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技術 ビーム走査装置および描画装置

出願人 株式会社ニコン
発明者 加藤正紀中山修一
出願日 2017年4月25日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2018-515430
公開日 2019年3月7日 (2ヶ月経過) 公開番号 WO2017-191777
状態 未査定
技術分野 機械的光走査系
主要キーワード 置土台 テンション調整ローラ 収斂後 傾き角β 回転角度位相 金属性薄膜 相対偏差 微小シフト
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年3月7日)のものです。
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図面 (20)

課題・解決手段

ビーム(LBn)を基板(P)上で1次元走査するビーム走査装置である走査ユニット(Un)は、一方向にパワーを有する第1シリンドリカルレンズ(CY1)と、第1シリンドリカルレンズ(CY1)を透過したビーム(LBn)を1次元の走査のために偏向するポリゴンミラー(PM)と、テレセントリックな状態で偏向されたビーム(LBn)を基板(P)に投射するfθレンズ系(FT)と、fθレンズ系(FT)を透過したビーム(LBn)を入射し、一方向にパワーを有する第2シリンドリカルレンズ(CY2)とを備え、第1シリンドリカルレンズ(CY1)と第2シリンドリカルレンズ(CY2)とは互いに直交する方向にパワーを有し、第1シリンドリカルレンズ(CY1)とポリゴンミラー(PM)との間に設けられたレンズ系(G10)をさらに備える。

概要

背景

fθレンズ系とポリゴンミラー回転多面鏡)を用いることで、感材上に投射されたビーム等速走査できることが知られている。一般的なポリゴンミラーの各反射面は、ポリゴンミラーの回転面(回転方向を含む平面)と直交する方向と平行に形成されるが、実際の反射面は、ポリゴンミラーの回転面と直交する方向に対して僅かに傾斜するような誤差、いわゆる面倒れ(傾斜)誤差を伴っている。この誤差は、反射面毎に異なるため、fθレンズ系によって感材上に結像するスポット光の像位置(ビームの投射位置)が反射面毎にずれてしまう。

その投射位置のずれを防ぐために、下記特開平8−297255号公報では、ポリゴンミラーの手前とfθレンズ系の後との2ヶ所に、ポリゴンミラーの偏向方向(走査方向、ポリゴンミラーの回転方向)に対して直交した方向にのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズを配置している。つまり、母線がビームの走査方向と平行となるような2つのシリンドリカルレンズを配置している。これにより、ビームの走査方向(主走査方向)と直交した方向(副走査方向)に関しては、ポリゴンミラーの反射面上と感材の被照射面とを共役関係にすることができ、ポリゴンミラーの反射面毎に面倒れ誤差がばらついても、ビームの感材上での投射位置を副走査方向においては一定にすることができる。

しかしながら、特開平8−297255号公報のように、ポリゴンミラーの手前に配置する第1シリンドリカルレンズと、fθレンズ系(複数枚球面レンズで構成される)の後に配置する第2シリンドリカルレンズとの各々を単レンズで構成し、第1シリンドリカルレンズの母線と第2シリンドリカルレンズの母線とを平行にする場合、シリンドリカルレンズによって発生する収差(例えばビームの球面収差)を良好に低減するための光学設計(収差補正)が難しいと言った問題があった。

概要

ビーム(LBn)を基板(P)上で1次元に走査するビーム走査装置である走査ユニット(Un)は、一方向にパワーを有する第1シリンドリカルレンズ(CY1)と、第1シリンドリカルレンズ(CY1)を透過したビーム(LBn)を1次元の走査のために偏向するポリゴンミラー(PM)と、テレセントリックな状態で偏向されたビーム(LBn)を基板(P)に投射するfθレンズ系(FT)と、fθレンズ系(FT)を透過したビーム(LBn)を入射し、一方向にパワーを有する第2シリンドリカルレンズ(CY2)とを備え、第1シリンドリカルレンズ(CY1)と第2シリンドリカルレンズ(CY2)とは互いに直交する方向にパワーを有し、第1シリンドリカルレンズ(CY1)とポリゴンミラー(PM)との間に設けられたレンズ系(G10)をさらに備える。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

光源装置からのビーム被照射体投射しつつ、前記ビームを前記被照射体上で1次元走査するビーム走査装置であって、前記ビームを前記1次元の方向に対応した第1の方向に集光する第1光学部材と、前記第1光学部材を通った前記ビームを入射し、前記1次元の走査のために前記ビームを前記第1の方向に偏向するビーム偏向部材と、前記ビーム偏向部材によって偏向された前記ビームを入射し、前記被照射体に向けて投射する走査用光学系と、前記走査用光学系を通った前記ビームを入射し、前記第1の方向と直交する第2の方向に前記ビームを集光する第2光学部材と、前記第1光学部材と前記ビーム偏向部材との間に設けられ、前記第1光学部材を通った前記ビームを前記ビーム偏向部材の位置で前記第2の方向に集光するレンズ系と、を備える、ビーム走査装置。

請求項2

請求項1に記載のビーム走査装置であって、前記第1の方向は前記ビーム偏向部材によって前記ビームを前記1次元に走査する主走査方向であり、前記第2の方向は前記主走査方向と直交する副走査方向である、ビーム走査装置。

請求項3

請求項2に記載のビーム走査装置であって、前記ビーム偏向部材は、複数の反射面が連続して回転することによって、前記ビームを前記主走査方向に繰り返し偏向する回転多面鏡である、ビーム走査装置。

請求項4

請求項3に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材は、前記ビームを前記レンズ系に入射する手前の位置で前記主走査方向に関して集光し、前記第2光学部材は、前記ビームを前記被照射体の位置で前記副走査方向に関して集光する、ビーム走査装置。

請求項5

請求項4に記載のビーム走査装置であって、前記レンズ系は、前記第1光学部材によって前記主走査方向に集光された後に発散する前記ビームを入射して前記主走査方向に関してはほぼ平行光にするとともに、前記副走査方向に関しては前記回転多面鏡の反射面上で集光する収斂光にする、ビーム走査装置。

請求項6

請求項1〜5のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材、前記レンズ系、前記ビーム偏向部材、および前記走査用光学系の各々は、前記第1光学部材の後側焦点の位置と前記レンズ系の前側焦点の位置とが所定の許容範囲内で一致し、前記レンズ系の後側焦点の位置と前記走査用光学系の前側焦点の位置とが所定の許容範囲内で前記ビーム偏向部材に位置するように配置される、ビーム走査装置。

請求項7

請求項1〜6のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1の方向における開口数と前記第2の方向における開口数とが所定の許容範囲内で等しく設定される、ビーム走査装置。

請求項8

請求項7に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材の焦点距離をfC1、前記第2光学部材の焦点距離をfC2、前記レンズ系の焦点距離をfG、および、前記走査用光学系の焦点距離をfθとしたとき、fG2/fC1=fθ2/fC2の関係を有する、ビーム走査装置。

請求項9

請求項7または8に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材に入射する前記ビームを、所定の直径を有する円形断面の光束に整形す開口絞りをさらに備える、ビーム走査装置。

請求項10

請求項9に記載のビーム走査装置であって、前記被照射体に投射される前記ビームの開口数NAと前記開口絞りの直径φaは、φa=2×NA(fθ×fC1/fG)=2×NA×(fG×fC2/fθ)の関係を有する、ビーム走査装置。(但し、fC1:前記第1光学部材の焦点距離、fC2:前記第2光学部材の焦点距離、fG:前記レンズ系の焦点距離、fθ:前記走査用光学系の焦点距離)

請求項11

請求項1〜10のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材に入射する前記ビームは、ビームエキスパンダーによって拡大された光束である、ビーム走査装置。

請求項12

請求項1〜11のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材および前記第2光学部材は単レンズであり、前記レンズ系は複数枚のレンズから構成される、ビーム走査装置。

請求項13

請求項1〜12のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記走査用光学系は、前記ビームの主走査方向の偏向角度の変化と前記被照射体上での投射位置の変化とを比例関係にするfθレンズ系であり、前記レンズ系は、少なくとも1つの球面レンズまたは非球面レンズで構成される、ビーム走査装置。

請求項14

請求項1〜13のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材および前記第2光学部材は、母線延長方向が互いに直交した関係に設置されるシリンドリカルレンズである、ビーム走査装置。

請求項15

請求項14に記載のビーム走査装置であって、前記第1光学部材単体にて生じる前記第1の方向に関する球面収差をSC1とし、前記第2光学部材単体にて生じる前記第2の方向に関する球面収差をSC2としたとき、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1の方向における球面収差S1と、前記第2の方向における球面収差S2との差分|S1−S2|が、|S1−S2|<SC1×fθ2/fG2−SC2の関係式を満たすように設定されている、ビーム走査装置。(但し、fG:前記レンズ系の焦点距離、fθ:前記走査用光学系の焦点距離)

請求項16

請求項14または15に記載のビーム走査装置であって、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1の方向に関する球面収差S1と、前記第2の方向に関する球面収差S2とが、S1<SC1×fθ2/fG2、且つ、S2<SC2の関係式を満たすように設定されている、ビーム走査装置。(但し、fG:前記レンズ系の焦点距離、fθ:前記走査用光学系の焦点距離、SC1:前記第1光学部材単体にて生じる前記第1の方向に関する球面収差、SC2:前記第2光学部材単体にて生じる前記第2の方向に関する球面収差)

請求項17

請求項14〜16のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1の方向に関する球面収差S1と、前記第2の方向に関する球面収差S2との差分|S1−S2|が、|S1−S2|<λ/NAy2、且つ、|S1−S2|<λ/NAx2の関係式を満たすように設定されている、ビーム走査装置。(但し、λ:前記ビームの波長、NAy:前記ビームの前記第1の方向に関する開口数、NAx: 前記ビームの前記第2の方向に関する開口数)

請求項18

請求項14〜17のいずれか1項に記載のビーム走査装置であって、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1の方向に関する球面収差S1と、前記第2の方向に関する球面収差S2とが、S1<λ/NAy2、且つ、S2<λ/NAx2の関係式を満たすように設定されている、ビーム走査装置。(但し、λ:前記ビームの波長、NAy:前記ビームの前記第1の方向に関する開口数、NAx: 前記ビームの前記第2の方向に関する開口数)

請求項19

光源装置からのビームを被照射体上で主走査方向に走査しつつ、前記被照射体と前記ビームを副走査方向に相対移動させて、前記被照射体にパターンを描画する描画装置であって、前記ビームを前記主走査方向に走査するために、前記ビームを入射して前記主走査方向に1次元に偏向する可動偏向部材と、前記可動偏向部材で1次元に偏向される前記ビームを入射し、前記ビームを前記被照射体上に集光して投射する走査用光学系と、非等方的な屈折力を有し、前記可動偏向部材に向かう前記ビームを前記主走査方向に関して収斂する第1光学部材と、非等方的な屈折力を有し、前記走査用光学系から射出して前記被照射体に向かう前記ビームを前記副走査方向に関して収斂する第2光学部材と、前記第1光学部材と前記可動偏向部材との間に設けられ、前記主走査方向に関して収斂した前記ビームを入射して、前記副走査方向に関して収斂するビームに変換して前記可動偏向部材に向けて射出する等方的な屈折力を有する第3光学部材と、を備える、描画装置。

請求項20

請求項19に記載の描画装置であって、前記第1光学部材は、前記可動偏向部材に向かう前記ビームを前記第1光学部材と前記可動偏向部材との間の第1の位置において前記主走査方向に関してはビームウェストとなるように集光させ、前記副走査方向に関しては非集光な状態とする、描画装置。

請求項21

請求項20に記載の描画装置であって、前記第3光学部材は、前記第1光学部材からの前記ビームを前記可動偏向部材の偏向位置において前記副走査方向に関してはビームウェストとなるように集光させ、前記主走査方向に関しては非集光な状態とする、描画装置。

請求項22

請求項21に記載の描画装置であって、前記第1光学部材の前記主走査方向に関する屈折力に応じた後側焦点の位置と前記第3光学部材の前側焦点の位置とを、所定の許容範囲内で前記第1の位置と一致させ、前記第3光学部材の後側焦点の位置と前記走査用光学系の前側焦点の位置とを、所定の許容範囲内で前記可動偏向部材の偏向位置と一致させる、描画装置。

請求項23

請求項19〜22のいずれか1項に記載の描画装置であって、前記被照射体上に投射される前記ビームの前記主走査方向の開口数と前記副走査方向の開口数とを所定の許容範囲内で揃えた、描画装置。

請求項24

請求項23に記載の描画装置であって、前記第1光学部材の前記主走査方向に関する屈折力に応じた焦点距離をfC1、前記第2光学部材の前記副走査方向に関する屈折力に応じた焦点距離をfC2、前記第3光学部材の焦点距離をfG、および、前記走査用光学系の焦点距離をfθとしたとき、fG2/fC1=fθ2/fC2の関係を所定の誤差範囲内で満たすように設定される、描画装置。

請求項25

請求項24に記載の描画装置であって、前記第1光学部材に入射する前記ビームを、所定の直径の円形断面の光束に整形する開口絞りをさらに備える、描画装置。

請求項26

請求項25に記載の描画装置であって、前記被照射体上に投射される前記ビームの開口数NAと前記開口絞りで整形された前記ビームの直径φaは、φa=2×NA(fθ×fC1/fG)=2×NA×(fG×fC2/fθ)の関係を所定の誤差範囲内で満たすように設定される、描画装置。

請求項27

請求項19〜26のいずれか1項に記載の描画装置であって、前記第1光学部材および前記第2光学部材は非等方な屈折力を有する単レンズで構成され、前記第3光学部材は等方的な屈折力を有する複数枚のレンズで構成される、描画装置。

請求項28

請求項19〜27のいずれか1項に記載の描画装置であって、前記第1光学部材および前記第2光学部材は、前記ビームが進む光路と垂直な面内で互いに直交する方向に関する屈折力が異なるシリンドリカルレンズ、トーリックレンズ、およびアナモフィックレンズのいずれか1つを含み、前記第3光学部材は、前記ビームが進む光路と垂直な面内で等方的な屈折力を有する球面レンズまたは非球面レンズを含む、描画装置。

請求項29

請求項19〜28のいずれか1項に記載の描画装置であって、前記可動偏向部材は、前記ビームを反射させる反射面を有し、該反射面の角度が前記主走査方向に関して変化する回転多面鏡、または揺動反射鏡であり、前記走査用光学系は、前記可動偏向部材で偏向される前記ビームの偏向角と前記被照射体上に投射される前記ビームの像高位置とが比例関係になるfθレンズ系である、描画装置。

請求項30

可動偏向部材で第1方向に偏向されるビームを、走査用光学系によって被照射体上に投射しつつ前記被照射体上で前記第1方向に沿って1次元走査して前記被照射体にパターンを描画する描画装置であって、前記可動偏向部材に投射される前記ビームを前記第1方向と直交した第2方向に関して収斂させるための非等方的な屈折力を有する第1レンズ部材を含む第1調整光学系と、前記走査用光学系から前記被照射体に向かう前記ビームを前記第2方向に関して収斂させるための非等方的な屈折力を有する第2レンズ部材を含む第2調整光学系と、を備え、前記ビームの波長をλ、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1方向に関する開口数をNAy、前記第2方向に関する開口数をNAx、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1方向に関する球面収差をS1、前記第2方向に関する球面収差をS2としたとき、前記第1レンズ部材と前記第2レンズ部材は、S1<λ/NAy2、且つ、S2<λ/NAx2、となる条件と、|S1−S2|<λ/NAy2、且つ、|S1−S2|<λ/NAx2、となる条件とのいずれか一方を満たすように設定される、描画装置。

請求項31

請求項30に記載の描画装置であって、前記第1調整光学系は、前記第1レンズ部材を通った前記ビームを入射して前記可動偏向部材に向けて投射する等方的な屈折力を有する第3レンズ部材を含み、前記第1レンズ部材は、前記第1レンズ部材と前記第3レンズ部材との間で前記ビームを前記第1方向に関して収斂するように配置される、描画装置。

請求項32

請求項31に記載の描画装置であって、前記ビームを発生する光源装置をさらに備え、前記第1調整光学系は、前記光源装置から射出される前記ビームの直径を拡大するビームエキスパンダー系をさらに含む、描画装置。

請求項33

請求項32に記載の描画装置であって、前記第1方向に関する前記球面収差S1は、前記ビームエキスパンダー系、前記第1レンズ部材、前記第3レンズ部材、および前記走査用光学系によって発生し、前記第2方向に関する前記球面収差S2は、前記ビームエキスパンダー系、前記第3レンズ部材、前記走査用光学系、および前記第2レンズ部材によって発生する、描画装置。

請求項34

被照射体上の主走査方向に沿ってパターン描画用のビームを1次元走査すると共に、前記主走査方向と交差した副走査方向に前記被照射体と前記ビームとを相対移動させて、前記被照射体にパターンを描画する描画装置であって、前記ビームを発生する為のビーム生成装置と、前記ビーム生成装置からの前記ビームを、ビーム径を拡大させた平行光束に変換するビームエキスパンダーと、前記ビームエキスパンダーで変換された前記ビームを入射して前記主走査方向に対応した方向に1次元偏向するビーム偏向部材と、前記1次元偏向された前記ビームを入射して前記被照射体上に前記ビームのスポットを集光する為の走査用光学系と、前記ビームエキスパンダーと前記ビーム偏向部材との間に設けられ、前記ビームエキスパンダーで変換された前記ビームを入射して、前記ビーム偏向部材上に投射される前記ビームを前記副走査方向に対応した方向に収斂させるための非等方的な屈折力を有する第1光学素子を含む第1光学系と、前記走査用光学系から射出して前記被照射体に向かう前記ビームを前記副走査方向に収斂させるための非等方的な屈折力を有する第2光学素子を含む第2光学系と、前記ビームエキスパンダーの光路中に設けられ、前記ビームの光路を前記副走査方向に対応した方向にシフトさせるシフト用光学部材と、を備える、描画装置。

請求項35

請求項34に記載の描画装置であって、前記ビームエキスパンダーは、前記ビーム生成装置からの前記ビームを入射する第1レンズ系と、該第1レンズ系を通った前記ビームを平行光束に変換する第2レンズ系と含み、前記シフト用光学部材は、前記第1レンズ系と前記第2レンズ系との間に傾斜角可変に配置される平行平板である、描画装置。

請求項36

請求項35に記載の描画装置であって、前記ビームエキスパンダーの前記第2レンズ系の後側焦点の位置に配置され、前記ビームエキスパンダーで拡大された前記ビームの強度分布上の裾野の強度をカットする開口絞りを、更に備える、描画装置。

請求項37

請求項36に記載の描画装置であって、前記ビーム偏向部材は、前記ビームエキスパンダーからの前記ビームを前記走査用光学系に向けて反射させると共に、前記主走査方向に対応した方向に角度が変化する反射面を有し、前記ビーム偏向部材の前記反射面は、前記副走査方向に対応した方向については、前記走査用光学系と前記第2光学系とによって、前記被照射体と光学的に共役になるように配置され、前記主走査方向に対応した方向については、前記走査用光学系の前側焦点の位置に配置される、描画装置。

請求項38

請求項37に記載の描画装置であって、前記開口絞りの位置は、前記ビーム偏向部材の前記反射面からみたとき、前記副走査方向に対応した方向については、前記第1光学系のほぼ瞳の位置に設定され、前記主走査方向に対応した方向については、前記第1光学系によって前記ビーム偏向部材の前記反射面の位置又は前記走査用光学系の前側焦点の位置と光学的に共役になるように設定される、描画装置。

請求項39

請求項38に記載の描画装置であって、前記第1光学系の前記第1光学素子は、前記主走査方向に対応した方向にだけ屈折力を有し、前記開口絞りを通った前記ビームを入射する第1シリンドリカルレンズであり、前記第2光学系の前記第2光学素子は、前記副走査方向に対応した方向にだけ屈折力を有する第2シリンドリカルレンズである、描画装置。

請求項40

請求項39に記載の描画装置であって、前記第1光学系は、前記第1シリンドリカルレンズを通った前記ビームを入射して、前記ビーム偏向部材の前記反射面に向けて射出する等方的な屈折力を有する球面又は非球面のレンズを含む、描画装置。

技術分野

0001

本発明は、基板に所定のパターンを描画するためにビームを主走査方向に一次元に走査するビーム走査装置、および、このビーム走査装置を用いて所定のパターンを描画する描画装置に関する。

背景技術

0002

fθレンズ系とポリゴンミラー回転多面鏡)を用いることで、感材上に投射されたビームを等速で走査できることが知られている。一般的なポリゴンミラーの各反射面は、ポリゴンミラーの回転面(回転方向を含む平面)と直交する方向と平行に形成されるが、実際の反射面は、ポリゴンミラーの回転面と直交する方向に対して僅かに傾斜するような誤差、いわゆる面倒れ(傾斜)誤差を伴っている。この誤差は、反射面毎に異なるため、fθレンズ系によって感材上に結像するスポット光の像位置(ビームの投射位置)が反射面毎にずれてしまう。

0003

その投射位置のずれを防ぐために、下記特開平8−297255号公報では、ポリゴンミラーの手前とfθレンズ系の後との2ヶ所に、ポリゴンミラーの偏向方向(走査方向、ポリゴンミラーの回転方向)に対して直交した方向にのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズを配置している。つまり、母線がビームの走査方向と平行となるような2つのシリンドリカルレンズを配置している。これにより、ビームの走査方向(主走査方向)と直交した方向(副走査方向)に関しては、ポリゴンミラーの反射面上と感材の被照射面とを共役関係にすることができ、ポリゴンミラーの反射面毎に面倒れ誤差がばらついても、ビームの感材上での投射位置を副走査方向においては一定にすることができる。

0004

しかしながら、特開平8−297255号公報のように、ポリゴンミラーの手前に配置する第1シリンドリカルレンズと、fθレンズ系(複数枚球面レンズで構成される)の後に配置する第2シリンドリカルレンズとの各々を単レンズで構成し、第1シリンドリカルレンズの母線と第2シリンドリカルレンズの母線とを平行にする場合、シリンドリカルレンズによって発生する収差(例えばビームの球面収差)を良好に低減するための光学設計(収差補正)が難しいと言った問題があった。

0005

本発明の第1の態様は、光源装置からのビームを被照射体に投射しつつ、前記ビームを前記被照射体上で1次元に走査するビーム走査装置であって、前記ビームを前記1次元の方向に対応した第1の方向に集光する第1光学部材と、前記第1光学部材を通った前記ビームを入射し、前記1次元の走査のために前記ビームを前記第1の方向に偏向するビーム偏向部材と、前記ビーム偏向部材によって偏向された前記ビームを入射し、前記被照射体に向けて投射する走査用光学系と、前記走査用光学系を通った前記ビームを入射し、前記第1の方向と直交する第2の方向に前記ビームを集光する第2光学部材と、前記第1光学部材と前記ビーム偏向部材との間に設けられ、前記第1光学部材を通った前記ビームを前記ビーム偏向部材の位置で前記第2の方向に集光するレンズ系と、を備える。

0006

本発明の第2の態様は、光源装置からのビームを被照射体上で主走査方向に走査しつつ、前記被照射体と前記ビームを副走査方向に相対移動させて、前記被照射体にパターンを描画する描画装置であって、前記ビームを前記主走査方向に走査するために、前記ビームを入射して前記主走査方向に1次元に偏向する可動偏向部材と、前記可動偏向部材で1次元に偏向される前記ビームを入射し、前記ビームを前記被照射体上に集光して投射する走査用光学系と、非等方的な屈折力を有し、前記可動偏向部材に向かう前記ビームを前記主走査方向に関して収斂する第1光学部材と、非等方的な屈折力を有し、前記走査用光学系から射出して前記被照射体に向かう前記ビームを前記副走査方向に関して収斂する第2光学部材と、前記第1光学部材と前記可動偏向部材との間に設けられ、前記主走査方向に関して収斂した前記ビームを入射して、前記副走査方向に関して収斂するビームに変換して前記可動偏向部材に向けて射出する等方的な屈折力を有する第3光学部材と、を備える。

0007

本発明の第3の態様は、可動偏向部材で第1方向に偏向されるビームを、走査用光学系によって被照射体上に投射しつつ前記被照射体上で前記第1方向に沿って1次元走査して前記被照射体にパターンを描画する描画装置であって、前記可動偏向部材に投射される前記ビームを前記第1方向と直交した第2方向に関して収斂させるための非等方的な屈折力を有する第1レンズ部材を含む第1調整光学系と、前記走査用光学系から前記被照射体に向かう前記ビームを前記第2方向に関して収斂させるための非等方的な屈折力を有する第2レンズ部材を含む第2調整光学系と、を備え、前記ビームの波長をλ、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1方向に関する開口数をNAy、前記第2方向に関する開口数をNAx、前記被照射体に投射される前記ビームの前記第1方向に関する球面収差をS1、前記第2方向に関する球面収差をS2としたとき、前記第1第1レンズ部材と前記第2レンズ部材は、S1<λ/NAy2、且つ、S2<λ/NAx2、となる条件と、|S1−S2|<λ/NAy2、且つ、|S1−S2|<λ/NAx2、となる条件とのいずれか一方を満たすように設定される。

0008

本発明の第4の態様は、被照射体上の主走査方向に沿ってパターン描画用のビームを1次元走査すると共に、前記主走査方向と交差した副走査方向に前記被照射体と前記ビームとを相対移動させて、前記被照射体にパターンを描画する描画装置であって、前記ビームを発生する為のビーム生成装置と、前記ビーム生成装置からの前記ビームを、ビーム径を拡大させた平行光束に変換するビームエキスパンダーと、前記ビームエキスパンダーで変換された前記ビームを入射して前記主走査方向に対応した方向に1次元偏向するビーム偏向部材と、前記1次元偏向された前記ビームを入射して前記被照射体上に前記ビームのスポットを集光する為の走査用光学系と、前記ビームエキスパンダーと前記ビーム偏向部材との間に設けられ、前記ビームエキスパンダーで変換された前記ビームを入射して、前記ビーム偏向部材上に投射される前記ビームを前記副走査方向に対応した方向に収斂させるための非等方的な屈折力を有する第1光学素子を含む第1光学系と、前記走査用光学系から射出して前記被照射体に向かう前記ビームを前記副走査方向に収斂させるための非等方的な屈折力を有する第2光学素子を含む第2光学系と、前記ビームエキスパンダーの光路中に設けられ、前記ビームの光路を前記副走査方向に対応した方向にシフトさせるシフト用光学部材と、を備える。

図面の簡単な説明

0009

実施の形態の基板に露光処理を施す露光装置を含むデバイス製造システム概略構成を示す図である。
図1に示すビーム切換部および描画ヘッドの概略構成を示すとともに、描画ヘッドの各走査ユニット走査ラインの基板上における配置関係を示す図である。
図2に示すビーム切換部の選択用光学素子および入射ミラー回りの具体的な構成を示す図である。
図2に示す走査ユニットの具体的な構成を示す図であり、ビームの走査方向(偏向方向)を含む平面(XY平面と平行な平面)と直交する平面(XZ平面)からみた図である。
図4に示す開口絞りから基板までのビームを、ビームの偏向方向(主走査方向)を含む平面と平行な平面からみた概略図である。
比較例1による光学設計例におけるレンズデータを示す図である。
比較例1におけるビームエキスパンダーから基板(像面)までのビームの状態を、ビームの偏向方向(スポット光の主走査方向)を含む平面と平行な面内でみた概略図である。
図7に示すビームエキスパンダーからポリゴンミラーの反射面までのビームの状態を、ビームの主走査方向と直交する平面からみた概略図である。
図7に示すポリゴンミラーの反射面から基板(像面)までのビームの状態を、ビームの主走査方向と直交する平面からみた概略図である。
fθレンズ系から基板(像面)に投射されるビームの主走査方向に関する球面収差の発生状態誇張して説明する図である。
fθレンズ系から基板(像面)に投射されるビームの副走査方向に関する球面収差の発生状態を誇張して説明する図である。
比較例1の光学設計例によって発生するビームの主走査方向と副走査方向の球面収差特性シミュレーションしたグラフである。
比較例1における主走査方向の球面収差と副走査方向の球面収差との差分の球面収差特性を表したグラフである。
実施例1による光学設計例におけるレンズデータを示す図である。
実施例1におけるビームエキスパンダーから基板(像面)までのビームの状態を、ビームの偏向方向(スポット光の主走査方向)を含む平面と平行な面内でみた概略図である。
図15に示すビームエキスパンダーからポリゴンミラーの反射面までのビームの状態を、ビームの主走査方向と直交する面内でみた概略図である。
図15に示すポリゴンミラーの反射面から基板(像面)までのビームの状態を、ビームの主走査方向と直交する面内でみた概略図である。
実施例1の光学設計例によって発生するビームの主走査方向と副走査方向の球面収差特性をシミュレーションしたグラフである。
実施例1における主走査方向の球面収差と副走査方向の球面収差との差分の球面収差特性を表したグラフである。
図20Aは、平行平板がXZ面内で傾斜していない状態を示す図であり、図20Bは、平行平板がYZ面に対して角度ηだけ傾斜している状態を示す図である。

0010

本発明の態様に係るビーム走査装置および描画装置について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。なお、本発明の態様は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、多様な変更または改良を加えたものも含まれる。つまり、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれ、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換または変更を行うことができる。

0011

[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態の基板(被照射体)Pに露光処理を施す露光装置EXを含むデバイス製造システム10の概略構成を示す図である。なお、以下の説明においては、特に断わりのない限り、重力方向をZ方向とするXYZ直交座標系を設定し、図に示す矢印にしたがって、X方向、Y方向、およびZ方向を説明する。

0012

デバイス製造システム10は、基板Pに所定の処理(露光処理など)を施して、電子デバイスを製造するシステム基板処理装置)である。デバイス製造システム10は、例えば、電子デバイスとしてのフレキシブルディスプレイフィルム状のタッチパネル液晶表示パネル用のフィルム状のカラーフィルターフレキシブル配線、または、フレキシブル・センサなどを製造する製造ライン構築された製造システムである。以下、電子デバイスとしてフレキシブル・ディスプレイを前提として説明する。フレキシブル・ディスプレイとしては、例えば、有機ELディスプレイ液晶ディスプレイなどがある。デバイス製造システム10は、フレキシブル(可撓性)のシート状の基板(シート基板)Pをロール状に巻いた図示しない供給ロールから基板Pが送出され、送出された基板Pに対して各種処理を連続的に施した後、各種処理後の基板Pを図示しない回収ロールで巻き取る、いわゆる、ロール・ツー・ロール(Roll To Roll)方式の構造を有する。そのため、各種処理後の基板Pは、複数のデバイスが基板Pの搬送方向に連なった状態となっており、多面取り用の基板となっている。前記供給ロールから送られた基板Pは、順次、プロセス装置PR1、露光装置EX、およびプロセス装置PR2で各種処理が施され、前記回収ロールで巻き取られる。基板Pは、基板Pの移動方向(搬送方向)が長手方向(長尺)となり、幅方向が短手方向短尺)となる帯状の形状を有する。

0013

本第1の実施の形態では、X方向は、Z方向と直交する水平面内において、基板Pが供給ロールから回収ロールに向かう方向である。Y方向は、Z方向と直交する水平面内においてX方向と直交する方向であり、基板Pの幅方向(短尺方向)である。なお、−Z方向を、重力が働く方向(重力方向)とし、基板Pの搬送方向を+X方向とする。

0014

基板Pは、例えば、樹脂フィルム、若しくは、ステンレス鋼などの金属または合金からなる箔(フォイル)などが用いられる。樹脂フィルムの材質としては、例えば、ポリエチレン樹脂ポリプロピレン樹脂ポリエステル樹脂エチレンビニル共重合体樹脂ポリ塩化ビニル樹脂セルロース樹脂ポリアミド樹脂ポリイミド樹脂ポリカーボネート樹脂ポリスチレン樹脂、および酢酸ビニル樹脂のうち、少なくとも1つ以上を含んだものを用いてもよい。また、基板Pの厚みや剛性ヤング率)は、デバイス製造システム10の搬送路を通る際に、基板Pに座屈による折れ目非可逆的シワが生じないような範囲であればよい。基板Pの母材として、厚みが25μm〜200μm程度のPET(ポリエチレンテレフタレート)やPEN(ポリエチレンナフタレート)などのフィルムは、好適なシート基板の典型である。

0015

基板Pは、デバイス製造システム10内で施される各処理において熱を受ける場合があるため、熱膨張係数が顕著に大きくない材質の基板Pを選定することが好ましい。例えば、無機フィラーを樹脂フィルムに混合することによって熱膨張係数を抑えることができる。無機フィラーは、例えば、酸化チタン酸化亜鉛アルミナ、または酸化ケイ素などでもよい。また、基板Pは、フロート法などで製造された厚さ100μm程度の極薄ガラス単層体であってもよいし、この極薄ガラスに上記の樹脂フィルム、箔などを貼り合わせた積層体であってもよい。

0016

ところで、基板Pの可撓性(flexibility)とは、基板Pに自重程度の力を加えてもせん断したり破断したりすることはなく、その基板Pを撓めることが可能な性質をいう。また、自重程度の力によって屈曲する性質も可撓性に含まれる。また、基板Pの材質、大きさ、厚さ、基板P上に成膜される層構造、温度、または、湿度などの環境などに応じて、可撓性の程度は変わる。いずれにしろ、本第1の実施の形態によるデバイス製造システム10内の搬送路に設けられる各種の搬送用ローラ回転ドラムなどの搬送方向転換用の部材に基板Pを正しく巻き付けた場合に、座屈して折り目がついたり、破損(破れ割れが発生)したりせずに、基板Pを滑らかに搬送できれば、可撓性の範囲といえる。

0017

プロセス装置(処理装置)PR1は、供給ロールから送られてきた基板Pを露光装置EXに向けて所定の速度で長尺方向に沿った搬送方向(+X方向)に搬送しつつ、露光装置EXへ送られる基板Pに対して前工程の処理を行う。この前工程の処理により、露光装置EXへ送られる基板Pは、その表面に感光性機能層光感応層)が形成された基板(感光基板)となっている。

0018

この感光性機能層は、溶液として基板P上に塗布され、乾燥することによって層(膜)となる。感光性機能層の典型的なものはフォトレジスト(液状またはドライフィルム状)であるが、現像処理が不要な材料として、紫外線の照射を受けた部分の親撥液性改質される感光性シランカップリング剤(SAM)、或いは紫外線の照射を受けた部分にメッキ還元基露呈する感光還元剤などがある。感光性機能層として感光性シランカップリング剤を用いる場合は、基板P上の紫外線で露光されたパターン部分が撥液性から親液性に改質される。そのため、親液性となった部分の上に導電性インク(銀や銅などの導電性ナノ粒子を含有するインク)または半導体材料を含有した液体などを選択塗布することで、薄膜トランジスタ(TFT)などを構成する電極半導体絶縁、或いは接続用配線となるパターン層を形成することができる。感光性機能層として、感光性還元剤を用いる場合は、基板P上の紫外線で露光されたパターン部分にメッキ還元基が露呈する。そのため、露光後、基板Pを直ちにパラジウムイオンなどを含むメッキ液中に一定時間浸漬することで、パラジウムによるパターン層が形成(析出)される。このようなメッキ処理アディティブ(additive)なプロセスであるが、その他、サブトラクティブ(subtractive)なプロセスとしてのエッチング処理を前提にしてもよい。その場合、露光装置EXへ送られる基板Pは、母材をPETやPENとし、その表面にアルミニウム(Al)や銅(Cu)などの金属性薄膜を全面または選択的に蒸着し、さらにその上にフォトレジスト層を積層したものとするのがよい。

0019

露光装置(処理装置)EXは、プロセス装置PR1から搬送されてきた基板Pをプロセス装置PR2に向けて所定の速度で搬送方向(+X方向)に搬送しつつ、基板Pに対して露光処理を行う処理装置である。露光装置EXは、基板Pの表面(感光性機能層の表面、すなわち、感光面)に、電子デバイス用のパターン(例えば、電子デバイスを構成するTFTの電極や配線などのパターン)に応じた光パターンを照射する。これにより、感光性機能層に前記パターンに対応した潜像(改質部)が形成される。

0020

本第1の実施の形態においては、露光装置EXは、マスクを用いない直描方式の露光装置、いわゆるラスタースキャン方式の露光装置(描画装置)である。露光装置EXは、基板Pを+X方向(副走査の方向)に搬送しながら、露光用パルス状のビームLB(パルスビーム)のスポット光SPを、基板Pの被照射面(感光面)上で所定の走査方向(Y方向)に1次元に走査(主走査)しつつ、スポット光SPの強度をパターンデータ(描画データ、パターン情報)に応じて高速変調オンオフ)する。これにより、基板Pの被照射面に電子デバイス、回路または配線などの所定のパターンに応じた光パターンが描画露光される。つまり、基板Pの副走査と、スポット光SPの主走査とで、スポット光SPが基板Pの被照射面(感光性機能層の表面)上で相対的に2次元走査されて、基板Pの被照射面に所定のパターンが描画露光される。また、基板Pは、搬送方向(+X方向)に沿って搬送されているので、露光装置EXによってパターンが露光される露光領域は、基板Pの長尺方向に沿って所定の間隔をあけて複数設けられることになる。この露光領域に電子デバイスが形成されるので、露光領域は、デバイス形成領域でもある。

0021

プロセス装置(処理装置)PR2は、露光装置EXから送られてきた基板Pを回収ロールに向けて所定の速度で長尺方向に沿った搬送方向(+X方向)に搬送しつつ、露光装置EXで露光処理された基板Pに対しての後工程の処理(例えばメッキ処理や現像・エッチング処理等)を行う。この後工程の処理により、基板P上にデバイスのパターン層が形成される。

0022

次に、露光装置EXについて、図2図5も参照して、さらに詳しく説明する。露光装置EXは、図1のように温調チャンバーECV内に格納されている。この温調チャンバーECVは、内部を所定の温度、所定の湿度に保つことで、内部において搬送される基板Pの温度による形状変化を抑制するとともに、基板Pの吸湿性や搬送に伴って発生する静電気の帯電などを抑制する。温調チャンバーECVは、パッシブまたはアクティブ防振ユニットSU1、SU2を介して製造工場の設置面Eに配置される。防振ユニットSU1、SU2は、設置面Eからの振動を低減する。この設置面Eは、工場床面自体であってもよいし、水平面を出すために床面上に専用に設置される設置土台ペデスタル)上の面であってもよい。露光装置EXは、基板搬送機構12と、光源装置14と、ビーム切換部BDUと、描画ヘッド16と、制御装置18とを少なくとも備えている。制御装置18は、露光装置EXの各部を制御するものである。この制御装置18は、コンピュータプログラムが記録された記録媒体などとを含み、該コンピュータがプログラムを実行することで、本第1の実施の形態の制御装置18として機能する。

0023

基板搬送機構12は、デバイス製造システム10の基板搬送装置の一部を構成するものであり、プロセス装置PR1から搬送される基板Pを、露光装置EX内で所定の速度で搬送した後、プロセス装置PR2に所定の速度で送り出す。基板搬送機構12は、基板Pの搬送方向の上流側(−X方向側)から順に、エッジポジションコントローラEPC、駆動ローラR1、テンション調整ローラRT1、回転ドラム(円筒ドラム)DR、テンション調整ローラRT2、駆動ローラR2、および、駆動ローラR3を有している。基板Pが、基板搬送機構12のエッジポジションコントローラEPC、駆動ローラR1〜R3、テンション調整ローラRT1、RT2、および、回転ドラム(円筒ドラム)DRに掛け渡されることで、露光装置EX内で搬送される基板Pの搬送路が規定される。

0024

エッジポジションコントローラEPCは、プロセス装置PR1から搬送される基板Pの幅方向(Y方向であって基板Pの短尺方向)における位置を調整する。つまり、エッジポジションコントローラEPCは、所定のテンションかけられた状態で搬送されている基板Pの幅方向の端部(エッジ)における位置が、目標位置に対して±十数μm〜数十μm程度の範囲(許容範囲)に収まるように、基板Pを幅方向に移動させて、基板Pの幅方向における位置を調整する。エッジポジションコントローラEPCは、所定のテンションがかけられた状態で基板Pが掛け渡されるローラと、基板Pの幅方向の端部(エッジ)の位置を検出する図示しないエッジセンサ端部検出部)とを有する。エッジポジションコントローラEPCは、前記エッジセンサが検出した検出信号に基づいて、エッジポジションコントローラEPCの前記ローラをY方向に移動させて、基板Pの幅方向における位置を調整する。駆動ローラ(ニップローラ)R1は、エッジポジションコントローラEPCから搬送される基板Pの表裏両面を保持しながら回転し、基板Pを回転ドラムDRへ向けて搬送する。なお、エッジポジションコントローラEPCは、回転ドラムDRに巻き付く基板Pの長尺方向が、回転ドラムDRの中心軸AXoに対して常に直交するように、基板Pの幅方向における位置と適宜調整するとともに、基板Pの進行方向における傾き誤差補正するように、エッジポジションコントローラEPCの前記ローラの回転軸とY軸との平行度を適宜調整してもよい。

0025

回転ドラムDRは、Y方向に延びるとともに重力が働く方向と交差した方向に延びた中心軸AXoと、中心軸AXoから一定半径円筒状の外周面とを有する。回転ドラムDRは、この外周面(円周面)に倣って基板Pの一部を長尺方向に円筒面状湾曲させて支持(保持)しつつ、中心軸AXoを中心に回転して基板Pを+X方向(長尺方向)に搬送する。回転ドラムDRは、描画ヘッド16からのビームLB(スポット光SP)が投射される基板P上の領域(部分)をその外周面で支持する。回転ドラムDRは、電子デバイスが形成される面(感光面が形成された側の面)とは反対側の面(裏面)側から基板Pを支持(密着保持)する。回転ドラムDRのY方向の両側には、回転ドラムDRが中心軸AXoの周りを回転するように環状のベアリングで支持されたシャフトSftが設けられている。回転ドラムDRは、制御装置18によって制御される図示しない回転駆動源(例えば、モータ減速機構など)からの回転トルクがシャフトSftに与えられることで中心軸AXo回りに一定の回転速度で回転する。なお、便宜的に、中心軸AXoを含み、YZ平面と平行な平面を中心面Pocと呼ぶ。

0026

駆動ローラ(ニップローラ)R2、R3は、基板Pの搬送方向(+X方向)に沿って所定の間隔を空けて配置されており、露光後の基板Pに所定の弛み(あそび)を与えている。駆動ローラR2、R3は、駆動ローラR1と同様に、基板Pの表裏両面を保持しながら回転し、基板Pをプロセス装置PR2へ向けて搬送する。テンション調整ローラRT1、RT2は、−Z方向に付勢されており、回転ドラムDRに巻き付けられて支持されている基板Pに長尺方向に所定のテンションを与えている。これにより、回転ドラムDRにかかる基板Pに付与される長尺方向のテンションを所定の範囲内に安定化させている。制御装置18は、図示しない回転駆動源(例えば、モータや減速機構など)を制御することで、駆動ローラR1〜R3を回転させる。なお、駆動ローラR1〜R3の回転軸、および、テンション調整ローラRT1、RT2の回転軸は、回転ドラムDRの中心軸AXoと平行している。

0027

光源装置14は、パルス状のビーム(パルスビーム、パルス光レーザ)LBを発生して射出する。このビームLBは、370nm以下の波長帯域ピーク波長を有する紫外線光であり、ビームLBの発光周波数発振周波数所定周波数)をFaとする。光源装置14が射出したビームLBは、ビーム切換部BDUを介して描画ヘッド16に入射する。光源装置14は、制御装置18の制御にしたがって、発光周波数FaでビームLBを発光して射出する。この光源装置14は、赤外波長域のパルス光を発生する半導体レーザ素子ファイバー増幅器、および、増幅された赤外波長域のパルス光を紫外波長域のパルス光に変換する波長変換素子高調波発生素子)などで構成されるファイバーアンプレーザ光源としてもよい。このように光源装置14を構成することで、発振周波数Faが数百MHzで、1パルス光の発光時間が数ピコ秒程度高輝度な紫外線のパルス光が得られる。なお、光源装置14の射出窓から射出されるビームLBは、そのビーム径が1mm程度、若しくはそれ以下の細い平行光束になっているものとする。

0028

ビーム切換部BDUは、詳しくは図2も参照して後述するが、描画ヘッド16を構成する複数の走査ユニットUn(なお、n=1、2、・・・、6)のうちいずれか1つの走査ユニットUnに、ビームLBを時分割で入射させるように切り換える複数の光学的なスイッチング素子を有する。複数のスイッチング素子は、ビームLBが入射する走査ユニットUnを走査ユニットU1〜U6の中で順番に切り換える。例えば、ビーム切換部BDUは、ビームLBが入射する走査ユニットUnを、U1→U2→U3→U4→U5→U6、の順番で切り換えることを繰り返す。なお、ビーム切換部BDUを介して走査ユニットUnに入射する光源装置14からのビームLBをLBnと表す場合がある。そして、走査ユニットU1に入射するビームLBnをLB1で表し、同様に、走査ユニットU2〜U6の各々に入射するビームLBnをLB2〜LB6で表す場合がある。

0029

図2に示すように、走査ユニットU1〜U6の各々には、入射してきたビームLB1〜LB6を主走査するためのポリゴンミラーPMが設けられる。本第1の実施の形態では、各走査ユニットUnのポリゴンミラーPMの各々が、同一の回転速度で精密に回転しつつ、互いに一定の回転角度位相を保つように同期制御される。これによって、走査ユニットU1〜U6の各々から基板Pに投射されるビームLB1〜LB6の各々の主走査のタイミング(スポット光SPの主走査期間)を、互いに重複しないように設定することができる。そのため、ビーム切換部BDUは、スポット光SPの走査を行う走査ユニットUnのいずれか1つにビームLBが入射するように、ビームLBを走査ユニットUnのいずれか1つに切り換えて供給すること、すなわち時分割にビームLBを振り分けることができる。なお、スポット光SPの主走査を行う走査ユニットUn(ビームLBnが入射する走査ユニットUn)は、U1→U2→U3→U4→U5→U6→U1・・・、の順番で繰り返される。このように、光源装置14からのビームLBを複数の走査ユニットUnの各々に時分割で振り分ける構成については、国際公開第2015/166910号パンフレットに開示されている。

0030

図2に示すように、描画ヘッド16は、同一構成の複数の走査ユニットUn(U1〜U6)を配列した、いわゆるマルチビーム型の描画ヘッドとなっている。描画ヘッド16は、回転ドラムDRの外周面(円周面)で支持されている基板Pの一部分に、複数の走査ユニットUn(U1〜U6)によってパターンを描画する。各走査ユニットUn(U1〜U6)は、ビーム切換部BDUからのビームLBnを基板P上(基板Pの被照射面上)に投射しつつ、基板P上でビームLBnを集光(収斂)する。これにより、基板P上に投射されるビームLBn(LB1〜LB6)は、スポット光SPとなる。また、各走査ユニットUn(U1〜U6)のポリゴンミラーPMの回転によって、基板P上に投射されるビームLBn(LB1〜LB6)のスポット光SPを主走査方向(Y方向)に走査する。このスポット光SPの走査によって、基板P上に、1ライン分のパターンが描画される直線的な描画ライン(走査ライン)SLn(なお、n=1、2、・・・、6)が規定される。つまり、描画ラインSLnは、ビームLBnのスポット光SPの基板P上における走査軌跡を示すものである。

0031

走査ユニットU1は、スポット光SPを描画ラインSL1に沿って走査し、同様に、走査ユニットU2〜U6は、スポット光SPを描画ラインSL2〜SL6に沿って走査する。図2に示すように、複数の走査ユニットUn(U1〜U6)の描画ラインSLn(SL1〜SL6)は、中心面Poc(図1参照)を挟んで、回転ドラムDRの周方向に2列に千鳥配列で配置される。奇数番の描画ラインSL1、SL3、SL5は、中心面Pocに対して基板Pの搬送方向の上流側(−X方向側)の基板Pの被照射面上に位置し、且つ、Y方向に沿って所定の間隔だけ離して1列に配置されている。偶数番の描画ラインSL2、SL4、SL6は、中心面Pocに対して基板Pの搬送方向の下流側(+X方向側)の基板Pの被照射面上に位置し、且つ、Y方向に沿って所定の間隔だけ離して1列に配置されている。

0032

そのため、複数の走査ユニットUn(U1〜U6)も、中心面Pocを挟んで基板Pの搬送方向に2列に千鳥配列で配置される。つまり、奇数番の走査ユニットU1、U3、U5は、中心面Pocに対して基板Pの搬送方向の上流側(−X方向側)で、且つ、Y方向に沿って所定の間隔だけ離して1列に配置されている。偶数番の走査ユニットU2、U4、U6は、中心面Pocに対して基板Pの搬送方向の下流側(+X方向側)で、Y方向に沿って所定の間隔だけ離して1列に配置されている。奇数番の走査ユニットU1、U3、U5と、偶数番の走査ユニットU2、U4、U6とは、XZ平面からみて、中心面Pocに対して対称に設けられている。

0033

X方向(基板Pの搬送方向)に関しては、奇数番の描画ラインSL1、SL3、SL5と偶数番の描画ラインSL2、SL4、SL6とが互いに離間しているが、Y方向(基板Pの幅方向、主走査方向)に関しては互いに分離することなく継ぎ合わされるように設定されている。描画ラインSL1〜SL6は、基板Pの幅方向、つまり、回転ドラムDRの中心軸AXoと略並行となっている。なお、描画ラインSLnをY方向に継ぎ合わせるとは、描画ラインSLnの端部同士をY方向に関して隣接または一部重複させることを意味する。描画ラインSLnの端部同士を重複させる場合は、例えば、各描画ラインSLnの長さに対して、描画開始点、または描画終了点を含んでY方向に数%以下の範囲で重複させるとよい。

0034

このように、複数の走査ユニットUn(U1〜U6)は全部で露光領域の幅方向の全てをカバーするように、各走査ユニットUn(U1〜U6)は、走査領域を分担している。これにより、各走査ユニットUn(U1〜U6)は、基板Pの幅方向に分割された複数の領域(描画範囲)毎にパターンを描画することができる。例えば、1つの走査ユニットUnによるY方向の走査長(描画ラインSLnの長さ)を20〜60mm程度とすると、奇数番の走査ユニットU1、U3、U5の3個と、偶数番の走査ユニットU2、U4、U6の3個との計6個の走査ユニットUnをY方向に配置することによって、描画可能なY方向の幅を120〜360mm程度まで広げている。各描画ラインSLn(SL1〜SL6)の長さ(描画範囲の長さ)は、原則として同一とする。つまり、描画ラインSL1〜SL6の各々に沿って走査されるビームLBnのスポット光SPの走査距離は、原則として同一とする。

0035

本第1の実施の形態の場合、光源装置14からのビームLBがパルス光であるため、主走査の間に描画ラインSLn上に投射されるスポット光SPは、ビームLBの発振周波数Fa(例えば、400MHz)に応じて離散的になる。そのため、ビームLBの1パルス光によって投射されるスポット光SPと次の1パルス光によって投射されるスポット光SPとを、主走査方向にオーバーラップさせる必要がある。そのオーバーラップの量は、スポット光SPのサイズφ、スポット光SPの走査速度(主走査の速度)Vs、および、ビームLBの発振周波数Faによって設定される。スポット光SPの実効的なサイズ(直径)φは、スポット光SPの強度分布ガウス分布近似される場合、スポット光SPのピーク強度の1/e2(または1/2)の強度となる幅寸法で決まる。本第1の実施の形態では、実効的なサイズ(寸法)φに対して、φ×1/2程度スポット光SPがオーバーラップするように、スポット光SPの走査速度Vs(ポリゴンミラーPMの回転速度)および発振周波数Faが設定される。したがって、パルス状のスポット光SPの主走査方向に沿った投射間隔は、φ/2となる。そのため、副走査方向(描画ラインSLnと直交した方向)に関しても、描画ラインSLnに沿ったスポット光SPの1回の走査と、次の走査との間で、基板Pがスポット光SPの実効的なサイズφの略1/2の距離だけ移動するように設定することが望ましい。さらに、Y方向に隣り合う描画ラインSLnを主走査方向に継ぐ場合も、φ/2だけオーバーラップさせることが望ましい。本第1の実施の形態では、スポット光SPのサイズ(寸法)φを3μm程度とする。

0036

各走査ユニットUn(U1〜U6)は、少なくともXZ平面において、各ビームLBnが回転ドラムDRの中心軸AXoに向かって進むように、各ビームLBnを基板Pに向けて照射する。これにより、各走査ユニットUn(U1〜U6)から基板Pに向かって進むビームLBnの光路(ビーム中心軸)は、XZ平面において、基板Pの被照射面の法線と平行となる。このとき、XZ平面に関して、奇数番の走査ユニットU1、U3、U5から基板Pに向かって投射されるビームLBの進行方向(描画ラインSL1、SL3、SL5と中心軸AXoとを結ぶ方向)と中心面Pocとの角度は−θ1とすると、偶数番の走査ユニットU2、U4、U6から基板Pに向かって投射されるビームLBの進行方向(描画ラインSL2、SL4、SL6と中心軸AXoとを結ぶ方向)と中心面Pocとの角度は+θ1となっている。つまり、XZ平面に関して、奇数番の走査ユニットU1、U3、U5から基板Pに向かって投射されるビームLBの進行方向と、偶数番の走査ユニットU2、U4、U6から基板Pに向かって投射されるビームの進行方向とは、中心面Pocに対して対称となっている。また、各走査ユニットUn(U1〜U6)は、描画ラインSLn(SL1〜SL6)に照射するビームLBnが、YZ平面と平行な面内では基板Pの被照射面に対して垂直となるように、ビームLBnを基板Pに向けて照射する。すなわち、被照射面でのスポット光SPの主走査方向に関して、基板Pに投射されるビームLBn(LB1〜LB6)はテレセントリックな状態で走査される。

0037

さらに、図2を用いてビーム切換部BDUおよび描画ヘッド16の走査ユニットUn(U1〜U6)の構成を簡単に説明する。ビーム切換部BDUは、複数のスイッチング素子としての選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)と、複数の反射ミラーM1〜M12と、複数の入射ミラーIMn(IM1〜IM6)と、吸収体TRとを有する。選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)は、ビームLBに対して透過性を有するものであり、超音波信号で駆動される音響光学変調素子(AOM:Acousto-Optic Modulator)である。この複数の選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)および複数の入射ミラーIMn(IM1〜IM6)は、複数の走査ユニットUn(U1〜U6)に対応して設けられている。例えば、選択用光学素子AOM1および入射ミラーIM1は、走査ユニットU1に対応して設けられ、同様に、選択用光学素子AOM2〜AOM6および入射ミラーIM2〜IM6は、走査ユニットU2〜U6に対応して設けられている。

0038

光源装置14からビームLBは、反射ミラーM1〜M12によってその光路がつづらおり状に曲げられて、吸収体TRまで導かれる。以下、選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)がいずれもオフ状態(超音波信号が印加されていない状態)の場合で、詳述する。なお、図2では図示を省略したが、反射ミラーM1から吸収体TRまでのビーム光路中には複数のレンズが設けられ、ビームLBを平行光束から収斂したり、収斂後発散するビームLBを平行光束に戻したりする。その構成については図3を用いて後述する。

0039

図2において、光源装置14からのビームLBは、X軸と平行に−X方向に進んで反射ミラーM1に入射する。反射ミラーM1で−Y方向に反射したビームLBは、反射ミラーM2に入射する。反射ミラーM2で+X方向に反射したビームLBは、選択用光学素子AOM5をストレートに透過して反射ミラーM3に至る。反射ミラーM3で−Y方向に反射したビームLBは、反射ミラーM4に入射する。反射ミラーM4で−X方向に反射したビームLBは、選択用光学素子AOM6をストレートに透過して反射ミラーM5に至る。反射ミラーM5で−Y方向に反射したビームLBは、反射ミラーM6に入射する。反射ミラーM6で+X方向に反射したビームLBは、選択用光学素子AOM3をストレートに透過して反射ミラーM7に至る。反射ミラーM7で−Y方向に反射したビームLBは、反射ミラーM8に入射する。反射ミラーM8で−X方向に反射したビームLBは、選択用光学素子AOM4をストレートに透過して反射ミラーM9に至る。反射ミラーM9で−Y方向に反射したビームLBは反射ミラーM10に入射する。反射ミラーM10で+X方向に反射したビームLBは、選択用光学素子AOM1をストレートに透過して反射ミラーM11に至る。反射ミラーM11で−Y方向に反射したビームLBは、反射ミラーM12に入射する。反射ミラーM12で−X方向に反射したビームLBは、選択用光学素子AOM2をストレートに透過して吸収体TRに導かれる。この吸収体TRは、ビームLBの外部への漏れを抑制するためにビームLBを吸収する光トラップである。

0040

各選択用光学素子AOMnは、超音波信号(高周波信号)が印加されると、入射したビーム(0次光)LBを、高周波周波数に応じた回折角回折させた1次回折光射出ビーム(ビームLBn)として発生させるものである。したがって、選択用光学素子AOM1から1次回折光として射出されるビームがLB1となり、同様に選択用光学素子AOM2〜AOM6から1次回折光として射出されるビームがLB2〜LB6となる。このように、各選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)は、光源装置14からのビームLBの光路を偏向する機能を奏する。但し、実際の音響光学変調素子は、1次回折光の発生効率が0次光の80%程度であるため、各選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)の各々で偏向されたビームLBn(LB1〜LB6)は、元のビームLBの強度より低下している。また、選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)のいずれか1つがオン状態のとき、回折されずに直進する0次光が20%程度残存するが、それは最終的に吸収体TRによって吸収される。

0041

複数の選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)の各々は、偏向された1次回折光であるビームLBn(LB1〜LB6)を、入射するビームLBに対して−Z方向に偏向するように設置される。選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)の各々から偏向して射出するビームLBn(LB1〜LB6)は、選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)の各々から所定距離だけ離れた位置に設けられた入射ミラーIMn(IM1〜IM6)に投射される。各入射ミラーIMn(IM1〜IM6)は、入射したビームLBn(LB1〜LB6)を−Z方向に反射することで、ビームLBn(LB1〜LB6)を対応する走査ユニットUn(U1〜U6)に導く。なお、入射ミラーIMnの各々は、ビームLBnの各々を−Z方向に落射させることから、落射用ミラーとも呼ばれる。

0042

各選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)の構成、機能、作用などは互いに同一のものを用いてもよい。複数の選択用光学素子AOMn(AOM1〜AOM6)は、制御装置18からの駆動信号(高周波信号)のオン/オフにしたがって、入射したビームLBを回折させた回折光の発生をオン/オフする。例えば、選択用光学素子AOM5は、制御装置18からの駆動信号(高周波信号)が印加されずにオフの状態のときは、入射した光源装置14からのビームLBを回折させずに透過する。したがって、選択用光学素子AOM5を透過したビームLBは、反射ミラーM3に入射する。一方、選択用光学素子AOM5は、制御装置18からの駆動信号(高周波信号)が印加されてオンの状態のときは、入射したビームLBを回折させて入射ミラーIM5に向かわせる。つまり、この駆動信号によって選択用光学素子AOM6がスイッチングする。このようにして、各選択用光学素子AOMnをスイッチングすることで、ビームLBnをいずれか1つの走査ユニットUnに導くことができ、且つ、ビームLBnが入射する走査ユニットUnを切り換えることができる。

0043

図1に示した制御装置18は、描画したいパターンに応じたパターンデータ(描画データ)に基づいて、光源装置14から射出されるパルス状のビームLBのオン/オフを1パルス単位で制御する。光源装置14をファイバーアンプレーザ光源とした場合に、光源装置14からのパルス状のビームLBをパターンデータに基づいてオン/オフ(変調)する構成に関しても、前述の国際公開第2015/166910号パンフレットに開示されている。ここで、パターンデータについて簡単に説明する。パターンデータ(描画データ、設計情報)は、走査ユニットUn毎に設けられ、各走査ユニットUnによって描画されるパターンを、スポット光SPのサイズに応じて設定される寸法の画素によって分割し、複数の画素の各々を描画したいパターンに応じた論理情報(画素データ)で表したものである。つまり、このパターンデータは、スポット光SPの主走査方向(Y方向)に沿った方向を行方向とし、基板Pの副走査方向(X方向)に沿った方向を列方向とするように2次元に分解された複数の画素の論理情報で構成されているビットマップデータである。この画素の論理情報は、「0」または「1」の1ビットのデータである。「0」の論理情報は、基板Pに照射するスポット光SPの強度を低レベル(非描画)にすることを意味し、「1」の論理情報は、基板P上に照射するスポット光SPの強度を高レベル(描画)にすることを意味する。

0044

パターンデータの1列分の画素の論理情報は、1本分の描画ラインSLn(SL1〜SL6)に対応するものである。したがって、1列分の画素の数は、基板Pの被照射面上での画素の寸法と描画ラインSLnの長さとに応じて決まる。この1画素の寸法Pxyは、スポット光SPのサイズφと同程度、或いは、それ以上に設定され、例えば、スポット光SPの実効的なサイズφが3μmの場合は、1画素の寸法Pxyは、3μm角程度以上に設定される。1列分の画素の論理情報に応じて、1本の描画ラインSLn(SL1〜SL6)に沿って基板Pに投射されるスポット光SPの強度が変調される。光源装置14がファイバーアンプレーザ光源の場合、国際公開2015/166910号パンフレットに開示されているように、ファイバー増幅器に入射する赤外波長域のパルス状の種光(発光周波数Fa)は、制御装置18から送られてくるパターンデータの画素の論理情報「1」、「0」に応じて、ピーク強度が大きく俊鋭なパルス光と、ピーク強度が低く緩慢なパルス光とのいずれか一方に高速にスイッチングされる。

0045

なお、選択用光学素子AOMnは、選択用光学素子AOMnに入射するビームLBの径が小さくなると、回折効率および応答性が高くなる。そのため、選択用光学素子AOMnに入射するビームLBを平行光束とする場合は、選択用光学素子AOMnに入射するビームLBの径が平行光束の状態で縮小されるようなビーム整形光学系を設けてもよい。本第1の実施の形態では、光源装置14から射出するビームLBの直径を1mm以下の平行光束としたので、そのままの状態で選択用光学素子AOMnに通すことができる。

0046

以上の図2図3の構成において、光源装置14とビーム切換部BDUとは走査ユニットUnの各々に描画用のビームLBnを供給するビーム供給ユニット(ビーム生成装置)を構成する。より厳密に定義するなら、図2中の走査ユニットU5に対するビーム供給ユニットは、光源装置14、ミラーM1、M2、選択用光学素子AOM5、及び入射ミラーIM5で構成され、走査ユニットU6に対するビーム供給ユニットは、光源装置14、ミラーM1〜M4、選択用光学素子AOM5、AOM6、及び入射ミラーIM6で構成され、走査ユニットU3に対するビーム供給ユニットは、光源装置14、ミラーM1〜M6、選択用光学素子AOM5、AOM6、AOM3、及び入射ミラーIM3で構成され、走査ユニットU4に対するビーム供給ユニットは、光源装置14、ミラーM1〜M8、選択用光学素子AOM5、AOM6、AOM3、AOM4、及び入射ミラーIM4で構成され、走査ユニットU1に対するビーム供給ユニットは、光源装置14、ミラーM1〜M10、選択用光学素子AOM5、AOM6、AOM3、AOM4、AOM1、及び入射ミラーIM1で構成され、そして、走査ユニットU2に対するビーム供給ユニットは、光源装置14、ミラーM1〜M12、選択用光学素子AOM5、AOM6、AOM3、AOM4、AOM1、AOM2、及び入射ミラーIM2で構成される。

0047

次に、走査ユニット(ビーム走査装置)Unの構成について説明する。各走査ユニットUn(U1〜U6)は、同一構成となっていることから、走査ユニットU1についてのみ簡単に説明する。走査ユニットU1は、反射ミラーM20〜M24、ポリゴンミラーPM、および、fθレンズ系FTを少なくとも備えている。なお、図2では、図示していないが、ビームLB1の進行方向からみて、ポリゴンミラーPMの手前には第1シリンドリカルレンズCY1が配置され、fθレンズ系FTの後に第2シリンドリカルレンズCY2が設けられている。第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2については後で図4を参照して詳しく説明する。

0048

入射ミラーIM1で−Z方向に反射されたビームLB1は、反射ミラーM20に入射し、反射ミラーM20で反射したビームLB1は、−X方向に進んで反射ミラーM21に入射する。反射ミラーM21で−Z方向に反射したビームLB1は、反射ミラーM22に入射し、反射ミラーM22で反射したビームLB1は、+X方向に進んで反射ミラーM23に入射する。反射ミラーM23は、入射したビームLB1をポリゴンミラーPMの反射面RPに向けて反射する。

0049

ポリゴンミラーPMは、入射したビームLB1を、fθレンズ系FTに向けて+X方向側に反射する。ポリゴンミラーPMは、ビームLB1のスポット光SPを基板Pの被照射面上で走査するために、入射したビームLB1をXY平面と平行な面内で1次元に偏向(反射)する。具体的には、ポリゴンミラー(回転多面鏡、可動偏向部材)PMは、Z軸方向に延びる回転軸AXpと、回転軸AXpの周りに形成された複数の反射面RP(本第1の実施の形態では反射面RPの数Npを8とする)とを有する回転多面鏡である。回転軸AXpを中心にこのポリゴンミラーPMを所定の回転方向に回転させることで反射面RPに照射されるパルス状のビームLB1の反射角を連続的に変化させることができる。これにより、1つの反射面RPによってビームLB1が偏向され、基板Pの被照射面上に照射されるビームLB1のスポット光SPを主走査方向(基板Pの幅方向、Y方向)に沿って走査することができる。つまり、1つの反射面RPによって、ビームLB1のスポット光SPを主走査方向に沿って走査することができる。このため、ポリゴンミラーPMの1回転で、基板Pの被照射面上にスポット光SPが走査される描画ラインSL1の数は、最大で反射面RPの数と同じ8本となる。ポリゴンミラーPMは、制御装置18の制御の下、図示しない回転駆動源(例えば、デジタルモータなど)によって指令された速度で正確に回転する。

0050

fθレンズ系(走査系レンズ、走査用光学系)FTは、ポリゴンミラーPMによって反射されたビームLB1を、反射ミラーM24に投射するテレセントリック系スキャンレンズである。fθレンズ系FTを透過したビームLB1は、反射ミラーM24を介してスポット光SPとなって基板P上に投射される。このとき、反射ミラーM24は、XZ平面に関して、ビームLB1が回転ドラムDRの中心軸AXoに向かって進むように、ビームLB1を基板Pに向けて反射する。ビームLB1のfθレンズ系FTへの入射角θは、ポリゴンミラーPMの回転角(θ/2)に応じて変わる。fθレンズ系FTは、反射ミラーM24を介して、その入射角θに比例した基板Pの被照射面上の像高位置にビームLB1を投射する。焦点距離をfoとし、像高位置をyoとすると、fθレンズ系FTは、yo=fo×θ、の関係(歪曲収差)を満たすように設計されている。したがって、このfθレンズ系FTによって、ビームLB1をY方向に正確に等速で走査することが可能になる。なお、fθレンズ系FTに入射するビームLB1がポリゴンミラーPMによって1次元に偏向される面(XY面と平行)は、fθレンズ系FTの光軸AXfを含む面となる。

0051

図3は、選択用光学素子AOMnおよび入射ミラーIMn回りの具体的な構成を示す図である。なお、選択用光学素子AOMnおよび入射ミラーIMn回りの構成は互いに同一であることから、ここでは代表して選択用光学素子AOM1および入射ミラーIM1回りの構成についてのみ説明する。

0052

選択用光学素子AOM1には、図2に示したように、前段の選択用光学素子AOM4、反射ミラーM9、M10を通った後に、例えば直径1mm以下の微小な径(第1の径)の平行光束にされたビームLBが入射する。高周波信号(超音波信号)である駆動信号が入力されていない期間(駆動信号がオフ)では、選択用光学素子AOM1は、入射したビームLBを回折させずにそのまま透過する。透過したビームLBは、その光路上に光軸AXaに沿って設けられた集光レンズG1およびコリメートレンズG2aを透過して、後段の選択用光学素子AOM2に入射する。このとき選択用光学素子AOM1を通って集光レンズG1およびコリメートレンズG2aを通過するビームLBの中心軸は、光軸AXa上を通るものとする。集光レンズG1は、選択用光学素子AOM1を透過したビームLB(平行光束)を、集光レンズG1とコリメートレンズG2aとの間に位置する面p1の位置でビームウェストとなるように集光する。コリメートレンズG2aは、集光レンズG1によって集光された後、発散したビームLBを平行光束にする。コリメートレンズG2aによって平行光束にされたビームLBの径は、第1の径となる。集光レンズG1の後側焦点とコリメートレンズG2aの前側焦点とは、所定の許容範囲内で一致しており、集光レンズG1の前側焦点は選択用光学素子AOM1内の回折点と所定の許容範囲内で一致している。この集光レンズG1とコリメートレンズG2aとはリレーレンズ系を構成する。

0053

一方、高周波信号である駆動信号が選択用光学素子AOM1に印加されている期間では、選択用光学素子AOM1は、入射したビームLBを回折させたビームLB1(回折光)を発生する。高周波信号の周波数に応じた回折角で−Z方向に偏向したビームLB1(平行光束)は、集光レンズG1を透過して、面p1上に設けられた入射ミラーIM6に入射する。集光レンズG1は、−Z方向に偏向したビームLB1の中心軸AXbがビームLBが通る光軸AXaと平行となるようにビームLB1を屈折させ、且つ、ビームLB1を入射ミラーIM1の反射面上またはその近傍でビームウェストとなるように集光(収斂)する。選択用光学素子AOM1を透過したビームLBの光路に対して−Z方向側に設けられた入射ミラーIM6によって、ビームLB1は−Z方向に反射され、コリメートレンズG2bを介して走査ユニットU1に入射する。コリメートレンズG2bは、集光レンズG1によって収斂/発散されたビームLB1を、コリメートレンズG2bの光軸と同軸の平行光束にする。コリメートレンズG2bによって平行光束されたビームLB1の径は、第1の径となる。集光レンズG1の後側焦点とコリメートレンズG2bの前側焦点とは、所定の許容範囲内で一致している。この集光レンズG1とコリメートレンズG2bとはリレーレンズ系を構成する。なお、図3の集光レンズG1、コリメートレンズG2a、G2bは、図2で示した他の選択用光学素子AOM2〜AOM6の各々の後の光路中にも、図3と同様の条件で配置される。

0054

ところで、図2に示した走査ユニットU1では、fθレンズ系FTの光軸をXY面と平行に図示したので、走査ユニットU1から基板Pに投射されるビームLB1の中心軸(主光線)が回転ドラムDRの中心軸AXoに向かうように、先端の反射ミラーM24の反射平面は、XY面に対して45度以外の角度で傾けて配置される。しかしながら、fθレンズ系FTの光軸がXY面に対して傾くように走査ユニットU1〜U6の各々の全体をXZ面内で傾けられる場合は、fθレンズ系FTの光軸が反射ミラーM24で90度に折り曲げられるような構成としてもよい。

0055

図4は、走査ユニットU1の具体的な構成を示す図であり、ビームLB1の走査方向(偏向方向)を含む平面(XY平面と平行な平面)と直交する平面(XZ平面)からみた図である。なお、図4では、fθレンズ系FTの光軸AXfがXY面と平行に配置され、先端の反射ミラーM24が光軸AXfを90度で折り曲げるように配置されるものとする。走査ユニットU1内には、ビームLB1の入射位置から被照射面(基板P)までのビームLB1の送光路に沿って、反射ミラーM20、ビームエキスパンダーBE、傾斜角可変の平行平板HVP、開口絞りPA、反射ミラーM21、第1シリンドリカルレンズCY1、球面レンズG10a、反射ミラーM22、球面レンズG10b、反射ミラーM23、ポリゴンミラーPM、fθレンズ系FT、反射ミラーM24、および、第2シリンドリカルレンズCY2が設けられる。

0056

図3で示した入射ミラーIM1によって−Z方向に反射された平行光束のビームLB1は、XY平面に対して45度傾いた反射ミラーM20に入射する。この反射ミラーM20は、入射したビームLB1を、反射ミラーM20から−X方向に離れた反射ミラーM21に向けて−X方向に反射する。反射ミラーM20で反射したビームLB1は、ビームエキスパンダーBEおよび開口絞りPAを透過して反射ミラーM21に入射する。ビームエキスパンダーBEは、透過するビームLB1の径を拡大させる。ビームエキスパンダーBEは、集光レンズBe1と、集光レンズBe1によって収斂された後に発散するビームLB1を平行光束にするコリメートレンズBe2とを有する。このビームエキスパンダーBEによりビームLB6を開口絞りPAの開口部分に照射することが容易になる。なお、集光レンズBe1とコリメートレンズBe2の間には、ビームLBnに対する傾斜角度を不図示の駆動モータ等でXZ面と平行な面内で変更可能とした石英の平行平板HVPがシフト用光学部材として配置されている。この平行平板HVPの傾斜角を変えることで、基板P上で走査されるスポット光SPの走査軌跡である描画ラインSLnを副走査方向に微少量(例えば、スポット光SPの実効的な直径φの数倍〜十数倍程度)だけシフトさせることができる。この機能については、後で詳述する。

0057

反射ミラーM21は、YZ平面に対して45度傾いて配置され、入射したビームLB1を、反射ミラーM21から−Z方向に離れた反射ミラーM22に向けて−Z方向に反射する。反射ミラーM21で−Z方向に反射されたビームLB1は、第1シリンドリカルレンズCY1(第1光学部材)および球面レンズG10aを透過した後、反射ミラーM22に至る。反射ミラーM22は、XY平面に対して45度傾いて配置され、入射したビームLB1を反射ミラーM23に向けて+X方向に反射する。反射ミラーM22で反射したビームLB1は、球面レンズG10bを介して反射ミラーM23に入射する。反射ミラーM23は、入射したビームLB1をポリゴンミラー(回転多面鏡、可動偏向部材)PMに向けて、XY面と平行な面内で折り曲げる。ポリゴンミラーPMの1つの反射面RPは、入射したビームLB1を、X軸方向に延びる光軸AXfを有するfθレンズ系FTに向けて+X方向に反射する。この球面レンズG10aと球面レンズG10bとはレンズ系(第3光学部材)G10を構成する。球面レンズG10a、G10bは、等方的な屈折力を有する。

0058

単レンズで構成される平凸の第1シリンドリカルレンズCY1は、1方向に屈折力(パワー)を有するレンズであり、非等方的な屈折力を有する。図5は、開口絞りPAから基板PまでのビームLBの光路をXY面上に展開し、ビームLBの偏向方向(主走査方向)を含む平面と平行な平面からみた概略図である。図5に示すように、第1シリンドリカルレンズCY1は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(ポリゴンミラーPMの回転軸AXpと垂直な面内での主走査方向、回転方向)に関しては、入射したビームLB1を、ポリゴンミラーPMの手前に位置する面p2において、ビームウェストとなるように1次元に集光(収斂)する。このポリゴンミラーPMの手前の集光位置(面p2の位置)を第1の位置とする。この第1の位置は、レンズ系G10(球面レンズG10a、10b)の手前の位置である。また、第1シリンドリカルレンズCY1は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向)とは直交する方向(副走査方向)に関しては、入射したビームLB1を集光させずにそのまま平行光束として透過する(図4参照)。このように、第1シリンドリカルレンズCY1は、第1シリンドリカルレンズCY1を透過したビームLB1が、ポリゴンミラーPMの偏向方向とは直交する方向(副走査方向)に関しては非集光となるように、X方向と平行な方向(副走査方向)に延びた母線を有する。

0059

レンズ系G10(球面レンズG10a、G10b)は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向、回転方向)に関しては、第1シリンドリカルレンズCY1によって集光された後、発散したビームLB1をほぼ平行光束にする(図5参照)。また、レンズ系G10(球面レンズG10a、G10b)は、ポリゴンミラーPMのビームLB1の偏向方向とは直交する方向(副走査方向)に関しては、第1シリンドリカルレンズCY1を透過した平行光束のビームLB1を、ポリゴンミラーPMの反射面RP上で集光(収斂)する(図4参照)。これにより、ポリゴンミラーPMに投射されるビームLB1は、反射面RP上でXY平面と平行な面内で延びたスリット状(長楕円状)に収斂される。このように、第1シリンドリカルレンズCY1およびレンズ系G10と、後述する第2シリンドリカルレンズCY2とによって、反射面RPがZ方向に対して傾いている場合(XY平面の法線に対する反射面RPの傾き)があっても、その影響を抑制することができる。例えば、基板Pの被照射面上に照射されるビームLB1(描画ラインSL1)の照射位置が、ポリゴンミラーPMの各反射面RP毎の僅かな傾き誤差(面倒れ)によってX方向にずれることを抑制すること、すなわち、各反射面RPの面倒れ補正を行うことができる。なお、反射面RPで反射されたビームLB1は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向、回転方向)に関しては、ほぼ平行光束のままfθレンズ系FTに入射し、ポリゴンミラーPMのビームLB1の偏向方向と直交する方向(副走査方向)に関しては、所定の開口数(NA)で発散した状態でfθレンズ系FTに入射する。

0060

なお、第1シリンドリカルレンズCY1のポリゴンミラーPMの偏向方向(スポット光SPの主走査方向)に関する屈折力に応じた後側焦点と、レンズ系G10の前側焦点とは所定の許容範囲内で、面p2で一致するように設定されている。レンズ系G10の後側焦点とfθレンズ系FTの前側焦点とは、所定の許容範囲内でポリゴンミラーPMの偏向位置(反射面RP上)で一致するように設定されている。

0061

fθレンズ系FTは、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向、回転方向)に関しては、図5のように、反射面RPで反射されたほぼ平行光束のビームLB1を基板P上で収斂(集光)させる。さらにfθレンズ系FTは、図4のように、ポリゴンミラーPMのビームLB1の偏向方向とは直交する方向(副走査方向)に関しては、反射面RPで反射されて発散したビームLB1をほぼ平行光束にして、第2シリンドリカルレンズCY2に向けて投射する。

0062

単レンズで構成される平凸の第2シリンドリカルレンズ(第2光学部材)CY2は、Y方向(主走査方向)と平行な方向に母線を有し、1方向(副走査方向)にパワーを有する非等方的な屈折力を持つレンズである。第2シリンドリカルレンズCY2は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向、回転方向)に関しては、入射したビームLB1をそのまま透過する。したがって、図5に示すように、第2シリンドリカルレンズCY2を透過したビームLB1は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向、回転方向)に関しては、fθレンズ系FTの屈折力によって基板P上でビームウェストとなるように集光される。一方、第2シリンドリカルレンズCY2は、ポリゴンミラーPMによるビームLB1の偏向方向(主走査方向)とは直交する方向(副走査方向)に関しては、図4に示すように、入射したほぼ平行光束のビームLB1を基板P上でビームウェストとなるように集光(収斂)する。したがって、基板Pに投射されるビームLB1は、基板P上で略円形のスポット光SP(例えば、直径が3μm)となる。以上のように、第1シリンドリカルレンズCY1と第2シリンドリカルレンズCY2とは、互いに直交する方向にパワー(屈折力)を有するように、母線が互いに直交するように配置される。これによって、第1シリンドリカルレンズCY1は、レンズ系G10の手前の面p2でビームLBnを主走査方向に関して1次元に収斂させた後、ポリゴンミラーPMの反射面RP上ではビームLBnを副走査方向に関して1次元に収斂させるように機能し、第2シリンドリカルレンズCY2は、fθレンズ系FTの後のビームLBnを副走査方向に関して1次元に収斂させるように機能する。

0063

このように、母線が互いに直交するように単レンズで構成される第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2を設置しているため、レンズ系G10によって、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)と主走査方向と直交する副走査方向との両方向におけるビームLBnの球面収差を良好に補正することができる。したがって、基板P上での結像性能劣化を抑制することができる。また、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2を設けることによって、ポリゴンミラーPMの反射面RP毎の僅かな傾き誤差(面倒れ)による描画ラインSLnのX方向(副走査方向)へのぶれの抑制、すなわち面倒れ補正も従来と同様に行われる。

0064

なお、基板P上に投射されるビームLBnのスポット光SPの集光位置(ベストフォーカス位置)は、主走査方向(偏向方向)と、主走査方向と直交する副走査方向とで、所定の許容範囲内で一致するように光学設計されているものとする。また、基板P上に投射されるビームLBn(スポット光SP)の主走査方向における開口数NAyと、主走査方向と直交する副走査方向における開口数NAxとは、所定の許容範囲内で等しくなる(揃う)ように設計されているものとする。なお、本第1の実施の形態では、開口数NAx≒開口数NAy、とするので、基板Pに投射されるビームLBnの開口数を単にNAで表すこともある。ビームLBnの球面収差は、設計上のベストフォーカス面に向けてビームLBnを収斂させたときに、ビームLBnの中心軸(主光線)に対して傾き角(ベストフォーカス面への入射角度)βが異なる光線の各々が集光する位置のフォーカス方向の相対偏差として表される。ビームLBnのベストフォーカス面と垂直な中心軸(主光線)に対して傾き角βの光線は、sinβで計算される開口数NAβとして表される。ビームLBnの最大の開口数NAは、ビームLBnの波長λとスポット光SPの実効的な直径φ、fθレンズ系FTの焦点距離によって概ね決められる。

0065

次に、第1シリンドリカルレンズCY1、第2シリンドリカルレンズCY2、レンズ系G10、および、fθレンズ系FTの各々の焦点距離と、開口絞りPAの開口絞り径と、ビームエキスパンダーBEの拡大倍率決定方法について説明する。なお、第1シリンドリカルレンズCY1の焦点距離をfC1、第2シリンドリカルレンズCY2の焦点距離をfC2、レンズ系G10の焦点距離をfG、fθレンズ系FTの焦点距離をfθで表す。また、開口絞りPAの開口絞り径をφaとする。

0066

焦点距離fC1、fC2、fG、fθは、下記に示す式(1)の関係を有する。この式(1)に基づき、第1シリンドリカルレンズCY1、第2シリンドリカルレンズCY2、レンズ系G10、および、fθレンズ系FTの各々の焦点距離を決定することで、基板Pに投射されるビームLBnの開口数NAxと開口数NAyとを等しくすることができる。
fG2/fC1=fθ2/fC2 ・・・ (1)

0067

また、開口絞り径φaと開口数NA(=NAx≒NAy)は、下記に示す式(2)の関係を有する。
φa=2×NA(fθ×fC1/fG)=2×NA×(fG×fC2/fθ)・・・(2)

0068

この式(2)に基づいて開口絞り径φaを決定することで、所望の開口数を得ることができる。また、ビームエキスパンダーBEの拡大倍率については、大きくする程、開口絞りPAによってけられる光量が多くなるため、光量損失は大きくなる。一方で、ビームエキスパンダーBEの拡大倍率が小さい程、像面(基板P上)での実効的な開口数が小さくなるため、解像度(スポット光SPの径φの微細度)が低下する。そのため、光量と解像度とのバランスを考え、最適なビームエキスパンダーBEの拡大倍率を設定することが望ましい。

0069

また、第1シリンドリカルレンズCY1、第2シリンドリカルレンズCY2、およびfθレンズ系FT等の各光学諸元が概ね定まっている場合、ビームLBnの主走査方向(偏向方向)における球面収差S1と、ビームLBnの主走査方向と直交する副走査方向における球面収差S2とが、少なくとも下記に示す式(3)〜(6)のいずれか1つの条件を満たすように、レンズ系G10(球面レンズG10a、10b)の光学諸元が設定される。また、fθレンズ系FTの光学諸元のみが概ね定まっている場合は、式(3)〜(6)のいずれか1つの条件を満たすように、レンズ系G10(球面レンズG10a、10b)の光学諸元、第1シリンドリカルレンズCY1と第2シリンドリカルレンズCY2の各光学諸元とが設定される。
|S1−S2|<SC1×fθ2/fG2−SC2 ・・・(3)
S1<SC1×fθ2/fG2、且つ、S2<SC2 ・・・(4)
|S1−S2|<λ/NAy2、且つ、|S1−S2|<λ/NAx2 ・・・(5)
S1<λ/NAy2、且つ、S2<λ/NAx2 ・・・(6)
但し、|S1−S2|は球面収差S1と球面収差S2との差の絶対値を表し、SC1は第1シリンドリカルレンズCY1単体にて生じる球面収差を表し、SC2は第2シリンドリカルレンズCY2単体にて生じる球面収差を表し、λはビームLBnの波長を表すものとする。なお、球面収差S1と球面収差S2との差の絶対値|S1−S2|は|S2−S1|であっても同じである。また、走査ユニットU1を例に挙げて説明したが、他の走査ユニットU2〜U6に関しても同様に光学設計されることは言うまでもない。

0070

ここで、従来の方式、つまり、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の各母線の延長方向をともに主走査方向(Y方向)と平行に設定した場合は、焦点距離fC1、fC2、fθは、下記に示す式(7)の関係を有する。この場合は、母線の延長方向がY方向と平行な第1シリンドリカルレンズCY1のみによって、ポリゴンミラーPMの反射面RPに投射されるビームLBnは、反射面RP上でXY平面と平行な方向(主走査方向)に延びたスリット状(長楕円状)に収斂されるので、レンズ系G10は不要となる。
fC1×fC2=fθ2 ・・・(7)

0071

また、開口絞りPAの円形開口の直径φaと開口数NAは、下記に示す式(8)の関係を有する。
φa=2×NA×fθ=2×NA×(fC1×fC2/fθ) ・・・(8)

0072

本第1の実施の形態の面倒れ補正と、従来の方式による面倒れ補正とを比較する。両者をなるべく同一条件で比較する必要があるため、開口数NAおよび走査ユニットUnに入射するビームLBnの仕様は互いに同一とする。このビームLBnは、波長が、354.7nmの単色光であり、光軸中心ビーム中心線)から0.25mmの位置で強度が1/e2となる非偏光ガウスビームとする。開口数NAは、主走査方向(偏向方向)を含む平面(YZ平面)内における開口数NAyと、主走査方向と直交する方向(副走査方向)を含む平面(XZ平面)内における開口数NAxとに分けて扱い、NAy=NAx=0.06とする。また、fθレンズ系FTおよび第2シリンドリカルレンズCY2についても、本第1の実施の形態と従来の方式とで同一のものを採用する。fθレンズ系FTの焦点距離fθはfθ=100mmとし、単レンズで構成された平凸の第2シリンドリカルレンズCY2の焦点距離fC2をfC2=14.5mmとする。なお、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2にて発生する球面収差の影響のみを評価できるよう、fθレンズ系FTは、収差の発生しない理想のf−θ特性を持つレンズとする。まず、比較例1で従来の方式による走査ユニットUnの面倒れ補正用の光学系の具体的な設計例について説明した後、実施例1で本第1の実施の形態の走査ユニットUnの面倒れ補正用の光学系の具体的な設計例について説明する。なお、本第1の実施の形態と従来の方式とにおいて、互いに構成が共通する部材、または、機能が共通する部材については同一の符号を付して説明する。また、簡単のために、反射ミラーM21、M22、M23の各々は設計例(レンズデータ)から省略してある。

0073

(比較例1)
比較例1では、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の母線をともに主走査方向(Y方向)に設定し、レンズ系G10は設けられていない。比較例1におけるビームエキスパンダーBEから第2シリンドリカルレンズCY2までの光学設計例によるレンズデータを図6に示す。図7は、比較例1におけるビームエキスパンダーBEから基板(像面)PまでのビームLBnの状態を、ビームLBnの偏向方向(スポット光SPの走査方向)を含む平面と平行な面内で示す概略図である。図8は、図7に示すビームエキスパンダーBEからポリゴンミラーPMの反射面RPまでのビームLBnの状態を、ビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する平面(副走査方向を含む面)からみた概略図である。図9は、図7に示すポリゴンミラーPMの反射面RPから基板(像面)PまでのビームLBnの状態を、ビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する平面からみた概略図である。なお、図6においては、ポリゴンミラーPMの反射後は、面間隔曲率半径正負の符号を逆転して表してある。図7図9は、比較例1におけるビームエキスパンダーBE〜基板Pまでの各光学部材(第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2など)を、図6数値例に則った縮尺で配置した様子を示す図である。

0074

走査ユニットUnに入射した平行光束のビームLBn(実効的なビーム径φは0.5mmとする)は、5枚の球面レンズLG1〜LG5からなるビームエキスパンダーBEにて拡大された平行光束に変換された後、開口絞りPAにて所定の直径の円形断面の光束に整形される。開口絞りPAの開口絞り径φaは、上記した式(8)に基づき、12mmとする。また、強度が軸上の1/e2となる位置が開口絞り径φaの半径である6mmとなるように、ビームエキスパンダーBEの拡大倍率を24倍に設定する。このとき、開口絞りPAによる光量損失の比率は約13.5%となる。

0075

ビームエキスパンダーBEの後方に配置した単レンズで構成される平凸の第1シリンドリカルレンズCY1は、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)とは直交する方向に関して、入射したビームLBnをポリゴンミラーPMの反射面RP上に集光する(図8参照)。第1シリンドリカルレンズCY1の焦点距離fC1は、上記した式(7)に基づき、fC1=693.1mmとする。ポリゴンミラーPMの反射面RPは、第1シリンドリカルレンズCY1の後側焦点に位置している。なお、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)に関しては、第1シリンドリカルレンズCY1を透過したビームLBnは平行光のままである(図7参照)。したがって、ポリゴンミラーPMに投射されるビームLBnは、反射面RP上で偏向方向に延びたスリット状(長楕円状)に収斂される。

0076

ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射したビームLBnは、ポリゴンミラーPMの回転角度に応じた角度で、焦点距離fθが100mmのfθレンズ系FTに入射する。ポリゴンミラーPMの反射面RPはfθレンズ系FTの前側焦点の位置に来るように配置されている。そのため、fθレンズ系FTは、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)に関しては、ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射したビームLBnを、テレセントリックな状態で基板Pの被照射面(像面)上で集光する(図7参照)。一方、fθレンズ系FTは、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する副走査方向に関しては、ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射して発散したビームLBnを平行光にする(図9参照)。

0077

fθレンズ系FTを透過したビームLBnは、fθレンズ系FTの後方に配置された焦点距離fC2が14.5mmの第2シリンドリカルレンズCY2によって、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの副走査方向に関しても基板Pの被照射面(像面)上で集光される(図9参照)。この第2シリンドリカルレンズCY2の位置は、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの主走査方向に関する集光位置と、副走査方向に関する集光位置とがフォーカス方向に関して所定の許容範囲内で一致するように定められ、その集光位置が基板Pの被照射面(像面)になるように設定される。

0078

このように、第1シリンドリカルレンズCY1、fθレンズ系FT、および第2シリンドリカルレンズCY2による光路を介して、ビームLBnを基板P上でスポット光SPとして集光する場合、ビームLBnの集光位置が主走査方向と副走査方向とで大きく異なるような収差が発生する。これは、ビームLBnがスポット光として収斂する際に発生する球面収差によるものである。図10図11は、基板Pに向かうビームLBnの球面収差の状態を説明する図であり、図10はビームLBnの主走査方向に関する球面収差の状態を表し、図11はビームLBnの副走査方向に関する球面収差の状態を表す。

0079

図10に示すように、ビームLBnは、主走査方向に関してはある太さの平行光束となってfθレンズ系FTに入射し、主にfθレンズ系FTによって主光線(ビーム中心線)Lpr上の所定のZ位置(フォーカス位置)に集光される。その際、第2シリンドリカルレンズCY2は単なる平行平板として作用する。fθレンズ系FTから射出するビームLBnの主走査方向に関する最大の開口数NAyは、集光点に向かう光線LLaの主光線Lprに対する傾き角(入射角)βaより、NAy=sinβaで決まる。ビームLBnには、光線LLaの入射角βaよりも入射角が小さい光線LLb(入射角をβb)、光線LLbの入射角βbよりも入射角が小さい光線LLc(入射角をβc)等が含まれる。ここで、入射角βaの光線LLaによる集光点がZ軸方向のフォーカス位置Zmaであるとすると、入射角βbの光線LLbによる集光点のフォーカス位置Zmb、入射角βcの光線LLcによる集光点のフォーカス位置Zmcは、いずれもフォーカス位置Zmaに対してZ軸方向にずれている。そのようなずれが球面収差である。

0080

また、図11に示すように、ビームLBnは、副走査方向に関しては、発散光束となってfθレンズ系FTに入射し、fθレンズ系FTによって平行光束に変換された後、第2シリンドリカルレンズCY2の屈折作用を受けて、主光線(ビーム中心線)Lpr上の所定のZ位置(フォーカス位置)に集光される。第2シリンドリカルレンズCY2から射出するビームLBnの副走査方向に関する最大の開口数NAxは、主走査方向に関する最大の開口数NAyと揃うように設定される。したがって、副走査方向に関しても、NAx=sinβaで決まる光線LLa(入射角βa)が集光するフォーカス位置Zsa、入射角βaよりも入射角が小さい光線LLb(入射角をβb)が集光するフォーカス位置Zsb、入射角βbよりも入射角が小さい光線LLc(入射角をβc)が集光するフォーカス位置Zscの各々は、球面収差によってZ軸方向(フォーカス方向)にずれている。なお、図10図11では、fθレンズ系FTから基板Pまでの光路で球面収差が生じるように説明したが、基板Pに達するビームLBnに生じる実際の球面収差は、図2の光源装置14から射出したビームが通る各種の光学部材(レンズ、AOM、反射ミラー)の影響を受けたものとなる。

0081

図12図13は、図6に示した比較例1のレンズデータに基づいて、ビームLBnの最大の開口数NA(=NAy≒NAx)を0.06としてシミュレーションされたビームLBnの球面収差特性であり、横軸は設計上のベストフォーカス位置をゼロ点としたフォーカス位置(μm)を表し、縦軸はビームLBnの最大の開口数NAに対応する光線LLaの最大入射角βa(NAa=sinβa)を1.0(βmax)に規格化した入射角βを表す。したがって、図12図13において、例えば入射角βが0.5とは、最大入射角βaの半分の角度を意味する。さらに、図12中の実線で示す特性(A)は基板Pに投射されるビームLBnの主走査方向に関する球面収差特性であり、破線で示す特性(B)は基板Pに投射されるビームLBnの副走査方向に関する球面収差特性である。図13中に示す特性(C)は、図12中の特性(A)と特性(B)の差分〔(B)−(A)〕による球面収差特性を表したもので、スポット光SPとして基板P上に投射されるビームLBnの入射角度βに応じてベストフォーカス位置がずれており、数十μmの球面収差が発生している。

0082

ここで、図12中の特性(A)はビームエキスパンダーBEとfθレンズ系FTとによって発生する球面収差であり、図12中の特性(B)はビームエキスパンダーBE、第1シリンドリカルレンズCY1、fθレンズ系FT、および第2シリンドリカルレンズCY2の合成系によって発生する球面収差である。したがって、特性(A)と特性(B)の差分の特性(C)は、主に第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2によって発生する球面収差特性に対応する。

0083

(実施例1)
実施例1では、上述したように、第1シリンドリカルレンズCY1の母線の延長方向を副走査方向(X方向)とし、第2シリンドリカルレンズCY2の母線の延長方向を主走査方向(Y方向)とし、第1シリンドリカルレンズCY1とポリゴンミラーPMとの間にレンズ系G10が設けられている。実施例1におけるビームエキスパンダーBEから第2シリンドリカルレンズCY2までの光学設計用のレンズデータを図14に示す。また、図15は、実施例1におけるビームエキスパンダーBEから基板(像面)PまでのビームLBnの状態を、ビームLBnの偏向方向(スポット光SPの走査方向)を含む平面と平行な面内でみた概略図である。図16は、図15に示すビームエキスパンダーBEからポリゴンミラーPMの反射面RPまでのビームLBnの状態を、ビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する面内(副走査方向を含む面内)でみた概略図である。図17は、図15に示すポリゴンミラーPMの反射面RPから基板(像面)PまでのビームLBnを、ビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する面内(副走査方向を含む面内)でみた概略図である。なお、図14においては、ポリゴンミラーPMの反射後は、面間隔と曲率半径の正負の符号を逆転して表してある。図15図17は、実施例1におけるビームエキスパンダーBE〜基板Pまでの各光学部材(第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2など)を、図14の数値例に則った実際の縮尺で配置した様子を示す。

0084

実施例1では、第1シリンドリカルレンズCY1から像面(基板Pの被照射面)までの距離(光路長)が、比較例1に比べて300mm程度短くなるように、上記の式(1)に基づいて、レンズ系G10の焦点距離fGをfG=201.2mm、第1シリンドリカルレンズCY1の焦点距離fC1をfC1=58mmにした。これにより、本実施例1では、比較例1の設計例に比べ、省スペースな光学系を実現することができる。さらに、走査ユニットUnの筐体についても小さくすることができるため、軽量化も図れる。

0085

走査ユニットUnに入射した平行光束のビームLBn(実効的な直径0.5mm)は、4枚の球面レンズLGa〜LGdからなるビームエキスパンダーBEで拡大された後、開口絞りPAにて所定の光束径に整形される。開口絞りPAの開口絞り直径φaは、上記した式(2)に基づき、3.5mmとする。ビームエキスパンダーBEによって拡大された後の光束において、中心からの開口絞り直径φaの半径である1.75mmの位置にて強度が軸上の1/e2となるように、ビームエキスパンダーBEの拡大倍率を7倍に設定する。このように、比較例1と比較してビームエキスパンダーBEの拡大倍率が小さくなるため、ビームエキスパンダーBEの設計が容易になり、ビームエキスパンダーBEで発生する球面収差も小さくすることができる。

0086

ビームエキスパンダーBEの後方に配置した単レンズで構成される焦点距離fC1が58mmの平凸の第1シリンドリカルレンズCY1は、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)に関して、入射したビームLBnを第1シリンドリカルレンズCY1の後側焦点の面p2(第1の位置)に集光する(図15参照)。この面p2の位置は、第1シリンドリカルレンズCY1と、第1シリンドリカルレンズCY1の後方側に配置されたレンズ系G10との間に位置する。なお、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する副走査方向に関しては、第1シリンドリカルレンズCY1を透過したビームLBnは平行光のままである(図16参照)。

0087

2枚の球面レンズG10a、G10bで構成されるレンズ系G10(焦点距離fG=201.2mm)は、レンズ系G10の前側焦点と第1シリンドリカルレンズCY1との後側焦点の位置(面p2)とが所定の許容範囲内で一致するように配置されている。そのため、レンズ系G10を透過したビームLBnは、ビームLBnの主走査方向に関しては平行光束の状態であり(図15参照)、ビームLBnの主走査方向と直交する副走査方向に関してはポリゴンミラーPMの反射面RP上で集光される(図16参照)。ポリゴンミラーPMの反射面RPは、レンズ系G10の後側焦点の位置に来るように設定されている。したがって、ポリゴンミラーPMに投射されるビームLBnは、反射面RP上で偏向方向(主走査方向)に延びたスリット状(長楕円状)に収斂される。

0088

ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射したビームLBnは、ポリゴンミラーPMの回転角度に応じた角度で、焦点距離fθ=100mmのfθレンズ系FTに入射する。fθレンズ系FTは、ポリゴンミラーPMの反射面RPがfθレンズ系FTの前側焦点の位置に来るように配置されている。そのため、fθレンズ系FTは、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)に関しては、ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射したビームLBnを、テレセントリックな状態(ビームLBnの主光線Lprがfθレンズ系FTの光軸AXfと常に平行な状態)で基板Pの被照射面(像面)上に集光する(図15参照)。一方、主走査方向と直交する副走査方向に関しては、fθレンズ系FTは、ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射して発散光束となったビームLBnを平行光束に変換する(図17参照)。

0089

最後に、fθレンズ系FTを透過したビームLBnは、fθレンズ系FTの後方に配置された焦点距離fC2=14.5mmの第2シリンドリカルレンズCY2によって、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの偏向方向(主走査方向)と直交する副走査方向に関しても基板Pの被照射面(像面)上でスポット光SPとなるように集光される(図17参照)。この第2シリンドリカルレンズCY2の位置は、ポリゴンミラーPMによるビームLBnの主走査方向に関する集光位置と、副走査方向に関する集光位置とがフォーカス方向に関して所定の許容範囲内で一致するように定められ、その集光位置が基板Pの被照射面(像面)になるように設定される。以上の図14図17(および図4図5)の構成において、ビームエキスパンダーBE、開口絞りPA、反射ミラーM21、第1シリンドリカルレンズCY1、反射ミラーM22、レンズ系G10、反射ミラーM23までの光学系は、ポリゴンミラーPM(可動偏向部材)に投射されるビームLBnを主走査方向と直交した副走査方向に関して収斂させるための非等方的な屈折力を有する第1光学素子又は第1レンズ部材(第1シリンドリカルレンズCY1)を含む第1調整光学系として機能する。さらに、図14図17(および図4図5)の構成において、fθレンズ系FT(走査用光学系)の後の反射ミラーM24と第2シリンドリカルレンズCY2は、fθレンズ系FTから基板Pに向かうビームLBnを副走査方向に関して収斂させるための非等方的な屈折力を有する第2光学素子又は第2レンズ部材(第2シリンドリカルレンズCY2)を含む第2調整光学系として機能する。

0090

図18図19は、図14に示した実施例1のレンズデータに基づいて、ビームLBnの最大の開口数NAaを0.06としてシミュレーションされたビームLBnの球面収差特性であり、横軸は設計上のベストフォーカス位置をゼロ点としたフォーカス位置(μm)を表し、縦軸は先の図12図13と同様に規格化した入射角βを表す。図18中の実線で示す特性(A)は基板Pに投射されるビームLBnの主走査方向に関する球面収差特性であり、破線で示す特性(B)は基板Pに投射されるビームLBnの副走査方向に関する球面収差特性である。また、図19中に示す特性(C)は、図18中の特性(A)と特性(B)の差分〔(B)−(A)〕による球面収差特性を表したものである。ここで、図18中の特性(A)は、ビームエキスパンダーBE、第1シリンドリカルレンズCY1、レンズ系G10、およびfθレンズ系FTの合成系によって発生する球面収差であり、図18中の特性(B)は、ビームエキスパンダーBE、レンズ系G10、fθレンズ系FT、および第2シリンドリカルレンズCY2の合成系によって発生する球面収差である。したがって、特性(A)と特性(B)の差分の特性(C)は、主に第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2によって発生する球面収差特性に対応する。

0091

シミュレーションの結果、先の図12に示した比較例1の球面収差の特性(A)、(B)と比べて、実施例1の場合は収差量の絶対値が1ケタ程度小さくなっている。図18中の特性(A)から分かるように、レンズ系G10によって第1シリンドリカルレンズCY1で発生する球面収差が補正されるため、スポット光SPとして基板P上に投射されるビームLBnの入射角度βに応じたベストフォーカス位置のずれが殆ど生じていない。このずれ、すなわち球面収差は上述した式(4)、(6)の条件を満たしている。同様に、図18中の特性(B)から分かるように、レンズ系G10によって第2シリンドリカルレンズCY2で発生する球面収差が補正されるため、スポット光SPとして基板P上に投射されるビームLBnの入射角度βに応じたベストフォーカス位置のずれが殆ど生じていない。このずれ、すなわち球面収差は上述した式(4)、(6)の条件を満たしている。そして、図19の特性(C)から分かるように、レンズ系G10によって第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2で発生する球面収差が補正されるため、スポット光SPとして基板P上に投射されるビームLBnの入射角βに応じたベストフォーカス位置の差分が殆ど生じていない。このベストフォーカス位置の差分、すなわち球面収差の差分は上述した式(3)、(5)の条件を満たしている。このように、基板Pに投射されるビームの球面収差を小さくしておくことは、描画可能なパターンの最小線幅をさらに小さくすること(高解像化)に対応して、基板P上に投射されるスポット光SPの実効的な直径を小さくするためにビームLBnの最大の開口数NAaを0.07以上に大きくする場合に有効である。

0092

以上のように、本第1の実施の形態における走査ユニットUnは、光源装置14からのビームLBnを基板Pに投射しつつ、ビームLBnを基板P上で1次元に走査するために、一方向にパワーを有する第1シリンドリカルレンズCY1と、第1シリンドリカルレンズCY1を透過したビームLBnを入射し、1次元の走査のために偏向するポリゴンミラーPMと、ポリゴンミラーPMによって偏向されたビームLBnを入射し、テレセントリックな状態でビームLBnを基板Pに投射するfθレンズ系FTと、fθレンズ系FTを透過したビームLBnを入射し、一方向にパワーを有する第2シリンドリカルレンズCY2とを備え、そして、第1シリンドリカルレンズCY1と第2シリンドリカルレンズCY2とを互いに直交する方向にパワー(屈折力)を有するように配置し、さらに第1シリンドリカルレンズCY1とポリゴンミラーPMとの間に、収差(球面収差)補正のためのレンズ系G10を設けるようにした。

0093

これにより、ポリゴンミラーPMの各反射面による面倒れによって生じるビームLBnの投射位置のずれを補正することができるとともに、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2によって生じる球面収差を簡単な構成で補正することができる。したがって、スポット光SPの結像性能の劣化を抑制して、基板P上に描画されるパターンの解像度(微細度)を高めることができる。また、第1シリンドリカルレンズCY1の焦点距離fC1と第2シリンドリカルレンズCY2の焦点距離fC2を、共にfθレンズ系FTの焦点距離fθよりも小さくできるため、省スペースな光学系を実現することができ(図7図9図15図17とを参照)、走査ユニットUnの筐体についても小さくすることができるため、軽量化も図れる。

0094

第1シリンドリカルレンズCY1は、ポリゴンミラーPMの偏向方向に関して、入射したビームLBnをポリゴンミラーPMの手前で集光し、レンズ系G10は、前記偏向方向に関して、第1シリンドリカルレンズCY1によって集光されて発散した後のビームLBnを平行光にし、前記偏向方向と直交する副走査方向に関して、入射したビームLBnをポリゴンミラーPMの反射面RP上で集光する。これにより、ポリゴンミラーPMに投射されるビームLBnを、反射面RP上で偏向方向に延びたスリット状(長楕円状)に収斂することができる。そして、fθレンズ系FTは、前記偏向方向に関して、入射したビームLBnを基板P上で集光し、前記偏向方向と直交する方向に関して、レンズ系G10によって反射面RP上で集光されて発散した後のビームLBを平行光にし、第2シリンドリカルレンズCY2は、前記偏向方向と直交する方向に関して、入射したビームLBnを基板P上で集光する。これにより、反射面RPがZ方向に対して傾いている場合(XY平面の法線に対する反射面RPの傾き)があっても、反射面RPと基板Pとは副走査方向に関しては共役関係(結像関係)になっているため、反射面RP毎にビームLBnの投射位置が副走査方向にずれることを抑制することができる。

0095

〔変形例1〕
本第1の実施の形態によれば、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の各々は、実施例1(図14)に示したように、ビーム入射側の面が副走査方向に関して一定の曲率半径を有する円筒面に形成され、ビーム射出側の面が平面に形成されレンズで構成される。しかしながら、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の各々の円筒面は、曲率半径が僅かに異なる複数の面を滑らかにつなげた湾曲面(母線と垂直な断面形状では非球面)としてもよい。また、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の各々の平面側を、主走査方向、或いは副走査方向に所定の曲率半径(∞以外の有限値)を有する円筒面状に加工してもよい。また走査ユニットUnの各々に入射するビームLBn(光源装置14の射出ビーム)の波長λは、実施例1や比較例1で設定した紫外域の波長354.7nmに限られず、他の波長(可視域赤外域の光)でもよい。また、レンズ系G10にて色消しを行えば、波長が異なる複数のビームを同軸(または平行)にポリゴンミラーPMに入射させて、波長が異なる複数のスポット光SPで基板Pの表面を走査することができる。或いは、レンズ系G10の色消しによって、ビームLBnを中心波長に対して一定の波長幅内に強度が分布する広波長帯光とすることもできる。また、ビームLBnは非偏光ではなく偏光成分を持っていてもよいし、ビーム断面内の強度分布がガウス分布でなく均一な強度分布(ほぼ矩形または台形の分布)であってもよい。

0096

〔変形例2〕
上記第1の実施の形態では、ポリゴンミラーPMを用いて、ビームLBnを偏向させたが、揺動可能なガルバノミラー(可動偏向部材、揺動反射鏡)を用いてビームLBnを偏向させてもよい。この場合も、ガルバノミラーで反射されたビームLBnはfθレンズ系FTを介して基板P(被照射面)に投射されるので、ガルバノミラーの反射面の面倒れによる補正が必要な場合は、ガルバノミラーの手前に、第1シリンドリカルレンズCY1とレンズ系G10を同様に設け、fθレンズ系FTの後に第2シリンドリカルレンズCY2を設ければよい。また、レンズ系G10は、2枚の球面レンズG10a、G10bで構成したが単一のレンズ、或いは3枚以上のレンズで構成してもよい。また、レンズ系G10を構成する球面レンズG10a、G10bは、非球面レンズで構成してもよい。さらに、第1光学部材CY1および第2光学部材CY2として、シリンドリカルレンズを用いたが、1方向の屈折力が、その方向と直交する方向の屈折力に対して相対的に大きくなるレンズであればよい。例えば、第1光学部材CY1および第2光学部材CY2として、トーリックレンズまたはアナモフィックレンズを採用してもよい。

0097

〔変形例3〕
本第1の実施の形態によれば、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の各々は単レンズで構成される。これによって、第1シリンドリカルレンズCY1および第2シリンドリカルレンズCY2の製作や組込み(調整)が簡単となり、コストを抑えることができる。しかしながら、ビームLBnの球面収差の補正のために、特に第2シリンドリカルレンズCY2を複数枚のレンズで構成することも可能である。第2シリンドリカルレンズCY2を複数枚(例えば2枚)のレンズで構成する場合、複数枚のレンズ間の母線同士の回転方位を高精度に合致させるための調整作業が必要となる。なお、第2シリンドリカルレンズCY2を複数枚(例えば2枚)のレンズで構成する場合、第1シリンドリカルレンズCY1の母線が延びる方向を、比較例1のように主走査方向と平行にして、レンズ系G10を省略しても、基板Pに投射されるビームLBnの球面収差を良好に補正することが可能になる。但し、その場合、比較例1で示したように第1シリンドリカルレンズCY1の焦点距離fC1をfθレンズ系FTの焦点距離fθよりも長くする必要が生じるため、走査ユニットUnの光路の全長は長くなる。しかしながら、fθレンズ系FTの焦点距離fθに対して第2シリンドリカルレンズCY2の焦点距離fC2を小さく設定することもあって、球面収差を小さく抑えることができる。

0098

この変形例3、或いは実施例1(図14図17)では、ビームLBnのスポット光SPを基板P(被照射体)で1次元に走査するビーム走査装置(または描画装置)であって、ビームLBnを偏向するためのポリゴンミラーPM(ビーム偏向部材)の反射面RP上に、副走査方向に関して収斂したビームLBnを投射するための第1シリンドリカルレンズCY1(第1光学部材)と、ポリゴンミラーPMで偏向されたビームLBnを入射して基板Pに向けて投射するとともに、基板P上で1次元に走査するためのfθレンズ系FT(走査用光学系)と、基板Pとfθレンズ系FTの間に配置されて、fθレンズ系FTから射出されるビームLBnを副走査方向に収斂する単レンズまたは複数枚のレンズによる第2シリンドリカルレンズCY2(第2光学部材)とが設けられ、fθレンズ系FTの焦点距離fθと第2シリンドリカルレンズCY2の焦点距離fC2との関係を、fθ>fC2とすることで、基板Pに所定の開口数を伴って投射されるビームLBnの球面収差を低減したビーム走査装置(または描画装置)が得られる。

0099

[第2の実施の形態]
先の図4でも簡単に説明したが、走査ユニットUn内のビームエキスパンダーBEを構成するレンズ系Be1、Be2の間の光路中には、描画ラインSLnを副走査方向(X方向)に微小シフトさせるために、ソフト用光学部材としての傾斜可能な平行平板HVPが設けられている。図20A、図20Bは、平行平板HVPの傾斜によって描画ラインSLnがシフトする様子を説明するもので、図20Aは、平行平板HVPの互いに平行な入射面と射出面がビームLBnの中心線(主光線)に対して90度になっている状態を示す図であり、すなわち平行平板HVPがXZ面内で傾斜していない状態を示す図である。図20Bは、平行平板HVPの互いに平行な入射面と射出面がビームLBnの中心線(主光線)に対して90度から傾いている場合、すなわち平行平板HVPがYZ面に対して角度ηだけ傾斜している状態を示す図である。

0100

さらに、図20A、図20Bでは、平行平板HVPが傾斜していない状態(角度η=0度)のとき、レンズ系Be1、Be2の光軸AXeは開口絞りPAの円形開口の中心を通るように設定され、ビームエキスパンダーBEに入射するビームLBnの中心線は光軸AXeと同軸になるように調整されているものとする。また、レンズ系Be2の後側焦点の位置は開口絞りPAの円形開口の位置に一致するように配置される。開口絞りPAの位置は、先の図16に示した第1シリンドリカルレンズCY1とレンズ系G10(球面レンズG10a、10b)によって、副走査方向に関しては、ポリゴンミラーPMの反射面RPの位置(或いはfθレンズ系FTの前側焦点の位置)からみると、ほぼ瞳の位置になるように設定されている。一方で、主走査方向に関しては、開口絞りPAは、fθレンズ系FTの前側焦点の位置である入射瞳の位置と光学的に共役になるように配置されている。そのため、平行平板HVPを角度ηだけ傾けた場合、平行平板HVPを透過してレンズ系Be2に入射するビームLBn(ここでは発散光束)の中心線は、光軸AXeに対して−Z方向に微小に平行移動し、レンズ系Be2から射出するビームLBnは平行光束に変換されるとともに、ビームLBnの中心線は光軸AXeに対して僅かに傾く。

0101

レンズ系Be2の後側焦点の位置は開口絞りPAの円形開口の位置に一致するように配置されているので、レンズ系Be2から傾いて射出するビームLBn(平行光束)は、開口絞りPA上でZ方向にずれることは無く、円形開口に投射され続ける。したがって、開口絞りPAの円形開口を通過したビームLBnは、強度分布上の1/e2の裾野の強度を正確にカットされた状態で、光軸AXeに対してXZ面内で副走査方向に僅かに傾いた角度で、後段の第1シリンドリカルレンズCY1に向かう。開口絞りPAは、副走査方向に関してはポリゴンミラーPMの反射面RPからみると瞳位置に対応しており、開口絞りPAの円形開口を通過したビームLBnの副走査方向に関する傾き角に応じて、ポリゴンミラーPMの反射面RPに入射するビームLBn(副走査方向に関して収斂)の反射面上での位置が僅かにシフトする。したがって、ポリゴンミラーPMの反射面RPで反射したビームLBnも、図4に示したfθレンズ系FTの光軸AXfを含むXY面と平行な面に対して僅かにZ方向にシフトした状態でfθレンズ系FTに入射する。その結果、先の図17で示した光路の場合は、第2シリンドリカルレンズCY2に入射するビームLBnが副走査方向に僅かに傾き、基板P上に投射されるビームLBnのスポット光SPの位置が副走査方向に僅かにシフトすることになる。なお、図4図20では、ビームエキスパンダーBEを構成するレンズ系Be1、Be2の双方を正の屈折力を有する球面レンズ(凸レンズ)としたが、ビームLBnの入射側のレンズ系Be1を負の屈折力を有する球面レンズ(凹レンズ)としても良い。この場合、レンズ系Be1から射出するビームLBnは収斂されることなく発散光束となってレンズ系Be2に入射し、レンズ系Be2によってビーム径が拡大された平行光束に変換される。

0102

先の比較例1のように、第1シリンドリカルレンズCY1の母線と第2シリンドリカルレンズCY2の母線とを互いに平行に配置し、第2シリンドリカルレンズCY2を単レンズで構成した場合、図12図13で示したように、大きな球面収差が残存する。そのため、平行平板HVPを比較例1のビームエキスパンダーBE(図7図8)内に設けて傾けると、第2シリンドリカルレンズCY2に入射するビームLBnの位置や傾きが副走査方向に僅かに変化することに起因して、さらに大きな球面収差が発生することになる。これに対して、実施例1のように、第1シリンドリカルレンズCY1の母線と第2シリンドリカルレンズCY2の母線とを互いに直交する関係で配置するとともに、レンズ系G10を設けた場合、或いは、変形例3で説明したように第2シリンドリカルレンズCY2を複数枚のレンズで構成した場合は、図18図19で示したように球面収差量をスポット光SPの実効的なサイズ(直径)φ以下に良好に補正することができる。そのため、平行平板HVPを傾ける際に、第2シリンドリカルレンズCY2に入射するビームLBnの位置や傾きが副走査方向に僅かに変化することに起因して生じる球面収差量の増分も小さく抑えられる。

実施例

0103

図4図20)に示した平行平板HVPは、走査ユニットUnの各々に設けられているので、走査ユニットUn毎に、平行平板HVPの傾き角度ηを連続的に変化させることで、基板P上に描画されるパターンの副走査方向の局所的な部分を微少な比率で伸縮させることができる。そのため、基板Pの長尺方向(副走査方向)に関して基板Pが部分的に伸縮している場合であっても、基板P上に既に形成された下地パターン(第1層パターン)に対して第2層用のパターンを重ね合せ露光(描画)する際の重ね合せ精度を良好に維持できる。基板Pの長尺方向(副走査方向)の局所的な伸縮は、例えば、基板Pの幅方向の両側に長尺方向に一定のピッチ(例えば10mm)で形成されるアライメントマークアライメント顕微鏡で拡大して撮像素子で順次撮像し、マーク位置の長尺方向の変化(マークのピッチ変化等)を画像解析することによって、走査ユニットUnの各々がパターン描画する直前予測できる。アライメントマークの配置やアライメント顕微鏡の配置等の一例は、例えば国際公開第2015/152218号パンフレットに開示されている。

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