JP3271720B2

JP3271720B2 - 表面位置検出方法及び装置

Info

Publication number: JP3271720B2
Application number: JP15186193A
Authority: JP
Inventors: 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 2002-04-08
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: JPH07142324A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の表面位置の検出
方法及び検出装置に関し、例えば半導体製造装置におい
て、方向性のある回路パターンが形成されている半導体
ウエハの表面位置（高さの分布）を検出する際に適用し
て好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】フォトマスク又はレチクル（以下、「レ
チクル」と総称する）上に形成された回路パターンを投
影光学系を介して感光材が塗布されたウエハ上に転写す
る半導体露光装置においては、ウエハの露光面を投影光
学系の結像面に対して焦点深度の範囲内で合致させて露
光を行うためのオートフォーカス機構及びオートレベリ
ング機構が設けられている。その内のオートフォーカス
機構は、ウエハ上の露光面の所定の計測点の投影光学系
の光軸方向の位置（フォーカス位置）をベストフォーカ
ス位置に設定するものであり、オートレベリング機構
は、ウエハの露光面の平均的な面を投影光学系の結像面
に平行に設定するものである。

【０００３】これらオートフォーカス機構又はオートレ
ベリング機構を正確に動作させるためには、それぞれウ
エハの露光面の所定の１個又は複数個の計測点のフォー
カス位置を正確に計測するための表面位置検出装置が必
要である。半導体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、しかも、ウエハ上に部分的な凹凸
が存在することもあるため、表面位置検出装置では、ウ
エハの露光面の所定の計測点のフォーカス位置を正確に
検出することが求められている。

【０００４】従来の表面位置検出装置としては、例えば
ウエハの露光面上の計測点に対して斜め方向からスリッ
トパターン像を投影し、その被検面からの反射光を集光
してスリットパターン像を再結像する斜入射型のオート
フォーカスセンサーが知られている。この場合、その露
光面が法線方向（投影光学系の光軸方向）に上下する
と、再結像されたスリットパターン像の位置が横ずれす
るため、例えば振動ミラーを用いてそのスリットパター
ン像を受光素子上で振動させて、その受光素子の出力信
号をその振動ミラーの駆動信号で同期整流することによ
り、その露光面の計測点のフォーカス位置に対応するフ
ォーカス信号を得ることができる。

【０００５】従来の斜入射型のオートフォーカスセンサ
ーとしては、次のようなタイプが知られている。特願
平４−２４７７４８号に開示されているように、被検面
上に２次元的に分布する多数の計測点にスリットパター
ン像を投影し、振動方式で位置検出を行うと共に、アオ
リ補正プリズムを使用して、受光効率を高めたもの。
特願平２−４０１８８０号に開示されているように、ウ
エハの露光面上のショット領域（チップパターン）の対
角線上に１次元的に分布する多点の計測点にスリットパ
ターン像を投影し、振動方式で位置検出を行うもの。

【０００６】特願平３−３１１７５８号に開示されて
いるように、ウエハの露光面に２次元的なパターンを斜
めに投影し、再結像した像を画像処理することにより、
その露光面上の多数の計測点のフォーカス位置を検出す
る画像処理方式の位置検出装置。この装置でも、アオリ
補正プリズムを使用して、受光効率を高めている。特
公平１−４１９６２号公報に開示されているように、被
検面上の１つの計測点上にスリットパターン像を投影す
ると共に、その被検面上の回路パターンの方向に対して
スリットパターン像の方向を傾斜させたもの。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般に被検面が半導体
ウエハの露光面である場合、その露光面にはそれまでの
工程によりＩＣのチップパターンが形成されている。ま
た、ＩＣのチップパターンの輪郭は長方形である場合が
殆どで、しかもそのチップパターンはその長方形の輪郭
の各辺に平行な場合が多い。そこで、従来の表面位置検
出装置では、ウエハの露光面のチップパターンの影響を
低減するために、計測用パターン像（スリットパターン
像等）の長手方向がチップパターンの輪郭の各辺に対し
て４５°又はそれに近い角度になるように、ウエハの露
光面に計測用パターン像を投影していた。

【０００８】また、表面位置検出装置の送光光学系の光
軸とその露光面の法線とで形成される面を基準面とする
と、その露光面が投影光学系の光軸方向に変位した場合
に、計測用パターン像はその基準面に平行に移動する。
従って、従来は検出感度を最大にするために、その基準
面が計測用パターン像の長手方向に垂直になるようにし
ていた。しかしながら、このように基準面を計測用パタ
ーン像の長手方向に垂直にして、且つウエハの露光面上
の多点での位置検出を行うものとすると（上記の、
、の場合のように）、表面位置検出装置の送光光学
系及び受光光学系は、チップパターンの輪郭の対角線以
上の幅の領域をカバーする必要があり、光学系が大型化
するという不都合があった。その結果、装置の製造コス
トが高いと共に、装置が大型であることによる計測結果
の不安定要因の増加等の不都合があった。

【０００９】更に、従来のように基準面が計測用パター
ンの長手方向に垂直である場合には、基準面の方向であ
る位置検出用の光の入射方向がチップパターンによって
規定されてしまい、例えば半導体露光装置の構成に応じ
て、表面位置検出装置の光学系の配置を変えることがで
きないという不都合もあった。本発明は斯かる点に鑑
み、被検面上に斜めに所定の計測用パターン像を投影
し、その計測用パターン像を再結像して表面位置の検出
を行う場合に、表面位置検出装置を小型化すると共に、
その表面位置検出装置の光学系の配置上の制約を無くす
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の表面位置検出方
法は、例えば図１及び図５に示すように、結像光学系
（９，１０）を介して被検面（１の表面）上に斜めに所
定の計測用パターンの像を投影し、その被検面からの反
射光を集光して再結像されたその計測用パターンの像の
位置に応じて変化する検出信号を生成し、この検出信号
に基づいて被検面（１ａ）の位置検出を行う方法におい
て、その計測用パターンとして線状パターンを使用し、
結像光学系（９，１０）の光軸とその被検面の法線とで
形成される面（軸ＡＸ２Ｐに平行な面）に対して、その
被検面上のその線状パターンの像（３５）に垂直な計測
方向を非平行にしたものである。

【００１１】この場合、その被検面上に所定の方向性を
有するパターン（３８）が予め形成されているときに、
その被検面上に投影されるその線状パターンの像（３
５）の方向を、その被検面上に予め形成されているパタ
ーン（３８）の方向と異ならしめることが望ましい。ま
た、本発明の表面位置検出装置は、例えば図１及び図５
に示すように、被検面（１の表面）上に斜めに所定の計
測用パターンの像を投影し、その被検面からの反射光を
集光して再結像されたその計測用パターンの像の位置に
応じて変化する検出信号に基づいてその被検面の位置検
出を行う装置において、その被検面上に斜めに線状パタ
ーンの像（３５）を投影する第１の結像光学系（９，１
０）と、その被検面からの反射光を集光してその線状パ
ターンの像を再結像する第２の結像光学系（１１，１
２）と、このように再結像された線状パターンの像の位
置に応じて変化する検出信号を生成する光電検出手段
（１７）とを有し、第１の結像光学系（９，１０）の光
軸とその被検面の法線とで形成される面（軸ＡＸ２Ｐに
平行な面）に対して、その被検面上のその線状パターン
の像（３５）に垂直な計測方向を非平行にしたものであ
る。

【００１２】

【作用】斯かる本発明の表面位置検出方法又は表面位置
検出装置によれば、例えば図４（ａ）に示すように、結
像光学系の光軸（ＡＸ２）に沿って斜めに被検面（１の
表面）上に線状パターンの像（３５）が投影される。こ
の場合、その被検面がその被検面の法線方向に変位する
と、図４（ｂ）に示すように、線状パターンの像の明部
（３５ａ）及び暗部（３５ｂ）がそれぞれその法線と光
軸（ＡＸ２）とを含む面に沿って移動する。即ち、図４
（ａ）において、光軸（ＡＸ２）をその被検面上に投影
した軸を図５（ａ）の軸（ＡＸ２Ｐ）とすると、図５
（ａ）において、その被検面の凹凸に応じて線状パター
ンの像（３５）は軸（ＡＸ２Ｐ）に平行な方向、即ち光
軸（ＡＸ２）とその被検面の法線とを含む面に平行な方
向に移動する。また、実際に受光光学系を介して検出す
る線状パターン（３５）の横ずれの方向（計測方向）
は、線状パターンの像（３５）の長手方向に垂直な方向
である。

【００１３】そして、本発明では、図５（ａ）に示すよ
うに、軸（ＡＸ２Ｐ）の方向と線状パターンの像（３
５）の長手方向に垂直な計測方向とが交差している。そ
の被検面の検出領域を例えば幅Ｗの正方形の領域（１
ａ）として、領域（１ａ）のほぼ全面に線状パターンの
像（３５）を投影するものとすると、送光光学系の光軸
を投影した軸（ＡＸ２Ｐ）はその領域（１ａ）の辺に平
行に設定され、線状パターンの像（３５）の長手方向
は、その軸（ＡＸ２Ｐ）にほぼ４５°で交差する方向に
設定される。従って、図５（ｃ）に示すように、送光光
学系のレンズ系（４１）の直径Ｋ１はほぼその領域（１
ａ）の幅Ｗと同じで良い。

【００１４】これに対して、従来例では例えば図６
（ａ）に示すように、線状パターンの像（３５）の長手
方向に垂直な計測方向と、送光光学系の光軸を投影した
軸（ＡＸ５Ｐ）の方向とが平行である。また、一般に正
方形の領域（１ａ）には各辺に平行なチップパターンが
形成されているため、線状パターンの像（３５）とその
チップパターンとの干渉を避けるため、その軸（ＡＸ５
Ｐ）はその領域（１ａ）の対角線方向に設定される。従
って、図６（ｂ）に示すように、送光光学系のレンズ系
（４３）の直径Ｋ２は、ほぼ２^1/2・Ｗと同じにする必要
がある。従って、本発明の送光光学系（及び受光光学
系）の直径Ｋ１は従来例の送光光学系（及び受光光学
系）の直径Ｋ２の約１／２^1/2 で済み、全体の体積では
約１／２^3/2(≒１／２．８）で済むため、光学系が小型
化される。

【００１５】また、その被検面上に所定の方向性を有す
るパターン（３８）が予め形成されているときに、その
被検面上に投影されるその線状パターンの像（３５）の
方向を、その被検面上に予め形成されているパターン
（３８）の方向と異ならしめた場合には、チップパター
ンの影響を殆どうけなくなる。なお、被検面上の領域
（１ａ）内の検出領域が、例えば図５（ａ）の検出領域
（Ｍ３）のみのように小さい場合、光学系は従来例と比
べてそれ程小型化されない。しかし、送光光学系及び受
光光学系の配置が諸般の事情により、その領域（１ａ）
上に形成されているパターン（３８）の輪郭の或る辺と
平行にならざるを得ない場合、本発明の手法により送光
光学系（９，１０）の光軸を被検面へ投影して得られた
軸（ＡＸ２Ｐ）を、その被検面へ投影される線状パター
ンの像（３５）に垂直な計測方向に交差させることによ
り、その領域（１ａ）内のパターン（３８）の影響を低
減することができる。つまり、本発明では送光光学系及
び受光光学系の配置の自由度が増しているため、例えば
半導体露光装置で許容される配置に合わせた上で、被検
面上の回路パターン等の影響を低減することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図面を参照し
て説明する。本実施例は、レチクルのパターン像を投影
光学系を介して感光材が塗布されたウエハ上に露光する
投影露光装置の、オートフォーカス機構及びオートレベ
リング機構の表面位置検出部に適用したものである。

【００１７】図１は本実施例の投影露光装置の要部を示
し、この図１において、主照明光源４０からの主照明光
は、転写用の回路パターンが形成されたレチクルＲを照
明する。そして、レチクルＲ上の回路パターンの像が、
投影光学系５を介してウエハ１の露光面上のショット領
域１ａに結像投影される。ウエハ１はウエハホルダー２
上に保持され、ウエハホルダー２は、投影光学系５の光
軸ＡＸ１に垂直な平面（この平面の直交座標軸をＸ軸、
Ｙ軸とする）内でウエハ１に平行移動及び微小回転を施
すと共に、光軸ＡＸ１に平行なＺ方向にウエハ１の位置
決め（フォーカシング）を行う。

【００１８】ウエハホルダー２は、Ｚ方向に個別に移動
自在な３個の支持点を介して保持機構３上に載置され、
駆動部４が、保持機構３の３個の支持点のＺ方向への移
動量をそれぞれ制御することにより、ウエハホルダー２
のレベリング（水平出し）が行われる。保持機構３に
は、ウエハ１を光軸ＡＸ１に垂直で且つ図１の紙面に平
行なＸ方向及び図１の紙面に垂直なＹ方向に位置決めす
るＸＹステージも組み込まれている。

【００１９】ウエハ１の露光面上にレチクルＲの回路パ
ターンの像を良好な状態で転写するためには、投影光学
系５の結像面に対して焦点深度の範囲内にその露光面上
の露光領域（ショット領域１ａ）を合わせ込む必要があ
る。このため本例では、ショット領域１ａ内の複数の計
測点のＺ方向の位置（フォーカス位置）をそれぞれ正確
に検出した後、ショット領域１ａの表面が投影光学系５
の結像面に対して焦点深度の範囲内に収まるように、保
持機構３の３個の支持点の移動動作及びウエハホルダー
２の動作によりウエハ１のレベリング及びフォーカシン
グを行えば良い。

【００２０】以下に、ウエハ１のショット領域１ａの複
数の計測点のＺ方向の位置を検出するための光学系及び
処理系の説明を行う。図１において、波長幅の広い白色
光を発生する光源６からの照明光は、コンデンサーレン
ズ７によって略平行光束に変換されて、偏向プリズム２
６に入射する。偏向プリズム２６は、コンデンサーレン
ズ７からの略平行光束を屈折により偏向させて射出す
る。偏向プリズム２６の射出側の面には、透過型の格子
パターン板８が取り付けられ、この格子パターン板８の
ウエハ１側の格子パターン形成面８ａには、所定の方向
に延びた透過部と遮光部とを交互に所定ピッチで配列し
た縞状の格子パターンが形成されている。なお、透過型
の格子パターンの代わりに、凹凸形状の位相型の反射型
回折格子を使用しても良く、更には、反射部と無反射部
とを交互に配列した振幅型の反射型格子パターンを使用
しても良い。

【００２１】また、後述するが、格子パターン板８の代
わりに、図７に示す如き複数の計測点に対応する箇所の
それぞれにスリット状（線状）のパターンを投影するた
めに、複数の開口部を有するパターン板８０を用いても
よい。

【００２２】また、ウエハ１の露光面（被検面）は、一
般にフォトレジスト等の薄膜で覆われているので、この
薄膜干渉の影響を低減するため、光源６は、上述のよう
に波長幅の広い白色光を発生する光源であることが望ま
しい。なお、光源６としては、フォトレジスト等の感光
材に対する感光性の弱い波長帯の光を発生する発光ダイ
オード等を使用しても良い。

【００２３】格子パターン板８に入射して、格子パター
ン形成面８ａを透過した照明光は、投影光学系５の光軸
ＡＸ１に対して角度θで交差する光軸ＡＸ２に沿って配
置された投射光学系９，１０に入射する。この投射光学
系９，１０は、集光レンズ９及び投射用対物レンズ１０
より構成され、この投射光学系９，１０に関して、格子
パターン形成面８ａとウエハ１の露光面とを共役に配置
する。この際に、ウエハ１の露光面に対して投射光学系
９，１０の光軸ＡＸ２は斜めに交差しているので、格子
パターン形成面８ａとウエハ１の露光面とを投射光学系
９，１０に関してシャインプルーフの条件を満たすよう
に配置する。

【００２４】図２（ｂ）は図１の照射光学系９，１０の
近傍の状態を示し、その図２（ｂ）の照射光学系９，１
０のメリジオナル断面において、格子パターン形成面８
ａ上の直線とその照射光学系９，１０の物側主平面３２
Ａとの交点を３３Ａ、ウエハ１のショット領域１ａ上の
直線と照射光学系９，１０の像側主平面３２Ｂとの交点
を３３Ｂとする。この場合、シャインプルーフの条件が
満足されているとは、交点３３Ａから照射光学系９，１
０の光軸ＡＸ２までの距離Ｌ１と、交点３３Ｂから光軸
ＡＸ２までの距離Ｌ２とが等しいことを意味する。シャ
インプルーフの条件が満たされているときには、所謂ア
オリの結像関係が成立し、格子パターン形成面８ａ上の
任意の１点から射出した光束は、それぞれショット領域
１ａを含む平面上の対応する１点に集束する。従って、
格子パターン形成面８ａの格子パターンは、ウエハ１上
のショット領域１ａを含む平面の全面に亘って正確に結
像する。

【００２５】また、図２（ａ）に点線で光路を示すよう
に、集光レンズ９及び投射用対物レンズ１０より構成さ
れる投射光学系９，１０は、所謂両側テレセントリック
光学系であり、格子パターン形成面８ａ上の点とウエハ
１の露光面上の共役点とは、全面に亘ってそれぞれ同じ
倍率である。本例では、格子パターン面８ａに所定ピッ
チの縞状の格子パターンが形成されているため、ウエハ
１の露光面には明部と暗部とを所定の方向に繰り返した
格子パターン像が結像投影される。

【００２６】図３（ａ）は、図１の格子パターン板８上
に形成された格子パターンを示し、この図３（ａ）にお
いて、図１の紙面に平行なＸ方向及び図１の紙面に垂直
なＹ方向と共役な方向をそれぞれＸ１方向及びＹ１方向
とすると、Ｘ１方向に対して時計方向に角度φで交差す
る方向に延びた遮光部３４ａ及び光透過部３４ｂを、Ｘ
１方向に対して反時計方向に角度（π／２−φ）で交差
する方向にピッチＰ１で配列することにより、格子パタ
ーン３４が形成されている。図１のウエハ１の露光面の
ショット領域１ａには、図４（ａ）に示すように、図３
（ａ）の格子パターン３４の遮光部３４ａ及び光透過部
３４ｂに対応してそれぞれ暗部３５ａ及び明部３５ｂと
なった格子パターン像３５が結像投影される。

【００２７】図１に戻り、ウエハ１の露光面に斜めに投
射された照明光は、その露光面で反射されて集光光学系
１１，１２に入射する。この集光光学系１１，１２は、
集光用対物レンズ１１、振動ミラー３０及び集光レンズ
１２より構成されている。ウエハ１の露光面で反射され
た照明光は、集光用対物レンズ１１で集光され振動ミラ
ー３０で反射された後、集光レンズ１２及び１／２波長
板２４を経てアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａ
に、ウエハ１の露光面上に投影された格子パターン像を
再結像する。集光用対物レンズ１１の光軸ＡＸ３Ａを振
動ミラー３０で折り返した軸が集光レンズ１２の光軸Ａ
Ｘ３Ｂとなっている。

【００２８】投影光学系５の光軸ＡＸ１に関して、照射
光学系９，１０の光軸ＡＸ２と集光用対物レンズ１２の
光軸ＡＸ３Ａとが軸対称になるように配置されている。
また、振動ミラー３０は、集光光学系１１，１２の略瞳
面（フーリエ変換面）に配置されているが、その振動ミ
ラー３０の位置は、ウエハ１の露光面とアオリ補正プリ
ズム２５の入射面２５ａとの間の光路中であればどの位
置でも良い。

【００２９】そして、ウエハ１の露光面が投影光学系５
の結像面に合致している状態で、集光光学系１１，１２
に関してウエハ１の露光面と共役な面上にアオリ補正プ
リズム２５の入射面２５ａが配置されている。この入射
面２５ａには、複数の開口部（スリット）が形成された
受光スリット板Ｓが取り付けられ、受光スリット板Ｓの
複数の開口部を通過した照明光が、アオリ補正プリズム
２５に入射する。

【００３０】図３（ｂ）は、その受光スリット板Ｓに形
成された複数の開口部の配置を示し、この図３（ｂ）に
おいて、図１の紙面に平行なＸ方向及び図１の紙面に垂
直なＹ方向と共役な方向をそれぞれＸ２方向及びＹ２方
向とすると、Ｘ２方向に対して時計方向に角度φで交差
する方向に延びた直線に沿って受光スリット板Ｓ上に３
個の開口部Ｓ５，Ｓ３，Ｓ１が形成され、中央の開口部
Ｓ３の両側でＸ２方向に対して反時計方向に角度（π／
２−φ）で交差する方向に開口部Ｓ４及びＳ２が形成さ
れている。受光スリット板Ｓ上の５個の開口部Ｓ１〜Ｓ
５と、集光光学系１１，１２に関して共役な図４（ａ）
のウエハ１のショット領域１ａ上の５個の計測点（検出
領域）Ｍ１〜Ｍ５の高さの検出が行われる。ウエハ１の
ショット領域１ａ内の計測点の個数を増やしたいときに
は、受光スリットＳ内の開口部の個数を増やせば良いだ
けであるため、計測点の個数を増やしても構成の複雑化
を招くことがない。

【００３１】図１に戻り、ウエハ１の露光面が投影光学
系５の結像面に合致している状態で、ウエハ１の露光面
とアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａとは、集光光
学系１１，１２に関してシャインプルーフの条件を満た
すように構成されている。従って、ウエハ１の露光面が
投影光学系５の結像面に合致している状態で、入射面２
５ａの全面に亘ってウエハ１の露光面上の格子パターン
像３５（図４（ａ）参照）が再結像する。

【００３２】また、図２（ａ）に点線で光路を示すよう
に、集光光学系１１，１２は、所謂両側テレセントリッ
ク光学系であり、ウエハ１の露光面上の点とアオリ補正
プリズム２５の入射面２５ａ上の共役点とは、全面でそ
れぞれ同じ倍率である。従って、その入射面２５ａに
は、ウエハ１の露光面に結像投影された格子パターン像
３５と相似形の格子パターン像が再結像される。

【００３３】即ち、本例において、ウエハ１の露光面が
投影光学系５の結像面に合致している状態で、格子パタ
ーン板８の格子パターン形成面８ａとウエハ１の露光面
と、及びウエハ１の露光面とアオリ補正プリズム２５の
入射面２５ａとはそれぞれシャインプルーフの条件を満
たす。しかも、格子パターン形成面８ａからウエハ１の
露光面への投影倍率と、及びウエハ１の露光面から入射
面２５ａへの投影倍率とはそれぞれ全面で一定である。

【００３４】次に、ウエハ１の露光面の投影光学系５の
光軸ＡＸ１方向の変位がｚであるときのアオリ補正プリ
ズム２５の入射面２５ａにおける格子パターン像の横ず
れ量ｙを求める。具体的に、ウエハ１の露光面に対する
照射光学系９，１０の光軸ＡＸ２に沿う照明光の入射角
をθ、集光光学系１１，１２の横倍率をβ、ウエハ１の
露光面からアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａへの
アオリの結像面に沿った倍率をβ′とすると、横ずれ量
ｙは次のようになる。

【００３５】

【数１】ｙ＝２・β′・tanθ・ｚ＝２（β² sin²θ＋β⁴ sin⁴θ／cos²θ）^1/2・ｚ

【００３６】即ち、ウエハ１の露光面上に格子パターン
像を投影するための照明光の入射角θを大きくすれば、
横ずれ量ｙも大きくなり、より高分解能で投影光学系５
の光軸方向への位置検出を行うことができる。入射角θ
は例えば８０°である。

【００３７】ところで、図１において、投射光学系９，
１０の結像及び集光光学系１１，１２の結像はそれぞれ
シャインプルーフの条件を満足している。従って、格子
パターン板８の法線と投射光学系９，１０の光軸ＡＸ２
とがなす角度をγ、アオリ補正プリズム２５の入射面２
５ａの法線と集光レンズ１２の光軸ＡＸ３Ｂ（振動して
いる場合は平均的な軸）とがなす角度をα（この角度α
は、入射面２５ａへ入射する照明光の主光線の入射角に
等しい）、投射光学系９，１０の横倍率をβ₄とする
と、次の関係が成り立っている。

【００３８】

【数２】tan γ＝β₄・tan θ，tan α＝β・tan θ

【００３９】ところで、ウエハ１の露光面に対する照明
光の入射角θが大きいと、入射面２５ａにおける照明光
の入射角αも大きくなる。従って、仮にアオリ補正プリ
ズム２５の入射面２５ａに近接して受光素子（例えばフ
ォトダイオード）を配置するものとすると、その受光面
への照明光の入射角αが大きいと、この受光素子の表面
での照明光の反射量が大きくなると共に、照明光の光束
のケラレが生じて、受光効率が著しく低下する虞があ
る。

【００４０】本実施例においては、このような受光効率
の低下を避けるために、図２（ａ）に示す如く、集光光
学系１１，１２からの光束をアオリ補正プリズム２５に
より偏向させている。アオリ補正プリズム２５の頂角ξ
は、アオリ補正プリズム２５によって屈折されて射出さ
れる光束が、アオリ補正プリズム２５の射出面２５ｂの
法線と略平行になるように設定されている。このとき、
アオリ補正プリズム２５に入射する光束に対するアオリ
補正プリズム２５から射出される光束のなす角度は、ア
オリ補正プリズム２５の屈折率をｎ₂₅としたとき、ξ／
ｎ₂₅となる。この角度は、集光光学系１１，１２を介し
てアオリ補正プリズム２５に入射する光束と入射面２５
ａとがなす角度αに比してかなり小さくなる。

【００４１】また、アオリ補正プリズム２５の射出側に
は、平面鏡１５、第１リレーレンズ１４及び第２リレー
レンズ１６よりなるリレー光学系１４〜１６が配置され
ている。このリレー光学系１４〜１６も、光束を破線で
示すように両側テレセントリックである。リレー光学系
１４〜１６の入射側の光軸ＡＸ４Ａを平面鏡１５で折り
曲げた軸が、リレー光学系１４〜１６の射出側の光軸Ａ
Ｘ４Ｂとなっている。

【００４２】図１に戻り、アオリ補正プリズム２５から
射出された光束は、平面鏡１５で反射された後、第１リ
レーレンズ１４及び第２リレーレンズ１６を経て、光電
検出器１７の受光面１７ａ上にアオリ補正プリズム２５
の入射面２５ａ上に形成された格子パターン像の更なる
共役像を結像する。図３（ｃ）は、図１の光電検出器１
７の受光面を示し、この図３（ｃ）において、図３
（ｂ）のＸ２方向及びＹ２方向に共役な光電検出器１７
の受光面での方向をそれぞれＸ３方向及びＹ３方向とす
る。光電検出器１７の受光面にはＸ３方向に交差する直
線に沿って３個の受光素子Ｄ５，Ｄ３，Ｄ１が配置さ
れ、中央の受光素子Ｄ３の両側面に２個のそれぞれ受光
素子Ｄ２及びＤ４が配置されている。これら受光素子Ｄ
１〜Ｄ５はそれぞれフォトダイオードよりなり、受光素
子Ｄ１〜Ｄ５の上にそれぞれ図３（ｂ）の受光スリット
板Ｓの開口部Ｓ１〜Ｓ５の像が投影される。開口部Ｓ１
〜Ｓ５の共役像はほぼ受光素子Ｄ１〜Ｄ５の受光面と同
じ形状である。そして、５個の受光素子Ｄ１〜Ｄ５から
の検出出力（５個の検出出力をまとめて「検出出力Ｓ
Ｄ」と呼ぶ）はそれぞれ検出部１８に供給されている。
なお、受光素子Ｄ１〜Ｄ５としてそれぞれフォトマルチ
プライア等を用いても良く、受光素子Ｄ１〜Ｄ５を１個
の２次元ＣＣＤで代用しても良い。

【００４３】ここで、アオリ補正プリズム２５の働きに
つき図２（ａ）を参照して説明する。図２（ａ）におい
て、集光光学系１１，１２の射出側の光軸ＡＸ３Ｂに平
行な光束のアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａに対
する入射角はα、アオリ補正プリズム２５の屈折率はｎ
₂₅であり、その入射光束のアオリ補正プリズム２５での
屈折角ξは次のようになる。

【００４４】

【数３】ξ＝sin^-1(sin α／ｎ₂₅）

【００４５】そして、本例では、アオリ補正プリズム２
５の頂角はその屈折角ξと同一の角度に設定されてい
る。これにより、光軸ＡＸ３Ｂに沿って入射面２５ａに
入射して、射出面２５ｂから射出される光束は、その射
出面２５ｂに対して垂直になる。従って、アオリ補正プ
リズム２５による像の浮き上がりを考慮すると、射出面
２５ｂに垂直に射出される光束に垂直な平面に対するウ
エハ１の露光面のリレーされた像面の傾き角であるアオ
リ角ρは、次のようなる。

【００４６】

【数４】ρ＝tan^-1(tan ξ／ｎ₂₅）

【００４７】いま、リレー光学系１４〜１６の倍率を１
とすると、このアオリ角ρがそのまま、光電検出器１７
の受光面１７ａと、リレー光学系１４〜１６の射出側の
光軸ＡＸ４Ｂに垂直な面とのなす角度、即ち受光面１７
ａに対する主光線の入射角となる。

【００４８】例えば、屈折率ｎ₂₅を１．８、アオリ補正
プリズム２５の入射面２５ａへの入射角αを８０．１°
とすると、アオリ角ρは２０．０°となり、アオリ角ρ
は０°に近づいている。また、光電検出器１７の受光面
１７ａへの主光線の入射角も２０．０°であるが、この
程度の入射角であれば、受光量の低下はほとんど無いも
のとみなすことができる。このように本例によれば、偏
向光学系としてのアオリ補正プリズム２５を用いてお
り、受光面１７ａに対する光束の入射角が小さくなるた
め、受光面１７ａ上に配置された受光素子での受光量の
低下を防止できる。

【００４９】更に、アオリ補正プリズム２５の入射面２
５ａと光電検出器１７の受光面１７ａとは、リレー光学
系１４〜１６に関してシャインプルーフの関係を満たす
ことが望ましい。ところで、図１の光源６の波長帯が広
い場合には、偏向光学系としてアオリ補正プリズム２５
のようなプリズムを用いることが望ましい。一方、偏向
光学系として回折格子を用いることもできるが、回折格
子を用いた場合には、プリズムを用いた場合に比して偏
向された光束の分散が大きくなり、リレー光学系１４〜
１６の開口数を大きくする必要があり、好ましくない。

【００５０】また、入射面２５ａに対する光軸ＡＸ３Ｂ
に沿う光束の入射角αが大きい場合には、アオリ補正プ
リズム２５を透過する光束の透過率が、Ｐ偏光とＳ偏光
とで大きく異なるようになる。例えば、入射角αが８０
°、アオリ補正プリズム２５の屈折率ｎ₂₅が１．８の場
合には、Ｐ偏光成分の透過率が０．７９、Ｓ偏光成分の
透過率が０．３７となる。このようにアオリ補正プリズ
ム２５における透過率が入射する光束の偏光状態によっ
て異なるため、偏光成分毎の情報の重みが異なり、ウエ
ハ１の露光面の位置検出に誤差が生ずる虞がある。そこ
で、本例では、図１に示す如く、集光光学系１１，１２
とアオリ補正プリズム２５との間の光路中に１／２波長
板２４を配置し、１／２波長板２４によって偏光方向を
４５°回転させた光束をアオリ補正プリズム２５に入射
させる構成としている。このため、アオリ補正プリズム
２５に入射する光束は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混合した状
態となり、ウエハ１の露光面の位置検出が正確に行われ
る。

【００５１】なお、１／２波長板２４の代わりに１／４
波長板を用いても良く、この１／４波長板を用いた場合
には、アオリ補正プリズム２５に入射する光束は円偏光
となり、ウエハ１の露光面の位置検出は、１／２波長板
２４を用いた場合と同様に正確に行われる。更に、アオ
リ補正プリズム２５の射出面２５ｂと、射出面２５ｂか
ら射出される光束とは、略垂直になることが望ましい。
このように射出面２５ｂと射出面２５ｂから射出される
光束とが略垂直にならないと、リレー光学系１４〜１６
によって入射面２５ａ上の像をリレーする際に、非点収
差等の収差が発生することになって望ましくない。

【００５２】図１において、集光光学系１１，１２の光
路中には、振動ミラー３０が配置されている。そして、
ミラー駆動部３１は、内部の発振器からの信号に基づい
て、所定の周期Ｔで振動ミラー３０を所定の方向に振動
させる。この振動ミラー３０の振動により、アオリ補正
プリズム２５の入射面２５ａ上の受光スリットＳ上に結
像される格子パターン像も振動する。その格子パターン
像の振動方向は、一例として図１のＸ方向と共役な図３
（ｂ）のＸ２方向に対して、反時計方向に角度（π／２
−φ）で交差するＲ２方向である。また、そのＲ２方向
は、図３（ａ）に示す格子パターン板８上の格子パター
ン３４が配列されているＲ１方向と共役な方向である。
即ち、振動ミラー３０による格子パターン像の振動方向
Ｒ２は、受光スリット板Ｓ上に投影される格子パターン
像の明部と暗部とが配列されている方向である。なお、
後述のように、振動ミラー３０により格子パターン像の
振動方向は必ずしもＲ２方向になる必要は無い。

【００５３】この場合、受光スリット板Ｓ上に結像され
る格子パターン像のＲ２方向のピッチをＰ′とすると、
受光スリット板Ｓ上の各開口部Ｓ１〜Ｓ５のＲ２方向の
幅Ｗ _siはそれぞれ次の関係を満足することが望ましい。

【００５４】

【数５】Ｗ_si≦Ｐ′

【００５５】また、振動ミラー３０によって振動する格
子パターン像のＲ２方向の振幅Ａ_siは、それぞれ次の関
係を満足することが望ましい。

【００５６】

【数６】Ａ_si≦Ｐ′

【００５７】ここで、開口部Ｓ１〜Ｓ５のＲ２方向の幅
Ｗ_siが（数５）の条件を満足しないとき、又は格子パタ
ーン像のＲ２方向の振幅Ａ_siが（数６）の条件を満足し
ないときには、振動ミラー３０の振動に伴う開口部Ｓ１
〜Ｓ５での光量変化が小さくなり、検出精度が低下して
好ましくない。

【００５８】また、ウエハ１の露光面が投影光学系５の
結像面に合致しているときに、各開口部Ｓ１〜Ｓ５の中
心がそれぞれ格子パターン像の明部の振動中心に一致す
るように各開口部Ｓ１〜Ｓ５が配置されている。そし
て、振動ミラー３０の振動に応じて受光スリット板Ｓ上
で格子パターン像がＲ２方向に振動すると、図３（ｃ）
の受光素子Ｄ１〜Ｄ５の受光量が変化する。受光素子Ｄ
１〜Ｄ５はその受光量に応じた検出出力を検出部１８に
供給する。これらの検出出力はそれぞれ振動ミラー３０
の振動周期Ｔと同じ位相の交流信号である。

【００５９】検出部１８では、ミラー駆動部３１で発生
される周期Ｔの交流信号の位相を基準として、各受光素
子Ｄ１〜Ｄ５の検出出力を同期整流（同期検波）し、得
られた検波出力信号（まとめて「検波出力信号ＦＳ」と
呼ぶ）を補正量算出部１９へ供給する。これら検波出力
信号ＦＳは、対応する計測点（図４（ａ）の計測点Ｍ１
〜Ｍ５）が投影光学系５の結像面に合致しているときに
零レベル、その計測点がその結像面より上方に位置して
いるときには正、その計測点がその結像面より下方に位
置しているときには負となり、所定の範囲内でその計測
点のＺ方向への変位に比例して変化する信号である。従
って、補正量算出部１９は、それら検波出力信号ＦＳよ
り、ウエハ１の露光面上のショット領域１ａ内の各計測
点Ｍ１〜Ｍ４のＺ方向の位置（フォーカス位置）をそれ
ぞれ求めることができる。

【００６０】補正量算出部１９は、ショット領域１ａ内
の計測点Ｍ１〜Ｍ５のフォーカス位置より、ショット領
域１ａの表面の平均的な面の傾き及び例えばショット領
域１ａの中央の点のフォーカス位置を算出する。更に、
補正量算出部１９は、ショット領域１ａを投影光学系５
の結像面に焦点深度の範囲内で合致させるための傾きの
補正量、及びフォーカス方向の位置の補正量を算出し、
これらの補正量を図１の駆動部４に供給する。

【００６１】駆動部４は、供給された傾きの補正量に基
づいて保持機構３を駆動して、ウエハホルダー２のレベ
リングを行うと共に、供給されたフォーカス方向の位置
の補正量に基づいてウエハホルダー２を駆動して、ウエ
ハ１の露光面のフォーカス方向への位置決めを行う。こ
のようにして、ウエハ１の露光面上のショット領域１ａ
のレベリング及びフォーカシングを行った後、そのショ
ット領域１ａにレチクルＲ上の回路パターン像が結像投
影される。

【００６２】次に、本例の表面位置検出装置の光学系の
配置、ウエハ１のショット領域１ａ上の投影される格子
パターン像及びショット領域１ａの形状の関係につき説
明する。先ず本例では、図４（ａ）に示すように、ウエ
ハの露光面の矩形のショット領域１ａ上に投射光学系の
光軸ＡＸ２に沿って斜めに暗部３５ａと明部３５ｂとが
交互に配列された格子パターン像３５が投影されてい
る。図５（ａ）はそのショット領域１ａの平面図であ
り、図５（ａ）に示すように、その矩形のショット領域
１ａの輪郭に平行にＸ軸及びＹ軸が取られ、Ｘ軸に対し
て時計方向に角度αで交差する方向に延びた暗部３５ａ
及び明部３５ｂを、これらに垂直な方向にピッチＰで配
列した状態の格子パターン像３５がそのショット領域１
ａ上に投影されている。暗部３５ａの幅Ｐａはほぼその
ピッチＰの１／２である。また、５個の計測点Ｍ１〜Ｍ
５は、そのショット領域１ａ内の対角線方向の４隅及び
中央部に位置している。

【００６３】図５（ｂ）は、ショット領域１ａ内に既に
形成されている回路パターン３８を示し、この回路パタ
ーン３８はショット領域１ａの輪郭に平行なパターン、
即ちＸ軸又はＹ軸に平行なパターンから主に形成されて
いる。この場合、回路パターン３８の位置検出に与える
影響を低減するためには、回路パターン３８とその上に
投影される格子パターン像３５の明部及び暗部の長手方
向とがなす角度αは、４５°程度であることが望まし
い。但し、回路パターン３８の方向性によっては、その
角度αは４５°以外の角度でも良い。

【００６４】図５（ａ）に戻り、Ｘ軸に平行な軸ＡＸ２
Ｐは、図１の投射光学系９，１０の光軸ＡＸ２をウエハ
１上に投影して得られた軸であり、その軸ＡＸ２Ｐは、
図１の集光光学系１１，１２をウエハ１上に投影して得
られた軸と同じである。また、軸ＡＸ２Ｐは、投射光学
系９，１０の光軸ＡＸ２とウエハ１の露光面の法線とを
含む面とウエハ１の露光面との交線、及び集光光学系１
１，１２の光軸ＡＸ３Ａとウエハ１の露光面の法線を含
む面とウエハ１の露光面との交線でもある。従って、図
１の投射光学系９，１０及び集光光学系１１，１２をま
とめて検出光学系と呼ぶと、本例ではその検出光学系の
光軸をウエハ１の露光面に投影して得られる軸ＡＸ２Ｐ
は、ショット領域１ａの１辺に平行なＸ軸に平行であ
る。

【００６５】また、既に説明した図３（ａ）に示すよう
に、格子パターン板８上に形成されている格子パターン
３４の遮光部３４ａ及び光透過部３４ｂの長手方向と、
Ｘ軸に共役なＸ１方向とがなす角度はφである。この場
合、アオリの結像関係が成立しているため、格子パター
ン板８からウエハ１の露光面への横倍率β₄、ウエハ１
の露光面への照明光の主光線の入射角θ及び図５（ａ）
の交差角αを用いて、角度φは次のように表すことがで
きる。

【００６６】

【数７】

【００６７】例えば、入射角θが７５°、横倍率β₄が
２倍、角度αが４５°の場合、角度φは３６°となる。
また、図３（ｂ）では受光スリット板Ｓ上の開口部Ｓ
５，Ｓ３，Ｓ１の配列方向がＸ軸と共役なＸ２方向に角
度φで交差しているが、これは投射光学系９，１０の倍
率と集光光学系１１，１２の倍率とが等しい場合を示し
ている。また、そのＸ２方向に角度φで交差する方向
は、各開口部Ｓ１〜Ｓ５の長手方向でもある。

【００６８】次に、図４（ｂ）は図４（ａ）をＹ方向に
見た拡大図であり、この図４（ｂ）において、ウエハ１
の露光面のショット領域１ａ上に投影された格子パター
ン像の暗部３５ａ及び明部３５ｂの断面はＸ方向に所定
ピッチ（＝Ｐ/sinα）で配列されている。この場合、光
軸ＡＸ２に沿って入射する光束ＡＬ１は、ショット領域
１ａで反射された後、光束ＡＬ２として光軸ＡＸ３Ａに
沿って進む。そして、ショット領域１ａがＺ方向に位置
３６まで変位すると、入射した光束ＡＬ１はその位置３
６の面で反射されて、光束ＡＬ３として進む。従って、
暗部３５ａ及び明部３５ｂはそれぞれＸ方向に位置３７
ａ及び３７ｂまで変位する。即ち、図５（ａ）を例にと
ると、ショット領域１ａの各計測点Ｍ１〜Ｍ５のフォー
カス位置に応じた格子パターン像３５の変位方向は軸Ａ
Ｘ２Ｐに平行な方向である。

【００６９】この格子パターン像の変位方向と共役な図
１の受光スリット板Ｓ上の方向は、図３（ｂ）のＸ２方
向であり、格子パターン像の計測方向Ｒ２は、その格子
パターン像の変位方向に角度（π／２−φ）で交差して
いる。従って、格子パターン像の変位に対する検出感度
は、cos(π／２−φ）即ちsin φとなる。本例では角度
φは４５°程度であるため、感度の低下は実質的に問題
とならない。

【００７０】なお、実際に計測されるのは、格子パター
ン像と受光スリット板Ｓ上の開口部Ｓ１〜Ｓ５とのＲ２
方向の横ずれ量であるため、振動ミラー３０による格子
パターン像の振動方向を格子パターン像の変位方向（Ｘ
２方向）と等しくしても良い。このように格子パターン
像の振動方向がＸ２方向である場合には、図１において
振動ミラー３０の回動軸は、照射光学系９，１０の光軸
ＡＸ２及びウエハ１の露光面の法線を含む面、即ち図１
の紙面に垂直であれば良く、構成が簡略である。

【００７１】本例では（数７）から分かるように、ウエ
ハ１の露光面（被検面）への光軸ＡＸ２と垂直な方向の
結像倍率（横倍率）β₄が小さい程、受光スリット板Ｓ
上での角度φが小さくなり、検出感度（ｓｉｎφ）が低
下しなくなる。また、本例では図５（ａ）に示すよう
に、投射光学系９，１０の光軸ＡＸ２を投影した軸ＡＸ
２Ｐと格子パターン像３５の長手方向とが角度αで交差
しているため、軸ＡＸ２Ｐがショット領域１ａの１辺に
沿ったＸ方向に平行である。この場合、ウエハ１の露光
面への入射角θを８０°、投射光学系９，１０の横倍率
β ₄を１とする。そして、ショット領域１ａを幅Ｗ角の
正方形であるとすると、図１の投射光学系９，１０の光
軸ＡＸ２の方向にウエハ１の露光面上の格子パターン像
３５を見ると、図５（ｃ）のようにＸ方向に共役なＸ１
方向の幅がＨ１（≒cos θ・Ｗ≒0.17・Ｗ）で、Ｙ方向
に共役なＹ１方向の幅がＷの像３９が観察される。従っ
て、投射光学系９，１０の内の最も小さいレンズ４１の
直径Ｋ１は略Ｗで済む。

【００７２】これに対して、従来例では、図６（ａ）に
示すように、ショット領域１ａに投影される格子パター
ン像３５の配列方向（ピッチ方向）に平行に、照射光学
系の光軸をウエハ１上に投影した軸ＡＸ５Ｐが設定され
る。従って、格子パターン像３５の長手方向を幅Ｗ角の
正方形のショット領域１ａの輪郭に平行なＸ方向及びＹ
方向に４５°で交差する方向に設定するものとすると、
その軸ＡＸ５ＰはＸ軸及びＹ軸に４５°で交差する。そ
のため、従来例の投射光学系の光軸ＡＸ５の方向にウエ
ハ１の露光面上の格子パターン像３５を見ると、図６
（ｂ）のようにＸ軸に４５°で交差する方向に共役な方
向の幅が２^1/2・Ｗで、直交する方向の幅がcos θ・２
^1/2・Ｗ（≒0.24・Ｗ）の像４２が観察される。従って、
従来例の投射光学系の内の最も小さいレンズ４３の直径
Ｋ２は略２^1/2・Ｗとなる。

【００７３】即ち、本例によれば、投射光学系９，１０
の最小の直径（有効径）Ｋ１を、従来例を使用した場合
の最小の直径（有効径）Ｋ２の略１／２^1/2 にすること
ができる。従って、表面位置検出装置の光学系の全体の
体積が従来例に比べて略１／２^3/2(≒１／２．８）とな
り、装置の機構部が小型化される。なお、上述実施例で
はウエハ１の露光面上に投影されたパターンの変位検出
を振動ミラー３０を用いて行っているが、これを、光電
検出器１７として２次元ＣＣＤなどを使用した画像処理
によって行ってもよい。このように画像処理方式で位置
検出を行う場合には、図１において、振動ミラー３０を
単に平面鏡で置き換え、受光スリット板Ｓを取り除いた
状態で、光電検出器１７として２次元ＣＣＤ等を配置す
る。そして、２次元ＣＣＤ等で撮像した画像を処理し
て、ウエハ１のショット領域１ａ上の各計測点における
格子パターンの縞の横ずれ量をそれぞれ検出し、これら
横ずれ量からそのショット領域１ａの各計測点のフォー
カス位置を求める。

【００７４】以上の実施例では図３（ａ）に示す如き透
過部３４ｂと遮光部３４ａとが周期的に形成されるパタ
ーンを投射用のパターン板８として利用し、図５（ａ）
に示す如く、ウエハ１の露光面の矩形ショット領域１ａ
の全面にパターン板８の像を投影している例を示した
が、例えば５つの計測点Ｍ１〜Ｍ５（図５（ａ）を参
照）に対応する箇所に５つのスリット状（線状）のパタ
ーンを投影しても良い。この場合、図７に示す如く、各
計測点Ｍ１〜Ｍ５に対応するように５つのスリット状
（線状）の開口部３４ｂ₁〜３４ｂ₅を遮光性の部材に
形成したパターン板８０を図３（ａ）に示す如きパター
ン板８の代わりに用いれば良く、あるいは、透過性の平
行平面板に各計測点Ｍ１〜Ｍ５に対応するように形成さ
れた５つの遮光性のスリット状（線状）のパターン板を
投射用パターン板として用いて、暗いパターンを矩形シ
ョット領域１ａに投影しても良い。

【００７５】なお、以上では、ウエハ１の露光面の矩形
ショット領域１ａでの計測点を５箇所とした例を説明し
たが、計測点を５箇所以上とする場合には、例えば、図
７に示したスリット状（線状）の開口部（３４ｂ₁〜３
４ｂ₅）を５つ以上形成しても良い。このとき、５箇所
以上の計測点を検出するためには、図３（ｂ）に示す受
光スリット板Ｓは、各計測点に対応する箇所の計測用の
光を抽出するための５つ以上の複数の開口部を持つ構成
とすると共に、図３（ｃ）に示す光電検出器１７は、各
受光スリット板Ｓを通過した光の各々を独立に検出する
ための５つ以上の複数の受光素子を有する構成とする事
が好ましい。なお、５つ以上の複数の開口部を持つ受光
スリット板Ｓを取り除き、振動ミラー３０を単なる平面
鏡に置き換えて、光電検出器１７を２次元ＣＣＤ等とし
ても良い。

【００７６】また、図７では、図５（ｂ）に示す如く、
矩形ショット領域１ａでのパターンが直交したＸＹ方向
に沿って２次元的な方向性を有すると見なせる場合にお
いて、Ｘ方向並びにＹ方向に対して矩形ショット領域１
ａにて投影されるスリット状（線状）のパターン像の方
向（スリット状（線状）のパターン像の長手方向）を異
ならせしめる（非平行となる）ように投射用パターン板
８０の全ての開口部（３４ｂ₁〜３４ｂ₅）をパターン
の変位方向Ｘ１に対しφだけ傾けているが、矩形ショッ
ト領域１ａ内での２次元のパターンの方向性が各計測点
（Ｍ１〜Ｍ５）毎に局所的に異なる場合には、各計測点
（Ｍ１〜Ｍ５）での被計測物体の２次元的なパターンの
方向と投影されるスリット状（線状）のパターン像の方
向とが異なるように、投射用パターン板８０の各開口部
（３４ｂ₁〜３４ｂ₅）のパターンの変位方向Ｘ１に対
する傾きを、各計測点（Ｍ１〜Ｍ５）での被計測物体の
２次元的なパターンの方向に応じて決定することが良
い。

【００７７】一例として、矩形ショット領域１ａの周辺
部での２次元のパターンは直交したＸ，Ｙの各方向（図
５（ｂ）参照）に沿って方向性を有するものの、矩形シ
ョット領域１ａの中心部での２次元のパターンは直交し
たＸ，Ｙの各方向（図５（ｂ））とは異なる方向に沿っ
て方向性を有する場合には、図７の点線で示す如く、投
射用パターン板８０の中心部に位置する開口部３４ｂ₃
は、周辺部の開口部３４ｂ₁，３４ｂ₂，３４ｂ₃，３
４ｂ₄の傾き量φとは異なる傾き量φ’となるように形
成し、矩形ショット領域１ａの中心部に対応する計測点
Ｍ３に投射されるスリット状（線状）のパターン像の方
向を変えれば良い。

【００７８】ここで、図３（ｂ）に示す受光スリット板
Ｓの各開口部のパターンの変位方向Ｘ２に対する傾き、
並びに図３（ｃ）に示す光電検出器１７の各受光素子の
パターンの変位方向Ｘ３に対する傾きは、投射用パター
ン板８０の各開口部のパターンの変位方向Ｘ１に対する
傾きに対応させてそれぞれ決定することが好ましい。な
お、複数の開口部を持つ受光スリット板Ｓを取り除き、
振動ミラー３０を単なる平面鏡に置き換えて、光電検出
器１７を２次元ＣＣＤ等としても良い。

【００７９】また、互いに異なるパターンを有する複数
の被検物体を計測する際には、複数の開口部を有する第
１の投射用パターン板と，この第１の投射用パターン板
とは少なくとも１つの開口部の長手方向での向きが異な
る第２の投射用パターン板とを照射用光路内で交換可能
に設け、被検物体の各計測点での２次元パターンの方向
性に応じて投射されるスリット像の方向が最適となるよ
うにしても良い。この場合、光電検出器１７を２次元Ｃ
ＣＤ等とし、複数の開口部を持つ受光スリット板Ｓを取
り除き、振動ミラー３０を単なる平面鏡に置き換えた構
成とすれば、検出系の構成が簡素になるという利点を有
する。

【００８０】また、各投射用パターン板はそれぞれ偏向
プリズム（図１ではプリズム２６）と一体的に構成され
ても良く、この場合には、各投射用パターン板は偏向プ
リズムと共に一体的に交換可能に構成されることが良
い。

【００８１】なお、本発明は上述実施例に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る
ことは勿論である。

【００８２】

【発明の効果】本発明によれば、結像光学系の光軸と被
検面の法線とで形成される面に対して、その被検面上の
線状パターンの像の方向に垂直な計測方向を非平行にで
きるため、位置検出に使用する装置の光学系の配置上の
制約が無くなっている。従って、例えばその被検面上の
矩形の領域の各辺に４５°で交差する方向に線状パター
ンの像の方向を揃えた場合にも、その光学系の光軸の方
向をその矩形の領域の１辺に平行な面内に設定すること
により、光学系を小型化できる利点がある。

【００８３】また、その被検面上に所定の方向性を有す
るパターンが予め形成されているときに、その被検面上
に投影される線状パターンの像の方向を、その被検面上
に予め形成されているパターンの方向と異ならしめた場
合には、表面位置の計測結果に対するその被検面に予め
形成されているパターンの影響を低減することができ
る。

【００８４】なお、被検面上に投射されるパターンは縞
状のパターンに限ることなく、複数の計測点に対応する
箇所のそれぞれにスリット状（線状）のパターンを投影
しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例が適用された投影露光装置の
要部を示す構成図である。

【図２】（ａ）は図１の照射光学系９，１０等が両側テ
レセントリックであることを示す光路図、（ｂ）はシャ
インプルーフの条件の説明図である。

【図３】（ａ）は格子パターン板８上の格子パターンを
示す図、（ｂ）は受光スリット板Ｓ上の開口部の配列を
示す図、（ｃ）は光電検出器１７上の受光素子の配列を
示す図である。

【図４】（ａ）はウエハの露光面上のショット領域１ａ
に投影される格子パターン像を示す斜視図、（ｂ）はシ
ョット領域１ａの表面のＺ方向の変位に対する格子パタ
ーン像の変位方向を説明するための拡大断面図である。

【図５】（ａ）は図４（ａ）のショット領域１ａの平面
図、（ｂ）はそのショット領域１ａ上に形成されている
回路パターンを示す平面図、（ｃ）は図１の照射光学系
９，１０の光軸ＡＸ２の方向にショット領域１ａ上の格
子パターン像を見た場合に観察される像を示す図であ
る。

【図６】（ａ）は従来例においてウエハのショット領域
１ａに投影される格子パターン像と照射光学系の光軸と
の関係を示す平面図、（ｂ）は従来例の照射光学系の光
軸の方向に図６（ａ）のショット領域１ａ上の格子パタ
ーン像を見た場合に観察される像を示す図である。

【図７】ウエハ１の露光面の矩形ショット領域１ａでの
各計測点の各々にスリット状（線状）のパターンを投影
するための投射用パターン板８０の様子を示す平面図で
ある。

【符号の説明】

１ウエハ１ａショット領域２ウエハホルダー３保持機構５投影光学系６光源８格子パターン板２５アオリ補正プリズムＳ受光スリット板１７光電検出器３４格子パターンＳ１〜Ｓ５開口部Ｄ１〜Ｄ５受光素子Ｍ１〜Ｍ５計測点３５格子パターン像３８回路パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G01B 11/00 G01B 11/02 G03F 7/20 521

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】結像光学系を介して被検面上に斜めに所
定の計測用パターンの像を投影し、前記被検面からの反
射光を集光して再結像された前記計測用パターンの像の
位置に応じて変化する検出信号を生成し、該検出信号に
基づいて前記被検面の位置検出を行う方法において、前記計測用パターンとして線状パターンを使用し、前記
結像光学系の光軸と前記被検面の法線とで形成される面
に対して、前記被検面上の前記線状パターンの像に垂直
な計測方向を非平行にしたことを特徴とする表面位置検
出方法。
【請求項２】前記被検面上に所定の方向性を有するパ
ターンが予め形成されているときに、前記被検面上に投
影される前記線状パターンの像の方向を、前記被検面上
に予め形成されているパターンの方向と異ならしめたこ
とを特徴とする請求項１記載の表面位置検出方法。
【請求項３】被検面上に斜めに所定の計測用パターン
の像を投影し、前記被検面からの反射光を集光して再結
像された前記計測用パターンの像の位置に応じて変化す
る検出信号に基づいて前記被検面の位置検出を行う装置
において、前記被検面上に斜めに線状パターンの像を投影する第１
の結像光学系と、前記被検面からの反射光を集光して前
記線状パターンの像を再結像する第２の結像光学系と、
該再結像された線状パターンの像の位置に応じて変化す
る検出信号を生成する光電検出手段とを有し、前記第１の結像光学系の光軸と前記被検面の法線とで形
成される面に対して、前記被検面上の前記線状パターン
の像に垂直な計測方向を非平行にしたことを特徴とする
表面位置検出装置。