(57)【要約】【課題】光学系等の構成要素の増大を抑えつつ既設パターンに応じて描画光ビームの照射位置を補正できるパターン描画装置を提供する。【解決手段】パターン描画装置の先読みユニット５０は、検出光ビームを基板に照射するための照明部５１と、当該検出光ビームの基板面での反射光を検出するための観察部５２とを含み、検出光ビームの照射によって基板面に形成される光スポットＳＰｗは長円状であってその長軸が主走査方向に対し斜めの方向となり、上記反射光を検出するラインセンサ５２１の画素配置方向が光スポット像ＳＰｄの短軸に対し斜め方向となるように構成されている。パターン描画装置は、上記画素配置方向における受光強度分布に基づき基板面の鉛直方向の変動量および既設パターンの変動量を求め、これらの変動量に基づき描画用の光学系の焦点調整および描画光ビームの照射位置の補正を行う。【選択図】図４
2014199861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に保持された対象物に対し描画光を照射することにより当該対象物にパターンを描画するパターン描画装置であって、
前記描画光を出射する描画光光源と、
前記描画光を前記対象物に照射し前記対象物の表面で合焦させるための投影光学系と、
前記投影光学系を介して前記対象物に照射される前記描画光によって前記対象物が主走査方向および副走査方向に走査されるように前記描画光の照射位置を前記対象物に対し相対的に水平移動させる移動手段と、
前記照射位置に対し前記主走査方向の上流側に相当する前記対象物の描画予定領域に照射すべき検出光を出射する検出光源と、
前記検出光の照射によって前記描画予定領域に長軸および短軸を有する光スポットが形成されるように前記検出光源からの前記検出光をビーム状に収束させて前記描画予定領域に導く検出照明光学系と、
前記光スポットからの反射光を受光するための検出面を有する光検出器と、
前記光スポットの像を前記検出面に結像させる観察光学系と、
前記光検出器により検出される受光強度に基づき前記光スポットの短軸方向に対し斜めの方向における前記反射光の光量分布を求め、当該光量分布に基づき、前記描画予定領域に先に形成された既設パターンの前記主走査方向または前記副走査方向における位置変動量を既設パターン変動量として検出する変動量検出手段と、
前記既設パターン変動量に応じて前記描画光の前記照射位置を補正する照射位置補正手段と、
を備えることを特徴とする、パターン描画装置。
【請求項２】
前記検出照明光学系は、前記光スポットの長軸が前記主走査方向に対し斜めの方向となるように前記描画予定領域に前記検出光を照射することを特徴とする、請求項１に記載のパターン描画装置。
【請求項３】
前記描画光を前記照射位置で合焦させるための焦点調整手段を更に備え、
前記変動量検出手段は、前記光量分布に基づき、前記投影光学系の焦点位置からの前記照射位置の鉛直方向の変動量を鉛直方向変動量として検出し、
前記焦点調整手段は、前記鉛直方向変動量に応じて前記投影光学系の焦点調整または前記投影光学系と前記照射位置との間の距離調整を行うことにより、前記描画光を前記照射位置で合焦させることを特徴とする、請求項１に記載のパターン描画装置。
【請求項４】
前記変動量検出手段は、
前記光量分布に基づき前記検出面における前記光スポットの像の重心をビームプロファイル重心位置として求め、当該ビームプロファイル重心位置に基づき前記鉛直方向変動量を検出し、
前記光量分布に基づき前記検出面における前記光スポットの像における前記既設パターンの像の重心を前記ビームプロファイル重心位置を基準とする相対位置である局所パターンプロファイル重心相対位置として求め、当該局所パターンプロファイル重心相対位置に基づき前記既設パターン変動量を検出することを特徴とする、請求項３に記載のパターン描画装置。
【請求項５】
前記対象物に描画すべきパターンに応じて前記描画光光源からの前記描画光を空間的に変調する空間変調部を更に備え、
前記投影光学系は、前記空間変調部により空間変調を施された前記描画光を前記対象物に照射し当該空間変調に相当するパターンを前記対象物の表面に結像させることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のパターン描画装置。
【請求項６】
前記光検出器は、複数の受光素子が１次元状に配置された受光面を前記検出面として有するラインセンサであり、
前記ラインセンサは、前記複数の受光素子の配置方向が前記検出面における前記光スポットの像の短軸方向に対し斜めの方向となるように配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のパターン描画装置。
【請求項７】
水平に保持された対象物に対し描画光を照射することにより当該対象物にパターンを描画するためのパターン描画方法であって、
前記描画光を出射する描画光出射ステップと、
前記描画光を投影光学系を介して前記対象物に照射し前記対象物の表面で合焦させるための合焦ステップと、
前記投影光学系を介して前記対象物に照射される前記描画光によって前記対象物が主走査方向および副走査方向に走査されるように、前記描画光の照射位置を前記対象物に対し相対的に水平移動させる移動ステップと、
前記照射位置に対し前記主走査方向の上流側に相当する前記対象物の描画予定領域に照射すべき検出光を出射する検出光出射ステップと、
前記検出光の照射によって前記描画予定領域に長軸および短軸を有する光スポットが形成されるように、前記検出光出射ステップで出射された前記検出光をビーム状に収束させて前記描画予定領域に導く検出照明ステップと、
前記光スポットからの反射光を検出面で受光する光検出ステップと、
前記光スポットの像を前記検出面に結像させる観察結像ステップと、
前記光検出ステップにより検出される受光強度に基づき前記光スポットの短軸方向に対し斜めの方向における前記反射光の光量分布を求め、当該光量分布に基づき、前記描画予定領域に先に形成された既設パターンの前記主走査方向または前記副走査方向における位置変動量を既設パターン変動量として検出する変動量検出ステップと、
前記既設パターン変動量に応じて前記描画光の前記照射位置を補正する照射位置補正ステップと、
を備えることを特徴とするパターン描画方法。
【請求項８】
前記描画光を前記照射位置で合焦させるための焦点調整ステップを更に備え、
前記変動量検出ステップでは、前記光量分布に基づき、前記投影光学系の焦点位置からの前記照射位置の鉛直方向の変動量が鉛直方向変動量として検出され、
前記焦点調整ステップでは、前記鉛直方向変動量に応じて前記投影光学系の焦点調整または前記投影光学系と前記照射位置との間の距離調整を行うことにより、前記描画光が前記照射位置で合焦することを特徴とする、請求項７に記載のパターン描画方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感光性膜が形成された基板等の対象物に対して光を照射することにより当該対象物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り、更に詳しくは、そのようなパターン描画装置における光の照射位置の調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、感光性膜が形成された半導体基板、プリント基板、またはガラス基板（以下、単に「基板」という）をステージに載置して移動させつつ光学ヘッドから当該基板に光ビームを照射することにより、当該基板にパターンを描画するパターン描画装置が知られている。
【０００３】
例えば文献１（特開２０１２−９３７０１号公報）には、ＧＬＶ（Grating Light Valve：グレーチング・ライト・バルブ）（シリコン・ライト・マシーンズ（サニーベール、カリフォルニア）の登録商標）等の光変調素子を用いてレーザ光等の光ビームを画像データに応じて空間的に変調し、感光材料層が形成された半導体基板にその変調光ビームを照射してパターンを描画するパターン描画装置（所謂「直接描画装置」）が開示されている。
【０００４】
このようなパターン描画装置では、その画像データに応じた光ビームの空間変調に相当するパターンを投影光学系によって基板に結像させるための焦点調整が必要である。この焦点調整は、投影光学系に含まれるフォーカシングレンズの位置の調整またはその光ビームを出射する光学ヘッドと当該基板の表面（以下「基板面」という）との距離の調整により行われる。ここで、光学ヘッド（「描画ヘッド」とも呼ばれる）に対する基板の水平方向の相対的な移動によって当該光学ヘッドと基板面との距離が変動すると、上記投影光学系の焦点がずれることになる。これに対し、例えば文献２（特開平９−３１８８６９号）には、上記のようなパターン描画装置における描画過程においてリアルタイムで光学ヘッドと基板面と距離の変動を検出して自動的に焦点を調整する自動焦点制御装置が開示されている。
【０００５】
また、上記のようなパターン描画装置では、先に基板上に形成された既設パターン（例えば金属線のような下地パターン）に重ねてパターンを形成するために当該基板に変調光ビームを照射して描画を行う場合には、高い位置精度で既設パターンに整合したパターンを描画する必要がある。しかし、基板に既設パターンが形成された後に施される熱処理工程によって当該基板には歪み、収縮・膨張等の形状変化が生じる。また、異なるパターン描画装置によって既設パターンが形成される場合には、装置の機差や精度によっても既設パターンは変化する。これに対し、例えば文献１（特開２０１２−９３７０１号公報）には、基板に対し相対的に移動する光学ヘッドの前方近傍に当該基板上の描画予定領域を撮像する先行撮像ユニットを設けた描画装置が開示されている。この描画装置では、その先行撮像ユニットにより既設パターンの形成位置が検出され、その検出位置に基づいて変調光ビームの経路が補正される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−９３７０１号公報
【特許文献２】特開平９−３１８８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パターン描画装置において上記のような自動焦点制御装置や先行撮像ユニットを使用することにより、基板へのパターンの描画過程において投影光学系の焦点調整を行うと共に既設パターンに応じて変調光ビームの経路を補正することができる。しかし、このような構成によれば、光ビームの空間変調のパターンを基板に結像させるための投影光学系（以下「露光光学系」という）に加えて、描画ヘッドと基板面との距離を検出するための光学系（以下「自動焦点用計測光学系」という）と既設パターンの形成位置をパターンの描画位置に先行して検出する先行撮像ユニットのための光学系（以下「先読み光学系」という）とが必要になる。
【０００８】
しかし、このような３つの光学系を備えると、パターン描画装置の大型化およびコストの増大を招く。また、このようにして光学系が増えることにより並置可能な描画ヘッドの個数が減ると、パターン描画装置の処理能力が低下する。
【０００９】
そこで本発明は、光学系等の構成要素の増大を抑えつつ既設パターンに応じて描画用の光ビームの経路を補正でき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】
【００１０】
本発明の第１の局面は、水平に保持された対象物に対し描画光を照射することにより当該対象物にパターンを描画するパターン描画装置であって、
前記描画光を出射する描画光光源と、
前記描画光を前記対象物に照射し前記対象物の表面で合焦させるための投影光学系と、
前記投影光学系を介して前記対象物に照射される前記描画光によって前記対象物が主走査方向および副走査方向に走査されるように前記描画光の照射位置を前記対象物に対し相対的に水平移動させる移動手段と、
前記照射位置に対し前記主走査方向の上流側に相当する前記対象物の描画予定領域に照射すべき検出光を出射する検出光源と、
前記検出光の照射によって前記描画予定領域に長軸および短軸を有する光スポットが形成されるように前記検出光源からの前記検出光をビーム状に収束させて前記描画予定領域に導く検出照明光学系と、
前記光スポットからの反射光を受光するための検出面を有する光検出器と、
前記光スポットの像を前記検出面に結像させる観察光学系と、
前記光検出器により検出される受光強度に基づき前記光スポットの短軸方向に対し斜めの方向における前記反射光の光量分布を求め、当該光量分布に基づき、前記描画予定領域に先に形成された既設パターンの前記主走査方向または前記副走査方向における位置変動量を既設パターン変動量として検出する変動量検出手段と、
前記既設パターン変動量に応じて前記描画光の前記照射位置を補正する照射位置補正手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
前記検出照明光学系は、前記光スポットの長軸が前記主走査方向に対し斜めの方向となるように前記描画予定領域に前記検出光を照射することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第３の局面は、本発明の第１の局面において、
前記描画光を前記照射位置で合焦させるための焦点調整手段を更に備え、
前記変動量検出手段は、前記光量分布に基づき、前記投影光学系の焦点位置からの前記照射位置の鉛直方向の変動量を鉛直方向変動量として検出し、
前記焦点調整手段は、前記鉛直方向変動量に応じて前記投影光学系の焦点調整または前記投影光学系と前記照射位置との間の距離調整を行うことにより、前記描画光を前記照射位置で合焦させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第４の局面は、本発明の第３の局面において、
前記変動量検出手段は、
前記光量分布に基づき前記検出面における前記光スポットの像の重心をビームプロファイル重心位置として求め、当該ビームプロファイル重心位置に基づき前記鉛直方向変動量を検出し、
前記光量分布に基づき前記検出面における前記光スポットの像における前記既設パターンの像の重心を前記ビームプロファイル重心位置を基準とする相対位置である局所パターンプロファイル重心相対位置として求め、当該局所パターンプロファイル重心相対位置に基づき前記既設パターン変動量を検出することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第５の局面は、本発明の第１から第４の局面において、
前記対象物に描画すべきパターンに応じて前記描画光光源からの前記描画光を空間的に変調する空間変調部を更に備え、
前記投影光学系は、前記空間変調部により空間変調を施された前記描画光を前記対象物に照射し当該空間変調に相当するパターンを前記対象物の表面に結像させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第６の局面は、本発明の第１から第４の局面のいずれかにおいて、
前記光検出器は、複数の受光素子が１次元状に配置された受光面を前記検出面として有するラインセンサであり、
前記ラインセンサは、前記複数の受光素子の配置方向が前記検出面における前記光スポットの像の短軸方向に対し斜めの方向となるように配置されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第７の局面は、水平に保持された対象物に対し描画光を照射することにより当該対象物にパターンを描画するためのパターン描画方法であって、
前記描画光を出射する描画光出射ステップと、
前記描画光を投影光学系を介して前記対象物に照射し前記対象物の表面で合焦させるための合焦ステップと、
前記投影光学系を介して前記対象物に照射される前記描画光によって前記対象物が主走査方向および副走査方向に走査されるように前記描画光の照射位置を前記対象物に対し相対的に水平移動させる移動ステップと、
前記照射位置に対し前記主走査方向の上流側に相当する前記対象物の描画予定領域に照射すべき検出光を出射する検出光出射ステップと、
前記検出光の照射によって前記描画予定領域に長軸および短軸を有する光スポットが形成されるように、前記検出光出射ステップで出射された前記検出光をビーム状に収束させて前記描画予定領域に導く検出照明ステップと、
前記光スポットからの反射光を検出面で受光する光検出ステップと、
前記光スポットの像を前記検出面に結像させる観察結像ステップと、
前記光検出ステップにより検出される受光強度に基づき前記光スポットの短軸方向に対し斜めの方向における前記反射光の光量分布を求め、当該光量分布に基づき、前記描画予定領域に先に形成された既設パターンの前記主走査方向または前記副走査方向における位置変動量を既設パターン変動量として検出する変動量検出ステップと、
前記既設パターン変動量に応じて前記描画光の前記照射位置を補正する照射位置補正ステップとを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第８の局面は、本発明の第７の局面において、
前記描画光を前記照射位置で合焦させるための焦点調整ステップを更に備え、
前記変動量検出ステップでは、前記光量分布に基づき、前記投影光学系の焦点位置からの前記照射位置の鉛直方向の変動量が鉛直方向変動量として検出され、
前記焦点調整ステップでは、前記鉛直方向変動量に応じて前記投影光学系の焦点調整または前記投影光学系と前記照射位置との間の距離調整を行うことにより、前記描画光が前記照射位置で合焦することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の局面によれば、描画光を対象物に照射しつつ当該対象物を当該描画光によって主走査方向および副走査方向に走査することで当該対象物にパターンが描画され、このパターン描画と並行して、検出光の照射によって当該対象物の描画予定領域に長軸および短軸を有する光スポットが形成される。この光スポットの像が光検出器の検出面に結像し、その光検出器で検出される受光強度に基づき光スポットの短軸方向に対し斜めの方向における光量分布が求められる。この光量分布に基づき、描画予定領域における既設パターンの主走査方向または副走査方向における位置変動量が既設パターン変動量として検出され、この既設パターン変動量に応じて描画光の照射位置が補正される。これにより、既設パターンの位置が設計上の位置から変動しても、その変動を補償するようにパターンが描画される。また、投影光学系の焦点調整に必要な鉛直方向変動量の検出のための光学系と同様の光学系で既設パターンの位置変動を検出することができる。さらに、前者の光学系を後者の光学系と共用することができ、この場合には、光学系等の構成要素の増大を抑えつつ既設パターンに応じて描画光の照射位置を補正する機能を実現することができる。これにより、パターン描画装置の大型化を抑えコストを低減することができる。
【００１９】
本発明の第２の局面によれば、検出光の照射によって描画予定領域に形成される光スポットの長軸が主走査方向に対し斜めの方向となるので、主走査方向に延在する既設パターン（縦線既設パターン）が描画予定領域に存在する場合であっても、上記光スポットについての上記光量分布には、その縦線既設パターンの位置が反映される。したがって、この光量分布に基づき、主走査方向に延在する既設パターン（縦線既設パターン）についても位置変動を求められ、その位置変動に応じて描画光の照射位置が補正される。
【００２０】
本発明の第３の局面によれば、描画光の照射位置の補正に必要な既設パターン位置変動量を得るために求められた光量分布に基づき、投影光学系の焦点位置からの上記照射位置の鉛直方向変動量が求められ、この鉛直方向変動量に応じて投影光学系の焦点調整が行われる。したがって、投影光学系の焦点調整に必要な鉛直方向変動量の検出のための光学系等が、描画光の照射位置の補正に必要な既設パターン位置変動量の検出のための光学系等と共用される。これにより、パターン描画装置の大型化を抑えコストを低減することができる。
【００２１】
本発明の第４の局面によれば、検出光の照射によって描画予定領域に光スポットが形成され、この光スポットの短軸方向に対し斜めの方向における光量分布が求められる。この光量分布に基づき、ビームプロファイル重心位置が求められると共に局所パターンプロファイル重心相対位置が求められる。そして、ビームプロファイル重心位置から求められる鉛直方向変動量に応じて投影光学系の焦点調整が行われ、局所パターンプロファイル重心相対位置から求められる既設パターン変動量に応じて描画光の照射位置が補正される。このようにして、投影光学系の焦点調整に必要な鉛直方向変動量の検出のための構成が描画光の照射位置の補正に必要な既設パターン位置変動量の検出のための構成と共用されることで、パターン描画装置の大型化を抑えコストを低減することができる。
【００２２】
本発明の第５の局面によれば、描画すべきパターンに応じて空間変調を施された描画光が、その空間変調に相当するパターンが対象物の表面に結像するように照射される。このような空間変調された描画光の照射によってパターンが描画されるパターン描画装置において、光学系等の構成要素の増大を抑えつつ既設パターンに応じて描画光の照射位置を補正することができる。
【００２３】
本発明の第６の局面によれば、光検出器としてラインセンサが使用され、そのラインセンサの受光素子の配置方向は検出面における光スポットの像の短軸方向に対し斜めの方向となっている。これにより、そのラインセンサの出力信号から上記光量分布を容易に求めることができるので、本発明に係るパターン描画装置を簡単な構成で実現することができる。
【００２４】
本発明の他の局面の効果については、本発明の第１〜第６の局面の効果および下記実施形態についての説明から明らかであるので、説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係るパターン描画装置の側面図である。
【図２】上記実施形態に係るパターン描画装置の平面図である。
【図３】上記実施形態に係るパターン描画装置の要部構成を模式的に示す側面図である。
【図４】上記実施形態に係るパターン描画装置における先読みユニットの配置構成を模式的に示す平面図である。
【図５】比較例における先読みユニットの構成を模式的に示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）、ならびに、当該先読みユニットにおける光スポットを示す図（Ｃ）および当該光スポットによる反射光を検出するラインセンサの検出面を示す図（Ｄ）である。
【図６】上記比較例における先読みユニットによる鉛直方向変動量の検出を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図７】上記比較例における先読みユニットでは既設パターン変動量が検出不能であることを説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図８】上記実施形態の基本となる構成（基本例）における先読みユニットの構成を模式的に示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）、ならびに、当該先読みユニットにおける光スポットを示す図（Ｃ）および当該光スポットによる反射光を検出するラインセンサの検出面を示す図（Ｄ）である。
【図９】上記基本例における先読みユニットによる鉛直方向変動量の検出を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図１０】上記基本例における先読みユニットによる既設パターン変動量の検出を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図１１】上記実施形態における先読みユニットの構成を模式的に示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）、ならびに、当該先読みユニットにおける光スポットを示す図（Ｃ）および当該光スポットによる反射光を検出するラインセンサの検出面を示す図（Ｄ）である。
【図１２】上記実施形態における先読みユニットによる鉛直方向変動量の検出を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図１３】上記実施形態における先読みユニットによる横線既設パターン変動量の検出を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図１４】上記実施形態における先読みユニットによる縦線既設パターン変動量の検出を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【図１５】上記実施形態における制御部の機能的構成を示すブロック図である。
【図１６】上記実施形態の変形例における焦点調整のための構成を示す図である。
【図１７】上記実施形態の他の変形例における光検出器を説明するための図（Ａ、Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態について説明する。なお、以下の説明において参照される各図には、各部材の位置関係や動作方向を明確化するために、ｘｙｚ等の直交座標系が付されており、本実施形態におけるパターン描画のためのラスター走査において、主走査方向はｙ軸に沿った方向であり、副走査方向はｘ軸に沿った方向であり、鉛直方向はｚ軸に沿った方向である。
【００２７】
＜１．実施形態＞
＜１．１  全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るパターン描画装置１００の構成を示す側面図であり、図２は、このパターン描画装置１００の構成を示す平面図である。このパターン描画装置１００は、レジスト等の感光性膜が形成された基板Ｗの上面に光を照射して、所定のパターンを描画する装置である。このパターン描画装置１００には、基板Ｗに描画すべきパターンを示すパターンデータが外部から与えられ、このパターンデータは制御部９０に一時的に保存される。ここで、パターン描画の対象物としての基板Ｗは、半導体基板、プリント基板、カラーフィルタ用基板、液晶表示装置用やプラズマ表示装置に具備されているフラットパネルディスプレイ用ガラス基板、光ディスク用基板などの各種基板のいずれでもよい。
【００２８】
パターン描画装置１００は、本体フレーム１０１で構成される骨格の天井面および周囲面にカバーパネル（図示省略）が取り付けられることによって形成される本体内部と、本体フレーム１０１の外側である本体外部とに、各種の構成要素を配置した構成となっている。
【００２９】
パターン描画装置１００の本体内部には、処理領域１０２と受け渡し領域１０３とに区分されている。処理領域１０２には、主として、ステージ１０、ステージ移動機構２０、ステージ位置計測部３０、光学ヘッド部４０、先読みユニット５０、および、アライメントユニット６０が配置される。一方、受け渡し領域１０３には、処理領域１０２に対する基板Ｗの搬出入を行う搬送ロボット等の搬送装置７０が配置される。
【００３０】
また、パターン描画装置１００の本体外部には、アライメントユニット６０に照明光を供給する照明ユニット６１が配置される。また、本体外部には、パターン描画装置１００が備える各部と電気的に接続されて、これら各部の動作を制御する制御部９０が配置される。
【００３１】
なお、パターン描画装置１００の本体外部であって、受け渡し領域１０３に隣接する位置には、カセットＣを載置するためのカセット載置部１０４が配置される。カセット載置部１０４に対応し、本体内部の受け渡し領域１０３に配置された搬送装置７０は、カセット載置部１０４に載置されたカセットＣに収容された未処理の基板Ｗを取り出して処理領域１０２に搬入（ローディング）するとともに、処理領域１０２から処理済みの基板Ｗを搬出（アンローディング）してカセットＣに収容する。カセット載置部１０４に対するカセットＣの受け渡しは、図示しない外部搬送装置によって行われる。この未処理基板Ｗのローディング処理および処理済基板Ｗのアンローディング処理は制御部９０からの指示に応じて搬送装置７０が動作することで行われる。
【００３２】
＜１．２  各部の構成＞
（１）ステージ
ステージ１０は、平板状の外形を有し、その上面に基板Ｗを水平姿勢に載置して保持する保持部である。ステージ１０の上面には複数の吸引孔（図示省略）が形成されており、この吸引孔に負圧（吸引圧）を形成することによって、ステージ１０上に載置された基板Ｗをステージ１０の上面に固定保持することができるようになっている。
【００３３】
（２）ステージ移動機構
ステージ移動機構２０は、ステージ１０を主走査方向（ｙ軸方向）、副走査方向（ｘ軸方向）、および、回転方向（ｚ軸周りの回転方向（θ軸方向））に移動させる機構である。ステージ移動機構２０は、ステージ１０を回転させる回転機構２１と、ステージ１０を回転可能に支持する支持プレート２２と、支持プレート２２を副走査方向に移動させる副走査機構２３と、副走査機構２３を介して支持プレート２２を支持するベースプレート２４と、ベースプレート２４を主走査方向に移動させる主走査機構２５とを備える。回転機構２１、副走査機構２３、および、主走査機構２５は、制御部９０と電気的に接続されており、制御部９０からの指示に応じてステージ１０を移動させる。
【００３４】
回転機構２１は、支持プレート２２上において、基板Ｗの上面に垂直な回転軸を中心としてステージ１０を回転する。
【００３５】
副走査機構２３は、支持プレート２２の下面に取り付けられた移動子とベースプレート２４の上面に敷設された固定子とにより構成されたリニアモータ２３ａを有している。また、支持プレート２２とベースプレート２４との間には、副走査方向にのびる一対のガイド部２３ｂが設けられている。このため、リニアモータ２３ａを動作させると、ベースプレート２４上のガイド部２３ｂに沿って支持プレート２２が副走査方向に移動する。
【００３６】
主走査機構２５は、ベースプレート２４の下面に取り付けられた移動子とパターン描画装置１００の基台１０６上に敷設された固定子とにより構成されたリニアモータ２５ａを有している。また、ベースプレート２４と基台１０６との間には、主走査方向に延びる一対のガイド部２５ｂが設けられている。このため、リニアモータ２５ａを動作させると、基台１０６上のガイド部２５ｂに沿ってベースプレート２４が主走査方向に移動する。
【００３７】
（３）ステージ位置計測部
ステージ位置計測部３０は、ステージ１０の位置を計測する機構である。ステージ位置計測部３０は、制御部９０と電気的に接続されており、制御部９０からの指示に応じてステージ１０の位置を計測する。
【００３８】
ステージ位置計測部３０は、例えば、ステージ１０に向けてレーザ光を照射し、その反射光と出射光との干渉を利用して、ステージ１０の位置を計測する機構により構成されているが、その構成動作はこれに限定されるものではない。本実施形態では、ステージ位置計測部３０は、レーザ光を出射する出射部３１と、ビームスプリッタ３２と、ビームベンダ３３と、第１干渉計３４と、第２干渉計３５とを備える。出射部３１、および、各干渉計３４，３５は、制御部９０と電気的に接続されており、制御部９０からの指示に応じてステージ１０の位置を計測する。
【００３９】
出射部３１から出射されたレーザ光は、まずビームスプリッタ３２に入射し、ビームベンダ３３に向かう第１分岐光と、第２干渉計３５に向かう第２分岐光とに分岐される。第１分岐光は、ビームベンダ３３により反射され、第１干渉計３４に入射するとともに、第１の干渉計３４からステージ１０の第１の部位に照射される。そして、第１の部位において反射した第１分岐光が、再び第１干渉計３４へ入射する。第１干渉計３４は、ステージ１０の第１の部位に向かう第１分岐光と第１の部位で反射された第１分岐光との干渉に基づいて第１の部位の位置に対応した位置パラメータを計測する。
【００４０】
一方、第２分岐光は、第２干渉計３５に入射するとともに、第２干渉計３５からステージ１０の第２の部位（ただし、第２の部位は、第１の部位とは異なる位置である）に照射される。そして、第２の部位において反射した第２分岐光が、再び第２干渉計３５へ入射する。第２干渉計３５は、ステージ１０の第２の部位に向かう第２分岐光とステージ１０の第２の部位で反射された第２分岐光との干渉に基づいて第２の部位の位置に対応した位置パラメータを計測する。
【００４１】
制御部９０は、第１干渉計３４および第２干渉計３５のそれぞれから、ステージ１０の第１の部位の位置に対応した位置パラメータ、および、ステージ１０の第２の部位の位置に対応した位置パラメータを取得する。そして、取得した各位置パラメータに基づいて、ステージ１０の位置を算出する。
【００４２】
（４）アライメントユニット
アライメントユニット６０は、基板Ｗの上面に形成された図示しないアライメントマークを撮像する。アライメントユニット６０は、照明ユニットと、鏡筒と、対物レンズと、ＣＣＤイメージセンサセンサとを備える。アライメントユニット６０が備えるＣＣＤイメージセンサは、例えばエリアイメージセンサ（二次元イメージセンサ）により構成される。また、アラインメントユニット６０は、図示しない昇降機構によって所定の範囲で昇降可能に支持されている。
【００４３】
照明ユニットは、アライメントユニット６０に対して照明用の光を供給する。この照明用の光は、鏡筒を介して基板Ｗに導かれ、その反射光は、対物レンズを介してＣＣＤイメージセンサで受光される。これによって、基板Ｗの上面（基板面）が撮像されて撮像データが取得されることになる。ＣＣＤイメージセンサは、制御部９０と電気的に接続されており、制御部９０からの指示に応じて撮像データを取得し、取得した撮像データを制御部９０に送信する。
【００４４】
ＣＣＤイメージセンサから得られる撮像データに基づき制御部９０は、基板Ｗの基準位置に設けられた基準マーク（アライメントマーク）を検出して光学ヘッド部４０と基板Ｗとの相対位置を位置決めするアライメント処理を行う。そして、光学ヘッド部４０から描画パターン（パターンデータが示すパターン）に応じて変調された光ビームを基板Ｗの所定位置に照射することでパターン描画を行う。
【００４５】
（５）光学ヘッド部
光学ヘッド部４０は、ステージ１０上に保持された基板Ｗの上面（基板面Ｓ）に光を照射する機構である。光学ヘッド部４０は、ステージ１０およびステージ移動機構２０を跨ぐようにして基台１０６上に架設されたフレーム１０７に設けられる。ここでは、説明の便宜上、光学ヘッド部４０は１個のみ設けられているものとするが、パターン描画処理の高速化のために通常は副走査方向に複数個設けられている。
【００４６】
図３は、光学ヘッド部４０を含む本実施形態の要部構成を模式的に示す側面図である。光学ヘッド部４０は、露光光源４１と、照明光学系４３と、変調素子４４と、投影光学系４６とを備えている。露光光源４１は、レーザ光を出射するレーザ発振器４１ｂとこれを駆動するレーザ駆動部４１ａによって構成される。レーザ発振器４１ｂは、レーザ駆動部４１ａによって駆動されることによりレーザ光（スポットビーム）を出射し、照明光学系４３は、このレーザ光を強度分布が均一な線状の光（光束断面が線状の光）すなわちラインビームとする。このラインビームとしての光は変調素子４４に入射する。変調素子４４は、入射した光に対し、制御部９０からの制御指令に基づいて空間変調を施し、空間変調された光は、投影光学系４６にその光軸に沿って入射する。このような光学ヘッド部４０における変調素子４４としては、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device：デジタル・マイクロミラー・デバイス）(登録商標）素子またはＧＬＶ（Grating Light Valve：グレーチング・ライト・バルブ）（登録商標）等を使用することができる。なお以下では、露光光源４１から出射されてパターンの描画に使用される光または光ビームを「描画光」または「描画光ビーム」といい、空間変調を施された描画光または描画光ビームを空間変調を施される前のものと区別する場合には「変調描画光」または「変調描画光ビーム」という。なお、露光光源４１は「描画光光源」と呼ぶことができる。
【００４７】
（６）投影光学系
投影光学系４６は、変調素子４４から入射する空間変調された描画光ビームを基板Ｗの上面である基板面Ｓに導いて、その空間変調に相当するパターンを基板面Ｓにおける適切な位置に結像させるための光学系であり、ビーム位置補正部４６１とオートフォーカス補正部（以下「ＡＦ補正部」ともいう）４６３を含んでいる。ビーム位置補正部４６１およびＡＦ補正部４６３は、制御部９０に電気的に接続されている。ビーム位置補正部４６１は、制御部９０からの指示に応じて、描画光ビームの経路を変更することによって基板面Ｓにおける描画光ビームの照射位置すなわち描画位置を補正する。ＡＦ補正部４６３は、投影光学系４６の焦点調整手段であり、制御部９０からの指示に応じて投影光学系４６内のフォーカシングレンズを移動させることによって焦点位置（焦点面の鉛直方向位置）を補正することで、描画光ビームを照射位置で合焦させる。
【００４８】
ここで、ビーム位置補正部４６１は、例えば、２個のウェッジプリズムと、当該２個のウェッジプリズムのうち一方のウェッジプリズムを他方のウェッジプリズムに対して入射軸の光軸方向（鉛直方向）に沿って直線的に移動させる移動機構とによって実現することができる。本実施形態におけるビーム位置補正部４６１は、基板面Ｓにおける描画位置をｙ軸方向（主走査方向）に補正するための２個のウェッジプリズムおよびその移動機構からなるｙ軸方向描画位置補正部と、当該描画位置をｘ軸方向（副走査方向）に補正するための２個のウェッジプリズムおよびその移動機構からなるｘ軸方向描画位置補正部と含むものとする。
【００４９】
なお、照射位置補正手段としてのビーム位置補正部４６１の構成は、ウェッジプリズムを用いた上記構成に限定されるものではない。例えば、ガラス板等の平行平面基板と、平行平面基板をｙ軸方向に沿う回転軸に対して回転可能に支持する姿勢変更機構とから構成してもよい。この構成においては、平行平面基板の姿勢を変化させて、平行平面基板に入射する際の入射角を変化させることによって、平行平面基板に入射する光の経路をｘ軸方向にシフトさせることができる。また、平行平面基板に入射する光の経路をｘ軸方向にシフトさせるには、平行平面基板と、平行平面基板をｙ軸方向に沿う回転軸に対して回転可能に支持する姿勢変更機構とからビーム位置補正部４６１を構成すればよい。さらに、ｙ軸方向（主走査方向）には、変調素子のＯＮ・ＯＦＦのタイミングを補正量（Δｙ）に合わせてずらすことで調整する構成でもよい。
【００５０】
（７）先読みユニット
図３に示すように先読みユニット５０は、光学ヘッド部４０と対応付けられており、対応する光学ヘッド部４０の付近（具体的には、主走査の際に光学ヘッド部４０が基板Ｗに対して相対的に移動する移動方向について所定距離だけ上流側）に配置されて、対応する光学ヘッド部４０が描画を行う予定の基板Ｗ上の領域（描画予定領域）における既設パターンの位置検出のために基板面Ｓに照射される光ビーム（以下「検出光ビーム」という）の反射光を検出する。後述のように、この検出光ビームは、基板面Ｓの鉛直方向の位置変動（ｚ軸方向の位置変動）Δｚを検出するためにも使用される。
【００５１】
図４は、本実施形態における先読みユニット５０の配置構成（ｘｙ平面上の配置構成）を模式的に示す平面図である。図４に示すように先読みユニット５０は、検出光ビームを基板Ｗにおける描画予定領域に照射するための照明部５１と、当該検出光ビームの基板面Ｓでの反射光を検出するための観察部５２とを備える。照明部５１と観察部５２とは、副走査方向（ｘ軸方向）に対し斜め方向に向かい合うように配置されていて、基板面Ｓに対し斜め方向（例えば基板面Ｓの法線に対して４５度の方向）から基板Ｗに検出光ビームが照射され、これにより基板面Ｓにおける描画予定領域に光スポットＳＰｗが形成される。この光スポットＳＰｗからの反射光は観察部５２に設けられたラインセンサ５２１で受光され、光スポットＳＰｗに対応する光スポット像ＳＰｄがラインセンサ５２１の検出面５２１ｓに形成される。ここで、検出面５２１ｓは、ラインセンサ５２１における受光素子としての画素が直線上に配置されることにより形成される面である。
【００５２】
照明部５１は、光スポットＳＰｗが長円状となるように検出光ビームを基板面Ｓに照射し、上記のような配置構成により、この光スポットＳＰｗの長軸方向は主走査方向（ｙ軸方向）に対し斜めの方向となる。また、観察部５２においてラインセンサ５２１は、その長手方向である画素配置方向が光スポット像ＳＰｄの短軸に対し斜め方向となるように配置されている。なお、照明部５１および観察部５２の構成は後述する。
【００５３】
以下では、このような本実施形態における先読みユニット５０の詳細構成および動作についての理解を容易にするために、より簡単な配置構成の先読みユニット５０を備えるパターン描画装置を比較例として説明する。ただし、比較例における先読みユニット５０以外の部分の構成および動作については、本実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００５４】
＜１．３  比較例における先読みユニットの構成および動作＞
図５（Ａ）は、比較例における先読みユニット５０の配置構成を模式的に示す平面図であり、図５（Ｂ）は、当該先読みユニット５０の配置構成を模式的に示す側面図である。図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように先読みユニット５０は、検出光ビームを基板Ｗにおける描画予定領域に照射するための照明部５１と、当該検出光ビームの基板面Ｓでの反射光を検出するための観察部５２とを備え、照明部５１と観察部５２とは、副走査方向（ｘ軸方向）に向かい合うように配置されていて、基板面Ｓに対し斜め方向から基板Ｗに検出光ビームが照射される。
【００５５】
図５（Ｂ）に示すように、照明部５１は検出光源５１１と検出照明光学系５１２を備え、観察部５２はラインセンサ５２１と観察光学系５２２を備えている。検出光源５１１は、基板Ｗにおける露光作用を防止すべく露光光源４１の波長とは異なる波長の光を検出光として出射する。検出照明光学系５１２は、この検出光を収束させて検出光ビームとして基板面Ｓに照射するための光学系であって、図５（Ｃ）に示すように、この検出光を基板面Ｓにおける照射領域が長円状の光スポットＳＰｗとなる検出光ビームに収束させる。観察光学系５２２は、この検出光ビームの基板面Ｓでの反射光を光検出器としてのラインセンサ５２１に導く光学系であって、図５（Ｄ）に示すように、その反射光によって光スポットＳＰｗの像ＳＰｄがラインセンサの検出面５２１ｓに結像するように構成されている。
【００５６】
図５（Ｄ）に示すように、ラインセンサ５２１における画素配置方向のｕ軸と、その画素配置方向に垂直な方向のｖ軸とからなる直交座標系を設定すると、ｕ軸およびｖ軸はｘ軸およびｙ軸にそれぞれ対応する。ラインセンサ５２１は、その画素配置方向（ｕ軸方向）が光スポット像ＳＰｄの長軸方向に対して垂直となる（短軸方向に一致する）ように配置されており、ラインセンサ５２１の各画素として、ｖ軸方向の長さＬｐが光スポット像ＳPｄの長軸よりも長い受光素子が使用されている（この画素の形状については後述の基本例および本実施形態のラインセンサにおいても同様である）。このような構成によれば、ラインセンサ５２１の各画素では、受光した反射光のｖ方向の積算値が得られる。これにより、基板Ｗにおける既設パターンの境界部等における反射光の検出値の局所的な変動による既設パターンの位置検出精度への影響が低減される。
【００５７】
いま、基板面Ｓの鉛直方向の位置がΔｚだけ変動すると、その変動量Δｚに応じて、ラインセンサの検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄのｕ軸方向の位置が変動する。したがって、基板面Ｓにおける光スポットＳＰｗの鉛直方向位置が投影光学系４６（図３参照）の焦点面から変動している場合に、その変動量を検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄのｕ軸方向の位置から算出し、その算出結果に基づいて焦点調整を行うことができる。以下、この焦点調整につき図６を参照して説明する。
【００５８】
ラインセンサの検出面５２１ｓにおいて光スポット像ＳＰｄが図６（Ａ）に示すように形成されているものとすると、ラインセンサ５２１の出力信号に基づき図６（Ｂ）に示すような受光強度の分布（以下「検出光ビームプロファイル」という）が得られる。これは、検出光ビームの基板面Ｓにおける反射光のｘ軸方向における光量分布に対応している。ここで、ラインセンサ５２１における受光強度についての閾値Ｉｔｈ１を予め決めておき、上記検出光ビームプロファイルに基づき、受光強度がその閾値Ｉｔｈ１よりも大きいｕ軸方向の範囲（以下「ｕ軸方向光スポット検出範囲」という）を求める。そして、ｕ軸方向光スポット検出範囲での受光強度に基づきｕ軸方向光スポット検出範囲の重心（以下「ビームプロファイル重心」という）Ｕｂを求める。図５に示した構成からわかるように、基板面Ｓのｚ方向変動量Δｚはラインセンサの検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄのｕ軸方向変動量Δｕに比例する。したがって、基板面Ｓのｚ軸方向変動量Δｚは、ビームプロファイル重心Ｕｂについての下記の線形式で表すことができる。
Δｚ＝ａ１・Ｕｂ＋ｂ１  …（１）
ここで、ａ１，ｂ１は先読みユニット５０における検出照明光学系５１２および観察光学系５２２等の構成要素ならびにそれらの配置関係によって決定される定数である。
【００５９】
本実施形態では、基板Ｗに先に形成された既設パターンの位置を光ヘッド部４０によるパターン描画の過程において先読みユニット５０により検出することが意図されている。しかし、上記比較例における先読みユニット５０では、このような既設パターン位置の検出を行うことができない。以下、この点につき図７を参照して説明する。
【００６０】
副走査方向（ｘ軸方向）に延びる既設パターン（以下「横線既設パターン」という）が基板Ｗにおける描画予定領域に存在する場合、図７（Ａ）に示すように、ラインセンサの検出面５２１ｓには光スポット像ＳＰｄに加えて横線既設パターンの像Ｐｈｄが現れる。なお実際には、横線既設パターンのうち光スポットＳｐｗの領域に含まれない部分では受光強度が無視できる程度に小さいが、図７（Ａ）では、理解の便宜上、横線既設パターンのうち光スポットＳｐｗの領域に含まれない部分についても含まれる部分と同様に描いている（この点は後述の図１０、図１３についても同様である）。したがって、この場合、検出光ビームプロファイルは図７（Ｂ）に示すようになり、この検出光ビームプロファイルでは、既設パターンのｘ軸方向位置（光スポット像Ｓｐｄのｖ軸方向位置）が変動しても、ビームプロファイル重心Ｕｂは変化しない。このため、検出光ビームプロファイルから基板Ｗにおける横線既設パターンの位置変動を求めることはできない。
【００６１】
＜１．４  基本例における先読みユニットの構成および動作＞
図８（Ａ）は、本実施形態の基本となる構成（以下「基本例」という）に係るパターン描画装置における先読みユニット５０の配置構成を模式的に示す平面図であり、図８（Ｂ）は、当該先読みユニット５０の配置構成を模式的に示す側面図である。基本例の構成は、上記比較例と基本的には同様であり、対応する部分については同一の参照符号を付して詳しい説明を省略する。以下では、基本例における先読みユニットの構成および動作につき、上記比較例との相違点を中心に説明する。
【００６２】
図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、上記比較例と同様、基本例における先読みユニット５０も、検出光ビームを基板Ｗにおける描画予定領域に照射するための照明部５１と、当該検出光ビームの基板面Ｓでの反射光を検出するための観察部５２とを備え、照明部５１と観察部５２とは、副走査方向（ｘ軸方向）に向かい合うように配置されていて、基板面Ｓに対し斜め方向から基板Ｗに検出光ビームが照射される。また、検出光ビームによる基板面Ｓの照射領域である光スポットＳＰｗも、長軸が主走査方向（ｙ軸方向）に沿った長円状である。しかし、基本例におけるラインセンサ５２１は、上記比較例とは異なり、画素配置方向が光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対しと斜めの方向となるように観察部５２内に配置されている。詳細は下記の通りである。
【００６３】
図８（Ｄ）に示すように、ラインセンサ５２１における画素配置方向のｕ軸と、その配置方向に垂直な方向のｖ軸とからなる直交座標系を設定すると、基本例におけるラインセンサ５２１は、その画素配置方向であるｕ軸方向が光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対して斜めの方向となるように配置されている。すなわち、ｕ軸およびｖ軸は光スポット像ＳＰｄの長軸および短軸の方向に対し斜めの方向となっている。例えば、その画素配置方向が光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対して４５度をなすようにラインセンサ５２１が配置されるが、その画素配置方向と光スポット像ＳＰｄの短軸方向とのなす角は４５度に限定されない。ただし、ビームプロファイル重心Ｕｂを精度良く求めるには、光スポット像ＳＰｄの長軸方向がラインセンサ５２１の画素の長手方向（ｖ軸方向）に近い方が好ましい。
【００６４】
いま、基板面Ｓの鉛直方向の位置がΔｚだけ変動すると、その変動量Δｚに応じて、ラインセンサ５２１の検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄが、図８（Ｄ）に示すようにその短軸方向に移動する。そこで基本例では、この短軸方向に向いたＰ軸を設定する。Ｐ軸方向は、副走査方向（ｘ軸方向）に対応しているが、画素の配置方向（ｕ軸方向）に対し斜めの方向となる。しかし、光スポット像ＳＰｄのＰ軸方向の変動は、ラインセンサ５２１の出力信号に反映される。
【００６５】
すなわち、この基本例では、ラインセンサの検出面５２１ｓにおいて光スポット像ＳＰｄが図９（Ａ）に示すように形成され、ラインセンサ５２１の出力信号に基づき図９（Ｂ）に示すような受光強度の分布（検出光ビームプロファイル）が得られる。そこで上記比較例と同様、ラインセンサ５２１における受光強度についての閾値Ｉｔｈ１を予め決めておき、上記検出光ビームプロファイルに基づき、受光強度がその閾値Ｉｔｈ１よりも大きいｕ軸方向の範囲すなわちｕ軸方向光スポット検出範囲を求め、そのｕ軸方向光スポット検出範囲での受光強度に基づきビームプロファイル重心Ｕｂを求める。図８に示した構成からわかるように、この基本例においても、基板面Ｓのｚ軸方向変動量Δｚはラインセンサの検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄのｕ軸方向変動量Δｕに比例する。したがって、基板面Ｓのｚ軸方向変動量Δｚは、ビームプロファイル重心Ｕｂについての下記の線形式で表すことができる。
Δｚ＝ａ２・Ｕｂ＋ｂ２…（２）
ここで、ａ２，ｂ２は先読みユニット５０における検出照明光学系５１２および観察光学系５２２等の構成要素およびそれらの配置関係によって決定される定数である。
【００６６】
基本例では、上記比較例とは異なり、ラインセンサ５２１の画素配置方向が光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対し斜めの方向になる点を利用して、副走査方向（ｘ軸方向）に延びる既設パターンのｙ軸方向の位置を検出することができる。以下、この点につき図１０を参照して説明する。
【００６７】
副走査方向（ｘ軸方向）に延びる既設パターンである横線既設パターンが基板Ｗにおける描画予定領域に存在する場合、図１０（Ａ）に示すように、ラインセンサの検出面５２１ｓには光スポット像ＳＰｄに加えて横線既設パターンの像Ｐｈｄが現れる。この基本例では、図１０（Ａ）に示すように、ラインセンサ５２１の画素配置方向は光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対し斜めの方向であるので、基板面Ｓにおいて光スポットＳＰｗに横線既設パターンが交差する場合には、図１０（Ｂ）に示すように、横線既設パターンの位置を反映した検出光ビームプロファイルがラインセンサ５２１の出力信号から得られる。この基本例および本実施形態では、横線既設パターンは、既設パターンの形成されていない基板面Ｓの領域（以下「素地領域」という）に比べ反射率の高い材料、例えば金属等で形成されているものとするが、既設パターンの材料は金属に限定されるものではなく、基板面Ｓの素地領域に比べて検出光に対する反射率が異なる材料であればよい。
【００６８】
この基本例では、ｕ軸方向光スポット検出範囲を求めるための上記閾値（以下「第１閾値」という）Ｉｔｈ１に加えて、既設パターン像Ｐｈｄの検出範囲を求めるための閾値（以下「第２閾値」という）Ｉｔｈ２を予め決めておく。ここで、図１０（Ｂ）からわかるように、第２閾値Ｉｔｈ２として、光スポット像ＳＰｄの受光強度の最大値よりも大きく既設パターン像Ｐｈｄの受光強度の最大値よりも小さい値を選定する必要がある。
【００６９】
上記検出光ビームプロファイルに基づき、ラインセンサ５２１における受光強度が第２閾値Ｉｔｈ２よりも大きいｕ軸方向の範囲（以下「既設パターン検出範囲」という）を求め、その既設パターン検出範囲での受光強度に基づき既設パターン検出範囲の重心（以下「局所パターンプロファイル重心」という）Ｕｐを求める。ここで、基板面Ｓにおける既設パターンのｙ軸方向（主走査方向）の位置がパターンデータにより示される設計上の位置から変動している場合、この変動に対応する既設パターン像Ｐｈｄのｕ軸方向変動量Δｕは、基板面Ｓにおける既設パターンのｚ軸方向変動量（鉛直方向変動量）Δｚに依存する。このため、基板面Ｓにおける既設パターンのｙ軸方向変動量Δｙは、ラインセンサの検出面５２１ｓにおける既設パターン像Ｐｈｄのｕ軸方向変動量Δｕに比例すると必ずしも言えない。しかし、基板面Ｓにおける光スポットＳＰｗの重心を基準とする横線既設パターンのｙ軸方向の相対位置は、ラインセンサの検出面５２１ｓにおけるビームプロファイル重心Ｕｂを基準とする局所パターンプロファイル重心Ｕｐの相対位置Ｕｐ−Ｕｂに比例する。したがって、基板面Ｓにおける既設パターンのｙ軸方向位置ｙｐは、局所パターンプロファイルの相対位置Ｕｐ−Ｕｂについての下記の線形式で表すことができる。
ｙｐ＝ｃ１・（Ｕｐ−Ｕｂ）＋ｄ１  …（３）
ここで、ｃ１，ｄ１は先読みユニット５０における検出照明光学系５１２および観察光学系５２２等の構成要素ならびにそれらの配置関係および光スポットＳＰｗの位置によって決定される定数である。
【００７０】
上記のような基本例によれば、ラインセンサ５２１の出力信号から得られる検出光ビームプロファイルに基づき上記式（２）により求まるｚ軸方向変動量Δｚに応じて投影光学系４６のＡＦ補正部４６３を制御することで、基板Ｗへのパターンの描画過程において投影光学系４６の焦点調整を行うことができる。
【００７１】
また、上記のような基本例によれば、基板面Ｓにおいて光スポットＳＰｗに横線既設パターンが交差する場合には、ラインセンサ５２１の出力信号から得られる検出光ビームプロファイルに基づき上記式（３）により求まる既設パターンのｙ軸方向位置ｙｐに応じて投影光学系４６のビーム位置補正部４６１を制御することで、基板Ｗへのパターンの描画過程において描画位置（描画光ビームの照射位置）を調整することができる。
【００７２】
上記のように本基本例では、ｘ軸方向（副走査方向）に延びる既設パターンである横線既設パターンのｙ軸方向位置を求めることができる。しかし、光スポットＳＰｗはｙ軸方向（主走査方向）に向いた長軸を有する長円状であることから（図８（Ｃ））、ｙ軸方向に延びる既設パターン（以下「縦線既設パターン」という）のｘ軸方向位置を検出光ビームプロファイルから求めるのは困難である。
【００７３】
＜１．５  実施形態における先読みユニットの構成および動作＞
図１１（Ａ）は、本実施形態に係るパターン描画装置における先読みユニット５０の配置構成を模式的に示す平面図であり、図１１（Ｂ）は、当該先読みユニット５０の配置構成を模式的に示す側面図（図１１（Ａ）のＸＩ−ＸＩ線における断面図に相当）である。本実施形態の構成は、先読みユニット５０の配置構成を除き上記基本例と基本的には同様であり、対応する部分については同一の参照符号を付して詳しい説明を省略する。以下では、本実施形態における先読みユニットの構成および動作につき、上記基本例との相違点を中心に説明する。
【００７４】
図１１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、本実施形態における先読みユニット５０も、検出光ビームを基板Ｗにおける描画予定領域に照射するための照明部５１と、当該検出光ビームの基板面Ｓでの反射光を検出するための観察部５２とを備えているが、上記基本例とは異なり、照明部５１と観察部５２とは、副走査方向（ｘ軸方向）に対し斜め方向に向かい合うように配置されていて、基板面Ｓに対し斜め方向から基板Ｗに検出光ビームが照射される。
【００７５】
本実施形態における検出照明光学系５１２も、上記の比較例および基本例と同様、検出光源５１１からの検出光を基板面Ｓにおける照射領域が長円状の光スポットＳＰｗとなる検出光ビームに収束させる。しかし本実施形態では、照明部５１と観察部５２とは副走査方向（ｘ軸方向）に対し斜め方向に向かい合うように配置されているので、図１１（Ｃ）に示すように、光スポットＳＰｗの長軸方向はｙ軸方向に対し斜めの方向となっている。これは、基板Ｗに先に形成された既設パターンの延在方向が光スポットＳＰｗの長軸方向と一致しないようにするためである。一方、主走査方向（ｙ軸方向）に対し４５度をなす斜め方向に既設パターンが延びる場合もある。この点と先読みユニット５０における照明部５１と観察部５２の配置構成を考慮すると、主走査方向と光スポットＳＰｗの長軸方向とのなす角度αを０度と４５度の間の中央値２２．５度に近い値とするのが好ましい。ただし、後述のように既設パターンの位置を検出するには既設パターンの延在方向に対して光スポットＳＰｗの長軸方向を斜め方向とすればよく、本発明は上記角度αを上記中央値２２．５度に近い値に限定するものではなく０度と４５度の間に限定するものでもない。
【００７６】
図１１（Ｄ）に示すように本実施形態においても、ラインセンサ５２１における画素配置方向のｕ軸と、その画素配置方向に垂直な方向のｖ軸とからなる直交座標系を設定すると、ラインセンサ５２１は、その画素配置方向（ｕ軸方向）が光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対して斜めの方向となるように配置されており、この点は上記基本例と同様である。
【００７７】
いま、基板面Ｓの鉛直方向の位置がΔｚだけ変動すると、その変動量Δｚに応じて、ラインセンサの検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄが、図１１（Ｄ）に示すようにその短軸方向に移動する。そこで、この短軸方向に向いたＰ軸を設定する。Ｐ軸方向は画素配置方向（ｕ軸方向）に対し斜めの方向であり、光スポット像ＳＰｄのＰ軸方向の変動はラインセンサ５２１の出力信号に反映される。
【００７８】
すなわち、本実施形態においても、ラインセンサの検出面５２１ｓにおいて光スポット像ＳＰｄが図１２（Ａ）に示すように形成され、ラインセンサ５２１の出力信号に基づき図１２（Ｂ）に示すような検出光ビームプロファイルが得られる。そこで上記基本例と同様、ラインセンサ５２１における受光強度についての閾値Ｉｔｈ１を予め決めておき、上記検出光ビームプロファイルに基づきｕ軸方向光スポット検出範囲を求め、そのｕ軸方向光スポット検出範囲での受光強度に基づきビームプロファイル重心Ｕｂを求める。図１１に示した構成からわかるように、本実施形態においても、基板面Ｓのｚ方向変動量Δｚはラインセンサの検出面５２１ｓにおける光スポット像ＳＰｄのｕ軸方向変動量Δｕに比例する。したがって、基板面Ｓのｚ軸方向変動量Δｚは、ビームプロファイル重心Ｕｂについての下記の線形式で表すことができる。
Δｚ＝ａ３・Ｕｂ＋ｂ３  …（４）
ここで、ａ３，ｂ３は先読みユニット５０における検出照明光学系５１２および観察光学系５２２等の構成要素およびそれらの配置関係によって決定される定数である。
【００７９】
本実施形態においても、上記基本例と同様、ラインセンサ５２１の画素配置方向が光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対し斜めの方向になる点を利用して、副走査方向（ｘ軸方向）に延びる既設パターンのｙ軸方向位置を検出することができる。以下、この点につき図１３を参照して説明する。なお、図１３（Ａ）に示される座標軸のうちＰ軸の方向は基板面Ｓのｚ軸方向変動に応じてラインセンサの検出面５２１ｓにおいて光スポット像ＳＰｄが移動する方向であり、ｘ’軸の方向はラインセンサの検出面５２１ｓにおける横線既設パターン像Ｐｈｄの延在方向であって副走査方向（ｘ軸方向）に対応し、ｙ’軸の方向は主走査方向（ｙ軸方向）に対応する。
【００８０】
副走査方向（ｘ軸方向）に延びる既設パターンである横線既設パターンが基板Ｗにおける描画予定領域に存在する場合、図１３（Ａ）に示すように、ラインセンサの検出面５２１ｓには光スポット像ＳＰｄに加えて横線既設パターン像Ｐｈｄが現れる。本実施形態においても、ラインセンサ５２１の画素配置方向は光スポット像ＳＰｄの短軸方向に対し斜めの方向であるので、光スポットＳＰｗに横線既設パターンが交差する場合には、図１３（Ｂ）に示すように、横線既設パターン像Ｐｈｄを反映した検出光ビームプロファイルがラインセンサ５２１の出力信号から得られる。
【００８１】
本実施形態においても、上記基本例と同様にして、ｕ軸方向光スポット検出範囲を求めるための上記第１閾値Ｉｔｈ１に加えて、既設パターン検出範囲を求めるための第２閾値Ｉｔｈ２を予め決めておき、上記検出光ビームプロファイルに基づき、受光強度が第２閾値Ｉｔｈ２よりも大きいｕ軸方向の範囲を既設パターン検出範囲として求め、その既設パターン検出範囲での受光強度に基づき既設パターン検出範囲の重心を局所パターンプロファイル重心Ｕｐとして求める。ここで、上記基本例と同様、基板面Ｓにおける光スポットＳＰｗの重心を基準とする横線既設パターンのｙ軸方向の相対位置は、ラインセンサの検出面５２１ｓにおけるビームプロファイル重心Ｕｂを基準とする局所パターンプロファイル重心Ｕｐの相対位置Ｕｐ−Ｕｂに比例する。したがって、基板面Ｓにおける既設パターンのｙ軸方向の位置ｙｐは、局所パターンプロファイルの相対位置Ｕｐ−Ｕｂについての下記の線形式で表すことができる。
ｙｐ＝ｃ２・（Ｕｐ−Ｕｂ）＋ｄ２  …（５）
ここで、ｃ２，ｄ２は先読みユニット５０における検出照明光学系５１２および観察光学系５２２等の構成要素ならびにそれらの配置関係および光スポットＳＰｗの位置によって決定される定数である。
【００８２】
また本実施形態では、上記基本例とは異なり、図１１（Ｃ）に示すように基板面Ｓにおける光スポットＳＰｗの長軸方向はｙ軸方向に対し斜めの方向であるので、この点を利用して、主走査方向（ｙ軸方向）に延びる既設パターンである縦線既設パターンのｘ軸方向の位置を検出することができる。以下、この点につき図１４を参照して説明する。なお、図１４（Ａ）に示される座標軸は、図１３（Ａ）に示される座標軸と同じものであり、ｙ’軸の方向はラインセンサの検出面５２１ｓにおける縦線既設パターン像Ｐｈｄの延在方向であって主走査方向（ｙ軸方向）に対応する。
【００８３】
縦線既設パターンが基板Ｗにおける描画予定領域に存在する場合、図１４（Ａ）に示すように、ラインセンサの検出面５２１ｓには光スポット像ＳＰｄに加えて縦線既設パターン像Ｐｖｄが現れる。本実施形態では、図１１（Ｃ）に示すように基板面Ｓにおける光スポットＳＰｗの長軸方向はｙ軸方向に対し斜めの方向であるので、ラインセンサの検出面５２１ｓにおける縦線既設パターン像Ｐｖｄの延在方向は光スポット像ＳＰｄの長軸方向に対し斜めの方向となる。このため、基板面Ｓにおいて光スポットＳＰｗに縦線既設パターンが交差する場合には、図１４（Ｂ）に示すように、縦線既設パターンの位置を反映した検出光ビームプロファイルがラインセンサ５２１の出力信号から得られる。
【００８４】
したがって本実施形態では、光スポットＳＰｗに横線既設パターンが交差する場合（図１３（Ａ）参照）と同様、光スポットＳＰｗに縦線既設パターンが交差する場合（図１４（Ａ）参照）においても、上記検出光ビームプロファイルに基づき、ラインセンサ５２１における受光強度が第２閾値Ｉｔｈ２よりも大きいｕ軸方向の範囲を既設パターン検出範囲として求め、その既設パターン検出範囲での受光強度に基づき既設パターン検出範囲の重心を局所パターンプロファイル重心Ｕｐとして求める。ここで、基板面Ｓにおける光スポットＳＰｗの重心を基準とする縦線既設パターンのｘ軸方向の相対位置は、ラインセンサの検出面５２１ｓにおけるビームプロファイル重心Ｕｂを基準とする局所パターンプロファイル重心Ｕｐの相対位置Ｕｐ−Ｕｂに比例する。したがって、基板面Ｓにおける縦線既設パターンのｘ軸方向の位置ｘｐは、局所パターンプロファイルの相対位置Ｕｐ−Ｕｂについての下記の線形式で表すことができる。
ｘｐ＝ｃ３・（Ｕｐ−Ｕｂ）＋ｄ３  …（６）
ここで、ｃ３，ｄ３は先読みユニット５０における検出照明光学系５１２および観察光学系５２２等の構成要素ならびにそれらの配置関係および光スポットＳＰｗの位置によって決定される定数である。
【００８５】
ところで、図１３および図１４を参照した上記説明からわかるように、ラインセンサ５２１の出力信号から得られる情報のみでは、検出光ビームプロファイル（図１３（Ｂ）、図１４（Ｂ））が横線既設パターンの位置を反映したものか、縦線既設パターンの位置を反映したものか（光スポットＳＰｗと交差しているのは横線既設パターンか縦線既設パターンか）を区別することができない。しかし、パターン描画装置には、基板Ｗに描画すべきパターンを示すパターンデータが与えられるので、このパターンデータから光スポットＳＰｗに交差する既設パターンが横線既設パターンか縦線既設パターンかを判定することができる。この判定結果、横線既設パターンすなわちｘ軸方向に延びる既設パターンの場合には上記式（５）によりその既設パターンのｙ軸方向位置ｙｐが算出され、縦線既設パターンすなわちｙ軸方向に延びる既設パターンの場合には上記式（６）によりその既設パターンのｘ軸方向位置ｘｐが算出される。
【００８６】
＜１．６  動作＞
以下では、先読みユニット５０における上記の構成および動作を前提として、本実施形態に係るパターン描画装置の要部の動作を図１５を参照して説明する。
【００８７】
図１５は、本実施形態に係るパターン描画装置における制御部９０の要部の機能的構成を示すブロック図である。図１５に示すように制御部９０は、パターン描画制御部９０１と、変動量算出部９５０と、レーザ駆動制御部９０２と、空間変調制御部９０４と、ＡＦ制御部９０６と、ビーム位置制御部９０８と、ステージ駆動制御部９１０とを備えており、基板Ｗに描画すべきパターンを示すパターンデータＤｐａｔはパターン描画制御部９０１に入力され、先読みユニット５０における光検出器としてのラインセンサ５２１の出力信号は変動量算出部９５０に入力される。変動量算出部９５０は、ビームプロファイル重心算出部９５１、局所パターンプロファイル重心算出部９５２、鉛直方向変動量算出部９５３、および既設パターン変動量算出部９５４を含んでおり、変動量算出部９５０に入力されたラインセンサ５２１の出力信号は、ビームプロファイル重心算出部９５１および局所パターンプロファイル重心算出部９５２に与えられる。
【００８８】
パターン描画制御部９０１は、パターンデータＤｐａｔから、レーザ発振器４１ｂの駆動、変調素子４４の動作、およびステージ移動機構の動作にそれぞれ必要なデータを生成し、それらのデータをレーザ駆動制御部９０２、空間変調制御部９０４、ステージ駆動制御部９１０にそれぞれ与える。このようにして与えられたデータに基づき、レーザ駆動制御部９０２は、レーザ発振器４１ｂの駆動を制御するための制御信号を生成してレーザ駆動部４１ａに与え、空間変調制御部９０４は、描画光ビームに空間変調を施すための制御信号を生成して変調素子４４に与え、ステージ駆動制御部９１０は、ステージ１０を移動させるための制御信号を生成してステージ移動機構２０に与える。これらの制御信号に基づいて、レーザ駆動部４１ａ、変調素子４４、ステージ移動機構２０が動作することにより、光学ヘッド部４０（から基板Ｗに照射される描画光）は、ステージ１０上の基板Ｗを走査しつつ、パターンデータＤｐａｔが示すパターンを基板Ｗに描画する。
【００８９】
上記パターン描画と並行して、先読みユニット５０におけるラインセンサ５２１の出力信号に基づき、ビームプロファイル重心算出部９５１は、既述のようにしてビームプロファイル重心Ｕｂを求め、局所パターンプロファイル重心算出部９５２は、既述のようにして局所パターンプロファイル重心Ｕｐを求める（図１２〜図１４参照）。
【００９０】
鉛直方向変動量算出部９５３は、ビームプロファイル重心算出部９５１からビームプロファイル重心Ｕｂを受け取り、既述のように、このビームプロファイル重心Ｕｂに基づき上記式（４）より基板面Ｓのｚ軸方向変動量Δｚを求め、この変動量ΔｚをＡＦ制御部９０６に与える。ＡＦ制御部９０６は、この変動量Δｚに応じて先読みユニット５０内の投影光学系４６のフォーカシングレンズを移動させるための制御信号を生成してＡＦ補正部４６３に与える。ＡＦ補正部４６３は、この制御信号に基づきフォーカシングレンズを移動させることで投影光学系４６の焦点調整を行う。
【００９１】
既設パターン変動量算出部９５４には、ビームプロファイル重心Ｕｂおよび局所パターンプロファイル重心Ｕｐがビームプロファイル重心算出部９５１および局所パターンプロファイル重心算出部９５２からそれぞれ与えられると共に、描画予定領域において先に形成された既設パターンの延在方向および設計上の位置ならびに光スポットＳＰｗの位置を示すデータ（以下「描画予定領域関連データ」という）がパターン描画制御部９０１から与えられる。既設パターン変動量算出部９５４は、これらのビームプロファイル重心Ｕｂ、局所パターンプロファイル重心Ｕｐ、および描画予定領域関連データに基づき、既述のように式（５）または（６）より横線既設パターンのｙ軸方向位置ｙｐまたは縦線既設パターンのｘ軸方向位置ｘｐをそれぞれ求め、求めたｙ軸方向位置ｙｐまたはｘ軸方向位置ｘｐと描画予定領域関連データにより示される既設パターンの設計上の位置（横線既設パターンの設計上のｙ軸方向位置または縦線既設パターンの設計上のｘ軸方向位置）とのズレをｙ軸方向またはｘ軸方向の既設パターン変動量として求める。この既設パターン変動量はビーム位置制御部９０８に与えられる。ビーム位置制御部９０８は、この既設パターン変動量に応じて先読みユニット５０内の投影光学系４６において描画光ビームの経路を変更するための制御信号を生成してビーム位置補正部４６１に与える。ビーム位置補正部４６１は、この制御信号に基づき描画光ビームの経路をｙ軸方向またはｘ軸方向に変更することで、既設パターンの変動が補償されるように当該描画光ビームの基板面Ｓでの照射位置すなわち描画位置を補正する。ただし、光スポットＳＰｗに既設パターンが交差しない場合には、既設パターンのｙ軸方向位置ｙｐおよびｘ軸方向位置ｘｐのいずれも算出されないので、直前に算出された既設パターン変動量に応じて変更された描画光ビームの経路が維持される。
【００９２】
なお、先読みユニット５０によって既設パターンの位置が検出される描画予定領域における光スポットＳＰｗの位置（以下「既設パターン検出位置」という）は、光学ヘッド部４０による現時点の描画位置とは若干異なる。そこで、ビーム位置制御部９０８は、既設パターン検出位置と現時点の描画位置との間の距離および走査速度に応じてビーム位置補正部４６１による描画光ビームの経路変更のタイミングが調整されるように上記制御信号を生成する。
【００９３】
上記のように制御部９０が動作することにより、パターンデータＤｐａｔが示すパターンが光学ヘッド部４０およびステージ移動機構２０によって基板Ｗに描画されると共に、その描画過程において、投影光学系の４６の焦点調整が行われ、かつ、既設パターンの位置変動に応じて描画位置が補正される。
【００９４】
＜１．７  効果＞
上記のような本実施形態によれば、パターンデータＤｐａｔに基づきレーザ駆動部４１ａ、変調素子４４、およびステージ移動機構２０の動作が制御されることにより、光学ヘッド部４０から基板Ｗに照射される描画光ビームが基板Ｗを走査し、これにより、パターンデータＤｐａｔが示すパターンが基板Ｗに描画される。このようなパターン描画と並行して、ラインセンサ５２１の出力信号から得られる検出光ビームプロファイルに基づきビームプロファイル重心Ｕｂが求められ（図１２（Ｂ）、１３（Ｂ），１４（Ｂ）参照）、このビームプロファイル重心Ｕｂを用いてｚ軸方向変動量Δｚが算出される。このｚ軸方向変動量Δｚに応じてＡＦ補正部４６３を制御することにより、投影光学系４６の焦点調整が行われる。これにより、パターン描画過程において基板面Ｓのｚ軸方向位置が変動しても、描画光ビームは基板面Ｓの照射位置において合焦状態に維持される。すなわち、変調素子４４による当該描画光ビームの空間変調のパターンが基板面Ｓに結像する状態が維持される。
【００９５】
また、上記のような本実施形態によれば、上記パターン描画と並行して、基板面Ｓの描画予定領域において検出光ビームによる光スポットＳＰｗに既設パターンが交差する場合に、その既設パターンの延在方向に応じてその既設パターンのｙ軸方向位置ｙｐまたはｘ軸方向位置ｘｐが算出される。算出されたｙ軸方向位置ｙｐと設計上のｙ軸方向位置とのズレ、または、求められたｘ軸方向位置ｘｐと設計上のｘ軸方向位置とのズレを既設パターン変動量とし、この既設パターン変動量に基づき、投影光学系４６において描画光ビームの経路がｙ軸方向またはｘ軸方向に変更される。これにより、既設パターンの変動が補償されるように当該描画光ビームの基板面Ｓでの照射位置すなわち描画位置が補正される。その結果、既設パターンの位置が設計上の位置から変動しても、その変動を補償するようにパターンが描画される。なお、本実施形態では、上記基本例とは異なり、光スポットＳＰｗの長軸方向は、横線既設パターンおよび縦線既設パターンのいずれの延在方向とも異なる。このため、横線既設パターンおよび縦線既設パターンのいずれであっても、それが光スポットＳＰｗに交差する位置（横線既設パターンの場合はｙ軸方向位置、縦線既設パターンの場合はｘ軸方向位置）を求めることができる。
【００９６】
本実施形態に関する上記説明からわかるように、先読みユニット５０を構成する光学系は、投影光学系４６の焦点調整に必要なｚ軸方向変動量Δｚを検出するための光学系として使用されると共に、既設パターンの位置変動を補償するための描画光ビームの照射位置の補正に必要な既設パターン位置を検出するための光学系としても使用される。このため、光学系等の構成要素の増大を抑えつつ既設パターンに応じて描画光ビームの経路を補正する機能を実現することができる。これにより、パターン描画装置の大型化を抑えコストを低減することができる。                                                        
【００９７】
＜２．変形例＞
上記実施形態では、１つの光学ヘッド部４０に対して１つの先読みユニット５０が設けられており、この先読みニット５０は、主走査の際に光学ヘッド部４０が基板Ｗに対して相対的に移動する移動方向について所定距離だけ上流側に配置されている（図３参照）。これは、主走査方向（ｙ軸方向）の往路の走査でのみ光学ヘッド部４０がパターンを描画し、復路の走査ではパターン描画が抑制されることを前提としている。しかし、光学ヘッド部４０に対する往路での上流側および復路での上流側のそれぞれに先読みユニット５０を設けることにより、すなわち１つの光学ヘッド部４０に対して２つの先読みユニット５０が設けることにより、主走査の往路においても復路においても描画予定領域への検出光の照射によって基板面Ｓのｚ軸方向変動量および既設パターンの変動量を求めることができる。したがって、このような構成によれば、主走査の往路および復路で光学ヘッド部４０がパターンを描画し、その描画と並行して基板面Ｓのｚ軸方向変動量および既設パターンの変動量を求め、それらの変動量に応じて投影光学系４６の焦点調整および描画光ビームの照射位置の調整を行うことができる。
【００９８】
上記実施形態は、既設パターンの延在方向はｘ軸方向（副走査方向）またはｙ軸方向（主走査方向）のいずれかであることを前提として説明されている。しかし、斜め方向（例えば主走査方向に対し４５度の角をなす方向）に延びる既設パターンが基板Ｗに形成されている場合であっても、検出光ビームによる光スポットＳＰｗの長軸がその既設パターンの延在方向と異なるように構成されていれば、上記実施形態と同様にして、ビームプロファイル重心に対応する位置を基準としてその既設パターンの相対位置を求めることができる。これにより、その既設パターンの位置変動を補償するように描画光ビームの照射位置を補正することができる。なお、ｘ軸方向の延びる既設パターンすなわち横線既設パターンの位置変動のみを補償すればよい場合には、既述の基本例の構成を採用することができる（図８〜図１０参照）。
【００９９】
上記実施形態では、検出光ビームの照射によって基板面Ｓに形成される光スポットＳｐｗは長円状（または楕円状）であるが、長軸と短軸を有する形状であれば他の形状であってもよく、例えば、光スポットＳＰｗが長方形状となるように構成されている場合であっても上記実施形態と同様の効果が得られる。
【０１００】
上記実施形態では、描画のために基板面Ｓに照射される描画光ビームは空間的に変調されているが、このような変調を施されない描画光ビームでパターンを描画する構成であってもよい。この場合であっても、本発明を適用して、描画のための光学系の焦点調整機能および既設パターンに応じた光ビーム経路補正機能の双方を従来よりも少ない構成要素で実現することにより、パターン描画装置の大型化を抑えコストを低減することができる。
【０１０１】
上記実施形態では、基板面Ｓのｚ軸方向変動量Δｚに応じてＡＦ補正部４６３がフォーカシングレンズを移動させることによって焦点調整を行っているが、これに代えて又はこれと共に、ｚ軸方向変動量Δｚに応じて基板面Ｓと光学ヘッド部４０との間の距離（より詳しくは描画光ビームの照射位置と投影光学系４６との間の距離）を変更することにより描画光ビームを基板面Ｓ（より詳しくは照射位置）で合焦させるようにしてもよい。この場合、例えば図１６に示すように、光学ヘッド部４０および先読みユニット５０を一体的に鉛直方向（ｚ軸方向）に移動可能なユニット５００に結合し、当該ユニット５００をボールネジ８を介してサーボモータ７の回転軸に固定された構成とすればよい。
【０１０２】
上記実施形態では、検出光ビームの基板面Ｓでの反射光を検出するためにラインセンサ５２１が使用されているが（図１１（Ｂ）参照）、これに代えて、図１７（Ａ）に示すような２次元イメージセンサ（エリアセンサ）を使用してもよい。この場合、２次元イメージセンサにおいてｕ軸方向およびｖ軸方向に配置されたマトリクス状の複数画素（受光素子）における検出値（受光強度）をｖ軸方向に配置された複数画素からなる画素列毎に積算するようにすればよい。このような演算を行うことにより、上記実施形態と同様、検出光ビームプロフィルを得ることができる（１７（Ｂ）参照）。
【符号の説明】
【０１０３】
１００  …パターン描画装置
１０    …ステージ
２０    …ステージ移動機構
４０    …光学ヘッド部
４１    …露光光源（描画光光源）
４４    …変調素子（空間変調部）
４６    …投影光学系
４６１  …ビーム位置補正部
４６３  …オートフォーカス補正部（ＡＦ補正部）
５０    …先読みユニット
５１    …照明部
５１１  …検出光源
５１２  …検出照明光学系
５２    …観察部
５２１  …ラインセンサ（光検出器）
５２１ｓ…ラインセンサの検出面
５２２  …観察光学系
ＳＰｗ  …光スポット（照射領域）
ＳＰｄ  …光スポット像
Ｐｈｄ  …横線既設パターン像
Ｐｖｄ  …縦線既設パターン像
Ｕｂ    …ビームプロファイル重心
Ｕｐ    …局所パターンプロファイル重心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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