JP5630628B2 - 面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置、およびデバイス製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、被検面の面位置を検出する面位置検出装置、面位置検出方法、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転写する露光装置においては、投影光学系の焦点深度が浅く、感光性基板の感光面（転写面）が平坦でない場合もある。このため、露光装置では、投影光学系の結像面に対する感光性基板の感光面の位置決め調整を正確に行う必要がある。
投影光学系の光軸方向に沿った感光性基板の面位置（感光面の面位置）を検出する面位置検出装置として、例えば斜入射型オートフォーカスセンサが知られている（特許文献１を参照）。この斜入射型オートフォーカスセンサでは、被検面としての感光性基板に対して斜め方向からスリットの像を投射し、被検面で反射された光により形成されるスリットの像の位置情報を検出し、この位置情報に基づいて感光性基板の面位置を検出する。
特開平４−２１５０１５号公報
上述の斜入射型オートフォーカスセンサにおいては、斜入射型オートフォーカスセンサを構成する光学系内の光学部材の変動（位置変動、屈折率変動等）が発生した場合、感光性基板の面位置を正確に検出することができないという問題があった。
本発明の態様は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光学部材の変動の影響を抑制して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検出装置、面位置検出方法、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、本発明の第１の態様に従う面位置検出装置は、第１パターンからの第１の光と第２パターンからの第２の光とを被検面へ入射させて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射する送光光学系と、
前記被検面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成する受光光学系と、
前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出する検出部とを備え、
前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像を他方の中間像に対して所定方向に反転された像として投射することを特徴とする
また、本発明の第２の態様に従う面位置検出装置は、第１パターンからの第１の光と第２パターンからの第２の光とを被検面へ入射させて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射する送光光学系と、
前記被検面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成する受光光学系と、
前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出する検出部とを備え、
前記受光光学系は、前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像のうち一方の観測像を他方の観測像に対して、当該受光光学系によって所定方向と光学的に対応付けられる対応方向に反転された像として形成することを特徴とする。
また、本発明の第３の態様に従う面位置検出装置は、第１パターンからの第１の光を被検面に入射させて該被検面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出する第１検出系と、
第２パターンからの第２の光を前記被検面に入射させて該被検面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出する第２検出系と、
前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記被検面の面位置を算出する処理部と、を備え、
前記第１検出系および第２検出系は、相互に共通に設けられた少なくとも１つの共通光学部材を有し、
前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像は、他方の中間像に対して所定方向に反転された像として投射されることを特徴とする。
また、本発明の第４の態様に従う露光装置は、マスクステージに載置されたマスクのパターンを基板ステージに載置された感光性基板に転写する露光装置において、
前記感光性基板の感光面および前記マスクのパターン面の少なくとも一方の面位置を検出する第１〜３の態様のいずれか１つに従う面位置検出装置と、
前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記基板ステージおよび前記マスクステージの相対的な位置合わせをする位置合わせ機構と、
を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第５の態様に従う面位置検出方法は、被検面の面位置を算出する面位置検出方法であって、
第１パターンからの第１の光と第２パターンからの第２の光とを被検面に入射させて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射することと、
前記被検面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成することと、
前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出することと、を含み、
前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像を他方の中間像に対して所定方向に反転された像として投射することを特徴とする。
また、本発明の第６の態様に従う面位置検出方法は、被検面の面位置を算出する面位置検出方法であって、
第１パターンからの第１の光を前記被検面に入射させて該被検面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出することと、
第２パターンからの第２の光を前記被検面に入射させて該被検面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することと、
前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記被検面の面位置を算出することと、を含み、
前記第１の光および第２の光は、相互に共通に設けられた少なくとも１つの共通光学部材を経由し、
前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像は、他方の中間像に対して所定方向に反転された像として投射されることを特徴とする。
また、本発明の第７の態様に従うデバイス製造方法は、第４の態様に従う露光装置を用いて、前記パターンを前記感光性基板に転写することと、
前記パターンが転写された前記感光性基板を前記パターンに基づいて加工することと、
を含むことを特徴とする。
本発明の態様によれば、光学部材の変動の影響を抑制して被検面の面位置を高精度に検出することができる。
本発明の実施形態にかかる面位置検出装置を備えた露光装置の構成を示す図である。 本実施形態の第１実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。 測定光用の送光プリズムの射出面に設けられた複数の送光スリットを示す図である。 参照光用の送光プリズムの射出面に設けられた複数の送光スリットを示す図である。 送光側の菱形プリズムから受光側の菱形プリズムまでの構成を示す図である。 図５における測定光の光路および参照光の光路をＺ方向に沿って見た図である。 測定パターンの中間像と参照パターンの中間像とが被検面上で同列に且つ同じ箇所に配列される様子を模式的に示す図である。 測定光用の受光プリズムの入射面に設けられた複数の受光スリットを示す図である。 参照光用の受光プリズムの入射面に設けられた複数の受光スリットを示す図である。 測定光用の光検出器の検出面に設けられた複数の受光部を示す図である。 参照光用の光検出器の検出面に設けられた複数の受光部を示す図である。 測定パターンの観測像と参照パターンの観測像とで、各要素パターンの移動方向が逆向きになることを説明する図である。 第２実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。 測定光と参照光とに共通の送光プリズムの射出面に設けられた複数の送光スリットを示す図である。 図１３の送光側の菱形プリズムから受光側の菱形プリズムまでの測定光路および参照光路をＺ方向に沿って見た図である。 第２実施例において測定パターンの中間像と参照パターンの中間像とが被検面上で平行に配列される様子を模式的に示す図である。 測定光と参照光とに共通の光検出器の検出面に設けられた複数の受光部を示す図である。 第３実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。 図１８の送光側の菱形プリズムから受光側の菱形プリズムまでの測定光路および参照光路をＺ方向に沿って見た図である。 測定パターンの中間像の要素パターンと参照パターンの中間像の要素パターンとを一方向に沿って交互に配列させた例を模式的に示す図である。 複数の測定パターンの中間像の要素パターンと複数の参照パターンの中間像の要素パターンとをマトリックス状に重ねて配列させた例を模式的に示す図である。 複数の測定パターンの中間像の要素パターンと複数の参照パターンの中間像の要素パターンとをマトリックス状に交互に配列させた例を模式的に示す図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる面位置検出装置を備えた露光装置の構成を示す図である。図２は、本実施形態の第１実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。図１では、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向にＺ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に平行にＸ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に垂直にＹ軸を設定している。
本実施形態の各実施例では、露光装置においてパターンが転写される感光性基板の面位置の検出に対して本発明の面位置検出装置を適用している。
図１に示す露光装置は、露光用光源（不図示）から射出された照明光（露光光）で、所定のパターンが形成されたマスクとしてのレチクルＲを照明する照明系ＩＬを備えている。レチクルＲは、レチクルステージＲＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。レチクルステージＲＳは、図示を省略した駆動系の作用により、ＸＹ平面に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル干渉計（不図示）によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。
レチクルＲを透過した露光光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷの表面（感光面）Ｗａ上にレチクルＲのパターンの像を形成する。ウェハＷは、ＺステージＶＳ上においてＸＹ平面と平行に保持されている。ＺステージＶＳは、投影光学系ＰＬの像面と平行なＸＹ平面に沿って移動するＸＹステージＨＳ上に取り付けられている。ＺステージＶＳは、制御部ＣＲからの指示に従って駆動系ＶＤの作用により動作し、ウェハＷのフォーカス位置（Ｚ方向の位置）および傾斜角（ＸＹ平面に対するウェハＷの表面の傾き）を調整する。
ＺステージＶＳには移動鏡（不図示）が設けられ、この移動鏡を用いるウェハ干渉計（不図示）が、ＺステージＶＳのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、およびＺ軸廻りの回転方向の位置をリアルタイムに計測し、計測結果を制御部ＣＲに出力する。ＸＹステージＨＳは、ベース（不図示）上に載置されている。ＸＹステージＨＳは、制御部ＣＲからの指示に従って駆動系ＨＤの作用により動作し、ウェハＷのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、およびＺ軸廻りの回転方向の位置を調整する。
レチクルＲのパターン面上に設けられた回路パターンをウェハＷの感光面Ｗａ上の各露光領域に良好に転写するには、各露光領域への露光毎に、投影光学系ＰＬによる結像面を中心とした焦点深度の幅の範囲内に、現在の露光領域を位置合わせする必要がある。そのためには、現在の露光領域における各点の光軸ＡＸに沿った位置、つまり現在の露光領域の面位置を正確に検出した後に、その検出結果に基づいて、ＺステージＶＳのレベリング（ウェハＷの傾斜角の調整；水平出し）およびＺ方向の移動を、ひいてはウェハＷのレベリングおよびＺ方向の移動を行えば良い。そこで、本実施形態の露光装置は、露光領域の面位置を検出するための面位置検出装置を備えている。
図１に示されるように、第１実施例の面位置検出装置は、送光ユニット１０１と、受光ユニット１０２とを備える。図２に示されるように、送光ユニット１０１は、測定光用の光源１Ａ、参照光用の光源１Ｂ、コンデンサーレンズ２Ａ、２Ｂ、送光プリズム３Ａ、３Ｂ、ダイクロイックミラー４、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、菱形プリズム８、及び台形プリズム１０を備える。受光ユニット１０２は、リレーレンズ２２Ａ、２２Ｂ、受光プリズム２３Ａ、２３Ｂ、ダイクロイックミラー２４、第２対物レンズ２５、ミラー２６、第１対物レンズ２７、菱形プリズム２８、及び台形プリズム３０を備える。一般に、被検面であるウェハＷの表面は、レジスト等の薄膜で覆われている。したがって、この薄膜による干渉の影響を低減するために、光源１Ａおよび１Ｂは波長幅の広い白色光源（たとえば、波長幅が６００〜９００ｎｍの照明光を供給するハロゲンランプや、これと同様の帯域の広い照明光を供給するキセノン光源など）であることが望ましい。なお、光源１Ａおよび１Ｂとして、レジストに対する感光性の弱い波長帯の光を供給する発光ダイオードを用いることもできる。
光源１Ａからの光は、コンデンサーレンズ２Ａを介して、送光プリズム３Ａに入射する。送光プリズム３Ａは、コンデンサーレンズ２Ａからの光を、屈折作用により後続のダイクロイックミラー４に向かって偏向させる。送光プリズム３Ａの射出面３Ａａには、例えば図３に示すように配列された５個の測定光用の送光スリットＳｍ１，Ｓｍ２，Ｓｍ３，Ｓｍ４，Ｓｍ５が設けられている。
図３では、射出面３Ａａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ１軸を、射出面３Ａａにおいてｙ１軸と直交する方向にｘ１軸を設定している。送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５は、例えばｘ１方向およびｙ１方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５以外の領域は遮光部である。測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５は、ｘ１方向に沿って所定のピッチで一列に配列されている。
同様に、光源１Ｂからの光は、コンデンサーレンズ２Ｂを介して、送光プリズム３Ｂに入射する。送光プリズム３Ｂは、コンデンサーレンズ２Ｂからの光を、屈折作用によりダイクロイックミラー４に向かって偏向させる。送光プリズム３Ｂの射出面３Ｂａには、例えば図４に示すように配列された５個の参照光用の送光スリットＳｒ１，Ｓｒ２，Ｓｒ３，Ｓｒ４，Ｓｒ５が設けられている。
図４では、射出面３Ｂａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ２軸を、射出面３Ｂａにおいてｙ２軸と直交する方向にｘ２軸を設定している。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、例えばｘ２方向およびｙ２方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５以外の領域は遮光部である。参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、ｘ２方向に沿って所定のピッチで一列に配列されている。
このように、光源１Ａおよびコンデンサーレンズ２Ａは送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を照明する測定光用の照明系を構成し、光源１Ｂおよびコンデンサーレンズ２Ｂは送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を照明する参照光用の照明系を構成している。測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５は、５個の要素パターンがｘ１方向に沿って所定のピッチで一列に配列された配列パターンである。
参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、５個の要素パターンがｘ２方向に沿って所定のピッチで一列に配列された配列パターンである。なお、後述するように、測定パターンおよび参照パターンを構成する要素パターンの形状、数、配列などについて様々な変形例が可能である。
送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を通過した測定光は、ダイクロイックミラー４を透過した後、第２対物レンズ５、走査手段としての振動ミラー６、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を通過した参照光は、ダイクロイックミラー４によって反射された後、第２対物レンズ５、振動ミラー６、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。
第２対物レンズ５と第１対物レンズ７とは、協働して送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の中間像および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の中間像を形成する。振動ミラー６は、第１対物レンズ７の前側焦点位置に配置され、図１中矢印で示すようにＹ軸廻りに回動可能に構成されている。菱形プリズム８は、ＸＺ平面に沿って平行四辺形状の断面を有し、Ｙ方向に延びる柱状のプリズム部材である。なお、菱形プリズムの断面形状は、平行四辺形に限定されず、一般には長斜方形（偏菱形）とすることができる。
図５に示すように、菱形プリズム８の図中下側の側面８ｃにはダイクロイック膜９が形成され、このダイクロイック膜９に隣接して台形プリズム１０が取り付けられている。台形プリズム１０は、ＸＺ平面に沿って台形状の断面を有し、Ｙ方向に延びる柱状のプリズム部材である。台形プリズム１０は、台形の底辺に対応する側面がダイクロイック膜９を介して菱形プリズム８の側面８ｃに隣接するように取り付けられている。
図５において実線で示すように測定光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂによって反射された後、側面８ｃに形成されたダイクロイック膜９に入射する。ダイクロイック膜９によって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム８の射出面８ｄから射出され、被検面としての感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡに、ＸＺ平面に沿って斜め方向から入射する。測定光Ｌｍの入射角θｍは、例えば８０度以上９０度未満の大きな角度に設定されている。
一方、図５において破線で示すように参照光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂによって反射され、ダイクロイック膜９を透過して、台形プリズム１０に入射する。図５および図６に示すように、菱形プリズム８に入射する測定光Ｌｍの光路と参照光Ｌｒの光路とは互いに一致している。台形プリズム１０に入射した参照光Ｌｒは、台形の斜辺に対応する反射面１０ａおよび１０ｂによって順次反射され、ダイクロイック膜９を透過し、菱形プリズム８の射出面８ｄから射出される。
つまり、ダイクロイック膜９は、波長に応じた光の分離作用についてダイクロイックミラー４と逆の特性を有する。射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、図５および図６に示すように、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面（ＸＺ平面）に沿って、検出領域ＤＡに斜め方向から入射する。参照光Ｌｒの入射角θｒは、測定光Ｌｍの入射角θｍと同じ角度に設定されている。すなわち、菱形プリズム８からの測定光Ｌｍと参照光Ｌｒとが同一平面に沿って感光面Ｗａに入射し、菱形プリズム８から感光面Ｗａに入射する測定光Ｌｍの光路と参照光Ｌｒの光路とは互いに一致している。
こうして、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図７に模式的に示すように、測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の中間像Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｍ３，Ｉｍ４，Ｉｍ５が投射される。すなわち、検出領域ＤＡには、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。各中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心は、検出領域ＤＡにおける検出点に対応している。
同様に、検出領域ＤＡには、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の中間像Ｉｒ１，Ｉｒ２，Ｉｒ３，Ｉｒ４，Ｉｒ５が投射される。すなわち、検出領域ＤＡには、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。ここで、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５は、後述のように参照光が測定光に比してＸ方向と光学的に対応する方向に１回多く反射されて感光面Ｗａに達するため、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５に対してＸ方向に反転された像として投射される。
参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５は、その中心が測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心とそれぞれ一致し、且つその長手方向が測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の長手方向とそれぞれ一致するように形成される。換言すれば、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５は、検出領域ＤＡに形成される中間像の対応する要素パターンの中心が互いに一致し且つ長手方向が互いに一致するように形成されている。
このように、ダイクロイックミラー４、第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、菱形プリズム８、ダイクロイック膜９、および台形プリズム１０は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光（第１測定光）および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光（第２測定光）を互いに同じ入射角で感光面Ｗａにそれぞれ入射させ、感光面Ｗａの検出領域ＤＡに測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を投射する送光光学系を構成している。
送光光学系は、上述したように、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５に比してＸ方向に反転された像として感光面Ｗａに投射する。ここで、Ｘ方向は、送光光学系から感光面Ｗａへ向かう投射光軸（図２中参照符号ＡＸｐで示す）と感光面Ｗａの法線とを含む投射平面（ＸＺ平面）に平行な方向であって、投射光軸ＡＸｐと交差する方向である。別の表現をすれば、Ｘ方向は、投射平面（ＸＺ平面）と感光面Ｗａとが交差する方向である。
送光光学系は、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を感光面Ｗａに対する測定光の入射面に沿って同列に配列させている。また、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンと、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の対応する要素パターンとは、感光面Ｗａ上の同一箇所に配列されている。
第２対物レンズ５、振動ミラー６、第１対物レンズ７、および菱形プリズム８は、測定光および参照光に対して共通に設けられた送光側共通光学部材であり、第２対物レンズ５および第１対物レンズ７は、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を形成する送光側結像部を構成している。台形プリズム１０は、送光側結像部（５，７）が形成する測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５をＸ方向に相対的に反転させる送光側反転部を構成している。
ダイクロイック膜９は、送光側結像部（５，７）を経た測定光および参照光を相対的に偏向させて参照光を送光側反転部としての台形プリズム１０へ導く送光側分離部を構成している。具体的には、ダイクロイック膜９は、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を反射させて参照光を透過させている。
送光側反転部としての台形プリズム１０は、送光光学系における感光面Ｗａ側の端部に設けられ、測定光に比して参照光をＸ方向と光学的に対応する方向（例えばＸＺ平面に沿った方向）に奇数回（第１実施例では例示的に１回）多く反射させている。具体的には、台形プリズム１０は、投射光軸ＡＸｐと感光面Ｗａの法線とを含む投射平面（ＸＺ平面）に垂直な反射面１０ａ，１０ｂを有したプリズム部材であり、測定光が反射面９によって１回反射されるのに対して、反射面９に代わる反射面１０ａ，１０ｂによって参照光をＸＺ平面に沿って２回内面反射させている。
ダイクロイックミラー４は、互いに異なる方向から入射する測定光および参照光を相対的に偏向させて送光側結像部（５，７）へ導く送光側合成部を構成している。ダイクロイックミラー４は、測定光および参照光の波長に応じて、参照光を反射させて測定光を透過させている。なお、送光側合成部および送光側分離部は、測定光および参照光の波長に限らず偏光に応じて、測定光および参照光の一方を反射させて他方を透過させるようにすることもできる。
図５を参照すると、感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム２８に入射する。菱形プリズム２８は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して菱形プリズム８と対称な位置に配置され且つ対称的な構成を有する。具体的には、菱形プリズム２８は、菱形プリズム８を入射面８ａについて反転した構成を有する。また、菱形プリズム２８の図中下側の側面２８ｂにはダイクロイック膜２９が形成され、このダイクロイック膜２９に隣接して台形プリズム３０が取り付けられている。
ダイクロイック膜２９および台形プリズム３０は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関してダイクロイック膜９および台形プリズム１０とそれぞれ対称な位置に配置され且つそれぞれ対称的な構成を有する。また、ダイクロイック膜２９は、波長に応じた光の分離作用についてダイクロイック膜９と同じ特性を有する。したがって、菱形プリズム２８の入射面２８ａに入射した測定光Ｌｍは、ダイクロイック膜２９および反射面２８ｃで順次反射された後、射出面２８ｄから射出される。
一方、感光面Ｗａによって反射された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍと同じ光路に沿って菱形プリズム２８に入射し、その入射面２８ａおよびダイクロイック膜２９を順次透過して、台形プリズム３０に入射する。台形プリズム３０に入射した参照光Ｌｒは、反射面３０ａおよび３０ｂによって順次反射され、ダイクロイック膜２９を透過し、反射面２８ｃで反射された後、射出面２８ｄから射出される。射出面２８ｄから射出された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍと同じ光路に沿って後続の第１対物レンズ２７（図５では不図示）へ導かれる。
図１および図２を参照すると、菱形プリズム２８から射出された測定光は、第１対物レンズ２７、ミラー（図２では不図示）２６、および第２対物レンズ２５を介した後、ダイクロイックミラー（図１では不図示）２４を透過して、受光プリズム２３Ａに入射する。菱形プリズム２８から射出された参照光は、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５を介した後、ダイクロイックミラー２４によって反射されて、受光プリズム２３Ｂに入射する。
第１対物レンズ２７、ミラー２６、第２対物レンズ２５、およびダイクロイックミラー２４は、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して、第１対物レンズ７、振動ミラー６、第２対物レンズ５、およびダイクロイックミラー４とそれぞれ対称な位置に配置され且つそれぞれ対称的な構成を有する。ただし、ミラー２６は、振動ミラー６とは異なり、固定的に設置されている。ダイクロイックミラー２４は、波長に応じた光の分離作用についてダイクロイックミラー４と同じ特性を有する。
受光プリズム２３Ａおよび２３Ｂは、所定のＹＺ平面（例えば、光軸ＡＸを含むＹＺ平面）に関して送光プリズム３Ａおよび３Ｂとそれぞれ対称な位置に配置され且つそれぞれ対称的な構成を有する。測定光用の受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａ（送光プリズム３Ａの射出面３Ａａに対応する面）には、図８に示すように、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応した５個の受光スリットＳｍａ１，Ｓｍａ２，Ｓｍａ３，Ｓｍａ４，Ｓｍａ５が設けられている。図８では、入射面２３Ａａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ３軸を、入射面２３Ａａにおいてｙ３軸と直交する方向にｘ３軸を設定している。
参照光用の受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａ（送光プリズム３Ｂの射出面３Ｂａに対応する面）には、図９に示すように、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応した５個の受光スリットＳｒａ１，Ｓｒａ２，Ｓｒａ３，Ｓｒａ４，Ｓｒａ５が設けられている。図９では、入射面２３Ｂａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ４軸を、入射面２３Ｂａにおいてｙ４軸と直交する方向にｘ４軸を設定している。
受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５はｘ３方向およびｙ３方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５以外の領域は遮光部である。受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５はｘ４方向およびｙ４方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる矩形状（スリット状）の光透過部であり、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５以外の領域は遮光部である。受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５はｘ３方向に沿って所定のピッチ（例えば、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５と等しいピッチ）で配列され、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５はｘ４方向に沿って所定のピッチ（例えば、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５と等しいピッチ）で配列されている。
受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａには測定光用の送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像が形成され、受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａには参照光用の送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像が形成される。すなわち、入射面２３Ａａには、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応して、ｘ３方向およびｙ３方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びるスリット状の観測像の５個の要素パターンがｘ３方向に沿って所定のピッチで形成される。また、入射面２３Ｂａには、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応して、ｘ４方向およびｙ４方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びるスリット状の観測像の５個の要素パターンがｘ４方向に沿って所定のピッチで形成される。
ここで、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像は、後述のように参照光が測定光に比してＸ方向と光学的に対応する方向に１回多く反射されて入射面２３Ｂａに達するため、測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像に対して、Ｘ方向と光学的に対応する方向に反転された像として形成される。また、測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５は、測定パターンの観測像の各要素パターンに対応するように設けられ、参照光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５は、参照パターンの観測像の各要素パターンに対応するように設けられている。
このように、台形プリズム３０、ダイクロイック膜２９、菱形プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、第２対物レンズ２５、およびダイクロイックミラー２４は、感光面Ｗａによって反射された測定光および参照光をそれぞれ入射面２３Ａａ（第１観測面）および入射面２３Ｂａ（第２観測面）へ導いて、入射面２３Ａａに測定パターンの観測像を形成するとともに入射面２３Ｂａに参照パターンの観測像を形成する受光光学系を構成している。
受光光学系は、上述したように、参照パターンの観測像を測定パターンの観測像に対して、受光光学系によってＸ方向と光学的に対応付けられる対応方向に反転された像として形成する。菱形プリズム２８、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５は、感光面Ｗａによって反射された測定光および参照光に対して共通に設けられた受光側共通光学部材となっている。
第１対物レンズ２７および第２対物レンズ２５は、測定パターンの観測像および参照パターンの観測像を形成する受光側結像部を構成している。台形プリズム３０は、受光側結像部（２７，２５）が形成する測定パターンの観測像および参照パターンの観測像を、受光光学系によってＸ方向と光学的に対応付けられる対応方向に相対的に反転させる受光側反転部を構成している。
ダイクロイック膜２９は、感光面Ｗａからの測定光および感光面Ｗａから台形プリズム３０を経た参照光を相対的に偏向させて受光側結像部（２７，２５）へ導く受光側合成部を構成している。具体的には、ダイクロイック膜２９は、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を反射させて参照光を透過させている。
受光側反転部としての台形プリズム３０は、受光光学系における感光面Ｗａ側の端部に設けられ、測定光に比して参照光をＸ方向と光学的に対応する方向（例えばＸＺ平面に沿った方向）に奇数回（第１実施例では例示的に１回）多く反射させている。具体的には、台形プリズム３０は、投射光軸ＡＸｐと感光面Ｗａの法線とを含む投射平面（ＸＺ平面）に垂直な反射面３０ａ，３０ｂを有したプリズム部材であり、測定光が反射面２９によって１回反射されるのに対して、反射面２９に代わる反射面３０ａ，３０ｂによって参照光をＸＺ平面に沿って２回内面反射させている。
ダイクロイックミラー２４は、受光側結像部（２７，２５）を経た測定光および参照光を相対的に偏向させてそれぞれ入射面２３Ａａ（第１観測面）および入射面２３Ｂａ（第２観測面）へ導く受光側分離部を構成している。ダイクロイックミラー２４は、測定光および参照光の波長に応じて、参照光を反射させて測定光を透過させている。なお、受光側合成部および受光側分離部は、測定光および参照光の波長に限らず偏光に応じて、測定光および参照光の一方を反射させて他方を透過させるようにすることもできる。
受光プリズム２３Ａに入射した測定光は、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過し、所定の角度だけ偏向された後、受光プリズム２３Ａから射出される。受光プリズム２３Ａから射出された測定光は、リレーレンズ２２Ａを介して、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５内にそれぞれ形成された測定パターンの観測像の共役像を、光検出器２１Ａの検出面２１Ａａ上に形成する。
光検出器２１Ａの検出面２１Ａａには、図１０に示すように、５個の受光部ＲＳｍ１，ＲＳｍ２，ＲＳｍ３，ＲＳｍ４，ＲＳｍ５が、５個の測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５にそれぞれ対応するように設けられている。５個の受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応する５個の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過した測定光をそれぞれ受光する。送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の各要素パターンは、感光面ＷａのＺ方向に沿った移動に伴って、入射面２３Ａａ上でｘ３方向に移動する。したがって、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過する測定光の光量は感光面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。
同様に、受光プリズム２３Ｂに入射した参照光は、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過し、所定の角度だけ偏向された後、受光プリズム２３Ｂから射出される。受光プリズム２３Ｂから射出された参照光は、リレーレンズ２２Ｂを介して、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５内にそれぞれ形成された参照パターンの観測像の共役像を、光検出器２１Ｂの検出面２１Ｂａ上に形成する。
光検出器２１Ｂの検出面２１Ｂａには、図１１に示すように、５個の受光部ＲＳｒ１，ＲＳｒ２，ＲＳｒ３，ＲＳｒ４，ＲＳｒ５が、５個の測定光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５にそれぞれ対応するように設けられている。５個の受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５は、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応する５個の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過した参照光をそれぞれ受光する。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像の各要素パターンは、感光面ＷａのＺ方向に沿った移動に伴って、入射面２３Ｂａ上でｘ４方向に移動する。したがって、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過する参照光の光量も、測定光の場合と同様に、感光面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。
具体的には、図１２に示すように、ウェハＷが図中実線で示す位置から図中破線で示す位置へＺ方向に沿って図中上側へ移動した場合、移動後の感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍ’および参照光Ｌｒ’は、移動前の感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍおよび参照光Ｌｒとは異なる光路に沿って、受光プリズム２３Ａおよび２３Ｂにそれぞれ入射する。図１２では、説明の理解を容易にするために、受光プリズム２３Ａと２３Ｂとを同じ位置に配置している。
図１２を参照すると、移動後の感光面Ｗａから菱形プリズム２８に入射する測定光Ｌｍ’および参照光Ｌｒ’の光路は、移動前の感光面Ｗａから菱形プリズム２８に入射する測定光Ｌｍおよび参照光Ｌｒの光路に比して図中上側へ移動する。しかしながら、菱形プリズム２８に入射した測定光Ｌｍ’および参照光Ｌｒ’のうち参照光Ｌｒ’だけが台形プリズム３０の像反転作用を受けるため、菱形プリズム２８と受光側結像部（２７，２５）との間では、移動後の測定光Ｌｍ’の光路は移動前の測定光Ｌｍの光路に比して図中上側へ移動し、移動後の参照光Ｌｒ’の光路は移動前の参照光Ｌｒの光路に比して図中下側へ移動する。
逆に、受光側結像部（２７，２５）と受光プリズム２３Ａ，２３Ｂとの間では、移動後の測定光Ｌｍ’の光路は移動前の測定光Ｌｍの光路に比して図中下側へ移動し、移動後の参照光Ｌｒ’の光路は移動前の参照光Ｌｒの光路に比して図中上側へ移動する。すなわち、台形プリズム３０の像反転作用により、測定パターンの観測像と参照パターンの観測像とでは、感光面ＷａのＺ方向に沿った移動に伴う各要素パターンの移動方向が逆向きになる。
第１実施例の面位置検出装置では、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面と合致している状態において、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像（測定パターンの観測像）の各要素パターンが受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５の位置に形成され、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像（参照パターンの観測像）の各要素パターンが受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５の位置に形成されるように構成されている。受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５の検出信号および受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５の検出信号は、振動ミラー６の振動に同期して変化し、信号処理部ＰＲに供給される。
上述したように、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿ってＺ方向に上下移動すると、受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａに形成される測定パターンの観測像の各要素パターンは、感光面Ｗａの上下移動に対応してピッチ方向（ｘ３方向）に沿って位置ずれを起こす。同様に、受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａに形成される参照パターンの観測像の各要素パターンは、感光面Ｗａの上下移動に対応してピッチ方向（ｘ４方向）に沿って且つ測定パターンの観測像とは上述のように逆向きに位置ずれを起こす。
信号処理部ＰＲでは、たとえば本出願人による特開平６−９７０４５号公報に開示された光電顕微鏡の原理により、光検出器２１Ａの出力に基づいて測定パターンの観測像の各要素パターンの位置ずれ量（位置情報）を検出し、検出した位置ずれ量に基づいて検出領域ＤＡ内の各検出点の面位置（Ｚ方向位置）Ｚｍ１，Ｚｍ２，Ｚｍ３，Ｚｍ４，Ｚｍ５を算出する。同様に、信号処理部ＰＲは、光検出器２１Ｂの出力に基づいて参照パターンの観測像の各要素パターンの位置ずれ量を検出し、検出した位置ずれ量に基づいて検出領域ＤＡ内の各検出点の面位置Ｚｒ１，Ｚｒ２，Ｚｒ３，Ｚｒ４，Ｚｒ５を算出する。この場合、測定光および参照光について同時に光電顕微鏡の原理に基づく位置情報の検出が可能なように、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５，Ｓｒ１〜Ｓｒ５と受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５，Ｓｒａ１〜Ｓｒａ５とのそれぞれ対応するスリット幅、および振動ミラー６の振動振幅（Ｙ軸廻りに回動する角度範囲）等が設定される。
前述したように、面位置検出装置を構成する光学部材の位置変動や屈折率変動等により、例えば、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面に合致している（ベストフォーカス状態にある）にもかかわらず、受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａに形成される測定パターンの観測像の各要素パターンの位置がそれぞれ受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５の位置から位置ずれすることがある。この場合、測定パターンの観測像の各要素パターンの受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５からの位置ずれ量に応じて、各検出点の面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５は検出誤差を含むことになる。
同様の理由により、感光面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面に合致しているにもかかわらず、受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａに形成される参照パターンの観測像の各要素パターンの位置がそれぞれ受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５の位置から位置ずれすることがある。この場合、参照パターンの観測像の各要素パターンの受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５からの位置ずれ量に応じて、各検出点の面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５は検出誤差を含むことになる。
第１実施例の面位置検出装置では、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光が、測定光と参照光とに共通な複数の光学部材、すなわち送光側共通光学部材（５〜８）および受光側共通光学部材（２８〜２５）を経て、測定パターンの観測像および参照パターンの観測像をそれぞれ形成する。したがって、参照パターンの観測像は、測定パターンの観測像と同様に、送光側共通光学部材（５〜８）および受光側共通光学部材（２８〜２５）の変動の影響に関する情報を含んでいる。
換言すれば、測定パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５、および参照パターンの観測像の位置情報に基づいて測定光と同じ様に算出される面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５は、送光光学系の主要部分を占める送光側共通光学部材（５〜８）および受光光学系の主要部分を占める受光側共通光学部材（２８〜２５）に起因する面位置の検出誤差を共通に含んでいる。以下、光学部材の変動の影響が全く無い状態において測定光により検出されるべき面位置を、「真の面位置」と呼ぶ。
真の面位置Ｚｖと、測定パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される第１の面位置Ｚｍと、参照パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される第２の面位置Ｚｒとの間には、次の式（１）および（２）に示す関係を満足させることができる。
Ｚｍ＝Ｚｖ＋Ｅｏ （１）
Ｚｒ＝（−sinθｒ／sinθｍ）×Ｚｖ＋Ｅｏ （２）
式（１）および（２）において、Ｅｏは、光学部材の変動に起因する面位置の検出誤差であって、測定パターンの観測像の位置情報に基づく面位置Ｚｍと参照パターンの観測像の位置情報に基づく面位置Ｚｒとが共通に含む誤差である。θｍは感光面Ｗａへの測定光の入射角であり、θｒは感光面Ｗａへの参照光の入射角である。第１実施例では、測定光の入射角θｍと参照光の入射角θｒとが一致しているので、α＝−sinθｒ／sinθｍ＝−１である。
式（１）および（２）を真の面位置Ｚｖについて解くと、次の式（３）に示す関係が得られる。また、第１実施例では、α＝−sinθｒ／sinθｍ＝−１であるから、真の面位置Ｚｖは、次の式（４）で表される。
Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）／（１＋sinθｒ／sinθｍ） （３）
Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）／２ （４）
第１実施例では、信号処理部ＰＲにおいて、測定パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５を算出し、参照パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５を算出する。そして、例えばｉ（ｉ＝１〜５）番目の要素パターンについて算出された面位置ＺｍｉおよびＺｒｉを面位置ＺｍおよびＺｒとして式（４）に代入することにより得られた面位置Ｚｖを、光学部材の変動の影響を受けない補正された面位置Ｚｖｉとして算出する。
すなわち、信号処理部ＰＲは、測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５と参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５とに基づいて、検出領域ＤＡの各検出点における補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を算出する。この算出結果は、例えば露光装置の制御部ＣＲの内部に設けられた記憶部ＭＲに供給される。制御部ＣＲは、必要に応じて、駆動系ＨＤに指令を供給し、ＸＹステージＨＳを、ひいてはウェハＷをＸＹ平面に沿って移動させる。そして、面位置検出装置は、ウェハＷの感光面Ｗａ上の新たな検出領域ＤＡの各検出点における補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を算出し、この算出結果を記憶部ＭＲに供給する。
換言すれば、面位置検出装置は、平面駆動機構としての駆動系ＨＤによるＸＹステージＨＳの感光面Ｗａに沿った方向への移動、ひいてはＺステージＶＳの感光面Ｗａに沿った方向への移動に応じて、感光面Ｗａの複数箇所における面位置を検出する。ウェハＷのＸＹ平面に沿った移動、および補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５の算出からなる一連の処理は、必要に応じて、所要の範囲に亘って所要の回数だけ行われる。面位置検出装置の複数の検出結果（すなわち複数の検出点における補正された面位置に関する情報）は、記憶部ＭＲにマップデータとして記憶される。
制御部ＣＲは、信号処理部ＰＲで得られた検出結果、ひいては記憶部ＭＲに記憶された面位置のマップデータに基づいて、ＸＹステージＨＳおよびＺステージＶＳの感光面Ｗａに沿った位置に応じてＺステージＶＳのＺ方向位置を所要量だけ調整し、感光面Ｗａ上の検出領域を、ひいてはウェハＷの現在の露光領域を投影光学系ＰＬの結像面位置（ベストフォーカス位置）に位置合わせする。すなわち、制御部ＣＲは、現在の露光領域に応じて垂直駆動機構としての駆動系ＶＤに指令を供給し、ＺステージＶＳを、ひいてはウェハＷを感光面Ｗａに垂直なＺ方向に沿って所要量だけ移動させる。こうして、制御部ＣＲおよび駆動系ＶＤは、面位置検出装置の検出結果に基づいて、ＺステージＶＳとレチクルステージＲＳとの相対的な位置合わせをする位置合わせ機構を構成している。
このように、受光プリズム２３Ａ，２３Ｂ、リレーレンズ２２Ａ，２２Ｂ、光検出器２１Ａ，２１Ｂ、および信号処理部ＰＲは、受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａにおける送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の位置情報および受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａにおける送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像の位置情報を検出し、検出した各位置情報に基づいて感光面Ｗａの面位置（すなわち補正された面位置Ｚｖｉ）を算出する検出部を構成している。
以上のように、第１実施例の面位置検出装置では、測定光と参照光とが、共通光学部材を経て、互いに同じ入射角で感光面Ｗａに入射する。ただし、参照パターンの中間像は、測定パターンの中間像に対してＸ方向に反転された像として感光面Ｗａに投射される。また、参照パターンの観測像は、測定パターンの観測像に対して、受光光学系によってＸ方向と光学的に対応付けられる対応方向に反転された像として受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａに形成される。
したがって、測定光と参照光とは面位置の検出感度が互いに異なり、且つ測定パターンの観測像と参照パターンの観測像とは測定光と参照光とに共通な共通光学部材の変動の影響に関する情報を含んでいる。すなわち、測定パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｍおよび参照パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒは、共通光学部材の変動に起因する面位置の検出誤差Ｅｏを共通に含んでいる。
したがって、第１実施例の面位置検出装置では、測定光に基づいて算出される面位置Ｚｍと参照光に基づいて算出される面位置Ｚｒとを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置Ｚｖを算出すること、すなわち共通光学部材の変動に影響されずに感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。その結果、本実施形態の露光装置では、ウェハＷの感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができ、ひいてはレチクルＲのパターン面に対応する投影光学系ＰＬの結像面に対して感光面Ｗａを高精度に位置合わせすることができる。
なお、上述の説明では、測定光がダイクロイックミラー４，２４を透過し、参照光がダイクロイックミラー４，２４によって反射される構成を採用している。また、測定光がダイクロイック膜９，２９によって反射され、参照光がダイクロイック膜９，２９を透過する構成を採用している。しかしながら、ウェハＷに対する送光光学系および受光光学系の各光学部材の配置等に応じて、ダイクロイックミラー４，２４が測定光を反射し且つ参照光を透過させる構成や、ダイクロイック膜９，２９が測定光を透過させ且つ参照光を反射する構成も可能である。
また、上述の説明では、ダイクロイックミラー４，２４により、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を透過させて参照光を反射している。また、ダイクロイック膜９，２９により、測定光および参照光の波長に応じて、測定光を反射して参照光を透過させている。しかしながら、ダイクロイックミラー４，２４に代えて、偏光ビームスプリッターを用いることにより、測定光および参照光の偏光状態に応じて、測定光および参照光の一方を反射させて他方を透過させてもよい。また、ダイクロイック膜９，２９に代えて、偏光分離膜を用いることにより、測定光および参照光の偏光状態に応じて、測定光および参照光の一方を反射させて他方を透過させてもよい。
図１３は、第２実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。第２実施例は、第１実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第２実施例では、測定パターンの中間像の各要素パターンの列と参照パターンの中間像の各要素パターンの列とを間隔を隔てて平行に配列させる点が第１実施例と相違している。以下、第１実施例との相違点に着目して、第２実施例の構成および作用を説明する。
第２実施例の面位置検出装置は、測定光と参照光とに共通な構成要素として、光源１、コンデンサーレンズ２、および送光プリズム３を備えている。送光プリズム３の射出面３ａには、例えば図１４に示すように配列された５個の測定光用の送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５および５個の参照光用の送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５が設けられている。図１４では、射出面３ａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ５軸を、射出面３ａにおいてｙ５軸と直交する方向にｘ５軸を設定している。
測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５および参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５はｘ５方向に沿って所定のピッチでそれぞれ一列に配列され、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の列と送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の列とはｙ５方向に間隔を隔てている。また、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の各要素パターンの長手方向と送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の各要素パターンの長手方向とは互いに直交している。
送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を通過した測定光は、第２対物レンズ５、振動ミラー６、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を通過した参照光は、測定光の光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って、第２対物レンズ５、振動ミラー６、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。このように、第２実施例では、第１実施例とは異なり、送光プリズム３と第２対物レンズ５との間の光路中にダイクロイックミラーが配置されていない。
第２実施例では、送光側の菱形プリズム８から受光側の菱形プリズム２８までの構成が第１実施例と同様である。したがって、第１実施例にかかる図５を参照すると、図中実線で示すように測定光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂおよびダイクロイック膜９によって順次反射された後、射出面８ｄから射出され、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡに、ＸＺ平面に沿って入射角θｍで斜め入射する。
一方、図１５に示すように測定光路からＹ方向に間隔を隔てた参照光路（図中破線で示す）に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂによって反射され、ダイクロイック膜９を透過して、台形プリズム１０に入射する。台形プリズム１０に入射した参照光Ｌｒは、反射面１０ａおよび１０ｂによって順次反射され、ダイクロイック膜９を透過し、菱形プリズム８の射出面８ｄから射出される。
射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、図５および図１５に示すように、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面と平行な面に沿って、検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢに入射角θｒで斜め入射する。第２実施例では、第１実施例と同様に、参照光Ｌｒの入射角θｒと測定光Ｌｍの入射角θｍとが等しいが、第１実施例とは異なり、菱形プリズム８から感光面Ｗａに入射する測定光Ｌｍの光路と参照光Ｌｒの光路とがＹ方向に間隔を隔てている。換言すれば、第２実施例では、菱形プリズム８からの測定光Ｌｍと参照光Ｌｒとが、互いに平行な平面に沿って感光面Ｗａに入射する。
こうして、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図１６に模式的に示すように、測定パターンとしての送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。各中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の中心は、検出領域ＤＡにおける検出点に対応している。同様に、感光面Ｗａ上において検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢには、参照パターンとしての送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応して、Ｘ方向およびＹ方向と４５度をなす斜め方向に細長く延びる５個の中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。
すなわち、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５と参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５とは、Ｙ方向に間隔を隔てて互いに平行に形成される。また、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５のＸ方向ピッチと、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５のＸ方向ピッチとは等しい。また、測定パターンの中間像Ｉｒ１と参照パターンの中間像Ｉｒ１とはＹ方向に沿って隣接して配置され、同様に他の測定パターンの中間像Ｉｍ２〜Ｉｍ５は、それぞれ参照パターンの中間像Ｉｒ２〜Ｉｒ５とＹ方向に沿って隣接して配置されている。
感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム２８の入射面２８ａに入射し、ダイクロイック膜２９および反射面２８ｃで順次反射された後、射出面２８ｄから射出される。一方、感光面Ｗａによって反射された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍの光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って菱形プリズム２８に入射し、その入射面２８ａおよびダイクロイック膜２９を順次透過して、台形プリズム３０に入射する。台形プリズム３０に入射した参照光Ｌｒは、反射面３０ａおよび３０ｂによって順次反射され、ダイクロイック膜２９を透過し、反射面２８ｃで反射された後、射出面２８ｄから射出される。射出面２８ｄから射出された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍの光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って第１対物レンズ２７へ導かれる。
図１３を参照すると、菱形プリズム２８から射出された測定光および参照光は、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５を介した後、測定光と参照光とに共通の受光プリズム２３に入射する。すなわち、第２対物レンズ２５と受光プリズム２３との間の光路中には、ダイクロイックミラーが配置されていない。受光プリズム２３の入射面２３ａ（送光プリズム３の射出面３ａに対応する面）には、図１７に示すように、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５に対応した５個の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５、および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５に対応した５個の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５が設けられている。図１７では、入射面２３ａにおいて全体座標のＹ軸に平行な方向にｙ６軸を、入射面２３ａにおいてｙ６軸と直交する方向にｘ６軸を設定している。
測定光用の受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５および参照光用の受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５はｘ６方向に沿って所定のピッチでそれぞれ一列に配列され、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５の列と受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５の列とはｙ６方向に間隔を隔てている。また、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５の各要素パターンの長手方向と受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５の各要素パターンの長手方向とは互いに直交している。
受光プリズム２３の入射面２３ａには、測定光用の送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像および参照光用の送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像が形成される。受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過した測定光および受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過した参照光は、ダイクロイックミラー３１に入射する。ダイクロイックミラー３１は、波長に応じた光の分離作用について、第１実施例のダイクロイックミラー２４と同じ特性を有する。
したがって、ダイクロイックミラー３１を透過した測定光は、リレーレンズ２２Ａを介して、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５内にそれぞれ形成された測定パターンの観測像の共役像を、光検出器２１Ａの検出面２１Ａａ上に形成する。一方、ダイクロイックミラー３１によって反射された参照光は、リレーレンズ２２Ｂを介して、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５内にそれぞれ形成された参照パターンの観測像の共役像を、光検出器２１Ｂの検出面２１Ｂａ上に形成する。
第２実施例では、光検出器２１Ａが測定光を光電検出する第１受光センサを構成し、光検出器２１Ｂが参照光を光電検出する第２受光センサを構成している。また、ダイクロイックミラー３１は、受光プリズム２３の入射面２３ａを経た測定光を光検出器２１Ａへ導き且つ入射面２３ａを経た参照光を光検出器２１Ｂへ導く検出側分離部を構成している。
第２実施例においても、第１実施例の場合と同様に、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過する測定光の光量および受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過する参照光の光量は、感光面ＷａのＺ方向移動に応じて変化する。また、受光部ＲＳｍ１〜ＲＳｍ５（図１０を参照）の検出信号および受光部ＲＳｒ１〜ＲＳｒ５（図１１を参照）の検出信号は、振動ミラー６の振動に同期して変化し、信号処理部ＰＲに供給される。
第２実施例では、信号処理部ＰＲにおいて、測定パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５を算出する。次いで、制御部ＣＲは、例えば面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の各検出点（測定パターンの中間像の各要素パターンの中心）またはその各近傍を中心として参照パターンの中間像の各要素パターンが形成されるように、駆動系ＨＤに指令を供給してＸＹステージＨＳ（ひいてはウェハＷ）をＹ方向に所要量だけ移動させる。
信号処理部ＰＲは、参照パターンの中間像の各要素パターンの中心が各検出点とほぼ一致しているときの参照パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて、面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５を算出する。そして、この参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５と、既に算出済みの測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５とに基づいて、検出領域ＤＡの各検出点における補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を算出する。この算出結果は、制御部ＣＲの内部に設けられた記憶部ＭＲに供給される。
測定光に関する面位置Ｚｍ１〜Ｚｍ５の算出、ウェハＷのＹ方向への移動、参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５の算出、および補正された面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５の算出からなる一連の処理は、必要に応じて、所要の回数だけ行われる。面位置検出装置の複数の検出結果（すなわち複数の検出点における補正された面位置に関する情報）は、記憶部ＭＲにマップデータとして記憶される。なお、信号処理部ＰＲは、領域ＤＢで反射された参照光による参照パターンの観測像の各要素パターンの位置情報に基づいて、参照光に関する面位置Ｚｒ１〜Ｚｒ５を算出し、面位置Ｚｖ１〜Ｚｖ５を求めるようにしても良い。
制御部ＣＲは、記憶部ＭＲに記憶された面位置のマップデータに基づいて、ＺステージＶＳのＺ方向位置を所要量だけ調整し、感光面Ｗａ上の検出領域を、ひいてはウェハＷの現在の露光領域を投影光学系ＰＬの結像面位置に位置合わせする。こうして、第２実施例の面位置検出装置においても、測定光に基づいて算出される面位置Ｚｍと参照光に基づいて算出される面位置Ｚｒとを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置Ｚｖを算出すること、すなわち共通光学部材の変動に影響されずに感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。
図１８は、第３実施例にかかる面位置検出装置の構成を示す図である。第３実施例は、第２実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第３実施例では、菱形プリズム８と台形プリズム１０との間のダイクロイック膜９および菱形プリズム２８と台形プリズム３０との間のダイクロイック膜２９の配置を省略している点が第２実施例と相違している。以下、第２実施例との相違点に着目して、第３実施例の構成および作用を説明する。
第３実施例においても第２実施例と同様に、送光プリズム３の射出面３ａに設けられた送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５を通過した測定光と送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５を通過した参照光とは、互いにＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って、第２対物レンズ５、振動ミラー６、および第１対物レンズ７を介して、菱形プリズム８に入射する。第３実施例では、第２実施例とは異なり、菱形プリズム８の側面８ｃ（図５を参照）に、ダイクロイック膜が形成されていない。また、図１９に示すように、菱形プリズム８の側面８ｃに隣接して、参照光Ｌｒの光路に対応する領域にだけ台形プリズム１０が取り付けられている。
したがって、図５および図１９を参照すると、実線で示すような測定光路に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した測定光Ｌｍは、反射面８ｂおよび反射面８ｃによって順次反射された後、射出面８ｄから射出される。射出面８ｄから射出された測定光Ｌｍは、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡに、ＸＺ平面に沿って入射角θｍで斜め入射する。一方、測定光路からＹ方向に間隔を隔てた参照光路（図中破線で示す）に沿って菱形プリズム８の入射面８ａに入射した参照光Ｌｒは、反射面８ｂによって反射され、台形プリズム１０に入射する。
台形プリズム１０に入射した参照光Ｌｒは、反射面１０ａおよび１０ｂによって順次反射され、菱形プリズム８の射出面８ｄから射出される。射出面８ｄから射出された参照光Ｌｒは、感光面Ｗａに対する測定光Ｌｍの入射面と平行な面に沿って、検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢに入射角θｒで斜め入射する。こうして、第２実施例の場合と同様に、感光面Ｗａ上の検出領域ＤＡには、図１６に模式的に示すように、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。同様に、感光面Ｗａ上において検出領域ＤＡに近接した領域ＤＢには、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５がＸ方向に沿って所定のピッチで形成される。
感光面Ｗａによって反射された測定光Ｌｍは、菱形プリズム２８の入射面２８ａに入射し、反射面２８ｂ（図５を参照）および反射面２８ｃで順次反射された後、射出面２８ｄから射出される。一方、感光面Ｗａによって反射された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍの光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って菱形プリズム２８の入射面２８ａを透過して、台形プリズム３０に入射する。台形プリズム３０に入射した参照光Ｌｒは、反射面３０ａおよび３０ｂによって順次反射され、反射面２８ｃで反射された後、射出面２８ｄから射出される。射出面２８ｄから射出された参照光Ｌｒは、測定光Ｌｍの光路からＹ方向に間隔を隔てた光路に沿って第１対物レンズ２７へ導かれる。
図１８を参照すると、菱形プリズム２８から射出された測定光および参照光は、第１対物レンズ２７、ミラー２６、および第２対物レンズ２５を介した後、受光プリズム２３に入射する。受光プリズム２３の入射面２３ａに設けられた受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５を通過した測定光は、リレーレンズ２２Ａを介して、受光スリットＳｍａ１〜Ｓｍａ５内にそれぞれ形成された測定パターンの観測像の共役像を、光検出器２１Ａの検出面２１Ａａ上に形成する。
受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５を通過した参照光は、参照光の光路中に配置されたミラー３２によって反射され、リレーレンズ２２Ｂを介して、受光スリットＳｒａ１〜Ｓｒａ５内にそれぞれ形成された参照パターンの観測像の共役像を、光検出器２１Ｂの検出面２１Ｂａ上に形成する。こうして、第３実施例の面位置検出装置においても第２実施例と同様に、測定光に基づいて算出される面位置Ｚｍと参照光に基づいて算出される面位置Ｚｒとを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置Ｚｖを算出すること、すなわち共通光学部材の変動に影響されずに感光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。
なお、上述の説明では、測定パターンの中間像および参照パターンの中間像をＸ方向に相対的に反転させる送光側反転部として台形プリズム１０を用い、測定パターンの観測像および参照パターンの観測像をＸ方向に相対的に反転させる受光側反転部として台形プリズム３０を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、送光側反転部および受光側反転部の具体的な構成については様々な形態が可能である。例えば、送光側反転部および受光側反転部として、測定光に比して参照光を所要方向に奇数回多く反射させる手段を用いることができる。
また、上述の説明では、送光側反転部としての台形プリズム１０を送光側結像部（５，７）よりも感光面Ｗａ側に設け、受光側反転部としての台形プリズム３０を受光側結像部（２７，２５）よりも感光面Ｗａ側に設けている。しかしながら、これに限定されることなく、送光側反転部および受光側反転部の具体的な配置位置については様々な形態が可能である。ただし、送光側反転部および受光側結像部を感光面Ｗａ側に設けることにより、送光側反転部よりも上流にあって測定光および参照光に共通の光学部材の変動の影響、および受光側反転部よりも下流にあって測定光および参照光に共通の光学部材の変動の影響を受けることなく感光面Ｗａの面位置を検出することができる。
また、上述の説明では、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光を、互いに同じ入射角で感光面Ｗａにそれぞれ入射させている。しかしながら、これに限定されることなく、測定光および参照光を互いに異なる入射角で感光面Ｗａにそれぞれ入射させることもできる。この場合、式（４）に代えて式（３）を用いることにより、光学部材の変動の影響を受けない補正された面位置Ｚｖを算出することができる。
また、上述の説明では、測定光および参照光を同一平面または互いに平行な平面に沿って感光面Ｗａにそれぞれ入射させている。しかしながら、これに限定されることなく、測定光および参照光を互いに平行でない平面に沿って感光面Ｗａにそれぞれ入射させることもできる。この場合、測定光が感光面Ｗａに向かう投射光軸および参照光が感光面Ｗａに向かう投射光軸は、測定光の感光面Ｗａに対する入射面および参照光の感光面Ｗａに対する入射面に基づいてそれぞれ規定される。
また、上述の説明では、送光系に反転部を配置することにより測定パターンの中間像および参照パターンの中間像をＸ方向に相対的に反転された像として投射し、且つ受光系に反転部を配置することにより測定パターンの観測像および参照パターンの観測像をＸ方向に光学的に対応する方向に相対的に反転された像として形成している。しかしながら、これに限定されることなく、送光系および受光系のうちのいずれか一方にだけ反転部を配置する構成も可能である。送光系のみに反転部を配置する場合には送光系における共通光学部材の変動の影響を受けることなく感光面Ｗａの面位置を検出することができ、受光系のみに反転部を配置する場合には受光系における共通光学部材の変動の影響を受けることなく感光面Ｗａの面位置を検出することができる。
なお、第１実施例では、図７に模式的に示すように、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を同列に配列させ、且つ測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンと、参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の対応する要素パターンとを感光面Ｗａ上の同一箇所に配列させている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図２０に模式的に示すように、測定パターンの中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５の要素パターンと参照パターンの中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５の要素パターンとを、一方向（Ｘ方向）に沿って１つの要素パターン毎に（一般には一以上の要素パターン毎に）交互に配列させることもできる。
この場合、例えば測定パターンの中間像Ｉｍ３の中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖ３の検出に際して、中間像Ｉｍ３に対応する観測像の位置情報に基づいて面位置Ｚｍ３を算出する。また、中間像Ｉｍ３をＸ方向に沿って挟み込む２つの参照パターンの中間像Ｉｒ２およびＩｒ３に着目し、中間像Ｉｒ２に対応する観測像の位置情報と中間像Ｉｒ３に対応する観測像の位置情報とに基づいて面位置Ｚｒ３’を算出する。具体的には、例えば、中間像Ｉｒ２に対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒ２と、中間像Ｉｒ３に対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒ３との平均値を、面位置Ｚｒ３’として算出する。
そして、測定光に関する面位置Ｚｍ３と、参照光に関する面位置Ｚｒ３’とに基づいて、中間像Ｉｍ３の中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖ３を算出する。他の検出点における補正された面位置Ｚｖｉの算出についても同様に、測定パターンの中間像Ｉｍｉの要素パターンを挟み込む２つ（一般には複数）の参照パターンの中間像の要素パターンに対応する第２観測面（入射面２３Ｂａ）上の位置情報に基づいて面位置Ｚｒｉ’を算出すればよい。
また、第１実施例では、測定パターンおよび参照パターンとして、複数の要素パターンを一方向に沿って配列した一次元配列パターンを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、２つの方向に沿って複数の要素パターンを配列した二次元配列パターンを、測定パターンおよび参照パターンとして用いることもできる。
測定パターンおよび参照パターンとして、例えば互いに直交する２つの方向に沿って複数の要素パターンを配列した二次元配列パターンを用いる場合、図２１に模式的に示すように、複数の測定パターンの中間像Ｉｍの要素パターンおよび複数の参照パターンの中間像Ｉｒの要素パターンがＸ方向およびＹ方向に沿ってマトリックス状に配列される。図２１では、測定パターンの中間像Ｉｍの要素パターンと、参照パターンの中間像Ｉｒの対応する要素パターンとが、同一箇所に配列されている。この場合、補正された面位置Ｚｖの検出は、第１実施例において説明した通りである。
また、例えば図２２に模式的に示すように、測定パターンの中間像Ｉｍの要素パターンと参照パターンの中間像Ｉｒの要素パターンとを、二方向（Ｘ方向およびＹ方向）に沿って１つの要素パターン毎に（一般には一以上の要素パターン毎に）交互に配列させることもできる。この場合、例えば測定パターンの中間像Ｉｍｃの中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖｃの検出に際して、中間像Ｉｍｃに対応する観測像の位置情報に基づいて面位置Ｚｍｃを算出する。
また、中間像ＩｍｃをＸ方向に沿って挟み込む２つの参照パターンの中間像ＩｒｎおよびＩｒｓ、並びに中間像ＩｍｃをＹ方向に沿って挟み込む２つの参照パターンの中間像ＩｒｅおよびＩｒｗに着目し、中間像Ｉｒｎ、中間像Ｉｒｓ、中間像Ｉｒｅおよび中間像Ｉｒｗに対応する各観測像の位置情報に基づいて面位置Ｚｒｃを算出する。具体的には、例えば、中間像Ｉｒｎに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｎと、中間像Ｉｒｓに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｓと、中間像Ｉｒｅに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｅと、中間像Ｉｒｗに対応する観測像の位置情報に基づいて算出される面位置Ｚｒｗとの平均値を、面位置Ｚｒｃとして算出する。
あるいは、面位置Ｚｒｎと面位置Ｚｒｓとの平均値、または面位置Ｚｒｅと面位置Ｚｒｗとの平均値を、面位置Ｚｒｃとして算出する。そして、測定光に関する面位置Ｚｍｃと、参照光に関する面位置Ｚｒｃとに基づいて、中間像Ｉｍｃの中心に対応する検出点における補正された面位置Ｚｖｃを算出する。
一般的には、測定パターンおよび参照パターンとして、それぞれ複数の要素パターンが配列された配列パターンを用いて、参照パターンの中間像の要素パターンを測定パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列させる場合、測定パターンの中間像の要素パターンに対応する第１観測面上の位置情報に基づいて面位置Ｚｍを算出し、当該測定パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列された一以上の参照パターンの中間像の要素パターンに対応する第２観測面上の位置情報に基づいて面位置Ｚｒを算出することができる。
なお、上述の実施形態では、光電顕微鏡の原理（振動ミラーを用いる計測原理）に基づいて被検面の面位置を検出している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば画像処理によって測定パターンの観測像および参照パターンの観測像の各位置情報を検出し、検出した各位置情報に基づいて被検面の位置を算出することもできる。
また、上述の実施形態では、露光装置が単一の面位置検出装置を備えている例を説明しているが、これに限定されることなく、必要に応じて複数組の面位置検出装置で検出視野を分割することもできる。この場合、第１の面位置検出装置の検出視野と第２の面位置検出装置の検出視野との共通の視野における検出結果に基づいて、各装置のキャリブレーションを行うこともできる。
また、上述の実施形態では、感光性基板としてのウェハＷの面位置の検出に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、レチクルＲ（一般にはマスク）のパターン面の面位置の検出に対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、露光装置における感光性基板の面位置の検出に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、露光装置以外の各種装置における一般の被検面の面位置の検出に対して本発明を適用することもできる。
また、上述の実施形態では、面位置検出装置が、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの近傍における感光面Ｗａを検出領域ＤＡとして感光面Ｗａの面位置を検出するものとしたが、光軸ＡＸから離れた位置で感光面Ｗａの面位置を検出するようにしてもよい。例えば、図示しない搬送装置によってＺステージＶＳ上に載置されたウェハＷをＸＹステージＨＳによって投影光学系ＰＬ下に搬入する搬入経路に対応して面位置検出装置を配置し、その搬入経路の途中で感光面Ｗａの面位置を検出するようにしてもよい。この場合、ＸＹステージＨＳによるウェハＷの移動に応じて、感光面Ｗａの複数箇所における面位置を検出し、その複数の検出結果を記憶部ＭＲにマップデータとして記憶させる。そして、レチクルＲのパターンを感光面Ｗａに転写する（露光する）際に、記憶部ＭＲに記憶させたマップデータに基づいて、感光面Ｗａの面位置をＺステージＶＳによって位置合わせするとよい。
上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。このような可変パターン形成装置を用いれば、パターン面が縦置きでも同期精度に及ぼす影響を最低限にできる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含むＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。ＤＭＤを用いた露光装置は、例えば特開２００４−３０４１３５号公報、国際特許公開第２００６／０８０２８５号パンフレットに開示されている。また、ＤＭＤのような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。なお、パターン面が横置きの場合であっても可変パターン形成装置を用いても良い。
また、上述の実施形態において、光源１Ａ、コンデンサーレンズ２Ａ、送光プリズム３Ａ、ダイクロイックミラー４，２４、第２対物レンズ５，２５、振動ミラー６、第１対物レンズ７，２７、菱形プリズム８，２８、ミラー２６、受光プリズム２３Ａ、リレーレンズ２２Ａ、光検出器２１Ａは、第１検出系として機能する。すなわち、第１検出系は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５からの測定光ＬｍをウェハＷの感光面Ｗａに入射させて感光面Ｗａに送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５を投射し、感光面Ｗａにおいて反射された測定光Ｌｍを受光プリズム２３Ａの入射面２３Ａａに導いてこの入射面２３Ａａに送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像を形成し、入射面２３Ａａにおける送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の位置情報を検出する。また、上述の実施形態において、光源１Ｂ、コンデンサーレンズ２Ｂ、送光プリズム３Ｂ、ダイクロイックミラー４，２４、第２対物レンズ５，２５、振動ミラー６、第１対物レンズ７，２７、菱形プリズム８，２８、台形プリズム１０，３０、ミラー２６、受光プリズム２３Ｂ、リレーレンズ２２Ｂ、光検出器２１Ｂは、第２検出系として機能する。すなわち、第２検出系は、送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５からの参照光ＬｒをウェハＷの感光面Ｗａに入射させて感光面Ｗａに送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５を投射し、感光面Ｗａにおいて反射された参照光Ｌｒを受光プリズム２３Ｂの入射面２３Ｂａに導いてこの入射面２３Ｂａに送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像を形成し、入射面２３Ｂａにおける送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像の位置情報を検出する。また、上述の実施形態において、信号処理部ＰＲは、処理部として機能する。すなわち、この処理部は、送光スリットＳｍ１〜Ｓｍ５の観測像の位置情報および送光スリットＳｒ１〜Ｓｒ５の観測像の位置情報に基づいて、感光面Ｗａの面位置を算出する。ここで、第１検出系及び第２検出系は、相互に共通に設けられた共通光学部材（第２対物レンズ５，２５、振動ミラー６、第１対物レンズ７，２７、菱形プリズム８，２８、ミラー２６）を有する。中間像Ｉｍ１〜Ｉｍ５および中間像Ｉｒ１〜Ｉｒ５のうち一方の中間像は、他方の中間像に対してＸ方向に反転された像として投射される。
上述の実施形態の面位置検出装置では、第１パターンからの第１測定光および第２パターンからの第２測定光が、第１測定光と第２測定光とに共通な光学部材を経て被検面に入射する。ただし、第１パターンの中間像および第２パターンの中間像のうち、一方の中間像は所定方向に反転された像として被検面に投射され、他方の中間像は上記所定方向に正立の像として被検面に投射される。被検面によって反射された第１測定光および第２測定光は、第１パターンの観測像および第２パターンの観測像を、第１観測面および第２観測面にそれぞれ形成する。したがって、第１測定光と第２測定光とは面位置の検出感度が互いに異なり、且つ第１パターンの観測像と第２パターンの観測像とは第１測定光と第２測定光とに共通な光学部材（以下、共通光学部材と呼ぶ。）の変動の影響に関する情報を含んでいる。
換言すれば、第１パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される被検面の面位置および第２パターンの観測像の位置情報に基づいて算出される被検面の面位置は、共通光学部材の変動に起因する面位置の検出誤差を共通に含んでいる。したがって、第１測定光に基づいて算出される面位置と第２測定光に基づいて算出される面位置とを用いて、共通光学部材の変動の影響を実質的に受けない補正された面位置を算出することができる。
上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図２３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２３に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の露光装置を用い、レチクルＲに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをウェハ加工用のマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。
ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層（転写パターン層）であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを感光性基板としてパターンの転写を行う。
図２４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２４に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。
ステップＳ５０のパターン形成工程では、感光性基板としてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写された感光性基板の現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層（転写パターン層）を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。
ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。
ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。
また、本発明は、半導体デバイスまたは液晶デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、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。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。また、上記実施形態の各構成要素等は、いずれの組み合わせ等も可能とすることができる。
１ 光源
３ 送光プリズム
４，２４ ダイクロイックミラー
５，７，２５，２７ 対物レンズ
６ 振動ミラー
８，２８ 菱形プリズム
９，２９ ダイクロイック膜
１０，３０ 台形プリズム
２１ 光検出器
２３ 受光プリズム
ＰＲ 信号処理部
ＣＲ 制御部
Ｒ レチクル
ＲＳ レチクルステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＶＳ Ｚステージ
ＨＳ ＸＹステージ

Claims (42)

  1. 第１パターンからの第１の光と第２パターンからの第２の光とを被検面へ入射させて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射する送光光学系と、
    前記被検面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成する受光光学系と、
    前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出する検出部とを備え、
    前記送光光学系は、前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像の移動方向が互いに異なる方向となるように、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像を他方の中間像に対して反転された像として投射することを特徴とする面位置検出装置。
  2. 前記受光光学系は、前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像の移動方向が互いに異なる方向となるように、前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像のうち一方の観測像を他方の観測像に対して反転された像として形成することを特徴とする請求項１に記載の面位置検出装置。
  3. 第１パターンからの第１の光と第２パターンからの第２の光とを被検面へ入射させて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射する送光光学系と、
    前記被検面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成する受光光学系と、
    前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出する検出部とを備え、
    前記受光光学系は、前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像の移動方向が互いに異なる方向となるように、前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像のうち一方の観測像を他方の観測像に対して反転された像として形成することを特徴とする面位置検出装置。
  4. 前記反転される方向は、前記送光光学系から前記被検面へ向かう投射光軸と該被検面の法線とを含む投射平面に平行な方向であって前記投射光軸と交差する方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  5. 前記反転される方向は、前記投射平面と前記被検面とが交差する方向であることを特徴とする請求項４に記載の面位置検出装置。
  6. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を形成する送光側結像部と、該送光側結像部が形成する前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を、前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像の移動方向が互いに異なる方向となるように、相対的に反転させる送光側反転部とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  7. 前記送光側反転部は、前記送光光学系における前記被検面側の端部に設けられることを特徴とする請求項６に記載の面位置検出装置。
  8. 前記送光光学系は、前記第１の光に比して前記第２の光を前記反転される方向と光学的に対応する方向に奇数回多く反射させることを特徴とする請求項６または７に記載の面位置検出装置。
  9. 前記送光側反転部は、前記送光光学系から前記被検面へ向かう投射光軸と該被検面の法線とを含む投射平面に垂直な反射面を有することを特徴とする請求項８に記載の面位置検出装置。
  10. 前記送光側反転部は、前記第２の光を内面反射させるプリズム部材を有することを特徴とする請求項８または９に記載の面位置検出装置。
  11. 前記送光光学系は、前記送光側結像部を経た前記第１の光および前記第２の光を相対的に偏向させて該第２の光を前記送光側反転部へ導く送光側分離部を有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  12. 前記送光側分離部は、前記第１の光および前記第２の光の波長もしくは偏光に応じて該第１の光および該第２の光の一方を反射させて他方を透過させることを特徴とする請求項１１に記載の面位置検出装置。
  13. 前記送光光学系は、互いに異なる方向から入射する前記第１の光および前記第２の光を相対的に偏向させて前記送光側結像部へ導く送光側合成部を有することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  14. 前記受光光学系は、前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像を形成する受光側結像部と、該受光側結像部が形成する前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像を、前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの観測像および前記第２パターンの観測像の移動方向が互いに異なる方向となるように、相対的に反転させる受光側反転部とを有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  15. 前記受光側反転部は、前記受光光学系における前記被検面側の端部に設けられることを特徴とする請求項１４に記載の面位置検出装置。
  16. 前記受光光学系は、前記第１の光に比して前記第２の光を前記反転される方向と光学的に対応する方向に奇数回多く反射させることを特徴とする請求項１４または１５に記載の面位置検出装置。
  17. 前記受光側反転部は、前記送光光学系から前記被検面へ向かう投射光軸と該被検面の法線とを含む投射平面に垂直な反射面を有することを特徴とする請求項１６に記載の面位置検出装置。
  18. 前記受光側反転部は、前記第２の光を内面反射させるプリズム部材を有することを特徴とする請求項１６または１７に記載の面位置検出装置。
  19. 前記受光光学系は、前記第１の光および前記受光側反転部を経た前記第２の光を相対的に偏向させて前記受光側結像部へ導く受光側合成部を有することを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  20. 前記受光側合成部は、前記第１の光および前記第２の光の波長もしくは偏光に応じて該第１の光および該第２の光の一方を反射させて他方を透過させることを特徴とする請求項１９に記載の面位置検出装置。
  21. 前記受光光学系は、前記受光側結像部を経た前記第１の光および前記第２の光を相対的に偏向させてそれぞれ前記第１観測面および前記第２観測面へ導く受光側分離部を有することを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  22. 前記検出部は、前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ光電検出する第１受光センサおよび第２受光センサと、前記第１観測面を経た前記第１の光および前記第２観測面を経た前記第２の光をそれぞれ前記第１受光センサおよび前記第２受光センサへ入射させるリレー光学系と、前記第１観測面を経た前記第１の光および前記第２観測面を経た前記第２の光をそれぞれ前記第１受光センサおよび前記第２受光センサへ導く検出側分離部とを有することを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  23. 前記第１パターンおよび前記第２パターンは、それぞれ複数の要素パターンが配列された配列パターンであって、
    前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像と前記第２パターンの中間像とを前記被検面上で平行に配列させることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  24. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像の要素パターンと前記第２パターンの中間像の要素パターンとを前記被検面上で同列に配列させることを特徴とする請求項２３に記載の面位置検出装置。
  25. 前記送光光学系は、少なくとも一部の前記要素パターンについて、前記第１パターンの中間像の要素パターンと前記第２パターンの中間像の要素パターンとを前記被検面上の同一箇所に配列させることを特徴とする請求項２４に記載の面位置検出装置。
  26. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像の要素パターンと前記第２パターンの中間像の要素パターンとを一以上の要素パターンごとに交互に配列させることを特徴とする請求項２４に記載の面位置検出装置。
  27. 前記送光光学系は、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を前記被検面に対する前記第１の光の入射面に沿って配列させることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  28. 前記送光光学系は、前記第１の光および前記第２の光を同一平面または互いに平行な平面に沿って前記被検面へ入射させることを特徴とする請求項１〜２７のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  29. 前記送光光学系は、前記第１の光および前記第２の光を互いに同じ入射角で前記被検面へ入射させることを特徴とする請求項１〜２８のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  30. 前記検出部は、前記第１パターンの観測像の位置情報に基づいて前記被検面の第１の面位置Ｚｍを算出し、前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて前記被検面の第２の面位置Ｚｒを算出し、前記被検面への前記第１の光の入射角をθｍとし、前記被検面への前記第２の光の入射角をθｒとして、前記被検面の第３の面位置Ｚｖを、
    Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）／（１＋sinθｒ／sinθｍ）
    の式に基づいて算出することを特徴とする請求項１〜２９のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
  31. 前記検出部は、前記第１パターンの観測像の位置情報に基づいて前記被検面の第１の面位置Ｚｍを算出し、前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて前記被検面の第２の面位置Ｚｒを算出し、前記被検面の第３の面位置Ｚｖを、
    Ｚｖ＝（Ｚｍ−Ｚｒ）／２
    の式に基づいて算出することを特徴とする請求項２９に記載の面位置検出装置。
  32. 前記第２パターンは、複数の要素パターンが配列された配列パターンであって、
    前記検出部は、前記第２パターンの観測像の複数の要素パターンに対応する位置情報に基づいて前記第２の面位置Ｚｒを算出することを特徴とする請求項３０または３１に記載の面位置検出装置。
  33. 前記第１パターンおよび前記第２パターンは、それぞれ複数の要素パターンが配列された配列パターンであって、
    前記送光光学系は、前記被検面上で前記第２パターンの中間像の要素パターンを前記第１パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列させ、
    前記検出部は、前記第１パターンの中間像の要素パターンに対応する前記第１パターンの観測像の位置情報に基づいて前記第１の面位置Ｚｍを算出し、該第１パターンの中間像の要素パターンの近傍に配列された一以上の前記第２パターンの中間像の要素パターンに対応する前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて前記第２の面位置Ｚｒを算出することを特徴とする請求項３０または３１に記載の面位置検出装置。
  34. 前記検出部は、前記第１パターンの中間像の要素パターンを挟み込む複数の前記第２パターンの中間像の要素パターンに対応する前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて前記第２の面位置Ｚｒを算出することを特徴とする請求項３３に記載の面位置検出装置。
  35. 第１パターンからの第１の光を被検面に入射させて該被検面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出する第１検出系と、
    第２パターンからの第２の光を前記被検面に入射させて該被検面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出する第２検出系と、
    前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記被検面の面位置を算出する処理部と、を備え、
    前記第１検出系および第２検出系は、相互に共通に設けられた少なくとも１つの共通光学部材を有し、
    前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像の移動方向が互いに異なる方向となるように、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像は、他方の中間像に対して反転された像として投射されることを特徴とする面位置検出装置。
  36. マスクステージに載置されたマスクのパターンを基板ステージに載置された感光性基板に転写する露光装置において、
    前記感光性基板の感光面および前記マスクのパターン面の少なくとも一方の面位置を検出する請求項１〜３５のいずれか一項に記載の面位置検出装置と、
    前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記基板ステージおよび前記マスクステージの相対的な位置合わせをする位置合わせ機構と、
    を備えたことを特徴とする露光装置。
  37. 前記基板ステージを前記感光面に沿った方向へ移動させる平面駆動機構を備え、
    前記面位置検出装置は、前記平面駆動機構による前記基板ステージの移動に応じて前記感光面の複数箇所における面位置を検出することを特徴とする請求項３６に記載の露光装置。
  38. 前記マスクステージを前記パターン面に沿った方向へ移動させる平面駆動機構を備え、
    前記面位置検出装置は、前記平面駆動機構による前記マスクステージの移動に応じて前記パターン面の複数箇所における面位置を検出することを特徴とする請求項３６に記載の露光装置。
  39. 前記面位置検出装置の複数の検出結果をマップデータとして記憶する記憶部を備えたことを特徴とする請求項３７または３８に記載の露光装置。
  40. 被検面の面位置を算出する面位置検出方法であって、
    第１パターンからの第１の光と第２パターンからの第２の光とを被検面に入射させて、該被検面に対して前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像を投射することと、
    前記被検面によって反射された前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ第１観測面および第２観測面へ導いて、該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成することと、
    前記第１観測面における前記第１パターンの観測像および前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の各位置情報を検出し、該各位置情報に基づいて前記被検面の面位置を算出することと、を含み、
    前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像の移動方向が互いに異なる方向となるように、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像を他方の中間像に対して反転された像として投射することを特徴とする面位置検出方法。
  41. 被検面の面位置を算出する面位置検出方法であって、
    第１パターンからの第１の光を前記被検面に入射させて該被検面に前記第１パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第１の光を第１観測面に導いて該第１観測面に前記第１パターンの観測像を形成し、前記第１観測面における前記第１パターンの観測像の位置情報を検出することと、
    第２パターンからの第２の光を前記被検面に入射させて該被検面に前記第２パターンの中間像を投射し、前記被検面において反射された前記第２の光を第２観測面に導いて該第２観測面に前記第２パターンの観測像を形成し、前記第２観測面における前記第２パターンの観測像の位置情報を検出することと、
    前記第１パターンの観測像の位置情報および前記第２パターンの観測像の位置情報に基づいて、前記被検面の面位置を算出することと、を含み、
    前記第１の光および第２の光は、相互に共通に設けられた少なくとも１つの共通光学部材を経由し、
    前記被検面の前記面位置の変化に伴う前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像の移動方向が互いに異なる方向となるように、前記第１パターンの中間像および前記第２パターンの中間像のうち一方の中間像は、他方の中間像に対して反転された像として投射されることを特徴とする面位置検出方法。
  42. 請求項３６〜３９のいずれか一項に記載の露光装置を用いて、前記パターンを前記感光性基板に転写することと、
    前記パターンが転写された前記感光性基板を前記パターンに基づいて加工することと、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
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