KR20220053054A - 빔 주사 장치 및 묘화 장치 - Google Patents

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Abstract

가동 편향 부재에서 제1 방향으로 편향되는 빔을, 주사용 광학계에 의해서 피조사체 상에 투사하면서 피조사체 상에서 제1 방향을 따라서 1차원 주사하여 피조사체에 패턴을 묘화하는 묘화 장치로서, 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 렌즈 부재를 포함하고, 가동 편향 부재에 투사되는 빔을 제1 방향과 직교한 제2 방향에 관해서 수렴시키는 제1 조정 광학계와, 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 렌즈 부재를 포함하고, 주사용 광학계로부터 피조사체를 향하는 빔을 제2 방향에 관해서 수렴시키는 제2 조정 광학계를 구비하며, 빔의 파장을 λ, 피조사체에 투사되는 빔의 제1 방향에 관한 개구수를 NAy, 제2 방향에 관한 개구수를 NAx, 피조사체에 투사되는 빔의 제1 방향에 관한 구면 수차를 S1, 제2 방향에 관한 구면 수차를 S2로 했을 때, 제1 렌즈 부재와 제2 렌즈 부재는, S1＜λ／NAy 2, 또한, S2＜λ／NAx 2 가 되는 조건과, ｜S1－S2｜＜λ／NAy 2, 또한,｜S1－S2｜＜λ／NAx 2 가 되는 조건 중 어느 일방을 만족하도록 설정된다.

Description

빔 주사 장치 및 묘화 장치{BEAM SCANNING DEVICE AND DRAWING DEVICE}
본 발명은, 기판에 소정의 패턴을 묘화(描畵)하기 위해서 빔을 주(主)주사 방향으로 1차원으로 주사(走査)하는 빔 주사 장치, 및 이 빔 주사 장치를 이용하여 소정의 패턴을 묘화하는 묘화 장치에 관한 것이다.
fθ 렌즈계와 폴리곤 미러(회전 다면경(多面鏡))를 이용함으로써, 감재(感材) 상에 투사된 빔을 등속(等速)으로 주사할 수 있는 것이 알려져 있다. 일반적인 폴리곤 미러의 각 반사면은, 폴리곤 미러의 회전면(회전 방향을 포함하는 평면)과 직교하는 방향과 평행하게 형성되지만, 실제의 반사면은, 폴리곤 미러의 회전면과 직교하는 방향에 대해서 약간 경사지는 오차, 이른바 면 탱글(tangle)(경사) 오차를 수반하고 있다. 이 오차는, 반사면마다 다르기 때문에, fθ 렌즈계에 의해서 감재 상에 결상(結像)하는 스폿광(spot光)의 상(相) 위치(빔의 투사 위치)가 반사면마다 어긋나 버린다.
그 투사 위치의 어긋남을 막기 위해서, 하기 일본특허공개 평8－297255호 공보에서는, 폴리곤 미러의 직전과 fθ 렌즈계의 뒤와의 2개소에, 폴리곤 미러의 편향 방향(주사 방향, 폴리곤 미러의 회전 방향)에 대해서 직교한 방향으로만 굴절력을 가지는 실린드리칼 렌즈를 배치하고 있다. 즉, 모선(母線)이 빔의 주사 방향과 평행이 되는 2개의 실린드리칼 렌즈를 배치하고 있다. 이것에 의해, 빔의 주사 방향(주(主)주사 방향)과 직교한 방향(부(副)주사 방향)에 관해서는, 폴리곤 미러의 반사면 상과 감재의 피조사면을 공역(共役) 관계로 할 수 있어, 폴리곤 미러의 반사면마다 면 탱글 오차가 불규칙하게 분포해도, 빔의 감재 상에서의 투사 위치를 부주사 방향에서는 일정하게 할 수 있다.
그렇지만, 일본특허공개 평8－297255호 공보와 같이, 폴리곤 미러의 직전에 배치하는 제1 실린드리칼 렌즈와, fθ 렌즈계(복수매의 구면 렌즈로 구성됨)의 뒤에 배치하는 제2 실린드리칼 렌즈와의 각각을 단(單)렌즈로 구성하고, 제1 실린드리칼 렌즈의 모선(母線)과 제2 실린드리칼 렌즈의 모선을 평행하게 하는 경우, 실린드리칼 렌즈에 의해서 발생하는 수차(收差)(예를 들면 빔의 구면 수차)를 양호하게 저감하기 위한 광학 설계(수차 보정)가 어렵는 등의 문제가 있었다.
본 발명의 제1 형태는, 광원 장치로부터의 빔을 피조사체에 투사하면서, 상기 빔을 상기 피조사체 상에서 1차원으로 주사(走査)하는 빔 주사 장치로서, 상기 빔을 상기 1차원의 방향에 대응한 제1 방향으로 집광(集光)하는 제1 광학 부재와, 상기 제1 광학 부재를 통과한 상기 빔을 입사하고, 상기 1차원의 주사를 위해서 상기 빔을 상기 제1 방향으로 편향시키는 빔 편향 부재와, 상기 빔 편향 부재에 의해서 편향된 상기 빔을 입사하고, 상기 피조사체를 향해서 투사하는 주사용 광학계와, 상기 주사용 광학계를 통과한 상기 빔을 입사하고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 상기 빔을 집광하는 제2 광학 부재와, 상기 제1 광학 부재와 상기 빔 편향 부재와의 사이에 마련되고, 상기 제1 광학 부재를 통과한 상기 빔을 상기 빔 편향 부재의 위치에서 상기 제2 방향으로 집광하는 렌즈계를 구비한다.
본 발명의 제2 형태는, 광원 장치로부터의 빔을 피조사체 상에서 주(主)주사 방향으로 주사하면서, 상기 피조사체와 상기 빔을 부(副)주사 방향으로 상대 이동시켜, 상기 피조사체에 패턴을 묘화(描畵)하는 묘화 장치로서, 상기 빔을 상기 주주사 방향으로 주사하기 위해서, 상기 빔을 입사하여 상기 주주사 방향으로 1차원으로 편향시키는 가동 편향 부재와, 상기 가동 편향 부재에서 1차원으로 편향되는 상기 빔을 입사하고, 상기 빔을 상기 피조사체 상에 집광하여 투사하는 주사용 광학계와, 비등방적인 굴절력을 가지며, 상기 가동 편향 부재를 향하는 상기 빔을 상기 주주사 방향에 관해서 수렴하는 제1 광학 부재와, 비등방적인 굴절력을 가지며, 상기 주사용 광학계로부터 사출하여 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 부주사 방향에 관해서 수렴하는 제2 광학 부재와, 상기 제1 광학 부재와 상기 가동 편향 부재와의 사이에 마련되고, 상기 주주사 방향에 관해서 수렴한 상기 빔을 입사하고, 상기 부주사 방향에 관해서 수렴하는 빔으로 변환하여 상기 가동 편향 부재를 향해서 사출하는 등방적인 굴절력을 가지는 제3 광학 부재를 구비한다.
본 발명의 제3 형태는, 가동 편향 부재에서 제1 방향으로 편향되는 빔을, 주사용 광학계에 의해서 피조사체 상에 투사하면서 상기 피조사체 상에서 상기 제1 방향을 따라서 1차원 주사하여 상기 피조사체에 패턴을 묘화하는 묘화 장치로서, 상기 가동 편향 부재에 투사되는 상기 빔을 상기 제1 방향과 직교한 제2 방향에 관해서 수렴시키기 위한 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 렌즈 부재를 포함하는 제1 조정 광학계와, 상기 주사용 광학계로부터 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 제2 방향에 관해서 수렴시키기 위한 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 렌즈 부재를 포함하는 제2 조정 광학계를 구비하며, 상기 빔의 파장을 λ, 상기 피조사체에 투사되는 상기 빔의 상기 제1 방향에 관한 개구수를 NAy, 상기 제2 방향에 관한 개구수를 NAx, 상기 피조사체에 투사되는 상기 빔의 상기 제1 방향에 관한 구면 수차를 S1, 상기 제2 방향에 관한 구면 수차를 S2로 했을 때, 상기 제1 렌즈 부재와 상기 제2 렌즈 부재는, S1＜λ／NAy 2, 또한, S2＜λ／NAx 2가 되는 조건과, ｜S1－S2｜＜λ／NAy 2, 또한, ｜S1－S2｜＜λ／NAx 2가 되는 조건 중 어느 일방을 만족하도록 설정된다.
본 발명의 제4 형태는, 피조사체 상의 주주사 방향을 따라서 패턴 묘화용 빔을 1차원 주사함과 아울러, 상기 주주사 방향과 교차한 부주사 방향으로 상기 피조사체와 상기 빔을 상대 이동시켜, 상기 피조사체에 패턴을 묘화하는 묘화 장치로서, 상기 빔을 발생하기 위한 빔 생성 장치와, 상기 빔 생성 장치로부터의 상기 빔을, 빔 지름을 확대시킨 평행 광속으로 변환하는 빔 익스팬더와, 상기 빔 익스팬더에서 변환된 상기 빔을 입사하여 상기 주주사 방향에 대응한 방향으로 1차원 편향시키는 빔 편향 부재와, 상기 1차원 편향된 상기 빔을 입사하여 상기 피조사체 상에 상기 빔의 스폿을 집광하기 위한 주사용 광학계와, 상기 빔 익스팬더와 상기 빔 편향 부재와의 사이에 마련되고, 상기 빔 익스팬더에서 변환된 상기 빔을 입사하여, 상기 빔 편향 부재 상에 투사되는 상기 빔을 상기 부주사 방향에 대응한 방향으로 수렴시키기 위한 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 광학 소자를 포함하는 제1 광학계와, 상기 주사용 광학계로부터 사출하여 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 부주사 방향으로 수렴시키기 위한 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 광학 소자를 포함하는 제2 광학계와, 상기 빔 익스팬더의 광로 중에 마련되고, 상기 빔의 광로를 상기 부주사 방향에 대응한 방향으로 시프트시키는 시프트용 광학 부재를 구비한다.
도 1은 실시 형태의 기판에 노광 처리를 실시하는 노광 장치를 포함하는 디바이스 제조 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타내는 빔 전환부 및 묘화 헤드의 개략 구성을 나타냄과 아울러, 묘화 헤드의 각 주사 유닛의 주사 라인의 기판 상에서의 배치 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타내는 빔 전환부의 선택용 광학 소자 및 입사 미러 주위의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 나타내는 주사 유닛의 구체적인 구성을 나타내는 도면이며, 빔의 주사 방향(편향 방향)을 포함하는 평면(XY평면과 평행한 평면)과 직교하는 평면(XZ평면)으로부터 본 도면이다.
도 5는 도 4에 나타내는 개구 조리개로부터 기판까지의 빔을, 빔의 편향 방향(주주사 방향)을 포함하는 평면과 평행한 평면으로부터 본 개략도이다.
도 6은 비교예 1에 의한 광학 설계예에서의 렌즈 데이터를 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예 1에서의 빔 익스팬더로부터 기판(상면(像面))까지의 빔의 상태를, 빔의 편향 방향(스폿광의 주주사 방향)을 포함하는 평면과 평행한 면내에서 본 개략도이다.
도 8은 도 7에 나타내는 빔 익스팬더로부터 폴리곤 미러의 반사면까지의 빔의 상태를, 빔의 주주사 방향과 직교하는 평면으로부터 본 개략도이다.
도 9는 도 7에 나타내는 폴리곤 미러의 반사면으로부터 기판(상면)까지의 빔의 상태를, 빔의 주주사 방향과 직교하는 평면으로부터 본 개략도이다.
도 10은 fθ 렌즈계로부터 기판(상면)에 투사되는 빔의 주주사 방향에 관한 구면(球面) 수차의 발생 상태를 과장하여 설명하는 도면이다.
도 11은 fθ 렌즈계로부터 기판(상면)에 투사되는 빔의 부주사 방향에 관한 구면 수차의 발생 상태를 과장하여 설명하는 도면이다.
도 12는 비교예 1의 광학 설계예에 의해서 발생하는 빔의 주주사 방향과 부주사 방향의 구면 수차 특성을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 13은 비교예 1에서의 주주사 방향의 구면 수차와 부주사 방향의 구면 수차와의 차분의 구면 수차 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예 1에 의한 광학 설계예에서의 렌즈 데이터를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예 1에서의 빔 익스팬더로부터 기판(상면)까지의 빔의 상태를, 빔의 편향 방향(스폿광의 주주사 방향)을 포함하는 평면과 평행한 면내에서 본 개략도이다.
도 16은 도 15에 나타내는 빔 익스팬더로부터 폴리곤 미러의 반사면까지의 빔의 상태를, 빔의 주주사 방향과 직교하는 면내에서 본 개략도이다.
도 17은 도 15에 나타내는 폴리곤 미러의 반사면으로부터 기판(상면)까지의 빔의 상태를, 빔의 주주사 방향과 직교하는 면내에서 본 개략도이다.
도 18은 실시예 1의 광학 설계예에 의해서 발생하는 빔의 주주사 방향과 부주사 방향의 구면 수차 특성을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 19는 실시예 1에서의 주주사 방향의 구면 수차와 부주사 방향의 구면 수차와의 차분의 구면 수차 특성을 나타낸 그래프이다.
도 20a는, 평행 평판(平板)이 XZ면내에서 경사져 있지 않은 상태를 나타내는 도면이며, 도 20b는, 평행 평판이 YZ면에 대해서 각도 η만큼 경사져 있는 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 형태에 관한 빔 주사 장치 및 묘화 장치에 대해서, 바람직한 실시 형태를 게재하며, 첨부의 도면을 참조하면서 이하, 상세하게 설명한다. 또, 본 발명의 형태는, 이들 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 다양한 변경 또는 개량을 가한 것도 포함된다. 즉, 이하에 기재한 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정(想定)할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것이 포함되며, 이하에 기재한 구성 요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 여러 가지의 생략, 치환 또는 변경을 행할 수 있다.
[제1 실시 형태]
도 1은, 제1 실시 형태의 기판(피조사체)(P)에 노광 처리를 실시하는 노광 장치(EX)를 포함하는 디바이스 제조 시스템(10)의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 또, 이하의 설명에서는, 특별히 언급이 없는 한, 중력 방향을 Z방향으로 하는 XYZ 직교 좌표계를 설정하고, 도면에 나타내는 화살표에 따라서, X방향, Y방향, 및 Z방향을 설명한다.
디바이스 제조 시스템(10)은, 기판(P)에 소정의 처리(노광 처리 등)를 실시하여, 전자 디바이스를 제조하는 시스템(기판 처리 장치)이다. 디바이스 제조 시스템(10)은, 예를 들면, 전자 디바이스로서의 플렉시블·디스플레이, 필름 모양의 터치 패널, 액정 표시 패널용 필름 모양의 칼라 필터, 플렉시블 배선, 또는, 플렉시블·센서 등을 제조하는 제조 라인이 구축된 제조 시스템이다. 이하, 전자 디바이스로서 플렉시블·디스플레이를 전제로 하여 설명한다. 플렉시블·디스플레이로서는, 예를 들면, 유기 EL디스플레이, 액정 디스플레이 등이 있다. 디바이스 제조 시스템(10)은, 플렉시블(가요성)의 시트 모양의 기판(시트 기판)(P)을 롤 모양으로 감은 도시하지 않은 공급 롤로부터 기판(P)이 송출되고, 송출된 기판(P)에 대해서 각종 처리를 연속적으로 실시한 후, 각종 처리 후의 기판(P)을 도시하지 않은 회수 롤에서 권취하는, 이른바, 롤·투·롤(Roll　To　Roll) 방식의 구조를 가진다. 그 때문에, 각종 처리 후의 기판(P)은, 복수의 디바이스가 기판(P)의 반송 방향으로 이어진 상태로 되어 있고, 다면취(多面取)용 기판으로 되어 있다. 상기 공급 롤로부터 보내어진 기판(P)은, 순차적으로, 프로세스 장치(PR1), 노광 장치(EX), 및 프로세스 장치(PR2)에서 각종 처리가 실시되며, 상기 회수 롤에서 권취된다. 기판(P)은, 기판(P)의 이동 방향(반송 방향)이 긴 길이 방향(장척(長尺))이 되고, 폭방향이 짧은 길이 방향(단척(短尺))이 되는 띠 모양의 형상을 가진다.
본 제1 실시 형태에서는, X방향은, Z방향과 직교하는 수평면내에서, 기판(P)이 공급 롤로부터 회수 롤을 향하는 방향이다. Y방향은, Z방향과 직교하는 수평면내에서 X방향과 직교하는 방향이며, 기판(P)의 폭방향(단척 방향)이다. 또, －Z방향을, 중력이 작용하는 방향(중력 방향)으로 하고, 기판(P)의 반송 방향을 ＋X방향으로 한다.
기판(P)은, 예를 들면, 수지 필름, 혹은, 스테인리스강 등의 금속 또는 합금으로 이루어지는 박(箔)(포일(foil)) 등이 이용된다. 수지 필름의 재질로서는, 예를 들면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에스테르 수지, 에틸렌 비닐 공중합체 수지, 폴리염화비닐 수지, 셀룰로오스 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리스틸렌 수지, 및 아세트산 비닐 수지 중, 적어도 1개 이상을 포함하는 것을 이용해도 괜찮다. 또, 기판(P)의 두께나 강성(영률)은, 디바이스 제조 시스템(10)의 반송로를 통과할 때에, 기판(P)에 좌굴(座屈)에 의한 접힌 금이나 비가역적인 주름이 생기지 않는 범위이면 좋다. 기판(P)의 모재(母材)로서, 두께가 25μm~200μm 정도의 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)나 PEN(폴리에틸렌 나프타레이트) 등의 필름은, 바람직한 시트 기판의 전형이다.
기판(P)은, 디바이스 제조 시스템(10) 내에서 실시되는 각 처리에서 열을 받는 경우가 있기 때문에, 열팽창 계수가 현저하게 크지 않은 재질의 기판(P)을 선정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 무기 필러를 수지 필름에 혼합하는 것에 의해서 열팽창 계수를 억제할 수 있다. 무기 필러는, 예를 들면, 산화 티탄, 산화 아연, 알루미나, 또는 산화 규소 등이라도 좋다. 또, 기판(P)은, 플로트법 등에 의해 제조된 두께 100μm 정도의 매우 얇은 유리의 단층체라도 좋고, 이 매우 얇은 유리에 상기의 수지 필름, 박 등을 접합시킨 적층체라도 좋다.
그런데, 기판(P)의 가요성(flexibility)은, 기판(P)에 자중(自重) 정도의 힘을 가해도 전단(剪斷)하거나 파단하거나 하지 않고, 그 기판(P)을 휘게 하는 것이 가능한 성질을 말한다. 또, 자중 정도의 힘에 의해서 굴곡하는 성질도 가요성에 포함된다. 또, 기판(P)의 재질, 크기, 두께, 기판(P) 상에 성막(成膜)되는 층 구조, 온도, 또는, 습도 등의 환경 등에 따라서, 가요성의 정도는 바뀐다. 결국, 본 제1 실시 형태에 의한 디바이스 제조 시스템(10) 내의 반송로에 마련되는 각종의 반송용 롤러, 회전 드럼 등의 반송 방향 전환용 부재에 기판(P)을 올바르게 감는 경우에, 좌굴하여 접힌 금이 생기거나, 파손(파괴나 균열이 발생)하거나 하지 않고, 기판(P)을 매끄럽게 반송할 수 있으면, 가요성의 범위라고 할 수 있다.
프로세스 장치(처리 장치)(PR1)는, 공급 롤로부터 보내어져 온 기판(P)을 노광 장치(EX)를 향해서 소정의 속도로 장척 방향을 따른 반송 방향(＋X방향)으로 반송하면서, 노광 장치(EX)로 보내어지는 기판(P)에 대해서 전(前)공정의 처리를 행한다. 그 전공정의 처리에 의해, 노광 장치(EX)로 보내어지는 기판(P)은, 그 표면에 감광성 기능층(광 감응층)이 형성된 기판(감광 기판)으로 되어 있다.
이 감광성 기능층은, 용액으로서 기판(P) 상에 도포되고, 건조되는 것에 의해서 층(막)이 된다. 감광성 기능층의 전형적인 것은 포토레지스트(photoresist)(액상(液狀) 또는 드라이 필름상(狀))이지만, 현상(現像) 처리가 불필요한 재료로서, 자외선의 조사를 받는 부분의 친발액성(親撥液性)이 개질되는 감광성 실란 커플링제(SAM), 혹은 자외선의 조사를 받는 부분에 도금 환원기가 드러나는 감광성 환원제 등이 있다. 감광성 기능층으로서 감광성 실란 커플링제를 이용하는 경우에는, 기판(P) 상의 자외선에 의해 노광된 패턴 부분이 발액성으로부터 친액성으로 개질된다. 그 때문에, 친액성이 된 부분 상에 도전성 잉크(은이나 동 등의 도전성 나노 입자를 함유하는 잉크) 또는 반도체 재료를 함유한 액체 등을 선택 도포함으로써, 박막 트랜지스터(TFT) 등을 구성하는 전극, 반도체, 절연, 혹은 접속용 배선이 되는 패턴층을 형성할 수 있다. 감광성 기능층으로서, 감광성 환원제를 이용하는 경우에는, 기판(P) 상의 자외선에 의해 노광된 패턴 부분에 도금 환원기가 드러난다. 그 때문에, 노광 후, 기판(P)을 즉시 팔라듐 이온 등을 포함하는 도금액 중에 일정 시간 침지(浸漬)함으로써, 팔라듐에 의한 패턴층이 형성(석출)된다. 이러한 도금 처리는 애더티브(additive)인 프로세스이지만, 그 외, 서브트랙티브(subtractive)한 프로세스로서의 에칭 처리를 전제로 해도 괜찮다. 그 경우, 노광 장치(EX)로 보내어지는 기판(P)은, 모재를 PET나 PEN로 하고, 그 표면에 알루미늄(Al)이나 동(Cu) 등의 금속성 박막을 전면(全面) 또는 선택적으로 증착하며, 추가로 그 위에 포토레지스층을 적층한 것으로 하는 것이 좋다.
노광 장치(처리 장치)(EX)는, 프로세스 장치(PR1)로부터 반송되어 온 기판(P)을 프로세스 장치(PR2)를 향해서 소정의 속도로 반송 방향(＋X방향)으로 반송하면서, 기판(P)에 대해서 노광 처리를 행하는 처리 장치이다. 노광 장치(EX)는, 기판(P)의 표면(감광성 기능층의 표면, 즉, 감광면)에, 전자 디바이스용 패턴(예를 들면, 전자 디바이스를 구성하는 TFT의 전극이나 배선 등의 패턴)에 따른 광 패턴을 조사한다. 이것에 의해, 감광성 기능층에 상기 패턴에 대응한 잠상(潛像)(개질부)이 형성된다.
본 제1 실시 형태에서는, 노광 장치(EX)는, 마스크를 이용하지 않은 직묘(直描) 방식의 노광 장치, 이른바 래스터 스캔 방식의 노광 장치(묘화 장치)이다. 노광 장치(EX)는, 기판(P)을 ＋X방향(부주사의 방향)으로 반송하면서, 노광용 펄스 모양의 빔(LB)(펄스 빔)의 스폿광(SP)을, 기판(P)의 피조사면(감광면) 상에서 소정의 주사 방향(Y방향)으로 1차원으로 주사(주주사)하면서, 스폿광(SP)의 강도를 패턴 데이터(묘화 데이터, 패턴 정보)에 따라 고속으로 변조(온/오프)한다. 이것에 의해, 기판(P)의 피조사면에 전자 디바이스, 회로 또는 배선 등의 소정의 패턴에 따른 광 패턴이 묘화 노광된다. 즉, 기판(P)의 부주사와, 스폿광(SP)의 주주사에 의해, 스폿광(SP)이 기판(P)의 피조사면(감광성 기능층의 표면) 상에서 상대적으로 2차원 주사되어, 기판(P)의 피조사면에 소정의 패턴이 묘화 노광된다. 또, 기판(P)은, 반송 방향(＋X방향)을 따라서 반송되고 있으므로, 노광 장치(EX)에 의해서 패턴이 노광되는 노광 영역은, 기판(P)의 장척 방향을 따라서 소정의 간격을 두고 복수 마련되는 것이 된다. 이 노광 영역에 전자 디바이스가 형성되므로, 노광 영역은, 디바이스 형성 영역이기도 하다.
프로세스 장치(처리 장치)(PR2)는, 노광 장치(EX)로부터 보내어져 온 기판(P)을 회수 롤을 향해서 소정의 속도로 장척 방향을 따른 반송 방향(＋X방향)으로 반송하면서, 노광 장치(EX)에서 노광 처리된 기판(P)에 대한 후(後)공정의 처리(예를 들면 도금 처리나 현상·에칭 처리 등)를 행한다. 이 후공정의 처리에 의해, 기판(P) 상에 디바이스의 패턴층이 형성된다.
다음으로, 노광 장치(EX)에 대해서, 도 2~도 5도 참조하여, 더 상세하게 설명한다. 노광 장치(EX)는, 도 1과 같이 온조(溫調, 온도 조절) 챔버(ECV) 내에 격납되어 있다. 이 온조 챔버(ECV)는, 내부를 소정의 온도, 소정의 습도로 유지함으로써, 내부에서 반송되는 기판(P)의 온도에 의한 형상 변화를 억제함과 아울러, 기판(P)의 흡습성이나 반송에 따라서 발생하는 정전기의 대전(帶電) 등을 억제한다. 온조 챔버(ECV)는, 패시브 또는 액티브한 방진 유닛(SU1, SU2)을 통해서 제조 공장의 설치면(E)에 배치된다. 방진(防振) 유닛(SU1, SU2)은, 설치면(E)으로부터의 진동을 저감한다. 이 설치면(E)은, 공장의 바닥면 자체라도 괜찮고, 수평면을 만들기 위해서 바닥면 상에 전용으로 설치되는 설치 토대(土台)(페데스탈(pedestal)) 상의 면이라도 좋다. 노광 장치(EX)는, 기판 반송 기구(12)와, 광원 장치(14)와, 빔 전환부(BDU)와, 묘화 헤드(16)와, 제어 장치(18)를 적어도 구비하고 있다. 제어 장치(18)는, 노광 장치(EX)의 각 부를 제어하는 것이다. 이 제어 장치(18)는, 컴퓨터와 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 포함하며, 상기 컴퓨터가 프로그램을 실행함으로써, 본 제1 실시 형태의 제어 장치(18)로서 기능한다.
기판 반송 기구(12)는, 디바이스 제조 시스템(10)의 기판 반송 장치의 일부를 구성하는 것이며, 프로세스 장치(PR1)로부터 반송되는 기판(P)을, 노광 장치(EX) 내에서 소정의 속도로 반송한 후, 프로세스 장치(PR2)에 소정의 속도로 송출한다. 기판 반송 기구(12)는, 기판(P)의 반송 방향의 상류측(－X방향측)으로부터 순차적으로, 엣지 포지션 컨트롤러(EPC), 구동 롤러(R1), 텐션 조정 롤러(RT1), 회전 드럼(원통 드럼)(DR), 텐션 조정 롤러(RT2), 구동 롤러(R2), 및 구동 롤러(R3)를 가지고 있다. 기판(P)이, 기판 반송 기구(12)의 엣지 포지션 컨트롤러(EPC), 구동 롤러(R1~R3), 텐션 조정 롤러(RT1, RT2), 및 회전 드럼(원통 드럼)(DR)에 걸어 걸쳐짐으로써, 노광 장치(EX) 내에서 반송되는 기판(P)의 반송로(搬送路)가 규정된다.
엣지 포지션 컨트롤러(EPC)는, 프로세스 장치(PR1)로부터 반송되는 기판(P)의 폭방향(Y방향으로서 기판(P)의 단척 방향)에서의 위치를 조정한다. 즉, 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)는, 소정의 텐션이 걸린 상태로 반송되고 있는 기판(P)의 폭방향의 단부(엣지)에서의 위치가, 목표 위치에 대해서 ±십수μm~수십μm 정도의 범위(허용 범위)에 들어가도록, 기판(P)을 폭방향으로 이동시켜, 기판(P)의 폭방향에서의 위치를 조정한다. 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)는, 소정의 텐션이 걸린 상태로 기판(P)이 걸어 걸쳐지는 롤러와, 기판(P)의 폭방향의 단부(엣지)의 위치를 검출하는 도시하지 않은 엣지 센서(단부 검출부)를 가진다. 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)는, 상기 엣지 센서가 검출한 검출 신호에 근거하여, 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)의 상기 롤러를 Y방향으로 이동시켜, 기판(P)의 폭방향에서의 위치를 조정한다. 구동 롤러(닙(nip) 롤러)(R1)는, 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)로부터 반송되는 기판(P)의 표리 양면을 유지하면서 회전하고, 기판(P)을 회전 드럼(DR)으로 향하여 반송한다. 또, 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)는, 회전 드럼(DR)에 감기는 기판(P)의 장척 방향이, 회전 드럼(DR)의 중심축(AXo)에 대해서 항상 직교하도록, 기판(P)의 폭방향에서의 위치와 적절히 조정함과 아울러, 기판(P)의 진행 방향에서의 경사 오차를 보정하도록, 엣지 포지션 컨트롤러(EPC)의 상기 롤러의 회전축과 Y축과의 평행도를 적절히 조정해도 괜찮다.
회전 드럼(DR)은, Y방향으로 연장됨과 아울러 중력이 작용하는 방향과 교차한 방향으로 연장된 중심축(AXo)과, 중심축(AXo)으로부터 일정 반경의 원통 모양의 외주면을 가진다. 회전 드럼(DR)은, 이 외주면(원주면)을 따라서 기판(P)의 일부를 장척 방향으로 원통면 모양으로 만곡시켜 지지(유지)하면서, 중심축(AXo)을 중심으로 회전하여 기판(P)을 ＋X방향(장척 방향)으로 반송한다. 회전 드럼(DR)은, 묘화 헤드(16)로부터의 빔(LB)(스폿광(SP))이 투사되는 기판(P) 상의 영역(부분)을 그 외주면에서 지지한다. 회전 드럼(DR)은, 전자 디바이스가 형성되는 면(감광면이 형성된 측의 면)과는 반대측의 면(이면)측으로부터 기판(P)을 지지(밀착 유지)한다. 회전 드럼(DR)의 Y방향의 양측에는, 회전 드럼(DR)이 중심축(AXo)의 둘레를 회전하도록 고리 모양의 베어링에 의해 지지된 샤프트(Sft)가 마련되어 있다. 회전 드럼(DR)은, 제어 장치(18)에 의해서 제어되는 도시하지 않은 회전 구동원(예를 들면, 모터나 감속 기구 등)으로부터의 회전 토크가 샤프트(Sft)에 부여됨으로써 중심축(AXo) 둘레로 일정한 회전 속도로 회전한다. 또, 편의적으로, 중심축(AXo)을 포함하며, YZ평면과 평행한 평면을 중심면(Poc)이라고 부른다.
구동 롤러(닙(nip) 롤러)(R2, R3)는, 기판(P)의 반송 방향(＋X방향)을 따라서 소정의 간격을 두고 배치되어 있고, 노광 후의 기판(P)에 소정의 느슨함(여유)을 부여하고 있다. 구동 롤러(R2, R3)는, 구동 롤러(R1)와 마찬가지로, 기판(P)의 표리 양면을 유지하면서 회전하고, 기판(P)을 프로세스 장치(PR2)로 향하여 반송한다. 텐션 조정 롤러(RT1, RT2)는, －Z방향으로 가압되어 있고, 회전 드럼(DR)에 감겨져 지지되어 있는 기판(P)에 장척 방향으로 소정의 텐션을 부여하고 있다. 이것에 의해, 회전 드럼(DR)에 걸리는 기판(P)에 부여되는 장척 방향의 텐션을 소정의 범위 내에 안정화시키고 있다. 제어 장치(18)는, 도시하지 않은 회전 구동원(예를 들면, 모터나 감속 기구 등)을 제어함으로써, 구동 롤러(R1~R3)를 회전시킨다. 또, 구동 롤러(R1~R3)의 회전축, 및 텐션 조정 롤러(RT1, RT2)의 회전축은, 회전 드럼(DR)의 중심축(AXo)과 평행하다.
광원 장치(14)는, 펄스 모양의 빔(펄스 빔, 펄스 광, 레이저)(LB)을 발생하여 사출한다. 이 빔(LB)은, 370nm 이하의 파장 대역에 피크 파장을 가지는 자외선광이며, 빔(LB)의 발광 주파수(발진 주파수, 소정 주파수)를 Fa로 한다. 광원 장치(14)가 사출한 빔(LB)은, 빔 전환부(BDU)를 통해서 묘화 헤드(16)로 입사한다. 광원 장치(14)는, 제어 장치(18)의 제어에 따라서, 발광 주파수 Fa로 빔(LB)을 발광하여 사출한다. 이 광원 장치(14)는, 적외 파장역의 펄스광을 발생하는 반도체 레이저 소자, 파이버 증폭기, 및 증폭된 적외 파장역의 펄스광을 자외 파장역의 펄스광으로 변환하는 파장 변환 소자(고조파 발생 소자) 등으로 구성되는 파이버 앰프 레이저 광원으로 해도 좋다. 이와 같이 광원 장치(14)를 구성함으로써, 발진 주파수 Fa가 수백 MHz이고, 1펄스광의 발광 시간이 수피코초 정도의 고휘도인 자외선의 펄스광이 얻어진다. 또, 광원 장치(14)의 사출창으로부터 사출되는 빔(LB)은, 그 빔 지름이 1mm 정도, 혹은 그것 이하의 가는 평행 광속으로 되어 있는 것으로 한다.
빔 전환부(BDU)는, 상세하게는 도 2도 참조하여 후술하지만, 묘화 헤드(16)를 구성하는 복수의 주사 유닛(Un)(또, n=1, 2, … , 6) 중 어느 하나의 주사 유닛(Un)에, 빔(LB)을 시분할(時分割)로 입사시키도록 전환하는 복수의 광학적인 스위칭 소자를 가진다. 복수의 스위칭 소자는, 빔(LB)이 입사하는 주사 유닛(Un)을 주사 유닛(U1~U6) 중에서 순차적으로 전환한다. 예를 들면, 빔 전환부(BDU)는, 빔(LB)이 입사하는 주사 유닛(Un)을, U1→U2→U3→U4→U5→U6의 순서대로 전환하는 것을 반복한다. 또, 빔 전환부(BDU)를 통해서 주사 유닛(Un)에 입사하는 광원 장치(14)로부터의 빔(LB)을 LBn으로 나타내는 경우가 있다. 그리고, 주사 유닛(U1)에 입사하는 빔(LBn)을 LB1으로 나타내고, 마찬가지로, 주사 유닛(U2~U6)의 각각에 입사하는 빔(LBn)을 LB2~LB6으로 나타내는 경우가 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 주사 유닛(U1~U6)의 각각에는, 입사하여 온 빔(LB1~LB6)을 주주사하기 위한 폴리곤 미러(PM)가 마련된다. 본 제1 실시 형태에서는, 각 주사 유닛(Un)의 폴리곤 미러(PM)의 각각이, 동일한 회전 속도로 정밀하게 회전하면서, 서로 일정한 회전 각도 위상을 유지하도록 동기(同期) 제어된다. 이것에 의해서, 주사 유닛(U1~U6)의 각각으로부터 기판(P)에 투사되는 빔(LB1~LB6)의 각각의 주주사의 타이밍(스폿광(SP)의 주주사 기간)을, 서로 중복하지 않도록 설정할 수 있다. 그 때문에, 빔 전환부(BDU)는, 스폿광(SP)의 주사를 행하는 주사 유닛(Un) 중 어느 하나에 빔(LB)이 입사하도록, 빔(LB)을 주사 유닛(Un) 중 어느 하나로 전환하여 공급하는 것, 즉 시분할로 빔(LB)을 나눌 수 있다. 또, 스폿광(SP)의 주주사를 행하는 주사 유닛(Un)(빔(LBn)이 입사하는 주사 유닛(Un))은, U1→U2→U3→U4→U5→U6→U1 …의 순서로 반복된다. 이와 같이, 광원 장치(14)로부터의 빔(LB)을 복수의 주사 유닛(Un)의 각각에 시분할로 나누는 구성에 대해서는, 국제공개 제2015/166910호 팜플렛에 개시되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 묘화 헤드(16)는, 동일한 구성의 복수의 주사 유닛(Un(U1~U6))을 배열한, 이른바 멀티 빔형의 묘화 헤드로 되어 있다. 묘화 헤드(16)는, 회전 드럼(DR)의 외주면(원주면)에 의해 지지되어 있는 기판(P)의 일부분에, 복수의 주사 유닛(Un(U1~U6))에 의해서 패턴을 묘화한다. 각 주사 유닛(Un(U1~U6))은, 빔 전환부(BDU)로부터의 빔(LBn)을 기판(P) 상(기판(P)의 피조사면 상)에 투사하면서, 기판(P) 상에서 빔(LBn)을 집광(수렴)한다. 이것에 의해, 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn(LB1~LB6))은, 스폿광(SP)이 된다. 또, 각 주사 유닛(Un(U1~U6))의 폴리곤 미러(PM)의 회전에 의해서, 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn(LB1~LB6))의 스폿광(SP)을 주주사 방향(Y방향)으로 주사한다. 이 스폿광(SP)의 주사에 의해서, 기판(P) 상에, 1라인분(分)의 패턴이 묘화되는 직선적인 묘화 라인(주사 라인)(SLn)(또, n=1, 2, … , 6)이 규정된다. 즉, 묘화 라인(SLn)은, 빔(LBn)의 스폿광(SP)의 기판(P) 상에서의 주사 궤적을 나타내는 것이다.
주사 유닛(U1)은, 스폿광(SP)을 묘화 라인(SL1)을 따라서 주사하고, 마찬가지로, 주사 유닛(U2~U6)은, 스폿광(SP)을 묘화 라인(SL2~SL6)을 따라서 주사한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 주사 유닛(Un(U1~U6))의 묘화 라인(SLn(SL1~SL6))은, 중심면(Poc)(도 1 참조)을 사이에 두고, 회전 드럼(DR)의 둘레 방향으로 2열로 지그재그 배열로 배치된다. 홀수번째의 묘화 라인(SL1, SL3, SL5)은, 중심면(Poc)에 대해서 기판(P)의 반송 방향의 상류측(－X방향측)의 기판(P)의 피조사면 상에 위치하고, 또한, Y방향을 따라서 소정의 간격만큼 떨어져 1열로 배치되어 있다. 짝수번째의 묘화 라인(SL2, SL4, SL6)은, 중심면(Poc)에 대해서 기판(P)의 반송 방향의 하류측(＋X방향측)의 기판(P)의 피조사면 상에 위치하고, 또한, Y방향을 따라서 소정의 간격만큼 떨어져 1열로 배치되어 있다.
그 때문에, 복수의 주사 유닛(Un(U1~U6))도, 중심면(Poc)을 사이에 두고 기판(P)의 반송 방향으로 2열로 지그재그 배열로 배치된다. 즉, 홀수번째의 주사 유닛(U1, U3, U5)은, 중심면(Poc)에 대해서 기판(P)의 반송 방향의 상류측(－X방향측)이고, 또한, Y방향을 따라서 소정의 간격만큼 떨어져 1열로 배치되어 있다. 짝수번째의 주사 유닛(U2, U4, U6)은, 중심면(Poc)에 대해서 기판(P)의 반송 방향의 하류측(＋X방향측)이고, Y방향을 따라서 소정의 간격만큼 떨어져 1열로 배치되어 있다. 홀수번째의 주사 유닛(U1, U3, U5)과, 짝수번째의 주사 유닛(U2, U4, U6)은, XZ평면으로부터 보아, 중심면(Poc)에 대해서 대칭으로 마련되어 있다.
X방향(기판(P)의 반송 방향)에 관해서는, 홀수번째의 묘화 라인(SL1, SL3, SL5)과 짝수번째의 묘화 라인(SL2, SL4, SL6)이 서로 이간하고 있지만, Y방향(기판(P)의 폭방향, 주주사 방향)에 관해서는 서로 분리되지 않고 서로 이어지도록 설정되어 있다. 묘화 라인(SL1~SL6)은, 기판(P)의 폭방향, 즉, 회전 드럼(DR)의 중심축(AXo)과 대략 병행으로 되어 있다. 또, 묘화 라인(SLn)을 Y방향으로 서로 잇는다는 것은, 묘화 라인(SLn)의 단부끼리를 Y방향에 관해서 인접 또는 일부 중복시키는 것을 의미한다. 묘화 라인(SLn)의 단부끼리를 중복시키는 경우에는, 예를 들면, 각 묘화 라인(SLn)의 길이에 대해서, 묘화 개시점, 또는 묘화 종료점을 포함하여 Y방향으로 수% 이하의 범위에서 중복시키면 좋다.
이와 같이, 복수의 주사 유닛(Un(U1~U6))은 전부에 의해 노광 영역의 폭방향 전부를 커버하도록, 각 주사 유닛(Un(U1~U6))은, 주사 영역을 분담하고 있다. 이것에 의해, 각 주사 유닛(Un(U1~U6))은, 기판(P)의 폭방향으로 분할된 복수의 영역(묘화 범위)마다 패턴을 묘화할 수 있다. 예를 들면, 1개의 주사 유닛(Un)에 의한 Y방향의 주사 길이(묘화 라인(SLn)의 길이)를 20~60mm 정도로 하면, 홀수번째의 주사 유닛(U1, U3, U5) 3개와, 짝수번째의 주사 유닛(U2, U4, U6) 3개와의 합계 6개의 주사 유닛(Un)을 Y방향으로 배치하는 것에 의해서, 묘화 가능한 Y방향의 폭을 120~360mm 정도까지 넓히고 있다. 각 묘화 라인(SLn(SL1~SL6))의 길이(묘화 범위의 길이)는, 원칙으로서 동일하게 한다. 즉, 묘화 라인(SL1~SL6)의 각각을 따라서 주사되는 빔(LBn)의 스폿광(SP)의 주사 거리는, 원칙으로서 동일하게 한다.
본 제1 실시 형태의 경우, 광원 장치(14)로부터의 빔(LB)이 펄스광이기 때문에, 주주사의 동안에 묘화 라인(SLn) 상에 투사되는 스폿광(SP)은, 빔(LB)의 발진 주파수 Fa(예를 들면, 400 MHz)에 따라서 이산적(離散的)이게 된다. 그 때문에, 빔(LB)의 1 펄스광에 의해서 투사되는 스폿광(SP)과 다음의 1펄스광에 의해서 투사되는 스폿광(SP)을, 주주사 방향으로 오버랩시킬 필요가 있다. 그 오버랩의 양은, 스폿광(SP)의 사이즈 φ, 스폿광(SP)의 주사 속도(주주사의 속도) Vs, 및 빔(LB)의 발진 주파수 Fa에 의해서 설정된다. 스폿광(SP)의 실효적인 사이즈(직경) φ는, 스폿광(SP)의 강도 분포가 가우스(Gauss) 분포로 근사(近似)되는 경우, 스폿광(SP)의 피크 강도의 1/e2(또는 1/2)의 강도가 되는 폭 치수로 정해진다. 본 제1 실시 형태에서는, 실효적인 사이즈(치수) φ에 대해서, φ×1/2 정도 스폿광(SP)이 오버랩하도록, 스폿광(SP)의 주사 속도 Vs(폴리곤 미러(PM)의 회전 속도) 및 발진 주파수 Fa가 설정된다. 따라서, 펄스 모양의 스폿광(SP)의 주주사 방향을 따른 투사 간격은, φ／2가 된다. 그 때문에, 부주사 방향(묘화 라인(SLn)과 직교한 방향)에 관해서도, 묘화 라인(SLn)을 따른 스폿광(SP)의 1회의 주사와, 다음의 주사와의 사이에서, 기판(P)이 스폿광(SP)의 실효적인 사이즈 φ의 대략 1/2의 거리만큼 이동하도록 설정하는 것이 바람직하다. 게다가, Y방향으로 서로 이웃하는 묘화 라인(SLn)을 주주사 방향으로 잇는 경우도, φ／2만큼 오버랩시키는 것이 바람직하다. 본 제1 실시 형태에서는, 스폿광(SP)의 사이즈(치수) φ를 3μm 정도로 한다.
각 주사 유닛(Un(U1~U6))은, 적어도 XZ평면에서, 각 빔(LBn)이 회전 드럼(DR)의 중심축(AXo)을 향해 진행하도록, 각 빔(LBn)을 기판(P)을 향해서 조사한다. 이것에 의해, 각 주사 유닛(Un(U1~U6))으로부터 기판(P)을 향해 진행하는 빔(LBn)의 광로(빔 중심축)는, XZ평면에서, 기판(P)의 피조사면의 법선과 평행이 된다. 이 때, XZ평면에 관해서, 홀수번째의 주사 유닛(U1, U3, U5)으로부터 기판(P)을 향해 투사되는 빔(LB)의 진행 방향(묘화 라인(SL1, SL3, SL5)과 중심축(AXo)을 잇는 방향)과 중심면(Poc)과의 각도는 -θ1으로 하면, 짝수번째의 주사 유닛(U2, U4, U6)으로부터 기판(P)을 향해 투사되는 빔(LB)의 진행 방향(묘화 라인(SL2, SL4, SL6)과 중심축(AXo)을 잇는 방향)과 중심면(Poc)과의 각도는 ＋θ1으로 되어 있다. 즉, XZ평면에 관해서, 홀수번째의 주사 유닛(U1, U3, U5)으로부터 기판(P)을 향해 투사되는 빔(LB)의 진행 방향과, 짝수번째의 주사 유닛(U2, U4, U6)으로부터 기판(P)을 향해 투사되는 빔의 진행 방향이란, 중심면(Poc)에 대해서 대칭으로 되어 있다. 또, 각 주사 유닛(Un(U1~U6))은, 묘화 라인(SLn(SL1~SL6))에 조사하는 빔(LBn)이, YZ평면과 평행한 면내에서는 기판(P)의 피조사면에 대해서 수직이 되도록, 빔(LBn)을 기판(P)을 향해서 조사한다. 즉, 피조사면에서의 스폿광(SP)의 주주사 방향에 관해서, 기판(P)에 투사되는 빔(LBn(LB1~LB6))은 텔레센트릭한 상태로 주사된다.
게다가, 도 2를 이용하여 빔 전환부(BDU) 및 묘화 헤드(16)의 주사 유닛(Un(U1~U6))의 구성을 간단하게 설명한다. 빔 전환부(BDU)는, 복수의 스위칭 소자로서의 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))와, 복수의 반사 미러(M1~M12)와, 복수의 입사 미러(IMn(IM1~IM6))와, 흡수체(TR)를 가진다. 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))는, 빔(LB)에 대해서 투과성을 가지는 것이며, 초음파 신호로 구동되는 음향 광학 변조 소자(AOM：Acousto-Optic Modulator)이다. 이 복수의 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6)) 및 복수의 입사 미러(IMn(IM1~IM6))는, 복수의 주사 유닛(Un(U1~U6))에 대응하여 마련되어 있다. 예를 들면, 선택용 광학 소자(AOM1) 및 입사 미러(IM1)는, 주사 유닛(U1)에 대응하여 마련되고, 마찬가지로, 선택용 광학 소자(AOM2~AOM6) 및 입사 미러(IM2~IM6)는, 주사 유닛(U2~U6)에 대응하여 마련되어 있다.
광원 장치(14)로부터 빔(LB)은, 반사 미러(M1~M12)에 의해서 그 광로가 구불구불한 모양으로 구부려져, 흡수체(TR)까지 안내된다. 이하, 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))가 모두 오프 상태(초음파 신호가 인가되어 있지 않은 상태)의 경우로, 상술한다. 또, 도 2에서는 도시를 생략했지만, 반사 미러(M1)로부터 흡수체(TR)까지의 빔 광로 중에는 복수의 렌즈가 마련되고, 빔(LB)을 평행 광속으로부터 수렴하거나, 수렴 후에 발산하는 빔(LB)을 평행 광속으로 되돌리거나 한다. 그 구성에 대해서는 도 3을 이용하여 후술한다.
도 2에서, 광원 장치(14)로부터의 빔(LB)은, X축과 평행하게 -X방향으로 진행하여 반사 미러(M1)에 입사한다. 반사 미러(M1)에서 -Y방향으로 반사한 빔(LB)은, 반사 미러(M2)에 입사한다. 반사 미러(M2)에서 ＋X방향으로 반사한 빔(LB)은, 선택용 광학 소자(AOM5)를 스트레이트하게 투과하여 반사 미러(M3)에 이른다. 반사 미러(M3)에서 -Y방향으로 반사한 빔(LB)은, 반사 미러(M4)에 입사한다. 반사 미러(M4)에서 -X방향으로 반사한 빔(LB)은, 선택용 광학 소자(AOM6)를 스트레이트하게 투과하여 반사 미러(M5)에 이른다. 반사 미러(M5)에서 -Y방향으로 반사한 빔(LB)은, 반사 미러(M6)에 입사한다. 반사 미러(M6)에서 ＋X방향으로 반사한 빔(LB)은, 선택용 광학 소자(AOM3)를 스트레이트하게 투과하여 반사 미러(M7)에 이른다. 반사 미러(M7)에서 -Y방향으로 반사한 빔(LB)은, 반사 미러(M8)에 입사한다. 반사 미러(M8)에서 -X방향으로 반사한 빔(LB)은, 선택용 광학 소자(AOM4)를 스트레이트하게 투과하여 반사 미러(M9)에 이른다. 반사 미러(M9)에서 -Y방향으로 반사한 빔(LB)은 반사 미러(M10)에 입사한다. 반사 미러(M10)에서 ＋X방향으로 반사한 빔(LB)은, 선택용 광학 소자(AOM1)를 스트레이트하게 투과하여 반사 미러(M11)에 이른다. 반사 미러(M11)에서 -Y방향으로 반사한 빔(LB)은, 반사 미러(M12)에 입사한다. 반사 미러(M12)에서 -X방향으로 반사한 빔(LB)은, 선택용 광학 소자(AOM2)를 스트레이트하게 투과하여 흡수체(TR)에 안내된다. 이 흡수체(TR)는, 빔(LB)의 외부로의 누설을 억제하기 위해서 빔(LB)을 흡수하는 광 트랩(trap)이다.
각 선택용 광학 소자(AOMn)는, 초음파 신호(고주파 신호)가 인가되면, 입사한 빔(0차 광)(LB)을, 고주파의 주파수에 따른 회절각으로 회절시킨 1차 회절광을 사출 빔(빔(LBn))으로서 발생시키는 것이다. 따라서, 선택용 광학 소자(AOM1)로부터 1차 회절광으로서 사출되는 빔이 LB1이 되며, 마찬가지로 선택용 광학 소자(AOM2~AOM6)로부터 1차 회절광으로서 사출되는 빔이 LB2~LB6가 된다. 이와 같이, 각 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))는, 광원 장치(14)로부터의 빔(LB)의 광로를 편향시키는 기능을 나타낸다. 단, 실제의 음향 광학 변조 소자는, 1차 회절광의 발생 효율이 0차 광의 80% 정도이기 때문에, 각 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))의 각각에서 편향된 빔(LBn(LB1~LB6))은, 원래의 빔(LB)의 강도보다 저하되어 있다. 또, 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6)) 중 어느 하나가 온 상태일 때, 회절되지 않고 직진하는 0차 광이 20% 정도 잔존하지만, 그것은 최종적으로 흡수체(TR)에 의해서 흡수된다.
복수의 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))의 각각은, 편향된 1차 회절광인 빔(LBn(LB1~LB6))을, 입사하는 빔(LB)에 대해서 -Z방향으로 편향하도록 설치된다. 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))의 각각으로부터 편향하여 사출되는 빔(LBn(LB1~LB6))은, 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))의 각각으로부터 소정 거리만큼 떨어진 위치에 마련된 입사 미러(IMn(IM1~IM6))에 투사된다. 각 입사 미러(IMn(IM1~IM6))는, 입사한 빔(LBn(LB1~LB6))을 -Z방향으로 반사함으로써, 빔(LBn(LB1~LB6))을 대응하는 주사 유닛(Un(U1~U6))으로 안내한다. 또, 입사 미러(IMn)의 각각은, 빔(LBn)의 각각을 -Z방향으로 낙사(落射)시키기 때문에, 낙사용 미러라고도 불린다.
각 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))의 구성, 기능, 작용 등은 서로 동일한 것을 이용해도 괜찮다. 복수의 선택용 광학 소자(AOMn(AOM1~AOM6))는, 제어 장치(18)로부터의 구동 신호(고주파 신호)의 온/오프에 따라서, 입사한 빔(LB)을 회절시킨 회절광의 발생을 온/오프한다. 예를 들면, 선택용 광학 소자(AOM5)는, 제어 장치(18)로부터의 구동 신호(고주파 신호)가 인가되지 않고 오프의 상태일 때에는, 입사한 광원 장치(14)로부터의 빔(LB)을 회절시키지 않고 투과한다. 따라서, 선택용 광학 소자(AOM5)를 투과한 빔(LB)은, 반사 미러(M3)에 입사한다. 한편, 선택용 광학 소자(AOM5)는, 제어 장치(18)로부터의 구동 신호(고주파 신호)가 인가되어 온 인 상태일 때에는, 입사한 빔(LB)을 회절시켜 입사 미러(IM5)를 향하게 한다. 즉, 이 구동 신호에 의해서 선택용 광학 소자(AOM6)가 스위칭한다. 이와 같이 하여, 각 선택용 광학 소자(AOMn)를 스위칭함으로써, 빔(LBn)을 어느 하나의 주사 유닛(Un)으로 안내할 수 있고, 또한, 빔(LBn)이 입사하는 주사 유닛(Un)을 전환할 수 있다.
도 1에 나타낸 제어 장치(18)는, 묘화하고 싶은 패턴에 따른 패턴 데이터(묘화 데이터)에 근거하여, 광원 장치(14)로부터 사출되는 펄스 모양의 빔(LB)의 온/오프를 1펄스 단위로 제어한다. 광원 장치(14)를 파이버 앰프 레이저 광원으로 한 경우에, 광원 장치(14)로부터의 펄스 모양의 빔(LB)을 패턴 데이터에 근거하여 온/오프(변조)하는 구성에 관해서도, 전술의 국제공개 제2015/166910호 팜플렛에 개시되어 있다. 여기서, 패턴 데이터에 대해 간단하게 설명한다. 패턴 데이터(묘화 데이터, 설계 정보)는, 주사 유닛(Un)마다 마련되고, 각 주사 유닛(Un)에 의해서 묘화되는 패턴을, 스폿광(SP)의 사이즈에 따라 설정되는 치수의 화소에 의해서 분할하고, 복수의 화소의 각각을 묘화하고 싶은 패턴에 따른 논리 정보(화소 데이터)로 나타낸 것이다. 즉, 이 패턴 데이터는, 스폿광(SP)의 주주사 방향(Y방향)을 따른 방향을 행(行)방향으로 하고, 기판(P)의 부주사 방향(X방향)을 따른 방향을 열(列)방향으로 하도록 2차원으로 분해된 복수의 화소의 논리 정보로 구성되어 있는 비트 맵 데이터이다. 이 화소의 논리 정보는, 「0」또는 「1」의 1비트의 데이터이다. 「0」의 논리 정보는, 기판(P)에 조사하는 스폿광(SP)의 강도를 저레벨(비묘화)로 하는 것을 의미하고, 「1」의 논리 정보는, 기판(P) 상에 조사하는 스폿광(SP)의 강도를 고레벨(묘화)로 하는 것을 의미한다.
패턴 데이터의 1열분(分)의 화소의 논리 정보는, 1개분(分)의 묘화 라인(SLn(SL1~SL6))에 대응하는 것이다. 따라서, 1열분의 화소의 수는, 기판(P)의 피조사면 상에서의 화소의 치수와 묘화 라인(SLn)의 길이에 따라 정해진다. 이 1화소의 치수 Pxy는, 스폿광(SP)의 사이즈 φ와 동일한 정도, 혹은, 그것 이상으로 설정되며, 예를 들면, 스폿광(SP)의 실효적인 사이즈 φ가 3μm인 경우에는, 1화소의 치수 Pxy는, 3μm각(角, 사각형의 한변 길이) 정도 이상으로 설정된다. 1열분의 화소의 논리 정보에 따라서, 1개의 묘화 라인(SLn(SL1~SL6))을 따라서 기판(P)에 투사되는 스폿광(SP)의 강도가 변조된다. 광원 장치(14)가 파이버 앰프 레이저 광원의 경우, 국제공개 2015/166910호 팜플렛에 개시되어 있는 바와 같이, 파이버 증폭기에 입사하는 적외 파장역의 펄스 모양의 종광(種光)(발광 주파수 Fa)은, 제어 장치(18)로부터 보내어져 오는 패턴 데이터의 화소의 논리 정보 「1」, 「0」에 따라서, 피크 강도가 크고 날카로운 펄스광과, 피크 강도가 낮고 완만한 펄스광 중 어느 일방으로 고속으로 스위칭된다.
또, 선택용 광학 소자(AOMn)는, 선택용 광학 소자(AOMn)에 입사하는 빔(LB)의 지름이 작아지면, 회절 효율 및 응답성이 높아진다. 그 때문에, 선택용 광학 소자(AOMn)에 입사하는 빔(LB)을 평행 광속으로 하는 경우에는, 선택용 광학 소자(AOMn)에 입사하는 빔(LB)의 지름이 평행 광속의 상태로 축소되는 빔 정형(整形) 광학계를 마련해도 좋다. 본 제1 실시 형태에서는, 광원 장치(14)로부터 사출하는 빔(LB)의 직경을 1mm 이하의 평행 광속으로 했으므로, 그대로의 상태에서 선택용 광학 소자(AOMn)로 통과할 수 있다.
이상의 도 2, 도 3의 구성에서, 광원 장치(14)와 빔 전환부(BDU)는 주사 유닛(Un)의 각각에 묘화용 빔(LBn)을 공급하는 빔 공급 유닛(빔 생성 장치)을 구성한다. 보다 엄밀하게 정의한다면, 도 2 중의 주사 유닛(U5)에 대한 빔 공급 유닛은, 광원 장치(14), 미러(M1, M2), 선택용 광학 소자(AOM5), 및 입사 미러(IM5)로 구성되며, 주사 유닛(U6)에 대한 빔 공급 유닛은, 광원 장치(14), 미러(M1~M4), 선택용 광학 소자(AOM5, AOM6), 및 입사 미러(IM6)로 구성되고, 주사 유닛(U3)에 대한 빔 공급 유닛은, 광원 장치(14), 미러(M1~M6), 선택용 광학 소자(AOM5, AOM6, AOM3), 및 입사 미러(IM3)로 구성되고, 주사 유닛(U4)에 대한 빔 공급 유닛은, 광원 장치(14), 미러(M1~M8), 선택용 광학 소자(AOM5, AOM6, AOM3, AOM4), 및 입사 미러(IM4)로 구성되며, 주사 유닛(U1)에 대한 빔 공급 유닛은, 광원 장치(14), 미러(M1~M10), 선택용 광학 소자(AOM5, AOM6, AOM3, AOM4, AOM1), 및 입사 미러(IM1)로 구성되고, 그리고, 주사 유닛(U2)에 대한 빔 공급 유닛은, 광원 장치(14), 미러(M1~M12), 선택용 광학 소자(AOM5, AOM6, AOM3, AOM4, AOM1, AOM2), 및 입사 미러(IM2)로 구성된다.
다음으로, 주사 유닛(빔 주사 장치)(Un)의 구성에 대해 설명한다. 각 주사 유닛(Un(U1~U6))은, 동일 구성으로 되어 있기 때문에, 주사 유닛(U1)에 대해서만 간단하게 설명한다. 주사 유닛(U1)은, 반사 미러(M20~M24), 폴리곤 미러(PM), 및 fθ 렌즈계(FT)를 적어도 구비하고 있다. 또, 도 2에서는, 도시하고 있지 않지만, 빔(LB1)의 진행 방향으로부터 보아, 폴리곤 미러(PM) 직전에는 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)가 배치되며, fθ 렌즈계(FT) 뒤에 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)가 마련되어 있다. 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 대해서는 후에 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.
입사 미러(IM1)에서 -Z방향으로 반사된 빔(LB1)은, 반사 미러(M20)에 입사하고, 반사 미러(M20)에서 반사한 빔(LB1)은, －X방향으로 진행하여 반사 미러(M21)에 입사한다. 반사 미러(M21)에서 -Z방향으로 반사한 빔(LB1)은, 반사 미러(M22)에 입사하고, 반사 미러(M22)에서 반사한 빔(LB1)은, ＋X방향으로 진행하여 반사 미러(M23)에 입사한다. 반사 미러(M23)는, 입사한 빔(LB1)을 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)을 향해서 반사한다.
폴리곤 미러(PM)는, 입사한 빔(LB1)을, fθ 렌즈계(FT)를 향해서 ＋X방향측으로 반사한다. 폴리곤 미러(PM)는, 빔(LB1)의 스폿광(SP)을 기판(P)의 피조사면 상에서 주사하기 때문에, 입사한 빔(LB1)을 XY평면과 평행한 면내에서 1차원으로 편향(반사)한다. 구체적으로는, 폴리곤 미러(회전 다면경, 가동 편향 부재)(PM)는, Z축 방향으로 연장되는 회전축(AXp)과, 회전축(AXp)의 둘레에 형성된 복수의 반사면(RP)(본 제1 실시 형태에서는 반사면(RP)의 수 Np를 8로 함)을 가지는 회전 다면경이다. 회전축(AXp)을 중심으로 이 폴리곤 미러(PM)를 소정의 회전 방향으로 회전시킴으로써 반사면(RP)에 조사되는 펄스 모양의 빔(LB1)의 반사각을 연속적으로 변화시킬 수 있다. 이것에 의해, 1개의 반사면(RP)에 의해서 빔(LB1)이 편향되고, 기판(P)의 피조사면 상에 조사되는 빔(LB1)의 스폿광(SP)을 주주사 방향(기판(P)의 폭방향, Y방향)을 따라서 주사할 수 있다. 즉, 1개의 반사면(RP)에 의해서, 빔(LB1)의 스폿광(SP)을 주주사 방향을 따라서 주사할 수 있다. 이 때문에, 폴리곤 미러(PM)의 1회전으로, 기판(P)의 피조사면 상에 스폿광(SP)이 주사되는 묘화 라인(SL1)의 수는, 최대로 반사면(RP)의 수와 동일한 8개가 된다. 폴리곤 미러(PM)는, 제어 장치(18)의 제어하에서, 도시하지 않은 회전 구동원(예를 들면, 디지털 모터등)에 의해서 지령된 속도로 정확하게 회전한다.
fθ 렌즈계(주사계 렌즈, 주사용 광학계)(FT)는, 폴리곤 미러(PM)에 의해서 반사된 빔(LB1)을, 반사 미러(M24)에 투사하는 텔레센트릭계의 스캔 렌즈이다. fθ 렌즈계(FT)를 투과한 빔(LB1)은, 반사 미러(M24)를 통해서 스폿광(SP)이 되어 기판(P) 상에 투사된다. 이 때, 반사 미러(M24)는, XZ평면에 관해서, 빔(LB1)이 회전 드럼(DR)의 중심축(AXo)을 향해 진행하도록, 빔(LB1)을 기판(P)을 향해서 반사한다. 빔(LB1)의 fθ 렌즈계(FT)로의 입사각 θ는, 폴리곤 미러(PM)의 회전각 (θ／2)에 따라 바뀐다. fθ 렌즈계(FT)는, 반사 미러(M24)를 통해서, 그 입사각 θ에 비례한 기판(P)의 피조사면 상의 상고(像高) 위치에 빔(LB1)을 투사한다. 초점 거리를 fo로 하고, 상고(像高) 위치를 yo로 하면, fθ 렌즈계(FT)는, yo=fo×θ의 관계(왜곡 수차)를 만족하도록 설계되어 있다. 따라서, 이 fθ 렌즈계(FT)에 의해서, 빔(LB1)을 Y방향으로 정확하게 등속으로 주사하는 것이 가능하게 된다. 또, fθ 렌즈계(FT)에 입사하는 빔(LB1)이 폴리곤 미러(PM)에 의해서 1차원으로 편향되는 면(XY면과 평행)은, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)을 포함하는 면이 된다.
도 3은, 선택용 광학 소자(AOMn) 및 입사 미러(IMn) 주위의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다. 또, 선택용 광학 소자(AOMn) 및 입사 미러(IMn) 주위의 구성은 서로 동일하기 때문에, 여기에서는 대표하여 선택용 광학 소자(AOM1) 및 입사 미러(IM1) 주위의 구성에 대해서만 설명한다.
선택용 광학 소자(AOM1)에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전단(前段)의 선택용 광학 소자(AOM4), 반사 미러(M9, M10)를 통과한 후에, 예를 들면 직경 1mm 이하의 미소(微小)한 지름(제1 지름)의 평행 광속(光束)이 된 빔(LB)이 입사한다. 고주파 신호(초음파 신호)인 구동 신호가 입력되어 있지 않은 기간(구동 신호가 오프)에서는, 선택용 광학 소자(AOM1)는, 입사한 빔(LB)을 회절시키지 않고 그대로 투과한다. 투과한 빔(LB)은, 그 광로 상에 광축(AXa)을 따라서 마련된 집광 렌즈(G1) 및 콜리메이트 렌즈(G2a)를 투과하여, 후단(後段)의 선택용 광학 소자(AOM2)에 입사한다. 이 때 선택용 광학 소자(AOM1)를 통과하여 집광 렌즈(G1) 및 콜리메이트 렌즈(G2a)를 통과하는 빔(LB)의 중심축은, 광축(AXa) 상을 통과하는 것으로 한다. 집광 렌즈(G1)는, 선택용 광학 소자(AOM1)를 투과한 빔(LB)(평행 광속)을, 집광 렌즈(G1)와 콜리메이트 렌즈(G2a)와의 사이에 위치하는 면(p1)의 위치에서 빔 웨이스트가 되도록 집광한다. 콜리메이트 렌즈(G2a)는, 집광 렌즈(G1)에 의해서 집광된 후, 발산한 빔(LB)을 평행 광속으로 한다. 콜리메이트 렌즈(G2a)에 의해서 평행 광속이 된 빔(LB)의 지름은, 제1 지름이 된다. 집광 렌즈(G1)의 후측 초점과 콜리메이트 렌즈(G2a)의 전측 초점은, 소정의 허용 범위 내에서 일치하고 있고, 집광 렌즈(G1)의 전측 초점은 선택용 광학 소자(AOM1) 내의 회절점과 소정의 허용 범위 내에서 일치하고 있다. 이 집광 렌즈(G1)와 콜리메이트 렌즈(G2a)는 릴레이 렌즈계를 구성한다.
한편, 고주파 신호인 구동 신호가 선택용 광학 소자(AOM1)에 인가되어 있는 기간에서는, 선택용 광학 소자(AOM1)는, 입사한 빔(LB)을 회절시킨 빔(LB1)(회절광)을 발생시킨다. 고주파 신호의 주파수에 따른 회절각으로 -Z방향으로 편향한 빔(LB1)(평행 광속)은, 집광 렌즈(G1)를 투과하여, 면(p1) 상에 마련된 입사 미러(IM6)에 입사한다. 집광 렌즈(G1)는, －Z방향으로 편향된 빔(LB1)의 중심축(AXb)이 빔(LB)이 통과하는 광축(AXa)과 평행이 되도록 빔(LB1)을 굴절시키고, 또한, 빔(LB1)을 입사 미러(IM1)의 반사면 상 또는 그 근방에서 빔 웨이스트가 되도록 집광(수렴)한다. 선택용 광학 소자(AOM1)를 투과한 빔(LB)의 광로에 대해서 -Z방향 측에 마련된 입사 미러(IM6)에 의해서, 빔(LB1)은 -Z방향으로 반사되어, 콜리메이트 렌즈(G2b)를 통해서 주사 유닛(U1)에 입사한다. 콜리메이트 렌즈(G2b)는, 집광 렌즈(G1)에 의해서 수렴/발산된 빔(LB1)을, 콜리메이트 렌즈(G2b)의 광축과 동축인 평행 광속으로 한다. 콜리메이트 렌즈(G2b)에 의해서 평행 광속이 된 빔(LB1)의 지름은, 제1 지름이 된다. 집광 렌즈(G1)의 후측 초점과 콜리메이트 렌즈(G2b)의 전측 초점은, 소정의 허용 범위 내에서 일치하고 있다. 이 집광 렌즈(G1)와 콜리메이트 렌즈(G2b)는 릴레이 렌즈계를 구성한다. 또, 도 3의 집광 렌즈(G1), 콜리메이트 렌즈(G2a, G2b)는, 도 2에서 나타낸 다른 선택용 광학 소자(AOM2~AOM6)의 각각의 뒤의 광로 중에도, 도 3과 동일한 조건으로 배치된다.
그런데, 도 2에 나타낸 주사 유닛(U1)에서는, fθ 렌즈계(FT)의 광축을 XY면과 평행하게 도시했으므로, 주사 유닛(U1)으로부터 기판(P)에 투사되는 빔(LB1)의 중심축(주광선)이 회전 드럼(DR)의 중심축(AXo)을 향하도록, 선단의 반사 미러(M24)의 반사 평면은, XY면에 대해서 45도 이외의 각도로 경사져 배치된다. 그렇지만, fθ 렌즈계(FT)의 광축이 XY면에 대해서 경사지도록 주사 유닛(U1~U6)의 각각의 전체가 XZ면내에서 경사지는 경우에는, fθ 렌즈계(FT)의 광축이 반사 미러(M24)에서 90도로 절곡되는 구성으로 해도 괜찮다.
도 4는, 주사 유닛(U1)의 구체적인 구성을 나타내는 도면이며, 빔(LB1)의 주사 방향(편향 방향)을 포함하는 평면(XY평면과 평행한 평면)과 직교하는 평면(XZ평면)으로부터 본 도면이다. 또, 도 4에서는, fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)이 XY면과 평행하게 배치되고, 선단의 반사 미러(M24)가 광축(AXf)을 90도로 절곡되도록 배치되는 것으로 한다. 주사 유닛(U1) 내에는, 빔(LB1)의 입사 위치로부터 피조사면(기판(P))까지의 빔(LB1)의 송광로(送光路)를 따라서, 반사 미러(M20), 빔 익스팬더(BE), 경사각 가변의 평행 평판(HVP), 개구 조리개(PA), 반사 미러(M21), 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), 구면 렌즈(G10a), 반사 미러(M22), 구면 렌즈(G10b), 반사 미러(M23), 폴리곤 미러(PM), fθ 렌즈계(FT), 반사 미러(M24), 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)가 마련된다.
도 3에서 나타낸 입사 미러(IM1)에 의해서 -Z방향으로 반사된 평행 광속의 빔(LB1)은, XY평면에 대해서 45도 경사진 반사 미러(M20)에 입사한다. 이 반사 미러(M20)는, 입사한 빔(LB1)을, 반사 미러(M20)로부터 -X방향으로 떨어진 반사 미러(M21)를 향해서 -X방향으로 반사한다. 반사 미러(M20)에서 반사한 빔(LB1)은, 빔 익스팬더(BE) 및 개구 조리개(PA)를 투과하여 반사 미러(M21)에 입사한다. 빔 익스팬더(BE)는, 투과하는 빔(LB1)의 지름을 확대시킨다. 빔 익스팬더(BE)는, 집광 렌즈(Be1)와, 집광 렌즈(Be1)에 의해서 수렴된 후에 발산하는 빔(LB1)을 평행 광속으로 하는 콜리메이트 렌즈(Be2)를 가진다. 이 빔 익스팬더(BE)에 의해 빔(LB6)을 개구 조리개(PA)의 개구 부분에 조사하는 것이 용이하게 된다. 또, 집광 렌즈(Be1)와 콜리메이트 렌즈(Be2)의 사이에는, 빔(LBn)에 대한 경사 각도를 도시하지 않은 구동 모터 등에 의해 XZ면과 평행한 면내에서 변경 가능하게 한 석영의 평행 평판(HVP)이 시프트용 광학 부재로서 배치되어 있다. 이 평행 평판(HVP)의 경사각을 바꿈으로써, 기판(P) 상에서 주사되는 스폿광(SP)의 주사 궤적인 묘화 라인(SLn)을 부주사 방향으로 미소량(예를 들면, 스폿광(SP)의 실효적인 직경 φ의 수배~수십배 정도)만큼 시프트시킬 수 있다. 이 기능에 대해서는, 다음에 상술한다.
반사 미러(M21)는, YZ평면에 대해서 45도 경사져 배치되며, 입사한 빔(LB1)을, 반사 미러(M21)로부터 -Z방향으로 떨어진 반사 미러(M22)를 향해서 -Z방향으로 반사한다. 반사 미러(M21)에서 -Z방향으로 반사된 빔(LB1)은, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)(제1 광학 부재) 및 구면 렌즈(G10a)를 투과한 후, 반사 미러(M22)에 이른다. 반사 미러(M22)는, XY평면에 대해서 45도 경사져 배치되고, 입사한 빔(LB1)을 반사 미러(M23)를 향해서 ＋X방향으로 반사한다. 반사 미러(M22)에서 반사한 빔(LB1)은, 구면 렌즈(G10b)를 통해서 반사 미러(M23)에 입사한다. 반사 미러(M23)는, 입사한 빔(LB1)을 폴리곤 미러(회전 다면경, 가동 편향 부재)(PM)를 향해서, XY면과 평행한 면내에서 절곡한다. 폴리곤 미러(PM)의 1개의 반사면(RP)은, 입사한 빔(LB1)을, X축 방향으로 연장되는 광축(AXf)을 가지는 fθ 렌즈계(FT)를 향해서 ＋X방향으로 반사한다. 이 구면 렌즈(G10a)와 구면 렌즈(G10b)는 렌즈계(제3 광학 부재)(G10)를 구성한다. 구면 렌즈(G10a, G10b)는, 등방적인 굴절력을 가진다.
단(單)렌즈로 구성되는 평(平)볼록의 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 1방향으로 굴절력(파워)을 가지는 렌즈이며, 비등방적인 굴절력을 가진다. 도 5는, 개구 조리개(PA)로부터 기판(P)까지의 빔(LB)의 광로를 XY면 상으로 전개하고, 빔(LB)의 편향 방향(주주사 방향)을 포함하는 평면과 평행한 평면으로부터 본 개략도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(폴리곤 미러(PM)의 회전축(AXp)과 수직인 면내에서의 주주사 방향, 회전 방향)에 관해서는, 입사한 빔(LB1)을, 폴리곤 미러(PM)의 직전에 위치하는 면(p2)에서, 빔 웨이스트가 되도록 1차원으로 집광(수렴)한다. 이 폴리곤 미러(PM)의 직전의 집광 위치(면(p2)의 위치)를 제1 위치로 한다. 이 제1 위치는, 렌즈계(G10)(구면 렌즈(G10a, G10b))의 직전의 위치이다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향)과는 직교하는 방향(부주사 방향)에 관해서는, 입사한 빔(LB1)을 집광시키지 않고 그대로 평행 광속으로서 투과한다(도 4 참조). 이와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)를 투과한 빔(LB1)이, 폴리곤 미러(PM)의 편향 방향과는 직교하는 방향(부주사 방향)에 관해서는 비(非)집광이 되도록, X방향과 평행한 방향(부주사 방향)으로 연장된 모선을 가진다.
렌즈계(G10)(구면 렌즈(G10a, G10b))는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향, 회전 방향)에 관해서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)에 의해서 집광된 후, 발산한 빔(LB1)을 거의 평행 광속으로 한다(도 5 참조). 또, 렌즈계(G10)(구면 렌즈(G10a, G10b))는, 폴리곤 미러(PM)의 빔(LB1)의 편향 방향과는 직교하는 방향(부주사 방향)에 관해서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)를 투과한 평행 광속의 빔(LB1)을, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP) 상에서 집광(수렴)한다(도 4 참조). 이것에 의해, 폴리곤 미러(PM)에 투사되는 빔(LB1)은, 반사면(RP) 상에서 XY평면과 평행한 면내에서 연장된 슬릿 모양(긴 타원 모양)으로 수렴된다. 이와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 렌즈계(G10)와, 후술하는 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의해서, 반사면(RP)이 Z방향에 대해서 경사져 있는 경우(XY평면의 법선에 대한 반사면(RP)의 기울어짐)가 있어도, 그 영향을 억제할 수 있다. 예를 들면, 기판(P)의 피조사면 상에 조사되는 빔(LB1)(묘화 라인(SL1))의 조사 위치가, 폴리곤 미러(PM)의 각 반사면(RP)마다 약간의 경사 오차(면 탱글)에 의해서 X방향으로 어긋나는 것을 억제하는 것, 즉, 각 반사면(RP)의 면 탱글 보정을 행할 수 있다. 또, 반사면(RP)에서 반사된 빔(LB1)은, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향, 회전 방향)에 관해서는, 거의 평행 광속 그대로 fθ 렌즈계(FT)에 입사하고, 폴리곤 미러(PM)의 빔(LB1)의 편향 방향과 직교하는 방향(부주사 방향)에 관해서는, 소정의 개구수(NA)로 발산한 상태로 fθ 렌즈계(FT)에 입사한다.
또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 폴리곤 미러(PM)의 편향 방향(스폿광(SP)의 주주사 방향)에 관한 굴절력에 따른 후측 초점과, 렌즈계(G10)의 전측 초점과는 소정의 허용 범위 내에서, 면(p2)에서 일치하도록 설정되어 있다. 렌즈계(G10)의 후측 초점과 fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점은, 소정의 허용 범위 내에서 폴리곤 미러(PM)의 편향 위치(반사면(RP) 상)에서 일치하도록 설정되어 있다.
fθ 렌즈계(FT)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향, 회전 방향)에 관해서는, 도 5와 같이, 반사면(RP)에서 반사된 거의 평행 광속의 빔(LB1)을 기판(P) 상에서 수렴(집광)시킨다. 게다가 fθ 렌즈계(FT)는, 도 4와 같이, 폴리곤 미러(PM)의 빔(LB1)의 편향 방향과는 직교하는 방향(부주사 방향)에 관해서는, 반사면(RP)에서 반사되어 발산한 빔(LB1)을 거의 평행 광속으로 하여, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 향해서 투사한다.
단렌즈로 구성되는 평볼록의 제2 실린드리칼 렌즈(제2 광학 부재)(CY2)는, Y방향(주주사 방향)과 평행한 방향으로 모선을 가지며, 1방향(부주사 방향)으로 파워를 가지는 비등방적인 굴절력을 가지는 렌즈이다. 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향, 회전 방향)에 관해서는, 입사한 빔(LB1)을 그대로 투과한다. 따라서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 투과한 빔(LB1)은, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향, 회전 방향)에 관해서는, fθ 렌즈계(FT)의 굴절력에 의해서 기판(P) 상에서 빔 웨이스트가 되도록 집광된다. 한편, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LB1)의 편향 방향(주주사 방향)과는 직교하는 방향(부주사 방향)에 관해서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 입사한 거의 평행 광속의 빔(LB1)을 기판(P) 상에서 빔 웨이스트가 되도록 집광(수렴)한다. 따라서, 기판(P)에 투사되는 빔(LB1)은, 기판(P) 상에서 대략 원형의 스폿광(SP)(예를 들면, 직경이 3μm)이 된다. 이상과 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는, 서로 직교하는 방향으로 파워(굴절력)를 가지도록, 모선이 서로 직교하도록 배치된다. 이것에 의해서, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 렌즈계(G10)의 직전의 면(p2)에서 빔(LBn)을 주주사 방향에 관해서 1차원으로 수렴시킨 후, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP) 상에서는 빔(LBn)을 부주사 방향에 관해서 1차원으로 수렴시키도록 기능하며, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는, fθ 렌즈계(FT) 뒤의 빔(LBn)을 부주사 방향에 관해서 1차원으로 수렴시키도록 기능한다.
이와 같이, 모선이 서로 직교하도록 단렌즈로 구성되는 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 설치하고 있기 때문에, 렌즈계(G10)에 의해서, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향과의 양방향에서의 빔(LBn)의 구면 수차를 양호하게 보정할 수 있다. 따라서, 기판(P) 상에서의 결상(結像) 성능의 열화를 억제할 수 있다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 마련하는 것에 의해서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)마다의 약간의 경사 오차(면 탱글)에 의한 묘화 라인(SLn)의 X방향(부주사 방향)으로의 흔들림의 억제, 즉 면 탱글 보정도 종래와 마찬가지로 행하여진다.
또, 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)의 스폿광(SP)의 집광 위치(베스트 포커스 위치)는, 주주사 방향(편향 방향)과, 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향에서, 소정의 허용 범위 내에서 일치하도록 광학 설계되어 있는 것으로 한다. 또, 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)(스폿광(SP))의 주주사 방향에서의 개구수 NAy와, 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향에서의 개구수 NAx는, 소정의 허용 범위 내에서 동일하게 되도록(일치하도록) 설계되어 있는 것으로 한다. 또, 본 제1 실시 형태에서는, 개구수 NAx≒개구수 NAy로 하므로, 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 개구수를 간단하게 NA로 나타내는 경우도 있다. 빔(LBn)의 구면 수차는, 설계상의 베스트 포커스면을 향해서 빔(LBn)을 수렴시켰을 때에, 빔(LBn)의 중심축(주광선)에 대해서 경사각(베스트 포커스면으로의 입사 각도) β가 다른 광선의 각각이 집광하는 위치의 포커스 방향의 상대 편차로서 나타내어진다. 빔(LBn)의 베스트 포커스면과 수직인 중심축(주광선)에 대해서 경사각 β의 광선은, sinβ로 계산되는 개구수 NAβ로서 나타내어진다. 빔(LBn)의 최대의 개구수 NA는, 빔(LBn)의 파장 λ과 스폿광(SP)의 실효적인 직경 φ, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리에 의해서 대략 결정된다.
다음으로, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), 제2 실린드리칼 렌즈(CY2), 렌즈계(G10), 및 fθ 렌즈계(FT)의 각각의 초점 거리와, 개구 조리개(PA)의 개구 조리개 지름과, 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율의 결정 방법에 대해 설명한다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 초점 거리를 fC1, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 초점 거리를 fC2, 렌즈계(G10)의 초점 거리를 fG, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리를 fθ로 나타낸다. 또, 개구 조리개(PA)의 개구 조리개 지름을 φa로 한다.
초점 거리 fC1, fC2, fG, fθ는, 하기에 나타내는 식 (1)의 관계를 가진다. 이 식 (1)에 근거하여, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), 제2 실린드리칼 렌즈(CY2), 렌즈계(G10), 및 fθ 렌즈계(FT)의 각각의 초점 거리를 결정함으로써, 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 개구수 NAx와 개구수 NAy를 동일하게 할 수 있다.
　　　fG 2/fC1=fθ2/fC2 … (1)
또, 개구 조리개 지름 φa와 개구수 NA(=NAx≒NAy)는, 하기에 나타내는 식 (2)의 관계를 가진다.
φa=2×NA(fθ×fC1/fG)=2×NA×(fG×fC2/fθ) … (2)
이 식 (2)에 근거하여 개구 조리개 지름 φa를 결정함으로써, 소망의 개구수 를 얻을 수 있다. 또, 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율에 대해서는, 크게 할수록, 개구 조리개(PA)에 의해서 찍히지 않는 광량이 많아지기 때문에, 광량 손실은 커진다. 한편으로, 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율이 작을수록, 상면(像面)(기판(P) 상)에서의 실효적인 개구수가 작아지기 때문에, 해상도(스폿광(SP)의 지름 φ의 미세도)가 저하된다. 그 때문에, 광량과 해상도와의 밸런스를 고려하여, 최적인 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율을 설정하는 것이 바람직하다.
또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), 제2 실린드리칼 렌즈(CY2), 및 fθ 렌즈계(FT) 등의 각 광학 제원이 대략 정해져 있는 경우, 빔(LBn)의 주주사 방향(편향 방향)에서의 구면 수차 S1과, 빔(LBn)의 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향에서의 구면 수차 S2가, 적어도 하기에 나타내는 식 (3)~(6) 중 어느 하나의 조건을 만족하도록, 렌즈계(G10)(구면 렌즈(G10a, 10b))의 광학 제원이 설정된다. 또, fθ 렌즈계(FT)의 광학 제원만이 대략 정해져 있는 경우에는, 식 (3)~(6) 중 어느 하나의 조건을 만족하도록, 렌즈계(G10)(구면 렌즈(G10a, 10b))의 광학 제원, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 각 광학 제원이 설정된다.
｜S1－S2｜＜SC1×fθ2/fG 2－SC2　 … (3)
S1＜SC1×fθ2/fG 2, 또한, S2＜SC2 … (4)
｜S1－S2｜＜λ／NAy 2, 또한,｜S1－S2｜＜λ／NAx 2 … (5)
S1＜λ／NAy 2, 또한, S2＜λ／NAx 2 … (6)
단,｜S1－S2｜는 구면 수차 S1과 구면 수차 S2와의 차이의 절대값을 나타내고, SC1는 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 단체(單體)에서 생기는 구면 수차를 나타내고, SC2는 제2 실린드리칼 렌즈(CY2) 단체에서 생기는 구면 수차를 나타내며, λ는 빔(LBn)의 파장을 나타내는 것으로 한다. 또, 구면 수차 S1과 구면 수차 S2와의 차이의 절대값 ｜S1－S2｜는｜S2－S1｜이어도 동일하다. 또, 주사 유닛(U1)을 예로 들어 설명했지만, 다른 주사 유닛(U2~U6)에 관해서도 마찬가지로 광학 설계되는 것은 말할 필요도 없다.
여기서, 종래의 방식, 즉, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 각 모선의 연장 방향을 함께 주주사 방향(Y방향)과 평행하게 설정한 경우에는, 초점 거리 fC1, fC2, fθ는, 하기에 나타내는 식 (7)의 관계를 가진다. 이 경우에는, 모선의 연장 방향이 Y방향과 평행한 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)만에 의해서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에 투사되는 빔(LBn)은, 반사면(RP) 상에서 XY평면과 평행한 방향(주주사 방향)으로 연장된 슬릿 모양(긴 타원 모양)으로 수렴되므로, 렌즈계(G10)는 불필요하게 된다.
fC1×fC2=fθ2 … (7)
또, 개구 조리개(PA)의 원형 개구의 직경 φa와 개구수 NA는, 하기에 나타내는 식 (8)의 관계를 가진다.
φa=2×NA×fθ=2×NA×(fC1×fC2/fθ) … (8)
[실시예]
본 제1 실시 형태의 면 탱글 보정과, 종래의 방식에 의한 면 탱글 보정을 비교한다. 양자를 가능한 한 동일 조건으로 비교할 필요가 있기 때문에, 개구수 NA 및 주사 유닛(Un)에 입사하는 빔(LBn)의 사양은 서로 동일하게 한다. 이 빔(LBn)은, 파장이, 354.7nm의 단색광이며, 광축 중심(빔 중심선)으로부터 0.25mm의 위치에서 강도가 1/e2이 되는 비편광의 가우스 빔으로 한다. 개구수 NA는, 주주사 방향(편향 방향)을 포함하는 평면(YZ평면) 내에서서의 개구수 NAy와, 주주사 방향과 직교하는 방향(부주사 방향)을 포함하는 평면(XZ평면) 내에서의 개구수 NAx로 나누어 취급하고, NAy=NAx=0.06으로 한다. 또, fθ 렌즈계(FT) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 대해서도, 본 제1 실시 형태와 종래의 방식에서 동일한 것을 채용한다. fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 fθ는 fθ=100mm로 하고, 단렌즈로 구성된 평볼록의 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 초점 거리 fC2를 fC2=14.5mm로 한다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에서 발생하는 구면 수차의 영향만을 평가할 수 있도록, fθ 렌즈계(FT)는, 수차가 발생하지 않는 이상(理想)의 f－θ 특성을 가지는 렌즈로 한다. 먼저, 비교예 1에서 종래의 방식에 의한 주사 유닛(Un)의 면 탱글 보정용 광학계의 구체적인 설계예에 대해 설명한 후, 실시예 1에서 본 제1 실시 형태의 주사 유닛(Un)의 면 탱글 보정용 광학계의 구체적인 설계예에 대해 설명한다. 또, 본 제1 실시 형태와 종래의 방식에서, 서로 구성이 공통되는 부재, 또는, 기능이 공통되는 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명한다. 또, 간단하게 하기 위해, 반사 미러(M21, M22, M23)의 각각은 설계예(렌즈 데이터)로부터 생략하고 있다.
(비교예 1)
비교예 1에서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 모선을 함께 주주사 방향(Y방향)으로 설정하고, 렌즈계(G10)는 마련되어 있지 않다. 비교예 1에서의 빔 익스팬더(BE)로부터 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)까지의 광학 설계예에 의한 렌즈 데이터를 도 6에 나타낸다. 도 7은, 비교예 1에서의 빔 익스팬더(BE)로부터 기판(상면)(P)까지의 빔(LBn)의 상태를, 빔(LBn)의 편향 방향(스폿광(SP)의 주사 방향)을 포함하는 평면과 평행한 면내에서 나타내는 개략도이다. 도 8은, 도 7에 나타내는 빔 익스팬더(BE)로부터 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)까지의 빔(LBn)의 상태를, 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 평면(부주사 방향을 포함하는 면)으로부터 본 개략도이다. 도 9는, 도 7에 나타내는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)으로부터 기판(상면)(P)까지의 빔(LBn)의 상태를, 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 평면으로부터 본 개략도이다. 또, 도 6에서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사 후에는, 면 간격과 곡률 반경의 정부(正負)의 부호를 역전하여 나타내고 있다. 도 7~도 9는, 비교예 1에서의 빔 익스팬더(BE)~기판(P)까지의 각 광학 부재(제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2) 등)를, 도 6의 수치예에 준거한 축척으로 배치한 모습을 나타내는 도면이다.
주사 유닛(Un)에 입사한 평행 광속의 빔(LBn)(실효적인 빔 지름 φ은 0.5mm로 함)은, 5매의 구면 렌즈(LG1~LG5)로 이루어지는 빔 익스팬더(BE)에서 확대된 평행 광속으로 변환된 후, 개구 조리개(PA)에서 소정의 직경의 원형 단면의 광속으로 정형(整形)된다. 개구 조리개(PA)의 개구 조리개 지름 φa는, 상기한 식 (8)에 근거하여, 12mm로 한다. 또, 강도가 축 상의 1/e2이 되는 위치가 개구 조리개 지름 φa의 반경인 6mm가 되도록, 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율을 24배로 설정한다. 이 때, 개구 조리개(PA)에 의한 광량 손실의 비율은 약 13.5%가 된다.
빔 익스팬더(BE)의 후방에 배치한 단렌즈로 구성되는 평볼록의 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과는 직교하는 방향에 관해서, 입사한 빔(LBn)을 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP) 상에 집광한다(도 8 참조). 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 초점 거리 fC1은, 상기한 식 (7)에 근거하여, fC1=693.1mm로 한다. 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)은, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 후측 초점에 위치하고 있다. 또, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)에 관해서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)를 투과한 빔(LBn)은 평행광 그대로이다(도 7 참조). 따라서, 폴리곤 미러(PM)에 투사되는 빔(LBn)은, 반사면(RP) 상에서 편향 방향으로 연장된 슬릿 모양(긴 타원 모양)으로 수렴된다.
폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사한 빔(LBn)은, 폴리곤 미러(PM)의 회전 각도에 따른 각도로, 초점 거리 fθ가 100mm인 fθ 렌즈계(FT)에 입사한다. 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)은 fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점의 위치에 오도록 배치되어 있다. 그 때문에, fθ 렌즈계(FT)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)에 관해서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사한 빔(LBn)을, 텔레센트릭한 상태로 기판(P)의 피조사면(상면) 상에서 집광한다(도 7 참조).한편, fθ 렌즈계(FT)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 부주사 방향에 관해서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사하여 발산한 빔(LBn)을 평행광으로 한다(도 9 참조).
fθ 렌즈계(FT)를 투과한 빔(LBn)은, fθ 렌즈계(FT)의 후방에 배치된 초점 거리 fC2가 14.5mm인 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의해서, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 부주사 방향에 관해서도 기판(P)의 피조사면(상면) 상에서 집광된다(도 9 참조). 이 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 위치는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 주주사 방향에 관한 집광 위치와, 부주사 방향에 관한 집광 위치가 포커스 방향에 관해서 소정의 허용 범위 내에서 일치하도록 정해지고, 그 집광 위치가 기판(P)의 피조사면(상면)이 되도록 설정된다.
이와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), fθ 렌즈계(FT), 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의한 광로를 통해서, 빔(LBn)을 기판(P) 상에서 스폿광(SP)으로서 집광하는 경우, 빔(LBn)의 집광 위치가 주주사 방향과 부주사 방향에서 크게 다른 수차가 발생한다. 이것은, 빔(LBn)이 스폿광으로서 수렴할 때에 발생하는 구면 수차에 의한 것이다. 도 10, 도 11은, 기판(P)을 향하는 빔(LBn)의 구면 수차의 상태를 설명하는 도면이며, 도 10은 빔(LBn)의 주주사 방향에 관한 구면 수차의 상태를 나타내고, 도 11은 빔(LBn)의 부주사 방향에 관한 구면 수차의 상태를 나타낸다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 빔(LBn)은, 주주사 방향에 관해서는 어느 정도의 굵기의 평행 광속이 되어 fθ 렌즈계(FT)에 입사하고, 주로 fθ 렌즈계(FT)에 의해서 주광선(빔 중심선)(Lpr) 상의 소정의 Z위치(포커스 위치)에 집광된다. 그 때, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는 단순한 평행 평판으로서 작용한다. fθ 렌즈계(FT)로부터 사출하는 빔(LBn)의 주주사 방향에 관한 최대의 개구수 NAy는, 집광점을 향하는 광선(LLa)의 주광선(Lpr)에 대한 경사각(입사각) βa에 의해, NAy=sinβa로 정해진다. 빔(LBn)에는, 광선(LLa)의 입사각 βa보다도 입사각이 작은 광선(LLb)(입사각을 βb), 광선(LLb)의 입사각 βb보다도 입사각이 작은 광선(LLc)(입사각을 βc) 등이 포함된다. 여기서, 입사각 βa의 광선(LLa)에 의한 집광점이 Z축 방향의 포커스 위치 Zma라고 하면, 입사각 βb의 광선(LLb)에 의한 집광점의 포커스 위치 Zmb, 입사각 βc의 광선(LLc)에 의한 집광점의 포커스 위치 Zmc는, 모두 포커스 위치 Zma에 대해서 Z축 방향으로 어긋나 있다. 그러한 어긋남이 구면 수차이다.
또, 도 11에 나타내는 바와 같이, 빔(LBn)은, 부주사 방향에 관해서는, 발산 광속이 되어 fθ 렌즈계(FT)에 입사하고, fθ 렌즈계(FT)에 의해서 평행 광속으로 변환된 후, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 굴절 작용을 받아, 주광선(빔 중심선)(Lpr) 상의 소정의 Z위치(포커스 위치)에 집광된다. 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)로부터 사출하는 빔(LBn)의 부주사 방향에 관한 최대의 개구수 NAx는, 주주사 방향에 관한 최대의 개구수 NAy와 일치하도록 설정된다. 따라서, 부주사 방향에 관해서도, NAx=sinβa로 정해지는 광선(LLa)(입사각 βa)이 집광하는 포커스 위치 Zsa, 입사각 βa보다도 입사각이 작은 광선(LLb)(입사각을 βb)이 집광하는 포커스 위치 Zsb, 입사각 βb보다도 입사각이 작은 광선(LLc)(입사각을 βc)가 집광하는 포커스 위치 Zsc의 각각은, 구면 수차에 의해서 Z축 방향(포커스 방향)으로 어긋나 있다. 또, 도 10, 도 11에서는, fθ 렌즈계(FT)로부터 기판(P)까지의 광로에서 구면 수차가 생기도록 설명했지만, 기판(P)에 이르는 빔(LBn)에 생기는 실제의 구면 수차는, 도 2의 광원 장치(14)로부터 사출한 빔이 통과하는 각종의 광학 부재(렌즈, AOM, 반사 미러)의 영향을 받게 된다.
도 12와 도 13은, 도 6에 나타낸 비교예 1의 렌즈 데이터에 근거하여, 빔(LBn)의 최대의 개구수 NA(=NAy≒NAx)를 0.06으로 하여 시뮬레이션된 빔(LBn)의 구면 수차 특성이며, 가로축은 설계상의 베스트 포커스 위치를 제로점으로 한 포커스 위치(μm)를 나타내고, 세로축은 빔(LBn)의 최대의 개구수 NA에 대응하는 광선(LLa)의 최대 입사각 βa(NAa=sinβa)를 1.0(βmax)로 규격화한 입사각 β를 나타낸다. 따라서, 도 12, 도 13에서, 예를 들면 입사각 β가 0.5라는 것은, 최대 입사각 βa의 절반의 각도를 의미한다. 게다가, 도 12 중의 실선으로 나타내는 특성 (A)는 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 주주사 방향에 관한 구면 수차 특성이며, 파선으로 나타내는 특성 (B)는 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 부주사 방향에 관한 구면 수차 특성이다. 도 13 중에 나타내는 특성 (C)는, 도 12 중의 특성 (A)와 특성 (B)의 차분 [(B)－(A)]에 의한 구면 수차 특성을 나타낸 것이며, 스폿광(SP)으로서 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)의 입사 각도 β에 따라 베스트 포커스 위치가 어긋나 있어 수십μm의 구면 수차가 발생하고 있다.
여기서, 도 12 중의 특성 (A)는 빔 익스팬더(BE)와 fθ 렌즈계(FT)에 의해서 발생하는 구면 수차이며, 도 12 중의 특성 (B)는 빔 익스팬더(BE), 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), fθ 렌즈계(FT), 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 합성계에 의해서 발생하는 구면 수차이다. 따라서, 특성 (A)와 특성 (B)의 차분인 특성 (C)는, 주로 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의해서 발생하는 구면 수차 특성에 대응한다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 상술한 바와 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 모선의 연장 방향을 부주사 방향(X방향)으로 하고, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 모선의 연장 방향을 주주사 방향(Y방향)으로 하며, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 폴리곤 미러(PM)와의 사이에 렌즈계(G10)가 마련되어 있다. 실시예 1에서의 빔 익스팬더(BE)로부터 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)까지의 광학 설계용 렌즈 데이터를 도 14에 나타낸다. 또, 도 15는, 실시예 1에서의 빔 익스팬더(BE)로부터 기판(상면)(P)까지의 빔(LBn)의 상태를, 빔(LBn)의 편향 방향(스폿광(SP)의 주사 방향)을 포함하는 평면과 평행한 면내에서 본 개략도이다. 도 16은, 도 15에 나타내는 빔 익스팬더(BE)로부터 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)까지의 빔(LBn)의 상태를, 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 면내(부주사 방향을 포함하는 면내)에서 본 개략도이다. 도 17은, 도 15에 나타내는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)으로부터 기판(상면)(P)까지의 빔(LBn)을, 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 면내(부주사 방향을 포함하는 면내)에서 본 개략도이다. 또, 도 14에서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사 후에는, 면 간격과 곡률 반경의 정부의 부호를 역전하여 나타내고 있다. 도 15~도 17은, 실시예 1에서의 빔 익스팬더(BE)~기판(P)까지의 각 광학 부재(제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2) 등)를, 도 14의 수치예에 준거한 실제의 축척으로 배치한 모습을 나타낸다.
실시예 1에서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)로부터 상면(기판(P)의 피조사면)까지의 거리(광로 길이)가, 비교예 1에 비해 300mm 정도 짧아지도록, 상기의 식 (1)에 근거하여, 렌즈계(G10)의 초점 거리 fG를 fG=201.2mm, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 초점 거리 fC1을 fC1=58mm로 했다. 이것에 의해, 본 실시예 1에서는, 비교예 1의 설계예에 비해, 공간 절약인 광학계를 실현할 수 있다. 게다가, 주사 유닛(Un)의 케이스에 대해서도 작게 할 수 있기 때문에, 경량화도 도모된다.
주사 유닛(Un)에 입사한 평행 광속의 빔(LBn)(실효적인 직경 0.5mm)은, 4매의 구면 렌즈(LGa~LGd)로 이루어지는 빔 익스팬더(BE)에서 확대된 후, 개구 조리개(PA)에서 소정의 광속 지름으로 정형된다. 개구 조리개(PA)의 개구 조리개 직경 φa는, 상기한 식 (2)에 근거하여, 3.5mm로 한다. 빔 익스팬더(BE)에 의해서 확대된 후의 광속에서, 중심으로부터의 개구 조리개 직경 φa의 반경인 1.75mm의 위치에서 강도가 축 상의 1/e2이 되도록, 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율을 7배로 설정한다. 이와 같이, 비교예 1과 비교하여 빔 익스팬더(BE)의 확대 배율이 작아지기 때문에, 빔 익스팬더(BE)의 설계가 용이하게 되고, 빔 익스팬더(BE)에서 발생하는 구면 수차도 작게 할 수 있다.
빔 익스팬더(BE)의 후방에 배치한 단렌즈로 구성되는 초점 거리 fC1이 58mm인 평볼록의 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)에 관해서, 입사한 빔(LBn)을 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 후측 초점의 면(p2)(제1 위치)에 집광한다(도 15 참조). 이 면(p2)의 위치는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 후방측에 배치된 렌즈계(G10)와의 사이에 위치한다. 또, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 부주사 방향에 관해서는, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)를 투과한 빔(LBn)은 평행광 그대로이다(도 16 참조).
2매의 구면 렌즈(G10a, G10b)로 구성되는 렌즈계(G10)(초점 거리 fG=201.2mm)는, 렌즈계(G10)의 전측 초점과 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와의 후측 초점의 위치(면(p2))가 소정의 허용 범위 내에서 일치하도록 배치되어 있다. 그 때문에, 렌즈계(G10)를 투과한 빔(LBn)은, 빔(LBn)의 주주사 방향에 관해서는 평행 광속의 상태이고(도 15 참조), 빔(LBn)의 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향에 관해서는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP) 상에서 집광된다(도 16 참조). 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)은, 렌즈계(G10)의 후측 초점의 위치에 오도록 설정되어 있다. 따라서, 폴리곤 미러(PM)에 투사되는 빔(LBn)은, 반사면(RP) 상에서 편향 방향(주주사 방향)으로 연장된 슬릿 모양(긴 타원 모양)으로 수렴된다.
폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사한 빔(LBn)은, 폴리곤 미러(PM)의 회전 각도에 따른 각도로, 초점 거리 fθ=100mm인 fθ 렌즈계(FT)에 입사한다. fθ 렌즈계(FT)는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)이 fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점의 위치에 오도록 배치되어 있다. 그 때문에, fθ 렌즈계(FT)는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)에 관해서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사한 빔(LBn)을, 텔레센트릭한 상태(빔(LBn)의 주광선(Lpr)이 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)와 항상 평행한 상태)로 기판(P)의 피조사면(상면) 상에 집광한다(도 15 참조). 한편, 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향에 관해서는, fθ 렌즈계(FT)는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사하여 발산 광속이 된 빔(LBn)을 평행 광속으로 변환한다(도 17 참조).
마지막으로, fθ 렌즈계(FT)를 투과한 빔(LBn)은, fθ 렌즈계(FT)의 후방에 배치된 초점 거리 fC2=14.5mm인 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의해서, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 부주사 방향에 관해서도 기판(P)의 피조사면(상면) 상에서 스폿광(SP)이 되도록 집광된다(도 17 참조). 이 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 위치는, 폴리곤 미러(PM)에 의한 빔(LBn)의 주주사 방향에 관한 집광 위치와, 부주사 방향에 관한 집광 위치가 포커스 방향에 관해서 소정의 허용 범위 내에서 일치하도록 정해지고, 그 집광 위치가 기판(P)의 피조사면(상면)이 되도록 설정된다. 이상의 도 14~도 17(및 도 4, 도 5)의 구성에서, 빔 익스팬더(BE), 개구 조리개(PA), 반사 미러(M21), 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), 반사 미러(M22), 렌즈계(G10), 반사 미러(M23)까지의 광학계는, 폴리곤 미러(PM)(가동 편향 부재)에 투사되는 빔(LBn)을 주주사 방향과 직교한 부주사 방향에 관해서 수렴시키기 위한 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 광학 소자 또는 제1 렌즈 부재(제1 실린드리칼 렌즈(CY1))를 포함하는 제1 조정 광학계로서 기능한다. 게다가, 도 14~도 17(및 도 4, 도 5)의 구성에서, fθ 렌즈계(FT)(주사용 광학계) 뒤의 반사 미러(M24)와 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는, fθ 렌즈계(FT)로부터 기판(P)을 향하는 빔(LBn)을 부주사 방향에 관해서 수렴시키기 위한 비등방적인 굴절력을 가지는 제2 광학 소자 또는 제2 렌즈 부재(제2 실린드리칼 렌즈(CY2))를 포함하는 제2 조정 광학계로서 기능한다.
도 18과 도 19는, 도 14에 나타낸 실시예 1의 렌즈 데이터에 근거하여, 빔(LBn)의 최대의 개구수 NAa를 0.06으로 하여 시뮬레이션된 빔(LBn)의 구면 수차 특성이며, 가로축은 설계상의 베스트 포커스 위치를 제로점으로 한 포커스 위치(μm)를 나타내며, 세로축은 앞의 도 12, 도 13과 마찬가지로 규격화한 입사각 β을 나타낸다. 도 18 중의 실선으로 나타내는 특성 (A)는 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 주주사 방향에 관한 구면 수차 특성이며, 파선으로 나타내는 특성 (B)는 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 부주사 방향에 관한 구면 수차 특성이다. 또, 도 19 중에 나타내는 특성 (C)는, 도 18 중의 특성 (A)와 특성 (B)의 차분 [(B)－(A)]에 의한 구면 수차 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 도 18 중의 특성 (A)는, 빔 익스팬더(BE), 제1 실린드리칼 렌즈(CY1), 렌즈계(G10), 및 fθ 렌즈계(FT)의 합성계에 의해서 발생하는 구면 수차이며, 도 18 중의 특성 (B)는, 빔 익스팬더(BE), 렌즈계(G10), fθ 렌즈계(FT), 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 합성계에 의해서 발생하는 구면 수차이다. 따라서, 특성 (A)와 특성 (B)의 차분인 특성 (C)는, 주로 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의해서 발생하는 구면 수차 특성에 대응한다.
시뮬레이션의 결과, 앞의 도 12에 나타낸 비교예 1의 구면 수차의 특성 (A), (B)와 비교하여, 실시예 1의 경우에는 수차량의 절대값이 1자릿수 정도 작게 되어 있다. 도 18 중의 특성 (A)로부터 알 수 있는 바와 같이, 렌즈계(G10)에 의해서 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)에서 발생하는 구면 수차가 보정되기 때문에, 스폿광(SP)으로서 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)의 입사 각도 β에 따른 베스트 포커스 위치의 어긋남이 거의 생기지 않는다. 이 어긋남, 즉 구면 수차는 상술한 식 (4), (6)의 조건을 만족하고 있다. 마찬가지로, 도 18 중의 특성 (B)로부터 알 수 있는 바와 같이, 렌즈계(G10)에 의해서 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에서 발생하는 구면 수차가 보정되기 때문에, 스폿광(SP)으로서 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)의 입사 각도 β에 따른 베스트 포커스 위치의 어긋남이 거의 생기지 않는다. 이 어긋남, 즉 구면 수차는 상술한 식 (4), (6)의 조건을 만족하고 있다. 그리고, 도 19의 특성 (C)로부터 알 수 있는 바와 같이, 렌즈계(G10)에 의해서 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에서 발생하는 구면 수차가 보정되기 때문에, 스폿광(SP)으로서 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)의 입사각 β에 따른 베스트 포커스 위치의 차분이 거의 생기지 않는다. 이 베스트 포커스 위치의 차분, 즉 구면 수차의 차분은 상술한 식 (3), (5)의 조건을 만족하고 있다. 이와 같이, 기판(P)에 투사되는 빔의 구면 수차를 작게 해 두는 것은, 묘화 가능한 패턴의 최소 선폭을 더 작게 하는 것(고해상화)에 대응하여, 기판(P) 상에 투사되는 스폿광(SP)의 실효적인 직경을 작게 하기 위해서 빔(LBn)의 최대의 개구수 NAa를 0.07 이상으로 크게 하는 경우에 유효하다.
이상과 같이, 본 제1 실시 형태에서의 주사 유닛(Un)은, 광원 장치(14)로부터의 빔(LBn)을 기판(P)에 투사하면서, 빔(LBn)을 기판(P) 상에서 1차원으로 주사하기 때문에, 일방향으로 파워를 가지는 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)를 투과한 빔(LBn)을 입사하고, 1차원의 주사를 위해서 편향시키는 폴리곤 미러(PM)와, 폴리곤 미러(PM)에 의해서 편향된 빔(LBn)을 입사하고, 텔레센트릭한 상태로 빔(LBn)을 기판(P)에 투사하는 fθ 렌즈계(FT)와, fθ 렌즈계(FT)를 투과한 빔(LBn)을 입사하고, 일방향으로 파워를 가지는 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 구비하며, 그리고, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 서로 직교하는 방향으로 파워(굴절력)를 가지도록 배치하고, 또한 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 폴리곤 미러(PM)와의 사이에, 수차(구면 수차) 보정을 위한 렌즈계(G10)를 마련하도록 했다.
이것에 의해, 폴리곤 미러(PM)의 각 반사면에 의한 면 탱글에 의해서 생기는 빔(LBn)의 투사 위치의 어긋남을 보정할 수 있음과 아울러, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 의해서 생기는 구면 수차를 간단한 구성으로 보정할 수 있다. 따라서, 스폿광(SP)의 결상 성능의 열화를 억제하여, 기판(P) 상에 묘화되는 패턴의 해상도(미세도)를 높일 수 있다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 초점 거리 fC1과 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 초점 거리 fC2를, 모두 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리 fθ보다도 작게 할 수 있기 때문에, 공간 절약인 광학계를 실현할 수 있고(도 7~도 9와 도 15~도 17을 참조), 주사 유닛(Un)의 케이스에 대해서도 작게 할 수 있기 때문에, 경량화도 도모된다.
제1 실린드리칼 렌즈(CY1)는, 폴리곤 미러(PM)의 편향 방향에 관해서, 입사한 빔(LBn)을 폴리곤 미러(PM)의 직전에서 집광하고, 렌즈계(G10)는, 상기 편향 방향에 관해서, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)에 의해서 집광되어 발산한 후의 빔(LBn)을 평행광으로 하고, 상기 편향 방향과 직교하는 부주사 방향에 관해서, 입사한 빔(LBn)을 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP) 상에서 집광한다. 이것에 의해, 폴리곤 미러(PM)에 투사되는 빔(LBn)을, 반사면(RP) 상에서 편향 방향으로 연장된 슬릿 모양(긴 타원 모양)으로 수렴할 수 있다. 그리고, fθ 렌즈계(FT)는, 상기 편향 방향에 관해서, 입사한 빔(LBn)을 기판(P) 상에서 집광하고, 상기 편향 방향과 직교하는 방향에 관해서, 렌즈계(G10)에 의해서 반사면(RP) 상에서 집광되어 발산한 후의 빔(LB)을 평행광으로 하며, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)는, 상기 편향 방향과 직교하는 방향에 관해서, 입사한 빔(LBn)을 기판(P) 상에서 집광한다. 이것에 의해, 반사면(RP)이 Z방향에 대해서 경사져 있는 경우(XY평면의 법선에 대한 반사면(RP)의 경사)라도, 반사면(RP)과 기판(P)은 부주사 방향에 관해서는 공역 관계(결상 관계)로 되어 있기 때문에, 반사면(RP)마다 빔(LBn)의 투사 위치가 부주사 방향으로 어긋나는 것을 억제할 수 있다.
(변형예 1)
본 제1 실시 형태에 의하면, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 각각은, 실시예 1(도 14)에 나타낸 바와 같이, 빔 입사측의 면이 부주사 방향에 관해서 일정한 곡률 반경을 가지는 원통면으로 형성되고, 빔 사출측의 면이 평면으로 형성되는 렌즈로 구성된다. 그렇지만, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 각각의 원통면은, 곡률 반경이 약간 다른 복수의 면을 매끄럽게 연결한 만곡면(모선과 수직인 단면 형상에서는 비구면)으로 해도 좋다. 또, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 각각의 평면측을, 주주사 방향, 혹은 부주사 방향으로 소정의 곡률 반경(∞ 이외의 유한값)을 가지는 원통면 모양으로 가공해도 괜찮다. 또 주사 유닛(Un)의 각각에 입사하는 빔(LBn)(광원 장치(14)의 사출 빔)의 파장 λ는, 실시예 1이나 비교예 1에서 설정한 자외역의 파장 354.7nm에 한정되지 않고, 다른 파장(가시역, 적외역의 광)이라도 괜찮다. 또, 렌즈계(G10)에서 색수차 없앰을 행하면, 파장이 다른 복수의 빔을 동축(또는 평행)으로 폴리곤 미러(PM)에 입사시켜, 파장이 다른 복수의 스폿광(SP)에 의해 기판(P)의 표면을 주사할 수 있다. 혹은, 렌즈계(G10)의 색수차 없앰에 의해서, 빔(LBn)을 중심 파장에 대해서 일정한 파장 폭 내에 강도가 분포하는 광(廣)파장대 광으로 할 수도 있다. 또, 빔(LBn)은 비편광이 아니라 편광 성분을 가지고 있어도 괜찮고, 빔 단면 내의 강도 분포가 가우스 분포가 아니라 균일한 강도 분포(거의 직사각형 또는 사다리꼴의 분포)라도 좋다.
(변형예 2)
상기 제1 실시 형태에서는, 폴리곤 미러(PM)를 이용하여, 빔(LBn)을 편향시켰지만, 요동 가능한 갈바노 미러(가동 편향 부재, 요동 반사경)를 이용하여 빔(LBn)을 편향시켜도 괜찮다. 이 경우도, 갈바노 미러에서 반사된 빔(LBn)은 fθ 렌즈계(FT)를 통해서 기판(P)(피조사면)에 투사되므로, 갈바노 미러의 반사면의 면 탱글에 의한 보정이 필요한 경우에는, 갈바노 미러 직전에, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 렌즈계(G10)를 동일하게 마련하고, fθ 렌즈계(FT) 뒤에 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 마련하면 좋다. 또, 렌즈계(G10)는, 2매의 구면 렌즈(G10a, G10b)로 구성했지만 단일의 렌즈, 혹은 3매 이상의 렌즈로 구성해도 괜찮다. 또, 렌즈계(G10)를 구성하는 구면 렌즈(G10a, G10b)는, 비구면 렌즈로 구성해도 괜찮다. 게다가, 제1 광학 부재(CY1) 및 제2 광학 부재(CY2)로서, 실린드리칼 렌즈를 이용했지만, 일방향의 굴절력이, 그 방향과 직교하는 방향의 굴절력에 대해서 상대적으로 크게 되는 렌즈이면 좋다. 예를 들면, 제1 광학 부재(CY1) 및 제2 광학 부재(CY2)로서, 토릭(toric) 렌즈 또는 애너모픽 렌즈(anamorphic lens)를 채용해도 괜찮다.
(변형예 3)
본 제1 실시 형태에 의하면, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 각각은 단렌즈로 구성된다. 이것에 의해서, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1) 및 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 제작이나 조립(조정)이 간단하게 되어, 코스트를 억제할 수 있다. 그렇지만, 빔(LBn)의 구면 수차의 보정을 위해서, 특히 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 복수매의 렌즈로 구성하는 것도 가능하다. 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 복수매(예를 들면 2매)의 렌즈로 구성하는 경우, 복수매의 렌즈 사이의 모선끼리의 회전 방위(方位)를 고정밀도로 합치시키기 위한 조정 작업이 필요하게된다. 또, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 복수매(예를 들면 2매)의 렌즈로 구성하는 경우, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 모선이 연장되는 방향을, 비교예 1과 같이 주주사 방향과 평행하게 하여, 렌즈계(G10)를 생략해도, 기판(P)에 투사되는 빔(LBn)의 구면 수차를 양호하게 보정하는 것이 가능하게 된다. 단, 그 경우, 비교예 1에서 나타낸 바와 같이 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 초점 거리 fC1를 fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리(fθ)보다도 길게 할 필요가 생기기 때문에, 주사 유닛(Un)의 광로의 전체 길이는 길어진다. 그렇지만, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리(fθ)에 대해서 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 초점 거리 fC2를 작게 설정하더라도, 구면 수차를 작게 억제할 수 있다.
이 변형예 3, 혹은 실시예 1(도 14~도 17)에서는, 빔(LBn)의 스폿광(SP)을 기판(P)(피조사체)에서 1차원으로 주사하는 빔 주사 장치(또는 묘화 장치)로서, 빔(LBn)을 편향시키기 위한 폴리곤 미러(PM)(빔 편향 부재)의 반사면(RP) 상에, 부주사 방향에 관해서 수렴한 빔(LBn)을 투사하기 위한 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)(제1 광학 부재)와, 폴리곤 미러(PM)에서 편향된 빔(LBn)을 입사하여 기판(P)을 향해서 투사함과 아울러, 기판(P) 상에서 1차원으로 주사하기 위한 fθ 렌즈계(FT)(주사용 광학계)와, 기판(P)과 fθ 렌즈계(FT)의 사이에 배치되어, fθ 렌즈계(FT)로부터 사출되는 빔(LBn)을 부주사 방향으로 수렴하는 단렌즈 또는 복수매의 렌즈에 의한 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)(제2 광학 부재)가 마련되고, fθ 렌즈계(FT)의 초점 거리(fθ)와 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 초점 거리 fC2의 관계를, fθ＞fC2로 함으로써, 기판(P)에 소정의 개구수를 따라서 투사되는 빔(LBn)의 구면 수차를 저감한 빔 주사 장치(또는 묘화 장치)가 얻어진다.
[제2 실시 형태]
앞의 도 4에서도 간단하게 설명했지만, 주사 유닛(Un) 내의 빔 익스팬더(BE)를 구성하는 렌즈계(Be1, Be2)의 사이의 광로 중에는, 묘화 라인(SLn)을 부주사 방향(X방향)으로 미소(微小) 시프트시키기 위해서, 소프트용 광학 부재로서의 경사 가능한 평행 평판(HVP)이 마련되어 있다. 도 20a, 도 20b는, 평행 평판(HVP)의 경사에 의해서 묘화 라인(SLn)이 시프트하는 모습을 설명하는 것이며, 도 20a는, 평행 평판(HVP)의 서로 평행한 입사면과 사출면이 빔(LBn)의 중심선(주광선)에 대해서 90도로 되어 있는 상태를 나타내는 도면이며, 즉 평행 평판(HVP)이 XZ면내에서 경사져 있지 않는 상태를 나타내는 도면이다. 도 20b는, 평행 평판(HVP)의 서로 평행한 입사면과 사출면이 빔(LBn)의 중심선(주광선)에 대해서 90도로부터 경사져 있는 경우, 즉 평행 평판(HVP)이 YZ면에 대해서 각도 η만큼 경사져 있는 상태를 나타내는 도면이다.
게다가, 도 20a, 도 20b에서는, 평행 평판(HVP)이 경사져 있지 않은 상태(각도 η=0도)일 때, 렌즈계(Be1, Be2)의 광축(AXe)은 개구 조리개(PA)의 원형 개구의 중심을 통과하도록 설정되며, 빔 익스팬더(BE)에 입사하는 빔(LBn)의 중심선은 광축(AXe)과 동축이 되도록 조정되어 있는 것으로 한다. 또, 렌즈계(Be2)의 후측 초점의 위치는 개구 조리개(PA)의 원형 개구의 위치에 일치하도록 배치된다. 개구 조리개(PA)의 위치는, 앞의 도 16에 나타낸 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)와 렌즈계(G10)(구면 렌즈(G10a, 10b))에 의해서, 부주사 방향에 관해서는, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)의 위치(혹은 fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점의 위치)로부터 보면, 거의 눈동자의 위치가 되도록 설정되어 있다. 한편으로, 주주사 방향에 관해서는, 개구 조리개(PA)는, fθ 렌즈계(FT)의 전측 초점의 위치인 입사 눈동자의 위치와 광학적으로 공역이 되도록 배치되어 있다. 그 때문에, 평행 평판(HVP)을 각도 η만큼 기울인 경우, 평행 평판(HVP)을 투과하여 렌즈계(Be2)에 입사하는 빔(LBn)(여기에서는 발산 광속)의 중심선은, 광축(AXe)에 대해서 -Z방향으로 미소하게 평행 이동하고, 렌즈계(Be2)로부터 사출되는 빔(LBn)은 평행 광속으로 변환됨과 아울러, 빔(LBn)의 중심선은 광축(AXe)에 대해서 약간 경사진다.
렌즈계(Be2)의 후측 초점의 위치는 개구 조리개(PA)의 원형 개구의 위치에 일치하도록 배치되어 있으므로, 렌즈계(Be2)로부터 경사져 사출되는 빔(LBn)(평행 광속)은, 개구 조리개(PA) 상에서 Z방향으로 어긋나지 않고, 원형 개구에 투사되어 계속된다. 따라서, 개구 조리개(PA)의 원형 개구를 통과한 빔(LBn)은, 강도 분포 상의 1/e2의 저변의 강도를 정확하게 컷한 상태로, 광축(AXe)에 대해서 XZ면내에서 부주사 방향으로 약간 경사진 각도로, 후단의 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)를 향한다. 개구 조리개(PA)는, 부주사 방향에 관해서는 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)으로부터 보면 눈동자 위치에 대응하고 있고, 개구 조리개(PA)의 원형 개구를 통과한 빔(LBn)의 부주사 방향에 관한 경사각에 따라서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에 입사하는 빔(LBn)(부주사 방향에 관해서 수렴)의 반사면 상에서의 위치가 약간 시프트한다. 따라서, 폴리곤 미러(PM)의 반사면(RP)에서 반사한 빔(LBn)도, 도 4에 나타낸 fθ 렌즈계(FT)의 광축(AXf)을 포함하는 XY면과 평행한 면에 대해서 약간 Z방향으로 시프트한 상태로 fθ 렌즈계(FT)에 입사한다. 그 결과, 앞의 도 17에서 나타낸 광로의 경우에는, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 입사하는 빔(LBn)이 부주사 방향으로 약간 경사져, 기판(P) 상에 투사되는 빔(LBn)의 스폿광(SP)의 위치가 부주사 방향으로 약간 시프트하게 된다. 또, 도 4, 도 20에서는, 빔 익스팬더(BE)를 구성하는 렌즈계(Be1, Be2)의 쌍방을 정(正)의 굴절력을 가지는 구면 렌즈(볼록 렌즈)로 했지만, 빔(LBn)의 입사측의 렌즈계(Be1)를 부(負)의 굴절력을 가지는 구면 렌즈(오목 렌즈)로 해도 좋다. 이 경우, 렌즈계(Be1)로부터 사출되는 빔(LBn)은 수렴되지 않고 발산 광속이 되어 렌즈계(Be2)에 입사하고, 렌즈계(Be2)에 의해서 빔 지름이 확대된 평행 광속으로 변환된다.
앞의 비교예 1과 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 모선과 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 모선을 서로 평행하게 배치하고, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 단렌즈로 구성한 경우, 도 12, 도 13에서 나타낸 바와 같이, 큰 구면 수차가 잔존한다. 그 때문에, 평행 평판(HVP)을 비교예 1의 빔 익스팬더(BE)(도 7, 도 8) 내에 마련하고 경사시키면, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 입사하는 빔(LBn)의 위치나 기울기가 부주사 방향으로 약간 변화하는 것에 기인하여, 더 큰 구면 수차가 발생하게 된다. 이것에 대해서, 실시예 1과 같이, 제1 실린드리칼 렌즈(CY1)의 모선과 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)의 모선을 서로 직교하는 관계로 배치함과 아울러, 렌즈계(G10)를 마련한 경우, 혹은, 변형예 3에서 설명한 바와 같이 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)를 복수매의 렌즈로 구성한 경우에는, 도 18, 도 19에서 나타낸 바와 같이 구면 수차량을 스폿광(SP)의 실효적인 사이즈(직경) φ 이하로 양호하게 보정할 수 있다. 그 때문에, 평행 평판(HVP)을 기울일 때에, 제2 실린드리칼 렌즈(CY2)에 입사하는 빔(LBn)의 위치나 기울기가 부주사 방향으로 약간 변화하는 것에 기인하여 생기는 구면 수차량의 증분(增分)도 작게 억제된다.
도 4(도 20)에 나타낸 평행 평판(HVP)은, 주사 유닛(Un)의 각각에 마련되어 있으므로, 주사 유닛(Un)마다, 평행 평판(HVP)의 경사 각도 η를 연속적으로 변화시킴으로써, 기판(P) 상에 묘화되는 패턴의 부주사 방향의 국소적인 부분을 미소한 비율로 신축시킬 수 있다. 그 때문에, 기판(P)의 장척 방향(부주사 방향)에 관해서 기판(P)이 부분적으로 신축하고 있는 경우라도, 기판(P) 상에 이미 형성된 기초 패턴(제1층 패턴)에 대해서 제2층용 패턴을 겹침 노광(묘화)할 때의 겹침 정밀도를 양호하게 유지할 수 있다. 기판(P)의 장척 방향(부주사 방향)의 국소적인 신축은, 예를 들면, 기판(P)의 폭방향의 양측에 장척 방향으로 일정한 피치(예를 들면 10mm)로 형성되는 얼라이먼트 마크를 얼라이먼트 현미경으로 확대하여 촬상 소자로 순차적으로 촬상하고, 마크 위치의 장척 방향의 변화(마크의 피치 변화 등)를 화상 해석하는 것에 의해서, 주사 유닛(Un)의 각각이 패턴 묘화하기 직전에 예측할 수 있다. 얼라이먼트 마크의 배치나 얼라이먼트 현미경의 배치 등의 일 예는, 예를 들면 국제공개 제2015/152218호 팜플렛에 개시되어 있다.

Claims (11)

  1. 가동 편향 부재에서 제1 방향으로 편향되는 빔을, 주사용 광학계에 의해서 피조사체 상에 투사하면서 상기 피조사체 상에서 상기 제1 방향을 따라서 1차원 주사하여 상기 피조사체에 패턴을 묘화하는 묘화 장치로서,
    비등방적인 굴절력을 가지는 제1 렌즈 부재를 포함하고, 상기 가동 편향 부재에 투사되는 상기 빔을 상기 제1 방향과 직교한 제2 방향에 관해서 수렴시키는 제1 조정 광학계와,
    비등방적인 굴절력을 가지는 제2 렌즈 부재를 포함하고, 상기 주사용 광학계로부터 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 제2 방향에 관해서 수렴시키는 제2 조정 광학계를 구비하며,
    상기 빔의 파장을 λ, 상기 피조사체에 투사되는 상기 빔의 상기 제1 방향에 관한 개구수를 NAy, 상기 제2 방향에 관한 개구수를 NAx, 상기 피조사체에 투사되는 상기 빔의 상기 제1 방향에 관한 구면 수차를 S1, 상기 제2 방향에 관한 구면 수차를 S2로 했을 때, 상기 제1 렌즈 부재와 상기 제2 렌즈 부재는,
    S1＜λ／NAy 2, 또한, S2＜λ／NAx 2 가 되는 조건과,
    ｜S1－S2｜＜λ／NAy 2, 또한,｜S1－S2｜＜λ／NAx 2 가 되는 조건 중 어느 일방을 만족하도록 설정되는 묘화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 조정 광학계는, 상기 제1 렌즈 부재를 통과한 상기 빔을 상기 가동 편향 부재를 향해서 투사하는 등방적인 굴절력을 가지는 제3 렌즈 부재를 포함하며,
    상기 제1 렌즈 부재는, 상기 제1 렌즈 부재와 상기 제3 렌즈 부재와의 사이에서 상기 빔을 상기 제1 방향에 관해서 수렴하도록 배치되는 묘화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 빔을 발생시키는 광원 장치를 더 구비하며,
    상기 제1 조정 광학계는, 상기 광원 장치로부터 사출되는 상기 빔의 직경을 확대하는 빔 익스팬더계를 더 포함하는 묘화 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 방향에 관한 상기 구면 수차 S1은, 상기 빔 익스팬더계, 상기 제1 렌즈 부재, 상기 제3 렌즈 부재, 및 상기 주사용 광학계에 의해서 발생하고,
    상기 제2 방향에 관한 상기 구면 수차 S2는, 상기 빔 익스팬더계, 상기 제3 렌즈 부재, 상기 주사용 광학계, 및 상기 제2 렌즈 부재에 의해서 발생하는 묘화 장치.
  5. 피조사체 상의 주주사 방향을 따라서 패턴 묘화용의 빔을 1차원 주사함과 아울러, 상기 주주사 방향과 교차한 부주사 방향으로 상기 피조사체와 상기 빔을 상대 이동시켜, 상기 피조사체에 패턴을 묘화하는 묘화 장치로서,
    상기 빔을 발생시키는 빔 생성 장치와,
    상기 빔 생성 장치로부터의 상기 빔을, 빔 지름을 확대시킨 평행 광속으로 변환하는 빔 익스팬더와,
    상기 빔 익스팬더에서 변환된 상기 빔을 상기 주주사 방향에 대응한 방향으로 1차원 편향시키는 빔 편향 부재와,
    상기 1차원 편향된 상기 빔을 상기 피조사체 상에 집광하는 주사용 광학계와,
    상기 빔 익스팬더와 상기 빔 편향 부재와의 사이에 마련되고, 비등방적인 굴절력을 가지는 제1 광학 소자를 포함하며, 상기 빔 익스팬더에서 변환된 상기 빔을 상기 부주사 방향에 대응한 방향으로 수렴시키는 제1 광학계와,
    비등방적인 굴절력을 가지는 제2 광학 소자를 포함하고, 상기 주사용 광학계로부터 사출하여 상기 피조사체를 향하는 상기 빔을 상기 부주사 방향으로 수렴시키는 제2 광학계와,
    상기 빔 익스팬더의 광로 중에 마련되고, 상기 빔의 광로를 상기 부주사 방향에 대응한 방향으로 시프트시키는 시프트용 광학 부재를 구비하는 묘화 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 익스팬더는, 상기 빔 생성 장치로부터의 상기 빔을 입사시키는 제1 렌즈계와, 상기 제1 렌즈계를 통과한 상기 빔을 평행 광속으로 변환시키는 제2 렌즈계를 포함하며,
    상기 시프트용 광학 부재는, 상기 제1 렌즈계와 상기 제2 렌즈계와의 사이에 경사각 가변으로 배치되는 평행 평판(平板)인 묘화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 빔 익스팬더의 상기 제2 렌즈계의 후측 초점의 위치에 배치되고, 상기 빔 익스팬더에서 확대된 상기 빔의 강도 분포 상의 저변의 강도를 컷(cut)하는 개구 조리개를 더 구비하는 묘화 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 빔 편향 부재는, 상기 빔 익스팬더로부터의 상기 빔을 상기 주사용 광학계를 향해서 반사시킴과 아울러, 상기 주주사 방향에 대응한 방향으로 각도가 변화하는 반사면을 가지며,
    상기 빔 편향 부재의 상기 반사면은, 상기 부주사 방향에 대응한 방향에 대해서는, 상기 주사용 광학계와 상기 제2 광학계에 의해서, 상기 피조사체와 광학적으로 공역(公役)이 되도록 배치되고, 상기 주주사 방향에 대응한 방향에 대해서는, 상기 주사용 광학계의 전측 초점의 위치에 배치되는 묘화 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 개구 조리개의 위치는, 상기 빔 편향 부재의 상기 반사면으로부터 보았을 때, 상기 부주사 방향에 대응한 방향에 대해서는, 상기 제1 광학계의 거의 눈동자의 위치로 설정되고, 상기 주주사 방향에 대응한 방향에 대해서는, 상기 제1 광학계에 의해서 상기 빔 편향 부재의 상기 반사면의 위치 또는 상기 주사용 광학계의 전측 초점의 위치와 광학적으로 공역(共役)이 되도록 설정되는 묘화 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 광학계의 상기 제1 광학 소자는, 상기 주주사 방향에 대응한 방향으로만 굴절력을 가지며, 상기 개구 조리개를 통과한 상기 빔이 입사되는 제1 실린드리칼 렌즈이며,
    상기 제2 광학계의 상기 제2 광학 소자는, 상기 부주사 방향에 대응한 방향으로만 굴절력을 가지는 제2 실린드리칼 렌즈인 묘화 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 광학계는, 상기 제1 실린드리칼 렌즈를 통과한 상기 빔을, 상기 빔 편향 부재의 상기 반사면을 향해서 사출하는 등방적인 굴절력을 가지는 구면 또는 비구면의 렌즈를 포함하는 묘화 장치.
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