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(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】2024-07-09
(54)【発明の名称】可変ＤＵＶレーザアセンブリ
(51)【国際特許分類】
G02F 1/37 20060101AFI20240702BHJP
H01S 3/109 20060101ALI20240702BHJP
G02F 1/39 20060101ALN20240702BHJP
【ＦＩ】
G02F1/37
H01S3/109
G02F1/39
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023554000
(86)(22)【出願日】2022-06-09
(85)【翻訳文提出日】2023-09-05
(86)【国際出願番号】 US2022032781
(87)【国際公開番号】W WO2022261285
(87)【国際公開日】2022-12-15
(31)【優先権主張番号】63/209,413
(32)【優先日】2021-06-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/702,683
(32)【優先日】2022-03-23
(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】フィールデン ジョン
(72)【発明者】
【氏名】チャン バイガン
【テーマコード（参考）】
2K102
5F172
【Ｆターム（参考）】
2K102AA05
2K102AA07
2K102AA08
2K102AA32
2K102BA16
2K102BA18
2K102BB02
2K102BC01
2K102BD09
2K102DA01
2K102DA10
2K102DA20
2K102DC01
2K102DC07
2K102DC08
2K102DD05
2K102DD06
2K102DD09
2K102DD10
2K102EB02
2K102EB08
2K102EB20
2K102EB26
5F172AE03
5F172AE08
5F172AE09
5F172AE12
5F172AF02
5F172NR05
5F172NR12
5F172NR22
(57)【要約】
可変レーザアセンブリは、基本波光を扇状周期的ポーリング非線形結晶の異なる領域に向けて対応する異なる逓降変換信号を生成するとともに、異なる非線形加算結晶を用いて異なる逓降変換信号を基本波長の第五高調波と混合することにより、１μｍ～１．１μｍの基本波長を用いて、１８４ｎｍ～２００ｎｍの範囲内の２つ以上の出力波長で選択的にレーザ出力光を生成する。それぞれの非線形加算結晶は、光伝搬方向に対してある角度で位置合わせされた結晶軸を有することで、効率的な透過、ならびに第五高調波および関連する逓降変換信号との足し合わせを容易にする。ユーザ選択出力波長に応答して、周波数制御システムは、対応する逓降変換信号周波数を生成するように扇状周期的ポーリング非線形結晶を配置し、第五高調波および対応する逓降変換信号を受信するように関連する非線形加算結晶を配置する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲で選択的に調整可能な対応する波長を有する可変出力周波数を有する深紫外線（ＤＵＶ）出力光を生成する可変レーザアセンブリであって、約１μｍ～１．１μｍの対応する基本波長を有する少なくとも１つの対応する基本波周波数を有する基本波光を生成するようにそれぞれ構成される１つ以上の基本波レーザと、
前記基本波光の第１の部分を受信して前記基本波周波数の５倍に等しい第五高調波周波数を有する第五高調波光を生成するように構成される第五高調波生成器と、
前記基本波光の第２の部分を受信するように構成される扇状周期的ポーリング非線形結晶と、
第１および第２の非線形加算結晶と、
周波数制御システムと、を備え、前記周波数制御システムは、出力周波数信号に応答して前記扇状周期的ポーリング非線形結晶、ならびに前記第１および第２の非線形加算結晶の相対的な位置および向きを協働的に調整するように構成され、それにより
前記出力周波数信号が第１の値を有する場合、前記周波数制御システムは、前記第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第１の領域に通し、それにより第１の逓降変換周波数を有する第１の逓降変換信号を生成し、前記周波数制御システムは、前記第五高調波光および前記第１の逓降変換信号の両方を受信するように前記第１の非線形加算結晶を配置し、それにより前記範囲内の第１の波長を有する前記ＤＵＶ出力光を生成し、
前記出力周波数信号が第２の値を有する場合、前記周波数制御システムは、前記第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第２の領域に通し、それにより第２の逓降変換周波数を有する第２の逓降変換信号を生成し、前記周波数制御システムは、前記第五高調波光および前記第２の逓降変換信号の両方を受信するように前記第２の非線形加算結晶を配置し、それにより前記範囲内の第２の波長を有する前記ＤＵＶ出力光を生成することを特徴とする、可変レーザアセンブリ。
【請求項2】
前記扇状周期的ポーリング非線形結晶は、対抗する第１および第２の側縁部、ならびに対抗する第１および第２の端縁部を有し、前記第１の側縁部側の第１の周期から前記第２の側縁部側の第２の周期まで段階的に変化するポーリング周期を含み、前記第１の周期は、前記第２の周期よりも大きく、前記周波数制御システムが前記第２の部分を前記第１の領域に通す場合、前記第２の部分は、前記第２の側縁部よりも前記第１の側縁部に近い経路に沿って前記対抗する第１および第２の端縁部の間を通り、
前記周波数制御システムが前記第２の部分を前記第２の領域に通す場合、前記第２の部分は、前記第２の側縁部よりも前記第１の側縁部に近い経路に沿って前記対抗する第１および第２の端縁部の間を通ることを特徴とする、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項3】
前記扇状周期的ポーリング非線形結晶は、ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬＮ）、化学量論タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、酸化マグネシウムドープ化学量論タンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＳＬＴ）、およびチタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）のうちの１種類を含むことを特徴とする、請求項２に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項4】
前記第１の非線形加算結晶は、第１の結晶軸を有し、前記第２の非線形加算結晶は、第２の結晶軸を有し、前記出力周波数信号が前記第１の値を有する場合、前記周波数制御システムは、前記第１の逓降変換信号が前記第１の結晶軸に対して第１の角度を形成する第１の光伝搬方向の前記第１の非線形加算結晶を通るように前記第１の非線形加算結晶を配置し、
前記出力周波数信号が前記第２の値を有する場合、前記周波数制御システムは、前記第２の逓降変換信号が前記第２の結晶軸に対して第２の角度を形成する第２の光伝搬方向の前記第２の非線形加算結晶を通るように前記第２の非線形加算結晶を配置し、
前記第１の角度は、前記第２の角度と少なくとも５度異なることを特徴とする、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項5】
前記第１および第２の非線形加算結晶のそれぞれは、焼鈍ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶および四ホウ酸ストロンチウム（ＳＢＯ）結晶のうちの一方を含む、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項6】
前記第１および第２の非線形加算結晶は、フレームに固定接続され、前記周波数制御システムは、
前記扇状周期的ポーリング非線形結晶を移動するように構成され、これにより前記出力周波数信号が第１の値を有する場合に、前記第２の部分を前記第１の領域に通し、前記出力周波数信号が第２の値を有する場合に、前記第２の部分を前記第２の領域に通す第１の制御器と、
前記フレームを第１の位置に移動するように構成され、それにより前記出力周波数信号が前記第１の値を有する場合に、前記第１の逓降変換信号が前記第１の非線形加算結晶を通り、前記出力周波数信号が前記第２の値を有する場合に、前記第２の逓降変換信号が前記第２の非線形加算結晶を通る、第２の制御器と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項7】
前記逓降変換信号を受信するように配置される波長セレクタをさらに備え、前記周波数制御システムは、前記波長セレクタを制御するようにさらに構成され、それにより前記波長セレクタは、前記出力周波数信号が前記第１の値を有する場合に、前記第１の逓降変換周波数付近に中心がある有効帯域幅から外れる周波数を除去するように構成され、前記波長セレクタは、前記出力周波数信号が前記第２の値を有する場合に、前記第２の逓降変換周波数付近に中心がある前記有効帯域幅から外れる周波数を除去するように構成されることを特徴とする、請求項６に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項8】
前記第２の基本波光を受信するように光学的に結合され、前記扇状周期的ポーリング非線形結晶および波長セレクタのうちの少なくとも一方に前記第２の基本波光を向けるように構成される光学パラメータシステム（ＯＰＳ）と、前記逓降変換信号を前記ＯＰＳから受信し、前記第五高調波光を前記第五高調波生成器から受信するように光学的に結合され、前記第１および第２の加算結晶のうちの一方に前記逓降変換信号および前記第五高調波光を向けるように構成される周波数加算段と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項9】
前記第五高調波生成器は、前記基本波光の前記第１の部分を受信して第１の基本波部分および第２の基本波部分に分割するように構成されるビームスプリッタと、
第１の基本波部分を受信するように光学的に結合され、前記基本波周波数の４倍に等しい第四高調波周波数を有する第四高調波光を生成するように構成される第四高調波生成モジュールと、
前記第２の基本波部分および前記第四高調波光の両方を受信するように光学的に結合され、前記第四高調波光および前記基本波部分を混合することにより前記第五高調波光を生成するように構成される第五高調波生成段と、
を備えることを特徴とする、請求項８に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項10】
前記ＯＰＳは、第１の集束ミラーおよび第２の集束ミラーをさらに備え、前記第１の集束ミラーおよび前記第２の集束ミラーは、前記波長セレクタとキャビティを形成するように動作可能に構成され、前記キャビティ内で光が前記波長セレクタと前記第１および第２の集束ミラーとの間で反射され、それにより反射された前記光は、前記扇状周期的ポーリング非線形結晶を通ることを特徴とする、請求項８に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項11】
前記波長セレクタは、体積型ブラッグ回折格子、分布ブラッグ反射器、およびリトロー回折格子のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項12】
前記波長セレクタを一定温度に維持する手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項13】
前記ＯＰＳは、第１の集束ミラー、第２の集束ミラー、第３のミラー、および第４のミラーをさらに備え、前記第１の集束ミラー、前記第２の集束ミラー、前記第３のミラー、および前記第４のミラーは、キャビティを形成するように動作可能に構成され、前記キャビティ内で光が前記扇状周期的ポーリング非線形結晶および前記波長セレクタの両方に向けられることを特徴とする、請求項８に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項14】
前記波長セレクタは、透過回折格子およびエタロンのうちの一方を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項15】
前記周波数加算段は、キャビティを形成するように集合的に構成される複数の反射型光学素子をさらに備え、前記キャビティは、前記逓降変換周波数で光の未消費部分を循環させ、それにより前記第１および第２の加算結晶のうちの前記一方に向けられる前に、前記未消費部分は、前記ＯＰＳから受信された前記逓降変換信号と合成され、前記第１および第２の加算結晶のそれぞれは、焼鈍ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶および四ホウ酸ストロンチウム（ＳＢＯ）結晶のうちの一方を含むことを特徴とする、請求項８に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項16】
前記第１および第２の非線形加算結晶のうちの一方から出射する未消費逓降変換光を循環させるように構成される単一のキャビティ装置をさらに備え、それにより前記未消費逓降変換光は、前記扇状周期的ポーリング非線形結晶に向けられることを特徴とする、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項17】
前記単一のキャビティ装置は、前記未消費逓降変換光を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶に反射するように構成される第１のミラーと、
光を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶から受信し、前記逓降変換周波数を有する受信した前記光の一部を反射するように構成される第２のミラーであって、反射した前記光の一部は、前記周期的ポーリング非線形結晶により生成される前記逓降変換信号を含む、第２のミラーと、
反射された前記光の一部を前記第２のミラーから受信するように構成される第３のミラーと、
前記第３のミラーから受信した前記反射光の一部を、前記第１および第２の非線形加算結晶の前記一方に反射するように構成される第４のミラーと、
前記第１および第２の非線形加算結晶のうちの前記一方から出射する前記未消費逓降変換光を反射するように構成される第５のミラーと、
前記第５のミラーから受信した前記未消費逓降変換光を前記第１のミラーに反射するように構成される第６のミラーと、
を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項18】
前記可変レーザは、第３の周波数加算結晶をさらに備え、前記周波数制御システムは、前記出力周波数信号に応答して前記扇状周期的ポーリング非線形結晶、ならびに前記第１、第２、および第３の非線形加算結晶の相対的位置および向きを協働的に調整するようにさらに構成され、それにより前記出力周波数信号が第３の値を有する場合に、前記周波数制御システムは、前記第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第３の領域に通し、それにより第３の逓降変換周波数を有する第３の逓降変換信号を生成し、前記周波数制御システムは、前記第五高調波光および前記第３の逓降変換信号の両方を受信するように前記第３の非線形加算結晶を配置し、それにより第１の出力波長および第２の出力波長の両方とは少なくとも５ｎｍ異なる第３の出力波長を有する前記ＤＵＶ出力光を生成することを特徴とする、請求項１に記載の可変レーザアセンブリ。
【請求項19】
検査システムであって、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成されるレーザアセンブリと、
前記レーザアセンブリから検査する対象に前記レーザ出力光を向けるように構成される第１の光学系と、
検査する前記対象により影響される前記レーザ出力光の画像部分を集光し、前記画像部分を１つ以上のセンサに向けるように構成される第２の光学系と、
を備え、
前記レーザアセンブリは、
約１μｍ～１．１μｍの対応する基本波長を有する少なくとも１つの対応する基本波周波数を有する基本波光を生成するようにそれぞれ構成される１つ以上の基本波レーザと、
前記基本波光の第１の部分を受信して、前記基本波周波数の５倍に等しい第五高調波周波数を有する第五高調波光を生成するように構成される第五高調波生成器と、
前記基本波光の第２の部分を受信するように構成される扇状周期的ポーリング非線形結晶と、
第１および第２の非線形加算結晶と、
周波数制御システムと、を備え、前記周波数制御システムは、出力周波数信号に応答して前記扇状周期的ポーリング非線形結晶および前記非線形加算結晶の相対的位置を協働的に調整するように構成され、それにより
前記出力周波数信号が第１の値を有する場合、前記周波数制御システムは、前記第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第１の領域に通し、それにより第１の逓降変換周波数を有する第１の逓降変換信号を生成し、前記周波数制御システムは、前記第五高調波光および前記第１の逓降変換信号の両方を受信するように前記第１の非線形加算結晶を配置し、それにより前記範囲内の第１の波長を有する前記ＤＵＶ出力光を生成し、
前記出力周波数信号が第２の値を有する場合、前記周波数制御システムは、前記第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第２の領域に通し、それにより第２の逓降変換周波数を有する第２の逓降変換信号を生成し、前記周波数制御システムは、前記第五高調波光および前記第２の逓降変換信号の両方を受信するように前記第２の非線形加算結晶を配置し、それにより前記範囲内の第２の波長を有する前記ＤＵＶ出力光を生成することを特徴とする、検査システム。
【請求項20】
可変レーザアセンブリが第１の期間中に第１のＤＵＶ波長を有する第１の深紫外線（ＤＵＶ）出力光を生成し、第２の期間中に第２のＤＵＶ波長を有する第２のＤＵＶ出力光を生成するように前記可変レーザアセンブリを動作させる方法であって、前記第１および第２のＤＵＶ波長の両方は、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲であり、前記方法は、約１μｍ～１．１μｍの対応する基本波長を有する基本波周波数を有する基本波光を生成するステップと、
前記基本波光の第１の部分を利用して前記基本波周波数の５倍に等しい第五高調波周波数を有する第五高調波光を生成するステップと、
前記第１の期間中に、扇状周期的ポーリング非線形結晶がおよそ１３５０ｎｍ～３３００ｎｍの対応する波長を有する第１の逓降変換周波数を有する第１の逓降変換信号を生成するように、前記基本波光の第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第１の領域に向け、第１の非線形加算結晶が前記第１の波長を有する前記第１のＤＵＶ出力光を生成するように、前記第１の逓降変換信号および前記第五高調波光の両方を前記第１の非線形加算結晶に向けるステップと、
前記第２の期間中に、前記扇状周期的ポーリング非線形結晶がおよそ１３５０ｎｍ～３３００ｎｍの対応する波長を有する第２の逓降変換周波数を有する第２の逓降変換信号を生成するように、前記基本波光の前記第２の部分を前記扇状周期的ポーリング非線形結晶の第２の領域に向け、第２の非線形加算結晶が前記第２の波長を有する前記第２のＤＵＶ出力光を生成するように、前記第２の逓降変換信号および前記第五高調波光の両方を前記第２の非線形加算結晶に向けるステップと、を含み、
前記第１の非線形加算結晶は、第１の結晶軸を有し、前記第１の期間中、前記第１の逓降変換信号が前記第１の結晶軸に対して第１の角度を形成する第１の光伝搬方向の前記第１の非線形加算結晶を通過するように配置され、
前記第２の非線形加算結晶は、第２の結晶軸を有し、前記第２の期間中、前記第２の逓降変換信号が前記第２の結晶軸に対して第２の角度を形成する第２の光伝搬方向の前記第２の非線形加算結晶を通るように配置され、
前記第１の角度は、前記第２の角度と少なくとも５度異なることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、深紫外線（ＤＵＶ）波長を有する光を生成することができるレーザに関し、より詳細には、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲内の２つ以上の波長を有する光を生成することができる可変レーザ、およびそのようなレーザを用いて例えばフォトマスク、レチクルや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
本願は、２０２１年６月１１日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる「DUV Tunable Laser Using OPO」という名称の米国特許仮出願第６３／２０９，４１３号の優先権を主張する。
本願は、２０２１年６月１１日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる「DUV Tunable Laser Using OPO」という名称の米国特許仮出願第６３／２０９，４１３号の優先権を主張する。
【0003】
本願は、Chuangらの米国特許第１０，１９９，１４９号、Chuangらの米国特許第９，７４８，７２９号、Chuangらの米国特許第９，５２９，１８２号、Chuangらの米国特許第９，６０８，３９９号に関し、これらのすべてが参照により本明細書に組み込まれる。
【0004】
半導体装置の寸法が小さくなるにつれて、装置を故障させる可能性がある最小粒子またはパターンの不具合の大きさも小さくなる。したがって、パターン形成済みまたはパターン未形成の半導体ウェハおよびレチクル上のより小さい粒子や不具合を検出する必要性が生じる。一般に、光の波長よりも小さい粒子により散乱する当該光の強度は、当該粒子の大きさの高いパワーとして上昇する（例えば、遊離した小さい球形粒子の全散乱光強度は、球形の直径の６乗に比例し、かつ波長の４乗に反比例して上昇する）。散乱光強度が上昇しているので、一般には、より短い波長のほうがより長い波長よりも小さい粒子や不具合を検出するのにより高度な感度を提供する。
【0005】
小さな粒子や不具合から散乱した光の強度は一般には低いので、非常に短時間で検出できる信号を生成するために高い照射強度が要求される。平均光源パワーレベルとして０．３Ｗ以上が要求される場合がある。これらの高い平均パワーレベルでは、高いパルス繰り返し率が望ましい。なぜなら、繰り返し率が高くなるにつれて、パルス当たりのエネルギーが低くなり、したがってシステムの光学系や検査する物品に対する損傷のリスクが低くなるからである。一般には、連続波（ＣＷ）光源が、検査での照射の必要性や計測法を最も良く満足させる。ＣＷ光源は、一定のパワーレベルを有し、これによりピークパワーによる損傷の問題を回避し、画像またはデータを継続的に得ることも可能にする。しかし、場合によっては約５０ＭＨｚ以上の繰り返し率を有するモードロックレーザが有用なことがある。なぜなら、高い繰り返し率は、特定の計測用途や検査用途では、損傷を回避するためにパルス当たりのエネルギーを十分低いものとし得ることを意味するからである。
【0006】
深紫外線（ＤＵＶ）光を生成するパルスレーザが当技術分野で知られている。１９３ｎｍの光を生成する従来技術のエキシマレーザが周知である。しかしながら、そのようなレーザは検査用途にはあまり適していない。なぜなら、レーザのパルス繰り返し率が低く、レーザ媒質に有害な腐食性ガスを用いるので所有コストが高くなるからである。１９３ｎｍの出力に近い光を生成する少数の固体レーザやファイバ系レーザが当技術分野で知られている。例示的なレーザは、２つの異なる基本波長（例えば、Leiらの特許文献１）または基本波の第八高調波（例えば、Tokuhisaらの特許文献２）を用いるが、これらはいずれも高価か大量生産されないレーザまたは材料を必要とする。別の手法（Meadらの特許文献３）は、半導体検査用途で要求される安定した出力と高いパワーを有する商用製品をもたらしていない（典型的には、点検事象間の３か月以上にわたり継続的に動作し得るレーザではおよそ０．３Ｗ以上が要求される）。さらに、これらのレーザのほとんどは、非常に低いパワー出力を有し、数ＭＨｚ以下のレーザパルス繰り返し率に限られている。Chuangら（特許文献４）は、１８３ｎｍのモードロックレーザおよび関連する検査システムを開示している。
【0007】
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、光学系や測定している試料、つまりウェハに損傷をもたらす可能性がある。なぜなら、ほとんどの損傷の過程は非線形的であり、平均パワーよりもむしろ圧倒的にピークパワーに左右されるからである。パルス繰り返し率が高くなるほど、同じ時間平均パワーレベルでのパルス当たりの瞬間ピークパワーは低くなる。
【0008】
存在する従来のレーザアセンブリのいずれでも、ユーザは、２つの著しく異なるＤＵＶ波長（すなわち、５ナノメートル以上異なる波長）の間でレーザ出力光を選択的に調節する（すなわち、変更・調整する）ことができない。単一のレーザアセンブリを調整し、２つ以上の異なるＤＵＶ波長を生成し得れば（例えば、レーザが第１の期間中におよそ１８４ｎｍの波長を有する光を出力し、第２の期間中におよそ１９４ｎｍの波長を出力するように）、単一のＤＵＶ出力波長を用いて検出し得ない、または正確に特定し得ない特定の不具合を検出する検査システムの能力を大幅に向上させるであろう。すなわち、２つの異なるＤＵＶ波長を用いてウェハ／レチクルを検査すれば、所定の不具合の形状、寸法、および／または材料が第２のＤＵＶ波長よりも第１のＤＵＶ波長で実質的に多くの反射を生成し得る。同様に、不具合の周囲のパターンの反射率は、２つのＤＵＶ波長で異なる場合がある。したがって、適切な波長を選択することにより、不具合とパターンとの間のコントラストの改善を可能にし、不具合の検出をさらに向上させることができる。従来のＤＵＶレーザアセンブリは単一の波長（例えば、およそ１９３ｎｍ）のみを生成するため、そのようなレーザを用いるウェハ／レチクル検査システムは、ウェハ／レチクル上の重大な不具合を検出し得ない、または正確に特定し得ない場合がある。
【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２０１４／０１１１７９９号明細書
【特許文献2】米国特許第７，６２３，５５７号明細書
【特許文献3】米国特許第５，７４２，６２６号明細書
【特許文献4】米国特許出願公開第２０１６／００９９５４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
したがって、具体的にはおよそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の２つ以上のＤＵＶ波長のレーザ出力光を生成するユーザ可変モードロックレーザまたはＣＷレーザの必要性が生じる。また、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の２つ以上の出力ＤＵＶ波長を有するモードロックまたはＣＷ可変レーザ光を生成し、上記の問題および難点のうちのいくつかまたはすべてを回避できる検査システムおよび関連する方法の必要性が生じる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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善に関し、具体的には、当該検査システム用の可変レーザアセンブリおよび関連する方法に関する。可変レーザアセンブリおよび関連する方法は、置き換え可能な２つ以上の非線形加算結晶セットと組み合わせられる調整可能な扇状周期的ポーリング非線形光学結晶（扇状ＰＰＮＬＣ）を利用する。置き換え可能な２つ以上の非線形加算結晶セットは、周波数制御システムにより動作可能に制御され、（例えば、ユーザにより提供される出力周波数信号に応答して）およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲内で変化する０．３Ｗ以上の光源パワーレベルおよびユーザ選択出力周波数／波長を有するレーザ光を生成する。可変レーザアセンブリは、１つ以上の基本波レーザを利用して約１μｍ～１．１μｍの波長を有する基本波光を生成し、第五高調波生成器を利用して基本波光の一部を第五高調波光に変換する。扇状ＰＰＮＬＣは、基本波光の第２の部分に対して移動可能に配置され、第２の基本波光部分が扇状ＰＰＮＬＣ結晶体の２つ以上の対応する異なる領域に向けられると、２つ以上の異なる逓降変換周波数が生成されるように構成される。非線形加算結晶には、対応する異なる結晶軸配向が提供され、第五高調波光を広範な異なる逓降変換周波数と効率的に足し合わせるのを容易にする（例えば、第１の加算結晶の結晶軸配向は、比較的低い逓降変換周波数を効率的に処理するように構成され、第２の加算結晶の結晶軸配向は、比較的高い逓降変換周波数を効率的に処理するように構成される）。ユーザにより提供される異なる出力周波数信号値に応答して、周波数制御システムは、さまざまな結晶を配置し／方向合わせし、それにより扇状ＰＰＮＬＣは、選択された逓降変換周波数で逓降変換光を生成する。逓降変換周波数は選択された対応する非線形加算結晶により第五高調波光と足し合わされると、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲内の選択されたＤＵＶ波長でＤＵＶレーザ光を生成する。扇状ＰＰＮＬＣと２つ以上の置き換え可能な非線形加算結晶を組み合わせて用いることにより、可変レーザアセンブリがウェハ／レチクルの検査中に５ｎｍ以上変化する２つ以上の異なるＤＵＶ波長の間でレーザ出力光を切り替えることを可能にし、それにより（例えば、各不具合と周囲の不具合がないパターンとの間のコントラストを大きくすることにより）特定の不具合の検出を大幅に向上させ、したがってユーザが、単一のＤＵＶ周波数（例えば、１８４ｎｍの光のみ、または１９４ｎｍの光のみ）を用いて検出可能でない場合がある不具合を検出／分析するのを可能にする。なお、以下の説明で限定なしに波長に言及する場合は、当該波長は真空中の波長であるものと仮定してよい。
【0012】
本発明の例示的実施形態によれば、第五高調波光は、基本波光と、第四高調波生成モジュールにより生成される第四高調波光とを混合するように構成される第五高調波生成段により生成される。いくつかの実施形態では、第四高調波生成モジュールは、２つの周波数倍増段を用いて実装される。一実施形態では、第１の周波数倍増段は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を用いて第二高調波光を生成する。ＬＢＯ結晶は、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの波長範囲で第二高調波を生成するために室温～約２００℃の温度で（結晶面の適切な選択のために）実質的に非臨界に位相整合し得る。代替的実施形態では、第１の周波数倍増段は、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶またはベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を含んでもよい。これらのいずれも、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの波長範囲で第二高調波を生成するために臨界に位相整合し得る。他の代替的実施形態では、第１の周波数倍増段は、周波数変換のためにＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、周期的ポーリングニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的ポーリング化学量論タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、または他の非線形結晶を含んでもよい。一実施形態では、第２の周波数倍増段は、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、または他の非線形結晶材料において臨界な位相整合を用いて第四高調波光を生成する。好ましい実施形態では、第２の周波数倍増段は、水素処理または重水処理ＣＬＢＯ結晶を含む。代替的実施形態では、第五高調波生成段は、パルスレーザにおけるように非線形結晶を用いてキャビティなしで、またはＣＷレーザ用のキャビティを用いて基本波周波数で共振するように構成されるキャビティで基本波光を循環させ、それにより循環した基本波光が非線形結晶を通るようにすることで基本波光および第四高調波光を直接混合し、第四高調波光および循環する第１の基本波光を合成して第五高調波光を生成する形で第四高調波光も非線形結晶を通るように（すなわち、キャビティ内で循環することなく）第四高調波光を向けるように構成される。これらの特定の装置により、検査システムに適したパワーレベルで第五高調波光を生成することができる第五高調波生成器を提供する。
【0013】
実施形態によれば、可変レーザアセンブリは、光学パラメータシステム（ＯＰＳ）を含む。ＯＰＳは、扇状ＰＰＮＬＣを通して逓降変換周波数を循環させ、非線形加算結晶セットに通される逓降変換光のパワーをさらに向上させるように構成される。代替的実施形態では、ＯＰＳは、約１３５０ｎｍ～約３３００ｎｍの逓降変換波長で逓降変換信号を生成するように構成される光学的パラメータ発振器（ＯＰＯ）または光学パラメータ増幅器（ＯＰＡ）のいずれかとして実装され、それにより１０６４ｎｍの基本波周波数に基づいて第五高調波光と混合されると、可変レーザアセンブリは約１８４ｎｍ～約２００ｎｍの波長のレーザ出力光を生成する。一実施形態では、ＯＰＳはＰＰＮＬＣおよび反射型波長セレクタ（例えば、体積型ブラッグ回折格子、分布ブラッグ反射器、またはリトロー回折格子）の両方を含む。別の実施形態では、ＯＰＳは、ＰＰＮＬＣおよび透過型波長セレクタ（例えば、透過回折格子またはエタロン）の両方を含む。いくつかの実施形態では、レーザ出力の波長の小さな調整は、波長セレクタの温度を調整して逓降変換周波数を変更することにより行い得る。
【0014】
本発明の実施形態によれば、ＤＵＶレーザ出力光は、非線形加算結晶セットの選択された非線形加算結晶を用いて逓降変換レーザ光を第五高調波光と混合することにより生成される。周波数加算は、逓降変換信号が循環するキャビティ内で行われるのが好ましい。ＣＷレーザでは、キャビティは、逓降変換周波数で共振して循環逓降変換信号を選択された非線形加算結晶に向けるように構成される。パルスレーザでは、キャビティ長は循環パルスが入力パルスと重なるように構成される。いずれの場合も、第五高調波光は、第五高調波光と循環逓降変換レーザ光を合成する形で（すなわち、循環することなく）選択された非線形加算結晶を通るように向けられる。逓降変換周波数で光を循環するように構成されるキャビティを設けることにより、キャビティがない場合と比較して非線形加算結晶内における逓降変換周波数の光のパワーは大きく増大し、それにより変換効率を向上させる。
【0015】
別の実施形態によれば、可変レーザは単一のキャビティ装置を利用する。単一のキャビティ装置は、非線形加算結晶のうちの１つから出射する未消費逓降変換光を選択的に循環させるように構成され、それにより未消費逓降変換光は、扇状ＰＰＮＬＣに方向転換される。単一セットのミラーを配置して逓降変換周波数の光を循環させ、逓降変換光を連続的経路に沿って非線形加算結晶セットおよび扇状ＰＰＮＬＣの両方に向けることにより、単一のキャビティ装置でレーザを簡略化し、複数のキャビティの実施形態と比較して変換効率を向上させる。
【0016】
一実施形態では、ウェハ、レチクル、またはフォトマスク等の試料を検査するように構成される検査システムは、本明細書で説明する、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の入力波長を生成するレーザのうちの１つを含む。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一般的実施形態による簡略的な可変レーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。
【図2】本発明の特定の例示的実施形態による可変レーザアセンブリを示すブロック図である。
【図6】扇状ＰＰＮＬＣおよび非線形加算結晶セットが単一のキャビティ装置に含まれる代替的実施形態による部分的可変レーザアセンブリを示す簡略図である。
【図8】本発明の別の具体的実施形態による、本明細書に説明するレーザアセンブリのうちの１つを利用する暗視野検査モードおよび明視野検査モードを用いる例示的検査システムを示す簡略図である。
【図9A】本発明の別の具体的実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つをそれぞれ利用する暗視野検査システムを示す。
【図9B】本発明の別の具体的実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つをそれぞれ利用する暗視野検査システムを示す。
【図10】本発明の別の具体的実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つを用いてパターン未形成ウェハを検査するように構成される代替的暗視野検査システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明は、半導体検査システム用レーザの改善に関する。以下の説明は、特定用途およびその要件に照らして当業者が本発明を実行し用いるのを可能にするために提示している。本明細書で用いるように、「上部」、「左」、「右」、「水平」、および「下方」等の方向に関する用語は、説明のために相対的位置を提供することを意図しており、絶対的枠組みの参照記号を示すことを意図しない。説明する実施形態に対するさまざまな変形が当業者には明らかであり、本明細書で定義する一般的原理は他の実施形態にも適用可能である。したがって、本発明は示して説明する特定の実施形態に限定されることを意図しているのではなく、本明細書で開示する原理および新規な特徴と整合する最も広範な範囲で合致するものである。
【0019】
図１は、一般的実施形態による、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲で選択的に調節可能な対応波長を有する可変出力周波数ωＯＵＴを有するパルスまたはＣＷ深紫外線（ＤＵＶ）出力光１５９を生成するように構成される可変レーザアセンブリ１００を示す簡略ブロック図である。一般に、可変レーザアセンブリ１００は、１つ以上の基本波レーザ１１０、第五高調波生成器１３０、扇状周期的ポーリング非線形結晶（ＰＰＮＬＣ）１４５、任意の波長セレクタ１４７、一式の非線形加算結晶１５５、および周波数制御システム１６０を備える。下記の例示的実施形態では、基本波レーザ１１０は、およそ１０６４ｎｍの赤外線基本波長を有する第１および第２の基本波周波数ω１およびω２を生成するように構成され、扇状ＰＰＮＬＣ１４５は、およそ１３５０ｎｍ～およそ３３００ｎｍの対応波長を有する逓降変換周波数ωｘを有する逓降変換信号１４９を生成するように構成され、非線形加算結晶セット１５５は、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の波長を有する出力周波数ωＯＵＴを有するレーザ出力光１５９を生成するように協働的に構成される少なくとも２種類の非線形加算結晶を含む。
【0020】
基本波レーザ１１０は、既知の技術を用いて約１μｍ～１．１μｍの対応基本波長を有する対応基本波周波数ω１およびω２を有する基本波光線１１９－１および１１９－２（業界では単に「基本波」と呼ばれる）を生成するように構成される。例示的実施形態では、基本波レーザ１００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）レーザ媒質、Ｎｄドープイットリウムオルトバナジウム酸レーザ媒質、およびイットリウムドープ（Ｙｂドープ）ファイバレーザ媒質のうちの１つを用いて、またはバイバー増幅器により実装される。半導体ウェハまたはレチクルの検査用に約１８４ｎｍ～約２００ｎｍの波長で十分な光を生成するために、基本波レーザ１１０は、数十または数百ワット以上の平均パワーで基本波光１１９－１および１１９－２を生成する必要がある。適した基本波レーザがCoherent Inc.（８０ＭＨｚおよび１２０ＭＨｚの繰り返し率を有するPaladinファミリーのモデルを含む）、Newport Corporation（Explorerファミリーのモデルを含む）、および他の製造者からパルス（モードロックまたは準ＣＷ）として市販されている。そのような基本波レーザのレーザパワーレベルは、ミリワットから数十ワット以上の範囲になる場合がある。代替的な例示的実施形態では、基本波レーザ１１０は、およそ１０５３ｎｍまたはおよそ１０４７ｎｍの基本波長で基本波レーザ光を生成するＮｄ：ＹＬＦ（ネオジムドープフッ化イットリウムリチウム）レーザ媒質を用いるレーザにより実装される。さらに別の例示的実施形態では、基本波レーザ１１０は、およそ１０３０ｎｍの基本波長で基本波レーザ光を生成するイッテルビウムドープファイバレーザにより実装してもよい。いくつかの実施形態では、１つの基本波レーザにより生成される光を２つの光部分１１９－１および１１９－２に分離してもよく、第２の基本波周波数ω２は第１の基本波周波数ω１と必ず等しくする。
【0021】
第五高調波生成器１３０は、既知の技術（例えば、図２を参照して以下に説明するもの）を用いて基本波周波数ω１の５倍に等しい（すなわち、約２００ｎｍ～約２２０ｎｍの対応する第五高調波長を有する）第五高調波光線（第五高調波）１３９を生成するように構成される。
【0022】
扇状ＰＰＮＬＣ１４５は、第２の基本波光部分１１９－２を受信するように構成され、かつ選択した逓降変換周波数ωｘで逓降変換信号１４９を生成するように構成される。図１の右上方の吹き出しを参照すると、一実施形態では、扇状ＰＰＮＬＣ１４５は、適したプラットフォーム１４６（例えばＸ－θテーブル）上に搭載された結晶構造であり、平行なＸ－Ｚ平面（示したＸ－Ｙ－Ｚ座標を用いる）を画定し、対抗する第１および第２の端面１４５－Ｅ１および１４５－Ｅ２と、端面１４５－Ｅ１と端面１４５－Ｅ２との間に平行に（例えばＹ軸方向に）延び、対抗する第１および第２の側面１４５－Ｓ１および１４５－Ｓ２とを有する。扇状ＰＰＮＬＣ１４５は、既知の技術を用いて、第１の側縁部１４５－Ｓ１側の最小（第１の）ポーリング周期Λ１から、対抗する（第２の）側縁部１４５－Ｓ１側の最大（第２の）ポーリング周期Λ２（例えば、網掛け領域により示す）へと徐々に増加する扇状周期的ポーリング構成を含むように製造される。図１Ａおよび図１Ｂを参照して以下に考察するように、この扇状周期的ポーリング構成は、端面１４５－Ｅ１と端面１４５－Ｅ２との間の扇状ＰＰＮＬＣ１４５を通る際に第２の基本波光部分１１９－２が経験したポーリング周期に左右される選択逓降変換周波数ωｘで逓降変換信号１４９を生成する。代替的実施形態では、扇状ＰＰＮＬＣ１４５は、ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬＮ）、化学量論タンタル酸リチウム（ＳＬＴ）、酸化マグネシウムドープ化学量論タンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＳＬＴ）、およびチタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）のうちの１種類以上を含んでもよい。
【0023】
いくつかの実施形態では、逓降変換周波数ωｘは、各選択逓降変換周波数ωｘ付近に中心がある狭い有効帯域幅から外れる周波数を除去するように構成される波長セレクタ１４７を通して透過されるか、波長セレクタ１４７により反射される。図１に示し、図４を参照して以下に説明する場合では、波長セレクタ１４７は、逓降変換光１４９の経路内に配置される（すなわち、扇状ＰＰＮＬＣ１４５から透過した逓降変換光１４９は波長セレクタ１４７を通って非線形加算結晶セット１５５へ進むように）１つ以上の透過型素子を含んでもよい。他の場合（例えば、図３に示し、以下に考察される）、波長セレクタ１４７は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５と非線形加算結晶セット１５５の間の経路外に配置される（すなわち、逓降変換信号１４９が波長セレクタ１４７からの反射により扇状ＰＰＮＬＣ１４５から非線形加算結晶セット１５５に透過されるように）１つ以上の反射型素子を含んでもよい。図６を参照して以下に説明するもの等、さらに他の実施形態では、波長セレクタ１４７は、１つ以上の透過型素子と１つ以上の反射型素子を含んでもよい。さらに、波長セレクタ１４７は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５を離れる光の有効帯域幅が十分に狭く、選択逓降変換周波数ωｘ付近に中心がある場合には、省略してもよい。いずれの場合も、逓降変換信号１４９は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５から透過され、非線形加算結晶セット１５５に向けられる。
【0024】
図１の下方部を参照すると、第五高調波１３９および逓降変換信号１４９は、実質的に共線的に（すなわち、５°以下の相対角度βで）非線形加算結晶セット１５５に向けられる。一般的実施形態では、非線形加算結晶セット１５５は、第五高調波１３９および逓降変換信号１４９を選択的に受信する（すなわち、図１Ａに図示するように、第１の非線形加算結晶１５５－１が第五高調波および逓降変換信号を受信するか、または図１Ｂに図示するように、第２の非線形加算結晶１５５－２が第五高調波および逓降変換信号を受信するように）選択的に配置された２つの（第１および第２の）非線形加算結晶１５５－１および１５５－２を含む。図１の左側に配置した吹き出しに示すように、好ましい実施形態では、第１および第２の非線形加算結晶１５５－１および１５５－２は、両方の結晶が光伝搬（Ｙ軸）方向（すなわち、逓降変換光１４９がセット１５５の方に向けられる方向）と平行になるように、（例えば、Ｘ－Ｙ－θテーブルに固定搭載するか、または他の選択的に移動可能なフレーム１５６により）固定した関係に維持される。この配置により、ある動作モード（図１Ａを参照して以下で説明）中は、非線形加算結晶１５５－１は、第五高調波１３９および逓降変換信号１４９が入力面１５５－１１を通って結晶１５５－１に入射し、光経路ＬＰ１に沿って出力面１５５－１２へ進むように配置され、第２の動作モード（図１Ｂを参照して以下に説明）中は、非線形加算結晶１５５－２は、第五高調波１３９および逓降変換信号１４９が入力面１５５－２１を通って結晶１５５－２に入射し、光経路ＬＰ２に沿って出力面１５５－２２へと進むように配置される。
【0025】
本発明の態様によれば、非線形加算結晶１５５－１および１５５－２の両方が同じ非線形結晶材料を含み、それぞれの非線形加算結晶１５５－１および１５５－２は、入力面／出力面に対して異なる結晶軸配向で製造され（例えば切断され）、対応する異なる範囲の信号周波数および出力周波数にわたって位相整合を容易にする。好ましい本実施形態では、非線形加算結晶１５５－１および１５５－２は、焼鈍ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶、水素処理ＣＬＢＯ結晶、重水素処理ＣＬＢＯ結晶、および四ホウ酸ストロンチウム（ＳＢＯ）結晶のうちの１種類を含む。図１の左側に配置した吹き出しに示すように、第１の非線形加算結晶１５５－１は、光伝搬方向ＬＰ１に角度Φ１で配向される対応する（第１の）結晶軸Ａ１を有し、第２の非線形加算結晶１５５－２は、光伝搬方向ＬＰ２に対して対応する（第２の）角度Φ２で配向される対応する（第２の）結晶角度Ａ２を有する。好ましい本実施形態では、非線形加算結晶１５５－１および１５５－２は、図１に示すような並行関係に配置されると角度Φ１が角度Φ２と少なくとも５度異なるように製造される。結晶軸Ａ１およびＡ２が光伝搬方向に対して適切な角度Φ１およびΦ２で位置合わせされるように既知の技術を用いて非線形加算結晶１５５－１および１５５－２を製造することにより、非線形加算結晶１５５－１および１５５－２は、第五高調波光１３９と、単一の非線形加算結晶により通常効率的に処理できなかった２つ以上の異なる逓降変換信号周波数とを効率的に足し合わせることを容易にし、それにより可変レーザアセンブリ１００が約１８４ｎｍ～約２００ｎｍの範囲内の著しく異なるＤＵＶ周波数でＤＵＶ出力光を生成することを可能にする。
【0026】
周波数制御システム１６０は、ユーザにより選択された可変出力周波数ωＯＵＴ（例えば、出力周波数信号ＯＦにより定義される）を受信し、扇状ＰＰＮＬＣ１４５、任意の波長セレクタ１４７、および非線形加算結晶１５５の相対的位置および向きを協働的に調整する（設定する）ように構成され、それにより可変レーザアセンブリ１００は、ユーザにより特定された２つ以上の異なるＤＵＶ出力周波数でＤＵＶ出力光１５９を生成する。例示的実施形態では、周波数制御システム１６０は、協調制御信号ＣＳ－１およびＣＳ－２を対応する第１および第２の制御器１６１および１６２に送信することにより協働的調整を行い、制御器１６１および１６２は、関連する波長調整Ｗ１およびＷ２を扇状ＰＰＮＬＣ１４５、任意の波長セレクタ１４７、および非線形加算結晶１５５に適用する。例えば、図１Ａは、周波数制御システム（ＦＣＳ）１６０が可変レーザアセンブリ１００により比較的高いＤＵＶ出力光周波数ωＯＵＴ１を生成するというユーザの希望を伝える例示的（第１の）出力周波数信号値（すなわち、「ＯＦ＝１」）を含む出力周波数信号ＯＦを受信する場合の第１の動作期間Ｔ１（「１００（Ｔ１）」により示す）中の可変レーザアセンブリ１００の関連部分を図示する。第１の出力周波数信号値（「ＯＦ＝１」）に応答して、周波数制御システム１６０は第１の制御信号ＣＳ１１およびＣＳ２１を生成する。制御信号ＣＳ１１により、制御器１６１（図１）は、基本波光部分１１９－２が第１の領域Ｒ１を通るように（例えば、基本波光部分１１９－２が対抗する側縁部１４５－Ｓ２よりも側縁部１４５－Ｓ１に近い経路に沿って対抗する端縁部の間を通るように）第１の波長調整Ｗ１１を適用して、扇状ＰＰＮＬＣ１４５および任意の波長セレクタ１４７（図１Ａに不図示）を配置し、それにより扇状ＰＰＮＬＣ１４５および任意の波長セレクタ１４７（不図示）に、比較的高い（第１の）逓降変換周波数ωｘ１を有する対応する（第１の）逓降変換信号１４９－１を生成させる。さらに、制御信号ＣＳ１２により、制御器１６２（図１）は、第五高調波光１３９および逓降変換信号１４９－１の両方が非線形加算結晶１５５－１内に動作可能に集束するように、フレーム１５６を操作する波長調整Ｗ２１を生成し、それによってユーザにより選択されたＤＵＶ波長ωＯＵＴ１を有するＤＵＶ出力光１５９－１を生成する。図１Ｂは、ＦＣＳ１６０が可変レーザアセンブリ１００により異なる出力光周波数を生成するというユーザの希望を伝える、異なる（第２の）出力周波数信号値（すなわち「ＯＦ＝２」）を含む出力周波数信号ＯＦを受信する場合（例えば、ユーザが比較的低いＤＵＶ周波数ωＯＵＴ２を有するＤＵＶ出力光１５９－２を用いて分析を行うことを望む場合）の第２の動作期間Ｔ２（「１００（Ｔ２）」により示す）中の可変レーザアセンブリ１００の関連部分を図示する。第２の出力周波数値に応答して、ＦＣＳ１６０は、対応する調整Ｗ１１およびＷ１２を生成する第２の（異なる）一式の制御信号ＣＳ１２およびＣＳ２２を生成する。制御信号／調整ＣＳ１２／Ｗ１２により、基本波光部分１１９－２が第２の領域Ｒ２を通るように（例えば、基本波光部分１１９－２が対抗する側縁部１４５－Ｓ１よりも側縁部１４５－Ｓ２に近い経路に沿って通るように）扇状ＰＰＮＬＣ１４５および任意の波長セレクタ１４７（図１Ｂに不図示）を再配置し、それにより扇状ＰＰＮＬＣ１４５および任意の波長セレクタ１４７（不図示）に比較的低い（第２の）逓降変換周波数ωｘ２を有する対応する（第２の）逓降変換信号１４９－２を生成させ、制御信号／調整ＣＳ２２／Ｗ２２は、第五高調波光１３９および逓降変換信号１４９－２の両方が非線形加算結晶１５５－２内に動作可能に集束するようにフレーム１５６を操作し、それによりユーザにより選択されたＤＵＶ波長ωＯＵＴ２を有するＤＵＶ出力光１５９－２を生成する。
【0027】
図１Ａおよび図１Ｂに示す位置調整に加えて、周波数制御システム１６０は、（例えば、第１の制御器１６１経由で）波長セレクタ１４７を動作可能に制御するようにさらに構成され、出力周波数信号が第１の値（ＯＦ＝１）を有する場合は、波長セレクタ１４７は第１の逓降変換周波数ωｘ１付近に中心がある有効帯域幅から外れた周波数を除去するように構成され、出力周波数信号が第２の値（ＯＦ＝２）を有する場合は、波長セレクタ１４７は、第２の逓降変換周波数ωｘ２付近に中心がある有効帯域幅から外れた周波数を除外するように構成される。波長セレクタ１４７の動作可能な制御は、例えば波長セレクタ１４７の平行移動もしくは回転、および波長セレクタ１４７の動作温度の変更を含んでもよい。
【0028】
図２は、具体的な実施形態による、ＤＵＶ出力光１５９Ａを生成するように構成される可変レーザアセンブリ１００Ａを示す簡略ブロック図である。一般に、レーザアセンブリ１００Ａは、第１の基本波レーザ１１０Ａ－１、第２の基本波レーザ１１０Ａ－２、第五高調波生成器１３０Ａ、光学パラメータシステム（ＯＰＳ）１４０Ａ、および周波数加算段１５０Ａを備える。図２の下方部を参照すると、ＯＰＳ１４０Ａは、扇状ＰＰＮＬＣ１４５および波長セレクタ１４７（図１）を参照して説明したのと同様に、第２の基本波光１１９Ａ－２を受信して処理するように構成される扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａおよび波長セレクタ１４７Ａを備える。代替的な具体的実施形態では、ＯＰＳ１４０Ａは、第２の基本波周波数ω２よりも低い逓降変換周波数ωｘを有する逓降変換信号１４９Ａに、第２の基本波光１１９Ａ－２の一部を逓降変換するように構成される光学パラメータ発振器（ＯＰＯ）または光学パラメータ増幅器（ＯＰＡ）のいずれかとして実装される。具体的実施形態のＯＰＳ１４０Ａに関するさらなる詳細は、図３、図４、および図６を参照して説明する具体的実施形態を参照して以下に提供する。図２の右下方部を参照すると、周波数加算段１５０Ａは、非線形加算結晶セット１５５Ａを利用して第五高調波生成器１５０Ａから受信した第五高調波光１３９Ａと、ＯＰＳ１４０Ａから受信した逓降変換信号１４９Ａとを足し合わせ、和５ω１＋ωｘに等しい出力周波数ωＯＵＴを有する最終出力光１５９Ａを生成する。周波数加算段１５０Ａのさらなる詳細は、図５および図６を参照して以下に説明する。可変レーザアセンブリ１００Ａは、図１を参照して上記で説明し、図３、図４、図５、および図６を参照して以下にさらに説明する周波数制御システム１６０と同様に構成され、機能する周波数制御システム（不図示）も備える。いくつかの好ましい実施形態では、第１および第２の基本波周波数ω１およびω２は、およそ１０６４ｎｍの対応波長を有し、ＯＰＳ１４０Ａは、およそ１３５０ｎｍ～およそ３３００ｎｍの対応波長を有する逓降変換周波数ωｘを有する逓降変換信号１４９Ａを生成するように構成され、レーザアセンブリ１００Ａはおよそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の波長を有する出力周波数ωＯＵＴを有するレーザ出力光１５９Ａを生成する。
【0029】
第１および第２の基本波レーザ１１０Ａ－１および１１０Ａ－２は、図１を参照して上記で説明したように、およそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍ（すなわち、約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の基本波長を有する基本波光を生成するように構成される。一実施形態では、第１の基本波光１１９Ａ－１の第１の基本波周波数ω１が第２の基本波光１１９Ａ－２の第２の基本波周波数ω２に実質的に等しくなる（例えば、第１の基本波光１１９Ａ－１および第２の基本波光１１９Ａ－１の両方がおよそ１０６４ｎｍの波長を有する）ように、第１の基本波レーザ１１０Ａ－１は第１の基本波光１１９Ａ－１を生成し、第２の基本波レーザ１１０Ａ－２は第２の基本波光１１９Ａ－２を生成する。
【0030】
図２の上方部を参照すると、第五高調波生成器１３０Ａは第１の基本波光１１９Ａ－１を受信するように構成され、ビームスプリッタ２１０、第四高調波生成モジュール２４０を集合的に形成する２つの周波数倍増段２２０および２３０、ならびに第五高調波生成段２５０を備える。ビームスプリッタ２１０は、第１の基本波光１１９Ａ－１を第１の基本波部分２１２および第２の基本波部分２１３に分割するように構成され、両方の部分が第１の基本波周波数ω１を有する。第１の周波数倍増段２２０は、第１の基本波部分２１２を受信し、第１の基本波周波数ω１の２倍に等しい第二高調波周波数２ω１を有する第二高調波光２２１を生成する。第２の周波数倍増段２３０は、第二高調波光２２１を受信し、第１の基本波周波数ω１の４倍に等しい第四高調波周波数４ω１を有する第四高調波光２４１を生成する。第五高調波生成段２５０は、第２の基本波部分２１３および第四高調波光２４１を受信して混合し、第１の基本波周波数ω１の５倍に等しい第五高調波周波数５ω１で第五高調波光２５１を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、可変レーザアセンブリ１００Ａは、ＣＷレーザアセンブリとして構成され、第五高調波生成段２５０は、第２の基本波光部分２１３のみを循環させてパワーを向上させるように構成される共振キャビティにおいて周波数混合を実装する。他の実施形態では、可変レーザアセンブリ１００Ａは、パルスレーザアセンブリとして構成され、第五高調波生成段２５０は、共振キャビティを用いずに第四高調波光２４１および第２の基本波光部分２１３を混合することにより第五高調波光を生成する。
【0031】
可変レーザアセンブリ１００Ａがパルスレーザアセンブリとして実装される具体的な一実施形態では、第１の周波数倍増段２２０を出射する基本波光の未消費部分は、ビームスプリッタまたはプリズム（不図示）により第二高調波光２２１から分離され、第２の基本波光部分２１３として第五高調波生成段２５０の方に向けられてもよい。一実施形態（不図示）では、未消費の基本波は第二高調波２２１から分離されずに第二高調波光２２１とともに第２の周波数倍増段２３０を通って共伝搬し、第四高調波２４１と実質的に同じ場所にある第五高調波生成段２５０に到達する。未消費の基本波を第二高調波光２２１から分離する１つの利点は、適切な時間遅延が未消費の基本波部分または第四高調波光２４１のいずれかに適用され、それにより２つのレーザパルスが実質的に同時に第五高調波生成段２５０に到達し得るということである。さらなる利点は、光を向ける／集束するために用いられるミラー、レンズやプリズム（不図示）等の光学素子を各経路内で適切な波長に対して別々に最適化できるということである。
【0032】
いくつかの実施形態では、それぞれの周波数倍増段２２０および２３０が、内部に配列された少なくとも３つの光学ミラーと非線形結晶とを備える外部共振キャビティを備えてもよい。キャビティは、標準的なＰＤＨ（パウンド・ドレーバー・ホール）法、ＨＣ（ヘンシュ・クイヨー）法、または他のロック技術を用いて安定化し得る。制御信号でミラーまたはプリズムの位置を調整することにより、キャビティの長さを調整し、共振を維持する。
【0033】
好ましい実施形態では、第１の周波数倍増段２２０は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を含む。三ホウ酸リチウム結晶は、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの波長範囲で第二高調波を生成するために室温～約２００℃の温度で（結晶面の適切な選択のために）実質的に非臨界に位相整合し得る。代替的実施形態では、第１の周波数倍増段２２０は、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶またはベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を含んでもよい。これらのいずれも、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの波長範囲で第二高調波を生成するために臨界に位相整合し得る。他の代替的実施形態では、第１の周波数倍増段２２０は、周波数変換のためにＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、周期的ポーリングニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的ポーリング化学量論タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、または他の非線形結晶を含んでもよい。第２の周波数倍増段２３０は、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、または他の非線形結晶で臨界な位相整合を用いてもよい。好ましい実施形態では、第２の周波数倍増段２３０は、水素処理または重水素処理ＣＬＢＯ結晶を含む。
【0034】
一実施形態では、第五高調波生成器１３０Ａおよび周波数加算段１５０Ａのうちの少なくとも一方が、第五高調波光１３９Ａを逓降変換光１４９Ａと混合することによっておよそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の波長を生成するためにほぼ非臨界に位相整合されるように構成される焼鈍、水素処理、または重水素処理したホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶を含む。ほぼ非臨界な位相整合であるため、周波数混合は非常に効率的であり（例えば、非線形係数は約１ｐｍ Ｖ－１であるかこれよりわずかに大きい場合がある）かつウォークオフ角は小さい（例えば、約３０ｍｒａｄ未満）。好ましい実施形態では、焼鈍ＣＬＢＯ結晶は、５０℃付近の一定温度に保持される。別の好ましい実施形態では、第五高調波生成器用の焼鈍ＣＬＢＯ結晶は、およそ８０℃以下の一定温度に保持され、周波数加算段用の焼鈍ＣＬＢＯ結晶は、およそ３０℃以下の一定温度に保持される。
【0035】
図３は、可変レーザアセンブリ１００または１００Ａがパルスレーザアセンブリとして実装される場合に、ＯＰＳ１４０Ａ（図２）を実装するために用いられる逓降変換周波数ωｘで逓降変換信号１４９Ａ－１を生成するように構成される例示的なＯＰＳ１４０Ａ－１を示す。ＯＰＳ１４０Ａ－１は、第２の基本波レーザ１１０Ａ－２（図２）から第２の基本波光（第２の部分）１１９Ａ－２を受信し、第２の基本波光１１９Ａ－２の一部を逓降変換して周波数ωｘを有する逓降変換信号１４９Ａ－１を生成する。ＯＰＳ１４０Ａ－１は、集束レンズ３０１、第１の集束ミラー３０２、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１、第２の集束ミラー３０３、反射型回折格子（波長セレクタ）１４７Ａ－１、および出力カプラ３０６を備え、これらは、示しているように、集束ミラー３０２および３０３、ミラー３０４、ならびに扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１を経由して光が回折格子１４７Ａ－１と出力カプラ３０６との間で反射する光学キャビティを形成するように構成される。第２の基本波光１１９Ａ－２は集束レンズ３０１により集束され、集束ミラー３０２を通ることでＯＰＳ１４０Ａ－１に入射する。集束レンズ３０１は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１の中心に近い地点に基本波光１１９Ａ－２を集束するように機能する。扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５を参照して上記で説明した実施形態のいずれかを含み、周波数ω２の第２の基本波光から信号周波数ωｘの光を生成する準位相整合用に設計されている。扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１により信号周波数の光に変換されていない任意の残りの第２の基本波光１１９Ａ－２は集束ミラー３０３を通るが、除去してもよい。集束ミラー３０３は、好ましくは扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１内で生成されるアイドラ周波数も透過する必要がある。一実施形態では、集束ミラー３０３は、信号周波数ωｘの光に対しては高反射性になるように構成され、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１内で生成されるか、または扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１を通る信号周波数の光を、ミラー３０４からの反射により出力カプラ３０６に向けるように配置される。出力カプラ３０６は、信号周波数ωｘで自らに入射した第１の割合の光（およそ２０％の割合等）を透過し、第２の割合の光（およそ８０％等）を反射する。信号周波数ωｘの第２の割合の光はミラー３０４により反射されて集束ミラー３０３に向けられ、これにより扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１を通して集束ミラー３０２へと光を方向転換し、次に光を回折格子１４７Ａ－１に方向転換する。回折格子１４７Ａ－１は波長セレクタとして機能し、既知の技術を用いて所望の信号周波数ωｘに中心がある選択範囲の周波数に対して高反射性となるように構成される。例えば、回折格子１４７Ａ－１は、およそ０．２ｎｍのＦＷＨＭまたはおよそ０．５ｎｍのＦＷＨＭの波長範囲を反射してもよい。回折格子１４７Ａ－１はレーザ出力１５９Ａ（例えば図２を参照）の波長を決定する上で重要である。なぜなら、レーザ出力１５９Ａの波長は基本波の第五高調波と信号周波数ωｘの和に対応する波長だからである。一実施形態では、回折格子１４７Ａ－１は、体積型ブラッグ回折格子を含む。好ましい実施形態では、回折格子１４７Ａ－１は、その中心波長が一定にとどまることを確保するため、一定温度に維持される。一実施形態では、信号周波数ωｘ、したがってレーザ出力光の波長は、回折格子１４７Ａ－１の温度を調整して逓降変換信号周波数ωｘを変更することにより制御される。他の実施形態では、回折格子１４７Ａ－１は、分布ブラッグ反射器およびリトロー（Littrow）回折格子のうちの一方を含む。集束ミラー３０２および扇状ＰＰＬＮＣ１４５Ａ－１の方に再反射する波長を選択するように回折格子１４７Ａ－１を回転することにより、信号周波数を調整してもよい。
【0036】
信号周波数ωｘの逓降変換光は、回折格子１４７Ａ－１から反射した後、集束ミラー３０２に戻り、これにより逓降変換光を扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１に方向転換する。信号周波数ωｘで光がたどる光学経路長であって、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１から集束ミラー３０３、出力カプラ３０６に進み、集束ミラー３０３に戻って扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１を通り集束ミラー３０２、ミラー３０４、回折格子１４７Ａ－１に進み、集束ミラー３０２に戻り、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１に戻る光学経路長は、信号周波数ωｘの光の各パルスが入力レーザ光１１９Ａ－２のパルスと実質的に同時に扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１に再到達するようにする必要がある。この配置を用いて、入力レーザ光１１９Ａ－２のパルスと信号周波数の光が扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１を実質的に共伝搬して、入力レーザ光を逓降変換周波数ωｘの光に逓降変換するのを刺激できるようにする。好ましい実施形態では、光学経路長は、信号周波数ωｘの光のパルスと入力レーザ光１１９Ａ－２のパルスの到達時間における不整合が入力レーザ光１１９Ａ－２のパルス幅の約１０％未満となるようにする必要がある。
【0037】
一実施形態では、集束ミラー３０２および３０３は、説明したばかりの往復を完了した後に、逓降変換周波数の光のパルスが、非線形結晶３１０に再到達して扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１の中心付近に集束され、入力レーザ光１１９Ａ－２のパルスと実質的に空間的に重なるように設定される焦点距離を含むように構成される。代替的実施形態では、回折格子１４７Ａ－１および／または出力カプラ３０６は、集束ミラー３０２および３０３に代えて、またはこれらに加えて逓降変換周波数ωｘの光を集束してもよい。別の実施形態では、集束ミラーに代えて、またはこれに加えて、１つ以上のレンズを用いて逓降変換周波数を再集束してもよい。
【0038】
なお、追加のミラーおよび／またはプリズムを組み込んで逓降変換周波数ωｘの光を方向転換するように適切な配置変更が行われる限り、出力カプラ３０６および回折格子３０５の相対位置を交換してもよい。図３に示す配置は、例示的なものであり、動作の原理を説明することを意図している。
【0039】
一実施形態では、１つ以上の制御器１６１Ａ－１を利用して（例えば、波長調整Ｗ１Ａ－１１およびＷ１Ａ－１２により）扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－１および回折格子１４７Ａ－１の位置、向き、および／または温度を制御し、選択した逓降変換周波数ωｘで逓降変換信号１４９Ａ－１を生成する。
【0040】
図４は、可変レーザアセンブリ１００または１００ＡがＣＷレーザアセンブリとして実装される場合に、ＯＰＳ１４０Ａ（図２）を実装するために用いられる逓降変換周波数ωｘで逓降変換信号１４９Ａ－２を生成するように構成される例示的なＯＰＳ１４０Ａ－２を示す。ＯＰＳ１４０Ａ－２は、第２の基本波レーザ１１０Ａ－２（図２）から第２の基本波光（第２の部分）１１９Ａ－２を受信し、第２の基本波光１１９Ａ－２の一部を周波数ωｘの逓降変換信号１４５Ａ－２に逓降変換する。ＯＰＳ１４０Ａ－２は、第１の集束ミラー４０１、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２、第２の集束ミラー４０２、波長セレクタ１４７Ａ－２、第３の集束ミラー４０３、および第４の集束ミラー４０４を備え、これらは、示しているように、集束ミラー４０１、４０２、４０３、および４０４の間で光が反射して波長セレクタ１４７Ａ－２および扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２を透過する光学キャビティを形成するように動作可能に構成される。第２の基本波光１１９Ａ－２は、集束ミラー４０１を通ることによりＯＰＳ１４０Ａ－２に入射する。集束またはモード整合光学系（不図示）を入力レーザ光１１９Ａ－２の光経路内に配置し、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２の中心に近い地点に入力光１１９Ａ－２を集束してもよい。扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５を参照して上記で説明した実施形態のいずれかを含み、周波数ω２の第２の基本波光から信号周波数ωｘの光を生成する準位相整合用に設計されている。扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２により信号周波数の光に変換されていない任意の残りの第２の基本波光１１９Ａ－２は集束ミラー４０２を通るが、除去してもよい。
【0041】
波長セレクタ１４７Ａ－２は、既知の技術を用いて所望の信号周波数ωｘに中心がある狭い周波数範囲に対して高透過性になるように構成される。波長セレクタ１４７Ａ－２は、レーザ出力１５９Ａ（例えば図２を参照）の波長を決定する上で重要である。なぜなら、レーザ出力１００Ａの波長は基本波の第五高調波と逓降変換信号周波数ωｘの和に対応する波長だからである。一実施形態では、波長セレクタ１４７Ａ－２は透過性回折格子を含む。別の実施形態では、波長セレクタ１４７Ａ－２はエタロンを含む。
【0042】
代替的実施形態では、透過型波長セレクタ１４７Ａ－２を、ミラー４０３またはミラー４０４等、キャビティを形成するミラーのうちの１つに代わる反射型素子と交換してもよい。この実施形態では、波長セレクタは、所望の信号周波数ωｘに中心がある狭い周波数範囲内の周波数を反射するように構成されることになるであろう。この実施形態では、波長セレクタは、反射体積型ブラッグ回折格子またはリトロー回折格子等の反射回折格子を含んでもよい。
【0043】
実施形態では、波長セレクタ１４７Ａ－２は、その中心波長が一定にとどまることを確保するため、一定温度に保持される。一実施形態では、波長セレクタ１４７Ａ－２の温度を調整し、または波長セレクタ素子を回転することにより、逓降変換周波数ωｘに対する調整を行うことができる。
【0044】
信号周波数ωｘの逓降変換光１４９Ａ－２は、まず集束ミラー４０２により反射し、次に集束ミラー４０３により反射して波長セレクタ１４７Ａ－２を通り、集束ミラー４０４および４０１で反射して扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２に方向転換される。信号周波数ωｘの逓降変換光１４９Ａ－２は、ミラー４０２を通ってＯＰＳ１４０Ａ－２から出射する。集束ミラー４０１、４０２、４０３、および４０４は、キャビティを形成することにより、逓降変換光がキャビティ内を循環してパワーを増大することを可能にする。別の実施形態では、集束ミラーに代えて、またはこれに加えて、１つ以上レンズを用いて信号周波数の光を集束してもよい。
【0045】
一実施形態では、１つ以上の制御器１６１Ａ－２を利用して（例えば、波長調整Ｗ１Ａ－２１およびＷ１Ａ－２２により）扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ａ－２および回折格子１４７Ａ－２の位置、向き、および／または温度を制御し、選択した逓降変換周波数ωｘで逓降変換信号１４９Ａ－２を生成する。
【0046】
図２に図示した周波数倍増キャビティを参照して上記で説明したものと同様に、既知の技術を用いて、例えばミラー４０３またはミラー４０４を移動することによりＯＰＳキャビティの長さを調整し、周波数ωｘで逓降変換信号を循環させるためにキャビティ内の共振状態を維持してもよい。
【0047】
図５は、選択した出力周波数ωＯＵＴでＤＵＶ出力光１５９Ａを生成するように構成された例示的な周波数加算段１５０Ａを示す簡略図であり、可変レーザアセンブリ１００Ａ（図２）で用いることができる例示的実施形態を表す。周波数加算段１５０Ａは、ＯＰＳ１４０Ａ（例えば、図３に示すＯＰＳ１４０Ａ－１または図４に示すＯＰＳ１４０Ａ－２のいずれか）から逓降変換信号１４９Ａを受信し、第五高調波生成器１３０Ａ（図２）から第五高調波光１３９Ａを受信する。周波数加算段１５０Ａは、入力カプラ５０３、フラットミラー５０４、ならびに曲面ミラー５０５および５０６を含むいくつかの反射型光学素子により形成されるボウタイ・リングキャビティを含む。逓降変換信号１４９Ａは、入力カプラ５０３を通ってこのキャビティに入射し、非線形加算結晶１５５Ａ－１および１５５Ａ－２のうちの選択されたものを通る（例えば、図５に図示するように結晶１５５Ａ－１の入力面１５５Ａ－１１および出力面１５５Ａ－１２を通る）ようにミラー５０４および５０５により方向転換される。第五高調波光１３９Ａは、ボウタイ・リングキャビティに入射し、ミラー５０５の近くを通り（しかし、通過しない）、非線形加算結晶１５５Ａ－１および１５５Ａ－２のうちの選択されたもの（例えば、結晶１５５Ａ－１）に向けられる。選択された非線形加算結晶１５５Ａ－１の出力面１５５Ａ－１２から出射した光は、ユーザにより選択された出力周波数ωＯＵＴの選択ＤＵＶ出力光１５９Ａ、逓降変換光１４９Ａの未消費部分５１４、および第五高調波光１３９Ａの未消費部分５１６を含む。出力光５８１は、ビームスプリッタ（ＢＳ）５１５の表面から反射し、キャビティの外部に向けられる。ＤＵＶ出力光１５９Ａは、出力面１５５Ａ－１２とミラー５０６との間に配置されるビームスプリッタ（ＢＳ）５１５から反射した後、キャビティから出射する。例えば、ビームスプリッタ５１５とミラー５０６との間に配置される第２のビームスプリッタ５２５から反射することにより、未消費第五高調波光部分５１６もキャビティの外部に向けられる。ビームスプリッタ５１５および５２５は、キャビティ内を再循環して逓降変換周波数ωｘで光のパワーを向上させるように、逓降変換信号１４９Ａの未消費部分５１４を通すように構成される。
【0048】
一実施形態では、１つ以上の第２の制御器１６２Ａを利用して（例えば、波長調整Ｗ２Ａ－１により）非線形加算結晶１５５Ａ－１および１５５Ａ－２の位置、向き、および／または温度を制御し、選択したＤＵＶ出力周波数ωＯＵＴＡでＤＵＶ出力信号１５９Ａを生成し、（例えば、波長調整Ｗ２Ａ－２により）ＢＳ５１５の位置、向き、および／または温度を制御して周波数加算段１５０Ａの外部にＤＵＶ出力信号１５９Ａを向ける。
【0049】
いくつかの実施形態では、非線形加算結晶１５５Ａ－１および１５５Ａ－２は、適した温度制御システム（例えば、熱電冷却器）経由で（例えば、第２の制御器１６２により）およそ３０℃以下の一定温度Ｔに維持される焼鈍（重水素処理または水素処理）ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶を含む。一実施形態では、非線形加算結晶１５５Ａ－１および１５５Ａ－２の温度は、０℃よりも低く、例えばおよそ－５℃または－１０℃であってもよい。１３４２ｎｍ付近の第２の基本波または信号波長と、２０９．４ｎｍ付近の波長を有する第五高調波とを用いるおよそ３０℃の温度でのＣＬＢＯのタイプＩの整合では、位相整合角はおよそ７９°である。１３００ｎｍ付近の第２の基本波長と、２１３ｎｍ付近の波長を有する第五高調波とを用いるおよそ３０℃の温度でのＣＬＢＯのタイプＩの整合では、位相整合角はおよそ８１°である。これらの両方の例は、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の波長を生成する、高い効率性および低いウォークオフのほぼ非臨界な位相整合を達成し得ることを示している。これらの波長の組み合わせは単なる例であり、本発明の範囲を限定することを意図していない。当業者は、位相整合を達成するために波長、温度、および角度の異なる組み合わせをどのように選択するかを理解している。
【0050】
一実施形態では、ＢＳ５１５は四ホウ酸ストロンチウム（ＳＢＯ）結晶、ＳＢＯガラス、またはＣａＦ２結晶を含んでもよい。ＳＢＯは良好な深ＵＶ透過率を有し、かつ高い損傷閾値を有するので、ＳＢＯをＢＳ５１５の基板材料として有利に用いて、キャビティ内を循環する未消費逓降変換光５１４の高いパワーレベルにも関わらず長い寿命を確保し得る。ＢＳ５１５がＳＢＯ結晶を含む場合、その厚さおよび／または結晶ｃ軸の配向は、自らを通る未消費逓降変換光５１４の任意の周波数倍増を最小化するように構成されてもよい。ＢＳ５１５は、波長を分離するために偏光ビームスプリッタ、二色性ビームスプリッタ、プリズム、または他の部品を含んでもよい。一実施形態では、ＢＳ５１５は、自身の表面に対して未消費逓降変換光５１４が実質的にＰ偏光し、当該表面がその未消費入力光に対しておよそブルースター角になるように表面を配向させる。
【0051】
別の実施形態では、ＢＳ５１５は、ＤＵＶ出力光１５９Ａおよび未消費第五高調波光部分５１６の両方をキャビティの外部に反射するようにさらに構成されてもよく、かつ第２のビームスプリッタ５２５を省略してもよい。
【0052】
一実施形態では、逓降変換光１４９Ａ（ωｘ）は、キャビティに入射する前に１つ以上のレンズ５０１により集束され、選択した非線形加算結晶１５５Ａ－１内またはその近位にビームウェストを有する共振キャビティの固有モードを整合する。代替的実施形態では、入力面１５５Ａ－１１および出力面１５５Ａ－１２をブルースター角で配向させるのに代えて、非線形加算結晶１５５Ａ－１の入力面１５５Ａ－１１に適切な反射防止コーティングを塗布してもよい。
【0053】
図５には最終周波数加算段１５０Ａのキャビティを２つのフラットミラーと２つの曲面ミラーにより形成されているものとして図示しているが、他のミラーおよび／またはレンズの別の組み合わせを用いてキャビティ内を循環する逓降変換光を再集束してもよい。代替的実施形態では、最終周波数加算段は、ボウタイ・キャビティに代えてデルタキャビティ、定常波キャビティ、または他の形状のキャビティを備えてもよい。これらのキャビティのいずれも標準的なＰＤＨまたはＨＣロック技術を用いて安定化し得る。キャビティ長を調整し、圧電変圧器（ＰＺＴ）、ボイスコイル、または他のアクチュエータに接続される制御信号（不図示）によりミラーのうちの１つ（図５のミラー５０４等）の位置またはプリズムの位置を調整することにより共振を維持する。
【0054】
パルスレーザアセンブリの場合、逓降変換信号１４９Ａの第五高調波光１３９Ａとの混合は、ミラー５０４、５０５、および５０６をなくすことによりキャビティなしで実装し得る。非線形加算結晶１５５Ａ－１および１５５Ａ－２を選択的に配置して第五高調波光１３９Ａ（すなわち、図２の第五高調波生成器１５０Ａから）および逓降変換信号１４９Ａ（図２のＯＰＯ１４０Ａから）の両方を選択的に受信し、それにより両方が非線形加算結晶１５５Ａ－１にほぼ共線的に入射し、非線形加算結晶１５５Ａ－１内またはその近位に配置される対応ビームウェストに集束される（ビームウェストは不図示）。
【0055】
図６は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂおよび非線形加算結晶セット１５５Ｂの両方を介して逓降変換周波数ωｘの光を選択的に循環させるように構成される単一のキャビティ装置１７０Ｂに、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂおよび非線形加算結晶セット１５５Ｂが含まれる別の実施形態による可変レーザアセンブリ１００Ｂの一部を図示する。すなわち、アセンブリ１００ＡのＯＰＳ１４５Ａおよび周波数加算段１５０Ａにより利用される２つの別々のキャビティ（図２）とは対照的に、非線形加算結晶セット１５５Ｂを出射する未消費逓降変換光６２７は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂへと循環する（戻る）。それによって未消費逓降変換光６２７は増幅されて逓降変換信号１４９Ｂを生成し、単一のキャビティ装置１７０Ｂを形成するさまざまなミラーおよび光学素子により非線形加算結晶セット１５５Ｂに向けられる。単一のキャビティ装置１７０Ｂに加えて、可変レーザアセンブリ１００Ｂは、１つ以上の基本波レーザ（不図示）および第五高調波生成器（不図示）を備える。１つ以上の基本波レーザおよび第五高調波生成器は、図１および図２を参照して上記で説明したのと同様に、基本波光１１９Ｂおよび第五高調波光１３９Ｂをキャビティ装置１７０Ｂに提供する。以下に説明するように単一のキャビティ内で動作する以外に、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂは、上述の実施形態を参照して説明したように実質的に構成され、機能する。非線形加算結晶セット１５５Ｂは、図７Ａ～図７Ｄを参照して以下に説明するように、単一のキャビティ装置１７０Ｂにより生成される光経路内に選択的に配置される３つの非線形加算結晶１５５Ｂ－１、１５５Ｂ－２、および１５５Ｂ－３を備える点で上述の実施形態とは異なるが、それ以外は図１および図２を参照して上記でそれぞれ説明したセット１５５および１５５Ａと同様に機能する。
【0056】
図６に示す例示的実施形態では、単一のキャビティ装置（キャビティ）１７０Ｂは、ミラー６０１、６０２、６０６、および６２０、反射素子ミラー（すなわち、ミラーもしくは波長セレクタ）１４７Ｂ－１、ならびに出力カプラ／ミラー６２１により形成され、これらは、一方はＰＰＮＬＣ１４５Ｂ内に発生し、他方は非線形加算結晶１５５Ｂ－１、１５５Ｂ－２、および１５５Ｂ－３のうちの１つ（例えば、図６に図示する非線形加算結晶１５５Ｂ－３内）の中に発生する２つのレーザビームウェストを有する光学経路に沿って逓降変換周波数ωｘを有する光を向けるように構成される。図６の下方部を参照すると、基本波周波数ω２の基本波光１１９Ｂ－２はミラー６０１に向けられ、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂ内に集束されて逓降変換信号周波数ωｘで光を生成する。また、第１のミラー６０１は、未消費逓降変換光６２７を反射するように構成され、これによりミラー６０６から受信した未消費逓降変換光６２７はＰＰＮＬＣ１４５Ｂ内にビームウェストを形成する。基本波光１１９Ｂ－２がミラー６０１（図示）を通ってキャビティ１７０Ｂに入射するのを容易にするために、ミラー６０１は、（例えば、基本波周波数ω２に近い周波数を有する光を透過するコーティングをミラー６０１に施す一方、逓降変換周波数ωｘに近い周波数を有する光を反射することにより）基本波光１１９Ｂ－２を透過または通す一方、逓降変換周波数ωｘで再循環した信号光６２７を反射するように構成されてもよい。代替的実施形態では、基本波光１１９Ｂ－２をミラー６０６等、別のミラーを通してキャビティ１７０Ｂに注入し得るであろう。この場合、ミラー６０１は基本波光１１９Ｂ－２および再循環信号光６２７の両方を反射するように構成する必要がある。一実施形態では、ミラー６０２は逓降変換信号１４９Ｂを選択的に反射するように構成され、かつ基本波周波数ω２を有する残りの基本波光６３１（すなわち、逓降変換光１４９Ｂの生成により消費されなかった基本波光）がキャビティ１７０Ｂから出射するのを可能にするように構成される。逓降変換光１４９Ｂは、ミラー６０２から反射素子反射型回折格子／ミラー１４７Ｂ－１に向けられ、反射素子反射型回折格子／ミラー１４７Ｂ－１はミラー６２０の方に逓降変換光１４９Ｂを方向転換する。ミラー６２０は、非線形加算結晶１５５Ｂ－１、１５５Ｂ－２、および１５５Ｂ－３のうちの１つを通してミラー１４７Ｂ－１から受信した逓降変換光１４９Ｂを方向転換するように構成される。ミラー６２１は、非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３を出射した未消費逓降変換光６２７を反射するように構成され、ミラー６０６は、この未消費逓降変換光６２７を受信してミラー６０１に反射するように構成される。キャビティ１７０Ｂを、６つのミラーを備えるものとして図示しているが、より多いかより少ないミラーを用いてもよい。可変レーザアセンブリ１００ＢがＣＷレーザとして構成される場合、キャビティ長を短く保持するのが好ましく、したがって、６０１、６０２、６２０、および６２１等の曲面ミラーのみを用いてもよい。可変レーザアセンブリ１００Ｂがパルスレーザとして構成される場合、キャビティ長をパルス間の間隔（または当該長さの整数の分数または倍数）と整合する必要があり、したがって、キャビティは大きくする必要がある（例えば、レーザの繰り返し率が８０ＭＨｚである場合、キャビティ長は３．７４７ｍまたは１．８７４ｍ）。そのようなキャビティは、都合のよい設置面積に適合するために６つ以上のミラーを用いる場合がある。ＣＷキャビティは、シングルモードキャビティ（非常に狭い帯域幅の信号を生成するであろう）またはマルチモードキャビティ（例えば、若干のモードまたは数百ものモード）として構成されてもよい。一般に、マルチモードキャビティがシングルモードキャビティよりも安定しているが、信号光１４９Ｂおよび６２７の帯域幅はより大きくなる。半導体検査システムで用いるためには、一般に大きな数のモード（約１００以上）または高い繰り返し率のパルスレーザが好ましいであろう。
【0057】
一実施形態では、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂを出射する信号光１４９Ｂの逓降変換周波数ωｘは、基本波光１１９Ｂ－２および再循環信号光６２７が通る扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂの区間のポーリング長に起因して準位相整合（ＱＰＭ）により決定される。上記で考察したように、逓降変換光が通る扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂの区間（領域）は、波長セレクタ１４７Ｂ－２および／または反射素子１４７Ｂ－１による波長選択と組み合わせて波長調整Ｗ１Ｂ－１（例えば、図６に示す＋Ｘ軸方向および－Ｘ軸方向への非線形結晶１４５Ｂの平行移動）により制御器１６１Ｂで選択的に調整される。典型的には、反射素子１４７Ｂ－１および波長セレクタ１４７Ｂ－２のうちの一方のみが波長を選択するように構成される（すなわち、透過型波長セレクタ１４７Ｂ－２が用いられる場合、反射素子１４７Ｂ－１はミラーを用いて実装されてもよく、逆に反射素子１４７Ｂ－１が例えば反射型回折格子を用いて波長セレクタとして実装される場合、波長セレクタ１４７Ｂ－２を省略してもよい）。波長セレクタ１４７Ｂ－２は、エタロン（ファブリーペロー干渉計）および透過型回折格子（体積型ブラッグ回折格子または機械刻線回折格子等）のうちの一方を含んでもよい。波長セレクタとして実装される場合、反射素子１４７Ｂ－１は、（点線矢印により図示するように）回折格子が回転してミラー６２０の方に所望の波長を向けるように波長調整Ｗ１Ｂ－２により、または体積型ブラッグ回折格子の場合は温度Ｔを調整することにより、制御器１６１Ｂで調整されてもよい。反射素子１４７Ｂ－１がミラーである場合、波長セレクタ１４７Ｂ－２は、波長調整Ｗ１Ｂ－３により制御器１６１Ｂで調整されてもよい（例えば、矢印により示す回転および／または動作温度Ｔの調整により）。いずれの場合も、反射素子１４７Ｂ－１および／または波長セレクタ１４７Ｂ－２は、ミラー６２０に所望の信号周波数ωｘを有する光を向け、アイドラ周波数を含む所望でない波長は、素子１４７Ｂ－１および／または１４７Ｂ－２によりキャビティの外部に向けられ、吸収され、または別の方法で遮断されてもよい。さらに、キャビティ内のミラーのうちの１つ以上は、アイドラ周波数を高い効率性（例えば、約９０％以上の効率性）で送信する一方、複数のミラーから反射した後に実質的にすべてのアイドラ周波数がキャビティを離れるように、信号光１４９Ｂを反射するように構成されてもよい。
【0058】
上記の扇状ＰＰＮＬＣ素子と同様に、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂは、所望の信号周波数範囲に及ぶポーリング周期の範囲を有する扇状構成でポーリングされる。適した扇状ＰＰＮＬＣ素子が例えば、HC Photonics（台湾新竹市）から市販されている。入力光１１９Ｂ－２が１０６４．５ｎｍに近い波長を有する場合、１３５６～２１２９ｎｍの信号波長に対応する信号周波数範囲は、扇状ＰＰＮＬＣ１４５ＢがＭｇＯドープニオブ酸リチウム結晶を含む場合には２５．８６μｍ～３２．１５μｍのＱＰＭポーリング周期を必要とし、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂが化学量論チタン酸リチウム結晶を含む場合には２５．６６μｍ～３２．３２μｍのＱＰＭポーリング周期を必要とする。なお、これらの結晶材料は約４μｍよりも長い波長の強い吸収性を有し、したがってこれらの材料は約１４５０ｎｍよりも短い信号波長に対応する信号周波数には有用でない場合がある。なぜなら、アイドラは４μｍより長い対応波長を有し、扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂ内に放散される熱が位相整合を低下させ、および／または熱レンズ効果を生じさせる可能性があるからである。
【0059】
キャビティ１７０Ｂは、逓降変換信号光１４９Ｂおよび第五高調波光１３９Ｂが加算光経路に沿って非線形加算結晶セット１５５Ｂに向けられ、出力周波数ωＯＵＴBを有するＤＵＶ出力光１５９Ｂを生成するようにさらに構成される。図６に図示する例示的実施形態では、第五高調波光１３９Ｂは、ミラー６２０を通り、またはその縁部から出射することによりキャビティ１７０Ｂに入射する。第五高調波光１３９Ｂは、第五高調波光１３９Ｂおよび信号光１４９Ｂが選択された非線形加算結晶（例えば、図６に図示する結晶１５５Ｂ－３）の中心付近を横断するように、信号光１４９Ｂに対してわずかな角度（例えば５°未満の角度）で進む。所望の出力周波数ωＯＵＴBのレーザ出力光１５９Ｂおよび未消費第五高調波光６１６は、ミラー／出力カプラ６２１付近またはその中を通ることによりキャビティ１７０Ｂから出射する。
【0060】
可変レーザアセンブリ１００Ｂが約１９３ｎｍ～約１８４ｎｍの波長等、広範囲の波長にわたって出力光を生成するためには、非線形加算結晶セット１５５Ｂに２つ超の非線形加算結晶を設けることが必要な場合がある。なぜなら、必要とされる角度調整範囲が２５°にまでになる場合があるからである。単一の非線形加算結晶をそのように大きな角度で回転すると、反射損失により必要とされるパワーを有するレーザ出力光の生成を妨げる場合がある。さらに、そのような大きな角度まで回転させた場合に非線形加算結晶による未消費逓降変換光６２７の変位が大きすぎ、キャビティ１７０Ｂを形成するミラーの１つ以上を調整することにより補償できない場合がある。したがって一実施形態では、非線形加算結晶セット１５５Ｂは３つの非線形加算結晶１５９Ｂ－１～１５９Ｂ－３を備える。これらの結晶のそれぞれは、その異なる結晶軸が加算光伝搬方向に対して対応する異なる角度を形成し、異なる範囲の信号周波数および出力周波数（すなわち、図１を参照して上記で説明したものと類似する）にわたって位相整合するように製造（切断）される。最も適切な非線形加算結晶１５９Ｂ－１、１５９Ｂ－２、または１５９Ｂ－３を加算光経路に移動／配置するのを容易にして、ユーザにより選択された波長でＤＵＶ出力光を生成するため、非線形加算結晶１５９Ｂ－１～１５９Ｂ－３は、例えば図７Ａ～図７Ｄを参照して以下に説明するように、第２の制御器１６２Ｂで（すなわち、波長調整Ｗ２Ｂ－１により）制御されるフレーム１５６Ｂ（例えばＸ－Ｙ－θテーブル、線形ステージ、または別の適した機構）に固定搭載される。フレーム１５６Ｂは、周波数加算の位相整合条件の最適化をもたらすために温度制御され、回転可能である必要がある。他の実施形態では、２つ、４つ、またはそれより多い非線形加算結晶を利用してもよい。
【0061】
図６の上方部を参照すると、非線形加算結晶セット１５５Ｂは、変換信号光１４９Ｂおよび第五高調波光１３９Ｂにより形成され、実質的に同じ場所にある光経路内に選択的に配置される（移動される）３つの非線形結晶１５５Ｂ－１、１５５Ｂ－２、および１５５Ｂ－３を含む。第２の制御器１６２Ｂは、可変レーザアセンブリ１００Ｂの周波数制御システムの別の部分を形成する。一実施形態では、非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３は、Ｘ－Ｙ－θテーブル（フレーム）１５６Ｂに固定搭載することにより固定した関係に維持される。テーブル（フレーム）１５６Ｂの動作は、波長調整Ｗ２Ｂ－１により制御器１６２Ｂで制御される。
【0062】
図７Ａ～図７Ｄに、４つの異なる動作状態（すなわち、４つの異なる期間）で構成される場合の可変レーザアセンブリ１００Ｂの一部を図示する。図１を参照して上記で説明したように、４つの異なる動作状態は、図示したそれぞれの動作状態の前に可変レーザアセンブリ１００Ｂの周波数制御システムに提出される、ユーザにより提供される４つの異なる出力周波数制御信号値に対応する。説明のため、図７Ａ～図７Ｄにミラー６２０および６２１、ならびに非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３を含む可変レーザアセンブリ１００Ｂの一部を図示する。図７Ａ～図７Ｄには示していないが、周波数制御システムは、制御器１６２Ｂ経由で非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３の図示している移動を制御するとともに、制御器１６１Ｂ経由で扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂ（図６）での光の透過も制御し、それにより異なる逓降変換光の周波数は、選択された非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３に向けられることが理解される。
【0063】
図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、著しく異なる、ユーザにより選択された出力周波数に応答して利用し得る例示的動作状態を図示する。例えば図７Ａに図示するように、第１の期間Ｔ１中に（例えば第１の出力周波数値ＯＦ＝１に応答して）、周波数制御システムは、基本波光部分１１９Ｂ－２を扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂの第１の領域に通し、それにより第１の逓降変換周波数ωｘB１を有する第１の逓降変換信号１４９Ｂ－１を生成する。次に、第１の逓降変換信号１４９Ｂ－１が選択された非線形加算結晶１５５Ｂ－１において第五高調波光１３９Ｂと足し合わされると、可変レーザアセンブリ１００は第１のユーザ選択出力波長ωＯＵＴＢ１を有するＤＵＶ出力光１５９Ｂ－１を生成する。同様に図７Ｂに示すように、第２の期間Ｔ２中に（例えば第２の出力周波数値ＯＦ＝２に応答して）、周波数制御システムは、基本波光部分１１９Ｂ－２を扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂの第２の領域に通し、それにより対応する逓降変換周波数ωｘB２を有する逓降変換光１４９Ｂ－２を生成する。逓降変換光１４９Ｂ－２が選択された非線形加算結晶１５５Ｂ－２において第五高調波光１３９Ｂと足し合わされると、可変レーザアセンブリ１００は第２のユーザ選択出力波長ωＯＵＴＢ２を有するＤＵＶ出力光１５９Ｂ－２を生成する。最後に図７Ｃに図示するように、第３の期間Ｔ３中に（例えば第３の出力周波数値ＯＦ＝３に応答して）、周波数制御システムは、基本波光部分１１９Ｂ－２を扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂの第３の領域に通し、それにより対応する逓降変換周波数ωｘB３を有する逓降変換光１４９Ｂ－３を生成する。逓降変換光１４９Ｂ－３が選択された非線形加算結晶１５５Ｂ－３において第五高調波光１３９Ｂと足し合わされると、可変レーザアセンブリ１００Ｂは、第３のユーザ選択出力波長ωＯＵＴＢ３を有するＤＵＶ出力光１５９Ｂ－３を生成する。
【0064】
図７Ｄに、例示的な第４の動作状態（例えば第４の出力周波数値ＯＦ＝４に応答する）における可変レーザアセンブリ１００Ｂを図示する。例示的な第４の動作状態は、ＤＵＶ出力周波数ωＯＵＴB３（図７Ｃ）とは比較的小さい量だけ異なるユーザ選択出力周波数に応答して利用し得る。前の例と同様に第４の期間Ｔ４中に、周波数制御システムは、基本波光部分１１９Ｂ－２を扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂの対応する第４の領域に通し、それにより逓降変換周波数ωｘB３とは比較的小さい量だけ異なる対応する逓降変換周波数ωｘB４を有する逓降変換光１４９Ｂ－４を生成する。さらに、周波数制御システムは、選択された非線形加算結晶１５５Ｂ－３の軸と光伝搬方向逓降変換光１４９Ｂ－４との間の角度を変更することにより（すなわち、図７Ｃで達成した位相整合角と比較して）、入力周波数ωｘＢ４および５ω１ならびに出力周波数ωＯＵＴＢ４の間の位相整合を達成するように選択された非線形加算結晶１５５Ｂ－３を角度Δθで回転させる。これらの動作条件の変更により、可変レーザアセンブリ１００Ｂは、第３のユーザ選択出力波長ωＯＵＴＢ３とは比較的小さい量だけ異なる第４のユーザ選択出力波長ωＯＵＴＢ４を有するＤＵＶ出力光１５９Ｂ－４を生成する。いくつかの実施形態では、非線形加算結晶１５５Ｂ－３の温度は最適な位相整合条件を維持するように（例えば、図示しない加熱器により）制御される。好ましい実施形態では、非線形加算結晶１５５Ｂ－３は結晶を回転させ、温度調整を行って位相整合を維持することにより調整してもよい。信号周波数を調整する際に、非線形加算結晶の温度および／または角度の対応する調整を行ってもよい。非線形加算結晶が回転すると、ＤＵＶ出力光１５９Ｂ－４がキャビティを離れる方向が変化する。この変化を補償するために調整可能な下流の光学系（不図示）を設けてもよい。非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３は、反射損失を最小化するために加算光伝搬方向に対してブルースター角近辺で配向された入力面および出力面を有するのが好ましい。小さい角度（±５°等）で加算結晶の配向を調整しても著しい反射損失は生じない。なぜなら、逓降変換信号光と第五高調波光がブルースター角近辺にとどまるからである。
【0065】
扇状ＰＰＮＬＣ１４５Ｂ、回折格子１４７Ｂ－１および１４７Ｂ－２、ならびに非線形加算結晶１５５Ｂ－１～１５５Ｂ－３等の部品の１つ以上を調整すると、再循環する信号光６２７の方向に小さな変位または変化が生じる場合があるので、他のキャビティミラー（またはキャビティに含まれる別の光学補償器、不図示）のうちの１つ以上を、アセンブリの制御システムにより（例えば制御器１６１Ｂまたは１６２Ｂを用いて）選択的に制御し、キャビティ１７０Ｂ内で再循環する信号光６２７の良好な位置合わせを維持してもよい。キャビティ１７０ＢがＣＷキャビティとして構成される場合、既知のキャビティロック技術を用いてミラーまたは他のキャビティ部品のうちの１つを適した制御器（例えば、圧電変圧器またはボイスコイル）により調整し、所望のキャビティ長を達成・維持してもよい。
【0066】
表１（以下に提供）は、３つのＣＬＢＯ結晶を用いてレーザアセンブリ１００Ｂを実装し、１８４．８ｎｍ～１９３．５ｎｍの出力波長範囲を有するレーザ出力光の生成を容易にした実施形態における例示的な波長および位相整合角を示す。この例では、第１のＣＬＢＯ結晶であれば、非線形加算結晶１５５Ｂ－１を実装するのに用いられ、光伝搬方向に対して６８．４°の角度の軸で切断されることになる。非線形加算結晶１５５Ｂ－２を実装する第２のＣＬＢＯ結晶であれば、６１．１°の角度の軸で切断されることになる。非線形加算結晶１５５Ｂ－３を実装する第３のＣＬＢＯ結晶であれば、５４．４°の角度の軸で切断されることになる。表は、２１２．９ｎｍの第五高調波を用い、それぞれのＣＬＢＯ結晶を用いて生成し得る最短および最長のレーザ出力波長の例も含む。それぞれの結晶は、図７Ｄを参照して上記で説明したように公称から±４°未満の範囲にわたって調整し、異なる出力波長に適合する必要があるであろう。入力面と出力面が公称波長でブルースター角になるようにそれぞれの結晶を切断した場合、公称から４°未満回転させて異なる波長に適合させても、反射率、したがってキャビティ損失には小さな増加しか生じないであろう。
【0067】
【表1】
【0068】
本発明の別の態様は、ウェハ、レチクル、もしくはフォトマスクの検査または計測のシステムであり、およそ１８４ｎｍ～およそ２００ｎｍの範囲の出力波長を有する本発明によるレーザのうちの少なくとも１つを組み込む。そのようなシステムの態様を図８、図９、および図１０に示す。
【0069】
このレーザは、図８に示す暗視野検査モードおよび明視野検査モードを用いる検査システムで用いてもよい。この図およびシステムは、Chuangらの米国特許第７，８１７，２６０号明細書に説明されており、完全に記載した場合と同様に参照により本明細書に組み込まれる。図８に垂直入射レーザ照射を組み込む反射屈折撮像システム８００を示す。システム８００の照射ブロックは、レーザ８０１、検査している表面での照射ビームのサイズおよび外形を制御する適合光学系８０２、機構ハウジング８０４内のアパーチャ・ウィンドウ８０３、および垂直入射時に光軸に沿ってレーザを試料８０８の表面に向け直すプリズム８０５を備える。また、プリズム８０５は、試料８０８の表面特徴からの鏡面反射および対物レンズ８０６の光学面からの反射を、光学経路に沿って画像面８０９に向ける。対物レンズ８０６用のレンズは、反射屈折対物レンズ、集束レンズ群、および拡大鏡筒区間８０７の一般的形態で提供してもよい。好ましい実施形態では、レーザ８０１は、上記のレーザのうちの１つにより実装されてもよい。
【0070】
このレーザは、図９Ａおよび図９Ｂに示す斜線照射を用いる暗視野検査システムで用いてもよい。この検査システムは、示すように、軸外のほぼ垂直な集光を含む２つまたは３つの異なる集光システムを有してもよい。この暗視野検査システムは、垂直入射線照射（不図示）も含んでもよい。図９Ａおよび図９Ｂに示したシステムの説明を含むさらなる詳細は、Leongらの米国特許第７，５２５，６４９号明細書に見出し得、完全に記載した場合と同様に参照により本明細書に組み込まれる。
【0071】
図９Ａに、表面検査装置９００を示す。表面検査装置９００は、表面９１１の複数の区域を検査する照射システム９０１および集光システム９１０を備える。図９Ａに示すように、レーザシステム９２０は、ビーム形成光学系９０３に光線９０２を向ける。好ましい実施形態では、レーザシステム９２０は、上記レーザアセンブリのうちの少なくとも１つ（すなわち、レーザアセンブリ１００、１００Ａ、または１００Ｂ）を備える。第１のビーム形成光学系９０３は、レーザシステムからビームを受信するように構成されてもよい。ビームは表面９１１に集束される。
【0072】
ビーム形成光学系９０３は、その主要平面が試料の表面９１１に実質的に平行になるように方向合わせされ、その結果、照射線９０５がビーム形成光学系９０３の焦点面で表面９１１上に形成される。さらに、光線９０２および集束線９０４は非直交の入射角で表面９１１に向けられる。具体的には、光線９０２と集束線９０４は、垂直方向から約１°～約８５°の角度で表面９１１に向けられてもよい。このように、照射線９０５は、実質的に集束線９０４の入射平面内にある。
【0073】
集光システム９１０は、照射線９０５から散乱した光を集光するレンズ９１２と、感光検出器の配列を備える電荷結合素子（ＣＣＤ）９１４等のデバイスにレンズ９１２から出射する光を集束するレンズ９１３を備える。一実施形態では、ＣＣＤ９１４は、線形配列の検出器を備えてもよい。そのような場合、ＣＣＤ９１４内の線形配列の検出器は、照射線９０５と平行に方向合わせされてもよい。別の実施形態では、ＣＣＤ９１４は、長軸が照射線９０５と平行な矩形配列として配置される２次元配列の検出器を備えてもよい。例えばＣＣＤ９１４は、およそ１０００～８０００個の検出器×およそ５０～２５０個の検出器の矩形配列を備えてもよい。一実施形態では、複数の集光システムを含んでもよい。これらの集光システムのそれぞれは、類似の部品を備えるが向きが異なっている。
【0074】
例えば、図９Ｂに、表面検査装置用の集光システム９３１、９３２、および９３３の例示的配列を示す（例えば、照射システム９０１のそれに類似する照射システムは簡略のため示さない）。集光システム９３１の第１の光学系は、試料９１１の表面から第１の方向に散乱した光を集光する。集光システム９３２の第２の光学系は、試料９１１の表面から第２の方向に散乱した光を集光する。集光システム９３３の第３の光学系は、試料９１１の表面から第３の方向に散乱した光を集光する。なお、第１、第２、および第３の経路は、試料９１１の当該表面に対して異なる反射角になっている。試料９１１を支持するプラットフォーム９１２を用いて光学系と試料９１１との間に相対運動を生じさせ、それにより試料９１１の表面全体を走査してもよい。
【0075】
本明細書に説明するレーザは、図１０に示す検査システム１０００等、パターン未形成ウェハ用の検査システムにも用いてよい。そのような検査システムは、これらの図面に示した散乱光に対する斜入射照射および／または垂直入射照射、ならびに大きな集光立体角を組み込んでもよい。照射源１１００は、レーザアセンブリ１００、１００Ａ、または１００Ｂのいずれかを組み込んでＤＵＶ光またはＶＵＶ光を生成し、ウェハ１１２２を所望の角度で照射し、反射光が撮像集光光学系１１０８のシステムにより集光されないようにする。光学系１１０６は、所望の照射パターンを生成するように構成されてもよい。ウェハ１１２２からの散乱光は、無限焦点レンズシステム１１１０に光を向けるように構成される撮像集光光学系１１０８のシステムにより集光されてもよい。一実施形態では、集光レンズマスクシステム１１１２が光を複数のチャネルに分割し、ＴＤＩセンサ１１１８に供給してもよい。一実施形態は、増強器１１１４および／またはセンサ中継器１１１６を備えてもよい。ＴＤＩセンサ１１１８および／または増強器１１１４は、画像処理コンピュータ１１２０に信号を送信するように構成されてもよい。画像処理コンピュータ１１２０は、ウェハ画像および／またはウェハ１１２２の表面の不具合もしくは粒子のリストを生成するように構成されてもよい。図１０の要素のさらなる説明は、Vazhaeparambilらの米国特許第９，８９１，１７７Ｂ２号明細書に見出し得る。パターン未形成ウェハ検査システムのさらなる詳細は、米国特許第６，２０１，６０１号および第６，２７１，９１６号に見出し得る。これらの特許すべてが、完全に記載した場合と同様に参照により本明細書に組み込まれる。
【0076】
本発明を特定の具体的な実施形態に関連して説明したが、本発明の発明上の特徴が別の実施形態にも適用可能であることが当業者には明らかであり、これらの実施形態は本発明の範囲に包含されることが意図される。
【図1】
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【国際調査報告】