JP2000182929A

JP2000182929A - 面位置検出装置

Info

Publication number: JP2000182929A
Application number: JP10355036A
Authority: JP
Inventors: Toru Kawaguchi; 透川口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】両側テレセントリック光学系のテレセントリッ
ク性を維持し、被検面の広い検出領域全域にわたって高
精度で面位置を検出できる装置を提供すること。【解決手段】第１面８ａ上に形成された所定のパター
ンと、被検面１ａ上に前記所定パターンを投射する投射
光学系９，１００，１０と、被検面で反射した光束を集
光して所定パターンの像を第２面上に結像する集光光学
系１１，１２と、所定パターンの像を光電的に検出する
検出器１７とを備え、検出器の出力に基づいて被検面の
面位置を検出する面位置検出装置において、少なくとも
投射光学系と集光光学系との一方は、変倍レンズ群Ｌ２
を含む変倍光学系部１００と、被検面に投射される光束
と被検面で反射した光束との少なくとも一方の光束の所
定方向の開き角を制限するための開き角制限部材ＳＴＰ
とを備え、開き角制限部材と変倍レンズ群との配置順序
が変更できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検面の表面位置
検出装置に関するものであり、例えば半導体製造装置に
おける焦点位置検出装置に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造装置における焦点位置
検出装置として、本出願人による特開昭５６−４２２０
５号公報に開示されているように、投影レンズによって
マスクパターンが転写される位置に配置された半導体ウ
エハに対して、斜め方向から検出光を照射する斜め入射
型の焦点位置検出装置が用いられている。

【０００３】この焦点位置検出装置は、半導体ウエハの
表面を被検面として、該被検面にスリット状のパターン
をスリットの長手方向が入射面（入射光と反射光とで張
る平面）と垂直になるような方向で投射し、その反射光
を光電変換素子等の検出手段上に再結像させ、検出手段
上の反射光の入射位置を検出する構成である。

【０００４】かかる構成において、被検面となる半導体
ウエハの表面が上下方向、すなわち投影レンズの光軸に
沿った方向に変位すると、上下方向の変位に対応して検
出手段に入射するスリット反射光が入射面に平行な方
向、すなわち、スリットの幅方向（短手方向）に横ずれ
することを利用して、その横ずれ量を知ることによっ
て、半導体ウエハの表面の上下位置を検出することがで
きる。これにより、ウエハ表面が投影レンズの合焦基準
位置、すなわち投影レンズによって投影されるレチクル
との共役面に一致しているか否かを判定することができ
る。

【０００５】斜め入射型焦点位置検出装置を用いて半導
体ウエハの表面位置を検出する場合、半導体ウエハの表
面にフォトレジストなどの薄膜が付着していると、薄膜
の表面において反射した光と、薄膜を透過して半導体基
板の表面において反射した光とにより干渉が生ずるため
に、検出結果に誤差を生ずることが知られている。この
干渉現象による検出精度の低下を防止するために、検出
光が変位する投射スリットの幅方向、すなわち入射面に
平行な方向においてスリットの結像光束の開き角（開口
数ＮＡ）を狭く制限する構成が、本出願人により特公平
７−１１３５４８号公報に開示されている。一方、半導
体製造装置における斜め入射型の焦点位置検出装置とし
て、本出願人による特開平６−９７０４５号公報に開示
されているように、所定パターンの形成された第１面の
パターン像を被検面であるウエハ表面に投射する投射光
学系と、被検面で反射された光束を集光して所定パター
ンの像を受光スリットの形成された第２面上に形成する
集光光学系とに関して、第１面と被検面、被検面と第２
面とがそれぞれシャインプルーフの条件を満足し、被検
面の広い領域で焦点位置の検出が可能な構成も提案され
ている。この焦点位置検出装置では、さらに投射光学系
と集光光学系とが各々両側テレセントリック光学系で構
成されており、第１面と被検面、被検面と第２面との共
役関係において各々面内全域で同倍率となることが保証
されている。これにより、所定パターンの像と受光スリ
ットとを相対的に走査させて光変調信号を同期検波する
光電顕微鏡の原理に基づいて像変位を検出して、被検面
の検出領域全域にわたって同じ精度が得られるようにな
っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような両側テレセ
ントリック光学系により構成された焦点位置検出装置に
おいて、上述の特公平７−１１３５４８号公報に開示さ
れているようなスリット結像光束の開き角を制限する構
成を加えるには、両側テレセントリック光学系の瞳面
（物体および像に対するフーリエ変換面）、又は光軸に
沿った瞳面近傍に開口絞りを配置することが望ましい。
これは、瞳面から離れた位置に開口絞りを設けた場合、
物像面間の対応する共役点と開口絞りとの位置関係によ
り主光線の角度が決定されるため、物体側あるいは像側
の少なくとも一方のテレセントリック性が実質的に崩れ
てしまうためである。

【０００７】例えば、上記の特開平６−９７０４５号公
報に開示されている例では、集光光学系の略瞳面に所定
パターンの像と受光スリットとを相対的に走査させる手
段としての振動ミラーを配置しているので、投射光学系
の瞳面近傍に開口絞りを配置するのが望ましい。

【０００８】また、現実的な課題として、光学素子の製
造誤差や装置の組立て誤差等により発生する光学系の倍
率誤差の補正機構を装置に組み込むことが望ましい。上
記のようなテレセントリック光学系の倍率補正機構とし
ては、本出願による特開平９−１８４９８０号公報に開
示されているように、両側テレセントリック光学系の瞳
面近傍に実質的にアフォーカル系を成すレンズ系を配置
し、そのアフォーカル倍率を変更することにより、物体
位置と像位置とテレセントリック光学系を成すレンズ系
とを固定してテレセントリック性を維持したまま、テレ
セントリック光学系の結像倍率を変更可能とする変倍光
学系が提案されている。この光学系を上記の焦点位置検
出装置に適用する場合、例えば上記の特開平６−９７０
４５号公報に開示されている例では、集光光学系の略瞳
面に所定パターンの像と受光スリットとを相対的に走査
させる手段としての振動ミラーを配置しているので、投
射光学系の瞳面近傍にアフォーカルレンズ系を配置し
て、投射光学系および集光光学系をも含めた全光学系の
結像倍率を補正することが望ましい。

【０００９】しかしながら、開口絞りの配置とアフォー
カル変倍光学系の配置との双方を考慮する場合、例えば
上記の特開平６−９７０４５号公報に開示されている例
では、上述のように開口絞りとアフォーカル変倍光学系
とを一体として投射光学系の瞳面近傍に配置することが
望ましい。

【００１０】しかし、開口絞りとアフォーカル変倍光学
系とを一体として配置すると、変倍調整時にアフォーカ
ル系を構成する変倍レンズ群が光軸に沿って移動するこ
とが必要となるため、開口絞りも所望の配置から移動せ
ざるを得なくなり、結果として光学系のテレセントリッ
ク性を崩してしまう不都合が生じる。

【００１１】そこで、本発明は、両側テレセントリック
光学系において開口絞りと変倍光学系を瞳面近傍に一体
として配置した状態で、変倍調整時に開口絞りの移動の
影響が問題とされることがなく、光学系のテレセントリ
ック性を維持して被検面の広い検出領域全域にわたって
高精度で面位置を検出できる装置を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明では、第１面上に形成された所
定のパターンと、被検面上に対して斜め方向から前記所
定のパターンを投射する投射光学系と、前記被検面で反
射した光束を集光して前記所定のパターンの像を第２面
上に結像する集光光学系と、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備え、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、少なくとも前記投射光学系と前記集光光学系と
の一方は、変倍レンズ群を含む変倍光学系部と、前記被
検面に投射される光束と前記被検面で反射した光束との
少なくとも一方の光束の所定方向の開き角を制限するた
めの開き角制限部材とを備え、該開き角制限部材と前記
変倍光学系部との配置順序が変更できることを特徴とす
る。

【００１３】また、請求項２記載の発明では、前記変倍
光学系部は、第１面から順に、少なくとも第１レンズ群
と第２レンズ群と第３レンズ群とからなるアフォーカル
光学系を有し、前記第２レンズ群が前記変倍レンズ群と
して光軸方向に移動することで変倍を行い、前記開き角
制限部材は前記第１レンズ群と第２レンズ群との間、又
は前記第２レンズ群と第３レンズ群との間に配置され、
前記開き角制限部材と前記第２レンズ群との配置順序を
変更できることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態にかかる面位置検出装置について説明す
る。図１は、本実施形態にかかる面位置検出装置を投影
露光装置に適用した例を示す模式図である。図１におい
て、主照明用光源４０からの主照明光は、所定の回路パ
ターンが表面に設けられたレチクルＲを照明する。そし
て、投影レンズ５によって、ウエハ１の露光表面１ａに
レチクルＲの像が投影される。このウエハ１を載置して
いるホルダー２は、ウエハ１を投影レンズ５の光軸ＡＸ
１に垂直な平面内で平行移動、微小回転、及び光軸ＡＸ
１に沿った方向（フォーカシング方向）へ移動させる。
ホルダー２は、上下方向に移動可能な３ヶ所の支持点に
よってホルダー２を支持する保持機構３によって支持さ
れる。そして、駆動部４は、保持機構３の支持点の上下
方向の移動を行わせ、ホルダー２のレべリング（水平出
し）を行う。

【００１５】ここで、ウエハ１の被検面１ａ上にレチク
ルＲ上に設けられた回路パターンを良好に転写するため
には、各露光ショット毎に、投影レンズ５による結像面
に対する焦点深度の幅内に、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レンズ５の光軸ＡＸ１方向
の位置を正確に検出した後に、被検面１ａが投影レンズ
５の焦点深度の幅の範囲内に収まるように、ホルダー２
のレベリング、及びウエハ１のフォーカシング方向の移
動を行えば良い。

【００１６】以下に、被検面１ａの現在の露光領域の位
置を検出する際の光学系及び処理系の説明を行う。図１
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。偏向プリズ
ム２６は、コンデンサレンズ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、偏向プリズム２６の
射出側には、図中紙面垂直方向に延びた縞パターンで構
成された透過型格子パターン板８が設けられている。透
過型格子パターン板８は、透過部と遮光部とが交互に設
けられた格子パターン形成面８ａがウエハ１ａ側になる
ように配置されている。なお、透過型格子パターンの代
わりに、凹凸状の反射型回折格子を適用しても良く、さ
らには、反射部と無反射部とが交互に形成された反射格
子パターンを適用しても良い。

【００１７】ここで、ウエハ１の表面（被検面１ａ）
は、一般的に、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、波長幅の広い白色光源であることが望ましい。な
お、光源６としては、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でもよい。そし
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、投影レンズ５の光
軸ＡＸ１に対して角度θで交差する光軸ＡＸ２に沿って
配置された投射光学系９，１００，１０に入射する。こ
の投射光学系は、集光レンズ９とアフォーカル光学系１
００と投射用対物レンズ１０とで構成され、格子パター
ン形成面８ａと被検面１ａとを共役な配置にする。そし
て、格子パターン形成面８ａと被検面１ａとは、投射光
学系９，１００，１０の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ため、格子パターン形成
面８ａの格子パターンは、被検面１ａの全面にわたって
正確に結像する。ここで、図９を用いて、シャインプル
ーフの条件について説明する。Ａ面上のパターンをＢ面
上に結像する光学系に関して、Ａ面とＢ面とがシャイン
プルーフの条件を満足する状態とは、該光学系のメリジ
オナル断面内において、Ａ面上の延長線と光学系の物側
主平面との交点をＨ、Ｂ面の延長線と光学系の像側主平
面との交点をＨ’とそれぞれした場合、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
しい状態を意味する。シャインプルーフの条件が満たさ
れている場合は、いわゆるアオリの結像関係が成立し、
Ａ面上の任意の一点から射出した光束は、Ｂ面の対応す
る１点に収束する。したがって、Ａ面上の全面の点像が
Ｂ面上に形成される。

【００１８】また、図２に光路を点線で示すように、集
光レンズ９とアフォーカル光学系１００と投射用対物レ
ンズ１０とで構成される投射光学系９，１００，１０
は、いわゆる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
にわたって同倍率である。したがって、格子パターン形
成面８ａが図１で紙面垂直方向を長手方向とする等間隔
の格子状パターンを有しているので、被検面１ａ上に形
成される像は、図１の紙面垂直方向を長手方向とする等
間隔の格子状パターンとなる。

【００１９】図１にもどり、被検面１ａに投射された光
は、該被検面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（第１集光
ユニット）に入射する。集光光学系１１，１２の入射側
光軸ＡＸ３inは、投影レンズ５の光軸ＡＸ１に関して、
投射光学系９，１００，１０の光軸ＡＸ２と線対称とな
るように設けられている。また、被検面１ａと第２面で
あるアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａとの間の光
路中には、走査部材としての振動ミラー３０が設けられ
ており、受光用対物レンズ１１に入射した光は、振動ミ
ラー３０を介して、集光レンズ１２に達する。なお、本
実施形態では、振動ミラー３０は集光光学系１１，１２
の略瞳面に配置されているが、この他にも被検面１ａと
受光面１７ａとの間の光路であれば良い。

【００２０】そして、被検面１ａが投影レンズ５の結像
面と合致しているときには、集光光学系１１，１２によ
る被検面１ａの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
時、被検面１ａからの反射光は、アオリ補正プリズム２
５の入射面２５ａに集光する。入射面２５ａには、遮光
部材として受光スリットＳが設けられている。受光スリ
ットＳは、図３に示すように、例えば、５ヶ所の開口部
Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓ２３，Ｓａ４，Ｓａ５（以下、Ｓａ
１〜Ｓａ５という）を有するように構成されている。集
光光学系１１，１２を透過した被検面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
透過して、アオリ補正プリズム２５に入射する。

【００２１】受光スリットＳの開口部の数が被検面１ａ
上における検出点に対応する。例えば、図４の被検面１
ａに格子パターン形成面８ａの像８０ａが投射されてい
る状態を示す図のように、被検面１ａ上の検出点（検出
領域）Ｄａ１，Ｄａ２，Ｄａ３，Ｄａ４，Ｄａ５（以
下、Ｄａ１〜Ｄａ５という）は、図３に示すように受光
スリットＳの５ヶ所の開口部Ｓａ１〜Ｓａ５に対応す
る。かかる構成により、被検面１ａ上で検出点の数を増
やしたいときは、開口部Ｓａの数を増やせば良いだけで
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。

【００２２】さらに、投影レンズ５による結像面とアオ
リ補正プリズム２５の入射面２５ａとは、集光光学系１
１，１２に関して、シャインプルーフの条件を満たすよ
うに構成されている。したがって、被検面１ａと結像面
が合致している状態では、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が正確に結
像する。また、図２に光路を点線で示すように、集光光
学系１１，１２が両側テレセントリック光学系で構成さ
れているため、被検面１ａ上の各点とプリズム入射面２
５ａ上の共役点とは、全面にわたって同倍率である。し
たがって、被検面１ａが投影レンズ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の紙面垂直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。

【００２３】すなわち、本実施形態において、被検面１
ａと投影レンズ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２５の入射面２５ａは相互にシャインプルーフ
の条件を満足する関係にあり、かつ各面とも全面にわた
って夫々倍率が等しい。次に、被検面１ａの光軸ＡＸ１
方向の変位量がＺであるときの、アオリ補正プリズム２
５の入射面２５ａにおける格子状パターンの像の横ずれ
量ｙを求める。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
１ａ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’とそれぞれすると、横
ずれ量ｙは次式（１）、ｙ＝２・β’・ｔａｎθ・Ｚ＝２（β²ｓｉｎ²θ＋β⁴ｓｉｎ⁴θ／ｃｏｓ²θ）^1/2・Ｚ（１）で示される。すなわち、被検面１ａに投射する格子パタ
ーンの入射角θを大きくすれば、横ずれ量ｙも大きくな
るので、より高精度な面位置の検出が可能となる。

【００２４】また、投射光学系９，１００，１０及び集
光光学系１１，１２は、各々シャインプルーフの条件を
満足しているので、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（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９，１００，１０の横倍率をβ
₄、集光光学系１１，１２の横倍率をβとすると、次式
（２），（３）の関係が成立する。

【００２５】ｔａｎγ＝β₄・ｔａｎθ （２）ｔａｎα＝β・ｔａｎθ （３）第２面上に受光面１７ａを配置した場合には、被検面１
ａに対する入射角θが大きいと、受光面１７ａにおける
光束の入射角も大きくなる。例えば、受光面１７ａにシ
リコン・フォト・ダイオードＳＰＤ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、ＰＳＤ表面での表面反射が多くなると共
に、光束のケラレが生じて受光量が著しく低下するおそ
れがある。

【００２６】本実施形態では、かかる受光量の低下を避
けるために、図１に示したように、偏向光学系として、
第２面上にアオリ補正プリズム２５を配置して、集光光
学系から射出する光束を偏向させている。図５の断面図
に示すように、アオリ補正プリズム２５は、該プリズム
２５によって屈折された射出光線Ｌ２が該プリズム２５
の射出面２５ｂの法線と略平行となるような頂角ξを有
している。アオリ補正プリズム２５へ入射する入射光線
Ｌ１に対する射出光線Ｌ２のなす角度は、アオリ補正プ
リズム２５の屈折率をｎとしたとき、ξ／ｎとなる。角
度ξ／ｎは、集光光学系１１，１２を介してアオリ補正
プリズム２５に入射する入射光線Ｌ１と入射面２５ａと
のなす角度αに比較してかなり小さくなる。

【００２７】また、アオリ補正プリズム２５の射出側に
は、リレーレンズ１４と平面鏡１５とリレーレンズ１６
とからなるリレー光学系１４〜１６（第２集光ユニッ
ト）が配置されている。リレー光学系は、図２に示すよ
うに、両側テレセントリック光学系である。図１に戻
り、アオリ補正プリズム２５に入射した光束は、該プリ
ズム２５により屈折された後、平面鏡１５へ導かれる。
そして、平面鏡１５で反射された光束は、リレー光学系
１４，１６によりリレーされ、受光面１７ａ上に集光さ
れる。すなわち、リレー光学系１４〜１６は、アオリ補
正プリズム２５の入射面２５ａ上に形成された像の共役
像を受光面１７ａ上に形成するものである。

【００２８】次に、アオリ補正プリズム２５の機能につ
いて図５に基づいて説明する。図５において、集光光学
系１１，１２の射出側の光軸ＡＸ３outに平行なビーム
をＬ１とすると、アオリ補正プリズム２５に対するビー
ムＬ１の入射角度はαとなる。そして、図５において、
アオリ補正プリズム２５の屈折率をｎ、屈折角をξとそ
れぞれしたとき、次式（４）が成立する。

【００２９】ξ＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎα／ｎ）（４）本実施形態では、プリズム２５の頂角は、屈折角に等し
くξに設定されているので、アオリ補正プリズム２５の
射出面２５ａから射出されるビームＬ２は、射出面２５
ｂに対して垂直となる。

【００３０】したがって、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、射出されるビ
ーム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（５）で示され
る。

【００３１】ρ＝ｔａｎ^-1(ｔａｎξ／ｎ) （５）リレー光学系１４〜１６の倍率を１とすると、かかるア
オリ角ρがそのまま受光部１７の受光面１７ａとリレー
光学系１４〜１６の射出側の光軸ＡＸ４outに垂直な面
とのなす角度、すなわち受光面１７ａに対する主光線の
入射角となる。

【００３２】例えば、屈折率ｎ＝１．８，入射角α＝８
０．１度とすると、アオリ角ρ＝２０．０度となり、ア
オリ角は０度に近づいている。ここで、受光面１７ａへ
の入射角も２０度であるが、この程度であれば、受光量
の低下は殆ど無いものとみなすことができる。このよう
に本実施形態においては、偏向光学系としてアオリ補正
プリズムを用いて、受光面１７ａに入射する光束の入射
角を小さくできるため、受光面１７ａ上に配置されたシ
リコン・フォト・ダイオードＳＰＤでの受光量の低下を
防止できる。

【００３３】なお、アオリ補正プリズム２５の入射面２
５ａと受光部１７の受光面１７ａとは、リレー光学系１
４〜１６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。また、光源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等のようなプリズム
部材を用いることが望ましい。さらに、偏向光学系とし
て回折格子を用いた場合には、プリズムを用いた場合に
比較して偏向された光線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。

【００３４】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偏向とＳ偏向とで大きく異なるよう
になる。例えば、入射角α＝８０度、屈折率ｎ＝１．８
の場合では、Ｐ偏光の透過率は０．７９、Ｓ偏光の透過
率は０．３７となる。このように、アオリ補正プリズム
２５における透過率が偏光状態によって異なるため、偏
光毎の情報の重みが異なり、被検面１ａの位置を正確に
検出できないおそれがある。これに対して、本実施形態
では、図１に示すように、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
を配置し、該波長板２４により偏光方向を４５度回転さ
せた光束をアオリ補正プリズム２５に入射させる構成で
ある。このため、アオリ補正プリズム２５に入射する光
束は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在した状態となり、被検面
１ａの位置を正確に検出できる。

【００３５】また、１／２波長板の代わりに、１／４波
長板を用いても良い。１／４波長板を用いた場合には、
アオリ補正プリズムへの入射光は円偏光となり、１／２
波長板を用いた場合と同様に、被検面１ａの面位置を正
確に検出できる。さらに好ましくは、アオリ補正プリズ
ム２５の射出面２５ｂと、該射出面から射出する光束Ｌ
２とは略垂直になることが望ましい。射出面２５ｂと光
束Ｌ２とが略垂直にならない場合は、リレー光学系１４
〜１６により入射面２５ａ上の像をリレーする際に、非
点収差等の収差が発生してしまうからである。本実施形
態では、アオリ補正プリズム２５の頂角をアオリ補正プ
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り、射出面２５ｂと光束Ｌ２
とを略垂直としているので、上記収差は発生せずに精度
良く面位置を検出できる。

【００３６】また、アオリ補正プリズム２５の入射面２
５ａ上には、図３に示すように５ヶ所の開口部Ｓａ１〜
Ｓａ５が設けられているので、入射面２５ａに結像され
た格子状パターンの像は、部分的に遮光される。したが
って、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の領域に
形成された格子状パターンの像からの光束のみがアオリ
補正プリズム２５から射出する。

【００３７】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、受光部１７にリレーされる。受光
部１７は、図６に示すように、受光スリットＳの開口部
Ｓａ１〜Ｓａ５に対応する５つのシリコン・フォト・ダ
イオードＳＰＤ１，ＳＰＤ２，ＳＰＤ３，ＳＰＤ４，Ｓ
ＰＤ５（以下、ＳＰＤ１〜ＳＰＤ５という）が受光面１
７ａ上に設けられる構成となっている。シリコン・フォ
ト・ダイオードＳＰＤ１〜ＳＰＤ５上には、開口部Ｓａ
１〜Ｓａ５の像が、スリット像ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ
３，ＳＬ４，ＳＬ５（以下、ＳＬ１〜ＳＬ５という）と
して結像する。スリット像ＳＬ１〜ＳＬ５は、シリコン
・フォト・ダイオードＳＰＤ１〜ＳＰＤ５の大きさより
も小さくなるように結像する。

【００３８】なお、本実施形態では、受光面に複数のシ
リコン・フォト・ダイオードを設けてあるが、ＣＣＤ
（２次元電荷結合型撮像素子）やフォトマルチプライヤ
（光電子像倍管）を用いても良い。そして、被検面１ａ
が投影レンズ５の光軸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上に投影されたパタ
ーンは、被検面１ａの上下に対応してパターンのピッチ
方向に横ずれを起こす。かかる横ずれ量を振動ミラー３
０と受光部１７とを用いて、例えば特開昭５６−４２２
０５号公報に開示された光電顕微鏡の原理により検出す
れば、被検面１ａ上の光軸ＡＸ１方向に関する面位置を
検出できる。

【００３９】次に、図１に基づいて、光電顕微鏡の原理
による面位置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。ミラー駆動部３１は、内部の発振器から
の信号に基づいて、所定周期Ｔで振動ミラー３０を図中
矢印方向に振動させる。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
れる格子状パターンの像も振動する。ここで、入射面２
５ａ上に結像される格子状パターンの振動振幅は、格子
パターンピッチの１／２以下に規定し、また、スリット
Ｓの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の幅も格子状パターン像のピ
ッチの１／２以下に規定する。格子状パターンの像の振
動に伴って、入射面２５ａ上、即ち受光スリットＳの開
口部Ｓａ１〜Ｓａ５の領域を透過する光の光量が変化す
る。そして、透過光は、リレー光学系１４〜１６により
受光部１７上のシリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１
〜ＳＰＤ５の領域に達する。

【００４０】以下、説明を簡単にするため、１個のシリ
コン・フォト・ダイオードＳＰＤ１について説明する。
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上のスリット像
ＳＬ１の領域内に到達する。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。図７に基づ
いて、スリット像ＳＬ１の明るさの変化について説明す
る。図７は、受光スリットＳの開口部Ｓａ１近傍を拡大
した図である。格子状パターンＳＴは、ピッチＰｓｔで
受光スリットＳ上に形成されており、格子状パターンＳ
Ｔは、振動ミラー３０の振動に伴って図中矢印方向に振
動する。

【００４１】ここで、開口部Ｓａ１の幅ＷＳａ１は、以
下の条件式（６）を満足することが望ましい。

【００４２】ＷＳａ１≦Ｐｓｔ／２（６）また、振動する格子状パターンＳＴの幅Ａｓｔは、以下
の条件式（７）を満足することが望ましい。

【００４３】Ａｓｔ≦Ｐｓｔ／２（７）上記条件（６）又は（７）を満足しない場合は、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
くなるため、面位置の検出精度が低下してしまい好まし
くない。本実施形態では、スリットＳの開口部の幅ＷＳ
ａ１は格子状パターン像のピッチＳＴの１／２以下に規
定し、また格子状パターンＳＴの振動振幅Ａｓｔも格子
パターンピッチＰｓｔの１／２以下に規定しているの
で、振動ミラー３０の振動に伴う光量変化が小さくなる
おそれはない。

【００４４】また、開口部Ｓａ１の位置は、被検面１ａ
と投影レンズの結像面とが一致しているときに、開口部
Ｓａ１の中心が格子状パターンＳＴの振動中心に一致す
るように設けられている。そして、スリットＳの開口部
の幅ＷＳａ１は格子状パターン像のピッチＳＴの１／２
以下に規定し、また格子状パターンＳＴの振動振幅Ａｓ
ｔも格子パターンピッチＰｓｔの１／２以下であるの
で、格子状パターンＳＴが振動すると、シリコン・フォ
ト・ダイオードＳＰＤ１上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、光強度
の変化、即ち光変調に応じた検出出力ＳＤ１を検出部１
８に出力する。

【００４５】同様に、他のシリコン・フォト・ダイオー
ドＳＰＤ２，ＳＰＤ３，ＳＰＤ４，ＳＤＰ５において
も、スリット像ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５の光変
調に応じた検出出力ＳＤ２，ＳＤ３，ＳＤ４，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。検出部１８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，ＳＤ
２，ＳＤ３，ＳＤ４，ＳＤ５（以下、ＳＤ１〜ＳＤ５と
いう）の同期整流、即ち同期検波が行われ、検波出力信
号ＦＳ１，ＦＳ２，ＦＳ３，ＦＳ４，ＦＳ５（以下、Ｆ
Ｓ１〜ＦＳ５という）が補正量算出部へ出力される。検
波出力信号ＦＳ１〜ＦＳ５は、いわゆるＳカーブと呼ば
れ、被検面１ａ上の検出領域Ｄａ１，Ｄａ２，Ｄａ３，
Ｄａ４，Ｄａ５（以下、Ｄａ１〜Ｄａ５という）が、投
影レンズ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の検出領域Ｄａ１〜Ｄａ５が投影レンズ
５の結像面より上方に変位している場合には正のレベ
ル、逆に下方に変位している場合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１
ａの変位に対応した出力値を示す。

【００４６】そして、検波出力信号ＦＳ１〜ＦＳ５が出
力された補正量算出部１９は、検波出力信号ＦＳ１〜Ｆ
Ｓ５の正負レベルに基づいて、被検面１ａの各検出領域
Ｄａ１〜Ｄａ５のフォーカシング方向の位置をそれぞれ
算出し、被検面１ａの平均的な傾きと、被検面１ａのフ
ォーカシング方向の位置を求める。そして、被検面１ａ
が投影レンズ５の焦点深度の範囲内に位置するような傾
きの補正量、及びフォーカシング方向の補正量をそれぞ
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。

【００４７】駆動部４は、傾きの補正量に基づいて、保
持機構３を駆動させて、ホルダー２のレベリングを行わ
せると共に、フォーカシング方向の補正量に基づいて、
ウエハホルダー２を駆動させてウエハ１のフォーカシン
グ方向の駆動を行わせる。かかる構成により、被検面１
ａの複数の検出点を同時に検出し、検出出力に基づい
て、被検面を所定位置に位置させることができる。ま
た、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
良い。この場合、スリット像ＳＬ６ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ
６ｃの間隔Ｐｓｐｄは、次式（８）を満足することが望
ましい。

【００４８】Ｐｓｐｄ＝ｍ・Ｐｓｔ（８）ここで、ｍは整数である。

【００４９】さらに、スリット像ＳＬ６ａ，ＳＬ６ｂ，
ＳＬ６ｃの幅Ｗｓｐｄ６は、次式（９）を満足すること
が望ましい。

【００５０】Ｗｓｐｄ６≦Ｐｓｔ／２（９）スリット像ＳＬ６ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃの間隔Ｐｓｐ
ｄが上記（８）式を満足しない場合は、各スリット像Ｓ
Ｌ６ａ，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
正確になり好ましくない。また、スリット像ＳＬ６ａ，
ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃのの幅Ｗｓｐｄ６が上記（９）式の
上限値を超えると、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。

【００５１】本実施形態の構成によれば、シリコン・フ
ォト・ダイオードＳＰＤ６上での受光量が増加するとい
う利点と、対応する被検面１ａ上の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。

【００５２】また、本実施形態においては、受光面１７
ａ上に設けられたシリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ
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を介さない場合は、シリコン・フォト・ダイオード
ＳＰＤの領域が被検面１ａ上での受光領域となる。即
ち、被検面１ａでの検出領域に対応した位置にシリコン
・フォト・ダイオードＳＰＤを配置すれば良い。

【００５３】また、本実施形態においては、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２５
ａ）に配置されているが、これは、受光部１７の受光面
１７ａ上であっても良い。この時、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、本実
施形態では、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良い。こ
の場合には、受光スリットＳの開口部Ｓａの数が大幅に
増加しても、対応できる利点がある。

【００５４】また、被検面１ａとしてのウエハ表面は、
プロセスによっては必ずしも平面になるとは限らない。
この場合には、被検面１ａ上の検出領域（検出点）の数
を増加させれば良い。このためには、検出領域に対応す
る受光スリットＳの開口部の個所を増加させれば良い。
このように、本面位置検出装置は、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面位置を検出でき
る。また、検出点の数が増加しても、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無い。

【００５５】次に、投射光学系、特にアフォーカル変倍
光学系部１００について説明する。図１０は、図１の投
射光学系に関して格子パターン形成面８ａから被検面１
ａまでの構成を一般的な薄肉レンズ系の記号を用いて模
式的に示した図である。なお、図１０では変倍光学系の
本質を簡易的に説明するものとして、図１のシャインプ
ルーフの条件を満たしたアオリの光学系ではなく、光軸
に垂直な断面に対する共役関係のみを示している。投射
光学系は全系で変倍テレセントリック光学系であり、格
子パターン形成面８ａ側から順に、正屈折力の集光レン
ズ９と、屈折力が零（ゼロ）すなわちアフォーカル系の
変倍光学系部１００と、正屈折力の投射用対物レンズ１
０とから構成されている。なお、屈折力は厳密に零でな
くとも、略零の実質的なアフォーカル系でも良い。格子
パターン形成面８ａは集光レンズ９の前側焦点位置に配
置されているので、格子パターン形成面８ａのパターン
像は対物レンズ１０の後側焦点位置にある被検面１ａ上
に結像される。

【００５６】変倍光学系部１００は、格子パターン形成
面８ａ側から順に、第１凸レンズＬ１と、凹レンズＬ２
と、第２凸レンズＬ３とから構成され、中央の凹レンズ
Ｌ２が変倍レンズ群として光軸ＡＸ方向に移動可能に配
置されている。また、開口絞りＳＴＰは凹レンズＬ２と
第２凸レンズＬ３との間で、且つ凹レンズＬ２の近傍に
配置されている。なお、変倍光学系部１００の構成につ
いては、凹レンズ、凸レンズ、凹レンズの構成とするこ
ともできる。

【００５７】ここで例えば、集光レンズ９の焦点距離を
１００ｍｍ、対物レンズ１０の焦点距離を１００ｍｍ、
変倍光学系凸レンズＬ１，Ｌ３の焦点距離を１０００ｍ
ｍ、変倍光学系凹レンズＬ２の焦点距離を−４９５ｍ
ｍ、とそれぞれすると、初期状態（等倍状態）での各レ
ンズ間隔（主点間隔）は、格子パターン面８ａから集光
レンズ９までは１００ｍｍ、集光レンズ９から変倍光学
系第１凸レンズＬ１までは８９．８９９ｍｍ、第１凸レ
ンズＬ１から凹レンズＬ２までは１０ｍｍ、凹レンズＬ
２から第２凸レンズＬ３までは１０ｍｍ、第２凸レンズ
Ｌ３から対物レンズ１０までは８９．８９９ｍｍ、対物
レンズ１０から被検面１ａまでは１００ｍｍ、となる。
このとき、倍率は１倍、全長は３９９．７９８ｍｍ、瞳
位置は無限遠である。また、集光レンズ９の後側焦点位
置と対物レンズ１０の前側焦点位置とが略一致し、かつ
その一致する位置に変倍光学系部の凹レンズＬ２が配置
される。すなわち、フーリエ変換面として定義される瞳
面は変倍光学系部の凹レンズＬ２の主平面と一致するこ
とになる。このことからも、開口絞りＳＴＰを変倍光学
系の凹レンズＬ２近傍に配置する必要性がわかる。

【００５８】ここで、凹レンズＬ２のみを格子パターン
形成面８ａ側に５ｍｍ移動させ、その他のレンズは固定
した場合の結像関係を考えると、倍率は０．９９倍、焦
点移動は０．５μｍとなり、射出瞳位置までの距離は有
限な値となり、元の瞳面（フーリエ変換面）を基準にし
て格子パターン形成面８ａ側に１９１９１０ｍｍの位置
となる。すなわち、１％程度の倍率変化の範囲では、実
用上像移動は無視することができ、テレセントリック性
も略維持されているとみなすことができる。したがって
倍率を微調整する場合には凹レンズＬ２のみを光軸ＡＸ
方向に移動させることで、テレセントリック性を維持し
つつ物像間距離を固定して倍率調整ができる。なお、厳
密に像移動を抑制するには凹レンズＬ２のほかに変倍光
学系部の凸レンズＬ１，Ｌ３の何れかを光軸ＡＸ方向に
移動すれば良く、またさらにテレセントリック性を厳密
に抑制するには変倍光学系部１００全体を光軸ＡＸ方向
に移動すれば良い。

【００５９】次に、開口絞りＳＴＰの移動によるテレセ
ントリック性への影響を説明する。図１１は、開口絞り
ＳＴＰが格子パターン形成面８ａ側に移動した場合の光
路図である。図１１の点線に示すように、開口絞りＳＴ
Ｐで決まる実質的なテレセントリック性が変化すること
がわかる。上述例と同様に開口絞りＳＴＰを瞳面から格
子パターン形成面８ａ側に５ｍｍ移動させた場合は、元
の瞳面から射出瞳位置までの距離は被検面１ａ側に２０
５０ｍｍとなる。このことから、開口絞りＳＴＰの移動
によるテレセントリック性の変化は、凹レンズＬ２を移
動させた場合のテレセントリック性の変化に比較して桁
違いに大きいことがわかる。このことから、凹レンズＬ
２を移動して倍率調整する際に伴う開口絞りＳＴＰの移
動による影響を無視できないことがわかる。

【００６０】そこで、本実施形態では、図１２（Ａ），
（Ｂ）に示すように、倍率調整の為に凹レンズＬ２を移
動する方向により開口絞りＳＴＰの位置を凹レンズＬ２
に対して反転可能な構成としている。例えば、図１２
（Ａ）に示すように、凹レンズＬ２を光軸ＡＸに沿って
格子パターン形成面８ａ側に移動する場合は、開口絞り
ＳＴＰを凹レンズＬ２と第２凸レンズＬ３との間に配置
し、開口絞りＳＴＰが瞳面よりも格子パターン形成面８
ａ側には移動しない構成とする。また、図１２（Ｂ）に
示すように、凹レンズＬ２を光軸ＡＸに沿って被検面１
ａ側に移動する場合は、開口絞りＳＴＰを凹レンズＬ２
と第１凸レンズＬ１との間に配置し、開口絞りＳＴＰが
瞳面よりも被検面１ａ側には移動しない構成とする。か
かる配置の変更は、凹レンズＬ２と開口絞りＳＴＰとを
一体のユニットとして形成し、該ユニットを光路内へ適
宜向きを反転して挿脱可能とすれば良い。この場合、凹
レンズＬ２が瞳面位置になる場合を基準として、開口絞
りＳＴＰが格子パターン形成面８ａ又は被検面１ａのい
ずれの側にあるかを判断基準にして、前記ユニットを光
路内へ挿入すれば良い。また、レンズＬ１〜Ｌ３は単レ
ンズに限られず、各々複数のレンズで構成しても良い。

【００６１】次に、面位置検出装置を組み立てる場合
の、光学系の初期設定の手順について説明する。投射光
学系と被検面、及び集光光学系とプリズム入射面はそれ
ぞれ正確に合焦していることが望ましい。図１３
（Ａ）、（Ｂ）は初期設定の手順を簡略に説明した図で
あり、説明を簡単にするため投射光学系９，１００，１
０を単にレンズＬと省略する。図１３（Ａ）において、
被検面１ａが投射光学系Ｌの焦点位置に位置している場
合は、点Ｆに入射光束が集光する。また、被検面が１
ａ’の位置にデフォーカスすると、１ａ’面における光
量重心はＣの位置となる。ここで、図１３（Ｂ）に示す
ように、入射光束をナイフエッジＫＥで徐々に遮光して
ゆくと、合焦している状態の被検面１ａではＦの位置に
集光するが、デフォーカスしている１ａ’の状態では光
量重心がＣ’の位置へ移動する。このように、被検面が
デフォーカスしていると、ナイフエッジＫＥの遮光量に
対応して被検面における光量の重心位置がシフトしてし
まう。この事を利用して、ナイフエッジＫＥを光路中へ
挿入していっても光量重心の位置が一定となるように投
射光学系Ｌと被検面１ａとの間隔を調整すれば、合焦状
態にすることができる。また、かかる手順の他にも、例
えば開口絞りを光軸の回りに回転させて被検面における
光量の重心移動を検出しても光学系の初期調整を行うこ
とができる。さらに、集光光学系１１，１２とプリズム
入射面２５ａについても同様な初期設定手順を行い、合
焦状態にすることができる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
両側テレセントリック光学系において開口絞りと変倍光
学系を瞳面近傍に一体として配置した場合でも、光学系
のテレセントリック性を維持して被検面の広い検出領域
全域にわたって高精度に被検面の面位置を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる面位置検出装置の
構成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかる面位置検出装置の
光学系を示す図である。

【図３】受光スリットの平面図である。

【図４】被検面上に投射された格子パターンと検出領域
との関係を示す図である。

【図５】アオリ補正プリズムの構成を示す図である。

【図６】受光面上のシリコン・フォト・ダイオードの配
置とスリット像との関係を示す平面図である。

【図７】受光スリット上の開口部を拡大して示した図で
ある。

【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た例を示す平面図である。

【図９】シャインプルーフの条件を説明する図である。

【図１０】投射光学系の構成を示す図である。

【図１１】開口絞りが移動した場合の光路図である。

【図１２】（Ａ），（Ｂ）は開口絞りと第２レンズ群と
の配置が変更される様子を示す図である。

【図１３】（Ａ）、（Ｂ）は光学系を初期設定するとき
の原理を説明する図である。

【符号の説明】

１ａ被検面５投影レンズ８透過型格子パターン板８ａ格子パターン形成面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受光部１７ａ受光面２５アオリ補正プリズム２５ａ入射面（第２面）３０振動ミラー３１振動ミラー駆動部１００アフォーカル変倍光学系ＳＴＰ開口絞りＳ受光スリットＬ１第１レンズＬ２第２レンズＬ３第３レンズＫＥナイフエッジ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上に形成された所定のパターン
と、被検面上に対して斜め方向から前記所定のパターンを投
射する投射光学系と、前記被検面で反射した光束を集光して前記所定のパター
ンの像を第２面上に結像する集光光学系と、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
備え、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、少なくとも前記投射光学系と前記集光光学系との一方
は、変倍レンズ群を含む変倍光学系部と、前記被検面に
投射される光束と前記被検面で反射した光束との少なく
とも一方の光束の所定方向の開き角を制限するための開
き角制限部材とを備え、該開き角制限部材と前記変倍レンズ群との配置順序が変
更できることを特徴とする面位置検出装置。
【請求項２】前記変倍光学系部は、第１面から順に、
少なくとも第１レンズ群と第２レンズ群と第３レンズ群
とからなるアフォーカル光学系を有し、前記第２レンズ
群が前記変倍レンズ群として光軸方向に移動することで
変倍を行い、前記開き角制限部材は前記第１レンズ群と
第２レンズ群との間、又は前記第２レンズ群と第３レン
ズ群との間に配置され、前記開き角制限部材と前記第２
レンズ群との配置順序を変更できることを特徴とする請
求項１記載の面位置検出装置。