JP2013236074A - 面位置計測装置、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 雰囲気揺らぎの影響を小さく抑えて、被検面の面位置を高精度に検出する。
【解決手段】 主面上または該主面の近傍に位置する被検面に第１測定ビームを斜め方向から投射し被検面で反射した第１測定ビームを受光して、第１測定ビームが照射される第１計測領域の面位置を検出する第１面位置計測系と、被検面に第２測定ビームを斜め方向から投射し被検面で反射した第２測定ビームを受光して、第２測定ビームが照射される第２計測領域の面位置を検出する第２面位置計測系とを備える。第１測定ビームが主面上で占める領域である第１領域と、第２測定ビームが主面上で占める領域である第２領域とは、主面上における第１方向に沿って位置し、主面上において第１方向と直交する方向を第２方向とするとき、第１領域の第２方向への射影の一部と、第２領域の第２方向への射影の一部とが互いに重複する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検面の面位置を検出する面位置計測装置、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投影露光する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、感光性基板の被露光面（表面：転写面）が平坦でない場合もある。このため、露光装置では、投影光学系の像面（結像面）に対する感光性基板の表面の位置合わせ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（被露光面の面位置）を検出する装置として、例えば斜入射型の面位置計測装置が知られている（特許文献１を参照）。この斜入射型の面位置計測装置では、被検面としての感光性基板の表面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。

米国特許第６，８９７，４６２号明細書

特許文献１に記載された斜入射型の面位置計測装置を露光装置に適用した場合、感光性基板のほぼ全体に亘って一方向に細長く延びる計測領域内の複数点の面位置を一括的に検出するには、送光光学系の射出端から感光性基板の表面を経て受光光学系の入射端に至る光路長を比較的大きく確保する必要がある。その結果、感光性基板を保持するステージの移動、感光性基板の交換などに起因して感光性基板の上方の雰囲気（空気など）に「揺らぎ」が発生し、この雰囲気揺らぎの影響により感光性基板の面位置を正確に検出（ひいては感光性基板の表面の面形状を正確に計測）することが困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、雰囲気揺らぎの影響を小さく抑えて、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計測装置を提供することを目的とする。また、本発明は、被検面の面位置を高精度に検出する面位置計測装置を用いて、例えば投影光学系に対して感光性基板の被露光面を高精度に位置合わせすることのできる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、第１形態では、物体の表面の高さ位置を計測する面位置計測装置において、
前記物体上に設定されて第１方向に長手方向を持つ計測範囲内に、該第１方向と交差する方向または平行な方向である第２方向に長手方向を持つ複数の計測領域を形成する複数の面位置計測系を備え、
前記複数の面位置計測系のそれぞれは、前記計測領域内に設定された複数の検出点における前記表面の高さ位置を計測し、
前記計測範囲の前記第１方向の長さは、前記物体の前記第１方向の長さ以上であることを特徴とする面位置計測装置を提供する。

第２形態では、物体を第１方向に沿って移動させつつ該物体の表面の高さ位置を計測する面位置計測装置において、
前記物体の表面上の計測領域における前記物体の表面の高さ位置を検出する複数の面位置計測系を備え、
前記複数の面位置計測系の前記計測領域は、前記表面において前記第１方向を横切る第２方向に沿って配置され、
前記複数の面位置計測系は、前記計測領域内に設定された複数の検出点における前記表面の高さ位置を計測し、
前記物体を前記第１方向に沿って移動させるときに複数の前記計測領域が前記表面を掃引する領域は、前記物体の表面全体を占めることを特徴とする面位置計測装置を提供する。

第３形態では、主面上または該主面の近傍に位置する被検面に第１測定ビームを斜め方向から投射する第１投射系と、前記被検面で反射した前記第１測定ビームを受光する第１受光系と有し、該第１受光系の出力に基づいて前記第１測定ビームが照射される第１計測領域の面位置を検出する第１面位置計測系と、
前記被検面に第２測定ビームを斜め方向から投射する第２投射系と、前記被検面で反射した前記第２測定ビームを受光する第２受光系と有し、該第２受光系の出力に基づいて前記第２測定ビームが照射される第２計測領域の面位置を検出する第２面位置計測系とを備え、
前記第１測定ビームが前記主面上で占める領域である第１領域と、前記第２測定ビームが前記主面上で占める領域である第２領域とは、前記主面上における第１方向に沿って位置し、
前記主面上において前記第１方向と直交する方向を第２方向とするとき、前記第１領域の前記第２方向への射影の一部と、前記第２領域の前記第２方向への射影の一部とが互いに重複することを特徴とする面位置計測装置を提供する。

第４形態では、主面上または該主面の近傍に位置する被検面との相対的な位置関係を変更しつつ前記被検面の面位置を検出する面位置計測装置であって、
前記被検面上の第１計測領域の面位置を検出する第１面位置計測系と、
前記被検面上において前記第１計測領域とは異なる第２計測領域の面位置を検出する第２面位置計測系とを備え、
前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって前記第１計測領域が前記被検面に形成する第１掃引領域の一部と、前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって前記第２計測領域が前記被検面に形成する第２掃引領域の一部とは、互いに重複していることを特徴とする面位置計測装置を提供する。

第５形態では、物体の表面の高さ位置を計測する面位置計測装置において、
前記物体上に設定されて第１方向に長手方向を持つ計測範囲内に、該第１方向と交差する方向または平行な方向である第２方向に長手方向を持つ複数の計測領域を形成する複数の面位置計測系を備え、
前記複数の面位置計測系のそれぞれは、前記物体の表面上の前記計測領域に測定ビームを斜め方向から投射する投射系と、前記表面で反射した前記測定ビームを受光する受光系とを有し、前記計測領域内に設定された複数の検出点における前記表面の高さ位置を計測し、
前記複数の面位置計測系の前記投射系から前記計測領域を経由して前記受光系に至る光路の光路長は、前記計測範囲の前記第１方向の長さよりも短いことを特徴とする面位置計測装置を提供する。

第６形態では、所定のパターンを物体に露光する露光装置において、
前記物体の被露光面の面位置を計測するための第１形態、第２形態、第３形態、第４形態または第５形態の面位置計測装置と、
前記面位置計測装置の検出結果に基づいて、前記物体の前記被露光面を所定面に対して位置合わせするための位置合わせ部とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。

第７形態では、所定のパターンを物体に露光する露光装置において、
前記物体の被露光面の面位置を計測するための面位置計測装置と、
前記物体を載置し、前記物体を保持して移動面に沿って移動可能な移動体とを備え、
前記面位置計測装置は、前記物体上に設定されて第１方向に長手方向を持つ計測範囲内に、該第１方向と交差する方向または平行な方向である第２方向に長手方向を持つ複数の計測領域を形成する複数の面位置計測系を備え、
前記面位置計測装置は、前記物体を被露光位置へ向けて前記第１方向を横切る第３方向に沿って移動させつつ、前記物体の表面の高さ方向の位置を計測し、
前記複数の面位置計測系による前記複数の計測領域のうちの少なくとも２つは、前記第３方向で異なる位置に配置されることを特徴とする露光装置を提供する。

第８形態では、主面または該主面の近傍に位置する被検面上に測定ビームを斜め方向から投射する投射系と、前記被検面で反射された前記測定ビームを受光する受光系と有し、該受光系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計測装置において、
前記測定ビームが前記主面上で占める領域である計測領域の上方における雰囲気の揺らぎを検出する雰囲気揺らぎ検出系を備え、
前記雰囲気揺らぎ検出系は、検出パターンからの光により前記計測領域の上方に前記検出パターンの空間像を形成する空間像形成系と、前記空間像からの光により前記検出パターンの二次像を形成する二次像形成光学系とを備え、前記二次像の経時的変化に関する情報に基づいて雰囲気の揺らぎを検出することを特徴とする面位置計測装置を提供する。

第９形態では、所定のパターンを基板に露光する露光装置において、
前記基板の被露光面の面位置を、前記被検面の面位置として検出するための第８形態の面位置計測装置と、
前記面位置計測装置の検出結果に基づいて、前記基板の被露光面を所定面に対して位置合わせするための位置合わせ部とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。

第１０形態では、第６形態、第７形態または第９形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明の面位置計測装置では、雰囲気揺らぎの影響を小さく抑えて、被検面の面位置を高精度に検出することができる。また、本発明の一態様にしたがう露光装置では、被検面の面位置を高精度に検出する面位置計測装置を用いて、投影光学系に対して感光性基板の被露光面を高精度に位置合わせすることができる。

第１実施形態にかかる面位置計測装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の面位置計測装置を構成する複数の面位置計測系のうちの１つの系を示す図である。 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概略的に示す図である。 複数の送光スリットの中間像が被検面上に形成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概略的に示す図である。 光検出器の検出面に設けられた複数の受光部を概略的に示す図である。 第１実施形態の面位置計測装置を構成する複数の面位置計測系の配置を概略的に示す図である。 複数の面位置計測系により送光スリット、方向弁別用スリット、トラッキング用送光スリットの中間像が被検面上に形成される様子を模式的に示す図である。 隣り合う２つの掃引領域の一部が互いに重複して重複領域を形成する様子を示す図である。 ５つの掃引領域がウェハの表面の全体を占める様子を示す図である。 複数の計測領域の配置にかかる変形例を概略的に示す図である。 複数の計測領域の配置にかかるもう１つの変形例を概略的に示す図である。 各計測領域１ｃ〜５ｃとウェハの表面上の掃引領域Ｓ１〜Ｓ５との関係を示す図である。 ウェハ上における複数の露光領域ＳＡの配置を示す図である。 図１４の一部を拡大した図であって、掃引領域Ｓ１、Ｓ２と露光領域との関係を示す図である。 Ｌ＆Ｓパターンからのパターン光を用いる変形例の構成を概略的に示す図である。 図１６の変形例において送光プリズムの射出面に設けられたＬ＆Ｓパターンを概略的に示す図である。 計測領域に正弦波に近いピッチを持つ強度分布像が被検面上に形成される様子を示す図である。 二次元撮像センサが二次元的に配置された複数の画素を有する様子を示す図である。 被検面上の強度分布像に対して二次元撮像センサの走査線を投影して示す図である。 複数の面位置計測系によりＬ＆Ｓパターンおよびトラッキング用スリットパターンの中間像が被検面上に形成される様子を模式的に示す図である。 送光パターンとして複数列の形態を有するＬ＆Ｓパターンを用いる例を示す図である。 第２実施形態にかかる面位置計測装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。 第２実施形態における雰囲気揺らぎ検出系の構成を概略的に示す図である。 パターン板に設けられた検出パターンを示す図である。 ラインセンサの受光面に形成される検出パターンの二次像を示す図である。 雰囲気揺らぎ検出系と複数の面位置計測系との配置関係を示す図である。 各面位置計測系の雰囲気揺らぎによる誤差成分と揺らぎ変化特徴量との相関関係を模式的に示す図である。 合成計測領域での雰囲気揺らぎによる平均的な誤差成分と揺らぎ変化特徴量との相関関係を模式的に示す図である。 エアギャップセンサの構成を概略的に示す図である。 エアギャップセンサのセンサ本体が面位置計測系および雰囲気揺らぎ検出系に対して位置決めされた状態を示す図である。 エアギャップセンサの保持・移動機構を概略的に示す図である。 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。

以下、実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態にかかる面位置計測装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。第１実施形態では、露光装置においてマスクのパターンが投影露光される感光性基板の面位置の計測に対して本発明の面位置計測装置を適用している。第１実施形態の面位置計測装置は、並列的に配置された複数の面位置計測系を有する。なお、図１では、理解を容易にするために、ウェハステージがローディング位置ＬＰに位置している場合、被露光位置ＥＰに位置している場合、アンローディング位置ＵＰに位置している場合を、ウェハステージを一点鎖線で表示することで併せて示してある。

図１において、投影光学系ＰＬの像面の法線方向（すなわち投影光学系の光軸の方向）にｚ軸を、投影光学系ＰＬの像面内（すなわち光軸に垂直な面内）においてｘ軸を、投影光学系ＰＬの像面内においてｘ軸に垂直にｙ軸を設定している。この直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は図示の面位置計測系に対する局所座標系であり、ｚ座標は露光装置に対する全体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ座標と一致している。

すなわち、ｘｙ平面はＸＹ平面と一致し、ｘ座標はＸ座標に対応し、ｙ座標はＹ座標に対応している。具体的には、後述するように、＋ｘ方向は＋Ｘ方向と鋭角θをなし、＋ｙ方向は＋Ｙ方向と鋭角θをなしている。図１では、局所座標系のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標と、全体座標系のＸ座標、Ｙ座標およびＺ座標とを示している。以下、説明の簡単のために、複数の面位置計測系は互いに同じ構成を有するものとする。

図１に示す露光装置は、露光用の光源（不図示）から射出された照明光（露光光）により、所定のパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを照明する照明系ＩＬを備えている。マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。マスクステージＭＳは、駆動系ＭＤ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、その位置座標はマスクステージ位置計測部ＭＰ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。

マスクＭを透過した光は、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（被露光面）Ｗａ上にマスクＭのパターンの像を形成する。ウェハＷは、ウェハステージＷＳＴに搭載されたウェハテーブルＷＴＢに設けられた図示無きウェハホルダにより、ウェハステージＷＳＴ上においてＸＹ平面と平行に保持されている。ウェハステージＷＳＴは、制御部ＣＲからの指示に従って駆動系ＶＨの作用により動作し、投影光学系ＰＬの像面と平行なＸＹ平面に沿って移動する。また、ウェハステージＷＳＴ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。

ウェハテーブルＷＴＢ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、ひいては感光性基板の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する計測部ＷＰは、計測結果を制御部ＣＲに出力する。

計測部ＷＰは、ウェハテーブルＷＴＢ上に設けられて、ウェハテーブルＷＴＢの４辺のそれぞれに沿った所定ピッチの格子線を持つスケールＳＣＡと、当該スケールのＸＹ平面内の位置情報（Ｚ軸回りの回転方向（θｚ方向）を含む）を計測するエンコーダシステム（ＥＮｈ１〜ＥＮｈ６）とを備えている。このエンコーダシステムは、スケールＳＣＡを用いてウェハステージＷＳＴ（ウェハテーブルＷＴＢ）のＸＹ軸方向の位置（ＸＹ位置）を計測する多眼エンコーダヘッドと、スケールＳＣＡのＺ軸方向の高さ位置（Ｚ位置）計測するＺセンサとを内蔵したユニットＥＮｈ１〜ＥＮｈ６を備えている。

ウェハステージＷＳＴは、制御部ＣＲからの指示にしたがって駆動系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。

マスクＭのパターン面上に設けられた回路パターンをウェハＷの表面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Ｚ方向に沿った位置、つまり現在の露光領域の面形状（複数の検出点における面の高さ方向の位置）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方向の移動を行う必要がある。そこで、図１の露光装置は、露光領域の高さ方向（Ｚ方向）の面位置を計測するための面位置計測装置を備えている。

図１の露光装置における面位置計測装置１〜５では、ウェハＷを載置するウェハステージＷＳＴがウェハＷを載置する位置であるローディング位置ＬＰに設定される。このローディング位置ＬＰにおいてウェハテーブルＷＴＢ上にウェハＷが載置された後、ウェハステージＷＳＴは、移動面であるＸＹ平面に沿ってウェハＷが露光される被露光位置ＥＰへ移動する。面位置計測装置１〜５は、ウェハＷがローディング位置ＬＰから被露光位置ＥＰへ移動する間に、ウェハＷの表面Ｗａにおける複数の検出点の高さ方向の面位置を計測する。

ここで、計測部ＷＰによるウェハテーブルＷＴＢのＸＹ位置、ひいてはウェハＷのＸＹ位置の計測結果と、面位置計測装置１〜５によるウェハＷの表面Ｗａの高さ方向の位置の計測結果とを用いて、ウェハＷの表面Ｗａ全体の高さ方向の面位置の分布の検出（以下、フォーカスマッピング）ができる。

フォーカスマッピングについて簡単に説明する。制御部ＣＲは、計測部ＷＰを用いてウェハステージＷＳＴのＸＹ平面内の位置を管理している。そして、ウェハＷがローディング位置ＬＰから被露光位置ＥＰへ向けて移動する際、面位置計測装置１〜５の測定ビーム、ひいては計測範囲がウェハＷに掛かり始めるまでの間に、面位置計測装置１〜５とＺセンサとを共に作動させる。

そして、面位置計測装置１〜５とＺセンサとが同時に作動している状態で、ウェハステージＷＳＴが＋Ｙ方向へ進行している間に、所定のサンプリング間隔で、Ｚセンサで計測されるウェハテーブルＷＴＢの表面のＺ軸方向に関する位置情報と、面位置計測装置１〜５で計測される複数の検出点におけるウェハＷの表面ＷａのＺ軸方向に関する位置情報（面位置情報）とを取り込み、その取り込んだ各面位置情報と各サンプリング時のエンコーダヘッドによる計測値とを相互に対応づけて、不図示のメモリに逐次格納する。

面位置計測装置１〜５の計測ビームがウェハＷに掛からなくなると、制御部ＣＲは、上記のサンプリングを終了し、面位置計測装置１〜５の各検出点についての面位置情報を、同時に取り込んだＺセンサによる計測結果を基準とする面位置データに換算する。

このようにして、予め換算データを取得しておくことで、例えば露光の際などには、制御部ＣＲは、ＺセンサでウェハテーブルＷＴＢ表面を計測して、ウェハテーブルＷＴＢのＺ位置と、Ｙ軸廻りの回転（ローリング）量θｙと、Ｘ軸廻りの回転（ピッチング）量θｘとを用いて所定の演算を行う。この演算から、ユニットＥＮｈ５，ＥＮｈ６内のＺセンサの検出点を結ぶ、投影光学系ＰＬの露光中心を通過する直線を求める。この直線と換算された面位置データとを用いることで、ウェハＷの表面Ｗａの面位置情報を実際に取得することなく、ウェハＷ上面の面位置制御（フォーカス・レベリング制御）が可能となる。

これにより、面位置計測装置１〜５を投影光学系ＰＬから離れた位置に配置した場合であっても、マスクＭのパターン面上に設けられた回路パターンをウェハＷの表面Ｗａ上の各露光領域に良好に転写することが可能である。

上述のように、ウェハＷの表面Ｗａのフォーカス・レベリング制御を行いつつ、投影光学系ＰＬの光軸と直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハＷを二次元的に一括露光または走査露光を行うことにより、ウェハＷの表面Ｗａの各露光領域にはマスクＭのパターンが露光される。なお、走査露光を行う場合、例えばＹ方向を走査方向とすることができる。以下、図２を参照して、面位置計測系の詳細な説明を行う。図２は、第１実施形態の面位置計測装置を構成する複数の面位置計測系のうちの１つの系を示す図であり、図２では面位置計測系に対する局所座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を採用している。

上述したように、面位置計測装置１〜５は、ウェハＷがローディング位置ＬＰから被露光位置ＥＰへ移動する間に、ウェハＷの表面Ｗａにおける複数の検出点の高さ方向の面位置を計測する。しかしながら、基準となる面および軸線を導入して実施形態の構成および作用の理解を容易にするために、図２では、面位置の計測に際してウェハステージが被露光位置ＥＰにあるものと仮想し、ひいてはウェハＷの表面Ｗａが破線で示す仮想的な投影光学系ＰＬの像面またはその近傍に位置しているものとする。そして、この投影光学系ＰＬの像面をＸＹ平面に沿った主面とし、投影光学系ＰＬの光軸をＺ方向に延びる基準的な光軸ＡＸとして、実施形態の説明を行う。実際に、被露光位置ＥＰにおいてウェハＷの表面Ｗａの面位置を計測することも可能である。

図２を参照すると、第１実施形態の面位置計測装置を構成する各面位置計測系には、例えば共通の光源ＬＳから、ライトガイド１１を介して検出光が供給される。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ＬＳとして、レジストに対する感光性の弱い波長帯の光（たとえば、波長幅が６００〜９００ｎｍの照明光）を供給する発光ダイオードを用いることができる。また、光源ＬＳとして、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）を用いることもできる。

ライトガイド１１を経た光は、コンデンサーレンズ１２を介して、送光プリズム１３に入射する。送光プリズム１３は、コンデンサーレンズ１２からの光を、屈折作用により後続の第２対物レンズ１４に向かって偏向させる。送光プリズム１３の射出面１３ａには、例えば図３に示すように配列された複数の送光スリットＳｍと、１つの方向弁別用スリットＳｄと、３つのトラッキング用送光スリットＳｔとが設けられている。

図３では、射出面１３ａにおいて局所座標のｙ軸に平行な方向にｙ１軸を、射出面１３ａ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Ｓｍは、例えばｙ１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Ｓｍ、方向弁別用スリットＳｄおよびトラッキング用送光スリットＳｔ以外の領域は遮光部である。複数の送光スリットＳｍからなる送光パターンは、ｙ１方向に３列構成である。

各列において、複数の送光スリットＳｍは、ｘ１方向に沿って所定のピッチでそれぞれ配列されている。また、各列における一群の送光スリットＳｍは、ｘ１方向に沿って互いに位置ずれしている。なお、送光パターンを構成する送光スリットの形状、数、配列などについて様々な変形例が可能である。方向弁別用スリットＳｄおよびトラッキング用送光スリットＳｔの作用については後述する。

複数の送光スリットＳｍからなる送光パターンを通過した光は、第２対物レンズ１４、走査手段としての振動ミラー１５、および第１対物レンズ１６を介して、落射プリズム１７に入射する。第２対物レンズ１４と第１対物レンズ１６とは、ウェハＷの表面Ｗａに、複数の送光スリットＳｍの中間像を形成する。振動ミラー１５は、第１対物レンズ１４の前側焦点位置に配置され、図２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１７は、ｘｚ平面に沿って平行四辺形に近い形状の断面を有し、ｙ方向に延びる柱状のプリズム部材である。落射プリズム１７に入射した光は、２回に亘って内部反射した後に、落射プリズム１７から射出され、被検面としての表面Ｗａ上の計測領域ＤＡに、ｘｚ平面に沿って斜め方向から入射する。表面Ｗａへの光の入射角は、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。

ウェハＷの表面Ｗａ上の計測領域ＤＡには、図４に示すように、送光パターンの中間像が投射される。すなわち、計測領域ＤＡには、送光パターンを構成する複数の送光スリットＳｍに対応して、ｙ方向に細長く延びる複数のスリット状の中間像Ｉｍが形成される。計測領域ＤＡは複数の中間像Ｉｍの集合体の外縁で作られる領域（あるいは複数の中間像Ｉｍに外接する領域）であり、各中間像Ｉｍの中心は計測領域ＤＡにおける検出点（検出位置）に対応している。

このように、第２対物レンズ１４、振動ミラー１５、第１対物レンズ１６、および落射プリズム１７は、複数の送光スリットＳｍからなる送光パターンからの光をウェハＷの表面Ｗａへ導いて、表面Ｗａ上の計測領域ＤＡに送光パターンの中間像Ｉｍを形成する送光光学系を構成している。送光プリズム１３の射出面１３ａから落射プリズム１７の入射面までの光路は、例えば温度調整が可能で比較的堅牢な密閉構造により覆われている。

図２を参照すると、ウェハＷの表面Ｗａによって反射された光は、落射プリズム２７に入射する。落射プリズム２７は、例えば光軸ＡＸを含むｙｚ平面に関して落射プリズム１７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、落射プリズム２７に入射した光は、２回に亘って内部反射した後に、落射プリズム２７から射出される。

落射プリズム２７から射出された光は、第１対物レンズ２６、ミラー２５、および第２対物レンズ２４を介した後、受光プリズム２３に入射する。第１対物レンズ２６、ミラー２５、および第２対物レンズ２４は、例えば光軸ＡＸを含むｙｚ平面に関して、第１対物レンズ１７、振動ミラー１６、および第２対物レンズ１５とそれぞれ対称的な構成を有する。ただし、ミラー２５は、振動ミラー１５とは異なり、固定的に設置されている。

受光プリズム２３は、例えば光軸ＡＸを含むｙｚ平面に関して送光プリズム１３と対称的な構成を有する。受光プリズム２３の入射面２３ａ（送光プリズム１３の射出面１３ａに対応する面）には、図５に示すように、複数の送光スリットＳｍに対応して配列された複数の受光スリットＳｍａと、方向弁別用スリットＳｄに対応した１つの方向弁別用開口部Ｓｄａと、トラッキング用送光スリットＳｔに対応した３つのトラッキング用受光スリットＳｔａとが設けられている。

図５では、入射面２３ａにおいて局所座標の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Ｓｍａはｙ２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Ｓｍａ、方向弁別用開口部Ｓｄａおよびトラッキング用受光スリットＳｔａ以外の領域は遮光部である。各受光スリットＳｍａは、対応する送光スリットＳｍと光学的にほぼ対応する形状および大きさを有し、対応する送光スリットＳｍと光学的に対応する位置に配置されている。方向弁別用開口部Ｓｄａおよびトラッキング用受光スリットＳｔａの作用については後述する。

受光プリズム２３の入射面２３ａには、送光パターンの観測像、すなわち複数の送光スリットＳｍの像が形成される。このように、落射プリズム２７、第１対物レンズ２６、ミラー２５、および第２対物レンズ２４は、ウェハＷの表面Ｗａによって反射された光を受光プリズム２３の入射面２３ａへ導いて、入射面２３ａに送光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。落射プリズム２７の射出面から受光プリズム２３の入射面２３ａまでの光路は、例えば温度調整が可能で比較的堅牢な密閉構造により覆われている。

受光プリズム２３に入射した光は、複数の受光スリットＳｍａ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から射出された光は、リレー光学系２２を介して、複数の受光スリットＳｍａ内にそれぞれ形成された送光パターンの観測像の共役像を、例えば二次元フォトセンサのような光検出器２１の検出面２１ａ上に形成する。すなわち、リレー光学系２２は、受光プリズム２３の入射面２３ａと光検出器２１の検出面２１ａとを光学的に共役に配置している。

光検出器２１の検出面２１ａには、図６に示すように、複数の受光部ＭＳｍが、複数の受光スリットＳｍａに対応するように、ひいては複数の送光スリットＳｍに対応するように設けられている。すなわち、複数の受光部ＭＳｍは、複数の送光スリットＳｍに対応する複数の受光スリットＳｍａを通過した光をそれぞれ受光する。各送光スリットＳｍの観測像は、ウェハＷの表面ＷａのＺ方向移動に伴って、受光プリズム２３の入射面２３ａ上でｘ２方向に移動する。

したがって、受光スリットＳｍａを通過する光の光量は表面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。検出面２１ａには、方向弁別用スリットＳｄおよび方向弁別用開口部Ｓｄａに対応した一対の方向弁別用受光部ＭＳｄと、トラッキング用送光スリットＳｔおよびトラッキング用受光スリットＳｔａに対応した３つのトラッキング用受光部ＭＳｔとがさらに設けられている。方向弁別用受光部ＭＳｄおよびトラッキング用受光部ＭＳｔの作用については後述する。

各面位置計測系では、ウェハＷの表面Ｗａが主面（すなわち仮想的な投影光学系ＰＬの像面）と合致している状態において、送光スリットＳｍの観測像が対応する受光スリットＳｍａの位置に形成されるように構成されていることが重要である。したがって、複数の送光スリットＳｍは所定のピッチにしたがって配置されている必要はなく、例えばランダムに分布配置されていても良い。受光部ＭＳｍの検出信号は、振動ミラー１５の振動に同期して変化し、信号処理部ＰＲに供給される。

ウェハＷの表面Ｗａが主面と直交する基準的な光軸（すなわち仮想的な投影光学系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に形成される送光スリットＳｍの観測像は、表面Ｗａの移動量に応じてｘ２方向（ピッチ方向）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米国特許第５，６３３，７２１号明細書に開示された光電顕微鏡の原理により、光検出器２１の出力に基づいて各送光スリットＳｍの観測像の位置ずれ量（位置情報）を検出し、検出した位置ずれ量に基づいて計測領域ＤＡ内の各検出点の面位置（Ｚ方向位置）を求める。

各面位置計測系において、ライトガイド１１、コンデンサーレンズ１２、送光プリズム１３、第２対物レンズ１４、振動ミラー１５、第１対物レンズ１６、および落射プリズム１７は、複数の送光スリットＳｍからなる送光パターンからの光、すなわちパターン光である測定ビームを、ウェハＷの表面Ｗａに斜め方向から投射する投射系を構成している。投射系は、ｘｚ平面（投射面）内における斜め方向から測定ビームを表面Ｗａに投射する。

したがって、複数の送光スリットＳｍの中間像Ｉｍが形成される計測領域ＤＡは、投射系によりウェハＷの表面Ｗａに測定ビームが照射される領域である。落射プリズム２７、第１対物レンズ２６、ミラー２５、第２対物レンズ２４、受光プリズム２３、リレー光学系２２、および光検出器２１は、ウェハＷの表面Ｗａで反射した測定ビームを受光する受光系を構成している。

送光プリズム１３は、パターン生成面としての射出面１３ａを有し、計測領域ＤＡ内において光特性が所定分布を持つパターン光となるように、入射する光を空間的に変調する送光パターン部材を構成している。第２対物レンズ１４および第１対物レンズ１６は、送光プリズム１３の射出面１３ａと光学的に共役な面を、主面に（ひいては主面またはその近傍に位置するウェハＷの表面Ｗａに）形成する投射側結像光学系を構成している。

第１対物レンズ２６および第２対物レンズ２４は、主面と光学的にほぼ共役な面（ひいてはウェハＷの表面Ｗａと光学的にほぼ共役な面）を、受光プリズム２３の入射面２３ａに形成する受光側結像光学系を構成している。受光プリズム２３は、受光側結像光学系による上述のほぼ共役な面に配置されて、その入射面２３ａが周期的構造を有する受光パターン部材を構成している。ただし、複数の送光スリットがランダムに分布配置される場合、受光プリズムの入射面の受光パターンは周期的構造にはならない。光検出器２１は、受光側結像光学系（２６，２４）および受光パターン部材２３を介した測定ビームを光電検出する光電検出器を構成している。

前述したように、単一の面位置計測系からなる従来の装置において、感光性基板のほぼ全体に亘って細長く延びる計測領域内の複数点の面位置を一括的に検出するには、送光光学系の射出端から感光性基板の表面を経て受光光学系の入射端に至る光路（図２では落射プリズム１７の射出面からウェハＷの表面Ｗａを経て落射プリズム２７の入射面に至る光路に対応）の光路長を比較的大きく確保する必要がある。その結果、感光性基板を保持するステージの移動、感光性基板の交換などに起因して感光性基板の上方の雰囲気（空気など）に「揺らぎ」が発生し、この雰囲気揺らぎの影響により感光性基板の面位置を正確に検出（ひいては感光性基板の表面の面形状を正確に計測）することが困難である。

具体的に、雰囲気揺らぎの低周波成分は周期的なドリフトの発生を招き、その高周波成分は計測再現性の悪化を招く。感光性基板のサイズが大きくなると、計測領域の長手方向の寸法が大きくなり、ひいては検出精度に対する雰囲気揺らぎの影響も大きくなる。第１実施形態の面位置計測装置では、雰囲気揺らぎの影響を小さく抑えるために、比較的小さい計測領域を有する複数の面位置計測系を所要の条件にしたがって並列配置している。

図７は、第１実施形態の面位置計測装置を構成する複数の面位置計測系の配置を概略的に示す図である。図７を参照すると、第１実施形態の面位置計測装置は、互いに同じ構成を有する５つの面位置計測系１，２，３，４および５により構成されている。面位置計測系１〜５は、投射系１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａと、受光系１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂとをそれぞれ有し、計測領域１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，５ｃ（計測領域ＤＡに対応）内の複数位置の面位置をそれぞれ計測する。

面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃは、全体座標系におけるＸ方向と角度θで交差するｘ方向に延びる帯状の領域であって互いに平行であり、Ｘ方向に沿って所定の間隔を隔てて位置している。さらに詳細には、面位置計測系１の計測領域１ｃの＋Ｘ方向側の端部と、面位置計測系２の計測領域２ｃの−Ｘ方向側の端部とが、Ｙ方向に沿って見たときに互いに重複している。

同様に、計測領域２ｃの＋Ｘ方向側の端部と計測領域３ｃの−Ｘ方向側の端部、計測領域３ｃの＋Ｘ方向側の端部と計測領域４ｃの−Ｘ方向側の端部、計測領域４ｃの＋Ｘ方向側の端部と計測領域５ｃの−Ｘ方向側の端部とが、Ｙ方向に沿って見たときに互いに重複している。すなわち、互いに隣り合う２つの計測領域のうち、−Ｘ方向側にある一方の計測領域の＋Ｘ方向側の端部と、＋Ｘ方向側にある他方の計測領域の−Ｘ方向側の端部とが、Ｙ方向に沿って見たときに互いに重複している。

さらに別の表現をすれば、計測領域１ｃのＹ方向への射影の一部と計測領域２ｃのＹ方向への射影の一部とが互いに重複し、計測領域２ｃのＹ方向への射影の一部と計測領域３ｃのＹ方向への射影の一部とが互いに重複している。また、計測領域３ｃのＹ方向への射影の一部と計測領域４ｃのＹ方向への射影の一部とが互いに重複し、計測領域４ｃのＹ方向への射影の一部と計測領域５ｃのＹ方向への射影の一部とが互いに重複している。

また別の表現をすれば、面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃは、Ｘ方向と角度θで交差するｘ方向に延びる帯状の領域であって互いに平行であり、Ｘ方向に沿って互いに近接している。さらに別の表現をすれば、複数の面位置計測系１〜５の投射系１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａから計測領域１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，５ｃを経由して受光系１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂに至る光路の光路長は、計測範囲ＤＡのＸ方向の長さＬよりも短い。

図８は、５つの面位置計測系１〜５により、多数の送光スリットＳｍの中間像、１つの方向弁別用スリットＳｄの中間像、３つのトラッキング用送光スリットＳｔの中間像が、ウェハＷの表面Ｗａ上に形成される様子を模式的に示している。図８では、面位置計測系１〜５により中間像が形成される領域を、参照符号１ｃａ，２ｃａ，３ｃａ，４ｃａ，５ｃａでそれぞれ表している。

なお、上述の説明では、被検面であるウェハＷの表面Ｗａ上の計測領域１ｃ〜５ｃを基準として、面位置計測系１〜５の配置を説明している。しかしながら、主面を基準として面位置計測系１〜５の配置を考えると、面位置計測系１〜５において測定ビームが主面上で占める第１領域〜第５領域は、計測領域１ｃ〜５ｃにそれぞれ対応する。

実際に、ウェハＷの表面Ｗａが主面上にある場合には、第１領域〜第５領域は計測領域１ｃ〜５ｃと一致する。ウェハＷの表面Ｗａが主面の近傍に位置する場合には、第１領域〜第５領域は計測領域１ｃ〜５ｃとほぼ一致する。したがって、第１実施形態では、第１領域〜第５領域において互いに隣り合う２つの領域のうち、一方の領域のＹ方向への射影の一部と他方の領域のＹ方向への射影の一部とが互いに重複している。

一例として、計測領域１ｃにおける複数の検出点（検出位置）のうちの少なくとも１つと、計測領域２ｃにおける複数の検出点のうちの少なくとも１つとがＸ方向に沿って互いに重なるように配置することができる。すなわち、互いに隣り合う２つの計測領域のうちの一方における複数の検出点のうちの少なくとも１つと、他方の計測領域における複数の検出点のうちの少なくとも１つとがＸ方向に沿って互いに重なるように（Ｙ方向に沿って見たときに互いに重なるように）配置することができる。

面位置計測系１〜５による計測領域１ｃ〜５ｃ内の複数点の面位置の検出結果は、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、駆動系ＨＤに指令を供給し、ＸＹステージＨＳ（ひいてはウェハＷ）をＹ方向に（必要に応じてＸ方向にも）ステップ移動させる。そして、面位置計測装置は、ウェハＷの表面Ｗａ上の新たな計測領域１ｃ〜５ｃ内の複数点の面位置を検出し、この検出結果を記憶部ＭＲに供給する。

こうして、面位置計測装置は、駆動系ＨＤによるＸＹステージＨＳのＹ方向へのステップ移動に応じて、ウェハＷの表面Ｗａの全体に亘って分布する複数点における面位置を検出し、ひいてはウェハＷの表面Ｗａの形状を計測する。ウェハＷのＹ方向のステップ移動は、必要に応じて、所要の回数だけ行われる。面位置計測装置の複数の検出結果、すなわち複数の検出点における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のＸＹ平面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、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、駆動系ＶＤに指令を供給し、ＺステージＶＳ（ひいてはウェハＷ）をＺ方向に沿って所要量だけ移動させる。

このように、第１実施形態の面位置計測装置では、被検面であるウェハＷの表面Ｗａとの相対的な位置関係を変更しつつ、例えば固定的に設置された面位置計測系１〜５に対してウェハＷを保持するＸＹステージＨＳをＹ方向に沿って移動させつつ、表面Ｗａの面位置を計測する。したがって、例えば図９に示すように、ウェハＷの表面Ｗａと面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって、すなわち面位置計測系１〜５に対してウェハＷをＹ方向（位置変更方向）に沿って移動させることによって、計測領域１ｃが表面Ｗａに形成する第１掃引領域Ｓ１の一部と、計測領域２ｃが表面Ｗａに形成する第２掃引領域Ｓ２の一部とは互いに重複して重複領域ＯＬ１２を形成することになる。

同様に、第２掃引領域Ｓ２の一部と計測領域３ｃが表面Ｗａに形成する第３掃引領域Ｓ３の一部、第３掃引領域Ｓ３の一部と計測領域４ｃが表面Ｗａに形成する第４掃引領域Ｓ４の一部、第４掃引領域Ｓ４の一部と計測領域５ｃが表面Ｗａに形成する第５掃引領域Ｓ５の一部とは、互いに重複し、それぞれ重複領域ＯＬ２３、ＯＬ３４、ＯＬ４５を形成することになる。

なお、「掃引」とは、一般的には「平面上で定義した図形を空間内で移動し、その軌跡によって三次元形状を生成する動作」を指す（JIS B 4301-1993参照）が、本明細書では被検面上で定義した図形である計測領域１ｃ〜５ｃを被検面に沿って移動させ、その軌跡によって生成される二次元形状を第１掃引領域Ｓ１〜第５掃引領域Ｓ５と称している。この結果、例えば図１０に示すように、第１掃引領域Ｓ１〜第５掃引領域Ｓ５がウェハＷの表面Ｗａ全体を占めることになり、ウェハＷの表面Ｗａ全体の面位置の分布を計測することができる。

第１実施形態では、面位置計測系１〜５に対してウェハＷをＹ方向に沿って移動させることによって、計測領域１ｃ内の複数の検出点（検出位置）のうちの少なくとも１つが表面Ｗａ上に形成する第１軌跡と、計測領域２ｃ内の複数の検出点のうちの少なくとも１つが表面Ｗａ上に形成する第２軌跡とが、互いに重複するように配置することができる。同様に、第２軌跡と計測領域３ｃ内の複数の検出点のうちの少なくとも１つが表面Ｗａ上に形成する第３軌跡、第３軌跡と計測領域４ｃ内の複数の検出点のうちの少なくとも１つが表面Ｗａ上に形成する第４軌跡、第４軌跡と計測領域５ｃ内の複数の検出点のうちの少なくとも１つが表面Ｗａ上に形成する第５軌跡とが、互いに重複するように配置することができる。

上述のように、各面位置計測系では、振動ミラー１５を用いて、送光スリットＳｍの像を対応する受光スリットＳｍａ上でｘ２方向に振動させ、光電検出法により計測領域ＤＡ内の複数点の面位置を計測する。一般に、受光スリットＳｍａは、対応する送光スリットＳｍと光学的に同じ幅（ｘ２方向の寸法）のスリットで、非計測方向であるｙ２方向の寸法を送光スリットＳｍよりも光学的に短く設定することが多い。また、光検出器２１の検出面２１ａに設置される各受光部ＭＳｍは、対応する受光スリットＳｍａを通過した光を全て受光できるように、受光スリットＳｍａよりも光学的に大きく設定される。

方向弁別用受光部ＭＳｄは、ウェハＷの表面Ｗａ上の各点の面位置の計測に先立って、まずウェハＷが所要の位置からＺ方向に大きく位置ずれしている状態で、方向弁別用スリットＳｄから方向弁別用開口部Ｓｄａを経た光に基づいて、ウェハＷがプラス方向（＋Ｚ方向）に位置ずれしているか、マイナス方向（−Ｚ方向）に位置ずれしているかを判断するセンサである。

ウェハＷがＺ方向に大きく位置ずれしている場合、送光スリットＳｍの像は対応する受光スリットＳｍａ上で計測方向（ｘ２方向）に位置ずれし過ぎて、正しく計測することができなくなってしまう。この場合、ベストフォーカス面を挟んでプラスの領域に対応した受光面がある方向弁別用受光部ＭＳｄおよびマイナスの領域に対応した受光面がある方向弁別用受光部ＭＳｄの出力を処理すると、ウェハＷが位置ずれしている方向を判断することができる。

また、ウェハＷがＺ方向に大きく位置ずれしている場合、送光スリットＳｍの像の光が対応する受光スリットＳｍａではなく近接する別の受光スリットに入射してしまうことがある。この現象は、送光スリットＳｍがｘ１方向に沿って周期的に並んでいるために発生する。その場合、トラッキング用受光部ＭＳｔがトラッキング用スリットＳｔからトラッキング用受光スリットＳｔａを経た光に基づいて正しく位置計測できるように、ウェハＷの姿勢を調整すればよい。このように、方向弁別用受光部ＭＳｄおよびトラッキング用受光部ＭＳｔが正しい状態になっていることを確認した後に、二次元的に配列された複数の受光部ＭＳｍによる計測を行う。

各点の計測は、レジストの塗布されていない無地のウェハ等を用いて、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙおよびθｚの６自由度ステージ及びステージ制御系により規定される座標、すなわち全体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で決まる基準面を基準として、各スリットのオフセット値を算出し、ステージを正確に測りソフト的に加算可能な状態で行う。６自由度で制御されたステージ上に設置されたウェハを、予め決まっている基準面に沿って駆動し、面位置計測系の中心座標を通るｙ軸に移動させながら、各スリット像の位置計測を行う。この結果、全体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する、ウェハの表面のフォーカス曲面を求めることが可能となり、その情報を基にして、さらに露光を行うことができる。

以上のように、第１実施形態の面位置計測装置では、比較的小さい計測領域１ｃ〜５ｃが所要の配置条件を満たすように、５つの面位置計測系１〜５を並列配置している。そして、計測領域１ｃ〜５ｃが所要の配置条件を満たすように並列配置された面位置計測系１〜５の協働作用により、面位置が一括的に検出可能な領域として、計測領域１ｃの−Ｘ方向側の端から計測領域５ｃの＋Ｘ方向側の端までＸ方向に沿って細長く延びる帯状の合成計測領域ＤＡｔ（図７を参照）が確保される。すなわち、単一の面位置計測系からなる従来の装置における比較的大きい計測領域と同様に、例えばＸ方向に沿ってウェハＷのほぼ全体に亘って細長く延びる帯状の合成計測領域ＤＡｔを確保することができる。

第１実施形態の面位置計測装置では、各面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃのｘ方向（計測方向）に沿った寸法が比較的小さく、ひいては落射プリズム１７の射出面からウェハＷの表面Ｗａを経て落射プリズム２７の入射面に至る光路長が比較的小さい。その結果、ウェハＷを保持するステージの移動、ウェハＷの交換などに起因して発生する雰囲気揺らぎが各面位置計測系１〜５の検出精度に与える影響を小さく抑えて、ウェハＷの表面Ｗａの面位置の分布を高精度に検出すること、ひいてはウェハＷの表面Ｗａの形状を高精度に計測することができる。しかも、面位置計測系１〜５の協働作用により、Ｘ方向に沿ってウェハＷのほぼ全体に亘って細長く延びる合成計測領域ＤＡｔ内の複数点の面位置を一括的に検出することができる。

言い換えると、第１実施形態の面位置計測装置は、ウェハＷ上に設定されてＸ方向に長手方向を持つ計測範囲ＤＡｔ内に、Ｘ方向と交差するｘ方向または平行な方向であるＸ方向に長手方向を持つ複数の計測領域１ｃ〜５ｃを形成する複数の面位置計測系１〜５を備え、複数の面位置計測系１〜５のそれぞれは、計測領域１ｃ〜５ｃ内に設定された複数の検出点におけるウェハＷの表面の高さ位置を計測し、計測範囲ＤＡｔのＸ方向の長さがウェハＷのＸ方向の長さ以上であることから、雰囲気揺らぎなどによる各面位置計測系１〜５の検出精度に与える影響を小さく抑えて、ウェハＷの表面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。

一般に、互いに同じ構成を有し且つ互いに平行に配置されたＮ（＝２，３，・・・）個の各面位置計測系の計測領域が上述の配置要件を満たすには、次の条件式（１）を満足する必要がある。条件式（１）において、Ｌは合成計測領域ＤＡｔのＸ方向の寸法、ａは各計測領域のｘ方向の寸法、θはＸ方向とｘ方向とがなす鋭角である。
Ｎ＞Ｌ／（ａ×cos｜θ｜） （１）

なお、第１実施形態では、単純な例として、互いに同じ構成を有する面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃがＸ方向と交差するｘ方向に沿って延びる帯状の領域であって、互いに平行に間隔を隔てて位置している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図１１に示すように、互いに平行に間隔を隔てた３つの計測領域１ｃ，３ｃ，５ｃと、互いに平行に間隔を隔てた２つの計測領域２ｃ，４ｃとが混在するような構成も可能である。図１１では、計測領域１ｃ，３ｃ，５ｃと計測領域２ｃ，４ｃとがＸ方向に関して対称な方向に延びている。この図１１の例では、面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃは、Ｘ方向と交差する方向に延びる帯状の領域であって、Ｘ方向に沿って互いに一部重畳している。

また、例えば図１２（ａ）に示すように、互いに平行に間隔を隔ててＸ方向に延びる一対の計測領域１ｃと２ｃとを有するような構成も可能である。この図１２（ａ）の例では、２つ（一対）の計測領域１ｃ，２ｃを有する構成であるが、計測領域の数は２つ（一対）には限定されず、例えば図１２（ｂ）に示すように３つの計測領域１ｃ，２ｃ，３ｃを有する構成であっても良い。このとき、３つ目の計測領域３ｃを、計測領域１ｃの長手方向（Ｘ方向）と同じ方向に沿った長手方向を有し、且つ計測領域１ｃの＋Ｘ方向側であってその−Ｘ方向側の端部がＹ方向に沿ってみたときに計測領域２ｃの＋Ｘ方向側の端部と互いに重畳するような配置であっても良い。

また、面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃの長手方向（ｘ方向）が計測範囲ＤＡｔの長手方向（Ｘ方向）と角度θｎで交差する場合、
｜θｎ｜＜４５° （ａ）
を満足しても良い。この場合、面位置計測系の数を増やさずに計測範囲の幅（長手方向の長さ）を広げることができる。

また、上記（ａ）の条件式に代えて、
｜θｎ｜＜３０° （ｂ）
を満足しても良い。この場合、面位置計測系の数に対する計測範囲の幅（長手方向の長さ）をさらに広げることができる。

また、上記（ａ）または（ｂ）の条件式に加えて、
０°＜｜θｎ｜ （ｃ）
を満足しても良い。

また、面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃの長手方向（ｘ方向）が計測範囲ＤＡｔの長手方向（Ｘ方向）と交差する角度は、全ての面位置計測系１〜５において同じであっても良い。このように、図１２の例では、複数の面位置計測系１〜２（３）による複数の計測領域１ｃ〜２ｃ（３ｃ）のうちの少なくとも２つが、Ｙ方向で異なる位置に配置されており、各計測領域のＸ方向の幅を超える幅でウェハＷの表面Ｗａの高さ方向の計測を可能としている。

一般に、複数の面位置計測系は互いに同じ構成を有する必要はなく、計測領域の数、形状、配置などについては様々な変形例が可能である。すなわち、面位置計測系の数、構成、配置などについては様々な変形例が可能である。たとえば、図１２（ｂ）において、計測領域２ｃのｘ方向の幅を、計測領域１ｃ、３ｃの幅よりも大きく設定しても良い。

また、上述の例では、面位置計測系１〜５に対してウェハＷをＹ方向（位置変更方向）に沿って移動させることによって、各面位置計測系１〜５の各計測領域１ｃ〜５ｃがウェハＷの表面Ｗａに形成する各掃引領域Ｓ１〜Ｓ５が一部重複していた。しかしながら、複数の計測領域１ｃ〜５ｃのうち、Ｘ方向に沿って隣接する２つの計測領域、例えば計測領域１ｃ、２ｃが表面Ｗａを掃引する掃引領域Ｓ１、Ｓ２を、Ｘ方向に沿って所定の間隔Ｇだけ隔てさせる形態も可能である。以下、この点を図１３、図１４および図１５を参照して説明する。

図１３は、各計測領域１ｃ〜５ｃと、ウェハＷの表面Ｗａ上の掃引領域Ｓ１〜Ｓ５との関係を示す図である。図１４は、ウェハＷ上における複数の露光領域（ショット領域とも称される）ＳＡの配置を示す図である。図１５は、図１４の一部を拡大した図であって、掃引領域Ｓ１、Ｓ２と露光領域との関係を示す図である。

図１３において、複数の面位置計測系１〜５の各計測領域１ｃ〜５ｃがウェハＷの表面Ｗａを掃引することによって形成される掃引領域Ｓ１〜Ｓ５は、各計測領域１ｃ〜５ｃが配列される方向であるＸ方向に沿って所定の間隔で隔てられている。ここで、ウェハＷの表面Ｗａ上において、各計測領域１ｃ〜５ｃによって掃引されない領域であるギャップ領域ＧＡ１２、ＧＡ２３、ＧＡ３４、ＧＡ４５では、複数の面位置計測系１〜５によって表面の位置（形状）を直接計測できない。しかしながら、この領域ＧＡ１２、ＧＡ２３、ＧＡ３４、ＧＡ４５の幅（Ｘ方向の寸法）が十分に小さければ、各面位置計測系１〜５の面位置計測結果を外挿する等の手法を用いて、ウェハＷの表面Ｗａの全体の面位置の分布（面形状）を算出することができる。

ここで、図１４に示すように、ウェハＷの表面Ｗａに複数の露光領域ＳＡが形成される場合を考える。このとき、図１５に示すように、各計測領域１ｃ〜５ｃが配列される方向であるＸ方向に沿った露光領域ＳＡの大きさ（幅）をＢとすると、Ｘ方向に沿ったギャップ領域は、次の式（２）に示す条件を満足しても良い。図１５では、例示的に、掃引領域Ｓ１とＳ２との間のギャップ領域Ｇ１２の間隔Ｇと、露光領域ＳＡの大きさＢとの関係を示している。
Ｇ≦Ｂ／２ （２）

条件式（２）を満足する場合には、各面位置計測系１〜５の面位置計測結果を外挿する際の誤差を低減することが可能となる。また、第１実施形態では、各計測領域１ｃ〜５ｃの形状が長方形状であったが、図１３に示したように、例えば平行四辺形状であっても良く、台形状や六角形状などその他の多角形形状であっても良い。

図１３〜図１５を参照して説明した例では、ウェハ（一般には物体）ＷをＹ方向に沿って移動させつつウェハＷの表面Ｗａの面位置の分布を計測する面位置計測装置は、表面Ｗａ上の計測領域１ｃ〜５ｃにおけるウェハＷの表面での高さ方向の分布を検出する複数の面位置計測系１〜５を備えている。複数の面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃは、表面ＷａにおいてＸ方向（一般にはＹ方向を横切る方向）に沿って配置されている。ウェハＷをＹ方向に沿って移動させるときに、複数の計測領域１ｃ〜５ｃが表面Ｗａを掃引する領域Ｓ１〜Ｓ５は、表面Ｗａの全体を占めている。ここで、ウェハＷの移動方向は、Ｙ方向のみであっても良い。

また、複数の面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃのそれぞれの長手方向は、ウェハＷの表面ＷａにおいてＹ方向を横切るｘ方向である。そして、複数の計測領域１ｃ〜５ｃのうち、Ｘ方向に沿って隣接する２つの計測領域が表面Ｗａを掃引する領域は、Ｘ方向に沿って所定の間隔Ｇ、すなわち条件式（２）を満たす間隔Ｇで隔てられている。換言すれば、Ｘ方向に沿って隣接する２つの計測領域が表面Ｗａを掃引する領域は、必ずしも互いに一部重畳している必要はない。

また、上述の例では、面位置計測系１〜５に対してウェハＷをＹ方向（位置変更方向）に沿って移動させることによって、ウェハＷの表面Ｗａ全体の面位置を計測したが、ウェハＷの移動方向は、計測範囲ＤＡｔの長手方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）には限定されない。例えば、計測範囲ＤＡｔの長手方向（Ｘ方向）と位置変更方向とのなす角度を、９０°±５°としても良い。

また、第１実施形態では、測定ビームとして、複数のスリットからのパターン光を用いている。しかしながら、これに限定することなく、計測領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化するパターン光を測定ビームとして用いることができる。一例として、図１６に示すように、測定ビームとして、ライン・アンド・スペースパターン（以下、略して「Ｌ＆Ｓパターン」ともいう）からのパターン光を用いる変形例も可能である。Ｌ＆Ｓパターンとは、多数のスリット状のライン部が所定のピッチ（ひいては所定のデューティ比）にしたがって一方向に沿って間隔を隔てて配列された周期パターンである。

図１６の変形例は、図２の第１実施形態と類似の構成を有する。しかしながら、図１６の変形例では、振動ミラー１５に代えて反射面の近傍に開口絞り１５ａが付設されたミラー１５ａを用い、光電検出機能を有する光検出器２１に代えて二次元撮像センサ２１ｂを用いている点が、第１実施形態と相違している。以下、図２の第１実施形態との相違点に着目して図１６の変形例の構成および作用を説明する。

図１６の変形例において、送光プリズム１３の射出面１３ａには、例えば図１７に示すような送光パターンとしてのＬ＆Ｓパターン５１と、３つのトラッキング用スリットパターン５２とが設けられている。一方、受光プリズム２３の入射面２３ａには、図示を省略したが、例えば単一の開口部（光透過部）が形成されている。この開口部は、Ｌ＆Ｓパターン５１およびトラッキング用スリットパターン５２からの有効光を通過させ且つそれ以外の有害光を遮るように形成されている。

この場合、Ｌ＆Ｓパターン５１からの光により、図１８に示すように、ウェハＷの表面Ｗａ上の計測領域５３には正弦波に近いピッチＰを持つ強度分布像５４が形成される。図１８において、計測領域５３の計測方向であるｘ方向が全体座標のＸ方向となす角度θは光学系の配置により決まっているが、計測領域５３内の強度分布像５４のピッチ方向をｚ軸廻りに回転させるために、Ｌ＆Ｓパターン５１自体を射出面１３ａ内において回転させてもよい。

送光パターンとしてＬ＆Ｓパターン５１を用いる場合、図１９に示すように二次元的に配置された複数の画素５５を有する二次元撮像センサ２１ｂで受光する。ウェハＷの表面Ｗａ上の強度分布像５４に対して、図２０において破線で示すように二次元撮像センサ２１ｂの走査線（または一続き画素列）５６が配置され、複数の正弦波に近い形状の強度分布をもつ信号波形が得られる。図２０では、二次元撮像センサ２１ｂの走査線５６を、ウェハＷの表面Ｗａへ投影している。信号処理の手法は、位相検出でも良いし、サンプリングピッチを満たしているのであればアップサンプリング処理や、空間周波数フィルタリングを伴うより精密なＬ＆Ｓパターン毎の位置計測アルゴリズム処理を用いても良い。

送光パターンとしてＬ＆Ｓパターン５１を用いる変形例においても、スリットパターンを用いる第１実施形態の場合と同様に、ウェハＷが所要の位置からＺ方向に大きく位置ずれしている場合、正しいＬ＆Ｓパターン像の受光位置がわからなくなってしまうことがある。この現象は、Ｌ＆Ｓパターン像が周期的で１位相以上位置ずれするために発生する。その場合、二次元撮像センサ２１ｂのトラッキングセンサ（不図示）が、図１７のトラッキング用スリットパターン５２からの光により正しく位置計測できるようにウェハＷの姿勢を調整すればよい。

各走査線（または一続き画素列）の計測は、無地のウェハ等を用いて、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙおよびθｚの６自由度ステージ及びステージ制御系により規定される座標、すなわち全体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で決まる基準面を基準として、予め決めた画素原点に対するオフセット値を算出し、ステージを正確に測りソフト的に加算可能な状態で行う。６自由度で制御されたステージ上に設置されたウェハを、予め決まっている基準面に沿って駆動し、面位置計測系の中心座標を通るｙ軸に移動させながら、各Ｌ＆Ｓパターン像の位置計測を行う。この結果、全体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する、ウェハの表面のフォーカス曲面を求めることが可能となり、その情報を基にして、さらに露光を行うことができる。

ここで、位置計測手法としては、信号波形にピッチＰで繰り返される強度ピーク位置を、既存の位置計測アルゴリズムを用いて算出すればよい。図１８に示すように、ウェハ上のＸＹ座標軸に対して角度θをもって斜めにＬ＆Ｓパターン像を投影し、ウェハ計測時のスキャン方向（位置変更方向）を例えばＹ方向とすると、誤差要因となるウェハ上の強度分布が複数回に亘って走査線（または一続き画素列）を通過するとともに、各計測時の二次元撮像センサ上の位置が角度θ分だけ移動するので、容易に把握可能というメリットがある。

図２１は、図１６の変形例において、５つの面位置計測系１〜５により、Ｌ＆Ｓパターン５１の中間像、およびトラッキング用スリットパターン５２の中間像が、ウェハＷの表面Ｗａ上に形成される様子を模式的に示している。図２１では、面位置計測系１〜５により中間像が形成される領域を、参照符号１ｃｂ，２ｃｂ，３ｃｂ，４ｃｂ，５ｃｂでそれぞれ表している。

図１６の変形例では、図２２に示すように、送光パターンとして、複数列（図２２では例示的に４列）の形態を有するＬ＆Ｓパターン５７を設けることもできる。この場合、各列のＬ＆Ｓパターンが互いに異なるピッチを有するように構成したり、各列のＬ＆Ｓパターンを互いに異なる波長特性の光で照明したり、互いに異なる偏光特性光で照明したりすることができる。また、各列のＬ＆Ｓパターンを互いに異なるＮＡの光で照明したり、各列のＬ＆Ｓパターンを互いに異なる入射角度の光で照明としたりすることもできる。

図２３は、第２実施形態にかかる面位置計測装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。第２実施形態は、図２の第１実施形態と類似の構成を有する。しかしながら、第２実施形態では、面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃの上方における雰囲気の揺らぎを検出する雰囲気揺らぎ検出系３０を付設している点が、第１実施形態と相違している。したがって、図２３では、図２に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図２と同じ参照符号を付している。ただし、図２３では、図面の明瞭化のために、面位置計測系１〜５の図示を省略している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態の構成および作用を説明する。

雰囲気揺らぎ検出系３０では、図２４に示すように、図示を省略した光源からの光が、ライトガイド３１およびコンデンサーレンズ３２を介して、パターン板３３を照明する。パターン板３３には、図２５に示すように、Ｙ方向に細長く延びる複数の矩形状（スリット状）の光透過部３３ａが、Ｚ方向（投影光学系ＰＬの像面の法線方向）に沿って所定のピッチにしたがって設けられている。すなわち、パターン板３３には、光透過部３３ａからなるライン部と隣り合う２つの光透過部３３ａの間のスペース部とにより構成されたＬ＆Ｓパターン（ライン・アンド・スペースパターン）が、検出パターンとして設けられている。

パターン板３３の検出パターンからの光は、リレー光学系３４を経て、ウェハＷの上方に検出パターンの空間像３５を形成する。空間像３５を形成した光は、リレー光学系３６を経て、Ｚ方向（すなわち検出パターンのピッチ方向に対応する方向）に沿った計測方向を有する高速高感度のラインセンサ３７に達する。こうして、ラインセンサ３７の受光面には、図２６に示すように、検出パターンの二次像３８が形成される。Ｌ＆Ｓパターン状の二次像３８のライン部３８ａは、検出パターンを構成する光透過部３３ａの共役像である。ラインセンサ３７の出力は、信号処理部ＰＲに供給される。

雰囲気揺らぎ検出系３０は、ウェハＷの表面Ｗａに垂直入射した後に反射された光を用いて、光の入射領域（ひいては反射領域）の面位置（Ｚ方向位置）を検出する複数のフォーカスセンサ（校正用面位置検出系）３９をさらに備えている。このように、ライトガイド３１、コンデンサーレンズ３２、パターン板３３およびリレー光学系３４は、検出パターンからの光によりウェハＷの表面Ｗａの上方に検出パターンの空間像３５を形成する空間像形成系３０Ａを構成している。リレー光学系３６は、空間像３５からの光により検出パターンの二次像３８を形成する二次像形成光学系を構成している。

図２７に示すように、空間像形成系３０Ａの射出側の光路と二次像形成光学系３６の入射側の光路とは、面位置計測系１〜５の合成計測領域ＤＡｔと重なるように、その長手方向すなわちＸ方向に沿って直線状に延びている。空間像形成系３０Ａは、面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃのうちの少なくとも１つの計測領域（第２実施形態では、例えば計測領域３ｃ）の上方に検出パターンの空間像３５を形成する。一例として、雰囲気揺らぎ検出系３０は、ＸＹ平面上の三角形の頂点に位置する３つの校正用のフォーカスセンサ３９を有する。

フォーカスセンサ３９は、計測領域１ｃ〜５ｃのうちのうちの少なくとも１つの計測領域またはその近傍に垂直入射した後に反射された光を用いて、当該計測領域またはその近傍の面位置を検出する。雰囲気揺らぎ検出系３０は、ラインセンサ３７の受光面に形成される検出パターンの二次像３８の経時的変化に関する情報、すなわち二次像３８の全体的な位置の経時的変化および隣り合うライン部の二次像３８ａの間隔の経時的変化に関する情報に基づいて、雰囲気の揺らぎを検出する。雰囲気揺らぎ検出系３０では、誤差に敏感な基準反射面を利用することなく、検出パターンの二次像の経時的変化を確認するだけであるため、雰囲気の揺らぎを正確に検出することができる。

校正用のフォーカスセンサ３９として、干渉計型センサまたは共焦点型センサを用いることができる。一般に、干渉計型センサおよび共焦点型センサは、斜入射型の面位置計測系と同様に、計測速度の点で優れている。しかしながら、干渉計型センサおよび共焦点型センサでは、斜入射型の面位置計測系とは異なり、複数点の一括的な面位置計測ができない。また、干渉計型センサおよび共焦点型センサでは、被検面までの光路を十分短く設定することにより、雰囲気揺らぎの影響をほとんど受けることなく被検面の面位置を正確に検出することができる。

ただし、干渉計型センサおよび共焦点型センサでは、無地ウェハの表面（鏡面）の位置を正確に検出することができるが、プロセスウェハの表面の位置を正確に検出することが困難である。プロセスウェハの表面の位置を正確に検出することのできるセンサとして、被検物の表面を物理的に計測するエアギャップセンサ（物理センサ）が知られている。エアギャップセンサは、被検物の計測領域との間に流体の流れを形成して当該計測領域の面位置を検出する面位置計測系であるが、一般に非常に狭いギャップを計測するため雰囲気揺らぎの影響をほとんど受けない。ただし、エアギャップセンサでは、計測速度が遅く、複数点の一括的な面位置計測もできない。

干渉計型センサでは、例えば測距センサであるヘテロダイン型干渉計を用いて、鏡面状の被検面の面位置を計測する。共焦点型センサでは、レーザ光源のビームスポットを投影して共焦点顕微鏡を形成し、例えばピエゾ振動子等を用いてビームスポットの位置を微小振動させることにより、鏡面状の被検面の面位置を計測する。エアギャップセンサでは、エアを噴射したきの抵抗値に基づいて、センサと被検物との間のギャップを高精度に算出する。原理的に、エアギャップセンサでは、被検物の表面の位置を正確に計測することができる。

したがって、例えば鏡面と同等の表面を有する無地のウェハの計測が前提であれば、面位置計測系１〜５のキャリブレーション（校正）のためのセンサとして、干渉計型または共焦点型のフォーカスセンサ３９を用いることができる。また、校正用の面位置検出系として、干渉計型または共焦点型のフォーカスセンサ３９のように、絶対値を管理可能なセンサ、つまり計測原点が常に変化しないセンサが望ましい。以下、第２実施形態の露光装置に搭載された雰囲気揺らぎ検出系３０を用いた面位置の補正方法について説明する。

露光装置では、ステージ上にウェハがない場合とある場合とで、面位置計測系１〜５のウェハ上方の光路空間における温度分布は一般に変化する。最も単純な状態として、図２４においてウェハ上方の光路空間のＺ方向に沿ってウェハに近づくほど温度が高くなるような温度勾配が生じ、この温度勾配がＸ方向に沿って一様な状態が考えられる。この場合、気体（空気など）の屈折率は温度が高くなるほど小さくなるため、雰囲気揺らぎ検出系３０の空間像形成系３０Ａから射出された光線は、プリズム効果により下方（−Ｚ方向）へ曲がる。

その結果、ラインセンサ３７の受光面に形成される検出パターンの二次像３８は、全体的にＺ方向に沿って移動する。具体的に、二次像形成光学系としてのリレー光学系３６が空間像の倒立共役像を形成する場合には二次像３８は全体的に＋Ｚ方向へ移動し、リレー光学系３６が空間像の正立共役像を形成する場合には二次像３８は全体的に−Ｚ方向へ移動する。ラインセンサ３７の受光面における二次像３８の全体的な位置変化は、雰囲気揺らぎによる温度勾配分布の微分値（温度勾配の傾きの１次成分）と相関がある。また、温度勾配の傾きに２次成分がある場合、ラインセンサ３７の受光面において隣り合うライン部の二次像３８ａの間隔が変化する。

一般に、ウェハ上方の光路空間内の位置毎に、雰囲気揺らぎの状態は異なることが予想される。しかしながら、ウェハに関する同じ動作を繰り返し行う場合、繰り返し動作時の雰囲気揺らぎ状態の再現性は十分に良く、同じ動作に対応して同じ雰囲気揺らぎ状態を繰り返すことが期待される。したがって、平均的な温度勾配に起因する成分をモニターすれば、各雰囲気揺らぎ状態は異なる係数に依存する相関関係にあると予想することができる。

各面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃでの雰囲気揺らぎによる誤差成分は、Ｚ方向誤差δＺｎ（ｎ＝１，２，３，４，５）、Ｘ方向のチルト誤差（傾き誤差）δＴＸｎ、およびＹ方向のチルト誤差δＴＹｎである。すべての面位置計測系１〜５による平均的フォーカス面は、合成計測領域ＤＡｔでの雰囲気揺らぎによる平均的な誤差成分δＺａ、δＴＸａ、δＴＹａを用いて定義される。平均的な誤差成分δＺａ、δＴＸａ、δＴＹａは、各面位置計測系１〜５の誤差を２次元面に例えば最小二乗フィッティングして算出される。

図２８は、各面位置計測系の雰囲気揺らぎによる誤差成分と揺らぎ変化特徴量との相関関係を模式的に示す図である。図２８において、縦軸は面位置計測系１〜５の雰囲気揺らぎによるＺ方向誤差δＺｎ（またはチルト誤差δＴＸｎ，δＴＹｎ）を、横軸は揺らぎ変化特徴量を示している。図２８では、面位置計測系１〜５における誤差成分と揺らぎ変化特徴量との相関関係を、参照符号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５でそれぞれ表している。具体的に、最も単純なモデルにおける揺らぎ変化特徴量は、ラインセンサ３７の受光面に形成される検出パターンの二次像３８の全体的な位置の変化量である。

図示を省略したが、揺らぎ変化特徴量として、隣り合うライン部の二次像３８ａの間隔の変化量を採用することができる。この場合も、面位置計測系１〜５について、Ｚ方向誤差δＺｎ、チルト誤差δＴＸｎ、またはチルト誤差δＴＹｎと、揺らぎ変化特徴量との相関を求めることができる。こうして、合成計測領域ＤＡｔでの雰囲気揺らぎによる平均的な誤差成分δＺａ、δＴＸａ、δＴＹａについても、図２９に示すように、揺らぎ変化特徴量との相関関係が得られることが期待される。図２９では、揺らぎ変化特徴量と平均的な誤差成分との相関関係を、参照符号Ｃａで表している。

したがって、第２実施形態では、例えば無地のウェハを用いて面位置計測系１〜５による面の高さ方向の位置の分布（面形状）の計測および雰囲気揺らぎ検出系３０による雰囲気揺らぎの検出を行うことにより、雰囲気揺らぎ検出系３０の検出結果である揺らぎ変化特徴量と、面位置計測系１〜５による各計測誤差との相関が得られる。実際の露光時には、雰囲気揺らぎ検出系３０の検出結果に基づいて揺らぎ変化特徴量を算出し、算出した揺らぎ変化特徴量に基づいて各面位置計測系１〜５による面位置の計測結果（あるいは合成計測領域ＤＡｔに対する計測結果）を補正することができる。

一般に、プロセスウェハの表面は、半導体プロセスの複雑な３次元構造であり、その上にレジストが塗布されている。また、ＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子等を製造するプロセスでは、ウェハ上にカラーフィルタなどが形成されることもある。上述したように、エアギャップセンサ（物理センサ）を用いることにより、プロセスウェハの高さ基準として最も望ましい表面（レジスト表面）の位置を正確に計測することができる。

すなわち、第２実施形態では、図３０に示すエアギャップセンサ６０を用いて、プロセスウェハの先頭ロットの処理（同じ露光処理を行う１回目の処理）時に、あるいは先頭ロットの処理に先立って事前に計測を行うこともできる。エアギャップセンサ６０は、エア噴出し口を有するセンサ本体６１と、センサ本体６１に一端が接続されたエアチューブ６２と、エアチューブ６２の他端が接続されたコントローラ６３とを備えている。エアギャップセンサ６０のセンサ本体６１は、面位置計測系１〜５および雰囲気揺らぎ検出系３０に対して、例えば図３１に示すように位置決めされる。

エアギャップセンサ６０を用いてプロセスウェハの先頭ロットの処理時に（あるいは先頭ロットの処理に先立って事前に）計測を行うことによって、斜入射型の面位置計測系１〜５の計測誤差を補正してから、面位置計測系１〜５を使用することが望ましい。また、プロセスウェハの表面を面位置計測系１〜５よりも正確に計測可能なエアギャップセンサ６０を設置し、エアギャップセンサ６０の計測原点を投影光学系ＰＬの露光フォーカス面情報と揃えておくことにより、投影光学系ＰＬによるフォーカス計測を行わずに、必要な時に適宜校正動作を行うことが可能となる。

具体的に、図３１の変形例では、例えばプロセスウェハの先頭ロットの処理に先立って、プロセスウェハの複数点における面位置を面位置計測系１〜５により計測し、プロセスウェハの表面形状を各点の座標値として記憶する。次いで、プロセスウェハを二次元的に移動させつつエアギャップセンサ６０によりプロセスウェハの複数点における面位置を計測し、エアギャップセンサ６０の計測結果を真値として、面位置計測系１〜５の計測誤差に対応するオフセット値を算出する。なお、エアギャップセンサ６０の計測速度は、面位置計測系１〜５の計測速度よりもかなり小さい。

各露光領域の全体に亘って分散する十分な数のオフセット値が得られるように、エアギャップセンサ６０によるプロセスウェハの計測点の位置および数を決定することが望ましい。こうして、エアギャップセンサ６０により得られたオフセット値を用いて面位置計測系１〜５の計測結果を補正しつつ、各露光領域の露光を行うことができる。なお、面位置計測系１〜５の初期性能の検証時には、無地のウェハを用いてプロセスウェハの場合と同様の動作を行って性能保証を実現すればよい。

エアギャップセンサ６０は、非常に狭いギャップを計測する。このため、図３２に示すように、エアギャップセンサ６０のセンサ本体６１のＺ方向位置を把握可能とした状態でセンサ本体６１をＺ方向に退避させることが可能な保持・移動機構７０を付設することが望ましい。保持・移動機構７０は、ボディ構造７１と、ボディ構造７１に取り付けられてＺ方向に往復移動可能なＺ移動機構７２とを備えている。Ｚ移動機構７２には、エアギャップセンサ６０のセンサ本体６１が固定的に取り付けられている。

なお、第２実施形態では、検出パターンとして、パターン板３３に設けられたＬ＆Ｓパターンを用いている。しかしながら、Ｌ＆Ｓパターンに限定されることなく、検出パターンとして様々な形態のパターンを用いることができる。すなわち、検出パターンからの光は、空間像が形成される空間像形成領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化していれば良い。さらに、送光プリズムに透過パターンを形成する代わりに、反射型のグレーティングを用いて、同様のＬ＆Ｓパターン像をウェハに投影させてもよい。

また、第２実施形態では、５つの面位置計測系１〜５を備えた面位置計測装置に、図２４に示す特定の構成を有する雰囲気揺らぎ検出系３０を付設している。しかしながら、これに限定されることなく、面位置計測装置を構成する斜入射型の面位置計測系の数および配置、雰囲気揺らぎ検出系の構成および配置などについては、様々な変形例が可能である。ただし、第２実施形態では、複数の面位置計測系１〜５の計測領域１ｃ〜５ｃの長手方向に対して合成計測領域ＤＡｔが斜めに延びているので、合成計測領域ＤＡｔの長手方向に合わせて雰囲気揺らぎ検出系３０を配置することが容易である。

また、第２実施形態では、複数の面位置計測系１〜５による合成計測領域ＤＡｔの上方における雰囲気の揺らぎを雰囲気揺らぎ検出系３０で検出する構成としたが、雰囲気揺らぎ検出系３０は、複数の面位置計測系１〜５の複数の計測領域１ｃ〜５ｃのうち、少なくとも１つの計測領域の上方における雰囲気の揺らぎを計測できれば良い。

また、上記実施形態では、露光装置がスキャニング・ステッパである場合について説明したが、これに限らず、ステッパなどの静止型露光装置に上記実施形態を適用しても良い。また、ショット領域とショット領域とを合成するステップ・アンド・スティッチ方式の縮小投影露光装置にも上記実施形態を適用することができる。

また、上記実施形態は、例えば米国特許第６，５９０，６３４号明細書、米国特許第５，９６９，４４１号明細書、米国特許第６，２０８，４０７号明細書などに開示されているように、複数のウェハステージを備えたマルチステージ型の露光装置にも適用できる。また、例えば米国特許第７，５８９，８２２号明細書などに開示されているように、ウェハステージとは別に、計測部材（例えば、基準マーク、及び／又はセンサなど）を含む計測ステージを備える露光装置にも上記実施形態は適用が可能である。

また、上記実施形態では、露光装置が、液体（水）を介さずにウェハＷの露光を行うドライタイプの露光装置である場合について説明したが、これに限らず、例えば欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書、国際公開第２００４／０５５８０３号、米国特許第６,９５２,２５３号明細書などに開示されているように、投影光学系とウェハとの間に照明光の光路を含む液浸空間を形成し、投影光学系及び液浸空間の液体を介して照明光でウェハを露光する露光装置にも上記実施形態を適用することができる。

また、上記実施形態の露光装置の投影光学系は縮小系のみならず等倍及び拡大系のいずれでも良いし、投影光学系は屈折系のみならず、反射系及び反射屈折系のいずれでも良いし、この投影像は倒立像及び正立像のいずれでも良い。

また、上述の実施形態において、米国公開公報第２００６／０１７０９０１号及び第２００７／０１４６６７６号に開示されるいわゆる偏光照明方法を適用することも可能である。ここでは、米国特許公開第２００６／０１７０９０１号公報及び米国特許公開第２００７／０１４６６７６号公報の教示を参照として援用する。

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、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。

上述の実施形態では、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。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空間光変調素子を用いることができる。空間光変調素子を用いた露光装置は、たとえば米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報に開示されている。また、上述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。

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っても良い。

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３３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３３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、上述の実施形態の投影露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍ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、上述の実施形態の投影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、上述の実施形態の投影露光装置は、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３４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３４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、プレートＰ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、上述の実施形態の投影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プレートＰ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、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくは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。

ＬＳ 光源
１１ ライトガイド
１３ 送光プリズム
１４，１６，２４，２６ 対物レンズ
１５ 振動ミラー
１７，２７ 落射プリズム
２１ 光検出器
２３ 受光プリズム
ＤＡ 計測領域
ＰＲ 信号処理部
ＣＲ 制御部
Ｒ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＶＳ Ｚステージ
ＨＳ ＸＹステージ

Claims (89)

1. 物体の表面の高さ位置を計測する面位置計測装置において、
   前記物体上に設定されて第１方向に長手方向を持つ計測範囲内に、該第１方向と交差する方向または平行な方向である第２方向に長手方向を持つ複数の計測領域を形成する複数の面位置計測系を備え、
   前記複数の面位置計測系のそれぞれは、前記計測領域内に設定された複数の検出点における前記表面の高さ位置を計測し、
   前記計測範囲の前記第１方向の長さは、前記物体の前記第１方向の長さ以上であることを特徴とする面位置計測装置。
2. 前記面位置計測装置と前記物体との相対的な位置関係を第３方向に沿って変更しつつ前記表面の高さ位置を計測することを特徴とする請求項１に記載の面位置計測装置。
3. 前記表面の高さ位置を計測する際に前記面位置計測装置と前記物体との相対的な位置関係が変更される方向は前記第３方向のみであることを特徴とする請求項２に記載の面位置計測装置。
4. 前記第３方向は、前記第１および前記第２方向と交差する方向であることを特徴とする請求項２または３に記載の面位置計測装置。
5. 前記第３方向と前記第１方向とのなす角度は、９０°±５°であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
6. 前記面位置計測装置と前記物体との相対的な位置関係を第３方向に沿って変更しつつ前記表面の高さ位置を計測するときに、前記複数の計測領域が前記物体の表面を掃引する領域は、前記物体の表面全体を占めることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
7. 前記複数の面位置計測系の前記計測領域のそれぞれの長手方向は、前記表面において前記第３方向を横切る方向であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
8. 前記複数の面位置計測系が形成する前記複数の計測領域は前記第１方向に沿って設定されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
9. 前記複数の計測領域は、前記第１方向に沿って互いに近接または一部重複していることを特徴とする請求項８に記載の面位置計測装置。
10. 前記複数の計測領域のうち、前記第１方向に沿って隣接する２つの計測領域が前記表面を掃引する領域は、互いに一部重畳していることを特徴とする請求項８に記載の面位置計測装置。
11. 前記複数の計測領域のうち、前記第１方向に沿って隣接する２つの計測領域が前記表面を掃引する領域は、前記第１方向に沿って所定の間隔Ｇで隔てられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
12. 前記間隔Ｇは、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１１に記載の面位置計測装置。
    Ｇ≦Ｂ／２
    但し、
    Ｂ：前記物体の前記表面に複数の露光領域が形成される場合、前記第１方向に沿った前記露光領域の大きさ、
    である。
13. 前記複数の計測領域のそれぞれの長手方向が前記第１方向に対してなす角度をθｎとするとき、
    ｜θｎ｜＜４５°
    を満足することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
14. 前記複数の計測領域のそれぞれの長手方向が前記第１方向に対してなす角度をθｎとするとき、
    ｜θｎ｜＜３０°
    を満足することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
15. 前記角度θｎは、
    ０°＜｜θｎ｜
    を満足することを特徴とする請求項１３または１４に記載の面位置計測装置。
16. 前記複数の計測領域のそれぞれの長手方向が前記第１方向に対してなす角度は、互いに等しい角度であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
17. 前記面位置計測系は、前記物体の表面上の前記計測領域に測定ビームを斜め方向から投射する投射系と、前記表面で反射した前記測定ビームを受光する受光系とを有し、該受光系の出力に基づいて前記測定ビームが照射される前記計測領域における前記表面の高さ位置を計測することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
18. 前記複数の面位置計測系は、
    前記物体の表面に第１測定ビームを斜め方向から投射する第１投射系と、前記表面で反射した前記第１測定ビームを受光する第１受光系と有し、該第１受光系の出力に基づいて前記第１測定ビームが照射される第１計測領域における前記表面の高さ位置を計測する第１面位置計測系と、
    前記物体の表面に第２測定ビームを斜め方向から投射する第２投射系と、前記表面で反射した前記第２測定ビームを受光する第２受光系と有し、該第２受光系の出力に基づいて前記第２測定ビームが照射される第２計測領域における前記表面の高さ位置を計測する第２面位置計測系とを備え、
    前記第１測定ビームが前記表面で占める領域である第１領域と、前記第２測定ビームが前記表面上で占める領域である第２領域とは、前記表面上における前記第１方向に沿って位置し、
    前記第１領域の前記第１方向と直交する第３方向への射影の一部と、前記第２領域の前記第３方向への射影の一部とが互いに重複することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
19. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記第１方向に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項１８に記載の面位置計測装置。
20. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、互いに平行な方向に延びていることを特徴とする請求項１９に記載の面位置計測装置。
21. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、前記第１方向に関して対称な方向に延びていることを特徴とする請求項１９に記載の面位置計測装置。
22. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記第１方向に沿って互いに平行に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項１８に記載の面位置計測装置。
23. 物体を第１方向に沿って移動させつつ該物体の表面の高さ位置を計測する面位置計測装置において、
    前記物体の表面上の計測領域における前記物体の表面の高さ位置を検出する複数の面位置計測系を備え、
    前記複数の面位置計測系の前記計測領域は、前記表面において前記第１方向を横切る第２方向に沿って配置され、
    前記複数の面位置計測系は、前記計測領域内に設定された複数の検出点における前記表面の高さ位置を計測し、
    前記物体を前記第１方向のみに沿って移動させるときに複数の前記計測領域が前記表面を掃引する領域は、前記物体の表面全体を占めることを特徴とする面位置計測装置。
24. 前記複数の面位置計測系の前記計測領域のそれぞれの長手方向は、前記表面において前記第１方向を横切る方向であることを特徴とする請求項２３に記載の面位置計測装置。
25. 前記複数の計測領域のうち、前記第２方向に沿って隣接する２つの計測領域が前記表面を掃引する領域は、互いに一部重畳していることを特徴とする請求項２３または２４に記載の面位置計測装置。
26. 前記複数の計測領域のうち、前記第２方向に沿って隣接する２つの計測領域が前記表面を掃引する領域は、前記第２方向に沿って所定の間隔Ｇで隔てられていることを特徴とする請求項２３または２４に記載の面位置計測装置。
27. 前記間隔Ｇは、以下の条件を満足することを特徴とする請求項２６に記載の面位置計測装置。
    Ｇ≦Ｂ／２
    但し、
    Ｂ：前記物体の前記表面に複数の露光領域が形成される場合、前記第２方向に沿った前記露光領域の大きさ、
    である。
28. 前記面位置計測系は、前記物体の表面上の前記計測領域に測定ビームを斜め方向から投射する投射系と、前記表面で反射した前記測定ビームを受光する受光系とを有し、該受光系の出力に基づいて前記測定ビームが照射される前記計測領域における前記複数の検出点の前記物体の高さ方向の位置を計測することを特徴とする請求項２３乃至２７のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
29. 前記複数の面位置計測系は、
    前記物体の表面に第１測定ビームを斜め方向から投射する第１投射系と、前記表面で反射した前記第１測定ビームを受光する第１受光系と有し、該第１受光系の出力に基づいて前記第１測定ビームが照射される第１計測領域における前記複数の検出点の前記表面の高さ方向の位置を計測する第１面位置計測系と、
    前記物体の表面に第２測定ビームを斜め方向から投射する第２投射系と、前記表面で反射した前記第２測定ビームを受光する第２受光系と有し、該第２受光系の出力に基づいて前記第２測定ビームが照射される第２計測領域における前記複数の検出点の前記表面の高さ方向の位置を計測する第２面位置計測系とを備え、
    前記第１測定ビームが前記表面で占める領域である第１領域と、前記第２測定ビームが前記表面上で占める領域である第２領域とは、前記表面上において前記第１方向と直交する第２方向に沿って位置し、
    前記第１領域の前記第１方向への射影の一部と、前記第２領域の前記第１方向への射影の一部とが互いに重複することを特徴とする請求項２３乃至２８のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
30. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記第２方向と交差する方向に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項２９に記載の面位置計測装置。
31. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、互いに平行な方向に延びていることを特徴とする請求項３０に記載の面位置計測装置。
32. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、前記第２方向に関して対称な方向に延びていることを特徴とする請求項３０に記載の面位置計測装置。
33. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記第２方向に沿って互いに平行に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項２９に記載の面位置計測装置。
34. 前記第１面位置計測系は、前記第１計測領域内において光特性が所定分布を持つ第１パターン光を前記第１測定ビームとして前記第１計測領域へ投射し、
    前記第２面位置計測系は、前記第２計測領域内において光特性が所定分布を持つ第２パターン光を前記第２測定ビームとして前記第２計測領域へ投射することを特徴とする請求項２９乃至３３のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
35. 前記第１パターン光は、前記第１計測領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化しており、
    前記第２パターン光は、前記第１計測領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化していることを特徴とする請求項３４に記載の面位置計測装置。
36. 前記第１投射系は、前記第１計測領域内において光特性が所定分布を持つ第１パターン光となるように、入射する光を空間的に変調する第１の送光パターン部材と、該第１の送光パターン部材のパターン生成面と光学的に共役な面を前記表面上に形成する第１の投射側結像光学系とを備え、
    前記第１受光系は、前記表面と光学的にほぼ共役な面を形成する第１の受光側結像光学系と、該第１の受光側結像光学系による前記ほぼ共役な面に配置されて周期的構造を有する第１の受光パターン部材と、前記第１の受光側結像光学系および前記第１の受光パターン部材を介した前記第１測定ビームを光電検出する第１の光電検出器とを備え、
    前記第２投射系は、前記第２計測領域内において光特性が所定分布を持つ第２パターン光となるように、入射する光を空間的に変調する第２の送光パターン部材と、該第２の送光パターン部材のパターン生成面と光学的に共役な面を前記表面上に形成する第２の投射側結像光学系とを備え、
    前記第２受光系は、前記表面と光学的にほぼ共役な面を形成する第２の受光側結像光学系と、該第２の受光側結像光学系による前記ほぼ共役な面に配置されて周期的構造を有する第２の受光パターン部材と、前記第２の受光側結像光学系および前記第２の受光パターン部材を介した前記第２測定ビームを光電検出する第２の光電検出器とを備えることを特徴とする請求項２９乃至３５のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
37. 前記第１面位置計測系と前記第２面位置計測系とは互いに同じ構成を有することを特徴とする請求項２９乃至３６のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
38. 前記第１面位置計測系の前記複数の検出位置のうちの少なくとも１つと、前記第２面位置計測系の前記複数の検出位置のうちの少なくとも１つとは、前記第２方向に沿って互いに重なるように配置されていることを特徴とする請求項２３乃至３７のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
39. 主面上または該主面の近傍に位置する被検面に第１測定ビームを斜め方向から投射する第１投射系と、前記被検面で反射した前記第１測定ビームを受光する第１受光系と有し、該第１受光系の出力に基づいて前記第１測定ビームが照射される第１計測領域の面位置を検出する第１面位置計測系と、
    前記被検面に第２測定ビームを斜め方向から投射する第２投射系と、前記被検面で反射した前記第２測定ビームを受光する第２受光系と有し、該第２受光系の出力に基づいて前記第２測定ビームが照射される第２計測領域の面位置を検出する第２面位置計測系とを備え、
    前記第１測定ビームが前記主面上で占める領域である第１領域と、前記第２測定ビームが前記主面上で占める領域である第２領域とは、前記主面上における第１方向に沿って位置し、
    前記主面上において前記第１方向と直交する方向を第２方向とするとき、前記第１領域の前記第２方向への射影の一部と、前記第２領域の前記第２方向への射影の一部とが互いに重複することを特徴とする面位置計測装置。
40. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記第１方向と交差する方向に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項３９に記載の面位置計測装置。
41. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、互いに平行な方向に延びていることを特徴とする請求項４０に記載の面位置計測装置。
42. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、前記第１方向に関して対称な方向に延びていることを特徴とする請求項４０に記載の面位置計測装置。
43. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記第１方向に沿って互いに平行に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項３９に記載の面位置計測装置。
44. 前記第１面位置計測系は前記第１計測領域内の複数位置の面位置を検出し、前記第２面位置計測系は前記第２計測領域内の複数位置の面位置を検出することを特徴とする請求項３９乃至４３のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
45. 前記第１面位置計測系の前記複数の検出位置のうちの少なくとも１つと、前記第２面位置計測系の前記複数の検出位置のうちの少なくとも１つとは、前記第１方向に沿って互いに重なるように配置されていることを特徴とする請求項４４に記載の面位置計測装置。
46. 前記第１面位置計測系は、前記第１計測領域内において光特性が所定分布を持つ第１パターン光を前記第１測定ビームとして前記第１計測領域へ投射し、
    前記第２面位置計測系は、前記第２計測領域内において光特性が所定分布を持つ第２パターン光を前記第２測定ビームとして前記第２計測領域へ投射することを特徴とする請求項３９乃至４５のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
47. 前記第１パターン光は、前記第１計測領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化しており、
    前記第２パターン光は、前記第１計測領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化していることを特徴とする請求項４６に記載の面位置計測装置。
48. 前記第１投射系は、前記第１計測領域内において光特性が所定分布を持つ第１パターン光となるように、入射する光を空間的に変調する第１の送光パターン部材と、該第１の送光パターン部材のパターン生成面と光学的に共役な面を前記主面上に形成する第１の投射側結像光学系とを備え、
    前記第１受光系は、前記主面と光学的にほぼ共役な面を形成する第１の受光側結像光学系と、該第１の受光側結像光学系による前記ほぼ共役な面に配置されて周期的構造を有する第１の受光パターン部材と、前記第１の受光側結像光学系および前記第１の受光パターン部材を介した前記第１測定ビームを光電検出する第１の光電検出器とを備え、
    前記第２投射系は、前記第２計測領域内において光特性が所定分布を持つ第２パターン光となるように、入射する光を空間的に変調する第２の送光パターン部材と、該第２の送光パターン部材のパターン生成面と光学的に共役な面を前記主面上に形成する第２の投射側結像光学系とを備え、
    前記第２受光系は、前記主面と光学的にほぼ共役な面を形成する第２の受光側結像光学系と、該第２の受光側結像光学系による前記ほぼ共役な面に配置されて周期的構造を有する第２の受光パターン部材と、前記第２の受光側結像光学系および前記第２の受光パターン部材を介した前記第２測定ビームを光電検出する第２の光電検出器とを備えることを特徴とする請求項３９乃至４７のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
49. 前記第１面位置計測系と前記第２面位置計測系とは互いに同じ構成を有することを特徴とする請求項３９乃至４８のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
50. 主面上または該主面の近傍に位置する被検面との相対的な位置関係を変更しつつ前記被検面の面位置を検出する面位置計測装置であって、
    前記被検面上の第１計測領域の面位置を検出する第１面位置計測系と、
    前記被検面上において前記第１計測領域とは異なる第２計測領域の面位置を検出する第２面位置計測系とを備え、
    前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって前記第１計測領域が前記被検面に形成する第１掃引領域の一部と、前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって前記第２計測領域が前記被検面に形成する第２掃引領域の一部とは、互いに重複していることを特徴とする面位置計測装置。
51. 前記第１面位置計測系は、前記被検面上に第１測定ビームを斜め方向から投射する第１投射系と、前記第１計測領域で反射した前記第１測定ビームを受光する第１受光系と有し、該第１受光系の出力に基づいて前記第１測定ビームが照射される前記第１計測領域の面位置を検出し、
    前記第２面位置計測系は、前記被検面上に第２測定ビームを斜め方向から投射する第２投射系と、前記第２計測領域で反射した前記第２測定ビームを受光する第２受光系と有し、該第２受光系の出力に基づいて前記第２測定ビームが照射される第２計測領域の面位置を検出することを特徴とする請求項５０に記載の面位置計測装置。
52. 前記第１および第２計測領域は、前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係が変更される位置変更方向を横切る方向に沿って位置していることを特徴とする請求項５０または５１に記載の面位置計測装置。
53. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記位置変更方向と交差する方向に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項５０乃至５２のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
54. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、互いに平行な方向に延びていることを特徴とする請求項５３に記載の面位置計測装置。
55. 前記第１計測領域と前記第２計測領域とは、前記位置変更方向に関して対称な方向に延びていることを特徴とする請求項５３に記載の面位置計測装置。
56. 前記第１計測領域および前記第２計測領域は、前記位置変更方向と交差する方向に沿って互いに平行に延びる帯状の領域であることを特徴とする請求項５０乃至５２のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
57. 前記第１面位置計測系は前記第１計測領域内の複数位置の面位置を検出し、前記第２面位置計測系は前記第２計測領域内の複数位置の面位置を検出することを特徴とする請求項５０乃至５６のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
58. 前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって前記第１面位置計測系の前記複数の検出位置のうちの少なくとも１つが前記被検面上に形成する第１軌跡と、前記被検面と前記面位置計測装置との相対的な位置関係を変更することによって前記第２面位置計測系の前記複数の検出位置のうちの少なくとも１つとが前記被検面上に形成する第２軌跡とは、互いに重複していることを特徴とする請求項５７に記載の面位置計測装置。
59. 前記複数の計測領域のうちの少なくとも一つの計測領域の上方における雰囲気の揺らぎを検出する雰囲気揺らぎ検出系をさらに備え、
    前記雰囲気揺らぎ検出系は、検出パターンからの光により前記複数の計測領域のうちの少なくとも一つの計測領域の上方に前記検出パターンの空間像を形成する空間像形成系と、前記空間像からの光により前記検出パターンの二次像を形成する二次像形成光学系とを備え、前記二次像の経時的変化に関する情報に基づいて雰囲気の揺らぎを検出することを特徴とする請求項１乃至３８のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
60. 前記複数の計測領域のうちの少なくとも一つまたはその近傍に垂直入射した後に反射された光を用いて、前記複数の計測領域のうちの少なくとも一つまたはその近傍の面位置を検出する校正用面位置検出系をさらに備えていることを特徴とする請求項５９に記載の面位置計測装置。
61. 前記第１計測領域および前記第２計測領域のうちの少なくとも一方の上方における雰囲気の揺らぎを検出する雰囲気揺らぎ検出系をさらに備え、
    前記雰囲気揺らぎ検出系は、検出パターンからの光により前記第１計測領域および前記第２計測領域のうちの少なくとも一方の上方に前記検出パターンの空間像を形成する空間像形成系と、前記空間像からの光により前記検出パターンの二次像を形成する二次像形成光学系とを備え、前記二次像の経時的変化に関する情報に基づいて雰囲気の揺らぎを検出することを特徴とする請求項３９乃至５８のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
62. 前記第１計測領域および前記第２計測領域のうちの少なくとも一方またはその近傍に垂直入射した後に反射された光を用いて、前記第１計測領域および前記第２計測領域のうちの少なくとも一方またはその近傍の面位置を検出する校正用面位置検出系をさらに備えていることを特徴とする請求項６１に記載の面位置計測装置。
63. 前記検出パターンからの光は、前記空間像が形成される空間像形成領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化していることを特徴とする請求項５９乃至６２のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
64. 前記検出パターンは、ライン・アンド・スペースパターンを有し、
    前記雰囲気揺らぎ検出系は、前記二次像の形成位置に配置されて前記ライン・アンド・スペースパターンのピッチ方向に対応した計測方向を有するラインセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項５９乃至６３のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
65. 前記雰囲気揺らぎ検出系は、前記ライン・アンド・スペースパターンの二次像の全体的な位置の経時的変化および前記ライン・アンド・スペースパターンの隣り合うライン部の二次像の間隔の経時的変化に関する情報に基づいて雰囲気の揺らぎを検出することを特徴とする請求項６４に記載の面位置計測装置。
66. 前記ライン・アンド・スペースパターンのピッチ方向は、前記主面の法線方向と一致していることを特徴とする請求項６４または６５に記載の面位置計測装置。
67. 物体の表面の高さ位置を計測する面位置計測装置において、
    前記物体上に設定されて第１方向に長手方向を持つ計測範囲内に、該第１方向と交差する方向または平行な方向である第２方向に長手方向を持つ複数の計測領域を形成する複数の面位置計測系を備え、
    前記複数の面位置計測系のそれぞれは、前記物体の表面上の前記計測領域に測定ビームを斜め方向から投射する投射系と、前記表面で反射した前記測定ビームを受光する受光系とを有し、前記計測領域内に設定された複数の検出点における前記表面の高さ位置を計測し、
    前記複数の面位置計測系の前記投射系から前記計測領域を経由して前記受光系に至る光路の光路長は、前記計測範囲の前記第１方向の長さよりも短いことを特徴とする面位置計測装置。
68. 前記物体が載置され、前記物体を保持して移動面に沿って移動可能な移動体と組み合わせて用いられ、
    前記物体と前記面位置計測装置との位置関係を変更しつつ前記物体の表面の面位置を計測することを特徴とする請求項１乃至６７のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
69. 所定のパターンを物体に露光する露光装置において、
    前記物体の被露光面の面位置を計測するための請求項１乃至６８のいずれか１項に記載の面位置計測装置と、
    前記面位置計測装置の検出結果に基づいて、前記物体の前記被露光面を所定面に対して位置合わせするための位置合わせ部とを備えていることを特徴とする露光装置。
70. 所定のパターンを前記基板上に投影する投影光学系をさらに備え、
    前記位置合わせ部は、前記投影光学系の像面に対して前記物体の前記被露光面を位置合わせすることを特徴とする請求項６９に記載の露光装置。
71. 前記物体が載置され、前記物体を保持して移動面に沿って移動可能な移動体をさらに備え、
    前記物体と前記面位置計測装置との位置関係を変更しつつ前記物体の表面の高さ方向の位置を計測することを特徴とする請求項６９または７０に記載の露光装置。
72. 前記物体を被露光位置へ向けて移動させつつ、前記物体の表面の高さ方向の位置を計測することを特徴とする請求項７１に記載の露光装置。
73. 所定のパターンを物体に露光する露光装置において、
    前記物体の被露光面の面位置を計測するための面位置計測装置と、
    前記物体を載置し、前記物体を保持して移動面に沿って移動可能な移動体とを備え、
    前記面位置計測装置は、前記物体上に設定されて第１方向に長手方向を持つ計測範囲内に、該第１方向と交差する方向または平行な方向である第２方向に長手方向を持つ複数の計測領域を形成する複数の面位置計測系を備え、
    前記面位置計測装置は、前記物体を被露光位置へ向けて前記第１方向を横切る第３方向に沿って移動させつつ、前記物体の表面の高さ方向の位置を計測し、
    前記複数の面位置計測系による前記複数の計測領域のうちの少なくとも２つは、前記第３方向で異なる位置に配置されることを特徴とする露光装置。
74. 前記複数の面位置計測系による前記複数の計測領域のうちの前記少なくとも２つの計測領域は、前記第１方向で異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項７３に記載の露光装置。
75. 主面または該主面の近傍に位置する被検面上に測定ビームを斜め方向から投射する投射系と、前記被検面で反射された前記測定ビームを受光する受光系と有し、該受光系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計測装置において、
    前記測定ビームが前記主面上で占める領域である計測領域の上方における雰囲気の揺らぎを検出する雰囲気揺らぎ検出系を備え、
    前記雰囲気揺らぎ検出系は、検出パターンからの光により前記計測領域の上方に前記検出パターンの空間像を形成する空間像形成系と、前記空間像からの光により前記検出パターンの二次像を形成する二次像形成光学系とを備え、前記二次像の経時的変化に関する情報に基づいて雰囲気の揺らぎを検出することを特徴とする面位置計測装置。
76. 前記検出パターンからの光は、前記空間像が形成される空間像形成領域内における位置に応じて波長、振幅、位相および偏光のうちの少なくとも１つ以上の光特性が変化していることを特徴とする請求項７５に記載の面位置計測装置。
77. 前記検出パターンは、ライン・アンド・スペースパターンを有し、
    前記雰囲気揺らぎ検出系は、前記二次像の形成位置に配置されて前記ライン・アンド・スペースパターンのピッチ方向に対応した計測方向を有するラインセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項７５または７６に記載の面位置計測装置。
78. 前記雰囲気揺らぎ検出系は、前記ライン・アンド・スペースパターンの二次像の全体的な位置の経時的変化および前記ライン・アンド・スペースパターンの隣り合うライン部の二次像の間隔の経時的変化に関する情報に基づいて雰囲気揺らぎを検出することを特徴とする請求項７７に記載の面位置計測装置。
79. 前記ライン・アンド・スペースパターンのピッチ方向は、前記主面の法線方向と一致していることを特徴とする請求項７７または７８に記載の面位置計測装置。
80. 前記計測領域またはその近傍に垂直入射した後に反射された光を用いて、前記計測領域またはその近傍の面位置を検出する校正用面位置検出系をさらに備えていることを特徴とする請求項７５乃至７９のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
81. 前記計測領域との間に流体の流れを形成して、前記計測領域の面位置を検出する校正用面位置検出系をさらに備えていることを特徴とする請求項７５乃至７９のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
82. 前記投射系は、前記主面上または該主面の近傍に位置する被検面に第１測定ビームを斜め方向から投射する第１投射系と、前記被検面に第２測定ビームを斜め方向から投射する第２投射系とを備え、
    前記受光系は、前記被検面で反射した前記第１測定ビームを受光する第１受光系と、前記被検面で反射した前記第２測定ビームを受光する第２受光系と有し、
    前記第１受光系の出力に基づいて前記第１測定ビームが照射される第１計測領域の面位置を検出すると共に、前記第２受光系の出力に基づいて前記第２測定ビームが照射される第２計測領域の面位置を検出し、
    前記第１測定ビームが前記主面上で占める領域である第１領域と、前記第２測定ビームが前記主面上で占める領域である第２領域とは、前記主面上における第１方向に沿って位置していることを特徴とする請求項７５乃至８１のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
83. 前記空間像形成系の射出側の光路と前記二次像形成光学系の入射側の光路とは、前記第１方向に沿っていることを特徴とする請求項８２に記載の面位置計測装置。
84. 前記被検面を備える被検物体が載置され、前記被検物体を保持して移動面に沿って移動可能な移動体と組み合わせて用いられ、
    前記被検物体と前記面位置計測装置との位置関係を変更しつつ前記被検面の面位置を検出することを特徴とする請求項７５乃至８３のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
85. 所定のパターンを基板に露光する露光装置において、
    前記基板の被露光面の面位置を、前記被検面の面位置として検出するための請求項７５乃至８４のいずれか１項に記載の面位置計測装置と、
    前記面位置計測装置の検出結果に基づいて、前記基板の被露光面を所定面に対して位置合わせするための位置合わせ部とを備えていることを特徴とする露光装置。
86. 所定のパターンを前記基板上に投影する投影光学系をさらに備え、
    前記位置合わせ部は、前記投影光学系の像面に対して前記基板の前記被露光面を位置合わせすることを特徴とする請求項８５に記載の露光装置。
87. 前記基板が載置され、前記基板を保持して移動面に沿って移動可能な移動体をさらに備え、
    前記基板と前記面位置計測装置との位置関係を変更しつつ前記被検面の面位置を検出することを特徴とする請求項８５または８６に記載の露光装置。
88. 前記基板を被露光位置へ向けて移動させつつ、前記被検面の面位置を検出することを特徴とする請求項８７に記載の露光装置。
89. 請求項６９乃至７４および請求項８５乃至８８のいずれか１項に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを基板に露光することと、
    前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
    前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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