JP2010010240A - 面位置検出装置、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学部材の変動に影響されずに被検面の面位置を高精度に検出する。
【解決手段】 第１パターンからの第１測定光および第２パターンからの第２測定光を被検面（Ｗａ）へ導いて第１パターンの中間像および第２パターンの中間像を投射する送光光学系（４〜９）と、被検面によって反射された第１測定光および第２測定光を第１観測面（２３ａ）および第２観測面（２３ａ）へ導いて第１パターンの観測像および第２パターンの観測像を形成する受光光学系（２９〜２４）と、第１パターンの観測像および第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、各位置情報に基づいて被検面の面位置を算出する検出部（２３〜２１，ＰＲ）とを備えている。送光光学系は、第１測定光の被検面への入射面に沿った第１パターンの中間像の投射倍率と、第２測定光の被検面への入射面に沿った第２パターンの中間像の投射倍率とを異ならせる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被検面の面位置を検出する面位置検出装置、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。

マスク上に形成されたパターンを、投影光学系を介して感光性基板上に転写する露光装置においては、投影光学系の焦点深度が浅く、感光性基板の感光面（転写面）が平坦でない場合もある。このため、露光装置では、投影光学系の結像面に対する感光性基板の感光面の位置決め調整を正確に行う必要がある。投影光学系の光軸方向に沿った感光性基板の面位置（感光面の面位置）を検出する面位置検出装置として、例えば斜入射型オートフォーカスセンサが知られている（特許文献１を参照）。この斜入射型オートフォーカスセンサでは、被検面としての感光性基板に対して斜め方向からスリットの像を投射し、被検面で反射された光により形成されるスリットの像の位置情報を検出し、この位置情報に基づいて感光性基板の面位置を検出する。
特開平４−２１５０１５号公報

上述の斜入射型オートフォーカスセンサにおいては、斜入射型オートフォーカスセンサを構成する光学系内の光学部材の変動（位置変動、屈折率変動等）が発生した場合、感光性基板の面位置を正確に検出することができないという問題があった。本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光学部材の変動に影響されずに被検面の面位置を高精度に検出することのできる面位置検出装置、露光装置およびデバイス製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の面位置検出装置では、第１パターンからの第１測定光および第２パターンからの第２測定光を被検面へ導いて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射する送光光学系と、前記被検面によって反射された前記第１測定光および前記第２測定光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成する受光光学系と、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出する検出部とを備え、前記送光光学系は、前記第１測定光の前記被検面への第１入射面に沿った前記第１パターンの中間像の第１投射倍率と、前記第２測定光の前記被検面への第２入射面に沿った前記第２パターンの中間像の第２投射倍率とを異ならせることを特徴とする。

本発明の露光装置では、感光性基板が載置される基板ステージと、パターンを有するマスクが載置されるマスクステージと、前記感光性基板の感光面および前記マスクのパターン面の少なくとも一方の面位置を検出する本発明の面位置検出装置と、前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記基板ステージおよび前記マスクステージの相対的な位置合わせをする位置合わせ機構と、前記位置合わせ機構によって位置合わせされた前記パターンを介して前記感光基板に露光光を照射する照明装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明のデバイス製造方法では、本発明にかかる露光装置を用いて、前記パターンを前記感光性基板に転写する露光工程と、前記パターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記パターンに対応する形状の転写パターン層を前記感光性基板に形成する現像工程と、前記転写パターン層を介して前記感光性基板を加工する加工工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の面位置検出装置では、第１パターンからの第１測定光および第２パターンからの第２測定光が、第１測定光と第２測定光とに共通な光学部材（以下、共通光学部材と呼ぶ。）を経て被検面に入射する。ただし、第１測定光の被検面への入射面に沿った第１パターンの中間像の投射倍率と、第２測定光の被検面への入射面に沿った第２パターンの中間像の投射倍率とは異なる。被検面によって反射された第１測定光および第２測定光は、第１パターンの観測像および第２パターンの観測像を、第１観測面および第２観測面にそれぞれ形成する。したがって、第１測定光と第２測定光とは面位置の検出感度が互いに異なり、且つ第１パターンの観測像と第２パターンの観測像とは共通光学部材の変動の影響に関する情報を含んでいる。

換言すれば、第１パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される被検面の面位置および第２パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される被検面の面位置は、共通光学部材の変動に起因する面位置の検出誤差を共通に含んでいる。したがって、第１測定光に基づいて算出される面位置と第２測定光に基づいて算出される面位置とを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置を算出することができる。すなわち、本発明の面位置検出装置、露光装置およびデバイス製造方法では、共通光学部材の変動に影響されずに被検面の面位置を高精度に検出することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる面位置検出装置を備えた露光装置の構成を示す図である。図２は、本実施形態の第１実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。図１では、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向にＺ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に平行にＸ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に垂直にＹ軸を設定している。図１および図２では、図面の明瞭化のために、送光側の落射プリズム８と受光側の落射プリズム２８との間の光路中に配置されたアナモルフィック（anamorphic）プリズム９および２９の図示を省略している。図２では、面位置検出装置の構成の理解を容易にするために、第２対物レンズ５と第１対物レンズ７との間の光路および第１対物レンズ２７と第２対物レンズ２５との間の光路を直線状に展開している。

本実施形態の各実施例では、露光装置においてパターンが転写される感光性基板の面位置の検出に対して本発明の面位置検出装置を適用している。図１に示す露光装置は、露光用光源（不図示）から射出された照明光（露光光）で、所定のパターンが形成されたマスクとしてのレチクルＲを照明する照明系ＩＬを備えている。レチクルＲは、レチクルステージＲＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。レチクルステージＲＳは、図示を省略した駆動系の作用により、ＸＹ平面に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル干渉計（不図示）によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。レチクルＲを透過した露光光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷの表面（感光面）Ｗａ上にレチクルＲのパターンの像を形成する。ウェハＷは、ＺステージＶＳ上においてＸＹ平面と平行に保持されている。ＺステージＶＳは、投影光学系ＰＬの像面と平行なＸＹ平面に沿って移動するＸＹステージＨＳ上に取り付けられている。ＺステージＶＳは、制御部ＣＲからの指示に従って駆動系ＶＤの作用により動作し、ウェハＷのフォーカス位置（Ｚ方向の位置）および傾斜角（ＸＹ平面に対するウェハＷの表面の傾き）を調整する。

ＺステージＶＳには移動鏡（不図示）が設けられ、この移動鏡を用いるウェハ干渉計（不図示）が、ＺステージＶＳのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、およびＺ軸廻りの回転方向の位置をリアルタイムに計測し、計測結果を制御部ＣＲに出力する。ＸＹステージＨＳは、ベース（不図示）上に載置されている。ＸＹステージＨＳは、制御部ＣＲからの指示に従って駆動系ＨＤの作用により動作し、ウェハＷのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、およびＺ軸廻りの回転方向の位置を調整する。レチクルＲのパターン面上に設けられた回路パターンをウェハＷの感光面Ｗａ上の各露光領域に良好に転写するには、各露光領域への露光毎に、投影光学系ＰＬによる結像面を中心とした焦点深度の幅の範囲内に、現在の露光領域を位置合わせする必要がある。そのためには、現在の露光領域における各点の光軸ＡＸに沿った位置、つまり現在の露光領域の面位置を正確に検出した後に、その検出結果に基づいて、ＺステージＶＳのレベリング（ウェハＷの傾斜角の調整；水平出し）およびＺ方向の移動を、ひいてはウェハＷのレベリングおよびＺ方向の移動を行えば良い。そこで、本実施形態の露光装置は、露光領域の面位置を検出するための面位置検出装置を備えている。

図１および図２を参照すると、第１実施例の面位置検出装置は、検出光を供給するための光源１を備えている。一般に、被検面であるウェハＷの表面は、レジスト等の薄膜で覆われている。したがって、この薄膜による干渉の影響を低減するために、光源１は波長幅の広い白色光源（たとえば、波長幅が６００〜９００ｎｍの照明光を供給するハロゲンランプや、これと同様の帯域の広い照明光を供給するキセノン光源など）であることが望ましい。なお、光源１として、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を用いることもできる。光源１からの光は、コンデンサーレンズ２を介して、送光プリズム３に入射する。送光プリズム３は、コンデンサーレンズ２からの光を、屈折作用により後続の第２対物レンズ５に向かって偏向させる。送光プリズム３の射出面３ａには、例えば図３に示すように配列された５個の測定光用の送光スリットＳｍ１，Ｓｍ２，Ｓｍ３，Ｓｍ４，Ｓｍ５および５個の参照光用の送光スリットＳｒ１，Ｓｒ２，Ｓｒ３，Ｓｒ４，Ｓｒ５が設けられている。図３では、射出面３ａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ１軸を、射出面３ａにおいてｙ１軸と直交する方向にｘ１軸を設定している。

送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５は、例えばｘ１方向およびｙ１方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５以外の領域は遮光部である。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５も、例えばｘ１方向およびｙ１方向に対して斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５以外の領域は遮光部である。測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５および参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５はｘ１方向に沿って所定のピッチでそれぞれ一列に配列され、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の列と送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の列とはｙ１方向に間隔を隔てている。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の要素パターンのｘ１方向に沿ったピッチおよびｘ１方向に沿った寸法は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の要素パターンのｘ１方向に沿ったピッチおよびｘ１方向に沿った寸法よりも大きく設定されている。

このように、測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５は５個の要素パターンがｘ１方向に沿って所定のピッチで一列に配列された配列パターンであり、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は５個の要素パターンがｘ１方向に沿って所定のピッチで一列に配列された配列パターンである。なお、測定パターンおよび参照パターンを構成する要素パターンの形状、数、配列などについて様々な変形例が可能である。送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を通過した測定光は、測定光の光路中に配置された光路長補正部材としての平行平面板４を透過した後、第２対物レンズ５、走査手段としての振動ミラー（図２では不図示）６、および第１対物レンズ７を介して、落射プリズム８に入射する。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を通過した参照光は、平行平面板４を通過することなく、第２対物レンズ５、振動ミラー６、および第１対物レンズ７を介して、落射プリズム８に入射する。

第２対物レンズ５と第１対物レンズ７とは、協働して送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の中間像および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の中間像を形成する。振動ミラー６は、第１対物レンズ７の前側焦点位置に配置され、図１中矢印で示すようにＹ軸廻りに回動可能に構成されている。落射プリズム８は、ＸＺ平面に沿って平行四辺形状の断面を有し、Ｙ方向に延びる柱状のプリズム部材である。図４および図５において実線で示すように測定光路に沿って落射プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂおよび８ｃによって順次反射された後、射出面８ｄから射出され、被検面としての感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡに、ＸＺ平面に沿って斜め方向から入射する。測定光Ｌｍの入射角θｍは、例えば８０度以上９０度未満の大きな角度に設定されている。図４および図５において破線で示すように、測定光路からＹ方向およびＺ方向に間隔を隔てた参照光路に沿って落射プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂおよび８ｃによって順次反射された後、射出面８ｄから射出される。

射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、アナモルフィックプリズム９を介した後、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面と平行な入射面に沿って、感光面Ｗａ上において検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢ（図６参照）に斜め方向から入射する。参照光Ｌｒの入射角θｒは、測定光Ｌｍの入射角θｍと同じ角度に設定されている。また、感光面Ｗａへの測定光Ｌｍの入射位置のＸ方向座標と、感光面Ｗａへの参照光Ｌｒの入射位置のＸ方向座標とは互いに一致している。すなわち、落射プリズム８からの測定光Ｌｍと参照光Ｌｒとは互いに平行な平面に沿って感光面Ｗａに入射し、落射プリズム８から感光面Ｗａに入射する測定光Ｌｍの光路と参照光Ｌｒの光路とはＹ方向に沿って見ると互いに一致している。アナモルフィックプリズム９は、参照光Ｌｒの光路中に配置された一対の偏角プリズム（くさびプリズム）からなり、参照光Ｌｒの光路をＺ方向に平行移動させるとともに、入射した参照光束の断面のＺ方向寸法だけを変化させて射出する変倍機能を有する。換言すれば、落射プリズム８と感光面Ｗａとの間の光路中にアナモルフィックプリズム９が介在する場合と介在しない場合とでは、感光面Ｗａに投射される参照パターンの中間像Ｉｒ１，Ｉｒ２，Ｉｒ３，Ｉｒ４，Ｉｒ５（図６を参照）の各要素パターンのＸ方向ピッチおよびＸ方向寸法が異なる。これに対し、落射プリズム８から射出された測定光Ｌｍは、アナモルフィックプリズム９の変倍機能を受けることなく感光面Ｗａに達する。

こうして、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図６に模式的に示すように、測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｍ３，Ｉｍ４，Ｉｍ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。各中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心は、検出領域ＤＡにおける検出点に対応している。感光面Ｗａ上において検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢには、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。すなわち、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の列と参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の列とは、Ｙ方向に間隔を隔てて互いに平行である。また、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンのＸ方向ピッチおよびＸ方向寸法と、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の要素パターンのＸ方向ピッチおよびＸ方向寸法とは等しい。また、中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の各要素パターンの長手方向と中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の各要素パターンの長手方向とは互いに平行である。さらに、中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の各要素パターンのＸ方向座標と、中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の対応する要素パターンのＸ方向座標とが互いに一致している。

このように、平行平面板４、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、落射プリズム８、およびアナモルフィックプリズム９は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光（第１測定光）および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光（第２測定光）を互いに同じ入射角で感光面Ｗａにそれぞれ入射させ、感光面Ｗａに測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を投射する送光光学系を構成している。送光光学系は、アナモルフィックプリズム９の変倍作用により、測定光の感光面Ｗａへの入射面に沿った測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の投射倍率と、参照光の感光面Ｗａへの入射面に沿った参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の投射倍率とを異ならせる機能を有する。また、送光光学系は、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５と参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５とを感光面Ｗａ上で平行に配列させる。また、送光光学系は、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の間で隣接する要素パターン（例えばＩｍ３とＩｒ３と）を、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の配列方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に配列させる。

第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、および落射プリズム８は、測定光および参照光に対して共通に設けられた送光側共通光学部材であり、第２対物レンズ５および第１対物レンズ７は、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を形成する送光側結像部を構成している。アナモルフィックプリズム９は、送光側結像部（５，７）が形成する測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を相対的に変倍する送光側変倍部を構成している。送光側変倍部としてのアナモルフィックプリズム９は、送光側結像部（５，７）と感光面Ｗａとの間の光路中に配置されている。なお、送光側変倍部の具体的な構成については様々な形態が可能である。例えば、送光側変倍部として、アフォーカルレンズ系を含む変倍レンズ系を用いることができる。ここで、アフォーカルレンズ系には、通常の軸対称のレンズ系、シリンドリカルレンズ系などが含まれる。

図４および図５を参照すると、感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍは、落射プリズム２８に入射する。落射プリズム２８は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して落射プリズム８と対称な位置に配置され且つ対称的な構成を有する。具体的には、落射プリズム２８は、落射プリズム８を入射面８ａについて反転した構成を有する。したがって、落射プリズム２８の入射面２８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面２８ｂおよび２８ｃで順次反射された後、射出面２８ｄから射出される。一方、感光面Ｗａによって反射された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍの光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って、アナモルフィックプリズム２９に入射する。アナモルフィックプリズム２９は、参照光Ｌｒの光路中に配置され、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関してアナモルフィックプリズム９と対称な位置に配置され且つ対称的な構成を有する。したがって、アナモルフィックプリズム２９によってアナモルフィックプリズム９とは逆の変倍作用を受けた参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍの光路からＹ方向およびＺ方向に間隔を隔てた光路に沿って、落射プリズム２８に入射する。落射プリズム２８の入射面２８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面２８ｂおよび２８ｃで順次反射された後、射出面２８ｄから射出される。射出面２８ｄから射出された測定光Ｌｍおよび参照光Ｌｒは、Ｙ方向およびＺ方向に間隔を隔てた光路に沿って、後続の第１対物レンズ２７（図４および図５では不図示）へ導かれる。

図１および図２を参照すると、落射プリズム２８から射出された測定光は、第１対物レンズ２７、ミラー（図２では不図示）２６、および第２対物レンズ２５を介した後、平行平面板２４を透過して、受光プリズム２３に入射する。第１対物レンズ２７、ミラー２６、第２対物レンズ２５、平行平面板２４、および受光プリズム２３は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して、第１対物レンズ７、振動ミラー６、第２対物レンズ５、平行平面板４、および送光プリズム３とそれぞれ対称な位置に配置され且つそれぞれ対称的な構成を有する。ただし、ミラー２６は、振動ミラー６とは異なり、固定的に設置されている。平行平面板２４は、測定光の光路中に配置されて、平行平面板４と同じ光路長補正特性を有する。落射プリズム２８から射出された参照光は、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５を介した後、平行平面板２４を通過することなく、受光プリズム２３に入射する。受光プリズム２３の入射面２３ａ（送光プリズム３の射出面３ａに対応する面）には、図７に示すように、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応した５個の受光スリットＳｍａ１，Ｓｍａ２，Ｓｍａ３，Ｓｍａ４，Ｓｍａ５および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応した５個の受光スリットＳｒａ１，Ｓｒａ２，Ｓｒａ３，Ｓｒａ４，Ｓｒａ５が設けられている。図７では、入射面２３ａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ２軸を、入射面２３ａにおいてｙ２軸と直交する方向にｘ２軸を設定している。

受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５はｘ２方向およびｙ２方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５以外の領域は遮光部である。受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５もｘ２方向およびｙ２方向に対して斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５以外の領域は遮光部である。受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５はｘ２方向に沿って所定のピッチ（例えば、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５と等しいピッチ）で配列され、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５もｘ２方向に沿って所定のピッチ（例えば、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５と等しいピッチ）で配列されている。受光プリズム２３の入射面２３ａには、測定光用の送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像および参照光用の送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像が形成される。すなわち、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像として、ｘ２方向およびｙ２方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個のスリット状の要素パターンがｘ２方向に沿って所定のピッチで形成される。また、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像として、ｘ２方向およびｙ２方向に対して斜め方向に細長く延びる５個のスリット状の要素パターンがｘ２方向に沿って所定のピッチで形成される。

すなわち、測定パターンの観測像の列と参照パターンの観測像の列とは、ｙ２方向に間隔を隔てて互いに平行である。また、測定パターンの観測像の要素パターンのｘ２方向ピッチおよびｘ２方向寸法と、参照パターンの観測像の要素パターンのｘ２方向ピッチおよびｘ２方向寸法とは、それぞれ受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５と受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５とのｘ２方向ピッチおよびｘ２方向寸法に等しい。また、測定パターンの観測像の各要素パターンのｘ２方向座標と、この各要素パターンに対応する参照パターンの観測像の要素パターンのｘ２方向座標とが互いに一致している。さらに詳細には、測定パターンである送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対する測定パターンの観測像の倍率と、参照パターンである送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対する参照パターンの観測像の倍率とは互いに等しい。また、測定パターンである送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対する測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の倍率と、測定パターンの観測像に対する測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の倍率とは互いに等しく、参照パターンである送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対する参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の倍率と、参照パターンの観測像に対する参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の倍率とは互いに等しい。測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５は、測定パターンの観測像の各要素パターンに対応するように設けられている。参照光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５は、参照パターンの観測像の各要素パターンに対応するように設けられている。

このように、アナモルフィックプリズム２９、落射プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、第２対物レンズ２５、および平行平面板２４は、感光面Ｗａによって反射された測定光および参照光をそれぞれ第１観測面としての入射面２３ａ上および第２観測面としての入射面２３ａ上へ導いて、第１観測面に測定パターンの観測像を形成するとともに第２観測面に参照パターンの観測像を形成する受光光学系を構成している。受光光学系は、アナモルフィックプリズム２９の変倍作用により、測定光の第１観測面への入射面に沿った測定パターンの観測像の投射倍率と、参照光の第２観測面への入射面に沿った参照パターンの観測像の投射倍率とを異ならせる機能を有する。落射プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５は、感光面Ｗａによって反射された測定光および参照光に対して共通に設けられた受光側共通光学部材である。

第１対物レンズ２７および第２対物レンズ２５は、測定パターンの観測像および参照パターンの観測像を形成する受光側結像部を構成している。アナモルフィックプリズム２９は、受光側結像部（２７，２５）が形成する測定パターンの観測像および参照パターンの観測像を相対的に変倍する受光側変倍部を構成している。受光側変倍部としてのアナモルフィックプリズム２９は、感光面Ｗａと受光側結像部（２７，２５）との間の光路中に配置されている。なお、受光側結像部の具体的な構成については、送光側結像部と同様に、様々な形態が可能である。例えば、受光側変倍部として、アフォーカルレンズ系を含む変倍レンズ系を用いることができる。ここで、アフォーカルレンズ系には、通常の軸対称のレンズ系、シリンドリカルレンズ系などが含まれる。

受光プリズム２３に入射した測定光は、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過し、所定の角度だけ偏向された後、受光プリズム２３から射出される。受光プリズム２３から射出された測定光は、リレーレンズ２２を介して、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５内にそれぞれ形成された測定パターンの観測像の共役像を、光検出器２１の検出面２１ａ上の第１検出領域に形成する。検出器２１の検出面２１ａには、図８に示すように、５個の受光部ＲＳｍ１，ＲＳｍ２，ＲＳｍ３，ＲＳｍ４，ＲＳｍ５が、５個の測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５に対応するように設けられている。５個の受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応する５個の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過した測定光を受光する。送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の各要素パターンは、感光面ＷａのＺ方向に沿った移動に伴って、入射面２３ａ上でｘ２方向に移動する。したがって、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過する測定光の光量は感光面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。

受光プリズム２３に入射した参照光は、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過し、所定の角度だけ偏向された後、受光プリズム２３から射出される。受光プリズム２３から射出された参照光は、リレーレンズ２２を介して、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５内にそれぞれ形成された参照パターンの観測像の共役像を、光検出器２１の検出面２１ａ上の第２検出領域に形成する。光検出器２１の検出面２１ａには、図８に示すように、５個の受光部ＲＳｒ１，ＲＳｒ２，ＲＳｒ３，ＲＳｒ４，ＲＳｒ５が、５個の参照光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５に対応するように設けられている。５個の受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５は、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応する５個の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過した参照光を受光する。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像の各要素パターンは、感光面ＷａのＺ方向に沿った移動に伴って、入射面２３ａ上でｘ２方向に移動する。したがって、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過する参照光の光量も、測定光の場合と同様に、感光面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。

第１実施例の面位置検出装置では、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面と合致している状態において、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像（測定パターンの観測像）の各要素パターンが受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５の位置に形成され、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像（参照パターンの観測像）の各要素パターンが受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５の位置に形成されるように構成されている。受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５の検出信号および受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５の検出信号は、振動ミラー６の振動に同期して変化し、信号処理部ＰＲに供給される。上述したように、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿ってＺ方向に上下移動すると、受光プリズム２３の入射面２３ａ上の第１観測面に形成される測定パターンの観測像の各要素パターンは、感光面Ｗａの上下移動に対応してピッチ方向（ｘ２方向）に沿って位置ずれを起こす。同様に、入射面２３ａ上の第２観測面に形成される参照パターンの観測像の各要素パターンも、感光面Ｗａの上下移動に対応してピッチ方向（ｘ２方向）に沿って位置ずれを起こす。

信号処理部ＰＲでは、たとえば本出願人による特開平６−９７０４５号公報に開示された光電顕微鏡の原理により、光検出器２１の受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５の出力に基づいて測定パターン観測像の各要素パターンの位置ずれ量（位置情報）を検出し、検出した位置ずれ量に基づいて検出領域ＤＡ内の各検出点の面位置（Ｚ方向位置）Ｚｍ１，Ｚｍ２，Ｚｍ３，Ｚｍ４，Ｚｍ５を算出する。同様に、信号処理部ＰＲは、光検出器２１の受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５の出力に基づいて参照パターン観測像の各要素パターンの位置ずれ量を検出し、検出した位置ずれ量に基づいて各参照点の面位置Ｚｒ１，Ｚｒ２，Ｚｒ３，Ｚｒ４，Ｚｒ５を算出する。この場合、測定光および参照光について同時に光電顕微鏡の原理に基づく位置情報の検出が可能なように、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５，Ｓｒ１〜Ｓｒ５と受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５，Ｓｒａ１〜Ｓｒａ５とのそれぞれ対応するスリット幅、および振動ミラー６の振動振幅（Ｙ軸廻りに回動する角度範囲）等が設定される。

前述したように、面位置検出装置を構成する光学部材の位置変動や屈折率変動等により、例えば、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面に合致している（ベストフォーカス状態にある）にもかかわらず、受光プリズム２３の入射面２３ａに形成される測定パターンの観測像の各要素パターンの位置がそれぞれ受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５の位置から位置ずれすることがある。この場合、測定パターンの観測像の各要素パターンの受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５からの位置ずれ量に応じて、各検出点の面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５は検出誤差を含むことになる。

同様の理由により、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面に合致しているにもかかわらず、受光プリズム２３の入射面２３ａに形成される参照パターンの観測像の各要素パターンの位置がそれぞれ受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５の位置から位置ずれすることがある。この場合、参照パターンの観測像の各要素パターンの受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５からの位置ずれ量に応じて、各参照点の面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５は検出誤差を含むことになる。

第１実施例の面位置検出装置では、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光が、測定光と参照光とに共通な複数の光学部材、すなわち送光側共通光学部材（５〜８）および受光側共通光学部材（２８〜２５）を経て、測定パターンの観測像および参照パターンの観測像をそれぞれ形成する。したがって、参照パターンの観測像は、測定パターンの観測像と同様に、送光側共通光学部材（５〜８）および受光側共通光学部材（２８〜２５）の変動の影響に関する情報を含んでいる。

換言すれば、測定パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５、および参照パターンの観測像の位置情報に基づいて測定光と同じ様に算出される面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５は、送光光学系の主要部分を占める送光側共通光学部材（５〜８）および受光光学系の主要部分を占める受光側共通光学部材（２８〜２５）に起因する面位置の検出誤差を共通に含んでいる。以下、光学部材の変動の影響が全く無い状態において測定光により検出されるべき面位置を、「真の面位置」と呼ぶ。検出点と参照点とがほぼ一致する場合、真の面位置Ｚｖと、測定パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される第１の面位置Ｚｍと、参照パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される第２の面位置Ｚｒとの間には、次の式（１）および（２）に示す関係を満足させることができる。
Ｚｍ＝Ｚｖ＋Ｅｏ （１）
Ｚｒ＝Ｚｖ／α＋Ｅｏ （２）

式（１）および（２）において、Ｅｏは、光学部材の変動に起因する面位置の検出誤差であって、測定パターンの観測像の位置情報に基づく面位置Ｚｍと参照パターンの観測像の位置情報に基づく面位置Ｚｒとが共通に含む誤差である。αは、送光側結像部（５，７）が形成する測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を相対的に変倍する送光側変倍部としてのアナモルフィックプリズム９による相対的な変倍倍率である。式（１）および（２）を真の面位置Ｚｖについて解くと、次の式（３）に示す関係が得られる。
Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）×α／（α−１） （３）

第１実施例では、信号処理部ＰＲにおいて、測定パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５を算出する。その後、制御部ＣＲは、面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の各検出点（測定パターンの中間像の各要素パターンの中心）またはその近傍に中心を有する要素パターンからなる参照パターン中間像が形成されるように、駆動系ＨＤに指令を供給してＸＹステージＨＳ（ひいてはウェハＷ）をＹ方向に所要量だけ移動させる。次いで、信号処理部ＰＲは、参照パターンの中間像の各要素パターンの中心が各検出点とほぼ一致しているときの参照パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて、面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５を算出する。そして、例えばｉ（ｉ＝１〜５）番目の要素パターンについて算出された面位置ＺｍｉおよびＺｒｉを面位置ＺｍおよびＺｒとして式（３）に代入することにより得られた面位置Ｚｖを、光学部材の変動の影響を受けない補正された面位置Ｚｖｉとして算出する。こうして、信号処理部ＰＲは、この参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５と、既に算出済みの測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５とに基づいて、検出領域ＤＡの各検出点における補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を算出する。この算出結果は、制御部ＣＲの内部に設けられた記憶部ＭＲに供給される。

制御部ＣＲは、必要に応じて、駆動系ＨＤに指令を供給し、ＸＹステージＨＳを、ひいてはウェハＷをＸＹ平面に沿って移動させる。面位置検出装置は、ウェハＷの感光面Ｗａ上の新たな検出領域ＤＡの各検出点における補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を算出し、この算出結果を記憶部ＭＲに供給する。換言すれば、面位置検出装置は、平面駆動機構としての駆動系ＨＤによるＸＹステージＨＳの感光面Ｗａに沿った方向への移動、ひいてはＺステージＶＳの感光面Ｗａに沿った方向への移動に応じて、感光面Ｗａの複数個所における面位置を検出する。測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の算出、ウェハＷのＹ方向への移動、参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５の算出、および補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５の算出からなる一連の処理は、必要に応じて、所要の回数だけ行われる。面位置検出装置の複数の検出結果（すなわち複数の検出点における補正された面位置に関する情報）は、記憶部ＭＲにマップデータとして記憶される。

制御部ＣＲは、信号処理部ＰＲで得られた検出結果、ひいては記憶部ＭＲに記憶された面位置のマップデータに基づいて、ＸＹステージＨＳおよびＺステージＶＳの感光面Ｗａに沿った位置に応じてＺステージＶＳのＺ方向位置を所要量だけ調整し、感光面Ｗａ上の検出領域を、ひいてはウェハＷの現在の露光領域を投影光学系ＰＬの結像面位置（ベストフォーカス位置）に位置合わせする。すなわち、制御部ＣＲは、現在の露光領域に応じて垂直駆動機構としての駆動系ＶＤに指令を供給し、ＺステージＶＳを、ひいてはウェハＷを感光面Ｗａに垂直なＺ方向に沿って所要量だけ移動させる。こうして、制御部ＣＲおよび駆動系ＶＤは、面位置検出装置の検出結果に基づいて、ＺステージＶＳとレチクルステージＲＳとの相対的な位置合わせをする位置合わせ機構を構成している。また、受光プリズム２３、リレーレンズ２２、光検出器２１、および信号処理部ＰＲは、受光プリズム２３の入射面２３ａ上の第１観測面における送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の位置情報および入射面２３ａ上の第２観測面における送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像の位置情報を検出し、検出した各位置情報に基づいて感光面Ｗａの面位置（すなわち補正された面位置Ｚｖｉ）を算出する検出部を構成している。

以上のように、第１実施例の面位置検出装置では、測定光と参照光とが、共通光学部材を経て、互いに同じ入射角で感光面Ｗａに入射する。ただし、アナモルフィックプリズム９の変倍作用により、測定光の感光面Ｗａへの入射面に沿った測定パターンの中間像の投射倍率と、参照光の感光面Ｗａへの入射面に沿った参照パターンの中間像の投射倍率とは異なる。また、アナモルフィックプリズム２９の変倍作用により、測定光の第１観測面への入射面に沿った測定パターンの観測像の投射倍率と、参照光の第２観測面への入射面に沿った参照パターンの観測像の投射倍率とは異なる。したがって、測定光と参照光とは面位置の検出感度が互いに異なり、且つ測定パターンの観測像と参照パターンの観測像とは共通光学部材の変動の影響に関する情報を含んでいる。すなわち、測定パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｍおよび参照パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒは、共通光学部材の変動に起因する面位置の検出誤差Ｅｏを共通に含んでいる。こうして、第１実施例の面位置検出装置では、測定光に基づいて算出される面位置Ｚｍと参照光に基づいて算出される面位置Ｚｒとを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置Ｚｖを算出すること、すなわち共通光学部材の変動に影響されずに感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。その結果、本実施形態の露光装置では、ウェハＷの感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができ、ひいてはレチクルＲのパターン面に対応する投影光学系ＰＬの結像面に対して感光面Ｗａを高精度に位置合わせすることができる。

図９は、第２実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。第２実施例は、第１実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第２実施例では、光路長補正部材としての平行平面板４および２４の設置が省略され、測定パターンの形成面および参照パターンの形成面が同一平面上にない点が第１実施例と相違している。以下、第１実施例との相違点に着目して、第２実施例の構成および作用を説明する。第２実施例の面位置検出装置は、測定光用の送光プリズム３Ａ、参照光用の送光プリズム３Ｂ、並びに送光プリズム３Ａと３Ｂとに共通な照明系としての光源１およびコンデンサーレンズ２を備えている。送光プリズム３Ａと送光プリズム３Ｂとは、別々の光学部材として互いに近接して配置されている。あるいは、送光プリズム３Ａと送光プリズム３Ｂとは、１つの光学部材として一体に形成されている。なお、送光プリズム３Ａおよび送光プリズム３Ｂを別々の照明系で照明してもよい。

送光プリズム３Ａの射出面３Ａａには、例えば図１０に示すように配列された５個の測定光用の送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５が設けられている。図１０では、射出面３Ａａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ３軸を、射出面３Ａａにおいてｙ３軸と直交する方向にｘ３軸を設定している。送光プリズム３Ｂの射出面３Ｂａには、例えば図１１に示すように配列された５個の測定光用の送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５が設けられている。図１１では、射出面３Ｂａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ４軸を、射出面３Ｂａにおいてｙ４軸と直交する方向にｘ４軸を設定している。第２実施例における送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５およびＳｒ１〜Ｓｒ５は、第１実施例における送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５およびＳｒ１〜Ｓｒ５と基本的に同じであり、重複する説明を省略する。送光プリズム３Ａの射出面３Ａａに設けられた送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を通過した測定光は、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、および落射プリズム８を介して、感光面Ｗａの検出領域ＤＡに入射する。送光プリズム３Ｂの射出面（射出面３Ａａとは同一平面上にない面）３Ｂａに設けられた送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を通過した参照光は、測定光の光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、落射プリズム８、およびアナモルフィックプリズム９を介して、感光面Ｗａに対する測定光の入射面と平行な入射面に沿って、感光面Ｗａ上において検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢに測定光と同じ入射角で入射する。

こうして、第１実施例の場合と同様に、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図６に模式的に示すように、測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。また、図６に模式的に示すように、感光面Ｗａ上において検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢには、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向に対して斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。感光面Ｗａによって反射された測定光は、落射プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５を介して、受光プリズム２３Ａに入射する。感光面Ｗａによって反射された参照光は、アナモルフィックプリズム２９、落射プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５を介して、受光プリズム２３Ｂに入射する。受光プリズム２３Ａと受光プリズム２３Ｂとは、別々の光学部材として互いに近接して配置されている。あるいは、受光プリズム２３Ａと受光プリズム２３Ｂとは、１つの光学部材として一体に形成されている。

受光プリズム２３Ａの入射面（第１観測面）２３Ａａには、測定光用の送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像が形成される。受光プリズム２３Ｂの入射面（第２観測面：入射面２３Ａａとは同一平面上にない面）２３Ｂａには、参照光用の送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像が形成される。受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａに設けられた受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５（図７を参照）を通過した測定光は、リレーレンズ２２を介して、測定パターンの観測像の共役像を光検出器２１の検出面２１ａに形成する。受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａに設けられた受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５（図７を参照）を通過した参照光は、リレーレンズ２２を介して、光検出器２１の検出面２１ａに参照パターンの観測像の共役像を形成する。なお、受光プリズム２３Ａからの測定光および受光プリズム２３Ｂからの参照光を、リレーレンズ２２を介して、別々の光検出器へ導くこともできる。

第２実施例においても、第１実施例と同様に、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過する測定光の光量および受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過する参照光の光量は、感光面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。また、光検出器２１の検出面２１ａに設けられた受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５（図８を参照）の検出信号および受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５（図８を参照）の検出信号は、振動ミラー６の振動に同期して変化し、信号処理部ＰＲに供給される。第２実施例では、信号処理部ＰＲにおいて、測定パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５を算出する。次いで、制御部ＣＲは、面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の各検出点またはその近傍に中心を有する要素パターンからなる参照パターン中間像が形成されるように、駆動系ＨＤに指令を供給してＸＹステージＨＳ（ひいてはウェハＷ）をＹ方向に所要量だけ移動させる。信号処理部ＰＲは、参照パターンの中間像の各要素パターンの中心が各検出点とほぼ一致しているときの参照パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて、面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５を算出する。そして、この参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５と、既に算出済みの測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５とに基づいて、検出領域ＤＡの各検出点における補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を算出する。この算出結果は、制御部ＣＲの内部に設けられた記憶部ＭＲに供給される。

測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の算出、ウェハＷのＹ方向への移動、参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５の算出、および補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５の算出からなる一連の処理は、必要に応じて、所要の回数だけ行われる。面位置検出装置の複数の検出結果（すなわち複数の検出点における補正された面位置に関する情報）は、記憶部ＭＲにマップデータとして記憶される。制御部ＣＲは、記憶部ＭＲに記憶された面位置のマップデータに基づいて、ＺステージＶＳのＺ方向位置を所要量だけ調整し、感光面Ｗａ上の検出領域を、ひいてはウェハＷの現在の露光領域を投影光学系ＰＬの結像面位置に位置合わせする。こうして、第２実施例の面位置検出装置においても、測定光に基づいて算出される面位置Ｚｍと参照光に基づいて算出される面位置Ｚｒとを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置Ｚｖを算出すること、すなわち共通光学部材の変動に影響されずに感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。

なお、上述の説明では、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光を、互いに同じ入射角で感光面Ｗａにそれぞれ入射させている。しかしながら、これに限定されることなく、測定光および参照光を互いに異なる入射角で感光面Ｗａにそれぞれ入射させることもできる。また、上述の説明では、測定光および参照光を互いに平行な平面に沿って感光面Ｗａにそれぞれ入射させている。しかしながら、これに限定されることなく、測定光および参照光を互いに平行でない平面に沿って感光面Ｗａにそれぞれ入射させることもできる。また、上述の説明では、送光系に変倍部を配置することにより測定パターンの中間像の投射倍率と参照パターンの中間像の投射倍率とを異ならせるとともに、受光系に変倍部を配置することにより測定パターンの観測像の投射倍率と参照パターンの観測像の投射倍率とを異ならせている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば送光系にだけ変倍部を配置する構成も可能である。

なお、上述の実施形態では、光電顕微鏡の原理（振動ミラーを用いる計測原理）に基づいて被検面の面位置を検出している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば画像処理によって測定パターンの観測像および参照パターンの観測像の各位置情報を検出し、検出した各位置情報に基づいて被検面の面位置を算出することもできる。また、上述の実施形態では、露光装置が単一の面位置検出装置を備えている例を説明しているが、これに限定されることなく、必要に応じて複数組の面位置検出装置で検出視野を分割することもできる。この場合、第１の面位置検出装置の検出視野と第２の面位置検出装置の検出視野との共通の視野における検出結果に基づいて、各装置のキャリブレーションを行うこともできる。また、上述の実施形態では、感光性基板としてのウェハＷの面位置の検出に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、レチクルＲ（一般にはマスク）のパターン面の面位置の検出に対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、露光装置における感光性基板の面位置の検出に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、露光装置以外の各種装置における一般の被検面の面位置の検出に対して本発明を適用することもできる。

また、上述の実施形態では、面位置検出装置が、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの近傍における感光面Ｗａを検出領域ＤＡとして感光面Ｗａの面位置を検出するものとしたが、光軸ＡＸから離れた位置で感光面Ｗａの面位置を検出するようにしてもよい。例えば、図示しない搬送装置によってＺステージＶＳ上に載置されたウェハＷをＸＹステージＨＳによって投影光学系ＰＬ下に搬入する搬入経路に対応して面位置検出装置を配置し、その搬入経路の途中で感光面Ｗａの面位置を検出するようにしてもよい。この場合、ＸＹステージＨＳによるウェハＷの移動に応じて、感光面Ｗａの複数箇所における面位置を検出し、その複数の検出結果を記憶部ＭＲにマップデータとして記憶させる。そして、レチクルＲのパターンを感光面Ｗａに転写する（露光する）際に、記憶部ＭＲに記憶させたマップデータに基づいて、感光面Ｗａの面位置をＺステージＶＳによって位置合わせするとよい。

上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。このような可変パターン形成装置を用いれば、パターン面が縦置きでも同期精度に及ぼす影響を最低限にできる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含むＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。ＤＭＤを用いた露光装置は、例えば特開２００４−３０４１３５号公報、国際特許公開第２００６／０８０２８５号パンフレットに開示されている。また、ＤＭＤのような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。なお、パターン面が横置きの場合であっても可変パターン形成装置を用いても良い。

上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図１２は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１２に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の露光装置を用い、レチクルＲに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをウェハ加工用のマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層（転写パターン層）であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを感光性基板としてパターンの転写を行う。

図１３は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１３に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。ステップＳ５０のパターン形成工程では、感光性基板としてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写された感光性基板の現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層（転写パターン層）を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。

また、本発明は、半導体デバイスまたは液晶デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、プラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

本発明の実施形態にかかる面位置検出装置を備えた露光装置の構成を示す図である。 本実施形態の第１実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。 送光プリズムの射出面に設けられた複数の送光スリットを示す図である。 送光側の落射プリズムから受光側の落射プリズムまでの構成を示す図である。 図４における測定光の光路および参照光の光路をＺ方向に沿って見た図である。 測定パターンの中間像および参照パターンの中間像が被検面上に配列される様子を模式的に示す図である。 受光プリズムの入射面に設けられた複数の受光スリットを示す図である。 光検出器の検出面に設けられた複数の受光部を示す図である。 第２実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。 第２実施例において測定光の送光プリズムに設けられた複数の送光スリットを示す図である。 第２実施例において参照光の送光プリズムに設けられた複数の送光スリットを示す図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・光源， ３・・・送光プリズム， ４，２４・・・平行平面板
５，７，２５，２７・・・対物レンズ， ６・・・振動ミラー
８，２８・・・落射プリズム， ９，２９・・・アナモルフィックプリズム
２１・・・光検出器， ２３・・・受光プリズム， ＰＲ・・・信号処理部
ＣＲ・・・制御部， Ｒ・・・レチクル， ＲＳ・・・レチクルステージ
ＰＬ・・・投影光学系， Ｗ・・・ウェハ， ＶＳ・・・Ｚステージ
ＨＳ・・・ＸＹステージ

Claims (21)

1. 第１パターンからの第１測定光および第２パターンからの第２測定光を被検面へ導いて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射する送光光学系と、
   前記被検面によって反射された前記第１測定光および前記第２測定光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成する受光光学系と、
   前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出する検出部とを備え、
   前記送光光学系は、前記第１測定光の前記被検面への第１入射面に沿った前記第１パターンの中間像の第１投射倍率と、前記第２測定光の前記被検面への第２入射面に沿った前記第２パターンの中間像の第２投射倍率とを異ならせることを特徴とする面位置検出装置。
2. 前記受光光学系は、前記第１測定光の前記第１観測面への第３入射面に沿った前記第１パターンの観測像の第３投射倍率と、前記第２測定光の前記第２観測面への第４入射面に沿った前記第２パターンの観測像の第４投射倍率とを異ならせることを特徴とする請求項１に記載の面位置検出装置。
3. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を形成する送光側結像部と、該送光側結像部が形成する前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を相対的に変倍する送光側変倍部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の面位置検出装置。
4. 前記送光側変倍部は、前記送光側結像部と前記被検面との間の光路中に配置されることを特徴とする請求項３に記載の面位置検出装置。
5. 前記送光側変倍部は、前記送光側結像部が形成する前記第２パターンの中間像を変倍するアナモルフィックプリズムまたは変倍レンズ系を有することを特徴とする請求項３または４に記載の面位置検出装置。
6. 前記受光光学系は、前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像を形成する受光側結像部と、該受光側結像部が形成する前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像を相対的に変倍する受光側変倍部とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
7. 前記受光側変倍部は、前記受光側結像部と前記被検面との間の光路中に配置されることを特徴とする請求項６に記載の面位置検出装置。
8. 前記受光側変倍部は、前記受光側結像部が形成する前記第２パターンの中間像を変倍するアナモルフィックプリズムまたは変倍レンズ系を有することを特徴とする請求項６または７に記載の面位置検出装置。
9. 前記第１パターンに対する前記第１パターンの観測像の倍率と、前記第２パターンに対する前記第２パターンの観測像の倍率とは互いに等しいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
10. 前記第１パターンに対する前記第１パターンの中間像の倍率と、前記第１パターンの観測像に対する前記第１パターンの中間像の倍率とは互いに等しく、前記第２パターンに対する前記第２パターンの中間像の倍率と、前記第２パターンの観測像に対する前記第２パターンの中間像の倍率とは互いに等しいことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
11. 前記第１パターンおよび前記第２パターンは、それぞれ複数の要素パターンが配列された配列パターンであって、
    前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像と前記第２パターンの中間像とを前記被検面上で平行に配列させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
12. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を前記第１入射面に沿って配列させることを特徴とする請求項１１に記載の面位置検出装置。
13. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像と前記第２パターンの中間像との間で隣接する前記要素パターンを、前記第１パターンの中間像の配列方向と直交する方向に配列させることを特徴とする請求項１１または１２に記載の面位置検出装置。
14. 前記送光光学系は、前記第１測定光および前記第２測定光を互いに同じ入射角で前記被検面へ入射させることを特徴とする請求項３〜１３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
15. 前記検出部は、前記第１パターンの観測像の位置情報に基づいて前記被検面の第１の面位置Ｚｍを算出し、前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて前記被検面の第２の面位置Ｚｒを算出し、前記送光側変倍部による相対的な変倍倍率αを用いて、前記被検面の第３の面位置Ｚｖを、
    Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）×α／（α−１）
    の式に基づいて算出することを特徴とする請求項１４に記載の面位置検出装置。
16. 前記第２パターンは、複数の要素パターンが配列された配列パターンであって、
    前記検出部は、前記第２パターンの観測像の複数の要素パターンに対応する位置情報に基づいて前記第２の面位置Ｚｒを算出することを特徴とする請求項１５に記載の面位置検出装置。
17. 感光性基板が載置される基板ステージと、
    パターンを有するマスクが載置されるマスクステージと、
    前記感光性基板の感光面および前記マスクのパターン面の少なくとも一方の面位置を検出する請求項１〜１６のいずれか一項に記載の面位置検出装置と、
    前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記基板ステージおよび前記マスクステージの相対的な位置合わせをする位置合わせ機構と、
    前記位置合わせ機構によって位置合わせされた前記パターンを介して前記感光基板に露光光を照射する照明装置と、
    を備えたことを特徴とする露光装置。
18. 前記基板ステージを前記感光面に沿った方向へ移動させる平面駆動機構を備え、
    前記面位置検出装置は、前記平面駆動機構による前記基板ステージの移動に応じて前記感光面の複数箇所における面位置を検出することを特徴とする請求項１７に記載の露光装置。
19. 前記マスクステージを前記パターン面に沿った方向へ移動させる平面駆動機構を備え、
    前記面位置検出装置は、前記平面駆動機構による前記マスクステージの移動に応じて前記パターン面の複数箇所における面位置を検出することを特徴とする請求項１７に記載の露光装置。
20. 前記面位置検出装置の複数の検出結果をマップデータとして記憶する記憶部を備えたことを特徴とする請求項１８または１９に記載の露光装置。
21. 請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の露光装置を用いて、前記パターンを前記感光性基板に転写する露光工程と、
    前記パターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記パターンに対応する形状の転写パターン層を前記感光性基板に形成する現像工程と、
    前記転写パターン層を介して前記感光性基板を加工する加工工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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