JP2005345582A - 投影光学系およびパターン描画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体側からの光を凹面ミラーと凸面ミラーとの間で凹面ミラー側から交互に３回反射させる投影光学系において、収差を抑制する。
【解決手段】投影光学系６は、基準点Ｐ１を中心とする凹面ミラー６１１が裏面鏡として形成されたメニスカスレンズ６１２である第１ミラー部材６１、および、基準点Ｐ１と第１ミラー部材６１との間において基準点Ｐ１をおよそ中心とする凸面ミラー６２１が裏面鏡として形成されたメニスカスレンズ６２２である第２ミラー部材６２を有する。物体側からの光は、中心軸Ｊ１に平行に第１ミラー部材６１に入射し、凹面ミラー６１１、凸面ミラー６２１、凹面ミラー６１１にて反射され、中心軸Ｊ１に平行に導き出され、像が形成される。これにより、凹面ミラーと凸面ミラーとの間で３回反射させる投影光学系６において、メニスカスレンズ６１２，６２２により収差を抑制することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、物体側からの光を凹面ミラーと凸面ミラーとの間で３回反射させる投影光学系、および、これを利用したパターン描画装置に関する。

従来より、半導体基板やプリント基板、あるいは、プラズマ表示装置、液晶表示装置、フォトマスク用のガラス基板等（以下、「基板」という。）に形成された感光材料に光を照射することによりパターンを描画する方法として、プロキシミティ露光方式やステップ露光方式等のように感光材料にマスクパターンを転写する手法が知られている。このようなマスクパターンを転写する描画方式では、描画するパターンのピッチや幅の変更に柔軟に対応することが困難である。

なお、特許文献１では凸面ミラーと凹面ミラーとを対向させて有し、物体側から入射する光を凹面ミラーにて反射させた後、凸面ミラーにて反射させ、さらに、凹面ミラーにて反射させて所定の位置へと導いて物体の像を形成する投影光学系が提案されている。
特公昭５７−５１０８３号公報

ところで、マスクに光を照射して投影光学系によりマスクの像（光照射領域）を基板の感光材料上に形成しつつ、マスクの像を基板に対して相対的に移動して感光材料にストライプ状のパターンを効率よく描画する手法を採用しようとした場合、高速なパターン描画を実現するには、マスクを通過する光を多く取り込むことが可能な物体側開口数（ＮＡ）の大きい投影光学系が必要となる。しかし、一般的には、ＮＡを大きくすると収差も大きくなるため解像度が低下してしまい（すなわち、パターンの描画制御の最小単位が大きくなってしまい）、レンズを複雑に組み合わせたとしても要求精度を満たす投影光学系を構築することは困難である。特許文献１のように、凹面ミラーと凸面ミラーとを利用した投影光学系を用いることにより、色収差を抑制することは可能であるが、他の諸収差を抑制することは困難となる。また、特許文献１の投影光学系では、投影倍率を変更することができないためマスクの像の大きさを変えることができず、さらに、結像位置を調整することができないため基板の凹凸に対応することが容易ではない。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、物体側からの光を凹面ミラーと凸面ミラーとの間で３回反射させる投影光学系において、投影倍率を変更することを主たる目的としており、収差を抑制することも目的としており、さらに、結像位置を調整することも目的としている。

請求項１に記載の発明は、投影光学系であって、所定の中心軸上に配置され、前記中心軸上の基準点を中心とする凹面ミラーと、前記基準点と前記凹面ミラーとの間において前記中心軸上に配置され、前記基準点をおよそ中心とする凸面ミラーと、物体側からの光を前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に前記凹面ミラーへと導く光路上に配置された第１レンズと、前記凹面ミラーに入射して前記凹面ミラー、前記凸面ミラー、前記凹面ミラーにて順番に反射された後に、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に導き出される光を像側へと導く第２レンズと、前記第１レンズおよび前記第２レンズを光軸に沿って移動するレンズ移動機構とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の投影光学系であって、前記凹面ミラーがメニスカスレンズに形成された裏面鏡であり、前記凸面ミラーがもう１つのメニスカスレンズに形成された裏面鏡である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の投影光学系であって、物体側から前記中心軸に向かう光を前記第１レンズを経由後に前記中心軸の手前で反射して、前記凹面ミラーへと導く第１折り返しミラーと、前記凹面ミラーから前記中心軸に平行に導き出される光を反射して、前記中心軸から離れる方向に位置する前記第２レンズへと導く第２折り返しミラーと、前記第１折り返しミラーまたは前記第２折り返しミラーを移動することにより、前記中心軸と結像位置との間の距離を変更するミラー移動機構とをさらに備える。

請求項４に記載の発明は、投影光学系であって、所定の中心軸上に配置され、前記中心軸上の基準点を中心とする凹面ミラーが裏面鏡として形成されたメニスカスレンズである第１ミラー部材と、前記基準点と前記第１ミラー部材との間において前記中心軸上に配置され、前記基準点をおよそ中心とする凸面ミラーが裏面鏡として形成されたメニスカスレンズである第２ミラー部材とを備え、物体側からの光が、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に前記第１ミラー部材に入射し、前記凹面ミラー、前記凸面ミラー、前記凹面ミラーにて順番に反射され、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に導き出される。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の投影光学系であって、前記第１ミラー部材のメニスカスレンズが負パワーを有し、前記第２ミラー部材のメニスカスレンズが正パワーを有する。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の投影光学系であって、前記第１ミラー部材のメニスカスレンズの前記中心軸上の厚さが２つのレンズ面の曲率半径の差のおよそ半分である。

請求項７に記載の発明は、投影光学系であって、所定の中心軸上に配置され、前記中心軸上の基準点を中心とする凹面ミラーと、前記基準点と前記凹面ミラーとの間において前記中心軸上に配置され、前記基準点をおよそ中心とする凸面ミラーと、物体側から前記中心軸に向かう光を前記中心軸の手前で反射して、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に前記凹面ミラーへと導く第１折り返しミラーと、前記凹面ミラーに入射して前記凹面ミラー、前記凸面ミラー、前記凹面ミラーにて順番に反射された後に、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に導き出される光を反射して、前記中心軸から離れる方向へと導く第２折り返しミラーと、前記第１折り返しミラーまたは前記第２折り返しミラーを移動することにより、前記中心軸と結像位置との間の距離を変更するミラー移動機構とを備える。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の投影光学系であって、前記ミラー移動機構が、前記第１折り返しミラーおよび前記第２折り返しミラーを一体的に移動する。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の投影光学系であって、前記凹面ミラーがメニスカスレンズに形成された裏面鏡であり、前記凸面ミラーがもう１つのメニスカスレンズに形成された裏面鏡である。

請求項１０に記載の発明は、基板上の感光材料にパターンを描画するパターン描画装置であって、所定の光源パターンにて光を出射する光源部と、基板を保持する保持部と、前記光源部の像を前記基板上に形成する請求項１ないし９のいずれかに記載の投影光学系と、前記光源部の像を前記基板の主面に沿いつつ、前記凹面ミラーと前記凸面ミラーとの間における光軸を含む面に平行な方向へと前記基板に対して相対的に移動する像移動機構とを備える。

請求項１ないし３の発明では、物体側からの光を凹面ミラーと凸面ミラーとの間で３回反射させる投影光学系において、投影倍率を変更することができる。

請求項２、４ないし６並びに９の発明では、２つの裏面鏡を利用して収差を抑制しつつ物体の像を形成することができる。

請求項３、並びに７ないし９の発明では、物体側からの光を凹面ミラーと凸面ミラーとの間で３回反射させる投影光学系において、結像位置を調整することができる。

また、請求項８の発明では、中心軸と結像位置との間の距離を効率よく変更することができる。

請求項１０の発明では、基板上の感光材料にパターンを適切に描画することができる。

図１は本発明の一の実施の形態に係るパターン描画装置１の構成を示す図である。パターン描画装置１は、光を液晶表示装置用のガラス基板９（以下、単に「基板９」という。）に照射することにより、基板９上の感光材料（本実施の形態ではカラーレジスト）に複数のストライプ状のパターンを描画する装置である。パターンが描画された基板９は、後続の別工程を経て最終的には液晶表示装置の組立部品であるカラーフィルタとなる。

パターン描画装置１では、基台１１上にステージ移動機構２が設けられ、ステージ移動機構２により基板９を保持するステージユニット３が基板９の主面に沿って図１中のＹ方向に移動可能とされる。基台１１にはステージユニット３を跨ぐようにしてフレーム１２が固定され、フレーム１２にはマスクチェンジャ４およびヘッド部５が取り付けられる。

ステージ移動機構２は、モータ２１にボールねじ２２が接続され、さらに、ステージユニット３に固定されたナット２３がボールねじ２２に取り付けられた構造となっている。ボールねじ２２の上方にはガイドレール２４が固定され、モータ２１が回転すると、ナット２３とともにステージユニット３がガイドレール２４に沿ってＹ方向に滑らかに移動する。

ステージユニット３は、基板９を直接保持するステージ３１、基板９の主面に垂直な軸を中心にステージ３１を回転するステージ回転機構３２、ステージ３１を回転可能に支持する支持プレート３３、および、支持プレート３３を保持するベースプレート３４を有し、ベースプレート３４には上記のナット２３が直接固定される。また、支持プレート３３上には、ヘッド部５から照射される光を２次元配列された受光素子群である撮像デバイスにて受光するカメラ３５が設けられる。なお、カメラ３５の撮像面は基板９上の感光材料の表面と同じ高さに予め調整されている。

ヘッド部５は、ヘッド部５を支持するヘッド支持部５０、ヘッド部５を図１中のＸ方向（すなわち、ヘッド部５のステージユニット３に対する相対移動方向に直交する方向）に移動するヘッド部移動機構５０１、基板９に向けて光を出射する光出射部５１、複数の開口が配列して形成された２枚のマスク（以下、光出射部５１に近い側から第１マスク５３、第２マスク５４と呼ぶ。）を有するマスク部５２、光出射部５１からの光をマスク部５２へと導く補助光学系５１ａ、および、マスク部５２を通過する光を基板９上へと導く投影光学系６を有する。

光出射部５１は光ファイバ５１１、および、感光材料への光の照射のＯＮ／ＯＦＦを行うシャッタ５１２を介して水銀灯５１３に接続される。水銀灯５１３からの光は、光出射部５１から出射されて補助光学系５１ａを経由した後、光路上に配置された第１マスク５３および第２マスク５４（以下、第１マスクと第２マスクとを２枚１組で指す場合、「マスクセット」という。）の開口を順に通過する。このように、ヘッド部５では光出射部５１、補助光学系５１ａおよびマスク部５２により所定の光源パターンにて光が出射され、投影光学系６によりマスク部５２の像が、マスク部５２を通過する光の基板９上における複数の照射領域として基板９上に形成される。このとき、パターンの描画制御の最小単位に相当する投影光学系６による解像度が、Ｘ方向とＹ方向とで異なっており、実際には、光照射領域がＸ方向に高解像度に形成される。また、投影光学系６では合焦位置（すなわち、結像位置）が調整可能とされ、さらに、基板９上の光照射領域は微小に拡大または縮小可能とされる。なお、投影光学系６についてはパターン描画装置１の全体説明の後に詳述する。

ヘッド部移動機構５０１は、モータ５０２がボールねじ機構を駆動することによりヘッド部５をガイドレール５０３に沿ってＸ方向に移動する。また、ヘッド部５に隣接して設けられるマスクチェンジャ４は複数のマスクを格納しており、マスクチェンジャ４によりマスク部５２のマスクが必要に応じて交換される。

ステージ移動機構２、ステージユニット３、カメラ３５、シャッタ５１２、ヘッド部移動機構５０１、マスク部５２、投影光学系６およびマスクチェンジャ４は制御部７に接続され、これらの構成が制御部７により制御されて、パターン描画装置１による基板９上へのパターンの描画が行われる。また、制御部７には入力部８が接続され、基板９上の複数の光照射領域のそれぞれのＸ方向の幅（第１マスク５３の開口が配列される方向の幅であり、以下、単に「幅」という。）、および、複数の光照射領域の間隔（各光照射領域の中心から隣接する光照射領域の中心までの距離であり、以下、「ピッチ」という。）の設定値が操作者により入力部８を介して制御部７に入力される。

図２は第１マスク５３を、図３は第２マスク５４をそれぞれ示す図である。第１マスク５３には、光が通過する複数の光通過領域である第１開口５３１が図２中のＸ方向に配列して形成される。第２マスク５４には、複数の第１開口５３１にそれぞれが対応する複数の光通過領域である第２開口５４１が配列して形成される。第１開口５３１および第２開口５４１の形状は矩形であり、開口の長さ（すなわち、第１開口５３１および第２開口５４１の配列方向に直交する方向の寸法）および幅（すなわち、第１開口５３１および第２開口５４１が配列される方向の幅）は、第２開口５４１に比べて第１開口５３１の方が大きい。また、第１開口５３１の幅は同一であり、かつ、各第１開口５３１の中心から隣接する第１開口５３１の中心までの距離であるピッチも一定である。同様に、各第２開口５４１も幅およびピッチが等しく、第２開口５４１のピッチは第１開口５３１のピッチに等しい。なお、図２の第１マスク５３および図３の第２マスク５４では、開口の長さが幅より長いが、開口の長さは幅より短くてもよい。

図４は、マスク部５２の構成を示す図である。マスク部５２は、第１マスク５３を保持する第１マスク保持部５５、第２マスク５４を保持する第２マスク保持部５６、および、図４中のＸ方向（すなわち、第１開口５３１および第２開口５４１が配列される方向）へと第１マスク５３を移動するマスクスライド機構５７を有する。なお、図４では第１マスク保持部５５および第１開口５３１を太線にて示している。

第２マスク５４は、各第２開口５４１が対応する第１開口５３１と重なるように第１マスク５３に対して当接する。これにより、第１開口５３１と第２開口５４１との重なり合う領域（図４中に平行斜線を付して示す。）５２０は同一の幅となり、第１開口５３１および第２開口５４１に等しい一定のピッチにて配列される。光出射部５１（図１参照）からの光は、第１開口５３１および第２開口５４１を順に通過して基板９上の感光材料へと導かれ、領域５２０に対応する形状およびピッチを有する複数の光照射領域に照射される。以下の説明において、実際の光の通過領域である領域５２０を「マスクセット開口」という。

なお、第２マスク５４は第１マスク５３に対して必ずしも物理的に当接する必要はなく、光学的に重ね合わされるのみでよい。例えば、第１マスク５３と第２マスク５４とは、焦点深度を考慮した分（例えば、数μｍ程度）だけ離れていてもよく、光学的に共役な位置に個別に配置されてもよい。

マスクスライド機構５７は、第１マスク保持部５５を保持するスライド枠５７１、スライド用モータ５７２、および、スライド用モータ５７２に接続されたボールねじ機構５７３を有し、制御部７の制御によりスライド用モータ５７２がボールねじ機構５７３を駆動すると第１マスク保持部５５がスライド枠５７１に沿ってＸ方向に移動する。その結果、第１マスク保持部５５に保持された第１マスク５３もＸ方向に移動し、第１開口５３１と第２開口５４１との重なる状態が変化してマスクセット開口５２０の幅が変化し、基板９上の光照射領域の幅も変化する。このとき、マスクセット開口５２０のピッチは変化しないため、マスクセット開口５２０の間の（光が通過しない領域の）幅に対するマスクセット開口５２０の幅の比のみが変化する。

図示を省略しているが、第１マスク保持部５５と第２マスク保持部５６との間には離合機構が設けられており、第１マスク保持部５５が移動する間は第２マスク保持部５６がわずかに下降し、第１マスク５３と第２マスク５４とが離間する。これにより、第１マスク５３と第２マスク５４との間における損傷や発塵が防止される。

図５は、基板９の感光材料上に形成される複数の光照射領域９０の一部を示す図である。複数の光照射領域９０はそれぞれマスクセット開口５２０（図４参照）に対応しており、複数の光照射領域９０の幅は同一となり、かつ、ピッチも一定となる。既述のように、光照射領域９０の幅およびピッチは、図１中に示す投影光学系６により僅かに拡大および縮小可能とされる。

図６は、制御部７の構成、および、制御に関する情報の流れを示すブロック図である。制御部７中の各種構成は機能を示しており、実際にはプログラムに従って演算処理を行うＣＰＵ、メモリ、専用の演算回路、インタフェース等により実現される。制御部７は主たる構成として、光照射領域９０の幅およびピッチを制御する照射領域制御部７１、および、基板９上の感光材料に対する光照射領域９０の走査を制御する走査制御部７２を有する。

照射領域制御部７１は、カメラ３５からの画像信号に基づいて複数の光照射領域９０のそれぞれの幅を検出する幅検出部７１１、および、ピッチを検出するピッチ検出部７１２、光照射領域９０の幅を制御する幅制御部７１３、および、ピッチを制御するピッチ制御部７１４、並びに、光照射領域９０の幅およびピッチの調整に必要な情報を記憶する記憶部７１５を有する。

記憶部７１５には、マスク部５２に装着されるマスクセットと、そのマスクセットおよび投影光学系６によって実現可能な光照射領域９０の幅およびピッチとの対応関係を示すマスクテーブル７１６が、予め作成されて記憶されている。また、記憶部７１５には、投影光学系６における結像位置の調整に利用されるフォーカステーブル７１７、入力部８から入力された光照射領域９０の幅の設定値（以下、「設定幅」という。）７１８、および、ピッチの設定値（以下、「設定ピッチ」という。）７１９が記憶される。

照射領域制御部７１には、ステージ移動機構２、カメラ３５、シャッタ５１２、マスクスライド機構５７、投影光学系６、マスクチェンジャ４および入力部８が接続され、カメラ３５および入力部８からの情報に基づき照射領域制御部７１がこれらの構成を制御することにより光照射領域９０の幅およびピッチが調整される。

走査制御部７２には、ステージ移動機構２、ステージ回転機構３２、ヘッド部移動機構５０１およびシャッタ５１２が接続され、走査制御部７２がこれらの構成を制御することにより、感光材料に対する光の照射および光照射領域９０の走査が行われる。

図７は、パターン描画装置１による感光材料へのパターンの描画動作の流れを示す図である。まず、設定幅７１８および設定ピッチ７１９が操作者により入力部８から入力され、照射領域制御部７１により受け付けられて記憶部７１５に記憶される（ステップＳ１１）。続いて、制御部７の制御により、光照射領域９０の幅およびピッチが設定幅７１８および設定ピッチ７１９に等しくなるように調整される（ステップＳ１２）。

具体的には、照射領域制御部７１に制御されるカメラ３５により複数の光照射領域９０が撮像され、ピッチ検出部７１２における演算処理により光照射領域９０のピッチが検出される。続いて、検出結果に基づいてピッチ制御部７１４により投影光学系６の倍率が変更されて光照射領域９０のピッチが設定ピッチ７１９と等しくされる。このとき、投影光学系６はフォーカステーブル７１７等に基づいて制御されることにより、投影光学系６の結像位置がカメラ３５の撮像面（基板９上の感光材料の表面）に一致する。なお、フォーカステーブル７１７を用いずに、撮像および投影光学系６の制御を繰り返して結像位置の調整が行われてもよい。

ピッチ調整および結像位置の調整が終了すると、幅検出部７１１により複数の光照射領域９０のそれぞれの幅が検出され、検出結果に基づいて幅制御部７１３によりマスクスライド機構５７が制御されてマスクセット開口５２０の幅が変更される。その結果、光照射領域９０の幅が調整されて設定幅７１８と等しくされる。なお、投影光学系６の倍率変更のみでは光照射領域９０の幅またはピッチの調整ができないとマスクテーブル７１６に基づいて判断された場合には、マスクチェンジャ４によりマスク部５２のマスクが交換される。

ここでは、パターン描画装置１が１つのヘッド部５を有する場合について説明を行っているが、パターン描画装置１は複数のヘッド部を有してもよく、この場合には、各ヘッド部に対して光照射領域の幅およびピッチの調整が行われる。すなわち、カメラ３５が複数のヘッド部のそれぞれの下方へと相対的に順次移動し、各ヘッド部における光照射領域の幅およびピッチが調整される。その際、各ヘッド部に対するカメラ３５の相対的な移動量を検出することにより、ヘッド部間の距離も取得され、それぞれが独立してＸ方向へと移動可能な複数のヘッド部の位置（各ヘッド部においてマスク部全体がＸ方向に移動する場合には、当該マスク部の位置）がさらに調整される。

光照射領域９０の幅およびピッチの調整が終了すると、走査制御部７２によりステージ移動機構２およびヘッド部移動機構５０１が制御されてステージ３１に対してヘッド部５が所定の描画開始位置へと移動する（ステップＳ１３）。具体的には、ステージ３１が（＋Ｙ）側へと移動し、ヘッド部５が（−Ｘ）側へと移動する。ヘッド部５からは光の出射が開始され（ステップＳ１４）、基板９の感光材料上の光照射領域９０に光が照射される。

その後、図１中の（−Ｙ）方向へとステージ３１の移動が開始され（ステップＳ１５）、光照射領域９０が図１中の（＋Ｙ）方向に感光材料に対して相対的に一定速度にて走査されることにより、設定幅および設定ピッチを有するストライプ状の複数のパターンが基板９上の感光材料に描画される。光照射領域９０の走査が所定の終了位置に到達すると、ステージ３１の移動が停止し（ステップＳ１６）、光の照射が停止する（ステップＳ１７）。

感光材料に対する１回目の走査が終了すると、基板９に対して同方向に伸びるストライプ状のパターンの描画が繰り返されるか否か（すなわち、次の走査の有無）が確認され（ステップＳ１８）、次の走査が有る場合にはステップＳ１３へと戻ってステージ３１が次の描画開始位置へと移動し、光の照射およびステージ３１の移動（ステップＳ１３〜Ｓ１７）が必要な回数だけ繰り返される。光照射領域９０の走査時のステージ３１の移動は（＋Ｙ）方向と（−Ｙ）方向とに交互に行われ、２回目以降のステップＳ１３では、ヘッド部移動機構５０１がヘッド部５を所定の距離だけ（＋Ｘ）方向へと移動するのみでヘッド部５が描画開始位置へと移動する。

基板９上の感光材料全体にストライプ状のパターンが描画されるとパターン描画装置１による描画動作が終了する。なお、感光材料がカラーレジストである場合は、図７中のステップＳ１９は実行されない。

パターンが描画された基板９はパターン描画装置１から搬出され、別途現像されて基板９上に残存した感光材料はカラーフィルタのサブ画素とされる。この場合、感光材料は現像時に露光部分（すなわち、光が照射された部分）が残るネガ型のカラーレジストが一般的に用いられる。その後、カラーレジストの塗布、パターン描画装置１による描画、および、現像が繰り返され、基板９上にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のサブ画素が形成される。さらに、透明電極の形成等の工程を経て基板９が液晶表示装置に用いられるカラーフィルタとなる。

図７中のステップＳ１９は、格子状のパターンを基板９上に描画する際に実行される。具体例としては、パターン描画装置１がカラーフィルタのブラックマトリックスの描画に使用される際に実行される。

格子状のパターンが描画される場合、ステップＳ１１〜Ｓ１８により１方向のストライプ状のパターンの描画が完了すると、描画済みのパターンと直交する方向のパターンの描画の有無が確認され（ステップＳ１９）、制御部７によりステージ回転機構３２が駆動されて、ステージユニット３に保持された基板９の主面に垂直な軸を中心にステージ３１が９０°回転する（ステップＳ１９１）。これにより、基板９上の感光材料に対して光照射領域９０の走査方向が相対的に９０°変更される。

走査方向変更後は、ステージユニット３を撮像位置へと移動して光照射領域９０の幅およびピッチを調整し（ステップＳ１２）、以下、ステージ３１を描画開始位置へと移動してストライプ状のパターンを描画する動作が必要な回数だけ繰り返される（ステップＳ１３〜Ｓ１８）。このように、パターン描画装置１では、ステージ３１を回転することにより、基板９上の感光材料に格子状のパターンを描画することも可能とされている。

以上のように、図１のパターン描画装置１では、光出射部５１、補助光学系５１ａおよびマスク部５２により所定の光源パターンにて光が出射され、後述する投影光学系６によりマスク部５２の像（光照射領域９０）が基板９上にＸ方向に高解像度にて形成される。そして、基板９上においてマスク部５２の像を相対的に走査させることにより、基板９の感光材料上にストライプ状（または、格子状）のパターンを適切に描画することができる。

なお、基板９上におけるマスク部５２の像の基板９に対するＹ方向への走査は、ヘッド部５が基板９に対して移動することにより実現されてもよい。また、マスク部５２において、Ｘ方向に一定ピッチで配列形成された同一の幅および長さを有する矩形の開口群（以下、「開口列」という。）がＹ方向（すなわち、光照射領域の走査方向）に複数配列された２枚のマスクを準備し、使用する開口列の選択を行うことにより異なる幅およびピッチを有するパターンの描画が実現されてもよい。さらに、所定の光源パターンにて光を出射する光源部としての機能は、光出射部５１およびマスク部５２の組合せ以外に、例えば、所定のピッチにて配列された複数の光源により実現されてもよい。

また、パターン描画装置１はフラットパネル表示装置（液晶表示装置、プラズマ表示装置、有機ＥＬ表示装置等）に係る様々なパネルの製造に特に適しているが、半導体基板やプリント配線基板、あるいは、フォトマスク用のガラス基板等への規則的な微細パターンの描画にも適している。

次に、図１のパターン描画装置１に用いられる投影光学系６について詳述する。図８および図９は投影光学系６の内部構成を示す図であり、図８は投影光学系６の内部を図１中の（−Ｘ）側から（＋Ｘ）方向を向いて見た場合の様子を示す図であり、図９は（＋Ｙ）側から（−Ｙ）方向を向いて見た場合の様子を示す図である。なお、図９では、第１ミラー部材６１、第２ミラー部材６２、第１レンズ６３、第２レンズ６６、第１折り返しミラー６４および第２折り返しミラー６５以外の図示を省略している。

図８に示す投影光学系６は、Ｙ方向に平行な所定の中心軸Ｊ１を有し、中心軸Ｊ１上において投影光学系６の（＋Ｙ）側に想定される基準点Ｐ１を中心とする凹面ミラー６１１が裏面鏡として形成されたメニスカスレンズ６１２を有する第１ミラー部材６１、および、基準点Ｐ１と第１ミラー部材６１との間において中心軸Ｊ１上に配置され、基準点Ｐ１をおよそ中心とする凸面ミラー６２１が裏面鏡として形成されたメニスカスレンズ６２２を有する第２ミラー部材６２を備える。第１ミラー部材６１のメニスカスレンズ６１２は負パワーを有するレンズとされ、メニスカスレンズ６１２において中心軸Ｊ１上の厚さが２つのレンズ面の曲率半径の差のおよそ半分とされる。また、第２ミラー部材６２のメニスカスレンズ６２２は正パワーを有するレンズとされる。なお、図９に示すように、第１ミラー部材６１の（＋Ｘ）側および（−Ｘ）側の部位が切り落とされ、投影光学系６の小型化が図られている。

投影光学系６は、第２ミラー部材６２の（＋Ｚ）側（すなわち、図１中のマスク部５２側であり、図８および図９に示す投影光学系６において符号９１を付す物体側）に配置される第１レンズ６３および第１折り返しミラー６４、並びに、第２ミラー部材６２の（−Ｚ）側（すなわち、基板９側であり、図８および図９に示す投影光学系６において符号９２を付す像側）に配置される第２折り返しミラー６５および第２レンズ６６をさらに備える。第１レンズ６３は凸面を中心軸Ｊ１に向ける正メニスカスレンズ６３１および負メニスカスレンズ６３２を光軸Ｊ２に沿って物体９１側から順に有し、第２レンズ６６も凸面を中心軸Ｊ１に向ける負メニスカスレンズ６６１および正メニスカスレンズ６６２を同様に有する。

図８に示すように第１レンズ６３は、モータ６７１、ボールねじ機構６７２、および、ガイド（例えば、クロスローラガイドであり、図８において図示省略）を有する第１レンズ移動機構６７に接続され、光軸Ｊ２に沿って移動可能とされる。また、第２レンズ６６も同様に、モータ６８１、ボールねじ機構６８２、および、ガイドを有する第２レンズ移動機構６８に接続され、光軸Ｊ２に沿って移動する。第１折り返しミラー６４および第２折り返しミラー６５は、ミラー支持部６９１により一体的に支持され、モータ６９２、ボールねじ機構６９３、および、ガイドを有するミラー移動機構６９がミラー支持部６９１を移動することにより、第１折り返しミラー６４および第２折り返しミラー６５が一体的に図８中のＹ方向に移動する。

物体９１側（図１中のマスク部５２側）から投影光学系６に入射する光は、第１レンズ６３を経由して中心軸Ｊ１に向かい、第１折り返しミラー６４にて中心軸Ｊ１の手前で反射され、中心軸Ｊ１から外れつつ中心軸Ｊ１に平行に第１ミラー部材６１へと導かれる。メニスカスレンズ６１２を通過して凹面ミラー６１１に入射する光は、凹面ミラー６１１にて反射されてメニスカスレンズ６１２を介して第２ミラー部材６２へと導かれ、メニスカスレンズ６２２を通過して凸面ミラー６２１へと入射する。そして、凸面ミラー６２１にて反射された光はメニスカスレンズ６２２，６１２を介して凹面ミラー６１１に再度導かれ、凹面ミラー６１１にて反射される。このようにして、凹面ミラー６１１、凸面ミラー６２１、凹面ミラー６１１にて順番に反射された光は、メニスカスレンズ６１２を介して中心軸Ｊ１から外れつつ中心軸Ｊ１に平行に導き出される。

このとき、メニスカスレンズ６１２，６２２のレンズ面により凹面ミラー６１１および凸面ミラー６２１により生じる収差（例えば、歪曲収差等）が補正される。凹面ミラー６１１からの光は第２折り返しミラー６５により中心軸Ｊ１から離れる方向に位置する像９２側（図１中の基板９側）へと反射され、第２レンズ６６により基板９の感光材料上へと導かれてマスク部５２の像９２が形成される。また、第１レンズ移動機構６７および第２レンズ移動機構６８が第１レンズ６３および第２レンズ６６を光軸Ｊ２に沿って移動することにより、基板９上におけるマスク部５２の像の拡大または縮小が実現される。

投影光学系６ではＹ方向に低くＸ方向に高い解像度が得られるように第１ミラー部材６１および第２ミラー部材６２が配置されている。したがって、上述のパターン描画装置１において、マスク部５２の像が基板９に対してＹ方向に相対的に移動することにより、Ｘ方向の精度が高いストライプ状のパターンを形成することが可能となる。なお、パターン描画装置１の投影光学系６において、第２折り返しミラー６５により第２ミラー部材６２からの光がＸ方向に反射される場合には、主面の法線がＸ方向を向く基板９に対してマスク部５２の像がＺ方向に移動し、第２折り返しミラー６５が省略される場合には、主面の法線がＹ方向を向く基板９に対してマスク部５２の像がＺ方向に移動する。すなわち、マスク部５２の像はステージ移動機構２により基板９の主面に沿いつつ凹面ミラー６１１と凸面ミラー６２１との間における光軸Ｊ２を含む面に平行な方向に移動される。

投影光学系６では、さらに、ミラー移動機構６９が第１折り返しミラー６４および第２折り返しミラー６５をＹ方向へと一体的に移動することにより、物体９１側から像９２側へと至る光路長が変更され、物体９１と投影光学系６との間の距離を一定に保ちつつ、中心軸Ｊ１と結像位置との間の距離が効率よく変更される。言い換えると、ミラー移動機構６９により結像位置が少なくともＺ方向に移動し、結像位置を容易に調整可能な結像位置調整機構が実現される。なお、結像位置は調整に伴ってＹ方向にも移動するが、投影光学系６ではＹ方向の解像度は低くてよいため、パターン描画装置１におけるパターン描画では問題とはならない。

以上のように、投影光学系６では凹面ミラー６１１が裏面鏡として形成されたメニスカスレンズ６１２である第１ミラー部材６１、および、凸面ミラー６２１が裏面鏡として形成されたメニスカスレンズ６２２である第２ミラー部材６２を設けることにより、２つのミラー部材６１，６２の屈折面を利用して収差を抑制しつつ物体の像を形成することが実現される。これにより、投影光学系６において、物体側開口数（ＮＡ）を大きくしつつＸ方向に一定の解像度を保つことができる。その結果、図８の投影光学系６を利用したパターン描画装置１では、解像度を低下させることなくマスク部５２からの光の量を多く取り込むことが可能となり、基板９上に高速にパターンを描画することができ、スループットが向上する。

また、第１折り返しミラー６４および第２折り返しミラー６５を移動することにより、物体側から入射する光を凹面ミラー６１１と凸面ミラー６２１との間で凹面ミラー６１１側から交互に３回反射させる投影光学系６において、結像位置を調整することができる。これにより、パターン描画装置１において、基板９の主面上に凹凸や反りがある場合、または、厚さの異なる基板９が処理される場合であっても、基板９上の感光材料の表面に結像位置を合わせることが実現され、基板９上に精度よくパターンを描画することができる。なお、投影光学系６では、第１折り返しミラー６４および第２折り返しミラー６５の一方が、Ｘ方向またはＹ方向に移動することにより、結像位置の調整が実現されてもよい。

さらに、第１レンズ６３および第２レンズ６６を光軸Ｊ２に沿って移動することにより、投影光学系６において投影倍率を変更することが実現され、その結果、パターン描画装置１において描画されるパターンの幅およびピッチを容易に変更することができ、基板９上にパターンを適切に描画することができる。

なお、投影光学系６はストライプ状のパターンを描画するパターン描画装置に特に適しているが、他の用途に用いられてもよい。

また、図１のパターン描画装置１の補助光学系５１ａにおいても、投影光学系６から第１レンズ６３および第２レンズ６６を除いたものと同様のものが用いられる。この場合、メニスカスレンズ６１２，６２２は省略されてもよい。

実施例１に係る投影光学系６の仕様を以下に示す。
・光照射領域サイズ（Ｘ方向）：４７ｍｍ
・光照射領域サイズ（Ｙ方向）：４ｍｍ
・倍率：０．９８−１．０２
・物体側開口数：０．２０
・解像度（Ｘ方向）：５μｍ
・解像度（Ｙ方向）：５０μｍ

なお、光学系は比例して拡大または縮小されても同等の性能が得られるので、上記仕様の数値は絶対的なものではない。

表１は、投影光学系６の設計例を示し、表２は投影光学系６の倍率が、１．０２倍、１．００倍、０．９８倍の場合の表１中の変数Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１を示すものである。なお、表１中のｉｎｆは曲率半径が無限大であることを示し、ｎ（３６５）は用いられるガラス材料の波長３６５ｎｍの光に対する屈折率を示す。

図１０．Ａおよび図１０．Ｂは、倍率１．０２における光軸からの物体の高さ０ｍｍおよび２３．５ｍｍにおける像面での横収差を示し、右側はサジタル面に対応し、左側はメリディオナル面に対応する。図１１は、１．０２倍におけるディストーションを示し、横軸の単位はパーセントであり、縦軸は最大高さで規格化した物体の高さであり、最大スケールは１である。

実施例２に係る投影光学系６の仕様を以下に示す。
・光照射領域サイズ（Ｘ方向）：４０ｍｍ
・光照射領域サイズ（Ｙ方向）：１ｍｍ
・倍率：０．９９−１．０１
・物体側開口数：０．２０

なお、光学系は比例して拡大または縮小されても同等の性能が得られるので、上記仕様の数値は絶対的なものではない。

表３は、投影光学系６の設計例を示し、表４は投影光学系６の倍率が、１．０１倍、１．００倍、０．９９倍の場合の表３中の変数Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２を示すものである。なお、表３中のｉｎｆは曲率半径が無限大であることを示し、ｎ（３６５）は用いられるガラス材料の波長３６５ｎｍの光に対する屈折率を示している。

パターン描画装置の構成を示す図である。 第１マスクを示す図である。 第２マスクを示す図である。 マスク部の構成を示す図である。 基板上に形成される複数の光照射領域の一部を示す図である。 制御部の構成、および、制御に関する情報の流れを示すブロック図である。 感光材料へのパターンの描画動作の流れを示す図である。 投影光学系を示す図である。 投影光学系を示す図である。 倍率１．０２における横収差を示す図である。 倍率１．０２における横収差を示す図である。 倍率１．０２におけるディストーションを示す図である。

符号の説明

１ パターン描画装置
２ ステージ移動機構
６ 投影光学系
９ 基板
３１ ステージ
５１ 光出射部
５２ マスク部
６１ 第１ミラー部材
６２ 第２ミラー部材
６３ 第１レンズ
６４ 第１折り返しミラー
６５ 第２折り返しミラー
６６ 第２レンズ
６７，６８ レンズ移動機構
６９ ミラー移動機構
６１１ 凹面ミラー
６１２，６２２ メニスカスレンズ
６２１ 凸面ミラー
Ｊ１ 中心軸
Ｊ２ 光軸
Ｐ１ 基準点

Claims (10)

1. 投影光学系であって、
   所定の中心軸上に配置され、前記中心軸上の基準点を中心とする凹面ミラーと、
   前記基準点と前記凹面ミラーとの間において前記中心軸上に配置され、前記基準点をおよそ中心とする凸面ミラーと、
   物体側からの光を前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に前記凹面ミラーへと導く光路上に配置された第１レンズと、
   前記凹面ミラーに入射して前記凹面ミラー、前記凸面ミラー、前記凹面ミラーにて順番に反射された後に、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に導き出される光を像側へと導く第２レンズと、
   前記第１レンズおよび前記第２レンズを光軸に沿って移動するレンズ移動機構と、
   を備えることを特徴とする投影光学系。
2. 請求項１に記載の投影光学系であって、
   前記凹面ミラーがメニスカスレンズに形成された裏面鏡であり、前記凸面ミラーがもう１つのメニスカスレンズに形成された裏面鏡であることを特徴とする投影光学系。
3. 請求項１または２に記載の投影光学系であって、
   物体側から前記中心軸に向かう光を前記第１レンズを経由後に前記中心軸の手前で反射して、前記凹面ミラーへと導く第１折り返しミラーと、
   前記凹面ミラーから前記中心軸に平行に導き出される光を反射して、前記中心軸から離れる方向に位置する前記第２レンズへと導く第２折り返しミラーと、
   前記第１折り返しミラーまたは前記第２折り返しミラーを移動することにより、前記中心軸と結像位置との間の距離を変更するミラー移動機構と、
   をさらに備えることを特徴とする投影光学系。
4. 投影光学系であって、
   所定の中心軸上に配置され、前記中心軸上の基準点を中心とする凹面ミラーが裏面鏡として形成されたメニスカスレンズである第１ミラー部材と、
   前記基準点と前記第１ミラー部材との間において前記中心軸上に配置され、前記基準点をおよそ中心とする凸面ミラーが裏面鏡として形成されたメニスカスレンズである第２ミラー部材と、
   を備え、
   物体側からの光が、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に前記第１ミラー部材に入射し、前記凹面ミラー、前記凸面ミラー、前記凹面ミラーにて順番に反射され、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に導き出されることを特徴とする投影光学系。
5. 請求項４に記載の投影光学系であって、
   前記第１ミラー部材のメニスカスレンズが負パワーを有し、前記第２ミラー部材のメニスカスレンズが正パワーを有することを特徴とする投影光学系。
6. 請求項４または５に記載の投影光学系であって、
   前記第１ミラー部材のメニスカスレンズの前記中心軸上の厚さが２つのレンズ面の曲率半径の差のおよそ半分であることを特徴とする投影光学系。
7. 投影光学系であって、
   所定の中心軸上に配置され、前記中心軸上の基準点を中心とする凹面ミラーと、
   前記基準点と前記凹面ミラーとの間において前記中心軸上に配置され、前記基準点をおよそ中心とする凸面ミラーと、
   物体側から前記中心軸に向かう光を前記中心軸の手前で反射して、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に前記凹面ミラーへと導く第１折り返しミラーと、
   前記凹面ミラーに入射して前記凹面ミラー、前記凸面ミラー、前記凹面ミラーにて順番に反射された後に、前記中心軸から外れつつ前記中心軸に平行に導き出される光を反射して、前記中心軸から離れる方向へと導く第２折り返しミラーと、
   前記第１折り返しミラーまたは前記第２折り返しミラーを移動することにより、前記中心軸と結像位置との間の距離を変更するミラー移動機構と、
   を備えることを特徴とする投影光学系。
8. 請求項７に記載の投影光学系であって、
   前記ミラー移動機構が、前記第１折り返しミラーおよび前記第２折り返しミラーを一体的に移動することを特徴とする投影光学系。
9. 請求項７または８に記載の投影光学系であって、
   前記凹面ミラーがメニスカスレンズに形成された裏面鏡であり、前記凸面ミラーがもう１つのメニスカスレンズに形成された裏面鏡であることを特徴とする投影光学系。
10. 基板上の感光材料にパターンを描画するパターン描画装置であって、
    所定の光源パターンにて光を出射する光源部と、
    基板を保持する保持部と、
    前記光源部の像を前記基板上に形成する請求項１ないし９のいずれかに記載の投影光学系と、
    前記光源部の像を前記基板の主面に沿いつつ、前記凹面ミラーと前記凸面ミラーとの間における光軸を含む面に平行な方向へと前記基板に対して相対的に移動する像移動機構と、
    を備えることを特徴とするパターン描画装置。

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