JP2014229803A - 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】 被検面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、被検面の面位置を高精度に計測する。
【解決手段】 第１領域に入射した第１光束の強度分布を変化させてパターン光として射出し且つ第２領域に入射した第２光束の強度分布を変化させることなく無パターン光として射出するパターン部材と、パターン部材を経た第１光束および第２光束を計測領域に斜入射させる送光光学系と、第１光束と第２光束とが計測領域において互いに重なるように第１光束および第２光束のうちの少なくとも一方を偏向する瞳合成部材と、被検面で反射された第１光束および第２光束を第１検出面および第２検出面へ導く受光光学系と、第１検出面における第１光束の強度分布および第２検出面における第２光束の強度分布を検出し、第１光束の検出結果と第２光束の検出結果とに基づいて計測領域上の複数の検出点での面位置を求める検出系とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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被露光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）を計測する装置として、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計測する。

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、感光性基板としてのプロセスウェハの内部構造などに応じて、その表面に斜入射する計測光の位置に依存して反射率が異なる。その結果、この被検面での反射率分布の影響により、反射光が形成するスリット像の形状が崩れて計測誤差の原因となり、被検面の面位置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、被検面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、被検面の面位置を高精度に計測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計測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、被検面の面位置を計測する面位置計測装置において、
前記被検面と光学的に共役な位置に配置されて、第１領域に入射した第１光束の強度分布を変化させてパターン光として射出し且つ第２領域に入射した第２光束の強度分布を変化させることなく無パターン光として射出するパターン部材と、
前記パターン部材を経た前記第１光束および前記第２光束を前記被検面上の計測領域に斜入射させる送光光学系と、
前記第１光束と前記第２光束とが前記計測領域において互いに重なるように、前記送光光学系の瞳位置において前記第１光束および前記第２光束のうちの少なくとも一方を偏向する瞳合成部材と、
前記被検面で反射された前記第１光束および前記第２光束を、前記被検面と光学的に共役な第１検出面および第２検出面へ導く受光光学系と、
前記第１検出面における前記第１光束の強度分布および前記第２検出面における前記第２光束の強度分布を検出し、前記第１光束の検出結果と前記第２光束の検出結果とに基づいて前記計測領域上の複数の検出点での面位置を求める検出系とを備えてい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、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１形態の面位置計測装置と、
前記面位置計測装置の計測結果に基づいて、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３形態では、第２形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記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。

実施形態にかかる斜入射型の面位置計測装置では、被検面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、被検面の面位置を高精度に計測することができる。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計測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。

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。 パターン部材の構成を概略的に示す図である。 波面分割部材の構成を概略的に示す図である。 瞳合成部材の構成および作用を概略的に示す図である。 送光プリズムの射出面に形成される送光パターンを概略的に示す図である。 送光パターンに対応して複数の帯状の強度分布領域がウェハ上に形成される様子を示す図である。 受光プリズムの入射面の構成を概略的に示す図である。 瞳分割部材の構成および作用を概略的に示す図である。 複数の帯状の強度分布領域が受光センサの検出面に形成される様子を示す図である。 検出信号の処理により反射率分布に起因する計測誤差について補正された信号を得る様子を示す図である。 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。

以下、実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、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。図１では、投影光学系ＰＬの像面の法線方向、すなわち光軸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表面（被露光面：被検面）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。

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、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、その位置座標はマスク干渉計（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。

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Ｗａ（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、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計測した後に、その計測結果に基づいて、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を参照すると、本実施形態の面位置計測装置には、例えば光源１０からライトガイド（不図示）などを介して計測光が供給される。一般に、被検面であるウェハＷの表面Ｗａ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１０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１０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。また、波長域はレジストが感光しない範囲で、撮像センサの感度がある範囲であればより短い波長であっても構わず、たとえば、波長幅が４００〜７００ｎｍといった帯域でも構わない。

光源１０からの光は、前側レンズ群１１ａと後側レンズ群１１ｂとからなるリレー光学系１１および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。前側レンズ群１１ａと後側レンズ群１１ｂとの間の光路中においてリレー光学系１１の瞳位置またはその近傍には、波面分割部材１４およびパターン部材１５が互いに近接するように配置されている。別の表現をすると、パターン部材１５は送光プリズム１３の射出面１３ａ（ひいては被検面であるウェハＷの表面Ｗａ）と光学的にほぼ共役な位置に配置され、波面分割部材１４はパターン部材１５の直前の位置に配置されている。ただし、波面分割部材１４をパターン部材１５の直後の位置に配置することもできる。

また、リレー光学系１１の後側レンズ群１１ｂとコンデンサーレンズ１２との間の光路中において、送光プリズム１３の射出面１３ａと光学的にフーリエ変換の関係にある位置には、瞳合成部材１６が配置されている。別の表現をすると、瞳合成部材１６は、後側レンズ群１１ｂとコンデンサーレンズ１２とからなる合成光学系の瞳位置またはその近傍に配置されている。

パターン部材１５は、図２に示すように、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）１５ａが設けられた矩形状の第１領域と、矩形状の開口部（光透過部）１５ｂが設けられた第２領域とを有する。図２では、送光プリズム１３の射出面１３ａと光学的にほぼ共役なパターン部材１５の入射面１５ｃにおいて、Ｙ軸に平行な方向にｙ１軸を、入射面１５ｃにおいてｙ１軸と直交する方向にｘ１軸を設定している。Ｌ＆Ｓパターン１５ａは、ｙ１方向に細長い帯状のライン部と、同じくｙ１方向に細長い帯状のスペース部とからなる。ライン部は例えば金属膜により形成された遮光領域であってほぼ０％の透過率を有し、スペース部は何も形成されていない光透過領域であってほぼ１００％の透過率を有する。

Ｌ＆Ｓパターン１５ａが設けられた第１領域と開口部１５ｂが設けられた第２領域とは、Ｌ＆Ｓパターン１５ａのピッチ方向であるｘ１方向と直交するｙ１方向に並んで配置されている。開口部１５ｂが設けられた第２領域のｙ１方向の寸法は、Ｌ＆Ｓパターン１５ａが設けられた第１領域のｙ１方向の寸法よりも大きく設定されている。パターン部材１５は、Ｌ＆Ｓパターン１５ａが設けられた第１領域に入射した第１光束の強度分布を変化させてパターン光として射出し、開口部１５ｂが設けられた第２領域に入射した第２光束の強度分布を変化させることなく無パターン光として射出する。

波面分割部材１４は、図３に示すように、パターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａが設けられた第１領域に対応した第１領域１４ａと、パターン部材１５の開口部１５ｂが設けられた第２領域に対応した第２領域１４ｂとを有する。図３では、送光プリズム１３の射出面１３ａと光学的にほぼ共役な波面分割部材１４の入射面１４ｃにおいて、Ｙ軸に平行な方向にｙ２軸を、入射面１４ｃにおいてｙ２軸と直交する方向にｘ２軸を設定している。

波面分割部材１４の第１領域１４ａは、パターン部材１５の第１領域に設けられたＬ＆Ｓパターン１５ａのピッチ方向（ｘ１方向）に対応するｘ２方向に沿って延びる５本の直線状の分割線により６分割（例えば６等分割）されている。すなわち、波面分割部材１４の第１領域１４ａは、ｘ２方向に沿って細長く延びる６つの帯状の波面分割領域１４ａａ，１４ａｂ，１４ａｃ，１４ａｄ，１４ａｅ，１４ａｆを有する。

図中最も左側の波面分割領域１４ａａは、入射光から比較的長い波長範囲である第１波長帯の光であってｘ２方向に偏光方向を持つ直線偏光（以下、「ｐ偏光」という）の光だけを透過させる波長選択特性および偏光特性を有する。波面分割領域１４ａａの図中右側に隣接する波面分割領域１４ａｂは、入射光から中間的な波長範囲である第２波長帯の光であってｐ偏光の光だけを透過させる特性を有する。波面分割領域１４ａｂの図中右側に隣接する波面分割領域１４ａｃは、入射光から比較的な短い波長範囲である第３波長帯の光であってｐ偏光の光だけを透過させる特性を有する。

波面分割領域１４ａａの第１波長帯、波面分割領域１４ａｂの第２波長帯、および波面分割領域１４ａｃの第３波長帯として、波面分割部材１４への入射光の波長範囲を３分割（例えば３等分割）して得られる各波長帯を割り当てることができる。ただし、波面分割領域１４ａａの第１波長帯と波面分割領域１４ａｂの第２波長帯と波面分割領域１４ａｃの第３波長帯とは、互いに同じ波長幅でなくても良いし、波長範囲が互いに部分重複していても良いし、波長範囲が互いに離れていても良い。

波面分割領域１４ａｃの図中右側に隣接する波面分割領域１４ａｄは、入射光から波面分割領域１４ａａと同じ第１波長帯の光であってｙ２方向に偏光方向を持つ直線偏光（以下、「ｓ偏光」という）の光だけを透過させる特性を有する。波面分割領域１４ａｄの図中右側に隣接する波面分割領域１４ａｅは、入射光から波面分割領域１４ａｂと同じ第２波長帯の光であってｓ偏光の光だけを透過させる特性を有する。波面分割領域１４ａｅの図中右側に隣接する波面分割領域１４ａｆは、入射光から波面分割領域１４ａｃと同じ第３波長帯の光であってｓ偏光の光だけを透過させる特性を有する。

波面分割部材１４の第２領域１４ｂは、第１領域１４ａにおける６つの波面分割領域１４ａａ〜１４ａｆに対応した６つの波面分割領域１４ｂａ，１４ｂｂ，１４ｂｃ，１４ｂｄ，１４ｂｅ，１４ｂｆと、１つの開口部（光透過部）１４ｂｇとを有する。すなわち、図中最も左側の波面分割領域１４ｂａは、波面分割領域１４ａａに対応した領域であって、入射光から波面分割領域１４ａａと同じ第１波長帯の光であってｐ偏光の光だけを透過させる波長選択特性および偏光特性を有する。

波面分割領域１４ｂａの図中右側に隣接する波面分割領域１４ｂｂは、波面分割領域１４ａｂに対応した領域であって、入射光から波面分割領域１４ａｂと同じ第２波長帯の光であってｐ偏光の光だけを透過させる特性を有する。波面分割領域１４ｂｂの図中右側に隣接する波面分割領域１４ｂｃは、波面分割領域１４ａｃに対応した領域であって、入射光から波面分割領域１４ａｃと同じ第３波長帯の光であってｐ偏光の光だけを透過させる特性を有する。

波面分割領域１４ｂｃの図中右側に隣接する波面分割領域１４ｂｄは、波面分割領域１４ａｄに対応した領域であって、入射光から波面分割領域１４ａｄ（ひいては波面分割領域１４ａａ）と同じ第１波長帯の光であってｓ偏光の光だけを透過させる特性を有する。波面分割領域１４ｂｄの図中右側に隣接する波面分割領域１４ｂｅは、波面分割領域１４ａｅに対応した領域であって、入射光から波面分割領域１４ａｅ（ひいては波面分割領域１４ａｂ）と同じ第２波長帯の光であってｓ偏光の光だけを透過させる特性を有する。

波面分割領域１４ｂｅの図中右側に隣接する波面分割領域１４ｂｆは、波面分割領域１４ａｆに対応した領域であって、入射光から波面分割領域１４ａｆ（ひいては波面分割領域１４ａｃ）と同じ第３波長帯の光であってｓ偏光の光だけを透過させる特性を有する。波面分割領域１４ｂｆの図中右側に隣接する開口部１４ｂｇは、ｘ２方向に沿った帯状の外形を有し、波長選択特性および偏光特性を有しない領域である。一例として、波面分割部材１４における波面分割領域１４ａａ〜１４ａｆ，１４ｂａ〜１４ｂｆは、入射光から第１波長帯の光、第２波長帯の光、第３波長帯の光だけをそれぞれ透過させる３種類のカラーフィルタと、入射光からｐ偏光の光、ｓ偏光の光を生成する２種類の偏光板とを適宜組み合わせることにより形成される。

瞳合成部材１６は、図４に示すように、平面状の入射面１６ａと、入射面１６ａと非平行な平面状の一対の射出面１６ｂａ，１６ｂｂからなる射出面１６ｂとを有するプリズム部材である。図４では、瞳合成部材１６の入射面１６ａにおいて、Ｙ軸に平行な方向にｙ３軸を、入射面１６ａにおいてｙ３軸と直交する方向にｚ３軸を、ｙ３軸およびｚ３軸と直交する方向にｘ３軸を設定している。

一対の射出面１６ｂａと１６ｂｂとは、瞳合成部材１６の光軸（入射面１６ａの法線方向の軸線）ＡＸａを通ってｘ３ｚ３平面に平行な平面に関して対称に配置されている。したがって、瞳合成部材１６の入射面１６ａのうち、一方の射出面１６ｂａに対応する領域に垂直入射した光と、他方の射出面１６ｂｂに対応する領域に垂直入射した光とは、射出面１６ｂａおよび射出面１６ｂｂを経て、ｘ３ｙ３平面において互いに近づく方向へそれぞれ偏向される。瞳合成部材１６の具体的な作用については後述する。

光源１０からリレー光学系１１の前側レンズ群１１ａを経て波面分割部材１４の第１領域１４ａに入射した第１光束は、６つの波面分割領域１４ａａ〜１４ａｆにより波面分割され、第１波長帯のｐ偏光の第１部分光束、第２波長帯のｐ偏光の第２部分光束、第３波長帯のｐ偏光の第３部分光束、第１波長帯のｓ偏光の第４部分光束、第２波長帯のｓ偏光の第５部分光束、および第３波長帯のｓ偏光の第６部分光束となり、波面分割部材１４から射出される。

波面分割部材１４の第２領域１４ｂに入射した第２光束は、６つの波面分割領域１４ｂａ〜１４ｂｆおよび１つの開口部１４ｄｇにより波面分割され、第１波長帯のｐ偏光の第７部分光束、第２波長帯のｐ偏光の第８部分光束、第３波長帯のｐ偏光の第９部分光束、第１波長帯のｓ偏光の第１０部分光束、第２波長帯のｓ偏光の第１１部分光束、第３波長帯のｓ偏光の第１２部分光束、および入射光と同じ広い波長帯（以下、「広波長帯」という）で、例えば非偏光の第１３部分光束となり、波面分割部材１４から射出される。

波面分割部材１４の第１領域１４ａを経てパターン部材１５の第１領域に設けられたＬ＆Ｓパターン１５ａに入射した第１光束、すなわち第１乃至第６部分光束は、Ｌ＆Ｓパターン１５ａの透過率分布の作用により強度分布が変化したパターン光となり、パターン部材１５から射出される。波面分割部材１４の第２領域１４ｂを経てパターン部材１５の第２領域に設けられた開口部１５ｂに入射した第２光束、すなわち第７乃至第１３部分光束は、強度分布が変化することなく無パターン光として、パターン部材１５から射出される。

波面分割部材１４およびパターン部材１５を経て生成されたパターン光としての第１乃至第６部分光束および無パターン光としての第７乃至第１３部分光束は、リレー光学系１１の後側レンズ群１１ｂ、瞳合成部材１６、および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を経て入射した光を、屈折作用により後続の送光対物レンズ１７に向かって偏向させる。

送光プリズム１３の射出面１３ａには、図５に示すような送光パターンが形成される。図５では、射出面１３ａにおいてＹ軸に平行な方向にｙ４軸を、射出面１３ａにおいてｙ４軸と直交する方向にｘ４軸を設定している。具体的に、射出面１３ａに形成される送光パターンは、ｘ４方向に沿って細長く延びる６つの帯状のパターン領域１３ｃａ，１３ｃｂ，１３ｃｃ，１３ｃｄ，１３ｃｅ，１３ｃｆと、同じくｘ４方向に沿って細長く延びる１つの帯状の無パターン領域１３ｃｇとを有する。送光プリズム１３の射出面１３ａにおいて、送光パターンが形成される領域以外の領域は遮光部である。

図中最も右側のパターン領域１３ｃａは、波面分割部材１４およびパターン部材１５を経て生成されたパターン光としての第１部分光束と無パターン光としての第７部分光束とが瞳合成部材１６の作用により射出面１３ａにおいて互いに重ね合わされたものであり、第１波長帯のｐ偏光の光により形成されている。同様に、パターン領域１３ｃａの図中左側に隣接するパターン領域１３ｃｂは、パターン光としての第２部分光束と無パターン光としての第８部分光束とが互いに重ね合わされたものであり、第２波長帯のｐ偏光の光により形成されている。

パターン領域１３ｃｂの図中左側に隣接するパターン領域１３ｃｃは、パターン光としての第３部分光束と無パターン光としての第９部分光束とが互いに重ね合わされたものであり、第３波長帯のｐ偏光の光により形成されている。パターン領域１３ｃｃの図中左側に隣接するパターン領域１３ｃｄは、パターン光としての第４部分光束と無パターン光としての第１０部分光束とが互いに重ね合わされたものであり、第１波長帯のｓ偏光の光により形成されている。パターン領域１３ｃｄの図中左側に隣接するパターン領域１３ｃｅは、パターン光としての第５部分光束と無パターン光としての第１１部分光束とが互いに重ね合わされたものであり、第２波長帯のｓ偏光の光により形成されている。

パターン領域１３ｃｅの図中左側に隣接するパターン領域１３ｃｆは、パターン光としての第６部分光束と無パターン光としての第１２部分光束とが互いに重ね合わされたものであり、第３波長帯のｓ偏光の光により形成されている。パターン領域１３ｃｆの図中左側に隣接する無パターン領域１３ｃｇには、波面分割部材１４の第２領域１４ｂに設けられた開口部１４ｂｇおよびパターン部材１５の第２領域に設けられた開口部１５ｂを通過した光（すなわち無パターン光）が入射する。

送光プリズム１３の射出面１３ａに図５に示すような送光パターンを形成した光は、送光対物レンズ１７を介して、投影光学系ＰＬの像面の近傍に位置するウェハＷ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。送光対物レンズ１７の瞳位置またはその近傍には、Ｙ方向に並んだ一対の開口部を有する開口絞り１８が配置されている。開口絞り１８の一方の開口部はパターン部材１５の第１領域に設けられたＬ＆Ｓパターン１５ａを経た第１光束の通過を制限し、他方の開口部はパターン部材１５の第２領域に設けられた開口部１５ｂを経た第２光束の通過を制限する。

こうして、ウェハＷの表面Ｗａには、図６に示すように、送光プリズム１３の射出面１３ａに形成された送光パターンに対応して、Ｘ方向に沿って細長く延びる７つの帯状の強度分布領域Ｉｍａ，Ｉｍｂ，Ｉｍｃ，Ｉｍｄ，Ｉｍｅ，Ｉｍｆ，Ｉｍｇが形成される。具体的に、強度分布領域Ｉｍａ〜Ｉｍｇは、送光パターンにおけるパターン領域１３ｃａ〜１３ｃｇにそれぞれ対応している。したがって、強度分布領域Ｉｍａは第１波長帯のｐ偏光の光により形成され、強度分布領域Ｉｍｂは第２波長帯のｐ偏光の光により形成され、強度分布領域Ｉｍｃは第３波長帯のｐ偏光の光により形成されている。

強度分布領域Ｉｍｄは第１波長帯のｓ偏光の光により形成され、強度分布領域Ｉｍｅは第２波長帯のｓ偏光の光により形成され、強度分布領域Ｉｍｆは第３波長帯のｓ偏光の光により形成されている。強度分布領域Ｉｍｇは、広波長帯の非偏光の光により形成され、ほぼ均一な強度分布を有する。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。計測領域ＤＡは、７つの帯状の強度分布領域Ｉｍａ〜Ｉｍｇの集合体の外縁で作られる領域（あるいは７つの帯状の強度分布領域Ｉｍａ〜Ｉｍｇに外接する領域）である。

送光プリズム１３は、ウェハＷの表面Ｗａと光学的に共役な射出面１３ａおよび射出面１３ａと非平行な入射面を有する偏向プリズムであって、６つのパターン領域１３ｃａ〜１３ｃｆを含む送光パターンは射出面１３ａに形成される。送光対物レンズ１７は、送光プリズム１３の射出面１３ａと光学的に共役な面をウェハＷの表面Ｗａに形成する送光側の第１結像光学系を構成している。リレー光学系１１の後側レンズ群１１ｂおよびコンデンサーレンズ１２は、パターン部材１５と送光プリズム１３の射出面１３ａとを光学的に共役に配置する送光側の第２結像光学系を構成している。

瞳合成部材１６は、送光側の第２結像光学系（１１ｂ，１２）の瞳位置またはその近傍に配置され、パターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａが設けられた第１領域に入射した第１光束と開口部１５ｂが設けられた第２領域に入射した第２光束とが計測領域ＤＡにおいて互いに重なり合うように第１光束および第２光束を偏向する機能を有する。リレー光学系１１の後側レンズ群１１ｂ、コンデンサーレンズ１２、送光プリズム１３、および送光対物レンズ１７は、パターン部材１５を経た第１光束および第２光束をウェハＷの表面Ｗａ上の計測領域ＤＡに斜入射させる送光光学系を構成している。

図１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、受光対物レンズ２７を介して、受光プリズム２３に入射する。受光対物レンズ２７の瞳位置またはその近傍には、Ｙ方向に並んだ一対の開口部を有する開口絞り２８が配置されている。受光対物レンズ２７、開口絞り２８および受光プリズム２３は、光軸ＡＸ（または光軸ＡＸと平行な軸線）を含むＹＺ平面に関して、送光対物レンズ１４、開口絞り１８および送光プリズム１３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。

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７に示すように、射出面１３ａ上の送光パターンにおける６つのパターン領域１３ｃａ〜１３ｃｆに対応した１つの矩形状の開口部Ｓａと、送光パターンにおける無パターン領域１３ｃｇに対応した指標パターンＳｂとが設けられている。図７では、入射面２３ａにおいてＹ軸に平行な方向にｙ５軸を、入射面２３ａにおいてｙ５軸と直交する方向にｘ５軸を設定している。

開口部Ｓａは、送光パターンにおける６つのパターン領域１３ｃａ〜１３ｃｆに外接する長方形と光学的に対応する形状および大きさを有し、６つのパターン領域１３ｃａ〜１３ｃｆと光学的に対応する位置に配置されている。指標パターンＳｂは、パターン部材１５の第１領域に設けられたＬ＆Ｓパターン１５ａのピッチ方向であるｘ１方向に対応するｘ５方向にピッチを有するＬ＆Ｓパターンである。ｘ５方向に細長い帯状の指標パターンＳｂは、送光パターンにおける無パターン領域１３ｃｇと光学的に対応する形状および大きさを有し、無パターン領域１３ｃｇと光学的に対応する位置に配置されている。

指標パターンＳｂの具体的な作用については後述する。受光プリズム２３の入射面２３ａにおいて、開口部Ｓａおよび指標パターンＳｂ以外の領域は遮光部である。図示を省略するが、受光プリズム２３の入射面２３ａにおいて開口部Ｓａの内側には、送光プリズム１３の射出面１３ａに形成された送光パターンの６つのパターン領域１３ｃａ〜１３ｃｆに対応して、ｘ５方向に沿って細長く延びる６つの帯状の強度分布領域が形成される。すなわち、開口部Ｓａの内側に形成される６つの帯状の強度分布領域は、ウェハＷの表面Ｗａ上の計測領域ＤＡ内に形成される６つの帯状の強度分布領域Ｉｍａ〜Ｉｍｆに対応している。

指標パターンＳｂは、波面分割部材１４の第２領域１４ｂに設けられた開口部１４ｂｇおよびパターン部材１５の第２領域に設けられた開口部１５ｂを通過した光、送光プリズム１３の射出面１３ａにおける送光パターンの無パターン領域１３ｃｇを形成した光、すなわち計測領域ＤＡ内の強度分布領域Ｉｍｇを形成した光であってほぼ均一な強度分布を有する光により照明される。

受光プリズム２３の入射面２３ａに６つの帯状の強度分布領域を形成して開口部Ｓａを通過した光、およびほぼ均一な強度分布を有する広波長帯の非偏光の光により照明された指標パターンＳｂからの光は、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、前側レンズ群２２ａと後側レンズ群２２ｂとからなるリレー光学系２２を介して、受光センサ２１の検出面（受光面）２１ａに達する。受光センサ２１として、例えばＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型の二次元撮像素子のような光電変換器を用いることができる。

リレー光学系２２の光路中において、瞳合成部材１６と光学的に共役な位置には、瞳分割部材２６が配置されている。別の表現をすると、瞳分割部材２６は、リレー光学系２２の瞳位置またはその近傍に配置されている。瞳分割部材２６は、図８に示すように、一対の三角柱状のプリズムを組み合わせた形態を有するプリズム部材である。図８では、瞳分割部材２６の平面状の入射面２６ａにおいて、Ｙ軸に平行な方向にｙ６軸を、入射面２６ａにおいてｙ６軸と直交する方向にｚ６軸を、ｙ６軸およびｚ６軸と直交する方向にｘ６軸を設定している。

瞳分割部材２６では、入射面２６ａに垂直入射して一方の三角柱状のプリズムの射出面２６ｂａを経た光と、入射面２６ａに垂直入射して他方の三角柱状のプリズムの射出面２６ｂｂを経た光とが、ｘ６ｚ６平面において互いに離れる方向へそれぞれ偏向され、ｘ６ｙ６平面においては互いに平行のまま射出される。リレー光学系２２は、受光プリズム２３の入射面２３ａと受光センサ２１の検出面２１ａとを光学的に共役に配置している。瞳分割部材２６の具体的な作用については後述する。

こうして、図９に示すように、受光センサ２１の検出面２１ａの第１領域２１ａａには、波面分割部材１４の第１領域１４ａにおける６つの波面分割領域１４ａａ〜１４ａｆおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａに対応して、６つの帯状の強度分布領域Ｉｐａ，Ｉｐｂ，Ｉｐｃ，Ｉｐｄ，Ｉｐｅ，Ｉｐｆが形成される。図９では、検出面２１ａにおいてＹ軸に平行な方向にｙ７軸を、検出面２１ａにおいてｙ７軸と直交する方向にｘ７軸を設定している。帯状の強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆは、ｘ７方向に沿って細長く延びている。

第１領域２１ａａにおいて、図中最も左側の強度分布領域Ｉｐａは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ａａおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光としての第１部分光束、すなわち第１波長帯のｐ偏光の光により形成されたものである。強度分布領域Ｉｐａの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｐｂは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ａｂおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光としての第２部分光束、すなわち第２波長帯のｐ偏光の光により形成されたものである。

強度分布領域Ｉｐｂの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｐｃは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ａｃおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光としての第３部分光束、すなわち第３波長帯のｐ偏光の光により形成されたものである。強度分布領域Ｉｐｃの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｐｄは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ａｄおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光としての第４部分光束、すなわち第１波長帯のｓ偏光の光により形成されたものである。

強度分布領域Ｉｐｄの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｐｅは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ａｅおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光としての第５部分光束、すなわち第２波長帯のｓ偏光の光により形成されたものである。強度分布領域Ｉｐｅの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｐｆは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ａｆおよびパターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光としての第６部分光束、すなわち第３波長帯のｓ偏光の光により形成されたものである。

受光センサ２１の検出面２１ａにおいて、第１領域２１ａａからｘ７方向に間隔を隔てた（あるいはｘ７方向に隣接した）第２領域２１ａｂには、波面分割部材１４の第２領域１４ｂにおける６つの波面分割領域１４ｂａ〜１４ｂｆに対応して、ｘ７方向に沿って細長く延びる６つの帯状の強度分布領域Ｉｎａ，Ｉｎｂ，Ｉｎｃ，Ｉｎｄ，Ｉｎｅ，Ｉｎｆが形成される。また、第２領域２１ａｂには、受光プリズム２３の入射面２３ａにおける指標パターンＳｂに対応して、ｘ７方向に沿って細長く延びる１つの帯状の強度分布領域Ｉｂが形成される。

第２領域２１ａｂにおいて、図中最も左側の強度分布領域Ｉｎａは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ｂａおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第７部分光束、すなわち第１波長帯のｐ偏光の光により形成されたものである。強度分布領域Ｉｎａの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｎｂは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ｂｂおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第８部分光束、すなわち第２波長帯のｐ偏光の光により形成されたものである。

強度分布領域Ｉｎｂの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｎｃは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ｂｃおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第９部分光束、すなわち第３波長帯のｐ偏光の光により形成されたものである。強度分布領域Ｉｎｃの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｎｄは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ｂｄおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第１０部分光束、すなわち第１波長帯のｓ偏光の光により形成されたものである。

強度分布領域Ｉｎｄの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｎｅは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ｂｅおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第１１部分光束、すなわち第２波長帯のｓ偏光の光により形成されたものである。強度分布領域Ｉｎｅの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｎｆは、波面分割部材１４の波面分割領域１４ｂｆおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第１２部分光束、すなわち第３波長帯のｓ偏光の光により形成されたものである。

強度分布領域Ｉｎｆの図中右側に隣接する強度分布領域Ｉｂは、波面分割部材１４の開口部１４ｂｇおよびパターン部材１５の開口部１５ｂを経て生成された無パターン光としての第１３部分光束、すなわち広波長帯の非偏光の光により形成されたものである。また、強度分布領域Ｉｂは、ウェハＷの表面Ｗａ上にほぼ均一な強度分布領域Ｉｍｇを形成した広波長帯の非偏光の光が、受光プリズム２３の入射面２３ａにおける指標パターンＳｂを経て生成したものである。受光センサ２１の検出信号、すなわち第１領域２１ａａの強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布の検出結果、および第２領域２１ａｂの強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆ，Ｉｂの強度分布の検出結果は、信号処理部ＰＲに供給される。

受光プリズム２３は、ウェハＷの表面Ｗａと光学的に共役な入射面２３ａおよび入射面２３ａと非平行な射出面を有する偏向プリズムである。受光対物レンズ２４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。リレー光学系２２は、受光プリズム２３の入射面２３ａと受光センサ２１の検出面２１ａとを光学的に共役に配置する再結像光学系を構成している。

瞳分割部材２６は、再結像光学系であるリレー光学系２２の瞳位置またはその近傍に配置され、パターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａが設けられた第１領域に入射した第１光束と開口部１５ｂが設けられた第２領域に入射した第２光束とを分離させて、検出面２１ａにおいて互いに異なる領域、すなわち第１領域２１ａａおよび第２領域２１ａｂへそれぞれ導く機能を有する。受光対物レンズ２４、受光プリズム２３、およびリレー光学系２２は、パターン部材１５を経た第１光束および第２光束であって、ウェハＷの表面Ｗａで反射された第１光束および第２光束を、ウェハＷの表面Ｗａと光学的に共役な検出面２１ａ上の第１領域２１ａａ（第１検出面）および第２領域２１ａｂ（第２検出面）へ導く受光光学系を構成している。

第１領域２１ａａにおける強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布は、パターン部材１５のＬ＆Ｓパターン１５ａを経て生成されたパターン光により形成されたものであり、ウェハＷの表面ＷａのＺ方向移動に伴って変化する。換言すると、強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布は、計測領域ＤＡの複数点（複数の計測位置）におけるＺ方向位置に関する情報を含んでいる。第２領域２１ａｂにおける強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布は、パターン部材１５の開口部１５ｂを経た無パターン光により形成されたものであり、ウェハＷの表面ＷａのＺ方向移動の影響を受けない。換言すると、強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布は、計測領域ＤＡのＺ方向位置に関する情報を含んでいない。

強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布および強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布はともに、計測領域ＤＡで反射された光により形成されたものであり、計測領域ＤＡにおける反射率分布の影響を受ける。換言すると、強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布および強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布はともに、計測領域ＤＡ内の反射率分布に関する情報を含んでいる。

上述したように、第１波長帯のｐ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｐａの強度分布は、図１０（ａ）に模式的に示すように、計測領域ＤＡの複数点におけるＺ方向位置に関する情報および計測領域ＤＡ内の反射率分布に関する情報の双方を含んでいる。同じく第１波長帯のｐ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｎａの強度分布は、図１０（ｂ）に模式的に示すように、計測領域ＤＡ内の反射率分布に関する情報を含んでいるが、計測領域ＤＡの複数点におけるＺ方向位置に関する情報を含んでいない。

したがって、信号処理部ＰＲは、第１領域２１ａａにおける強度分布領域Ｉｐａの強度分布の検出結果と、第２領域２１ａｂにおける強度分布領域Ｉｎａの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置を求める。具体的には、強度分布領域Ｉｐａの強度分布の検出信号の波形データと強度分布領域Ｉｎａの強度分布の検出信号の波形データとに対して割り算などの処理を行うことにより、図１０（ｃ）に模式的に示すように、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された信号を得る。

同様に、第２波長帯のｐ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｐｂの強度分布の検出結果と強度分布領域Ｉｎｂの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置が求められる。第３波長帯のｐ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｐｃの強度分布の検出結果と強度分布領域Ｉｎｃの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置が求められる。

また、第１波長帯のｓ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｐｄの強度分布の検出結果と強度分布領域Ｉｎｄの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置が求められる。第２波長帯のｓ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｐｅの強度分布の検出結果と強度分布領域Ｉｎｅの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置が求められる。さらに、第３波長帯のｓ偏光の光により形成された強度分布領域Ｉｐｆの強度分布の検出結果と強度分布領域Ｉｎｆの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置が求められる。

このように、本実施形態では、第１領域２１ａａにおける強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布の検出結果と、第２領域２１ａｂにおける強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置を求めることができる。また、波長範囲の異なる複数の光および偏光状態の異なる複数の光について、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差について補正された面位置がそれぞれ得られるので、計測領域ＤＡ内の複数点における面位置の計測精度が向上する。

一般に、半導体プロセスウェハは、各種半導体プロセスによりシリコンウェハ上に複雑な物質構造が形成されたものであり、その上にレジストが塗布されている。このような半導体プロセスウェハを単色の波長で照明し検出すると、上述した反射率分布に起因する誤差だけでなく、薄膜効果に起因する誤差により、Ｚ方向位置の情報を正確に得られない場合がある。本実施形態のように、多波長の光で照明し、それぞれ２偏光の状態で照明し、複数の計測を行い、平均または重み付平均処理を行うことで、計測精度の改善を行うことができる。本実施形態はそのような多波長、多偏光の計測に最適な構成である。

ところで、受光センサ２１は、それ自体が発熱源であるため、熱膨張により変位し易い。また、検出面２１ａを直接支持できないという支持構造の特性により、受光センサ２１は変位し易い。受光センサ２１が計測方向（ｘ７方向）に変位すると、ウェハＷの表面Ｗａの面位置を正確に計測することができない。すなわち、波長範囲の異なる複数の光および偏光状態の異なる複数の光についてそれぞれ計測された面位置は、受光センサ２１の変位（ひいては検出面２１ａの位置ずれ）に起因する計測誤差を含む可能性がある。

本実施形態では、受光センサ２１の光電検出面のｘ７方向に沿った変位（位置ずれ）を計測するために、受光プリズム２３の入射面２３ａに、ｘ５方向にピッチを有するＬ＆Ｓパターンである指標パターンＳｂを設けている。この指標パターンＳｂに対応して検出面２１ａ上の第２領域２１ａｂに形成される強度分布領域Ｉｂは、ウェハＷの面位置の変動に影響されることなく、受光プリズム２３と受光センサ２１とのｘ７方向に沿った相対位置が変化しない限り不変であり、ひいては受光センサ２１がｘ７方向に沿って変位しない限り実質的に不変である。換言すれば、強度分布領域Ｉｂの強度分布の変化に基づいて、受光センサ２１のｘ７方向に沿った変位（位置ずれ）が検出される。

本実施形態では、第１領域２１ａａにおける強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布の検出結果と、第２領域２１ａｂにおける強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布の検出結果と、第２領域２１ａｂにおける強度分布領域Ｉｂの強度分布の検出結果とを用いて、計測領域ＤＡ内の反射率分布に起因する計測誤差および受光センサ２１の変位に起因する計測誤差について補正された面位置を求める。具体的には、強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布の検出結果と強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布の検出結果とから得られる補正された面位置を、強度分布領域Ｉｂの強度分布の検出結果から得られる受光センサ２１の変位情報に基づいてさらに補正する。

計測領域ＤＡ内の複数点の補正された面位置の計測結果は、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Ｘ方向およびＹ方向にステップまたはスキャン移動させる。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ＤＡ内の複数点の補正された面位置を計測し、この計測結果を記憶部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のステップまたはスキャン移動に応じて、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計測する。ウェハＷのＹ方向のステップまたはスキャン移動は、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計測結果、すなわち複数の計測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で得られた計測結果、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、また傾斜角を結像面に正確に合わせる。このように、本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装置に対してウェハＷを保持するＸＹステージＨＳをステップ移動させつつ、表面Ｗａの面位置を計測する。

受光センサ２１および信号処理部ＰＲは、検出面２１ａ上の第１領域２１ａａにおける第１光束の強度分布（強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布）、および第２領域２１ａｂにおける第２光束の強度分布（強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆの強度分布）を検出し、第１光束の検出結果と第２光束の検出結果とに基づいて計測領域ＤＡの面位置を求める検出系を構成している。

以上のように、本実施形態の面位置計測装置では、計測領域ＤＡでの反射率分布に起因する計測誤差および受光センサ２１の変位に起因する計測誤差を小さく抑えて、ウェハＷの面位置を高精度に計測することができる。その結果、本実施形態の露光装置では、ウェハＷの面位置を高精度に計測する面位置計測装置を用いて、投影光学系ＰＬに対してウェハＷの被露光面を高精度に位置合わせすることができ、ひいては良好は投影露光を行うことができる。

本実施形態において、図９で示した受光センサ２１の検出面２１ａに形成される帯状の強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆ、Ｉｎａ〜Ｉｎｆのうち、帯状の強度分布領域ＩｐａとＩｎａとの組、ＩｐｂとＩｎｂとの組、ＩｐｃとＩｎｃとの組、ＩｐｄとＩｎｄとの組、ＩｐｅとＩｎｅとの組、およびＩｐｆとＩｎｆとの組は、同時刻ではウェハＷの表面Ｗａ上の異なる場所に投影されている部分光束に対応している。

しかしながら、ウェハＷをＸＹ平面内で、適当にステップまたはスキャンさせつつ異なる時刻で信号を検出すれば、異なる組の強度分布領域に基づく検出信号をウェハＷの表面Ｗａ上において同じ場所に対応する検出信号とすることができる。例えば、強度分布領域ＩｐａとＩｎａとの組の強度分布領域に基づくある時刻での検出信号と、強度分布領域ＩｐｂとＩｎｂとの組の強度分布領域に基づく別の時刻での検出信号とが、ウェハＷの表面Ｗａ上の同じ領域の検出信号に対応させることができる。同様に、ウェハＷの表面Ｗａ上の所定の位置を、異なる部分光束、すなわち波長・偏光が異なる光束を用いて計測することが可能となる。このように、多色、多偏光で、ウェハ上の同じ領域を検出し、マップデータを得ることも可能である。このような処理は、一種の分光計測であり、先述した、半導体プロセスウェハの薄膜効果でＺ方向位置の情報が正確に得られない場合の性能改善にさらなる効果をもたらすことができる。

なお、上述の実施形態では、瞳合成部材１６および瞳分割部材２６がプリズム部材（光透過部材）として構成され、瞳合成部材１６は送光側の第２結像光学系（１１ｂ，１２）の瞳位置またはその近傍に配置され、瞳分割部材２６は再結像光学系であるリレー光学系２２の瞳位置またはその近傍に配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、瞳合成部材および瞳分割部材の具体的な構成および配置について、様々な形態が可能である。例えば、瞳合成部材および瞳分割部材のうちの少なくとも一方を、反射型の光学部材として構成することができる。また、瞳合成部材を送光側の対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置したり、瞳分割部材を受光側の対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置したりすることができる。

また、上述の実施形態では、パターン部材１５の第１領域にはＬ＆Ｓパターン１５ａが設けられている。しかしながら、Ｌ＆Ｓパターンに限定されることなく、パターン部材の第１領域に設けられるパターンについて、ひいてはパターン部材の具体的な構成については、様々な形態が可能である。

なお、本実施形態では、検出光の波長域を６００〜９００ｎｍとしていたが、レジストが露光しない波長であればより短い波長域、たとえば、４００〜７００ｎｍといった波長域を用いてもよく、波長が短いほど、投影するＬ＆Ｓのピッチを短くすることが可能となり、計測再現性向上を図ることができる。レジストへの感光に注意すれば、さらに短い波長域での計測も可能である。

また、上述の実施形態では、波面分割部材１４における波面分割領域１４ａａ〜１４ａｆ，１４ｂａ〜１４ｂｆが、入射光から第１波長帯の光、第２波長帯の光、第３波長帯の光を生成し、且つ入射光からｐ偏光の光、ｓ偏光の光を生成するように構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、波面分割部材の各領域の構成、ひいては波面分割部材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、互いに異なる構成を有する複数の波面分割部材を光路に対して交換可能に構成することもできる。このような交換可能な構成により、計測対象となる半導体プロセスウェハにさらに最適な波長域の設定を、容易に実現できる。

また、受光センサ２１では、すべての波面分割領域を同時に計測する必要はなく、時間的に切り換えて計測すること、または必要な領域だけ計測することも可能である。また、受光センサは２次元センサであっても、１次元のラインセンサを多数並べ、各ラインと破面分割領域とを合致させたマルチラインセンサであっても構わない。また、２次元センサを改造して、マルチラインセンサ的な計測を行っても構わない。

また、上述の実施形態では、光検出器２１が単一の光電検出面２１ａを有する。しかしながら、これに限定されることなく、例えば実施形態における強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆを第１検出面に形成し、強度分布領域Ｉｎａ〜Ｉｎｆ，Ｉｂを第１検出面とは別の第２検出面に形成することもできる。

計測時のウェハのＺ方向位置が大きくずれている場合、計測時の強度分布領域Ｉｐａ〜Ｉｐｆの強度分布の位置がＬ＆Ｓのパターンピッチの１／２以上ずれてしまい、隣りのパターンが投影されるべき位置までずれてしまう恐れ（位相跳びと呼ばれる現象が生じる恐れ）がある。本実施形態のように、図９におけるＬ＆Ｓパターン２１ａａに対し、検出面２１ａを十分に大きく設定していれば、強度分布２１ａａの全体の検出が常に可能となり、パターンピッチの１／２以上強度分布がずれていることを容易に検出でき、ひいては正確な計測を行うことが可能となる。

上述の実施形態では、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は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の面位置の計測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計測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計測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計測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１１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１１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１２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１２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。

１０ 光源
１１ リレー光学系
１２ コンデンサーレンズ
１３ 送光プリズム
１４ パターン部材
１５ 波面分割部材
１６ 瞳合成部材
１７，２７ 対物レンズ
２１ 受光センサ
２２ リレー光学系
２３ 受光プリズム
２６ 瞳分割部材
ＤＡ 計測領域
ＰＲ 信号処理部
ＣＲ 制御部
ＩＬ 照明系
Ｍ 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 (20)

1. 被検面の面位置を計測する面位置計測装置において、
   前記被検面と光学的に共役な位置に配置されて、第１領域に入射した第１光束の強度分布を変化させてパターン光として射出し且つ第２領域に入射した第２光束の強度分布を変化させることなく無パターン光として射出するパターン部材と、
   前記パターン部材を経た前記第１光束および前記第２光束を前記被検面上の計測領域に斜入射させる送光光学系と、
   前記第１光束と前記第２光束とが前記計測領域において互いに重なるように、前記送光光学系の瞳位置において前記第１光束および前記第２光束のうちの少なくとも一方を偏向する瞳合成部材と、
   前記被検面で反射された前記第１光束および前記第２光束を、前記被検面と光学的に共役な第１検出面および第２検出面へ導く受光光学系と、
   前記第１検出面における前記第１光束の強度分布および前記第２検出面における前記第２光束の強度分布を検出し、前記第１光束の検出結果と前記第２光束の検出結果とに基づいて前記計測領域上の複数の検出点での面位置を求める検出系とを備えていることを特徴とする面位置計測装置。
2. 前記パターン部材は、前記第１領域に設けられて所定方向にピッチを有するパターンと、前記第２領域に設けられた開口部とを有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. 前記第１領域と前記第２領域とは、前記パターンのピッチ方向と直交する方向に並んで配置されてい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. 前記送光光学系は、前記被検面と光学的に共役な第１共役面を形成する第１光学系と、前記第１共役面と前記パターン部材とを光学的に共役に配置する第２光学系とを有し、
   前記瞳合成部材は、前記第１光学系の瞳位置または前記第２光学系の瞳位置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項に記載の面位置計測装置。
5. 前記受光光学系は、前記被検面と光学的に共役な第２共役面を形成する第３光学系と、前記第２共役面と前記第１検出面および前記第２検出面とを光学的に共役に配置する第４光学系と、前記第３光学系の瞳位置または前記第４光学系の瞳位置に配置された瞳分割部材とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
6. 前記第１領域に入射する前記第１光束または前記第１領域を経た前記第１光束を波面分割して偏光状態および波長帯のうちの少なくとも一方が異なる複数の部分光束を生成し、且つ前記第２領域に入射する前記第２光束または前記第２領域を経た前記第２光束を波面分割して偏光状態および波長帯のうちの少なくとも一方が異なる複数の部分光束を生成する波面分割部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
7. 前記波面分割部材は、前記第１光束から第１方向に偏光方向を持つ第１偏光の部分光束および前記第１方向と直交する第２方向に偏光方向を持つ第２偏光の部分光束を生成し、前記第２光束から前記第１偏光の部分光束および前記第２偏光の部分光束を生成することを特徴とする請求項６に記載の面位置計測装置。
8. 前記波面分割部材は、前記第１光束から第１波長帯の部分光束および第２波長帯の部分光束を生成し、前記第２光束から前記第１波長帯の部分光束および前記第２波長帯の部分光束を生成することを特徴とする請求項６または７に記載の面位置計測装置。
9. 前記波面分割部材は、前記第１領域に設けられたパターンのピッチ方向に沿った複数の分割線にしたがって前記第１光束および前記第２光束を波面分割することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
10. 前記波面分割部材は、前記パターン部材に近接した位置、または前記被検面と光学的に共役な位置に配置されていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
11. 前記送光光学系は、前記第１共役面に位置する射出面および該射出面と非平行な入射面を有する送光側偏向プリズムを有することを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
12. 前記受光光学系は、前記第２共役面に位置する入射面および該入射面と非平行な射出面を有する受光側偏向プリズムを有することを特徴とする請求項５乃至１１のいずれか１項に記載の面位置計測装置。
13. 前記検出系は、前記第１検出面および前記第２検出面を含む単一の光電検出面を有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. 前記受光光学系は、前記第２共役面に位置する入射面および該入射面と非平行な射出面を有する受光側偏向プリズムを有し、
    前記受光側偏向プリズムの入射面には、前記第１領域に設けられたパターンのピッチ方向に沿った前記光電検出面の位置ずれを検出するための指標パターンが設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の面位置計測装置。
15. 前記指標パターンは、前記第１領域に設けられたパターンのピッチ方向にピッチを有することを特徴とする請求項１４に記載の面位置計測装置。
16. 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１乃至１５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計測結果に基づいて、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。
17. 前記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１６に記載の露光装置。
18. 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１６または１７に記載の露光装置。
19. 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１８に記載の露光装置。
20. 請求項１６乃至１９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前記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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