JPH026709A - 表面変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は表面変位検出装置に関し、例えば半導体製造装
置における焦点位置検出装置に適用して好適なものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、半導体製造装置における焦点位置検出装置として
、本願と同一出願人による特開昭５６４２２０５号公報
に開示されているように、投影レンズによってマスクパ
ターンが転写される位置ｔこ配設された半導体ウニハム
こ対して、斜め方向から検出光を照口・１する斜め入射
型の焦点位置検出装置が用いられている。

この焦点位置検出装置は、半導体ウェハの表面を被検出
面として、該被検出面にスリット状のパターンをスリ７
１〜の長平方向が、入射光と反ｎ・ｊ光とで張る平面、
即ち入射面と垂直になるような方向で投射し、その反射
光により光電変換素子でなる検出手段上に再結像をさせ
、検出手段上の反射光の入射位置を判知し得るようにな
されている。

この構成において被検出面となる半導体ウェハの表面が
上下方向に変位する（投影レンスの光軸ζこンイ）って
近づいたり遠のいたりすることをいうンと、その上下刃
向の変位に対応して検出手段に入射するスリット反則光
が入射面に平行な方向、ずなわら、スリットの幅方向に
横ずれすることを利用して、その横ずれ量を知ることに
よって半導体ウェハの表面の上下位置を検出することが
でき、ウェハ表面が投影レンズの合焦基準位置、即し投
影レンズによって投影されるレチクルとの共役面に一致
しているか否かを判定するようになされている。

ここで、かかる構成の斜め入射型焦点位置検出装置を用
いて半導体ウェハの表面位置を検出する場合、半導体ウ
ェハの表面にフォトレジストなどの薄膜が付着されてい
ると、薄膜の表面において反射した反射光と、薄膜を透
過して半導体基板の表面において反射した光とによって
干渉が生ずるために、検出結果に誤差を生ずることが知
られている。この干渉現象による検出精度の低下を防止
するために、検出光が変位する投影スリットの幅方向、
即ち入射面に平行な方向においてスリットの結像光束の
開き角（開口数Ｎ、Ａ、）を狭く制限する構成が、本願
と同一出願人により特願昭６１１４４３４０号として先
に提案されている。

この場合、スリット結像光束の開き角Ｎ、八、が小さい
場合は焦点深度も大きくなり、ピン１合わセが困難にな
るので、上記特願昭６１−１４４．３４０号に開示した
如く、合焦検出手段のピント合わせのために開き角制限
用絞り９を光軸を中心として回転可能にするごとによっ
て、ピント調節時にはＮ八、を大き（してピント合わせ
の精度を高め、焦点検出としての使用時にはＮ、Ａ、を
小さくして、前述した干渉現象による検出誤差を低減す
る方法を採用していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そして、このような表面検出装置においては、スリット
検出光の入射角を大きくするほどスリット反射光の変位
量が拡大されるため検出精度を向上させることができ、
またレジストの表面での反射光をより大きくできるため
干渉現象による誤差を低減することが可能である。しか
しながら、スリット検出光の入射角を７０°〜８０°程
度に大きくすると、集光光学系の対物レンズの光軸が被
検面に対して平行に近い角度となって被検面との間の空
間が極めて僅かとなるため、大口径の対物レンズを用い
ることができず、必然的にスリット像を形成する光束の
Ｎ、Ａ、がスリット像の変位方向（入射面に平行な方向
）で小さくなってしまう。

このため、スリット像のピント合わゼに際して十分に大
きな開き角の光束を用いることが難しくなる。即ち、照
射光学系による照射光束の被検面への入射角を大きくし
て斜入射型の焦点検出手段としての精度を基本的に高め
ようとしても、スリット像のピント合わせの精度向上が
困難となり、焦点検出系全体としての精度の向上を達成
することは困難であった。

本発明の目的は、被検面に対して斜方向からスリット像
を投影する斜入射型の表面変位検出装置において、スリ
ット像投影用の入射角を大きくして被検面の変位検出の
精度を原理的に向上さ−Ｕつつ、しかも被検面に投影さ
れるスリット像のピッＨ周節を正確に行うことが可能で
あり、以て被検面の変位検出の精度を実質的に高めるこ
とが可能な表面変位検出装置を提供することにある。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明による斜入躬型の表面変位検出装置では、照射光
学系により被検面上に投射されるパターンを被検面に対
する光束の入射面に垂直な直線状パターンとし、該直線
上パターンの結像光束の入射面に平行な方向において開
き角Ｎ、Ａ、を小さく制限する制限手段を設＋Ｊ、該直
線状パターンの入射面に平行な方向での変位によって被
検面の変位を検出すると共に、該入射面に垂直な直線状
パターンと同一光軸上に該入射面に平行な直線状パター
ンを配置して該入射面に平行な直線状パターンの像の結
像状態によって前記入射面に垂直な直線状パターンの基
準位置を設定し得る構成としたものである。

尚、以下では便宜のため、入射面を基準として、入射面
に垂直な直線状パターンを単に垂直パターンと言い、入
射面に平行な直線状パターンを単に平行パターンという
。

〔作　用〕

このように干渉現象に伴う垂直パターンの検出誤差を低
減するために結像光束の開き角が入射面に平行な方向で
制限されてはいても、入射面に垂直な方向においては結
像光束の開き角が制限されないため、平行パターンの結
像光束は大きな開口数を維持して焦点深度が浅くなって
おり、正確な軸上位置の検出が可能である。従って、平
行パターンを表面変位検出用の垂直パターンと同一光軸
上に設けて、この平行パターンのピント調節を行うこと
により、垂直パターンの位置を所定の基準位置に正確に
調節することが可能である。

すなわち、本発明においては平行パターンを用いて入射
面に垂直な方向の結像によってピント合せが可能な構成
としたため、入射角の増大に関係なくピント調節のため
の結像光束の大きな開口数（Ｎ、Ａ、）を確保すること
が可能となり、平行パターンの像を精度よく検出部上に
結像することができる。このため、入射角が８０°を越
える大きな角度とすることによる変位検出精度の原理的
な向上と相俟って、正確なピント検出によって極めて精
度の高い変位検出が可能となる。

そして、表面変位検出用の垂直パターンとピント検出用
の平行パターンとを一体的に設＋Ｊて、実質的な十字状
パターンを被検面に投射する構成とすることが可能であ
り、また表面変位検出用の垂直パターンを、ピント検出
時にのみ光軸を中心に９０°回転して平行パターンとし
て用いるように構成することも有効である。

〔実施例〕

以下、実施例に基づいて本発明を詳述する。

第１図は本発明による表面変位検出装置の第１実施例の
概略構成を示す図であり、（Ａ）は光路の概略平面図、
（Ｂ）は入射面内での光路を示す概略側面図である。光
源１１からの照明光束はコンデンサーレンズ１２によっ
て集光されてスリット板１３を照明する。スリット板１
３ば第１図（Ｃ）の平面図に示される如く、互いに直交
する直線状パターンとしての２木のスリット１３八と１
３１３とからなる実質的な十字状スリン１−を有し、光
軸に対して垂直に設けられている。スリット板１３上の
十字状スリットの像が照射対物レンズ１４によって、入
射角αで被検面１上に投射される。被検面ｌからの反射
光は集光対物レンズ２１によって、第１図（Ｄ）の平面
図に示す如き矩形開口を有する絞り２２を介して集光さ
れ、受光スリット板２３上に十字状スリットの像を再結
像する。この受光スリット板２３は、第１図（Ｅ）の平
面図に示される如き十字状スリットを有し、受光スリッ
ト板２３を通過した光束が光電変換素子２４からなる検
出部に入射する。

ここで、光源１１から投射対物レンズ１４までが照射光
学系を構成し、集光対物レンズ２１から受光スリット板
２３までが集光光学系を構成している。集光光学系中に
配置された第１及び第２の平行平面板２５．２６は互い
に直交方向で光軸に対する傾斜角を変更可能に構成され
て、傾斜角を変更することによって射出光束を所望の量
だけ平行移動するためのものである。尚、第１図（Ａ）
において入射面は紙面に垂直であり、第１図（Ｂ）にお
いて入射面は紙面に一致している。

第１図（Ｄ）の平面図に示す如き矩形開口を有する絞り
２２は、集光対物レンズ２１の射出瞳上に配置されてい
る。この矩形開口２２ａの長手方向は入射面Ｓに垂直で
あり、この矩形開口によって入射面に平行な方向での結
像光束の開き角、即ち開口数（Ｎ、Ａ、）が制限され、
絞り２２は投射パターンの結像光束の入射面に平行な方
向での開口数を制限するための光束制限手段として機能
している。従って、第１図（八）及び（Ｂ）の光路の比
較から明らかな如く、スリット板１３上のパターンが被
検面１での反射を介して受光スリット板２３上に再結像
される結像光束は、入射面に垂直な方向では大きく、入
射面に平行な方向では小さくなっている。

このような構成において、照射光学系によって被検面１
」二に投射される十字状スリットの入射面Ｓに垂直な直
線状パターン１３への受光スリット板２３上における入
射面に平行な方向での変位量Δｙを検出することによっ
て被検面１の上下方向の変位を検出することができる。

そして、十字状スリットの入射面Ｓに平行な直線状パタ
ーン１３Ｂの受光スリン１〜板２３上におけるピント検
出を行うごとによって、スリット板１３と受光スリット
板２３との共役関係を正確に設定することができ、これ
によって垂直パターン１３八による被検面の変位検出の
ための基準設定が高精度で達成される。

まず、スリット板１３上の入射面に垂直な直線状パター
ン１３Ａによる被検面の変位検出について述べる。

受光スリット板２３は入射面に平行な方向で所定の振幅
で振動可能に構成されており、受光スリット板２３上に
結像される垂直パターン１３への結像光束の光強度分布
を検出素子２４の出力から検出するようになされている
。受光スリット板２３の入射面に垂直な開口２３八は、
その長手方向がスリット板１３の直線状パターン１３八
と一致するように設定され、矢印ａで示すように、この
開口２３Ａと直交する方向に所定の振幅で振動するよう
になされている。

ここで、被検面１が基準位置Ｚ。の高さにある】　１ とき、被検面１からの反射光が受光スリット板２３の基
準位置Ｐ。に入４；１するような光学系が形成されてい
る。このように基準位置Ｐ。に反射光が入射するとき、
受光スリット板２３が基準位置Ｐ。を中心として周！ｔ
ＩｌＴで振動することにより、検出部２４に到達する光
の強さがほぼ周期Ｔ／２の正弦波状に変化し、これによ
り検出部２４から周期′「／２の正弦波検出出力を得る
ことができる。そしてこの検出出力を別途同期検波する
ことにより、反射光がその入射方向と直交する方向に位
置ずれすれば、その位置ずれ量に相当する検波出力を得
ることができ、被検面の位置を、検出部２４の検出出力
に基づいて検出することができる。

なおこの同期検波の手法によって変位量を知る方法は、
例えば特開昭５６−４２２０５号公報に開示されており
、光電顕微鏡の原理とされている。

具体的には、例えば第１図（Ｂ）において、被検面１が
下方に距離ΔＺだけ変位したとすると、受光スリット板
２３上でのスリ、ト像の変位Δｙは、βを受光側対物レ
ンズ２１の結像倍率、αをスリント検出光の被検面１の
法線に対する入射角（投射対物レンズの光軸と被検面１
との成す角）として、Δｙ＝２・β・　ｓｉｎα・ΔＺ
　・・・・・・・・・　（１）と与えられ、この関係に
よって、検出素子２４がら得られる受光スリット板２３
上でのスリット像の位置ずれ量Δｙから、被検面１の変
位量ΔＺを検出することができる。

上記の原理に基づく変位検出におい”ζ、集光対物レン
ズ２１によるスリット１３Ａの像の変位から被検面の変
位を検出するに当たって、上記矩形開口を有する絞り２
２により、入射面内でのスリット像の結像光束の開き角
θ４は小さ（制限されているため、スリット１３への結
像に寄与する光束の被検面に対する最大入射角と最小入
射角との差が小さく、この結果入射角の差異による光路
差の違いから生ずる干渉の差に起因するデフォーカス時
の光量分布の変動が低減されている。この現象の解析及
び実際例については、先の特願昭６１−１４４３４０号
に詳述したとおりである。

そして、上記のように入射面に垂直なスリンｌ−１３Ａ
の入射面に沿う方向での変位量から被検面の上下変位を
精度良く検出するためには、被検面の基準位置において
入射面に垂直なスリット１３Ａの像が受光スリット板２
３上に正確に結像していることが必要である。

次に、被検面が基準位置にある状態において、スリンｌ
−板１３と受光スリット板２３とのピント合わせによる
基準設定を行う場合について説明する。

スリット板１３上の十字状スリットのうち入射面Ｓに平
行な直線状スリット３Ｂは、第１図（Ａ）の平面光路図
に示す如（、結像光束のうち入射面に垂直方向の成分で
受光スリット板２３上に結像される。集光対物レンズ２
１の射出瞳上に配置された、第１図（Ｄ）の平面図に示
す如き矩形開口を有する絞り２２は、その矩形間［］の
長手力向が入射面に垂直であるため、入射面に垂直な方
向での結像光束の開き角θ、は第１図（Ａ＞に示す如く
、第１図（Ｂ）に示した入射面内での開き角θ８よりも
大きい。このため入射面に垂直な方向のスリンｌ−１３
Ｂの結像における焦点深度は浅くなり、正確なピント合
わせが可能である。

変位検出の精度を維持するためには、合焦調整において
デフォーカス量を焦点深度の約１／４以下程度に抑える
必要がある。因に、使用波長をλ、結像光束の開き角に
対応する開口数をＮ、Ａ、とじて、焦点深度ΔＦを、 λ ΔＦ−・・・・・・・・・　（２） ２　・Ｎ、八、′ と定義すれば、焦点深度は開口数の自乗に反比例する。

尚、開口数（Ｎ、Ａ、）は、結像光束の開き角をθとし
て、 Ｎ、八、−ｓｉｎθ／２ で定義される。

第２図は開き角制限絞り２２の矩形開口２２ａと、スリ
ット板１３上の２つの直線状スリット１３Ａ、１３Ｂか
らなる十字状スリットの像との位置関係を示す平面図で
ある。焦点調整時には開き角制限用絞り２２の矩形開口
２２ａの長さＷｌｌの大きい方向を通って結像するスリ
ット１．３Ｂを使用するため、受光スリット板２３上に
結像される直線状スリット１３Ｂの結像光束の開き角θ
、は制限されずに大きくなるから、（２）式の如く焦点
深度ΔＦ開口数（Ｎ、Ａ、）の２乗に反比例する関係で
小さくすることができ、高い精度で焦点調整することが
できる。具体的には、開き角制限用絞り２２の矩形開口
２２ａの長さＷ□及び幅Ｗｖの値として、焦点調整用に
入射面に垂直な方向での開き角θ４が例えばＮ、Ａ、　
＝　ＯＮになるように幅Ｗｖを設定し、変位検出用に入
射面に沿う方向の開き角θ６がＮ、Ａ、−０，０２５と
なるように絞り幅Ｗｖを設定する。

このようにすれば、焦点調節時における入射面に平行な
方向のスリット１３Ｂの焦点深度ΔＦは（２）式におい
てλ−７４０ｎｍとしたとき３７μｍになるのに対して
、表面の変位検出動作をするための入射面に垂直なスリ
ット１３Ａに関しては焦点深度ΔＦがΔＦ＝５９２μｍ
になる。この条件の下で、スリット板１３と受光スリン
Ｂｆｆ１２３との焦点調節をずれば、入射面に平行なス
リット１３Ｂを焦点深度ΔＦの２倍（すなわち７４　〔
μｍ））以内に調整できれば、入射面に垂直なスリット
１３八　（Ｎ、Ａ、　＝０．０２５）の焦点を焦点深度
の１／８以内にＢ）Ｎ節したことになり、デフォーカス
による焦点ずれの影響が生じないように調節できる。

このような入射面に平行な直線状パターンによりスリッ
ト板１３と受光スリット板２３とのピント合わせによる
基準設定を行う場合には、第１図（Ａ）及び（Ｂ）に示
した如く、集光光学系中に配置された２つの斜設平行平
面板２５．２６を用いるのが好ましい。すなわち、まず
入射面に平行なスリット１３Ｂのピント合わせのために
、第２の斜設平行平面板２６をその入射面に平行な軸２
６ａを回転軸としである角度だけ回転することによって
、第３図に示す如く、受光スリット板２３上でその入射
面に平行なスリット２３Ｂに対して、スリンｌ−１３Ｂ
の像を入射面に垂直な方向で走査し、この間の検出部２
４の出力が最大となるように、スリット板Ｉ３と受光ス
リット板２３との軸上位置を設定する。或いは、この間
の検出部の出力が最大となる時の被検面の位置を基準位
置、すなわち焦点調節がなされている状態としてピント
合わせによる基準位置設定を達成する。

そして、このようなピント合わせの終了後に、第１斜設
平行平面仮２５をその入射面に垂直な軸２５ａを回転軸
として微小角度だけ回転することによって、受光スリッ
ト板２３−トの入射面に垂直なスへン１〜２３八とスリ
ット板１３上の入射面に垂直なスリット１３Ａの像とが
一致するように調整する。このように、２つの斜設平行
平面板２５．２６の角度調整によって被検面の基準位置
におけるスリット板１３と受光スリット板２３との基準
位置設定が完了する。

尚、この基準設定が終了した時点では入射面に平行なス
リット１３Ｂは不要となるため、第２斜設平行平面板２
６を回転して、スリット１３Ｂの像１３Ｂ′が受光スリ
ット板２３上の入射面に平行なスリ７１・２３Ｂに入射
しないように、第３図に示す如く、スリット幅の数倍の
量ΔＸだけ移動させておくことが望ましい。

第１１Ｊ虹桝 第４図は本発明による第２実施例の概略構成を示す図で
あり、（Ａ）は光路を示す側面図である。

本実施例は、投影対物レンズＬによって所定パターンの
像がウェハ上に転写される投影型露光装置におけるウェ
ハ面の焦点検出装置として、本願発明の表面変位検出装
置を採用したものである。この実施例では、投射対物レ
ンズＬの光軸Ａｘに垂直にウェハ面が配置され、このウ
ェハ面上に図示なきレチクル面上のパターンが極めて狭
い焦点深度で投影されるため、ウェハ面を被検面１とし
て、その光軸Ａｘ上の位置を正確に検出することが必要
である。本実施例の表面変位検出装置も原理的には前記
第１実施例と同様であるが、照射対物レンズ１４と被検
面１との間、及び被検面１と集光対物レンズ２１との間
にそれぞれミラー１０Ｍ、２０Ｍが配置されており、こ
れによって照射対物レンズ１４と集光対物レンズ２１と
は被検面１がら離れて配置することができ、表面変位の
検出精度を向上させるために大きな入射角とするのに有
利である。また、照射対物レンズ１４の光軸と集光対物
レンズ２１の光軸とが共に投影対物レンズの光軸緑に平
行に構成されている。そして、被検面としてのウェハ面
の変位検出のための光源１１からの波長λ１は、投影対
物レンズＩ−によるウェハの露光波長λ。と異なるよう
にすることによって、ウェハ上に塗布されているレジス
トを感光させないようにでき、レジストの露光中におい
ても表面の変位を検出し続けることが可能である。尚、
第４図中において前記第１実施例と同等の機能を有する
部材には同一の記号を付した。

この第２実施例では、スリノＩ〜板３３は第４図（Ｂ）
の平面図に示す如く、十字状スリットではなく一木のス
リット３３ａのみを有し、光軸に一致する軸を中心とし
て９０°回転可能に構成されている。すなわち、ピント
合わセ−のために必要な入射面に平行なスリン１−と変
位検出のために必要な入射面に垂直なスリットとを、−
木のスリット３３ａが回転することによって両者の機能
を共用するように構成されている。そして、結像光束の
入射面に沿う方向での開き角を制限するための集光光学
系内に配置された絞り２２に加えて、照射光学系内にお
いても同様の開き角制限絞り１５を設けており、その位
置は照射対物レンズ１４の入射瞳位置に相当している。

この絞り１５は第４図（Ｃ）の平面図に示す如く、入射
面Ｓに垂直な方向に長い矩形開口１５ａを有しており、
第４図（Ｄ）に示した集光光学系中の絞り２２の矩形開
口２２ａと同様の形状を有している。このように照射光
学系内に開き角制限絞りを設けることとすれば、被検面
の変位検出に必要な最小限の光束のみが被検面に照射さ
れるため、余分な光によるノイズを除くのに有効である
。

そして、この実施例では、変位検出のための受光スリッ
ト２３の振動に代えて、集光対物レンズ２１と受光スリ
ット板２３との間に配置された振動鏡２７を用いており
、振動鏡を入射面に垂直な軸を回転中心として振動させ
ることによって、固定された受光スリット板２３に対し
てスリット３３ａの像を入射面Ｓに沿う方向で振動させ
る構成としている。

また、この実施例においても、スリット板１３と受光ス
リンＩ・板２３との基準位置設定のためには、集光光学
系中に配置された２つの斜設平行平面板２５２６を用い
ることができる。尚、受光スリット板２３と検出器２４
との間に配置された正レンズ２８はス’Ｊ　ノ１−ｉ３
過光を集光して検出器の検出感度を高めるためのもので
ある。

ところで、第４図に示した第２実施例において、結像光
束の開き角を制限するための絞り１５や２２を設りる代
わりに、照射対物レンズ１４と被検面１との間に配置さ
れたミラー１０Ｍの形状をこのミラー面での光束を入射
面（第４図（Ａ）での紙面）に平行な方向での幅を制限
するような細長い矩形とすることによって、実質的な結
像光束の開き角を制限することが可能である。同様に、
被検面１と集光対物レンズ２】との間に配置されたミラ
ー２０Ｍの入射面に平行な方向の幅を制限してこのミラ
ー２０門において結像光束の開き角を制限することも可
能である。

第１１伝 第５図は本発明による第３実施例の概略構成を示す側面
図である。この第３実施例は本発明による表面変位検出
装置に被検面の傾斜角を検出するためのレベリング装置
を組み合わせたものである。

被検面１としてのウェハ面上には、投影対物レンズＬに
よってレチクル面２上のパターンが投影転写される。第
５図においても、前記第１図に示した第１実施例の構成
と同等の機能を有する部材には同一記号を付した。

第５図において、表面変位検出装置を形成する光学系の
光路については実線で、又レベリング装置の光学系の光
路については破線でそれぞれ示した。ここでは、表面変
位検出のための照射光学系中の照射対物レンズを第１対
物レンズ１４ａと第２対物レンズ１４ｂとで構成し、両
対物レンズの間をスリット板１３からの光束に関して平
行光束となる構成とし、この両対物レンズ間の平行光束
中にレヘリング用の照射光を導入するためのグイクロイ
ックミラー１０Ｄを配置している。また集光光学系中の
集光対物レンズも同様に第１対物レンズ２１ａと第２対
物レンズ２１ｂとで構成し、両対物レンズの間を平行光
束としてその間にレヘリング用の検出光を分離するため
のグイクロイックミラー２００を配置している。表面変
位検出装置としての光学系の構成は、上記の如き照射対
物レンズと集光対物レンズとの構成を除いては前記第１
実施例の構成と同等であり、スリット板１３、開き角制
限絞り２２、受光スリット２３の平面形状は前記第１図
に示したのと同一であり、同様の作用によって被検面１
の投影対物レンズＬの光軸Ａｘに沿う方向の変位を精密
に検出することが可能である。

第３実施例におけるレベリング装置について述べるに、
レヘリング用の光源４１からの光束は第２レンズ４４に
よって集光され、視野絞り４３を通過した光束は第２レ
ンズ４４によって集光され、グイクロイックミラー１（
１０で反射された後、照射用第２対物レンズ１４ｂの前
側焦点位置に集光される。従って、第２対物レンズから
被検面ｌに向けて照射されるレー・リング用光束は平行
光束となり、被検面１で反射された平行光束は集光用第
１対物レンズ２１ａに入射してその後側焦点位置に集光
される。

集光点からのレベリング用光束は、グイクロイックミラ
ーで反射されてリレーレンズ４５により４分割ディテク
ター４６上に集光される。ここで、視野絞り４３は、第
５図（Ｂ）の平面図に示す如く楕円形の開口４３ａを有
して第５図（Ａ）に示すとおり光軸に対して傾斜して配
置されている。この楕円形開口４３ａの長平方向は入射
面Ｓに沿う方向である。これは、レベリングのために被
検面としてのウェハ面上に投射される平行光束の照射領
域が、ウェハ面上に形成される矩形のチップにほぼ外接
する円形となるようにするためであり、ウェハ面と共役
になる視野絞り４３の像が、アオリの効果によってウェ
ハ面上に鮮明に形成される。

ところで、表面変位検出の精度を原理的に高めるために
は、前述した如く入射角αをより大きくすることが必要
であり、この場合に照射対物レンズ１４ｂ及び集光対物
レンズ２１ａの位置が被検面に接近するため、ウェハ等
の被検面の処理に制約を生ずるごとになる。このために
は、前記第４図に示した第２実施例の如く、照射光学系
と集光光学系とにそれぞれれミラー１０Ｍ、　２０Ｍを
設けることが可能である。しかしながら、第５図に示し
７た第３実施例においては、レヘリング用の光学系を組
み合わセるためにダイクロインクミラー１００，２０Ｄ
が配置されており、これらのダイクロイックミラーの角
度依存特性がダイクロイックミラーへの入射角が大きく
なる程劣化する傾向にあるため、照射対物レンズ１４及
び集光対物レンズ２１の光軸も被検面Ｉに平行に近い構
成としておくことが有効である。このためには、第６図
の部分側面図に示す如く、各対物レンズ１４ｂ、　２１
ａ　と被検面１との間に、平行な全反射面を有するプリ
ズムＩＯＰ、２０Ｐを配置して、各光軸を平行移動して
両対物レンズの位置を被検面１から遠ざけるように構成
することが好ましい。

また、第３実施例においては、？ｉ！ＩＩ検面としての
ウェハ面の変位検出のための光源１１がらの波長λを、
投影対物レンズＩ５によるウェハの露光波長λ０と異な
るようにすることは勿論、光源４１からのレヘリング用
の波長λ２も露光波長とは異なる波長とすることが有効
であることは言うまでもない。

上記の如き第３実施例の表面変位検出装置は、レベリン
グ機能を兼ね備えているため、前述した本発明のとおり
被検面の表面変位を精度良く検出できるのみならず、対
物レンズを共用した比較的簡単な構成によって被検面と
してのウェハ面上の露光領域の平均的傾斜状態を検出す
ることが可能であり、超ＬＳＩ等の半導体素子の製造に
必須の投影型露光装置におけるウェハの表面位置及び傾
き検出のための装置として極めて有用である。

まｊ刈１Φｍ例 （ａ）　　上記の本発明による実施例においては、表面
の変位検出のために被検面に投射される入射面に垂直な
直線上パターンの結像光束を、入射面に沿う方向におい
て制限することによって、被検面上に塗布されたレジス
ト等の薄膜による干渉によるデフォーカス時の誤差を低
減することを可能としたが、被検面への照射光束の波長
の帯域を広くすることによって薄膜による干渉に起因す
る誤差を軽減することも可能である。従って、表面変位
検出のための光源１１として、ある程度の波長幅の光を
供給するものを用いることが好ましい。しかしながら、
波長幅が広くなるほど対物レンズのその帯域での色収差
補正が難しくなるため、λ、として６００〜８００ｎｍ
の範囲を用いることが望ましい。

（ｂｌ上記の各実施例においては、受光スリット板２３
に十字状のスリットを設りて、そのうち入射面に平行な
方向の直線状スリット２３Ｂを用いて、スリット板１３
上の入射面に平行なスリット１３１’ｌとのピント合わ
せを行い、また入射面に垂直な方向の直線状スへン１〜
２３八を用いて、スリット板Ｉ３上の入射面に垂直なス
リノ目３Ａ　との協動により表面の変位を検出する構成
であったが、受光スリット板２３に一木のスリットのみ
を設けて第２実施例のスリット板３３の如く光軸を中心
として９０°だげ回転可能とし、ビンＩ−合わせによる
基準位置設定の時にのみスリットの長手方向が入射面に
平行になるようにし、通常はスリットの長手方向が入射
面に垂直になるように配置しておくことも有効である。

（Ｃ）また、上述の実施例においては、集光光学系の検
出部として光電変換素子を用いたが、これに代えて受光
スリットの矩形開口部に直接ポジションセンサやリニア
センサを配置して検出部とすることもできるし、撮影素
子を配置して画像処理によってスリット像の検出を行う
構成とすることも可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、被検面に対して斜方向か
らスリット像を投影する斜入射型の表面変位検出装置に
おいて、スリット像投影用の入射角を大きくして被検面
の変位検出の精度を原理的に向上させつつ、スリット板
の基準位置設定の際には入射面に平行な直線状パターン
によって開き角に制限の無い入射面に垂直な方向におり
る結像状態により、被検面に投影されるスリン１−像の
ピント調節を正確に行うことが可能である。従って、被
検面の変位検出の精度を実質的に向上させた優れた表面
変位検出装置を達成することができる。

２２・・・・・・開き角制限用絞り ２３・・・・・・受光スリット板 ２４・・・・・・検出部 Ｓ・・・・・・入射面

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による表面変位検出装置の第１実施例の
構成を示す図、第２図は開き角制限絞りの矩形開口とス
リ、トとの位置関係を示す平面図、第３図はスリットと
矩形開口及び受光スリット板との位置関係を示す平面図
、第４図は本発明による第２実施例の構成を示す図、第
５図は本発明による第３実施例の構成を示す図、第６図
は実施例の変形例を示す部分図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・・・・被検面 １１・・・・・・光源 Ｉ３・・・・・・スリット板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被検面上に該被検面に対して斜め方向から所定形状
   のパターンを投射する照射光学系と、該被検面で反射さ
   れた光束を受光して前記所定パターンの像を再結像する
   ための集光光学系と、該反射光束の集光光学系による集
   光位置を検出する検出手段とを有する表面変位検出装置
   において、前記照射光学系により被検面上に投射される
   パターンを該被検面に対する光束の入射面に垂直な直線
   状パターンし、前記照射光学系と集光光学系との少なく
   とも一方に前記入射面に平行な方向において結像光束の
   開き角Ｎ．Ａ．を小さく制限する制限手段を設け、前記
   入射面に垂直な直線状パターンと同一の光軸上位置に該
   入射面に平行な直線状パターンを配置して該入射面に平
   行な直線状パターンの像の結像状態によって前記入射面
   に垂直な直線状パターンの基準位置を設定し、前記入射
   面に垂直な直線状パターンの前記検出手段上における像
   の変位量によって被検面の変位を検出することを特徴と
   する表面変位検出装置。 ２）前記被検面上に投射される所定パターンは、前記入
   射面に平行な直線状パターンと該入射面に垂直な直線上
   パターンとを有する十字状パターンであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の表面変位検出装置。 ３）前記被検面上に投射される所定パターンは、光軸上
   の所定位置にて該光軸を中心として９０°回転可能であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面変
   位検出装置。