JPH1082611A - Apparatus for detecting position of face - Google Patents

Apparatus for detecting position of face

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JPH1082611A
JPH1082611A JP8239012A JP23901296A JPH1082611A JP H1082611 A JPH1082611 A JP H1082611A JP 8239012 A JP8239012 A JP 8239012A JP 23901296 A JP23901296 A JP 23901296A JP H1082611 A JPH1082611 A JP H1082611A
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JP
Japan
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optical system
image
light
projection optical
face
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Application number
JP8239012A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Mizutani
英夫 水谷
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Nikon Corp
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Nikon Corp
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Publication date
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a face position-detecting apparatus which can be adjusted easily in a simple constitution and detect the position of a face highly accurately. SOLUTION: The image of a grating pattern of a grating pattern formation face 8a is, via projection optical systems 9, 10, projected slantwise to a face 1a to be detected on a wafer 1. The grating pattern image is formed from a reflecting light from the face 1a onto a light incident plane 25a via condenser optical system 11, 12, which is relayed to a photodetecting face 17a through a swing and tilt correction prism 25 and relay optical systems 14-16. The grating pattern formation face 8a and face 1a to be detected satisfy a shine-proof condition to the projection optical systems 9, 10, and the face 1a and the light incident plane 25a satisfy the shine-proof condition to the condenser optical systems 11, 12. The projection optical systems 9, 10 are made telecentric to the side of the face 1a, and a numerical aperture of the condenser optical system 11, 12 is set to be larger than that of the projection optical system 9. 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、被検面の高さや傾
斜角を検出するための面位置検出装置に関し、例えば半
導体素子、撮像素子(CCD等)、液晶表示素子、又は
薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ
工程で使用される投影露光装置において、ウエハ等の感
光基板の高さを検出するためのオートフォーカスセンサ
に使用して好適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface position detecting device for detecting a height and an inclination angle of a surface to be inspected, for example, a semiconductor device, an image pickup device (such as a CCD), a liquid crystal display device, a thin film magnetic head, and the like. It is suitable for use in an autofocus sensor for detecting the height of a photosensitive substrate such as a wafer in a projection exposure apparatus used in a photolithography process for manufacturing a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば半導体素子を製造する際に、マス
クとしてのレチクル上に形成された回路パターンを投影
光学系を介して感光基板としてのウエハ上に転写する投
影露光装置(ステッパー等)が使用されている。このよ
うな投影露光装置においては、投影光学系の焦点深度が
比較的浅く、しかも、ウエハに部分的な凹凸が存在する
こともあるため、ウエハの各露光領域における投影光学
系の結像面に対する焦点ずれの補正をそれぞれ行う必要
がある。
2. Description of the Related Art For example, when manufacturing a semiconductor device, a projection exposure apparatus (stepper or the like) for transferring a circuit pattern formed on a reticle as a mask onto a wafer as a photosensitive substrate via a projection optical system is used. Have been. In such a projection exposure apparatus, the depth of focus of the projection optical system is relatively shallow, and there may be partial unevenness on the wafer. It is necessary to correct each defocus.

【0003】このように投影光学系の光軸方向における
ウエハの表面(被検面)の位置(フォーカス位置)を検
出するためのセンサとして、そのウエハの表面に対して
斜め方向からスリット像を投影する投射光学系と、その
ウエハからの反射光を集光してそのスリット像を再結像
する集光光学系とを有し、このように再結像されたスリ
ット像の横ずれ量を検出する斜入射方式のオートフォー
カスセンサ(以下、「AFセンサ」と呼ぶ)が知られて
いる。この斜入射方式のAFセンサにおいては、被検面
が投影光学系の光軸方向に沿って上下すると、被検面上
におけるスリット像の位置が集光光学系の光軸と直交す
る方向に沿ってずれる。そこで、その集光光学系で再結
像されたスリット像の横ずれ量を測定することで、その
被検面のフォーカス位置を検出することができる。
As described above, as a sensor for detecting the position (focus position) of the surface of the wafer (surface to be inspected) in the optical axis direction of the projection optical system, a slit image is projected obliquely to the surface of the wafer. And a condensing optical system that condenses the reflected light from the wafer and re-images the slit image, and detects the lateral shift amount of the slit image thus re-imaged. An oblique incidence type autofocus sensor (hereinafter, referred to as an “AF sensor”) is known. In the oblique incidence type AF sensor, when the surface to be inspected moves up and down along the optical axis direction of the projection optical system, the position of the slit image on the surface to be inspected moves along the direction orthogonal to the optical axis of the light collecting optical system. Deviate. Therefore, by measuring the lateral shift amount of the slit image re-imaged by the focusing optical system, it is possible to detect the focus position on the surface to be inspected.

【0004】この場合、その被検面はAFセンサの投射
光学系及び集光光学系の光軸に対してかなり大きな角度
で傾斜しているために、その被検面からの反射光よりそ
のスリット像を再結像した場合に、その再結像されたス
リット像の結像面のアオリ角が大きくなり、受光素子に
入射する光量が少なくなる等の不都合があった。そこ
で、特開平6−97045号公報では、アオリ角を補正
するためのプリズムを用いて、その再結像されるスリッ
ト像のアオリ角を小さくするようにしたAFセンサが開
示されている。また、特開平3−183904号公報
(米国特許第5,076,698号)では、グレーティ
ング(回折格子)を用いて結像光束のアオリ角を補正す
るようにした検出装置が開示されている。
In this case, the surface to be inspected is inclined at a considerably large angle with respect to the optical axes of the projection optical system and the condensing optical system of the AF sensor. When the image is re-imaged, the tilt angle of the image plane of the re-imaged slit image becomes large, and there is a problem that the amount of light incident on the light receiving element becomes small. Therefore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-97045 discloses an AF sensor in which a prism for correcting the tilt angle is used to reduce the tilt angle of the re-formed slit image. Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-183904 (U.S. Pat. No. 5,076,698) discloses a detection device that corrects the tilt angle of an imaged light beam using a grating (diffraction grating).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の特開
平6−97045号公報に開示された斜入射方式のAF
センサでは、被検面の位置が変化しても再結像されるス
リット像の倍率が変化しないように、投射光学系、及び
集光光学系共に両側テレセントリックであることが望ま
しい。そのためには、被検面を挟んで投射光学系及び集
光光学系にそれぞれテレセントリック絞りを配置する必
要があるが、光学系の組立調整上の誤差等によってそれ
ら2つの絞り間には或る程度の位置合わせ誤差が残存す
る恐れがある。しかしながら、それら2つの絞り間に位
置合わせ誤差が残存すると、光量損失が生じるという不
都合がある。
An oblique incidence type AF disclosed in the above-mentioned conventional Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 6-97045.
In the sensor, it is desirable that both the projection optical system and the condensing optical system be both-side telecentric so that the magnification of the re-formed slit image does not change even if the position of the test surface changes. For this purpose, it is necessary to dispose a telecentric stop in the projection optical system and the condensing optical system with the surface to be measured interposed therebetween. May remain. However, if a positioning error remains between the two diaphragms, there is a disadvantage that a light amount loss occurs.

【0006】また、その集光光学系で再結像されるスリ
ット像の横ずれ量を光電顕微鏡の原理を適用して検出す
るために、その集光光学系内に配置した振動ミラー等の
走査手段によってそのスリット像を光電検出器に対して
計測方向に振動させる場合がある。このような構成で
は、集光光学系中にテレセントリック絞りを置くことが
困難な場合が多い。一方、投射光学系側に走査装置を設
けると、被検面でスリット像が移動するため、再結像さ
れた像の横ずれの状態が被検面の凹凸によっても変化し
て、その像の横ずれを振動ミラーの振動成分と被検面の
凹凸による成分とに分離するのが困難であるという不都
合があった。
Scanning means such as a vibrating mirror disposed in the condensing optical system for detecting the amount of lateral displacement of the slit image re-imaged by the condensing optical system by applying the principle of a photoelectric microscope. May cause the slit image to vibrate in the measurement direction with respect to the photoelectric detector. In such a configuration, it is often difficult to place a telecentric stop in the condensing optical system. On the other hand, if a scanning device is provided on the projection optical system side, the slit image moves on the surface to be inspected, so that the state of the lateral shift of the re-imaged image is also changed by the unevenness of the surface to be inspected, and the lateral shift of the image is changed. There is an inconvenience that it is difficult to separate the vibration component into a vibration component of the vibration mirror and a component due to the unevenness of the surface to be measured.

【0007】また、そのAFセンサ中でアオリ角補正用
に特開平3−183904号公報で開示されたグレーテ
ィングを使用する場合でも、アオリ補正用のプリズムを
使用する場合と同様に、投射光学系、及び集光光学系共
にテレセントリック絞りを配置するのは困難であるとい
う不都合がある。本発明は斯かる点に鑑み、投射光学
系、及び集光光学系の両方に直列にテレセントリック絞
りを配置することのない簡単な構成で調整の容易な、且
つ高精度に被検面の面位置を検出できる面位置検出装置
を提供することを目的とする。
Further, even when the grating disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-183904 is used for correcting the tilt angle in the AF sensor, the projection optical system, In addition, there is an inconvenience that it is difficult to dispose a telecentric stop in both the optical system and the condensing optical system. In view of the above, the present invention has a simple configuration without disposing a telecentric stop in series with both the projection optical system and the condensing optical system, is easy to adjust, and has high accuracy in the surface position of the test surface. It is an object of the present invention to provide a surface position detecting device capable of detecting a position.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明による面位置検出
装置は、第1面(8a)上に形成された所定のパターン
(8)と、被検面(1a)に対して斜めの方向からその
所定のパターンの像を投射する投射光学系(9,10)
と、被検面(1a)で反射された光束を集光してその所
定のパターンの像を第2面(25a)上に形成する集光
光学系(11,12)と、その所定のパターンの像を光
電的に検出する検出器(17)と、を有し、この検出器
の出力に基づいて被検面(1a)の面位置を検出する面
位置検出装置において、検出器(17)の受光面と、そ
の所定のパターンの像とを相対的に走査させる走査手段
(30,31)を設け、その第1面と被検面(1a)と
は、その投射光学系の主平面に関してシャインプルーフ
の条件を満たすと共に、被検面(1a)とその第2面と
は、その集光光学系の主平面に関してシャインプルーフ
の条件を満たし、その投射光学系は、被検面(1a)側
において実質的にテレセントリックな光学系であり、そ
の集光光学系は、その投射光学系よりも大きい開口数を
持つものである。
A surface position detecting device according to the present invention is provided with a predetermined pattern (8) formed on a first surface (8a) and an oblique direction with respect to a surface (1a) to be detected. Projection optical system (9, 10) for projecting the image of the predetermined pattern
A condensing optical system (11, 12) for condensing a light beam reflected on the surface to be inspected (1a) and forming an image of the predetermined pattern on the second surface (25a); And a detector (17) for photoelectrically detecting the image of (1), wherein the detector (17) detects a surface position of the test surface (1a) based on an output of the detector. Scanning means (30, 31) for relatively scanning the light-receiving surface of the image and the image of the predetermined pattern, and the first surface and the test surface (1a) are arranged with respect to the main plane of the projection optical system. In addition to satisfying the Scheimpflug condition, the test surface (1a) and the second surface satisfy the Scheimpflug condition with respect to the main plane of the condensing optical system, and the projection optical system includes the test surface (1a). Side is substantially telecentric optics, the focusing optics Those with a numerical aperture greater than a projection optical system.

【0009】斯かる本発明によれば、投射光学系(9,
10)は被検面(1a)側にテレセントリックである。
この作用につき図10を参照して説明する。図10は、
投射光学系(9,10)による被検面(1a)上の点P
に集束する結像光束LAの様子を示し、図10(a)は
その投射光学系がテレセントリックな場合、図10
(b)はその投射光学系がテレセントリックでない場合
を示している。即ち、図10(a)では、被検面(1
a)に入射する結像光束LAの内の軸外の主光線LA1
も光軸に平行な光束となっており、図10(b)ではそ
の結像光束の内で光軸に平行な光束LA1に対して軸外
の主光線LA2は傾斜している。
According to the present invention, the projection optical system (9,
10) is telecentric on the test surface (1a) side.
This operation will be described with reference to FIG. FIG.
Point P on the surface to be inspected (1a) by the projection optical system (9, 10)
FIG. 10A shows the state of the image forming light beam LA converged on the optical axis, and FIG.
(B) shows a case where the projection optical system is not telecentric. That is, in FIG. 10A, the test surface (1
Off-axis chief ray LA1 of the imaging light beam LA incident on a)
Is also a light beam parallel to the optical axis. In FIG. 10B, the off-axis principal ray LA2 is inclined with respect to the light beam LA1 parallel to the optical axis in the image forming light beam.

【0010】このとき、集光光学系(11,12)はも
との被検面(1a)に合焦しているものとして、被検面
(1a)が点線で示す位置(1a’)まで変位すると、
図10(a)のテレセントリックな場合には、その集光
光学系によってその第2面では、点Pの鏡影像である点
P’を通る結像光束によって被検面(1a)上の点Pか
らxだけ離れた点Qのデフォーカスした像が形成され
る。この際の被検面(1a)の変位は、その点Pと点Q
との間隔xのその集光光学系の光軸に垂直な方向への射
影成分を計測することによって求められる。その際、そ
の集光光学系の開口数(NA)はその投射光学系の開口
数よりも大きいので、このデフォーカスにより広がった
像が点Qの共役点を中心に点対称に広がってその第2面
上に結像することになる。被検面(1a)がレジストに
覆われたウエハの場合、その被検面はほぼ鏡面とみなす
ことができるが、完全な鏡面ではないので多少の散乱が
生じ、その被検面上の各点は2次光源とみなせる場合も
ある。その場合でも、反射光の結像光束は、もとの主光
線LB1と平行な主光線LB1’の周りにほぼ軸対称に
分布した光束とみなせるので、結局、その集光光学系に
よる像は点Qの共役点を中心に点対称に分布して、計測
されるずれ量(ずれ量xの射影成分)は変わらない。
At this time, it is assumed that the focusing optical system (11, 12) is in focus on the original surface (1a), and the surface (1a) is moved to the position (1a ') indicated by the dotted line. When displaced,
In the case of the telecentric case shown in FIG. 10 (a), the point P on the surface to be inspected (1a) is formed on the second surface by the condensing optical system by the image forming light beam passing through the point P 'which is a mirror image of the point P. A defocused image at a point Q that is x away from is formed. The displacement of the test surface (1a) at this time is represented by the points P and Q
Is measured by measuring a projected component in a direction perpendicular to the optical axis of the condensing optical system at a distance x from the optical axis. At this time, since the numerical aperture (NA) of the condensing optical system is larger than the numerical aperture of the projection optical system, the image expanded by this defocusing spreads point-symmetrically around the conjugate point of point Q, and An image is formed on two surfaces. When the test surface (1a) is a wafer covered with a resist, the test surface can be regarded as almost a mirror surface, but since it is not a perfect mirror surface, some scattering occurs, and each point on the test surface is affected. May be regarded as a secondary light source in some cases. Even in such a case, the image-forming light beam of the reflected light can be regarded as a light beam that is distributed almost axially symmetrically around the principal light beam LB1 'parallel to the original principal light beam LB1, and the image formed by the condensing optical system eventually becomes a point. Distributed point-symmetrically around the conjugate point of Q, the measured shift amount (projected component of the shift amount x) does not change.

【0011】一方、図10(b)のように投射光学系
(9,10)がテレセントリックでない場合は、軸外の
主光線LA2は光軸と非平行になり、被検面(1a)が
点線で示す位置(1a’)まで変位すると、その被検面
(1a)からの反射光はその集光光学系によって、点
P’(点Pの鏡影像)を通る主光線LB2’の延長上の
被検面(1a)上の点Q’の共役点を中心とした位置で
広がるように結像する。その点Q’は図10(a)の点
Qとは間隔Δxだけずれているため、この間隔Δxのそ
の集光光学系の光軸に垂直な方向への射影成分が検出誤
差となる。そして、図10(b)において、たとえその
集光光学系がテレセントリックであっても、上述のよう
に、被検面(1a)が完全な鏡面ではなく2次光源とし
て作用するため、点Pと点Q’との間隔x’は小さくな
ってしまう。このテレセントリック性のずれ量は、被検
面(1a)とその投射光学系の光軸との交点からの距離
に応じて変わるので、このずれ量が誤差になる。つま
り、その投射光学系が被検面(1a)でテレセントリッ
クでないと、被検面(1a)上の計測点の位置によって
計測値が変化して、計測誤差が生じてしまうことにな
る。それに対して本発明では、被検面(1a)側でその
投射光学系をテレセントリックに構成し、且つその集光
光学系ではその投射光学系より大きな開口数で再結像し
ているため、計測誤差は生じない。
On the other hand, when the projection optical system (9, 10) is not telecentric as shown in FIG. 10 (b), the off-axis principal ray LA2 is not parallel to the optical axis, and the surface (1a) to be measured is indicated by a dotted line. When the light is displaced to the position (1a ') indicated by, the reflected light from the test surface (1a) is reflected by the light-converging optical system on the extension of the principal ray LB2' passing through the point P '(a mirror image of the point P). An image is formed so as to spread at a position centered on the conjugate point of the point Q ′ on the surface to be inspected (1a). Since the point Q ′ is shifted from the point Q in FIG. 10A by an interval Δx, a projected component of the interval Δx in a direction perpendicular to the optical axis of the condensing optical system becomes a detection error. In FIG. 10B, even if the condensing optical system is telecentric, as described above, the surface to be measured (1a) acts as a secondary light source instead of a perfect mirror surface. The distance x 'from the point Q' becomes small. The shift amount of the telecentricity changes according to the distance from the intersection between the surface to be measured (1a) and the optical axis of the projection optical system, and the shift amount becomes an error. That is, if the projection optical system is not telecentric on the test surface (1a), the measurement value changes depending on the position of the measurement point on the test surface (1a), and a measurement error occurs. On the other hand, in the present invention, the projection optical system is configured to be telecentric on the surface to be inspected (1a), and the focusing optical system re-images with a numerical aperture larger than that of the projection optical system. No error occurs.

【0012】また、例えば図9に示すように、A面上の
パターンをB面上に結像する光学系に関して、それらA
面とB面とがシャインプルーフの条件を満たすとは、こ
の光学系のメリジオナル断面内において、そのA面の延
長線とその光学系の物側主平面との交点をH、そのB面
の延長線とその光学系の像側主平面との交点をH’とし
た場合、交点Hから光軸までの距離Lと交点H’から光
軸までの距離L’とが等しいことを意味する。シャイン
プルーフの条件が満たされているときには、所謂アオリ
の結像関係が成立し、そのA面上の任意の点から射出さ
れた光は、それぞれB面上の対応する1点に収束する。
従って、そのA面上の全面の点の像がそのB面上に形成
される。
For example, as shown in FIG. 9, with respect to an optical system that forms a pattern on the surface A on the surface B,
The condition that the surface and the surface B satisfy the Scheimpflug condition means that, in the meridional section of this optical system, the intersection point between the extension line of the surface A and the object-side principal plane of the optical system is H, and the extension of the surface B is If the intersection of the line and the image-side principal plane of the optical system is H ', it means that the distance L from the intersection H to the optical axis is equal to the distance L' from the intersection H 'to the optical axis. When the Scheimpflug condition is satisfied, a so-called tilt image formation relationship is established, and light emitted from any point on the A surface converges to a corresponding point on the B surface.
Therefore, an image of the entire point on the surface A is formed on the surface B.

【0013】本発明の面位置検出装置では、その第1面
と被検面(1a)とがアオリの結像関係を満たし、且つ
被検面(1a)とその第2面とがアオリの結像関係を満
たしているので、被検面(1a)の全面の各点の像がそ
の第2面上に結像される。この場合、その投射光学系が
被検面(1a)に対して斜め方向から所定パターンの像
を投射しているので、被検面(1a)に部分的に凹凸が
存在すると、その第2面上の像は、その凹凸に対応した
変位(歪み)を生ずる。そして、この変位を例えば特開
昭56−42205号公報に開示されている光電顕微鏡
の原理によって検出すれば、被検面(1a)の上下方向
の位置情報を得ることができる。この光電顕微鏡の原理
を簡略に説明する。先ず、走査手段(30,31)によ
って、検出器(17)の受光面とその第2面上の像とを
相対的に走査させ、その受光面上で変調光を光電検出す
る。そして、走査の周期を基準として検出された光電信
号を同期検波すると、被検面(1a)の位置ずれ量に相
当する検波出力を得ることができる。
In the surface position detecting device of the present invention, the first surface and the surface to be inspected (1a) satisfy the image forming relationship of tilt, and the surface to be inspected (1a) and the second surface thereof form a tilt image. Since the image relationship is satisfied, an image of each point on the entire surface of the test surface (1a) is formed on the second surface. In this case, since the projection optical system projects an image of a predetermined pattern from the oblique direction to the surface to be inspected (1a), if the surface to be inspected (1a) partially has irregularities, the second surface The upper image produces a displacement (distortion) corresponding to the unevenness. If this displacement is detected by, for example, the principle of a photoelectric microscope disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 56-42205, it is possible to obtain vertical position information of the test surface (1a). The principle of the photoelectric microscope will be briefly described. First, the light receiving surface of the detector (17) and the image on the second surface are relatively scanned by the scanning means (30, 31), and the modulated light is photoelectrically detected on the light receiving surface. Then, when the photoelectric signal detected based on the scanning cycle is synchronously detected, a detection output corresponding to the amount of displacement of the surface to be detected (1a) can be obtained.

【0014】更に、被検面(1a)とその第2面とがア
オリの結像関係にあるので、面同士の倍率関係に比べ
て、被検面(1a)の上下の変動によるその第2面上で
の像の横ずれ量が大きくなる。これについて定量的に説
明する。例えば、図1に示すように、被検面(1a)に
対する投射光学系(9,10)からの主光線の入射角を
θ、被検面(1a)の上下方向の変位量をz、被検面
(1a)のその第2面へのアオリの結像面に沿った結像
倍率をβ’とすると、その第2面上での横ずれ量y 1
次式で表すことができる。
Furthermore, the test surface (1a) and the second surface are
Compared to the magnification relationship between surfaces because of the
Then, on the second surface due to the vertical movement of the test surface (1a),
The lateral shift amount of the image of the image becomes large. This is quantitatively explained
I will tell. For example, as shown in FIG.
The incident angle of the principal ray from the projection optical system (9, 10)
θ, the amount of vertical displacement of the test surface (1a) is z, the test surface
(1a) imaging on the second surface along the tilt image plane
Assuming that the magnification is β ', the lateral displacement amount y on the second surface 1 Is
It can be expressed by the following equation.

【0015】 y1 =2・β’・tan θ・z (1) ところで、被検面(1a)とその第2面との光軸と垂直
な方向の倍率である横倍率をβとすると、シャインプル
ーフの条件から次の関係が成立する。 β’=(β2cos2 θ+β4sin2 θ)1/2 (2) 一方、像の横ずれは光軸と垂直な方向に検出しているの
で、検出される横ずれ量y2 は、次のようになる。
Y 1 = 2 · β ′ · tan θ · z (1) By the way, if the lateral magnification which is the magnification of the surface to be measured (1a) and its second surface in the direction perpendicular to the optical axis is β, The following relationship is established from the Scheimpflug condition. β ′ = (β 2 cos 2 θ + β 4 sin 2 θ) 1/2 (2) On the other hand, since the lateral displacement of the image is detected in a direction perpendicular to the optical axis, the detected lateral displacement y 2 is Become like

【0016】 y2 =2・β・sin θ・z (3) ここで、(1)式と(2)式とを比較すると、入射角θ
が大きい場合には、アオリの結像関係を満たした場合の
(1)式の横ずれ量y1 の方が大きい。簡単のため、β
=1とすると、(2)式よりβ’=1となり、横ずれ量
1 及びy2 は、それぞれtan θ及びsin θに比例す
る。例えば、θ=80°の場合、(1)式によればy1
=11.3zとなり、(3)式によればy2 =2.0z
となる。従って、アオリの結像関係を満たしている場合
の方が5.7倍も横ずれが大きくなり、被検面(1a)
の上下方向の変位に対する検出感度及び検出精度が改善
される。
Y 2 = 2 · β · sin θ · z (3) Here, when the expressions (1) and (2) are compared, the incident angle θ
Is the greater, the equation (1) is larger in the lateral deviation y 1 in the case that satisfies the imaging relationship of the tilt. For simplicity, β
If = 1, β ′ = 1 from equation (2), and the lateral displacement amounts y 1 and y 2 are proportional to tan θ and sin θ, respectively. For example, when θ = 80 °, according to equation (1), y 1
= 11.3z, and according to equation (3), y 2 = 2.0z
Becomes Therefore, the lateral displacement is larger by 5.7 times when the tilt relationship is satisfied, and the surface to be inspected (1a)
The detection sensitivity and the detection accuracy for the vertical displacement of are improved.

【0017】次に本発明では、その集光光学系から射出
される光束の光軸に対する傾斜角を小さくするためのア
オリ角補正光学系(25)をその第2面に設けることが
望ましい。即ち、本発明において、その投射光学系から
被検面(1a)への主光線の入射角θを大きくすると、
被検面(1a)の上下の変位に対する横ずれ量の変化の
割合が大きくなるので、更なる検出精度向上を図ること
ができる。しかしながら、入射角θが大きい場合には、
その第2面に入射する光束の入射角も大きくなる。この
とき、例えば検出器(17)の受光面をその第2面上に
配置すると、この受光面上での表面反射や光束のけられ
等が発生し、その受光面での受光量が著しく低下するこ
とがある。そこで、その第2面上にアオリ角補正光学系
(25)を配置して、その集光光学系の光軸を偏向させ
ることにより、その受光面に達する光束の入射角が小さ
くなるため、受光量の低下を招く恐れがない。
Next, in the present invention, it is desirable to provide a tilt angle correcting optical system (25) on the second surface for reducing the inclination angle of the light beam emitted from the condensing optical system with respect to the optical axis. That is, in the present invention, when the incident angle θ of the principal ray from the projection optical system to the test surface (1a) is increased,
Since the rate of change in the amount of lateral displacement with respect to the vertical displacement of the test surface (1a) increases, the detection accuracy can be further improved. However, when the incident angle θ is large,
The incident angle of the light beam incident on the second surface also increases. At this time, for example, if the light receiving surface of the detector (17) is arranged on the second surface, surface reflection on the light receiving surface, blurring of the light beam, etc. will occur, and the amount of light received on the light receiving surface will decrease significantly. May be. Therefore, the tilt angle correcting optical system (25) is arranged on the second surface, and the optical axis of the condensing optical system is deflected to reduce the incident angle of the light beam reaching the light receiving surface. There is no danger of reducing the volume.

【0018】また、そのアオリ角補正光学系はプリズム
体であることが望ましい。プリズム体は、例えばグレー
ティングに比べて分散が小さいため、検出光として広帯
域の光束を使用できる。広帯域の光束を使用すること
で、被検面(1a)にフォトレジストが塗布されている
ような場合に、薄膜干渉の影響等を軽減できる。
Preferably, the tilt angle correcting optical system is a prism. Since the prism body has a smaller dispersion than a grating, for example, a wide-band light beam can be used as detection light. By using a broadband light beam, the influence of thin-film interference and the like can be reduced when the surface to be inspected (1a) is coated with a photoresist.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明による面位置検出装
置の実施の形態の一例につき図1〜図8を参照して説明
する。本例は、ステッパー等の投影露光装置に備えられ
た斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ(AFセ
ンサ)に本発明を適用したものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a surface position detecting device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In the present embodiment, the present invention is applied to an oblique incidence type multi-point autofocus sensor (AF sensor) provided in a projection exposure apparatus such as a stepper.

【0020】図1は、本例の投影露光装置を示し、この
図1において、露光用の照明光学系40からの露光用の
照明光は、レチクルRのパターン面(下面)に形成され
た回路パターンを照明する。その照明光のもとで、レチ
クルR上のパターンの像が投影光学系5を介して、ウエ
ハ1の表面である被検面1a上の各ショット領域に投影
される。被検面1aにはフォトレジストが塗布され、ウ
エハ1はウエハホルダ2上に吸着保持され、ウエハホル
ダ2は、投影光学系5の光軸AX1方向に突没自在の3
個の支点を介してウエハステージ3上に載置されてい
る。
FIG. 1 shows a projection exposure apparatus of the present embodiment. In FIG. 1, illumination light for exposure from an illumination optical system 40 for exposure is a circuit formed on a pattern surface (lower surface) of a reticle R. Light the pattern. Under the illumination light, an image of the pattern on the reticle R is projected via the projection optical system 5 onto each shot area on the test surface 1a, which is the surface of the wafer 1. A photoresist is applied to the surface 1a to be inspected, the wafer 1 is held by suction on a wafer holder 2, and the wafer holder 2 is movable in the direction of the optical axis AX1 of the projection optical system 5.
It is mounted on the wafer stage 3 via the fulcrums.

【0021】それら3個の支点を並行に突没させること
でウエハホルダ2(ウエハ1)をその光軸AX1に沿っ
た方向(フォーカシング方向)に移動させることがで
き、それら3個の支点を独立に突没させることでウエハ
ホルダ2を2次元的に傾斜させる(レベリングを行う)
ことができると共に、ウエハホルダ2の微小回転もでき
るように構成されている。また、ウエハステージ3は、
光軸AX1に垂直な平面内でウエハホルダ2(ウエハ
1)の位置決めを行い、ウエハ1上の或るショット領域
への露光が終了すると、ウエハステージ3の駆動によっ
てステップ・アンド・リピート方式でウエハ1上の次の
ショット領域が投影光学系5の露光領域に設定される。
ウエハステージ3、及び3個の支点の動作は駆動部4に
よって制御される。
The wafer holder 2 (wafer 1) can be moved in the direction (focusing direction) along the optical axis AX1 by projecting and retracting these three fulcrums in parallel. The wafer holder 2 is two-dimensionally inclined by protruding and retracting (performing leveling).
In addition, the wafer holder 2 can be rotated slightly. In addition, the wafer stage 3
When the wafer holder 2 (wafer 1) is positioned in a plane perpendicular to the optical axis AX1, and exposure to a certain shot area on the wafer 1 is completed, the wafer stage 3 is driven to drive the wafer 1 in a step-and-repeat manner. The next upper shot area is set as the exposure area of the projection optical system 5.
The operation of the wafer stage 3 and the three fulcrums is controlled by the drive unit 4.

【0022】ここで、ウエハ1の被検面1a上にレチク
ルR上の回路パターンの像を良好に転写するためには、
露光対象の各ショット領域毎に、投影光学系5による結
像面に対する焦点深度の幅内に、その被検面1aの現在
の露光領域を収める必要がある。このためには、被検面
1aの現在の露光領域上の各点の投影光学系5の光軸A
X1方向の位置(フォーカス位置)を正確に検出した後
に、被検面1aが投影光学系5の結像面に対して焦点深
度の幅内に収まるように、ウエハホルダ2(ウエハ1)
のレベリング、及びフォーカシング方向への移動を行え
ばよい。
Here, in order to satisfactorily transfer the image of the circuit pattern on the reticle R onto the test surface 1a of the wafer 1,
For each shot area to be exposed, it is necessary to fit the current exposure area of the test surface 1a within the range of the depth of focus of the projection optical system 5 with respect to the imaging plane. For this purpose, the optical axis A of the projection optical system 5 at each point on the current exposure area of the test surface 1a is
After accurately detecting the position in X1 direction (focus position), the wafer holder 2 (wafer 1) is set so that the surface to be inspected 1a falls within the range of the depth of focus with respect to the imaging plane of the projection optical system 5.
Leveling and movement in the focusing direction may be performed.

【0023】そのため、本例の投影露光装置には、被検
面1aの現在の露光領域のフォーカス位置、及び傾斜角
を検出するための多点のAFセンサが備えられている。
図1のAFセンサにおいて、波長幅の広い白色光を供給
する光源6からの照明光は、コンデンサーレンズ7によ
って、略平行光束に変換されて、偏向プリズム26に入
射する。この偏向プリズム26は、コンデンサーレンズ
7からの略平行光束を屈折させることで偏向させる。そ
して、この偏向プリズム26の射出側には、図1の紙面
に垂直な方向に延びた複数の縞パターンが形成された透
過型格子パターン板8が設けられている。即ち、透過型
格子パターン板8のウエハ側の格子パターン形成面8a
には、透過部と遮光部とを交互に所定ピッチで配列した
透過型格子パターンが形成されている。
For this purpose, the projection exposure apparatus of this embodiment is provided with a multipoint AF sensor for detecting the focus position and the tilt angle of the current exposure area on the surface 1a to be inspected.
In the AF sensor of FIG. 1, illumination light from a light source 6 that supplies white light having a wide wavelength width is converted into a substantially parallel light beam by a condenser lens 7 and then enters a deflection prism 26. The deflecting prism 26 deflects the substantially parallel light beam from the condenser lens 7 by refracting it. On the exit side of the deflecting prism 26, there is provided a transmission type lattice pattern plate 8 on which a plurality of stripe patterns extending in a direction perpendicular to the plane of FIG. 1 are formed. That is, the lattice pattern forming surface 8a on the wafer side of the transmission type lattice pattern plate 8
Is formed with a transmission type lattice pattern in which transmission portions and light shielding portions are alternately arranged at a predetermined pitch.

【0024】なお、透過型格子パターンの代わりに、凹
凸形状の反射型回折格子を使用してもよく、更には、反
射部と無反射部とが交互に形成された反射格子パターン
を使用してもよい。本例では、ウエハ1の表面(被検面
1a)は、一般的にフォトレジスト等の薄膜で覆われて
いるので、この薄膜による干渉の影響を低減するため
に、光源6は、波長幅の広い光を発生する白色光源であ
ることが望ましい。なお、光源6としては、フォトレジ
ストに対する感光性の弱い波長帯の光を供給する発光ダ
イオード等を使用してもよい。そして、偏向プリズム2
6を経て格子パターン形成面8aに達した照明光は、こ
の格子パターン形成面8aを透過した後、投影光学系5
の光軸AX1に対して角度θで交差する光軸AX2に沿
って配置された、集光レンズ9及び投射用対物レンズ1
0よりなる投射光学系9,10に入射する。この投射光
学系9,10は、格子パターン形成面8aとウエハ1の
被検面1aとを共役な配置にする。そして、被検面1a
が投影光学系5の結像面に合致している状態で、格子パ
ターン形成面8aと被検面1aとは、この投射光学系
9,10に関してシャインプルーフの条件を満たすよう
に配置されている。このため、格子パターン形成面8a
の格子パターンの像は、被検面1aの全面にわたって正
確に結像する。
Instead of the transmission type grating pattern, a reflection type diffraction grating having an uneven shape may be used. Further, a reflection grating pattern in which reflection portions and non-reflection portions are alternately formed is used. Is also good. In this example, since the surface of the wafer 1 (the surface 1a to be inspected) is generally covered with a thin film such as a photoresist, in order to reduce the influence of interference caused by the thin film, the light source 6 has a wavelength width. It is desirable to use a white light source that generates a wide light. In addition, as the light source 6, a light emitting diode or the like that supplies light in a wavelength band having a low photosensitivity to the photoresist may be used. And the deflection prism 2
The illumination light that has reached the grating pattern forming surface 8a after passing through the grating pattern forming surface 8a passes through the projection optical system 5a.
Condenser lens 9 and projection objective lens 1 disposed along an optical axis AX2 that intersects the optical axis AX1 at an angle θ.
The light enters the projection optical systems 9 and 10 consisting of 0. The projection optical systems 9 and 10 arrange the lattice pattern forming surface 8a and the test surface 1a of the wafer 1 in a conjugate arrangement. Then, the test surface 1a
Is coincident with the image forming plane of the projection optical system 5, and the grating pattern forming surface 8a and the test surface 1a are arranged so as to satisfy the Scheimpflug condition with respect to the projection optical systems 9 and 10. . Therefore, the lattice pattern forming surface 8a
Is accurately formed over the entire surface 1a to be inspected.

【0025】また、本例の投射光学系9,10の投射光
学系10の物体側の焦点面に開口絞りとしてのテレセン
トリック絞り100が配置されている。また、本例では
投射光学系10の物体型の焦点面は集光レンズ9の像側
の焦点面ともなっている。従って、図2に光路を点線で
示すように、集光レンズ9と投射用対物レンズ10とで
構成される投射光学系9,10は、所謂両側テレセント
リック光学系であり、格子パターン形成面8aと被検面
1a上の共役点とは、全面にわたってそれぞれ同倍率で
ある。この場合、格子パターン形成面8aに図1の紙面
に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子パターンが
形成されているので、被検面1a上に形成される像は、
図1の紙面に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子
パターン像となる。
Further, a telecentric stop 100 as an aperture stop is arranged on the object side focal plane of the projection optical system 10 of the projection optical systems 9 and 10 of this embodiment. In this example, the object-type focal plane of the projection optical system 10 is also the image-side focal plane of the condenser lens 9. Therefore, as shown by a dotted line in FIG. 2, the projection optical systems 9 and 10 composed of the condenser lens 9 and the projection objective lens 10 are so-called double-sided telecentric optical systems, and have a grid pattern forming surface 8a and The conjugate point on the test surface 1a has the same magnification over the entire surface. In this case, since the grid patterns at equal intervals having the longitudinal direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 are formed on the grid pattern forming surface 8a, the image formed on the test surface 1a is:
The grid pattern image is an evenly spaced grid pattern whose longitudinal direction is perpendicular to the paper surface of FIG.

【0026】なお、投射光学系9,10は少なくとも被
検面1a側でテレセントリックであればよく、格子パタ
ーン形成面8a側では必ずしもテレセントリックである
必要はない。但し、投射光学系9,10を格子パターン
形成面8a側でもテレセントリックとすることによっ
て、格子パターン形成面8a上で光軸からずれた位置に
ある格子パターンと、対応する被検面1a上の格子パタ
ーン像との間の倍率の変化が生じないため、調整上都合
が良い。即ち、後述のように本例では被検面1a上の複
数の検出点でそれぞれ格子パターン像の横ずれ量からフ
ォーカス位置の変化量が求められるが、投射光学系9,
10を格子パターン形成面8a側でもテレセントリック
とすることによって、その横ずれ量とフォーカス位置と
の関係が全部の検出点で同じになる。
The projection optical systems 9 and 10 need only be telecentric at least on the surface 1a to be detected, and need not be telecentric on the grating pattern forming surface 8a. However, by making the projection optical systems 9 and 10 telecentric also on the grating pattern forming surface 8a side, the grating patterns at positions deviated from the optical axis on the grating pattern forming surface 8a and the corresponding gratings on the test surface 1a Since there is no change in magnification with the pattern image, it is convenient for adjustment. That is, as described later, in this example, the change amount of the focus position is obtained from the lateral shift amount of the grid pattern image at each of a plurality of detection points on the test surface 1a.
By making 10 the telecentric also on the side of the lattice pattern forming surface 8a, the relationship between the lateral shift amount and the focus position becomes the same at all the detection points.

【0027】図1に戻り、被検面1aに投射された照明
光は、この被検面1aで反射されて、受光用対物レンズ
11と集光レンズ12とで構成された集光光学系11,
12を介して、アオリ補正プリズム25の入射面25a
に格子パターン像を再形成する。この集光光学系11,
12の入射側の光軸AX31 は、投影光学系5の光軸A
X1に関して、投射光学系9,10の光軸AX2と線対
称になるように設けられている。また、被検面1aと入
射面25aとの間の光路中には、走査手段としての振動
ミラー30が設けられており、光軸AX31 に沿って受
光用対物レンズ11に入射した照明光は、振動ミラー3
0を介して、光軸AX32 に沿って集光レンズ12に達
する。本例では、振動ミラー30が集光光学系11,1
2の略瞳面(被検面1aに対する光学系フーリエ変換
面)に配置されているが、この振動ミラー30は、被検
面1aと入射面25a(更には後述の光電検出器17の
受光面17a)との間の光路中であればどこに配置して
もよい。
Returning to FIG. 1, the illumination light projected on the test surface 1a is reflected by the test surface 1a, and is condensed optical system 11 comprising a light receiving objective lens 11 and a condensing lens 12. ,
12, the incident surface 25a of the tilt correction prism 25
To form a grid pattern image again. This condensing optical system 11,
Optical axis AX3 1 on the incident side of 12, the optical axis A of the projection optical system 5
X1 is provided to be line-symmetric with the optical axis AX2 of the projection optical systems 9 and 10. Further, in the optical path between the incident surface 25a and the test surface 1a, the vibrating mirror 30 is provided as a scanning unit, the illumination light entering the light-receiving objective lens 11 along the optical axis AX3 1 is , Vibrating mirror 3
Through 0, it reaches the condenser lens 12 along the optical axis AX3 2. In this example, the vibrating mirror 30 includes the focusing optical systems 11 and 1.
2 is disposed on a substantially pupil plane (an optical Fourier transform plane with respect to the test surface 1a), and the vibrating mirror 30 includes the test surface 1a and the incident surface 25a (further, a light receiving surface of a photoelectric detector 17 described later). 17a) may be placed anywhere in the optical path.

【0028】そして、被検面1aが投影光学系5の結像
面と合致しているときには、集光光学系11,12に関
して被検面1aと共役な面上にアオリ補正プリズム25
の入射面25aが位置するように配置されている。この
とき、被検面1aからの反射光は、アオリ補正プリズム
25の入射面25a上に集光して格子パターン像を形成
する。この入射面25aには、遮光手段としての受光ス
リットSが設けられている。
When the test surface 1a coincides with the image forming surface of the projection optical system 5, the tilt correction prism 25 is placed on a surface conjugate with the test surface 1a with respect to the condensing optical systems 11 and 12.
Are arranged so that the light incident surface 25a is located. At this time, the reflected light from the test surface 1a is condensed on the incident surface 25a of the tilt correction prism 25 to form a lattice pattern image. A light receiving slit S as a light blocking means is provided on the incident surface 25a.

【0029】図3は受光スリットSを示し、この図3に
示すように、受光スリットSは例えば5箇所の開口部S
a1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5(以下、「Sa
1〜Sa5」と略記する)を有するように構成されてお
り、集光光学系11,12を介した被検面1aからの反
射光は、受光スリットSの開口部Sa1〜Sa5をそれ
ぞれ通過して、図1のアオリ補正プリズム25に入射す
る。この受光スリットSの開口部Sa1〜Sa5の数が
被検面1a上におけるフォーカス位置の検出点に対応す
る。
FIG. 3 shows the light receiving slit S. As shown in FIG. 3, the light receiving slit S has five openings S, for example.
a1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5 (hereinafter, "Sa
1 to Sa5), and the reflected light from the test surface 1a via the condensing optical systems 11 and 12 passes through the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S, respectively. Then, the light enters the tilt correction prism 25 shown in FIG. The number of the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S corresponds to the detection point of the focus position on the test surface 1a.

【0030】図4は、被検面1aに格子パターン形成面
8aの像80aが投射されている状態を示し、この図4
において、被検面1a上の検出点(検出領域)Da1,
Da2,Da3,Da4,Da5(以下、「Da1〜D
a5」と略記する)は、図3の受光スリットSの5箇所
の開口部Sa1〜Sa5に対応する。そして、それら複
数の検出点Da1〜Da5でのフォーカス位置が検出さ
れる。このため、被検面1a上での検出点の数を増やし
たいときには、受光スリットSの開口部Sa1〜Sa5
の数を増やせばよいだけであるので、検出点の個数を増
やしても構成の複雑化を招くことがない。
FIG. 4 shows a state where an image 80a of the lattice pattern forming surface 8a is projected on the surface 1a to be inspected.
, A detection point (detection area) Da1 on the surface 1a to be detected
Da2, Da3, Da4, Da5 (hereinafter, "Da1 to D
a5 ") correspond to the five openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S in FIG. Then, the focus positions at the plurality of detection points Da1 to Da5 are detected. Therefore, when it is desired to increase the number of detection points on the test surface 1a, the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S are required.
Since only the number of detection points needs to be increased, an increase in the number of detection points does not complicate the configuration.

【0031】更に、図1において、ウエハ1上の被検面
1aが投影光学系5の結像面に合致している状態で、被
検面1aとアオリ補正プリズム25の入射面25aと
は、集光光学系11,12に関して、シャインプルーフ
の条件を満たすように配置されている。従って、被検面
1aと結像面とが合致している状態においては、入射面
25aの全面にわたって、被検面1a上の格子パターン
の像80aが正確に再結像する。
Further, in FIG. 1, when the surface 1a to be inspected on the wafer 1 coincides with the image forming surface of the projection optical system 5, the surface 1a to be inspected and the incident surface 25a of the tilt correction prism 25 are Condensing optical systems 11 and 12 are arranged to satisfy the Scheimpflug condition. Therefore, when the test surface 1a and the imaging surface match, the image 80a of the lattice pattern on the test surface 1a is accurately re-imaged over the entire incident surface 25a.

【0032】また、本例では集光光学系11,12中に
はこの集光光学系をテレセントリックにするための絞り
は配置されてないが、集光光学系11,12の開口数は
投射光学系9,10の開口数より大きくなるように構成
されている。一例として、投射光学系9,10の開口数
を0.04程度とすると、集光光学系11,12の開口
数は0.05程度に設定される。そして、投射光学系
9,10からの照明光の主光線の集光光学系11,12
内での光路は、図2の点線で示すようになる。
In this embodiment, no stop is provided in the converging optical systems 11 and 12 for making the converging optical systems telecentric. However, the numerical aperture of the converging optical systems 11 and 12 is different from that of the projection optical system. It is configured to be larger than the numerical aperture of the systems 9, 10. As an example, assuming that the numerical apertures of the projection optical systems 9 and 10 are about 0.04, the numerical apertures of the condensing optical systems 11 and 12 are set to about 0.05. Then, the condensing optical systems 11 and 12 for the principal rays of the illumination light from the projection optical systems 9 and 10
The optical path in the inside is as shown by the dotted line in FIG.

【0033】即ち、図2の集光光学系11,12におい
て、被検面1aからの照明光の主光線の交差位置の付近
に振動ミラー30が配置されているが、その交差位置に
開口絞りが無い。しかしながら、集光光学系11,12
の開口数が投射光学系9,10の開口数より大きく、且
つウエハ1の被検面1aはほぼ鏡面とみなせるため、集
光光学系11,12は被検面1a側で実質的にテレセン
トリックとみなせるようになって、被検面1aが光軸A
X1の方向に変位しても、そのフォーカス位置を正確に
検出できる。
That is, in the condenser optical systems 11 and 12 shown in FIG. 2, the vibrating mirror 30 is arranged near the intersection of the principal rays of the illumination light from the surface 1a to be inspected, and the aperture stop is located at the intersection. There is no. However, the condensing optical systems 11 and 12
Are larger than the numerical apertures of the projection optical systems 9 and 10, and the test surface 1a of the wafer 1 can be regarded as almost a mirror surface, so that the condensing optical systems 11 and 12 are substantially telecentric on the test surface 1a side. It can be considered that the surface 1a to be inspected has the optical axis A
Even when displaced in the direction of X1, the focus position can be accurately detected.

【0034】また、本例の集光光学系11,12ではテ
レセントリック絞りは配置されていないが、受光用対物
レンズ11の像側焦点と集光レンズ12の物側焦点とが
合致するように構成されている。従って、集光光学系1
1,12は実質的に両側テレセントリックとみなせるた
め、被検面1a上の各点とアオリ補正プリズム25の入
射面25a上の共役点とは、全面でほぼ同倍率である。
従って、被検面1aが投影光学系5の結像面に合致して
いる状態では、受光スリットS上に投影される像も図1
の紙面に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子状の
パターンとなる。
Further, in the condensing optical systems 11 and 12 of this embodiment, no telecentric diaphragm is provided, but the image-side focal point of the light-receiving objective lens 11 and the object-side focal point of the condenser lens 12 match. Have been. Therefore, the condensing optical system 1
Since points 1 and 12 can be substantially regarded as telecentric on both sides, each point on the test surface 1a and a conjugate point on the incident surface 25a of the tilt correction prism 25 have substantially the same magnification over the entire surface.
Therefore, when the surface 1a to be inspected coincides with the imaging plane of the projection optical system 5, the image projected on the light receiving slit S is also shown in FIG.
Is a grid-like pattern at equal intervals with the longitudinal direction perpendicular to the plane of the drawing.

【0035】即ち、本例において、被検面1aと投影光
学系5の結像面とが合致している状態では、格子パター
ン形成面8a、被検面1a、及びアオリ補正プリズム2
5の入射面25aは、各々シャインプルーフの条件を満
たす関係にあり、しかも各面とも全面にわたってそれぞ
れ倍率がほぼ等しい。次に、被検面1aの光軸AX1方
向の変位がzであるときのアオリ補正プリズム25の入
射面25aにおける格子パターン像の横ずれ量yを求め
る。ここで、被検面1aに対する入射光の主光線の入射
角をθ、集光光学系11,12の横倍率をβ、被検面1
aからアオリ補正プリズム25の入射面25aへのアオ
リの結像面に沿った倍率をβ’とすると、前述の(1)
式、(2)式より、横ずれ量yは、次のようになる。
That is, in this embodiment, when the surface 1a to be inspected and the image forming surface of the projection optical system 5 coincide with each other, the lattice pattern forming surface 8a, the surface 1a to be inspected, and the tilt correction prism 2
The five incident surfaces 25a satisfy the Scheimpflug condition, and each surface has substantially the same magnification over the entire surface. Next, the lateral displacement y of the grating pattern image on the entrance surface 25a of the tilt correction prism 25 when the displacement of the test surface 1a in the direction of the optical axis AX1 is z is obtained. Here, the incident angle of the chief ray of the incident light on the surface 1a to be inspected is θ, the lateral magnification of the condensing optical systems 11 and 12 is β, and the surface 1
Assuming that the magnification along the image plane of the tilt from the lens a to the incident surface 25a of the tilt correction prism 25 is β ′, the above-mentioned (1)
From equation (2), the lateral shift amount y is as follows.

【0036】 y=2・β’・tan θ・z =2(β2 sin2θ+β4 sin4θ/cos2θ)1/2・z (4) 即ち、被検面1aに投射する格子パターンの結像光束の
入射角θを大きくすれば、横ずれ量yも大きくなり、よ
り高精度な面位置の検出が可能となる。ところで、投射
光学系9,10及び集光光学系11,12は、それぞれ
シャインプルーフの条件を満足している。従って、透過
型格子パターン板8の法線と反射光とがなす角度をγ、
アオリ補正プリズム25における入射光とその法線とが
なす角度をα(この角度αは、アオリ補正プリズム25
の入射面25aへの主光線の入射角に等しい)、投射光
学系9,10の横倍率をβ4 、集光光学系11,12の
横倍率をβとすると、次の関係が成り立っている。
Y = 2 · β ′ · tan θ · z = 2 (β 2 sin 2 θ + β 4 sin 4 θ / cos 2 θ) 1/2 · z (4) That is, a lattice pattern projected on the surface 1a to be measured If the incident angle θ of the imaging light beam is increased, the lateral shift amount y also increases, and it becomes possible to detect the surface position with higher accuracy. Incidentally, the projection optical systems 9 and 10 and the condensing optical systems 11 and 12 each satisfy the Scheimpflug condition. Therefore, the angle between the normal of the transmission grating pattern plate 8 and the reflected light is γ,
The angle between the incident light and the normal to the tilt correction prism 25 is α (this angle α is the tilt correction prism 25
), The lateral magnification of the projection optical systems 9 and 10 is β 4 , and the lateral magnification of the condensing optical systems 11 and 12 is β, the following relationship holds. .

【0037】 tan γ=β4 ・tan θ (5) tan α=β・tan θ (6) ところで、入射面25a上に直接後述の光電検出器の受
光面を配置した場合には、被検面1aに対する入射角θ
が大きいと、その受光面に対する光束の入射角も大きく
なる。例えば、入射面25aにシリコン・フォト・ダイ
オードSPDの受光面を配置した場合に、シリコン・フ
ォト・ダイオードSPDへの光束の入射角が大きいと、
このシリコン・フォト・ダイオードSPDにおける表面
反射が大きくなると共に、光束のけられが生じて、受光
量が著しく低下する恐れがある。
Tan γ = β 4 · tan θ (5) tan α = β · tan θ (6) By the way, when a light receiving surface of a photoelectric detector described later is directly disposed on the incident surface 25a, the surface to be detected is Incident angle θ for 1a
Is large, the angle of incidence of the light beam on the light receiving surface also increases. For example, when the light receiving surface of the silicon photodiode SPD is arranged on the incident surface 25a and the incident angle of the light beam on the silicon photodiode SPD is large,
The surface reflection at the silicon photodiode SPD increases, and the luminous flux is disturbed, so that the amount of received light may be significantly reduced.

【0038】本例においては、このような受光量の低下
を避けるために、図1に示す如く、入射面25aに偏向
光学系としてのアオリ補正プリズム25を配置して、集
光光学系11,12から射出される光束を偏向させてい
る。このアオリ補正プリズム25は、図5の断面図に示
すように、所定の頂角ξを有し、この頂角ξは、このア
オリ補正プリズム25によって屈折された射出光線L2
がアオリ補正プリズム25の射出面25bの法線と略平
行となるように定められている。
In this embodiment, in order to avoid such a decrease in the amount of received light, as shown in FIG. 1, a tilt correction prism 25 as a deflecting optical system is arranged on the incident surface 25a, and the condensing optical system 11, The light emitted from the light source 12 is deflected. The tilt correction prism 25 has a predetermined apex angle ξ, as shown in the cross-sectional view of FIG.
Are determined to be substantially parallel to the normal to the exit surface 25b of the tilt correction prism 25.

【0039】図1において、アオリ補正プリズム25の
射出側には、平面鏡15、リレーレンズ14、リレーレ
ンズ16で構成されるリレー光学系14〜16が配置さ
れている。アオリ補正プリズム25に入射した光束は、
このアオリ補正プリズム25による屈折作用を受けた後
に、平面鏡15へ導かれる。この平面鏡15で反射され
た光束は、リレー光学系14〜16により、光電検出器
17の受光面17a上に収束され、受光面17aに格子
パターン像が形成される。即ち、このリレー光学系14
〜16は、アオリ補正プリズム25の入射面25a上に
形成される格子パターン像の更なる共役像を受光面17
a上に形成する。
In FIG. 1, on the exit side of the tilt correction prism 25, relay optical systems 14 to 16 including a plane mirror 15, a relay lens 14, and a relay lens 16 are arranged. The light beam incident on the tilt correction prism 25 is
After being subjected to the refraction action by the tilt correction prism 25, it is guided to the plane mirror 15. The light beam reflected by the plane mirror 15 is converged on the light receiving surface 17a of the photoelectric detector 17 by the relay optical systems 14 to 16, and a lattice pattern image is formed on the light receiving surface 17a. That is, the relay optical system 14
16 is a light receiving surface 17 for further conjugate images of the lattice pattern image formed on the incident surface 25a of the tilt correction prism 25.
a.

【0040】ここで、アオリ補正プリズム25の作用に
つき図5を参照して説明する。図5において、図1の集
光光学系11,12の射出側の光軸AX32 に平行な光
束をL1とすると、図1よりアオリ補正プリズム25に
対する光束L1の入射角はαとなる。図5において、ア
オリ補正プリズム25の屈折率をnとして、屈折角をξ
とすると、次式が成立する。
Here, the operation of the tilt correction prism 25 will be described with reference to FIG. 5, when a light beam parallel to the optical axis AX3 2 on the exit side of the converging optical system 11, 12 in FIG. 1 and L1, the incident angle of the light beam L1 with respect to the tilt correction prism 25 from FIG. 1 becomes alpha. In FIG. 5, the refractive angle of the tilt correction prism 25 is n, and the refraction angle is ξ.
Then, the following equation is established.

【0041】 ξ=sin-1(sin α/n) (7) そして、本例では、アオリ補正プリズム25の頂角は、
その屈折角と同じくξに設定されている。これにより、
アオリ補正プリズム25の射出面25bから射出される
光束L2は、その射出面25bに垂直になり、リレー光
学系14〜16の入射側の光軸AX41 もその射出面2
5bに垂直になる。
Ξ = sin −1 (sin α / n) (7) In this example, the apex angle of the tilt correction prism 25 is
The angle of refraction is set to ξ. This allows
The light beam is emitted from the exit surface 25b of the tilt correction prism 25 L2 becomes perpendicular to the exit surface 25b, the incident side of the optical axis AX4 1 also its exit surface 2 of the relay optical system 14 to 16
5b.

【0042】このとき、アオリ補正プリズム25へ入射
する光束L1に対して射出する光束L2のなす角度は、
アオリ補正プリズム25の屈折率nを用いて、頂角ξが
小さいとすると、(sin-1(nsin ξ)−ξ)となる。こ
の角度は、集光光学系11,12を介してアオリ補正プ
リズム25に入射する光束L1と入射面25aとがなす
角度αに比べてかなり小さくなる。
At this time, the angle between the light beam L2 entering the tilt correction prism 25 and the light beam L2 exiting is
If the apex angle 小 さ い is small using the refractive index n of the tilt correction prism 25, then (sin −1 (nsin ξ) −ξ). This angle is considerably smaller than the angle α formed between the light beam L1 incident on the tilt correction prism 25 via the condenser optical systems 11 and 12 and the incident surface 25a.

【0043】また、アオリ補正プリズム25のガラスに
よる像の浮き上がりを考慮すると、その射出される光束
L2に垂直な平面に対する被検面1aのリレーされた像
面の傾きであるアオリ角ρは、次式で示される。 ρ=tan-1(tan ξ/n) (8) いま、リレー光学系14〜16の倍率を1とすると、こ
のアオリ角ρがそのまま、光電検出器17の受光面17
aと、リレー光学系14〜16の射出側の光軸AX42
に垂直な面とのなす角度、即ち受光面17aに対する主
光線の入射角となる。
Considering the floating of the image by the glass of the tilt correction prism 25, the tilt angle ρ, which is the inclination of the relayed image plane of the test surface 1a with respect to the plane perpendicular to the emitted light beam L2, is It is shown by the formula. ρ = tan −1 (tan ξ / n) (8) Now, assuming that the magnification of the relay optical systems 14 to 16 is 1, the tilt angle ρ is directly used as the light receiving surface 17 of the photoelectric detector 17.
and a, the optical axis AX4 of the exit side of the relay optical system 14 to 16 2
, That is, the angle of incidence of the principal ray on the light receiving surface 17a.

【0044】例えば、アオリ補正プリズム25の屈折率
n=1.8、入射角α=80.1゜とすると、アオリ角
ρ=20.0゜となり、アオリ角は0゜に近づいてい
る。ここで、受光面17aへの光束の入射角も20.0
゜であるが、この程度であれば、受光量の低下は、殆ど
無いとみなすことができる。このように、本例において
は、偏向光学系としてアオリ補正プリズム25を用い
て、受光面17aに入射する光束の入射角が小さくなる
ため、この受光面17a上に配置された光電検出器での
受光量の低下を防止できる。
For example, when the refractive index n of the tilt correction prism 25 is 1.8 and the incident angle α is 80.1 °, the tilt angle ρ is 20.0 °, and the tilt angle approaches 0 °. Here, the angle of incidence of the light beam on the light receiving surface 17a is also 20.0.
However, with this degree, it can be considered that there is almost no decrease in the amount of received light. As described above, in this example, the tilt angle correction prism 25 is used as the deflection optical system, and the incident angle of the light beam incident on the light receiving surface 17a is reduced. A decrease in the amount of received light can be prevented.

【0045】なお、アオリ補正プリズム25の入射面2
5aと光電検出器17の受光面17aとは、リレー光学
系14〜16に関してシャインプルーフの条件を満足す
ることが望ましい。更に、リレー光学系14〜16の開
口数も投射光学系9,10の開口数より大きくなるよう
に設定されているため、被検面1aから受光面17aに
至る間の集光光学系11,12、及びリレー光学系14
〜16よりなる光学系の開口数は投射光学系9,10の
開口数より大きく設定されている。これによって、リレ
ー光学系14〜16中にもテレセントリック絞りのよう
な開口絞りを設けることなく、被検面1aの位置が変化
しても正確に位置検出が行われる。従って、光学系の設
計の自由度が増して、光学系の調整も容易になってい
る。また、本例では格子パターン形成面8aと受光面2
5aとの間に設けられている開口絞りは1つのテレセン
トリック絞り100のみであるため、光量損失が少ない
利点もある。
The incident surface 2 of the tilt correction prism 25
It is desirable that 5a and the light receiving surface 17a of the photoelectric detector 17 satisfy the Scheimpflug condition with respect to the relay optical systems 14 to 16. Further, since the numerical apertures of the relay optical systems 14 to 16 are also set to be larger than the numerical apertures of the projection optical systems 9 and 10, the condensing optical systems 11 and 16 extending from the test surface 1a to the light receiving surface 17a. 12 and relay optical system 14
The numerical aperture of the optical system consisting of .about.16 is set to be larger than the numerical aperture of the projection optical systems 9, 10. As a result, even if the position of the test surface 1a changes, the position can be accurately detected without providing an aperture stop such as a telecentric stop in the relay optical systems 14 to 16. Therefore, the degree of freedom in designing the optical system is increased, and the adjustment of the optical system is facilitated. In this example, the grating pattern forming surface 8a and the light receiving surface 2
Since only one telecentric aperture 100 is provided between the aperture stop 5a and the aperture 5a, there is an advantage that the loss of light amount is small.

【0046】ところで、本例のように光源6からの照明
光の波長帯が広い場合には、偏向光学系としてアオリ補
正プリズム25のようなプリズムを用いることが望まし
い。それに対して、偏向光学系として例えば回折格子を
用いた場合には、プリズムを用いた場合に比べて偏向さ
れた光束の分散が大きくなり、リレー光学系14〜16
の開口数を大きくする必要があるため、好ましくない。
When the wavelength band of the illumination light from the light source 6 is wide as in this embodiment, it is desirable to use a prism such as the tilt correction prism 25 as the deflection optical system. On the other hand, when a diffraction grating is used as the deflecting optical system, for example, the divergence of the deflected light beam becomes larger than when a prism is used, and the relay optical systems 14 to 16 are used.
It is not preferable because it is necessary to increase the numerical aperture.

【0047】また、被検面1aに入射する光束の入射角
αが大きい場合には、アオリ補正プリズム25を通過す
る光線の透過率がP偏光とS偏光とで大きく異なるよう
になる。例えば、入射角α=80゜、屈折率n=1.8
の場合には、P偏光の透過率が0.79となり、S偏光
の透過率が0.37となる。このように、アオリ補正プ
リズム25における透過率が光線の偏光状態によって異
なるため、偏光成分毎の情報の重みが異なり、被検面1
aの位置検出を正確にできない恐れがある。そこで、本
例では、図1に示す如く、集光光学系11,12とアオ
リ補正プリズム25との間の光路中に1/2波長板24
を配置する。そして、この1/2波長板24によって偏
光方向を45゜回転させた光束をアオリ補正プリズム2
5に入射させている。このため、アオリ補正プリズム2
5に入射する光束は、P偏光とS偏光とが混合した状態
となり、被検面1aの位置検出が正しく行われる。
When the incident angle α of the light beam incident on the test surface 1a is large, the transmittance of the light beam passing through the tilt correction prism 25 is significantly different between the P-polarized light and the S-polarized light. For example, the incident angle α = 80 ° and the refractive index n = 1.8
In the case of (1), the transmittance of P-polarized light is 0.79, and the transmittance of S-polarized light is 0.37. As described above, since the transmittance of the tilt correction prism 25 varies depending on the polarization state of the light beam, the weight of information for each polarization component varies, and
It may not be possible to accurately detect the position a. Therefore, in this example, as shown in FIG. 1, a half-wavelength plate 24 is provided in the optical path between the condensing optical systems 11 and 12 and the tilt correction prism 25.
Place. Then, the luminous flux whose polarization direction is rotated by 45 ° by the half-wave plate 24 is converted into a tilt correction prism 2.
5 is incident. Therefore, the tilt correction prism 2
5 enters a state where P-polarized light and S-polarized light are mixed, and the position of the test surface 1a is correctly detected.

【0048】なお、1/2波長板24の代わりに、1/
4波長板を用いてもよく、1/4波長板を用いた場合に
は、アオリ補正プリズム25への入射光束は、円偏光と
なり、被検面1aの位置検出は、1/2波長板を用いた
場合と同様に正確に行われる。更に、アオリ補正プリズ
ム25の射出面25bと、この射出面25bから射出す
る光束L2(図5参照)とは、略垂直となることが好ま
しい。本例においては、アオリ補正プリズム25の頂角
をこのアオリ補正プリズム25に入射する光束L1に対
する光束L2の屈折角ξと等しくする構成によって、射
出面25bと光束L2とを略垂直としている。これに対
して、射出面25bと光束L2とが略垂直にならない
と、リレー光学系14〜16によって、入射面25a上
の像をリレーする際に、非点収差等の収差が発生するた
め、好ましくない。
It should be noted that instead of the half-wave plate 24, 1 /
A four-wavelength plate may be used. When a quarter-wavelength plate is used, the light beam incident on the tilt correction prism 25 is circularly polarized, and the position of the surface 1a to be detected is detected by using a half-wavelength plate. It is performed exactly as if it were used. Further, it is preferable that the exit surface 25b of the tilt correction prism 25 and the light beam L2 (see FIG. 5) exiting from the exit surface 25b be substantially perpendicular. In this example, the exit surface 25b and the light beam L2 are made substantially perpendicular to each other by making the apex angle of the tilt correction prism 25 equal to the refraction angle の of the light beam L2 with respect to the light beam L1 incident on the tilt correction prism 25. On the other hand, if the exit surface 25b and the light beam L2 do not become substantially perpendicular, aberrations such as astigmatism are generated when the relay optical systems 14 to 16 relay an image on the incident surface 25a. Not preferred.

【0049】さて、図1のアオリ補正プリズム25の入
射面25a上には、図3に示すように5箇所の開口部S
a1〜Sa5を有する受光スリットSが設けられている
ので、入射面25aに再結像された格子パターン像は、
部分的に遮光される。即ち、受光スリットSの開口部S
a1〜Sa5の領域に形成された格子パターン像からの
光束のみがアオリ補正プリズム25を通過する。そし
て、入射面25a上に形成された受光スリットSの開口
部Sa1〜Sa5の像は、リレー光学系14〜16によ
り、光電検出器17の受光面17aにリレーされる。
On the incident surface 25a of the tilt correction prism 25 shown in FIG. 1, five openings S are formed as shown in FIG.
Since the light receiving slit S having a1 to Sa5 is provided, the lattice pattern image re-imaged on the incident surface 25a is:
Partially shielded from light. That is, the opening S of the light receiving slit S
Only the luminous flux from the lattice pattern image formed in the areas a1 to Sa5 passes through the tilt correction prism 25. Then, the images of the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S formed on the incident surface 25a are relayed to the light receiving surface 17a of the photoelectric detector 17 by the relay optical systems 14 to 16.

【0050】図6は、その光電検出器17の受光面17
aを示し、この図6の受光面17aにおいて、図3の受
光スリットSの開口部Sa1〜Sa5に対応する位置に
5つのシリコン・フォト・ダイオードSPD1,SPD
2,SPD3,SPD4,SPD5(以下、「SPD1
〜SPD5」と略記する)が設けられている。これらの
シリコン・フォト・ダイオードSPD1〜SPD5上に
は開口部Sa1〜Sa5の像がスリット像SL1,SL
2,SL3,SL4,SL5(以下、「SL1〜SL
5」と略記する)として結像する。このスリット像SL
1〜SL5は、シリコン・フォト・ダイオードSPD1
〜SPD5よりも小さくなるように結像する。なお、本
例では、受光面に複数のシリコン・フォト・ダイオード
を設けた光電検出器17が使用されているが、光電検出
器17として2次元CCD型の撮像素子や、光ファイバ
と複数のフォトマルチプライアとを組み合わせた検出器
等を用いてもよい。
FIG. 6 shows the light receiving surface 17 of the photoelectric detector 17.
6, five silicon photodiodes SPD1, SPD are located at positions corresponding to the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S in FIG. 3 on the light receiving surface 17a in FIG.
2, SPD3, SPD4, SPD5 (hereinafter, "SPD1
-SPD5 "). On these silicon photodiodes SPD1 to SPD5, images of openings Sa1 to Sa5 are slit images SL1 and SL.
2, SL3, SL4, SL5 (hereinafter, "SL1 to SL
5 "). This slit image SL
1 to SL5 are silicon photodiodes SPD1
-Image is formed so as to be smaller than SPD5. In this example, a photoelectric detector 17 provided with a plurality of silicon photodiodes on a light receiving surface is used. However, as the photoelectric detector 17, a two-dimensional CCD image sensor, an optical fiber and a plurality of photodetectors are used. A detector combined with a multiplier may be used.

【0051】そして、被検面1aが投影光学系5の光軸
AX1に沿って上下に移動すると、アオリ補正プリズム
25の入射面25a上に投影された格子パターン像は、
被検面1aの上下量に対応した量だけ格子パターン像の
ピッチ方向に横ずれを起こす。本例ではこの横ずれ量を
振動ミラー30と光電検出器17とを用いて、例えば特
開昭56−42205号公報に開示された光電顕微鏡の
原理により検出することによって、被検面1a上の各検
出位置での光軸AX1方向の位置(フォーカス位置)を
検出する。
When the test surface 1a moves up and down along the optical axis AX1 of the projection optical system 5, the lattice pattern image projected on the incident surface 25a of the tilt correction prism 25 becomes
A lateral shift occurs in the pitch direction of the lattice pattern image by an amount corresponding to the vertical amount of the test surface 1a. In this embodiment, the amount of lateral displacement is detected by using the vibration mirror 30 and the photoelectric detector 17 according to the principle of the photoelectric microscope disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 56-42205, to thereby determine the amount of each deviation on the surface 1a to be inspected. The position (focus position) in the direction of the optical axis AX1 at the detection position is detected.

【0052】以下、図1に戻って、光電顕微鏡の原理に
よるフォーカス位置の検出について詳述する。図1にお
いて、集光光学系11,12の光路中には、振動ミラー
30が設けられている。そして、ミラー駆動部31は、
内部の発振器からの信号に基づいて、所定の周期Tで振
動ミラー30を図1中の矢印方向に振動させる。この振
動ミラー30の振動に伴って、アオリ補正プリズム25
の入射面25a上に形成される格子パターン像も振動す
る。このとき、入射面25a上に結像される格子パター
ン像の振動の振幅は、この格子パターン像のピッチの1
/2以下に規定し、また、スリットSの開口部Sa1〜
Sa5の幅も格子パターン像のピッチの1/2以下に規
定する。この格子パターン像の振動に伴って、入射面2
5a上、即ち受光スリットSの開口部Sa1〜Sa5の
領域を透過する検出光の光量が変化する。そして、この
透過光は、リレー光学系14〜16によって、光電検出
器17上のシリコン・フォト・ダイオードSPD1〜S
PD5の受光面に達する。
Returning to FIG. 1, the detection of the focus position based on the principle of the photoelectric microscope will be described in detail. In FIG. 1, a vibrating mirror 30 is provided in the optical path of the condenser optical systems 11 and 12. Then, the mirror driving unit 31
The vibrating mirror 30 is vibrated in a direction indicated by an arrow in FIG. 1 at a predetermined cycle T based on a signal from an internal oscillator. With the vibration of the vibration mirror 30, the tilt correction prism 25
The lattice pattern image formed on the incident surface 25a also vibrates. At this time, the amplitude of the vibration of the lattice pattern image formed on the incident surface 25a is one of the pitch of the lattice pattern image.
/ 2 or less, and the openings Sa1 to Sa1 of the slit S
The width of Sa5 is also defined to be 以下 or less of the pitch of the lattice pattern image. With the vibration of the lattice pattern image, the incident surface 2
5a, that is, the amount of detection light passing through the region of the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S changes. The transmitted light is transmitted to the silicon photodiodes SPD1 to SPD1 on the photoelectric detector 17 by the relay optical systems 14 to 16.
The light reaches the light receiving surface of the PD 5.

【0053】以下、説明を簡単にするために、図6の1
つのシリコン・フォト・ダイオードSPD1についての
み説明する。受光スリットSの開口部Sa1の領域を透
過した光は、シリコン・フォト・ダイオードSPD1上
でスリット像SL1を形成する。このスリット像SL1
の明るさは、振動ミラー30の振動に伴って変化する。
次に、図7を参照してスリット像SL1の明るさの変化
について詳述する。
Hereinafter, for simplicity of explanation, FIG.
Only one silicon photodiode SPD1 will be described. The light transmitted through the area of the opening Sa1 of the light receiving slit S forms a slit image SL1 on the silicon photodiode SPD1. This slit image SL1
Varies with the vibration of the vibrating mirror 30.
Next, a change in brightness of the slit image SL1 will be described in detail with reference to FIG.

【0054】図7は、受光スリットSの開口部Sa1近
傍の拡大図であり、この図7において、格子パターン像
STは、ピッチPSTで受光スリットS上に形成されて
おり、格子パターン像STは、振動ミラー30の振動に
伴って図7中の矢印方向に振動する。ここで、開口部S
a1の幅WSa1は、この開口部Sa1上に形成される
格子パターン像STのピッチPSTに対して、次の関係
を満たすことが望ましい。
FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of the opening Sa1 of the light receiving slit S. In FIG. 7, the grating pattern image ST is formed on the light receiving slit S at a pitch PST. Vibrates in the direction of the arrow in FIG. Here, the opening S
It is desirable that the width WSa1 of a1 satisfies the following relationship with the pitch PST of the lattice pattern image ST formed on the opening Sa1.

【0055】WSa1≦PST/2 (9) また、振動ミラー30によって振動する格子パターン像
STの振幅ASTは、次の関係を満たすことが望まし
い。 AST≦PST/2 (10) ここで、開口部Sa1の幅WSa1が上述の(9)式を
満足しないとき、あるいは、格子パターン像STの振幅
ASTが上述の(10)式を満足しない場合には、振動
ミラー30の振動に伴う開口部Sa1での光量変化が小
さくなり、検出精度が低下するため、好ましくない。本
例においては、開口部の幅WSa1が格子パターン像S
TのピッチPSTの1/2以下となるように規定してお
り、更に、格子パターン像STの振幅ASTがピッチP
STの1/2以下となるように規定しているため、振動
ミラー30の振動に伴う光量変化が小さくなる恐れがな
い。
WSa1 ≦ PST / 2 (9) It is desirable that the amplitude AST of the grating pattern image ST vibrated by the vibrating mirror 30 satisfies the following relationship. AST ≦ PST / 2 (10) Here, when the width WSa1 of the opening Sa1 does not satisfy the above equation (9), or when the amplitude AST of the lattice pattern image ST does not satisfy the above equation (10). Is not preferable because the change in the amount of light at the opening Sa1 due to the vibration of the vibrating mirror 30 is small, and the detection accuracy is reduced. In this example, the width WSa1 of the opening is the lattice pattern image S
T is set to be equal to or less than の of the pitch PST, and the amplitude AST of the grid pattern image
Since it is defined to be equal to or less than の of ST, there is no possibility that a change in the amount of light due to the vibration of the vibrating mirror 30 becomes small.

【0056】また、開口部Sa1の位置は、被検面1a
と投影光学系5の結像面とが一致しているときに、開口
部Sa1の中心が格子パターン像STの振動中心に一致
するように設けられている。そして、開口部Sa1の幅
WSa1が格子パターン像STのピッチPSTの1/2
以下であり、且つ格子パターン像STの振幅ASTもこ
のピッチPSTの1/2以下であるので、この格子パタ
ーン像STが振動すると、シリコン・フォト・ダイオー
ドSPD1上での受光量が変化する。そして、シリコン
・フォト・ダイオードSPD1は、この光強度の変化、
即ち光変調に応じた検出出力SD1を図1の検出部18
に出力する。
The position of the opening Sa1 is determined by the position of the test surface 1a.
The center of the opening Sa1 is provided so as to coincide with the vibration center of the lattice pattern image ST when the image coincides with the image forming plane of the projection optical system 5. Then, the width WSa1 of the opening Sa1 is 1 / of the pitch PST of the lattice pattern image ST.
And the amplitude AST of the grating pattern image ST is also equal to or less than の of the pitch PST. Therefore, when the grating pattern image ST vibrates, the amount of light received on the silicon photodiode SPD1 changes. Then, the silicon photodiode SPD1 changes the light intensity,
That is, the detection output SD1 corresponding to the light modulation is output to the detection unit 18 in FIG.
Output to

【0057】また、同様に、他のシリコン・フォト・ダ
イオードSPD2,SPD3,SPD4,SPD5にお
いても、それぞれスリット像SL2,SL3,SL4,
SL5の光変調に応じた検出出力SD2,SD3,SD
4,SD5を検出部18へ出力する。また、ミラー駆動
部31からも振動ミラー30の振動周期Tと同じ位相の
交流信号が検出部18へ出力される。ここで、検出部1
8においては、周期Tの交流信号の位相を基準として、
検出出力SD1,SD2,SD3,SD4,SD5(以
下、「SD1〜SD5」と略記する)の同期整流、即ち
同期検波が行われ、検波出力信号FS1,FS2,FS
3,FS4,FS5(以下、「FS1〜FS5」と略記
する)が補正量算出部19へ出力される。この検波出力
信号FS1〜FS5は、所謂Sカーブ信号と呼ばれ、被
検面1a上の検出点Da1〜Da5が投影光学系5の結
像面に位置しているとき、即ち検出出力SD1〜SD5
が振動ミラー30の振動周期Tの1/2の周期で変化し
たときに、それぞれ零レベルとなる。また、被検面1a
の検出点Da1〜Da5が投影光学系5の結像面より上
方に変位しているときには正のレベル、検出点Da1〜
Da5が投影光学系5の結像面より下方に変位している
ときには負のレベルを示す。このように、検波出力信号
FS1〜FS5は、被検面1aの変位(フォーカス位
置)に対応した出力値を示す。
Similarly, in the other silicon photodiodes SPD2, SPD3, SPD4, SPD5, the slit images SL2, SL3, SL4, respectively
Detection output SD2, SD3, SD according to light modulation of SL5
4 and SD5 are output to the detector 18. Further, an AC signal having the same phase as the oscillation period T of the oscillation mirror 30 is output from the mirror driving unit 31 to the detection unit 18. Here, the detection unit 1
8, with reference to the phase of the AC signal having the period T,
Synchronous rectification of the detection outputs SD1, SD2, SD3, SD4, and SD5 (hereinafter abbreviated as "SD1 to SD5"), that is, synchronous detection, is performed, and the detection output signals FS1, FS2, and FS are output.
3, FS4, FS5 (hereinafter abbreviated as “FS1 to FS5”) are output to the correction amount calculation unit 19. The detection output signals FS1 to FS5 are called so-called S-curve signals, and are used when the detection points Da1 to Da5 on the surface 1a to be detected are located on the imaging surface of the projection optical system 5, that is, the detection outputs SD1 to SD5.
Are changed to a zero level when they change in a cycle of 1 / of the oscillation cycle T of the oscillation mirror 30. In addition, the test surface 1a
Are positive levels when the detection points Da1 to Da5 are displaced above the imaging plane of the projection optical system 5, and the detection points Da1 to Da5
When Da5 is displaced below the image plane of the projection optical system 5, it indicates a negative level. As described above, the detection output signals FS1 to FS5 indicate output values corresponding to the displacement (focus position) of the test surface 1a.

【0058】その後、検波出力信号FS1〜FS5が出
力された補正量算出部19は、これらの検波出力信号F
S1〜FS5の正負レベルから、被検面1a上の各検出
点Da1〜Da5のフォーカス位置をそれぞれ算出し、
被検面1aの平均的な傾きと、被検面1aの平均的なフ
ォーカス位置とを求める。そして、被検面1aが投影光
学系5の結像面に対して焦点深度の範囲内に位置するよ
うな傾きの補正量、及びフォーカス位置の補正量をそれ
ぞれ算出する。その後、補正量算出部19は、これらの
補正量を駆動部4へ伝達する。そして、駆動部4は、傾
きの補正量に基づいて、ウエハステージ3上の3個の支
点を駆動して、ウエハホルダ2のレベリングを行うと共
に、フォーカス位置の補正量に基づいて、それら3個の
支点を駆動してウエハホルダ2(ウエハ1)のフォーカ
シングを行う。このように本例では、多点AFセンサに
よって被検面1a上の複数の検出点のフォーカス位置を
同時に検出し、この検出出力に基づいて、被検面1aを
結像面に合わせ込むことができる。
After that, the correction amount calculating section 19 to which the detection output signals FS1 to FS5 have been output, outputs the detection output signals FS1 to FS5.
From the positive and negative levels of S1 to FS5, the focus positions of the respective detection points Da1 to Da5 on the test surface 1a are calculated, respectively.
An average inclination of the test surface 1a and an average focus position of the test surface 1a are obtained. Then, the amount of correction of the inclination and the amount of correction of the focus position such that the test surface 1a is located within the range of the depth of focus with respect to the imaging plane of the projection optical system 5 are calculated. After that, the correction amount calculation unit 19 transmits these correction amounts to the drive unit 4. Then, the drive unit 4 drives the three fulcrums on the wafer stage 3 based on the correction amount of the tilt, performs the leveling of the wafer holder 2, and based on the correction amount of the focus position, the three fulcrums. The fulcrum is driven to focus the wafer holder 2 (wafer 1). As described above, in this example, the focus positions of a plurality of detection points on the test surface 1a are simultaneously detected by the multipoint AF sensor, and the test surface 1a is adjusted to the image forming surface based on the detection output. it can.

【0059】なお、図6では各シリコン・フォト・ダイ
オードSPD1〜SPD5上にそれぞれ1つのスリット
像が形成されているが、図8に示すように、1つのシリ
コン・フォト・ダイオードSPD6上に、複数のスリッ
ト像(例えば、3つのスリット像SL6a,SL6b,
SL6c)を形成してもよい。このとき、スリット像S
L6a,SL6b,SL6cのピッチP6は、格子パタ
ーン像のピッチPSTに対して次式を満足することが望
ましい。
Although one slit image is formed on each of the silicon photodiodes SPD1 to SPD5 in FIG. 6, a plurality of slit images are formed on one silicon photodiode SPD6 as shown in FIG. Slit images (eg, three slit images SL6a, SL6b,
SL6c) may be formed. At this time, the slit image S
It is desirable that the pitch P6 of L6a, SL6b, SL6c satisfies the following expression with respect to the pitch PST of the lattice pattern image.

【0060】P6=m・PST (11) 但し、mは、整数である。また、各スリット像SL6
a,SL6b,SL6cの幅W6は、次式を満足するこ
とが望ましい。 W6≦PST/2 (12) ここで、スリット像SL6a,SL6b,SL6cの間
隔P6が上述の(11)式から外れると、各スリット像
SL6a,SL6b,SL6c毎に、振動ミラー30の
振動に伴う光量変化が異なるようになるため、検出値が
不正確になるため、好ましくない。また、スリット像S
L6a,SL6b,SL6cの幅W6が上述の(12)
式の範囲から外れると、振動ミラー30の振動に伴う光
量変化が小さくなるので、好ましくない。
P6 = m · PST (11) where m is an integer. Also, each slit image SL6
It is desirable that the width W6 of a, SL6b, and SL6c satisfy the following expression. W6 ≦ PST / 2 (12) Here, if the interval P6 between the slit images SL6a, SL6b, and SL6c deviates from the above equation (11), the vibration of the vibrating mirror 30 is caused for each of the slit images SL6a, SL6b, and SL6c. This is not preferable because the change in the amount of light becomes different and the detection value becomes inaccurate. Also, the slit image S
The width W6 of L6a, SL6b, and SL6c is as described in (12) above.
If the value is out of the range of the expression, the change in the amount of light accompanying the vibration of the vibrating mirror 30 becomes small, which is not preferable.

【0061】上述のような構成によると、シリコン・フ
ォト・ダイオードSPD6上での受光量が増加する利点
がある他に、対応する被検面1a上の検出領域が広くな
り平均化効果が得られるといった利点がある。なお、本
例においては、受光面17a上に設けられたシリコン・
フォト・ダイオードSPD1〜SPD5上に受光スリッ
トSを介した光を入射させているが、必ずしも受光スリ
ットSを介する必要はない。受光スリットSを介さない
場合には、シリコン・フォト・ダイオードSPD1〜S
PD5の領域が被検面1a上での受光領域となる。即
ち、被検面1aでの検出点に対応した箇所にシリコン・
フォト・ダイオードSPD1〜SPD5を配置すればよ
い。
According to the above-described configuration, in addition to the advantage that the amount of light received on the silicon photodiode SPD6 increases, the corresponding detection area on the test surface 1a is widened and an averaging effect is obtained. There are advantages. In this example, the silicon substrate provided on the light receiving surface 17a
Although the light through the light receiving slit S is incident on the photodiodes SPD1 to SPD5, it is not always necessary to pass through the light receiving slit S. When not passing through the light receiving slit S, the silicon photodiodes SPD1 to SPD1
The area of the PD 5 is a light receiving area on the surface 1a to be inspected. In other words, silicon is placed at a position corresponding to the detection point on the surface 1a to be detected.
Photodiodes SPD1 to SPD5 may be arranged.

【0062】また、本例においては、受光スリットS
は、第2面(アオリ補正プリズム25の入射面25a)
に配置されているが、これは、光電検出器17の受光面
17a上であってもよい。このとき、受光スリットSの
開口部Saの大きさは、受光面17aの大きさよりも小
さくなるように設けられることが望ましい。そして、本
例においては、複数のシリコン・フォト・ダイオードを
受光面17a上にフォトエッチング法で設けてもよい。
この場合には、受光スリットSの開口部Sa1〜Sa5
の数が大幅に増加しても、対応できる利点がある。
In this embodiment, the light receiving slit S
Is the second surface (incident surface 25a of tilt correction prism 25)
However, this may be on the light receiving surface 17 a of the photoelectric detector 17. At this time, it is desirable that the size of the opening portion Sa of the light receiving slit S be smaller than the size of the light receiving surface 17a. In this example, a plurality of silicon photodiodes may be provided on the light receiving surface 17a by a photo etching method.
In this case, the openings Sa1 to Sa5 of the light receiving slit S
There is an advantage that even if the number increases significantly, it can be handled.

【0063】また、被検面1aとしてのウエハの表面
は、プロセスの都合によっては必ずしも平面になるとは
限らない。このような場合には、被検面1a上の検出領
域(検出点)の数を増加させればよい。ここで、被検面
1a上の検出点を増加させるには、この検出点に対応す
る受光スリットSの開口部を増加させればよい。このよ
うに、本例のAFセンサは、簡易な構成のままで、被検
面1a上の検出点を増やすことが可能であるので、被検
面1a上の広い範囲にわたるフォーカス位置を検出する
ことができる。しかも、検出点の箇所が増加しても、同
時に検出できるので、スループットの低下を招くことが
ない。
The surface of the wafer as the test surface 1a is not always flat depending on the process. In such a case, the number of detection areas (detection points) on the test surface 1a may be increased. Here, in order to increase the number of detection points on the test surface 1a, the number of openings of the light receiving slit S corresponding to the detection points may be increased. As described above, the AF sensor of the present embodiment can increase the number of detection points on the test surface 1a with a simple configuration. Can be. Moreover, even if the number of detection points increases, they can be detected at the same time, so that the throughput does not decrease.

【0064】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得ることは勿論である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明の面位置検出装置によれば、投射
光学系のみテレセントリック光学系にして、集光光学系
の開口数を投射光学系の開口数より大きくしているた
め、簡単な構成で調整が容易であると共に、被検面の位
置が変化しても高精度にその被検面の面位置を検出でき
る利点がある。
According to the surface position detecting device of the present invention, since the projection optical system is a telecentric optical system and the numerical aperture of the condensing optical system is larger than the numerical aperture of the projection optical system, a simple configuration is possible. Therefore, there is an advantage that the surface position of the test surface can be detected with high accuracy even if the position of the test surface changes.

【0066】また、開口絞りの個数が少ないために、光
学系の設計の自由度が増すと共に、光量損失が少ない利
点もある。また、集光光学系から射出される光束の光軸
に対する傾斜角を小さくするためのアオリ角補正光学系
を第2面に設けた場合には、検出器の受光面に入射する
光束の入射角が小さくなるため、光束の受光効率が高く
なり、得られる検出信号のSN比が改善される利点があ
る。
Further, since the number of aperture stops is small, there is an advantage that the degree of freedom in designing the optical system is increased and the light amount loss is small. When the tilt angle correcting optical system for reducing the inclination angle of the light beam emitted from the condensing optical system with respect to the optical axis is provided on the second surface, the incident angle of the light beam incident on the light receiving surface of the detector Is reduced, the light receiving efficiency of the light beam is increased, and the SN ratio of the obtained detection signal is advantageously improved.

【0067】また、そのアオリ角補正光学系がプリズム
体である場合には、分散が小さいため、検出用の光束と
して薄膜干渉等の影響の少ない広帯域の光束を使用でき
る利点がある。
When the tilt angle correcting optical system is a prism body, there is an advantage that a wide band light beam having little influence of thin film interference or the like can be used as a detection light beam because the dispersion is small.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による面位置検出装置の実施の形態の一
例を備えた投影露光装置を示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a projection exposure apparatus provided with an example of an embodiment of a surface position detection device according to the present invention.

【図2】図1に示した投射光学系9,10が被検面1a
側にテレセントリックであることを示す光路図である。
FIG. 2 shows a projection optical system 9, 10 shown in FIG.
FIG. 7 is an optical path diagram showing that the side is telecentric.

【図3】図1の受光スリットSの開口部を示す平面図で
ある。
FIG. 3 is a plan view showing an opening of a light receiving slit S of FIG. 1;

【図4】図1の被検面1a上に投射された格子パターン
像と検出領域との関係を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a relationship between a lattice pattern image projected on a test surface 1a in FIG. 1 and a detection area.

【図5】図1のアオリ補正用プリズム25を示す拡大図
である。
FIG. 5 is an enlarged view showing the tilt correction prism 25 of FIG. 1;

【図6】図1の光電検出器17の受光面17a上のシリ
コン・フォト・ダイオードとスリット像との関係を示す
平面図である。
6 is a plan view showing a relationship between a silicon photodiode on a light receiving surface 17a of the photoelectric detector 17 of FIG. 1 and a slit image.

【図7】図3の受光スリットS上の開口部を示す拡大図
である。
FIG. 7 is an enlarged view showing an opening on the light receiving slit S of FIG. 3;

【図8】1つのシリコン・フォト・ダイオード上に複数
のスリット像が形成される例を示す拡大図である。
FIG. 8 is an enlarged view showing an example in which a plurality of slit images are formed on one silicon photodiode.

【図9】シャインプルーフの条件の説明に供する図であ
る。
FIG. 9 is a diagram provided for explaining conditions of Scheimpflug.

【図10】(a)は投射光学系がテレセントリックな場
合の被検面の上下による光路の変化を示す図、(b)は
投射光学系がテレセントリックでない場合の被検面の上
下による光路の変化を示す図である。
FIG. 10A is a diagram showing a change in an optical path due to up and down of a test surface when a projection optical system is telecentric, and FIG. 10B is a diagram showing a change in an optical path due to up and down of a test surface when the projection optical system is not telecentric; FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

R レチクル 1 ウエハ 1a 被検面 5 投影光学系 8 透過型格子パターン板 8a 格子パターン形成面(第1面) 9 集光レンズ 10 投射用対物レンズ 11 受光用対物レンズ 12 集光レンズ 14,16 リレーレンズ 17 光電検出器 17a 受光面 25 アオリ補正用プリズム 25a 入射面(第2面) 30 振動ミラー 31 振動ミラー駆動部 S 受光スリット 100 テレセントリック絞り R Reticle 1 Wafer 1a Test surface 5 Projection optical system 8 Transmissive grating pattern plate 8a Grid pattern forming surface (first surface) 9 Condensing lens 10 Projection objective lens 11 Light receiving objective lens 12 Condensing lens 14, 16 Relay Lens 17 Photoelectric detector 17a Light receiving surface 25 Tilt correction prism 25a Incident surface (second surface) 30 Vibrating mirror 31 Vibrating mirror driver S Light receiving slit 100 Telecentric diaphragm

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1面上に形成された所定のパターン
と、被検面に対して斜めの方向から前記所定のパターン
の像を投射する投射光学系と、前記被検面で反射された
光束を集光して前記所定のパターンの像を第2面上に形
成する集光光学系と、前記所定のパターンの像を光電的
に検出する検出器と、を有し、 該検出器の出力に基づいて前記被検面の面位置を検出す
る面位置検出装置において、 前記検出器の受光面と、前記所定のパターンの像とを相
対的に走査させる走査手段を設け、 前記第1面と前記被検面とは、前記投射光学系の主平面
に関してシャインプルーフの条件を満たすと共に、 前記被検面と前記第2面とは、前記集光光学系の主平面
に関してシャインプルーフの条件を満たし、 前記投射光学系は、前記被検面側において実質的にテレ
セントリックな光学系であり、前記集光光学系は、前記
投射光学系よりも大きい開口数を持つことを特徴とする
面位置検出装置。
1. A predetermined pattern formed on a first surface, a projection optical system for projecting an image of the predetermined pattern from a direction oblique to the surface to be measured, and a light reflected by the surface to be measured. A condensing optical system that condenses the light beam and forms the image of the predetermined pattern on the second surface; and a detector that photoelectrically detects the image of the predetermined pattern. A surface position detection device that detects a surface position of the surface to be detected based on an output, wherein a scanning unit that relatively scans a light receiving surface of the detector and an image of the predetermined pattern is provided; And the test surface satisfy the condition of Scheimpflug with respect to the main plane of the projection optical system, and the test surface and the second surface satisfy the condition of Scheimpflug with respect to the main plane of the condensing optical system. And the projection optical system is substantially on the test surface side. A telecentric optical system, the light converging optical system, the surface position detecting apparatus characterized by having a numerical aperture larger than the projection optical system.
【請求項2】 請求項1記載の面位置検出装置であっ
て、 前記集光光学系から射出される光束の光軸に対する傾斜
角を小さくするためのアオリ角補正光学系を前記第2面
に設けたことを特徴とする面位置検出装置。
2. The surface position detecting device according to claim 1, wherein a tilt angle correcting optical system for reducing a tilt angle of a light beam emitted from the condensing optical system with respect to an optical axis is provided on the second surface. A surface position detecting device, comprising:
【請求項3】 請求項2記載の面位置検出装置であっ
て、 前記アオリ角補正光学系はプリズム体であることを特徴
とする面位置検出装置。
3. The surface position detecting device according to claim 2, wherein the tilt angle correcting optical system is a prism.
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