JP2007287886A - レーザー装置及びそのレーザー装置を用いた検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換効率を変化させずに、発生させる縦モードの本数を変えられることができるレーザー装置を提供する。
【解決手段】第１の共振器で共振したレーザー光を発振するレーザー発振器１０と、レーザー発振器１０から取り出されたレーザー光の波長を変換するために用いられ、第２の共振器２４で共振したレーザー光を出射する外部共振器型波長変換器２０とを有するレーザー装置１であって、第１の共振器の共振器長が、第２の共振器２４の共振器長の１／１５以下であることを特徴とするレーザー装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー装置及びそのレーザー装置を用いた検査装置に関する。特に、波長変換型レーザーの構成、及びその波長変換型レーザーを用いた検査装置に関する。

半導体の進歩に伴う半導体の微細化と共に、半導体における欠陥検出の要求されるサイズが年々小さくなってきている。そのため、欠陥検出感度を高めるためにも検査光源には短波長化が必要となる。そこで、検査用光源を短波長化するために、波長変換技術を用いることがある。一例としては、基本波１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーを用いて波長変換を行い、第４高調波の波長２６６ｎｍの紫外レーザー光が得られる。

現在、マスク基板表面の欠陥検査には、連続で発振するレーザー（ＣＷレーザー）を用いられる場合がある（例えば非特許文献１）。そこで、ＣＷレーザーにより発振したレーザー光を波長変換することが必要となってきている。半導体の微細化に伴い、検査光源に用いられるレーザー光を集光させ、スポット径を小さくする必要がある。スポット径を小さくするためには、レーザー光の横モードと縦モードとを単一のものを用いるようにするとよいと考えられる。

しかしながら、レーザー光の横モードと縦モードの両方を単一モードにすると、干渉性が非常に高くなり、スペックルとよばれる明暗のまだら模様が発生し、検査装置における画像上のノイズになってしまうという問題点があった。そこで、集光性に関する横モードのみを単一モードにし、縦モードをマルチモードにすることでこの問題点を解決する方法がある。

以上のようなことから、マルチ縦モードを有するレーザー光を波長変換するための波長変換型レーザーが必要となってきている。一般的な波長変換型レーザーは、波長変換結晶が共振器内部に配置された内部波長変換型である（例えば特許文献１）。この内部波長変換型レーザーにおいては、ＣＷレーザーを効率良く波長変換することができる。

しかしながら、縦モードが複数本存在するマルチ縦モードのＣＷレーザー光を効率良く波長変換するには、全ての縦モードにおいて共振器間に定在波が発生するような制約が波長変換器に対して必要となる。これは、シングル縦モードの場合の単純な外部共振器とは異なる。そのため、内部波長変換型のレーザーでマルチ縦モードの基本波を発生させると、外部に取り出される第二高調波には光強度的なビートが発生するなどの問題が生じてしまう（例えば非特許文献２）。

これらのことから、一度発生したマルチ縦モードの基本波レーザーを共振器外部で波長変換を行うのが好ましい。ただし、波長変換結晶中で基本波のパワーを高めるために、外部共振器を適用する必要がある。

ここで、従来の一般的な波長変換型レーザー装置の構成を簡単に説明する。図６に示された従来の波長変換型レーザー装置９００は、レーザー発振器９０１と外部共振器型波長変換器９０２とで構成され、外部共振器型波長変換器９０２はボウタイ型と呼ばれる形状になっている。

レーザー発振器９０１は、レーザー媒質としてＹＡＧ結晶９０３が用いられており、出力鏡９０４と全反射鏡９０５とで共振器が組まれている。外部共振器型波長変換器９０２は、部分透過鏡９０７と、２枚のミラー９０８ａ、９０８ｂ、及びダイクロイックミラー９０９とで構成されている。

レーザー発振器９０１内で発振した基本波のレーザー光は出力鏡９０４から取り出される。このレーザー光は、レンズ９０６を通り外部共振器型波長変換器９０２における部分透過鏡９０７から共振器内部に入射する。ビームが集光される位置にＳＨＧ結晶９１０が配置している。ここで、ＳＨＧとは第２高調波のことであり、ＳＨＧ結晶は、非線形光学結晶、非線形光学素子、波長変換結晶、波長変換素子とも呼ばれる。発生する第２高調波のレーザー光は、ダイクロイックミラー９０９から外部に取り出される。

ところが、マルチ縦モードのレーザー光を効率良く波長変換するには、外部共振器の共振器長を全ての縦モードにおける波長の整数倍に合わせる必要がある。この理由を以下に説明する。共振器で発振する基本波レーザー光の各縦モードの正確な波長は、共振器間で定在波が形成されることを考慮すると、基本波の共振器長Ｌ１を整数で割った値になる。したがって、各モードは定在波の数で区別できる。例えば、ある整数をｍとすると、ｍ、（ｍ＋１）、（ｍ＋２）・・・で区別できる。したがって、各縦モードの正確な波長λ_ｍ、λ_ｍ＋１、λ_ｍ＋２・・・は、Ｌ１／ｍ、Ｌ１／（ｍ＋１）、Ｌ１／（ｍ＋２）・・・で求まる。

外部共振器の共振器長Ｌ２は、これら基本波の各縦モードの波長の整数倍の場合に効率良く各モードが波長変換する。すなわち、Ｌ２は、各縦モードの波長λ_ｍ、λ_ｍ＋１、λ_ｍ＋２・・・の整数倍になる必要があり、Ｌ２／Ｌ１・ｍ、Ｌ２／Ｌ１・（ｍ＋１）、Ｌ２／Ｌ１・（ｍ＋２）・・・が整数になる必要がある。つまり、Ｌ２／Ｌ１の値が整数になれば、ｍの値に依存せずに、Ｌ２は各縦モードの波長の整数倍になる。したがって、Ｌ２がＬ１の整数倍であれば良い。
ＵＳＰ５，６９６，７８０ Journal of Optical Society of America, B, Vol.3, No.9, pp.1175-1180, 1986. Proceedings of SPIE Vol.5256, pp.556-565, 2003.

しかしながら、従来のマルチ縦モードのレーザー光に対する波長変換方法においては、基本波レーザー光の共振器長を変化させたときに、外部共振器の共振器長も変化させる必要が生じ、外部共振器自体を設計しなおさなければならないという問題点がある。これは、スペックルをなくす等の理由のために発生させたい縦モードの本数を変える場合に、基本波レーザー光の縦モード本数を変える場合があるためである。このときに基本波レーザー光の共振器長を変化させる必要がある。

特に従来例として図６に示された波長変換型レーザー装置９００の外部共振器型波長変換器９０２の形状から判るように、その共振器長を簡単に変えることは困難であり、しかも構成するミラー類は全て、あるいは少なくともＳＨＧ結晶９１０の両側のミラーは凹面状になっている必要があるため、共振器長を変える場合、各ミラーの配置位置だけでなく、それら凹面の曲率も変更する必要がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、生じさせる縦モードの本数を簡単に変えられることができる波長変換型レーザーを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係るレーザー装置においては、第１の共振器で共振したレーザー光を発振するレーザー発振器と、当該レーザー発振器から取り出されたレーザー光の波長を変換するために用いられ、第２の共振器で共振したレーザー光を出射する外部共振器型波長変換器とを有するレーザー装置であって、前記第２の共振器の共振器長が、前記第１の共振器の共振器長の１／１５以下であることを特徴とするものである。このレーザー装置においては、第２の共振器の共振器長を第１の共振器の共振器長の１／１５以下にすることによって、生じさせるモードの数を変化させても、波長変換効率を下げることなく波長変換を行うことができる。

本発明の第２の態様に係るレーザー装置においては、上述のレーザー装置であって、前記外部共振器型波長変換器における前記第２の共振器は、２枚の対向するミラーと、前記２枚の対向するミラーの間に位置し、波長変換を行う非線形結晶とを有することを特徴とするものである。本発明の第３の態様に係るレーザー装置においては、第２の態様に係るレーザー装置であって、前記２枚の対向するミラーの一方が、凹面鏡に一部の光を透過させる部分透過膜を設けた第１のミラーであり、前記２枚の対向するミラーの他方が、凹面鏡に波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けた第２のミラーであることを特徴とするものである。このようにすることによって、非常にコンパクトな外部共振器を形成することができる。

本発明の第４の態様に係るレーザー装置においては、第２の態様に係るレーザー装置であって、前記外部共振器型波長変換器は、２枚の半凸型レンズと当該半凸型レンズによって狭持された前記非線形結晶とを有し、前記一方の前記半凸型レンズは、レンズ面に一部の光を透過させる部分透過膜を設け、他方の前記半凸型レンズは、レンズ面に所定の波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けていることを特徴とするものである。このようにすることによって、非常にコンパクトな外部共振器を形成することができ、レーザー装置としても非常に小さくすることが可能である。

本発明の第５の態様に係るレーザー装置においては、第２の態様に係るレーザー装置であって、前記外部共振器型波長変換器は、前記非線形結晶を有し、前記非線形結晶は、対向する二端面が凸型の形状をしており、前記凸型の形状をした二端面の一方の端面上に、一部の光を透過させる部分透過膜を設け、他方の端面上に波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けていることを特徴とするものである。このようにすることによって、非常にコンパクトな外部共振器を形成することができる。また、非線形結晶に膜を設けた外部共振器であるために、他のレンズやミラー等を必要とせずコストを抑えることができる。

本発明の第６の態様に係るレーザー装置においては、第２の態様に係るレーザー装置であって、前記外部共振器波長変換器は、前記非線形結晶と前記非線形結晶の端面に当接されたレンズとを有し、前記非線形結晶におけるレーザー光の入射面と出射面は、前記レンズが当接された端面に対して鋭角であり、前記入射面上に一部の光を透過させる部分透過膜を設け、出射面上に波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けており、前記レンズのレンズ面には、光を全反射する反射膜を設けていることを特徴とするものである。このようにすることによって、入射側にレーザー光が反射することをなくすことができる。

本発明の第７の態様に係るレーザー装置においては、上述のレーザー装置であって、前記レーザー発振器は、ＹＡＧレーザーであり、前記レーザー発振器の共振器長が０．３ｍ以上であることを特徴とするものである。

本発明の第８の態様に係る検査装置においては、上述のレーザー装置を光源として用いた検査装置である。この検査装置を用いることによって、スペックルノイズをなくすことができるので、高感度の欠陥検出を行うことができる。

本発明に係るレーザー装置及びそのレーザー装置を用いたマスク検査装置によれば、外部共振器の共振器長を基本波のレーザー発振器の共振器長の１／１５以下にすることによって、波長変換効率を落とさずに縦モードの本数を変化させることができる。また、縦モードをマルチモードとして波長変換することができるために、集光することによってスポット径を小さくしても、検査装置において欠陥検出感度に悪影響を及ぼすスペックルが生じることがない光源を提供することができる。

実施の形態１．
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、レーザー装置及びそのレーザー装置を用いたマスク検査装置に適用したものである。本実施の形態に係るレーザー装置においては、レーザー発振器とその外部に設けられた共振器型波長変換器を備え、その共振器型波長変換器内に設けられた共振器の共振器長をレーザー発振器の共振器長の１／１５以下にしている。

このことから、レーザー発振器の共振器長を変えることで、波長変換効率を落とさずに、波長変換されるレーザー光の縦モードの本数を自由に変えることが可能なマルチ縦モードのレーザー装置を提供できる。また、本実施の形態におけるレーザー装置においては、波長変換器内に設けられた共振器長を短くすることができるため、レーザー装置をコンパクトにすることが可能である。本実施の形態においては、レーザー発振器としてＹＡＧレーザーを例として説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に、本実施の形態に係るレーザー装置１の概略構成図を示す。レーザー装置１は、レーザー発振器１０と外部共振器型波長変換器２０とを有している。図１においては、レーザー発振器１０から外部共振器型波長変換器２０に光を入射するためにミラー３０を用いているものを示している。

また、レーザー発振器１０は、レーザー光源であるＬＤ１１、光ファイバ１２、コリメートレンズ１３、穴付き反射鏡１４、ＹＡＧ結晶１５、出力鏡１６、全反射鏡１７、及び１／４波長板１８を有している。ＬＤ１１は、ＹＡＧ結晶１５の励起光源として、例えば波長８０８ｎｍの半導体レーザーが用いられている。

ＬＤ１１から発振された波長８０８ｎｍのレーザー光は、光ファイバ１２中を通過する。光ファイバ１２から出射された光は、コリメートレンズ１３によって集光されながら進み、穴付き反射鏡によって反射してＹＡＧ結晶１５の端面に集光して入射される。これによって、出力鏡１６と全反射鏡１７とによる共振器中に基本波１０６４ｎｍのレーザー光が発生する。共振器中に配置されている１／４波長板１８は、ＹＡＧ結晶１５の熱による偏光の乱れを補正するためのものである。

出力鏡１６から取り出された基本波のレーザー光は、ミラー３０で反射する。ミラー３０で反射した光は、外部共振器型波長変換器２０に入射される。外部共振器型波長変換器２０に入射されたレーザー光は、偏光ビームスプリッタ２１で反射する。偏光ビームスプリッタ２１で反射したレーザー光は、入射されたレーザー光の偏光方向を４５度回転させることができるローテーター２２を通過し、レンズ２３を通って絞られながら進む。そして、部分透過鏡２４２とダイクロイックミラー２４３とで構成されている外部共振器２４内に配置されたＳＨＧ結晶２４１内で集光する。

部分透過鏡２４２は、基本波の波長１０６４ｎｍに対して約８０％の反射率を有し、ダイクロイックミラー２４３は、基本波１０６４ｎｍに対して９９％以上の反射率を有している。ダイクロイックミラー２４３には、ＰＺＴ（ピエゾ）素子２４４が設けられており、ダイクロイックミラー２４３の光軸方向位置を数ナノメートルの精度で微調整できるようになっている。

一方、外部共振器２４内に入った基本波のレーザー光が部分透過鏡２４２からレンズ２３の方向に戻されると、再びローテーター２２を通過するため偏光方向がさらに４５度回転し、ミラー３０から入射されたレーザー光の偏光方向から９０度回転した偏光方向を有するレーザー光となる。そのため、偏光ビームスプリッタ２１を透過して、光検出器２５に入射される。

また、光検出器２５で計測されるレーザーパワーを最小にするように、ＰＺＴ素子２４４に信号２６を送ってダイクロイックミラー２４３の光軸方向の位置を微調整する。これによって、外部共振器２４内で基本波のレーザー光が定在波を形成するようになる。

また、部分透過鏡２４２は波長５３２ｎｍに対して９９％以上の高い反射率になっており、また、ダイクロイックミラー２４３は波長５３２ｎｍに対して９９％以上の高い透過率になっている。その結果、ＳＨＧ結晶２４１中で発生した第２高調波は外部共振器２４から外部に取り出される。

本実施の形態に係るレーザー装置１においては、外部共振器型波長変換器２０内の部分透過鏡２４２とダイクロイックミラー２４３とで構成されている外部共振器２４の共振器長が、レーザー発振器１０内の出力鏡１６と全反射鏡１７で構成される共振器の共振器長の１／１５以下となっている。その理由について以下に説明する。

まず、レーザー発振器１０内の共振器の共振器長はＬ１とし、外部共振器型波長変換器２０内における共振器の共振器長はＬ２とする。基本波の各縦モードに対して、それらの第２高調波が共振する条件は、ある整数ｍに用いてＬ２＝ｍ・Ｌ１で表される。以下にその理由を説明する。まず、モードｍ、ｍ＋１、ｍ＋２におけるレーザー光の波長は、
λ_ｍ＝Ｌ１／ｍ、λ_ｍ＋１＝Ｌ１／（ｍ＋１）、λ_ｍ＋２＝Ｌ１／（ｍ＋２）
となる。

また、Ｌ２の条件は、Ｌ２／λ_ｍ、Ｌ２／λ_ｍ＋１、及びＬ２／λ_ｍ＋２が整数となればよい。どのようなｍに対しても上述のＬ２の条件にあてはまるためには、Ｌ２はＬ１の整数倍となる必要がある。ただし、Ｌ２をＬ１の整数倍に合わせるだけではなく、波長レベルの微調整が必要である。外部共振器の共振器長Ｌ２が、これに入射する基本波レーザー光の波長λの半分の整数倍からずれる場合、そのずれをΔＬ（ただし絶対値とする。）とすると、ΔＬをλで割った値は０から１までの値になる。

ここで、外部共振器の共振器長Ｌ２が、これに入射する基本波レーザー光の波長λの半分の整数倍からずれる場合、そのずれをΔＬとする。ある縦モードｍに対して、共振器長Ｌ２の定在波からのずれΔＬ_ｍは、
ΔＬ_ｍ＝Ｌ２−ＩＮＴ（Ｌ２／λ_ｍ）・λ_ｍ
と表され、このΔＬｍが０となるように共振器長Ｌ２を微調整する。このときの縦モードｍにおいては、Ｌ２＝ｎ・λ_ｍ（ｎ：整数）の関係が成り立つ。

このときに縦モードｍ＋１における定在波からのずれΔＬ_ｍ＋１は、
ΔＬ_ｍ＋１＝Ｌ２−ＩＮＴ（Ｌ２／λ_ｍ＋１）・λ_ｍ＋１
＝Ｌ２−[ｎ＋ＩＮＴ（ｎ／ｍ）]・λ_ｍ＋１
＝[Ｌ２／Ｌ１−ＩＮＴ（ｎ／ｍ）]・λ_ｍ＋１
となる。ここで、ＩＮＴは整数化の関数であり、ＩＮＴのあとの括弧内の数字の小数点以下の数を切り捨てにして整数にする関数である。すなわち、Ｌ２／Ｌ１−ＩＮＴ（ｎ／ｍ）は、Ｌ２／Ｌ１の小数点以下の部分の数を表している。このＬ２／Ｌ１の小数点以下の部分の数が、縦モードｍ＋１において、共振器長Ｌ２の端面における定在波からのずれの波長λｍ＋１に対する割合になる。

また、外部共振器２４の共振器長に対する要求精度は、共振器における干渉縞の鮮鋭さを示すフィネスＦを用いて表される。すなわち、上述の式におけるＬ２／Ｌ１の小数点以下の部分の数が１／Ｆよりも小さければこの共振器において、その縦モードのレーザー光を発振することができる。これは、共振器においてレーザー光が発振される波長において許容される幅を有しており、そのピーク幅をモード間の波長幅で割ったものがフィネスとなっているからである。すなわち、外部共振器２４の共振器長は、レーザー発振器１０内の共振器の共振器長Ｌ１の整数倍に共振器長Ｌ１の１／Ｆだけ誤差を有しても外部共振器２４によって、２倍波を共振させることができる。

さらに、外部共振器型波長変換器２０内の外部共振器２４において、基本波が最初に入射するハーフミラーにおいて、基本波に対して８０％以上の反射率を有し、それ以外のミラーでは、基本波を全反射させるミラーが用いられる。その結果、外部共振器における基本波に対するフィネスは１４以上になる。

そこで、本実施の形態に係るレーザー装置１においては、外部共振器２４の共振器長Ｌ２をレーザー発振器１０の共振器の共振器長の１／１５以下としている。これは、外部共振器２４の共振器長Ｌ２は上述の許容されるずれの分の長さにしている。すなわち、外部共振器２４の共振器長Ｌ２が許容される範囲は、レーザー発振器１０内の共振器の共振器長Ｌ１の整数倍から共振器長Ｌ１の１／Ｆ増減した値内の範囲であるために、本実施の形態に係るレーザー装置１における外部共振器２４の共振器長Ｌ２は、レーザー発振器１０内の共振器の共振器長Ｌ１の０倍に共振器長Ｌ１の１／Ｆ加算した値としている。そのため、本実施の形態に係るレーザー装置１における外部共振器２４の共振器長Ｌ２を、レーザー発振器１０の共振器の共振器長の１／１５以下としている。

このような構成のレーザー装置１を用いることによって、外部共振器型波長変換器２０内の共振器長Ｌ２がレーザー発振器１０の共振器長Ｌ１に依存しないために、発生させたい縦モードを増減させたとしても外部共振器型波長変換器２０内の共振器長Ｌ２を変化させる必要がなくなる。

上述のことを図２で説明する。図２においては、レーザー発振器１０の共振器長Ｌ１を１ｍとして、Ｌ２の長さに対する縦モードｍとｍ＋１の波の位相を示している。外部共振器の共振器長Ｌ２が、これに入射する基本波レーザー光の波長λの半分の整数倍からずれる場合、そのずれをΔＬ（ただし絶対値とする。）とすると、ΔＬをλで割った値がそれぞれの波の位相となり、０から１までの値になる。この位相が０か１の近傍に存在しているときのＬ２の長さであればその縦モードが共振しうると考えられる。そのため、Ｌ２を微調整することによって、縦モードｍとｍ＋１両方の波の位相が０か１の近傍に存在させることできれば、その両方の波を共振させることができる。図２においては、その０か１の近傍を斜線のハッチで示している。

図２（ａ）はＬ２＝１００ｃｍ近傍のときの図である。レーザー発振器１０の共振器長Ｌ１と略同じ共振器長Ｌ２を外部共振器２４が有していれば、縦モードｍとｍ＋１の波は略同位相を有する。そのため、縦モードｍの波の位相が斜線のハッチの位置にある長さに外部共振器２４の共振器長Ｌ２をすることによって、隣接するモードの波を共振させることができる外部共振器２４を形成することができる。

図２（ｂ）はＬ２＝５０ｃｍ近傍のときの図である。この場合においては、縦モードｍとｍ＋１の波の位相は逆位相となってしまい、隣接するモードにおいて共振することができない。そのため、外部共振器の共振器長Ｌ２を０．５ｍ近傍にすることはできないことになる。

図２（ｃ）はＬ２＝１０１ｃｍ近傍のときの図である。この場合においては、縦モードｍとｍ＋１の波の位相はずれを生じている。しかしながら、このずれを有している場合においても、モードｍとｍ＋１の波の位相が斜線のハッチの位置内に入る長さを外部共振器の共振器長とすることができる。つまり、複数の縦モードを含むことができる外部共振器２４を形成できることになる。

以上のことから、レーザー発振器１０の共振器長Ｌ１の整数倍に小さいずれを生じさせたとしても複数の縦モードを共振させることができる外部共振器２４を形成することができる。複数の縦モードを共振させることができるような小さいずれは、１／Ｆの程度であり、そのため、本実施の形態に係るレーザー装置１においては、外部共振器２４の共振器長をレーザー発振器１０の共振器長Ｌ１の１／Ｆとしている。一般的に用いられる外部共振器内のミラーの反射率が８０％程度であることから、本実施の形態に係る外部共振器２４の共振器長Ｌ２をレーザー発振器１０の共振器長Ｌ１の１／１５以下としている。

ここで、レーザー発振器１０の共振器長Ｌ１を例として１ｍとする。ＹＡＧレーザーの基本波１０６４．１４ｎｍ周辺の縦モード間隔Δλは
Δλ≒λ^２／２・Ｌ１≒０．５６６ｐｍ
となる。ＹＡＧレーザーのゲイン幅は約０．０１ｎｍであることから、１７本の縦モードが同時に発振できることになる。

一方、外部共振器２４の共振器長Ｌ２を４ｍｍとする。その結果、Ｌ２／Ｌ１＝２５０である。つまり、外部共振器２４が、あるモードｍにおいて定在波が形成される場合、隣り合う縦モードｍ＋１が定在波からずれる割合はΔＬ_ｍ＋１／λ_ｍ＋１＝１／２５０となる。その結果、１７個離れた縦モードに対しては、定在波からずれる割合は、ΔＬ_ｍ＋１６／λ_ｍ＋１６＝１６／２５０〜１／１６となる。したがって、１７個離れた縦モードの光におけるずれ量が１／１５以下になるため、この１７本の縦モード全てを効率良く波長変換することができる。

なお、本実施の形態に係るレーザー装置１は、ＹＡＧレーザーの第２高調波を発生させるものとして説明しているが、さらに外部共振器型波長変換器を追加して、第４高調波を発生させるように構成する場合も、その第４高調波用の外部共振器の共振器長も前記同様にすれば、第２高調波の各縦モードを全て効率良く波長変換できる。このように、ＹＡＧレーザーの第２高調波を発生させることに本発明は限定させるものではない。

次に、レーザー装置１における外部共振器２４に関して、同様に短い共振器を実現できる他の外部共振器の構造例を図３に示す。図３（ａ）は、図１に示されたレーザー装置１における外部共振器２４と同様の標準的な外部共振器４０になっている。構造は、ＳＨＧ結晶４１の両側に一対の凹面鏡４２ａ、４２ｂを配置したものである。また、部分透過膜４３とダイクロイック膜４４とが凹面鏡４２ａ、４２ｂの内側にコーティングされている。すなわち、部分透過膜４３がコーティングされた面から基本波のレーザー光が入射し、ダイクロイック膜４４がコーティングされた面から、第２高調波のレーザー光が出射する構造になっている。ただし、ＳＨＧ結晶４１の両端面には基本波と第２高調波との両方に対する反射防止コーティング（ＡＲコート）を施す必要がある。

図３（ｂ）に示されている外部共振器５０は、半凸型レンズ５２ａ、５２ｂがＳＨＧ結晶５１の端面にオプティカルコンタクトによって密着している。半凸型レンズ５２ａ、５２ｂのＳＨＧ結晶５１と密着している面と対向する面には、部分透過膜５３とダイクロイック膜５４とが表面にコーティングされている。部分透過膜５３側から基本波のレーザー光が入射し、ダイクロイック膜５４側から第２高調波のレーザー光が出射する構造である。この構造の特長は、図３（ａ）に示した外部共振器４０とは異なり、ＳＨＧ結晶５１の両端面にダメージが生じやすいＡＲコートを施す必要がないことである。

図３（ｃ）に示されている外部共振器６０は、ＳＨＧ結晶６１に部分透過膜６２とダイクロイック膜６３とを設けているものである。ＳＨＧ結晶６１の両端面は凸面形状をしている。それらの表面に部分透過膜６２とダイクロイック膜６３とをコーティングしている。部分透過膜６２側から基本波のレーザー光が入射し、ダイクロイック膜６３側から第２高調波のレーザー光が出射する構造である。

この構造の特長としては、共振器長を特に短くできることである。ただし、共振器長の制御に関しては、ＳＨＧ結晶６１自体が伸縮できないため、設置角度（水平方向や垂直方向の向き）を微妙に変化させることで共振させることができる。あるいは、屈折率が温度依存性を有することから、ＳＨＧ結晶６１の温度をコントロールすることでも共振の制御が可能である。

図３（ｄ）に示された外部共振器７０は、ＳＨＧ結晶７１中でレーザー光の光路が三角形のようにループを形成するような構造になっている。ＳＨＧ結晶７１の端面は、レーザー光の光路が三角形になるようにレーザー光を屈折するような面となっている。部分透過膜７２とダイクロイック膜７３とはＳＨＧ結晶７１の端面に設けられており、どちらも平面になっている。また、レンズ７４をＳＨＧ結晶７１の部分透過膜７２とダイクロイック膜７３とが設けられた端面と異なる端面に密着させている。このレンズ７４の外側面は凸面鏡となっており、反射膜７５がコーティングされている。このレンズ７４が密着された端面と、部分透過膜７２とダイクロイック膜７３が設けられた端面とは、鋭角になっている。

このことによって、ＳＨＧ結晶７１に入射された基本波のレーザー光は、部分透過膜
７２とダイクロイック膜７３とで共振器を形成し、第２高調波が発生する。このときのレーザー光の光路は、部分透過膜７２からレンズ７４を通過し反射膜７５で反射してから、ダイクロイック膜７３に到達する。この構造の特長は、ＳＨＧ結晶７１中でのレーザー光路をループ状にすることで、ＳＨＧ結晶７１中から再び外部に戻される基本波のレーザー光が、正反対方向、すなわち基本波のレーザー発振器の方向に戻されることがない。

以上のことから、本実施の形態に係るレーザー装置においては、レーザー発振器の共振器長を変えたり、使用する縦モードの数を増減させたとしても、波長変換効率を落とさずに外部共振器の共振器長を変化させずに波長変換することができる。また、本実施の形態におけるレーザー装置においては、外部共振器内に設けられた共振器長を短くすることができるため、レーザー装置をコンパクトにすることが可能である。さらに、本実施の形態に係るレーザー装置では、任意の本数の縦モードで短波長のレーザー光を発生できるため、微小スポットに集光する必要がありかつ干渉を抑制したい応用分野に最適である。したがって、本発明のマスク検査装置のように微細な欠陥を検出する装置だけでなく、光記録にも適用できる。

実施の形態２．
第２の実施の形態においては、レーザー発振器をアルゴンイオンレーザーとし、アルゴンイオンレーザーの第２高調波の発生をするレーザー装置を説明する。アルゴンイオンレーザーにおいて、広く知られているようにグリーン領域に多数の発振ラインを有するが、各発振ライン、例えば、波長５１４．５ｎｍのラインのみに関しても、数本から十数本の縦モードで同時に発振する。これらの複数の縦モードの光を同時に波長変換することができるレーザー装置に関してである。構成要素や動作原理で実施の形態１と同様のものは省略する。

本実施の形態に係るレーザー装置１００の構成図を図４に示す。本実施の形態に係るレーザー装置１００は、アルゴンイオンレーザー１１０を有している。アルゴンイオンレーザー１１０は、両端にブリュースターウインド１１２ａ、１１２ｂが取り付けられたレーザー管１１１と出力鏡１１３と全反射鏡１１４とを有している。レーザー管１１２の内部にはアルゴンガスが封入されている。レーザー管１１２を放電することでレーザー発振する。このレーザー発振においては、波長５１４．５ｎｍのレーザー光が発生し、出力鏡１１３と全反射鏡１１４との間で共振している。

出力鏡１１３から取り出されたレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１２１とローテーター１２２を透過する。ローテーター１２２を通過した光は、レンズ１２３を通って絞られながら進む。レンズ１２３によって絞られた光は、外部共振器１３０に入射する。

外部共振器１３０は、ＳＨＧ結晶１３１と部分透過膜１３２とダイクロイック膜１３３とを有している。ＳＨＧ結晶１３１は、図２（ｃ）に示したＳＨＧ結晶６１と同様に、両端部凸面形状をしている。また、ＳＨＧ結晶１３１の端面には部分透過膜１３２とダイクロイック膜１３３が直接コーティングされている。

外部共振器１３０内で発生する第２高調波はダイクロイック膜１３３から取り出される。外部共振器内で未変換の基本波は、部分透過膜１３２側とダイクロイック膜１３３側とに出射される。部分透過膜１３２側に出射された光は、レンズ１２３とローテーター１２２とを逆方向に進み、偏光ビームスプリッタ１２１で反射して光検出器１４０で受光される。

一方、レーザー装置１００では、出力鏡１１３にＰＺＴ素子１１５が取り付けられている。このＰＺＴ素子１１５は、光検出器１４０で受光される光量が最小になるように、出力鏡１１３の位置を微調整している。すなわち、ＳＨＧ結晶１３１の共振器長を微調整できないことから、基本波の共振器長を微調整している。それによって、発生する基本波のレーザー光の波長を微調整して、外部共振器内で第２高調波が共振するようになっている。

本実施の形態に係るレーザー装置１００は、第２高調波の共振器長を微調整する必要が無いため外部共振器長を極端に短くできる。また、共振させる反射膜１３２、１３３が直接コーティングされたＳＨＧ結晶１３１が利用できるようになった。

以上のことから、本実施の形態に係るレーザー装置においては、レーザー発振器の共振器長を変えたり、使用する縦モードの数を増減させたとしても、波長変換効率を落とさずに外部共振器の共振器長を変化させずに波長変換することができる。また、本実施の形態におけるレーザー装置においては、外部共振器内に設けられた共振器長を短くすることができるため、レーザー装置をコンパクトにすることが可能である。

実施の形態３．
実施の形態１.及び実施の形態２．では、レーザー装置について説明したが、本実施の形態においては、この実施の形態１．及び実施の形態２．のレーザー装置を用いた検査装置について説明する。構成要素や動作原理で実施の形態１．及び実施の形態２．と同様のものは省略する。

本実施の形態に係る検査装置２００の概略構造図を図５に示す。検査装置２００では、図１に示されたレーザー装置１と、さらに設けた外部共振器を用いたレーザー装置を光源として用いている。すなわち、第４高調波を発生させたレーザー装置を光源２１０としている。したがって、多数の縦モードを含んだ波長２６６ｎｍである紫外域のレーザー光が得られ、これを光源に用いている。

検査装置２００は、光源２１０と検査部２２０とを有している。光源２１０から検査部２２０に入射された紫外レーザー光における横モードはシングルモードになっている。この紫外レーザー光は、検査部２２０内の偏光ビームスプリッタ２２１で反射するような偏光方向で入射される。

この紫外レーザー光は、偏光ビームスプリッタ２２１で反射し、ポリゴンミラー２２２で反射される。ポリゴンミラー２２２で反射したレーザー光は、リレーレンズ２２３を通過し、１／４波長板２２４を通過する。１／４波長板２２４を通過したレーザー光は、対物レンズ２２５に入射され、マスク基板２３０上で集光される。

マスク基板２３０で反射したレーザー光は、対物レンズ２２５、１／４波長板２２４、リレーレンズ２２３、及びポリゴンミラー２２２の順に通過し、偏光ビームスプリッタ２２１に入射する。この偏光ビームスプリッタ２２１に入射した光は、１／４波長板２２４を２回通過しているため、偏光方向が９０度回転した状態になっている。そのため、偏光ビームスプリッタ２２１において透過することになる。この偏光ビームスプリッタ２２１を透過したレーザー光は、投影レンズ２２６を通って光検出器２２７に入射される。

マスク基板２３０上に欠陥が存在するとその欠陥に集光されたレーザー光の反射光の強度変化が生じ、光検出器２２７で識別される。つまりマスク基板２３０上に小さなスポットで集光できる必要がある。そのため、用いられる紫外レーザー光は、集光性能が高いシングル横モードになっている。ところが、縦モードに関してもシングルであるならば、非常に干渉性が高くなることから、マスク基板２３０上に欠陥が存在しない場合でも、反射光の強度に変化が生じることがある。したがって、出来る限り干渉性の低いレーザー光を用いる必要がある。

そこで本実施の形態に係る検査装置２００では、光源に本発明のレーザー装置を用いていることから、多数の縦モードを含んだシングル横モードのレーザー光をもちいることができる。そのため、マスク基板上に小さなスポットで集光でき、しかも干渉性が低く、擬似欠陥の発生確率を大幅に低下することが可能になる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、基本波レーザーに波長４０５ｎｍの紫外域の半導体レーザー（ＵＶ−ＬＤ）を用いた場合に、その第２高調波によって波長２０２．５ｎｍの紫外光が得られる。このとき、外部共振器によって多数の縦モードで発振できるようにすれば、コンパクトなマルチ縦モードの紫外光源が実現できる。

実施の形態１に係るレーザー装置の構成図である。 マルチ縦モードＳＨＧ外部共振器の共振器長に対する定在波からのずれを示す図である。 実施の形態１で用いられる外部共振器の構造例図である。 実施の形態２に係るレーザー装置の構成図である。 実施の形態３に係るマスク検査装置の構成図である。 従来の波長変換型レーザー装置の構成図である。

符号の説明

１ レーザー装置
１０ レーザー発振器 １１ ＬＤ １２ 光ファイバ １３ コリメートレンズ
１４ 反射鏡 １５ ＹＡＧ結晶 １６ 出力鏡 １７ 全反射鏡 １８ １／４波長板
２０ 外部共振器型波長変換器 ２１ 偏光ビームスプリッタ ２２ ローテーター
２３ レンズ
２４ 外部共振器 ２４１ ＳＨＧ結晶 ２４２ 部分透過鏡
２４３ ダイクロイックミラー ２４４ ＰＺＴ素子
２５ 光検出器 ２６ 信号３０ ミラー
４０ 外部共振器 ４１ ＳＨＧ結晶 ４２ 凹面鏡 ４３ 部分透過膜
４４ ダイクロイック膜
５０ 外部共振器 ５１ ＳＨＧ結晶 ５２ 半凸型レンズ ５３ 部分透過膜
５４ ダイクロイック膜
６０ 外部共振器 ６１ ＳＨＧ結晶 ６２ 部分透過膜 ６３ ダイクロイック膜
７０ 外部共振器 ７１ ＳＨＧ結晶 ７２ 部分透過膜 ７３ ダイクロイック膜
７４ レンズ ７５ 反射膜
１００ レーザー装置 １１０ アルゴンイオンレーザー
１１１ レーザー管 １１２ ブリュースターウインド １１３ 出力鏡
１１４ 全反射鏡 １１５ ＰＺＴ素子 １２１ 偏光ビームスプリッタ
１２２ ローテーター １２３ レンズ １３０ 外部共振器 １３１ ＳＨＧ結晶
１３２ 部分透過膜 １３３ ダイクロイック膜 １４０ 光検出器
２００ 検査装置 ２１０ 光源 ２２０ 検査部
２２１ 偏光ビームスプリッタ ２２２ ポリゴンミラー ２２３ リレーレンズ
２２４ １／４波長板 ２２５ 対物レンズ ２２７ 投影レンズ ２２８ 光検出器
２３０ マスク基板
９００ 波長変換型レーザー装置 ９０１ レーザー発振器
９０２ 外部共振器型波長変換器
９０３ ＹＡＧ結晶 ９０４ 出力鏡 ９０５ 全反射鏡 ９０６ レンズ
９０７ 部分透過鏡 ９０８ ミラー ９０９ ダイクロイックミラー
９１０ ＳＨＧ結晶

Claims (8)

1. 第１の共振器で共振したレーザー光を発振するレーザー発振器と、
   当該レーザー発振器から取り出されたレーザー光の波長を変換するために用いられ、第２の共振器で共振したレーザー光を出射する外部共振器型波長変換器とを有するレーザー装置であって、
   前記第２の共振器の共振器長が、前記第１の共振器の共振器長の１／１５以下であることを特徴とするレーザー装置。
2. 前記外部共振器型波長変換器における前記第２の共振器は、２枚の対向するミラーと、前記２枚の対向するミラーの間に位置し、波長変換を行う非線形結晶とを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
3. 前記２枚の対向するミラーの一方が、凹面鏡に一部の光を透過させる部分透過膜を設けた第１のミラーであり、
   前記２枚の対向するミラーの他方が、凹面鏡に波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けた第２のミラーであることを特徴とする請求項２に記載のレーザー装置。
4. 前記外部共振器型波長変換器は、２枚の半凸型レンズと当該半凸型レンズによって狭持された前記非線形結晶とを有し、
   前記一方の前記半凸型レンズは、レンズ面に一部の光を透過させる部分透過膜を設け、
   他方の前記半凸型レンズは、レンズ面に所定の波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けていることを特徴とする請求項２に記載のレーザー装置。
5. 前記外部共振器型波長変換器は、前記非線形結晶を有し、
   前記非線形結晶は、対向する二端面が凸型の形状をしており、前記凸型の形状をした二端面の一方の端面上に、一部の光を透過させる部分透過膜を設け、他方の端面上に波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けていることを特徴とする請求項２に記載のレーザー装置。
6. 前記外部共振器波長変換器は、前記非線形結晶と前記非線形結晶の端面に当接されたレンズとを有し、
   前記非線形結晶におけるレーザー光の入射面と出射面は、前記レンズが当接された端面に対して鋭角であり、前記入射面上に一部の光を透過させる部分透過膜を設け、出射面上に波長に応じて反射率の異なるダイクロイック膜を設けており、
   前記レンズのレンズ面には、光を全反射する反射膜を設けていることを特徴とする請求項２に記載のレーザー装置。
7. 前記レーザー発振器は、ＹＡＧレーザーであり、前記レーザー発振器の共振器長が０．３ｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーザー装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザー装置を光源に用いた検査装置。

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