(57)【要約】【課題】  本体部に対して進退可能とされた可動部と、被測定物と、の間の距離を測定できる測距装置を提供する。【解決手段】  測距部８０は、照射部７０の光学系７２から基板Ｗまでの距離を測定し、主として、光源８１と、受光部８５と、光路分割部８７と、を有している。光源８１は、筐体８０ａ内に固定されており、基板Ｗに向けて指向性が強く、スポット径が絞られた光を出射する。光路分割部８７は、取付部７５を介して光学系７２の鏡筒７２ｂに固定されている。光路分割部８７は、光源８１から基板Ｗ側に出射された光の光路ＬＰ１１を、光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３に分割する。受光部８５は、筐体８０ａ内に固定されており、光路分割部８７で分割された各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の光を受光する。【選択図】図３
2010177499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感材層が形成された基板にパターンを描画するパターン描画装置であって、
(a) 前記基板を保持する保持部と、
(b) 本体部と、前記本体部に対して進退可能とされた光学系と、を有するとともに、前記光学系を介して出射される描画用のエネルギービームを、前記保持部に保持された前記基板に照射する照射部と、
(c) 前記基板までの距離を測定する測距部と、
(d) 前記測距部により測定された距離に基づいて、進退方向における前記光学系の位置を調整する調整部と、
を備え、
前記測距部は、
(c-1) 前記本体部側に固定されており、前記基板に向けて指向性の強い光を出射する光源と、
(c-2) 前記光源と前記基板との間に配置されるように前記光学系に固定されており、前記光源から前記基板側に出射された光の光路を分割する光路分割部と、
(c-3) 前記本体部側に固定されており、前記光路分割部で分割された各光路の光を受光する受光部と、
(c-4) 各光路を経由して前記受光部に到達する光の各到達位置に基づいて、前記光学系から前記基板までの距離を演算する距離演算部と、
を有し、
前記光路分割部は、前記光源から出射された光を、
i)  前記光路分割部の第１面で反射された第１光路と、
ii) 前記第１面を経由して前記光路分割部に入射し、前記光路分割部の第２面で反射された第２光路と、
iii)前記第１面および第２面を経由して前記光路分割部から出射し、前記基板の測定面で反射される第３光路と、
に分割し、
前記距離演算部は、前記第１ないし第３光路のそれぞれに対応する第１ないし第３到達位置と、前記進退方向における前記光路分割部の厚さと、に基づいて、前記光学系と前記基板との間の距離を演算することを特徴とするパターン描画装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパターン描画装置において、
前記受光部は、複数の受光素子を配列したものであり、
前記距離演算部は、前記第１ないし第３到達位置と、前記光路分割部の厚さと、隣接する前記受光素子間の距離と、に基づいて、前記光学系と前記基板との間の距離を演算することを特徴とするパターン描画装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のパターン描画装置において、
前記光源は、レーザ光を出射することを特徴とするパターン描画装置。
【請求項４】
本体部に対して進退可能とされた可動部と、被測定物と、の間の距離を測定する測距装置であって、
(a) 前記本体部側に固定されており、前記被測定物に向けて指向性の強い光を出射する光源と、
(b) 前記光源と前記被測定物との間に配置されるように前記可動部に固定されており、前記光源から前記被測定物側に出射された光の光路を分割する光路分割部と、
(c) 前記本体部側に固定されており、前記光路分割部で分割された各光路の光を受光する受光部と、
(d) 各光路を経由して前記受光部に到達する光の各到達位置に基づいて、前記可動部から前記被測定物までの距離を演算する距離演算部と、
を備え、
前記光路分割部は、前記光源から出射された光を、
i)  前記光路分割部の第１面で反射された第１光路と、
ii) 前記第１面を経由して前記光路分割部に入射し、前記光路分割部の第２面で反射された第２光路と、
iii)前記第１面および第２面を経由して前記光路分割部から出射し、前記被測定物の測定面で反射される第３光路と、
に分割し、
前記距離演算部は、前記第１ないし第３光路のそれぞれに対応する第１ないし第３到達位置と、前記可動部の進退方向における前記光路分割部の厚さと、に基づいて、前記可動部と前記被測定物との間の距離を演算することを特徴とする測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等（以下、単に「基板」と称する）上に形成された感材層にパターンを描画するパターン描画装置に関するものであって、特に、パターン描画用のエネルギービームを照射する照射部と基板との間の距離測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、感光媒体の表面が描画用の光学系の焦点となるよう、描画ヘッドの位置を調整する技術が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、（１）描画ヘッドに設けられており、感光媒体に向けて測定用ビームを照射するレーザダイオードと、（２）描画ヘッドに設けられており、レーザダイオードから照射され、感光媒体で反射されたビーム光を受光する一次元ＣＣＤイメージセンサと、が開示されている。
【０００３】
また、特許文献１には、一次元ＣＣＤイメージセンサ上における２つの位置、すなわち、ビーム光の到達位置と、予めキャリブレーションにより設定された目標焦点位置と、に基づいて、描画ヘッドを上下方向に移動させる技術も、開示されている。この技術において、描画ヘッドは、到達位置と目標焦点位置とが一致するように、移動させられる。これにより、描画ヘッドの光学系の焦点（前側焦点）は、感光媒体の表面に位置することになり、ビーム光による良好な描画処理が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−３１８８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１において、経時変化により描画ヘッドの各構成部品の取付状態が変化したり、描画ヘッドが設置されている場所の温度環境が変化すると、次のような問題が生ずる。
【０００６】
まず、描画ヘッドを構成する部品の取付位置が、前回キャリブレーション実行後の経時変化により位置ズレした場合について検討する。この取付位置変動によって、測定用のレーザダイオードおよび一次元ＣＣＤイメージセンサと、描画用の光学系と、の間の位置関係が変動すると、光学系の焦点は、前回キャリブレーション実行時に設定された目標焦点位置と対応しなくなる。すなわち、目標焦点位置とビーム光の到達位置とが一致するように描画ヘッドが移動させられても、光学系の焦点は、感光媒体の表面に位置しなくなる。
【０００７】
その結果、感光媒体上に描画用のビーム光を良好に集光できなくなるという問題が生ずる。そして、このような取付位置変動が生ずると、再キャリブレーションを実行することが必要となり、メンテナンス工程が増加するという問題も生ずる。
【０００８】
次に、描画ヘッドの周囲温度の変化によって、描画ヘッドの構成部品が膨張したり収縮する場合について検討する。例えば、描画ヘッドの周囲温度が設定温度から変動すると、描画ヘッドの構成部品は温度変動に起因して伸縮する。これにより、描画ヘッドの周囲温度が、再度、設定温度となるまでの間、測定用のレーザダイオードおよび一次元ＣＣＤイメージセンサと、描画用の光学系と、の間の位置関係が変動する。そして、描画ヘッドの設置場所の温度が設定温度で安定するまでの間、光学系の焦点と、前回キャリブレーション実行時に設定された目標焦点位置とは、対応しなくなる。その結果、設置場所の温度が安定するまでの間、描画処理を中止しなければならず、描画効率が低下するという問題が生ずる。
【０００９】
そして、このような温度変化や経時変化に起因した問題は、受光位置と予め設定された目標位置とを比較することによって、被測定物から可動部までの距離を把握する測定装置においても、同様に生ずる。
【００１０】
そこで、本発明では、本体部に対して進退可能とされた可動部と、被測定物と、の間の距離を測定できる測距装置、およびこの測距装置と同様な機能を有するパターン描画装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、感材層が形成された基板にパターンを描画するパターン描画装置であって、前記基板を保持する保持部と、本体部と、前記本体部に対して前記基板の方向に進退可能とされた光学系とを有するとともに、前記光学系を介して出射される描画用のエネルギービームを、前記保持部に保持された前記基板に照射する照射部と、前記基板までの距離を測定する測距部と、前記測距部により測定された距離に基づいて、進退方向における前記光学系の位置を調整する調整部とを備え、前記測距部は、前記本体部側に固定されており、前記基板に向けて指向性の強い光を出射する光源と、前記光源と前記基板との間に配置されるように前記光学系に固定されており、前記光源から前記基板側に出射された光の光路を分割する光路分割部と、前記本体部側に固定されており、前記光路分割部で分割された各光路の光を受光する受光部と、各光路を経由して前記受光部に到達する光の各到達位置に基づいて、前記光学系から前記基板までの距離を演算する距離演算部とを有し、前記光路分割部は、前記光源から出射された光を、前記光路分割部の第１面で反射された第１光路と、前記第１面を経由して前記光路分割部に入射し、前記光路分割部の第２面で反射された第２光路と、前記第１面および第２面を経由して前記光路分割部から出射し、前記基板の測定面で反射される第３光路と、に分割し、前記距離演算部は、前記第１ないし第３光路のそれぞれに対応する第１ないし第３到達位置と、前記進退方向における前記光路分割部の厚さと、に基づいて、前記光学系と前記基板との間の距離を演算することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のパターン描画装置において、前記受光部は、複数の受光素子を配列したものであり、前記距離演算部は、前記第１ないし第３到達位置と、前記光路分割部の厚さと、隣接する前記受光素子間の距離と、に基づいて、前記光学系と前記基板との間の距離を演算することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のパターン描画装置において、前記光源は、レーザ光を出射することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４の発明は、本体部に対して進退可能とされた可動部と、被測定物と、の間の距離を測定する測距装置であって、前記本体部側に固定されており、前記被測定物に向けて指向性の強い光を出射する光源と、前記光源と前記被測定物との間に配置されるように前記可動部に固定されており、前記光源から前記被測定物側に出射された光の光路を分割する光路分割部と、前記本体部側に固定されており、前記光路分割部で分割された各光路の光を受光する受光部と、各光路を経由して前記受光部に到達する光の各到達位置に基づいて、前記可動部から前記被測定物までの距離を演算する距離演算部とを備え、前記光路分割部は、前記光源から出射された光を、前記光路分割部の第１面で反射された第１光路と、前記第１面を経由して前記光路分割部に入射し、前記光路分割部の第２面で反射された第２光路と、前記第１面および第２面を経由して前記光路分割部から出射し、前記被測定物の測定面で反射される第３光路と、に分割し、前記距離演算部は、前記第１ないし第３光路のそれぞれに対応する第１ないし第３到達位置と、前記可動部の進退方向における前記光路分割部の厚さと、に基づいて、前記可動部と前記被測定物との間の距離を演算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１ないし請求項３に記載の発明によれば、光路分割部で分割された３つの光路に関する情報と、進退方向における光路分割部の厚さと、基づいて、照射部の光学系から基板までの距離を求めることができる。これにより、温度変化や経時変化に起因し、進行方向における測距部および光学系の間の位置関係が変化した場合であっても、測距部を再較正（再キャリブレーション）することなく、光学系から基板までの距離を求めることができる。すなわち、測距環境が変化した場合であっても、距離測定が良好に実行される。
【００１６】
そのため、温度変化や経時変化に起因し、進行方向における測距部および光学系の間の位置関係が変化した場合であっても、良好な距離演算結果に基づいて光学系から基板までの距離が一定となるように調整することができ、照射部によるパターン描画が良好に実行される。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１の場合と同様に、光路分割部で分割された３つの光路に関する情報と、進退方向における光路分割部の厚さと、基づいて、可動部から被測定物までの距離を求めることができる。これにより、温度変化や経時変化に起因し、進退方向における測距部および光学系の間の位置関係が変化した場合であっても、測距部を再較正することなく、可動部から被測定物までの距離を求めることができる。このように、測距環境が変化した場合であっても、距離測定が良好に実行される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態におけるパターン描画装置の全体構成の一例を示す斜視図である。
【図２】照射部および測距部のハードウェア構成、並びに制御部の機能構成を説明するための図である。
【図３】光路分割部により分割される光路を説明するための図である。
【図４】受光部の受光面における座標系を説明するための図である。
【図５】光学系−基板間距離の測定原理を説明するための図である。
【図６】較正用ブロックの構成の一例を示す斜視図である。
【図７】光学系−基板間距離の測定原理を説明するための図である。
【図８】光学系−基板間距離の測定原理を説明するための図である。
【図９】光学系−基板間距離の測定原理を説明するための図である。
【図１０】光学系−基板間距離の測定原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
＜１．パターン描画装置の全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態におけるパターン描画装置１の全体構成の一例を示す斜視図である。ここで、パターン描画装置１は、例えば、液晶表示装置用の製造工程で使用される基板処理装置であり、基板上に形成されたレジスト（感光材料）の層（感材層）にパターンを描画する。
【００２１】
図１に示すように、パターン描画装置１は、主として、架台１１と、移動プレート群２０と、描画部３０と、測距部８０と、制御部９０と、を備えている。なお、図１および以降の各図には、それらの方向関係を明確にすべく必要に応じて適宜、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系が付されている。
【００２２】
架台１１は、上面に略直方体状の載置部を有する構造物である。図１に示すように、架台１１上には、架橋構造体１２、移動プレート群２０、および描画部３０等が設置されている。
【００２３】
架橋構造体１２は、移動プレート群２０を跨ぐように配置された構造物である。図１に示すように、架橋構造体１２は、主として、複数（本実施の形態では４本）の支柱部材１２ａと、支柱部材１２ａにより下方から支持される箱体１２ｂと、を有している。これら支柱部材１２ａは、略Ｙ軸方向に沿って、移動プレート群２０の両側に配置されている。また、箱体１２ｂは、移動プレート群２０の上方に掛け渡されるとともに、箱体１２ｂの内側空間には、図１に示すように、レーザ発振器３１およびビームスプリッタ３２が配置されている。
【００２４】
移動プレート群２０は、照射部７０および測距部８０に対して、基板ＷをＸＹ平面内（水平面内）で移動させる移動テーブルである。図１に示すように、移動プレート群２０は、主として、基板保持プレート２１と、支持プレート２２と、ベースプレート２３と、基台２４と、を有している。
【００２５】
基板保持プレート２１は、基板Ｗを保持する保持部である。また、回動機構２１ａは、支持プレート２２に対して、基板保持プレート２１をＺ軸周り（鉛直軸周り）に回動させる。これにより、回動機構２１ａが動作すると、基板保持プレート２１に保持された基板Ｗは、Ｚ軸周りに回動し、ＸＹ平面内における基板Ｗの姿勢が調整される。
【００２６】
また、基板保持プレート２１の上面（基板Ｗの載置面）には、格子状の吸着溝（図示省略）が設けられている。これにより、吸着溝内の雰囲気が排気されると、基板保持プレート２１の上面に載置された基板Ｗは、吸着保持される。
【００２７】
支持プレート２２は、基板保持プレート２１の下方、かつ、ベースプレート２３の上方に配置されている。また、副走査機構２２ａは、ベースプレート２３に対して、支持プレート２２を略Ｘ軸方向（水平第１方向：副走査方向）に移動させる。これにより、副走査機構２２ａが動作すると、基板保持プレート２１上の基板Ｗは、副走査方向に移動させられる。
【００２８】
ベースプレート２３は、支持プレート２２の下方、かつ、基台２４の上方に配置されている。また、主走査機構２３ａは、基台２４に対して、ベースプレート２３を略Ｙ軸方向（水平第２方向：主走査方向）に移動させる。これにより、主走査機構２３ａが動作すると、基板保持プレート２１上の基板Ｗは、主走査方向に移動させられる。
【００２９】
したがって、移動プレート群２０は、基板保持プレート２１に保持された基板Ｗを、基台２４に対して、主走査方向、副走査方向、および鉛直軸を中心とした回動方向、のそれぞれに移動させることができる。
【００３０】
描画部３０は、例えば、基板Ｗ上に形成されたレジストに対し、描画用に変調された光を照射する光学系である。図１に示すように、描画部３０は、主として、レーザ発振器３１と、ビームスプリッタ３２と、照射部７０と、を有している。
【００３１】
レーザ発振器３１は、制御部９０から送出される駆動信号に基づいて、光を出射する描画用光源である。ビームスプリッタ３２は、複数のハーフミラー（図示省略）を有しており、単一のレーザ発振器３１から出射された光を、光量が略同一となる複数の光に分割する。分割された各光は、ビームスプリッタ３２によって対応する照射部７０に導かれる。
【００３２】
複数（本実施の形態では６個）の照射部７０は、ビームスプリッタ３２で分割された光を変調した後、基板Ｗ側に照射する。図１に示すように、各照射部７０は、架橋構造体１２の正面上部に設けられており、略Ｘ軸方向（副走査方向）に沿って等間隔に固定されている。
【００３３】
測距部８０は、照射部７０から基板Ｗまでの距離を測定する計測部である。図１に示すように、測距部８０は、各照射部７０に対応して一対一に設けられている。また、図１に示すように、測距部８０の側面のうち、Ｙ軸方向から見てプラス側の側面が、照射部７０に固定されている。なお、照射部７０および測距部８０の詳細については、後述する。
【００３４】
＜２．照射部および測距部、並びに制御部の構成＞
図２は、照射部７０および測距部８０、並びに制御部９０の構成を説明するための図である。図３は、測距部８０の光路分割部８７により分割される光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３を説明するための図である。
【００３５】
照射部７０は、図２に示すように、主として、本体部７１と、光学系７２と、位置調整部７４と、を有している。照射部７０は、光学系７２を介して出射される描画用の光を、基板保持プレート２１に保持された基板Ｗに向けて照射する。
【００３６】
本体部７１は、光学系７２の一部を収納可能とされた筐体である。光学系７２は、ビームスプリッタ３２で分割されたパルス光を基板Ｗの表面（上面）Ｗａで集光させるレンズ系である。また、光学系７２（可動部）は、本体部７１に対して進退可能とされており、、基板Ｗの方向（上下方向）に移動する。図２および図３に示すように、光学系７２は、複数のレンズ７２ａ（図２および図３では、図示の都合上１枚のみ記載）と、これらレンズ７２ａが収納された鏡筒７２ｂと、を有している。
【００３７】
位置調整部７４は、測距部８０により測定された距離に基づいて、上下方向（進退方向）における光学系７２の位置を調整する。ここで、各照射部７０に含まれる光学系７２の焦点（前側焦点）が基板Ｗの表面Ｗａに位置するように、進退方向における各光学系７２の位置（高さ位置）が調整されると、照射部７０から照射される光は、基板Ｗの表面Ｗａで集光され、良好な描画処理が実行される。
【００３８】
測距部８０は、上述のように、照射部７０から基板Ｗまでの距離を測定する計測部であり、主として、光源８１と、受光部８５と、光路分割部８７と、を有している。
【００３９】
光源８１は、図２および図３に示すように、筐体８０ａ内に（すなわち、照射部７０の本体部７１側に）固定されている。光源８１は、基板Ｗに向けて指向性が強く、スポット径が絞られた光（例えば、レーザ光）を出射する。そして、光源８１から出射された光のうち、一部は光路分割部８７で反射され、また他の一部は、基板Ｗの表面Ｗａで反射される。
【００４０】
光路分割部８７は、例えば、ガラス等により形成された板材である。図２および図３に示すように、光路分割部８７は、取付部７５を介して光学系７２の鏡筒７２ｂに固定されている。すなわち、光路分割部８７は、上下方向において光源８１と基板Ｗとの間に配置されている。
【００４１】
また、光路分割部８７は、図３に示すように、光源８１から基板Ｗ側に出射される光の光路ＬＰ１１を分割する。これにより、光路ＬＰ１１は、複数（本実施の形態では３つ）の光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３に分割される。
【００４２】
すなわち、図３に示すように、光源８１から出射された光の光路ＬＰ１１の一部は、光路分割部８７の上面８７ａ（第１面）で反射されることによって、光路ＬＰ２１（第１光路）に分割される。
【００４３】
また、光路分割部８７の上面８７ａで分割された他方の光路ＬＰ１２は、上面８７ａを経由して光路分割部８７内に入射する。そして、光路ＬＰ１２の一部は、光路分割部８７の下面８７ｂ（第２面）で反射されることによって、光路ＬＰ２２（第２光路）に分割される。
【００４４】
さらに、光路分割部８７の下面８７ｂで分割された他方の光路ＬＰ２３（第３光路）は、上面８７ａおよび下面８７ｂを経由して光路分割部８７から出射し、基板Ｗの表面Ｗａ（測定面）で反射される。
【００４５】
受光部８５は、図２および図３に示すように、筐体８０ａ内に固定されており、光路分割部８７で分割された各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の光を受光する。ここで、受光部８５は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサにより構成されており、複数の受光素子を１次元または２次元に配列したものである。各受光素子は、光の強さを電気エネルギーに変換する。したがって、受光部８５は、各受光素子で受光される光の強さを、電気エネルギー（電気信号）として検出する。
【００４６】
制御部９０は、例えば、位置調整部７４による光学系７２の位置制御のように、パターン描画装置１に含まれる各機器の動作を制御したり、所望の演算処理を実行する。図２に示すように、制御部９０は、主として、ＲＡＭ（Random Access Memory）９１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９４と、を有している。
【００４７】
ＲＡＭ９１は、揮発性の記憶部であり、ＣＰＵ９４の演算で使用されるデータが記憶可能とされている。また、ＲＯＭ９２は、いわゆる不揮発性の記憶部であり、例えば、プログラム９２ａが格納されている。なお、ＲＯＭ９２としては、読み書き自在の不揮発性メモリであるフラッシュメモリが使用されてもよい。
【００４８】
ＣＰＵ９４は、ＲＯＭ９２のプログラム９２ａに従った動作制御やデータ演算を実行する。また、図２のＣＰＵ９４内に記載されているブロック（それぞれ符号９４ａ、９４ｂが付与されている）は、ＣＰＵ９４により実現される演算機能に対応する。
【００４９】
距離演算部９４ａは、各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３を経由して受光部８５に到達する光の到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３に基づいて、光学系７２から基板Ｗまでの距離を演算する。なお、距離演算部９４ａによる演算手法の詳細については、後述する。
【００５０】
移動量演算部９４ｂは、光学系７２の焦点が基板Ｗの表面Ｗａとなるように、光学系７２を移動させるための移動情報（移動方向および移動量）を演算する。具体的には、移動量演算部９４ｂは、距離演算部９４ａにより演算された距離（光学系７２−基板Ｗ間距離）と、光学系７２の焦点距離と、に基づいて、光学系７２の移動方向および移動量を演算する。
【００５１】
＜３．測距部による距離測定＞
ここでは、距離演算部９４ａによる演算手法を説明するため、（１）光路分割部８７により分割される各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３を詳細に説明し、続いて、（２）各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３に基づいて光学系７２から基板Ｗまでの距離を測定する原理について説明する。
【００５２】
＜３．１．測距部の光源から出射される光路の分割状況＞
図４は、受光部８５の受光面８５ａにおける座標系（ｉｊ座標系）を説明するための図である。図５ないし図１０は、光学系７２−基板Ｗ間距離の測定原理を説明するための図である。ここでは、光路分割部８７により分割される各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３について説明する。
【００５３】
図３および図５に示すように、光源８１から出射された光の光路ＬＰ１１が入射角θ１で光路分割部８７の上面８７ａに到達すると、光路ＬＰ１１は、上面（界面）８７ａにおいて、２つの光路ＬＰ１２、ＬＰ２１に分割される。
【００５４】
すなわち、光路ＬＰ１１の一部は、反射角θ１となるように上面８７ａで反射される。一方、光路ＬＰ１１の他の一部は、空気に対する相対屈折率がｎとなる光路分割部８７内に入射し、数１の屈折角φ１となるように上面８７ａで屈折する。
【００５５】
【数１】
2010177499.tif 000003
【００５６】
そして、光路ＬＰ２１は、図３および図４に示すように、測定用レンズ系（図示省略）を介して集光され、受光面８５ａの到達位置Ｐ１１（第１到達位置）に到達する。
【００５７】
次に、上面８７ａで分割された光路ＬＰ１２が光路分割部８７内を基板Ｗに向かって進行し、下面８７ｂに到達すると、光路ＬＰ１２は、下面（界面）８７ｂにおいて、２つの光路ＬＰ２２、ＬＰ２３に分割される。
【００５８】
すなわち、光路ＬＰ１２の一部は、反射角φ１となるように下面８７ｂで反射される。一方、光路ＬＰ１２の他の一部は、屈折角θ１となるように下面８７ｂで屈折する。そして、光路ＬＰ２２は、図３および図４に示すように、屈折角θ１となるように上面８７ａで屈折し、受光面８５ａの到達位置Ｐ１２（第２到達位置）に到達する。
【００５９】
続いて、下面８７ｂで分割され、基板Ｗ側に出射した光路ＬＰ２３は、入射角θ１となるように基板Ｗの表面Ｗａに入射し、反射角θ１となるように表面Ｗａで反射される。そして、基板Ｗで反射された光路ＬＰ２３は、屈折角φ１となるように下面８７ｂで屈折し、屈折角θ１となるように上面８７ａで屈折した後、受光面８５ａの到達位置Ｐ１３（第３到達位置）に到達する。
【００６０】
このように、光源８１から出射される光路ＬＰ１１は、光路分割部８７により３つの子光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３に分割される。そして、各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３が受光面８５ａに到達すると、受光部８５に設けられた各受光素子では、光の強度に応じた電気信号が検出される。本実施の形態では、各受光素子で受光される電気信号に基づいて、各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３を求めている。
【００６１】
ここで、図４に示すように、受光部８５の受光面８５ａ上には、各受光素子８５ｂが、ｉ方向およびｊ方向に沿って格子状に配列されており、各受光素子８５ｂの位置は、図４のｉｊ座標系を用いて指定される。例えば、座標値「ｉ」および「ｊ」のそれぞれが整数の場合、座標（ｉ，ｊ）は、原点（０，０）からｉ方向に「ｉ」番目、およびｊ方向に「ｊ」番目に位置する受光素子を指定する。また、Ｇｒ（ｉ，ｊ）は、座標（ｉ，ｊ）で指定される受光素子に光が到達する場合において、この受光素子により変換された電気信号の値（検出値）を言うものとする。
【００６２】
さらに、受光面８５ａに到達する各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の光強度は、各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の幅方向の中心付近で最大となり、かつ、この中心付近から幅方向に沿って遠ざかるに従い低下する。
【００６３】
したがって、受光面８５ａに到達する各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３（第１ないし第３到達位置）は、対応する受光素子８５ｂで検出される検出値Ｇｒ（ｉ，ｊ）の重心を演算することにより取得される。
【００６４】
＜３．２．光学系−基板間距離の演算＞
続いて、各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３に基づいて、光学系７２と基板Ｗとの間の距離を演算する手法について説明する。図４および図５に示すように、
（１）上下方向における光路分割部８７の厚さをＴＧ、
（２）上下方向における光路分割部８７から基板Ｗまでの距離をＧ、
（３）光源８１から光路分割部８７に入射する光路ＬＰ１１の入射角をθ１、
（４）光源８１側から光路分割部８７に入射した光路ＬＰ１２の屈折角をφ１、
（５）ｉｊ座標上における到達位置Ｐ１１と到達位置Ｐ１２との間の距離をＤＰ１、
（６）ｉｊ座標上における到達位置Ｐ１２と到達位置Ｐ１３との間の距離をＤＰ２、
（７）隣接する受光素子８５ｂ間の距離（画素長）をＬＰＰ、
とすると、ＸＹＺ座標系における光路ＬＰ２１、ＬＰ２２間の距離ＤＬ１および光路ＬＰ２２、ＬＰ２３間の距離ＤＬ２は、それぞれ数２および数３により表される。
【００６５】
【数２】
2010177499.tif 000004
【００６６】
【数３】
2010177499.tif 000005
【００６７】
また、数２および数３を整理すると、数４が導かれる。さらに、数１および数４を整理すると、数５が導かれる。
【００６８】
【数４】
2010177499.tif 000006
【００６９】
【数５】
2010177499.tif 000007
【００７０】
数５において、光路分割部８７の厚さＴＧおよび相対屈折率ｎは定数である。また、角度θ１（より具体的には、「ｃｏｓθ１」の値）は、予め実行されるキャリブレーションにより求められる値である。
【００７１】
したがって、受光部８５における各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３から各光路間距離ＤＰ１、ＤＰ２を求め、求められた光路間距離ＤＰ１、ＤＰ２を数５に代入することによって、光路分割部８７−基板Ｗ間距離Ｇを求めることができる。そして、求められた光路分割部８７−基板Ｗ間距離Ｇに、光学系７２−光路分割部８７間距離ＧＡを加算することによって、光学系７２−基板Ｗ間距離を演算することができる。
【００７２】
ここで、距離測定に先立って実行される測距部８０のキャリブレーションについて説明する。図６は、較正用ブロック６０の構成の一例を示す斜視図である。図７および図８は、較正用ブロック６０による測距部８０のキャリブレーション手法を説明するための図である。
【００７３】
較正用ブロック６０は、図６ないし図８に示すように、Ｚ軸方向の大きさ（すなわち、高さ）が異なる２つの直方体６０ａ、６０ｂから構成されている。これにより、較正用ブロック６０のＹ軸方向から見た断面は、略Ｌ字状となり、較正用ブロック６０は、その上部に段差を有する。
【００７４】
また、測距部８０のキャリブレーション時に演算される「ｃｏｓθ１」の値は、数６ないし数９に基づいて、求められる。すなわち、厚さＴＧ、角度θ１、相対屈折率ｎ、距離ＤＰ１に加えて、
（８）下面６１ｃから見た上面６１ａの高さをＨ１、
（９）下面６１ｃから見た上面６１ｂの高さをＨ２、
（１０）高さＨ１から高さＨ２を減じた値（上下方向における上面６１ａ、６１ｂの段差）をＨ１２、
（１１）上下方向における光路分割部８７から上面６１ａまでの距離をＧ１、
（１２）上下方向における光路分割部８７から上面６１ｂまでの距離をＧ２、
（１３）ｉｊ座標上における到達位置Ｐ１２−到達位置Ｐ１４間の距離をＤＰ２１、
（１４）ｉｊ座標上における到達位置Ｐ１２−到達位置Ｐ１５間の距離をＤＰ２２、
とすると（図６ないし図８参照）、段差Ｈ１２は、数６のように表される。
【００７５】
【数６】
2010177499.tif 000008
【００７６】
なお、到達位置Ｐ１４（図７参照）とは、光路分割部８７を透過し、較正用ブロック６０の上面６１ａ（第２較正面）で反射される光の光路ＬＰ２４が、受光部８５に到達する位置を言う。また、到達位置Ｐ１５（図８参照）とは、光路分割部８７を透過し、較正用ブロック６０の上面６１ｂ（第２較正面）で反射される光の光路ＬＰ２５が、受光部８５に到達する位置を言う。
【００７７】
また、数６の両辺を整理すると、数７が導かれる。
【００７８】
【数７】
2010177499.tif 000009
【００７９】
さらに、較正係数Ｋを数８のように定義すると、「ｃｏｓθ１」の値は、数９に示すように、較正係数Ｋと、相対屈折率がｎと、から求められる。
【００８０】
【数８】
2010177499.tif 000010
【００８１】
【数９】
2010177499.tif 000011
【００８２】
したがって、本実施の形態における測距部８０のキャリブレーションでは、
ａ）照射部７０からの光が較正用ブロック６０の上面６１ａで反射されるように、較正用ブロック６０が移動させられ、距離ＤＰ２１が求められ、次に、
ｂ）照射部７０からの光が較正用ブロック６０の上面６１ｂで反射されるように、較正用ブロック６０が移動させられ、距離ＤＰ２２が求められ、続いて、
ｃ）上述のａ）およびｂ）で求められた距離ＤＰ２１、ＤＰ２２から較正係数Ｋが求められ、この較正係数Ｋが数９に代入されることによって、「ｃｏｓθ１」の値が求められる。
【００８３】
また、このような手法により光学系７２−基板Ｗ間距離を演算する場合、次のような利点がある。まず、照射部７０の本体部７１に対する測距部８０の取付位置が温度変化や経時変化に起因し、測距部８０の取付位置が上下方向（図９の例では、測距部８０の取付位置が、照射部７０の本体部７１に対して上方向）に変動した場合を例に挙げて説明する。
【００８４】
図９に示すように、測距部８０の光源８１および受光部８５と、照射部７０の光学系７２と、の間の位置関係が前回キャリブレーション後に変動すると、受光面８５ａにおける各光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３の到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３は、それぞれ到達位置Ｐ２１〜Ｐ２３に移動する。
【００８５】
しかしながら、本実施の形態において、光学系７２−基板Ｗ間距離Ｇは、数４および数５に示すように、２つの光路間距離ＤＰ１、ＤＰ２に基づいて求められ、受光面８５ａにおける各到達位置Ｐ２１〜Ｐ２３自体は、距離演算に影響を及ぼさない。そして、各到達位置が移動しても、各光路間距離ＤＰ１、ＤＰ２は変動しない。
【００８６】
したがって、測距部８０の取付位置が、温度変化や経時変化に起因し、照射部７０の本体部７１に対して上下方向に変動した場合であっても、再度のキャリブレーションなしに光学系７２から基板Ｗまでの距離を良好に求めることができる。
【００８７】
次に、経時変化等に起因して、測距部８０が照射部７０の本体部７１に対して回動し、光源８１から光路分割部８７に入射する光路ＬＰ１１の入射角が、θ１からθ２に変化した場合について説明する（図１０参照）。
【００８８】
ここで、角度θ２は、例えば、光源８１から光路分割部８７に入射する光路ＬＰ１１の入射角である。この場合、再キャリブレーション時に、較正用ブロック６０を使用して「ｃｏｓθ２」を求めるだけで、数５（但し、数５の「ｃｏｓθ１」は「ｃｏｓθ２」に読み替える）に基づいて光学系７２から基板Ｗまでの距離を演算することができる。
【００８９】
＜４．本実施の形態のパターン描画装置の利点＞
以上のように、本発明の実施の形態のパターン描画装置１は、光路分割部８７で分割された３つの光路ＬＰ２１〜ＬＰ２３に関する情報（すなわち、対応する到達位置Ｐ１１〜Ｐ１３）と、進退方向における光路分割部８７の厚さＴＧと、に基づいて、光学系７２から基板Ｗまでの距離を求めることができる。
【００９０】
これにより、温度変化や経時変化に起因し、進行方向における測距部８０および光学系７２の間の位置関係が変化した場合であっても、測距部８０を再較正することなく、光学系７２から基板Ｗまでの距離を求めることができる。すなわち、測距環境が変化した場合であっても、距離測定が良好に実行される。
【００９１】
そのため、パターン描画装置１は、温度変化や経時変化に起因し、進行方向における測距部８０および光学系７２の間の位置関係が変化した場合であっても、光学系７２の焦点が基板Ｗの表面Ｗａとなるように光学系７２の位置を調整できる。その結果、照射部７０によるパターン描画が良好な状態に維持される。
【００９２】
＜５．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００９３】
（１）本実施の形態において、測距部８０（測距装置）は、描画用光の集光に使用される光学系７２と基板Ｗとの間の距離を測定するために使用されるものとして説明したが、測距部８０により測定できる距離はこれに限定されるものでない。測距部８０は、例えば、被測定物と、被測定物の方向に進退可能とされた可動部と、の間の距離であっても測定できる。
【００９４】
（２）また、本実施の形態では、パターン描画用のエネルギービームとして光が使用されているが、これに限定されるものでなく、例えば、電子ビーム、イオンビーム、Ｘ線等が使用されてもよい。
【００９５】
（３）さらに、本実施の形態では、較正用ブロック６０の２つの上面６１ａ、６１ｂのそれぞれで反射された光に基づいて測距部８０のキャリブレーションを行うものとして説明したが、キャリブレーションに使用されるブロックはこれに限定されるものでない。例えば、高さ方向の大きさ（厚さ）と、相対屈折率と、が既知であり、かつ、上面および下面が略平行となるものが、較正用のブロックとして使用されてもよい。この場合、ブロックを移動させることなく、距離ＤＰ２１、ＤＰ２２を求めることができ、数６ないし数９に基づいて「ｃｏｓθ１」の値を求めることができる。
【符号の説明】
【００９６】
１  パターン描画装置
３０  描画部
７０  照射部
７１  本体部
７２  光学系
７４  位置調整部
７５  取付部
８０  測距部
８１  光源
８５  受光部
８５ｂ  受光素子
８７  光路分割部
８７ａ  上面（第１面）
８７ｂ  下面（第２面）
９０  制御部
９４ａ  距離演算部
ＬＰ２１  光路（第１光路）
ＬＰ２２  光路（第２光路）
ＬＰ２３  光路（第３光路）
Ｐ１１〜Ｐ１３  到達位置（第１ないし第３到達位置）
ＴＧ  厚さ
Ｗ  基板
Ｗａ  表面
【図１】
2010177499.tif 000012
【図２】
2010177499.tif 000013
【図３】
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【図４】
2010177499.tif 000015
【図５】
2010177499.tif 000016
【図６】
2010177499.tif 000017
【図７】
2010177499.tif 000018
【図８】
2010177499.tif 000019
【図９】
2010177499.tif 000020
【図１０】
2010177499.tif 000021