CN109196423B - 光束扫描装置 - Google Patents

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Abstract

作为于基板(P)上一维地扫描光束(LBn)的光束扫描装置的扫描单元(Un)，具备于一方向具有聚焦力的第1柱面透镜(CY1)、使透过第1柱面透镜(CY1)的光束(LBn)偏向以便进行一维扫描的多面镜(PM)、将以远心的状态偏向的光束(LBn)投射至基板(P)的fθ透镜系统(FT)、及入射透过fθ透镜系统(FT)的光束(LBn)且于一方向具有聚焦力的第2柱面透镜(CY2)，第1柱面透镜(CY1)与第2柱面透镜(CY2)于彼此正交的方向具有聚焦力，该扫描单元(Un)进而具备设置于第1柱面透镜(CY1)与多面镜(PM)之间的透镜系统(G10)。

Description

光束扫描装置
技术领域
本发明关于一种为于基板描绘特定图案而沿主扫描方向一维地扫描光束的光束扫描装置。
背景技术
已知，通过使用fθ透镜系统及多面镜(旋转多面镜)，可等速地扫描投射至感光材料上的光束。一般的多面镜的各反射面是与正交于多面镜的旋转面(包含旋转方向的平面)的方向平行地形成，但实际的反射面伴随有如相对于与多面镜的旋转面正交的方向略微倾斜的误差，即所谓面倾斜(倾斜)误差。该误差因每一反射面而异，故通过fθ透镜系统于感光材料上成像的光点的像位置(光束的投射位置)，于每个反射面有所偏移。
为防止该投射位置的偏移，于下述日本专利特开平8－297255号公报中，在多面镜的前方与fθ透镜系统之后此2处，配置有仅在相对于多面镜的偏向方向(扫描方向、多面镜的旋转方向)正交的方向具有折射力的柱面透镜。即，配置有如母线与光束的扫描方向平行的2个柱面透镜。由此，于与光束的扫描方向(主扫描方向)正交的方向(副扫描方向)上，可使多面镜的反射面上与感光材料的被照射面成为共轭关系，即使面斜率误差因多面镜的反射面而异，亦可使光束于感光材料上的投射位置在副扫描方向固定。
然而，如日本专利特开平8－297255号公报所述，将配置于多面镜前方的第1柱面透镜、及配置于fθ透镜系统(由多片球面透镜所构成)之后的第2柱面透镜的各个由单透镜构成，且使第1柱面透镜的母线与第2柱面透镜的母线平行的情形时，存在难以进行用以将由柱面透镜所产生的像差(例如光束的球面像差)良好地降低的光学设计(像差修正)等问题。
发明内容
本发明的第1实施方式的光束扫描装置，是一面将来自光源装置的光束投射至被照射体、一面于上述被照射体上一维地扫描上述光束，其具备：第1光学构件，其将上述光束聚光于对应上述一维方向的第1方向；光束偏向构件，其使通过上述第1光学构件的上述光束射入，为进行上述一维扫描而使上述光束偏向于上述第1方向；扫描用光学系统，其使以上述光束偏向构件偏向的上述光束射入，并投射向上述被照射体；第2光学构件，其使通过上述扫描用光学系统的上述光束射入，并将上述光束聚光于与上述第1方向正交的第2方向；及透镜系统，其设置于上述第1光学构件与上述光束偏向构件之间，将通过上述第1光学构件的上述光束于上述光束偏向构件的位置聚光于上述第2方向。
本发明的第2实施方式的描绘装置，是一面于被照射体上在主扫描方向扫描来自光源装置的光束，一面使上述被照射体与上述光束于副扫描方向相对移动，以于上述被照射体描绘图案，其具备：可动偏向构件，其为于上述主扫描方向扫描上述光束，而上述光束射入并使其于上述主扫描方向一维偏向；扫描用光学系统，其使以上述可动偏向构件一维偏向的上述光束射入，并将上述光束聚光投射至上述被照射体上；第1光学构件，其具有异向性的折射力，将朝向上述可动偏向构件的上述光束收敛于上述主扫描方向；第2光学构件，其具有异向性的折射力，将自上述扫描用光学系统射出而朝向上述被照射体的上述光束收敛于上述副扫描方向；及第3光学构件，其设置于上述第1光学构件与上述可动偏向构件之间，且具有使收敛于上述主扫描方向的上述光束射入，并将之转换为于上述副扫描方向收聚的光束并使其朝向上述可动偏向构件射出的等向性的折射力。
本发明的第3实施方式的描绘装置，是一面将被可动偏向构件偏向于第1方向的光束，以扫描用光学系统投射至被照射体上，一面于上述被照射体上沿上述第1方向进行一维扫描，以于上述被照射体描绘图案，其具备：第1调整光学系统，其包含第1透镜构件，该第1透镜构件具有用以使投射至上述可动偏向构件的上述光束在与上述第1方向正交的第2方向收敛的异向性折射力；及第2调整光学系统，其包含第2透镜构件，该第2透镜构件具有用以使从上述扫描用光学系统朝向上述被照射体的上述光束在上述第2方向收敛的异向性折射力；将上述光束的波长设为λ，将投射至上述被照射体的上述光束在上述第1方向的数值孔径设为NAy，将在上述第2方向的数值孔径设为NAx，将投射至上述被照射体的上述光束在上述第1方向的球面像差设为S1，将在上述第2方向的球面像差设为S2时，上述第1透镜构件与上述第2透镜构件，被设定为满足如下两个条件的任一者：S1＜λ/NAy 2且S2＜λ/NAx 2、及|S1－S2|＜λ/NAy 2且|S1－S2|＜λ/NAx 2。
本发明的第4实施方式的描绘装置，是沿被照射体上的主扫描方向一维扫描图案描绘用的光束，并且使上述被照射体与上述光束在与上述主扫描方向交叉的副扫描方向相对移动，以于上述被照射体描绘图案，其具备：光束产生装置，用以产生上述光束；扩束器，其将来自上述光束产生装置的上述光束转换为使光束直径扩大而成的平行光束；光束偏向构件，使经上述扩束器转换后的上述光束射入后，使其向与上述主扫描方向对应的方向一维偏向；扫描用光学系统，使上述一维偏向后的上述光束射入，并将上述光束的光点聚光于上述被照射体上；第1光学系统，其包含第1光学元件，该第1光学元件设置于上述扩束器与上述光束偏向构件之间，具有用以使经上述扩束器转换后的上述光束射入，并使投射至上述光束偏向构件上的上述光束在与上述副扫描方向对应的方向收敛的异向性折射力；第2光学系统，其包含第2光学元件，该第2光学元件具有用以使从上述扫描用光学系统射出、朝向上述被照射体的上述光束在上述副扫描方向收敛的异向性折射力；及偏移用光学构件，其设置于上述扩束器的光路中，使上述光束的光路往与上述副扫描方向对应的方向偏移。
附图说明
图1是显示实施方式的包含对基板实施曝光处理的曝光装置的元件制造系统的概略构成的图。
图2是显示图1所示的光束切换部及描绘头的概略构成并且表示描绘头的各扫描单元的扫描线于基板上的配置关系的图。
图3是显示图2所示的光束切换部的选择用光学元件及入射镜周围的具体构成的图。
图4是显示图2所示的扫描单元的具体构成的图，且是自与包含光束的扫描方向(偏向方向)的平面(与XY平面平行的平面)正交的平面(XZ平面)观察所得的图。
图5是自与包含光束的偏向方向(主扫描方向)的平面平行的平面观察图4所示的孔径光阑至基板的光束的概略图。
图6是显示比较例1的光学设计例中的透镜数据图。
图7是于与包含光束的偏向方向(光点的主扫描方向)的平面平行的面内观察比较例1中的扩束器至基板(像面)的光束的状态的概略图。
图8是自与光束的主扫描方向正交的平面观察图7所示的扩束器至多面镜的反射面的光束的状态的概略图。
图9是自与光束的主扫描方向正交的平面观察图7所示的多面镜的反射面至基板(像面)的光束的状态的概略图。
图10是将自fθ透镜系统投射至基板(像面)的光束的主扫描方向上的球面像差的产生状态夸大而加以说明的图。
图11是将自fθ透镜系统投射至基板(像面)的光束的副扫描方向上的球面像差的产生状态夸大而加以说明的图。
图12是仿真藉通过由比较例1的光学设计例而产生的光束的主扫描方向与副扫描方向的球面像差特性所得的曲线图。
图13是显示比较例1中的主扫描方向的球面像差与副扫描方向的球面像差的差分的球面像差特性的曲线图。
图14是显示实施例1的光学设计例中的透镜数据的图。
图15是于与包含光束的偏向方向(光点的主扫描方向)的平面平行的面内观察实施例1中的扩束器至基板(像面)的光束的状态的概略图。
图16是于与光束的主扫描方向正交的面内观察图15所示的扩束器至多面镜的反射面的光束的状态的概略图。
图17是于与光束的主扫描方向正交的面内观察图15所示的多面镜的反射面至基板(像面)的光束的状态的概略图。
图18是仿真通过实施例1的光学设计例而产生的光束的主扫描方向与副扫描方向的球面像差特性所得的曲线图。
图19是显示实施例1中的主扫描方向的球面像差与副扫描方向的球面像差的差分的球面像差特性的曲线图。
图20A是显示平行板于XZ面内不倾斜的状态图，图20B是表示平行板相对于YZ面倾斜角度η的状态图。
具体实施方式
关于本发明的实施方式的光束扫描装置及描绘装置，揭示较佳的实施方式，并一面参照随附的附图，一面于以下进行详细说明。再者，本发明的实施方式并不限定于该些实施方式，也包括添加各种变更或改良而成的实施方式。即，以下所记载的构成要素中包含业者可容易设想、实质上相同的实施方式，且以下所记载的构成要素可适当组合。又，可于不脱离本发明的主旨的范围内进行构成要素的各种省略、置换或变更。
[第1实施方式]
图1是显示第1实施方式的包含对基板(被照射体)P实施曝光处理的曝光装置EX的元件制造系统10的概略构成图。再者，于以下说明中，只要无特别说明，便设定以重力方向为Z方向的XYZ正交坐标系统，并按照图示的箭头，对X方向、Y方向、及Z方向进行说明。
元件制造系统10是对基板P实施特定处理(曝光处理等)而制造电子元件的系统(基板处理装置)。元件制造系统10例如是构建出制造作为电子元件的挠性显示器、膜状的触控面板、液晶显示面板用的膜状的彩色滤光片、挠性配线、或挠性传感器等生产线的制造系统。以下，作为电子元件以挠性显示器为前提进行说明。作为挠性显示器，例如存在有机EL显示器、液晶显示器等。元件制造系统10具有所谓辊对辊(Roll To Roll)方式的构造，即：自呈卷筒状卷绕有挠性(可挠性)的片状基板(薄片基板)P的图示的供给辊送出基板P，并对所送出的基板P连续地实施各种处理，然后通过未图示的回收辊卷取各种处理后的基板P。因此，各种处理后的基板P成为多个元件于基板P的搬送方向相连的状态，而成为多倒角用的基板。自上述供给辊送出的基板P依序通过加工装置PR1、曝光装置EX、及加工装置PR2被施以各种处理，并通过上述回收辊而被卷取。基板P具有基板P的移动方向(搬送方向)成为长边方向(长尺寸)且宽度方向成为短边方向(短尺寸)的带状的形状。
于本第1实施方式中，X方向是于与Z方向正交的水平面内，基板P自供给辊朝向回收辊的方向。Y方向是于与Z方向正交的水平面内与X方向正交的方向，且是基板P的宽度方向(短尺寸方向)。再者，将－Z方向设定为重力起作用的方向(重力方向)，将基板P的搬送方向设定为+X方向。
基板P例如可使用树脂膜、或由不锈钢等金属或合金所构成的箔(foil)等。作为树脂膜的材质，例如可使用包含聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酯树脂、乙烯－乙烯酯共聚物树脂、聚氯乙烯树脂、纤维素树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、及乙酸乙烯酯树脂中至少一种以上的材质。又，基板P的厚度及刚性(杨氏模数)只要处于如在通过元件制造系统10的搬送路径时基板P不会产生挫曲所致的折痕及不可逆性的皱褶的范围内即可。作为基板P的母材，厚度为25μm～200μm左右的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)及PEN(聚萘二甲酸乙二酯)等膜是较佳的薄片基板的典型。
基板P有于在元件制造系统10内被实施的各处理中受热的情形，因此较佳为选定热膨胀系数不太大的材质的基板P。例如，可通过由将无机填料混合于树脂膜中而抑制热膨胀系数。无机填料例如可为氧化钛、氧化锌、氧化铝或氧化硅等。又，基板P既可为通过浮式法等而制造的厚度为100μm左右的极薄玻璃的单层体，也可为于该极薄玻璃贴合上述树脂膜、箔等而成的积层体。
且说，所谓基板P的可挠性(flexibility)是指即便对基板P施加自重程度的力其也不会断折或断裂而可将该基板P弄弯的性质。又，通过自重程度的力而屈曲的性质也包含于可挠性。又，可挠性的程度会根据基板P的材质、大小、厚度、成膜于基板P上的层构造、温度或湿度等环境等而改变。总之，只要于将基板P确实地卷绕在设置于本第1实施方式的元件制造系统10内的搬送路径上的各种搬送用滚筒、旋转筒等搬送方向转换用构件的情形时可不发生挫曲而造成折痕、或发生破损(发生破碎或产生裂纹)地顺利搬送基板P，便能称为可挠性的范围。
加工装置(处理装置)PR1一面将自供给辊送来的基板P向曝光装置EX以特定速度于沿长尺寸方向的搬送方向(+X方向)搬送，一面对送往曝光装置EX的基板P进行前步骤的处理。通过该前步骤的处理，送往曝光装置EX的基板P成为于其表面形成有感光性功能层(感光层)的基板(感光基板)。
该感光性功能层是以溶液形式涂布于基板P上并进行干燥，由此成为层(膜)。感光性功能层的典型例为光阻剂(液状或干膜状)，但作为无需显影处理的材料，有受到紫外线照射的部分的亲拨液性被改质的感光性硅烷偶合剂(SAM)、或于受到紫外线照射的部分显露镀覆还原基的感光性还原剂等。于使用感光性硅烷偶合剂作为感光性功能层的情形时，基板P上通过紫外线而曝光的图案部分自拨液性改质为亲液性。因此，可通过于成为亲液性的部分上选择涂布含有导电性墨水(含有银或铜等导电性纳米粒子的墨水)或半导体材料的液体等，而形成要成为构成薄膜晶体管(TFT)等的电极、半导体、绝缘或连接用的配线的图案层。于使用感光性还原剂作为感光性功能层的情形时，于基板P上通过紫外线而曝光的图案部分显露镀覆还原基。因此，曝光后，立即将基板P于含有钯离子等的镀覆液中浸渍固定时间，由此形成(析出)由钯所构成的图案层。此种镀覆处理是加成(additive)制程，此外也能以作为减成(subtractive)制程的蚀刻处理为前提。于该情形时，送往曝光装置EX的基板P可为将母材设为PET或PEN并于其表面整面或选择性地蒸镀铝(Al)或铜(Cu)等金属性薄膜，进而于其上积层光阻剂层而形成。
曝光装置(处理装置)EX是一面将自加工装置PR1搬送来的基板P向加工装置PR2以特定速度于搬送方向(+X方向)搬送、一面对基板P进行曝光处理的处理装置。曝光装置EX向基板P的表面(感光性功能层的表面，即感光面)照射与电子元件用的图案(例如，构成电子元件的TFT的电极或配线等图案)相应的光图案。由此，于感光性功能层形成与上述图案对应的潜影(改质部)。
于本第1实施方式中，曝光装置EX是不使用遮罩的直接成像方式的曝光装置即所谓光栅扫描方式的曝光装置(描绘装置)。曝光装置EX一面于+X方向(副扫描方向)搬送基板P，一面将曝光用的脉冲状的光束LB(脉冲光束)的光点SP于基板P的被照射面(感光面)上沿既定扫描方向(Y方向)一维地扫描(主扫描)，并且将光点SP的强度根据图案数据(描绘数据、图案信息)高速地调变(接通/断开)。由此，于基板P的被照射面描绘曝光与电子元件、电路或配线等的特定图案对应的光图案。即，通过基板P的副扫描、及光点SP的主扫描，于基板P的被照射面(感光性功能层的表面)上相对性地二维扫描光点SP，而于基板P的被照射面描绘曝光特定图案。又，由于基板P是沿搬送方向(+X方向)而搬送，故而通过由曝光装置EX被曝光图案的曝光区域是沿基板P的长尺寸方向隔开特定间隔而设置有多个。由于是在该曝光区域形成电子元件，故而曝光区域也为元件形成区域。
加工装置(处理装置)PR2一面将自曝光装置EX送来的基板P向回收辊以特定速度于沿长尺寸方向的搬送方向(+X方向)搬送，一面对经曝光装置EX曝光处理后的基板P进行后续步骤的处理(例如镀覆处理、或显影、蚀刻处理等)。通过该后续步骤的处理，而于基板P上形成元件的图案层。
其次，亦参照图2～图5，对曝光装置EX进而详细地进行说明。曝光装置EX如图1所示收纳于调温室ECV内。该调温室ECV将内部保持为特定温度、特定湿度，由此抑制于内部搬送的基板P因温度所导致的形状变化，并且抑制基板P的吸湿性及伴随于搬送而产生的静电带电等。调温室ECV经由被动或主动的抗振单元SU1、SU2而配置于制造工厂的设置面E。抗振单元SU1、SU2减少来自设置面E的振动。该设置面E既可为工厂的地面本身，也可为专用地设置于地面上以制造出水平面的设置基台(底座)上的面。曝光装置EX至少具备基板搬送机构12、光源装置14、光束切换部BDU、描绘头16、及控制装置18。控制装置18是控制曝光装置EX的各部的装置。该控制装置18包含电脑、及记录有编程的记录媒体等，其通过该电脑执行编程，而作为本第1实施方式的控制装置18发挥功能。
基板搬送机构12是构成元件制造系统10的基板搬送装置的一部分，将自加工装置PR1搬送的基板P于曝光装置EX内以特定速度搬送后，以特定速度送出至加工装置PR2。基板搬送机构12自基板P的搬送方向的上游侧(－X方向侧)依序具有边缘位置控制器EPC、驱动滚筒R1、张力调整滚筒RT1、旋转筒(圆筒转筒)DR、张力调整滚筒RT2、驱动滚筒R2、及驱动滚筒R3。通过将基板P架设于基板搬送机构12的边缘位置控制器EPC、驱动滚筒R1～R3、张力调整滚筒RT1、RT2、及旋转筒(圆筒转筒)DR，而规定于曝光装置EX内搬送的基板P的搬送路径。
边缘位置控制器EPC调整自加工装置PR1搬送的基板P的宽度方向(Y方向且基板P的短尺寸方向)上的位置。即，边缘位置控制器EPC是以呈被施加特定张力的状态搬送的基板P的宽度方向的端部(边缘)的位置处在相对于目标位置±十几μm～几十μm左右的范围(容许范围)的方式，使基板P于宽度方向移动，而调整基板P的宽度方向上的位置。边缘位置控制器EPC具有供基板P呈被施加特定张力的状态架设的滚筒、及检测基板P的宽度方向的端部(边缘)的位置的未图示的边缘感测器(端部检测部)。边缘位置控制器EPC基于上述边缘感测器所检测出的检测信号，使边缘位置控制器EPC的上述滚筒于Y方向移动，而调整基板P的宽度方向上的位置。驱动滚筒(夹压滚筒)R1一面保持自边缘位置控制器EPC搬送的基板P的正背两面，一面旋转，而将基板P向旋转筒DR搬送。再者，边缘位置控制器EPC也可以卷绕于旋转筒DR的基板P的长尺寸方向相对于旋转筒DR的中心轴AXo始终正交的方式，适当调整基板P的宽度方向上的位置，并且以修正基板P的行进方向上的斜率误差的方式，适当调整边缘位置控制器EPC的上述滚筒的旋转轴与Y轴的平行度。
旋转筒DR具有沿Y方向延伸并且沿与重力起作用的方向交叉的方向延伸的中心轴AXo、及与中心轴AXo相距固定半径的圆筒状的外周面。旋转筒DR一面沿循其外周面(圆周面)使基板P的一部分于长尺寸方向弯曲成圆筒面状地予以支持(保持)，一面以中心轴AXo为中心旋转而于+X方向(长尺寸方向)搬送基板P。旋转筒DR是以其外周面支持被投射来自描绘头16的光束LB(光点SP)的基板P上的区域(部分)。旋转筒DR是自与供形成电子元件的面(形成有感光面的侧面)为相反侧的面(背面)侧支持(密接保持)基板P。于旋转筒DR的Y方向的两侧，设置有以旋转筒DR绕中心轴AXo旋转的方式由环状的轴承支持的轴Sft。旋转筒DR是通过对轴Sft赋予来自由控制装置18控制的未图示的旋转驱动源(例如，马达或减速机构等)的转矩，而绕中心轴AXo以固定旋转速度旋转。再者，为方便起见，将包含中心轴AXo且与YZ平面平行的平面称为中心面Poc。
驱动滚筒(夹压滚筒)R2、R3是沿基板P的搬送方向(+X方向)隔开特定间隔而配置，对曝光后的基板P赋予既定松弛度(裕度)。驱动滚筒R2、R3与驱动滚筒R1同样地，一面保持基板P的正背两面，一面旋转，而将基板P向加工装置PR2搬送。张力调整滚筒RT1、RT2向－Z方向被赋能，对被卷绕至旋转筒DR且受到支持的基板P于长尺寸方向赋予特定张力。由此，使赋予至绕挂于旋转筒DR的基板P的长尺寸方向的张力稳定化为特定范围内。控制装置18通过控制未图示的旋转驱动源(例如，马达或减速机构等)，而使驱动滚筒R1～R3旋转。再者，驱动滚筒R1～R3的旋转轴、及张力调整滚筒RT1、RT2的旋转轴与旋转筒DR的中心轴AXo平行。
光源装置14产生并射出脉冲状的光束(脉冲光束、脉冲光、雷射)LB。该光束LB于370nm以下的波长频带具有峰值波长的紫外线光，将光束LB的发光频率(振荡频率、特定频率)设为Fa。光源装置14所射出的光束LB经由光束切换部BDU而入射至描绘头16。光源装置14按照控制装置18的控制，以发光频率Fa发出并射出光束LB。该光源装置14也可为由产生红外波长区域的脉冲光的半导体雷射元件、光纤放大器、及将放大后的红外波长区域的脉冲光转换为紫外波长区域的脉冲光的波长转换元件(谐波产生元件)等所构成的光纤放大器雷射光源。通过以此方式构成光源装置14，可获得振荡频率Fa为数百MHz、且1脉冲光的发光时间为数微微秒左右的高亮度的紫外线的脉冲光。再者，自光源装置14的射出窗射出的光束LB成为其光束直径为1mm左右、或1mm以下的较细的平行光束。
关于光束切换部BDU，参照图2于下文详细地加以叙述，其具有多个光学性切换元件，该些多个切换元件以使光束LB分时入射至构成描绘头16的多个扫描单元Un(再者，n＝1、2、…、6)中的任一个扫描单元Un的方式进行切换。多个切换元件于扫描单元U1～U6之中依序切换供光束LB入射的扫描单元Un。例如，光束切换部BDU反复实施以U1→U2→U3→U4→U5→U6的顺序切换供光束LB入射的扫描单元Un的动作。再者，有时会将经由光束切换部BDU而入射至扫描单元Un的、来自光源装置14的光束LB表示为LBn。而且，有时会以LB1表示入射至扫描单元U1的光束LBn，且同样地以LB2～LB6表示入射至扫描单元U2～U6的各个光束LBn。
如图2所示，于各个扫描单元U1～U6，设置有用以主扫描所入射的光束LB1～LB6的多面镜PM。于本第1实施方式中，各扫描单元Un的各个多面镜PM以一面用相同的旋转速度精密地旋转、一面彼此保持固定的旋转角度相位的方式得到同步控制。由此，可将自各个扫描单元U1～U6投射至基板P的各自光束LB1～LB6的主扫描的时序(光点SP的主扫描期间)以不彼此重叠的方式进行设定。因此，光束切换部BDU能够将光束LB切换地供给至扫描单元Un的任一者以使光束LB入射至进行光点SP的扫描的扫描单元Un的任一者，即分时地配给光束LB。再者，进行光点SP的主扫描的扫描单元Un(供光束LBn入射的扫描单元Un)是以U1→U2→U3→U4→U5→U6→U1…的顺序反复。关于如此地将来自光源装置14的光束LB分时配给至多个扫描单元Un各个的构成，揭示于国际公开第2015/166910号公报。
如图2所示，描绘头16成为将相同构成的多个扫描单元Un(U1～U6)排列而成的所谓多光束型的描绘头。描绘头16于由旋转筒DR的外周面(圆周面)支持的基板P的一部分，通过多个扫描单元Un(U1～U6)而描绘图案。各扫描单元Un(U1～U6)一面将来自光束切换部BDU的光束LBn投射至基板P上(基板P的被照射面上)，一面于基板P上将光束LBn聚光(收聚)。由此，投射至基板P上的光束LBn(LB1～LB6)成为光点SP。又，通过各扫描单元Un(U1～U6)的多面镜PM的旋转，而于主扫描方向(Y方向)扫描投射至基板P上的光束LBn(LB1～LB6)的光点SP。通过该光点SP的扫描，而于基板P上规定出描绘1行的图案的直线性的描绘线(扫描线)SLn(再者，n＝1、2、…、6)。即，描绘线SLn表示光束LBn的光点SP于基板P上的扫描轨迹。
扫描单元U1沿描绘线SL1扫描光点SP，同样地，扫描单元U2～U6沿描绘线SL2～SL6扫描光点SP。如图2所示，多个扫描单元Un(U1～U6)的描绘线SLn(SL1～SL6)隔着中心面Poc(参照图1)于旋转筒DR的圆周方向呈2行以错位排列而配置。第奇数号描绘线SL1、SL3、SL5位于相对于中心面Poc为基板P的搬送方向的上游侧(－X方向侧)的基板P的被照射面上，且沿Y方向隔开特定间隔配置成1行。第偶数号描绘线SL2、SL4、SL6位于相对于中心面Poc为基板P的搬送方向的下游侧(+X方向侧)的基板P的被照射面上，且沿Y方向隔开特定间隔配置成1行。
因此，多个扫描单元Un(U1～U6)也隔着中心面Poc于基板P的搬送方向呈2行以错位排列而配置。即，第奇数号扫描单元U1、U3、U5相对于中心面Poc在基板P的搬送方向的上游侧(－X方向侧)沿Y方向隔开特定间隔配置成1行。第偶数号扫描单元U2、U4、U6在相对于中心面Poc为基板P的搬送方向的下游侧(+X方向侧)沿Y方向隔开特定间隔配置成1行。第奇数号扫描单元U1、U3、U5与第偶数号扫描单元U2、U4、U6自XZ平面观察时相对于中心面Poc对称而设置。
第奇数号描绘线SL1、SL3、SL5与第偶数号描绘线SL2、SL4、SL6彼此分隔，但于Y方向(基板P的宽度方向、主扫描方向)上不彼此分离而接续。描绘线SL1～SL6与基板P的宽度方向、即旋转筒DR的中心轴AXo大致平行。再者，所谓使描绘线SLn于Y方向接续是指使描绘线SLn的端部彼此于Y方向上邻接或部分重叠。于使描绘线SLn的端部彼此重叠的情形时，例如可使其在相对于各描绘线SLn的长度而言包含描绘起始点、或描绘结束点在内于Y方向百分之几以下的范围内重叠。
如此，以多个扫描单元Un(U1～U6)全部覆盖曝光区域的宽度方向的整体方式，由各扫描单元Un(U1～U6)分担扫描区域。由此，各扫描单元Un(U1～U6)可于沿基板P的宽度方向分割而成多个区域(描绘范围)的每一个描绘图案。例如，若将1个扫描单元Un的Y方向的扫描长度(描绘线SLn的长度)设定为20～60mm左右，则通过于Y方向配置此3个第奇数号扫描单元U1、U3、U5、及此3个第偶数号扫描单元U2、U4、U6共计6个扫描单元Un，而将可描绘的Y方向的宽度扩大至120～360mm左右。各描绘线SLn(SL1～SL6)的长度(描绘范围的长度)原则上设定为相同。即，沿描绘线SL1～SL6的各个而扫描的光束LBn的光点SP的扫描距离原则上设定为相同。
于本第1实施方式的情形时，来自光源装置14的光束LB是脉冲光，故而于主扫描期间投射至描绘线SLn上的光点SP根据光束LB的振荡频率Fa(例如，400MHz)而成为离散性。因此，需要使通过光束LB的1脉冲光而投射的光点SP与通过下一个1脉冲光而投射的光点SP于主扫描方向重叠。该重叠的量是根据光点SP的大小φ、光点SP的扫描速度(主扫描的速度)Vs、及光束LB的振荡频率Fa而设定。光点SP的有效大小(直径)φ于光点SP的强度分布近似于高斯分布的情形时，由成为光点SP的峰值强度的1/e2(或1/2)的强度的宽度尺寸所决定。于本第1实施方式中，以光点SP相对于有效大小(尺寸)φ重叠φ×1/2左右的方式，而设定光点SP的扫描速度Vs(多面镜PM的旋转速度)及振荡频率Fa。因此，脉冲状的光点SP沿主扫描方向的投射间隔成为φ/2。因此，于副扫描方向(与描绘线SLn正交的方向)上，也较理想为，以于沿描绘线SLn的光点SP的1次扫描与下次扫描之间，基板P以光点SP的有效大小φ的大致1/2的距离移动的方式进行设定。进而，在使于Y方向相邻的描绘线SLn于主扫描方向连接的情形时，较理想为使其等重叠φ/2。于本第1实施方式中，将光点SP的大小(尺寸)φ设定为3μm左右。
各扫描单元Un(U1～U6)于至少XZ平面上以各光束LBn朝向旋转筒DR的中心轴AXo行进的方式，向基板P照射各光束LBn。由此，自各扫描单元Un(U1～U6)朝向基板P行进的光束LBn的光路(光束中心轴)于XZ平面上与基板P的被照射面的法线平行。此时，于XZ平面，若将自第奇数号扫描单元U1、U3、U5向基板P投射的光束LB的行进方向(将描绘线SL1、SL3、SL5与中心轴AXo连接的方向)与中心面Poc的角度设为－θ1，则自第偶数号扫描单元U2、U4、U6向基板P投射的光束LB的行进方向(将描绘线SL2、SL4、SL6与中心轴AXo连接的方向)与中心面Poc的角度成为+θ1。即，于XZ平面，自第奇数号扫描单元U1、U3、U5向基板P投射的光束LB的行进方向与自第偶数号扫描单元U2、U4、U6向基板P投射的光束的行进方向相对于中心面Poc而对称。又，各扫描单元Un(U1～U6)以照射至描绘线SLn(SL1～SL6)的光束LBn于与YZ平面平行的面内相对于基板P的被照射面垂直的方式，向基板P照射光束LBn。即，于被照射面上的光点SP的主扫描方向上，投射至基板P的光束LBn(LB1～LB6)以远心的状态被扫描。
进而，使用图2对光束切换部BDU及描绘头16的扫描单元Un(U1～U6)的构成简单地进行说明。光束切换部BDU具有多个作为切换元件的选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)、多个反射镜M1～M12、多个入射镜IMn(IM1～IM6)、及吸收体TR。选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)对光束LB具有透过性，且由超音波信号驱动的声光调变元件(AOM：Acousto－OpticModulator)。该多个选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)及多个入射镜IMn(IM1～IM6)对应于多个扫描单元Un(U1～U6)而设置。例如，选择用光学元件AOM1及入射镜IM1对应于扫描单元U1而设置，同样地，选择用光学元件AOM2～AOM6及入射镜IM2～IM6对应于扫描单元U2～U6而设置。
光束LB自光源装置14通过反射镜M1～M12而使其光路弯成曲折小路状，而被导引至吸收体TR。以下，以选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)均为断开状态(未施加超音波信号的状态)的情形进行详细叙述。再者，虽于图2中省略了图示，但于反射镜M1至吸收体TR的光束光路中设置有多个透镜，以将光束LB自平行光束收聚，或将收聚后发散的光束LB恢复为平行光束。关于其构成将使用图3于下文进行叙述。
于图2中，来自光源装置14的光束LB与X轴平行地于－X方向行进而入射至反射镜M1。于反射镜M1朝－Y方向反射的光束LB入射至反射镜M2。于反射镜M2朝+X方向反射的光束LB笔直地透过选择用光学元件AOM5而到达反射镜M3。于反射镜M3朝－Y方向反射的光束LB入射至反射镜M4。于反射镜M4朝－X方向反射的光束LB笔直地透过选择用光学元件AOM6而到达反射镜M5。于反射镜M5朝－Y方向反射的光束LB入射至反射镜M6。于反射镜M6朝+X方向反射的光束LB笔直地透过选择用光学元件AOM3而到达反射镜M7。于反射镜M7朝－Y方向反射的光束LB入射至反射镜M8。于反射镜M8朝－X方向反射的光束LB笔直地透过选择用光学元件AOM4而到达反射镜M9。于反射镜M9朝－Y方向反射的光束LB入射至反射镜M10。于反射镜M10朝+X方向反射的光束LB笔直地透过选择用光学元件AOM1而到达反射镜M11。于反射镜M11朝－Y方向反射的光束LB入射至反射镜M12。于反射镜M12朝－X方向反射的光束LB笔直地透过选择用光学元件AOM2而被导引至吸收体TR。该吸收体TR是吸收光束LB以抑制光束LB向外部溢漏的光阱。
各选择用光学元件AOMn若被施加超音波信号(高频信号)，则产生使所入射的光束(0次光)LB以与高频的频率对应的绕射角绕射而成的1次绕射光作为射出光束(光束LBn)。因此，自选择用光学元件AOM1作为1次绕射光而射出的光束成为LB1，同样地，自选择用光学元件AOM2～AOM6作为1次绕射光而射出的光束成为LB2～LB6。如此，各选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)发挥使来自光源装置14的光束LB的光路偏向的功能。但实际的声光调变元件的1次绕射光的产生效率为0次光的80％左右，因此通过各选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)的各个而偏向的光束LBn(LB1～LB6)较原来的光束LB的强度降低。又，于选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)的任一者为接通状态时，未经绕射而直线行进的0次光残存20％左右，但其最终也被吸收体TR吸收。
多个选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)的各个是以使作为偏向后的1次绕射光的光束LBn(LB1～LB6)相对于所要入射的光束LB朝－Z方向偏向的方式设置。自选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)的各个偏向而射出的光束LBn(LB1～LB6)投射至设置于与选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)的各个相距特定距离的位置的入射镜IMn(IM1～IM6)。各入射镜IMn(IM1～IM6)通过将所入射的光束LBn(LB1～LB6)向－Z方向反射，而将光束LBn(LB1～LB6)导引至对应的扫描单元Un(U1～U6)。再者，入射镜IMn的各个是使光束LBn的各个向－Z方向落射，故而也被称为落射用镜。
各选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)也可使用构成、功能、作用等彼此相同的元件。多个选择用光学元件AOMn(AOM1～AOM6)根据来自控制装置18的驱动信号(高频信号)的接通/断开，而接通/断开使所入射的光束LB绕射而成的绕射光的产生。例如，选择用光学元件AOM5于未被施加来自控制装置18的驱动信号(高频信号)而为断开状态时，使所入射的来自光源装置14的光束LB不绕射而透过。因此，透过选择用光学元件AOM5的光束LB入射至反射镜M3。另一方面，选择用光学元件AOM5于被施加来自控制装置18的驱动信号(高频信号)而为接通状态时，使所入射的光束LB绕射而朝向入射镜IM5。即，通过该驱动信号而使选择用光学元件AOM6切换。通过以此方式切换各选择用光学元件AOMn，可将光束LBn导引至任一扫描单元Un，且可切换供光束LBn入射的扫描单元Un。
图1所示的控制装置18基于与所欲描绘的图案对应的图案数据(描绘数据)，而以1脉冲单位控制自光源装置14射出的脉冲状的光束LB的接通/断开。关于在将光源装置14设定为光纤放大器雷射光源的情形时，基于图案数据而接通/断开(调变)来自光源装置14的脉冲状的光束LB的构成，于上述国际公开第2015/166910号公报中也有所揭示。此处，对图案数据简单地进行说明。图案数据(描绘数据、设计信息)是针对每个扫描单元Un而设置，且将利用各扫描单元Un而描绘的图案按照根据光点SP的大小而设定的尺寸的像素进行分割，将多个像素的各个以与所欲描绘的图案对应的逻辑信息(像素数据)表示。即，该图案数据是由以将沿光点SP的主扫描方向(Y方向)的方向设为列方向且将沿基板P的副扫描方向(X方向)的方向设为行方向的方式被二维分解的多个像素的逻辑信息所构成的点阵图数据。该像素的逻辑信息是「0」或「1」的1位的数据。「0」的逻辑信息意味着使照射至基板P的光点SP的强度为低位准(非描绘)，「1」的逻辑信息意味着使照射至基板P上的光点SP的强度为高位准(描绘)。
图案数据的1行像素的逻辑信息对应于1条描绘线SLn(SL1～SL6)。因此，1行像素的数量是根据基板P的被照射面上的像素的尺寸及描绘线SLn的长度而决定。该1像素的尺寸Pxy设定为与光点SP的大小φ同等程度或其以上，例如，于光点SP的有效大小φ为3μm的情形时，1像素的尺寸Pxy设定为3μm见方程度以上。根据1行像素的逻辑信息，而调变沿1条描绘线SLn(SL1～SL6)投射至基板P的光点SP的强度。于光源装置14是光纤放大器雷射光源的情形时，如国际公开2015/166910号公报中所揭示般，入射至光纤放大器的红外波长区域的脉冲状的种光(发光频率Fa)根据自控制装置18送来的图案数据的像素的逻辑信息「1」、「0」，而高速地切换为峰值强度大而迅急的脉冲光、及峰值强度低的缓慢的脉冲光的任一者。
再者，选择用光学元件AOMn是当入射至选择用光学元件AOMn的光束LB的直径变小时绕射效率及响应性变高。因此，于使入射至选择用光学元件AOMn的光束LB为平行光束的情形时，也可设置如入射至选择用光学元件AOMn的光束LB的直径以平行光束的状态缩小的光束整形光学系统。于本第1实施方式中，将自光源装置14射出的光束LB设定为直径为1mm以下的平行光束，因此能直接以此状态透射选择用光学元件AOMn。
于以上的图2、图3的构成中，光源装置14及光束切换部BDU构成向扫描单元Un的各个供给描绘用的光束LBn的光束供给单元(光束产生装置)。若更严密地定义，则相对于图2中的扫描单元U5的光束供给单元是由光源装置14、镜M1、M2、选择用光学元件AOM5、及入射镜IM5所构成，相对于扫描单元U6的光束供给单元是由光源装置14、镜M1～M4、选择用光学元件AOM5、AOM6、及入射镜IM6所构成，相对于扫描单元U3的光束供给单元是由光源装置14、镜M1～M6、选择用光学元件AOM5、AOM6、AOM3、及入射镜IM3所构成，相对于扫描单元U4的光束供给单元是由光源装置14、镜M1～M8、选择用光学元件AOM5、AOM6、AOM3、AOM4、及入射镜IM4所构成，相对于扫描单元U1的光束供给单元是由光源装置14、镜M1～M10、选择用光学元件AOM5、AOM6、AOM3、AOM4、AOM1、及入射镜IM1所构成，而且，相对于扫描单元U2的光束供给单元是由光源装置14、镜M1～M12、选择用光学元件AOM5、AOM6、AOM3、AOM4、AOM1、AOM2、及入射镜IM2所构成。
其次，对扫描单元(光束扫描装置)Un的构成进行说明。各扫描单元Un(U1～U6)形成为相同构成，因此仅对扫描单元U1简单地进行说明。扫描单元U1至少具备反射镜M20～M24、多面镜PM、及fθ透镜系统FT。再者，虽于图2中未加以图示，但自光束LB1的行进方向观察，于多面镜PM的前方配置有第1柱面透镜CY1，于fθ透镜系统FT之后设置有第2柱面透镜CY2。关于第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2将于下文参照图4详细地进行说明。
通过入射镜IM1向－Z方向反射后的光束LB1入射至反射镜M20，于反射镜M20反射后的光束LB1于－X方向行进而入射至反射镜M21。通过反射镜M21向－Z方向反射后的光束LB1入射至反射镜M22，于反射镜M22反射后的光束LB1于+X方向行进而入射至反射镜M23。反射镜M23将所入射的光束LB1向多面镜PM的反射面RP反射。
多面镜PM将所入射的光束LB1朝向fθ透镜系统FT而向+X方向侧反射。多面镜PM为了于基板P的被照射面上扫描光束LB1的光点SP，而使所入射的光束LB1于与XY平面平行的面内一维地偏向(反射)。具体而言，多面镜(旋转多面镜、可动偏向构件)PM具有沿Z轴方向延伸的旋转轴AXp、及形成于旋转轴AXp周围的多个反射面RP(于本第1实施方式中将反射面RP的数量Np设为8)的旋转多面镜。通过使该多面镜PM以旋转轴AXp为中心沿既定旋转方向旋转，可使照射至反射面RP的脉冲状的光束LB1的反射角连续地变化。由此，可通过1个反射面RP使光束LB1偏向，而沿主扫描方向(基板P的宽度方向、Y方向)扫描照射至基板P的被照射面上的光束LB1的光点SP。即，可通过1个反射面RP，而沿主扫描方向扫描光束LB1的光点SP。因此，多面镜PM的1旋转中，于基板P的被照射面上扫描光点SP的描绘线SL1的数量最大为与反射面RP的数量相同的8条。多面镜PM于控制装置18的控制下，以由未图示的旋转驱动源(例如，数字马达等)指令的速度准确地旋转。
fθ透镜系统(扫描系统透镜、扫描用光学系统)FT是将通过多面镜PM而反射后的光束LB1投射至反射镜M24的远心系统的扫描透镜。透过fθ透镜系统FT的光束LB1经由反射镜M24成为光点SP而投射至基板P上。此时，反射镜M24是于XZ平面上，以光束LB1朝向旋转筒DR的中心轴AXo行进的方式，将光束LB1向基板P反射。光束LB1朝向fθ透镜系统FT的入射角θ是根据多面镜PM的旋转角(θ/2)而改变。fθ透镜系统FT经由反射镜M24，而将光束LB1投射至与其入射角θ成正比的基板P的被照射面上的像高位置。若将焦距设为fo，将像高位置设为yo，则fθ透镜系统FT是以满足yo＝fo×θ的关系(畸变像差)的方式而设计。因此，通过该fθ透镜系统FT，可于Y方向准确地以等速扫描光束LB1。再者，要入射至fθ透镜系统FT的光束LB1通过多面镜PM而一维地偏向的面(与XY面平行)成为包含fθ透镜系统FT的光轴AXf的面。
图3是表示选择用光学元件AOMn及入射镜IMn周围的具体构成图。再者，选择用光学元件AOMn及入射镜IMn周围的构成互为相同，故而此处仅以选择用光学元件AOM1及入射镜IM1周围的构成为代表而进行说明。
向选择用光学元件AOM1入射光束LB，该光束LB是如图2所示通过前段的选择用光学元件AOM4、反射镜M9、M10后，成为例如直径1mm以下的微小的直径(第1直径)的平行光束。于未被输入作为高频信号(超音波信号)的驱动信号期间(驱动信号断开)，选择用光学元件AOM1不使所入射的光束LB绕射而使其直接透过。所透过的光束LB透过沿光轴AXa设置于其光路上的聚光透镜G1及准直透镜G2a，而入射至后段的选择用光学元件AOM2。此时通过选择用光学元件AOM1后通过聚光透镜G1及准直透镜G2a的光束LB的中心轴于光轴AXa上通过。聚光透镜G1是以使透过选择用光学元件AOM1的光束LB(平行光束)在位于聚光透镜G1与准直透镜G2a之间的面p1的位置成为光束腰的方式将该光束LB聚光。准直透镜G2a使于通过聚光透镜G1聚光后发散的光束LB成为平行光束。通过准直透镜G2a成为平行光束的光束LB的直径成为第1直径。聚光透镜G1的后侧焦点与准直透镜G2a的前侧焦点于既定容许范围内一致，聚光透镜G1的前侧焦点与选择用光学元件AOM1内的绕射点于既定容许范围内一致。该聚光透镜G1与准直透镜G2a构成中继透镜系统。
另一方面，于作为高频信号的驱动信号施加于选择用光学元件AOM1期间，选择用光学元件AOM1产生使所入射的光束LB绕射而成的光束LB1(绕射光)。以与高频信号的频率对应的绕射角向－Z方向偏向的光束LB1(平行光束)透过聚光透镜G1，而入射至设置于面p1上的入射镜IM6。聚光透镜G1是以如下方式聚光(收聚)光束LB1：以向－Z方向偏向的光束LB1的中心轴AXb与光束LB通过的光轴AXa平行的方式使光束LB1折射，且使光束LB1于入射镜IM1的反射面上或其附近成为光束腰。通过相对于透过选择用光学元件AOM1的光束LB的光路靠－Z方向侧而设置的入射镜IM6，光束LB1得以向－Z方向反射，并经由准直透镜G2b而入射至扫描单元U1。准直透镜G2b使通过聚光透镜G1而收聚/发散的光束LB1成为与准直透镜G2b的光轴同轴的平行光束。通过准直透镜G2b成为平行光束的光束LB1的直径成为第1直径。聚光透镜G1的后侧焦点与准直透镜G2b的前侧焦点于既定容许范围内一致。该聚光透镜G1与准直透镜G2b构成中继透镜系统。再者，图3的聚光透镜G1、准直透镜G2a、G2b也是以与图3相同的条件配置于图2所示的其他选择用光学元件AOM2～AOM6各个之后的光路上。
且说，于图2所示的扫描单元U1中，使fθ透镜系统FT的光轴与XY面平行而图示，故而以自扫描单元U1投射至基板P的光束LB1的中心轴(主光线)朝向旋转筒DR的中心轴AXo的方式，相对于XY面以45度以外的角度倾斜而配置前端的反射镜M24的反射平面。然而，于以fθ透镜系统FT的光轴相对于XY面而倾斜的方式使扫描单元U1～U6各个的整体于XZ面内倾斜的情形时，也可形成为如fθ透镜系统FT的光轴通过反射镜M24而呈90度弯折的构成。
图4是表示扫描单元U1的具体构成图，且是自与包含光束LB1的扫描方向(偏向方向)的平面(与XY平面平行的平面)正交的平面(XZ平面)观察所得之图。再者，于图4中，fθ透镜系统FT的光轴AXf是与XY面平行而配置，前端的反射镜M24是以使光轴AXf呈90度弯折的方式配置。于扫描单元U1内，沿光束LB1的入射位置至被照射面(基板P)的光束LB1的送光路径，设置有反射镜M20、扩束器BE、倾斜角可变的平行板HVP、孔径光阑PA、反射镜M21、第1柱面透镜CY1、球面透镜G10a、反射镜M22、球面透镜G10b、反射镜M23、多面镜PM、fθ透镜系统FT、反射镜M24、及第2柱面透镜CY2。
通过图3所示的入射镜IM1向－Z方向反射后的平行光束的光束LB1入射至相对于XY平面倾斜45度的反射镜M20。该反射镜M20将所入射的光束LB1朝向自反射镜M20向－X方向远离的反射镜M21往－X方向反射。于反射镜M20反射后的光束LB1透过扩束器BE及孔径光阑PA而入射至反射镜M21。扩束器BE使所透过的光束LB1的直径扩大。扩束器BE具有聚光透镜Be1、及使于通过聚光透镜Be1收聚后发散的光束LB1成为平行光束的准直透镜Be2。通过该扩束器BE易于将光束LB6照射至孔径光阑PA的开口部分。再者，于聚光透镜Be1与准直透镜Be2之间，配置有石英的平行板HVP作为偏移用光学构件，该平行板HVP可通过未图示的驱动马达等在与XZ面平行的面内变更相对于光束LBn的倾斜角度。通过改变该平行板HVP的倾斜角，可使于基板P上扫描的光点SP的扫描轨迹即描绘线SLn于副扫描方向以微少量(例如，光点SP的有效直径φ的数倍～十几倍左右)偏移。关于该功能将于下文加以详细叙述。
反射镜M21是相对于YZ平面倾斜45度而配置，其将所入射的光束LB1朝向自反射镜M21向－Z方向远离的反射镜M22往－Z方向反射。通过反射镜M21而向－Z方向反射后的光束LB1透过第1柱面透镜CY1(第1光学构件)及球面透镜G10a后，到达反射镜M22。反射镜M22是相对于XY平面倾斜45度而配置，其将所入射的光束LB1朝向反射镜M23往+X方向反射。于反射镜M22反射后的光束LB1经由球面透镜G10b而入射至反射镜M23。反射镜M23使所入射的光束LB1朝向多面镜(旋转多面镜、可动偏向构件)PM，于与XY面平行的面内弯折。多面镜PM的1个反射面RP将所入射的光束LB1朝向具有沿X轴方向延伸的光轴AXf的fθ透镜系统FT往+X方向反射。该球面透镜G10a与球面透镜G10b构成透镜系统(第3光学构件)G10。球面透镜G10a、G10b具有等向性的折射力。
由单透镜所构成的平凸的第1柱面透镜CY1是于一方向具有折射力(聚焦力)的透镜，具有异向性的折射力。图5是将孔径光阑PA至基板P的光束LB的光路于XY面上展开，并自与包含光束LB的偏向方向(主扫描方向)的平面平行的平面进行观察的概略图。如图5所示，第1柱面透镜CY1是在基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(与多面镜PM的旋转轴AXp垂直的面内的主扫描方向、旋转方向)上，以使所入射的光束LB1在位于多面镜PM的前方的面p2成为光束腰的方式，一维地聚光(收聚)该光束LB1。将该多面镜PM的前方的聚光位置(面p2的位置)设定为第1位置。该第1位置是透镜系统G10(球面透镜G10a、10b)的前方的位置。又，第1柱面透镜CY1在与基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向)正交的方向(副扫描方向)上，不使所入射的光束LB1聚光而使其直接以平行光束的形式透过(参照图4)。如此，第1柱面透镜CY1具有沿与X方向平行的方向(副扫描方向)延伸的母线，以使透过第1柱面透镜CY1的光束LB1于与多面镜PM的偏向方向正交的方向(副扫描方向)上不聚光。
透镜系统G10(球面透镜G10a、G10b)在基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向、旋转方向)上，使于通过第1柱面透镜CY1聚光后发散的光束LB1成为大致平行光束(参照图5)。又，透镜系统G10(球面透镜G10a、G10b)于与多面镜PM的光束LB1的偏向方向正交的方向(副扫描方向)上，使透过第1柱面透镜CY1的平行光束的光束LB1于多面镜PM的反射面RP上聚光(收聚)(参照图4)。由此，要投射至多面镜PM的光束LB1于反射面RP上收聚成在与XY平面平行的面内延伸的长条状(长椭圆状)。如此，通过第1柱面透镜CY1及透镜系统G10与下述第2柱面透镜CY2，即便有反射面RP相对于Z方向而倾斜的情形(反射面RP相对于XY平面的法线的倾斜)，也可抑制其影响。例如，可抑制照射至基板P的被照射面上的光束LB1(描绘线SL1)的照射位置因多面镜PM的各反射面RP各自的微小斜率误差(面倾斜)而于X方向偏移，即，可进行各反射面RP的面倾斜修正。再者，经反射面RP反射后的光束LB1在基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向、旋转方向)上，直接以大致平行光束的形态入射至fθ透镜系统FT，于与多面镜PM的光束LB1的偏向方向正交的方向(副扫描方向)上，在以既定数值孔径(NA)发散的状态下入射至fθ透镜系统FT。
再者，第1柱面透镜CY1的与多面镜PM的偏向方向(光点SP的主扫描方向)上的折射力对应的后侧焦点及透镜系统G10的前侧焦点设定为于既定容许范围内在面p2上一致。透镜系统G10的后侧焦点与fθ透镜系统FT的前侧焦点设定为于既定容许范围内在多面镜PM的偏向位置(反射面RP上)一致。
fθ透镜系统FT在基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向、旋转方向)上，如图5所示，使经反射面RP反射后的大致平行光束的光束LB1于基板P上收聚(聚光)。进而，fθ透镜系统FT如图4所示，于与多面镜PM的光束LB1的偏向方向正交的方向(副扫描方向)上，使经反射面RP反射后发散的光束LB1成为大致平行光束，而将其向第2柱面透镜CY2投射。
由单透镜所构成的平凸的第2柱面透镜(第2光学构件)CY2是于与Y方向(主扫描方向)平行的方向具有母线且于一方向(副扫描方向)持有具有聚焦力的异向性的折射力的透镜。第2柱面透镜CY2在基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向、旋转方向)上，使所入射的光束LB1按原样直接透过。因此，如图5所示，透过第2柱面透镜CY2的光束LB1在基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向、旋转方向)上，通过fθ透镜系统FT的折射力于基板P上以成为光束腰的方式聚光。另一方面，第2柱面透镜CY2在与基于多面镜PM的光束LB1的偏向方向(主扫描方向)正交的方向(副扫描方向)上，如图4所示，使所入射的大致平行光束的光束LB1于基板P上以成为光束腰的方式聚光(收聚)。因此，要投射至基板P的光束LB1于基板P上成为大致圆形的光点SP(例如，直径为3μm)。如上所述，第1柱面透镜CY1与第2柱面透镜CY2是以于彼此正交的方向具有聚焦力(折射力)的方式，且以母线彼此正交的方式配置。由此，第1柱面透镜CY1以于透镜系统G10的前方的面p2使光束LBn于主扫描方向上一维地收聚后，于多面镜PM的反射面RP上使光束LBn于副扫描方向上一维地收聚的方式发挥功能，第2柱面透镜CY2以使fθ透镜系统FT之后的光束LBn于副扫描方向上一维地收聚的方式发挥功能。
如此，以母线彼此正交的方式设置有由单透镜所构成的第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2，故而可通过透镜系统G10，良好地修正基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)及与主扫描方向正交的副扫描方向此两个方向上的光束LBn的球面像差。因此，可抑制基板P上的成像性能的劣化。又，通过设置第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2，也可与现有同样地进行抑制因多面镜PM的反射面RP各自的微小斜率误差(面倾斜)而导致的描绘线SLn向X方向(副扫描方向)的偏移，即进行面倾斜修正。
再者，要投射至基板P上的光束LBn的光点SP的聚光位置(最佳聚焦位置)是以于主扫描方向(偏向方向)、及与主扫描方向正交的副扫描方向于既定容许范围内一致的方式进行光学设计。又，要投射至基板P上的光束LBn(光点SP)的主扫描方向上的数值孔径NAy、及与主扫描方向正交的副扫描方向上的数值孔径NAx是以于既定容许范围内相等(一致)的方式进行设计。再者，于本第1实施方式中，数值孔径NAx≒数值孔径NAy，故而有时也仅以NA表示要投射至基板P的光束LBn的数值孔径。光束LBn的球面像差是以如下相对偏差加以表示，该相对偏差是使光束LBn朝向设计上的最佳聚焦面收聚时，相对于光束LBn的中心轴(主光线)倾斜角(向最佳聚焦面的入射角度)β不同的光线的各个聚光的位置的聚焦方向的相对偏差。相对于光束LBn与最佳聚焦面垂直的中心轴(主光线)呈倾斜角β的光线是以通过sinβ而计算的数值孔径Naβ表示。光束LBn的最大的数值孔径NA是根据光束LBn的波长λ、光点SP的有效直径φ、及fθ透镜系统FT的焦距而大致决定。
其次，对第1柱面透镜CY1、第2柱面透镜CY2、透镜系统G10、及fθ透镜系统FT各自的焦距、孔径光阑PA的孔径光阑直径、以及扩束器BE的扩大倍率的决定方法进行说明。再者，以fC1表示第1柱面透镜CY1的焦距，以fC2表示第2柱面透镜CY2的焦距，以fG表示透镜系统G10的焦距，以fθ表示fθ透镜系统FT的焦距。又，将孔径光阑PA的孔径光阑直径设为φa。
焦距fC1、fC2、fG、fθ具有下述所示的式(1)的关系。基于该式(1)，决定第1柱面透镜CY1、第2柱面透镜CY2、透镜系统G10、及fθ透镜系统FT各自的焦距，由此可使要投射至基板P的光束LBn的数值孔径NAx与数值孔径NAy相等。
fG 2/fC1＝fθ2/fC2…(1)
又，孔径光阑直径φa与数值孔径NA(＝NAx≒NAy)具有下述所示的式(2)的关系。
φa＝2×NA(fθ×fC1/fG)＝2×NA×(fG×fC2/fθ)…(2)
通过基于该式(2)决定孔径光阑直径φa，可获得所期望的数值孔径。又，扩束器BE的扩大倍率越大，被孔径光阑PA遮挡的光量变得越多，因此光量损耗变得越大。另一方面，扩束器BE的扩大倍率越小，于像面(基板P上)的有效的数值孔径变得越小，因此解像度(光点SP的直径φ的微细度)降低。因此，较理想为考虑到光量与解像度的平衡而设定最佳的扩束器BE的扩大倍率。
又，于第1柱面透镜CY1、第2柱面透镜CY2、及fθ透镜系统FT等的各光学规格大致已定的情形时，以光束LBn的主扫描方向(偏向方向)上的球面像差S1、及与光束LBn的主扫描方向正交的副扫描方向上的球面像差S2至少满足下述所示的式(3)～(6)中任一个条件的方式，设定透镜系统G10(球面透镜G10a、10b)的光学规格。又，于仅fθ透镜系统FT的光学规格大致已定的情形时，以满足式(3)～(6)中任一个条件的方式，设定透镜系统G10(球面透镜G10a、10b)的光学规格、及第1柱面透镜CY1与第2柱面透镜CY2的各光学规格。
|S1－S2|＜SC1×fθ2/fG 2－SC2…(3)
S1＜SC1×fθ2/fG 2，且S2＜SC2…(4)
|S1－S2|＜λ/NAy 2，且|S1－S2|＜λ/NAx 2…(5)
S1＜λ/NAy 2，且S2＜λ/NAx 2…(6)
其中，|S1－S2|表示球面像差S1与球面像差S2之差的绝对值，SC1表示由第1柱面透镜CY1单体所产生的球面像差，SC2表示由第2柱面透镜CY2单体所产生的球面像差，λ表示光束LBn的波长。再者，球面像差S1与球面像差S2之差的绝对值|S1－S2|若为|S2－S1|亦相同。又，列举扫描单元U1为例进行了说明，当然对于其他扫描单元U2～U6也同样地进行光学设计。
此处，于现有方式，即，使第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的各母线的延长方向均与主扫描方向(Y方向)平行地进行设定的情形时，焦距fC1、fC2、fθ具有下述所示的式(7)的关系。于该情形时，仅通过母线的延长方向与Y方向平行的第1柱面透镜CY1，要投射至多面镜PM的反射面RP的光束LBn于反射面RP上便被收聚成沿与XY平面平行的方向(主扫描方向)延伸的长条状(长椭圆状)，因此无需透镜系统G10。
fC1×fC2＝fθ2…(7)
又，孔径光阑PA的圆形开口的直径φa与数值孔径NA具有下述所示的式(8)的关系。
φa＝2×NA×fθ＝2×NA×(fC1×fC2/fθ)…(8)
[实施例]
将本第1实施方式的面倾斜修正与现有方式的面倾斜修正加以比较。因需要尽可能于相同条件下对两者加以比较，故数值孔径NA及要入射至扫描单元Un的光束LBn的规格互为相同。该光束LBn是波长为354.7nm的单色光且于与光轴中心(光束中心线)相距0.25mm的位置强度成为1/e2的非偏光的高斯光束。数值孔径NA分为包含主扫描方向(偏向方向)的平面(YZ平面)内的数值孔径NAy、及包含与主扫描方向正交的方向(副扫描方向)的平面(XZ平面)内的数值孔径NAx而处理，且NAy＝NAx＝0.06。又，对于fθ透镜系统FT及第2柱面透镜CY2，也为本第1实施方式与现有方式中采用相同者。将fθ透镜系统FT的焦距fθ设为fθ＝100mm，将由单透镜所构成的平凸的第2柱面透镜CY2的焦距fC2设为fC2＝14.5mm。再者，为可仅评估由第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2所产生的球面像差的影响，fθ透镜系统FT设定为具有不会产生像差的理想的f－θ特性的透镜。首先，通过比较例1对现有方式的扫描单元Un的面倾斜修正用的光学系统的具体设计例进行说明，然后通过实施例1对本第1实施方式的扫描单元Un的面倾斜修正用的光学系统的具体设计例进行说明。再者，于本第1实施方式与现有方式中，对彼此之间构成共通的构件、或功能共通的构件标注相同的符号而进行说明。又，为简单起见，于设计例(透镜数据)中省略反射镜M21、M22、M23的各个。
(比较例1)
于比较例1中，将第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的母线均设定于主扫描方向(Y方向)，且未设置透镜系统G10。图6表示比较例1中的扩束器BE至第2柱面透镜CY2的光学设计例的透镜数据。图7是于与包含光束LBn的偏向方向(光点SP的扫描方向)的平面平行的面内表示比较例1中的扩束器BE至基板(像面)P的光束LBn的状态的概略图。图8是自与光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的平面(包含副扫描方向的面)观察图7所示的扩束器BE至多面镜PM的反射面RP的光束LBn的状态的概略图。图9是自与光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的平面观察图7所示的多面镜PM的反射面RP至基板(像面)P的光束LBn的状态的概略图。再者，于图6中，多面镜PM反射后，将面间隔与曲率半径的正负符号对调而表示。图7～图9是表示以遵循图6的数值例的缩小比例配置比较例1中的扩束器BE～基板P的各光学构件(第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2等)的情况的图。
入射至扫描单元Un的平行光束的光束LBn(有效的光束直径φ设定为0.5mm)于转换为利用由5片球面透镜LG1～LG5所构成的扩束器BE扩大的平行光束后，通过孔径光阑PA而整形为特定直径的圆形剖面的光束。孔径光阑PA的孔径光阑直径φa是基于上述式(8)，而设定为12mm。又，以强度成为轴上的1/e2的位置成为孔径光阑直径φa的半径即6mm的方式，将扩束器BE的扩大倍率设定为24倍。此时，孔径光阑PA所造成的光量损耗的比率成为约13.5％。
配置于扩束器BE的后方且由单透镜所构成的平凸的第1柱面透镜CY1在与基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的方向上，将所入射的光束LBn聚光于多面镜PM的反射面RP上(参照图8)。第1柱面透镜CY1的焦距fC1是基于上述式(7)，而设定为fC1＝693.1mm。多面镜PM的反射面RP位于第1柱面透镜CY1的后侧焦点。再者，在基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)上，透过第1柱面透镜CY1的光束LBn保持平行光状态(参照图7)。因此，要投射至多面镜PM的光束LBn于反射面RP上收聚成沿偏向方向延伸的长条状(长椭圆状)。
于多面镜PM的反射面RP反射后的光束LBn以与多面镜PM的旋转角度对应的角度，入射至焦距fθ为100mm的fθ透镜系统FT。多面镜PM的反射面RP是以到达fθ透镜系统FT的前侧焦点的位置的方式配置。因此，fθ透镜系统FT在基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)上，将于多面镜PM的反射面RP反射后的光束LBn以远心的状态聚光于基板P的被照射面(像面)上(参照图7)。另一方面，fθ透镜系统FT在与基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的副扫描方向上，使于多面镜PM的反射面RP反射并发散的光束LBn成为平行光(参照图9)。
透过fθ透镜系统FT的光束LBn通过配置于fθ透镜系统FT的后方且焦距fC2为14.5mm的第2柱面透镜CY2，在基于多面镜PM的光束LBn的副扫描方向上也聚光于基板P的被照射面(像面)上(参照图9)。该第2柱面透镜CY2的位置是以基于多面镜PM的光束LBn的主扫描方向上的聚光位置与副扫描方向上的聚光位置于聚焦方向上在既定容许范围内一致的方式确定，且设定为该聚光位置成为基板P的被照射面(像面)。
如此，于经由第1柱面透镜CY1、fθ透镜系统FT、及第2柱面透镜CY2所造就的光路，而将光束LBn于基板P上聚光为光点SP的情形时，会产生如光束LBn的聚光位置于主扫描方向与副扫描方向大不相同的像差。其起因在于光束LBn收聚为光点时所产生的球面像差。图10、图11是对朝向基板P的光束LBn的球面像差的状态进行说明的图，图10表示光束LBn的主扫描方向上的球面像差的状态，图11表示光束LBn的副扫描方向上的球面像差的状态。
如图10所示，光束LBn于主扫描方向上成为具有某种粗度的平行光束而入射至fθ透镜系统FT，主要通过fθ透镜系统FT而聚光于主光线(光束中心线)Lpr上的既定Z位置(聚焦位置)。此时，第2柱面透镜CY2单纯作为平行板而发挥作用。自fθ透镜系统FT射出的光束LBn的主扫描方向上的最大的数值孔径NAy是基于朝向聚光点的光线LLa相对于主光线Lpr的倾斜角(入射角)βa按NAy＝sinβa而决定。光束LBn中包含入射角小于光线LLa的入射角βa的光线LLb(将入射角设为βb)、入射角小于光线LLb的入射角βb的光线LLc(将入射角设为βc)等。此处，若入射角βa的光线LLa的聚光点是Z轴方向的聚焦位置Zma，则入射角βb的光线LLb的聚光点的聚焦位置Zmb、入射角βc的光线LLc的聚光点的聚焦位置Zmc均相对于聚焦位置Zma在Z轴方向偏移。此种偏移是球面像差。
又，如图11所示，光束LBn于副扫描方向上，成为发散光束而入射至fθ透镜系统FT，于通过fθ透镜系统FT转换为平行光束后，受到第2柱面透镜CY2的折射作用，而聚光于主光线(光束中心线)Lpr上的既定Z位置(聚焦位置)。自第2柱面透镜CY2射出的光束LBn的副扫描方向上的最大的数值孔径NAx设定为与主扫描方向上的最大的数值孔径NAy一致。因此，于副扫描方向上，按NAx＝sinβa而决定的光线LLa(入射角βa)聚光的聚焦位置Zsa、入射角小于入射角βa的光线LLb(将入射角设为βb)聚光的聚焦位置Zsb、入射角小于入射角βb的光线LLc(将入射角设为βc)聚光的聚焦位置Zsc的各个也因球面像差而于Z轴方向(聚焦方向)偏移。再者，于图10、图11中，以于fθ透镜系统FT至基板P的光路产生球面像差的方式进行了说明，到达基板P的光束LBn中所产生的实际的球面像差受到供自图2的光源装置14射出的光束通过的各种光学构件(透镜、AOM、反射镜)的影响。
图12及图13是基于图6所示的比较例1的透镜数据，将光束LBn的最大的数值孔径NA(＝NAy≒NAx)设为0.06进行模拟所得的光束LBn的球面像差特性，横轴表示将设计上的最佳聚焦位置设为零点的聚焦位置(μm)，纵轴表示将与光束LBn的最大的数值孔径NA对应的光线LLa的最大入射角βa(NAa＝sinβa)标准化为1.0(βmax)的入射角β。因此，于图12、图13中，例如入射角β为0.5意味着最大入射角βa的一半的角度。进而，图12中的实线所示的特性(A)是投射至基板P的光束LBn的主扫描方向上的球面像差特性，虚线所示的特性(B)是投射至基板P的光束LBn的副扫描方向上的球面像差特性。图13中所示的特性(C)是表示图12中的特性(A)与特性(B)的差分〔(B)－(A)〕所造成的球面像差特性，根据作为光点SP而投射至基板P上的光束LBn的入射角度β，最佳聚焦位置偏移，而产生几十μm的球面像差。
此处，图12中的特性(A)是由扩束器BE及fθ透镜系统FT所产生的球面像差，图12中的特性(B)是由扩束器BE、第1柱面透镜CY1、fθ透镜系统FT、及第2柱面透镜CY2的合成系统所产生的球面像差。因此，特性(A)与特性(B)的差分的特性(C)主要与由第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2所产生的球面像差特性对应。
(实施例1)
于实施例1中，如上所述，将第1柱面透镜CY1的母线的延长方向设定为副扫描方向(X方向)，将第2柱面透镜CY2的母线的延长方向设定为主扫描方向(Y方向)，且于第1柱面透镜CY1与多面镜PM之间设置有透镜系统G10。图14表示实施例1中的扩束器BE至第2柱面透镜CY2的光学设计用的透镜数据。又，图15是于与包含光束LBn的偏向方向(光点SP的扫描方向)的平面平行的面内观察实施例1中的扩束器BE至基板(像面)P的光束LBn的状态的概略图。图16是于与光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的面内(包含副扫描方向的面内)观察图15所示的扩束器BE至多面镜PM的反射面RP的光束LBn的状态的概略图。图17是于与光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的面内(包含副扫描方向的面内)观察图15所示的多面镜PM的反射面RP至基板(像面)P的光束LBn的概略图。再者，于图14中，多面镜PM反射后，将面间隔与曲率半径的正负符号对调而表示。图15～图17表示以遵循图14的数值例的实际缩小比例配置实施例1中的扩束器BE～基板P的各光学构件(第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2等)的情况。
于实施例1中，以第1柱面透镜CY1至像面(基板P的被照射面)的距离(光路长度)与比较例1相比短300mm左右的方式，基于上述式(1)，将透镜系统G10的焦距fG设定为fG＝201.2mm，将第1柱面透镜CY1的焦距fC1设定为fC1＝58mm。由此，于本实施例1中，与比较例1的设计例相比，可实现节省空间的光学系统。进而，也可缩小扫描单元Un的壳体，因此也可谋求轻量化。
入射至扫描单元Un的平行光束的光束LBn(有效直径为0.5mm)于利用由4片球面透镜LGa～LGd所构成的扩束器BE扩大后，通过孔径光阑PA而整形为既定光束直径。孔径光阑PA的孔径光阑直径φa是基于上述式(2)，而设定为3.5mm。于通过扩束器BE扩大后的光束中，以在与中心相距孔径光阑直径φa的一半即1.75mm的位置，强度成为轴上的1/e2的方式，将扩束器BE的扩大倍率设定为7倍。如此，与比较例1相比，扩束器BE的扩大倍率变小，因此易于进行扩束器BE的设计，也可缩小由扩束器BE产生的球面像差。
配置于扩束器BE的后方、由单透镜所构成、且焦距fC1为58mm的平凸的第1柱面透镜CY1在基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)上，将所入射的光束LBn聚光于第1柱面透镜CY1的后侧焦点的面p2(第1位置)(参照图15)。该面p2位置位于第1柱面透镜CY1与配置于第1柱面透镜CY1的后方侧的透镜系统G10之间。再者，在与基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的副扫描方向上，透过第1柱面透镜CY1的光束LBn保持平行光状态(参照图16)。
由2片球面透镜G10a、G10b所构成的透镜系统G10(焦距fG＝201.2mm)是以透镜系统G10的前侧焦点与第1柱面透镜CY1的后侧焦点的位置(面p2)于既定容许范围内一致的方式配置。因此，透过透镜系统G10的光束LBn于光束LBn的主扫描方向上是平行光束的状态(参照图15)，于与光束LBn的主扫描方向正交的副扫描方向上聚光于多面镜PM的反射面RP上(参照图16)。多面镜PM的反射面RP是以到达透镜系统G10的后侧焦点的位置的方式设定。因此，要投射至多面镜PM的光束LBn于反射面RP上收聚成沿偏向方向(主扫描方向)延伸的长条状(长椭圆状)。
于多面镜PM的反射面RP反射后的光束LBn以与多面镜PM的旋转角度对应的角度入射至焦距fθ＝100mm的fθ透镜系统FT。fθ透镜系统FT是以多面镜PM的反射面RP到达fθ透镜系统FT的前侧焦点的位置的方式配置。因此，fθ透镜系统FT在基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)上，将于多面镜PM的反射面RP反射后的光束LBn以远心的状态(光束LBn的主光线Lpr与fθ透镜系统FT的光轴AXf始终平行的状态)聚光于基板P的被照射面(像面)上(参照图15)。另一方面，于与主扫描方向正交的副扫描方向上，fθ透镜系统FT将于多面镜PM的反射面RP反射而成为发散光束的光束LBn转换为平行光束(参照图17)。
最后，透过fθ透镜系统FT的光束LBn通过配置于fθ透镜系统FT的后方且焦距fC2＝14.5mm的第2柱面透镜CY2，在与基于多面镜PM的光束LBn的偏向方向(主扫描方向)正交的副扫描方向上，也以成为光点SP的方式聚光于基板P的被照射面(像面)上(参照图17)。该第2柱面透镜CY2的位置是以基于多面镜PM的光束LBn的主扫描方向上的聚光位置与副扫描方向上的聚光位置于聚焦方向上在既定容许范围内一致的方式确定，且设定为该聚光位置成为基板P的被照射面(像面)。于以上的图14～图17(及图4、图5)的构成中，扩束器BE、孔径光阑PA、反射镜M21、第1柱面透镜CY1、反射镜M22、透镜系统G10、反射镜M23为止的光学系统作为包含第1光学元件或第1透镜构件(第1柱面透镜CY1)的第1调整光学系统而发挥功能，该第1光学元件或第1透镜构件(第1柱面透镜CY1)具有用以使要投射至多面镜PM(可动偏向构件)的光束LBn于与主扫描方向正交的副扫描方向上收聚的异向性的折射力。进而，于图14～图17(及图4、图5)的构成中，fθ透镜系统FT(扫描用光学系统)之后的反射镜M24及第2柱面透镜CY2作为包含第2光学元件或第2透镜构件(第2柱面透镜CY2)的第2调整光学系统而发挥功能，该第2光学元件或第2透镜构件(第2柱面透镜CY2)具有用以使自fθ透镜系统FT朝向基板P的光束LBn于副扫描方向上收聚的异向性的折射力。
图18及图19是基于图14所示的实施例1的透镜数据将光束LBn的最大的数值孔径NAa设为0.06进行模拟所得的光束LBn的球面像差特性，横轴表示将设计上的最佳聚焦位置设为零点的聚焦位置(μm)，纵轴表示与上文的图12、图13同样地标准化的入射角β。图18中的实线所示的特性(A)是投射至基板P的光束LBn的主扫描方向上的球面像差特性，虚线所示的特性(B)是投射至基板P的光束LBn的副扫描方向上的球面像差特性。又，图19中所示的特性(C)是表示图18中的特性(A)与特性(B)的差分〔(B)－(A)〕所造成的球面像差特性。此处，图18中的特性(A)是由扩束器BE、第1柱面透镜CY1、透镜系统G10、及fθ透镜系统FT的合成系统所产生的球面像差，图18中的特性(B)是由扩束器BE、透镜系统G10、fθ透镜系统FT、及第2柱面透镜CY2的合成系统所产生的球面像差。因此，特性(A)与特性(B)的差分的特性(C)主要与由第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2所产生的球面像差特性对应。
模拟的结果，与上文的图12所示的比较例1的球面像差的特性(A)、(B)相比，于实施例1的情形时像差分的绝对值缩小1位数左右。如由图18中的特性(A)可知，通过透镜系统G10而修正由第1柱面透镜CY1所产生的球面像差，因此基本不会发生作为光点SP而投射至基板P上的光束LBn与入射角度β对应的最佳聚焦位置的偏移。该偏移即球面像差满足上述式(4)、(6)的条件。同样地，如由图18中的特性(B)可知，通过透镜系统G10而修正由第2柱面透镜CY2所产生的球面像差，因此基本不会发生作为光点SP而投射至基板P上的光束LBn与入射角度β对应的最佳聚焦位置的偏移。该偏移即球面像差满足上述式(4)、(6)的条件。而且，如由图19的特性(C)可知，通过透镜系统G10而修正由第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2所产生的球面像差，因此基本不会发生作为光点SP而投射至基板P上的光束LBn与入射角β对应的最佳聚焦位置的差分。该最佳聚焦位置的差分即球面像差的差分满足上述式(3)、(5)的条件。如此，预先缩小投射至基板P的光束的球面像差与进而缩小能够描绘的图案的最小线宽(高解像化)相对应，对于为缩小投射至基板P上的光点SP的有效直径而将光束LBn的最大的数值孔径NAa增大至0.07以上的情形有效。
如上所述，本第1实施方式中的扫描单元Un为了一面将来自光源装置14的光束LBn投射至基板P，一面于基板P上一维地扫描光束LBn，而具备：第1柱面透镜CY1，其于一方向具有聚焦力；多面镜PM，其入射透过第1柱面透镜CY1的光束LBn，为进行一维扫描而使上述光束LBn偏向；fθ透镜系统FT，其入射通过多面镜PM而偏向的光束LBn，并以远心的状态将光束LBn投射至基板P；及第2柱面透镜CY2，其入射透过fθ透镜系统FT的光束LBn，且于一方向具有聚焦力；而且，将第1柱面透镜CY1与第2柱面透镜CY2以于彼此正交的方向具有聚焦力(折射力)的方式配置，进而于第1柱面透镜CY1与多面镜PM之间设置有用以修正像差(球面像差)的透镜系统G10。
由此，可修正因多面镜PM的各反射面所致的面倾斜而产生的光束LBn的投射位置的偏移，并且能以简单的构成修正由第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2所产生的球面像差。因此，可抑制光点SP的成像性能的劣化，从而提高于基板P上描绘的图案的解像度(微细度)。又，可使第1柱面透镜CY1的焦距fC1及第2柱面透镜CY2的焦距fC2均小于fθ透镜系统FT的焦距fθ，因此可实现节省空间的光学系统(参照图7～图9及图15～图17)，也可缩小扫描单元Un的壳体，故而也可谋求轻量化。
第1柱面透镜CY1于多面镜PM的偏向方向上，将所入射的光束LBn聚光于多面镜PM的前方，透镜系统G10于上述偏向方向上，使通过第1柱面透镜CY1聚光而发散后的光束LBn成为平行光，且于与上述偏向方向正交的副扫描方向上，将所入射的光束LBn聚光于多面镜PM的反射面RP上。由此，可将要投射至多面镜PM的光束LBn于反射面RP上收聚成沿偏向方向延伸的长条状(长椭圆状)。而且，fθ透镜系统FT于上述偏向方向上，将所入射的光束LBn聚光于基板P上，且于与上述偏向方向正交的方向上，使通过透镜系统G10于反射面RP上聚光而发散后的光束LB成为平行光，第2柱面透镜CY2于与上述偏向方向正交的方向上，将所入射的光束LBn聚光于基板P上。由此，即便有反射面RP相对于Z方向而倾斜的情形(反射面RP相对于XY平面的法线的倾斜)，由于反射面RP与基板P于副扫描方向上呈共轭关系(成像关系)，故而也可抑制反射面RP各自的光束LBn的投射位置于副扫描方向偏移。
〔变形例1〕
根据本第1实施方式，第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的各个如实施例1(图14)所示，光束入射侧的面形成为于副扫描方向上具有固定的曲率半径的圆筒面，光束射出侧的面形成为平面，且由透镜所构成。然而，第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的各个的圆筒面也可形成为将曲率半径略微不同的多个面平顺地连接而成的弯曲面(于与母线垂直的剖面形状中为非球面)。又，也可将第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的各个的平面侧加工成于主扫描方向、或副扫描方向具有既定曲率半径(∞以外的有限值)的圆筒面状。又，要入射至扫描单元Un的各个的光束LBn(光源装置14的射出光束)的波长λ并不限于实施例1及比较例1中所设定的紫外区域的波长354.7nm，也可为其他波长(可见区域、红外区域的光)。又，若通过透镜系统G10进行消色差，则可使波长不同的多个光束同轴(或平行)地入射至多面镜PM，从而能以波长不同的多个光点SP扫描基板P的表面。或者，通过透镜系统G10的消色差，也可使光束LBn成为相对于中心波长于固定的波长范围内分布强度的宽波段光。又，光束LBn既可具有偏光成分而不具有非偏光成分，也可为光束剖面内的强度分布并非高斯分布而是均一的强度分布(大致矩形或梯形的分布)。
〔变形例2〕
于上述第1实施方式中，使用多面镜PM使光束LBn偏向，但也可使用能够摆动的检流计镜(可动偏向构件、摆动反射镜)使光束LBn偏向。于该情形时，经检流计镜反射后的光束LBn也经由fθ透镜系统FT而投射至基板P(被照射面)，故而于需要对检流计镜的反射面的面倾斜实施修正的情形时，只要于检流计镜的前方同样地设置第1柱面透镜CY1及透镜系统G10，并于fθ透镜系统FT之后设置第2柱面透镜CY2即可。又，透镜系统G10是由2片球面透镜G10a、G10b所构成，但也可由单一透镜、或3片以上的透镜所构成。又，构成透镜系统G10的球面透镜G10a、G10b也可由非球面透镜所构成。进而，使用柱面透镜作为第1光学构件CY1及第2光学构件CY2，但只要是一方向的折射力相对于与该方向正交的方向的折射力而言相对较大的透镜即可。例如，也可采用复曲面透镜或变形透镜作为第1光学构件CY1及第2光学构件CY2。
〔变形例3〕
根据本第1实施方式，第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的各个是由单透镜所构成。由此，第1柱面透镜CY1及第2柱面透镜CY2的制作及组装(调整)变得简单，可抑制成本。然而，为实施光束LBn的球面像差的修正，也可特别地以多片透镜构成第2柱面透镜CY2。于以多片(例如2片)透镜构成第2柱面透镜CY2的情形时，需要进行用以使多片透镜间的母线彼此的旋转方位高精度地一致的调整作业。再者，于以多片(例如2片)透镜构成第2柱面透镜CY2的情形时，可使第1柱面透镜CY1的母线延伸的方向如比较例1般与主扫描方向平行，即便省略透镜系统G10，也可良好地修正投射至基板P的光束LBn的球面像差。但于该情形时，如比较例1所示，需要使第1柱面透镜CY1的焦距fC1长于fθ透镜系统FT的焦距fθ，因此扫描单元Un的光路的全长变长。然而，有时也将第2柱面透镜CY2的焦距fC2设定为相对于fθ透镜系统FT的焦距fθ较小，而将球面像差抑制得较小。
于该变形例3、或实施例1(图14～图17)中，可获得一种光束扫描装置(或描绘装置)，其于基板P(被照射体)一维地扫描光束LBn的光点SP，且设置有：第1柱面透镜CY1(第1光学构件)，其用以向用于使光束LBn偏向的多面镜PM(光束偏向构件)的反射面RP上，投射于副扫描方向上收聚的光束LBn；fθ透镜系统FT(扫描用光学系统)，其用以入射经多面镜PM偏向的光束LBn，并将其向基板P投射，且于基板P上进行一维扫描；及第2柱面透镜CY2(第2光学构件)，其配置于基板P与fθ透镜系统FT之间，由将自fθ透镜系统FT射出的光束LBn于副扫描方向收聚的单透镜或多片透镜所构成；通过使fθ透镜系统FT的焦距fθ与第2柱面透镜CY2的焦距fC2的关系为fθ＞fC2，而降低了伴有既定数值孔径而投射至基板P的光束LBn的球面像差。
[第2实施方式]
于上文的图4中也简单地进行了说明，于扫描单元Un内构成扩束器BE的透镜系统Be1、Be2之间的光路中，为使描绘线SLn于副扫描方向(X方向)微小偏移，而设置有作为软件用光学构件的能够倾斜的平行板HVP。图20A、图20B是对因平行板HVP的倾斜而描绘线SLn偏移的情况进行说明的图，图20A是表示平行板HVP的彼此平行的入射面与射出面相对于光束LBn的中心线(主光线)呈90度的状态的图，即表示平行板HVP于XZ面内不倾斜的状态图。图20B是表示平行板HVP的彼此平行的入射面与射出面相对于光束LBn的中心线(主光线)自90度倾斜的情形时，即平行板HVP相对于YZ面以角度η而倾斜的状态图。
进而，于图20A、图20B中，在平行板HVP不倾斜的状态(角度η＝0度)时，透镜系统Be1、Be2的光轴Axe设定为通过孔径光阑PA的圆形开口的中心，要入射至扩束器BE的光束LBn的中心线调整为与光轴AXe同轴。又，透镜系统Be2的后侧焦点的位置配置为与孔径光阑PA的圆形开口的位置一致。孔径光阑PA的位置设定为，通过上文的图16所示的第1柱面透镜CY1及透镜系统G10(球面透镜G10a、10b)，于副扫描方向上自多面镜PM的反射面RP的位置(或fθ透镜系统FT的前侧焦点的位置)观察时，成为大致光瞳的位置。另一方面，于主扫描方向上，孔径光阑PA配置为与fθ透镜系统FT的前侧焦点的位置即入射光瞳的位置光学共轭。因此，于使平行板HVP以角度η而倾斜的情形时，透过平行板HVP入射至透镜系统Be2的光束LBn(此处为发散光束)的中心线相对于光轴Axe向－Z方向微小地平行移动，自透镜系统Be2射出的光束LBn转换为平行光束，并且光束LBn的中心线相对于光轴Axe略微倾斜。
因透镜系统Be2的后侧焦点的位置配置为与孔径光阑PA的圆形开口的位置一致，故自透镜系统Be2倾斜地射出的光束LBn(平行光束)不会于孔径光阑PA上向Z方向偏移，而继续投射至圆形开口。因此，通过孔径光阑PA的圆形开口的光束LBn于强度分布上的1/e2的平缓区的强度已被准确地减弱的状态下，以相对于光轴Axe在XZ面内于副扫描方向略微倾斜的角度，射向后段的第1柱面透镜CY1。孔径光阑PA于副扫描方向上自多面镜PM的反射面RP观察时，对应于光瞳位置，根据通过孔径光阑PA的圆形开口的光束LBn的副扫描方向上的倾斜角，要入射至多面镜PM的反射面RP的光束LBn(于副扫描方向上收聚)于反射面上的位置略微偏移。因此，于多面镜PM的反射面RP反射后的光束LBn也以相对于包含图4所示的fθ透镜系统FT的光轴AXf且与XY面平行的面略微向Z方向偏移的状态，入射至fθ透镜系统FT。其结果，于上文的图17所示的光路的情形时，要入射至第2柱面透镜CY2的光束LBn于副扫描方向略微倾斜，要投射至基板P上的光束LBn的光点SP的位置向副扫描方向略微偏移。再者，于图4、图20中，将构成扩束器BE的透镜系统Be1、Be2的两者设定为具有正折射力的球面透镜(凸透镜)，但也可将光束LBn的入射侧的透镜系统Be1设定为具有负折射力的球面透镜(凹透镜)。于该情形时，自透镜系统Be1射出的光束LBn并不收聚而成为发散光束入射至透镜系统Be2，并通过透镜系统Be2转换为光束直径经扩大的平行光束。
于如上文的比较例1般，使第1柱面透镜CY1的母线与第2柱面透镜CY2的母线彼此平行地配置，且以单透镜构成第2柱面透镜CY2的情形时，如图12、图13所示，残存较大的球面像差。因此，若将平行板HVP设置于比较例1的扩束器BE(图7、图8)内并使其倾斜，则会因要入射至第2柱面透镜CY2的光束LBn的位置或倾斜于副扫描方向略微变化，而产生更大的球面像差。与此相对地，于如实施例1般，将第1柱面透镜CY1的母线与第2柱面透镜CY2的母线以彼此正交的关系进行配置，并且设置有透镜系统G10的情形时，或如变形例3中所说明般以多片透镜构成第2柱面透镜CY2的情形时，可如图18、图19所示将球面像差分良好地修正至光点SP的有效大小(直径)φ以下。因此，于使平行板HVP倾斜时，因要入射至第2柱面透镜CY2的光束LBn的位置或倾斜于副扫描方向略微变化而产生的球面像差分的增量也被抑制得较小。
因图4(图20)所示的平行板HVP设置于扫描单元Un的各个，故可使扫描单元Un各自的平行板HVP的倾斜角度η连续地变化，由此可使于基板P上描绘的图案的副扫描方向的局部部分以微小比率伸缩。因此，即便有于基板P的长尺寸方向(副扫描方向)上基板P部分地伸缩的情形，也可良好地维持第2层用的图案相对于已形成在基板P上的基底图案(第1层图案)重叠曝光(描绘)时的重叠精度。基板P的长尺寸方向(副扫描方向)的局部伸缩例如可通过如下方法于扫描单元Un的各个实施图案描绘前预测：将于长尺寸方向以固定间距(例如10mm)形成于基板P的宽度方向两侧的对准标记利用对准显微镜扩大，并利用摄像元件依序进行拍摄，对标记位置的长尺寸方向的变化(标记的间距变化等)进行图像解析。对准标记的配置及对准显微镜的配置等之一例揭示于例如国际公开第2015/152218号公报。

Claims (16)

1.一种光束扫描装置，一面将来自光源装置的光束投射至被照射体、一面于上述被照射体上一维地扫描上述光束，其具备：
第1光学构件，其将上述光束聚光于对应上述一维方向的主扫描方向；
光束偏向构件，其使通过上述第1光学构件的上述光束射入，为进行上述一维扫描而使上述光束偏向于上述主扫描方向；
扫描用光学系统，其使以上述光束偏向构件偏向的上述光束射入，并投射向上述被照射体；
第2光学构件，其使通过上述扫描用光学系统的上述光束射入，并将上述光束聚光于与上述主扫描方向正交的副扫描方向；及
透镜系统，其设置于上述第1光学构件与上述光束偏向构件之间，将通过上述第1光学构件的上述光束于上述光束偏向构件的位置聚光于上述副扫描方向，
在将投射至上述被照射体的上述光束在上述主扫描方向的数值孔径设为NAy，将在上述副扫描方向的数值孔径设为NAx时，将上述数值孔径NAy与上述数值孔径NAx设定为在既定容许范围内相等。
2.如权利要求1所述的光束扫描装置，其中，设定为在将上述第1光学构件的焦距设为fC1、将上述第2光学构件的焦距设为fC2、将上述透镜系统的焦距设为fG、以及将上述扫描用光学系统的焦距设为fθ时，成为如下关系：
fG 2/fC1＝fθ2/fC2。
3.如权利要求1或2所述的光束扫描装置，其进一步具备孔径光阑，该孔径光阑将射入上述第1光学构件的上述光束整形为直径φa的圆形剖面的光束。
4.如权利要求3所述的光束扫描装置，其中，设定为在将上述第1光学构件的焦距设为fC1，将上述第2光学构件的焦距设为fC2，将上述透镜系统的焦距设为fG，将上述扫描用光学系统的焦距设为fθ，将投射至上述被照射体的上述光束的数值孔径设为NA(＝NAy≒NAx)时，上述孔径光阑的上述直径φa，成为如下关系：
φa＝2×NA(fθ×fC1/fG)＝2×NA×(fG×fC2/fθ)。
5.如权利要求1或2所述的光束扫描装置，其中，上述光束偏向构件是通过多个反射面连续旋转，据以使上述光束反复偏向于上述主扫描方向的旋转多面镜。
6.如权利要求5所述的光束扫描装置，其中，上述第1光学构件是使上述光束在射入上述透镜系统前方的位置，在上述主扫描方向上聚光；
上述第2光学构件将上述光束于上述被照射体的位置在上述副扫描方向上聚光。
7.如权利要求6所述的光束扫描装置，其中，上述透镜系统，是供以上述第1光学构件聚光于上述主扫描方向后发散的上述光束射入，并使其于上述主扫描方向成为大致平行光，且于上述副扫描方向成为在上述旋转多面镜的反射面上聚光的收敛光。
8.如权利要求1所述的光束扫描装置，其中，上述第1光学构件、上述透镜系统、上述光束偏向构件、及上述扫描用光学系统的各个，是以如下方式配置：
上述第1光学构件的后侧焦点的位置与上述透镜系统的前侧焦点的位置于既定容许范围内一致，且
上述透镜系统的后侧焦点的位置与上述扫描用光学系统的前侧焦点的位置于既定容许范围内位于上述光束偏向构件。
9.如权利要求8所述的光束扫描装置，其中，上述第1光学构件及上述第2光学构件，包含在与上述光束行进的光路垂直的面内彼此正交的方向的折射力不同的柱面透镜、复曲面透镜、及变形透镜的任一种。
10.如权利要求9所述的光束扫描装置，其中，上述第1光学构件及上述第2光学构件由单透镜构成，
上述第1光学构件的焦距设为较上述透镜系统的焦距小，
上述第2光学构件的焦距设为较上述扫描用光学系统的焦距小。
11.如权利要求8至10中任一项所述的光束扫描装置，其中，上述扫描用光学系统是使上述光束于上述主扫描方向的偏向角度的变化与在上述被照射体上的投射位置的变化成正比关系的fθ透镜系统；
上述透镜系统是由至少1个球面透镜或非球面透镜构成。
12.如权利要求8至10中任一项所述的光束扫描装置，其中，上述第1光学构件及上述第2光学构件是以母线的延长方向彼此正交的关系设置的柱面透镜。
13.如权利要求8至10中任一项所述的光束扫描装置，其中，设定为在将上述透镜系统的焦距设为fG，将上述扫描用光学系统的焦距设为fθ，将由上述第1光学构件单体产生的于上述主扫描方向的球面像差设为SC1、将由上述第2光学构件单体产生的于上述副扫描方向的球面像差设为SC2，将在上述被照射体上产生的上述光束于上述主扫描方向的球面像差设为S1，将于上述副扫描方向的球面像差设为S2时，差分|S1－S2|成为如下关系：
|S1－S2|＜SC1×fθ2/fG 2－SC2。
14.如权利要求13所述的光束扫描装置，其中，设定为于上述主扫描方向的上述球面像差S1与于上述副扫描方向的上述球面像差S2成为如下关系：
S1＜SC1×fθ2/fG 2，且S2＜SC2。
15.如权利要求8至10中任一项所述的光束扫描装置，其中，设定为在将上述光束的波长设为λ，将在上述被照射体上产生的上述光束于上述主扫描方向的球面像差设为S1，将于上述副扫描方向的球面像差设为S2，将上述光束在上述主扫描方向的数值孔径设为NAy，将上述光束在上述副扫描方向的数值孔径设为NAx时，
上述球面像差S1与上述球面像差S2的差分|S1－S2|成为如下关系：
|S1－S2|＜λ/NAy 2，且|S1－S2|＜λ/NAx 2。
16.如权利要求8至10中任一项所述的光束扫描装置，其中，设定为在将上述光束的波长设为λ，将在上述被照射体上产生的上述光束于上述主扫描方向的球面像差设为S1，将于上述副扫描方向的球面像差设为S2，将上述光束在上述主扫描方向的数值孔径设为NAy，将上述光束在上述副扫描方向的数值孔径设为NAx时，
上述球面像差S1与上述球面像差S2成为如下关系：
S1＜λ/NAy 2，且S2＜λ/NAx 2。
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