有する第２の前記中間光ビームを発生するように構成された第３の周波数倍増段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第１の中間光ビームと前記第２の中間光ビームとを合計するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記第１の基本周波数の６倍に実質的に等しい第６次高調波周波数を有する、
請求項１に記載のレーザアセンブリ。
【請求項19】
前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第６次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第２次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項１８に記載のレーザアセンブリ。
【請求項20】
前記複数のＳＢＯ結晶板は、第１の前記ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が、隣接する第２の前記ＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転されるように構成され、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の前記結晶軸は、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の両方の結晶ｃ軸が、前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板を通過する前記第２次及び第４次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記第１及び第２のＳＢＯ結晶板の少なくとも１つは、前記周期構造の極間の間隔が０．６６μｍの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第２次高調波周波数、前記第４次高調波周波数、及び前記第６次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項１８に記載のレーザアセンブリ。
【請求項21】
約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲内の対応する波長を備える出力周波数を有するレーザ出力光ビームを生成する方法であって、１つ以上の基本光ビームを、前記基本光ビームの各々が約１μｍ～１．１μｍの対応する基本波長を備える対応する基本周波数を有するように、発生することと、
前記１つ以上の基本光ビームを使用して１つ以上の中間光ビームを発生するように集合的に構成された複数の中間周波数変換段を利用することであって、前記１つ以上の中間光ビームのそれぞれは関連する中間周波数を有していることと、
最終周波数変換段を利用して、前記１つ以上の中間光ビームを、非線形結晶を介して通過させることと、を含み、
ここで前記非線形結晶は、積み重ねた構成で配置される複数の四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）結晶板を含み、各前記ＳＢＯ結晶板は少なくとも１つの隣接する前記結晶板と界面表面を形成し、
ここで前記複数のＳＢＯ結晶板は、前記１つ以上の中間光ビームの疑似位相整合（ＱＰＭ）を実現する周期構造を形成するように協調的に構成されることで、前記非線形結晶を出る光が前記出力周波数を有する前記レーザ出力光ビームを含む、
方法。
【請求項22】
約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲内の対応する波長を備える出力周波数を有するレーザ出力光ビームを使用してサンプルを検査するように構成された検査システムであって、ここで、前記レーザ出力光ビームは、対応する基本周波数を有する基本光ビームを発生するようにそれぞれ構成された１つ以上の基本波レーザと、
前記１つ以上の基本光ビームを使用して１つ以上の中間光ビームを発生するように集合的に構成される複数の中間周波数変換段であって、前記１つ以上の中間光ビームの各々が関連する中間周波数を有する複数の中間周波数変換段と、
前記１つ以上の中間光ビームを非線形結晶に通すように構成された最終周波数変換段と、を含むレーザアセンブリによって発生され、
ここで前記非線形結晶は、積み重ねた構成で配置される複数の四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）結晶板を含み、各前記ＳＢＯ結晶板は少なくとも１つの隣接する前記結晶板と界面表面を形成し、
ここで前記複数のＳＢＯ結晶板は、前記１つ以上の中間光ビームの疑似位相整合（ＱＰＭ）を実現する周期構造を形成するように協調的に構成されることで、前記非線形結晶を出る光が前記出力周波数を有する前記レーザ出力光ビームを含む、
検査システム。
【請求項23】
１つ以上の入力光周波数を、約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲内の対応する波長を備える出力周波数に変換するように構成された非線形結晶であって、複数の四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）結晶板であって、積み重ねられた構成で配置されることで、前記ＳＢＯ結晶板の各々が、少なくとも１つの隣接する前記結晶板との界面を形成する、複数のＳＢＯ結晶板を備え、
ここで前記複数のＳＢＯ結晶板は、前記各ＳＢＯ結晶板の第１の結晶軸が前記少なくとも１つの隣接するＳＢＯ結晶板の第２の結晶軸に対して反転されるように構成され、
ここで前記複数のＳＢＯ結晶板のうちの少なくとも１つの厚さは、臨界長の奇数倍に実質的に等しい極間の間隔を生成し、前記１つ以上の入力光周波数と前記出力周波数との疑似位相整合を可能にし、それによって前記非線形結晶を出る光が、前記出力周波数を有する前記レーザ出力光を含む、
非線形結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、ＶＵＶ波長を有する光を発生することができるレーザに関し、特に、約１２５ｎｍ～１８３ｎｍの範囲の光を発生することができるレーザと、そのようなレーザを使用して、例えば、フォトマスク、レチクル、及び半導体ウェハを検査する検査システムに関する。
【背景技術】
【0002】
関連出願の相互参照
本出願は、「１７７ｎｍ ａｎｄ １３３ｎｍ ＣＷ Ｌａｓｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」と題する、米国仮特許出願第６３／０３８，１３４号の優先権を主張し、それは２０２０年６月１２日に出願されたものであり、参照により本明細書に援用される。本出願は更に、「１５２ｎｍ ａｎｄ １７７ｎｍ ＣＷ Ｌａｓｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」と題する、米国仮特許出願第６３／０７６，３９１号の優先権を主張し、それは２０２０年９月１０日に出願されたものであり、参照により本明細書に援用される。
本出願は、「１７７ｎｍ ａｎｄ １３３ｎｍ ＣＷ Ｌａｓｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」と題する、米国仮特許出願第６３／０３８，１３４号の優先権を主張し、それは２０２０年６月１２日に出願されたものであり、参照により本明細書に援用される。本出願は更に、「１５２ｎｍ ａｎｄ １７７ｎｍ ＣＷ Ｌａｓｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」と題する、米国仮特許出願第６３／０７６，３９１号の優先権を主張し、それは２０２０年９月１０日に出願されたものであり、参照により本明細書に援用される。
【0003】
本出願は更に、以下の米国特許文献に関連し、それらの全てが参照により本明細書に援用されており、それらは、Ｖａｅｚ－Ｉｒａｖａｎｉらの米国特許第６，２０１，６０１号、Ｍａｒｘｅｒらの米国特許第６，２７１，９１６号、Ｌｅｏｎｇらの米国特許第７，５２５，６４９号、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第７，８１７，２６０号、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇの米国特許第８，２９８，３３５号及び第８，８２４，５１４号、Ｇｅｎｉｓの米国特許第８，９７６，３４３号、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉの米国特許第９，０２３，１５２号、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらの米国特許第９，４６１，４３５号及び第９，０５９，５６０号、Ｃｈｕａｎｇの米国特許第９，２９３，８８２号及び第９，６６０，４０９号、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第９，２５０，１７８号、第９，４５９，２１５号、第９，５０９，１１２号、第１０，０４４，１６６号及び第１０，２８３，３６６、ならびにＤｒｉｂｉｎｓｋｉらに公開された米国特許出願第２０１４／０３０５３６７号である。
【0004】
半導体デバイスの寸法が縮小するにつれて、デバイスを故障させる可能性のある最小粒子又はパターン欠陥のサイズも縮小する。したがって、パターン付き、及びパターン付きでない半導体ウェハ及びレチクル上のより小さい粒子及び欠陥を検出する必要が生じる。粒子によって散乱される光の強度は、その光の波長より小さく、一般に、その粒子の寸法の高次べき数としてスケールされる（例えば、隔離された小さい球状粒子からの光の総散乱強度は、球の直径の６乗に比例し、波長の４乗に反比例する）。散乱光の強度が増加するため、より短い波長は、一般に、小さい粒子及び欠陥を検出するための感度が、より長い波長の感度よりも高くなる。
【0005】
小さい粒子及び欠陥から散乱される光の強度は、一般に非常に低いため、高い照射強度が、非常に短時間で検出され得る信号を生成するために必要とされる。０．３Ｗ以上の平均光源パワーレベルが必要とされ場合がある。これらの高い平均パワーレベルでは、高いパルス繰返し率が望ましく、それは繰返し率が高いほどパルス毎のエネルギーは低くなり、したがって、システム光学部品又は検査される物品に対する損傷のリスクが小さくなるためである。検査と計測に対する照明の必要性は、一般に連続波（ＣＷ）光源によって最も適される。ＣＷ光源は、一定のパワーレベルを有するため、ピークパワー損傷問題を回避し、画像又はデータを継続的に取得することを可能にする。しかし、場合によっては、繰返し率が約５０ＭＨｚ以上のモードロックレーザが有用となる場合があり、これは、繰返し率が高いということが、パルス毎のエネルギーを十分に低くして、特定の計測及び検査用途に関する損傷を回避し得る、ということを意味するためである。
【0006】
ＶＵＶ光を発生するためのパルスレーザは、当技術分野において周知である。１３３ｎｍで光を発生するための先行技術のレーザは、よく知られている（例えば、非特許文献１、及び非特許文献２）。残念ながら、そのようなレーザは、レーザパルスの繰返し率が低く、平均パワーレベルが低いため、検査用途にはあまり適さない。
【0007】
しかし、ＶＵＶ範囲の波長を備えるモードロック及びＣＷレーザは、十分なパワーレベルで市販されていないか、又は信頼性が非常に低い。モードロック又はＣＷ光を、約１３３ｎｍまでの波長範囲において、約０．３Ｗより大きいパワーで発生するための先行技術は存在していなかった。
【0008】
パルス光源は、ＣＷ光源の時間平均パワーレベルよりもはるかに高い瞬間的なピークパワーレベルを有する。レーザパルスの非常に高いピークパワーは、光学部品に、及び測定されるサンプル又はウェハに損傷を与える可能性があり、それはほとんどの損傷メカニズムが非線形であり、平均パワーよりもピークパワーに強く依存するためである。パルス繰返し率が高いほど、同じ時間平均パワーレベルのパルスあたりの瞬時ピークパワーは低くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／０１８８６３３号
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】Ｇ．Ｗ．Ｆａｒｉｓ、及びＭ．Ｊ．Ｄｙｅｒ「Ｔｗｏ－ｐｈｏｔｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｏｎ ａｔ １３３ｎｍ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．１８巻、３８２頁（１９９３年）
【非特許文献2】Ａ．Ｔｕ(uウムラウト)ｎｎｅｒｍａｎｎ、Ｃ．Ｍｏｍｍａ、Ｋ．Ｍｏｓｓａｖｉ、Ｃ．Ｗｉｎｄｏｌｐｈ、及びＢ．Ｗｅｌｌｅｇｅｈａｕｓｅｎ、「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ＶＵＶ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｂｙ ｆｏｕｒ－ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ ｉｎ Ｘｅｎｏｎ ｗｉｔｈ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ＫｒＦ－ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．２９巻、１２３３頁（１９９３年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
したがって、真空紫外（ＶＵＶ）範囲、特に１３３ｎｍよりも短い範囲で放射線を発生し、フォトマスク、レチクル、及び／又はウェハの検査における使用に適した、モードロック又はＣＷレーザに対する必要性が生じる。モードロック又はＣＷ出力を１３３ｎｍ付近で、より高いパワーレベルで可能にするレーザが実用化されると、より正確で高速な検査と測定が可能になり、最先端の半導体製造に貢献できる可能性がある。
【0012】
更に、約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲などの出力ＶＵＶ波長を有するモードロック又はＣＷレーザ光を発生することができ、上記の問題と欠点の一部又は全てを回避する、検査システム及び関連するレーザシステムを提供する必要性が生じる。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、一般に、適用された光の周波数変換に適した疑似位相整合（ＱＰＭ）を達成することができる周期構造を形成し、それにより、ＤＵＶ及びＶＵＶレーザ光の高いパワー及び光子エネルギーレベルでの発生を容易にする一方で、先行技術のアプローチに関連する上述の問題及び欠点を回避する、積み重ねられた四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）結晶板を含む非線形結晶に関する。ＳＢＯ結晶は魅力的な特徴（例えば、広い透明度範囲、優れた損傷耐性と化学的安定性、高い微小硬度、及びバンドギャップ値と比較して高い対角要素値ｄ３３）を示し、それは先行技術のアプローチに関連する上述の問題及び欠点の多くを回避する。しかし、ＳＢＯ単結晶はまた、低い複屈折を示し、臨界又は非臨界位相整合による周波数変換を不可能にする。本発明は、ＳＢＯ結晶板を協調的に構成して、１つ以上の入力光周波数（中間光ビーム）のＱＰＭを達成する周期構造を形成することによりＳＢＯの低複屈折を回避し、その結果、非線形結晶を出る光は、所望のＤＵＶ／ＶＵＶ出力周波数を有するレーザ出力光を含む。１つの実施形態では、協調的構成は、別個のＳＢＯ結晶板を物理的に積み重ねることを含み、その結果、順次配置された結晶板の結晶軸が交互に反転され（すなわち、所与のＳＢＯ結晶板の結晶軸が、積層において所与の板と共有界面（複数可）を有する隣接するＳＢＯ結晶板（複数可）の結晶軸に対して実質的に１８０°回転される）、これによって、周期的に分極された結晶材料に類似する周期構造が形成される (すなわち、各ＳＢＯ結晶板が周期構造の物理的な極を形成する）。各非線形結晶は、所与の光学システムで使用するように更に構成され、それはＳＢＯ結晶板を方向付けることで、反転された結晶軸が光の偏光方向に対して、光が光学システム内のＳＢＯ結晶積層を通過する際に垂直に整列されることによって、また少なくとも１枚のＳＢＯ結晶板の厚さが極間に間隔（つまり、光の伝播方向において各板の対向する表面間を光が移動する距離）を形成するようにＳＢＯ結晶板を形成することによってなされ、その間隔は、１つ以上の入力光周波数と出力周波数との疑似位相整合を可能にする臨界長の奇数倍に実質的に等しい。このように２枚以上のＳＢＯ結晶板を協調的に構成することによって、本発明に従って生成された非線形結晶は、周波数変換（例えば、１つの入力光周波数の周波数倍増、又は２つ以上の入力光周波数の周波数合計)であって、ＤＵＶ及びＶＵＶ波長を高出力レベル（すなわち、数ミリワット（ｍＷ）～数ワット（Ｗ）以上）及び高い光子エネルギーレベル（例えば、１７７ｎｍで７．００ｅＶ、及び１３３ｎｍで９．３２ｅＶ）で発生するのに必要とされる周波数変換を容易にする一方で、従来技術のアプローチに関連する上述の問題及び欠点を回避する。主に、ＣＷレーザ光の発生を含む実際の用途を特に参照して説明されるが、本明細書に開示される非線形結晶は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の光学系において、及びパルスレーザ光の発生を含む他の目的のために使用可能である。
【0014】
以下に説明する具体的に開示された実施形態では、本発明は、半導体製造産業で利用される検査システムの改良に関し、特に、０．３Ｗ以上の光源パワーレベルを有し、かつ約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍまでの範囲の出力波長を有するモードロック又は連続波（ＣＷ）レーザ光を発生することができる検査システム用のレーザアセンブリに関する。実際の実施形態では、各非線形結晶は、更に少なくとも１つの基本波レーザと２つ以上の中間周波数変換段を含む関連するレーザアセンブリの最終周波数変換段で利用され、ここで、各基本波レーザはそれぞれ、対応する基本周波数（例えば、約１μｍ～１．１μｍの間の波長を有する）を有する基本光ビームを発生し、中間周波数変換段は集合的に構成されて、基本光ビーム（複数可）を、関連する中間周波数を有する少なくとも１つの中間光ビームに変換する。最終周波数変換段は、中間光ビーム（複数可）を、非線形結晶を形成する反転ＳＢＯ結晶板を介して誘導するように構成され、その結果、光の偏光方向（電場方向）は各板の結晶軸のｃ軸（又はａ軸）と実質的に平行し、積み重ねられたＳＢＯ結晶板の周期構造が中間光ビーム（複数可）のＱＰＭを達成する。特定の実施形態では、最終周波数変換段は、複数のミラーを含み、それらは、（例えば、ボウタイリングキャビティ構成において）中間光ビームのうちの少なくとも１つを受け取り、循環させる（例えば、１つ以上の整合レンズによって）ように構成され、その結果、循環光のビームウエストが非線形結晶で (つまり、内側又は近位で) 発生する。１つの実施形態では、最終周波数変換段は、ビームスプリッタ（例えば、ＳＢＯ結晶、ＳＢＯガラス、又はＣａＦ２結晶）を利用し、それは、出射光（すなわち、非線形結晶から離れる／出る光）を分割することで、出射光の反射された（第１の）部分が、約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲の出力波長を有する所望のレーザ出力光ビームを形成し、未消費の入力光を含む出射光の反射されない（第２の）部分が、キャビティミラーによる循環のためにビームスプリッタにより通される。以下の説明において、波長が無条件に言及される場合、その波長は、真空中の波長であると仮定され得ることに留意されたい。
【0015】
具体的に開示された実施形態では、本発明は、半導体製造産業で利用される検査システム用の改良されたレーザシステム、特にそのような検査システム用のレーザアセンブリに関し、それは０．３Ｗ以上の光源パワーレベルを有し、約１２８ｎｍ～約１３４ｎｍの範囲（例えば、約１３３ｎｍ）、約１４７ｎｍ～約１５５ｎｍの範囲（例えば、約１５２ｎｍ）、又は約１７０ｎｍ～１８０ｎｍの範囲（例えば、約１７７ｎｍ）の出力波長を有するレーザ光を発生することができるものである。本明細書に開示されるいくつかの特定の実施形態では、非線形結晶はＳＢＯ結晶層を含み、それらは、３５５ｎｍ付近のＵＶ波長又は２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する単一の中間光ビームを周波数倍増し、それぞれ１７７ｎｍ付近又は１３３ｎｍ付近のＶＵＶ波長を有するレーザ光を発生するように協調的に構成される。本明細書に開示される別の実施形態では、線形結晶は、２つの中間光ビームを周波数合計して所望のＶＵＶ波長を有するレーザ光を発生するように協調的に構成されるＳＢＯ結晶層を含む。例えば、本明細書に開示される１つの実施形態では、線形結晶は、３５５ｎｍ付近のＵＶ波長を有する第１の中間光ビームを、２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する第２の中間光ビームと周波数合計して、１５２ｎｍ付近のＶＵＶ出力波長を有するレーザ光を発生するように協調的に構成されたＳＢＯ結晶層を含む。本明細書に開示される別の実施形態では、線形結晶は、５３２ｎｍ付近の可視波長を有する第１の中間光ビームを、２１３ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する第２の中間光ビームと合計して、１５２ｎｍ付近のＶＵＶ波長を有するレーザ光を発生するように協調的に構成されたＳＢＯ結晶層を含む。更に別の代替の実施形態では、線形結晶は、５３２ｎｍ付近の可視波長を有する第１の中間光ビームを２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する第２の中間光ビームと合計して、１７７ｎｍ付近のＶＵＶ出力波長を有するＣＷレーザ光を発生するように協調的に構成されるＳＢＯ結晶層を含む。特定の実施形態では、ビームスプリッタを利用して、選択された中間高調波周波数を最終周波数変換キャビティに戻して循環させるために方向付け（通過）、所望の出力周波数をレーザアセンブリから方向変換 (反射) し、結晶板は、各周期構造における極間の間隔（すなわち、各板の対向する表面の間で光が移動する距離）が、関連するＱＰＭ臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるように、対応する厚さを備えて形成される。
【0016】
第１の特定の実施形態を参照して、本明細書に記載されるレーザアセンブリ及び関連する方法によれば、約１３３ｎｍの波長を有する出力周波数を備えるレーザ出力光は、約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍの範囲内の対応する基本波長を備える基本周波数を有する基本光を発生することによって生成され、基本光を利用して基本光の第２次高調波を発生し、第２次高調波を利用して、第１の基本光の第４次高調波を発生し、第４次高調波を中間光として利用し、最終周波数変換段に通過させる。第１の実施形態の一態様によれば、最終周波数変換段は、第４次高調波光を周波数倍増するように構成され、それは例えば、第４次高調波周波数で共振するキャビティを含むように段を構成し、基本周波数の８倍に等しい周波数を有する第８次高調波光を発生するように線形結晶を構成することによる。いくつかの実施形態では、最終周波数変換段は、ビームスプリッタを利用して、線形結晶を出る光の第８次高調波部分をレーザ出力光として反射し、線形結晶を出る光の未消費の第４次高調波部分を通過させて、最終段において循環させる。第８次高調波出力光を約１３３ｎｍで発生するため、線形結晶は、第４次高調波入力光の偏光方向に実質的に平行に配向された反転結晶軸を有する２つ以上の積み重ねられたＳＢＯ結晶板を含み、ここで、光伝播方向における各板の厚さ（つまり、周期構造の極間の間隔）は、ほぼ０．１３μｍに等しい（つまり、０．１１μｍ～０．１５μｍの範囲にある）疑似位相整合臨界長の奇数倍に実質的に等しく、第４次高調波周波数と第８次高調波周波数のＱＰＭを実現し、それによって出力波長が約１３３ｎｍのレーザ出力光を発生する。
【0017】
第２の特定の実施形態を参照して、本明細書に記載されるレーザアセンブリ及び関連する方法によれば、約１７７ｎｍの波長を有する出力周波数を備えるレーザ出力光は、第１の基本周波数を有する第１の基本光を発生し、第１の基本光を利用して第１の基本光の第２次高調波を発生し、第１の基本光の第２次高調波を、第２の基本周波数を有する第２の基本光と合計し、合計産物(summing product)を最終周波数変換段に渡される中間光として利用することによって生成される。１つの実施形態では 第１及び第２の基本周波数のそれぞれは、約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍの範囲内の対応する波長を有することにより、中間光ビーム（すなわち、合計産物）の波長は、第１の基本周波数の第３次高調波にほぼ等しい。第２の実施形態の一態様によれば、ほぼ第６次高調波出力光は、中間（ほぼ第３次高調波）光ビームから発生され得て、それは、最終周波数変換段を第３次高調波周波数で共振する周波数倍増キャビティとして構成し、０．６０μｍに実質的に等しい（つまり、０．５９μｍ～０．６１μｍの範囲にある）疑似位相整合臨界長の奇数倍の２倍に実質的に等しい極間の間隔を有する線形結晶の積み重ねられたＳＢＯ結晶板を構成して、第３次高調波周波数と第６次高調波周波数のＱＰＭを実現し、それによって出力波長が約１７７ｎｍのレーザ出力光を発生することになる。
【0018】
第３の特定の実施形態によれば、レーザ出力光は、最終周波数変換段を、基本周波数の第３次高調波と第４次高調波を合計するように構成することによって、基本周波数の第７次高調波を生成することで、約１５２ｎｍの出力波長を備えて発生される。この場合、第３次高調波周波数は、実質的に等しい（第１及び第２の）基本周波数を有する２つの（第１及び第２の）基本光ビームを使用して発生され、第１の基本周波数を用いて、第２次高調波を発生し、次に第２次高調波の第１の部分を第２の基本周波数と合計することを有し、第４次高調波は第２次高調波の第２の部分を２倍にすることによって発生される。最終周波数変換（合計）段は、第３次高調波周波数で共振するキャビティとして構成されてもよく、それは非線形結晶を循環して通過される第１の中間光ビームとして機能する。第４次高調波は、非線形結晶の入力面に直接提供される第２の中間光ビームとして機能し、その結果、第３次高調波光と第４次高調波光の両方は非線形結晶を通る平行経路に沿って通過する。第３の実施形態の一態様によれば、約１５２ｎｍの出力波長を有するほぼ第７次高調波出力光は、周期構造の極間の間隔が実質的に０．３０μｍに等しい（すなわち、０．２９μｍ～０．３１μｍの範囲にある）臨界長に基づくように線形結晶の積み重ねられたＳＢＯ結晶板を構成することによって、発生される。
【0019】
第４の特定の実施形態によれば、レーザ出力光は、最終周波数変換段を基本周波数の第２次高調波と第５次高調波を合計するように構成することによって生成される約１５２ｎｍの出力波長を備えて発生される。第１の周波数倍増段を利用して、基本周波数の２倍の周波数を有する第２次高調波光を発生し、そして、この第２次高調波光の第１の部分は、最終周波数変換（合計）段に供給される第１の中間光ビームを形成する。第５次高調波光は、最終周波数変換（合計）段に供給される第２の中間光ビームを形成するものであり、第２次高調波光の第２の部分を周波数倍増して第４次高調波光を発生し、次いで第４次高調波光を基本周波数と合計することによって発生される。最終周波数変換（合計）段は、第２次高調波周波数で共振するように構成されたキャビティを含み得て、第５次高調波は、非線形結晶の入力面を通して第２次高調波と平行するように向けられる。第４の実施形態の一態様によれば、約１５２ｎｍの出力波長を有するほぼ第７次高調波出力光は、線形結晶の積み重ねられたＳＢＯ結晶板を、周期構造の極間の間隔が０．３４μｍに実質的に等しい（すなわち、０．３３μｍ～０．３５μｍの範囲にある）臨界長に基づくように構成することによって、発生される。
【0020】
第５の特定の実施形態によれば、レーザ出力光は、基本周波数の第２次高調波と第４次高調波とを合計するように最終周波数変換段を構成することによって生成される、約１７７ｎｍの出力波長を備えて発生される。第１の周波数倍増段を利用して、基本周波数の２倍に実質的に等しい周波数を有する第１の中間光ビームを発生する。第２の周波数倍増段を利用して、基本周波数の２倍である周波数を有する第２次高調波光を発生し、第３の周波数倍増段を利用して、第２次高調波光を受け取り、基本周波数の４倍の周波数を有する第４次高調波光（第２の中間光ビーム）を発生する。最終周波数変換（合計）段は、第２次高調波周波数で共振するように構成されたキャビティと、非線形結晶の入力面を通して第２次高調波と平行するように向けられる第４次高調波光を含み得る。第５の実施形態の一態様によれば、約１７７ｎｍの出力波長を有するほぼ第６次高調波出力光は、線形結晶の積み重ねられたＳＢＯ結晶板を、０．６６μｍに実質的に等しい（すなわち、０．６５μｍ～０．６７μｍの範囲にある）臨界長を用いて構成することによって、発生される。
【0021】
１つの実施形態では、ウェハ、レチクル、又はフォトマスクなどのサンプルを検査するように構成された検査システムは、約１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、又は約１３３ｎｍの出力波長を発生する、本明細書に記載のレーザの１つを含む。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の一般化された例示的な実施形態による、例示的なレーザアセンブリを示す簡略化されたブロック図である。
【図2A】本発明の第１の実施形態による、簡略化されたレーザアセンブリを示す簡略化されたブロック図である。
【図2B】本発明の特定の実施形態による、簡略化されたレーザアセンブリを示す簡略化されたブロック図である。
【図3】本発明の例示的な実施形態による、第１及び第２の特定の実施形態のレーザアセンブリで利用される、例示的な最終周波数倍増段を示す簡略図である。
【図5A】本発明の第３の特定の実施形態による、簡略化されたレーザアセンブリを示す簡略化されたブロック図である。
【図5B】本発明の第４の特定の実施形態による、簡略化されたレーザアセンブリを示す簡略化されたブロック図である。
【図5C】本発明の第５の特定の実施形態による、簡略化されたレーザアセンブリを示す簡略化されたブロック図である。
【図6】本発明の例示的な実施形態による、第３、第４、及び第５の特定の実施形態のレーザアセンブリで利用される、例示的な最終周波数倍増段を示す簡略図である。
【図8】本発明の別の特定の実施形態による、本明細書に記載のレーザアセンブリのうちの１つを利用する、暗視野及び明視野検査モードを備える例示的な検査システムを示す簡略図である。
【図9A】本発明の別の特定の実施形態による、本明細書に記載のレーザアセンブリの１つを利用する暗視野検査システムを示す図である。
【図9B】本発明の別の特定の実施形態による、本明細書に記載のレーザアセンブリの１つを利用する暗視野検査システムを示す図である。
【図10】本発明の別の特定の実施形態による、本明細書に記載のレーザアセンブリのうちの１つを使用してパターン付きでないウェハを検査するように構成された代替の暗視野検査システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明は、半導体検査システム用レーザの改良に関する。以下の説明は、当業者が、特定の用途及びその要件の内容において提供されるように本発明を作成し、用いることを可能にするために提示される。本明細書で用いられるように、「上部」、「左」、「右」、「水平」、及び「下向き」などの方向を示す用語は、説明の目的で相対的位置を提供することを意図しており、絶対座標系を示すことを意図していない。説明された実施形態に対する様々な変更は、当業者には明らかであり、そして、本明細書おいて規定された一般的な原理は、別の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、示され説明された特定の実施形態に限定されることを意図されていないが、本明細書に開示された原理及び新規な特徴と整合する最も広い範囲に一致される。
【0024】
アセントリック結晶の２次感受率変動は、周波数変換に有用となり得る疑似位相整合 （ＱＰＭ）条件の変更につながる。約１５０ｎｍ未満のＶＵＶスペクトル領域では、非ゼロの２次非線形性と十分な複屈折を結合する透明な光学結晶は、未だ明らかではない。ＱＰＭ構造を作製するいくつかの試みが報告されてあり、例えば、ｍｍ２対称性を有する強誘電性ＢａＭｇＦ４の電場分極（Ｅ．Ｇ．Ｖｉｌｌｏｒａ、Ｋ．Ｓｈｉｍａｍｕｒａ、Ｋ．Ｓｕｍｉｙａ、及びＨ．Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ、「Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ－ａｎｄ ｑｕａｓｉ ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ＢａＭｇＦ４ ｆｏｒ ｖａｃｕｕｍ－ＵＶ／ＵＶ ａｎｄ ｍｉｄ－ＩＲ ａｌｌ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １７巻、１２３６２頁（２００９年））によるもの、又は３回３２対称性(trigonal 32 symmetry)を有する結晶性石英（ＳｉＯ２）の機械的双晶形成（Ｓ．Ｋｕｒｉｍｕｒａ，Ｍ．Ｈａｒａｄａ，Ｋ．Ｍｕｒａｍａｔｓｕ，Ｍ．Ｕｅｄａ，Ｍ．Ａｄａｃｈｉ，Ｔ．Ｙａｍａｄａ，及びＴ．Ｕｅｎｏ，「Ｑｕａｒｔｚ ｒｅｖｉｓｉｔｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ：ｔｗｉｎｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｏｒ ｑｕａｓｉ－ｐｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ［Ｉｎｖｉｔｅｄ］」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１巻、１３６７頁（２０１１年））によるものであるが、どちらの材料も低い非線形係数を示し、これまでに実証された最短波長は１９４ｎｍである。
【0025】
四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ４Ｏ７（ＳＢＯ）は、斜方晶系、点群ｍｍ２、空間群Ｐｎｍ２１で、単位格子サイズａ＝４．４２５５Å、ｂ＝１０．７０９Å、及びｃ＝４．２３４１Åで結晶化する（Ｙ．Ｓ．Ｏｓｅｌｅｄｃｈｉｋ、Ａ．Ｌ．Ｐｒｏｓｖｉｒｎｉｎ、Ａ．Ｉ．Ｐｉｓａｒｅｖｓｋｉｙ、Ｖ．Ｖ．Ｓｔａｒｓｈｅｎｋｏ、Ｖ．Ｖ．Ｏｓａｄｃｈｕｋ、Ｓ．Ｐ．Ｂｅｌｏｋｒｙｓ、Ｎ．Ｖ．Ｓｖｉｔａｎｋｏ、Ａ．Ｓ．Ｋｏｒｏｌ、Ｓ．Ａ．Ｋｒｉｋｕｎｏｖ、及びＡ．Ｆ．Ｓｅｌｅｖｉｃｈ、「Ｎｅｗ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ：ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ａｎｄ ｌｅａｄ ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、４巻、６６９頁（１９９５年））。全てのホウ素原子は４面体に配位され、酸素原子は３つの４面体に共通する。４面体の三次元ネットワークにもかかわらず、ホウ酸塩ネットワークは、ユニットセルのｃ方向においてリンクが比較的少ないため、層状の構造として出現する。
【0026】
ＳＢＯは、非常に小さい複屈折（＜０．００５）を示し、強誘電性ではない。非位相整合第２次高調波発生（ＳＨＧ）は、診断用のＳＢＯを使用して実装されているが、効率は、コヒーレンス長を１つしか使用しない場合、非常に低くなり、実用的な検出限界は、１２０ｆｓパルスに対して２６７ｎｍで２μＪであると推定された（Ｖ．Ｐｅｔｒｏｖ，Ｆ．Ｎｏａｃｋ，Ｄ．Ｓｈｅｎ，Ｆ．Ｐａｎ，Ｇ．Ｓｈｅｎ，Ｘ．Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｋｏｍａｔｓｕ，及びＶ．Ａｌｅｘ、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｒｙｓｔａｌ ＳｒＢ４Ｏ７ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｔｏ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ ａｓ ｓｈｏｒｔ ａｓ １２５ｎｍ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２９巻、３７３頁（２００４年））。
【0027】
ＳＢＯは、独自の光学的及び機械的特性を示す。ＳＢＯの透明度範囲は、波長で１３０～３２００ｎｍである（Ｙ．Ｓ．Ｏｓｅｌｅｄｃｈｉｋら、前掲文献）。ＳＢＯはまた、（バンドギャップ値と比較して）対角要素値ｄ３３の高い（１．５～３．５ｐｍ／Ｖ）値を示す。光損傷閾値は、ＭｇＦ２などの他の材料と比較して非常に高い（１４．７ＧＷ／ｃｍ２）。ＳＢＯの微小硬さも高い（ｘ方向で１７５０ｋｇ／ｍｍ２、ｙ方向で１４６０ｋｇ／ｍｍ２、ｚ方向で１３５０ｋｇ／ｍｍ２）。高い光損傷閾値と微小硬さにより、ＳＢＯ結晶は、ＤＵＶ及びＶＵＶ放射線に曝された場合の極端な条件に耐えることができる。ＤＵＶ及びＶＵＶレーザは、数ミリワット（ｍＷ）～数ワット（Ｗ）以上の高いパワーレベルと、高い光子エネルギー（例えば、１３３ｎｍで９．３２ｅＶ、１５２ｎｍで８．１６ｅＶ）を有してもよい。広い透明度範囲、優れた損傷耐性及び化学的安定性、ならびに対角要素値ｄ３３の高い値は、ＤＵＶ及びＶＵＶ波長を発生するための周波数変換にとってＳＢＯを非常に魅力的にする特徴である。しかし、複屈折が小さいということは、臨界又は非臨界位相整合による周波数倍増が不可能であることを意味する。
【0028】
Ｔｒａｂｓら（Ｐ．Ｔｒａｂｓ，Ｆ．Ｎｏａｃｋ，Ａ．Ｓ．Ａｌｅｋｓａｎｄｒｏｖｓｋｙ，Ａ．Ｉ．Ｚａｉｔｓｅｖ，Ｎ．Ｖ．Ｒａｄｉｏｎｏｖ、及びＶ．Ｐｅｔｒｏｖ、「Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｒｉｎｇｅｓ ｉｎ ｎｏｎ－ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄ ＳＨＧ ａｎｄ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ＶＵＶ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２３巻、１００９１頁（２０１５年））は、ＳＢＯ結晶を使用して、ＶＵＶにおいて超短レーザパルスからランダム擬似位相整合を介して第２次高調波を生成することを報告した。Ｔｒａｂｓらによって記述された第２次高調波発生方法は、光源の半導体計測及び検査システムには不適切であり、これは、周波数変換プロセスの効率が低く、この方法を使用して何ワットもの第２次高調波レーザパワーを発生することが現実的ではなく、更に超短レーザパルスを必要とするためである。
【0029】
図１は、約１２５ｎｍ～約１８３ｎｍの範囲内の対応する波長を備える出力周波数ωＯＵＴを有するレーザ出力光ビーム１３９を発生するためのレーザアセンブリ１００を示す。レーザアセンブリ１００は、一般に、１つ以上の基本波レーザ１１０、２つ以上の中間周波数変換段１２０、及び最終周波数変換段１３０を含む。
【0030】
図１の左上部分を参照すると、基本波レーザ１１０は、対応する基本周波数ω１～ωｎを有する基本光ビーム１１９－１、１１９－２…１１９－ｎ（集合的に１１９として示される）を発生するようにそれぞれ構成され、各周波数は、約１μｍ～１．１μｍの間の対応する基本波長を有する。いくつかの実施形態では、すべての基本光ビーム１１９は実質的に同じ波長を有する（例えば、基本周波数ω１は基本周波数ω２と実質的に等しい）。特定の基本波レーザタイプは、以下に提供される特定の実施形態で言及される。
【0031】
中間周波数変換段１２０は、１つ以上の基本光ビーム１１９（又は関連する中間周波数変換段からの光）を受け取るように光学的に結合され、１つ以上の中間光ビーム１２９を発生するように集合的に構成される。いくつかの特定の実施形態では、中間光ビーム１２９は、関連する中間周波数ωＸを有する単一の（第１の）中間光ビーム１２９－１を含む。別の特定の実施形態では、中間光ビーム１２９は、中間光ビーム１２９－１と、関連する中間周波数ωｙを有する第２の中間光ビーム１２９－２の両方を含む。図１は、全ての中間周波数変換段１２０が基本光ビーム１１９を受け取る必要があるように、添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。例えば、下記の具体例では、所与の「下流」中間周波数変換段は、１つ以上の「上流」中間周波数変換段によって発生される第２次、第３次、又は第４次高調波光を受け取ることができ、上流中間周波数変換段は基本波レーザ１１０と所与の下流段との間で光学的に結合される。
【0032】
図１の下半分を参照すると、レーザアセンブリ１００はまた、最終周波数変換段１３０を含み、それは、中間光ビーム１２９（ωＸ又はωＸ及びωｙ）を非線形結晶１３５に通し、レーザ出力光ビーム１３９をレーザアセンブリ１００の外に向け、例えば、図８～図１０を参照して以下に説明する検査システムの１つ以上で使用するように構成される。１つの実施形態では、中間光ビーム１２９－１は、以下に示す特定の実施形態で説明するように周波数ωｘを有しており、入力カプラミラー１３２－１、平面ミラー１３２－２、２つの曲面ミラー１３２－３及び１３２－４、ＳＢＯ線形結晶１３５、及びビームスプリッタ１３７によって形成されるボウタイリングキャビティに入る。説明のために、入力／カプラミラー１３２－１から線形結晶１３５までボウタイリングキャビティによって伝送される光の一部分は、循環光部分１３３として示され、これは中間光ビーム１２９－１と未消費の循環光部分１３８－１（以下に説明するように発生される）の両方から構成され、ここで光部分１３３及び１３８－１の両方は周波数ωＸを有する。１つの実施形態では、モード整合レンズ１３１を利用して、中間光ビーム１２９－１を入力カプラ／ミラー１３２－１に通して集束させ、ミラー１３２－１～１３２－４によって形成されるボウタイリングキャビティは、そうでない場合、光部分１３３が表面法線Ｎに対して選択された角度θ（すなわち、入力面１３５－ＩＮに垂直）で非線形結晶１３５上に向けられるように、かつ光部分１３３のビームウエスト（すなわち、中間光ビーム１２９－１を含む）が非線形結晶１３５で（すなわち、内側又はそれに近接して）発生するように、構成される。周波数ωｙを有する中間光ビーム１２９－２が、以下に示す関連する特定の実施形態で説明されるように使用される場合、中間光ビーム１２９－２は、曲面ミラー１３２－３の近くを通る（必ずしも通過する必要はない）ボウタイリングキャビティに入ることで、入力面１３５－ＩＮ上に選択された角度θで実質的に向けられ、線形結晶１３５を通過する。この例示的な配置に示されるように、最終周波数変換段１３０は、結晶内光１３４（すなわち、光部分１３３のみ、又は光部分１３３と中間光ビーム１２９－２の両方）を非線形結晶１３５に通過させ、出射光１３６（すなわち、線形結晶１３５を出る全光）がビームスプリッタ１３７の入力面１３７－ＩＮに向けられるように構成される。ビームスプリッタ１３７は、出射光１３６を分割し、周波数ωＸを有する未消費の入力光１３８－１がミラー１３２－４に渡されてボウタイキャビティ内を再循環し、出力周波数ωＯＵＴを有するレーザ出力光１３９がレーザアセンブリ１００の外に向けられるように構成される。示されるように、いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ１３７はまた、周波数ωｙを有する未消費の入力光１３８－１をボウタイキャビティから反射するように構成される。ビームスプリッタ１３７は、ＳＢＯ単結晶、ＳＢＯガラス、又はＣａＦ２結晶のうちの１つを使用して実装され得る。
【0033】
ＳＢＯ結晶板１３５－１及び１３５－２は、協働して周期構造を形成するように構成されて、これは、レーザ出力１３９を有する中間光ビーム１２９の疑似位相整合（ＱＰＭ）を達成し（すなわち、ωＯＵＴと、示されるように周波数ωＸのいずれかのみとの間、又は以下に示される特定の例のいくつかで説明されるように、周波数ωＸ及びωｙの両方との間）、これにより、非線形結晶１３５の出力面１３５－ＯＵＴを出る光部分１３６は、所望の出力周波数ωＯＵＴを有するレーザ出力光ビーム１３９を含む。図１の底部のバブルセクションを参照すると、ＳＢＯ結晶板１３５－１及び１３５－２は、ＳＢＯ結晶板１３５－１の結晶軸ａ１－ｂ１－ｃ１が、隣接するＳＢＯ結晶板１３５－２の結晶軸ａ２－ｂ２－ｃ２に対して反転する（すなわち、実質的に１８０°回転する）ように構成される。加えて、非線形結晶１３５は、最終周波数変換段１３０内に構成され、一方又は両方の中間光ビーム１２９は、両方のＳＢＯ結晶板のａ軸に平行な方向（すなわち、ＳＢＯ結晶板１３５－１の軸ａ１に平行で、ＳＢＯ結晶板１３５－２の軸ａ２に平行な方向）に伝播し、少なくとも１つのＳＢＯ結晶板の極間の間隔（すなわち、ＳＢＯ結晶板１３５－１の対向する表面間で光が移動する距離である間隔Λ１、又はＳＢＯ結晶板１３５－２の対向する表面間で光が移動する距離である間隔Λ２のいずれか）は、以下によって決定される。
【0034】
Λ＝ｍＬｃ （式１）
ここで、ｍは奇数の整数（１，３，５，７など）であり、擬似位相整合臨界長Ｌｃ＝π／Δｋ’であり、Δｋは次のように定義される。
ここで、ｍは奇数の整数（１，３，５，７など）であり、擬似位相整合臨界長Ｌｃ＝π／Δｋ’であり、Δｋは次のように定義される。
【0035】
Δｋ＝ｋ（ωＯＵＴ）－ｋ（ωｘ）－ｋ（ωｙ） （式２）
ここで、ｋ（ω）は、非線形結晶１３５内の周波数ωの光の波動ベクトルである。中間光ビーム１２９－１のみが存在する実施形態では、この式のωｙはωｘに置換される必要があり、すなわち、
ここで、ｋ（ω）は、非線形結晶１３５内の周波数ωの光の波動ベクトルである。中間光ビーム１２９－１のみが存在する実施形態では、この式のωｙはωｘに置換される必要があり、すなわち、
【0036】
Δｋ＝ｋ（ωＯＵＴ）－２ｋ（ωｘ） （式３）。
各周期構造における極間の間隔は、本明細書では厚さと呼ばれることがあり、それは間隔Λ１がＳＢＯ結晶板１３５－１の物理的厚さＴ１と実質的に等しく、間隔Λ２がＳＢＯ結晶板１３５－２の物理的厚さＴ２と実質的に等しいためであり、ここで、厚さＴ１及びＴ２は、対向する板表面間の結晶内光部分１３４の光伝播方向に平行に測定されることに留意されたい。１つの実施形態では、非線形結晶１３５は、大型ＳＢＯ板を所望の厚さまで研磨し、次いでそれを個々の小さなピースに分割し、ピースを互いに対して正しい向き（後述）で組み立てて、積み重ねられたＳＢＯ結晶板を形成することによって生成され、隣接するＳＢＯ結晶板間の接続は、研磨された表面を共に光学的に接触させることによって達成される。この場合、所与の非線形結晶を形成する全てのＳＢＯ結晶板は同じ厚さを有し（例えば、厚さＴ１は厚さＴ２に等しい）、したがって積み重ねられた結晶板は、各極間の間隔が同じである周期構造を形成する（例えば、間隔Λ１は実質的に間隔Λ２に等しい）。別の代替の実施形態では、ＳＢＯ結晶板１３５－１及び１３５－２の結晶軸は、光１３４がｂ軸に平行に伝播するように、又は２つの結晶板のａ－ｂ平面内で或る角度で伝播するように配向され得る。
各周期構造における極間の間隔は、本明細書では厚さと呼ばれることがあり、それは間隔Λ１がＳＢＯ結晶板１３５－１の物理的厚さＴ１と実質的に等しく、間隔Λ２がＳＢＯ結晶板１３５－２の物理的厚さＴ２と実質的に等しいためであり、ここで、厚さＴ１及びＴ２は、対向する板表面間の結晶内光部分１３４の光伝播方向に平行に測定されることに留意されたい。１つの実施形態では、非線形結晶１３５は、大型ＳＢＯ板を所望の厚さまで研磨し、次いでそれを個々の小さなピースに分割し、ピースを互いに対して正しい向き（後述）で組み立てて、積み重ねられたＳＢＯ結晶板を形成することによって生成され、隣接するＳＢＯ結晶板間の接続は、研磨された表面を共に光学的に接触させることによって達成される。この場合、所与の非線形結晶を形成する全てのＳＢＯ結晶板は同じ厚さを有し（例えば、厚さＴ１は厚さＴ２に等しい）、したがって積み重ねられた結晶板は、各極間の間隔が同じである周期構造を形成する（例えば、間隔Λ１は実質的に間隔Λ２に等しい）。別の代替の実施形態では、ＳＢＯ結晶板１３５－１及び１３５－２の結晶軸は、光１３４がｂ軸に平行に伝播するように、又は２つの結晶板のａ－ｂ平面内で或る角度で伝播するように配向され得る。
【0037】
図２Ａは、本発明の第１の特定の例示的実施形態による、約１２８ｎｍ～約１３４ｎｍの範囲（例えば、約１３３ｎｍ）の波長を発生するように構成された例示的レーザアセンブリ１００Ａを示す簡略化されたブロック図である。レーザアセンブリ１００Ａは、第１の基本波レーザ１１０Ａと、３つの周波数倍増（変換）段（すなわち、２つの中間周波数倍増段１２０Ａ－１及び１２０Ａ－２と、最終周波数倍増段１３０Ａ）を含み、周波数倍増段は、約１２８ｎｍ～約１３４ｎｍの範囲の波長を有するレーザ出力光を発生するように協働的に構成される。第１の基本波レーザ１１０Ａは、基本光１１９Ａを発生するように構成され、それは約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍの範囲（すなわち、約１μｍ～１．１μｍの間）の第１の基本波長と、対応する第１の基本周波数ω１を有する。第１の中間周波数倍増段１２０Ａ－１は、第１の基本光１１９Ａを受け取り、第１の基本周波数ω１の２倍に等しい第２次高調波周波数２ω１を有する第２次高調波光１２１Ａを発生する。第２の中間周波数倍増段１２０Ａ－２は、第２次高調波光１２１Ａを受け取り、中間光ビーム１２９Ａを、第１の基本周波数ω１の４倍に等しい第４次高調波周波数４ω１を有する第４次高調波光として発生する。最終（第３の）周波数倍増段１３０Ａは、第４次高調波光（中間光ビーム）１２９Ａを受け取り、第１の基本周波数ω１の８倍に等しい出力周波数ωＯＵＴＡを有するレーザ出力光１３９Ａを発生する。
【0038】
図２Ａを参照すると、第１の基本波レーザ１１０Ａは、周知の技術を使用して、第１の基本周波数ω１で第１の基本光１１９Ａ（業界では単に「基本波」と呼ばれる）を発生するように構成される。１つの実施形態では、第１の基本波レーザ１１０Ａは、第１の基本光１１９Ａが、約１０６４ｎｍの赤外線波長に対応する第１の基本周波数ω１で発生されるように構成される。例示的な実施形態では、第１の基本波レーザ１１０Ａは、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）のレーザ媒体、Ｎｄドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）のレーザ媒体、又はイッテルビウムドープファイバのレーザ媒体のうちの１つを用いて実装される。適切な基本波レーザは、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｃ．、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、及びその他のメーカから市販されている。このような製造業者は更に、５３２ｎｍ付近の波長を有する光を発生するレーザを販売し、つまり、レーザは、第１の基本波レーザ１１０Ａ及び第１の周波数倍増段１２０Ａ－１を含む。半導体ウェハ又はレチクルを検査するための約１３３ｎｍの波長で十分な光を発生するために、第１の基本波レーザ１１０Ａは、数十又は数百ワット以上の基本光１１９Ａを発生する必要がある。
【0039】
図２Ａの例示的な実施形態によれば、周波数倍増段１２０Ａ－１及び１２０Ａ－２のそれぞれは、少なくとも３つの光ミラー及び内部に配置された非線形結晶をそれぞれ含む外部共振キャビティを備える。キャビティは、標準ＰＤＨ（パウンド－ドレバー－ホール）、ＨＣ（ヘンシュ－クイヨ）(Ha(aウムラウト)nsch-Couillaud)、又はその他のロック技術を用いて安定され得る。キャビティの長さは、ミラー又はプリズムの位置を制御信号によって調整することにより、共振を維持するように調整される。第１の周波数倍増段１２０Ａ－１は、第１の基本周波数ω１で第１の基本光１１９Ａを受け取って変換し、第１の基本周波数の２倍（２ω１）で第２次高調波光１２１Ａを発生する。第２の周波数倍増段１２０Ａ－２は、第２次高調波光１２１Ａを受け取って変換し、第１の基本周波数の４倍（４ω１）で第４次高調波光１２９Ａを発生する。
【0040】
いくつかの別の実施形態（図示せず）では、第１の周波数倍増モジュールを第１の基本波レーザと結合させて、基本固体状態レーザキャビティ内部に配置されたＮＬＯ結晶を用いた共振器内周波数倍増を使用して、第２次高調波光１２１Ａを発生してもよい。
【0041】
好ましい実施形態では、第２次高調波光１２１Ａを発生する、図２Ａの第１の周波数倍増段１２０Ａ－１は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を含み得て、その結晶は、室温と約２００℃との間の温度で（結晶面の適切な選択のために）実質的に非臨界位相整合され、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの間の波長範囲で第２次高調波を生成し得る。代替の実施形態では、第１の周波数倍増段１２０Ａ－１は、セシウムホウ酸リチウム（ＣＬＢＯ）結晶又はβホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を含んでもよく、そのうちのいずれかは、臨界位相整合され、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの間の波長範囲で第２次高調波を発生させ得る。別の代替の実施形態では、第１の周波数倍増段１２０Ａ－１は、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、又は周波数変換のための他の非線形結晶を含み得る。
【0042】
第４次高調波を発生する第２の周波数倍増段１２０Ａ－２は、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ又は他の非線形結晶における臨界位相整合を使用し得る。好ましい実施形態では、第２の周波数倍増段１２０Ａ－２は、水素処理又は重水素処理ＣＬＢＯ結晶を含む。
【0043】
代替の実施形態では、第４次高調波を発生する第２の周波数倍増段１２０Ａ－２は、以下の図４に示すように構成された積み重ねられたＳＢＯ板において疑似位相整合（ＱＰＭ）を使用し得る。ＳＢＯで５３２ｎｍから２６６ｎｍを発生するためのＱＰＭの臨界長は、約２．８０μｍ（つまり、２．７９μｍ～２．９０μｍの範囲）である。臨界長は、より短い波長を発生するための臨界長よりも長いため、光伝播方向におけるＳＢＯ板の厚さ（図４のΛ）は、臨界長に等しくてもよく、臨界長の小さい奇数の整数（例えば３～１９）倍に等しくてもよい。
【0044】
ＣＷ基本波ＩＲレーザの第４次高調波が、高パワー、低ノイズ及び高安定性を伴って発生され得る方法についての更なる詳細は、Ｃｈｕａｎｇによる米国特許第９，２９３，８８２号、及び第９，６６０，４０９号と、Ｃｈｕａｎｇらによる米国特許第９，５０９，１１２号、及び第１０，０４４，１６６号において見ることができる。これらの特許は、参照によって本明細書に援用される。
【0045】
図２Ａを参照すると、最終周波数倍増段１３０Ａは、第４次高調波光１２９Ａを受け取り、第１の基本周波数ω１の８倍に等しい第８次高調波周波数８ω１を有する第８次高調波光１３９Ａを生成する。好ましい実施形態では、第８次高調波光１３９Ａを発生する図２Ａの最終周波数倍増段１３０Ａは、疑似位相整合（ＱＰＭ）用に構成された２つ以上のＳＢＯ結晶板を含み得る。例えば、２枚のＳＢＯ結晶板の場合、結晶板は、結晶軸が互いに反転するように、互いに１８０°回転させて配置される。この結晶板の物理的配置により、ＱＰＭが可能になる。これは、ＰＰＬＮ（周期分極ニオブ酸リチウム）をＱＰＭに使用することに類似すると見なし得るが、ニオブ酸リチウムが強誘電性結晶であり、周期的に分極され得ることは異なる。対照的に、ＳＢＯは非強誘電性であるため、結晶板を物理的に配置して、ＱＰＭの周期構造を作成する必要がある。更に、周期的分極は、強誘電性結晶の結晶軸に平行な電場を印加する必要があるため、分極方向は必然的に結晶軸と一致する。対照的に、本明細書に開示されるＳＢＯ結晶板は、結晶軸に対して任意の方向に切断及び研磨され得るため、結晶板を、例えば板に入射する光に対してブリュースター角で切断及び方向付けることができる。図４及び図７と、以下の関連する説明を参照されたい。
【0046】
周波数変換段のいずれかは、１つ以上の保護環境に包囲されてもよく、例えばＡｒｍｓｔｒｏｎｇによる「Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ」と題する米国特許第８，２９８，３３５号に記載されている。この特許は、参照により本明細書に援用される。特に、最終周波数倍増段１３０ＡはＶＵＶ波長を生成するため、この段は酸素及び水の濃度が非常に低い環境（好ましくは数ｐｐｍ以下の濃度）にある必要がある。好ましくは、最終周波数倍増段は、純粋な窒素又はアルゴンでパージされた環境に保持される。単一の保護環境は、複数の段又は単一の段を囲むことができることに留意されたい。
【0047】
周波数変換段のいずれかは、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらによる「Ａｌｌｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｄａｍａｇｅ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｏｌｏｒ ｃｅｎｔｅｒｓ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｈｏｎｏｎ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ」と題された米国特許第９，４６１，４３５号及び第９，０５９，５６０号に記載されている方法又はシステムのいずれか、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇによる「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｔｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｎ ａ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌ」と題された米国特許第８，８２４，５１４号に記載されている装置又は方法のいずれか、Ｇｅｎｉｓによる「Ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題された米国特許第８，９７６，３４３号に記載されている装置及び方法のいずれかを組み込んでもよい。これらの特許は全て、参照により本明細書に援用される。
【0048】
更に、本明細書で述べた中間周波数変換段のいずれかは、重水素、水素及び／又はフッ素をドープ又は処理した非線形結晶を有利に使用し得ることに留意されたい。そのような結晶は、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉの米国特許第９，０２３，１５２号、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第９，２５０，１７８号、第９，４５９，２１５号、及び第１０，２８３，３６６号、ならびに「Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」と題され、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらによって２０１４年４月８日に出願された、公開された米国特許出願第２０１４／０３０５３６７号に記載されているプロセス又は方法のいずれかによって、作成、加工、又は処理され得る。これらの特許及び出願は、参照により本明細書に援用される。ドープ又は処理された結晶は、図２Ａの第２の周波数倍増段１２０Ａ－２を含む深ＵＶ波長を伴う段で特に有用であり得る。
【0049】
図２Ｂは、本発明の第２の特定の実施形態による、約１７０ｎｍ～約１８０ｎｍの範囲（例えば、約１７７ｎｍ）の波長を発生するように構成された例示的なレーザアセンブリ１００Ｂを示す簡略化されたブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｂは、第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２、周波数倍増（変換）段１２０Ｂ－１、周波数合計（変換）段１２０Ｂ－２、及び最終周波数倍増段１３０Ｂを含み、それらは集合的に構成されて、約１７０ｎｍ～約１８０ｎｍの範囲の波長を有する出力周波数ωＯＵＴＢを備えるレーザ出力光１３９Ｂを発生する。第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１は、基本光１１９Ｂ－１を発生するように構成され、それは約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍ（すなわち、約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第１の基本波長と、対応する第１の基本周波数ω１とを有する。第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２は、基本光１１９Ｂ－２を発生するように構成され、それは約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍ（すなわち、約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第２の基本波長と、対応する第２の基本周波数ω２とを有する。周波数倍増段１２０Ｂ－１は、第１の基本光１１９Ｂ－１を受け取り、第１の基本周波数ω１の２倍に等しい第２次高調波周波数２ω１を有する第２次高調波光１２１Ｂを発生する。周波数合計段１２０Ｂ－２は、第２次高調波１２１Ｂを第２の基本光１１９Ｂ－２と合計し、合計周波数２ω１＋ω２を有する中間光ビーム１２９Ｂを発生する。第１の基本波レーザ１０Ｂ－１と第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２の周波数が同じ（ω１＝ω２）である場合、中間光ビーム１２９Ｂは基本光の第３次高調波（３ω１又は３ω２）である。最終周波数倍増段１３０Ｂは、中間光ビーム１２９Ｂを受け取り、合計周波数２ω１＋ω２の２倍、すなわち４ω１＋２ω２に等しい出力周波数ωＯＵＴＢを有する最終出力光１３９Ｂを発生する。第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１と第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２の周波数が同じ（ω１＝ω２）である場合、最終レーザ出力光１３９Ｂの出力周波数ωＯＵＴＢは、基本光の第６次高調波（６ω１又は６ω２）である。
【0050】
図２Ｂを参照すると、第１及び第２の基本波レーザ１１０Ｂ－１及び１１０Ｂ－２は、図２Ａの基本波レーザ１１０Ａを参照して上述したように構成される。代替の実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２は省略されてもよく、第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１の出力は２つの部分、つまり、第１の周波数倍増段１２０Ｂ－１に向けられる第１の部分と、第２次高調波光１２１Ｂとともに周波数合計段１２０Ｂ－２に向けられる第２の部分に分割されてもよい。この代替の実施形態では、必然的にω２＝ω１である。
【0051】
【0052】
１つの実施形態では、周波数合計段１２０Ｂ－２は、第２次高調波１２１Ｂを第２の基本光１１９Ｂ－２と、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶、又はβホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を使用して合計する。
【0053】
好ましい実施形態では、最終周波数倍増段１３０Ｂは、疑似位相整合（ＱＰＭ）用に構成された２つ以上のＳＢＯ結晶板を、図２Ａの最終周波数倍増段１３０Ａを参照して上述したのと同様の方法で含む。最終周波数倍増段１３０Ａと１３０Ｂとの間の相違点は、図３及び図４を参照して以下に説明される。
【0054】
図３は、本発明の例示的な実施形態による、図２Ａの１３３ｎｍレーザアセンブリ１００Ａ及び図２Ｂの１７７ｎｍレーザアセンブリ１００Ｂで利用される、例示的な最終周波数倍増段１３０Ｃを示す簡略図である。周波数ωｘ（例えば、段１３０Ｃが１３３ｎｍレーザ１００Ａで使用される場合、ωｘ＝４ω１、又は段１３０Ｂが１７７ｎｍレーザ１００Ｂで使用される場合、ωｘ＝２ω１＋ω２）を有する入力光１２９Ｃは、入力カプラ１３２Ｃ－１、平面ミラー１３２Ｃ－２、曲面ミラー１３２Ｃ－３、１３２Ｃ－４、及び２つ以上のＳＢＯ結晶板を有する非線形結晶１３５Ｂ（入力面１３５Ｃ－ＩＮ及び出力面１３５Ｃ－ＯＵＴを含む）を具備するボウタイリングキャビティに、入力カプラ１３２Ｃ－１を介して入り、再循環されてパワーを強化する。出射光１３６Ｃは、非線形結晶１３５Ｃから出力面１３５Ｃ－ＯＵＴを通して出力され、未消費の入力光１３８Ｃと、入力光１２９Ｃの周波数の２倍に等しい出力周波数ωＯＵＴＣを備える発生されたレーザ出力光１３９Ｃとを含む（すなわち、周波数ωＯＵＴＣは、図２Ａの第８次高調波出力光１３９Ａ又は図２Ｂの第６次高調波出力光１３９Ｂのいずれかに等しくなり得る）。レーザ出力光１３９Ｃは、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３７Ｃの表面から反射され、キャビティの外に向けられる。
【0055】
好ましくは、非線形結晶１３５Ｃは、入力面１３５Ｃ－ＩＮ及び出力面１３５Ｃ－ＯＵＴが循環する入力光１３３Ｃに対してほぼブリュースター角で配向されるように構成される。循環する入力光１３３Ｃの偏光方向は、矢印３２９Ｃによって示される。更に、ＢＳ１３７Ｃは、非線形結晶１３５Ｃによって引き起こされる入力光の横方向変位を実質的にオセットする量だけ、キャビティ内の循環する入力光１３３Ｃを横方向に変位させ、これにより、実質的に対称なボウタイキャビティが維持され、キャビティの光学的位置合わせが簡素化されるように構成され得る。
【0056】
１つの実施形態では、ＢＳ１３７Ｃは、ＳＢＯ結晶、ＳＢＯガラス、又はＣａＦ２結晶を含み得る。ＳＢＯは深ＵＶの透過率が高く、損傷閾値が高いため、ＳＢＯはＢＳ１３７Ｃの基板材料として有利に使用され、キャビティ内を循環する未消費の入力光１３８Ｃの高パワーレベルにもかかわらず、長寿命を保証し得る。ＢＳ１３７ＣがＳＢＯ結晶を含む場合、その厚さ及び／又はその結晶軸の向きは、それを通過する未消費の入力光１３８Ｃの周波数倍増を最小限に抑えるように構成され得る。ＢＳ１３７Ｃは、ダイクロイックビームスプリッタ、プリズム、又は波長を分離するための他の構成要素を含み得る。１つの実施形態では、非線形結晶１３５Ｃは、出力光１３９Ｃが循環する入力光１３３Ｃに対して直交偏光を有するように構成される。この実施形態では、ＢＳ１３７Ｃは、未消費の入力光１３８Ｃを透過し、出力光１３９Ｃを反射するように構成された偏光ビームスプリッタを含み得る。この実施形態では、最大の非線形係数ｄ３３を利用することが不可能であるため、この構成は、変換効率の低下を、偏光ビームスプリッタを使用する利便性とトレードオフすることに留意されたい。１つの実施形態では、ＢＳ１３７Ｃは、その表面を、未消費の入力光１３８Ｃがそれらの表面に対して実質的にｐ偏光され、表面がその未消費の入力光に対してほぼブリュースター角になるように配向させる。
【0057】
図３によれば、入力光（ωｘ）１２９Ｃは、キャビティに入る前に１つ以上のレンズ１３１Ｃによって集束され、非線形結晶１３５Ｃの内部又は近傍にビームウエストを有する共振キャビティの固有モードに一致する。好ましい実施形態では、１つ以上のレンズ１３１Ｃは、１つ以上の円柱レンズを含み、円柱レンズは、ＳＢＯガラス又は結晶を含み、反射防止コーティングを使用せずに反射損失を最小限に抑えるために、入射光１２９Ｃに対してほぼブリュースター角で動作するように構成される。ＳＢＯは、ＵＶ及びＤＵＶ波長での損傷閾値が高いため、このようなレンズに適した材料である。ＢＳ１３７Ｃを通過する未消費の入力光１３８Ｃ（ωｘ）は、ミラー１３２Ｃ－４によって反射され、キャビティ内を循環して強度を高める。強化された入力光（ωｘ）パワー密度が十分に強い場合、入力光（ωｘ）から出力光１３９Ｃ（２ωｘ）への変換効率は非常に高くなり、５０％まで、又はそれを超過することもあり得る。１７７ｎｍ付近又は１３３ｎｍ付近の波長を備える出力光１３９Ｃ（２ωｘ）は、ＢＳ１３７Ｃから反射した後にキャビティを出る。
【0058】
代替の実施形態では、非線形結晶１３５Ｃの入力面は、入力面１３５Ｃ－ＩＮ及び出力面１３５Ｃ－ＯＵＴをブリュースター角に向ける代わりに、適切な反射防止コーティングを用いてコーティングされ得る。
【0059】
図３は、最終周波数倍増段１３０Ｃを、２つの平面ミラー及び２つの曲面ミラーを具備しているキャビティを含むものとして示しているが、ミラー及び／又はレンズの他の組み合わせを使用して、キャビティ内を循環する光を再集束してもよい。代替の実施形態では、最終周波数倍増段１３０Ｃは、デルタキャビティ、定在波キャビティ、又は他の形状のキャビティをボウタイキャビティの代わりに含んでもよい。定在波キャビティが使用される場合、第８次高調波は、入射された第４次高調波光と同じ方向に発生される。これらのキャビティはいずれも、標準ＰＤＨ又はＨＣロック技術を用いて安定化され得る。キャビティの長さは、ミラーの１つ（図３のミラー１３２Ｃ－２など）の位置、又はプリズムの位置を、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）、ボイスコイル又は別のアクチュエータに接続された制御信号（図示せず）を介して調整することにより、共振を維持するように調整される。最終周波数倍増段１３０Ｃがパルスレーザで使用される場合、キャビティは必要なく、入力光１２９Ｃは、レンズ及び／又はミラーの任意の適切な組み合わせによって、非線形結晶１３５Ｃに向けられ、非線形結晶１３５Ｃ内又はその近くに集束され得ることに留意されたい。
【0060】
図４は、４枚の積み重ねられたＳＢＯ板１３５Ｃ－１～１３５Ｃ－４を含む非線形結晶１３５Ｃの詳細を示し、それは１７７ｎｍレーザ１００Ｂの場合、第１の基本光の第２次高調波と第２の基本光との合計産物の周波数を２倍にし、又は１３３ｎｍレーザ１００Ａの場合、第４次高調波の周波数を２倍にして第８次高調波を発生させるように構成される。奇数又は偶数の枚数の板があってもよい。図４は、積み重ねられた４枚のＳＢＯ結晶板１３５Ｃ－１～１３５Ｃ－４を含む周期構造を有する非線形結晶１３５Ｃを示しているが、ＳＢＯ板の総数は、２枚程度であってもよく、１０枚を超えてもよい。ＳＢＯ板１３５Ｃ－１～１３５Ｃ－４のそれぞれの厚さは、１０ミクロン～２ミリメートルであり得る。具体的には、ＳＢＯ板の厚さΛは、Λ＝ｍＬｃで与えられ、ここで、ｍは奇数の整数（つまり、１、３、５、７…）であり、疑似位相整合臨界長Ｌｃ＝π／Δｋである。１７７ｎｍレーザ１００Ｂの最終周波数倍増段１３０Ｂでは、疑似位相整合臨界長Ｌｃは約０．６０μｍであるが、一方、１３３ｎｍレーザ１００Ａの最終周波数倍増段１３０Ａでは、疑似位相整合臨界長Ｌｃは約０．１３μｍである。適切なｍは、取り扱いと処理に便利なスラブの厚さを実現するために、数百又は数千程度になる場合がある。２６６ｎｍの光を周波数倍増することによって１３３ｎｍの光を発生するための典型的なＱＰＭ臨界長は、Ｔｒａｂｓらによって公開されたＳｅｌｌｍｅｉｅｒモデル（前掲）を使用して、１３３ｎｍ及び２６６ｎｍの波長におけるＳＢＯの屈折率から計算された。Ｔｒａｂｓらは、１６０ｎｍより短い波長を発生しなかったため、１３３ｎｍでの外挿された屈折率は不正確である可能性がある。関連技術の当業者は、より正確な屈折率が与えられた場合にＱＰＭ臨界長を計算する方法を理解するであろう。
【0061】
図４を参照すると、周波数ωｘの入力光１３３Ｃは、非線形結晶１３５Ｃの入力面１３５Ｃ－ＩＮに入射する。入力光１３３Ｃの偏光方向は、破線矢印によって示される。ＳＢＯ板１３５Ｃ－１～１３５Ｃ－４は、上下に積み重ねられて、入力面１３５Ｃ－ＩＮ及び出力面１３５Ｃ－ＯＵＴが、周波数ωｘの循環する光１３３Ｃに対してほぼブリュースター角θで方向付けられ、反射防止コーティングを使用せずに反射損失を最小限にする。ブリュースター角は、約２１０ｎｍより長い波長の表面法線Ｎに対して、約６０．５±１°である。ＳＢＯ板の積層を出る光１３６Ｃは、入力光の第２次高調波２ωｘ及び未消費の入力光ωｘを含む。
【0062】
ＱＰＭの周期構造を作成するために、ＳＢＯ板１３５Ｃ－１～１３５Ｃ－４は、一方を他方に対して回転させて配置され、その結果、それらの対応するｃ結晶軸は、図４の２つの挿入図に示すように、互いに反転される。厚さΛ（Λは結晶の極間の間隔）のＳＢＯ板の表面法線Ｎと、ＳＢＯ板内部の光１３３Ｃの伝播方向が、２つの挿入図に示される。結晶板の物理的な配置により、ＱＰＭが可能になる。これは、ＱＰＭにＰＰＬＮ（周期分極ニオブ酸リチウム）を使用することに類似していると見なし得るが、ニオブ酸リチウムが強誘電性結晶であり、周期的に分極され得ることは異なる。対照的に、ＳＢＯは非強誘電性であるため、結晶板を物理的に配置して、ＱＰＭの周期構造を作成する必要がある。更に、周期的分極は、強誘電性結晶の結晶軸に平行な電場を印加する必要があるため、分極方向は必然的に結晶軸と一致する。対照的に、本明細書に開示されるＳＢＯ結晶板は、結晶軸に対して任意の方向に切断及び研磨され得ることで、結晶板を切断し、板に入射する光に対してブリュースター角で方向付けることができる。
【0063】
好ましい実施形態では、ＳＢＯ板１３５Ｃ－１～１３５Ｃ－４の結晶軸は、ＳＢＯ板内部を伝播する光１３３Ｃが、ｃ軸に実質的に平行な光１３３Ｃの偏光方向（電場方向）でｃ軸に実質的に垂直に伝播するように配向され、ＳＢＯの最大の非線形光学係数であるｄ３３を利用して、変換効率を最大化する。例えば、図４に示されるように、ＳＢＯ板１３５Ｃ－１の結晶軸は、光１３３ＣがＳＢＯ結晶のａ軸に実質的に平行に伝播するように配向され得る。代替的に、結晶軸は、光１３３Ｃがｂ軸（図示せず）に平行に、又は結晶のａ－ｂ面内のある角度で伝播するように配向され得る。換言すれば、図４の２つの挿入図に示される結晶軸は、ｃ軸を中心に回転され得る。ＳＢＯ板１３５Ｃ－１の入力面が入力光１３３Ｃに対してブリュースター角に向けられる場合、板１３５Ｃ－１内の光の伝播方向は、表面法線Ｎに対して約２９．５±１°になる。
【0064】
図５Ａは、本発明の第３の特定の例示的な実施形態による、例示的なレーザアセンブリ１００Ｄを示す簡略化されたブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｄは、第１の基本波レーザ１１０Ｄ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｄ－２、３つの中間周波数変換段（すなわち、第１の周波数倍増段１２０Ｄ－１、周波数合計段１２０Ｄ－２、及び第２の周波数倍増段１２０Ｄ－３）、及び最終周波数合計（変換）段１３０Ｄを含み、それらは、約１４７ｎｍ～約１５５ｎｍの範囲（例えば、約１５２ｎｍ）の波長を有するレーザ出力光１３９Ｄを発生するように協働して構成される。第１の基本波レーザ１１０Ｄ－１は、上述の方法で構成され、約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍ（すなわち、約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第１の基本波長、及び対応する第１の基本周波数ω１を有する（第１の）基本光１１９Ｄ－１を発生する。第２の基本波レーザ１１０Ｄ－２もまた、上述の方法で構成され、約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍ（すなわち、約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第２の基本波長、及び対応する第２の基本周波数ω２を有する（第２の）基本光１１９Ｄ－２を発生する。第１の周波数倍増段１２０Ｄ－１は、第１の基本光１１９Ｄ－１を受け取り、第１の基本周波数ω１の２倍に等しい第２次高調波周波数２ω１を備える第２次高調波光１２１Ｄを発生する。ビームスプリッタ１２４Ｄは、第２次高調波光１２１Ｄを２つの部分、すなわち第１の部分１２１Ｄ－１と第２の部分１２１Ｄ－２に分離する。第２次高調波光１２１Ｄの第１の部分１２１Ｄ－１は、周波数合計段１２０Ｄ－２によって受け取られ、そこでは、第１の部分１２１Ｄ－１を第２の基本光１１９Ｄ－２と合計して、合計周波数２ω１＋ω２に等しい対応する周波数ωｘを有する第１の中間光ビーム１２９Ｄ－１を発生する。便宜上、この合計周波数は、本明細書では第３次高調波に実質的に等しいものとする（ω１及びω２が類似又はほぼ等しいため）。すなわち、第１の基本波レーザ１１０Ｄ－１と第２の基本波レーザ１１０Ｄ－２の周波数が実質的に同じ（すなわち、ω１＝ω２）であるとき、第１の中間光ビーム１２９Ｄ－１の周波数ωｘは、基本光周波数ω１又はω２のいずれかの第３次高調波に実質的に等しい（すなわち、ωｘ≒３ω１又はωｘ≒３ω２）。周波数合計段１２０Ｄ－２は、図２Ｂを参照して周波数合計段１２０Ｂ－２について上述したのと同様の方法で構成される。第２次高調波光１２１Ｄの第２の部分１２１Ｄ－２は、第２の周波数倍増段１２０Ｄ－３に渡され、それは、第１の基本周波数ω１の４倍に等しい対応する周波数ωｙ（すなわち、ωｙ＝４ω１）を有する第２の中間光ビーム１２９Ｄ－２を発生するように構成される。図１の例示的な実施形態によれば、周波数倍増段１２０Ｄ－１及び１２０Ｄ－３のそれぞれは、少なくとも３つの光学ミラーを含む外部共振キャビティと、内部に配置された非線形結晶とを、図２Ａの第２の周波数倍増段１２０Ａ－２を参照して上述したものと同様の方法で含む。最終周波数合計段１３０Ｄは、本明細書に記載の技術を使用して、第１及び第２の中間光ビーム１２９Ｄ－１及び１２９Ｄ－２（すなわち、ωｘ＋ωｙ）を合計し、６ω１＋ω２に等しい出力周波数ωＯＵＴＤを備えるレーザ出力光１３９Ｄを発生し、それは本明細書では第７次高調波光と実質的に等価であるとされ（すなわち、ω１とω２が類似又はほぼ等しい場合、ωｘ＋ωｙ＝６ω１＋ω２≒７ω１であるため）、これは、好ましい実施形態では約１５２ｎｍの波長を有する。別の実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｄ－２は省略されてもよく、第１の基本波レーザ１１０Ｄ－１の出力が２つの部分、すなわち第１の周波数倍増段１２０Ｄ－１に向けられる第１の部分と、第２次高調波光１２１Ｄ－１とともに周波数合計段１２０Ｄ－２に向けられる第２の部分に分割され得る。この代替の実施形態では、必然的にω２＝ω１である。
【0065】
図５Ｂは、本発明の第４の特定の例示的な実施形態による、約１４７ｎｍ～約１５５ｎｍの範囲（例えば、約１５２ｎｍ）の波長を発生するように構成された、例示的なレーザアセンブリ１００Ｅを示す簡略化されたブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｅは、第１の基本波レーザ１１０Ｅ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｅ－２、３つの中間周波数変換段（すなわち、第１の周波数倍増段１２０Ｅ－１、第２の周波数倍増段１２０Ｅ－２、及び第１の周波数合計段１２０Ｅ－３）、及び最終周波数合計（変換）段１３０Ｅを含み、約１４７ｎｍ～約１５５ｎｍの範囲（例えば、約１５２ｎｍ）の波長を有する出力周波数ωＯＵＴＥを備えるレーザ出力光を発生する。基本波レーザ１１０Ｅ－１及び１１０Ｅ－２は、約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍの範囲（すなわち、約１μｍ～約１．１μｍの間）の基本波長を有する基本光１１９Ｅ－１及び１１９Ｅ－２と、それぞれに対応する基本周波数ω１とω２を、それぞれ発生するように、上述の方法で構成される。第１の周波数倍増段１２０Ｅ－１は、第１の基本光１１９Ｅ－１を受け取り、第１の基本周波数ω１の２倍に等しい第２次高調波周波数２ω１を備える第２次高調波光１２１Ｅ－１を発生する。ビームスプリッタ１２４Ｅは、第２次高調波光１２１Ｅ－１を２つの部分、すなわち第１の部分１２１Ｅ－１１と第２の部分１２１Ｅ－１２に分離する。第２次高調波光１２１Ｅ－１の第１の部分１２１Ｅ－１１は、対応する周波数ωｘを有する第１の中間光ビーム１２９Ｅ－１として利用され、最終周波数合計段１３０Ｅに直接渡される。第２の周波数倍増段１２０Ｅ－２は、第２次高調波光１２１Ｅ－１の第２の部分１２１Ｅ－１２を受け取り、第１の基本周波数ω１の４倍に等しい第４次高調波周波数４ω１を備える第４次高調波光１２１Ｅ－２を発生する。第１の周波数合計段１２０Ｅ－３は、第４次高調波光１２１Ｅ－２を第２の基本光１１９Ｅ－２と合計し、合計周波数４ω１＋ω２に等しい対応する周波数ωｙを有する第２の中間光ビーム１２９Ｅ－２を発生する。便宜上、この合計周波数は、本明細書では第５次高調波光と称される（すなわち、ω１とω２が類似又はほぼ等しい場合、第１の基本周波数の第４次高調波と第２の基本周波数との合計は、第１の基本周波数の第５次高調波に実質的に等しいため、つまりωｙ＝４ω１＋ω２≒５ω１のためである）。最終周波数合計段１３０は、第１及び第２の中間光ビーム１２９Ｅ－１及び１２９Ｅ－２を合計し、合計周波数６ω１＋ω２に等しい出力周波数ωＯＵＴＥを備えるレーザ出力光１３９Ｅを発生し、それは便宜上、本明細書において、第１の基本周波数ω１の第７次高調波に実質的に等しいものと称され（すなわち、ω１≒ω２の場合、ωｘ＋ωｙ＝６ω１＋ω２≒７ω１）、好ましい実施形態では約１５２ｎｍの波長を有する。代替の実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｅ－２は省略されてもよく、第１の基本波レーザ１１０Ｅ－１の出力は、２つの部分、すなわち、第１の周波数倍増段１２０Ｅ－１に向けられる第１の部分と、第１の周波数合計段１２０Ｅ－３に４次高調波光１２１Ｅ－２とともに向けられる第２の部分に分割される。この代替の実施形態では、必然的にω２＝ω１である。
【0066】
第１の周波数合計段１２０Ｅ－３は、ＣＬＢＯ、又は水素若しくは重水素で処理されたＣＬＢＯをほぼ非臨界位相整合構成で使用して、第４次高調波光１２１Ｅ－２を第２の基本光１１９Ｅ－２と合計するように構成され得る。あるいは、第１の周波数合計段１２０Ｅ－３は、擬似位相整合（ＱＰＭ）を、以下の図７に示されるように構成された積み重ねられたＳＢＯ板において使用し得る。２６６ｎｍと１０６４ｎｍをＳＢＯで合計して、２１３ｎｍを発生するためのＱＰＭの臨界長は、約１．８１μｍ（つまり、１．８０μｍ～１．８２μｍの範囲）である。この臨界長は、より短い波長を発生するための臨界長よりも長いため、光伝播方向におけるＳＢＯ板の厚さ（図７のΛ）は、臨界長に等しくてもよく、臨界長の小さい奇数の整数（３～１９など）倍に等しくてもよい。
【0067】
図５Ｃは、本発明の第５の特定の例示的な実施形態による、例示的なレーザアセンブリ１００Ｆを示す簡略化されたブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｆは、第１の基本波レーザ１１０Ｆ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｆ－２、３つの中間周波数変換段（すなわち、第１の周波数倍増段１２０Ｆ－１、第２の周波数倍増段１２０Ｆ－２、及び第３の周波数倍増段１２０Ｆ－３）と最終周波数合計（変換）段階１３０Ｆを含み、それらは、約１７０ｎｍ～約１８０ｎｍの範囲（例えば、約１７７ｎｍ）の波長を有するレーザ出力光を発生するように協働して構成される。基本波レーザ１１０Ｆ－１及び１１０Ｆ－２は、約１０００ｎｍ～約１１００ｎｍの範囲（すなわち、約１μｍ～約１．１ｎｍ）の基本波長を有する基本光１１９Ｆ－１及び１１９Ｆ－２とそれぞれに対応する基本周波数ω１とω２をそれぞれ発生するように、上述の方法で構成される。第１の周波数倍増段１２０Ｆ－１は、第２の基本光１１９Ｆ－２を受け取り、第２の基本周波数ω２の第２次高調波に等しい（すなわち、第２の基本周波数ω２の２倍に等しい）周波数ωｘを有する第１の中間光ビーム１２９Ｆ－１を発生する。第２の周波数倍増段１２０Ｆ－２は、第１の基本光１１９Ｆ－１を受け取り、第１の基本周波数ω１の第２次高調波に等しい（すなわち、第１の基本周波数ω１の２倍に等しい）周波数を有する第２次高調波光１２１Ｆを生成する。第３の周波数倍増段１２０Ｆ－３は、第２次高調波光１２１Ｆを受け取り、第１の基本周波数ω１の４倍に等しい第４次高調波周波数４ω１を備える周波数ωｙを有する第２の中間光ビーム１２９Ｆ－２を発生する。最終周波数合計段１３０Ｆは、第１の中間光ビーム１２９Ｆ－１（すなわち、第２次高調波２ω２）と第２の中間光ビーム１２９Ｆ－２（すなわち、第４次高調波４ω１）とを合計し、出力周波数ωＯＵＴＦを有するレーザ出力光１３９Ｆを発生し、それは第１の基本周波数の６倍に実質的に等しく（つまり、ω１がω２にほぼ等しい場合、ωｘ＋ωｙ＝４ω１＋２ω２≒６ω１であるため）、これは、好ましい実施形態では、約１７７ｎｍの波長を有する。代替の実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｆ－２及び第１の周波数倍増段１２０Ｆ－１は省略されてもよく、第２の周波数倍増段１２０Ｆ－２の出力１２１Ｆは、２つの部分、つまり、第３の周波数倍増段１２０Ｆ－３に向けられる第１の部分と、最終周波数合計段１３０Ｆに第４次高調波光１２９Ｆ－２とともに向けられる第２の部分とに分割され得る。この代替の実施形態では、必然的にω２＝ω１である。
【0068】
図６は、本発明の例示的な実施形態による、図５Ａの１５２ｎｍレーザアセンブリ、図５Ｂの１５２ｎｍレーザアセンブリ、及び図５Ｃの１７７ｎｍレーザアセンブリで利用される、例示的な最終周波数合計段１３０Ｇを示す簡略図である。入力光１２９Ｇ（周波数ωｘ、例えば、段１３０Ｇが図５Ａの１５２ｎｍレーザ１００Ｄで使用される場合はωｘ＝２ω１＋ω２、段１３０Ｇが図５Ｂの１５２ｎｍレーザ１００Ｅで使用される場合はωｘ＝２ω１、又は段１３０Ｇが図５Ｃの１７７ｎｍレーザ１００Ｆで使用される場合はωｘ＝２ω２を有する）は、入力カプラ１３２Ｇ－１、平面ミラー１３２Ｇ－２、曲面ミラー１３２Ｇ－３、１３２Ｇ－４、及び非線形結晶１３５Ｇ（入力面１３５Ｇ－ＩＮ及び出力面１３５Ｇ－ＯＵＴを含む）を具備するボウタイリングキャビティに、入力カプラ１３２Ｇ－１を介して入り、再循環されてパワーを増強する。周波数ωｙを備える入力光（第２の中間光ビーム）１２９Ｇ－２（例えば、段１３０Ｇが図５Ａの１５２ｎｍレーザ１００Ｄで使用される場合はωｙ＝４ω１、又は段１３０Ｇが図５Ｂの１５２ｎｍレーザ１００Eで使用される場合はωｙ＝４ω１＋ω２、又は段１３０Ｇが図５Ｃの１７７ｎｍレーザ１００Ｆで使用される場合はωｙ＝４ω１）は、ボウタイリングキャビティにミラー１３２Ｇ－２の近くを通って（必ずしも通過する必要はない）入り、非線形結晶１３５Ｇを通過する。非線形結晶１３５Ｇから出力面１３５Ｃ－ＯＵＴを介して出力される出射光１３６Ｇは、周波数ωｘを備える未消費の入力光１３８Ｇ－１、周波数ωｙを備える未消費の入力光１３８Ｇ－２、及び出力周波数ωＯＵＴＧを備える発生されたレーザ出力光１３９Ｇを含み、これは、中間（入力）光ビーム１２９Ｇ－１と１２９Ｇ－２の周波数ωＸとωｙの合計に等しい（すなわち、周波数ωＯＵＴＧは、図５Ａ又は図５Ｂの第７次高調波出力光１３９Ｄ及び１３９Ｅ、あるいは図５Ｃの第６次高調波出力光１３９Ｆのいずれかに実質的に等しい可能性がある）。レーザ出力光１３９Ｇは、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３７Ｇの入力面から反射され、キャビティの外に向けられる。周波数ωｘを備える未消費の入力光１３８Ｇ－１は、ビームスプリッタ１３７Ｇ及びオプションのビームスプリッタ３２５（存在する場合）を通過し、ミラー１３２Ｇ－４及び１３２Ｇ－１によって反射されて循環される光１３３Ｇの強度を高める。周波数ωｙの未消費の入力光１３８Ｇ－２は、キャビティを出る前に、ビームスプリッタ１３７Ｇから、又は任意の（第２の）ビームスプリッタ３２５から反射される。循環する入力光１３３Ｇの偏光方向は、矢印３２９Ｇによって示される。
【0069】
周波数合計段１３０Ｇは、図３の周波数倍増段１３０Ｃを参照して上述した特徴及び代替のいずれかを使用して変更され得る。例えば、段１３０Ｇは、１つ以上のレンズ１３１Ｇを利用して、上述のように周波数ωｘを備える入力光１２９Ｃ－１を集束させ、更に１つ以上のレンズ３０８を利用して、入力光１２９Ｇ－２を、ミラー１３２Ｇ－３の近くのキャビティに入るときに集束させ、ここで、１つ以上のレンズ１３１Ｇ及び１つ以上のレンズ３０８の両方は、レンズ１３１Ｃ（図３）を参照して上述したように構成される。更に、ビームスプリッタ１３７Ｇは、図３のビームスプリッタ１３７Ｃを参照して上述したように構成され得る。最終周波数合計段１３０Ｇがパルスレーザで使用される場合、キャビティは必要なく、入力光１２９Ｇ－１及び１２９Ｇ－２は、同一線上（又は、互いに５°以内のようにほぼ同一線上）にされ、レンズ及び／又はミラーの任意の適切な組み合わせによって、非線形結晶１３５Ｇに、又はその近くに向けられて集束されることに留意されたい。
【0070】
図７は、周波数ωｘの入力光１３３Ｇと周波数ωｙの入力光１２９Ｇ－２を合計するように構成された４つの積み重ねられたＳＢＯ板１３５Ｇ－１～１３５Ｇ－４を含む例示的な非線形結晶１３５Ｇを示す。非線形結晶１３５Ｇは、４枚の板を含むように描かれるが、板の総数は、例えば、わずか２枚でも又は１０枚より多くてもよく、偶数の枚数の板（図示のように）又は奇数の枚数のＳＢＯ結晶板があってもよい。ＳＢＯ板１３５Ｇ－１～１３５Ｇ－４のそれぞれの厚さは、約１０ミクロン～約２ミリメートルであり得る。具体的には、ＳＢＯ板の厚さΛは、Λ＝ｍＬｃ、ここでｍ＝１，３，５，７…と、疑似位相整合臨界長Ｌｃ＝π／Δｋで与えられる。入力光１３３Ｇ、入力光１２９Ｇ－２、及び出射光１３６Ｇの偏光が全て、ＳＢＯ結晶板のｃ軸に実質的に平行に整列されて、ＳＢＯの最大の非線形係数（ｄ３３）を利用する場合、疑似位相整合臨界長Ｌｃは、最終周波数合計段１３０Ｇが図５Ａの１５２ｎｍレーザ出力光１３９Ｄを発生するために利用されるときには約０．３０μｍ、最終周波数合計段１３０Ｇが図５Ｂの１５２ｎｍレーザ出力光１３９Ｅを発生するために利用されるときには約０．３４μｍ、そして、最終周波数合計段１３０Ｇが図５Ｃの１７７ｎｍレーザ出力光１３９Ｆを発生するために利用されるときには約０．６６μｍである。適切なｍは、取り扱い及び処理に便利なスラブの厚さを実現するために、数百又は数千程度であり得る。入力光１２９Ｇ－１、入力光１２９Ｇ－２、及び出力光１３９Ｇの偏光方向の他の組み合わせが可能であり、異なる位相整合臨界長を有する。当業者は、位相整合臨界長をＳＢＯの屈折率から計算する方法を理解するであろう。このような偏光の組み合わせの変換効率は、一般に、全ての偏光が、ＳＢＯの他の非線形係数がｄ３３より小さいためにｃ軸に平行な場合よりも低くなる。しかし、そのような構成は、別の理由、例えば、それらの偏光に基づいて波長を結合又は分離することを単純化するために好ましい場合がある。
【0071】
図７を参照すると、周波数ωｘを備える入力光１３３Ｇ及び周波数ωｙを備える入力光ビーム１２９Ｇ－２は、非線形結晶１３５Ｇの入力面１３５Ｇ－ＩＮに入射し、それは図示の例ではＳＢＯ結晶板１３５Ｇ－４の露出面を使用して実装される。入力光１３３Ｇ（及び入力光１２９Ｇ－２）の偏光方向は、矢印３２９Ｇによって示される。入力光１３３Ｇの伝播方向と入力光１２９Ｇ－２の伝播方向との間の角度βは、小さくあるべきであり、例えば、５°未満、好ましくは約２°以下である。好ましい実施形態では、非線形結晶１３５Ｇは、入力面１３５Ｇ－ＩＮ及び出力面１３５Ｇ－ＯＵＴが周波数ωｘの入力光１３３Ｇに対してほぼブリュースター角θで配向され、反射防止コーティングを使用せずに反射損失を最小限に抑えるように構成される。出射光１３６Ｇは、合計周波数ωｘ＋ωｙの出力光１３９Ｇ、周波数ωｘを備える未消費の入力光１３８Ｇ－１、及び周波数ωｙを備える未消費の入力光１３８Ｇ－２を含む。
【0072】
ＱＰＭの周期構造を作成するため、２つ以上のＳＢＯ板１３５Ｇ－１～１３５Ｇ－４は、一方を他方に対して回転させて配置され、その結果、対応するｃ結晶軸は、図７の２つの挿入図に示すように互いに対して反転される。厚さΛのＳＢＯ板の表面法線Ｎと、ＳＢＯ板内部の光１３３Ｇの伝播方向が、２つの挿入図に示される。この結晶板の物理的な配置により、ＱＰＭが可能になる。好ましい実施形態では、各板の厚さは、Λ＝ｍＬｃに実質的に等しく、上で説明したようにｍ＝１、３、５、７…である。ＱＰＭの文脈において、実質的に等しいとは、疑似位相整合臨界長Ｌｃの約２０％以内又は約１０％以内に等しいことを意味する。１つの実施形態では、大型ＳＢＯ板が所望の厚さに研磨され、その後、個々の小さなピースに分割され、それらは互いに対して正しい向きで組み立てられて、非線形結晶１３５Ｇを形成する。
【0073】
好ましい実施形態では、ＳＢＯ結晶板１３５Ｇ－１～１３５Ｇ－４の結晶軸は、ＳＢＯ板を通過する入力光１３３Ｇ及び入力光１２９Ｇ－２が、ｃ軸に実質的に平行な光１３３Ｇ及び１２９Ｇ－２の偏光方向（電場方向）で、ｃ軸に実質的に垂直に伝播し、ＳＢＯの最大の非線形光学係数であるｄ３３を利用して、変換効率を最大化するように配向される。例えば、図７に示されるように、ＳＢＯ板１３２Ｇ－４の結晶軸は、光１３３Ｇ及び光１２９Ｇ－２がＳＢＯ結晶のａ軸に実質的に平行に伝播するように配向され得る。あるいは、結晶軸は、光１３３Ｇ及び光１２９Ｇ－２がｂ軸に平行に、又は結晶のａ－ｂ平面内で或る角度で伝播するように配向され得る。ＳＢＯ板１３２Ｇ－４の入力面が、入力光１３３Ｇ／１２９Ｇ－２の偏光方向３２９Ｇに対してブリュースター角θで配向される場合、板１３２Ｇ－４内部の光の伝播方向は、表面法線Ｎに対して約２９．５±１°になる。入力光１３３Ｃ及び１２９Ｇ－２は、上で説明したように、互いに対して数度の角度で入力面１３５Ｇ－ＩＮに入射し、したがって、それらはＳＢＯ板１３２Ｇ－１～１３２Ｇ－４内を互いにほぼ平行に伝播し、実質的に一方向に伝播していると見なされ得ることに留意されたい。
【0074】
上記の図は、構成要素の実際の物理的なレイアウトを表すことを意図したものではない。上記の図は、プロセスに含まれる主要な光学モジュールを示すが、全ての光学素子を示しているわけではない。当業者は、１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、及び１３３ｎｍのレーザを構築する方法を、上記の図及び関連する説明から理解するであろう。より多くの、又はより少ない光学部品を使用して、必要な場所に光を向け得ることを理解されたい。レンズ及び／又は曲面ミラーを使用して、ビームウエストを、適切な非線形結晶の内部又は近傍の実質的に円形又は楕円形の断面の焦点に集束させ得る。プリズム、ビームスプリッタ、グレーティング、又は回折光学素子を使用して、必要に応じて、各周波数変換段の出力で異なる波長を操作又は分離し得る。プリズム、コーティングされたミラー、又は他の要素を使用して、異なる波長を、必要に応じて周波数変換段への入力で結合し得る。ビームスプリッタ又はコーティングされたミラーを適切に使用して、１つの波長を２つのビームに分割し得る。フィルタを使用して、望ましくない波長を任意の段の出力で遮断又は分離し得る。波長板を使用して、必要に応じて偏光を回転し得る。別の光学素子が適宜使用されてもよい。当業者は、１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、及び１３３ｎｍレーザの実装において可能な様々なトレードオフ及び代替案を理解するであろう。
【0075】
上記の様々な代替の実施形態において、第１の基本波レーザは、第１の基本波光を、対応する波長が約１０７０ｎｍ、約１０６４ｎｍ、約１０５３ｎｍ、約１０４７ｎｍ、及び約１０３０ｎｍのいずれか１つに等しい第１の基本波周波数ω１で発生するように構成されてもよい。使用される場合、第２の基本波レーザは、第２の基本波光を、対応する波長が約１０７０ｎｍ、約１０６４ｎｍ、約１０５３ｎｍ、約１０４７ｎｍ、及び約１０３０ｎｍのいずれか１つに等しい第２の基本波周波数ω２で発生するように構成されてもよい。本明細書で言及される様々な高調波周波数は、対応する基本周波数の倍数に基づく。所与の基本波レーザによって発生される光の正確な波長は、多くの要因に依存し、レーザ媒体の正確な組成、レーザ媒体の作動温度、及び光キャビティの設計が挙げられる。所与のレーザ媒体の同じレーザラインを使用する２つのレーザは、前述の要因及びその他の要因により、１０分の１ｎｍ又は数ｎｍまで異なる波長で作動され得る。当業者は、任意の１つ又は２つの基本波長から所望の出力波長を発生するために適切な第１及び第２の基本波長を選択する方法を理解するであろう。
【0076】
本発明は、本明細書において、約１７７ｎｍ、約１５２ｎｍ、又は約１３３ｎｍの所望の波長でレーザ出力光を発生することを容易にする、様々な基本波長を使用して説明されるが、これらの望ましい波長の数ナノメートル以内の別の波長は、異なる基本波長を使用して発生され得る。添付の特許請求の範囲で特に明記しない限り、そのようなレーザ及びそのようなレーザを利用するシステムは、本発明の範囲内であると見なされる。
【0077】
パルスレーザと比較して、ＣＷ光源は一定のパワーレベルを有し、それはピークパワーによる損傷の問題を回避し、更に画像又はデータを連続的に取得することを可能にする。更に、発生されたＣＷ光の帯域幅は、典型的なモードロックレーザよりも数桁狭く、したがって、対応する照明又は検出光学システムの設計は、より優れた性能とより低いシステムコストを備えてはるかに単純化され得る。しかし、一部の検査及び計測用途では、パルスレーザのより高い帯域幅とピークパワーレベルに耐え得る。パルスレーザは、共振キャビティが周波数変換段に必要ないため、ＣＷレーザよりも単純である。したがって、ＣＷ及びパルスレーザの両方は、本明細書に開示される発明の範囲内にあり、適切に使用され得る。
【0078】
２００ｎｍ以下の波長を備えるレーザは、十分なパワーレベルで市販されていないか、信頼性が非常に低くなる。特に、約１２５ｎｍ～１８３ｎｍの間の波長範囲において数百ｍＷ以上のパワーの光を発生する先行技術は存在しない。本発明の実施形態は、約１３３ｎｍまでの短波長を発生し、したがって、小さな粒子と欠陥を検出する感度は、長い波長よりも優れている。
【0079】
本発明の別の態様は、上述の本発明の１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、及び１３３ｎｍレーザの少なくとも１つを組み込んだ、ウェハ、レチクル、又はフォトマスクの検査又は計測システムである。このようなシステムの態様は、図８、図９、及び図１０に示される。
【0080】
このレーザは、図８に示すように、暗視野及び明視野検査モードを備える検査システムにおいて使用され得る。この図及びシステムは、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第７，８１７，２６０号で説明されており、それは参照により本明細書に完全に記載されているかのように援用される。図８は、垂直入射レーザ照明を組み込んだ反射屈折撮像システム８００を示す。システム８００の照明ブロックは、レーザ８０１、検査されている表面上の照明ビームサイズ及びプロファイルを制御するための適合光学部品８０２、機構収容部８０４内の開口部及び窓８０３、ならびにレーザをサンプル８０８の表面に対して垂直入射の光軸に沿って再配向するためのプリズム８０５を含む。プリズム８０５は更に、サンプル８０８の表面特徴からの鏡面反射と対物８０６の光学的表面からの反射とを光路に沿って結像面８０９に方向付けする。対物８０６のレンズは、反射屈折対物、集束レンズ群、及びズームチューブレンズセクション８０７の一般的な形態で配設され得る。好ましい実施形態では、レーザ８０１は、上記レーザのうちの１つによって実装され得る。
【0081】
このレーザは、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、斜線照明を備える暗視野検査システムで使用され得る。この検査システムは、示されるような軸外れ及び垂直近傍の集光を含む、２つ又は３つの異なる集光システムを有し得る。この暗視野検査システムは更に、垂直入射線照明（図示せず）を含み得る。図９Ａ及び図９Ｂに示されるシステムの説明を含む更なる詳細は、Ｌｅｏｎｇらの米国特許第７，５２５，６４９号に見出すことができ、参照により本明細書に完全に記載されているかのように援用される。
【0082】
図９Ａは、表面９１１の領域を検査するための、照明システム９０１及び集光システム９１０を含む表面検査装置９００を図示する。図９Ａに示されるように、レーザシステム９２０は、光ビーム９０２をビーム整形光学部品９０３に通して方向付けする。好ましい実施形態では、レーザシステム９２０は、上述のレーザのうちの少なくとも１つを含む。第１のビーム整形光学部品９０３は、レーザシステムからのビームを受光するように構成され得て、ビームは、表面９１１上に集束される。
【0083】
ビーム整形光学部品９０３は、その主面がサンプル表面９１１に対して実質的に平行になり、結果として、照明線９０５が表面９１１上でビーム整形光学部品９０３の焦点面に形成されるように配向される。加えて、光ビーム９０２及び集束されたビーム９０４は、表面９１１に対して非直交入射角で向けられる。特に、光ビーム９０２及び集束されたビーム９０４は、表面９１１に対して垂直方向から約１°～約８５°の角度で方向付けされ得る。このように、照明線９０５は、実質的に、集束されたビーム９０４の入射面内にある。
【0084】
集光システム９１０は、照明線９０５からの散乱光を集めるためのレンズ９１２と、レンズ９１２から出てくる光を、感光性検出器のアレイを具備する電荷結合素子（ＣＣＤ）９１４などのデバイス上に集束させるためのレンズ９１３を含む。１つの実施形態では、ＣＣＤ９１４は、検出器の線形アレイを含み得る。このような場合、ＣＣＤ９１４内の検出器の線形アレイは、照明線９０５に対して平行に配向され得る。別の実施形態では、ＣＣＤ９１４は、その長軸が照射線９０５に平行な長方形アレイとして配置された検出器の二次元アレイを含んでもよい。例えば、ＣＣＤ９１４は、約１０００～８０００個の検出器×約５０～２５０個の検出器の長方形アレイを含み得る。１つの実施形態では、複数の集光システムを含めることができ、集光システムのそれぞれは、同様の構成要素を含むが、向きが異なる。
【0085】
例えば、図９Ｂは、表面検査装置用の集光システム９３１、９３２、及び９３３の例示的なアレイを示す（ここで、その照明システム、例えば照明システム９０１と同様のものは、簡略化のために示されていない）。集光システム９３１内の第１の光学部品は、サンプル９１１の表面から第１の方向に散乱された光を集める。集光システム９３２内の第２の光学部品は、サンプル９１１の表面から第２の方向に散乱された光を集める。集光システム９３３内の第３の光学部品は、サンプル９１１の表面から第３の方向に散乱された光を集める。第１、第２、及び第３の光路は、サンプル９１１の表面に対して異なる反射角にあることに留意されたい。サンプル９１１を支持する台９２１を用いて、光学部品とサンプル９１１との間の相対運動を引き起こすことができ、その結果、サンプル９１１の全表面が走査され得る。
【0086】
このレーザはまた、図１０に示される検査システム１０００のような、パターン付きでないウェハのための検査システムにおいて使用されてもよい。このような検査システムは、これらの図に示されるように、斜行及び／又は垂直入射照明ならびに散乱光のための大きい集光立体角を組み込み得る。照明源１１００は、本明細書で説明されるレーザのうちの少なくとも１つを組み込み、ＶＵＶ光を発生してウェハ１１２２を所望の角度で照らし、反射光が撮像集光光学部品１１０８のシステムによって集光されないようにする。光学部品１１０６は、所望の照明パターンを発生するように構成され得る。ウェハ１１２２からの散乱光は、光をアフォーカルレンズシステム１１１０に向けるように構成された撮像集光光学部品１１０８のシステムによって集光され得る。１つの実施形態では、集光レンズマスクシステム１１１２は、光を複数のチャネルに分割して、ＴＤＩセンサ１１１８に送ことができる。１つの実施形態は、インテンシファイア１１１４及び／又はセンサリレー１１１６を含み得る。ＴＤＩセンサ１１１８及び／又はインテンシファイア１１１４は、信号を画像処理コンピュータ１１２０に送信するように構成され得て、ウェハ画像及び／又はウェハ１１２２の表面上の欠陥又は粒子のリストを生成するように構成され得る。図１０の要素の追加の説明は、Ｖａｚｈａｅｐａｒａｍｂｉｌらの米国特許第９，８９１，１７７Ｂ２号に見出すことができる。パターン付きでないウェハ検査システムの更に詳細は、米国特許第６，２０１，６０１号及び第６，２７１，９１６号に記載される。これらの特許は全て、本明細書に完全に記載されているかのように参照により援用される。
【0087】
本発明は、ある特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者には、本発明の独創的な特徴が別の実施形態にも同様に適用可能であり、その全ては本発明の範囲内にあることが意図されている、ということが明らかであろう。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【国際調査報告】