JP7056572B2 - ビーム走査装置およびパターン描画装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の被照射面上に照射されるビームのスポット光を走査するビーム走査装置、および、そのようなビーム走査装置を用いて所定のパターンを描画露光するパターン描画装置に関する。

従来、レーザビームのスポット光を被照射体（加工対象物）に投射し、且つ、スポット光を走査ミラー（ポリゴンミラー）によって１次元方向に主走査しつつ、被照射体を主走査線方向と直交した副走査方向に移動させて、被照射体上に所望するパターンや画像（文字、図形等）を形成するために、例えば、特開２００５－２６２２６０号公報のようなレーザ加工装置（光走査装置）を用いることが知られている。

特開２００５－２６２２６０号公報には、発振器１からのレーザ光を反射させて被加工物に照射されるレーザ光の被加工物上での照射位置をＹ方向（副走査方向）に補正するガルバノミラーと、ガルバノミラーで反射されたレーザ光を反射して被加工物上でＸ方向（主走査方向）に走査するポリゴンミラーと、ガルバノミラーで反射されたレーザ光を被加工物上に集光するｆθレンズと、レーザ光がｆθレンズを通過する際に発生する歪曲収差に対応して、レーザ光の被加工物上でのＹ方向の照射位置誤差を補正するようにガルバノミラーの反射角度を制御するとともに、レーザ光の被加工物上でのＸ方向の照射位置誤差を補正するように発振器によるレーザ光のパルス発振間隔を制御する制御部と、を設けることが開示されている。さらに特開２００５－２６２２６０号公報の図８には、ポリゴンミラーの各反射面の端部をポリゴンミラーの回転中に検出するための検出レーザ光を出射するレーザ光源と、ポリゴンミラーの各反射面の端部で反射した検出レーザ光の反射光を受光して端部検出信号を生成するディテクタとを設け、端部検出信号に基づいて発振器におけるパルス発振のタイミングを特開２００５－２６２２６０号公報の図９に示されているように制御する構成が示されている。

特開２００５－２６２２６０号公報のようなポリゴンミラーを使ったレーザ加工装置（ビーム走査装置）では、ポリゴンミラーの回転を高速にするほど、被加工物の加工処理時間を短縮でき、生産性を高めることができる。しかしながら、ポリゴンミラーの回転を高速にするほど、主走査方向に関する加工位置のばらつきが目立ってくることがある。

本発明の第１の態様は、角度可変の走査部材の反射面で偏向された加工用のビームを被照射体にスポットとして集光する屈折力を持つ走査用光学系を備えたビーム走査装置であって、連続発光する光源からのビームを平行光束にして原点検出用のビームとして出力するビーム送光部と、前記走査部材の反射面に向けて投射された前記原点検出用のビームの反射ビームを受光して、前記走査部材の反射面が所定角度になる時点を表す原点信号を出力する光電検出器と、前記走査用光学系の屈折力よりも小さい屈折力に設定され、前記反射ビームを前記光電検出器にスポットとして集光する集光光学系と、を備え、前記ビーム送光部は、前記原点検出用のビームが前記被照射体の側から前記走査用光学系に入射して前記走査部材の反射面に向かうように配置される。

本発明の第２の態様は、角度可変の走査部材の反射面で偏向された描画用ビームを基板にスポットとして集光する屈折力を持つ走査用光学系を備え、前記走査部材の反射面の角度変化に応じた速度で前記スポットを走査しつつ、前記描画用ビームの強度をパターンに応じて変調して、前記基板にパターンを描画するパターン描画装置であって、連続発光する光源からのビームを平行光束にして原点検出用のビームとして出力するビーム送光部と、前記走査部材の反射面に向けて投射された前記原点検出用のビームの反射ビームを受光して、前記走査部材の反射面が所定角度になる時点を表す原点信号を出力する光電検出器と、前記走査用光学系の屈折力よりも小さい屈折力に設定され、前記反射ビームを前記光電検出器にスポットとして集光する集光光学系と、を備え、前記ビーム送光部は、前記原点検出用のビームが前記基板の側から前記走査用光学系に入射して前記走査部材の反射面に向かうように配置される。

第１の実施の形態の基板に露光処理を施す露光装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示す描画ユニットの具体的な構成図である。 図２に示す描画ユニット内でのポリゴンミラー、ｆθレンズ系、および、原点センサを構成するビーム受光部等の配置をＸＹ面内でみた図である。 図２、図３に示したビーム送光部とビーム受光部との配置を簡略化して示した図である。 図３または図４に示した光電変換素子の詳細な構成を示す図である。 光源装置からのビームを６つの描画ユニットのいずれか１つに選択的に振り分けるための選択用光学素子を含むビーム切換部の概略的な構成を示す図である。 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３または図４に示した８面のポリゴンミラーの平面図である。 原点信号の発生タイミングの再現性（ばらつき）を計測する方法を説明する図である。 ポリゴンミラーの速度変動による時間誤差分を予想する方法を模式的に表した図である。 所定の条件下で、図９のような方法でポリゴンミラーの反射面の各々に対応して発生する原点信号の再現性を実測した結果を示すグラフである。 図１１とは異なる条件下で、図９のような方法でポリゴンミラーの反射面の各々に対応して発生する原点信号の再現性を実測した結果を示すグラフである。 図３に示した第１の実施の形態における原点センサ（ビーム送光部とビーム受光部）の配置を変更した変形例を示す図である。 図３に示した第１の実施の形態における原点センサのビーム受光部のレンズ系を、凹面反射ミラーに置き換えた変形例を示す図である。 図３に示した第１の実施の形態における原点センサのビーム受光部のレンズ系を、シリンドリカルレンズに置き換えた変形例を示す図である。 第２の実施の形態による描画ユニットの一部の構成を示す図である。 ポリゴンミラーの１つの反射面によってビームが走査される際に、描画制御装置によって選択制御される選択用光学素子の駆動信号の状態と、そのときに光源装置から出力されるビームのパルス発振の状態と、図１６に示す光電変換素子から出力される原点信号の状態とを示すタイムチャートである。 第２の実施の形態の変形例１におけるビーム受光部の構成を示す図である。 第３の実施の形態による描画ユニットの一部の構成を示す図である。 第４の実施の形態による描画ユニットの一部の構成を示す図である。 第５の実施の形態による原点センサ（ビーム送光部、ビーム受光部）の構成を示す図である。 ポリゴンミラーに代えてガルバノミラーを用いた場合の描画ユニットの構成の一部を示す図である。

本発明の態様に係るビーム走査装置およびパターン描画装置について、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。

［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（パターン描画装置）ＥＸの概略構成を示す斜視図である。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。

露光装置ＥＸは、基板Ｐに所定の処理（露光処理等）を施して、電子デバイスを製造するデバイス製造システムで使われる基板処理装置である。デバイス製造システムは、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・センサ等を製造する製造ラインが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、液晶ディスプレイ等がある。デバイス製造システムは、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）方式の生産方式を有する。そのため、各種処理後の基板Ｐは、複数のデバイス（表示パネル）が基板Ｐの搬送方向に連なった状態で配列される多面取り用の基板となっている。供給ロールから送られた基板Ｐは、順次、前工程のプロセス装置、露光装置ＥＸ、および後工程のプロセス装置を通って各種処理が施され、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（長尺方向）となり、幅方向が短手方向（短尺方向）となる帯状の形状を有する。

基板Ｐは、例えば、樹脂フィルム、若しくは、ステンレス鋼等の金属または合金からなる箔（フォイル）等が用いられる。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や露光装置ＥＸの搬送路を通る際に、基板Ｐに座屈による折れ目や非可逆的な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）等のフィルムは、好適なシート基板の典型である。

基板Ｐは、デバイス製造システム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、または酸化ケイ素等でもよい。また、基板Ｐは、フロート法等で製造された厚さ１００μｍ程度の極薄ガラスの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、箔等を貼り合わせた積層体であってもよい。

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、湿度等の環境等に応じて、可撓性の程度は変わる。いずれにしろ、デバイス製造システム（露光装置ＥＸ）内の搬送路に設けられる各種の搬送用ローラ、回転ドラム等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（破れや割れが発生）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。

前工程のプロセス装置（単一の処理部または複数の処理部を含む）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て搬送しつつ、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へ送られてくる基板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。

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が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が露呈する感光性還元剤等がある。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（銀や銅等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等を選択塗布することで、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を構成する電極、半導体、絶縁、或いは接続用の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等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はアディティブ（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）等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。

露光装置（処理装置）ＥＸは、前工程のプロセス装置から搬送されてきた基板Ｐを後工程のプロセス装置（単一の処理部または複数の処理部を含む）に向けて所定の速度で搬送しつつ、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の電極や配線等のパターン）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。

本実施の形態において、露光装置ＥＸは、図１に示すようにマスクを用いない直描方式の露光装置、いわゆるスポット走査方式の露光装置（描画装置）である。露光装置ＥＸは、副走査のために基板Ｐを支持して長尺方向に搬送する回転ドラムＤＲと、回転ドラムＤＲで円筒面状に支持された基板Ｐの部分ごとにパターン露光を行う複数（ここでは６個）の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）とを備え、複数の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）の各々は、露光用のパルス状のビーム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）にポリゴンミラー（走査部材）で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）に応じて高速に変調（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、回路または配線等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、長尺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被露光領域は、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。この被露光領域に電子デバイスが形成されるので、被露光領域はデバイス形成領域でもある。

図１に示すように、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から一定半径の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に湾曲させて支持（保持）しつつ、中心軸ＡＸｏを中心に回転して基板Ｐを長尺方向に搬送する。回転ドラムＤＲは、複数の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）の各々からのビーム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。なお、回転ドラムＤＲのＹ方向の両側には、回転ドラムＤＲを中心軸ＡＸｏの周りに回転させるようにベアリングで支持される不図示のシャフトが設けられる。そのシャフトには、図示しない回転駆動源（例えば、モータや減速機構等）からの回転トルクが与えられ、回転ドラムＤＲは中心軸ＡＸｏ回りに一定の回転速度で回転する。

光源装置（パルス光源装置）ＬＳ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、基板Ｐの感光層に対する感度を有し、３７０ｎｍ以下の波長帯域にピーク波長を有する紫外線光である。光源装置ＬＳは、ここでは不図示の描画制御装置の制御にしたがって、周波数（発振周波数、所定周波数）Ｆａでパルス状のビームＬＢを発光して射出する。この光源装置ＬＳ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）等で構成されるファイバーアンプレーザ光源とする。このように光源装置ＬＳ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十ピコ秒以下の高輝度な紫外線のパルス光が得られる。なお、光源装置ＬＳ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。光源装置ＬＳをファイバーアンプレーザ光源とし、描画データを構成する画素の状態（論理値で「０」か「１」）に応じてビームＬＢのパルス発生を高速にオン／オフする構成については、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレットに開示されている。

光源装置ＬＳから射出されるビームＬＢは、複数のスイッチング素子としての選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）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等で構成されるビーム切換部を介して、描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）の各々に選択的（択一的）に供給される。選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）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て、入射したビームＬＢの１次回折光を所定の角度で偏向して射出する音響光学変調素子（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）で構成される。複数の選択用光学素子ＯＳｎおよび複数の入射ミラーＩＭｎは、複数の描画ユニットＵｎの各々に対応して設けられている。例えば、選択用光学素子ＯＳ１と入射ミラーＩＭ１は、描画ユニットＵ１に対応して設けられ、同様に、選択用光学素子ＯＳ２～ＯＳ６および入射ミラーＩＭ２～ＩＭ６は、それぞれ描画ユニットＵ２～Ｕ６に対応して設けられている。

光源装置ＬＳからのビーム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ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）がいずれもオフ状態（超音波信号が印加されずに、１次回折光が発生していない状態）の場合で詳述する。なお、図１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、この複数のレンズは、ビームＬＢを平行光束から収斂したり、収斂後に発散するビームＬＢを平行光束に戻したりする。その構成は後で図４を用いて説明する。

図１において、光源装置ＬＳ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方向に反射されたビームＬＢは、反射ミラーＭ２に入射する。反射ミラーＭ２で＋Ｘ方向に反射されたビームＬＢは、選択用光学素子ＯＳ５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方向に反射されたビームＬＢは、反射ミラーＭ４に入射する。反射ミラーＭ４で－Ｘ方向に反射されたビームＬＢは、選択用光学素子ＯＳ６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方向に反射されたビームＬＢは、反射ミラーＭ６に入射する。反射ミラーＭ６で＋Ｘ方向に反射されたビームＬＢは、選択用光学素子ＯＳ３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方向に反射されたビームＬＢは、反射ミラーＭ８に入射する。反射ミラーＭ８で－Ｘ方向に反射されたビームＬＢは、選択用光学素子ＯＳ４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方向に反射されたビームＬＢは反射ミラーＭ１０に入射する。反射ミラーＭ１０で＋Ｘ方向に反射されたビームＬＢは、選択用光学素子ＯＳ１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方向に反射されたビーム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ＯＳ２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。

各選択用光学素子ＯＳｎ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、高周波の周波数に応じた回折角で回折させた１次回折光を射出ビーム（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ＯＳ１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ＯＳ２～ＯＳ６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ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）は、光源装置ＬＳ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、選択用光学素子ＯＳｎ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、本実施の形態では、選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）のうちの選択された１つだけが一定時間だけオン状態となるように、不図示の描画制御装置によって制御される。選択された１つの選択用光学素子ＯＳｎがオン状態のとき、その選択用光学素子ＯＳｎで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。

選択用光学素子ＯＳｎ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ＯＳｎの各々で偏向されて射出するビームＬＢｎ（ＬＢ１～ＬＢ６）は、選択用光学素子ＯＳｎ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）をそれぞれ対応する描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）に導く。

各選択用光学素子ＯＳｎの構成、機能、作用等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ＯＳｎの各々は、描画制御装置からの駆動信号（超音波信号）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ＯＳ５は、描画制御装置からの駆動信号（高周波信号）が印加されずにオフ状態のとき、入射した光源装置ＬＳ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ＯＳ５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ＯＳ５がオン状態のとき、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、この駆動信号のオン／オフによって選択用光学素子ＯＳ５によるスイッチング（ビーム選択）動作が制御される。このようにして、各選択用光学素子ＯＳｎのスイッチング動作により、光源装置ＬＳからのビームＬＢをいずれか１つの描画ユニットＵｎに導くことができ、且つ、ビームＬＢｎが入射する描画ユニットＵｎを切り換えることができる。このように、複数の選択用光学素子ＯＳｎを光源装置ＬＳからのビームＬＢに対して直列（シリアル）に配置して、対応する描画ユニットＵｎに時分割でビームＬＢｎを供給する構成については、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレットに開示されている。

ビーム切換部を構成する選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）の各々が一定時間だけオン状態となる順番は、例えば、ＯＳ１→ＯＳ２→ＯＳ３→ＯＳ４→ＯＳ５→ＯＳ６→ＯＳ１→・・・のように、予め定められている。この順番は、描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）の各々に設定されるスポット光による走査開始タイミングの順番によって定められる。すなわち、本実施の形態では、６つの描画ユニットＵ１～Ｕ６の各々に設けられるポリゴンミラーの回転速度の同期とともに、回転角度の位相も同期させることで、描画ユニットＵ１～Ｕ６のうちのいずれか１つにおけるポリゴンミラーの１つの反射面が、基板Ｐ上で１回のスポット走査を行うように、時分割に切り替えることができる。そのため、描画ユニットＵｎの各々のポリゴンミラーの回転角度の位相が所定の関係で同期した状態であれば、描画ユニットＵｎのスポット走査の順番はどの様なものであってもよい。図１の構成では、基板Ｐの搬送方向（回転ドラムＤＲの外周面が周方向に移動する方向）の上流側に３つの描画ユニットＵ１、Ｕ３、Ｕ５がＹ方向に並べて配置され、基板Ｐの搬送方向の下流側に３つの描画ユニットＵ２、Ｕ４、Ｕ６がＹ方向に並べて配置される。

この場合、基板Ｐへのパターン描画は、上流側の奇数番の描画ユニットＵ１、Ｕ３、Ｕ５から開始され、基板Ｐが一定長送られたら、下流側の偶数番の描画ユニットＵ２、Ｕ４、Ｕ６もパターン描画を開始することになるので、描画ユニットＵｎのスポット走査の順番を、Ｕ１→Ｕ３→Ｕ５→Ｕ２→Ｕ４→Ｕ６→Ｕ１→・・・に設定することができる。そのため、選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）の各々が一定時間だけオン状態となる順番は、ＯＳ１→ＯＳ３→ＯＳ５→ＯＳ２→ＯＳ４→ＯＳ６→ＯＳ１→・・・のようにめ定められている。なお、描画すべきパターンがない描画ユニットＵｎに対応した選択用光学素子ＯＳｎがオン状態となる順番のときであっても、選択用光学素子ＯＳｎのオン／オフ切り替え制御を描画データに基づいて行うことによって、強制的にオフ状態に維持されるので、その描画ユニットＵｎによるスポット走査は行われない。

図１に示すように、描画ユニット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。本実施の形態では、各描画ユニット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、描画ユニット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。したがって、ビーム切換部に設けられた選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）の各々のオン／オフ切り替えを、６つのポリゴンミラーＰＭの各々の回転角度位置に同期して制御することで、光源装置ＬＳからのビームＬＢを複数の描画ユニットＵｎの各々に時分割で振り分けた効率的な露光処理ができる。

６つのポリゴンミラーＰＭの各々の回転角度の位相合わせと、選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）の各々のオン／オフ切り替えタイミングとの同期制御については、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレットに開示されているが、８面ポリゴンミラーＰＭの場合、走査効率として、１つの反射面分の回転角度（４５度）のうちの１／３程度が、描画ラインＳＬｎ上でのスポット光ＳＰの１走査に対応するので、６つのポリゴンミラーＰＭを相対的に１５度ずつ回転角度の位相をずらして回転させるとともに、各ポリゴンミラーＰＭが８つの反射面を一面飛ばしでビームＬＢｎを走査するように選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）の各々のオン／オフ切り替えが制御される。このように、ポリゴンミラーＰＭの反射面を１面飛ばしで使った描画方式についても、国際公開第２０１５／１６６９１０号パンフレットに開示されている。

図１に示すように、露光装置ＥＸは、同一構成の複数の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）を配列した、いわゆるマルチヘッド型の直描露光方となっている。描画ユニットＵｎの各々は、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Ｙ方向に区画された部分領域ごとにパターンを描画する。各描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）は、ビーム切換部からのビーム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、各描画ユニットＵｎ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は主走査方向（Ｙ方向）に走査される。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の描画のための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。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でもある。

描画ユニット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、描画ユニット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１に示すように、複数の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）の描画ラインＳＬｎ（ＳＬ１～ＳＬ６）は、回転ドラムＤＲの中心軸ＡＸｏを含みＹＺ面と平行な中心面を挟んで、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。そのため、複数の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）も、中心面を挟んで基板Ｐの搬送方向に２列に千鳥配列で配置され、奇数番の描画ユニットＵ１、Ｕ３、Ｕ５と、偶数番の描画ユニットＵ２、Ｕ４、Ｕ６とは、ＸＺ平面内でみると、中心面に対して対称に設けられている。

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の端部同士のＹ方向の位置を隣接または一部重複させるような関係にすることを意味する。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。

このように、複数の描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）は、全部で基板Ｐ上の露光領域の幅方向の寸法をカバーするように、Ｙ方向の走査領域（主走査範囲の区画）を分担している。例えば、１つの描画ユニットＵｎによるＹ方向の主走査範囲（描画ラインＳＬｎの長さ）を３０～６０ｍｍ程度とすると、計６個の描画ユニットＵ１～Ｕ６をＹ方向に配置することによって、描画可能な露光領域のＹ方向の幅を１８０～３６０ｍｍ程度まで広げている。なお、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。

本実施の形態の場合、光源装置ＬＳからのビームＬＢが、数十ピコ秒以下の発光時間のパルス光である場合、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の強度分布がガウス分布で近似される場合、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。本実施の形態では、スポット光ＳＰのサイズ（寸法）φを３～４μｍ程度とする。

各描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）は、ＸＺ平面内でみたとき、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設定される。これにより、各描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）から基板Ｐに向かって進むビームＬＢｎの光路（ビーム主光線）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。また、各描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）から描画ラインＳＬｎ（ＳＬ１～ＳＬ６）に照射されるビームＬＢｎは、円筒面状に湾曲した基板Ｐの表面の描画ラインＳＬｎでの接平面に対して、常に垂直となるように基板Ｐに向けて投射される。すなわち、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。

図１に示す描画ユニット（ビーム走査装置）Ｕｎは、同一構成となっていることから、描画ユニットＵ１についてのみ簡単に説明する。描画ユニットＵ１の詳細構成は後で図２を参照して説明する。描画ユニット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（描画用走査レンズ）ＦＴを少なくとも備えている。なお、図１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のシリンドリカルレンズＣＹａ（図２参照）が配置され、ｆθレンズ系（ｆ－θレンズ系）ＦＴの後に第２のシリンドリカルレンズＣＹｂ（図２参照）が設けられている。第１のシリンドリカルレンズＣＹａと第２のシリンドリカルレンズＣＹｂにより、ポリゴンミラーＰＭの各反射面の倒れ誤差によるスポット光ＳＰ（描画ラインＳＬ１）の副走査方向への位置変動が補正される。

入射ミラーＩＭ１で－Ｚ方向に反射されたビームＬＢ１は、描画ユニットＵ１内に設けられる反射ミラー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、ＸＹ平面と平行な面内で折り曲げるように反射する。

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。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。

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の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。ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離を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。

次に、図２を参照して描画ユニットＵｎ（Ｕ１～Ｕ６）の光学的な構成について説明する。図２に示すように、描画ユニットＵｎ内には、ビームＬＢｎの入射位置から被照射面（基板Ｐ）までのビームＬＢｎの進行方向に沿って、反射ミラーＭ２０、反射ミラーＭ２０ａ、偏光ビームスプリッタＢＳ１、反射ミラーＭ２１、反射ミラーＭ２２、第１のシリンドリカルレンズＣＹａ、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、第２のシリンドリカルレンズＣＹｂが設けられる。さらに、描画ユニットＵｎ内には、描画ユニットＵｎの描画開始可能タイミング（スポット光ＳＰの走査開始タイミング）を検出するために、ポリゴンミラーＰＭの各反射面の角度位置を検知する原点センサ（原点検出器）としてのビーム送光部６０ａとビーム受光部６０ｂとが設けられる。また、描画ユニットＵｎ内には、基板Ｐの被照射面（または回転ドラムＤＲの表面）で反射したビームＬＢｎの反射光を、ｆθレンズ系ＦＴ、ポリゴンミラーＰＭ、および、偏光ビームスプリッタＢＳ１等を介して検出するための光検出器ＤＴｃが設けられる。

描画ユニットＵｎに入射するビームＬＢｎは、Ｚ軸と平行な光軸ＡＸ１に沿って－Ｚ方向に進み、ＸＹ平面に対して４５°傾いた反射ミラーＭ２０に入射する。反射ミラーＭ２０で反射したビームＬＢｎは、反射ミラーＭ２０から－Ｘ方向に離れた反射ミラーＭ２０ａに向けて－Ｘ方向に進む。反射ミラーＭ２０ａは、ＹＺ平面に対して４５°傾いて配置され、入射したビームＬＢｎを偏光ビームスプリッタＢＳ１に向けて－Ｙ方向に反射する。偏光ビームスプリッタＢＳ１の偏光分離面はＹＺ平面に対して４５°傾いて配置され、Ｐ偏光のビームを反射し、Ｐ偏光と直交する方向に偏光した直線偏光（Ｓ偏光）のビームを透過する。描画ユニットＵｎに入射するビームＬＢｎをＰ偏光のビームとすると、偏光ビームスプリッタＢＳ１は、反射ミラーＭ２０ａからのビームＬＢｎを－Ｘ方向に反射して反射ミラーＭ２１側に導く。反射ミラーＭ２１はＸＹ平面に対して４５°傾いて配置され、入射したビームＬＢｎ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で反射されたビームＬＢｎは、反射ミラーＭ２２に入射する。反射ミラーＭ２２は、ＸＹ平面に対して４５°傾いて配置され、入射したビームＬＢｎ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ＬＢｎは、不図示のλ／４波長板とシリンドリカルレンズＣＹａ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ＬＢｎをポリゴンミラーＰＭに向けて反射する。

ポリゴンミラーＰＭは、入射したビームＬＢｎをＸ軸と平行な光軸ＡＸｆを有する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ＬＢｎ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ＬＢｎをＸＹ平面と平行な面内で１次元に偏向（反射）する。ポリゴンミラーＰＭは、Ｚ軸方向に延びる回転軸ＡＸｐの周りに形成された複数の反射面（本実施の形態では正八角形の各辺）を有し、回転軸ＡＸｐと同軸の回転モータＲＭによって回転される。回転モータＲＭは、不図示の描画制御装置によって、一定の回転速度（例えば、３万～４万ｒｐｍ程度）で回転する。描画ラインＳＬｎ（ＳＬ１～ＳＬ６）の実効的な長さ（例えば、５０ｍｍ）は、このポリゴンミラーＰＭによってスポット光ＳＰを走査することができる最大走査長（例えば、５２ｍｍ）以下の長さに設定されており、初期設定（設計上）では、最大走査長の中央に描画ラインＳＬｎの中心点（ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆが通る点）が設定されている。

シリンドリカルレンズＣＹａは、ポリゴンミラーＰＭによる主走査方向（回転方向）と直交する副走査方向（Ｚ方向）に関して、入射したビームＬＢｎをポリゴンミラーＰＭの反射面上に収斂する。つまり、シリンドリカルレンズＣＹａは、ビームＬＢｎをポリゴンミラーＰＭの反射面上でＸＹ平面と平行な方向に延びたスリット状（長楕円状）に収斂する。母線がＹ方向と平行となっているシリンドリカルレンズＣＹａと、後述のシリンドリカルレンズＣＹｂとによって、ポリゴンミラーＰＭの反射面がＺ軸と平行な状態から傾いた場合であっても、基板Ｐの被照射面上に照射されるビームＬＢｎ（描画ラインＳＬｎ）の照射位置が副走査方向にずれることを抑制できる。

ビームＬＢｎのｆθレンズ系ＦＴへの入射角θ（光軸ＡＸｆに対する角度）は、ポリゴンミラーＰＭの回転角（θ／２）に応じて変わる。ビームＬＢｎのｆθレンズ系ＦＴへの入射角θが０度のとき、ｆθレンズ系ＦＴに入射したビームＬＢｎは、光軸ＡＸｆ上に沿って進む。ｆθレンズ系ＦＴからのビームＬＢｎは、反射ミラーＭ２４で－Ｚ方向に反射され、シリンドリカルレンズＣＹｂを介して基板Ｐに向けて投射される。ｆθレンズ系ＦＴおよび母線がＹ方向と平行なシリンドリカルレンズＣＹｂによって、基板Ｐに投射されるビームＬＢｎは基板Ｐの被照射面上で直径数μｍ程度（例えば、２～３μｍ）の微小なスポット光ＳＰに収斂される。以上のように、描画ユニットＵｎに入射したビームＬＢｎは、ＸＺ平面内でみたとき、反射ミラーＭ２０から基板Ｐまでコの字状にクランクした光路に沿って折り曲げられ、－Ｚ方向に進んで基板Ｐに投射される。６つの描画ユニットＵ１～Ｕ６の各々がビームＬＢ１～ＬＢ６の各スポット光ＳＰを主走査方向（Ｙ方向）に一次元に走査しつつ、基板Ｐを長尺方向に搬送することによって、基板Ｐの被照射面がスポット光ＳＰによって相対的に２次元走査され、基板Ｐ上には描画ラインＳＬ１～ＳＬ６の各々で描画されるパターンがＹ方向に継ぎ合わされた状態で露光される。

一例として、描画ラインＳＬｎ（ＳＬ１～ＳＬ６）の実効的な走査長ＬＴを５０ｍｍ、スポット光ＳＰの実効的な直径φを４μｍ、光源装置ＬＳからのビームＬＢのパルス発光の発振周波数Ｆａを４００ＭＨｚとし、描画ラインＳＬｎ（主走査方向）に沿ってスポット光ＳＰが直径φの１／２ずつオーバーラップするようにパルス発光させる場合、スポット光ＳＰのパルス発光の主走査方向の間隔は基板Ｐ上で２μｍとなり、これは発振周波数Ｆａの周期Ｔｆ（＝１／Ｆａ）である２．５ｎＳ（１／４００ＭＨｚ）に対応する。また、この場合、描画データ上で規定される画素サイズＰｘｙは、基板Ｐ上で４μｍ角に設定され、１画素は主走査方向と副走査方向の各々に関してスポット光ＳＰの２パルス分で露光される。したがって、スポット光ＳＰの主走査方向の走査速度Ｖｓｐと発振周波数Ｆａは、Ｖｓｐ＝（φ／２）／Ｔｆの関係になるように設定される。一方、走査速度Ｖｓｐは、ポリゴンミラーＰＭの回転速度ＶＲ（ｒｐｍ）と、実効的な走査長ＬＴと、ポリゴンミラーＰＭの反射面の数Ｎｐ（＝８）と、ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面ＲＰによる走査効率１／αとに基づいて、以下のように定められる。
Ｖｓｐ＝（８・α・ＶＲ・ＬＴ）／６０〔ｍｍ／秒〕
したがって、発振周波数Ｆａと回転速度ＶＲ（ｒｐｍ）とは、以下の関係になるように設定される。
（φ／２）／Ｔｆ＝（８・α・ＶＲ・ＬＴ）／６０ ・・・ 式（１）

発振周波数Ｆａを４００ＭＨｚ（Ｔｆ＝２．５ｎＳ）、スポット光ＳＰの直径φを４μｍとしたとき、発振周波数Ｆａから規定される走査速度Ｖｓｐは、０．８μｍ／ｎＳ（＝２μｍ／２．５ｎＳ）となる。この走査速度Ｖｓｐに対応させるためには、走査効率１／αを０．３（α≒３．３３）、走査長ＬＴを５０ｍｍとしたとき、式（１）の関係から、８面のポリゴンミラーＰＭの回転速度ＶＲを３６０００ｒｐｍに設定すればよい。なお、この場合の走査速度Ｖｓｐ＝０．８μｍ／ｎＳは、時速に換算すると２８８０Ｋｍ／ｈである。このように、走査速度Ｖｓｐが高速となると、パターンの描画開始タイミングを決定する原点センサ（ビーム送光部６０ａとビーム受光部６０ｂ）からの原点信号の発生タイミングの再現性も高める必要がある。例えば、１画素のサイズを４μｍとし、描画すべきパターンの最小寸法（最小線幅）を８μｍ（２画素分）としたとき、基板Ｐ上にすでに形成されたパターンに新たなパターンを重ね合わせ露光するセカンド露光の際の重ね合わせ精度（許容される位置誤差の範囲）は、最小線幅の１／４～１／５程度にする必要がある。すなわち、最小線幅が８μｍの場合、位置誤差の許容範囲は２μｍ～１．６μｍとなる。この値は、光源装置ＬＳからのビームＬＢの発振周期Ｔｆ（２．５ｎＳ）に対応したスポット光ＳＰの２パルス分の間隔以下であり、スポット光ＳＰの１パルス分の誤差が許容されないことを意味する。そのため、パターンの描画開始タイミング（開始位置）を決める原点信号の発生タイミングの再現性は、周期Ｔｆ（２．５ｎＳ）以下に設定することが必要となる。

図２に示す原点センサを構成するビーム受光部６０ｂは、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰの回転位置が、反射面ＲＰによる描画用のビームＬＢｎのスポット光ＳＰの走査が開始可能とされる直前の所定位置にきた瞬間に波形変化する原点信号ＳＺｎを発生する。ポリゴンミラーＰＭは、８つの反射面ＲＰを有するので、ビーム受光部６０ｂは、ポリゴンミラーＰＭの１回転中に８回の原点信号ＳＺｎを出力することになる。原点信号ＳＺｎは、不図示の描画制御装置に送られ、原点信号ＳＺｎが発生してから、所定の遅延時間Ｔｄｎだけ経過した後にスポット光ＳＰの描画ラインＳＬｎに沿った走査が開始される。

図３は、描画ユニットＵｎ内でのポリゴンミラーＰＭ、ｆθレンズ系ＦＴ、および、原点センサ等を構成するビーム受光部６０ｂの配置をＸＹ面内でみた図である。図３では、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰのうちの１つの反射面ＲＰａに向けて、ビーム送光部６０ａからのレーザビームＢｇａが投射され、描画用のビームＬＢｎのスポット光ＳＰが描画ラインＳＬｎの描画開始点に位置した瞬間の反射面ＲＰａの角度状態を示している。ここで、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（ＲＰａ）は、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと直交する入射瞳面に位置するように配置される。厳密には、ｆθレンズ系ＦＴに入射するビームＬＢｎの主光線が光軸ＡＸｆと同軸になった瞬間の反射面ＲＰ（ＲＰａ）の角度位置において、反射ミラーＭ２３からポリゴンミラーＰＭに向かうビームＬＢｎの主光線と光軸ＡＸｆとが交差する位置に反射面ＲＰ（ＲＰａ）が設定される。また、ｆθレンズ系ＦＴの主面から基板Ｐの表面（スポット光ＳＰの集光点）までの距離が焦点距離ｆｏである。

レーザビームＢｇａは、基板Ｐの感光性機能層に対して非感光性の波長域の平行光束として反射面ＲＰａに投射される。反射面ＲＰａで反射したレーザビームＢｇａの反射ビームＢｇｂは、図３の状態ではｆθレンズ系ＦＴの方向に向かっているが、図３の位置に対して一定時間前に、反射面ＲＰａは反射面ＲＰａ’の角度位置になっており、反射ビームＢｇｂはビーム受光部６０ｂを構成するレンズ系ＧＬｂに入射し、反射ミラーＭｂで反射されて光電変換素子（光電検出器）ＤＴｏに達する。反射ビームＢｇｂ（平行光束）は、レンズ系（集光光学系）ＧＬｂによって光電変換素子ＤＴｏの受光面上にスポット光ＳＰｒとして集光され、レンズ系ＧＬｂに反射ビームＢｇｂが入射している間、スポット光ＳＰｒはポリゴンミラーＰＭの回転に伴って光電変換素子ＤＴｏの受光面を横切るように走査され、光電変換素子ＤＴｏは原点信号ＳＺｎを発生する。本実施の形態では、原点信号ＳＺｎの発生タイミングの再現性を高めるために、描画用のビームＬＢｎのスポット光ＳＰの基板Ｐ上での走査速度Ｖｓｐに比べて、原点検出用の反射ビームＢｇｂのスポット光ＳＰｒの光電変換素子ＤＴｏ上での走査速度を早くするように、レンズ系ＧＬｂの焦点距離をｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏよりも大きくする。

図４は、図２、図３に示したビーム送光部６０ａとビーム受光部６０ｂとの配置を簡略化して示した図であり、ビーム送光部６０ａは、レーザビームＢｇａを連続発光する半導体レーザ光源ＬＤｏと、その光源からのレーザビームＢｇａを平行光束にするコリメータレンズ（レンズ系）ＧＬａとを備える。ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（ＲＰａ）の角度変化を高精度に安定して検出するために、反射面ＲＰ（ＲＰａ）に投射されるレーザビームＢｇａは、反射面ＲＰ（ＲＰａ）の回転方向（ＸＹ面と平行な主走査方向）に関して、ある程度の幅を有する平行光束とされる。一方、ビーム受光部６０ｂでは、反射ビームＢｇｂを光電変換素子ＤＴｏ上で主走査方向に関して小さく絞られたスポット光ＳＰｒに集光するのが好ましい。そのために、焦点距離Ｆｇｓのレンズ系ＧＬｂが設けられる。ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（ＲＰａ）からレンズ系ＧＬｂまでの距離は、反射ビームＢｇｂが平行光束となるので、比較的に自由に設定できる。光電変換素子ＤＴｏの受光面は、レンズ系ＧＬｂの後側の焦点距離Ｆｇｓの位置に配置される。反射面ＲＰ（ＲＰａ）で反射した反射ビームＢｇｂがレンズ系ＧＬｂの光軸と同軸に入射したとき、反射ビームＢｇｂのスポット光ＳＰｒが光電変換素子ＤＴｏの受光面の略中央に位置するように設定される。

レンズ系ＧＬｂの光軸に対して、主走査方向にわずかに傾いた反射ビームＢｇｂ’が入射した場合でも、反射ビームＢｇｂ’は光電変換素子ＤＴｏの受光面と略同じ面内にスポット光ＳＰｒとなって集光される。レンズ系ＧＬｂから光電変換素子ＤＴｏに向かう反射ビームＢｇｂ’は、テレセントリックである必要はなく、光電変換素子ＤＴｏの受光面を横切るスポット光ＳＰｒの速度をより高めるために、むしろ非テレセントリックである方がよい。以上のように、レンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓとｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏとをＦｇｓ＞ｆｏに設定することによって、光電変換素子ＤＴｏから出力される原点信号ＳＺｎの発生タイミングの再現性（正確さ）を高めることができる。原点信号ＳＺｎの再現性の求め方や再現性の向上の程度等については後述する。

図５は、光電変換素子ＤＴｏの詳細な構成を示し、本実施の形態では、例えば、浜松ホトニクス株式会社製のレーザビーム同期検出用フォトＩＣとして販売されているＳ９６８４シリーズを用いる。このフォトＩＣは、図５のように、スポット光ＳＰｒの走査方向に狭いギャップ（不感帯）を挟んで並べた２つのＰＩＮフォトダイオードによる受光面ＰＤ１、ＰＤ２、電流増幅部ＩＣ１、ＩＣ２、およびコンパレータ部ＩＣ３を１つにパッケージングしたものである。スポット光ＳＰｒが受光面ＰＤ１、ＰＤ２の順に横切ると、電流増幅部ＩＣ１、ＩＣ２の各々は、図５（Ａ）に示すような出力信号ＳＴａ、ＳＴｂを発生する。最初にスポット光ＳＰｒを受ける受光面ＰＤ１からの光電流を増幅する電流増幅部ＩＣ１には、一定のオフセット電圧（基準電圧）Ｖｒｅｆが印加され、電流増幅部ＩＣ１の出力信号ＳＴａは、受光面ＰＤ１で発生する光電流が零のときに基準電圧Ｖｒｅｆとなるようにバイアスされている。コンパレータ部ＩＣ３は、図５（Ｂ）に示すように、出力信号ＳＴａ、ＳＴｂのレベルを比較して、ＳＴａ＞ＳＴｂのときはＨレベル、ＳＴａ＜ＳＴｂのときはＬレベルとなるロジック信号を原点信号ＳＺｎとして出力する。本実施の形態では、原点信号ＳＺｎがＨレベルからＬレベルに遷移した時点を原点時刻（原点位置）Ｔｏｇとし、原点信号ＳＺｎの発生タイミングは原点時刻Ｔｏｇを意味するものとする。なお、ここでの原点位置（原点時刻Ｔｏｇ）とは、例えば、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆが通る基板Ｐ上の点を基準点としたとき、その基準点からスポット光ＳＰの主走査方向に常に一定距離だけ離れるように設定される絶対的な位置としての原点を意味するものではなく、描画ラインＳＬｎに沿ったパターン描画の開始タイミングに対する所定距離手前（或いは所定時間前）を相対的に表すものである。

原点時刻Ｔｏｇは、出力信号ＳＴａのレベルが降下しつつ、出力信号ＳＴｂのレベルが立上っている途中で、出力信号ＳＴａ、ＳＴｂのレベルが一致した瞬間となる。出力信号ＳＴａ、ＳＴｂのレベル変化（立上りや降下の波形）は、受光面ＰＤ１、ＰＤ２の幅寸法とスポット光ＳＰｒの大きさとの関係、スポット光ＳＰｒの走査速度Ｖｈと受光面ＰＤ１、ＰＤ２の応答性等によって変化し得るが、スポット光ＳＰｒの直径が不感帯の幅寸法よりは大きく、受光面ＰＤ１の幅寸法よりも小さければ、出力信号ＳＴａ、ＳＴｂの各々は、図５（Ａ）のようなレベル変化による波形となり、安定な原点信号ＳＺｎが得られる。

図６は、光源装置ＬＳからのビームＬＢを６つの描画ユニットＵ１～Ｕ６のいずれか１つに選択的に振り分けるための選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）を含むビーム切換部の概略的な構成を示す。図６の各部材の符号は、図１に示した部材と同じものであるが、図１中に示した反射ミラーＭ１～Ｍ１２は適宜省略してある。ファイバーアンプレーザ光源で構成される光源装置ＬＳは、描画制御装置２００に接続され、各種の制御情報ＳＪをやり取りする。光源装置ＬＳは、内部にビームＬＢをパルス発光させる際の発振周波数Ｆａ（例えば、４００ＭＨｚ）のクロック信号ＣＬＫを発生するクロック回路を備え、描画制御装置２００から送られてくる描画ユニットＵｎごとの描画データＳＤｎ（１画素を１ビットとするビットマップデータ）に基づいて、ビームＬＢｎをクロック信号ＣＬＫに応答してバーストモード（所定のクロックパルス数分の発光と所定のクロックパルス数分の発光停止との繰り返し）でパルス発光する。

描画制御装置２００は、描画ユニットＵ１～Ｕ６の各々の原点センサ（光電変換素子ＤＴｏ）から出力される原点信号ＳＺｎ（ＳＺ１～ＳＺ６）を入力して、描画ユニットＵ１～Ｕ６の各々のポリゴンミラーＰＭの回転速度と回転角度位相とが指定された状態となるように、ポリゴンミラーＰＭの回転モータＲＭを制御するポリゴン回転制御部と、選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）の各々に供給される超音波信号としての駆動信号ＤＦ１～ＤＦ６のオン／オフ（印加／非印加）を原点信号ＳＺｎ（ＳＺ１～ＳＺ６）に基づいて制御するビーム切換制御部と、を備える。なお、図６では、６つの選択用光学素子ＯＳ１～ＯＳ６のうちの選択用光学素子ＯＳ４が選択されて、光源装置ＬＳからのビームＬＢ（描画ユニットＵ４で描画されるパターンの描画データで強度変調されている）を入射ミラーＩＭ４に向けて偏向し、ビームＬＢ４として描画ユニットＵ４に供給している状態を示している。このように、選択用光学素子ＯＳ１～ＯＳ６をビームＬＢの光路に直列に設けると、選択用光学素子ＯＳｎの各々が有する透過率や回折効率によって、光源装置ＬＳからの選択用光学素子ＯＳｎの順番に応じて、選択されたビームＬＢ１～ＬＢ６の強度（パルス光のピーク強度）が異なる。そのため、描画ユニットＵ１～Ｕ６の各々に入射するビームＬＢ１～ＬＢ６の相対的な強度差が、所定の許容範囲内（例えば、±５％以内）になるように、描画制御装置２００は、駆動信号ＤＦ１～ＤＦ６の各々のレベル（高周波信号の振幅や電力）を調整する。

図７は、選択用光学素子ＯＳｎ（ＯＳ１～ＯＳ６）および入射ミラーＩＭｎ（ＩＭ１～ＩＭ６）回りの具体的な構成を示す図である。選択用光学素子ＯＳｎには、光源装置ＬＳから射出されるビームＬＢが、例えば直径１ｍｍ以下の微小な径（第１の径）の平行光束として入射する。高周波信号（超音波信号）である駆動信号ＤＦｎが入力されていない期間（駆動信号ＤＦｎがオフ）では、入射したビームＬＢが選択用光学素子ＯＳｎで回折され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ＡＸｂに沿って設けられた集光レンズＧａおよびコリメートレンズＧｂを透過して、後段の選択用光学素子ＯＳｎに入射する。このとき選択用光学素子ＯＳｎを通って集光レンズＧａおよびコリメートレンズＧｂを通過するビームＬＢは、光軸ＡＸｂと同軸とする。集光レンズＧａは、選択用光学素子ＯＳｎを透過したビームＬＢ（平行光束）を、集光レンズＧａとコリメートレンズＧｂとの間に位置する面Ｐｓ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Ｇｂは、面Ｐｓの位置から発散するビームＬＢを平行光束にする。コリメートレンズＧｂ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Ｇａの後側焦点位置とコリメートレンズＧｂの前側焦点位置とは、所定の許容範囲内で面Ｐｓと一致しており、集光レンズＧａの前側焦点位置は選択用光学素子ＯＳｎ内の回折点と所定の許容範囲内で一致するように配置される。

一方、高周波信号である駆動信号ＤＦｎが選択用光学素子ＯＳｎに印加されている期間では、入射したビームＬＢが選択用光学素子ＯＳｎによって回折されたビームＬＢｎ（１次回折光）と、回折されなかった０次のビームＬＢｎｚとが発生する。入射するビームＬＢの強度を１００％とし、選択用光学素子ＯＳｎの透過率による低下を無視したとき、回折されたビームＬＢｎの強度は最大で８０％程度であり、残り２０％程度が０次のビームＬＢｎｚの強度となる。０次のビームＬＢｎｚは、集光レンズＧａとコリメートレンズＧｂとを通り、さらに後段の選択用光学素子ＯＳｎを透過して吸収体ＴＲで吸収される。駆動信号ＤＦｎの高周波の周波数に応じた回折角で－Ｚ方向に偏向されたビームＬＢｎ（平行光束）は、集光レンズＧａを透過して、面Ｐｓ上に設けられた入射ミラーＩＭｎに向かう。集光レンズＧａの前側焦点位置が選択用光学素子ＯＳｎ内の回折点と光学的に共役であるので、集光レンズＧａから入射ミラーＩＭｎに向かうビームＬＢｎは、光軸ＡＸｂから偏心した位置を光軸ＡＸｂと平行に進み、面Ｐｓの位置でビームウェストとなるように集光（収斂）される。そのビームウェストの位置は、描画ユニットＵｎを介して基板Ｐ上に投射されるスポット光ＳＰと光学的に共役になるように設定されている。

入射ミラーＩＭｎの反射面またはその近傍を面Ｐｓの位置に配置することによって、選択用光学素子ＯＳｎで回折されたビームＬＢｎは、入射ミラーＩＭｎで－Ｚ方向に反射され、コリメートレンズＧｃを介して光軸ＡＸ１（図２参照）に沿って描画ユニットＵｎに入射する。コリメートレンズＧｃは、集光レンズＧａによって収斂／発散されたビームＬＢｎを、コリメートレンズＧｃの光軸（ＡＸ１）と同軸の平行光束にする。コリメートレンズＧｃによって平行光束にされたビームＬＢｎの径は、第１の径と略同じになる。集光レンズＧａの後側焦点とコリメートレンズＧｃの前側焦点とは、所定の許容範囲内で、入射ミラーＩＭｎの反射面またはその近傍に配置される。

以上のように、集光レンズＧａの前側焦点位置と選択用光学素子ＯＳｎ内の回折点とを光学的に共役し、集光レンズＧａの後側焦点位置である面Ｐｓに入射ミラーＩＭｎを配置すると、選択用光学素子ＯＳｎの駆動信号ＤＦｎの周波数を規定周波数から±ΔＦｓだけ変化させることにより、ビームＬＢｎの面Ｐｓ上での集光点の光軸ＡＸｂに対する偏心量（シフト量）を変化させることができる。その結果、描画ユニットＵｎから基板Ｐ上に投射されるビームＬＢｎのスポット光ＳＰを、副走査方向に±ΔＳＦｐだけシフトさせることができる。そのシフト量（｜ΔＳＦｐ｜）は、選択用光学素子ＯＳｎ自体の偏向角の最大範囲、入射ミラーＩＭｎの反射面の大きさ、描画ユニットＵｎ内のポリゴンミラーＰＭまでの光学系（リレー系）の倍率、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰのＺ方向の幅、ポリゴンミラーＰＭから基板Ｐまでの倍率（ｆθレンズ系ＦＴの倍率）等による制限を受けるが、スポット光ＳＰの基板Ｐ上の実効的なサイズ（径）程度、或いは描画データ上で定義される画素寸法（Ｐｘｙ）程度の範囲で調整可能である。これによって、描画ユニットＵｎの各々で基板Ｐ上に描画される新たなパターンと基板Ｐ上に形成済みのパターンとの重ね合せ誤差、或いは、描画ユニットＵｎの各々で基板Ｐ上に描画される新たなパターン間の継ぎ誤差を、高精度に且つ高速に補正することができる。

次に、図８、図９を参照して、図３、図４のように構成された原点センサ（ビーム送光部６０ａとビーム受光部６０ｂ）からの原点信号ＳＺｎの発生タイミングの再現性（ばらつき誤差）を計測および演算する方法を説明する。この計測や演算は、図６に示した描画制御装置２００内のプロセッサ（ＣＰＵ）等を利用して実施できるし、原点信号ＳＺｎを外部の波形計測機器等に送って実施してもよい。図８は、図３または図４に示した８面のポリゴンミラーＰＭの平面図であり、ここでは、８つの反射面ＲＰの各々に関して、図５（Ｂ）のように発生する原点信号ＳＺｎの再現性を求めるため、８つの反射面ＲＰをポリゴンミラーＰＭの回転方向（時計回り）と逆向きに、ＲＰａ、ＲＰｂ、ＲＰｃ、ＲＰｄ、ＲＰｅ、ＲＰｆ、ＲＰｇ、ＲＰｈとする。また、ポリゴンミラーＰＭの上面（または下面）には、ポリゴンミラーＰＭの回転の原点を検出するための回転基準マークＭｃｃが形成されている。回転基準マークＭｃｃは、ポリゴンミラーＰＭが１回転するたびにパルス状の検出信号を出力する反射型の光電センサ（周回検出センサとも呼ぶ）によって検出される。原点信号ＳＺｎの再現性を計測する際には、原点センサが検出するポリゴンミラーＰＭの反射面を特定しておく必要があるので、周回検出センサからの検出信号（回転基準マークＭｃｃ）を基準に、ポリゴンミラーＰＭの各反射面ＲＰａ～ＲＰｈを特定するものとする。

さらに、原点信号ＳＺｎの発生タイミングの再現性を計測する際は、ポリゴンミラーＰＭの速度変動（速度ムラ）による影響を考慮する必要がある。ポリゴンミラーＰＭの速度変動は上記の周回検出センサによっても計測可能であるが、本実施の形態では、原点信号ＳＺｎに基づいてポリゴンミラーＰＭの速度変動を計測する。先に例示したように、ポリゴンミラーＰＭを３６０００ｒｐｍで回転させるように、描画制御装置２００内のポリゴン回転制御部でサーボ制御したとすると、ポリゴンミラーＰＭは１秒間に６００回転することになり、設計上の１回転分の周回時間ＴＤは、１／６００秒（≒１６６６．６６７μＳ）となる。そこで、原点信号ＳＺｎ中の任意の１つのパルスの原点時刻Ｔｏｇから計数して９番目のパルスの原点時刻Ｔｏｇまでの実際の周回時間ＴＤを、光源装置ＬＳがパルス発光に用いる発振周波数Ｆａよりも高い周波数（例えば２倍以上）のクロックパルス等を用いて繰り返し計測する。ポリゴンミラーＰＭは、慣性を伴って高速回転するので、１回転中に速度ムラが生じる可能性は低いが、サーボ制御の特性等によっては、数ｍＳ～数十ｍＳの周期で設計上の周回時間ＴＤが微妙に変動することがある。

図９は、原点信号ＳＺｎの発生タイミングの再現性（ばらつき）を計測する方法を説明する図である。ここでは、説明を簡単にするため、図８に示したポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａに対応して発生する原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇ２の再現性の求め方を例示するが、他の反射面ＲＰｂ～ＲＰｈの各々についても同様に計測できる。原点時刻Ｔｏｇ２の１つ手前のタイミングで発生する原点時刻Ｔｏｇ１は、図８の場合、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰｈに対応して発生した原点信号ＳＺｎとして得られる。そこで、ポリゴンミラーＰＭを規定の速度で回転させた状態で、反射面ＲＰｈに対応して発生した原点時刻Ｔｏｇ１から、次の反射面ＲＰａに対応した原点時刻Ｔｏｇ２までの原点間隔時間ΔＴｍｎ（ｎ＝１、２、３・・・の周回数）を、ポリゴンミラーＰＭの１回転毎に多数回（例えば１０回以上）繰り返し計測する。図９では、簡単のために、ポリゴンミラーＰＭが７回転している間に発生する原点信号ＳＺｎ（ａ）１～ＳＺｎ（ａ）７の各々の波形を、反射面ＲＰｈに対応して得られた原点時刻Ｔｏｇ１を時間軸上で揃えて並べて示してある。

ここで、ポリゴンミラーＰＭの回転速度の変動が零であると仮定すると、本来一定であるはずの原点間隔時間ΔＴｍｎの各々の計測値にばらつきが生じる。このばらつきが、反射面ＲＰａに対応した原点時刻Ｔｏｇ２の発生タイミングのばらつき幅ΔＴｅとなるので、原点信号ＳＺｎの再現性は、ばらつき幅ΔＴｅ内に分布する多数の原点時刻Ｔｏｇ２の標準偏差値σ、または標準偏差値σの３倍の３σ値として求められる。先に説明したように、光源装置ＬＳがビームＬＢを周期Ｔｆでパルス発振させる場合、再現性としての３σ値は周期Ｔｆよりも小さい方がよい。以上の説明では、ポリゴンミラーＰＭの回転速度の変動（速度ムラ）を零と仮定したが、ナノ秒以下の分解能で信号波形をサンプリングする波形測定器を使って原点信号ＳＺｎの波形を解析し、ポリゴンミラーＰＭの周回時間（１回転の時間）を計測してみると、周回によっては周回時間が±数ｎＳ程度変動することが判った。そこで、図９のようにして計測される原点間隔時間ΔＴｍｎ（ｎ＝１、２、３・・・の周回数）を、その原点間隔時間ΔＴｍｎの計測期間でのポリゴンミラーＰＭの速度変動によって生じた誤差分で補正する必要がある。

図１０は、ポリゴンミラーＰＭの速度変動による時間誤差分を予想する方法を模式的に表した図である。本実施の形態では、ポリゴンミラーＰＭの多数回の周回毎に、８つの反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々に対応した原点間隔時間ΔＴｍｎを計測する。図１０では、ポリゴンミラーＰＭの１回転中の初期位置（最初の原点時刻Ｔｏｇ）を反射面ＲＰａとし、反射面ＲＰａからポリゴンミラーＰＭが２回転する間に発生する原点信号ＳＺｎの波形を模式的に示した。ここで、原点信号ＳＺｎの反射面ＲＰａに対応して発生する原点時刻Ｔｏｇから隣の反射面ＲＰｂに対応して発生する原点時刻Ｔｏｇまでの原点間隔時間をΔＴｍａとし、以下同様に、隣り合う反射面ＲＰｂから反射面ＲＰｃまでの原点間隔時間をΔＴｍｂ、・・・隣り合う反射面ＲＰｈから反射面ＲＰａまでの原点間隔時間をΔＴｍｈとする。ポリゴンミラーＰＭの１周目では、８つの反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々に対応して発生する原点時刻Ｔｏｇのそれぞれをスタート点として、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ～ＲＰｈ毎の周回時間ＴＤａ、ＴＤｂ、・・・ＴＤｈを計測する。周回時間ＴＤａ～ＴＤｈの各々は、８つの反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々に対応した８つの原点間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈの合計値で求めてもよい。周回時間ＴＤａ～ＴＤｈ（或いは原点間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈ）の各々は、ポリゴンミラーＰＭが、例えばＮ回転する間、繰り返し計測される。これによって、８つの反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々に応じた原点時刻Ｔｏｇから計時される周回時間ＴＤａ～ＴＤｈの各々のデータが、Ｎ周分に渡って取得できる。

次に、Ｎ周分に渡って取得された周回時間ＴＤａ～ＴＤｈの各々の平均周回時間ａｖｅ（ＴＤａ）～ａｖｅ（ＴＤｈ）を計算する。例えば、周回時間ＴＤａは周回数Ｎ（Ｎ＝１、２、３・・・）に対応して、ＴＤａ（１）、ＴＤａ（２）、ＴＤａ（３）、・・・ＴＤａ（Ｎ）として記憶されるので、平均周回時間ａｖｅ（ＴＤａ）は、〔ＴＤａ（１）＋ＴＤａ（２）＋ＴＤａ（３）＋、・・・＋ＴＤａ（Ｎ）〕／Ｎで求められる。

次に、図１０に示した２周目以降に計測された原点間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈの各々は、その直前のポリゴンミラーＰＭの周回における速度変動の影響による誤差を含むと想定し、例えば、２周目以降で実測された原点間隔時間ΔＴｍａは、直前の周回で実測された周回時間ＴＤａと平均周回時間ａｖｅ（ＴＤａ）との比率だけ変動したと予想して、原点間隔時間ΔＴｍａの予想間隔時間ΔＴｍａ’を計算する。その際、２周目以降の各周回で実測されたＮ－１個の原点間隔時間ΔＴｍａの平均間隔時間ａｖｅ（ΔＴｍａ）を求めておく。そして、平均周回時間ａｖｅ（ＴＤａ）と実測された周回時間ＴＤａとの比に、平均間隔時間ａｖｅ（ΔＴｍａ）をかけて、速度変動分を補正した予想間隔時間ΔＴｍａ’を算出する。これによって、実測された原点間隔時間ΔＴｍａと予想間隔時間ΔＴｍａ’との差分値が、反射面ＲＰａに対応して発生した原点時刻Ｔｏｇのより正確なばらつき量（σ値）として求まる。他の反射面ＲＰｂ～ＲＰｈの各々に対応した原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇのばらつき量も、同様の計算によって求められる。このように、原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇの発生間隔である原点間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈの各々を、ポリゴンミラーＰＭの複数回の回転中に繰り返し実測するだけで、ポリゴンミラーＰＭの速度変動に起因した誤差を低減した正確な再現性（３σ値等）を求めることができる。

〔実測例〕
一例として、原点センサのビーム受光部６０ｂ内のレンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓを、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏ（例えば１００ｍｍ）と同程度にし、レンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓの位置に光電変換素子ＤＴｏを配置し、ポリゴンミラーＰＭを約３８０００ｒｐｍで回転させて、図９のような方法でポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々に対応して発生する原点信号ＳＺｎ（原点時刻Ｔｏｇ２）の再現性を実測したところ、図１１に示すような結果が得られた。図１１において、横軸は計測した反射面間の各位置（ＲＰａ→ＲＰｂ、ＲＰｂ→ＲＰｃ、・・・ＲＰｈ→ＲＰａ）を表し、縦軸は周回速度の変動を補正計算した後の各反射面間の間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈ（μＳ）を表す。間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈは、本実施の形態では、ポリゴンミラーＰＭの１０回転分に渡って連続して発生する原点信号ＳＺｎの波形データを、２．５ＧＨｚ（０．４ｎＳ）のサンプリングレートを持つデジタル波形記憶装置で記憶し、その波形データを解析して実測した。

図１１のように、周回速度の変動を補正した後の間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈは、１９７.３８０μＳ～１９７.３５５μＳの間でばらついている。ポリゴンミラーＰＭの回転速度が３８０００ｒｐｍで精密に回転している場合、計算上の間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈの各々は１９７.３６８μＳである。このような間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈのばらつき
は、例えば、ポリゴンミラーＰＭの各反射面ＲＰａ～ＲＰｈのうちの隣り合った反射面同士の成す８つの頂角の各々が精密に１３５度になっていない、或いは回転軸ＡＸｐから反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々までの距離が精密に一定になっていない等の加工上の形状誤差に起因して生じる。また、間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈのばらつきは、回転軸ＡＸｐに対するポリゴンミラーＰＭの偏心誤差の程度によっても生じ得る。図１１では、間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈの各々のばらつきの分布から計算される３σ値は、２．３ｎＳ～５．９ｎＳとなったが、この値は、光源装置ＬＳからのビームＬＢのパルス発振周波数を４００ＭＨｚ（周期２．５ｎＳ）としたとき、概ね３パルス以上のスポット光の走査位置の誤差が発生することを意味する。先に例示したように、スポット光ＳＰの直径φを４μｍ、１画素サイズＰｘｙを基板Ｐ上で４μｍ角、１画素分をスポット光ＳＰの２パルス分で描画する場合、３σ値が６ｎＳ程度であると、描画ラインＳＬｎに沿って描画されるパターンの位置が、主走査方向に５μｍ程度（正確には４．８μｍ）ばらつくことを意味する。

ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離をｆｏ、基板Ｐ上でのスポット光ＳＰのパルス間隔の距離（スポット径の１/２）をΔＹｐとしたとき、パルス間隔距離ΔＹｐに対応したポリゴンミラーＰＭ（反射面）の角度変化Δθｐは、Δθｐ≒ΔＹｐ／ｆｏとなる。一方、角度変化Δθｐに対応した光電変換素子ＤＴｏ上でのレーザビームＢｇｂ（スポット光ＳＰｒ）の移動距離をΔＹｇとすると、ビーム受光部６０ｂ側のレンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓから、移動距離ΔＹｇは、ΔＹｇ≒Δθｐ×Ｆｇｓとなる。原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇの発生精度は、スポット光ＳＰのパルス間隔距離ΔＹｐの１/２以下の精度（分解能）に対応させるのが望ましいので、光電変換素子ＤＴｏ上でのレーザビームＢｇｂ（スポット光ＳＰｒ）の走査速度を基板Ｐ上でのスポット光ＳＰの走査速度の２倍程度に速くする。すなわち、ΔＹｇ≒２・ΔＹｐの関係にするのがよい。そのために本実施の形態では、レンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓをｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏの２倍程度に設定するが、２倍以上であってもよいことは言うまでもない。

図１２は、図１１で実測した描画ユニットＵｎと同一構成の別の描画ユニットを用いて、レンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓを２Ｆｇｓ≒ｆｏに変えて、図１１と同様に再現性を実測した結果を示す。図１２の縦軸と横軸は図１１と同じものを表すが、図１２の縦軸のスケールは１目盛が２ｎＳ（図１１では５ｎＳ）になっている。スポット光ＳＰｒの光電変換素子ＤＴｏ上での走査速度をスポット光ＳＰの基板Ｐ上での走査速度の２倍程度にすることによって、間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈの各々のばらつきの分布から計算される３σ値は、１．３ｎＳ～２．５ｎＳとなり、図１１の場合にくらべて略半分に改善された。したがってこの場合、スポット光ＳＰの直径φを４μｍ、１画素サイズＰｘｙを基板Ｐ上で４μｍ角、１画素分をスポット光ＳＰの２パルス分で描画すると、描画ラインＳＬｎに沿って描画されるパターンの主走査方向の位置のばらつきは、２．５μｍ程度に半減される。なお、図１２に示した間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈのばらつきの傾向と、先の図１１に示した間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈのばらつきの傾向とはナノ秒オーダーで見ると大きく異なるが、これは図１１と図１２の各々の再現性の実測で使ったポリゴンミラーＰＭ間で各頂角の角度誤差の傾向が異なる個体差（加工誤差）や回転時の偏心誤差の違いによるものと想定される。間隔時間ΔＴｍａ～ΔＴｍｈのばらつき誤差は、原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇから描画開始時点までに設定される遅延時間を、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ～ＲＰｈごとに調整することで補正できる。

以上、本実施の形態では、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａ～ＲＰｈに投射される原点センサ用のビームＢｇａを、反射面ＲＰａ～ＲＰｈの回転方向の寸法に対して所定の太さ（例えば１～２ｍｍ径）以上となるような平行光束とすることで、反射面ＲＰａ～ＲＰｈの各々の表面の粗さ（研磨痕等）による影響を低減して、平均的な表面の角度変化を精密に検出することができる。一方、光電変換素子ＤＴｏ上に集光される反射ビームＢｇｂのスポット光ＳＰｒの径寸法は、ビーム走査方向の受光面ＰＤ１、ＰＤ２の幅寸法と、受光面ＰＤ１とＰＤ２の間の不感帯の幅とに応じて適切に設定される。スポット光ＳＰｒの走査方向の径寸法は、図５〔Ａ〕のような信号波形が得られるように、受光面ＰＤ１、ＰＤ２のうちの小さいほうの幅寸法よりも小さく、不感帯の幅よりも大きくなるような条件に設定される。したがって、反射ビームＢｇｂを入射するレンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓは、そのような条件を満たすように、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏよりも長くなるように設定される。

なお、図４に示した半導体レーザ光源ＬＤｏから放射されるビームＢｇａの断面内での強度分布は、縦横比が１：２程度の楕円形となっているので、楕円形の長軸方向をポリゴンミラーＰＭの各反射面ＲＰａ～ＲＰｈの回転方向（主走査方向）に合わせ、楕円形の短軸方向をポリゴンミラーＰＭの回転軸ＡＸｐの方向に合わせるとよい。このようにすると、ポリゴンミラーＰＭの各反射面ＲＰａ～ＲＰｈの高さ（回転軸ＡＸｐの方向の寸法）が小さくても、ビームＢｇａを有効に反射ビームＢｇｂとして反射できるとともに、光電変換素子ＤＴｏに達する反射ビームＢｇｂの走査方向の開口数（ＮＡ）を、非走査方向の開口数（ＮＡ）よりも大きくできるので、スポット光ＳＰｒの走査方向（図５の受光面ＰＤ１、ＰＤ２を横切る方向）に関する解像を高めて、コントラストをシャープにできる。

光電変換素子ＤＴｏとして、図５のように２つの受光面ＰＤ１、ＰＤ２からの出力信号ＳＴａ、ＳＴｂの大小を比較して原点信号ＳＺｎを生成するタイプの代わりに、１つのスリット状の受光面からの信号レベルを基準電圧と比較して原点信号ＳＺｎを生成するタイプを使ってもよい。そのタイプの場合、原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇの再現性は、信号波形の立ち上がり部や降下部の傾斜が急峻になる（応答時間が短い）ほどよくなる可能性があるので、スリット状の受光面を横切るスポット光ＳＰｒの走査速度を描画用のスポット光ＳＰの走査速度よりも速くするとともに、レンズ系ＧＬｂによってスポット光ＳＰｒをなるべく小さく集光して単位面積当りの強度を高めるのがよい。

なお、図３に示した本実施の形態による原点センサ（レンズ系ＧＬｂ、光電変換素子ＤＴｏ）は、描画用（加工用）のビームＬＢｎと異なる光源から投射される原点検出用のビームＢｇａのポリゴンミラーＰＭでの反射ビームＢｇｂを光電検出するとした。しかしながら、図３の配置関係で、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａがＲＰａ’の角度位置になった直後、描画用のビームＬＢｎはｆθレンズ系ＦＴには非入射な状態（ブランク期間）であるが、レンズ系ＧＬｂには入射可能な期間が存在する。そのブランク期間の間、光源装置ＬＳからのビームＬＢのパルス発振や選択用光学素子ＯＳｎの制御により、描画用のビームＬＢｎは描画ユニットＵｎに入射しないように制御される。そこで、ブランク期間であっても、描画用のビームＬＢｎがレンズ系ＧＬｂに入射可能な期間だけ、選択用光学素子ＯＳｎをオン状態にして光源装置ＬＳから発振周波数ＦａでビームＬＢをパルス発振させ、光電変換素子ＤＴｏによってポリゴンミラーＰＭで反射したビームＬＢｎの反射ビームを受光するようにしてもよい。そのような構成の場合、ブランク期間中にレンズ系ＧＬｂに入射する描画用のビームＬＢｎは、原点検出用のビームとして使われる。

〔第１の実施の形態の変形例１〕
図１３は、図３に示した第１の実施の形態における原点センサ（ビーム送光部６０ａとビーム受光部６０ｂ）の配置を変更した変形例を示し、図３中の部材と同じ部材には同一の符号を付してある。図１３の変形例では、原点センサのビーム送光部６０ａからのビームＢｇａが投射されるポリゴンミラーＰＭの反射面が、描画用のビームＬＢｎが投射されるポリゴンミラーＰＭの反射面に対して、ポリゴンミラーＰＭの回転方向の手前側に位置するように設定されている。図１３では、描画用のビームＬＢｎが反射面ＲＰａに投射されるポリゴンミラーＰＭの角度位置において、原点検出用のビームＢｇａは２面手前の反射面ＲＰｃに投射されるように配置され、反射面ＲＰｃで反射した反射ビームＢｇｂはビーム受光部６０ｂのレンズ系ＧＬｂを介して光電変換素子ＤＴｏ上に集光されるように配置される。このように、描画用のビームＬＢｎが投射されるポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａと異なる反射面（ＲＰｃ）に原点検出用のビームＢｇａを投射するように配置すると、原点センサを構成するビーム送光部６０ａやビーム受光部６０ｂの配置の自由度が広がり、半導体レーザ光源ＬＤｏ、レンズ系ＧＬａ、ＧＬｂ、光電変換素子ＤＴｏ、および反射ミラーＭｂ等をより安定に設置することができ、原点信号ＳＺｎの再現性をさらに向上させることが可能である。なお、図１３では、反射面ＲＰａの２面手前の反射面ＲＰｃを検出するように原点センサを配置したが、１面手前の反射面ＲＰｂに対してレーザビームＢｇａを投射して、反射面ＲＰｂの角度位置に応じて発生する原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇを基準にして、反射面ＲＰｂによって描画用のビームＬＢｎが走査されるタイミングで描画動作を行ってもよい。

〔第１の実施の形態の変形例２〕
図１４は、図３に示した第１の実施の形態における原点センサのビーム受光部６０ｂのレンズ系ＧＬｂを、凹面反射ミラー（集光光学系）ＧＬｃに置き換えた変形例を示し、その他の図３中の部材と同じ部材には同一の符号を付してある。図１４の変形例では、ビーム送光部６０ａ（半導体レーザ光源ＬＤｏ、レンズ系ＧＬａ）からのビームＢｇａのポリゴンミラーＰＭの反射面（ＲＰａ）での反射ビームＢｇｂを、凹面反射ミラーＧＬｃによって光電変換素子ＤＴｏに向けて反射させるとともに、光電変換素子ＤＴｏ上でスポット光ＳＰｒとして集光する。すなわち、図１４に示す凹面反射ミラーＧＬｃは、図３中の反射ミラーＭｂとレンズ系ＧＬｂの各機能を併せ持った光学部材となる。本変形例でも、凹面反射ミラーＧＬｃの焦点距離は、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏよりも長く設定され、好ましくは２倍以上に設定される。

〔第１の実施の形態の変形例３〕
図１５は、図３に示した第１の実施の形態における原点センサのビーム受光部６０ｂのレンズ系ＧＬｂを、シリンドリカルレンズ（集光光学系）ＧＬｄに置き換えた変形例を示し、その他の図３中の部材と同じ部材には同一の符号を付してある。図１５〔Ａ〕は、ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面ＲＰａに投射される原点検出用のビームＢｇａの反射ビームＢｇｂが１次元走査される面（ＸＹ面）内におけるシリンドリカルレンズＧＬｄと光電変換素子ＤＴｏの配置関係を示し、図１５〔Ｂ〕は、ポリゴンミラーＰＭの回転軸ＡＸｐと平行な面（ＸＺ面）内における反射ビームＢｇｂ、シリンドリカルレンズＧＬｄ、光電変換素子ＤＴｏの配置関係を示す。シリンドリカルレンズＧＬｄは、反射ビームＢｇｂの１次元走査の面内（ＸＹ面内）で正の屈折力（凸レンズ作用）を有し、１次元走査の面と垂直なＺ軸方向（回転軸ＡＸｐが延びる方向）には平行平板として機能する。このように、Ｚ軸方向に母線を有するシリンドリカルレンズＧＬｄのＸＹ面内での焦点距離は、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏよりも長く設定され、好ましくは２倍以上に設定される。したがって、光電変換素子ＤＴｏ上に集光される反射ビームＢｇｂは、Ｚ軸方向に延びた細いスリット状のスポット光ＳＰｒになる。また、シリンドリカルレンズＧＬｄは、図１４と同様に、母線をＺ軸と平行にした円筒面状の凹反射面を有するシリンドリカル凹面反射ミラーに変えてもよい。

以上の変形例２、変形例３を含めて、本実施の形態では、ポリゴンミラーＰＭで反射した原点検出用の反射ビームＢｇｂを、少なくとも主走査方向に関して集光する屈折力を有する光学部材（正レンズ、凹面反射ミラー、シリンドリカル状のレンズや反射ミラー）を設け、その光学部材の焦点距離（Ｆｇｓ）をｆθレンズ系ＦＴのような走査用レンズ系の焦点距離ｆｏよりも長く、好ましくは２倍以上に設定する。このことは、原点検出用の反射ビームＢｇｂを集光（収斂）する光学部材の主走査方向に関する屈折力を、走査用レンズ系の主走査方向に関する屈折力よりも小さく、好ましくは１／２以下に設定することを意味する。

〔第２の実施の形態〕
図１６は、第２の実施の形態による描画ユニットＵｎの一部の構成を示し、第１のシリンドリカルレンズＣＹａ、反射ミラーＭ２３、ポリゴンミラーＰＭ、ｆθレンズ系ＦＴ、および第２のシリンドリカルレンズＣＹｂ等の配置は、基本的に図３の構成と同様である。本実施の形態による描画ユニットＵｎは、基板Ｐ上のスポット光ＳＰの最大走査範囲Ｌｘａのうち、パターン描画に使われる描画ラインＳＬｎの走査開始点の直前で、描画用のビームＬＢｎを原点検出用のビームとして検出して、原点信号ＳＺｎを生成するような原点センサを備える。そのために本実施の形態では、基板ＰとシリンドリカルレンズＣＹｂとの間の空間に配置され、最大走査範囲Ｌｘａ内の走査開始付近で主光線Ｌｅ１に沿って進むビームＬＢｎをＹ方向に反射する反射ミラーＭｈと、反射ミラーＭｈで反射されたビームＬＢｎがスポット光ＳＰｒとして集光される面と共役な面Ｐｄｒを形成するように光軸ＡＸｈに沿って配置されるレンズ系（拡大光学系）ＧＬｅと、面Ｐｄｒに配置される光電変換素子ＤＴｏとを設ける。

図１６のように、反射ミラーＭｈは、主光線Ｌｅ１に沿って描画ラインＳＬｎの走査開始点に進むビームＬＢｎを遮らないように、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆに対して４５度傾けて配置され、主光線Ｌｅ２に沿って進むビームＬＢｎによるスポット光ＳＰｒは光軸ＡＸｆと平行な基板Ｐに対応した面内に形成される。レンズ系ＧＬｅはスポット光ＳＰｒを共役面Ｐｄｒ上に２倍以上に拡大したスポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’を結像する。したがって、ビームＬＢｎが反射ミラーＭｈで反射されると、スポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’は、スポット光ＳＰｒの走査速度の２倍以上の速度で光電変換素子ＤＴｏ上をＸ軸方向（光軸ＡＸｆと平行な方向）に移動する。本実施の形態では、ポリゴンミラーＰＭで走査されるビームＬＢｎが反射ミラーＭｈに入射する範囲内で、連続的に４００ＭＨｚでパルス発光されるように、図６中の描画制御装置２００によって光源装置ＬＳの発振が制御される。

図１７は、ポリゴンミラーＰＭの１つの反射面によってビームＬＢｎが走査される際に、描画制御装置２００によって選択制御される選択用光学素子ＯＳｎの駆動信号ＤＦｎの状態と、そのときに光源装置ＬＳから出力されるビームＬＢｎのパルス発振の状態と、図１６の光電変換素子ＤＴｏから出力される原点信号ＳＺｎの状態とを示すタイムチャートである。図１７において、選択用光学素子ＯＳｎの駆動信号ＤＦｎは、最大走査範囲Ｌｘａ中の走査開始点直後の範囲ΔＹｗの期間だけＨレベルとなって、選択用光学素子ＯＳｎをオン状態にする。範囲ΔＹｗは、ｆθレンズ系ＦＴとシリンドリカルレンズＣＹｂとを介して投射されるビームＬＢｎが、図１６で示した反射ミラーＭｈに入射する期間に相当する。描画制御装置２００は、範囲ΔＹｗで駆動信号ＤＦｎがＨレベルの間だけ、光源装置ＬＳが４００ＭＨｚで連続発振するビームＬＢ（ＬＢｎ）を出力するように制御する。したがって、範囲ΔＹｗに対応した期間中、スポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’が共役面Ｐｄｒに沿って一次元走査され、光電変換素子ＤＴｏからの原点信号ＳＺｎは、図５（Ｂ）に示したように、原点時刻ＴｏｇでＬレベルに遷移する。描画制御装置２００は、原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇから一定時間後に、再び選択用光学素子ＯＳｎの駆動信号ＤＦｎをＨレベルにして、描画ラインＳＬｎに対応した期間中だけ選択用光学素子ＯＳｎをオン状態にする。さらに、選択用光学素子ＯＳｎがオン状態になって原点時刻Ｔｏｇから一定の遅延時間Δｔｏ後に描画ラインＳＬｎに沿ったパターン描画が行われるように、描画制御装置２００は描画データＳＤｎに応答して光源装置ＬＳのビームＬＢ（ＬＢｎ）のパルス発振を制御する。以上、本実施の形態では、ｆθレンズ系ＦＴを介して反射ミラーＭｈに入射する期間中のビームＬＢｎが原点検出用のビームとして使われ、光電変換素子ＤＴｏを横切るスポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’は、基板Ｐ上に投射されるスポット光ＳＰの走査速度に対して２倍以上の速度で移動する。そのため、原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇの発生タイミングの再現性を向上させることができる。

〔第２の実施の形態の変形例１〕
ところで、本実施の形態では、原点検出用のビームとして、パルス発光するビームＬＢｎを利用することから、光電変換素子ＤＴｏの受光面ＰＤ１、ＰＤ２の各々からの出力信号ＳＴａ、ＳＴｂが、図５（Ａ）のように連続した滑らかな波形にならなかったり、スポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’の径寸法が受光面ＰＤ１とＰＤ２の間の不感帯の幅よりも小さくなったりする可能性がある。そこで、図１８に示すように、光電変換素子ＤＴｏとレンズ系ＧＬｅとの間に、原点検出用のビームＬＢｎの走査方向に周期（格子ピッチ）を有する透過型の回折格子板ＧＰＬを設け、光電変換素子ＤＴｏに向かうビームＬＢｎを回折現象によって広げ、１パルス分のビームＬＢｎの回折光（０次光、±１次光、±２次光等）が受光面ＰＤ１とＰＤ２の間の不感帯の幅をまたがるように設定する。本変形例では、回折格子板ＧＰＬによって回折現象でビームＬＢｎの分布を走査方向に広げたが、図１８において、光軸ＡＨが延びる方向（Ｙ軸方向）と走査方向（Ｘ軸方向）との各々と直交したＺ軸方向に母線を有し、凹面状の円筒面を持つシリンドリカルレンズ（負の屈折力）を、回折格子板ＧＰＬの位置に配置してもよい。この場合、光電変換素子ＤＴｏの受光面は、反射ミラーＭｈの直後に集光したスポット光ＳＰｒの面と光学的に共役にはならないが、受光面ＰＤ１、ＰＤ２上には走査方向に楕円状に引き延ばされた強度分布を持ったビームＬＢｎ（Ｌｄｆ）が投射される。

〔第３の実施の形態〕
図１９は、第３の実施の形態による描画ユニットＵｎの一部の構成を示し、第１のシリンドリカルレンズＣＹａ、反射ミラーＭ２３’、ポリゴンミラーＰＭ、ｆθレンズ系ＦＴ、および第２のシリンドリカルレンズＣＹｂ、およびシリンドリカルレンズＣＹｂと基板Ｐの間に配置される反射ミラーＭｈ、レンズ系ＧＬｅ、光電変換素子ＤＴｏは、基本的に図１６の構成と同様に配置される。さらに本実施の形態による描画ユニットＵｎでは、シリンドリカルレンズＣＹａとポリゴンミラーＰＭの間に配置される反射ミラーＭ２３’を、波長選択性を有するダイクロイックミラーとし、原点検出用のビームＢｇａ（ビームＬＢｎと異なる波長の連続光）を、反射ミラーＭ２３’の裏側からポリゴンミラーＰＭに向けて投射するように構成する。反射ミラーＭ２３’は、例えば紫外波長域の３５５ｎｍの波長を有する描画用のビームＬＢｎに対しては高い反射率を有し、波長が４５０ｎｍ以上の原点検出用のビームＢｇａに対しては高い透過率を有するような波長選択特性を備える。また、図１９のＸＹ面内において、反射ミラーＭ２３’からポリゴンミラーＰＭの反射面（ＲＰａ）に向かう描画用のビームＬＢｎの入射方位に対し、原点検出用のビームＢｇａ（平行光束）の入射方位が主走査方向に角度Δεだけずれるように設定される。これによって、反射ミラーＭ２３’を透過した原点検出用のビームＢｇａは、ポリゴンミラーＰＭの反射面（ＲＰａ）で反射された反射ビームＢｇｂとなってｆθレンズ系ＦＴに入射する。反射ビームＢｇｂは、描画用のビームＬＢｎとともに主走査方向に同一の速度で一次元走査される。

図１９におけるポリゴンミラーＰＭの回転方向（時計回り）と、ポリゴンミラーＰＭに入射する描画用のビームＬＢｎと原点検出用のビームＢｇａとの角度Δεの差とにより、描画用のビームＬＢｎのスポット光ＳＰが描画ラインＳＬｎの走査開始点に達する前に、原点検出用のビームＢｇａの反射ビームＢｇｂはｆθレンズ系ＦＴとシリンドリカルレンズＣＹｂを介して反射ミラーＭｈに入射し、スポット光ＳＰｒになるように集光される。反射ミラーＭｈで反射された反射ビームＢｇｂは、レンズ系ＧＬｅを介して光電変換素子ＤＴｏ上でスポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’として再結像される。本実施の形態でも、レンズ系ＧＬｅを２倍以上の拡大結像系とすることで、スポット光ＳＰｒの像ＳＰｒ’の光電変換素子ＤＴｏ上での走査速度は、描画用のビームＬＢｎのスポット光ＳＰの走査速度に対して２倍以上に設定される。なお、図１９に示すように、原点検出用のビームＢｇａは、反射ミラーＭ２３’を通さずに反射ミラーＭ２３’の脇の光路Ｌｐｔを通してポリゴンミラーＰＭに投射するように配置してもよい。この場合、反射ミラーＭ２３’はダイクロイックミラーにする必要はないが、描画用のビームＬＢｎに対する原点検出用のビームＢｇａの角度Δεが大きくなるので、原点信号ＳＺｎの原点時刻Ｔｏｇからスポット光ＳＰが描画ラインＳＬｎの走査開始点にくるまでの時間は少し長くなる。

〔第４の実施の形態〕
図２０は、第４の実施の形態による描画ユニットＵｎの一部の構成を示し、第１のシリンドリカルレンズＣＹａ、反射ミラーＭ２３、ポリゴンミラーＰＭ、ｆθレンズ系ＦＴ、および第２のシリンドリカルレンズＣＹｂは、基本的に図１６（図３）の構成と同様に配置される。本実施の形態では、原点検出用のビームＢｇａを基板Ｐ側からシリンドリカルレンズＣＹｂ、ｆθレンズ系ＦＴを介してポリゴンミラーＰＭに向けて投射するようにビーム送光部６０ａを設け、ポリゴンミラーＰＭで反射された反射ビームＢｇｂが、レンズ系ＧＬｂ、反射ミラーＭｂ、光電変換素子ＤＴｏで構成されるビーム受光部６０ｂで検出されるように構成される。図２０において、レンズ系ＧＬｂ、反射ミラーＭｂ、光電変換素子ＤＴｏの光学的な配置関係は、図３のものと同一である。図２０において、ビーム送光部６０ａは図４に示すように半導体レーザ光源ＬＤｏとレンズ系ＧＬａとを含み、平行光束となったビームＢｇａを発生する。ビーム送光部６０ａからのビームＢｇａは、レンズ系ＧＬｕと反射ミラーＭｈ１を介して、スポット光ＳＰｚとして集光された後、図１６で示した反射ミラーＭｈと同様に配置される反射ミラーＭｈ２によって、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと平行な主光線Ｌｅ２となるように反射され、シリンドリカルレンズＣＹｂとｆθレンズ系ＦＴとを通ってポリゴンミラーＰＭの反射面（ＲＰａ）に投射される。

ポリゴンミラーＰＭの反射面（ＲＰａ）で反射されたビームＢｇａの反射ビームＢｇｂは、反射ミラーＭ２３の横を通ってレンズ系ＧＬｂに入射し、光電変換素子ＤＴｏ上でスポット光ＳＰｒとなるように集光される。スポット光ＳＰｒの位置は、ＸＹ平面（主走査の面内）において光学的にスポット光ＳＰｚと共役になる。なお、ビーム送光部６０ａから光電変換素子ＤＴｏまでの原点検出用のビームＢｇａや反射ビームＢｇｂの光路中には、シリンドリカルレンズＣＹｂがあるため、図２０の場合、光電変換素子ＤＴｏ上を横切るスポット光ＳＰｒは、先の図１５と同様に、Ｚ軸方向（ポリゴンミラーＰＭの回転軸ＡＸｐが延びる方向）に延びた細いスリット状になる。以上の本実施の形態でも、レンズ系ＧＬｂの焦点距離（Ｆｇｓ）をｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏよりも長くすることによって、光電変換素子ＤＴｏ上を横切るスポット光ＳＰｒの走査速度を基板Ｐ上のスポット光ＳＰの走査速度よりも速くすることができる。

〔第５の実施の形態〕
図２１は、第５の実施の形態による原点センサ（ビーム送光部６０ａ、ビーム受光部６０ｂ）の構成をＸＹ面内でみた図である。図２１において、先の各実施の形態や変形例の部材と同じ機能の部材には同じ符号を付してある。図２１では、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰのうちの１つの反射面ＲＰａに向けて、描画用のビームＬＢｎが投射され、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰａの１つ隣り（１つ手前）の反射面ＲＰｂに、ビーム送光部６０ａからのレーザビーム（原点検出用ビーム）Ｂｇａが投射されている。また、図２１における反射面ＲＰａの角度位置は、描画用のビームＬＢｎのスポット光ＳＰが描画ラインＳＬｎの描画開始点に位置する直前の状態を示している。ここで、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（ＲＰａ）は、ｆθレンズ系ＦＴの光軸ＡＸｆと直交する入射瞳面に位置するように配置される。厳密には、ｆθレンズ系ＦＴに入射するビームＬＢｎの主光線が光軸ＡＸｆと同軸になった瞬間の反射面ＲＰ（ＲＰａ）の角度位置において、反射ミラーＭ２３からポリゴンミラーＰＭに向かうビームＬＢｎの主光線と光軸ＡＸｆとが交差する位置に反射面ＲＰ（ＲＰａ）が設定される。また、ｆθレンズ系ＦＴの主面から基板Ｐの表面（スポット光ＳＰの集光点）までの距離が焦点距離ｆｏである。

ビーム送光部６０ａからのビームＢｇａは、基板Ｐの感光性機能層に対して感光性が低い波長域の平行光束としてポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰｂに投射される。反射面ＲＰｂで反射したビームＢｇａの反射ビームＢｇｂは、ＸＹ面と垂直な反射面を持つ反射ミラーＭＲａに向かう。反射ミラーＭＲａで反射したビームＢｇｂの反射ビームＢｇｃは、再びポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰｂに向けて投射される。反射面ＲＰｂで反射したビームＢｇｃの反射ビームＢｇｄは、ビーム受光部６０ｂで受光される。ビーム受光部６０ｂは、ポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰｂ（および他の各反射面ＲＰ）がＸＹ面内で特定の角度位置になった瞬間に、図２１のように進むビームＢｇｄを受光し、パルス状の原点信号ＳＺｎを出力する。図２１では、ビームＢｇａを単なる線として示したが、実際には、図４で示したように、半導体レーザ光源ＬＤｏとコリメータレンズＧＬａとによって、ＸＹ面内でポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰの回転方向に関して所定の幅を有する平行光束に変換される。同様に、図２１ではビームＢｇｄを単なる線として示したが、実際には、ＸＹ面内で所定の幅を有する平行光束となり、ビームＢｇｄはポリゴンミラーＰＭの回転に応じてビーム受光部６０ｂに対して矢印Ａｗのように走査される。その為、図２１のビーム受光部６０ｂも、図４と同様に、ビームＢｇｄを光電変換素子ＤＴｏ上にスポット光ＳＰｒとして集光する集光レンズＧＬｂを有する。

本実施の形態では、図２１に示した反射ミラーＭＲａを用いて、原点検出用のビームＢｇａをポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（ＲＰｂ）で２回反射させた後のビームＢｇｄのスポット光ＳＰｒを光電変換素子ＤＴｏで受光するように構成した。そのため、図５に示した受光面ＰＤ１、ＰＤ２上でのスポット光ＳＰｒの走査速度Ｖｈは、原点検出用のビームＢｇａをポリゴンミラーＰＭの反射面ＲＰ（ＲＰｂ）で１回反射させて光電変換素子ＤＴｏで受光する場合と比べて２倍以上にすることができる。これによって本実施の形態では、描画用のビームＬＢｎ（スポット光ＳＰ）の基板Ｐ上での走査速度Ｖｓｐに比べて、光電変換素子ＤＴｏ上の原点検出用のビームＢｇｄ（スポット光ＳＰｒ）の走査速度Ｖｈを２倍程度に速めることができ、原点信号ＳＺｎの発生タイミングの再現性（３σ値）を良好にすることができる。本実施の形態の場合、ビーム受光部６０ｂに設けられる集光レンズＧＬｂの屈折力（焦点距離Ｆｇｓに対応）とｆθレンズ系ＦＴの屈折力（焦点距離ｆｏに対応）とが同じてあっても、光電変換素子ＤＴｏ上を横切るスポット光ＳＰｒの走査速度Ｖｈは、基板Ｐ上で走査されるスポット光ＳＰの走査速度Ｖｓｐの２倍に速められる。

〔その他の変形例〕
ビーム走査装置として、ポリゴンミラーＰＭの代わりに、回転軸ＡＰｘの回りに一定の角度範囲で往復振動するガルバノミラー（走査部材）ＧＶＭを用いる描画装置や加工装置もある。図２２は、そのようなビーム走査装置の一例を示し、回転軸ＡＰｘの回りに一定の角度範囲で往復振動するガルバノミラーＧＶＭの反射面に描画用（加工用）のビームＬＢｎ（パルス光または連続光）が投射され、反射されたビームＬＢｎはｆθレンズ系ＦＴを介して基板Ｐ上の描画（加工）ラインＳＬｎにスポット光ＳＰとして投射される。ガルバノミラーＧＶＭが所定角度になった瞬間を原点位置として検出するために、描画用（加工用）のビームＬＢｎを反射するガルバノミラーＧＶＭの反射面（或いは、その裏側の反射面）に、図４と同様にして原点検出用のビームＢｇａ（平行光束）を投射し、その反射ビームＢｇｂを反射ミラーＭｂとレンズ系ＧＬｂとを介して、光電変換素子ＤＴｏ上にスポット光ＳＰｒとして集光する構成を設ける。この場合も、レンズ系ＧＬｂの焦点距離Ｆｇｓは、ｆθレンズ系ＦＴの焦点距離ｆｏよりも長く設定され、好ましくは、Ｆｇｓ＞２・ｆｏに設定される。

Claims (12)

1. 角度可変の走査部材の反射面で偏向された加工用のビームを被照射体にスポットとして集光する屈折力を持つ走査用光学系を備えたビーム走査装置であって、
   連続発光する光源からのビームを平行光束にして原点検出用のビームとして出力するビーム送光部と、
   前記走査部材の反射面に向けて投射された前記原点検出用のビームの反射ビームを受光して、前記走査部材の反射面が所定角度になる時点を表す原点信号を出力する光電検出器と、
   前記走査用光学系の屈折力よりも小さい屈折力に設定され、前記反射ビームを前記光電検出器にスポットとして集光する集光光学系と、
   を備え、
   前記ビーム送光部は、前記原点検出用のビームが前記被照射体の側から前記走査用光学系に入射して前記走査部材の反射面に向かうように配置される、ビーム走査装置。
2. 請求項１に記載のビーム走査装置であって、
   前記走査用光学系の焦点距離をｆｏ、前記集光光学系の焦点距離をＦｇｓとしたとき、Ｆｇｓ＞ｆｏに設定される、ビーム走査装置。
3. 請求項２に記載のビーム走査装置であって、
   前記焦点距離ｆｏに対して前記焦点距離Ｆｇｓを２倍以上に設定する、ビーム走査装置。
4. 請求項１～３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加工用のビームは、紫外波長域でパルス発光するパルス光源装置から生成される、ビーム走査装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のビーム走査装置であって、
   前記集光光学系は、前記加工用のビームが前記走査用光学系に非入射となるブランク期間中に前記走査部材の反射面によって偏向される方向であって、前記ブランク期間中に前記加工用のビームを前記原点検出用のビームとして入射可能な方向に配置される、ビーム走査装置。
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、
   前記走査部材は、複数の反射面を有して回転軸の回りに回転する回転多面鏡、或いは回転軸の回りに往復振動するガルバノミラーであり、
   前記走査用光学系は、前記走査部材で偏向された前記加工用のビームの偏向角と、前記被照射体上での前記加工用のビームのスポットの像高位置とを比例関係にしたｆ－θレンズ系である、ビーム走査装置。
7. 角度可変の走査部材の反射面で偏向された描画用ビームを基板にスポットとして集光する屈折力を持つ走査用光学系を備え、前記走査部材の反射面の角度変化に応じた速度で前記スポットを走査しつつ、前記描画用ビームの強度をパターンに応じて変調して、前記基板にパターンを描画するパターン描画装置であって、
   連続発光する光源からのビームを平行光束にして原点検出用のビームとして出力するビーム送光部と、
   前記走査部材の反射面に向けて投射された前記原点検出用のビームの反射ビームを受光して、前記走査部材の反射面が所定角度になる時点を表す原点信号を出力する光電検出器と、
   前記走査用光学系の屈折力よりも小さい屈折力に設定され、前記反射ビームを前記光電検出器にスポットとして集光する集光光学系と、
   を備え、
   前記ビーム送光部は、前記原点検出用のビームが前記基板の側から前記走査用光学系に入射して前記走査部材の反射面に向かうように配置される、パターン描画装置。
8. 請求項７に記載のパターン描画装置であって、
   前記走査用光学系の焦点距離をｆｏ、前記集光光学系の焦点距離をＦｇｓとしたとき、Ｆｇｓ＞ｆｏに設定される、パターン描画装置。
9. 請求項８に記載のパターン描画装置であって、
   前記焦点距離ｆｏに対して前記焦点距離Ｆｇｓを２倍以上に設定する、パターン描画装置。
10. 請求項７～９のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
    前記基板に投射される前記描画用ビームは、紫外波長域でパルス発光するパルス光源装置から生成される、パターン描画装置。
11. 請求項７～１０のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
    前記集光光学系は、前記描画用ビームが前記走査用光学系に非入射となる期間中に前記走査部材の反射面によって偏向される方向であって、前記非入射となる期間中に前記描画用ビームを前記原点検出用のビームとして入射可能な方向に配置される、パターン描画装置。
12. 請求項７～１１のいずれか１項に記載のパターン描画装置であって、
    前記走査部材は、複数の反射面を有して回転軸の回りに回転する回転多面鏡、或いは回転軸の回りに往復振動するガルバノミラーであり、
    前記走査用光学系は、前記走査部材で偏向された前記描画用ビームの偏向角と、前記基板上での前記描画用ビームのスポットの像高位置とを比例関係にしたｆ－θレンズ系である、パターン描画装置。
    
    

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