KR102667683B1

KR102667683B1 - 패턴 묘화 장치

Info

Publication number: KR102667683B1
Application number: KR1020207014027A
Authority: KR
Inventors: 마사키 가토; 슈이치 나카야마
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2024-05-22

Abstract

패턴 묘화 장치는, 광원 장치로부터의 빔(LB)을 입사하고, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)을 향하는 빔(LB)을 주주사 방향과 직교한 부주사 방향으로 수렴시키는 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 편향된 빔(LB)을 입사하고, 피조사체의 표면(Po) 상에 스폿광(SP)으로서 집광하기 위한 fθ 렌즈계(FT)와, fθ 렌즈계(FT)로부터 사출되어 표면(Po)을 향하는 빔(LB)을 부주사 방향으로 수렴시키는 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 구비한다. fθ 렌즈계(FT)의 시야 내에서 빔 주사 범위의 주변 상고의 위치를 통과하여 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 입사하기 전에 발생하는 빔(LB)의 사지탈 코마 수차에 의한 만곡량이, 에어리 디스크 반경 이하가 되도록 상기 제2 광학계의 초점 거리를 설정했다.

Description

패턴 묘화 장치

본 발명은, 빔을 주주사(主走査) 방향으로 1차원으로 주사하는 빔 주사 장치를 이용하여, 기판에 소정의 패턴을 묘화(描畵)하는 패턴 묘화 장치에 관한 것이다.

주사용 광학계(fθ 렌즈계 등)와 폴리곤 미러(회전 다면경)를 이용함으로써, 감재(感材) 상에 투사된 빔을 등속으로 주사할 수 있는 것이 알려져 있다. 일반적인 폴리곤 미러의 각 반사면은, 폴리곤 미러의 회전면(회전 방향을 포함하는 평면)과 직교하는 면과 평행하게 형성되지만, 실제의 반사면은, 폴리곤 미러의 회전면과 직교하는 면에 대해서 약간 경사지는 오차, 이른바 면 틸트(tilt)(경사) 오차를 동반하고 있다. 그 오차는 가공상의 공차(公差) 내라도 반사면마다 미소(微少)하게 불규칙하게 분포하는 경우가 있는 것, 또 폴리곤 미러의 회전축의 베어링 성능에 의존한 축 흔들림이 있는 것 등의 이유에 의해, fθ 렌즈계에 의해서 감재 상에 집광되는 스폿광의 상(像) 위치(빔의 투사 위치)는 폴리곤 미러의 반사면마다 어긋나 버린다.

그 투사 위치의 어긋남을 막기 위해서, 일본특허공개 평8-297255호 공보에서는, 폴리곤 미러의 직전과 fθ 렌즈계의 뒤의 2개소에, 폴리곤 미러의 편향 방향(주주사 방향, 폴리곤 미러의 회전 방향)에 대해서 직교한 방향으로만 굴절력을 가지는 실린드리칼 렌즈를 배치하고 있다. 즉, 모선(母線)이 빔의 주주사 방향과 평행이 되는 2개의 실린드리칼 렌즈를 배치하고 있다. 이것에 의해, 빔의 주사 방향(주주사 방향)과 직교한 방향(부주사 방향)에 관해서는, 폴리곤 미러의 반사면 상과 감재의 피조사면을 광학적으로 공역(共役) 관계로 할 수 있어, 폴리곤 미러의 반사면마다 발생할 수 있는 면 틸트 오차에 편차가 생겨도, 빔의 감재 상에서의 투사 위치를 부주사 방향에서는 일정하게 유지할 수 있다.

일본특허공개 평8-297255호 공보와 같이, 폴리곤 미러의 전단(前段)의 제1 실린드리칼 렌즈와, fθ 렌즈계의 후단의 제2 실린드리칼 렌즈에 의해서 폴리곤 미러의 면 틸트 오차를 보정하는 빔 주사 장치에서, 피조사면 상에 투사되는 빔의 스폿광을 보다 작게 하여, 보다 미세한 패턴을 묘화하는 경우, 그것에 따라서 생기는 각종의 광학 오차(수차), 예를 들면 빔의 코마(coma) 수차, 포커스 오차, 구면(球面) 수차 등도, 묘화해야 할 패턴의 미세도(최소 화소 치수)에 알맞은 범위로 저감시켜 둘 필요가 있다.

본 발명의 제1 형태는, 광원 장치로부터의 빔을 피조사체 상에 스폿으로 집광(集光)하여 투사하면서, 상기 스폿을 반사 편향 부재에 의해 주주사(主走査) 방향으로 1차원 주사하는 것에 의해서 상기 피조사체 상에 패턴을 묘화(描畵)하는 패턴 묘화 장치로서, 상기 광원 장치로부터의 상기 빔을 입사하고, 상기 반사 편향 부재의 반사면을 향하는 상기 빔을 상기 주주사 방향과 직교한 부주사(副走査) 방향으로 수렴시키는 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 광학계와, 상기 반사 편향 부재의 반사면에서 편향된 상기 빔을 입사하고, 상기 피조사체 상에 스폿으로서 집광하기 위한 주사용 광학계와, 상기 주사용 광학계로부터 사출되어 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 부주사 방향으로 수렴시키는 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 광학계를 구비하며, 상기 주사용 광학계의 시야 내에서 빔 주사 범위의 주변 상고(像高)의 위치를 통과하여 상기 제2 광학계에 입사하기 전에 발생하는 상기 빔의 사지탈 코마(sagittal coma) 수차(收差)에 의한 만곡량이, 에어리 디스크(airy disc) 반경 이하가 되도록 상기 제2 광학계의 초점 거리가 설정된다.

도 1은 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 개략적인 구성을 나타내며, 도 1의 (A)는 지면 내를 부주사 방향으로 하여 나타낸 구성을 나타내고, 도 1의 (B)는 지면 내를 주주사 방향으로 하여 나타낸 구성을 나타낸다.
도 2는 도 1에 나타낸 빔 주사 장치의 광학적인 작용을 설명하기 위한 개략 구성을 나타내며, 도 2의 (A)는 도 1의 (A)에 대응하여 빔 주사 장치를 XZ면내에서 본 것이고, 도 2의 (B)는 도 1의 (B)에 대응하여 빔 주사 장치를 XY면내에서 본 것이다.
도 3은 도 2에 나타낸 빔(LB) 중, 주광선(PLc)과 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)만을 발췌하여 과장하여 나타낸 도면이며, 도 3의 (A)는 XZ면내(부주사 방향과 평행한 면내)에서 본 도면이고, 도 3의 (B)는 XY면내(주주사 방향과 평행한 면내)에서 본 도면이다.
도 4는 도 3에서의 빔(LB)의 주광선(PLc)과 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)에 의해서 정해지는 기하학적인 관계를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 3의 fθ 렌즈계(FT)의 입사측 접평면(接平面)(Pg1) 상, 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측 접평면(Pyb) 상, 및 피주사면(Po) 상에서의 빔(LB)(스폿광(SP))의 분포를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1 또는 도 2에 나타낸 정팔면체의 폴리곤 미러(PM)를 소정 각도만큼 시계 방향으로 회전했을 때의 반사면(RPa)에서의 빔(LB)의 반사의 모습을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6 중의 반사면(RPa, RPa'), 점(Ka, Kb)을 포함하는 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 8은 앞의 도 1의 (A)에 대응하여, XZ면과 평행한 면내(부주사 방향)에서의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)로부터 피주사면(Po)까지의 광로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 일 예로서 설정한 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리, 상(像) 측 개구수, 빔(LB)의 파장 하에서 계산되는 도 5의 (B) 중의 만곡량 Dsc의 특성과, 에어리 디스크 반경 ADm의 특성을, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 변수로 하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 9에서 설정한 조건과 동일한 fθ 렌즈계(FT)의 물(物) 측 디포커스량(광로 길이차) ΔDop를 일정값으로 한 경우에 계산되는 부주사 방향에 관한 상(像) 측 디포커스량 ΔDip의 특성과 초점 심도 DOFs의 특성을, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 변수로 하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 구체적인 광학 구성을 XY면내(주주사 방향의 면내)에서 전개하여 본 도면이다.
도 12는 도 11에 나타낸 빔 주사 장치의 광학 구성을 XZ면내(부주사 방향의 면내)에서 본 도면이다.
도 13은 도 11, 도 12에 나타낸 빔 주사 장치의 각 광학 부품(렌즈, 반사면)의 배치 관계와 수치 조건의 일 예를 나타내는 데이터표(렌즈 데이터)이다.
도 14는 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치에서의 사지탈 코마 수차 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치에 의해서 피주사면 상에 집광되는 빔의 스폿의 시뮬레이션에 의해 구한 스폿 다이어그램이다.
도 16은 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치에 의해서 피주사면 상에 집광되는 빔의 포커스 MTF(전달 함수, 콘트라스트) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 성능을 비교하기 위해 설정한 비교예에 의한 빔 주사 장치의 전체의 광학 구성을 나타내는 도면이다.
도 18은 도 17의 비교예에 의한 빔 주사 장치에서의 각 광학 부품(렌즈, 반사면)의 배치 관계와 수치 조건의 일 예를 나타내는 렌즈 데이터표이다.
도 19는 도 14와 마찬가지로 시뮬레이션된 비교예(도 17, 도 18)에 의한 빔 주사 장치의 사지탈 코마 수차 특성의 그래프이다.
도 20은 도 15와 마찬가지로 시뮬레이션된 비교예(도 17, 도 18)에 의한 빔 주사 장치의 스폿 다이어그램이다.
도 21은 도 16과 마찬가지로 시뮬레이션된 비교예(도 17, 도 18)에 의한 빔 주사 장치의 포커스 MTF(전달 함수, 콘트라스트) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 22는 제2 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 광학 구성을 나타내는 도면이다.
도 23은 도 22에 나타낸 제2 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 각 광학 부품(렌즈, 반사면)의 배치 관계와 수치 조건의 일 예를 나타내는 데이터표(렌즈 데이터)이다.
도 24는 제2 실시 형태의 렌즈 데이터표(도 23)에 근거하여 시뮬레이션된 빔의 구면 수차의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 25는 제3 실시 형태에 의한 패턴 묘화 유닛(묘화 장치)의 구체적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 26은 제4 실시 형태에 의한 빔 전환부의 개략적인 광학 배치를 나타내는 도면이다.
도 27은 도 26의 빔 전환부의 변형예에 의한 구성을 나타내는 도면이다.
도 28은 도 26 또는 도 27에 나타낸 선택용 광학 소자(OS1)의 변동에 의해 생기는 빔 특성의 변화를 보정하기 위한 조정 기구를 간단하게 나타낸 도면이다.

본 발명의 형태에 관한 패턴 묘화 장치에 대해서, 바람직한 실시 형태를 들어, 첨부의 도면을 참조하면서 이하, 상세하게 설명한다. 또, 본 발명의 형태는, 이들 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변경 또는 개량을 가한 것도 포함된다. 즉, 이하에 기재한 구성요소에는, 당업자가 용이하게 상정(想定)할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것이 포함되며, 이하에 기재한 구성요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성요소의 여러 가지의 생략, 치환 또는 변경을 행할 수 있다.

(제1 실시 형태)

도 1은, 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 전체적인 구성을 모식적으로 나타낸 것이며, 직교좌표계 XYZ의 Y축과 평행한 방향을 주주사(主走査) 방향으로 하고, Z축과 평행한 방향을 부주사(副走査) 방향으로 한다. 도 1의 (A)는, Z축과 평행하게 배치되는 회전 중심축(AXp)을 가지는 정팔각형의 회전 폴리곤 미러(반사 편향 부재)(PM), 폴리곤 미러(PM)의 8개의 반사면 중 1개의 반사면(RPa)에 빔(LB)을 투사하는 제1 실린드리칼 렌즈(비등방적인 굴절력을 가지는 원통면 모양 렌즈) (CYa), 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)(편향 빔)을 입사하는 주사용 광학계로서의 fθ 렌즈계(FT), 및 fθ 렌즈계(FT)로부터 사출되는 편향 빔(LB)을 입사하고 피주사면(묘화 대상체, 피조사체의 표면)(Po) 상에 빔(LB)의 스폿광(SP)을 집광하는 제2 실린드리칼 렌즈(비등방적인 굴절력을 가지는 원통면 모양 렌즈)(CYb) 각각의 배치를, XZ면과 평행한 면(부주사 방향을 지면 내로 한 면) 내에서 전개하여 나타낸 것이다. 도 1의 (B)는, 제1 실린드리칼 렌즈(제1 광학계)(CYa), 회전 폴리곤 미러(PM), fθ 렌즈계(FT), 및 제2 실린드리칼 렌즈(제2 광학계)(CYb) 각각의 배치를, XY면과 평행한 면(주주사 방향을 지면 내로 한 면) 내에서 본 것이다. 또, 본 실시 형태에서, fθ 렌즈계(FT)는, 그 광축(AXf)에 대한 빔(LB)의 주광선(중심 광선)의 입사각을 θ(rad, 또는 deg), 피주사면(Po)에서의 스폿광(SP)의 광축(AXf)으로부터의 Y방향의 거리(상고(像高))를 Hy, 초점 거리를 ft로 했을 때, 실질적으로 Hy=ft·θ의 관계가 되는 수차(收差), 즉, 일반적인 렌즈계에서의 Hy=ft·tanθ의 관계 이외의 특성이 되도록, 통형의 변형 왜곡 수차를 가지도록 설계되어 있다.

도 1의 (B)에 나타내는 바와 같이, 광원 장치로부터 각종의 렌즈나 광학 부재를 통하여 정형(整形)된 빔(LB)은, 굴절력(정(正))을 가지는 방향이 Z축 방향(부주사 방향)으로 설정된 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 광축(AXe)과 동축이 되어 입사된다. 빔(LB)은, 단면 내의 강도 분포가 가우스(Gauss) 분포 또는 그것과 근사한 분포이고, 실효적인 직경(피크 강도의 1/e²의 강도, 또는 반값 전체 폭에 의해 정해지는 지름)이 수mm 정도의 평행 광속으로 정형되어 있다. 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사되는 빔(LB)의 실효적인 직경은, 후단(後段)의 fθ 렌즈계(FT)의 굴절력에 의해서 피주사면(Po) 상에 스폿광(SP)으로서 집광되는 빔(LB)의 개구수(NA, 빔 퍼짐 전각(全角))에 대응한다. 즉, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사되는 빔(LB)의 실효적인 직경을 크게 하면, 피주사면(Po) 상에서의 빔(LB)의 개구수도 크게 할 수 있어, 스폿광(SP)의 실효적인 직경을 작게 할 수 있다. 다만, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사되는 빔(LB)의 실효적인 직경은, 회전 폴리곤 미러(PM)의 8개의 반사면 각각의 회전 방향(주주사 방향에 대응)에서의 길이보다도 작게 설정된다. 또, 본 실시 형태에서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 광축(AXe)을, XY면과 평행이고, 또한 X축에 대해 시계 방향으로 45°기울어진 방향으로 설정한다.

제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 통과한 빔(LB)은, XY면내에서는 평행 광속 그대로 Z축 방향에 대해서는 도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이 수렴 광속이 되고, 시계 방향으로 회전하는 회전 폴리곤 미러(PM)의 8개의 반사면 중 1개의 반사면(RPa) 상에 투사된다. 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 후측 초점 거리의 위치, 또는 그 근방에 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)이 위치하도록 설정하는 것에 의해, 반사면(RPa) 상에는 빔(LB)이 XY면과 평행한 가는 슬릿 모양의 분포가 되어 집광된다. 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)는 XY면내에서는 굴절력을 가지지 않는 평행 평판으로서 작용하므로, 반사면(RPa)에서의 빔(LB)의 슬릿 모양의 분포의 길이 방향의 치수는, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사되기 전의 빔(LB)의 실효적인 직경과 동일하게 된다. 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)은, Z축 방향(부주사 방향)에 대해서는 발산 광속이 되고, XY면내(주주사 방향에 대응)에서는 평행 광속이 되며, 회전 폴리곤 미러(PM)의 회전(반사면(RPa)의 각도 변화)에 따라서 XY면내에서 시계 방향으로 편향된 상태에서, X축과 평행한 광축(AXf)을 가지는 fθ 렌즈계(FT)에 입사된다.

fθ 렌즈계(FT)는, 회전 폴리곤 미러(PM) 측으로부터 광축(AXf)을 따라서 배치되는 5매의 석영의 렌즈(G1~G5)를 가지고, 상(像) 측(피주사면(Po) 측)이 텔레센트릭계가 되도록 구성된다. fθ 렌즈계(FT)의 전측(前側) 초점 거리의 위치는, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 위치 또는 그 근방에 설정되고, 기하 광학 상에서는, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 위치가 fθ 렌즈계(FT)의 동면(瞳面)(개구 조리개의 위치)에 대응하고, 피주사면(Po)이 fθ 렌즈계(FT)의 상면(像面)에 대응한다. 또, 본 실시 형태에서는, XY면내(주주사 방향에 대응)에서, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 광축(AXe)과 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)은 45°의 각도를 이루어, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 위치 또는 그 근방 위치에서 교차하도록 설정된다. 따라서, XY면내에서는, 도 1의 (B)에 나타내는 바와 같이, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)이 Z축과 평행한 YZ면에 대해서 시계 방향으로 22.5°(45°／2)만큼 기울어진 상태일 때, 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)의 주광선(중심 광선)은 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)과 동축이 되고, fθ 렌즈계(FT)의 후측(後側) 초점 거리의 위치에 설정되는 피주사면(Po) 상의 광축(AXf)이 통과하는 위치에 스폿광(SP)으로서 집광된다.

fθ 렌즈계(FT)로부터 사출되는 빔(LB)은, Z축 방향(부주사 방향)으로만 굴절력을 가지고, Y축 방향(주주사 방향)으로는 스폿광(SP)의 주사 길이보다도 긴 치수를 가지는 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 통과하여 피주사면(Po) 상에 원형의 스폿광(SP)으로서 집광된다. 도 1의 (B)에 나타내는 바와 같이, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)는 Y축 방향(주주사 방향)에 관해서는 굴절력을 가지지 않는 평행 평판으로서 작용하기 때문에, fθ 렌즈계(FT)로부터 사출되는 빔(LB)은, Y축 방향(주주사 방향)에 대해서는, 오로지 fθ 렌즈계(FT)의 굴절력에 의해서 소정의 개구수(NA, 빔 퍼짐 전각)를 따라서 피주사면(Po)에서 빔 웨이스트가 되도록 수렴된다. 한편, 도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)은, Z축 방향(부주사 방향)에 관해서 발산 광속이 되어 fθ 렌즈계(FT)에 입사되므로, fθ 렌즈계(FT)로부터 사출할 때에는 Z축 방향(부주사 방향)에 관해서 fθ 렌즈계(FT)의 굴절력에 의해 거의 평행 광속이 되어, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 입사된다. 따라서, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 Z축 방향(부주사 방향)에 관한 후측 초점 거리의 위치 또는 그 근방 위치에 피주사면(Po)이 설정되도록 배치하는 것에 의해, 빔(LB)은, Z축 방향(부주사 방향)에 대해서도, fθ 렌즈계(FT)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 합성의 굴절력에 의해서 소정의 개구수(NA, 빔 퍼짐 전각)를 따라서 피주사면(Po)에서 빔 웨이스트가 되도록 수렴된다. 본 실시 형태에서는, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 개구수(NA, 빔 퍼짐 전각)가, Y축 방향(주주사 방향)과 Z축 방향(부주사 방향)에서 동일하게 되도록 설정된다. 게다가 도 1의 (A)로부터도 분명한 바와 같이, Z축 방향(부주사 방향)에 관해서, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과 피주사면(Po)은, fθ 렌즈계(FT)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 합성계에 의해서, 광학적으로 공역인 관계로 되어 있다.

이것에 의해, 피주사면(Po) 상에 투사되는 빔(LB)의 주광선(중심 광선)은, 주주사 방향(Y축 방향) 및 부주사 방향(Z축 방향)에 대해서, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)과 평행한 상태(텔레센트릭한 상태)를 유지하면서, 회전 폴리곤 미러(PM)의 회전(반사면(RPa)의 각도 변화)에 따라서 -Y방향으로 1차원 주사된다. 그 때, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)이 Z축과 평행한 면에 대해서 기울어지는 면 틸트 오차가 발생해도, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과 피주사면(Po)이 XZ면과 평행한 면내에서는 공역 관계이기 때문에, 그 오차의 영향을 받아 피주사면(Po) 상의 스폿광(SP)이 부주사 방향으로 위치가 어긋나는 것이 방지된다. 또, 상세하게는 후술하지만, 각종 수차를 작게 하기 위해, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리는 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리보다도 길게(예를 들면, 2배 이상으로) 설정되고, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리는 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리보다도 짧게(예를 들면, 1/2배 이하로) 설정된다. 또, 스폿광(SP)의 피주사면(Po) 상에서의 실효적인 직경(즉 빔 웨이스트의 직경) φ은, 빔(LB)의 단면 내 강도를 가우스 분포로 했을 때, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사되는 빔(LB)의 직경과, fθ 렌즈계(FT)의 굴절력(초점 거리, 혹은 배율)에 의해서 설정되는 빔의 개구수인 퍼짐 전각 θbm(rad, 또는 deg)과, 빔(LB)의 파장 λo(nm)에 의해서, 대체로 이하의 식에 의해서 정해진다.

φ=2λo/[π(tan(θbm/2))]

게다가, 도 1의 구성을 모식적으로 나타낸 도 2~도 5를 이용하여, 도 1과 같은 빔 주사 장치에서의 광학적인 작용을 설명한다. 도 2의 (A)는, 도 1의 (A)에 대응하여 빔 주사 장치를 XZ면내에서 본 것이고, 도 2의 (B)는, 도 1의 (B)에 대응하여 빔 주사 장치를 XY면내에서 본 것이다. 도 2의 (A), 도 2의 (B)에서는, fθ 렌즈계(FT)의 주평면을 FTp로 하고, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 광축(AXe)과 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)과의 교점을 So, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)의 주광선(중심 광선)을 PLc(AXf)로 한다. 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사되는 빔(LB)은, XY면내에서는 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 회전 폴리곤 미러(PM)의 회전에 의해 피주사면(Po) 상에서 -Y방향으로 직선 주사되지만, 광축(AXf)에 대해서는 입사 각도 ±θ의 범위에서 편향되고, 그 각도 θ에 대응하여 피주사면(Po) 상에서는 광축(AXf)의 위치로부터 상고 ±Hy의 위치에 스폿광(SP)이 되어 투사된다.

fθ 렌즈계(FT)는, 초점 거리를 ft로 했을 때, 광축(AXf)에 대한 빔(LB)(주광선(PLc))의 입사의 각도 θ(deg)와 상고 Hy가, Hy=ft·θ의 관계(f-θ 특성)가 되도록 설계되어 있다. 따라서, 각도 θ의 변화량 Δθ과 상고 Hy의 변화량 ΔHy가 비례 관계가 되고, 반사면(RPa)의 각도가 등속으로 변화할 때, 스폿광(SP)은 -Y방향으로 등속으로 주사된다. 본 실시 형태에서, 일 예로서, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft는 100mm 정도, 상고 Hy의 최대 상고 Hymax(주변 상고의 위치)는 26mm(스폿광(SP)의 최대 주사 길이는 52mm) 정도로 설정된다. 또, 회전 폴리곤 미러(PM)의 1개의 반사면(RPa)이 교점(So)을 통과하는 동안의 회전 폴리곤 미러(PM)의 회전 각도는 45°이지만, 그 중에서, 최대 상고 ±Hymax에 대응한 빔(LB)의 최대의 입사 각도 ±θmax의 범위(2·θmax)는, 1/3 정도인 15°미만의 실효적인 편향 각도 범위로 되어 있다. 즉, 회전 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)이 XY면내에서 15°미만의 실효적인 편향 각도 범위에서 변화하는 동안에, 스폿광(SP)이 최대 상고 ＋Hymax의 위치로부터 최대 상고 -Hymax의 위치까지 주사된다. 또, 도 2의 (B)는, 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)의 주광선(PLc)이 최대 상고 ＋Hymax의 위치에 도달한 순간의 상태, 즉 빔(LB)이 fθ 렌즈계(FT)의 유효 시야 내의 가장 외측(주변 상고의 위치)을 통과하는 상태를 나타내고 있다.

도 1이나 도 2와 같이, fθ 렌즈계(FT)에 실린드리칼 렌즈(CYa, CYb)를 추가한 면 틸트 보정 광학계에서는, fθ 렌즈계(FT)의 디스토션(f-θ 특성을 얻기 위한 변형 왜곡 수차)이, 주주사 방향으로의 사지탈 코마(Sagittal coma) 수차로 변환되기 때문에, 스폿광(SP)의 결상(結像) 성능을 저하시키는 하나의 요인이 된다. 그래서, 이하, 도 2의 (A), 도 2의 (B)에 대응한 도 3의 (A), 도 3의 (B)을 참조하여, 그러한 사지탈 코마 수차의 발생에 대해 설명한다. 도 3은, 도 2 중에 나타낸 빔(LB) 중, 주광선(PLc)과 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)만을 발췌하여 과장하여 나타낸 도면이며, 도 3의 (A)는 도 2의 (A)에 대응하여 빔 주사 장치를 XZ면내(부주사 방향과 평행한 면내)에서 본 것이고, 도 3의 (B)는 도 2의 (B)에 대응하여 빔 주사 장치를 XY면내(주주사 방향과 평행한 면내)에서 본 것이다. 도 3의 (A), 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 빔(LB)의 중심 광선인 주광선(PLc)에 대해서, 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)은, 부주사 방향에 관해서 빔(LB)의 최외주를 통과하는 광선(빔(LB)의 개구수(NA)를 규정하는 광선)이다.

여기서, 폴리곤 미러(PM)의 1개의 반사면(RPa) 상에서의 주광선(PLc)과 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)과의 교점을 So, fθ 렌즈계(FT)의 가장 입사측의 렌즈(G1)(도 1 참조)의 입사면 상의 광축(AXf)과의 교점(정점)을 Oc, 렌즈(G1)의 입사면의 정점(Oc)을 포함하는 입사측 접평면을 Pg1, 빔(LB)의 주광선(PLc)의 입사측 접평면(Pg1)과의 교점을 Sc, 빔(LB)의 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)과 입사측 접평면(Pg1)과의 교점을 각각 Su, Sd로 한다. 게다가, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 가장 입사측의 렌즈면(볼록면) 상의 광축(AXf)과의 교점(정점)을 Oc', 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측의 렌즈면(볼록면)의 정점(Oc')을 포함하는 입사측 접평면을 Pyb, 빔(LB)의 주광선(PLc)의 입사측 접평면(Pyb)과의 교점을 Sc', 빔(LB)의 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)과 입사측 접평면(Pyb)과의 교점을 각각 Su', Sd'로 한다.

여기서, 도 3의 상태에서의 빔(LB)의 주광선(PLc)과 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)에 의해서 정해지는 기하학적인 관계를, 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상의 교점(So), 입사측 접평면(Pg1) 상의 정점(Oc), 교점(Sc, Su, Sd)의 배치 관계를 나타내는 사시도이다. 교점(So)으로부터 입사측 접평면(Pg1) 상의 교점(Sc)을 향하는 주광선(PLc)의 입사각은, 광축(AXf)에 대한 각도(θ)이다. 이 때, Y축과 평행이고 정점(Oc)을 통과하는 선을 Ys로 하면, 정점(Oc)과 교점(Su)을 연결하는 선분과 정점(Oc)과 교점(Sd)을 연결하는 선분 각각은 선(Ys)에 대해서 모두 각도 αs로 되어 있다. 따라서, 교점(So)으로부터 교점(Su, Sd) 각각을 향하는 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)의 각 입사각(광축(AXf)에 대한 각도)은, 모두 각도 θα로 되어 있다. 이것으로부터, 반사면(RPa) 상의 교점(So)과 입사측 접평면(Pg1) 상의 정점(Oc)을 연결하는 선분의 길이를 LSO, 정점(Oc)과 교점(Sc)을 연결하는 선분의 길이를 Lcc, 정점(Oc)과 교점(Su)을 연결하는 선분의 길이를 Lsu, 정점(Oc)과 교점(Sd)을 연결하는 선분의 길이를 Lsd로 했을 때, Lcc=LSO·tanθ, 및 Lsu=Lsd=LSO·tanθα의 관계로부터, 길이 Lcc, Lsu, Lsd는 이하의 수식 (1)과 같은 관계가 된다.

[수식 1]

게다가, 도 5의 (A), 도 5의 (B)에 의해, 도 3의 (A), 도 3의 (B), 도 4에 나타낸 fθ 렌즈계(FT)의 입사측 접평면(Pg1) 상에서의 빔(LB)의 분포, 도 3의 (A), 도 3의 (B)에 나타낸 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 빔(LB)의 분포, 및 피주사면(Po) 상에서의 빔(LB)(스폿광(SP))의 분포를 설명한다. 도 5의 (A)는, 도 4에 나타낸 입사측 접평면(Pg1) 상에서의 정점(Oc), 교점(Sc, Su, Sd)의 각 배치의 관계와 빔(LB)의 분포를 재차 나타낸 것이다. 도 5의 (B)는, 도 3에 나타낸 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 정점(頂点)(Oc), 교점(Sc, Su, Sd) 각각에 대응한 정점(Oc'), 교점(Sc', Su', Sd')의 각 배치의 관계와 빔(LB)의 분포를 과장하여 나타낸다. 도 5의 (B)에서, Ys'는 정점(Oc')과 교점(Sc')을 통과하는 Y축과 평행한 선분이며, 교점(Sc')은 정점(Oc')으로부터 상고 Hy의 거리에 위치한다. 입사측 접평면(Pg1) 상에서, 빔(LB)은 도 2의 (A), 도 2의 (B)의 입사 상태로부터 분명한 바와 같이, Y방향(주주사 방향)과 Z방향(부주사 방향) 각각에 소정의 폭을 가지고 분포한다. 그렇지만, 도 5의 (B)에 나타내는 바와 같이, 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측 접평면(Pyb) 상에서는, fθ 렌즈계(FT)의 수차 특성에 의해, 빔(LB)은 부주사 방향으로 길고, 정점(Oc') 측으로 오목하게 되도록 원호 모양으로 만곡된 분포가 된다. 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 빔(LB)의 분포는, Y방향으로 치수 φy'의 폭을 가지고, Z방향으로 치수 φz'의 폭(교점(Su', Sd')의 Z방향의 간격과 동일함)을 가진다.

입사측 접평면(Pyb) 상에서의 빔(LB)의 Y방향의 치수 φy'는, fθ 렌즈계(FT)에 의해서 피주사면(Po)에서 빔 웨이스트가 되도록 수렴되는 도중의 빔(LB)의 Y방향에서의 폭이다. 또, 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 빔(LB)의 Z방향의 치수 φz'는, Z방향에 관해서 거의 평행 광속이 되어 fθ 렌즈계(FT)로부터 사출되는 빔(LB)의 도중의 폭이다. 입사측 접평면(Pyb)을 통과한 빔(LB)은, 실린드리칼 렌즈(CYb)에 의해, 도 5의 (C)에 나타내는 바와 같이, 상고 Hy의 위치에 Y방향(주주사 방향)의 치수가 φy, Z방향(부주사 방향)의 치수가 φz인 스폿광(SP)으로서 피주사면(Po) 상에 집광된다. 실린드리칼 렌즈(CYb)는 Z방향(부주사 방향)으로 정(正)의 굴절력(파워)을 가지고, Y방향(주주사 방향)으로 굴절력(파워)을 가지지 않기 때문에, 입사측 접평면(Pyb) 상에서 치수 φz'인 빔(LB)은 오로지 실린드리칼 렌즈(CYb)의 Z방향의 수렴 작용에 의해서 치수 φz인 스폿광(SP)이 된다. 입사측 접평면(Pyb) 상에서 치수 φy'인 빔(LB)은 실린드리칼 렌즈(CYb)의 수렴 작용을 받지 않고, 오로지 fθ 렌즈계(FT)의 수렴 작용에 의해서 치수 φy인 스폿광(SP)이 된다.

fθ 렌즈계(FT)의 정의(定義)(변형 왜곡 수차 특성)에 의해, 상고 Hy는 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft와 입사각 θ(rad, 또는 deg)와의 곱과 동일하게 되기 때문에, 도 5의 (B) 중의 정점(Oc')과 교점(Sc')을 연결하는 선분이 길이 Lcc', 정점(Oc')과 교점(Su')을 연결하는 선분이 길이 Lsu', 및 정점(Oc')과 교점(Sd')을 연결하는 선분의 길이 Lsd'는, 도 4에 나타낸 각도 θ, θα와, Lcc'=ft·θ, 및 Lsu'=Lsd'=ft·θα에 근거하여, 이하의 식 (2)와 같은 관계가 된다.

[수식 2]

각도 θ와 각도 θα에는 약간이지만 차이가 있기 때문에, tanθ／tanθα≠θ／θα이며, 식 (1), (2)로부터, Lcc/Lsu≠Lcc'/Lsu', 및 Lcc/Lsd≠Lcc'/Lsd'가 된다. 또, 도 4, 도 5의 (A)에 나타낸 입사측 접평면(Pg1) 상에서의 각도 αs는, fθ 렌즈계(FT)의 투과 전후에서 유지되기 때문에, 도 5의 (B)의 입사측 접평면(Pyb) 상에서, 정점(Oc')과 교점(Su')을 연결하는 길이 Lsu'인 선분의 선(Ys')에 대한 각도와, 정점(Oc')과 교점(Sd')을 연결하는 길이 Lsd'인 선분의 선(Ys')에 대한 각도는, 모두 각도 αs로 되어 있다. 이상에 의해, 도 5의 (A)와 같이, 입사측 접평면(Pg1) 상에서는 교점(Sc, Su, Sd)이 Z축과 평행한 직선 상에 존재하지만, 도 5의 (B)와 같이, 입사측 접평면(Pyb) 상에서는, 교점(Sc', Su', Sd')을 연결하는 선이 원호 모양으로 만곡된 것이 된다. 이와 같이 만곡하는 특성에서, 교점(Sc')과 교점(Su')(또는 Sd')과의 주주사 방향(Y방향)의 어긋남 폭을 만곡량 Dsc로 하면, 만곡량 Dsc이 사지탈 코마 수차의 크기에 대응하고, 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 빔(LB)의 Y방향의 치수 φy'는, 사지탈 코마 수차(만곡량 Dsc)가 제로이었던 경우의 치수보다도 넓어져 버린다. 그 넓어진 분(分)이 최종적으로 피주사면(Po) 상에 집광되는 스폿광(SP)의 Y방향(주주사 방향)의 치수 φy에 포함되게 되어, 스폿광(SP)의 결상 성능을 저하시키는 요인으로 되어 있다.

또, 결상 성능을 저하시키는 다른 요인으로서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)의 위치가 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)의 방향으로 변위하는 것에 의한 디포커스(핀트 어긋남) 현상이 있다. 도 6은, 도 1의 (A), 도 1의 (B) 또는 도 2의 (A), 도 2의 (B)에 나타낸 정팔면체의 폴리곤 미러(PM)가, 회전 중심축(AXp) 둘레로 각도 Δθε만큼 시계 방향으로 회전했을 때, 1개의 반사면(RPa)에서의 빔(LB)의 반사의 모습을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 6에서, 폴리곤 미러(PM)의 초기 회전 각도 위치는, 반사면(RPa)이 YZ면에 대해서 22.5°만큼 기울어진 위치로 한다. 이 때, 반사면(RPa)에 입사되는 빔(LB)의 주광선(중심 광선)(LBco)(혹은 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 광축(AXe))은, XY면내에서 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)에 대해서 45°로 설정되어 있으므로, 반사면(RPa) 상의 점(Ka)에서 반사하여, 광축(AXf)과 동축으로 진행되는 주광선(LBc)이 된다. 폴리곤 미러(PM)가 초기 회전 각도 위치로부터 각도 Δθε만큼 회전하면, 반사면(RPa)도 각도 Δθε만큼 기울어진 반사면(RPa')이 된다. 이 때, 빔(LB)의 주광선(중심 광선)(LBco)은, 반사면(RPa') 상의 점(Kb)에서 반사하고, 광축(AXf)에 대해서 2·Δθε만큼 기울어진 방향으로 편향 되는 주광선(LBc')이 된다. 점(Ka)과 점(Kb)은, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)의 방향에 관해서 다른 위치가 되기 때문에, fθ 렌즈계(FT)(혹은 제2 실린드리칼 렌즈(CYb))에서 집광되는 스폿광(SP)의 베스트 포커스 위치(빔 웨이스트 위치)가, 주주사 범위의 위치(상고 위치)에 따라 광축(AXf) 방향으로 변위하게 된다.

도 7은, 도 6 중의 반사면(RPa, RPa'), 점(Ka, Kb)을 포함하는 일부분을 확대하여 나타낸 도면이며, 반사면(RPa') 상의 점(Kb)으로부터 주광선(LBc')을 폴리곤 미러(PM) 내부로 연장된 선과, 반사면(RPa) 상의 점(Ka)으로부터 주광선(LBc)을 폴리곤 미러(PM) 내부로 연장된 선과의 교점을 점(Kc)으로 한다. 또, 점(Kb)과 점(Ka)의 사이의 길이를 LKab, 점(Kb)과 점(Kc)의 사이의 길이를 LKbc, 점(Ka)과 점(Kc)의 사이의 길이를 LKac로 한다. 주주사 방향(Y축)과 직교하는 평면(XZ면과 평행한 면) 내에서는, fθ 렌즈계(FT)에 대해서, 반사면(RPa)의 각도 위치와 반사면(RPa')의 각도 위치와의 사이에서는, 점(Kb)으로부터 점(Ka)까지의 길이 LKab와 점(Kb)으로부터 점(Kc)까지의 길이 LKbc와의 합으로부터, 점(Ka)으로부터 점(Kc)까지의 길이 LKac를 뺀 거리 ΔLK(=LKab＋LKbc-LKac)만큼, 물(物) 측 공간(폴리곤 미러(PM)) 측에서 광로차가 생기게 된다. 앞의 도 2의 (A) 또는 도 3의 (A)에서 설명한 바와 같이, XZ면과 평행한 면내(부주사 방향)에 관해서, 상면(像面)(스폿광(SP)의 결상면, 혹은 피주사면(Po))과 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)(정확하게는 도 6 또는 도 7 중의 점(Ka)의 위치)와는 공역 관계가 되도록 설정되어 있기 때문에, 그 거리 ΔLK에 기인하여, 상공간(像空間)에서의 스폿광(SP)의 광축 방향의 포커스 위치가, 폴리곤 미러(PM)의 회전 각도 위치에 따라 다르게 된다. 따라서, 폴리곤 미러(PM)의 1개의 반사면(RPa)에서 빔(LB)이 편향 주사되고 있는 동안, 피주사면(Po)에 투사되는 스폿광(SP)은, fθ 렌즈계(FT)의 상고 위치(Hy)에 따라 변화하는 포커스 오차를 따라서 결상하게 되어, 결상 성능이 저하된다. 또, 거리 ΔLK가 정(正)의 값이라면, fθ 렌즈계(FT)의 축 밖으로 진행하는 주광선(LBc')을 따른 주변의 광로 길이의 쪽이, fθ 렌즈계(FT)의 축 상으로 진행하는 주광선(LBc)을 따른 중심의 광로 길이보다도 짧게 되고, 거리 ΔLK가 부(負)의 값이라면, fθ 렌즈계(FT)의 축 밖으로 진행하는 주광선(LBc')을 따른 주변의 광로 길이의 쪽이, fθ 렌즈계(FT)의 축 상으로 진행하는 주광선(LBc)을 따른 중심의 광로 길이보다도 길게 된다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 도 1의 (A), 도 1의 (B)에 나타낸 빔 주사 장치에서, 사지탈 코마 수차 또는 포커스 오차를 저감하도록, 폴리곤 미러(PM)의 면 틸트 보정 광학계로서 기능하는 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 광학적인 모든 조건이나 배치를 설정한다. 구체적으로는, 피주사면(Po) 상에 투사되는 스폿광(SP)의 결상 성능을 저하시키는 사지탈 코마 수차 또는 포커스 오차를, 실용상에서 허용할 수 있는 범위 내로 저감시키도록, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 각 초점 거리의 범위를 설정한다. 도 8은, 앞의 도 1의 (A)에 대응하여, XZ면과 평행한 면내(부주사 방향)에서의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)로부터 피주사면(Po)까지의 광로를 모식적으로 나타낸 도면이며, fθ 렌즈계(FT)는 간략화하여 주평면(FTp)으로 나타낸다. 도 8에서는, 부주사 방향(Z방향)에 관한 상(像) 측 개구수(NA, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 열림각)를 일정하게 하도록, 실린드리칼 렌즈(CYa, CYb) 각각의 초점 거리를 다르게 한 2개의 조합을 예시한다. 제1 조합은, 상대적으로 초점 거리가 긴 실린드리칼 렌즈(CYa)와 상대적으로 초점 거리가 짧은 실린드리칼 렌즈(CYb)와의 조합이며, 제2 조합은, 파선으로 나타내는 위치에 마련된 상대적으로 초점 거리가 짧은 실린드리칼 렌즈(CYa')와 상대적으로 초점 거리가 긴 실린드리칼 렌즈(CYb')와의 조합이다. 또, 빔(LB)은 부주사 방향(Z방향)에 관해서는 일정한 굵기를 가지는 평행 광속으로서, 실린드리칼 렌즈(CYa) 또는 실린드리칼 렌즈(CYa')에 입사하는 것으로 한다.

게다가, 도 3의 (A), 도 3의 (B)에서 설명한 바와 같이, 실린드리칼 렌즈(CYa, CYb)의 조합에서의 빔(LB)의 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)은 실선으로 나타내고, 실린드리칼 렌즈(CYa', CYb')의 조합에서의 빔(LB)의 사지탈 코마 광선(PLu', PLd')은 파선으로 나타낸다. 도 8의 구성으로부터 분명한 바와 같이, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 개구수(NA)를, 실린드리칼 렌즈(CYa, CYb)의 조합과 실린드리칼 렌즈(CYa', CYb')의 조합에서 동일하게 하는 경우, 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리는 실린드리칼 렌즈(CYa')의 초점 거리보다도 길게 하고, 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리는 실린드리칼 렌즈(CYb')의 초점 거리보다도 짧게 할 필요가 있다. 또, 도 3의 (A), 도 3의 (B)에서 설명한 바와 같이, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측 접평면을 Pyb, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb')의 입사측 접평면을 Pyb'로 하고, 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 주광선(PLc), 사지탈 코마 광선(PLu, PLd)의 각 교점을 Sc', Su', Sd', 입사측 접평면(Pyb') 상에서의 주광선과 사지탈 코마 광선(PLu', PLd')의 각 교점을 Sc'', Su'', Sd''로 하면, 부주사 방향(Z방향)에 관해서, 교점(Su', Sd')의 간격은 교점(Su'', Sd'')의 간격보다도 작게 된다. 여기서, 앞의 도 5의 (B)에서 설명한 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 빔(LB)의 분포 형상에서, 도 5의 (B) 중의 교점(Sc', Su', Sd')을 통과하는 원호 모양의 곡선의 곡률 반경은, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb')와의 초점 거리의 차이와는 무관하며, 오로지 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리와 상고 Hy에 의해서 정해진다. 그 때문에, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb')의 입사측 접평면(Pyb') 상에서의 빔(LB)의 주광선(PLc)의 교점(Sc''), 및 입사측 접평면(Pyb') 상의 교점(Su'', Sd'') 각각을 통과하는 원호 모양의 곡선의 곡률 반경은, 입사측 접평면(Pyb) 상에서의 곡률 반경과 동일하게 된다.

이상으로부터, 동일한 상고 위치에서는 입사측 접평면(Pyb) 상에서도 입사측 접평면(Pyb') 상에서도, 빔(LB)의 주광선과 사지탈 코마 광선 각각의 교점 위치를 연결하는 원호 모양의 곡선의 곡률 반경이 변하지 않기 때문에, 부주사 방향(Z방향)에 관한 교점(Su', Sd')의 간격과 교점(Su'', Sd'')의 간격 중에서, 간격이 보다 작은 쪽이, 도 5의 (B)에서 설명한 사지탈 코마 수차량의 발생에 의한 치수 φy'의 증가를 억제시킬 수 있게 된다. 즉, 도 8에서, 실린드리칼 렌즈(CYa', CYb')의 조합보다도, 실린드리칼 렌즈(CYa, CYb)의 조합을 채용함과 아울러, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리는 가능한 한 길게 하고, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리는 가능한 한 짧게 함으로써, 사지탈 코마 수차를 저감할 수 있다. 또, 입사측 접평면(Pyb), 또는 입사측 접평면(Pyb') 상에서, 스폿광(SP)이 결상하는 상고 Hy가 작게 됨에 따라, 교점(Sc', Su', Sd')을 통과하는 원호 모양의 곡선의 곡률 반경, 또는 교점(Sc'', Su'', Sd'')을 통과하는 원호 모양의 곡선의 곡률 반경은 크게 되어, 상고 Hy가 제로(스폿광(SP)이 광축(AXf) 상에 위치한 상태)일 때, 교점(Sc', Su', Sd'), 또는 교점(Sc'', Su'', Sd'')은 Z축과 평행한 직선 상에 위치한다.

이상과 같이, 사지탈 코마 수차를 저감하기 위해서는, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리를 가능한 한 짧게 하는 것이 좋지만, 그 초점 거리를, 예를 들면 1mm 이하와 같이 극단적으로 짧게 하면, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 제조가 어렵게 되거나, 피주사면(Po)과 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)와의 공간적인 간섭의 문제(작동 거리의 부족)도 생기거나 한다. 또, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리를 가능한 한 짧게 하는 것은, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리를 그것에 따라서 길게 하는 것을 의미하고, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)로부터 폴리곤 미러(PM)까지의 광로가 과잉으로 길게 되어, 빔 주사 장치의 대형화를 초래하게 된다. 그래서, 이하, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리의 결정 방법의 일 예를 설명한다.

앞의 도 5의 (A)에 나타낸 바와 같이, 입사측 접평면(Pg1) 상의 정점(Oc)과 교점(Su, Sd) 각각을 연결하는 길이 Lsu, 및 Lsd의 각 선분은, 정점(Oc)과 교점(Sc)을 연결하는 길이 Lcc의 선분에 대해서 각도 αs를 가진다. 그 때문에, 앞의 도 4로부터 도출된 식 (1)의 관계로부터, 이하의 식 (3)과 같은 관계가 성립된다.

[수식 3]

게다가, 도 5의 (A)에 나타낸 입사측 접평면(Pg1) 상의 각도 αs는, 도 5의 (B)에 나타낸 바와 같이, 입사측 접평면(Pyb) 상에서도 보존되기 때문에, 도 5의 (B)의 배치 관계와 앞의 식 (2)의 관계에 근거하여, 이하의 식 (4)와 같은 관계가 성립된다.

[수식 4]

식 (3)으로부터 구해지는 각도 θα(=arctan[tanθ／cos(αs)])를 식 (4)에 대입하는 것에 의해, 만곡량 Dsc가 식 (5)과 같이 구해진다.

[수식 5]

상고 Hy=ft·θ의 관계를 이용하여 식 (5)을 다시 쓰면, 만곡량 Dsc는 이하의 식 (6)과 같이 나타내어진다.

[수식 6]

한편, 도 5의 (B)에 나타낸 바와 같이, 입사측 접평면(Pyb) 상의 교점(Su', Sd')의 Z방향(부주사 방향)의 치수 φz'는, 상고 Hy에 대한 만곡량 Dsc이 충분히 작다(즉, Hy≫Dsc)고 가정하면, 이하의 식 (7)과 같이 근사할 수 있다.

[수식 7]

또, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사측 접평면(Pyb) 상의 교점(Su', Sd')의 Z방향의 치수 φz'는, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 통과하는 빔(LB)의 부주사 방향의 동경(瞳徑)에 상당한다. 그래서, 부주사 방향에 관한 빔(LB)의 상(像) 측(피주사면(Po) 측)의 개구수를 NAs, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리를 fcb로 하면, 이하의 식 (8)의 관계가 성립된다.

[수식 8]

이 식 (8)과 앞의 식 (7)을 정리하면, 이하의 식 (9)의 관계가 된다.

[수식 9]

식 (9)은 여현(余弦)(cos) 함수로 다시 쓰면 식 (10)이 된다.

[수식 10]

여기서, (fcb·NAs/Hy)²＋1=FN로 하고, 식 (10)을 앞의 식 (6)에 대입하면, 만곡량 Dsc는 이하의 식 (11)과 같이 근사된다.

[수식 11]

피주사면(Po) 상에서의 스폿광(SP)의 결상 성능의 관점으로부터 보면, 만곡량 Dsc이 주주사 방향(Y방향)의 에어리 디스크 반경보다도 작으면, 문제 없는 레벨의 결상 성능이 보증되고 있다고 생각된다. 빔(LB)의 강도 분포가 가우스 분포, 또는 그것에 근사한 분포일 때, 빔(LB)의 파장을 λo, 주주사 방향에 관한 상(像) 측(피주사면(Po) 측)의 개구수를 NAm, 주주사 방향의 에어리 디스크의 반경을 ADm로 하면, 반경 ADm은 근사적으로 이하의 식 (12)로 나타내어진다.

[수식 12]

일 예로서, 파장 λo를 355nm, 개구수 NAm를 0.06으로 하면, 에어리 디스크 반경 ADm은 약 3.6μm가 된다. 이상으로부터, Dsc≤ADm의 조건이 되도록, 식 (11), (12)에 근거하여, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 설정하면 좋다. 본 실시 형태에서의 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb의 구체적인 예시는 나중에 설명하지만, 그 전에, 앞의 도 6, 도 7에서 설명한 디포커스 현상에 의한 결상 성능의 저하를 억제하는 것이 가능한 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb의 조건에 대해 설명한다.

도 6, 도 7에서 설명한 바와 같이, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)을 통과하는 빔(LB)(주광선(LBc))과, fθ 렌즈계(FT)의 시야의 최주변을 통과하는 빔(LB)(주광선(LBc'))과의 물(物) 측 공간(폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa, RPa') 측의 공간)에서의 광로 길이의 차이는, 도 7에서 설명한 바와 같이, 점(Kb)으로부터 점(Ka)까지의 길이 LKab와 점(Kb)으로부터 점(Kc)까지의 길이 LKbc와의 합으로부터, 점(Ka)으로부터 점(Kc)까지의 길이 LKac를 뺀 거리 ΔLK에 상당한다. 그 거리 ΔLK를 광로 길이차(물(物) 측 디포커스량) ΔDop로 하면, 도 7과 같은 기하학적인 관계로부터, 광로 길이차 ΔDop는, 폴리곤 미러(PM)의 외경, 면수(面數), fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)에 대한 빔(LB)(주광선(LBc'))의 입사 각도, 및 그 입사시의 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa') 상에서의 빔(LB)의 입사점(도 7 중의 점(Kb))의 위치에 근거하여, 용이하게 구할 수 있다. 그 물(物) 측 디포커스량 ΔDop에 의해서 상면(피주사면(Po)) 측에서 생기는 부주사 방향(Z방향)에 관한 상(像) 측 디포커스량 ΔDip은, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb에 의해서, 이하의 식 (13)으로 나타낼 수 있다.

[수식 13]

결상 성능의 관점으로부터, 상(像) 측 디포커스량 ΔDip이, fθ 렌즈계(FT)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 의한 합성 광학계의 상(像) 측의 부주사 방향에 관한 초점 심도(DOFs)보다도 작으면, 문제 없는 레벨의 결상 성능이 얻어지고 있다고 생각된다. 빔(LB)의 파장 λo와 부주사 방향에 관한 상(像) 측 개구수 NAs에 근거하여, 부주사 방향의 초점 심도 DOFs는 이하의 식 (14)로 나타내어진다.

[수식 14]

따라서, 식 (13), (14)로부터, ΔDip≤DOFs의 조건을 만족하도록 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 설정하면 좋다.

이상에서 설명한 사지탈 코마 수차의 크기에 대응하는 만곡량 Dsc를 구하는 식 (11)과, 에어리 디스크 반경 ADm을 나타내는 식 (12)에 근거하여, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 결정하는 구체적인 예를, 도 9의 그래프를 참조하여 설명한다. 도 9는, 일 예로서, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 100mm, 상고 Hy를 26mm, 주주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAm와 부주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAs를 0.06, 빔(LB)의 실제의 중심 파장 λo를 354.7nm(파장폭 60pm 이하)로 한 경우에, 식 (11)을 이용하여 계산되는 만곡량 Dsc의 특성과, 식 (12)를 이용하여 계산되는 에어리 디스크 반경 ADm의 특성을, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 변수로 하여 나타낸 그래프이며, 가로축은 초점 거리 fcb(mm)를 나타내고, 세로축은 만곡량 Dsc(μm)와 에어리 디스크 반경 ADm(μm)의 각 값을 나타낸다. 이 경우, 식 (11)에 의해 산출되는 만곡량 Dsc는, 초점 거리 fcb가 0mm일 때에 영이 되고, 초점 거리 fcb의 증가에 따라서 2차 함수적으로 증가하는 특성이 된다. 한편, 식 (12)에 의해 산출되는 에어리 디스크 반경 ADm은, 상(像) 측 개구수 NAm와 파장 λo의 각 값이 설정되어 있으므로, 약 3.6μm의 일정값이 된다. 이상의 조건의 경우, 만곡량 Dsc이 에어리 디스크 반경 ADm와 일치할 때의 초점 거리 fcb는, 약 34.2mm가 된다. 이것에 의해, 초점 거리 ft가 100mm인 fθ 렌즈계(FT)를 이용하여, 상(像) 측 개구수 NAm, NAs가 0.06인 상태에서 파장 λo가 약 355nm인 빔(LB)을 스폿광(SP)으로 수렴시키면서, 상고 26mm의 범위(최대 주사 범위 52mm)에서 스폿광(SP)을 피주사면(Po) 상에서 주사하는 빔 주사 장치에서는, 면 틸트 보정 광학계로서 마련되는 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 34.2mm 이하로 하면, 결상 특성상의 사지탈 코마 수차(만곡량 Dsc)를 문제 없을 정도로 저감시킬 수 있다.

다음으로, 앞의 도 6, 도 7에서 설명한 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 측의 디포커스 오차에 의해서 발생하는 상(像) 측 디포커스량 ΔDip의 구체적인 예를, 도 10의 그래프를 이용하여 설명한다. 도 10은, 앞의 조건과 마찬가지로 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 100mm로 하고, 물(物) 측 디포커스량(광로 길이차) ΔDop를 0.482mm로 한 경우에, 식 (13)을 이용하여 계산되는 부주사 방향에 관한 상(像) 측 디포커스량 ΔDip의 특성과, 식 (14)에서 산출되는 부주사 방향에 관한 초점 심도 DOFs의 특성을, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 변수로 하여 나타낸 그래프이며, 가로축은 초점 거리 fcb(mm)를 나타내고, 세로축은 상(像) 측 디포커스량 ΔDip(μm)의 값을 나타낸다. 이 경우, 식 (13)에 의해 산출되는 상(像) 측 디포커스량 ΔDip는, 초점 거리 fcb가 0mm일 때에 영이 되고, 초점 거리 fcb의 증가에 따라서 2차 함수적으로 증가하는 특성이 된다. 한편, 식 (14)에 의해 산출되는 초점 심도 DOFs는, 상(像) 측 개구수 NAs와 파장 λo의 각 값이 설정되어 있기 때문에, 약 98.5μm의 일정값이 된다. 이상의 조건의 경우, 상(像) 측 디포커스량 ΔDip가 초점 심도 DOFs와 일치할 때의 초점 거리 fcb는, 약 45.2mm가 된다. 이것에 의해, 초점 거리 ft가 100mm인 fθ 렌즈계(FT)를 이용하여, 상(像) 측 개구수 NAm, NAs가 0.06인 상태에서 파장 λo가 약 355nm인 빔(LB)을 스폿광(SP)으로 수렴 시키면서, 상고 26mm의 범위(최대 주사 범위 52mm)에서 스폿광(SP)을 피주사면(Po) 상에서 주사하는 빔 주사 장치에서, 물(物) 측 디포커스량(광로 길이차) ΔDop가 0.482mm가 되는 경우에는, 면 틸트 보정 광학계로서 마련되는 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 45.2mm 이하로 하면, 결상 특성 상의 디포커스 오차 ΔDip를 문제 없을 정도로 저감시킬 수 있다.

이상의 도 9에 나타낸 만곡량 Dsc(사지탈 코마 수차)의 특성과, 도 10에 나타낸 디포커스 오차 ΔDip의 특성 양쪽 모두를 감안하여, 빔(LB)의 중심 파장 λo를 354.7nm(파장폭 60pm 이하), fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 100mm, 상(像) 측 개구수 NAm, NAs를 0.06, 상고 Hy의 최대값을 26mm, 물(物) 측 디포커스량(광로 길이차) ΔDop를 0.482mm로 했을 때, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를, 일 예로서 15mm로 한 경우의 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 전체의 광학 구성을 도 11, 도 12의 (A), 도 12의 (B)에 나타낸다. 도 11은, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 구체적인 광학 구성을 XY면내(주주사 방향의 면내)에서 전개하여 본 도면이며, 도 12는, 도 11의 빔 주사 장치의 광학 구성을 XZ면내(부주사 방향의 면내)에서 본 도면이다. 여기서, 도 12의 (A)는 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)까지의 광학 구성을 나타내고, 도 12의 (B)는 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)으로부터 피주사면(묘화 대상체의 표면)(Po)까지의 광학 구성을 나타낸다. 또, 도 13은, 도 11, 도 12의 (A), 도 12의 (B)에 나타낸 광학 구성의 각 광학 부품(렌즈, 반사면)의 배치 관계와 수치 조건의 일 예를 나타내는 데이터표이며, 렌즈의 초재(硝材)는 빔(LB)의 파장에 대해서 높은 투과율을 가지는 석영으로 한다. 또, 도 13의 데이터표 중에서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 전후에서, 렌즈의 면 간격과 곡률 반경의 부호의 정부(正負)는 반전하여 나타내고 있다.

도 11, 도 12의 (A), 도 12의 (B)에서, 미도시의 광원 장치로부터 사출되어 묘화 데이터에 응답하여 강도 변조(온/오프)된 빔(LB)은, 확대 배율이 24배인 빔 익스팬더계(BEO)에 입사된다. 빔 익스팬더계(BEO)에 입사되는 빔(LB)은, 파장 354.7nm인 단색광이며, 광축(AXe)으로부터 0.25mm의 위치에서의 강도가 피크 강도의 1/e²(실효적인 빔 직경이 0.5mm)이 되는 비편광의 가우스 분포, 또는 그 근사 분포를 가지는 평행 광속으로 한다. 빔 익스팬더계(BEO)는, 광축(AXe)을 따라서 배치되는 5매의 구면 렌즈(L1~L5)로 구성되고, 입사된 빔(LB)을 실효적인 직경이 12mm(1/e²강도)인 평행 광속이 되도록 확대시킨다. 빔 익스팬더계(BEO)의 최초의 2매의 볼록 렌즈(L1, L2)에 의해서, 빔(LB)은 볼록 렌즈(L2) 직후의 초점면(Po')에서 빔 웨이스트가 되도록 집광된 후, 발산하여 오목 렌즈(L3)에 입사되고, 또 메니스커스(meniscus) 모양의 렌즈(L4)와 볼록 렌즈(L5)를 통과하여 확대된 평행 광속이 되어 개구 조리개(AP)에 이른다. 개구 조리개(AP)의 원형의 개구 지름은 fθ 렌즈계(FT)의 동경(瞳徑)과 동일하게 하는 것이 바람직하기 때문에, 상(像) 측 개구수 NAm, NAs를 0.06, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 100mm로 한 경우, 개구 조리개(AP)의 개구 지름(직경) φap는 12mm로 설정된다. 빔 익스팬더계(BEO)로부터 사출되는 빔(LB)의 강도 분포의 직경은, 저변 부분의 강도가 1/e²가 되는 직경이 12mm가 되도록 설정되고, 강도가 1/e₂ 이하가 되는 저변 부분의 광 분포는 개구 조리개(AP)에 의해서 차폐된다. 이 때, 개구 조리개(AP)에 의해서 차폐되는 광량 손실의 비율은 약 13.5%가 된다.

또, 본 실시 형태에서는, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 주주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAm와 부주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAs를 동일하게 하므로, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 면 틸트 보정 광학계로서 구성되는 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)(초점 거리 fca), 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)(초점 거리 fcb), 및 fθ 렌즈계(FT)(초점 거리 ft)는, 이하의 식 (15)의 관계에 의해 설정된다. 게다가, 빔(LB)의 상(像) 측 개구수를 NA(=NAm=NAs)로 했을 때, 개구 조리개(AP)의 원형의 개구(직경) φap는, 이하의 식 (16)의 관계가 되도록 설정된다.

[수식 15]

개구 조리개(AP)의 후방의 10mm의 위치에는, 부주사 방향으로만 굴절력(파워)을 가지고, 식 (15)의 관계에 근거하여 초점 거리 fca가 666.7mm로 설정된 단일(단판)의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)가 마련되고, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 후측 초점의 위치에는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)이 배치된다. 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 입사면과 출사면은, 주주사 방향에 대해서는 곡률 반경이 ∞이고, 부주사 방향에 대해서는, 각각 유한의 곡률 반경을 가지도록 구성된다. 그것에 의해서, 개구 조리개(AP)의 원형 개구를 평행 광속이 되어 투과된 빔(LB)은, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에서 부주사 방향의 면내(도 11, 도 12의 (B)의 XZ면내)에서는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상에 집광되고, 주주사 방향의 면내(도 11, 도 12의 (B)의 XY면내)에서는 평행 광속 그대로 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상에 입사된다. 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)은, 폴리곤 미러(PM)의 회전 중의 반사면(RPa)의 각도에 따른 각도로, 5매의 구면 렌즈(G1~G5)로 이루어지는 텔레센트릭한 fθ 렌즈계(FT)에 입사된다. 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)은, fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점의 위치에 설정된다.

본 실시 형태에서는, 빔 익스팬더계(BEO), 개구 조리개(AP), 및 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 의한 폴리곤 미러(PM)의 직전의 광학계의 광축(AXe)과, fθ 렌즈계(FT)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 의한 폴리곤 미러(PM)의 후방의 광학계의 광축(AXf)은, 도 11에 나타내는 바와 같이, 주주사 방향의 면내(XY면내)에서 π／4rad(45°)로 교차하도록 설정되어 있다. 또, 본 실시 형태의 폴리곤 미러(PM)의 형상은, 내접원의 직경이 50.813mm인 정팔각형이며, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)의 주광선(중심 광선)이 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)과 동축이 된 상태('동축 상태'라고 함)로부터, 폴리곤 미러(PM)가 0.13rad(=0.13×180°／π≒7.448°)만큼 회전하여 반사면(RPa)도 0.13rad만큼 기울어지면, 빔(LB)의 주광선(중심 광선)이 fθ 렌즈계(FT)의 최대 상고 Hymax의 위치를 통과하도록 편향되도록 설정되어 있다. 따라서, fθ 렌즈계(FT)의 최대 상고 Hymax의 위치에 스폿광(SP)이 투사될 때의 빔(LB)의 fθ 렌즈계(FT)로의 입사각(광축(AXf)에 대한 빔(LB)의 주광선의 기울기각)은, 0.26rad(≒14.696°)이 된다. 즉, fθ 렌즈계(FT)의 최대 상고 ＋Hymax의 위치로부터 최대 상고 -Hymax의 위치까지 스폿광(SP)을 주사하기 위한 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 각도 범위(폴리곤 미러(PM)의 회전 각도 범위)는, 동축 상태가 되는 각도 위치를 0rad로 했을 때, ＋0.13rad로부터 -0.13rad의 범위가 된다. 또, 동축 상태가 되는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 각도 위치(0rad)는, 주주사 방향의 면내에서의 광축(AXe)과 광축(AXf)과의 교차 각도가 45°이므로, 반사면(RPa)의 법선이 광축(AXe)과 광축(AXf) 각각에 대해서 22.5°(=π／8rad)가 될 때이다.

폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)은, fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점 위치에 배치되어 있기 때문에, 반사면(RPa)에서 반사한 빔(LB)은, fθ 렌즈계(FT)를 투과한 직후에, 주주사 방향의 면내에서는 상면(像面)(피주사면(Po))에 대해서 텔레센트릭한 수렴광(NAm=0.06)이 되고, 부주사 방향의 면내에서는 평행광으로 변환된다. 또, 폴리곤 미러(PM)(반사면(RPa))가 동축 상태가 되는 각도 위치(0rad)를 사이에 두고 ＋0.13rad로부터 -0.13rad의 각도 범위에서 회전하는 동안, 반사면(RPa)에 조사되는 빔(LB)의 조사 영역은 반사면(RPa) 상을 주주사 방향으로 이동한다. 그 이동에 따른 조사 영역의 조사 범위의 주주사 방향의 중심과, 반사면(RPa)의 주주사 방향의 치수 범위의 중심을 거의 일치시키기 위해, 본 실시 형태에서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)이 동축 상태가 되는 각도 위치(0rad)일 때에 반사면(RPa)에 조사되는 빔(LB)의 주광선(중심 광선)을, 반사면(RPa)의 주주사 방향의 치수 범위의 중심에 대해, 반사면(RPa)을 따른 방향으로 약 0.45mm만큼 비켜놓도록, 도 13의 데이터표 중에 주석한 것과 같이 폴리곤 미러(PM)가 배치되어 있다. 또, 도 13의 데이터표 중에서 주석한, 광축 방향으로 -25.4065mm의 오프셋은, 폴리곤 미러(PM)의 내접원의 직경 50.813mm의 절반의 반경에 상당하고, 폴리곤 미러(PM)의 회전 중심축(AXp)과 반사면(RPa)이 반사면(RPa)의 법선 방향으로 -25.4065mm만큼 오프셋되어 있는 것을 의미한다.

fθ 렌즈계(FT)는, 도 1, 도 11~도 13에 나타내는 바와 같이 소정의 공기 간격을 사이에 두고 배치되는 5매의 렌즈(G1~G5)로 구성되지만, 폴리곤 미러(PM) 측(물(物) 측)으로부터 보았을 때, 렌즈(G1)는 물(物) 측으로 볼록한 메니스커스 모양의 부(負)렌즈, 렌즈(G2)는 물(物) 측으로 오목한 메니스커스 모양의 부(負)렌즈, 렌즈(G3)는 물(物) 측으로 오목한 메니스커스 모양의 정(正)렌즈, 렌즈(G4)는 양쪽이 볼록한 정(正)렌즈, 그리고 렌즈(G5)는 물(物) 측으로 볼록한 메니스커스 모양의 정(正)렌즈로 구성된다. 또, 도 11에 나타내는 바와 같이 주주사 방향을 포함하는 면내(도 11의 XY면내)에서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사되어 입사되어 오는 빔(LB)(평행 상태)은, 렌즈(G1, G2)에 의해서 약간 발산 상태가 되고, 렌즈(G4)의 입사면의 부근에서 가장 빔 폭이 넓어진 상태가 된 후, 렌즈(G4, G5)의 정(正)의 굴절력에 의해 수렴 상태가 되어, 피주사면(Po)의 위치에서 스폿광(SP)(빔 웨이스트)이 되도록 집광된다. 또, 렌즈(G1~G5) 각각의 입사면과 출사면은 모두 구면이지만, 수차 특성을 보다 양호하게 하기 위해, 특정의 렌즈의 입사면 또는 출사면을 비구면으로 해도 괜찮다.

fθ 렌즈계(FT)를 투과한 빔(LB)은, 부주사 방향으로만 굴절력(파워)을 가지는 초점 거리 fcb가 15mm인 단일(단판)의 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 입사하고, 부주사 방향의 면내에서 상면(피주사면(Po))에 대해서 텔레센트릭한 수렴광(NAs=0.06)으로 변환된다. 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 입사면과 출사면은, 주주사 방향에 대해서는 곡률 반경이 ∞이고, 부주사 방향에 대해서는 각각 유한의 곡률 반경을 가지도록 구성된다. 따라서 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)는 주주사 방향에 관해서는 단순한 평행 평판(굴절력이 제로)으로서 기능하고, 빔(LB)은 주주사 방향에 관해서 오로지 fθ 렌즈계(FT)의 집광 작용(굴절력)에 의해서, 텔레센트릭한 수렴광(NAm=0.06)으로 변환된다. 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 위치는, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 투과한 후의 빔(LB)의 주주사 방향의 집광 위치와 부주사 방향의 집광 위치가 일치하는 위치에 설정되고, 그 집광 위치가 상면(피주사면(Po))이 된다.

이상과 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리 fca를 666.7mm, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 15mm, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 100mm, 중심 파장 λo가 354.7nm인 빔(LB)(스폿광(SP))의 피주사면(Po) 상에서의 개구수 NAm, NAs를 0.06, 그리고 최대 상고 Hymax를 26mm로 한 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치(도 11~도 13)에서는, 상고 Hy의 범위에 걸쳐 사지탈 코마 수차가 실용상에서 문제가 되지 않을 정도로 저감되어 있다. 도 14는, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치에서의 사지탈 코마 수차 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이며, 도 14의 (A)는 주주사 방향에서의 사지탈 코마 수차 특성을 나타내고, 도 14의 (B)는 부주사 방향에서의 사지탈 코마 수차 특성을 나타낸다. 도 14의 (A), 도 14의 (B) 모두에서도, 가로축은 상고 Hy를 나타내고, 세로축은 사지탈 코마 수차량(계산값)을 나타낸다. 시뮬레이션에 의하면, 사지탈 코마 수차량은 상고 Hy의 전범위(0~±26mm)에 걸쳐, 주주사 방향과 부주사 방향 각각에서 약 0.7μm 이하로 억제되어 있다. 특히, 상고 Hy가 최대 상고 Hymax(26mm)에 가까워짐에 따라서, 사지탈 코마 수차량이 스폿광(SP)의 이론상(설계상)의 직경의 값 이상으로 증대되는 경향은 보이지 않는다.

도 15는, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치(도 11~도 13)에 의해서 피주사면(Po) 상에 집광되는 빔(LB) 내의 다수의 광선을 추적하는 시뮬레이션에 의해 구한 스폿 다이어그램을 나타낸다. 도 15의 (A)는, 상고 Hy=0mm(fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)의 위치)에서의 스폿 다이어그램(SDGa)을 나타내고, 도 15의 (B)는, 상고 Hy=26mm(최대 상고 Hymax의 위치)에서의 스폿 다이어그램(SDGb)을 나타내고, 모든 다이어그램(SDGa, SDGb)의 주위의 원형은, 에어리 디스크와 동일한 크기(반경 ADm≒3.6μm, 직경 7.2μm)의 영역을 나타낸다. 또, 도 15의 (A), 도 15의 (B)에서, 지면 내의 상하 방향이 주주사 방향이며, 좌우 방향이 부주사 방향이다. 이와 같이, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치(도 11~도 13)에 의하면, 스폿 다이어그램(SDGa, SDGb) 각각의 퍼짐폭은, 모두 설계상의 에어리 디스크의 반경 ADm(≒3.6μm)과 대체로 동일하게 되어 있고, 상고 Hy가 0mm인 중심 위치와 상고 Hy가 26mm인 최주변 위치에서, 스폿광(SP)의 결상 성능에 의미 있는 차이가 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 피주사면(Po)에 배치되는 감광 기판 상에 묘화할 수 있는 패턴의 해상도(미세도)가 중심 위치와 최주변 위치에서 동일하게 되고, 주주사 방향의 전역에서 균일한 해상도를 확보할 수 있다.

게다가, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치(도 11~도 13)에 의해서 피주사면(Po) 상에 집광되는 빔(LB)의 포커스 MTF(전달 함수, 콘트라스트) 특성을, 도 16에 나타낸다. 도 16의 (A)는, 상고 Hy=0mm(fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)의 위치)에서의 빔(LB)의 포커스 MTF 특성(125cycles/mm)을 나타내고, 도 16의 (B)는, 상고 Hy=26mm(최대 상고 Hymax의 위치)에서의 빔(LB)의 포커스 MTF 특성(125cycles/mm)을 나타내며, 모든 도면은 세로축을 콘트라스트값(0~1.0), 가로축을 디포커스 위치(μm)로 한다. 게다가, 도 16의 (A), 도 16의 (B)에서의 실선의 포커스 MTF 곡선은 주주사 방향에 관한 특성을 나타내고, 파선의 포커스 MTF 곡선은 부주사 방향에 의한 특성을 나타낸다. 도 16의 (A), 도 16의 (B)와 같이, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치(도 11~도 13)에 의하면, 주주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(실선)과 부주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(파선)과의 형상은, 상고 Hy가 0mm인 중심 위치와 상고 Hy가 Hymax(26mm)인 최주변 위치에서 거의 차이가 없고, 또한 콘트라스트상의 피크값도 거의 일치하고 있다. 또, 도 16의 (B)와 같이, 상고 Hy가 Hymax(26mm)인 최주변 위치에서는, 주주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(실선)이 피크값이 되는 디포커스 위치와, 부주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(파선)이 피크값이 되는 디포커스 위치에 약간 차이가 생기지만, 실용상은 문제 없는 범위이다. 이상과 같이, 본 실시 형태에 의한 빔 주사 장치(도 11~도 13)에 의하면, 포커스 MTF 특성상으로부터도, 상고 Hy가 Hymax(26mm)인 최주변 위치에서의 수차가 충분히 저감되어 있는 것을 알 수 있다.

도 16의 (A)에 나타낸 중심 위치 부근에서의 포커스 MTF 곡선(실선 및 파선)의 형상과, 도 16의 (B)에 나타낸 주변 위치 부근에서의 포커스 MTF 곡선(실선 및 파선)의 형상이 일치하고 있는 것은, 도 9, 도 14의 (A), 도 14의 (B)에서 설명한 바와 같이, 사지탈 코마 수차가 충분히 작게 억제되었기 때문이다. 게다가, 주주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(실선)이 피크가 되는 디포커스 위치와, 부주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(파선)이 피크가 되는 디포커스 위치가 거의 일치하고 있는 것은, 도 10에서 설명한 바와 같이, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 작게 함으로써, 상(像) 측 디포커스량 ΔDip를 초점 심도 DOFs에 대해서 충분히 작게 억제할 수 있었기 때문이다.

(비교예의 구성과 광학 성능)

이상, 본 실시 형태에 의하면, 폴리곤 미러(PM)와 fθ 렌즈계(FT)(주사용 광학계)를 이용한 빔 주사 장치의 면 틸트 보정 광학계(실린드리칼 렌즈(CYa, CYb))에서, 실용성이 있는 작동 거리를 유지하면서, 피주사면(Po)(상면) 상에 투사되는 스폿광(SP)의 주주사 방향에 관한 사지탈 코마 수차(도 9에서 설명한 만곡량 Dsc에 대응)와, 피주사면(Po)(상면)에서의 상고 Hy마다의 포커스 오차(도 10에서 설명한 상(像) 측 디포커스량 ΔDip에 대응)를, 실용상에서 문제가 되지 않을 정도로 저감하기 위한 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb의 적절한 범위를 정할 수 있다. 그래서, 비교를 위해, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 제1 실시 형태에서 설정한 15mm보다도 큰 75mm로 한 경우의 비교예를, 도 17의 (A)~도 17의 (C), 도 18을 참조하여 설명한다.

제1 실시 형태와 마찬가지로, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 주주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAm와, 부주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAs를 동일하게 설정하는 경우, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리 fca, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft는, 앞의 식 (15)의 관계에 의해 설정되므로, 비교예의 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 제1 실시 형태와 마찬가지로 100mm로 하면, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb=75mm에 대응하여, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리 fca는 133.3mm가 된다.

도 17의 (A)~도 17의 (C)는 비교예에 의한 빔 주사 장치의 전체의 광학 구성을 나타내고, 도 18은 비교예의 광학 구성에서의 각 광학 부품(렌즈, 반사면)의 배치 관계와 수치 조건의 일 예를 나타내는 렌즈 데이터표이지만, 앞의 도 13과 마찬가지로, 데이터표 중에서 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 전후에서, 렌즈의 면 간격과 곡률 반경의 부호의 정부(正負)를 반전하여 나타내고 있다. 도 17에서, 개구 조리개(AP)의 직전에는, 도 11, 도 12의 (A), 도 12의 (B)와 동일 구성의 빔 익스팬더계(BEO)가 마련되어 있지만, 여기에서는 빔 익스팬더계(BEO)의 도시를 생략하고, 개구 조리개(AP) 이후의 광학 배치를 나타낸다. 또, 도 17의 (A)는, 비교예의 빔 주사 장치의 개구 조리개(AP)로부터 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)까지의 광학 구성을 XZ면내(부주사 방향의 면내)에서 전개하여 본 도면이고, 도 17의 (B)는, 비교예의 빔 주사 장치의 개구 조리개(AP)로부터 피주사면(Po)까지의 광학 구성을 XY면내(주주사 방향의 면내)에서 전개하여 본 도면이며, 도 17의 (C)는 비교예의 빔 주사 장치의 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)으로부터 피주사면(Po)까지의 구체적인 광학 구성을 부주사 방향의 면내에서 본 도면이다. 본 비교예에서는, 도 18의 데이터표로부터 분명한 바와 같이, 빔 익스팬더계(BEO)의 렌즈 구성(L1~L5), 개구 조리개(AP)(개구 지름 12mm), 폴리곤 미러(PM), 및 fθ 렌즈계(FT)의 렌즈 구성(G1~G5)은, 일부의 면 간격만이 다르고 기본적으로 제1 실시 형태(도 13)와 동일하다.

게다가, 비교예의 빔 주사 장치에서의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)는, 합성의 초점 거리 fca가 133.3mm가 되도록 조합된 2매의 석영제의 실린드리칼 렌즈(GA1, GA2)로 구성되고, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)는, 합성의 초점 거리 fcb가 75mm가 되도록 조합된 2매의 석영제의 실린드리칼 렌즈(GB1, GB2)로 구성된다. 실린드리칼 렌즈(GA1, GA2, GB1, GB2) 각각은, 주주사 방향에 관해서는 곡률 반경이 ∞인 평행 평판으로서 구성되고, 부주사 방향에 관해서는 빔(LB)의 입사면과 출사면 각각이 유한의 곡률 반경(볼록면 또는 오목면)이 되도록 구성된다. 이와 같이 실린드리칼 렌즈(CYa, CYb)의 각 초점 거리 fca, fcb를 제1 실시 형태의 경우와 다르게 한 것에 의해, 도 18에 나타내는 바와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과의 면 간격은, 661.15mm로부터 126.623mm로 변경되고, fθ 렌즈계(FT)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)와의 면 간격은 82.254mm로부터 21.066mm로 변경되고, 또 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)와 피주사면(Po)과의 면 간격은 11.3751mm로부터 67.8326mm로 변경된다.

본 비교예의 경우, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 75mm(34.2mm 이상)으로 하기 때문에, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)가 fθ 렌즈계(FT)에 가까워진 배치가 되므로, fθ 렌즈계(FT)의 경통(鏡筒)의 선단부에서 제2 실린드리칼 렌즈(CYb(GB1, GB2))를 일체적으로 지지하면서, 작동 거리(워킹 디스턴스)를 67mm로 크게 할 수 있다. 그렇지만, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 75mm로 하면, 식 (11)에서 나타내어지는 만곡량 Dsc와 식 (12)에서 나타내어지는 에어리 디스크 반경 ADm과의 관계가, 앞의 도 9에 나타낸 바와 같이 Dsc＞ADm의 범위가 되기 때문에, 사지탈 코마 수차가 악화되게 된다. 게다가, 앞의 도 10에서 설명한 바와 같이, 결상 특성상의 상(像) 측 디포커스 오차 ΔDip를 문제 없을 정도로 저감시키기 위한 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb는 45.2mm 이하이지만, 본 비교예에서는 초점 거리 fcb가 75mm이기 때문에, 상(像) 측 디포커스 오차 ΔDip가 초점 심도 DOFs 이상으로 악화되게 된다.

이상과 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리 fca를 133.3mm, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 75mm, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 ft를 100mm, 중심 파장 λo가 354.7nm(파장폭 60pm 이하)의 빔(LB)(스폿광(SP))의 상(像) 측 개구수 NAm, NAs를 0.06, 그리고 최대 상고 Hymax를 26mm로 한 비교예에 의한 빔 주사 장치(도 17의 (A)~도 17의 (C), 도 18)에서는, 시뮬레이션의 결과, 도 19의 (A), 도 19의 (B)와 같은 사지탈 코마 수차 특성이 되는 것이 판명되었다. 도 19의 (A), 도 19의 (B)는, 앞의 도 14와 마찬가지로 시뮬레이션된 사지탈 코마 수차 특성의 그래프이며, 가로축은 상고 Hy를 나타내고, 세로축은 사지탈 코마 수차량(계산값)을 나타낸다. 도 19의 (A)는 비교예에서의 주주사 방향에서의 사지탈 코마 수차 특성을 나타내고, 도 19의 (B)는 비교예에서의 부주사 방향에서의 사지탈 코마 수차 특성을 나타낸다. 주주사 방향과 부주사 방향 쌍방에서, 사지탈 코마 수차량은 상고 Hy에 따라 단조(單調)로 증가하고, 최대 상고 Hymax(26mm)의 위치에서의 사지탈 코마 수차량은, 주주사 방향과 부주사 방향 각각에서 20μm 정도로 현저하게 큰 값으로 되어 있다. 이것은, 주주사 방향에 관해서는, 앞의 도 5에서 설명한 만곡량 Dsc이 에어리 디스크 반경 ADm보다도 크고, 부주사 방향에 관해서는 상(像) 측 디포커스 오차 ΔDip가 초점 심도 DOFs보다도 큰 것에 기인하고 있다. 이상의 도 19의 비교예에서의 사지탈 코마 수차 특성과 비교하면, 도 14에 나타낸 제1 실시 형태에서의 빔 주사 장치에서의 사지탈 코마 수차 특성은 1/20 이하로 보정되어 있어, 매우 양호한 수차 특성으로 되어 있다.

도 20은, 본 비교예에 의한 빔 주사 장치(도 17의 (A)~도 17의 (C), 도 18)에 의해서 피주사면(Po) 상에 집광되는 빔(LB) 내의 다수의 광선을 추적하는 시뮬레이션에 의해 구한 스폿 다이어그램을 나타낸다. 도 20의 (A)는, 상고 Hy=0mm(fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)의 위치)에서의 스폿 다이어그램(SDGa')을 나타내고, 도 20의 (B)는, 상고 Hy=26mm(최대 상고 Hymax의 위치)에서의 스폿 다이어그램(SDGb')을 나타내며, 모든 다이어그램(SDGa', SDGb')과 합쳐 표기한 원형은, 에어리 디스크와 동일한 크기(반경 ADm≒3.6μm, 직경 7.2μm)의 영역을 나타낸다. 또, 도 20의 (A), 도 20의 (B)에서, 지면 내의 상하 방향이 주주사 방향이며, 좌우 방향이 부주사 방향이다. 이와 같이, 비교예에 의한 빔 주사 장치(도 17의 (A)~도 17의 (C), 도 18)에서는, 상고 Hy=0mm의 위치에서의 스폿 다이어그램(SDGa')의 퍼짐폭은, 에어리 디스크의 직경(반경 ADm≒3.6μm) 내에 들어가지만, 상고 Hy=26mm의 최주변 위치에서의 스폿 다이어그램(SDGb')의 퍼짐폭은, 에어리 디스크(직경≒7.2μm)로부터 크게 일탈하고 있고, 특히 부주사 방향으로는 에어리 디스크의 직경의 10배 이상으로 퍼져 분포하고 있다. 따라서, 비교예에 의한 빔 주사 장치에서는, 상고 Hy가 0mm인 중심 위치와 상고 Hy가 26mm인 최주변 위치에서, 스폿광(SP)의 결상 성능이 크게 다르게 되고, 피주사면(Po)에 배치되는 감광 기판 상에 묘화할 수 있는 패턴의 해상도(미세도)가, 중심 위치와 최주변 위치에서 크게 다르게 된다.

게다가, 본 비교예에 의한 빔 주사 장치(도 17의 (A)~도 17의 (C), 도 18)에 의해서 피주사면(Po) 상에 집광되는 빔(LB)의 포커스 MTF(전달 함수, 콘트라스트) 특성을, 앞의 도 16의 (A), 도 16의 (B)와 동일한 시뮬레이션에 의해 구한 그래프를 도 21에 나타낸다. 도 21의 (A)는, 상고 Hy=0mm(fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)의 위치)에서의 빔(LB)의 포커스 MTF 특성(125cycles/mm)을 나타내고, 도 21의 (B)는, 상고 Hy=26mm(최대 상고 Hymax의 위치)에서의 빔(LB)의 포커스 MTF 특성(125cycles/mm)을 나타내고, 모든 도면은 세로축을 콘트라스트값(0~1.0), 가로축을 디포커스 위치(μm)로 한다. 게다가, 도 21의 (A), 도 21의 (B)에서의 실선의 포커스 MTF 곡선은 주주사 방향에 관한 특성을 나타내고, 파선의 포커스 MTF 곡선은 부주사 방향에 관한 특성을 나타낸다.

도 21의 (A)와 같이, 본 비교예에 의한 빔 주사 장치에서는, 상고 Hy=0mm의 중심 위치에서의 주주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(실선)의 형상과, 부주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(파선)의 형상은 대체로 일치하고 있고, 그 피크값이나 피크 위치도 거의 일치하고 있다. 그렇지만, 도 21의 (B)와 같이, 상고 Hy가 Hymax(26mm)인 최주변 위치에서는, 주주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(실선)의 형상과, 부주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(파선)의 형상은 크게 다르고, 주주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(실선) 상에는, 낮은 콘트라스트값이면서 피크가 되는 포커스 위치가 나타내어지지만, 부주사 방향에 관한 포커스 MTF 곡선(파선) 상에는, 디포커스 위치의 범위 ±160μm 내에서 명료한 피크가 나타내어지지 않았다. 이상으로부터도, 비교예에 의한 빔 주사 장치에서는, 상고 Hy=26mm인 최주변 위치에서의 스폿광(SP)의 결상 성능이 현저하게 열화되어 있는 것을 알 수 있다.

(제2 실시 형태)

폴리곤 미러(PM)의 전방에 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 마련하고, fθ 렌즈계(FT)의 후방에 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 마련한 면 틸트 보정 광학계에서는, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 주주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAm와 부주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAs를 동일하게 설정하는 경우, 앞의 식 (15)에서 설명한 바와 같이, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 짧게 하면, 그것에 반비례하여 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리 fca를 길게 할 필요가 있다. 그 때문에, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 위치와 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 위치와의 광축(AXe)(도 11, 도 12의 (A), 도 12의 (B) 참조)을 따른 방향의 간격이 넓어져 버려, 광학계의 전체 길이(광로 길이)가 길어진다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 단판으로 구성하는 경우, 그 초점 거리 fca를 길게 하는 것은, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 입사면이나 출사면의 곡률 반경을 크게 하는 것을 의미하고, 가공상의 난이도가 높아진다. 그래서, 도 17의 (A)~도 17의 (C)에 나타낸 비교예와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 2매의 실린드리칼 렌즈(GA1, GA2)를 조합시켜 구성하고, 실린드리칼 렌즈(GA1, GA2) 각각의 입사면이나 출사면의 곡률 반경은 가공이 용이한 범위로 하여, 합성의 초점 거리 fca를 길게 설정하는 것도 가능하다. 그렇지만, 그 경우, 2매의 실린드리칼 렌즈(GA1, GA2)의 상호의 배치 오차(모선(母線) 사이의 평행도 오차나 부주사 방향에 관한 위치 오차 등)가 매우 작게 되도록 조정하는 작업이 필요하다. 그 때문에, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)(및 제2 실린드리칼 렌즈(CYb))는, 가능한 한 단판으로 구성하는 것이 바람직하다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 단판의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)로부터 폴리곤 미러(PM)까지의 광학계의 길이를 짧게 하면서, 아울러 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 구면 수차를 저감하기 위해, 도 22의 (A), 도 22의 (B)에 나타내는 바와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 폴리곤 미러(PM)(반사면(RPa))와의 사이에 소정의 배율을 가지는 구면 렌즈계(결상계)(FLG)를 마련한다. 도 22의 (A)는, 제2 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 빔 익스팬더계(BEO)로부터 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)까지의 광학 구성을, 부주사 방향의 면내(XZ면내)에서 본 도면이고, 도 22의 (B)는, 제2 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 빔 익스팬더계(BEO)로부터 피주사면(Po)까지의 광학 구성을, 주주사 방향의 면내(XY면내)에서 본 도면이다. 도 22의 (A)는, 앞의 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 광학 구성으로서 나타낸 도 12의 (A)에 대응하고, 도 22의 (B)는 제1 실시 형태에 의한 빔 주사 장치의 광학 구성으로서 나타낸 도 11에 대응한 것이다. 또, 도 23은, 도 22의 (A), 도 22의 (B)의 빔 주사 장치를 구성하는 각 광학 부재의 곡률 반경, 면 간격 등의 데이터예를 나타내는 표이며, 이 중, fθ 렌즈계(FT)의 구성은, 앞의 도 13(또는 도 18)의 데이터표에 나타낸 것과 동일하므로, 개개의 렌즈(G1~G5)의 수치 데이터는 생략되어 있다.

도 22의 (A), 도 22의 (B)에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태의 빔 익스팬더계(BEO)는, 입사되는 빔(LB)(실효적인 직경이 0.5mm 정도의 평행 광속)을 4매의 렌즈(L6~L9)에 의해서 약 7배의 직경으로 확대한 평행 광속으로 변환시킨다. 빔 익스팬더계(BEO)의 최초의 2매의 렌즈(L6, L7)에 의해서, 입사된 빔(LB)은 발산 광속이 되고, 그 후의 2매의 렌즈(L8, L9)에 의해서, 발산된 빔(LB)은 단면 내에서의 강도 분포의 실효적인 직경(예를 들면 피크값에 대해서 1/e²의 강도, 또는 50%의 강도가 되는 원)이 약 3.5mm가 되는 평행 광속으로 변환되어 개구 조리개(AP)에 이른다. 개구 조리개(AP)는 직경이 3.5mm인 원형의 개구를 가지고, 빔 익스팬더계(BEO)의 마지막 렌즈(L9)로부터 면 간격이 25mm가 되는 위치에 배치되어, 강도가 1/e²이하가 되는 빔(LB)의 저변 부분의 광 분포를 차폐한다. 개구 조리개(AP)를 투과한 빔(LB)(실효적인 직경이 3.5mm인 평행 광속)은, 광축(AXe)을 따라서 약 114.3mm 떨어진 위치에 배치된 초점 거리 fca가 58mm인 평볼록 모양의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사된다. 앞의 제1 실시 형태 또는 비교예에서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 모선 방향(굴절력이 제로의 방향)을 주주사 방향(Y방향)으로 설정했지만, 본 실시 형태에서는, 그 방위를 광축(AXe) 둘레로 90도 회전시켜 부주사 방향(Z방향)으로 설정한다. 이것은, 그 후의 구면 렌즈계(FLG)에 의해서 빔(LB)의 수렴 방위가 광축(AXe)의 둘레로 90도 더 회전하기 때문이다.

따라서, 도 22의 (B)에 나타내는 바와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 투과한 빔(LB)은, 주주사 방향의 면내(XY면내)에서 보면, 후측 초점 거리(58mm)의 위치의 면(CPo)에서 집광된 후, 발산하여 후단의 구면 렌즈계(FLG)에 입사된다. 한편, 도 22의 (A)에 나타내는 바와 같이 부주사 방향의 면내(XZ면내)에서 보면, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 투과한 빔(LB)은 평행 광속인 상태로 후단의 구면 렌즈계(FLG)에 입사된다. 그 때문에, 면(CPo)에서, 빔(LB)은 주주사 방향(Y방향)의 폭이 매우 작고, 부주사 방향(Z방향)으로 약 3.5mm의 길이로 연장된 슬릿 모양의 강도 분포가 된다. 구면 렌즈계(FLG)는, 메니스커스 모양의 렌즈(L10)와 평볼록 모양의 렌즈(L11) 2매를 광축(AXe)을 따라서 약 193.2mm의 면 간격으로 배치하여 구성된다. 2매의 렌즈(L10, L11)의 합성계인 구면 렌즈계(FLG)의 초점 거리 fcg는 201.2mm로 설정된다. 도 23의 데이터표에 근거하여, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 렌즈(L10)와의 면 간격이 약 133.1mm로 설정되므로, 면(CPo)과 렌즈(L10)와의 면 간격은 약 75.1mm(133.1mm-fca)로 설정된다.

구면 렌즈계(FLG)를 통과한 빔(LB)은, 도 22의 (B)에 나타내는 바와 같이, 주주사 방향의 면내(XY면내)에서 보면, 넓어진 평행 광속이 되어 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에 투사되고, 도 22의 (A)에 나타내는 바와 같이, 부주사 방향의 면내(XZ면내)에서 보면, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상에서 집광되는 수렴 광속이 된다. 따라서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상에서, 빔(LB)은 주주사 방향의 면내(XY면내)에서 주주사 방향으로 연장된 슬릿 모양의 강도 분포로 집광된다. 또, 도 22의 (B)에 나타내는 바와 같이, 주주사 방향의 면내(XY면내)에서 보면, 구면 렌즈계(FLG)를 사출한 빔(LB)의 주주사 방향(Y방향)의 폭(치수)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 후단의 fθ 렌즈계(FT)의 동경과 동일하게 되도록, 약 12mm로 확대된다.

폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 초점 거리 ft=100mm인 fθ 렌즈계(FT)와, 초점 거리 fcb=14.5mm인 평볼록 모양의 단판의 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 통과하여, 피주사면(Po) 상에 스폿광(SP)으로서 집광된다. 본 실시 형태에서도, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb(14.5mm)가, 만곡량 Dsc를 에어리 디스크 반경 ADm보다도 작게 하기 위한 경계값인 34.2mm(도 9 참조) 미만으로 설정되므로, 사지탈 코마 수차를 실용상에서 문제가 되지 않을 정도로 저감시킬 수 있고, 상(像) 측 디포커스 오차 ΔDip도 초점 심도 DOFs에 대해서 충분히 작게 할 수 있다(도 10 참조). 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)로부터 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)까지의 거리는, 앞의 제1 실시 형태에서는 도 13의 데이터표로부터 약 661mm로 되어 있었지만, 본 실시 형태에서는 도 23의 데이터표에 의하면 약 382(≒133.1161+6+193.2397+6+43.3197)mm가 되고, 본 실시 형태가 컴팩트한 광학계로 되어 있다

게다가 본 실시 형태에서는, 면 틸트 보정 광학계로서, 굴절력(파워)을 가지는 방향이 서로 직교한 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 이용하는 것에 의해서, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)에 발생하는 구면 수차를 저감할 수 있다. 빔(LB)은 피주사면(Po) 상에 상(像) 측 개구수 NAm, NAs(예를 들면 0.06)의 각도 범위에서 집광된다. 그 경우에 빔(LB)에 생기는 구면 수차는, 그 각도 범위 내의 각 광선의 피주사면(Po)의 법선(빔(LB)의 중심 광선과 평행)에 대한 각도에 따라서, 집광점이 포커스 방향으로 어긋나는 광학 오차이다. 예를 들면, 상(像) 측 개구수(NA)가 0.06(최대의 개구수)이 되는 각도로 진행되는 빔(LB)의 광선이 교차하는 집광점과, 그것보다도 작은 상(像) 측 개구수(NA)가 되는 각도로 진행되는 빔(LB)의 광선이 교차하는 집광점과의 포커스 방향에서의 어긋남의 정도가 구면 수차 특성이 된다. 앞의 제1 실시 형태에서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb) 각각의 모선 방향이 주주사 방향으로 설정되어 있기 때문에, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb) 각각에서 발생하는 구면 수차를 양호하게 보정하는 것이 어렵고, 빔(LB)의 주주사 방향에 관한 구면 수차 특성과 부주사 방향에 관한 구면 수차 특성과의 차분에 의해 규정되는 구면 수차량은, 시뮬레이션에 의하면, 포커스 방향으로 최대로 수십μm 정도 발생한다.

그것에 대해서, 제2 실시 형태에서는, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 모선의 방향(주주사 방향)에 대해서, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 모선의 방향을 광축(AXe) 둘레로 90도 회전시켜 부주사 방향으로 설정하고, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과의 사이에 구면 렌즈계(FLG)(렌즈(L10, L11))를 마련하는 것에 의해서, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb) 각각에서 발생하는 구면 수차가 보정되고, 스폿광(SP)으로서 피주사면(Po) 상에 투사되는 빔(LB)의 상(像) 측 개구수(NA)의 각도 범위 내에 분포하는 광선의 입사각에 따른 포커스 위치의 오차를 저감할 수 있다. 도 24의 (A), 도 24의 (B)는, 제2 실시 형태의 렌즈 데이터표(도 23)에 근거하여, 빔(LB)의 상(像) 측 개구수 NAm, NAs의 최대값을 0.06으로 하여 시뮬레이션한 빔(LB)의 구면 수차 특성이며, 가로축은 설계상의 베스트 포커스 위치를 제로점으로 한 포커스 위치(μm)를 나타내고, 세로축은 빔(LB)의 상(像) 측 개구수(NA)의 최대값 NAmax(예를 들면 0.06)에 대응하는 광선의 최대 입사각(βmax(NAmax=sinβmax))를 1.0로 규격화한 입사각(β)을 나타낸다. 그리고 도 24의 (A)는, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 구면 수차 특성을 주주사 방향과 부주사 방향으로 나누어 나타낸 그래프이며, 실선으로 나타내는 특성 (A)는 주주사 방향에 관한 구면 수차 특성이고, 파선으로 나타내는 특성 (B)는 부주사 방향에 관한 구면 수차 특성이다. 도 24의 (B)에 나타내는 특성 (C)는, 도 24의 (A) 중의 특성 (A)와 특성 (B)의 차분[(B)-(A)]에 의한 구면 수차 특성을 나타낸 것이다.

여기서, 도 24의 (A) 중의 특성 (A)는, 도 22 중의 빔 익스팬더계(BEO), 제1 실린드리칼 렌즈(CYa), 구면 렌즈계(FLG), 및 fθ 렌즈계(FT)의 합성계에 의해서 발생하는 구면 수차이며, 도 24의 (A) 중의 특성 (B)는, 빔 익스팬더계(BEO), 구면 렌즈계(FLG), fθ 렌즈계(FT), 및 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 합성계에 의해서 발생하는 구면 수차이다. 따라서, 도 24의 (B)에 나타내는 특성 (A)와 특성 (B)의 차분인 특성 (C)는, 주로 제1 실린드리칼 렌즈(CYa) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 의해서 발생하는 구면 수차 특성에 대응한다. 이 시뮬레이션의 결과, 앞의 제1 실시 형태에 비해, 제2 실시 형태에서의 구면 수차량의 절대값은, 1자릿수 정도 작게 되어 있다. 도 24의 (A) 중의 특성 (A)로부터 알 수 있는 바와 같이, 구면 렌즈계(FLG)에 의해서 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 의해서 발생하는 구면 수차가 보정되기 때문에, 스폿광(SP)으로서 피주사면(Po) 상에 투사되는 빔(LB)의 입사각(β)에 따른 베스트 포커스 위치의 어긋남은 거의 생기지 않았다.

그 어긋남, 즉 구면 수차를 양호하게 보정하기 위해서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa) 단체(單體)에서 생기는 구면 수차를 SCa, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb) 단체에서 생기는 구면 수차를 SCb, 구면 렌즈계(FLG)의 초점 거리를 fcg, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리를 ft, 빔(LB)의 주주사 방향의 상(像) 측 개구수를 NAm, 빔(LB)의 부주사 방향의 상(像) 측 개구수를 NAs, 빔(LB)의 중심 파장을 λo로 했을 때, 빔(LB)의 주주사 방향에서의 구면 수차 SDm와 부주사 방향에서의 구면 수차 SDs가, 적어도 이하의 식 (17)~(20) 중 어느 하나의 조건을 만족하도록 각 광학 제원이 설정된다.

[수식 16]

단, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa), 제2 실린드리칼 렌즈(CYb), 및 fθ 렌즈계(FT) 등의 각 광학 제원이 대체로 정해져 있을 때에는, 구면 렌즈계(FLG)(렌즈(L10, L11))의 각 광학 제원을, 적어도 상기에 나타내는 식 (17)~(20) 중 어느 하나의 조건을 만족하도록 설정한다. 또, fθ 렌즈계(FT)의 광학 제원만이 대체로 정해져 있는 경우에는, 식 (17)~(20) 중 어느 하나의 조건을 만족하도록, 구면 렌즈계(FLG)(렌즈(L10, L11))의 광학 제원, 및 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 각 광학 제원을 설정한다. 또, 구면 수차 SDm와 구면 수차 SDs와의 차이의 절대값｜SDm-SDs｜는 ｜SDs-SDm｜와 동일하다.

또, 도 22의 (A), 도 22의 (B)에 나타낸 빔 주사 장치의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa), 제2 실린드리칼 렌즈(CYb), 구면 렌즈계(FLG), 및 fθ 렌즈계(FT) 각각의 초점 거리 fca, fcb, fcg, ft는, 피주사면(Po)에 투사되는 빔(LB)의 주주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAm와 부주사 방향의 상(像) 측 개구수 NAs를 동일하게 하기 위해, 이하의 식 (21)의 관계가 되도록 설정된다.

[수식 17]

게다가, 도 22의 (A), 도 22의 (B)에 나타낸 빔 주사 장치의 개구 조리개(AP)의 개구 지름(직경) φap는, 상(像) 측 개구수 NAm와 상(像) 측 개구수 NAs를 동일하게 하는 경우(NAm≒NAs=NA로 함), 식 (21)의 관계로부터 이하의 식 (22)의 관계가 되도록 설정된다.

[수식 18]

이상과 같이, 제2 실시 형태에서의 빔 주사 장치에서는, 광원 장치로부터의 빔(LB)을 피주사면(Po)(묘화 대상물)에 투사하면서, 빔(LB)을 피주사면(Po) 상에서 1차원으로 주사하기 위해서, 일방향으로 파워를 가지는 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)를 투과한 빔(LB)을 입사하고, 1차원 주사를 위해서 편향시키는 폴리곤 미러(PM)와, 폴리곤 미러(PM)에 의해서 편향된 빔(LB)을 입사하고, 텔레센트릭한 상태에서 빔(LB)을 피주사면(Po)에 투사하는 fθ 렌즈계(FT)와, fθ 렌즈계(FT)를 투과한 빔(LB)을 입사하고, 일방향(부주사 방향)으로 굴절력을 가지는 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 마련하며, 그리고 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)를 서로 직교하는 방향으로 파워(굴절력)를 가지도록 배치하고, 또 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 폴리곤 미러(PM)와의 사이에 수차(구면 수차) 보정을 위한 구면 렌즈계(FLG)(렌즈(L10, L11))를 마련하도록 했다.

이것에 의해, 폴리곤 미러(PM)의 각 반사면(RPa)에 의한 면 틸트에 의해서 생기는 빔(LB)(스폿광(SP))의 투사 위치의 부주사 방향으로의 어긋남을 보정할 수 있음과 아울러, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)에 의해서 생기는 구면 수차를 간단한 구성으로 보정할 수 있다. 아울러, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 초점 거리 fca와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb와의 관계를, 사지탈 코마 수차의 발생이 양호하게 억제되는 범위로 설정하고 있다. 따라서, 스폿광(SP)의 결상 성능의 열화를 억제하여, 피주사면(Po) 상에 묘화되는 패턴의 해상도(미세도)를 높일 수 있다.

(제3 실시 형태)

이상의 제2 실시 형태에 의한 빔 주사 장치를 조립한 패턴 묘화 유닛(묘화 장치)의 구체적인 구성을 도 25에 나타낸다. 도 25는, 도 22의 (A), 도 22의 (B)에 나타낸 빔 익스팬더계(BEO)(렌즈(L6~L9))로부터 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)까지의 각 광학 부재의 구체적인 배치와 광로를 나타내는 사시도이다. 도 25에 나타내는 각 광학 부재 중, 도 22의 (A), 도 22의 (B)와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 또, 도 25에서의 직교좌표계 XYZ에서는, 피주사면(Po)에 집광되는 스폿광(SP)이 폴리곤 미러(PM)의 회전에 의해서 주사선(SL)이 되도록 주주사되는 방향을 Y축 방향, 주사선(SL)의 Y방향의 중점으로부터 연장되는 피주사면(Po)의 법선과 평행한 방향을 Z축 방향, 그리고 주사선(SL)이 연장되는 주주사 방향(Y방향)과 직교하는 부주사 방향을 X축 방향으로 한다.

도 25에 나타내는 패턴 묘화 유닛(묘화 장치)에서는, 묘화 데이터에 따라 강도 변조된 가는 빔(LB)(직경 0.5mm 정도의 평행 광속)을 반사시키는 미러(M30)에 이어서, 렌즈(L6), 렌즈(L7), 석영제의 평행 평판(HVP), 렌즈(L8, L9), 미러(M31), 편광 빔 스플리터(PBS), 개구 조리개(AP), 1/4 파장판(QW), 미러(M32), 제1 실린드리칼 렌즈(CYa), 렌즈(L10), 미러(M33), 렌즈(L11), 미러(M34, M35, M36), 8면의 폴리곤 미러(PM), fθ 렌즈계(FT), 미러(M37), 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)가, 그 순서로 배치된다. 석영제의 평행 평판(HVP)은, 빔 익스팬더계(BEO)(도 22의 (A), 도 22의 (B) 참조)를 구성하는 렌즈(L6~L9)의 사이의 광로 중에 마련되고, Z축과 평행한 회전축(AXh) 둘레로 회전(경사) 가능하게 구성된다. 평행 평판(HVP)의 경사량을 변화시키는 것에 의해, 피주사면(Po) 상에 투사되는 스폿광(SP)의 위치를 부주사 방향(X방향)으로, 예를 들면, 스폿광(SP)의 실효적인 직경 φ의 수배~수십배의 거리 범위에서 시프트시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(PBS)는, 렌즈(L9)를 통과하여 확대된 빔(LB)(평행 광속)을, 미러(M31)를 거쳐 입사시킨다. 빔(LB)을 직선 P편광으로 하면, 편광 빔 스플리터(PBS)는, 빔(LB)을 편광 분리면에서 99% 이상의 강도로 반사시키고, 후단의 개구 조리개(AP)를 향하게 한다. 개구 조리개(AP)의 원형 개구(직경이 약 3.5mm)를 투과한 빔(LB)은, 1/4 파장판(QW)을 투과할 때에, 직선 편광으로부터 원 편광으로 변환된다.

1/4 파장판(QW)을 투과한 빔(LB)(평행 광속)은, 미러(M32)에 의해서 -Z방향으로 반사되고, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)(모선이 Y축과 평행)에 입사되고, 면(CPo)에서 X방향의 폭이 매우 작고, Y방향으로 약 3.5mm(개구 조리개(AP)의 개구 지름과 동일)의 길이로 연장된 슬릿 모양의 강도 분포로 집광된다. 면(CPo)에서 1차원 방향만 수렴된 빔(LB)은, 구면 렌즈계(FLG)(도 22의 (A), 도 22의 (B) 참조)를 구성하는 초단(初段)의 렌즈(L10), 미러(M33), 구면 렌즈계(FLG)를 구성하는 후단의 렌즈(L11)를 통과하여, ＋X방향으로 진행된다. 렌즈(L11)로부터 사출된 직후의 빔(LB)은, 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)의 작용에 의해서, Z방향에 관해서는 거의 평행 광속의 상태가 되고, Y방향에 관해서는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상에서 집광하도록 수렴 광속의 상태가 된다.

렌즈(L11)로부터 사출된 빔(LB)은, 미러(M34)에 의해서 ＋Z방향으로 반사된 후, 미러(M35)에 의해서 ＋Y방향으로 반사된다. 미러(M34)와 미러(M35)는, 미러(M35)로부터 ＋Y방향으로 진행되는 빔(LB)의 주광선(중심 광선)과 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)이 XY면과 평행한 면내에서 서로 직교하도록 배치되어 있다. 미러(M35)로부터 ＋Y방향으로 진행되는 빔(LB)은, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)을 사이에 두고 미러(M35)의 반대 측에 배치되는 미러(M36)에 의해서 반사되고, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에 투사된다. 미러(M36)의 반사면은, Z축과 평행임과 아울러, XZ면과 평행이고 광축(AXf)을 포함하는 면에 대해서 22.5°인 협각(挾角)으로 배치된다. 이것에 의해, 미러(M36)로부터 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)을 향하는 빔(LB)의 주광선(중심 광선), 즉 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)나 구면 렌즈계(FLG)(렌즈(L10, L11))가 배치되는 광축(AXe)(도 22의 (A), 도 22의 (B) 참조)은, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)에 대해서 45°의 각도로 설정된다. 또, 도 25에서, 미러(M36)에서 반사되어 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)을 향하는 빔(LB)은, Z방향에 관해서는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa) 상에서 집광하도록 수렴 광속의 상태가 되고, XY면과 평행한 면내에서는 거의 평행 광속의 상태가 되며, 반사면(RPa) 상에서는 주주사 방향(폴리곤 미러(PM)의 회전 중심축(AXp)을 중심으로 하는 내접원의 접선 방향)으로 슬릿 모양으로 연장된 강도 분포가 되도록 집광된다.

또, 앞의 도 22의 빔 주사 장치의 구성에서는, 도 22의 (B), 및 도 23에 나타낸 바와 같이, 구면 렌즈계(FLG)를 구성하는 후단의 렌즈(L11)와 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과의 간격이, 약 43.32mm로 설정되어 있었지만, 본 실시 형태에서는, 렌즈(L11)와 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과의 사이에 미러(M34~M36)를 배치하는 관계로부터, 렌즈(L11)와 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과의 간격을 넓히기 위해, 구면 렌즈계(FLG)의 주점(主点) 간 거리를 조정하고 있다.

폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에서 반사된 빔(LB)은, 텔레센트릭한 fθ 렌즈계(FT)를 통과한 후, 미러(M37)에서 -Z방향으로 직각으로 반사되어, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)(모선의 방향은 Y방향)에 입사되고, 피주사면(Po) 상에 스폿광(SP)으로서 집광된다. 본 실시 형태에서는, 미러(M37)에서 -Z방향으로 직각으로 절곡되어 피주사면(Po)과 수직이 되는 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)과, 미러(M30)를 향해서 -Z방향으로 진행되는 빔(LB)의 중심 광선이, Z축과 평행한 선분(LE1)과 동축이 되도록 설정되어 있다. 이것은, 주사선(SL)을 피주사면(Po)(XY면과 평행한 면) 내에서 미소량 기울일 때에, 도 25 중의 미러(M30)~ 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)까지의 각 광학 부재를 일체적으로 지지하는 하우징(유닛 프레임) 전체를, 선분(LE1)을 중심으로 미소 회전시킴으로써, 미러(M30)~ 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)로 구성되는 묘화 유닛 내를 통과하는 빔(LB)의 편심이나 비네팅(vignetting)을 방지하기 위함이다. 이와 같이, 광원 장치로부터의 빔(LB)을 입사시키는 미러(M30)로부터 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)까지를 포함하는 묘화 유닛의 하우징 전체를 선분(LE1) 둘레로 미소 회전 가능하게 하는 기구에 대해서는, 국제공개 제2016/152758호 팜플렛에 개시되어 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 피주사면(Po)에 설치되는 피조사체(기판 등)의 표면에 스폿광(SP)을 투사했을 때에 발생하는 반사광의 강도를 검출하기 위해, 광전 센서(DTR)와 렌즈계(GF)가 마련된다. 피조사체의 표면으로부터의 반사광(특히 정규 반사광)은, 광선 역진(逆進)의 원칙에 의해, 제2 실린드리칼 렌즈(CYb), fθ 렌즈계(FT), 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa), 미러(M36, M35, M34), 렌즈(L11), 미러(M33), 렌즈(L10), 제1 실린드리칼 렌즈(CYa), 미러(M32), 1/4 파장판(QW), 개구 조리개(AP)를 거쳐, 편광 빔 스플리터(PBS)까지 되돌아간다. 피조사체의 표면에 투사되는 스폿광(SP)은 원편광이며, 그 반사광도 원편광 성분을 많이 포함하고 있기 때문에, 반사광이 1/4 파장판(QW)을 투과하여 편광 빔 스플리터(PBS)를 향할 때, 그 편광 특성은 직선 S편광으로 변환된다. 그 때문에, 피조사체의 표면으로부터의 반사광은 편광 빔 스플리터(PBS)의 편광 분리면을 투과하여 렌즈계(GF)에 입사된다. 렌즈계(GF)에 의해서 피조사체로부터의 반사광이 광전 센서(DTR)의 수광면에 집광되도록, 광전 센서(DTR)의 수광면은 피주사면(Po) 상의 스폿광(SP)과 광학적으로 공역인 관계로 설정된다.

이상의 구성에서, 개구 조리개(AP)는, 렌즈(L6~L9)로 구성되는 빔 익스팬더계(BEO)의 후측 렌즈군(L8, L9)의 후측 초점 위치에 배치된다. 평행 평판(HVP)을 회전축(AXh) 둘레로 중립 위치(경사가 제로인 상태)로부터 회전시키면, 렌즈(L8)에 입사되는 빔(LB)은, 도 25 중에서 Y방향으로 평행 시프트된다. 그 때문에, 렌즈(L9)로부터 사출되는 빔(LB)(평행 광속)은, 빔 익스팬더계(BEO)의 광축에 대해 XY면과 평행한 면내에서 약간 기울어져 개구 조리개(AP)에 이르지만, 평행 평판(HVP)의 경사량에 의존하지 않고 빔(LB)의 중심 광선은 항상 개구 조리개(AP)의 원형 개구의 중심점을 통과한다. 평행 평판(HVP)의 중립 위치로부터의 경사에 의해서, 개구 조리개(AP)로부터 사출되어 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)에 입사되는 빔(LB)은, 도 25에서, YZ면과 평행한 면내에서 경사진 것이 된다. 따라서, 면(CPo)에서 Y방향으로 슬릿 모양으로 연장되어 집광되는 빔(LB)은, 면(CPo) 상에서는 평행 평판(HVP)의 경사량에 대응한 미소량만큼 Y방향으로 평행 시프트되고, 그 후, 구면 렌즈계(FLG)(렌즈(L10, L11))와 미러(M34~36)를 거쳐 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)에 투사되는 빔(LB)은, 평행 평판(HVP)의 경사량에 따라 반사면(RPa) 상을 Z방향(부주사 방향)으로 미소 시프트된다. 부주사 방향에 관해서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)과 피주사면(Po)은 광학적으로 공역인 관계(결상 관계)로 설정되므로, 결국, 피주사면(Po)에 투사되는 스폿광(SP)은, 평행 평판(HVP)의 경사량에 따라 부주사 방향으로 미소하게 시프트된다.

또, 도 25에서는 도시하지 않지만, 예를 들면, 국제공개 제2015/166910호 팜플렛에 개시되어 있는 바와 같이, 묘화용의 빔(LB)이 투사되는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RPa)의 회전 방향의 1개 직전의 반사면(RPb)에는, 각 반사면이 묘화 개시 직전의 각도 위치가 된 것을 나타내는 원점 신호를 출력하기 위한 원점 센서용의 송광(送光)빔(beam)이 투사된다.

(변형예 1)

이상의 제1~ 제3 실시 형태에서는, 등속 회전하는 폴리곤 미러(PM)를 이용하여, 피주사면(Po) 상에서 스폿광(SP)을 1차원 주사하는 것으로 했지만, 폴리곤 미러(PM) 대신에 갈바노 미러를 이용해도 좋다. 이 경우, 갈바노 미러의 요동 회전의 중심선이 빔(LB)의 반사면을 포함하여 부주사 방향으로 연장되도록 설치하고, 그 중심축이 fθ 렌즈계(FT)(주사용 광학계)의 광축(AXf)과 직교하도록 배치하면 좋다. 이와 같이 갈바노 미러를 배치하는 경우, 앞의 도 10에서 설명한 상(像) 측 디포커스량 ΔDip가 거의 제로가 되기 때문에, 상고 위치 Hy마다의 포커스차(focus,差)의 조건, 즉, 식 (13), (14)에 의해 정해지는 초점 심도 DOFs와의 대소 관계를 고려하지 않아도 좋다.

(변형예 2)

이상의 제1~3의 실시 형태에서는, 주사용 광학계로서, 입사되는 빔(LB)의 입사각 θ의 변화량과 스폿광(SP)의 상고 위치 Hy의 변화량이 비례하는 f-θ 특성을 가지는 fθ 렌즈계(FT)를 이용하여, 스폿광(SP)을 등속 주사하도록 했다. 그렇지만, f-θ 특성도 아니고, f-tanθ 특성도 아닌 특성을 가지는 주사용 광학계라도 괜찮다. 환언하면, f-tanθ 특성 이외의 특성을 가지는 주사용 광학계를 이용하는 것이 가능하다. 그 경우, f-θ 특성을 제외한 f-tanθ 특성 이외의 특성의 주사용 광학계에서는, 입사되는 빔(LB)의 입사각 θ의 변화량과, 스폿광(SP)의 상고 위치Hy의 변화량이 비례하지 않는 비선형인 관계로 되어 있기 때문에, 스폿광(SP)의 주사 속도는 상고 위치 Hy에 따라 다른 비선형인 속도 특성이 된다. 그래서, 그러한 비선형인 속도 특성을 가지는 주사용 광학계를 이용하는 경우에는, 묘화 데이터(예를 들면, 피주사면(Po) 상에서 묘화할 수 있는 최소 치수의 화소를 1비트로 하는 비트 맵 형식의 화상 데이터)에 따라 온/오프되는 스폿광(SP)의 강도 변조의 타이밍을, 상고 위치 Hy의 변화에 동기하여 고속으로 보정함으로써 대응할 수 있다.

구체적으로는, 소정 주파수의 클록 신호의 클록 펄스마다, 묘화 데이터로부터 읽어내어지는 비트 맵 데이터의 1화소의 비트 상태를 판정하고, 그 비트 상태가 「1」일 때에는 빔(LB)을 펄스 발진하고, 비트 상태가 「0」일 때에는 빔(LB)의 펄스 발진을 중단하도록 제어하는 광원 장치를 이용한다. 이러한 광원 장치의 일 예는, 예를 들면 국제공개 제2017/057415호 팜플렛에 개시되어 있다. 이와 같이, 소정 주파수의 클록 신호에 응답하여 펄스 발진 가능한 광원 장치를 이용하는 경우, 스폿광(SP)이 주사선(SL)을 따라서 주사되는 동안에 발생하는 클록 신호의 주파수, 혹은 클록 펄스의 주기를 연속적 또는 이산적으로 미세 조정하는 것에 의해, 스폿광(SP)의 비선형인 속도 특성(예를 들면, fθ 렌즈계(FT)의 f-θ 특성으로부터의 약간의 오차 등에 의해서 발생)에 의해서 발생하는 묘화 패턴의 왜곡(변형)을 보정할 수 있다. 그러한 클록 신호의 주파수, 혹은 클록 펄스의 주기의 조정 방법에 대해서도, 국제공개 제2017/057415호 팜플렛에 개시되어 있으므로, 그 방법을 이용할 수 있다. 또, 본 변형예와 같이, f-tanθ 특성을 갖지 않는 주사용 광학계의 경우, 사지탈 코마 수차에 대응하는 만곡량 Dsc(도 5의 (A)~도 5의 (C), 도 9 참조)는, f-tanθ 특성을 갖지 않는 주사용 광학계의 f-tanθ 특성으로부터의 어긋남에 의존한 양이 된다.

(변형예 3)

상기의 제1~3의 실시 형태에서는, 도 9에서 설명한 바와 같이, 만곡량 Dsc의 허용 범위를 에어리 디스크 반경 ADm와의 비교에 의해 판단했지만, 피주사면(Po) 상에서 묘화할 수 있는 최소 치수의 화소(정방형)의 크기(화소 사이즈 Pxy)가 에어리 디스크 반경 ADm보다도 큰 경우에는, 만곡량 Dsc의 허용 범위를 화소 사이즈 Pxy와의 비교에 의해 판단하고, Dsc＜Pxy의 범위에서 제2 실린드리칼 렌즈(CYb)의 초점 거리 fcb를 결정해도 좋다. 또, 그 때의 초점 심도 DOFs(도 10의 설명 참조)는, 화소 사이즈 Pxy(μm)를 부주사 방향에 관한 빔(LB)의 상(像) 측 개구수 NAs로 나눈 값의 약 2배가 된다. 화소 사이즈 Pxy(μm)는, 패턴 묘화 장치로서 피주사면(Po)(피조사체) 상에서 묘화할 수 있는 최소 패턴으로서 정의되는 묘화 맵 상의 치수(정방형)이다.

(변형예 4)

상기의 제1~3 실시 형태에서는, 원통면 모양 렌즈로서의 제1 실린드리칼 렌즈(CYa)와 제2 실린드리칼 렌즈(CYb) 각각을 단판(1매)으로 구성했지만, 도 17의 (A)~도 17의 (C)에 나타낸 비교예와 같이, 2매 이상의 렌즈를 조합시킨 렌즈로 해도 좋다. 또, 원통면 모양의 렌즈면은, 곡률 반경이 1개의 원호의 일부가 아니라, 복수의 곡률 반경의 원호를 합성한 비구면 모양으로 가공된 렌즈면이라도 괜찮다.

(변형예 5)

또, 상기의 제3 실시 형태(도 25)에서는 빔(LB)을 편광으로 했지만, 이것은 스폿광(SP)의 투사에 의해 피조사체로부터 발생하는 반사광을 편광 빔 스플리터(PBS)에 의해서 효율적으로 취출하기 위함이며, 그러한 반사광의 검출이 불필요한 경우에는, 편광 빔 스플리터(PBS)도 불필요해지므로, 빔(LB)은 비편광인 것이라도 괜찮다. 게다가, 빔(LB)은, 시뮬레이션에서 사용한 파장 354.7nm 이외의 중심 파장 λo를 가지는 빔이라도 괜찮고, 렌즈의 초재(硝材)로서 서로 굴절률(분산)이 다른 2종 이상의 초재(예를 들면, 석영과 형석 등)를 이용하여 색수차를 없애는 설계(색수차 보정)를 행하면, 색수차를 없앤 파장 범위 내에서 중심 파장이 다른 복수의 빔을 동축으로 하여 빔 주사 장치에 입사시켜도 좋다. 게다가, 빔(LB)은, 가우스 분포 또는 그 근사의 분포를 가지는 것으로 했지만, 빔 단면 내의 강도 분포를 거의 동일하게 한 빔으로 하여 빔 주사 장치에 입사시켜도 괜찮다.

(변형예 6)

상기의 제1~3의 실시 형태에서, 빔 익스팬더계(BEO)에 입사되는 빔(LB)은, 국제공개 제2015/166910호 팜플렛, 또는 국제공개 제2017/057415호 팜플렛에 개시되어 있는 바와 같이, 파이버 앰프 레이저 광원(파장 변환 형태의 레이저 광원)으로부터 400MHz 정도의 주파수의 클록 신호에 응답하여 펄스 발진되는 자외 파장의 빔으로 해도 좋다. 이 파이버 앰프 레이저 광원은, 파이버 앰프에 입사되는 종광 펄스(클록 신호의 주파수로 발진)를, 클록 주파수에 동기하여 묘화 데이터(1화소를 1비트로 하는 비트 맵 데이터)로부터 읽어내어지는 비트 시리얼 신호인 「0」, 「1」의 논리값에 따라 변조하는 것에 의해서, 최종적으로 파장 변환되어 출력되는 자외 파장의 펄스 빔이 온 펄스광(고강도)과 오프 펄스광(저강도)으로 변조된다. 또, 상기의 제1~3 실시 형태와 같은 빔 주사 장치(묘화 유닛)를 주주사 방향으로 복수대 늘어놓고, 주주사 방향에서의 묘화 가능한 폭을 확대하는 멀티 묘화 유닛 방식으로 하는 경우에는, 국제공개 제2015/166910호 팜플렛에 개시되어 있는 바와 같이, 폴리곤 미러(PM)의 1개의 반사면에 의한 주사 효율에 따라서, 파이버 앰프 레이저 광원으로부터의 빔을, 복수의 직렬로 배치된 음향 광학 변조 소자(AOM)에 의해서 순차로 온 상태(회절 상태)로 하고, 복수의 빔 주사 장치(묘화 유닛) 각각에 순차로 공급하도록 스위칭하면 좋다.

(제4 실시 형태)

도 26은, 앞의 변형예 6에서 설명한 멀티 묘화 유닛 방식의 경우에, 복수의 묘화 유닛 중 어느 1개에, 광원 장치(파이버 앰프 레이저 광원)(LS)로부터의 빔(묘화 데이터에 따라 강도 변조된 빔)(LB)을 순차 시분할로 스위칭하여 나누기 위한 빔 전환부의 구성을 나타낸다. 도 26에서, 직교좌표계 XYZ의 Z축은 중력 방향과 평행하게 설정되고, Y축은 각 묘화 유닛(예를 들면, 도 25에 나타낸 빔 주사 장치)에 의한 스폿광(SP)의 주주사 방향(주사선(SL))과 평행하게 설정되며, X축은 부주사 방향과 평행하게 설정된다. 도 26의 빔 전환부는, 기본적으로는 국제공개 제2017/057415호 팜플렛에 개시되어 있는 것과 동일하지만, 여기에서는, 1개의 광원 장치(LS)로부터의 빔(LB)을 3개의 묘화 유닛(1, 2, 3) 각각에 시분할로 나누는 것으로 한다.

광원 장치(LS)는, 변형예 6에서 설명한 바와 같이, 묘화 데이터에 따른 종광 펄스를 발생하는 종광 발생부(LSa)와, 파이버 앰프부와 파장 변환부를 포함하는 자외빔 발생부(LSb)로 구성된다. 종광 발생부(LSa)에서 발생한 종광 펄스는, 파이버에 의한 광 전송에 의해서 자외빔 발생부(LSb)의 파이버 앰프부에 보내어지고, 종광 발생부(LSa)와 자외빔 발생부(LSb) 각각에는, 내부의 광학 부재나 전기 부품을 적정한 온도로 안정화시키기 위한 공냉 방식 또는 액냉 방식의 온조(溫調) 기구가 조립되어 있다. 광원 장치(LS)로부터 사출되는 자외 파장역(중심 파장 λo=354.7nm)의 빔(LB)은, 단면 내의 실효적인 강도 분포의 직경(피크 강도에 대해서 1/e²가 되는 강도의 지름)이 1mm 정도의 평행 광속이 되어 -X방향으로 진행되고, 파장판(GWa)을 통과하여 편광 빔 스플리터(PB1)에 입사된다. 파장판(GWa)은 광축 둘레로 회전 가능하게 마련되고, 그 회전 각도에 따라 편광 빔 스플리터(PB1)의 편광 분리면을 투과하는 빔 강도와, 편광 분리면에서 반사되는 빔 강도와의 비율을 조정할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 편광 빔 스플리터(PB1)를 -X방향으로 투과한 빔은, 감광 필터(PSa)와 파장 필터(밴드 패스 필터)(PSb)를 거쳐 촬상 소자(MC1)에 수광된다. 촬상 소자(MC1)는, 광원 장치(LS)로부터 사출되는 빔(LB)의 광축과 수직인 면내에서의 위치적인 변동(드리프트)이나 빔 단면 내의 강도 분포(프로파일)의 상태나 그 변화 등을 모니터하기 위해 사용된다.

편광 빔 스플리터(PB1)에서 -Y방향으로 반사된 빔(LB)은, 2개의 렌즈(E1, E2)에 의한 빔 지름 축소계를 통과하여, 실효적인 빔 지름이 원래의 직경의 절반 정도인 0.5mm의 평행 광속이 되도록 변환된 후, 미러(LM1)에 의해서 ＋X방향으로 90°로 반사된다. 미러(LM1)는, 자외 파장역의 레이저광에 대한 내성이 높은 레이저 미러이고, 입사된 빔(LB)의 강도의 99% 정도를 반사시키고, 나머지의 1% 정도가 누설광으로서 투과하는 특성을 가지고 있다. 미러(LM1)에서 ＋X방향으로 반사된 빔(LB)은, 1단째의 선택용 광학 소자(OS1)에 입사된다. 선택용 광학 소자(OS1)는, 고주파의 구동 신호가 인가되고 있는 온 상태의 동안만, 입사된 빔(LB)의 회절빔(1차 회절광)을 발생시키는 음향 광학 변조 소자(AOM)이다. 본 실시 형태의 경우, 선택용 광학 소자(OS1)는 브래그 회절의 조건을 만족하도록 배치되고, 회절빔이 발생하는 방향은 XZ면과 평행한 면내의 -Z방향으로 설정된다. 온 상태일 때에 선택용 광학 소자(OS1)로부터 발생하는 회절빔과 0차 빔(모두 평행 광속) 각각은, 렌즈(E3)에 의해서 YZ면과 평행한 공역면(CPs)에서 빔 웨이스트가 되도록 집광된다. 공역면(CPs)에서의 회절빔의 집광 위치는, 0차 빔의 집광 위치에 대해서 -Z방향으로 어긋나 있기 때문에, 회절빔은 공역면(CPs)에 배치되어 반사면이 XY면에 대해서 약 45°기울어진 낙사(落射) 미러(DM1)에 의해서 -Z방향으로 반사되어, 묘화 유닛(1)을 향한다.

선택용 광학 소자(OS1)에 고주파의 구동 신호가 인가되어 있지 않은 오프 상태일 때, 선택용 광학 소자(OS1)는 입사된 빔(LB)을 그대로 투과시키고, 렌즈(E3)에 의해서 공역면(CPs)에서 빔 웨이스트에 집광된 후, 낙사 미러(DM1)의 ＋Z방향의 상부를 통과하여 렌즈(E4)에 입사시킨다. 렌즈(E4)를 통과한 빔(LB)은, 다시 단면의 실효적인 직경이 0.5mm 정도의 평행 광속으로 변환되고, 미러(LM2)에서 -Y방향으로 반사된 후, 미러(LM3)에서 -X방향으로 반사되어, 브래그 회절의 조건으로 설치된 2단째의 선택용 광학 소자(AOM)(OS2)에 입사된다. 이 구성에서, 렌즈(E3, E4)는 등배의 릴레이 광학계로 되어 있고, 1단째의 선택용 광학 소자(OS1)와 2단째의 선택용 광학 소자(OS2)는 광학적으로 공역인 관계로 설정되어 있다. 2단째의 선택용 광학 소자(OS2) 이후에는, 1단째의 선택용 광학 소자(OS1) 이후의 구성과 마찬가지로, 등배의 릴레이 광학계로서의 렌즈(E5, E6)와, 공역면(CPs)에 배치되는 낙사 미러(DM2)가 마련된다. 1단째의 선택용 광학 소자(OS1)가 오프 상태이고 2단째의 선택용 광학 소자(OS2)가 온 상태일 때, 선택용 광학 소자(OS2)에서 발생한 빔(LB)의 회절빔(1차 회절광)이 낙사 미러(DM2)에 의해서 -Z방향으로 반사되어 묘화 유닛(2)을 향한다.

선택용 광학 소자(OS1, OS2)가 모두 오프 상태일 때, 렌즈(E6)를 통과한 빔(LB)은, 다시 단면의 실효적인 직경이 0.5mm 정도의 평행 광속으로 변환되고, 미러(LM4)에서 -Y방향으로 반사된 후, 미러(LM5)에서 ＋X방향으로 반사되어, 브래그 회절의 조건에 의해 마련된 3단째의 선택용 광학 소자(AOM)(OS3)에 입사된다. 이 구성에서, 렌즈(E5, E6)에 의한 릴레이 광학계에 의해, 2단째의 선택용 광학 소자(OS2)와 3단째의 선택용 광학 소자(OS3)는 광학적으로 공역인 관계로 설정되어 있다. 3단째의 선택용 광학 소자(OS3) 이후에는, 선택용 광학 소자(OS1)나 선택용 광학 소자(OS2) 뒤에 배치되는 렌즈(E3, E5)와 동일한 렌즈(E7)와, 공역면(CPs)에 배치되는 낙사 미러(DM3)가 마련된다. 선택용 광학 소자(OS1, OS2)가 모두 오프 상태이고 3단째의 선택용 광학 소자(OS3)가 온 상태일 때, 선택용 광학 소자(OS3)에서 발생한 빔(LB)의 회절빔(1차 회절광)이 낙사 미러(DM3)에 의해서 -Z방향으로 반사되어 묘화 유닛(3)을 향한다.

렌즈(E7)에 의해서, 공역면(CPs)에서 빔 웨이스트로 집광되는 빔(LB) 또는 0차 빔은, 발산 광속이 되어 렌즈(E8)에 입사하여 평행 광속으로 변환된다. 렌즈(E8)로부터 사출되는 빔(LB) 또는 0차 빔은, 광축 둘레로 회전 가능한 파장판(GWb)을 통과한 후, 입사된 빔의 편광 상태에 따라 투과광과 반사광으로 분할하는 편광 빔 스플리터(PB2)에 입사된다. 편광 빔 스플리터(PB2)에서 반사된 반사광은, 빔의 에너지(줄)나 파워(와트)를 계측하는 파워 모니터(BPM)에 수광된다. 파워 모니터(BPM)는, 예를 들면, 3개의 선택용 광학 소자(OS1, OS2, OS3)가 모두 오프 상태일 때에, 편광 빔 스플리터(PB2)의 위치에 이르는 광원 장치(LS)로부터의 빔(LB)의 강도를 정기적으로 계측하여, 강도 변동의 유무를 모니터한다. 편광 빔 스플리터(PB2)를 투과한 투과광은, 감광 필터(PSa)와 파장 필터(밴드 패스 필터)(PSb)를 거쳐 촬상 소자(MC2)에 수광된다. 촬상 소자(MC2)의 촬상면은, 본 실시 형태에서는, 렌즈(E7, E8)에 의한 릴레이 광학계에 의해서, 3단째의 선택용 광학 소자(OS3)의 회절 위치와 광학적으로 공역이 되도록 설정되어 있다. 따라서, 촬상 소자(MC2)는, 선택용 광학 소자(OS3) 내(혹은, 선택용 광학 소자(OS1, OS2) 내)에서의 빔(LB)의 광축과 수직인 면내에서의 위치적인 변동(드리프트)이나 빔 단면 내의 강도 분포(프로파일)의 상태나 그 변화 등을 촬상할 수 있다.

또, 렌즈(E8)의 구성을 확대 결상 렌즈계로 바꾸고, 촬상 소자(MC2)의 촬상면을 공역면(CPs)과 광학적으로 공역 관계(결상 관계)로 해도 괜찮다. 그 경우, 공역면(CPs)에 형성되는 빔(LB) 또는 0차 빔의 빔 웨이스트에서의 스폿의 상이 확대되어 촬상 소자(MC2)에서 촬상된다. 공역면(CPs)은, 최종적으로 묘화 유닛(1, 2, 3) 각각에 의해서 피주사면(Po)(피조사체의 표면)에 집광되는 스폿광(SP)과도 공역인 관계로 되어 있기 때문에, 촬상 소자(MC2)에서 촬상되는 빔(LB) 또는 0차 빔의 스폿의 완만한 위치적 변동(드리프트)을 계측하고, 그 계측 결과에 근거하여 묘화 유닛(1, 2, 3) 각각에 의한 패턴 묘화일 때의 묘화 타이밍을 보정(주사선(SL) 상의 묘화 개시점의 시간을 나노초의 분해능에 의해 조정)하거나, 앞의 도 25에 나타낸 묘화 유닛 내의 회전 가능한 평행 평판(HVP)의 각도 위치를 보정하거나 하는 것에 의해, 피주사면(Po)(피조사체의 표면)에 묘화되는 패턴을, 빔(LB) 등의 드리프트에 영향을 받지 않고, 항상 정확한 위치에 묘화할 수 있다.

(변형예 7)

이상의 제4 실시 형태에서는, 빔(LB) 등의 드리프트를 모니터하기 위해, 1개의 촬상 소자(MC2)를, 3개의 선택용 광학 소자(OS1, OS2, OS3)를 투과한 후의 빔(LB) 또는 0차 빔을 수광하도록 배치했다. 그렇지만, 묘화 유닛(1~3) 각각에 입사되는 빔(LB)에 드리프트가 생긴 경우에, 그 드리프트가 빔 전환부 내의 광학계(광학 부재)의 변동에 기인한 것인지, 광원 장치(LS)로부터 빔 전환부(초단의 선택용 광학 소자(OS1) 이후)에 이르는 광로 중의 광학 부재(또는 광원 장치(LS) 내의 광학 부재)의 변동에 기인한 것인지를 구분할 수 없어, 적절한 보정이 어렵다. 그래서, 본 변형예에서는, 도 27에 나타내는 바와 같이, 도 26의 빔 전환부에 마련되어 있는 미러(LM1, LM3, LM5) 각각의 배후에 촬상 소자(MC3, MC4, MC5)를 마련한다.

도 27은, 도 26의 빔 전환부의 광학 구성으로부터, 미러(LM1~LM5)와 선택용 광학 소자(OS1~OS3)의 배치만을 나타내고, 다른 부재의 도시를 생략한 것이다. 도 27에서, 미러(LM1~LM5)는, 도 26과 마찬가지로 모두 레이저 미러이고, 1% 정도의 투과율을 가지고 있으므로, 미러(LM1, LM3, LM5)의 배후에, 미러(LM1, LM3, LM5) 각각에 입사되는 빔의 주광선(중심 광선)에 대해서 촬상면이 수직이 되도록 촬상 소자(MC3, MC4, MC5)를 마련한다. 각 촬상 소자(MC3, MC4, MC5) 직전에는, 필요에 따라서 감광 필터(PSa)나 파장 필터(PSb)도 마련된다. 촬상 소자(MC3)는, 미러(LM1)의 반사면 상의 빔(LB)이 입사되는 위치로부터 촬상면까지의 광로 길이(굴절률을 고려)와, 미러(LM1)의 반사면 상의 빔(LB)이 입사되는 위치로부터 선택용 광학 소자(OS1) 내의 회절 위치까지의 광로 길이(굴절률을 고려)가 거의 동일하게 되도록 배치된다. 마찬가지로, 촬상 소자(MC4)는, 미러(LM3)의 반사면 상의 빔(LB)이 입사되는 위치로부터 촬상면까지의 광로 길이와, 미러(LM3)의 반사면 상의 빔(LB)이 입사되는 위치로부터 선택용 광학 소자(OS2) 내의 회절 위치까지의 광로 길이가 거의 동일하게 되도록 배치되고, 촬상 소자(MC5)는, 미러(LM5)의 반사면 상의 빔(LB)이 입사되는 위치로부터 촬상면까지의 광로 길이와, 미러(LM5)의 반사면 상의 빔(LB)이 입사되는 위치로부터 선택용 광학 소자(OS3) 내의 회절 위치까지의 광로 길이가 거의 동일하게 되도록 배치된다.

이와 같이, 미러(레이저 미러)(LM1, LM3, LM5) 각각의 배후에 누설되어 오는 투과광을 촬상 소자(MC3, MC4, MC5)에서 모니터하는 것에 의해서, 묘화 유닛(1~3) 각각에 입사되는 빔(LB)의 드리프트나 프로파일 변동이 어느 부분의 광학계(광학 부재)의 변동에 의해 생겼는지를 특정하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 촬상 소자(MC3, MC4, MC5)에 의해 촬상되는 빔(LB)의 스폿상(spot像)이, 광학적인 공역 관계를 고려하여, 모두 동일 방향으로 동일 양만큼 위치 변동된 경우에는, 광원 장치(LS)로부터 빔 전환부(초단의 선택용 광학 소자(OS1) 이후)에 이르는 광로 중의 광학 부재(또는 광원 장치(LS) 내의 광학 부재)의 변동에 기인한 드리프트가 생겼다고 판단되고, 빔 전환부 내의 광학계(광학 부재)의 변동에 기인한 드리프트는 아니라고 판단된다. 한편, 예를 들면, 촬상 소자(MC4, MC5) 각각에서 촬상된 스폿상이 광학적인 공역 관계를 고려하여 동일 방향으로 동일 양만큼 위치 변동된 것에 대해, 촬상 소자(MC3)에서 촬상된 스폿상만이 다른 움직임을 나타낸 경우에는, 광원 장치(LS)로부터 빔 전환부(초단의 선택용 광학 소자(OS1) 이후)에 이르는 광로 중의 광학 부재(또는 광원 장치(LS) 내의 광학 부재)의 변동에 더하여, 선택용 광학 소자(OS1)로부터 선택용 광학 소자(OS2) 직전까지의 사이의 각종 광학 부재(선택용 광학 소자(OS1), 렌즈(E3, E4), 미러(LM2), LM3)의 변동에 의해서 빔(LB)의 드리프트가 생겼다고 판단된다.

또, 촬상 소자(MC3, MC4, MC5) 각각에서 촬상되는 빔(LB)의 스폿상의 형상이, 모두 동일 형상으로 변화된 경우에는, 광원 장치(LS)로부터 빔 전환부(초단의 선택용 광학 소자(OS1) 이후)에 이르는 광로 중의 광학 부재(또는 광원 장치(LS) 내의 광학 부재)의 열화(劣化)(블러(blur) 등)에 의해서, 빔 프로파일이 변화되었다고 판단할 수 있다. 한편, 촬상 소자(MC3)에서 촬상되는 스폿상의 형상에 변화가 없는 것에 비해, 촬상 소자(MC4, MC5) 각각에서 촬상되는 스폿상의 형상이 마찬가지로 변화된 경우, 선택용 광학 소자(OS1)로부터 선택용 광학 소자(OS2)의 직전까지의 사이의 각종 광학 부재(선택용 광학 소자(OS1), 렌즈(E3, E4), 미러(LM2), LM3) 중 어느 하나에서 블러(blur) 등의 열화가 생겼다고 판단할 수 있다. 이와 같이 본 변형예에 의하면, 묘화 유닛(1~3) 각각에 입사되기 전의 빔(LB)의 위치적인 드리프트, 빔의 스폿상(강도 분포, 프로파일)의 형상 변화, 또는 포커스 오차에 의한 스폿상의 크기 변화라고 한 빔 특성의 열화를 일으킨 광학 부재의 장소나 변동 상태를 용이하게 특정할 수 있다. 그 때문에, 촬상 소자(MC3~MC5)(및 MC1, MC2) 각각에서 취득되는 스폿상에 관한 화상 정보에 근거하여, 광학 부재의 변동에 의한 빔 특성의 열화를 자동적 또는 반자동적으로 적정하게 보정하는 조정 기구(미동(微動) 기구 등)에 의해서, 단시간 동안에 빔 특성의 열화를 보정하는 것이 가능해진다. 미러(LM1, LM3, LM5)는, 빔(LB)을 3개의 선택용 광학 소자(OS1~OS3)에 순차로 통과시키도록 절곡하기 위해 필요한 것이며, 그 미러(LM1, LM3, LM5)의 특성상에서 필연적으로 발생되는 누설광을 촬상 소자(MC3, MC4, MC5)에서 모니터하므로, 묘화 유닛(1, 2, 3) 각각을 향하는 빔의 강도(에너지)를 저감시키는 새로운 광 스플리터(투과율과 반사율 중 일방이 충분히 높고 타압이 충분히 낮은 빔 스플리터 등)를 마련할 필요가 없다고 하는 이점이 있다.

(변형예 8)

이상의 도 26에 나타낸 제4 실시 형태, 및 도 27에 나타낸 변형예 7에 의하면, 광원 장치(LS)로부터 각 묘화 유닛(1~3)에 이르는 빔(LB)의 광로 중의 요소에 배치된 촬상 소자(MC1~MC5)에 의해서, 빔 특성의 변화(열화)를 검지하는 것이 가능하다. 빔 특성은, 선택용 광학 소자(AOM)(OS1~OS3) 각각의 투과율이나 회절 효율의 변동에 의해도 열화할 수 있다. 도 28은, 도 26, 도 27에 나타낸 선택용 광학 소자(OS1~OS3) 중, 대표하여 선택용 광학 소자(OS1)의 변동에 의해 생기는 빔 특성의 변화(열화)를 보정하기 위한 조정 기구를 간단하게 나타낸 도면이다. 도 28에서, 광원 장치(LS)로부터의 빔(LB)(직경 0.5mm 정도의 평행 광속)은, XY면과 평행한 면내를 ＋X방향으로 진행되고, 선택용 광학 소자(OS1)에 입사된다. 도 28에서, X축과 평행하게 배치되는 광축(AXs)은, 도 26에 나타낸 렌즈(E1, E2, E3 ···)의 광축이다.

선택용 광학 소자(OS1)는, 금속제의 하우징(커버, 혹은 케이스)(100)에 의해 덮여져 있고, 그 내부에, 접착제(103)를 매개로 하여 초음파 진동자(104)와 접합되는 결정체(또는 석영)(102)와, 결정체(102)의 내부를 통과하는 진동의 진행파에 의해 생성되는 회절 격자(투과형의 위상 격자)와 입사되는 빔(LB)을 브래그 회절의 조건으로 하는 각도로 결정체(102)를 지지하는 지지대(105)가 마련된다. 하우징(100)의 빔(LB)의 입사 측에는, 입사용의 개구부(100a)가 형성되고, 출사 측에는, 결정체(102)에 의해서 회절된 1차 회절빔(LBp)(묘화 유닛(1)을 향하는 빔)과 0차 회절빔(LBz)을 통과시키는 출사용의 개구부(100b)가 형성된다. 또, 하우징(100)의 벽면에는, 하우징(100)의 내부의 기체(클린 에어)(CA)를 배기하기 위한 배기 포트(106)가 마련되고, 배기 포트(106)에는 기체(CA)를 흡인하는 배기 튜브가 접속되어 있다. 배기 포트(106)에서의 기체(CA)의 흡인에 의해서, 하우징(100)의 주위의 온도 조정된 클린 에어가 개구부(100a, 100b)로부터 유입되고, 광축(AXs)과 수직인 결정체(102)의 입사면과 사출면 각각을 따라서 흐른다. 이러한 기체의 흐름을 만드는 것에 의해서, 자외 파장역인 빔(LB)(및 회절빔(LBp, LBz))의 조사에 의해 결정체(102)의 입사면이나 사출면에 생기는 화학물질(접착제(103) 등으로부터 발생하는 아민계의 분자나 탄소 분자 등)에 의한 블러(blur) 등이 억제된다. 게다가, XY면과 평행한 하우징(100)의 저면부의 뒤측(-Z방향)에는, 초음파 진동자(104)의 구동에 의한 발열을 억제하기 위한 냉각 부재(흡열 부재)(114)도 마련된다. 냉각 부재(114)는, 펠티에 소자, 히트 펌프, 혹은 액체 또는 기체에 의한 냉매를 내부에 유통시킨 방열판 등으로 구성된다. 냉각 부재(114)는, 도 28에 나타내는 하우징(100)의 XZ면과 평행한 측벽이나 XY면과 평행한 천판(天板)에 장착해도 된다.

선택용 광학 소자(OS1)의 하우징(100)은, 마운트 부재(110)에 결합되고, 마운트 부재(110)는, XY면과 평행한 면내의 적어도 3개소 각각에 배치되는 미세 조정 기구(112A, 112B, 112C)를 매개로 하여, 베이스 프레임 부재(BF)에 장착된다. 베이스 프레임 부재(BF)는, 도 26이나 도 27에 나타낸 광원 장치(LS), 각종의 광학 부재(렌즈, 미러 등), 및 촬상 소자(MC1~MC5) 등이 장착되는 광학 정반(定盤)으로서 마련되고, 이 베이스 프레임 부재(BF)의 하면 측(-Z방향)에, 도 26에서 나타낸 묘화 유닛(1~3)이 장착된다. 3개소의 미세 조정 기구(112A, 112B, 112C)는, XY면내에서 보면, 삼각형의 각 정점(頂点)의 위치에 배치되고, 일 예로서, 2개의 미세 조정 기구(112B, 112C)는 Y축 방향으로 이간하여 하우징(100)의 -X방향 측에 배치되고, 미세 조정 기구(112A)는 하우징(100)의 ＋X방향 측에 배치된다. 3개의 미세 조정 기구(112A, 112B, 112C)는, 모두, 마운트 부재(110)의 해당 부분을 Z방향으로 미동시키는 것이고, 미세 조정 기구(112A, 112B, 112C)를 모두 동일 양만큼 Z방향으로 조정하는 것에 의해서, 하우징(100), 즉 결정체(102)를 Z방향으로 미소량만큼 평행 이동시킬 수 있다. 또, 브래그 회절의 조건(브래그각)으로부터의 일탈이 크게 되어 회절 효율이 저하된 경우에는, 미세 조정 기구(112A)만을 Z방향으로 조정하고, 결정체(102)를 XZ면내에서 미소량 기울임으로써, 브래그 회절의 조건을 만족하는 배치로 보정할 수 있다. 또, 도 28에서는 도시하지 않지만, 하우징(100)을 마운트 부재(110) 상에서 Y축 방향으로 미소량만큼 평행 이동시키거나, Z축과 평행한 축선의 둘레로 미소 회전시키거나 한 상태에서 체결하기 위한 체결 위치 조정 기구도 마련되어 있다.

도 28의 미세 조정 기구(112A, 112B, 112C)나 체결 위치 조정 기구를 이용한 선택용 광학 소자(OS1)(또는 OS2, OS3)의 위치나 자세의 조정 작업시에는, 도 26의 광원 장치(LS)로부터 빔(LB)을 사출하여, 촬상 소자(MC2, MC3~MC5) 각각에서 촬상되는 빔(LB)(또는 0차 회절빔(LBz))의 스폿상의 상태 변화를 거의 리얼 타임으로 확인할 수 있으므로, 조정 작업이 정확하게 행해짐과 아울러, 작업 효율이 현격히 향상된다. 따라서, 예를 들면, 촬상 소자(MC2, MC3~MC5)에 의해서 촬상되는 스폿상의 형상의 변화 등으로부터, 선택용 광학 소자(OS1~OS3) 중 어느 하나에 블러(blur)가 발생(결정체(102)의 입사면이나 출사면에서 발생)되어 있다고 판단된 경우에는, 미세 조정 기구(112A, 112B, 112C)나 체결 위치 조정 기구를 조작하여, 빔(LB)의 결정체(102)로의 입사 위치를 도 28 중의 YZ면과 평행한 면내에서 상대적으로 빔(LB)의 직경(약 0.5mm) 정도만큼 변경하는 것을 용이하게 실시할 수 있다.

그런데, AOM에 의한 선택용 광학 소자(OS1~OS3)에서는, 브래그 회절 조건을 만족하도록, 입사되는 빔(LB)의 중심축과 결정체(102)와의 각도 관계를 정확하게 설정한 경우, 초음파 진동자(104)가 구동하고 있는 동안, 입사된 빔(LB)의 1차 회절빔 중, 예를 들면 ＋1차 회절빔(LBp)이 강하게 발생하고, 반대의 회절각으로 발생하는 -1차 회절빔(LBm)(노이즈광)은, 거의 발생하지 않는다. 그렇지만, 브래그 회절 조건으로부터의 일탈이 크게 되어 가면, 묘화 유닛(1~3)을 향하는 ＋1차 회절빔(LBp)의 강도가 저하(회절 효율이 저하)되고, 불필요한 -1차 회절빔(LBm)의 강도가 크게 된다. 그래서, 예를 들면, 도 26 중의 촬상 소자(MC2)(또는 도 27 중의 촬상 소자(MC3~MC5))에 의해서, 불필요한 -1차 회절빔(LBm)의 스폿상도 모두 관찰할 수 있도록 구성하는 것에 의해, 선택용 광학 소자(OS1~OS3)의 변동(회절 효율의 저하)을 모니터할 수 있다.

이상의 도 26~도 28의 실시 형태, 및 그 변형예에 의하면, AOM으로 구성되는 선택용 광학 소자(OS1~OS3) 복수를, 광원 장치(LS)로부터의 빔(LB)의 광로를 따라서 직렬로 배치하고, 복수의 선택용 광학 소자 중 어느 1개를 순차로 온 상태로 하여 복수의 묘화 유닛(1~3) 중 어느 1개에 시분할로 빔을 공급하는 패턴 묘화 장치에서, 선택용 광학 소자에 입사하기 전의 빔의 스폿상과, 선택용 광학 소자로부터 사출되는 빔의 스폿상과의 위치적인 변화나 형상의 변화를 검출하기 위한 복수의 촬상 소자(MC1~MC5)를, 빔 특성의 변동 계측 장치로서 마련했으므로, 광원 장치(LS)로부터 복수의 묘화 유닛 각각에 이르는 빔 전환부 내에서, 빔의 위치 어긋남(드리프트)이나 포커스 오차를 일으키고 있는 광학 부재의 위치, 블러(blur)가 발생한 광학 부재의 위치, 혹은 회절 효율이 저하된 선택용 광학 소자의 위치를 용이하게 판정할 수 있어, 빔 특성의 변동을 보정하기 위한 조정 작업의 효율을 올릴 수 있다. 또, 선택용 광학 소자(OS1~OS3) 및 광로 중의 특정의 광학 부재(렌즈 등)의 위치나 자세를 조정하는 조정 기구에 모터 등의 구동원을 마련한 경우에는, 빔 특성의 변동 계측 장치에 의해서 계측되는 변동 상태의 정보에 근거한 자동 조정(자동 보정)이 가능해진다.

이상의 각 실시 형태나 그 변형예에서는, 피주사면(Po)(피묘화체)과 스폿광(SP)을 주주사 방향과 부주사 방향으로 2차원적으로 상대 주사하여, 전자 디바이스용의 패턴을 묘화하는 장치를 예시했지만, 묘화하는 패턴은 직접적으로 전자 디바이스를 구성하는 적층 구조체(배선층, 각종의 전극층, 트랜지스터층, 절연층 등)에 관한 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 진공 증착 장치나 미스트 CVD 장치에서는, 피성막(被成膜) 기판 상에 선택적으로 미세한 성막 부분을 형성하기 위해, 피성막 기판 상에 서로 겹쳐지는 얇은 금속제의 마스킹 플레이트('전기 주조 마스크'라고도 함)가 사용된다. 이 마스킹 플레이트에는, 미세한 치수의 개구 패턴이 다수 형성되어 있고, 피성막 기판 상에는, 그 개구 패턴을 통해 성막 물질이 선택적으로 퇴적된다. 각 실시 형태나 그 변형예에서 나타낸 패턴 묘화 장치는, 그러한 마스킹 플레이트를 작성할 때의 개구 패턴의 패터닝 처리(노광 처리 뿐만 아니라, 그 후의 현상 처리, 에칭이나 도금 처리를 포함하는 경우도 있음)에도 이용할 수 있다.

Claims

광원 장치로부터의 빔을 피조사체 상에 스폿으로 집광(集光)하여 투사하면서, 상기 스폿을 반사 편향 부재에 의해 주주사(主走査) 방향으로 1차원 주사하는 것에 의해서 상기 피조사체 상에 패턴을 묘화(描畵)하는 패턴 묘화 장치로서,
상기 광원 장치로부터의 상기 빔을 입사하고, 상기 반사 편향 부재의 반사면을 향하는 상기 빔을 상기 주주사 방향과 직교한 부주사(副走査) 방향으로 수렴시키는 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 광학계와,
상기 반사 편향 부재의 반사면에서 편향된 상기 빔을 입사하고, 상기 피조사체 상에 스폿으로서 집광하기 위한 주사용 광학계와,
상기 주사용 광학계로부터 사출되어 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 부주사 방향으로 수렴시키는 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 광학계를 구비하며,
상기 주사용 광학계의 시야 내에서 빔 주사 범위의 주변 상고(像高)의 위치를 통과하여 상기 제2 광학계에 입사하기 전에 발생하는 상기 빔의 사지탈 코마(sagittal coma) 수차(收差)에 의한 만곡량이, 에어리 디스크(airy disc) 반경 이하가 되도록 상기 제2 광학계의 초점 거리를 설정한 패턴 묘화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 주사용 광학계와 상기 제2 광학계를 통과하여 상기 피조사체에 집광되는 상기 빔의 상기 주주사 방향의 개구수를 NAm, 상기 부주사 방향의 개구수를 NAs, 상기 빔의 중심 파장을 λo로 했을 때, 상기 에어리 디스크 반경 ADm은, 이하에 나타내는 식 (1)에 의해 설정되는 패턴 묘화 장치.
[수식 1]
청구항 2에 있어서,
상기 주사용 광학계의 시야 내에서의 주변 상고를 Hy, 상기 주사용 광학계의 초점 거리를 ft, 상기 제2 광학계의 초점 거리를 fcb, 상기 사지탈 코마 수차에 의한 상기 만곡량을 Dsc로 하여, FN=(fcb·NAs/Hy)²＋1로 했을 때, 이하에 나타내는 식 (2)에 의해서 구해지는 상기 만곡량 Dsc가, 상기 에어리 디스크 반경 ADm에 대해서, Dsc＜ADm의 범위가 되도록, 상기 제2 광학계의 초점 거리 fcb가 설정되는 패턴 묘화 장치.
[수식 2]
청구항 3에 있어서,
상기 제1 광학계의 초점 거리를 fca로 했을 때, 상기 Dsc＜ADm의 범위가 되도록 설정된 상기 제2 광학계의 초점 거리 fcb와 상기 주사용 광학계의 초점 거리 ft에 근거하여, 상기 제1 광학계의 초점 거리 fca를, 이하에 나타내는 식 (3)의 관계를 만족하도록 설정한 패턴 묘화 장치.
[수식 3]
청구항 4에 있어서,
상기 반사 편향 부재는, 상기 제1 광학계로부터의 상기 빔을 상기 주주사 방향 중 1개의 방향으로 반복하여 편향시키기 위한 복수의 반사면을 가지고 회전하는 폴리곤 미러이고,
상기 주사용 광학계의 상기 폴리곤 미러 측을 물(物) 측, 상기 피조사체 측을 상(像) 측으로 했을 때, 상기 폴리곤 미러의 회전에 따른 상기 반사면의 각도 변화에 의해 생기는 물(物) 측 디포커스량에 따라 발생하는 상기 스폿의 상(像) 측 디포커스량이 초점 심도(深度)의 범위 내에 설정되는 패턴 묘화 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 물(物) 측 디포커스량을 ΔDop, 상기 상(像) 측 디포커스량을 ΔDip, 상기 주사용 광학계와 상기 제2 광학계의 합성계에 의한 상기 부주사 방향의 초점 심도를 DOFs로 했을 때, 상기 초점 거리 ft와 상기 초점 거리 fcb에 의해, 이하에 나타내는 식 (4)의 관계에 의해 정해지는 상기 상(像) 측 디포커스량 ΔDip와, 상기 파장 λo와 상기 개구수 NAs에 의해, 이하에 나타내는 식 (5)의 관계에 의해 정해지는 상기 초점 심도 DOFs가, ΔDip≤DOFs가 되도록, 상기 제2 광학계의 초점 거리 fcb가 설정되는 패턴 묘화 장치.
[수식 4]
청구항 6에 있어서,
상기 제2 광학계의 초점 거리 fcb는, 만곡량 Dsc와 상기 에어리 디스크 반경 ADm이 Dsc＜ADm이 되고, 또한, 상기 상(像) 측 디포커스량 ΔDip와 상기 초점 심도 DOFs가 ΔDip≤DOFs가 되도록 설정되는 패턴 묘화 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주사용 광학계는, 상기 반사 편향 부재에 의해 편향되어 입사되는 상기 빔의 입사각의 변화와 상기 빔 주사 범위에서의 상기 스폿의 상고 위치의 변화가 비례하는 f-θ 특성을 가짐과 아울러, 상기 빔을 텔레센트릭한 상태에서 상기 피조사체에 투사하는 fθ 렌즈계인 패턴 묘화 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 광학계는, 상기 부주사 방향에 관해서는 유한의 곡률 반경을 가지고, 상기 주주사 방향에 관해서는 무한의 곡률 반경으로 형성되고, 모선(母線)의 방향이 상기 주주사 방향과 평행한 렌즈면을 가지는 원통면 모양 렌즈를 포함하는 패턴 묘화 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광학계는, 모선의 방향이 상기 부주사 방향과 평행한 렌즈면을 가지고, 입사되는 상기 빔을 상기 주주사 방향으로 수렴시키는 제1 원통면 모양 렌즈와, 상기 원통면 모양 렌즈를 통과한 상기 빔을 상기 반사 편향 부재의 반사면 상에서 상기 부주사 방향으로 집광하는 빔으로 변환시키는 구면(球面) 렌즈계를 포함하는 패턴 묘화 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 원통면 모양 렌즈의 초점 거리를 fca, 상기 구면 렌즈계의 초점 거리를 fcg, 상기 주사용 광학계의 초점 거리를 ft, 상기 제2 광학계의 초점 거리를 fcb로 했을 때, 이하에 나타내는 식 (6)의 관계가 되도록 설정되는 패턴 묘화 장치.
[수식 5]
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광학계로부터 상기 반사 편향 부재의 반사면을 향하는 상기 빔의 광로(光路)의 광축과, 상기 주사용 광학계의 상기 반사 편향 부재의 반사면을 통과하는 광축을, 상기 주주사 방향을 포함하는 면내에서 45°로 배치한 패턴 묘화 장치.