(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム描画装置における描画面上を走査する描画ビームの走査位置を検出するモニタビーム検出システムにおいて、
描画面上を走査する描画ビームと該描画ビームの走査位置を検出するためのモニタビームとを出力するレーザビーム出力手段と、
前記描画ビームおよび前記モニタビームを同期を取りつつ偏向する偏向手段と、
入射光を透過する部分と入射光を遮断する部分とが交互かつ規則的に複数形成され、前記偏向手段により偏向する前記モニタビームを入射位置に対応して連続的にオン／オフするリニアスケールと、
前記リニアスケールによって、オン／オフされた前記モニタビームを受光する蛍光性光ファイバと、
前記蛍光性光ファイバの両端または一端に配置され、前記蛍光性光ファイバ内の蛍光物質の蛍光を受光し、所定の信号を送信する受光素子と、
前記モニタビームの光路上、前記リニアスケールより前方であってかつ前記レーザビーム出力手段と前記偏向手段との間に設けられ、前記モニタビームのスポット形状を変形するビームスポット変形手段と、を有し、
前記モニタビームのスポットは、前記リニアスケールに入射する時には、前記入射光を透過する部分より小さく、かつ前記走査方向と垂直な方向に長い楕円形状であり、前記蛍光性光ファイバに入射する時には、少なくとも走査方向において、前記蛍光性光ファイバ表面にクラックや塵等があっても前記モニタビームが入射したことを前記受光素子が検出できるだけの十分な幅を有し、かつ前記走査方向と平行な方向に長い楕円形状であることを特徴とするモニタビーム検出システム。
【請求項２】
前記楕円形状は、前記蛍光性光ファイバ表面に収まる大きさであることを特徴とする請求項１に記載のモニタビーム検出システム。
【請求項３】
前記ビームスポット変形手段は、走査方向と垂直な方向に負のパワーを有するシリンダレンズであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモニタビーム検出システム。
【請求項４】
前記ビームスポット変形手段は、走査方向と平行な方向に正のパワーを請求項１または請求項２に記載のモニタビーム検出システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のモニタビーム検出システムと、
前記描画ビームを偏向して描画面上を走査させると同時に、前記モニタビームを偏向して前記モニタビーム検出システムのリニアスケール上を走査させる偏向手段と、
前記モニタビーム検出システムの受光手段から送信される所定の信号に基づいて変調信号を送信するタイミングを制御する制御部と、前記変調信号に対応して、前記描画ビームを変調する変調手段と、を有することを特徴とするレーザビーム描画装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビーム描画装置において、レーザビームの描画面上での走査位置を検出するために用いられるモニタビーム検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビーム描画装置では、描画に際し、光源から照射されるレーザビームを描画データに基づいて生成される変調信号に同期してオン／オフ制御しつつ、ポリゴンミラー等の偏向器を用いて、描画面上を所定の方向に走査させている。また同時に、露光される描画面をレーザビームの走査方向と直交する方向へ平行移動することで所望の描画が行われる。本明細書では前者を主走査方向、後者を副走査方向と定義する。
【０００３】
このようなレーザビーム描画装置において、高精度、高画質の画像を形成するためには、レーザビームの描画面上における走査位置を正確に検出し、変調信号の送信タイミングを制御する必要がある。そのため、従来、レーザビーム描画装置では、描画用に用いられるビーム（描画ビーム）の他に、描画ビームと同一波長を有するレーザビーム（モニタビーム）を描画ビームの走査に同期して走査させ、その走査位置を検出することで描画ビームの走査位置を検出していた。このようなレーザビーム描画装置として例えば、本出願人の特許（特許番号第2767131号）がある。
【０００４】
図１は、上記特許で用いるモニタビーム検出部２０の概略構成を表した図である。モニタビーム検出部２０は、リニアスケール２１、蛍光性光ファイバ２２、受光素子２３、２４を有する。モニタビームは、描画ビームと同一の走査光学系により偏向され、レーザビーム描画装置内の所定位置に設けられたモニタビーム検出部２０のリニアスケール２１上を走査する。このとき、リニアスケール２１上におけるモニタビームの走査位置の移動は、描画面上における描画ビームの走査位置の移動に同期する。
【０００５】
図１中実線矢印はモニタビームの走査方向を、点線矢印はモニタビームの直進する方向を示す。リニアスケール２１は、モニタビームの走査方向に対し垂直に伸びるスリット２１ａを複数備え、スリット２１ａ以外の部分は、遮光するようになっている。複数のスリット２１ａは、リニアスケール２１上に一定間隔を置いて規則的に設けられている。従って、リニアスケール２１から射出されるモニタビームは、スリット２１ａの有無によって、定期的にオン／オフされた状態でリニアスケール２１から射出される。
【０００６】
リニアスケール２１から射出されたモニタビームは、光路上リニアスケール２１の後方に位置する蛍光性光ファイバ２２に入射する。蛍光性光ファイバ２２は、リニアスケール２１の長手方向に平行、すなわちモニタビームの走査方向に平行に配置され、その両端には受光素子２３、２４が設けられている。モニタビームが蛍光性光ファイバ２２に入射すると、蛍光性光ファイバ２２内の蛍光物質が入射光量に対応する蛍光を発生する。受光素子２３、２４は、該蛍光を受光すると、その受光した光量に対応する受光信号を図示しない制御部に送信する。上記のとおり、モニタビームは、リニアスケール２１によってオン／オフ状態が連続するため、受光素子２３、２４から送信される信号は一定間隔で連続するパルス状になっている。
【０００７】
図示しない制御部は、受光素子２３、２４から送信されるパルス数を計数し、計数結果からモニタビームの走査位置、すなわち描画ビームの描画面上における走査位置を検出する。そして、該検出結果に対応して、変調信号の送信タイミングを制御する。以上により、描画面上では画像を所定の位置に正確に描画することができる。
【０００８】
上記のようなモニタビーム検出部２０を使用する場合、蛍光性光ファイバ２２は、モニタビームを確実に取り込めることが要求される。しかし、蛍光性光ファイバ表面に、ある程度の大きさを有する塵やクラック（図１中、Ｃ）がある場合、スリット２１ａを透過したモニタビームが該塵等によって散乱してしまい、受光素子２３、２４で蛍光を検出することができず、正確な制御ができなくなってしまう。
【０００９】
従来は、こまめにメンテナンスを行い塵等の付着物を除去したり、蛍光性光ファイバをクラックが発生しないように慎重に取り扱ったりすることで、可能な限り上記問題を回避しようとしていた。しかし、どれも根本的な解決に結びつくものではなく、あくまで一時しのぎの対策でしかない。しかも、光ファイバは通常巻かれた状態で保存されるため、どうしてもクラックが発生しやすくなってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記の事情に鑑み、モニタビーム検出部の受光部に相当する蛍光性光ファイバの表面に塵やクラックが存在していても効率よくモニタビームの走査位置を検出することができるモニタビーム検出システムおよびレーザビーム描画装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載のモニタビーム検出システムは、レーザビーム描画装置における描画面上を走査する描画ビームの走査位置を検出するモニタビーム検出システムにおいて、該描画ビームと該描画ビームの走査位置を検出するためのモニタビームとを出力するレーザビーム出力手段と、各ビームを同期を取りつつ偏向する偏向手段と、入射光を透過する部分と入射光を遮断する部分とが交互かつ規則的に複数形成され、偏向手段により偏向するモニタビームを入射位置に対応して連続的にオン／オフするリニアスケールと、該リニアスケールによって、オン／オフされたモニタビームを受光する蛍光性光ファイバと、蛍光性光ファイバの両端または一端に配置され、蛍光性光ファイバ内の蛍光物質の蛍光を受光し、所定の信号を送信する受光素子と、モニタビームの光路上、リニアスケールより前方であってかつレーザビーム出力手段と偏向手段との間に設けられ、モニタビームのスポット形状を変形するビームスポット変形手段と、を有し、モニタビームのスポットは、リニアスケールに入射する時には、上記の入射光を透過する部分より小さく、かつ走査方向と垂直な方向に長い楕円形状であり、蛍光性光ファイバに入射する時には、少なくとも走査方向において、蛍光性光ファイバ表面にクラックや塵等があってもモニタビームが入射したことを受光素子が検出できるだけの十分な幅を有し、かつ走査方向と平行な方向に長い楕円形状であることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、受光手段の表面に塵やクラックが存在していても、受光素子が検出できるだけの十分な光量を蛍光性光ファイバに取り込むことができ、かつ正確にモニタビームの走査位置を検出することができる。
【００１３】
ここで、上記モニタビームのスポットは、前記蛍光性光ファイバに入射する時には、走査方向と平行な方向に長い楕円形状であることが望ましい（請求項２）。さらに、その楕円形状は、前記蛍光性光ファイバ表面に収まる大きさであることが望ましい（請求項３）。
【００１４】
これにより、蛍光性光ファイバは、モニタビームの入射光量をより効率よく取り込むことができる。
【００１５】
また、モニタビームのスポットは、リニアスケールに入射する時には、走査方向と垂直な方向に長い楕円形状にすることができる（請求項４）。
【００１６】
これによりモニタビームが、入射光を透過する部分の枠によってけられたり、隣接する他の入射光を透過する部分に入射したりすることを防ぐことができる。
【００１７】
ビームスポット変形手段に、走査方向と垂直な方向に負のパワーを有するシリンダレンズを用いることができる（請求項５）。また、走査方向と平行な方向に正のパワーを有するシリンダレンズを用いることも可能である（請求項６）。
【００１８】
また請求項７にかかるレーザビーム描画装置は、描画ビームとモニタビームとを出力するレーザビーム出力手段と、請求項１から請求項６のいずれかに記載のモニタビーム検出システムと、描画ビームを偏向して描画面上を走査させると同時に、モニタビームを偏向してモニタビーム検出システムのリニアスケール上を走査させる偏向手段と、モニタビーム検出システムの受光手段から送信される所定の信号に基づいて変調信号を送信するタイミングを制御する制御部と、その変調信号に対応して前記描画ビームを変調する変調手段と、を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載のレーザビーム描画装置によれば、モニタビーム検出システムで検出したモニタビームの走査位置に基づいて、描画を行うレーザビームの変調制御を正確に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。図２は、本発明のレーザビーム描画装置１００の概略構成を表す図である。図２に示すように、レーザビーム描画装置１００は、光源１、ハーフミラー２、反射鏡３、変調素子４、シリンダレンズ５、ポリゴンミラー６、ｆθレンズ７、反射鏡８、反射鏡９、描画面１０、モニタビーム検出部２０とを有する。モニタビーム検出部２０は、図１に示すようにリニアスケール２１、蛍光性光ファイバ２２、受光素子２３、２４とを有する。シリンダレンズ５は、凹面のものを用いる。
【００２１】
光源１から照射されるレーザビームは、ハーフミラー２によって、描画ビームＬ１と走査位置の検出用に用いられるビーム（モニタビーム）Ｌ２とに分割される。
【００２２】
描画ビームＬ１は、変調素子４に入射する。変調素子４は、図示しない制御部から所定のタイミングで送信される変調信号に基づいてレーザビームをオン／オフする。変調されたレーザビームは、一定速度で回転するポリゴンミラー６によって偏向されると、ｆθレンズ７、反射鏡８を介して、描画面１０上を主走査方向に走査する。レーザビームの主走査方向への走査に同期して、描画面１０が副走査方向に平行移動することで、所定のパターンが描かれる。なお、反射鏡８および反射鏡９の長手方向は、レーザビームの走査長以上の長さを有する。
【００２３】
一方、モニタビームＬ２は、反射鏡３によって偏向された後、シリンダレンズ５に入射する。シリンダレンズ５から射出されるモニタビームＬ２は、ポリゴンミラー６における描画ビームＬ１が偏向される面と同一の面に入射する。そして、描画ビームＬ１と同様に偏向されたモニタビームＬ２は、ｆθレンズ７、反射鏡８、反射鏡９を経て、モニタビーム検出部２０のリニアスケール２１を走査する。モニタビーム検出部２０については既に図１を参照しつつ説明済みであるので、ここでの説明は省略する。本実施形態では、モニタビームＬ２の光路上にシリンダレンズ５を配置し、モニタビームＬ２に非点収差を積極的に発生させることで、塵やクラックの影響を受けにくくし、正確にモニタビームＬ２の走査位置を検出できるようにしている。
【００２４】
なお、描画ビームＬ１とモニタビームＬ２とは同一の光源１から照射されたものであり、同一の光学系（ポリゴンミラー６、ｆθレンズ７、反射鏡８）を経て、描画面１０またはリニアスケール２１を走査する。つまり、リニアスケール２１上におけるモニタビームＬ２の走査位置の移動は、描画面１０上における描画ビームＬ１の走査位置の移動に同期する。
【００２５】
以下、本発明にかかるレーザビーム描画装置１００のモニタビーム検出部２０によるモニタビームＬ２の検出状態について、従来のモニタビーム検出状態と比較しつつ、詳説する。図３は、本発明のレーザビーム描画装置１００のモニタビーム検出状態、及び従来のモニタビーム検出状態を表す図である。図３中、Ｘ方向はモニタビームＬ２の走査方向を、Ｙ方向はモニタビームの進行方向を、Ｚ方向はＸ、Ｙいずれの方向にも垂直な方向（スリット２１ａの長辺方向）を表す。なお、図３に示す各部材やモニタビームのサイズは、説明の便宜上誇張して描いている。
【００２６】
以下の本文では、各部材等の実際のサイズは、スリット２１ａの長辺（Ｚ方向）が約5ｍｍ、スリット２１ａの短辺（Ｘ方向）が約100μｍ、蛍光性光ファイバ２２の直径が約2ｍｍ、リニアスケール２１と蛍光性光ファイバ２２との間隔が約5ｍｍとする。また、蛍光性光ファイバ２２上にあるクラック（図３中、Ｃ）の大きさは約10μｍ〜20μｍと想定する。
【００２７】
図３Ａは、シリンダレンズ５を使用しない、従来のモニタビーム検出状態を表している。図３Ａに示すように、シリンダレンズ５を使用しない場合、スリット２１ａに入射した時のモニタビームＬ２のスポットＳ１は略円状になる。ここで、スポットＳ１の幅（すなわち直径）は、スリット２１ａの枠でけられたり、隣接するスリット２１ａにモニタビームＬ２が入射したりすることがないように、スリット２１ａの短辺の1/3以下に抑えなければならない。例えば図３Ａでは、スポットＳ１の幅は、約30μｍに設定されている。なお本明細書において、スポットとは、任意の位置におけるビームの断面形状のことを意味する。
【００２８】
スリット２１ａにおけるモニタビームＬ２のスポットＳ１の幅を約30μｍとすると、上述したリニアスケール２１と蛍光性光ファイバ２２との位置関係から、蛍光性光ファイバに入射する時のモニタビームＬ２のスポットＳ２の幅は、若干拡大されて約40μｍになる。
【００２９】
ここでリニアスケール２１のスリット２１ａを透過したモニタビームＬ２のうち、ガウス強度分布において最も強度が高いビームの中心部分が、塵やクラックＣによって蛍光性光ファイバ２２表面で散乱されてしまうと、蛍光性光ファイバ２２内の蛍光物質から十分な蛍光が発光されず、受光素子２３、２４で蛍光を受光できなくなる。すると受光素子２３、２４は、定期的かつ規則的に受光信号を送信することができなくなる。つまり、描画ビームの正確な走査位置の検出ができなくなる。そのため、塵やクラックＣがあっても、蛍光性光ファイバ２２がビーム検出に必要な光量を十分取り込めるように、スポットＳ２の幅は、塵やクラックＣの大きさ（約10μｍ〜20μｍ）に対して、最低限５倍、望ましくは１０倍程度にしなければならない。
【００３０】
しかし、従来のモニタビームＬ２の検出状態では、クラックＣの大きさに対しモニタビームＬ２のスポットＳ２は十分に大きくない。そのため、スリット２１ａを透過したモニタビームＬ２が蛍光性光ファイバ２２に入射する位置にクラックＣ等がある場合には、蛍光性光ファイバ２２への入射光量の損失が大きく、受光素子２３、２４が、定期的かつ規則的に受光信号を送信することができないおそれがある。
【００３１】
なお、単にスポットＳ２を大きくするのであれば、リニアスケール２１と蛍光性光ファイバ２２との間隔をより多くとることも考えられる。しかし、該間隔を多くとると、モニタビームＬ２のスポットＳ２が略円形のまま拡大することを意味する。すなわち、スポットＳ２の一部が蛍光性光ファイバ２２からはみ出してしまうため、蛍光性光ファイバ２２は、モニタビームの光量を効率よく取り込むことができなくなる。従って該間隔を多くとることは、モニタビームＬ２の検出状態としては好ましくない。
【００３２】
一方、図３Ｂが、本発明のレーザビーム描画装置１００のモニタビーム検出状態を表している。図３Ｂによればシリンダレンズ５を透過することで、モニタビームＬ２は非点収差を生じるため、スリット２１ａ透過時のモニタビームＬ２のスポットＳ３は、Ｚ方向に長い楕円形になる。ここでスポットＳ３（楕円形）の大きさは、上記スポットＳ１と同様の理由から、該楕円形のＸ方向の幅は30μｍ、Ｚ方向の幅は1ｍｍに設定する。この設定は、シリンダレンズ５の強度や他の光学系との位置関係を調整することで可能である。
【００３３】
スリット２１ａを透過したモニタビームＬ２は、蛍光性光ファイバ２２に入射する。この時、モニタビームＬ２の蛍光性光ファイバ２２におけるスポットＳ４は、スポットＳ３と同様、楕円形になる。詳しくは、スポットＳ４は、モニタビームＬ２の走査方向（Ｘ方向）に長く、スポットＳ３よりも拡大された楕円形になる（図３Ｂ）。スポットＳ４の大きさは、スポットＳ３の大きさの設定と同様に、シリンダレンズ５の強度等を調整することで任意に設定することができる。従って、本実施形態ではスポットＳ４におけるＸ方向の幅を、クラックＣの大きさの約１０倍である、約100μｍに設定する。
【００３４】
このように蛍光性光ファイバ２２に入射する時のモニタビームＬ２のスポット形状をＸ方向に長い楕円形状にすることで、蛍光性光ファイバ２２の表面にクラックＣ等があったとしても、クラックＣ等によるモニタビームＬ２の散乱を抑え、受光素子が制御部にパルス状の信号を送信できる程度に十分な光量を蛍光性光ファイバ２２に入射させることができる。すなわち、受光素子２３、２４からは、蛍光性光ファイバ２２に入射するモニタビームＬ２のオン／オフに対応する規則的な受光信号が送信され、図示しない制御部は、描画ビームＬ１の描画面上における正確な走査位置を検出することが可能になる。さらに図示しない制御部は、該検出結果に対応して、変調素子４に変調信号を送信するタイミングを制御することができる。
【００３５】
上記のようにモニタビームＬ２のスポット（Ｓ３、Ｓ４）を変形するシリンダレンズ５の配置およびシリンダレンズ５を透過したモニタビームＬ２の収束する状態を示した図が、図４である。図４ＡはＸ−Ｙ平面におけるモニタビームＬ２の収束状態を、図４ＢはＺ−Ｙ平面におけるモニタビームＬ２の収束状態をそれぞれ表している。図４Ａ、図４Ｂに示すように、シリンダレンズ５は、Ｚ方向に負のパワーが作用するように配置される。
【００３６】
図４Ａに示すように、Ｘ−Ｙ平面ではモニタビームＬ２は、シリンダレンズ５のパワーの影響は受けず、リニアスケール２１で最も収束する。そしてスリット２１ａを透過し、蛍光性光ファイバ２２に入射するときは、走査方向（Ｘ方向）に長いスポットが形成されることがわかる。
【００３７】
一方、図４Ｂに示すようにＺ−Ｙ平面ではモニタビームＬ２は、シリンダレンズ５の凹面の影響を受け、Ｘ−Ｙ平面の収束位置（リニアスケール２１）よりも光路上後方に位置する蛍光性光ファイバ２２で最も収束する。
【００３８】
したがって、リニアスケール２１のスリット２１ａ透過時は、スリット２１ａの枠にけられたり、他のスリットに入射したりしないような形状になり、蛍光性光ファイバ２２に入射する時は、受光素子が検出できるだけの十分な入射光量が得られるように、蛍光性光ファイバ２２の配置方向に長い楕円形状にすることができる。
【００３９】
以上が本発明の実施形態である。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。以下、いくつかの変形例を挙げる。
【００４０】
本実施形態では、単１の光源１から照射されるレーザビームをハーフミラー２によって、描画ビームＬ１とモニタビームＬ２の２種類のビームに分割しているが、同一波長のレーザビームを照射することができる２つの光源を用いて、一方の光源から照射されるレーザビームを描画ビームに用いて、他方の光源から照射されるレーザビームをモニタビームに用いることも可能である。
【００４１】
また本実施形態では、モニタビームＬ２のスポットＳ３、Ｓ４が所定の楕円形状になるように、凹面のシリンダレンズ５を使用しているが、凸面のシリンダレンズを使用することも可能である。この場合、凸面のシリンダレンズは、図５に示すように、Ｘ−Ｙ平面で正のパワーを有するように配置する。また、本実施形態では単一のシリンダレンズによって、該スポットを変形させているが、２以上のシリンダレンズを組み合わせて使用すれば、モニタビームＬ２のスポットＳ３、Ｓ４をより正確な楕円形状にすることが可能である。
【００４２】
上記実施形態では、蛍光性光ファイバ２２の両端に受光素子２３、２４を配置し、蛍光性光ファイバ２２の伝達損失による光量変化を補償している。しかし、該光量変化のおそれがない場合であれば、受光素子は、蛍光性光ファイバ２２の一端に配置すれば足りる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかるモニタビーム検出システムは、描画ビームの描画面における走査位置を検出するためのモニタビームの光路中に、ビームのスポット形状を変化させるビームスポット変形手段、例えばシリンダレンズを配置することにより、モニタビーム検出部の蛍光性光ファイバにクラックや塵等が存在していても、それらによる入射光量の損失を最小限に抑え、蛍光性光ファイバ内にモニタビームの光量を効率よく取り込むことが可能になった。
【００４４】
また、蛍光性光ファイバ内にモニタビームの光量を効率よく取り込むことを可能にしたことにより、レーザビーム描画装置において、描画ビームの描画面上における走査位置をより正確に検出することができ、変調信号の送信タイミングを制御することが可能になった。従来のレーザビーム描画装置であっても、モニタビームの光路上に単にビームスポット変形手段を設けることにより、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザビーム描画装置のモニタビーム検出部の拡大図である。
【図２】本発明のレーザビーム描画装置の概略構成図である。
【図３】本発明、および従来のモニタビーム検出状態を表している。
【図４】凹面のシリンダレンズを使用した場合のモニタビームの収束する状態を表している。
【図５】凸面のシリンダレンズを使用した場合のモニタビームの収束する状態を表している。
【符号の説明】
１      光源
５      シリンダレンズ
２０  モニタビーム検出部
２１  リニアスケール
２２  蛍光性光ファイバ
２３、２４  受光素子
１００      レーザビーム描画装置
Ｌ１      描画ビーム
Ｌ２      モニタビーム
【図１】
0003857858.tif 000002
【図２】
0003857858.tif 000003
【図３】
0003857858.tif 000004
【図４】
0003857858.tif 000005
【図５】
0003857858.tif 000006