(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子と、前記回折分岐素子により分岐された光束を伝搬する伝搬光学系と、該伝搬光学系により伝搬された光束を描画面上に収束させて複数のビームスポットを形成する結像光学系とを備えるマルチビーム光学系において、
前記伝搬光学系は、曲面ミラーを含み、
前記曲面ミラーは、前記回折分岐素子により分岐された全ての光束について、前記曲面ミラーに対する入射時の中心軸と曲面ミラーからの反射時の中心軸とが所定の分離角度で空間的に分離されるよう配置され、
前記回折分岐素子は、前記分離角度に依存する前記描画面上での前記ビームスポット列の湾曲を補正するように、前記回折分岐素子の回折格子面に立てた法線方向に対し、前記回折分岐素子に対する入射光の中心軸が傾くよう配置されていることを特徴とするマルチビーム光学系。
【請求項２】
前記回折分岐素子は、前記回折格子面の法線と前記入射光の中心軸とが一致する状態を基準とし、格子ベクトルの方向を回転軸として所定角度回転させた状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。
【請求項３】
前記ビームスポット列を前記描画面に対して相対的に走査させる手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。
【請求項４】
前記伝搬光学系は、前記回折分岐素子より前記描画面側に、分岐された各光束を独立して変調するマルチチャンネル変調器を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光源から発する光束を複数に分割して描画面上に導くマルチビーム光学系に関し、特に、曲面ミラーを用いた光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のマルチビーム光学系は、例えば半導体素子の回路パターンを形成する走査式描画装置に利用されている。マルチビーム方式の走査式描画装置は、複数のビームスポットを同時に描画面上に走査させ、一回の走査で複数の走査線を形成することにより効率よく回路パターンを描画することができる。
【０００３】
ところで、半導体素子の分野では、回路の密度を高めて素子を小型化するため、回路パターンの微細化が進んでいる。そして、高精細のパターンを形成するためには、描画装置に利用される光源の波長は短いほど望ましいため、紫外域のビームを発するレーザーが光源として用いられている。ただし、光学ガラスは一般に紫外域での吸収が大きく、描画面上での光量を低下させるため、紫外域のビームを用いる場合には光学系の少なくとも一部にレンズに代えて曲面ミラーを用いることが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学系に曲面ミラーが含まれる場合には、曲面ミラーに対する入射光と曲面ミラーからの反射光とを空間的に分離するため、入射光路と射出光路とに所定の分離角度を持たせる必要があり、マルチビーム方式の走査光学系では、この光路の分離に起因して描画面上でビーム列が湾曲するという問題がある。
【０００５】
マルチビーム方式の走査式描画装置は、描画面上で複数のビームスポットを一直線のビーム列として形成する必要がある。このビーム列は、実際のビームスポット間隔よりも走査線の間隔を狭めるため、ビームスポットが走査する主走査方向、並びに描画面上で主走査方向に直交する副走査方向の双方に対して所定の角度で傾くよう設定される。しかしながら、分割された光束を曲面ミラーにより反射させると、このビーム列が湾曲し、本来一定であるべき走査線の間隔が不均一になる。図９は、５本の光束を用いた走査式描画装置の描画面上でのビームスポットの配列を示す。実線の楕円で示した理想的なスポット位置に対し、実際のスポットは破線の楕円で示すようにシフトし、実線で示す直線状のビーム列は、破線で示すような湾曲したビーム列となる。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光学系が曲面ミラーを含む場合にも、描画面上でのビーム列の湾曲を防ぐことができるマルチビーム光学系の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるマルチビーム光学系は、上記の目的を達成させるため、光源と、光源からの光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子と、回折分岐素子により分岐された光束を伝搬する伝搬光学系と、伝搬光学系により伝搬された光束を描画面上に収束させて複数のビームスポットを形成する結像光学系とを備える構成において、伝搬光学系が曲面ミラーを含み、この曲面ミラーは、回折分岐素子により分岐された全ての光束について、曲面ミラーに対する入射時の中心軸と曲面ミラーからの反射時の中心軸とが所定の分離角度で空間的に分離されるよう配置され、上記の回折分岐素子は、分離角度に依存する描画面上でのビームスポット列の湾曲を補正するように、回折分岐素子の回折格子面に立てた法線方向に対し、回折分岐素子に対する入射光の中心軸が傾くよう配置されていることを特徴とする。
【０００８】
光線が回折格子面の法線に対して傾いて入射した場合、回折光は、光線と回折面との交点を通る回折格子の格子の伸延方向と平行な線分を軸とし、入射光線の方向を含む円錐面上に分布する。このような分布は、描画面上でのビームスポット列を湾曲させるため、回折格子面の傾きを適宜設定することにより、曲面ミラーでの分離により生じる描画面上でのビームスポット列の湾曲を打ち消すことができる。
【０００９】
回折分岐素子は、回折格子面の法線と入射光の中心軸とが一致する状態を基準とし、格子ベクトルの方向を回転軸として所定角度回転させた状態で配置することができる。
【００１０】
さらに、ビームスポット列を描画面に対して相対的に走査させる手段を備えることができ、伝搬光学系の回折分岐素子より描画面側に、分岐された各光束を独立して変調するマルチチャンネル変調器を備えてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかるマルチビーム光学系の実施形態を説明する。図１はこの発明のマルチビーム光学系を走査光学系に適用した実施形態の光学系の一部を示す説明図、図２(A)は光学系全体を展開して示した説明図、(B)は回折分岐素子近傍を図２(A)の矢印B方向から見た説明図である。まず、図２に基づいて実施形態の概要を説明する。
【００１２】
実施形態の走査光学系は、図２(A)に示すように、紫外域のビームを発するレーザー光源１０と、このレーザー光源１０からの光束をリレーする第１、第２のリレー光学系２０，３０と、リレーされた平行光を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子４０と、回折分岐素子４０により分岐された光束を伝搬する伝搬光学系５０と、伝搬光学系５０により伝搬された光束を偏向するポリゴンミラー６０と、偏向された光束を描画面Ｓ上に収束させて複数のビームスポットを形成する結像光学系としての走査レンズ７０とを備える。
【００１３】
紫外域のビームを用いているため、光学系に含まれるレンズの数は少ない方がレンズの吸収による光量損失を避けるためには望ましい。そこで、第１のリレー光学系２０は、第１の曲面ミラー２１と第２の曲面ミラー２２とを備え、同様に第２のリレー光学系３０は第３の曲面ミラー３１と第４の曲面ミラー３２とを備える。リレー光学系２０，３０の間の光束が平行になる位置には、ポリゴンミラー６０の面倒れ誤差による影響を補正するためのピエゾミラー８０が配置されている。
【００１４】
回折分岐素子４０は、透明基板のいずれか一方の表面に、多数の微細な帯状の基準位相パターンを有する回折格子を形成して構成され、入射光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる。図１(A)中では、非回折光を実線、回折光の一つを破線で示している。回折分岐素子４０は、図２(B)に示すように、回折格子面の法線が入射光の中心軸に対して傾くよう配置されている。
【００１５】
伝搬光学系５０は、第５の曲面ミラー５１と、分岐された各光束を独立して変調するマルチチャンネル音響光学変調器(ＡＯＭ）５２と、コリメート光学系５３とを備えている。ＡＯＭは、入力される超音波のＯＮ−ＯＦＦにより回折を利用して光の方向を切り替え、回折光、若しくは非回折光の一方を変調光として取り出す素子である。マルチチャンネルＡＯＭ５２は、回折分岐素子４０により分岐された複数の光束を入射させる複数のチャンネルを有し、各チャンネルを独立して制御することにより、各光束を独立して変調する。
【００１６】
レーザー光源１０から発したレーザー光は、第１，第２のリレー光学系２０，３０を介して平行光として回折分岐素子４０に入射する。回折分岐素子４０で分岐した複数の光束は、第５の曲面ミラー５１により収束光とされてマルチチャンネルＡＯＭ５２に入射し、変調される。変調された光束は、コリメート光学系５３により平行光とされ、ポリゴンミラー６０、走査レンズ７０を介して描画面Ｓ上に複数のビームスポットから成るビームスポット列を形成する。ビームスポット列は、ポリゴンミラー６０の回転に伴って描画面Ｓ上を走査する。また、描画面Ｓは、図示せぬ駆動機構によりビームスポット列の走査方向と直交する方向に移動される。これら、ビームスポットの走査と描画面Ｓの移動により、ビームスポット列を描画面Ｓ上で二次元的に走査させることができる。
【００１７】
続いて、図１に基づいて上記の光学系の詳細について説明する。図１は、図２の光学系のピエゾミラー８０からマルチチャンネルＡＯＭ５２までの光路を示している。
第３、第４、第５曲面ミラー３１，３２，５１は、いずれも焦点距離１２０ｍｍ、すなわち曲率半径２４０ｍｍの凹面ミラーである。各曲面ミラーは、入射光束と反射光束とが所定の分離角度で空間的に分離されるよう配置されている。特に、回折分岐素子４０の後段に配置された第５曲面ミラー５０は、回折分岐素子４０により分岐された全ての光束について、入射時の中心軸と反射時の中心軸とが所定の分離角度で空間的に分離されるよう配置されている。各曲面ミラーにおける分離角度は、この例では全て１０度に設定されている。なお、第３，第４曲面ミラーは、図１においては紙面での表現の都合上、同一平面内で光束を分離するよう表わされているが、実際には互いに直交する平面内で光束を分離するよう配置され、非点隔差の発生を防止している。
【００１８】
回折分岐素子４０は、回折格子面の法線と入射光の中心軸とが一致する状態を基準とし、図中時計回りに７．５度回転した状態で配置されている。以下、回折分岐素子４０の配置による分岐光の振る舞いにつき、図３〜図５に基づいて説明する。なお、ここでは、分岐本数が５本の場合を例にして説明するが、同様の原理は分岐本数にかかわらず成立する。また、各図では、説明のため分岐した各光束の間隔を誇張して示している。
【００１９】
図３は、入射光の中心軸が格子面の法線と一致する基本的な配置を示す。光束の入射方向をｘ軸、これと直交し、互いに直交するｙ軸、ｚ軸を設定する。回折分岐素子４０が、図３に示されるように、その回折格子面に立てた法線を入射光の中心軸に一致させ、かつ、格子の伸延方向がｚ軸に一致するよう配置された場合、すなわち格子面がｙ−ｚ平面と平行であり、かつ、格子ベクトルの方向がｙ軸と平行である場合、回折分岐素子４０は、分岐された複数の光束の中心軸がいずれもｘ−ｙ平面に含まれるように入射光を分岐させる。
【００２０】
図３の状態から回折分岐素子４０を矢印Ａ1で示すようにｘ軸周りに回転させる。回転後の状態を示すのが図４である。格子面がｙ−ｚ面と平行であることは図３と変わりなく、格子ベクトルの方向がｙ軸に対して角度を持つ点が異なる。この状態では、分岐光の中心軸はｘ−ｙ平面をｘ軸周りに回折分岐素子４０の回転角度と同一角度回転させた平面内に含まれる。ｙ軸を主走査方向、ｚ軸を副走査方向とすると、従来のマルチビーム走査光学系における回折分岐素子は、この図４のように配置され、これにより描画面上でスポット列が主走査、副走査の両方向に対して傾くよう設定されていた。なお、光学系に曲面ミラーが含まれる場合、その分離方向をｚ軸方向とすると、この配置では図９に示すような曲面ミラーでの分離角度に依存するビーム列の湾曲が発生する。
【００２１】
実施形態の光学系では、図４の状態から回折分岐素子４０をさらに矢印Ａ2で示すように、格子ベクトルの方向を示す軸線回りに回転させて配置している。図５は回転後の状態を示す。回折格子面はｙ−ｚ平面に対して所定角度をなす。すなわち、入射光束の中心軸は格子面に立てた法線に対して所定の角度をなす。この状態では、分岐光の中心軸は、光線と回折面との交点を通る回折格子の格子の伸延方向と平行な線分を軸とし、入射光線の方向を含む円錐面上に分布する。このような分布は、描画面上でのビームスポット列を湾曲させるため、回折格子面の傾きを適宜設定することにより、曲面ミラーでのｚ軸方向の分離により生じる描画面上でのビームスポット列の湾曲を打ち消すことができる。
【００２２】
上述した図５の配置において回折分岐素子４０により分岐される各回折光の振る舞いを、図６に基づいて説明する。図中の記号の意味は以下の通りである。
Ｐ：格子面に立てた法線の単位ベクトル
Ｓ：入射光の単位ベクトル
Ｓ’：回折光の単位ベクトル
ａ：回折格子の単位ベクトル
ここで格子の周期をｄ、波長をλ、回折次数をｍとすると、以下の関係が成立する。
Ｓ’＝Ｓ＋(ｍλ／ｄ)×ａ
【００２３】
また、Ｐ，ａを含む平面に対して入射光の単位ベクトルＳと回折光の単位ベクトルＳ’とがなす角度をそれぞれθ、θ’とすると、sinθ＝sinθ’となり、したがって、θ＝θ’が成り立つ。また、入射光の単位ベクトルＳと回折光の単位ベクトルＳ’とをＰ，ａを含む平面に投影した場合に投影されたベクトルがベクトルＰとなす角度をそれぞれφ、φ’とすると、以下の関係が成り立つ。
sinφ’−sinφ＝ｍλ／(ｄ×cosθ)
入射方向を固定した場合、上式でsinφ及びλ／(ｄ×cosθ)は定数と考えることができるため、回折光の投影ベクトルが法線の単位ベクトルＰに対してなす角度は回折次数ｍのみに依存する関数となる。また、θ＝θ'であることから、回折光のベクトルがベクトルＰ，ａの交点を通り、ベクトルＰ，ａを含む平面に対して垂直な軸Ｏを持つ円錐の円錐面上に分布することがわかる。
【００２４】
図７は、第５の曲面ミラー５１の分離角度と、第５曲面ミラーの焦点面(ＡＯＭの位置)上でのビーム列の湾曲との関係を示すグラフである。ここでは８本の光束を利用する例を示している。分離角度が大きくなるほど周辺部における湾曲量が大きくなることがわかる。図８は、回折分岐素子４０の傾き角度(図１において入射光の中心軸と法線とが一致する場合を基準として時計回りに回転させた角度)と、曲面ミラーの焦点面上でのビーム列の湾曲との関係を示すグラフであり、同様に８本の光束を利用する例を示している。傾き角度が大きくなるほど、周辺部における湾曲量が大きくなること、湾曲の方向が曲面ミラーの分離による湾曲とは逆方向となることがわかる。
【００２５】
図７と図８とを比較すると、曲面ミラー５１の分離角度が１０゜の場合に生じる湾曲が、回折分岐素子４０を７．５゜傾けることにより、ほぼ相殺できることがわかる。そこで、実施形態では、前述のように曲面ミラー５１の分離角度を１０゜とし、回折分岐素子４０を７．５゜傾けて配置している。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、曲面ミラーを含むマルチビームの光学系において、曲面ミラーにおける分離角度に依存する描画面上でのビーム列の湾曲を、回折分岐素子を傾けて配置することにより打ち消すことができる。したがって、紫外域のレーザー光源を用い、吸収による損失を抑えるためにレンズに代えて曲面ミラーを用いた走査光学系においても、走査線の間隔を一定に保ち、高い描画精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明のマルチビーム光学系を走査光学系に適用した実施形態の光学系の一部を示す説明図。
【図２】  (A)は実施形態の光学系全体を展開して示す説明図、(B)は(A)の一部を矢印B方向から見た説明図。
【図３】  回折分岐素子の基本的な配置における入射光と分岐光との関係を示す説明図。
【図４】  回折分岐素子の従来の配置における入射光と分岐光との関係を示す説明図。
【図５】  回折分岐素子の実施形態の配置における入射光と分岐光との関係を示す説明図。
【図６】  回折分岐素子により分岐された各回折光の振る舞いを示す説明図。
【図７】  曲面ミラーの分離角度と、曲面ミラーの焦点面上でのビーム列の湾曲との関係を示すグラフ。
【図８】  回折分岐素子の傾き角度と、曲面ミラーの焦点面上でのビーム列の湾曲との関係を示すグラフ。
【図９】  曲面ミラーの傾きによる描画面上でのビーム列の湾曲を示す説明図。
【符号の説明】
１０  レーザー光源
２０  第１のリレー光学系
３０  第２のリレー光学系
４０  回折分岐素子
５０  伝搬光学系
５１  第５の曲面ミラー
５２  マルチチャンネルＡＯＭ
６０  ポリゴンミラー
７０  走査レンズ
８０  ピエゾミラー
【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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