JP2010066256A - 面位置検出装置、露光装置、面位置検出方法およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学部材の変動の影響を抑制して所定の面の面位置を高精度に検出する。
【解決手段】 本発明の態様にかかる面位置検出装置は、第１および第２パターンからの第１測定光および第２測定光を異なる入射角で被検面（Ｗａ）に入射させ、被検面に第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（４〜１１）と、被検面によって反射された第１および第２測定光を第１観測面（２３Ａａ）および第２観測面（２３Ｂａ）へ導いて、第１および第２観測面に第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（３１〜２４）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、送光側共通光学部材（５〜８）を経た第２測定光を偶数回反射して第１測定光よりも小さい入射角で被検面に入射させる送光側反射部（１１）を有する。
【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、面位置検出方法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。

本発明の態様は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光学部材の変動の影響を抑制して所定の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、面位置検出方法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、本発明の第１の態様にかかる面位置検出装置は、被検面の面位置を検出する面位置検出装置であって、
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測定光を異なる入射角で前記被検面に入射させ、該被検面に前記第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するとともに該第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測定光および前記第２測定光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材と、該送光側共通光学部材を経た前記第２測定光を偶数回反射して前記第１測定光よりも小さい入射角で前記被検面に入射させる送光側反射部とを有することを特徴とする。

本発明の第２の態様にかかる面位置検出装置は、所定の面の面位置を検出する面位置検出装置であって、
第１パターンからの第１の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出する第１検出系と、
第２パターンからの第２の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出する第２検出系と、
前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記所定の面の面位置を算出する処理部と、を備え、
前記第１検出系および第２検出系は、前記第１の光および前記第２の光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材を有し、前記第２検出系は、前記送光側共通光学部材を経た前記第２の光を偶数回反射して前記第１の光よりも小さい入射角で前記所定の面に入射させる送光側反射部を有する面位置検出装置。

本発明の第３の態様にかかる露光装置は、基板ステージに載置された感光性基板にパターンを転写する露光装置において、
前記感光性基板の感光面の面位置を検出する本発明の第１又は第２の態様にかかる面位置検出装置と、
前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記基板ステージの位置合わせをする位置合わせ機構と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の第４の態様にかかる露光装置は、マスクステージに載置されたマスクのパターンを基板ステージに載置された感光性基板に転写する露光装置において、
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第１又は第２の態様にかかる面位置検出装置と、
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、
を備えたことを特徴とする。

本発明の第５の態様にかかる面位置検出方法は、所定の面の面位置を検出する面位置検出方法であって、
第１パターンからの第１の光および第２パターンからの第２の光を異なる入射角で前記所定の面に入射させ、該所定の面に前記第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ことと、
前記所定の面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第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するとともに該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成することと、
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所定の面の面位置を算出することと、を含み、
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ことは、前記第１の光および前記第２の光を、前記第１の光および前記第２の光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材を経由させ、該送光側共通光学部材を経た前記第２の光を偶数回反射して前記第１の光よりも小さい入射角で前記所定の面に入射させることを含む。

本発明の第６の態様にかかる面位置検出方法は、所定の面の面位置を検出する面位置検出方法であって、
第１パターンからの第１の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出することと、
第２パターンからの第２の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することと、
前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記所定の面の面位置を算出することと、を含み、
前記第１パターンの観測像の位置情報を検出することおよび前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することは、それぞれ前記第１の光および前記第２の光を、前記第１の光および前記第２の光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材を経由させ、前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することは、前記送光側共通光学部材を経た前記第２の光を偶数回反射して前記第１の光よりも小さい入射角で前記所定の面に入射させることを含む。

本発明の第７の態様にかかるデバイス製造方法は、本発明の第３又は第４の態様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ことと、
前記パターンが転写された前記感光性基板を前記パターンに基づいて加工することとを含むことを特徴とする。

本発明の態様にかかる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、送光光学系を経て、互いに異なる入射角で被検面に入射する。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、受光光学系を経て、第１パターンの観測像および第２パターンの観測像を、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２パターンの観測像は、第１パターンの観測像と同様に、送光光学系および受光光学系における第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。）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、本発明の態様によれば、共通光学部材の変動の影響を抑制して所定の面の面位置を高精度に検出することができる。

また、本発明の態様にかかる面位置検出装置は、送光側の共通光学部材を経た第２測定光を、例えば一体に形成された第１反射面および第２反射面によって偶数回反射して被検面に入射させる送光側反射部を備えている。この構成では、送光側反射部の姿勢が変動することがあっても、第１反射面と第２反射面とのなす角度が変動しないので、送光側反射部へ入射する第２測定光と送光側反射部から射出される第２測定光とのなす角度も変動しない。その結果、送光側の共通光学部材と被検面との間の第２測定光の光路中に配置される送光側反射部の変動の影響を抑制し、被検面への第２測定光の入射角を所望の角度に安定的に維持することができ、ひいては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。 測定光用の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。 参照光用の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。 送光側の菱形プリズムから受光側の菱形プリズムまでの構成を示す図である。 図５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と参照パターンの中間像とが被検面上で同列に且つ同じ箇所に配列される様子を模式的に示す図である。 測定光用の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。 参照光用の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。 測定光用の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。 参照光用の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。 図１２の送光側の菱形プリズムから受光側の菱形プリズムまでの構成を示す図である。 図１３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。 第２実施例において測定パターンの中間像と参照パターンの中間像とが被検面上で平行に配列される様子を模式的に示す図である。 第２実施例において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３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１７の送光側の菱形プリズムから受光側の菱形プリズムまでの構成を示す図である。 図１８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。 第３実施例で用いられる反射プリズムの作用を説明する図である。 第３実施例で用いられる反射プリズムの形態を説明する図である。 送光側反射部と受光側反射部とを一体化した構成例を示す図である。 送光側偏向部および受光側偏向部の変形例を示す図である。 測定パターンの中間像の要素パターンと参照パターンの中間像の要素パターンとを一方向に沿って交互に配列させた例を模式的に示す図である。 複数の測定パターンの中間像の要素パターンと複数の参照パターンの中間像の要素パターンとをマトリックス状に重ねて配列させた例を模式的に示す図である。 複数の測定パターンの中間像の要素パターンと複数の参照パターンの中間像の要素パターンとをマトリックス状に交互に配列させた例を模式的に示す図である。 送光部材の共通パターン面に設けられる測定光用の送光スリットおよび参照光用の送光スリットの構成例を示す図である。 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。

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。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に示されるように、第１実施例の面位置検出装置は、送光ユニット１０１と、受光ユニット１０２とを備える。図２に示されるように、送光ユニット１０１は、測定光用の光源１Ａ、参照光用の光源１Ｂ、コンデンサーレンズ２Ａ，２Ｂ、送光プリズム３Ａ，３Ｂ、ダイクロイックミラー４、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、菱形プリズム８、及び偏角プリズム１０を備える。受光ユニット１０２は、リレーレンズ２２Ａ，２２Ｂ、受光プリズム２３Ａ，２３Ｂ、ダイクロイックミラー２４、第２対物レンズ２５、ミラー２６、第１対物レンズ２７、菱形プリズム２８、及び偏角プリズム３０を備える。

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１Ａおよび１Ｂ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１Ａおよび１Ｂ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１Ａからの光は、コンデンサーレンズ２Ａを介して、送光プリズム３Ａに入射する。送光プリズム３Ａは、コンデンサーレンズ２Ａからの光を、屈折作用により後続のダイクロイックミラー４に向かって偏向させる。送光プリズム３Ａの射出面３Ａａ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が設けられている。

図３では、射出面３Ａａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ１軸を、射出面３Ａａ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。測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５は、ｘ１方向に沿って所定のピッチで一列に配列されている。

同様に、光源１Ｂからの光は、コンデンサーレンズ２Ｂを介して、送光プリズム３Ｂに入射する。送光プリズム３Ｂは、コンデンサーレンズ２Ｂからの光を、屈折作用によりダイクロイックミラー４に向かって偏向させる。送光プリズム３Ｂの射出面３Ｂａには、例えば図４に示すように配列された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４では、射出面３Ｂａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ２軸を、射出面３Ｂａにおいてｙ２軸と直交する方向にｘ２軸を設定している。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、例えば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、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５以外の領域は遮光部である。参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、ｘ２方向に沿って所定のピッチで一列に配列されている。

このように、光源１Ａおよびコンデンサーレンズ２Ａは送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を照明する測定光用の照明系を構成し、光源１Ｂおよびコンデンサーレンズ２Ｂは送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を照明する参照光用の照明系を構成している。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る。

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ｘ２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、後述するように、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、ダイクロイックミラー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６、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を通過した参照光は、ダイクロイックミラー４によって反射された後、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、菱形プリズム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。菱形プリズム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２に示すように、菱形プリズム８の図中下側の側面にはダイクロイック膜９が形成され、このダイクロイック膜９に隣接して偏角プリズム１０が取り付けられている。なお、菱形プリズムの断面形状は、平行四辺形に限定されず、一般には長斜方形（偏菱形）とすることができる。

図５において実線で示す測定光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂによって反射された後、側面８ｃに形成されたダイクロイック膜９に入射する。ダイクロイック膜９によって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム８の射出面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。

一方、図５において破線で示すように参照光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂによって反射され、ダイクロイック膜９を透過して、偏角プリズム１０に入射する。図６に示すように、菱形プリズム８に入射する測定光Ｌｍの光路と菱形プリズム８に入射する参照光Ｌｒの光路とは互いに一致している。偏角プリズム１０に入射した参照光Ｌｒは、反射面１０ａによって反射され、ダイクロイック膜９を透過し、菱形プリズム８の射出面８ｄから図５中斜め上方へ向かって射出される。

つまり、ダイクロイック膜９は、波長に応じた光の分離作用についてダイクロイックミラー４と逆の特性を有する。射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、例えばＹ方向に延びる角柱状の反射プリズム１１に入射する。反射プリズム１１に入射した参照光Ｌｒは、反射面１１ａおよび反射面１１ｂによって順次反射された後、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面（ＸＺ平面）に沿って、検出領域ＤＡ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よりも小さな角度に設定されている。なお、参照光Ｌｒの入射角θｒは、４５度以下が好ましく、３０度以下がさらに好ましい。

こうして、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図７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の中間像Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｍ３，Ｉｍ４，Ｉｍ５が投射される。すなわち、検出領域ＤＡには、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。各中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心は、検出領域ＤＡにおける所定の検出点に対応している。

同様に、検出領域ＤＡには、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の中間像Ｉｒ１，Ｉｒ２，Ｉｒ３，Ｉｒ４，Ｉｒ５が投射される。すなわち、検出領域ＤＡには、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。ここで、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５は、その中心が測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心とそれぞれ一致するように形成される。換言すれば、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、検出領域ＤＡに形成される中間像の対応する要素パターンの中心が互いに一致するように形成されている。

このように、ダイクロイックミラー４、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、菱形プリズム８、ダイクロイック膜９、偏角プリズム１０、および反射プリズム１１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）を互いに異なる入射角θｍおよびθｒで感光面Ｗａにそれぞれ入射させ、感光面Ｗａの検出領域ＤＡ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、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を感光面Ｗａに対する測定光の入射面に沿って同列に配列させている。また、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンと、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の対応する要素パターンとは、感光面Ｗａ上の同一箇所に配列されている。

第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、および菱形プリズム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を構成している。反射プリズム１１は、送光側共通光学部材（５〜８）を経た参照光を２回反射して測定光よりも小さい入射角で感光面Ｗａに入射させる送光側反射部を構成している。ダイクロイック膜９および偏角プリズム１０は、送光側共通光学部材（５〜８）を経た測定光および参照光を相対的に偏向させて、測定光を感光面Ｗａへ導くとともに参照光を反射プリズム１１へ導く送光側偏向部を構成している。

ダイクロイックミラー４は、互いに異なる方向から入射する測定光および参照光を送光側共通光学部材（５〜８）へ導く送光側合成部を構成している。反射プリズム１１は、感光面Ｗａの直上、具体的には、感光面Ｗａにおける参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の直上に配置されている。ダイクロイック膜９は、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を反射させて参照光を透過させる送光側分離面を構成している。なお、送光側分離面は、測定光および参照光の偏光に応じて測定光を反射させて参照光を透過させるようにすることもできる。

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、菱形プリズム２８に入射する。菱形プリズム２８は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して菱形プリズム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、菱形プリズム２８は、菱形プリズム８を入射面８ａについて反転した構成を有する。また、菱形プリズム２８の図中下側の側面２８ｂにはダイクロイック膜２９が形成され、このダイクロイック膜２９に隣接して偏角プリズム３０が取り付けられている。

ダイクロイック膜２９および偏角プリズム３０は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関してダイクロイック膜９および偏角プリズム１０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。また、ダイクロイック膜２９は、波長に応じた光の分離作用についてダイクロイック膜９と同じ特性を有する。したがって、菱形プリズム２８の入射面２８ａに入射した測定光Ｌｍは、ダイクロイック膜２９および反射面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、Ｙ方向に延びる角柱状の反射プリズム３１に入射する。反射プリズム３１は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して反射プリズム１１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、反射プリズム３１に入射した参照光Ｌｒは、反射面３１ａおよび反射面３１ｂによって順次反射され、反射プリズム３１から図中斜め下方へ向かって射出された後、菱形プリズム２８に入射する。

菱形プリズム２８に入射した参照光Ｌｒは、その入射面２８ａおよびダイクロイック膜２９を順次透過して、偏角プリズム３０に入射する。偏角プリズム３０に入射した参照光Ｌｒは、反射面３０ａによって反射され、ダイクロイック膜２９を透過し、反射面２８ｃで反射された後、射出面２８ｄから射出される。射出面２８ｄから射出された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍと同じ光路に沿って後続の第１対物レンズ２７（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、菱形プリズム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、ダイクロイックミラー（図１では不図示）２４を透過して、受光プリズム２３Ａに入射する。菱形プリズム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、ダイクロイックミラー２４によって反射されて、受光プリズム２３Ｂ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、およびダイクロイックミラー２４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、およびダイクロイックミラー４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。ダイクロイックミラー２４は、波長に応じた光の分離作用についてダイクロイックミラー４と同じ特性を有する。

受光プリズム２３Ａおよび２３Ｂは、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して送光プリズム３Ａおよび３Ｂ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。測定光用の受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａ（送光プリズム３Ａの射出面３Ａａに対応する面）には、図８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が設けられている。図８では、入射面２３Ａａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ３軸を、入射面２３Ａａにおいてｙ３軸と直交する方向にｘ３軸を設定している。

参照光用の受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａ（送光プリズム３Ｂの射出面３Ｂａに対応する面）には、図９に示すように、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９では、入射面２３Ｂａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ４軸を、入射面２３Ｂａにおいてｙ４軸と直交する方向にｘ４軸を設定している。

受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５はｘ３方向およびｙ３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はｘ４方向およびｙ４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Ｓｒａ１〜Ｓｒａ５以外の領域は遮光部である。受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５はｘ３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はｘ４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２３Ａの入射面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、受光プリズム２３Ｂの入射面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。すなわち、入射面２３Ａａには、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応して、ｘ３方向およびｙ３方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びるスリット状の観測像の５個の要素パターンがｘ３方向に沿って所定のピッチで形成される。また、入射面２３Ｂａには、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応して、ｘ４方向およびｙ４方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びるスリット状の観測像の５個の要素パターンがｘ４方向に沿って所定のピッチで形成される。

このように、反射プリズム３１、偏角プリズム３０、ダイクロイック膜２９、菱形プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、第２対物レンズ２５、およびダイクロイックミラー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入射面２３Ａａ（第１観測面）および入射面２３Ｂａ（第２観測面）へ導いて、入射面２３Ａａに測定パターンの観測像を形成するとともに入射面２３Ｂａ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。

菱形プリズム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を構成している。反射プリズム３１は、感光面Ｗａによって反射された参照光を２回反射して受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導く受光側反射部を構成している。偏角プリズム３０およびダイクロイック膜２９は、感光面Ｗａによって反射された測定光および反射プリズム３１を経た参照光を相対的に偏向させて受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導く受光側偏向部を構成している。

ダイクロイックミラー２４は、受光側共通光学部材（２８〜２５）を経た測定光および参照光を相対的に偏向させて、測定光を入射面２３Ａａへ導くとともに参照光を入射面２３Ｂａへ導く受光側分離部を構成している。ダイクロイック膜２９は、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を反射させて参照光を透過させる受光側合成面を構成している。なお、受光側合成面は、測定光および参照光の偏光に応じて測定光を反射させて参照光を透過させるようにすることもできる。

受光プリズム２３Ａ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２３Ａから射出される。受光プリズム２３Ａから射出された測定光は、リレーレンズ２２Ａ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２１Ａの検出面２１Ａａ上に形成する。

光検出器２１Ａの検出面２１Ａａには、図１０に示すように、５個の受光部ＲＳｍ１〜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２３Ａａ上でｘ３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。

同様に、受光プリズム２３Ｂ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２３Ｂから射出される。受光プリズム２３Ｂから射出された参照光は、リレーレンズ２２Ｂ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２１Ｂの検出面２１Ｂａ上に形成する。

光検出器２１Ｂの検出面２１Ｂａには、図１１に示すように、５個の受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５が、５個の測定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２３Ｂａ上でｘ４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２３Ａの入射面２３Ａａ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（ｘ３方向）に位置ずれを起こす。同様に、受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａに形成される参照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（ｘ４方向）に位置ずれを起こす。

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２１Ａの出力に基づいて測定パターンの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〜Ｚｍ５を算出する。同様に、信号処理部ＰＲは、光検出器２１Ｂの出力に基づいて参照パターンの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検出領域ＤＡ内の各検出点の面位置Ｚｒ１〜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、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５，Ｓｒａ１〜Ｓｒａ５の各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２３Ａの入射面２３Ａａ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２３Ｂの入射面２３Ｂａ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、各検出点の面位置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。

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）に示す関係が成立する。
Ｚｍ＝Ｚｖ＋Ｅｏ （１）
Ｚｒ＝（sinθｒ／sinθｍ）×Ｚｖ＋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。θｍは感光面Ｗａへの測定光の入射角であり、θｒは感光面Ｗａへの参照光の入射角である。第１実施例では、測定光の入射角θｍの方が参照光の入射角θｒよりも大きく設定されているので、α＝sinθｒ／sinθｍは１よりも小さい。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）／（１−sinθｒ／sinθｍ） （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を算出し、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。

すなわち、信号処理部ＰＲは、測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５と参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５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、例えば露光装置の制御部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。そして、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の複数箇所における面位置を検出する。ウェハＷのＸＹ平面に沿った移動、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、所要の範囲に亘っ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。

その後、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、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。

このように、受光プリズム２３Ａ，２３Ｂ、リレーレンズ２２Ａ，２２Ｂ、光検出器２１Ａ，２１Ｂ、および信号処理部ＰＲは、受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａにおける送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の位置情報および受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａ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、測定パターンの観測像は、参照パターンの観測像と同様に、測定光と参照光とに共通な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、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。

したがって、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、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。

また、第１実施例の面位置検出装置は、送光側共通光学部材（５〜８）を経た参照光を反射面１１ａおよび反射面１１ｂによって２回反射して感光面Ｗａに入射させる反射プリズム１１と、感光面Ｗａによって反射された参照光を反射面３１ａおよび反射面３１ｂによって２回反射して受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導く反射プリズム３１とを備えている。すなわち、反射面１１ａおよび反射面１１ｂは単一の光学部材である反射プリズム１１に一体に形成され、反射面３１ａおよび反射面３１ｂは単一の光学部材である反射プリズム３１に一体に形成されている。

したがって、例えば装置の振動などの影響により、送光側反射部としての反射プリズム１１の姿勢が変動したり受光側反射部としての反射プリズム３１の姿勢が変動したりすることがあっても、反射面１１ａと反射面１１ｂとのなす角度および反射面３１ａと反射面３１ｂとのなす角度が変動しない。このことは、反射プリズム１１へ入射する参照光と反射プリズム１１から射出される参照光とのなす角度、および反射プリズム３１へ入射する参照光と反射プリズム３１から射出される参照光とのなす角度も変動しないことを意味している。

その結果、第１実施例の面位置検出装置では、送光側共通光学部材（５〜８）と感光面Ｗａとの間の参照光路中に配置される反射プリズム１１の変動に影響されることなく、感光面Ｗａへの参照光の入射角を所望の角度に安定的に維持することができ、ひいては感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。また、感光面Ｗａと受光側共通光学部材（２８〜２５）との間の参照光路中に配置される反射プリズム３１の変動に影響されることなく、受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａ（第２観測面）への参照光の入射角を所望の角度に安定的に維持することができ、ひいては感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。

こうして、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。

なお、上述の説明では、測定光がダイクロイックミラー４，２４を透過し、参照光がダイクロイックミラー４，２４によって反射される構成を採用している。また、測定光がダイクロイック膜９，２９によって反射され、参照光がダイクロイック膜９，２９を透過する構成を採用している。しかしながら、ウェハＷに対する送光光学系および受光光学系の各光学部材の配置に応じて、ダイクロイックミラー４，２４が測定光を反射し且つ参照光を透過させる構成や、ダイクロイック膜９，２９が測定光を透過させ且つ参照光を反射する構成も可能である。

また、上述の説明では、ダイクロイックミラー４，２４により、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を透過させて参照光を反射している。また、ダイクロイック膜９，２９により、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を反射して参照光を透過させている。しかしながら、ダイクロイックミラー４，２４に代えて、偏光ビームスプリッターを用いることにより、測定光および参照光の偏光状態に応じて、測定光および参照光の一方を反射させて他方を透過させてもよい。また、ダイクロイック膜９，２９に代えて、偏光分離膜を用いることにより、測定光および参照光の偏光状態に応じて、測定光および参照光の一方を反射させて他方を透過させてもよい。

図１２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、測定パターンの中間像の各要素パターンの列と参照パターンの中間像の各要素パターンの列とが間隔を隔てて平行に配列させる点が第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と参照光用の送光プリズム３Ｂとに共通な照明系として、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に設けられた送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５（図３を参照）を通過した測定光は、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、菱形プリズム８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（図４を参照）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、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。

このように、第２実施例では、第１実施例とは異なり、送光プリズム３Ａおよび３Ｂと第２対物レンズ５との間の光路中にダイクロイックミラーが配置されていない。また、第２実施例では、第１実施例とは異なり、菱形プリズム８の図中下側の側面に、ダイクロイック膜が形成されていない。また、第２実施例では、図１３および図１４に示すように、菱形プリズム８の図中下側の側面に隣接して、参照光Ｌｒの光路に対応する領域に偏角プリズム１０が取り付けられている。

図１３および図１４を参照すると、実線で示す測定光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂおよび側面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から射出された測定光Ｌｍは、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡに、ＸＺ平面に沿って入射角θｍで斜め入射する。一方、測定光路からＹ方向に間隔を隔てた参照光路（図中破線で示す）に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂによって反射され、偏角プリズム１０に入射する。

偏角プリズム１０に入射した参照光Ｌｒは、反射面１０ａによって反射され、菱形プリズム８の射出面８ｄから図１３中斜め上方へ向かって射出される。射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、反射プリズム１１の反射面１１ａおよび反射面１１ｂによって順次反射された後、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面と平行な面に沿って、検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢに入射角θｒで斜め入射する。

こうして、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図１５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。各中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心は、検出領域ＤＡにおける所定の検出点に対応している。同様に、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と参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５とは、Ｙ方向に間隔を隔てて互いに平行に形成される。また、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５のＸ方向ピッチと、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５のＸ方向ピッチとは等しい。換言すれば、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、感光面Ｗａ上に形成される中間像の要素パターンのＸ方向ピッチが互いに等しくなるように形成されている。また、測定パターンの中間像Ｉｍ１と参照パターンの中間像Ｉｒ１とはＹ方向に沿って隣接して配置され、同様に他の測定パターンの中間像Ｉｍ２〜Ｉｍ５は、それぞれ参照パターンの中間像Ｉｒ２〜Ｉｒ５とＹ方向に沿って隣接して配置されている。

感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム２８に入射する。菱形プリズム２８の図１３中下側の側面には、ダイクロイック膜が形成されていない。また、菱形プリズム２８の図１３中下側の側面に隣接して、参照光Ｌｒの光路に対応する領域に偏角プリズム３０が取り付けられている。したがって、菱形プリズム２８の入射面２８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面２８ｂおよび側面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、反射プリズム３１の反射面３１ａおよび反射面３１ｂによって順次反射され、菱形プリズム２８の入射面２８ａを介して、偏角プリズム３０に入射する。偏角プリズム３０に入射した参照光Ｌｒは、反射面３０ａによって反射され、反射面２８ｃで反射された後、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第１対物レンズ２７へ導かれる。

菱形プリズム２８から射出された測定光および参照光は、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、受光プリズム２３Ａおよび受光プリズム２３Ｂにそれぞれ入射する。すなわち、第２対物レンズ２５と受光プリズム２３Ａおよび２３Ｂとの間の光路中には、ダイクロイックミラーが配置されていない。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（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８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上に形成する。

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９を参照）を通過した参照光は、測定光と共通なリレーレンズ２２を介して、測定光と共通な光検出器２１の検出面２１ａ上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からの測定光と受光プリズム２３Ｂからの参照光とを、別々のリレーレンズ２２Ａおよび２２Ｂを介して、別々の光検出器２１Ａおよび２１Ｂへ導くこともできる。

光検出器２１の検出面２１ａには、図１６に示すように、測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５に対応するように受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５が設けられ、参照光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５に対応するように受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５が設けられている。受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応する受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過した測定光を受光する。受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５は、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応する受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過した参照光を受光する。

第２実施例においても、第１実施例の場合と同様に、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、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。

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、例えば面位置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）またはその各近傍を中心として参照パターンの中間像の各要素パターン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。なお、信号処理部ＰＲは、領域ＤＢで反射された参照光による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、参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５を算出し、面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を求めるようにしても良い。

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、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。

また、第２実施例の面位置検出装置においても、第１実施例の場合と同様に、送光側共通光学部材（５〜８）と感光面Ｗａとの間の参照光路中に配置される反射プリズム１１の変動、および感光面Ｗａと受光側共通光学部材（２８〜２５）との間の参照光路中に配置される反射プリズム３１の変動に影響されることなく、感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。

図１７は、第３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３実施例は、第２実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第３実施例では、感光面Ｗａに対する参照光の入射面と感光面Ｗａに対する測定光の入射面とが交差している点が第２実施例と相違している。以下、第２実施例との相違点に着目して、第３実施例の構成および作用を説明する。

第３実施例においても第２実施例と同様に、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、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。送光プリズム３Ｂの射出面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、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。

図１８および図１９に示すように、実線で示す測定光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂおよび側面８ｃによって順次反射され、射出面８ｄから射出された後、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡにＸＺ平面に沿って入射角θｍで斜め入射する。一方、測定光路からＹ方向に間隔を隔てた参照光路（図中破線で示す）に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂによって反射され、偏角プリズム１０の反射面１０ａによって反射された後、菱形プリズム８の射出面８ｄから図１８中斜め上方へ向かって射出される。

射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、図２０および図２１に示すような作用および形態を有する反射プリズム１２に入射する。なお、図２０は、反射プリズム１２へ入射した参照光Ｌｒが２回反射されて感光面Ｗａへ導かれる様子、および感光面Ｗａから後述の反射プリズム３２へ入射した参照光Ｌｒが２回反射されて菱形プリズム８へ導かれる様子を参照光Ｌｒの光路によって示している。また、図２１は、反射プリズム１２（３２）へ入射する参照光Ｌｒｉと反射プリズム１２（３２）から射出される参照光Ｌｒｏとを含む平面に沿った反射プリズム１２（３２）の断面を示している。

反射プリズム１２および３２は、図示の困難な外形形状を有し且つ図示の困難な姿勢で配置されているため、図１７〜図１９では単なる正方形により表示されている。図１７〜図２１を参照すると、菱形プリズム８の射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、反射プリズム１２に入射し、その反射面１２ａおよび１２ｂによって順次反射され、反射プリズム１２から射出された後、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面と直交する面（ＹＺ平面）に沿って、検出領域ＤＡに入射角θｒで斜め入射する。

このように、第３実施例では、第１実施例とは異なり、感光面Ｗａに対する測定光の入射面と感光面Ｗａに対する参照光の入射面とは直交しており、測定光の入射面に沿った参照光の入射角成分は０度である。

感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム２８の入射面２８ａを介して、側面２８ｂおよび反射面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、反射プリズム３２に入射し、その反射面３２ａおよび３２ｂによって順次反射され、反射プリズム３２から射出される。反射プリズム３２から射出された参照光Ｌｒは、菱形プリズム２８の入射面２８ａを介して、偏角プリズム３０に入射する。偏角プリズム３０に入射した参照光Ｌｒは、反射面３０ａによって反射され、菱形プリズム２８の反射面２８ｃで反射された後、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第１対物レンズ２７へ導かれる。

菱形プリズム２８から射出された測定光および参照光は、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、受光プリズム２３Ａおよび受光プリズム２３Ｂにそれぞれ入射する。受光プリズム２３Ａの入射面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、受光プリズム２３Ｂの入射面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。

入射面２３Ａａに設けられた受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過した測定光、および入射面２３Ｂａに設けられた受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５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上に測定パターンの観測像の共役像、および参照パターンの観測像の共役像をそれぞれ形成する。光検出器２１の検出面２１ａには、測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５に対応するように受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５が設けられ、参照光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５に対応するように受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５が設けられている。

第３実施例においても、第１実施例および第２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、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。

第３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を算出し、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、測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５と参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５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。測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の算出、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、ウェハＷをＸＹ平面に沿って移動させつつ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。こうして、第３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、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。

また、第３実施例の面位置検出装置では、送光側共通光学部材（５〜８）を経た参照光を２回反射する反射面１２ａおよび反射面１２ｂが反射プリズム１２に一体に形成され、感光面Ｗａによって反射された参照光を２回反射する反射面３２ａおよび反射面３２ｂは反射プリズム３２に一体に形成されている。したがって、第３実施例の面位置検出装置においても、第１実施例および第２実施例の場合と同様に、送光側共通光学部材（５〜８）と感光面Ｗａとの間の参照光路中に配置される反射プリズム１２の変動、および感光面Ｗａと受光側共通光学部材（２８〜２５）との間の参照光路中に配置される反射プリズム３２の変動に影響されることなく、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、送光側共通光学部材（５〜８）を経た参照光を２回反射して感光面Ｗａへ導く送光側反射部として、反射面１１ａ，１１ｂまたは１２ａ，１２ｂが形成された反射プリズム１１または１２を用いている。また、感光面Ｗａによって反射された参照光を２回反射して受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導く受光側反射部として、反射面３１ａ，３１ｂまたは３２ａ，３２ｂが形成された反射プリズム３１または３２を用いている。

すなわち、上述の構成例では、送光側反射部と受光側反射部とが別々の光学部材として構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、送光側反射部と受光側反射部とを１つの光学部材として一体に形成することもできる。具体的に、第１実施例および第２実施例の構成において、図２２に示すように、送光側反射部としての反射プリズム１１と受光側反射部として反射プリズム３１とを一体化してもよい。

また、上述の構成例では、第１反射面としての反射面（１１ａ，１２ａ）および第２反射面としての反射面（１１ｂ，１２ｂ）が単一の光学部材である反射プリズム（１１，１２）に形成され、第３反射面としての反射面（３１ａ，３２ａ）および第４反射面としての反射面（３１ｂ，３２ｂ）が単一の光学部材である反射プリズム（３１，３２）に形成されている。しかしながら、単一の光学部材に限定されることなく、例えば第１反射面が形成された第１ミラー部材と第２反射面が形成された第２ミラー部材とを第１反射面と第２反射面とのなす角度が変動しないように保持する構成や、第３反射面が形成された第３ミラー部材と第４反射面が形成された第４ミラー部材とを第３反射面と第４反射面とのなす角度が変動しないように保持する構成も可能である。

すなわち、送光側反射部では参照光を順次反射する第１反射面と第２反射面とのなす角度が変動しないこと、受光側反射部では参照光を順次反射する第３反射面と第４反射面とのなす角度が変動しないことが重要である。この目的のために、送光側反射部では参照光を順次反射する第１反射面および第２反射面を所要の形態にしたがって一体に形成し、受光側反射部では参照光を順次反射する第３反射面および第４反射面を所要の形態にしたがって一体に形成することが好ましい。

また、上述の構成例では、送光側共通光学部材（５〜８）を経た参照光を２回反射して感光面Ｗａへ導くとともに、感光面Ｗａによって反射された参照光を２回反射して受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導いている。しかしながら、２回反射に限定されることなく、送光側共通光学部材（５〜８）を経た参照光を偶数回反射して感光面Ｗａへ導くとともに、感光面Ｗａによって反射された参照光を偶数回反射して受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導くこともできる。このように、送光側反射部および受光側反射部の具体的な構成については様々な形態が可能である。

また、上述の説明では、菱形プリズム８の下側の側面８ｃに形成されたダイクロイック膜９およびこれに隣接して取り付けられた偏角プリズム１０が、送光側共通光学部材（５〜８）を経た測定光および参照光を相対的に偏向させて測定光を感光面Ｗａへ導くとともに参照光を反射プリズム１１または１２へ導く送光側偏向部を構成している。また、菱形プリズム２８の下側の側面２８ｂに形成されたダイクロイック膜２９およびこれに隣接して取り付けられた偏角プリズム３０が、感光面Ｗａによって反射された測定光および反射プリズム３１または３２を経た参照光を相対的に偏向させて受光側共通光学部材（２８〜２５）へ導く受光側偏向部を構成している。

しかしながら、送光側偏向部および受光側偏向部の具体的な構成については様々な形態が可能である。一例として、図２３に示すように、菱形プリズム８の上側の側面８ｂに形成されたダイクロイック膜９’と、ダイクロイック膜９’に隣接して取り付けられた三角プリズム１０’とにより送光側偏向部を構成し、菱形プリズム２８の上側の側面２８ｃに形成されたダイクロイック膜２９’と、ダイクロイック膜２９’に隣接して取り付けられた三角プリズム３０’とにより受光側偏向部を構成することもできる。

この場合、菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂおよび反射面８ｃによって順次反射され、射出面８ｄから射出された後、感光面Ｗａに入射する。菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、ダイクロイック膜９’および三角プリズム１０’を透過して、反射プリズム１３に入射する。反射プリズム１３に入射した参照光Ｌｒは、反射面１３ａおよび反射面１３ｂによって順次反射された後、感光面Ｗａに入射する。

感光面Ｗａによって反射されて菱形プリズム２８の入射面２８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面２８ｂおよび反射面２８ｃで順次反射された後、射出面２８ｄから射出される。感光面Ｗａによって反射された参照光Ｌｒは、反射プリズム３３に入射し、その反射面３３ａおよび反射面３３ｂによって順次反射された後、三角プリズム３０’に入射する。三角プリズム３０’に入射した参照光Ｌｒは、ダイクロイック膜２９’を透過し、菱形プリズム２８の射出面２８ｄから射出される。

なお、第１実施例では、図７に模式的に示すように、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を同列に配列させ、且つ測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンと、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の対応する要素パターンとを感光面Ｗａ上の同一箇所に配列させている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図２４に模式的に示すように、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンと参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の要素パターンとを、一方向（Ｘ方向）に沿って１つの要素パターン毎に（一般には一以上の要素パターン毎に）交互に配列させることもできる。

この場合、例えば測定パターンの中間像Ｉｍ３の中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖ３の検出に際して、中間像Ｉｍ３に対応する観測像の位置情報に基づいて面位置Ｚｍ３を算出する。また、中間像Ｉｍ３をＸ方向に沿って挟み込む２つの参照パターンの中間像Ｉｒ２およびＩｒ３に着目し、中間像Ｉｒ２に対応する観測像の位置情報と中間像Ｉｒ３に対応する観測像の位置情報とに基づいて面位置Ｚｒ３’を算出する。具体的には、例えば、中間像Ｉｒ２に対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒ２と、中間像Ｉｒ３に対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒ３との平均値を、面位置Ｚｒ３’として算出する。

そして、測定光に関する面位置Ｚｍ３と、参照光に関する面位置Ｚｒ３’とに基づいて、中間像Ｉｍ３の中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖ３を算出する。他の検出点における補正された面位置Ｚｖｉの算出についても同様に、測定パターンの中間像Ｉｍｉの要素パターンを挟み込む２つ（一般には複数）の参照パターンの中間像の要素パターンに対応する第２観測面（入射面２３Ｂａ）上の位置情報に基づいて面位置Ｚｒｉ’を算出すればよい。

また、第１実施例では、測定パターンおよび参照パターンとして、複数の要素パターンを一方向に沿って配列した一次元配列パターンを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、２つの方向に沿って複数の要素パターンを配列した二次元配列パターンを、測定パターンおよび参照パターンとして用いることもできる。

測定パターンおよび参照パターンとして、例えば互いに直交する２つの方向に沿って複数の要素パターンを配列した二次元配列パターンを用いる場合、図２５に模式的に示すように、複数の測定パターンの中間像Ｉｍの要素パターンおよび複数の参照パターンの中間像Ｉｒの要素パターンがＸ方向およびＹ方向に沿ってマトリックス状に配列される。図２５では、測定パターンの中間像Ｉｍの要素パターンと、参照パターンの中間像Ｉｒの対応する要素パターンとが、同一箇所に配列されている。この場合、補正された面位置Ｚｖの検出は、第１実施例において説明した通りである。

また、例えば図２６に模式的に示すように、測定パターンの中間像Ｉｍの要素パターンと参照パターンの中間像Ｉｒの要素パターンとを、二方向（Ｘ方向およびＹ方向）に沿って１つの要素パターン毎に（一般には一以上の要素パターン毎に）交互に配列させることもできる。この場合、例えば測定パターンの中間像Ｉｍｃの中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖｃの検出に際して、中間像Ｉｍｃに対応する観測像の位置情報に基づいて面位置Ｚｍｃを算出する。

また、中間像ＩｍｃをＸ方向に沿って挟み込む２つの参照パターンの中間像ＩｒｎおよびＩｒｓ、並びに中間像ＩｍｃをＹ方向に沿って挟み込む２つの参照パターンの中間像ＩｒｅおよびＩｒｗに着目し、中間像Ｉｒｎ、中間像Ｉｒｓ、中間像Ｉｒｅおよび中間像Ｉｒｗに対応する各観測像の位置情報に基づいて面位置Ｚｒｃを算出する。具体的には、例えば、中間像Ｉｒｎに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｎと、中間像Ｉｒｓに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｓと、中間像Ｉｒｅに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｅと、中間像Ｉｒｗに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｗとの平均値を、面位置Ｚｒｃとして算出する。

あるいは、面位置Ｚｒｎと面位置Ｚｒｓとの平均値、または面位置Ｚｒｅと面位置Ｚｒｗとの平均値を、面位置Ｚｒｃとして算出する。そして、測定光に関する面位置Ｚｍｃと、参照光に関する面位置Ｚｒｃとに基づいて、中間像Ｉｍｃの中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖｃを算出する。

一般的には、測定パターンおよび参照パターンとして、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を用いて、参照パターンの中間像の要素パターンを測定パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列させる場合、測定パターンの中間像の要素パターンに対応する第１観測面上の位置情報に基づいて面位置Ｚｍを算出し、当該測定パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列された一以上の参照パターンの中間像の要素パターンに対応する第２観測面上の位置情報に基づいて面位置Ｚｒを算出することができる。

また、第２実施例および第３実施例では、送光プリズム３Ａと３Ｂとを一体化したり、受光プリズム２３Ａと２３Ｂとを一体化したりすることにより、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５と送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５との間の位置変動および測定パターンの観測像と参照パターンの観測像との間の不用な位置変動を回避することができ、ひいては高精度な検出を行うことができる。

送光プリズムの一体化をさらに進めて、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５が設けられる測定パターン面と送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５が設けられる参照パターン面とを含む共通パターン面を有する送光部材を備えることもできる。同様に、受光プリズムの一体化をさらに進めて、測定パターンの観測像が形成される第１観測面と参照パターンの観測像が形成される第２観測面とを含む共通観測面を有する観測部材を備えることもできる。

ただし、例えば第２実施例において共通パターン面を用いる場合、感光面Ｗａにおける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方向ピッチとを等しくするには、図２７に示すように、送光部材の共通パターン面３ａに設けられる送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の要素パターンのｘ５方向のピッチを、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の要素パターンのｘ５方向のピッチよりも小さくするとよい。また、中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンの外形と中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の対応する要素パターンの外形とを感光面Ｗａ上で重ね合わせるには、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の要素パターンのｘ５方向の寸法を、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の要素パターンのｘ５方向の寸法よりも小さくするとよい。

これは、感光面Ｗａに対する測定光の入射角θｍの方が、参照光の入射角θｒよりも大きいからである。なお、図２７では、共通パターン面３ａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ５軸を、共通パターン面３ａにおいてｙ５軸と直交する方向にｘ５軸を設定している。このように、第１実施例および第３実施例においても、感光面Ｗａにおける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方向ピッチとを等しくするには、送光部材の共通パターン面３ａに設けられる送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の要素パターンのピッチを、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の要素パターンのピッチよりも小さくするとよい。

上述の各実施例では、感光面Ｗａ上に形成される中間像のスリット状要素パターンの長手方向が入射面に対して４５度の向きに設定されている。しかしながら、スリット状要素パターンの長手方向は入射面に対して４５度方向に限定されることなく、スリット状要素パターンの長手方向と入射面とがなす角度については様々な形態が可能である。例えば第３実施例では、参照パターンの中間像のスリット状要素パターンの長手方向の向きを、参照光の入射面（ＹＺ平面）と平行に設定することもできる。すなわち、参照パターンとして複数のスリット状要素パターンが配列された配列パターンを用いる場合、参照パターンの中間像における各スリット状要素パターンの長手方向を感光面Ｗａに対する参照光の入射面に平行にすることもできる。この場合、感光面Ｗａの面位置の変化（Ｚ方向移動）に対応する参照パターンの観測像の移動方向をその長手方向と一致させることができ、参照パターンの観測像の位置情報に基づく面位置Ｚｒの検出感度を実質的に無くする（０とする）ことができる。これは、感光面Ｗａへの参照光の入射角θｒを０とした場合に相当する。

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（鉛直面に沿った配置）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（水平面に沿った配置）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２８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２８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（露光領域）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２９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２９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、有機ＥＬディスプレイ、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。また、本発明は、ガラス基板と半導体ウェハとに限定されず、例えば可撓性を有するシート状の基板（面積に対する厚さの比がガラス基板および半導体ウェハに比して小さい基板）を露光対象としての感光性基板とすることができる。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。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。また、上記実施形態の各構成要素等は、いずれの組み合わせ等も可能とすることができる。

１ 光源
３ 送光プリズム
４，２４ ダイクロイックミラー
５，７，２５，２７ 対物レンズ
６ 振動ミラー
８，２８ 菱形プリズム
９，２９ ダイクロイック膜
１０，３０ 偏角プリズム
１１，３１ 反射プリズム
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 (37)

1. 被検面の面位置を検出する面位置検出装置であって、
   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測定光を異なる入射角で前記被検面に入射させ、該被検面に前記第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するとともに該第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測定光および前記第２測定光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材と、該送光側共通光学部材を経た前記第２測定光を偶数回反射して前記第１測定光よりも小さい入射角で前記被検面に入射させる送光側反射部とを有することを特徴とする面位置検出装置。
2. 前記送光側反射部は、前記第２測定光を順次反射する第１反射面および第２反射面を一体に有す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. 前記第１反射面および前記第２反射面は、単一の光学部材に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の面位置検出装置。
4. 前記送光側反射部は、前記被検面の直上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
5. 前記送光側反射部は、前記被検面における前記第２パターンの中間像の直上に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の面位置検出装置。
6. 前記送光側反射部は、前記被検面に対する前記第１測定光の入射面と交差する方向から前記第２測定光を前記被検面に入射させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
7. 前記送光側反射部は、前記被検面に対する前記第２測定光の入射角のうち前記被検面に対する前記第１測定光の入射面に沿った入射角成分を略０度として前記第２測定光を前記被検面に入射させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
8. 前記送光光学系は、前記送光側共通光学部材を経た前記第１測定光および前記第２測定光を相対的に偏向させて前記第１測定光を前記被検面へ導くとともに前記第２測定光を前記送光側反射部へ導く送光側偏向部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
9. 前記送光側偏向部は、前記第１測定光および前記第２測定光の一方を反射させて他方を透過させる送光側分離面を有することを特徴とする請求項８に記載の面位置検出装置。
10. 前記送光側分離面は、前記第１測定光および前記第２測定光の波長もしくは偏光に応じて該第１測定光および該第２測定光の一方を反射させて他方を透過させることを特徴とする請求項９に記載の面位置検出装置。
11. 前記受光光学系は、前記第１測定光および前記第２測定光に対して共通に設けられた少なくとも１つの受光側共通光学部材と、前記被検面によって反射された前記第２測定光を偶数回反射して前記受光側共通光学部材へ導く受光側反射部とを有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
12. 前記受光側反射部は、前記第２測定光を順次反射する第３反射面および第４反射面を一体に有す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. 前記第３反射面および前記第４反射面は、単一の光学部材に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の面位置検出装置。
14. 前記受光光学系は、前記被検面によって反射された前記第１測定光および前記受光側反射部を経た前記第２測定光を相対的に偏向させて前記受光側共通光学部材へ導く受光側偏向部を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の面位置検出装置。
15. 前記受光側偏向部は、前記第１測定光および前記第２測定光の一方を反射させて他方を透過させる受光側合成面を有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. 前記受光側合成面は、前記第１測定光および前記第２測定光の波長もしくは偏光に応じて該第１測定光および該第２測定光の一方を反射させて他方を透過させ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. 前記送光光学系は、互いに異なる方向から入射する前記第１測定光および前記第２測定光を前記送光側共通光学部材へ導く送光側合成部を有することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
18. 前記受光光学系は、前記受光側共通光学部材を経た前記第１測定光および前記第２測定光を相対的に偏向させて該第１測定光を前記第１観測面へ導くとともに該第２測定光を前記第２観測面へ導く受光側分離部を有することを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
19. 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乃至１８のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
20. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像の要素パターンと前記第２パターンの中間像の要素パターンとを前記被検面上で同列に配列させることを特徴とする請求項１９に記載の面位置検出装置。
21. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像のうちの少なくとも１つの要素パターンと前記第２パターンの中間像のうちの少なくとも１つの要素パターンとを前記被検面上の同一箇所に配列させることを特徴とする請求項２０に記載の面位置検出装置。
22. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像の要素パターンと前記第２パターンの中間像の要素パターンとを一以上の要素パターンごとに交互に配列させることを特徴とする請求項２０に記載の面位置検出装置。
23. 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被検面に対する前記第１測定光の入射面に沿って配列させることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
24. 前記第２パターンは、複数のスリット状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２パターンの中間像における前記スリット状要素パターンの長手方向を前記被検面に対する前記第２測定光の入射面に平行にすることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
25. 前記検出部は、前記第１観測面における前記第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観測面における前記第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、前記被検面への前記第１測定光の入射角をθｍとし、前記被検面への前記第２測定光の入射角をθｒとして、前記被検面の第３の面位置Ｚｖを、
    Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）／（１−sinθｒ／sinθｍ）
    の式に基づいて算出することを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
26. 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２５に記載の面位置検出装置。
27. 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、前記被検面上で前記第２パターンの中間像の要素パターンを前記第１パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列させ、
    前記検出部は、前記第１パターンの中間像の要素パターンに対応する前記第１パターンの観測像の位置情報に基づいて前記第１の面位置Ｚｍを算出し、該第１パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列された一以上の前記第２パターンの中間像の要素パターンに対応する前記第２パターンの観測像の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２５に記載の面位置検出装置。
28. 前記検出部は、前記第１パターンの中間像の要素パターンを挟み込む複数の前記第２パターンの中間像の要素パターンに対応する前記第２パターンの観測像の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２７に記載の面位置検出装置。
29. 所定の面の面位置を検出する面位置検出装置であって、
    第１パターンからの第１の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出する第１検出系と、
    第２パターンからの第２の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出する第２検出系と、
    前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記所定の面の面位置を算出する処理部と、を備え、
    前記第１検出系および第２検出系は、前記第１の光および前記第２の光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材を有し、前記第２検出系は、前記送光側共通光学部材を経た前記第２の光を偶数回反射して前記第１の光よりも小さい入射角で前記所定の面に入射させる送光側反射部を有する面位置検出装置。
30. 基板ステージに載置された感光性基板にパターンを転写する露光装置において、
    前記感光性基板の感光面の面位置を検出する請求項１乃至２９のいずれか１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、前記基板ステージの位置合わせをする位置合わせ機構と、
    を備えたことを特徴とする露光装置。
31. マスクステージに載置されたマスクのパターンを基板ステージに載置された感光性基板に転写する露光装置において、
    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乃至２９のいずれか１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、
    を備えたことを特徴とする露光装置。
32. 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３０に記載の露光装置。
33. 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３１に記載の露光装置。
34. 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３２または３３に記載の露光装置。
35. 所定の面の面位置を検出する面位置検出方法であって、
    第１パターンからの第１の光および第２パターンからの第２の光を異なる入射角で前記所定の面に入射させ、該所定の面に前記第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ことと、
    前記所定の面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第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するとともに該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成することと、
    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所定の面の面位置を算出することと、を含み、
    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ことは、前記第１の光および前記第２の光を、前記第１の光および前記第２の光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材を経由させ、該送光側共通光学部材を経た前記第２の光を偶数回反射して前記第１の光よりも小さい入射角で前記所定の面に入射させることを含む面位置検出方法。
36. 所定の面の面位置を検出する面位置検出方法であって、
    第１パターンからの第１の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出することと、
    第２パターンからの第２の光を前記所定の面に入射させて該所定の面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記所定の面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することと、
    前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記所定の面の面位置を算出することと、を備え、
    前記第１パターンの観測像の位置情報を検出することおよび前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することは、それぞれ前記第１の光および前記第２の光を、前記第１の光および前記第２の光に対して共通に設けられた少なくとも１つの送光側共通光学部材を経由させ、前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することは、前記送光側共通光学部材を経た前記第２の光を偶数回反射して前記第１の光よりも小さい入射角で前記所定の面に入射させることを含む面位置検出方法。
37. 請求項３０乃至３４のいずれか１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前記パターンに基づいて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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