JP2023022106A - 面位置検出装置、露光装置、デバイス製造方法、および基板処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】面位置検出装置を提供する。【解決手段】面位置検出装置は、被検面と交差する軸に沿った前記被検面の位置情報を求める面位置検出装置において、光源からの光のうち第１検出光と第２検出光とを互いに異なる方向から前記被検面に投射する第１光学系と、前記被検面で反射された前記第１及び第２検出光を受光する受光面を備える第２光学系とを備え、前記第１検出光によって前記被検面上に形成される第１光パターンの強度分布と、前記第２検出光によって前記被検面上に形成される第２光パターンの強度分布とは互いに異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、面位置検出装置、露光装置、デバイス製造方法、および基板処理システムに関する。

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検出装置が知られている（特許文献１を参照）。

米国特許出願公開第２０１０／０２３１８８１号明細書

本発明の第１の態様の面位置検出装置は、被検面と交差する軸に沿った前記被検面の位置情報を求める面位置検出装置において、光源からの光のうち第１検出光と第２検出光とを互いに異なる方向から前記被検面に投射する第１光学系と、前記被検面で反射された前記第１及び第２検出光を受光する受光面を備える第２光学系とを備え、前記第１検出光によって前記被検面上に形成される第１光パターンの強度分布と、前記第２検出光によって前記被検面上に形成される第２光パターンの強度分布とは互いに異なる。
本発明の第２の態様のデバイス製造方法は、基板の表面上にレジストを形成すること、請求項２０または請求項２１に記載の露光装置を用いて、前記基板の表面に形成された前記レジストの表面の位置を検出し、前記レジス卜の前記表面を前記投影光学系の光軸方向の所定の位置に設定して、露光パターンを露光すること、前記レジストを現像すること、前記現像により形成されたレジストパターンに基づいて、前記基板 の表面を加工すること、を含む。
本発明の第３の態様の基板処理システムは、基板を処理対象とする基板処理システムであって、前記基板を載置する第１ステージ、および前記基板の表面における複数箇所の、前記表面と交差する方向における位置を計測する請求項１から請求項１９までのいずれか一項に記載の面位置検出装置を有する計測装置と、前記計測装置による前記計測が終了した前記基板を載置する第２ステージを備え、前記第２ステージに載置された前記基板を露光する露光装置とを備え、前記露光装置は、前記計測装置による計測結果を少なくとも用いて、前記基板の前記交差する方向における位置を変更しつつ前記露光を行う。

第１実施形態の面位置検出装置１００の構成を概略的に示す図。 面位置検出装置１００の一部の構成を、－Ｙ方向から見た側面図。 面位置検出装置１００の一部の構成を、＋Ｚ方向から見た上面図。 検出光分割部材の一例を示す図。 図５（ａ）は、被検面ＷＡ上の照射領域ＩＡを示す図。図５（ｂ）は、照射領域ＩＡのＸ軸方向の光量分布を示す図。 受光プリズム２３の入射面２３ａを、入射面２３ａに対する法線の方向から見た図。 複合分離部材２５の一例を示す図。 受光面２９ａに形成される開口部ＳＬのＰ偏光成分の像を示す図。 被検面ＷＡのＺ軸方向の位置（横軸）と、光電変換信号Ｓ１ｂおよび光電変換信号Ｓ２ｂとの関係の一例を示す図。 図１０（ａ）は別の例の検出光分割部材を示す斜視図。図１０（ｂ）は別の例の検出光分割部材を送光側第１レンズ１７側から見た図。 図１１（ａ）は、第２実施形態の面位置検出装置における、被検面ＷＡ上の第１検出光、第２検出光、および第３検出光の光量分布を表す図。図１１（ｂ）は、被検面ＷＡのＺ軸方向の位置（横軸）と、光電変換信号との関係を示す図。 第３実施形態の露光装置２００の概略を示す図。 第４実施形態の基板処理システム３００を含む、基板処理ラインの概略を示す図。 デバイス製造方法の概要を示す図。

本明細書において、「光学的に共役」とは、１つの面と他の１つの面とが光学系を介して結像関係になっていることをいう。
本明細書において、「結像関係」とは、１つの領域内の任意の１点を発した光が、光学系を介して他の１つの領域内の１点を中心とする光学系の解像度程度の範囲内に集光する関係をいう。
本明細書において、「正弦波関数」とは、正弦関数（ｓｉｎ）または余弦関数（ｃｏｓ）に対して所定の定数が加わり、値がすべて非負となっている関数をいう。

（第１実施形態の面位置検出装置）
図１は、第１実施形態の面位置検出装置１００の構成を概略的に示す図である。図１では、面位置検出装置１００に載置される被計測物Ｗの表面（以下、「被検面」ともいう）ＷＡに垂直な方向（法線方向）にＺ軸を、Ｚ軸に垂直な面内、すなわち被検面ＷＡに平行な面内において図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を設定している。

第１実施形態の面位置検出装置１００における検出光の経路の概要を説明する。光導入部１２に、例えば光源１０からライトガイド１１を介して検出光が供給される。光源１０からの検出光の波長帯域は、一例として４００ｎｍから８００ｎｍであるが、これには限定されない。例えば、４００ｎｍ以下、一例として２００ｎｍ近傍であってもよいし、８００ｎｍ以上の赤外域、一例として１２００ｎｍ～１７００ｎｍであってもよい。光導入部１２を発した検出光は、コンデンサーレンズ群１３、回折格子板１４、送光側第２レンズ群１５、送光側第１レンズ群１７、およびミラー１８等を介して被検面ＷＡに照射される。被検面ＷＡで反射した検出光は、ミラー１９、受光側第１レンズ群２０、受光側第２レンズ群２２等を介して、受光プリズム２３に至る。受光プリズム２３により屈折した検出光は、前側レンズ群２４と後側レンズ群２６とからなるリレー光学系を介して、偏光分離プリズム２７に入射する。そして、検出光は偏光分離プリズム２７で２つの異なる偏光成分に分離され、分離されたそれぞれの検出光は、光検出部２８ａの受光面２９ａ、および光検出部２８ｂの受光面２９ｂに入射する。
尚、図１乃至図３では、各レンズ群のレンズは１枚のみ図示しているが、各レンズ群は１枚以上のレンズから構成されてもよい。
被計測物ＷはステージＳＴに載置されており、ステージＳＴのＸＹＺ位置は、不図示の干渉計またはエンコーダーにより計測されている。

本明細書では、光導入部１２、コンデンサーレンズ群１３、回折格子板１４、送光側第２レンズ群１５、検出光分割部材１６、送光側第１レンズ群１７、およびミラー１８の全て、または一部を、総称して送光部ＴＳとも呼ぶ。
本明細書では、ミラー１９、受光側第１レンズ群２０、シリンドリカルレンズ２１、受光側第２レンズ群２２、受光プリズム２３、リレー光学系（２４，２６）、複合分離部材２５、偏光分離プリズム２７、および光検出部２８ａ，２８ｂの全て、または一部を、総称して受光部ＲＳとも呼ぶ。

図２および図３は、図１に示した面位置検出装置１００の一部の構成を概略的に示す図である。図２は、コンデンサーレンズ群１３から光検出部２８ａまでの構成を－Ｙ方向から見た側面図である。図２では、回折格子板１４から被検面ＷＡまでの光路、および被検面ＷＡから受光プリズム２３までの光路を直線状に展開している。図３は、コンデンサーレンズ群１３から光検出部２８ａまでの構成を＋Ｚ方向から見た上面図である。図２および図３では、ミラー１８、１９、偏光分離プリズム２７、および光検出部２８ｂの図示を省略している。また、図２および図３では、光軸ＡＸ２を光軸ＡＸ３と一致させ、光軸ＡＸ４を光軸ＡＸ５と一致させているとともに、光軸ＡＸ６をＸ軸方向に一致させている。

光導入部１２を発した光は、コンデンサーレンズ群１３に入射し、概ねコンデンサーレンズ群１３の光軸ＡＸ１に沿って、回折格子板１４に入射する。回折格子板１４には、その表面に誘電体膜または金属膜からなる回折格子１４ａが形成されている。回折格子１４ａは一例として１次元格子であり、長手方向が図中のＹ方向と一致する略矩形のパターンが、Ｙ方向と直交する回折格子板１４の面内の方向に所定の周期で配列されている。本例では、回折格子１４ａは＋１次回折光ＤＰおよび－１次回折光ＤＭを選択的に発生させるものである。

回折格子板１４により反射および回折された±１次回折光ＤＰ、ＤＭは、送光側第２レンズ１５を介して、検出光分割部材１６に入射する。検出光分割部材１６は、送光側第２レンズ群１５と送光側第１レンズ群１７とからなる送光光学系の瞳面ＴＰに配置されている。ここで瞳面ＴＰとは、被検面ＷＡ上の異なる位置に同一の方向から入射する複数の光線がほぼ１点に集まる面である。逆に言えば、瞳面ＴＰ上の１点からそれぞれ異なる方向に進む光は、被検面ＷＡ上のそれぞれ異なる位置に、同一の方向から入射する。光軸ＡＸ２は、送光側第２レンズ群１５と送光側第１レンズ群１７との光軸であり、回折格子板１４で反射（鏡映）されたコンデンサーレンズ１３の光軸ＡＸ１と一致している。

図４は、検出光分割部材１６の一例を示す図である。図４（ａ）は検出光分割部材１６を示す斜視図であり、図４（ｂ）は検出光分割部材１６を送光側第１レンズ群１７側から見た図である。図４の光軸ＡＸ２およびＹ軸は、図１～図３に示した光軸ＡＸ２およびＹ軸と同一方向を示している。図４のｚ１軸は、光軸ＡＸ２およびＹ軸と直交する方向を示している。検出光分割部材１６は、一例として４つのプリズム１６ａ～１６ｄを含んでいる。プリズム１６ａとプリズム１６ｂは、光軸ＡＸ２方向の略同一位置に相互にＹ方向に接して配置されている。プリズム１６ｃとプリズム１６ｄは、プリズム１６ａとプリズム１６ｂから光軸ＡＸ２方向に光路の下流側に離れた位置に、相互にＹ方向に接して配置されている。プリズム１６ａとプリズム１６ｂの境界、およびプリズム１６ｃとプリズム１６ｄの境界は、光軸ＡＸ２を通りｚ１軸と平行な面上にある。

４つのプリズム１６ａ～１６ｄのうちのいずれか１つは、光軸ＡＸ２方向の厚さがｚ１方向の位置に応じて変化しており、これを透過する光に対してｚ１方向の位置に応じて変化する位相差を与え、これを透過する光の進行方向を、ｚ１方向に微小角だけ偏向させる。
なお、プリズム１６ａとプリズム１６ｂ、およびプリズム１６ｃとプリズム１６ｄは、それぞれ分離された２つのプリズムではなく、一体的なプリズムの入射面または射出面の形状が、光軸ＡＸ２の＋Ｙ側と－Ｙ側とで異なるものであっても良い。

検出光分割部材１６に入射した＋１次回折光ＤＰおよび－１次回折光ＤＭは、それぞれ、瞳面ＴＰにおいて光軸ＡＸ２より＋Ｙ側に配置されたプリズム１６ｃを射出する第１検出光ＤＬ１と、光軸ＡＸ２より－Ｙ側に配置されたプリズム１６ｄを射出する第２検出光ＤＬ２とに分割される。そして、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とは、ｚ１方向に相互に微小角だけ偏向される。

なお、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とには、共に＋１次回折光ＤＰと－１次回折光ＤＭとが含まれていることに留意されたい。
また、検出光分割部材１６の光軸ＡＸ２方向の一方の側または他方の側に、＋１次回折光ＤＰおよび－１次回折光ＤＭのみを選択的に透過する回折光選択フィルタを設けても良い。この場合には、回折格子１４ａとして、＋１次回折光ＤＰおよび－１次回折光ＤＭ以外の回折光を発生する回折格子を使用してもよい。

第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とは、送光側第１レンズ群１７により集光された後、ミラー１８により反射されて被検面ＷＡに照射され、被検面ＷＡ上に照射領域ＩＡを形成する。第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とは、瞳面ＴＰにおいて、相互にＹ方向にずれた位置を通る光である。従って、図３に示すとおり、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２の被検面ＷＡへの入射方向は、概ね＋Ｘ方向に平行な方向ではあるが、相互にＹ方向にずれている。
被検面ＷＡへの検出光の入射角θ（被検面ＷＡの法線ＮＶに対する入射光の角度）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。光軸ＡＸ３は、光軸ＡＸ２がミラー１８により反射（鏡映）されたものである。尚、入射角θは８０度未満であっても９０度以上であってもよい。

図５（ａ）は、被検面ＷＡ上の照射領域ＩＡを示す図であり、図５（ｂ）は、照射領域ＩＡのＸ軸方向の光量分布を示す図である。実線は第１検出光ＤＬ１の光量分布ＩＤＬ１を示し、破線は第２検出光ＤＬ２の光量分布ＩＤＬ２を示している。図５に示した検出領域ＤＡについては後述する。

第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、それぞれ＋１次回折光ＤＰおよび－１次回折光ＤＭの２つの回折光より成るので、光量分布ＩＤＬ１と光量分布ＩＤＬ２とは、いずれも２つの回折光が形成する干渉縞となる。従って、図５（ｂ）に示したとおり、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２は、いずれもＸ方向に所定の周期ＦＸと振幅を有する正弦波関数（ｓｉｎ関数）で強度変調された分布となる。本例においては、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２を変調するそれぞれの正弦波関数の振幅とＸ方向の周期ＦＸは等しい。

第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、前述のとおり検出光分割部材１６により微小角だけ偏向される。この偏向により、光量分布ＩＤＬ１と光量分布ＩＤの正弦波関数の位相は、それぞれの強度変調の正弦波関数の周期ＦＸの半分だけずれたものとなっている。ただし、その偏向量は小さいため、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２は、重畳して、すなわちほとんど重なって被検面ＷＡ上の照射領域ＩＡに照射される。
換言すれば、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とは、＋Ｘ方向に方向成分を有する方向から斜入射で被検面ＷＡに重畳して照射され、被検面ＷＡ上に照射領域ＩＡを形成する。

従って、照射領域ＩＡにおいて、Ｘ軸方向の任意の位置において、第１検出光ＤＬ１の光量と第２検出光ＤＬ２の光量との和は、一定となる。換言すれば、光量分布ＩＤＬ１と光量分布ＩＤＬ２とは、Ｘ方向について相補的である。
また、光量分布ＩＤＬ１と光量分布ＩＤＬ２とは、共にＹ方向の所定の範囲内で一定である。
被検面ＷＡの面内におけるＸ方向を、第１方向と解釈してもよい。また、被検面ＷＡの面内におけるＹ方向を、第２方向と解釈してもよい。

なお、検出光分割部材１６を瞳面ＴＰに配置するのは、±１次回折光ＤＰ、ＤＭを被検面ＷＡへの入射位置に係わらず、被検面ＷＡへの入射方向に応じて、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２に分割するためである。従って、検出光分割部材１６が配置される瞳面ＴＰの位置は、必ずしも被検面ＷＡ上の異なる位置に同一の方向から入射する複数の光線が正確に１点に集まる面でなくても良い。すなわち、被検面ＷＡへの入射方向に応じて、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２に分割することができる位置であれば、光軸ＡＸ２に沿って多少前後した位置であっても良い。これは、後述する他の瞳面についても同様である。

被計測物Ｗの被検面ＷＡによって反射された光は、ミラー１９、受光側第１レンズ群２０、シリンドリカルレンズ２１、および受光側第２レンズ群２２を介した後、受光プリズム２３の入射面２３ａに入射する。光軸ＡＸ５は、受光側第１レンズ２０、および受光側第２レンズ２２の光軸である。光軸ＡＸ４は、光軸ＡＸ５がミラー１９により反射（鏡映）されたものである。

ミラー１９、受光側第１レンズ群２０、および受光側第２レンズ群２２は、照射領域ＩＡの中心を含むＹＺ平面に関して、それぞれミラー１８、送光側第１レンズ群１７、および送光側第２レンズ群１５と対称な位置に配置され、対称的な構成を有する。
受光プリズム２３の入射面２３ａは、照射領域ＩＡの中心を含むＹＺ平面に関して回折格子板１４上の回折格子１４ａと対称な位置に配置される。

図６は、受光プリズム２３の入射面２３ａを、入射面２３ａに対する法線の方向から見た図である。入射面２３ａ上の光軸ＡＸ２との交点またはその近傍には、Ｙ方向に長手方向を有する光透過部である開口部（スリット）ＳＬが形成されている。入射面２３ａの開口部ＳＬ以外の部分は、遮光膜で覆われた遮光部ＯＦが形成されている。

入射面２３ａは、ミラー１９、受光側第１レンズ群２０、および受光側第２レンズ群２２を介して、被計測物Ｗの被検面ＷＡと光学的に共役になっている。すなわち、被検面ＷＡ内の１点を発した第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、ともに入射面２３ａ上の１点に集光する。入射面２３ａの面内方向であるｘ２軸は、被検面ＷＡ内のＸ軸と結像関係にある。すなわち、被検面ＷＡ内のＸ方向に沿った任意の領域は、入射面２３ａ内でｘ２方向に沿った領域に結像される。ｚ２軸は、Ｙ軸およびｘ２軸と直交する方向の軸である。

開口部ＳＬは、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２のうち、入射面２３ａ上に形成された被検面ＷＡ上の照射領域ＩＡにおいて、開口部ＳＬと結像関係にある部分で反射した光のみを選択的に透過する。そこで、被検面ＷＡ上の照射領域ＩＡのうち、受光側第１レンズ２０および受光側第２レンズ２２等を介して入射面２３ａ上の開口部ＳＬと結像関係にある部分を、図５（ａ）および図５（ｂ）に示したように検出領域ＤＡと解釈してもよい。すなわち、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２のうち、被検面ＷＡ上の検出領域ＤＡで反射した光のみが、開口部ＳＬを透過する。

開口部ＳＬのｘ２方向の幅は幅Ｓｗｘであり、Ｙ方向の幅は幅Ｓｗｙであり、図５（ａ）に示すように、被検面ＷＡ上の検出領域ＤＡのＸ方向の幅は幅Ｄｗｘであり、Ｙ方向の幅は幅Ｄｗｙである。受光側第１レンズ２０、および受光側第２レンズ２２による被検面ＷＡから入射面２３ａまでの結像倍率は、幅Ｓｗｘと幅Ｄｗｘの比、および幅Ｓｗｙと幅Ｄｗｙの比と一致する。
なお、幅Ｄｗｘの大きな検出領域ＤＡからの反射光を、狭い幅Ｓｗｘの開口部ＳＬに集光させるために、受光側第１レンズ群２０および受光側第２レンズ群２２が構成する光学系の瞳面ＲＰ１またはその近傍に、シリンドリカルレンズ２１を設けてもよい。ここで瞳面ＲＰ１とは、被検面ＷＡ上の異なる位置から同一の方向に射出する複数の光線がほぼ１点に集まる面である。

受光側第１レンズ群２０、および受光側第２レンズ群２２を第１受光光学系と解釈してもよい。
入射面２３ａ内におけるｘ２方向を、第３方向と解釈してもよい。また、入射面２３ａ内におけるＹ方向を、第４方向と解釈してもよい。
瞳面ＲＰ１を第１瞳面と解釈してもよい。

開口部ＳＬを透過した第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、受光プリズム２３による屈折作用により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、リレー光学系（２４、２６）の前側レンズ群２４に入射する。光軸ＡＸ６は、リレー光学系の前側レンズ群２４および後側レンズ群２６の光軸である。

なお、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、Ｘ２方向に比較的狭い幅Ｓｗｘの開口部ＳＬを透過する際に回折され、進行方向がＺ方向に広がるため、＋１次回折光ＤＰと－１次回折光ＤＭとを峻別できなくなる。そこで、図２では、開口部ＳＬを透過した後の光を第１検出光ＤＬ１として示している。また、－Ｙ方向から見た図２においては、第２検出光ＤＬ２は第１検出光ＤＬ１と重なって表示されるため、図示を省略している。

前側レンズ群２４による入射面２３ａに対する瞳面ＲＰ２には、複合分離部材２５が配置されている。ここで瞳面ＲＰ２とは、入射面２３ａ上の異なる位置から同一の方向に射出する複数の光線がほぼ１点に集まる面である。複合分離部材２５の詳細については後述する。

複合分離部材２５から射出された第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、リレー光学系の後側レンズ群２６を介して、偏光分離プリズム２７に入射する。第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２のうち、Ｐ偏光成分は偏光分離プリズム２７を直進し、光検出部２８ａ上の受光面２９ａに、開口部ＳＬのＰ偏光成分の像を形成する。一方、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２のうち、Ｓ偏光成分は偏光分離プリズム２７により反射され、光検出部２８ｂ上の受光面２９ｂに、開口部ＳＬのＳ偏光成分像を形成する。

なお、開口部ＳＬは、光軸ＡＸ６に対して垂直な面から大きく傾斜した受光プリズム２３の入射面２３ａ上に形成されている。しかし、図２に示すように、受光プリズム２３の内部の光路長がＺ方向に対して変化していることにより、この像面の傾斜が補正される。その結果、開口部ＳＬの像は、光軸ＡＸ６に対して垂直に配置された受光面２９ａに合致して形成される。すなわち、受光プリズム２３は、像面傾斜補正部材とも解釈してもよい。
なお、偏光分離プリズム２７の光軸ＡＸ６を中心とする回転方向は、偏光分離プリズム２７の偏光分離面２７ａに対するＰ偏光およびＳ偏光が、被検面ＷＡに対するＰ偏光およびＳ偏光と一致するように設定する。

光検出部２８ａ、２８ｂの受光面２９ａ，２９ｂに受光され、光電変換された検出光の光電変換信号は、光検出部２８ａ、２８ｂから出力され、演算部ＰＵに入力される。演算部ＰＵは、ＣＰＵやメモリーを備えるコンピュータ装置であっても良い。
光検出部２８ａ、２８ｂ、およびその受光面２９ａ，２９ｂに形成される開口部ＳＬの像の詳細については、後述する。

図７は、複合分離部材２５の一例を示す図である。なお、図７では、理解を容易にするために、図２及び図３に示したのと同様に、光軸ＡＸ６をＸ軸と平行に表している。図７（ａ）は、複合分離部材２５の光軸ＡＸ６を通るＸＹ平面における断面図を示し、図７（ｂ）は、複合分離部材２５の光軸ＡＸ６を通るＸＺ平面における断面図を示す。
複合分離部材２５は、機能的には光軸ＡＸ６に沿って入射側の光分離部材２５ａと、射出側の分光部材２５ｂとに分かれる。

光分離部材２５ａの入射側には、光軸ＡＸ６の＋Ｙ側に配置された第１ブロック２５１と光軸ＡＸ６の－Ｙ側に配置された第２ブロック２５２が配置されている。第１ブロック２５１および第２ブロック２５２の入射面は、光軸ＡＸ６と直交する面に対してＺ軸と平行な回転軸を中心としてそれぞれ異なる方向に回転した面である。第１ブロック２５１および第２ブロック２５２の射出面も同様である。第３ブロック２５３の入射面の形状は、第１ブロック２５１および第２ブロック２５２の射出面の形状と一致している。第３ブロック２５３の射出面は、光軸ＡＸ６に垂直な平面である。

この結果、光分離部材２５ａは、光軸ＡＸ６より＋Ｙ側に入射する光と、光軸ＡＸより－Ｙ側に入射する光とを、それぞれ異なる方向に屈折（偏向）させる。第１ブロック２５１および第２ブロック２５２と、第３ブロック２５３とは、相互に屈折率の異なる材料で形成することが好ましい。

複合分離部材２５は瞳面ＲＰ２に配置されているので、図３に示すとおり、光軸ＡＸ６より＋Ｙ側に入射する光は第１検出光ＤＬ１であり、光軸ＡＸ６より－Ｙ側に入射する光は第２検出光ＤＬ２である。そして、瞳面ＲＰ２において相互にＹ方向に微小角度偏向された光は、受光面２９ａ、２９ｂ上で相互にＹ方向にシフトした位置に形成される。

射出側の分光部材２５ｂは、２つの三角プリズムである第４ブロック２５４と第５ブロック２５５とを、その斜辺を対向させて配置したプリズムである。第４ブロック２５４の入射面は、第３ブロック２５３の射出面と一致し、第５ブロック２５５の射出面は光軸ＡＸ６に垂直な面と一致している。第４ブロック２５４と第５ブロック２５５の境界面は、Ｙ軸方向を含む面である。第４ブロック２５４と第５ブロック２５５とは、分散の異なる材質で形成されている。

このため、第４ブロック２５４と第５ブロック２５５との境界面において、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２に含まれる相互に異なる波長の光は、波長に応じて異なる角度で屈折する。その結果、分光部材２５ｂにより、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は分光され、各波長ごとに相互にＺ方向に微小角度偏向された検出光ＤＬ１ａ～ＤＬ１ｃとなって、分光部材２５ｂから射出される。
なお、分光部材２５ｂは、波長に応じて屈折力が異なる１つのプリズムで形成されていてもよい。

複合分離部材２５は瞳面ＲＰ２に配置されているので、複合分離部材２５により相互にＺ方向に微小角度偏向された光は、受光面２９ａ、２９ｂ上で相互にＺ方向にシフトした位置に形成される。
なお、図７では、煩雑さを避けるために、第２検出光ＤＬ２、および第２検出光ＤＬ２が分光された検出光ＤＬ２ａ～ＤＬ２ｃの図示を省略している。

図８は、受光面２９ａに形成される開口部ＳＬのＰ偏光成分の像を示す図である。図８において、受光面２９ａの面内方向のｘ３軸は、上述の入射面２３ａ内のｘ２軸と結像関係にある。すなわち、入射面２３ａのｘ２方向に沿った任意の領域は、受光面２９ａ内でｘ３方向に沿った領域に結像される。
なお、上述のとおり、入射面２３ａの面内方向であるｘ２軸は、被検面ＷＡ内のＸ軸と結像関係にある。従って、受光面２９ａの面内方向のｘ３軸は、被検面ＷＡ内のＸ軸とも結像関係にある。ｚ３軸は、Ｙ軸およびｘ３軸と直交する方向の軸である。
光路を直線上に展開して示している図２においては、受光面２９ａの面内方向のｘ３軸が、便宜的にＺ軸と一致するように記載されている点に留意されたい。

前側レンズ群２４および後側レンズ群２６からなるリレー光学系は、第２受光光学系と解釈してもよい。
入射面２３ａ内におけるｘ２方向を、第３方向と解釈してもよい。また、入射面２３ａ内におけるＹ方向を、第４方向と解釈してもよい。
瞳面ＲＰ２を第２瞳面と解釈してもよい。
受光面２９ａ内におけるｘ３方向を、第５方向と解釈してもよい。また、受光面２９ａ内におけるＹ方向を、第６方向と解釈してもよい。

複合分離部材２５による検出光の分離および偏向により、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２のそれぞれの異なる波長成分は受光面２９ａ上の異なる位置に導かれるため、受光面２９ａ上には、開口部ＳＬの複数の像（ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃおよびＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃ）が形成される。
受光面２９ａ上で、Ｙ方向に離れて形成される像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃと像ＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃとは、それぞれ、複合分離部材２５の光分離部材２５ａにより相互にＹ方向に微小角度だけ偏向された第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とにより形成された像である。第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、分光部材２５ｂにより、各波長ごとに相互にＹ方向と直交する方向に微小角度偏向された検出光ＤＬ１ａ～ＤＬ１ｃ、および検出光ＤＬ２ａ～ＤＬ２ｃに分光されている。従って、受光面２９ａ上に形成される開口部ＳＬの像も、波長に応じてｘ３方向に異なる位置に形成される。

像ＩＭ１ａは、第１検出光ＤＬ１のうちの第１波長の光による像であり、像ＩＭ１ｂは、第１検出光ＤＬ１のうちの第２波長の光による像であり、像ＩＭ１ｃは、第１検出光ＤＬ１のうちの第３波長の光による像である。
一方の、像ＩＭ２ａは、第２検出光ＤＬ２のうちの第１波長の光による像であり、像ＩＭ２ｂは、第２検出光ＤＬ２のうちの第２波長の光による像であり、像ＩＭ２ｃは、第２検出光ＤＬ２のうちの第３波長の光による像である。

なお、図８では、理解を容易にするために、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は異なる３波長の光を含み、従って、第１検出光ＤＬ１による像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃ、および第２検出光ＤＬ２による像ＩＭＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃは、それぞれ３つとしている。
しかし、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２に含まれる光の波長は、離散的な３波長に限られるわけではなく、離散的な４以上の異なる波長を含んでいてもよい。この場合には、第１検出光ＤＬ１による像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃ、および第２検出光ＤＬ２による像ＩＭＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃの数は４以上になる。
また、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２に含まれる光の波長は、離散的な複数の波長に限られるわけではなく、離散的或いは連続的な複数の波長帯域であってもよい。

受光面２９ａは、これらの像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃおよびＩＭＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃの光量を、それぞれ光電変換して出力する。一例として、受光面２９ａには、複数の分離した光電変換部であって、それぞれが各像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃ、ＩＭＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃのそれぞれを包含する光電変換部が設けられている。各光電変換部は、それぞれ像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃ、ＩＭＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃを受光し、その光量を光電変換して出力する。

光検出部２８ａとして、受光面２９ａに、微小な受光ピクセルが２次元的に配列された２次元撮像センサを使用してもよい。この場合には、例えば１つの像ＩＭ１ａは、複数の受光ピクセルにより受光される。この場合は、光検出部２８ａは、複数の受光ピクセルが受光した検出光の光量をそれぞれ光電変換した信号を、光電変換信号として出力する。

光検出部２８ａとして２次元撮像センサを使用すると、受光面２９ａのｘ３方向の分解能が向上するため、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２を、より高精度に分光して受光することができる。これにより、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２として、連続スペクトルを有する光を使用することができる。
受光面２９ａ、２９ｂにおける複数の像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃ、ＩＭＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃのそれぞれのｘ３方向の幅を、Ｙ方向の幅よりも狭くすることにより、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２を、さらに高精度に分光して受光することができる。

なお、光検出部２８ｂについても、上記の光検出部２８ａと同様の構成であるため、説明を省略する。
また、受光面２９ｂに形成される開口部ＳＬのＳ偏光成分の像についても、上述の受光面２９ａに形成される開口部ＳＬのＰ偏光成分の像と同様であるので、説明を省略する。

以下、第１実施形態の面位置検出装置１００における計測原理について、説明する。上述のとおり、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２の照射により、被検面ＷＡ上には、図５（ｂ）に示した光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２が形成される。第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２は、いずれも被検面ＷＡの法線ＮＶに対して－Ｘ方向に入射角θだけ傾いた方向から入射している。従って、被検面ＷＡが図１のＺ方向に上下すると、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２は、その分布形状を保ったまま、全体としてＸ方向にシフトする。被検面ＷＡが＋Ｚ方向に移動すれば、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２は－Ｘ方向にシフトする。

一方、図５（ｂ）に示した検出領域ＤＡは、検出領域ＤＡで反射した第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２が受光プリズム２３の入射面２３ａ上の開口部ＳＬを透過することを示す領域である。すなわち、検出領域ＤＡは、受光側第１レンズ２０および受光側第２レンズ２２等を介して開口部ＳＬと結像関係にある。しかし、受光側第１レンズ２０の光軸ＡＸ５が、被検面ＷＡの法線ＮＶに対して＋Ｘ方向に傾いていることから、被検面ＷＡが図１のＺ方向に上下すると、検出領域ＤＡの位置も被検面ＷＡ上でＸ方向にシフトする。被検面ＷＡが＋Ｚ方向に移動すれば、検出領域ＤＡは＋Ｘ方向にシフトする。すなわち、被検面ＷＡのＺ方向への移動に伴い、図５（ｂ）に示す光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２と、検出領域ＤＡとのＸ方向の位置関係が変化する。

受光面２９ａにおける第１検出光ＤＬ１による開口部ＳＬの各像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃの光量は、検出領域ＤＡ内の第１検出光ＤＬ１の光量の和に比例する。また、受光面２９ａにおける第２検出光ＤＬ２による開口部ＳＬの各像ＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃの光量は、検出領域ＤＡ内の第２検出光ＤＬ２の光量の和に比例する。従って、各像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃおよびＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃの光量は、被検面ＷＡのＺ方向の位置の変動に伴って変動する。
なお、従来の多くの面位置検出装置と異なり、被検面ＷＡのＺ方向の位置が変動しても、受光面２９ａにおける各像ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃおよびＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃの位置は変動しないことに留意されたい。

図９は、一例として、被検面ＷＡのＺ軸方向の位置（横軸）と、第１検出光ＤＬ１の第２波長成分による像ＩＭ１ｂの光電変換信号Ｓ１ｂおよび第２検出光ＤＬ２の第２波長成分による像ＩＭ２ｂの光電変換信号Ｓ２ｂとの関係を示す図である。上述のように、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２が、被検面ＷＡにおいて周期ＦＸと振幅が等しく位相が周期ＦＸの半分だけずれた正弦波関数の光量分布ＩＤＬ１およびＩＤＬ２を有している。このため、光電変換信号Ｓ１ｂと光電変換信号Ｓ２ｂとは、共に被検面ＷＡのＺ軸方向の位置に対して周期ＦＺと振幅Ａ１が等しく、位相が周期ＦＺの半分だけずれた以下の式（１）および式（２）で表される信号となる。

Ｓ１ｂ ＝ Ａ１＋Ａ１×ｃｏｓ｛２π（Ｚ－Ｚａ）／ＦＺ）｝・・・（１）
Ｓ２ｂ ＝ Ａ１－Ａ１×ｃｏｓ｛２π（Ｚ－Ｚａ）／ＦＺ）｝・・・（２）
Ｚａは、光電変換信号Ｓ１ｂを最大とし光電変換信号Ｓ２ｂを最小とする被検面ＷＡのＺ位置である。図９に示したＺｂは、Ｚａの＋Ｚ側のＺａに近接した位置にあって、光電変換信号Ｓ１ｂを最小とし光電変換信号Ｓ２ｂを最大とする被検面ＷＡのＺ位置である。

演算部ＰＵは、ＺａからＺｂの間の任意の位置にある被検面ＷＡのＺ位置Ｚｔを、光電変換信号Ｓ１ｂの値Ｓ１ｔと光電変換信号Ｓ２ｂの値Ｓ２ｔとから、式（３）および式（４）に基づく演算により算出する。
Ｚｔ ＝ Ｚａ＋ＦＺ×ｃｏｓ－１｛（Ｓ２ｔ－Ｓ１ｔ）／（２×Ａ１）｝／２π・・・（３）
Ａ１ ＝ （Ｓ２ｔ＋Ｓ１ｔ）／２・・・（４）
ｃｏｓ－１は、逆余弦関数である。

なお、検出領域ＤＡのＸ方向の幅Ｄｗｘを、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２のＸ方向の周期ＦＸの半分よりも短くすると、被検面ＷＡがＺ方向に変動した際の光電変換信号Ｓ１ｂおよび光電変換信号Ｓ２ｂの変動を大きくすることができる。この結果、検出精度を一層向上させることができる。

従来の面位置検出装置では、被検面に検出光を斜入射で照射してＸ方向に所定の幅を有する照射領域を形成し、照射領域のＸ方向の光量重心の位置を検出することで被検面のＺ位置を検出していた。従って、被検面の照射領域の内部にＸ方向の反射率の変化があると、その反射率変化によって照射領域の光量重心の位置が変化するため、検出誤差が生じていた。

例えば、集積回路の形成工程における半導体ウエハの場合、内部構造などに応じてその表面の位置に依存して反射率が異なる。従って、従来の面位置検出装置では、半導体ウエハ表面の面位置を正確に検出することが困難であった。

一方、第１実施形態の面位置検出装置では、検出される被検面ＷＡのＺ位置Ｚｔは、検出領域ＤＡ反射率の変化にほとんど影響されない。検出領域ＤＡの反射率が変化すると、光電変換信号Ｓ１ｂと光電変換信号Ｓ２ｂは検出領域ＤＡの反射率の変化に対してともに等しい比例係数で増減する。検出領域ＤＡ反射率の変化により、式（３）の中の（Ｓ２ｔ－Ｓ１ｔ）がα倍になっても、式（３）の中のＡ１、すなわち、式（４）の（Ｓ２ｔ＋Ｓ１ｔ）／２もα倍となるため、式（３）から求まるＺｔは変わらないためである。
すなわち、第１実施形態の面位置検出装置１００では、被検面ＷＡの反射率の変動を受けにくい、高精度な面位置検出装置を実現することができる。

なお、上記においては、被検面ＷＡ上に照射する第１検出光ＤＬ１の光量分布ＩＤＬ１および第２検出光ＤＬ２の光量分布ＩＤＬ２がＸに対する正弦波関数であるため、演算部ＰＵは逆余弦関数を含む式（３）に基づいて検出位置Ｚｔを算出した。

しかし、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２が正弦波関数でない別の関数である場合には、演算部ＰＵは、その別の関数の逆関数に基づいて、検出位置Ｚｔを算出してもよい。従って、被検面ＷＡ上に照射する第１検出光ＤＬ１の光量分布ＩＤＬ１および第２検出光ＤＬ２の光量分布ＩＤＬ２は、Ｘに対する正弦波関数には限定されず、他の関数であってもよい。

ただし、少なくとも検出領域ＤＡに対応する部分においては、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２は、滑らかであることが必要である。光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２が滑らかでないと、すなわち任意の位置で光量分布がＸ方向に微分可能でなく変化していると、光電変換信号Ｓ１ｂの値Ｓ１ｔと光電変換信号Ｓ２ｂの値Ｓ２ｔとから高精度に検出位置Ｚｔを算出することが困難となるためである。尚、滑らかとは、その関数がある区間内で連続する微分係数（導関数）をもつこと（すなわち、折れ曲がっていない）と定義してもよい。検出領域ＤＡに対応する部分において光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２が滑らかであるとは、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２をある関数でフィッティングしたとき、フィッティングした関数が検出領域ＤＡに対応する部分において連続する微分係数を持つとしてもよい。

なお、上記のように光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２が正弦波関数であると、演算部ＰＵは、一般的な逆余弦関数または逆正弦関数を用いて検出位置Ｚｔを算出することができるため、演算部ＰＵの構成を簡略化することができる。

なお、演算部ＰＵは、上述のように被検面ＷＡの面位置自体を算出するのではなく、被検面ＷＡの面位置を面位置検出装置１００内の内部座標等で表記した換算面位置を算出してもよい。以下では、被検面ＷＡの面位置および換算面位置を、合わせてまたは個々に被検面ＷＡの面位置情報とも呼ぶ。

演算部ＰＵは、式（４）に基づいて、光電変換信号Ｓ１ｂの値Ｓ１ｔと光電変換信号Ｓ２ｂの値Ｓ２ｔとの和から、振幅Ａ１を算出してもよい。この場合、さらに、被計測物Ｗの計測を行う前に、被検面ＷＡの反射率が既知である参照計測物に対する振幅Ａ１（以降、振幅Ａ０と呼ぶ）を算出しておくことが望ましい。これにより、演算部ＰＵは、振幅Ａ１と振幅Ａ０との比から、被計測物Ｗの被検面ＷＡの反射率を算出することができる。

以上では、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２の中の第２波長成分により形成される像ＩＭ１ｂおよびＩＭ２ｂの光電変換信号Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂに基づいて説明を行った。ただし、もちろん各波長成分における第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２が形成する像のペア（像ＩＭ１ａと像ＩＭ２ａのペア、像ＩＭ１ｂと像ＩＭ２ｂのペア、像ＩＭ１ｃと像ＩＭ２ｃのペア）のいずれを用いても、上述の方法で被検面ＷＡの位置情報の算出を行うことができる。また、各波長成分における第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２が形成する像のペアのそれぞれ用いて、被検面ＷＡの位置情報をそれぞれ算出してもよい。

上述の、集積回路の形成工程における半導体ウエハの場合などでは、内部構造などに応じて被検面ＷＡの反射率が検出光の波長により異なる場合がある。そこで、演算部ＰＵは、第１検出光ＤＬ１および第２検出光ＤＬ２の中の複数の波長成分による像のペアから、それぞれ被検面ＷＡの位置情報を算出して、算出された複数の位置情報を統計処理して、最終的な被検面ＷＡの位置情報を算出してもよい。なお、複数の波長成分による像のペアからそれぞれ算出した被検面ＷＡの複数の位置情報は、最終的な被検面ＷＡの位置情報と区別するために、位置情報要素と解釈してもよい。

また、光検出部２８ａで受光されるＰ偏光成分の像だけでなく、光検出部２８ｂで受光されるＳ偏光成分の開口部ＳＬの像についても、上記と同様の検出および演算を行うことにより、被検面ＷＡの複数の位置情報要素をそれぞれ算出することができる。

演算部ＰＵは、上記の統計処理として、複数の位置情報要素の平均値を算出してもよい。また、演算部ＰＵは、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分毎に、複数の波長成分による像のペアからその波長における被計測物Ｗの被検面ＷＡの反射率を算出し、偏光および波長ごとの位置情報要素と反射率とに基づいて、最終的な位置情報を算出してもよい。

演算部ＰＵは、算出した被検面ＷＡのＺ方向に関する位置情報を、不図示の干渉計またはエンコーダーにより計測されているステージＳＴのＺ位置の情報で補正しても良い。
また、不図示の制御部がステージＳＴを制御してＸ方向およびＹ方向に走査させつつ、被検面ＷＡのＺ方向の位置を検出することにより、Ｚ方向に関する位置情報を被検面ＷＡの全面に渡って取得してもよい。

（変形例１）
以上の第１実施形態においては、面位置検出装置１００は、被計測物Ｗの被検面ＷＡに垂直なＺ方向の位置を検出するものとしている。しかし、被検面ＷＡに垂直な方向の位置に限られるわけではなく、被検面ＷＡと交差する方向の位置を検出してもよい。

（変形例２）
第１実施形態においては、図６に示した、受光プリズム２３の入射面２３ａ上の開口部ＳＬの長手方向は、Ｙ方向と一致している。しかし、開口部ＳＬの長手方向は必ずしもＹ方向と一致している必要はなく、入射面２３ａの面内でＹ方向から所定角度ずれていても良く、図６においてｘ２方向、すなわち被検面ＷＡ上のＸ方向と結像関係にある方向と交差する方向であれば良い。この場合、被検面ＷＡ上の検出領域ＤＡ、受光面２９ａ、２９ｂ上に形成される開口部ＳＬの各像（ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃおよびＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃ等）も、その長手方向がＹ方向から所定角度ずれたものとなる。これに対応するためには、受光面２９ａ、２９ｂ内の各光電変換部の形状を、各像（ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃおよびＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃ等）を包含する形状とするとともに、回折格子１４ａを構成する上述の略矩形のパターンの長手方向をＹ方向から所定角度ずらすと良い。

第１実施形態の面位置検出装置１００においては、被検面ＷＡ上の第１検出光ＤＬ１の光量分布ＩＤＬ１および第２検出光ＤＬ２の光量分布ＩＤＬ２は、共にＹ方向の所定の範囲内で一定であるとした。しかし、上述のように、検出領域ＤＡの長手方向がＹ方向から所定角度ずれている場合には、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２は、共にＹ方向から所定角度ずれた方向の所定の範囲内で一定であることが好ましい。

なお、上記の検出原理から理解されるように、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２は、必ずしもＹ方向またはＹ方向から所定角度回転した方向で一定である必要はない。すなわち、検出領域ＤＡのＹ方向またはＹ方向から所定角度回転した方向の幅Ｄｗｙの光量分布の和が、Ｘ方向の各位置において一定であれば良い。
ただし、光量分布ＩＤＬ１および光量分布ＩＤＬ２を、共にＹ方向またはＹ方向から所定角度回転した方向の所定の範囲内で一定とすることにより、被検面ＷＡの反射率がＹ方向に大きく変動する場合であっても反射率の変動の影響を受けにくくなる。この結果、さらに高精度な面位置の検出を行うことができる。

（変形例３）
第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とは、必ずしも等しい入射角θで被検面ＷＡに入射しなくてもよい。例えば、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２の入射角が多少異なっていても良い。この場合には、それぞれに含まれる＋１次回折光ＤＰと－１次回折光ＤＭの入射角の差を調整するプリズム等の光学部材を追加することにより、被検面ＷＡ上の第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２の光量分布のＸ方向の周期ＦＸを一致させることができる。
ただし、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２の入射角を等しくすることで、そのような光学部材の追加が不要になり、光学系を簡素化できるというメリットがある。

（変形例４）
被検面ＷＡの照射領域ＩＡにおける、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２との光量の和は、必ずしもＸ方向に沿って一定でなくても良い。上述のとおり、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とは、光検出部２８ａ、２８ｂの受光面２９ａ、２９ｂの異なる位置で受光される。このため、光検出部２８ａ、２８ｂにおいて、容易に第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とに対する光電変換の感度を別々に設定してもよい。

従って、例えば、第１検出光ＤＬ１による光量分布ＩＤＬ１と第２検出光ＤＬ２による光量分布ＩＤＬ２が異なっていても、光検出部２８ａ、２８ｂの光電変換の感度を調整することで、等しい振幅の光電変換信号Ｓ１ａおよびＳ１ｂを得ることができるためである。
ただし、被検面ＷＡの照射領域ＩＡにおける、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２との光量の和を一定とすることで、光検出部２８ａ、２８ｂや演算部ＰＵによる感度の調整を省略することができ、面位置検出装置１００の構成を簡素化できる。

（変形例５）
第１実施形態の面位置検出装置１００においては、受光プリズム２３の入射面２３ａに遮光部ＯＦと開口部ＳＬが形成され、開口部ＳＬが被検面ＷＡ上の検出領域ＤＡを規定するものとしている。しかし、被検面ＷＡと開口部ＳＬと受光面２９ａ、２９ｂは結像関係（共役）にあるので、遮光部ＯＦを設ける代わりに受光面２９ａ、２９ｂ内の受光領域（光電変換を行う領域）を限定してもよい。すなわち、各受光領域のｘ３方向の幅を、Ｙ方向の幅よりも狭く設定してもよい。あるいは、光検出部２８ａとして２次元撮像センサを使用する場合には、遮光部ＯＦを設ける代わりに、演算部ＰＵが開口部ＳＬに相当する受光ピクセルからの光電変換信号のみを用いて被検面ＷＡの面位置の算出を行えばよい。すなわち、演算部ＰＵは、２次元撮像センサのうち、ｘ３方向の幅がＹ方向の幅よりも狭い範囲内の受光ピクセルからの光電変換信号を用いて、被検面ＷＡの面位置を算出してもよい。尚、このときには、複合分離部材２５を省略してもよい。或いは、光源１０からの検出光を単色光としてもよい。

（変形例６）
第１実施形態の面位置検出装置１００においては、送光部に検出光分割部材１６を配置したが、第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２を分割する部材は、送光部の瞳面ＴＰに配置される検出光分割部材１６に限られるわけではない。
例えば、検出光分割部材１６を用いることなく、被検面ＷＡ上において第１検出光ＤＬ１と第２検出光ＤＬ２とが重畳して形成されるように、光学系を構成しても良い。
また、検出光分割部材１６は、上述の複数のプリズムにより構成されるものに限らず、例えば、平行でない複数の反射面から成る分割ミラーを用いてもよい。

（第２実施形態の面位置検出装置）
次に、第２実施形態の面位置検出装置１００ａについて説明する。ただし、第２実施形態の面位置検出装置１００ａは、その大部分が上述の第１実施形態の面位置検出装置１００と共通するので、以下、相違点のみを説明し、共通点については説明を省略する。
第２実施形態の面位置検出装置１００ａでは、図４（ａ）に示した第１実施形態での検出光分割部材１６に代えて、図１０（ａ）に示す検出光分割部材１６１を使用する。

図１０（ａ）は検出光分割部材１６１を示す斜視図であり、図１０（ｂ）は検出光分割部材１６１を送光側第１レンズ１７側から見た図である。図１０の光軸ＡＸ２およびＹ軸は、図４の光軸ＡＸ２およびＹ軸と同一である。検出光分割部材１６１は、光軸ＡＸ２方向の厚さがｚ１の位置により変化するプリズム１６ｅと、プリズム１６ｅからから光軸ＡＸ２方向に光路の下流側に離れた位置に、相互にＹ方向に接して配置されている３つのプリズム１６ｆ～１６ｈを有している。

３つのプリズム１６ｆ～１６ｈは、相互にＹ方向に接して配置されているとともに、それらの境界はｚ１方向に平行であり、それらの光軸ＡＸ２方向の厚さはｚ１の位置に応じてそれぞれ異なって変化している。
その結果、検出光分割部材１６１は、瞳面ＴＰにおいて検出光をＹ方向に第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、第３検出光ＤＬ３０の３つの検出光に分割する。そして、検出光分割部材１６１は、第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、および第３検出光ＤＬ３０の進行方向をｚ１方向に微小角だけ偏向させる。

図１１（ａ）は、第２実施形態の面位置検出装置１００ａにおける、被検面ＷＡ上の第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、および第３検出光ＤＬ３０の光量分布ＩＤＬ１０、ＩＤＬ２０、ＩＤＬ３０を表す図である。
検出光分割部材１６１による第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、および第３検出光ＤＬ３０の偏向量を適切に設定することにより、光量分布ＩＤＬ１０、ＩＤＬ２０、およびＩＤＬ３０は、相互にそれらの強度変調の周期ＦＸ２の１／３ずつずれた光量分布となっている。

検出光分割部材１６１が、送光部の瞳面ＴＰにおいて検出光をＹ方向に第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、第３検出光ＤＬ３０の３つの検出光に分割している。従って、第２実施形態の面位置検出装置１００ａにおいては、受光部の瞳面ＲＰ２に配置する複合分離部材２５の光分離部材２５ａにおいても、検出光を瞳面ＲＰ２のＹ方向に３分割する。具体的には、図７（ｂ）に示した光分離部材２５ａの第１ブロック２５１と第２ブロック２５２の間に、入射面および射出面の双方が光軸ＡＸ６に垂直である新たなブロックを追加すればよい。そして、第３ブロック２５３の入射側の面の形状を、第１ブロック２５１、第２ブロック２５２、および新たなブロックの射出側の面の形状と一致させればよい。

この結果、受光面２９ａ、２９ｂ上には、開口部ＳＬの第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、および第３検出光ＤＬ３０による像が、Ｙ方向に分離してそれぞれ形成される。
図１１（ｂ）は、一例として、被検面ＷＡのＺ軸方向の位置（横軸）と、第１検出光ＤＬ１０の第２波長成分による像ＩＭ１０ｂの光電変換信号Ｓ１０ｂ、第２検出光ＤＬ２０の第２波長成分による像ＩＭ２０ｂの光電変換信号Ｓ２０ｂ、および第３検出光ＤＬ３０の第２波長成分による像ＩＭ３０ｂの光電変換信号Ｓ３０ｂとの関係を示す図である。
光電変換信号Ｓ１０ｂ、光電変換信号Ｓ２０ｂ、および光電変換信号Ｓ３０ｂは、共に被検面ＷＡのＺ軸方向の位置に対して周期ＦＺと振幅Ａ２が等しく、位相が周期ＦＺの１／３だけずれた以下の式（５）から式（７）で表される信号となる。

Ｓ１０ｂ ＝ Ａ２＋Ａ２×ｃｏｓ｛２π（Ｚ－Ｚｃ）／ＦＺ２）｝・・・（５）
Ｓ２０ｂ ＝ Ａ２＋Ａ２×ｃｏｓ｛２π（Ｚ－Ｚｃ）／ＦＺ２）－２π／３｝・・・（６）
Ｓ３０ｂ ＝ Ａ２＋Ａ２×ｃｏｓ｛２π（Ｚ－Ｚｃ）／ＦＺ２）－４π／３｝・・・（７）
Ｚｃは、光電変換信号Ｓ１０ｂを最大とする被検面ＷＡのＺ位置である。図１１（ｂ）に示したＺｄは、Ｚｃの＋Ｚ側に周期ＦＺ２だけ離れた位置である。

演算部ＰＵは、ＺａからＺｂの間の任意の位置にある被検面ＷＡのＺ位置Ｚｕの候補（Ｚｕ１～Ｚｕ３）を、光電変換信号Ｓ１０ｂの値Ｓ１０ｕと光電変換信号Ｓ２０ｂの値Ｓ２０ｕと光電変換信号Ｓ３０ｂの値Ｓ２０ｕから、式（８）～式（１１）に基づく演算により算出する。
Ｚｕ１ ＝ ＦＺ２×［ｃｏｓ－１｛（Ｓ１０ｕ－Ａ２）／Ａ２｝］／２π ＋ Ｚｃ・・・（８）
Ｚｕ２ ＝ ＦＺ２×［ｃｏｓ－１｛（Ｓ２０ｕ－Ａ２）／Ａ２｝＋２π／３］／２π＋ Ｚｃ・・・（９）
Ｚｕ３ ＝ ＦＺ２×［ｃｏｓ－１｛（Ｓ２０ｕ－Ａ２）／Ａ２｝＋４π／３］／２π＋ Ｚｃ・・・（１０）
Ａ２ ＝ （Ｓ１０ｕ＋Ｓ２０ｕ＋Ｓ３０ｕ）／３・・・（１１）

逆余弦関数の性質から、Ｚ位置Ｚｕの候補Ｚｕ１～Ｚｕ３は、ＺｃからＺｄの範囲でそれぞれ２値ずつ求まるが、演算部ＰＵは、それらのうち値が概ね一致する値を採用し、かつ式（１２）の平均処理を行うことで、被検面ＷＡのＺ位置Ｚｕを算出する。
Ｚｕ ＝ （Ｚｕ１＋Ｚｕ２＋Ｚｕ３）／３・・・（１２）
第２実施形態においても、検出領域ＤＡのＸ方向の幅Ｄｗｘを、光量分布ＩＤＬ１０から光量分布ＩＤＬ３０のＸ方向の周期ＦＸ２の半分よりも短くすると、被検面ＷＡがＺ方向に変動した際の光電変換信号Ｓ１０ｂから光電変換信号Ｓ３０ｂの変動を大きくすることができる。この結果、検出精度を一層向上させることができる。

第２実施形態においては、被検面ＷＡ上に強度変調の周期ＦＸ２の１／３ずつ位相の異なる光量分布ＩＤＬ１０、ＩＤＬ２０、およびＩＤＬ３０を形成しているため、光電変換信号Ｓ１０ｂ～Ｓ３０ｂも、被検面ＷＡのＺ位置に対して、いわゆる３相の信号として変化する。このため、第１実施形態に比べて広いＺの範囲（ＺｃからＺｄ）において、被検面ＷＡの位置を検出することができる。

以上では、第１検出光ＤＬ１０から第３検出光ＤＬ０の中の第２波長成分の光電変換信号Ｓ１０ｂ、Ｓ２０ｂ、Ｓ３０ｂを用いて説明を行ったが、第１実施形態と同様に各検出光ＤＬ１０～ＤＬ３０の各波長成分の光電変換信号を用いて、被検面ＷＡの位置を算出することができる。

また、光検出部２８ａで受光されるＰ偏光成分の像だけでなく、光検出部２８ｂで受光されるＳ偏光成分の開口部ＳＬの像についても、上記と同様の検出および演算を行うことにより、被検面ＷＡの複数の位置情報要素をそれぞれ算出することができる。算出された複数の位置情報要素から最終的な被検面ＷＡの位置情報を算出する方法は、上述の第１実施形態での方法と同様である。
なお、上述の第１実施形態の各変形例において説明した構成性は、適宜必要な変更を加えた上で第２実施形態の面位置検出装置にも適用してもよい。

（第１実施形態、第２実施形態および各変形例の効果）（１）以上の第１実施形態、第２実施形態および各変形例の面位置検出装置１００、１００ａは、被検面ＷＡと交差する軸（Ｚ軸）に沿った被検面ＷＡの位置情報を求める面位置検出装置１００において、被検面ＷＡにおいて被検面ＷＡ内の第１方向（Ｘ方向）に滑らかに強度変調される複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）を、第１方向に方向成分を有する方向から斜入射で被検面ＷＡに重畳して照射して被検面ＷＡ上に照射領域ＩＡを形成する送光部ＴＳと、受光面２９ａ、２９ｂが被検面ＷＡと光学的に共役な位置に配置された光検出部２８ａ、２８ｂを有し、照射領域ＩＡのうち第１方向の幅Ｄｗｘが所定値である検出領域ＤＡで反射された複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）を、受光面２９ａ、２９ｂのそれぞれ異なる位置で受光し、複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）の光電変換信号をそれぞれ出力する受光部ＲＳと、受光部ＲＳから出力された複数の検出光の光電変換信号に基づいて、被検面ＷＡの位置情報を算出する演算部ＰＵと、を備える。
この構成により、被検面ＷＡの反射率の変動を受けにくい、高精度な面位置検出装置１００を実現することができる。

（２）複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）のそれぞれについて、照射領域ＩＡにおいて第１方向（Ｘ方向）と交差する第２方向での光強度を一定とすることにより、被検面ＷＡの反射率が第１方向と交差する方向に大きく変動する場合であっても反射率の変動の影響を受けにくくなる。この結果、さらに高精度な面位置の検出を行うことができる。（３）被検面ＷＡ上の検出領域ＤＡにおける、複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）の光量の和を、第１方向（Ｘ方向）に沿って一定とすることで、光検出部２８ａ、２８ｂにより受光され光電変換された複数の検出光の光電変換信号（Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂ等）の和から、容易に検出領域ＤＡの反射率を算出することができる。そして、算出された反射率を検出領域ＤＡの面位置の算出に反映させることで、一層高精度な面位置の検出を行うことができる。

（４）被検面ＷＡにおいて、複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）を、それぞれ同一の周期ＦＸ、かつ同一の振幅の正弦波関数で第１方向（Ｘ方向）に強度変調されており、正弦波関数の第１方向における位相が相互に異なるものとすることで、演算部ＰＵの構成を簡略化することができる。（５）複数の検出光は、正弦波関数の位相が相互に周期ＦＸ２の１／３ずつ異なっている第１検出光ＤＬ１０、第２検出光ＤＬ２０、および第３検出光ＤＬ３０とを含む構成とすることで、計測方向（Ｚ方向）のより広範な範囲に渡って、被検面ＷＡ上の位置を検出することができる。

（６）検出領域ＤＡの第１方向（Ｘ方向）の幅Ｄｗｘを、正弦波関数の周期ＦＸの半分よりも短くすることで、被検面ＷＡがＺ方向に変動した際の光電変換信号Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂ等の変動を大きくすることができる。この結果、検出精度を一層向上させることができる。（７）送光部ＴＳが被検面ＷＡに照射する複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）は、それぞれ複数の異なる波長を含み、受光部ＲＳは複数の検出光のそれぞれを波長に応じて分光して受光面２９ａ、２９ｂ上の異なる位置に導く分光部材２５ｂを備える構成とすることができる。さらに、光検出部２８ａ、２８ｂは、複数の検出光（ＤＬ１、ＤＬ２等）のそれぞれについて、それぞれ異なる位置に入射した複数の異なる波長毎の光電変換信号（Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂ等）を出力し、演算部ＰＵは、複数の異なる波長毎の複数の検出光の光電変換信号（Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂ等）に基づいて、被検面ＷＡの位置情報を算出する構成とすることもできる。この場合、複数の異なる波長の検出光により被検面ＷＡの位置を検出するため、さらに高精度に被検面ＷＡの位置を検出できる。
尚、第１及び第２実施形態の面位置検出装置において、被検面ＷＡの位置情報を求めなくてもよい。一例として、第１及び第２実施形態の面位置検出装置は、被検面ＷＡの位置情報を求めずに被検面ＷＡの分光反射率分布を計測してもよい。

（第３実施形態の露光装置）
図１２は、第３実施形態の露光装置２００の概略を示す図である。第３実施形態の露光装置２００は、半導体ウエハまたは表示デバイス用の基板（以下、合わせて「基板」と呼ぶ）ＷＦの表面上に形成されたフォトレジスト（レジスト）ＰＲに、露光パターンを露光転写するための露光装置である。露光装置２００は、上述の第１実施形態または第２実施形態の面位置検出装置１００、１００ａを備えている。面位置検出装置１００、１００ａは、基板ＷＦを上述の被計測物Ｗとして扱い、基板ＷＦの表面に形成されたフォトレジストの表面を上述の被検面ＷＡとして扱う。
図１２のＸＹＺ軸の方向は、投影光学系５７の光軸ＡＸＰと平行な方向をＺ軸方向としている。

露光装置２００に搬入された基板ＷＦは、定盤６１上で可動な基板ステージ５９上に載置され、基板ステージ５９の移動により面位置検出装置１００の下方に配置される。制御装置７０は、制御信号Ｓ５を送り基板ステージ５９をＸＹ面内で移動させつつ、面位置検出装置１００に基板ＷＦの表面の複数箇所のＺ方向の位置情報を検出させる。このとき、基板ＷＦを載置する基板ステージ５９のＺ方向の位置情報は、基準ミラー６０ａ、６０ｂの位置を介して、面位置検出装置１００と一体的に保持されている干渉計６３ａ、６４ｂにより計測されている。また、基板ステージ５９のＸＹ方向の位置は、基準ミラー６０ｂの位置を介して、干渉計６２により計測されている。干渉計６３ａ、６４ｂは、第１計測部と解釈してもよい。

面位置検出装置１００により検出された基板ＷＦの表面のＺ方向位置に関する情報、および基板ステージ５９のＺ方向の位置情報は、信号Ｓ２として制御装置７０に伝達される。基板ステージ５９のＸＹ方向の位置情報は、信号Ｓ３として制御装置７０に伝達される。信号Ｓ２および信号Ｓ３に基づいて、制御装置７０内には、基板ＷＦの表面のＸＹ位置に対するＺ方向の位置情報を表すマップデータが作成される。

続いて、制御装置７０は、基板ＷＦが投影光学系５７の下に配置されるように、基板ステージ５９をＸＹ面内で移動させ、基板ＷＦの表面に形成されているレジストＰＲへの露光を行う。露光は、いわゆるステップ露光であっても良く、スキャン露光であっても良い。露光に際し、制御装置７０は基板ＷＦの表面のＸＹ位置に対するＺ方向の位置情報を表すマップデータに基づいて、基板ステージ５９を制御する。すなわち、制御装置７０は基板ステージ５９に制御信号Ｓ４を送り、基板ステージ５９をＸＹ方向へ移動させるとともに、投影光学系５７の露光視野内の基板ＷＦの表面が投影光学系５７の像面に一致するように、基板ステージ５９をＺ方向に駆動する。必要に応じて、制御装置７０は基板ステージ５９を、Ｙ軸方向およびＸ軸方向を回転中心として微小回転（レベリング）させる。

露光中の基板ステージ５９のＺ方向の位置は、基準ミラー６０ａ、６０ｂの位置を介して、投影光学系５７と一体的に保持されている干渉計５８ａ、５８ｂにより計測され、信号Ｓ１として制御装置７０に伝達される。露光中の基板ステージ５９のＸＹ方向の位置は、基準ミラー６０ｂの位置を介して、干渉計６２により計測され、信号Ｓ３として制御装置７０に伝達される。干渉計５８ａ、５８ｂは、第２計測部と解釈してもよい。

制御装置７０は、上述の基板ＷＦの表面のＸＹ位置に対するＺ方向の位置情報を表すマップデータ、信号Ｓ１、および信号Ｓ３に基づいて、露光中の基板ステージ５９を制御する。
上述の露光動作においては、マスク５２上に描画されている原版（マスクパターン）に露光光源５０からの照明光が、照明光学系５１を介して照射される。その結果、原版の像が投影光学系５７を介して基板ＷＦ上のレジストＰＲに投影され、レジストＰＲに露光パターンが露光される。

露光動作がスキャン露光の場合には、露光動作中に、マスク５２と基板ＷＦは同期して投影光学系５７に対して相対走査する。この走査のために、マスク５２はマスクステージ５３上に載置され、マスクステージ５３はマスク定盤５４上をＸ方向に移動可能となっている。マスクステージ５３の位置は、マスク基準ミラー５５の位置を介して、マスク干渉計５６により計測される。
露光動作がステップ露光の場合には、１ショットの露光中には基板ステージ５９は静止され、各ショットの間に基板ステージ５９はＸ方向またはＹ方向に所定距離だけ移動する。

投影光学系５７は、投影光学系５７と基板ＷＦの間に液体が配置される、いわゆる液浸用の光学系であっても良い。または、露光装置２００は、光または紫外線により露光を行う装置に限らず、電子線またはＸ線により露光を行う装置であっても良い。
干渉計５８ａ、５８ｂ、６３ａ、６３ｂ、６２は、いずれも干渉計に限らず、位置計測用のエンコーダーであってもよい。

（第３実施形態の露光装置の効果）（８）第３実施形態の露光装置２００は、レジストＰＲが形成された基板ＷＦの表面のＺ方向の位置を検出する装置として、第１実施形態または第２実施形態の面位置検出装置１００を備えている。この構成により、基板ＷＦの表面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、基板ＷＦの表面の面位置を高精度に計測することができる。その結果、第３実施形態の露光装置では、投影光学系５７に対してレジストＰＲが形成された基板ＷＦの表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。

（第４実施形態の基板処理システム）
図１３は、第４実施形態の基板処理システム３００を含む、基板処理ラインの概略を示す図である。基板処理システム３００は、上述の第１実施形態、第２実施形態または各変形例の面位置検出装置１００、１００ａと、上述の第２実施形態の露光装置２００と、データ保持装置１１０とを備えている。

基板処理システム３００においては、コーターデベロッパ（トラックシステム）１０４により表面にレジストＰＲが形成された基板ＷＦが、搬送機構１０１により面位置検出装置１００に搬送される。面位置検出装置１００は内部に基板ＷＦを載置するステージＳＴを有しており、ステージＳＴが基板ＷＦをその表面内の方向に移動することにより、基板ＷＦの前面に渡って基板ＷＦの表面の位置情報を検出する。面位置検出装置１００は、さらに基板ＷＦの表面の反射率を計測しても良い。また、面位置検出装置１００は、基板ＷＦの表面の位置情報や反射率を、検出波長ごとに複数計測しても良い。
面位置検出装置１００が計測した基板ＷＦの表面の位置情報、あるいはさらに反射率の情報は、データ保持装置１１０に送信され、一時的に保管される。

面位置検出装置１００により表面位置の検出された基板ＷＦは、搬送機構１０２により露光装置２００に搬送される。データ保持装置１１０に保管されていた基板ＷＦの表面の位置情報あるいはさらに反射率の情報も、露光装置２００に送信される。露光装置２００においては、面位置検出装置１００が計測した基板ＷＦの表面の位置情報あるいはさらに反射率の情報を用いて基板ＷＦの表面の位置を検出する。そして、露光装置２００は、基板ステージ５９を動作して、基板ＷＦの表面を投影光学系５７の像面に一致させて、基板ＷＦの表面のレジストＰＲに露光パターンを露光する。

なお、第４実施形態の基板処理システム３００においては、基板ＷＦの表面の位置情報あるいはさらに反射率の正確な情報は、面位置検出装置１００において既に計測されている。従って、露光装置２００内の面位置検出装置１００を省略し、これに代えて従来の面位置検出装置を用いても良い。

露光装置２００により露光された基板ＷＦは、搬送機構１０３によりコーターデベロッパ１０４に搬送され、コーターデベロッパ１０４により基板ＷＦ上のレジストＰＲが現像される。その後、基板ＷＦは、搬送機構１０５により加工装置１０６に搬送される。現像されたレジストＰＲをマスクとして、すなわちレジストＰＲに形成されたレジストパターンＰＲに基づいて、基板ＷＦの表面、または基板ＷＦの表面に形成されている膜が、加工装置１０６により加工（エッチング、イオン注入等）される。従って、基板処理システム３００は、基板ＷＦ上のレジストＰＲに露光した露光パターンに基づいて回路パターンを形成し、デバイスを製造することができる。

以上の第４実施形態の基板処理システム３００においては、面位置検出装置１００が計測した基板ＷＦの表面の位置情報あるいはさらに反射率の情報を一時的に保管するデータ保持装置１１０を備えるものとしたが、これに限るものではない。データ保持装置１１０は、面位置検出装置１００に内蔵されていても良く、露光装置２００に内蔵されていても良い。あるいは、データ保持装置１１０は、面位置検出装置１００および露光装置２００が設置される半導体工場等のデバイス工場を管理し、ネットワークにより面位置検出装置１００および露光装置２００に接続されているコンピュータや記憶装置に含まれていても良い。

（第４実施形態の基板処理システムの効果）（９）第４実施形態の基板処理システムは、基板ＷＦを処理対象とする基板処理システム３００であって、基板ＷＦを載置する第１ステージＳＴ、および基板ＷＦの表面における複数箇所の、表面と交差する方向（Ｚ方向）における位置を計測する、上述の第１実施形態、第２実施形態または変形例の面位置検出装置１００、１００ａを有する計測装置と、計測装置による計測が終了した基板ＷＦを載置する第２ステージ５９を備え、前記第２ステージ５９に載置された基板ＷＦを露光する露光装置２００とを備えている。そして、露光装置２００は、計測装置１００、１００ａによる計測結果を少なくとも用いて、基板ＷＦの表面と交差する方向における位置を変更しつつ露光を行う。
この構成により、基板ＷＦの表面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、投影光学系５７に対して基板ＷＦのレジストＰＲが形成された表面を高精度に位置合わせすることができる。これにより、基板ＷＦ上に良好な露光パターンを形成することができる。

（第５実施形態のデバイス製造方法）
第５実施形態のデバイス製造方法について、図１４を用いて説明する。第５実施形態のデバイス製造方法は、上述の第３実施形態の露光装置２００、または第４実施形態の基板処理システム３００を用いて、デバイスを製造する方法である。従って、第３実施形態の露光装置２００、および第４実施形態の基板処理システム３００の動作の詳細については、上述の記載を参照されたい。

ステップＳ１００において、基板ＷＦ（半導体ウエハまたは表示デバイス用の基板）の表面に、誘電体、金属、または半導体から成る膜を形成する。次に、ステップＳ１０１において、ステップＳ１００で形成した膜の上に、フォトレジスト（レジスト）ＰＲを形成する。そして、ステップＳ１０２において、上述の第３実施形態の露光装置２００、または第４実施形態の基板処理システム３００の中に含まれる面位置検出装置１００を使用して、基板ＷＦの表面に形成されたレジストＰＲの表面の位置を検出する。

次に、ステップＳ１０３において、露光装置２００により、ステップＳ１０２で面位置検出装置１００が検出したレジストＰＲの表面の位置を使用して、基板ＷＦ上のレジストＰＲに露光パターンを露光する。そして、ステップＳ１０４において、露光パターンが露光されたレジストＰＲを現像し、レジストパターンを形成する。その後、ステップＳ１０５において、レジストパターンをマスクとして、基板ＷＦ上に形成されている膜または基板ＷＦの表面に対して、エッチングまたはイオン注入等の加工を行う。

以上のステップＳ１００からステップＳ１０５により、基板ＷＦ上に、デバイスを構成する１層の回路パターンが形成される。
従って、ステップＳ１０５の終了後に、次工程に移行し、再びステップＳ１００からステップＳ１０５を繰り返して実行することにより、多数の層からなるデバイス（半導体集積回路、表示デバイス等）を製造することができる。

（第５実施形態のデバイス製造方法の効果）（１０）上述のデバイス製造方法は、１つの観点からは、基板ＷＦの表面上にレジストＰＲを形成すること、上述の第３実施形態の露光装置２００を用いて、基板ＷＦの表面に形成されたレジストＰＲの表面の位置を検出し、レジストＰＲの表面を投影光学系５７の光軸（ＡＸＰ）方向の所定の位置に設定して露光パターンを露光すること、レジストＰＲを現像すること、現像により形成されたレジストパターンＰＲに基づいて、基板ＷＦの表面を加工すること、とを含む。
この構成により、基板ＷＦの表面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、投影光学系５７に対して基板ＷＦのレジストＰＲが形成された表面を高精度に位置合わせすることができる。これにより、基板ＷＦ上に良好な露光パターンを形成することができ、ひいては、高性能なデバイスを製造することができる。

（１１）上述のデバイス製造方法は、別の１つの観点からは、基板ＷＦの表面上にレジストＰＲを形成すること、第４実施形態の基板処理システム３００を用いて、基板ＷＦの表面に形成されたレジストＰＲの表面における複数箇所の、表面と交差する方向の位置を検出することを含む。そして、検出した複数箇所の位置に基づいてレジストＰＲの表面の、表面と交差する方向の位置を変更しつつ露光パターンを露光すること、露光パターンに基づいて、回路パターンを形成すること、とを含む。
この構成により、基板ＷＦの表面での反射率分布に起因する計測誤差を小さく抑えて、投影光学系５７に対して基板ＷＦのレジストＰＲが形成された表面を高精度に位置合わせすることができる。これにより、基板ＷＦ上に良好な露光パターンを形成することができ、ひいては、高性能なデバイスを製造することができる。

本発明は以上の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。本実施形態は、上記した態様の全て又は一部を組み合わせてもよい。

１００，１００ａ：面位置検出装置、２００：露光装置、３００：基板処理システム、ＴＳ：送光部、ＲＳ：受光部、ＰＵ：演算部、Ｗ：被計測物、ＷＡ：被検面、１４：回折格子板、１７：送光側第１レンズ、１５：送光側第２レンズ、１８，１９：ミラー、ＴＰ：瞳面、ＲＰ１：瞳面、ＲＰ２：瞳面、ＡＸ１～ＡＸ６：光軸、２０：受光側第１レンズ、２２：受光側第２レンズ、２３：受光プリズム、２４：前側レンズ群、２６：後側レンズ群、２７：偏光分離プリズム、２８ａ，２８ｂ：光検出部、２９ａ，２９ｂ：受光面、ＳＴ：ステージＳＴ、１２：光導入部１２、１３：コンデンサーレンズ、１６：検出光分割部材、２５：複合分離部材、２５ａ：光分離部材２５ａ、２５ｂ分光部材、ＩＡ：照射領域、ＤＡ：検出領域、ＤＰ：＋１次回折光、ＤＭ：－１次回折光、ＤＬ１，ＤＬ１０：第１検出光、ＤＬ２，ＤＬ２０：第２検出光、ＳＬ：開口部、ＩＭ１ａ～ＩＭ１ｃ，ＩＭ２ａ～ＩＭ２ｃ：像、Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ：光電変換信号

Claims (23)

1. 被検面と交差する軸に沿った前記被検面の位置情報を求める面位置検出装置において、
   光源からの光のうち第１検出光と第２検出光とを互いに異なる方向から前記被検面に投射する第１光学系と、
   前記被検面で反射された前記第１及び第２検出光を受光する受光面を備える第２光学系と
   を備え、
   前記第１検出光によって前記被検面上に形成される第１光パターンの強度分布と、前記第２検出光によって前記被検面上に形成される第２光パターンの強度分布とは互いに異なる
   面位置検出装置。
2. 請求項１に記載の面位置検出装置において、
   前記第１光パターンの光強度は、前記被検面上の強度変化方向において変化しており、
   前記第２光パターンの光強度は、前記被検面上の前記強度変化方向において変化している、面位置検出装置。
3. 請求項２に記載の面位置検出装置において、
   前記第１光パターンの光強度は、前記被検面上の前記強度変化方向と交差する方向において一定であり、
   前記第２光パターンの光強度は、前記被検面上の前記強度変化方向と交差する方向において一定である、面位置検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の面位置検出装置において、
   前記被検面上の１点における前記第１光パターンの光強度と、前記１点における前記第２光パターンの光強度とは互いに異なる、面位置検出装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の面位置検出装置において、
   前記第１検出光は、互いに異なる方向から前記被検面に入射する複数の光を含み、
   前記第１検出光の前記複数の光は、前記第１光パターンとして第１干渉縞を形成する、面位置検出装置。
6. 請求項５に記載の面位置検出装置において、
   前記第２検出光は、互いに異なる方向から前記被検面に入射する複数の光を含み、
   前記第２検出光の前記複数の光は、前記第２光パターンとして第２干渉縞を形成する、面位置検出装置。
7. 請求項６に記載の面位置検出装置において、
   前記被検面上における前記第１干渉縞と前記第２干渉縞との位相は互いに異なる、面位置検出装置。
8. 請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載の面位置検出装置において、
   前記第１光学系は、前記光源からの光を分岐して前記第１検出光の複数の光を生成する光分岐部材を含む、面位置検出装置。
9. 請求項８に記載の面位置検出装置において、
   前記光分岐部材は、前記光源からの光を分岐して前記第２検出光の複数の光を生成する、面位置検出装置。
10. 請求項８又は９に記載の面位置検出装置において、
    前記光分岐部材は、光源からの光を回折する、面位置検出装置。
11. 請求項８から請求項１０までのいずれか一項に記載の面位置検出装置において、
    前記第１光学系は、前記光分岐部材からの光を分割して前記第１検出光と前記第２検出光とを生成する光分割部材を含む、面位置検出装置。
12. 請求項１１に記載の面位置検出装置において、
    前記第１光学系は、前記光分割部材から互いに異なる方向に射出される前記第１及び第２検出光を集光する集光部材を含む、面位置検出装置。
13. 請求項１２に記載の面位置検出装置において、
    前記光分割部材は、前記集光部材の瞳面における第１部分から射出される前記第１検出光と、前記瞳面における前記第１部分とは異なる第２部分から射出される前記第２検出光とを互いに異なる方向に射出する、面位置検出装置。
14. 請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の面位置検出装置において、
    前記第２光学系には、前記被検面で反射されて互いに異なる方向に進行する第１及び第２検出光が入射する、面位置検出装置。
15. 請求項１４に記載の面位置検出装置において、
    前記第２光学系は、前記被検面と光学的に共役な面を形成する結像光学系を含む、面位置検出装置。
16. 請求項１５に記載の面位置検出装置において、
    前記第２光学系は、前記被検面と光学的に共役な面に配置された開口部を有する遮光部材を備える、面位置検出装置。
17. 請求項１６に記載の面位置検出装置において、
    前記開口部は、前記結像光学系によって前記共役な面に形成される前記第１光パターンの像の光強度が変化する方向、及び前記結像光学系によって前記共役な面に形成される前記第２光パターンの像の光強度が変化する方向と交差する方向に延びる、面位置検出装置。
18. 請求項１７に記載の面位置検出装置において、
    前記第２光学系は、前記光強度が変化する方向に屈折力を有するシリンドリカル光学部材を備える、面位置検出装置。
19. 請求項１４から請求項１８までのいずれか一項に記載の面位置検出装置において、
    前記第１及び第２検出光は、前記受光面上において互いに異なる位置に入射する、面位置検出装置。
20. 投影光学系と、
    基板を載置し移動せしめる基板ステージと、
    前記被検面として前記基板の表面の位置を検出する請求項１から請求項１９までのいずれか一項に記載の面位置検出装置と、
    を備える、露光装置。
21. 請求項２０に記載の露光装置において、
    前記基板ステージに載置された基板が前記面位置検出装置と対向する位置において、前記基板ステージの少なくとも一部の、前記投影光学系の光軸方向の位置を計測する第１位置計測部と、
    前記基板ステージに載置された基板が前記投影光学系と対向する位置において、前記基板ステージの少なくとも一部の前記光軸方向の位置を計測する第２位置計測部と、
    を備える、露光装置。
22. 基板の表面上にレジストを形成すること、
    請求項２０または請求項２１に記載の露光装置を用いて、前記基板の表面に形成された前記レジストの表面の位置を検出し、前記レジストの前記表面を前記投影光学系の光軸方向の所定の位置に設定して、露光パターンを露光すること、
    前記レジストを現像すること、
    前記現像により形成されたレジストパターンに基づいて、前記基板の表面を加工すること、
    を含む、デバイス製造方法。
23. 基板を処理対象とする基板処理システムであって、
    前記基板を載置する第１ステージ、および前記基板の表面における複数箇所の、前記表面と交差する方向における位置を計測する請求項１から請求項１９までのいずれか一項に記載の面位置検出装置を有する計測装置と、
    前記計測装置による前記計測が終了した前記基板を載置する第２ステージを備え、前記第２ステージに載置された前記基板を露光する露光装置とを備え、
    前記露光装置は、前記計測装置による計測結果を少なくとも用いて、前記基板の前記交差する方向における位置を変更しつつ前記露光を行う、基板処理システム。

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