JPH0697045A

JPH0697045A - 面位置検出装置

Info

Publication number: JPH0697045A
Application number: JP24774892A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1994-04-08
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JP3360321B2

Abstract

(57)【要約】【目的】スループットの低下を招くことなく、被検
面上の複数の箇所の上下方向の位置を同時に検出すると
共に、光学系が簡略化された面位置検出装置を提供する
こと。【構成】投射光学系(9,10)により、被検面(1a)に対
して斜め方向から第１面上の所定のパターン(8a)を投射
し、集光光学系(11,12) により、第２面(25a) 上で所定
のパターンの像を形成する。そして、走査手段(30,31)
により、この像と検出器(17)の受光面(17a) とを相対的
に走査させて、検出器により、この像を光電的に検出す
る。ここで、第１面と被検面とは、投射光学系の主平面
に関してシャインプルーフの条件を満たし、被検面と第
２面とは、集光光学系の主平面に関してシャインプルー
フの条件を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面位置検出装置に関
するものであり、例えば半導体製造装置において、ウェ
ハの位置を検出する面位置検出装置に好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】レチクル上に形成された回路パターンを
投影レンズを介してウェハ上に転写する半導体露光装置
においては、投影レンズの焦点深度が比較的浅く、しか
も、ウェハに部分的な凹凸が存在することもあるため、
ウェハの各露光領域における投影レンズに対する焦点ず
れの補正をそれぞれ行う必要がある。

【０００３】このとき、投影レンズの光軸方向における
ウェハ位置の検出装置としては、例えば、ウェハ等の被
検面に対して斜め方向からスリットの像を投影し、この
スリットの像を斜め方向から検出する斜め入射型オート
フォーカスセンサーが知られている。この斜め入射型オ
ートフォーカスセンサーにおいては、被検面（ウェハ）
が投影レンズの光軸方向に沿って上下すると、被検面上
におけるスリットの像の位置がこの斜め方向と直交する
方向に沿ってずれる。そして、このずれ量を測定するこ
とで、被検面の上下方向（被検面の法線方向）に関する
位置を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述に
示した従来の検出装置では、被検出面上の広い範囲に亘
る領域における上下方向の位置検出を同時に行うことが
できなかった。また、近時は、ＬＳＩの高集積化に伴
い、ウェハ上の各露光領域（ショット領域）により微細
なパターンを転写することが望まれており、これに対応
するために回路パターンの像をウェハ上に結像する投影
レンズの開口数（Ｎ．Ａ．）が大きくされている。投影
レンズの開口数が大きくなると、投影レンズの焦点深度
が浅くなるので、各露光領域をより正確且つ確実に投影
レンズの焦点深度内に位置させることが望まれている。

【０００５】さらに、複数のＬＳＩチップをまとめて露
光する場合、及び露光するＬＳＩチップのサイズ（露光
領域のサイズ）を変更する場合には、そのままでは検出
すべき被検面の適切な箇所に位置検出のための照射光が
当たらず、正確な位置検出を行うには、その照射光の位
置を変更する必要がある。このとき、必要な箇所にスリ
ット状の光束を投射して、ウェハを載置しているステー
ジを必要な検出箇所まで逐次移動させることも考えられ
るが、位置検出に要する時間が長くなり、スループット
が低下する問題点がある。

【０００６】そこで、本発明は、スループットの低下を
招くことなく、被検面上の複数の箇所での上下方向（被
検面の法線方向）の位置を同時に検出でき、光学系が簡
略化された面位置検出装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、例えば図１に示す如く、第１面(8a)上に形成され
た所定のパターンと、被検面(1a)に対して斜めの方向か
ら所定のパターンの像を投射する投射光学系(9,10)と、
被検面で反射された光束を集光して所定のパターンの像
を第２面(25a) 上に形成する集光光学系(11,12) と、所
定のパターンの像を光電的に検出する検出器(17)とを有
し、この検出器の出力に基づいて、被検面の位置を検出
する面位置検出装置は、検出器の受光面(17a) と、所定
のパターンの像とを相対的に走査させる走査手段(30,3
1) を有し、第１面と被検面とは、投射光学系の主平面
に関して、シャインプルーフの条件を満たすと共に、被
検面と第２面とは、集光光学系の主平面に関してシャイ
ンプルーフの条件を満たすように構成したものである。

【０００８】この場合、例えば図９に示すように、Ａ面
上のパターンをＢ面上に結像する光学系に関して、それ
らＡ面とＢ面とがシャインプルーフの条件を満たすと
は、より正確には、この光学系のメリジオナル断面内に
おいて、そのＡ面上の延長線と、その光学系の物側主平
面との交点をＨ、そのＢ面の延長線とその光学系の像側
主平面との交点をＨ’とした場合、交点Ｈから光軸まで
の距離Ｌと交点Ｈ’から光軸までの距離Ｌ’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、そのＡ
面上の任意の点から射出した光束は、それぞれＢ面上の
対応する１点に収束する。従って、そのＡ面上の全面の
点の像がそのＢ面上に形成される。

【０００９】また、例えば図１に示すように、第２面と
受光面とを共役にするリレー光学系(14,16) を第２面と
受光面との間に設けると共に、集光光学系から射出する
光束を偏向させる偏向光学系(25)を第２面に設けるよう
に構成しても良い。

【００１０】

【作用】上述の構成の如く、本発明の面位置検出装置に
よれば、第１面と被検面とが所謂アオリの結像関係を満
たし、且つ被検面と第２面とがアオリの結像関係を満た
しているので、被検面の全面の各点が第２面上に結像す
る。この場合、投射光学系が被検面に対して斜めの方向
から所定パターンの像を投射しているので、その被検面
に部分的に凹凸が存在すると、第２面上の像は、その凹
凸に対応した歪み（変位）を生ずる。そして、この変位
を例えば特開昭56-42205号公報に開示されている光電顕
微鏡の原理によって検出すれば、被検面の上下方向の位
置情報を得ることができる。この光電顕微鏡の原理を簡
単に説明する。まず、走査手段によって、受光面と第２
面上の像とを相対的に走査させ、受光面上でこの時の光
変調を検出する。そして、走査の周期を基準として検出
された光変調を同期検波すると、被検面の位置ずれ量に
相当する検波出力を得ることができる。

【００１１】さらに、被検面と第２面とがアオリの結像
関係にあるので、面同士の倍率関係に比べて、その被検
面の上下の変動による第２面上での横ずれ量が大きくな
る。これについて定量的に説明する。例えば、図１に示
すように、被検面に対する投射光学系による入射角を
θ、被検面の上下方向の変位量をｚ、被検面の第２面へ
のアオリの結像面に沿った結像倍率をβ’とすると、第
２面上での横ずれ量ｙ₁は次式で表すことができる。

【００１２】

【数１】ｙ₁＝２・β’・ｔａｎθ・ｚ ‥‥（１）ところで、被検面と第２面との光軸と垂直な方向の倍率
である横倍率をβとすると、シャインプルーフの条件か
ら次の関係が成立する。

【００１３】

【数２】 β’＝（β²ｃｏｓ²θ＋β⁴ｓｉｎ²θ）^1/2 ‥‥（２）一方、例えば特開昭56-42205号公報に開示されている従
来の技術においては、横ずれを光軸と垂直な方向に検出
しているので、検出される横ずれ量ｙ₂は、次のように
なる。

【００１４】

【数３】ｙ₂＝２・β・ｓｉｎθ・ｚ ‥‥（３）ここで、（１）式と（２）式とを比較すると、入射角θ
が大きい場合には、アオリの結像関係を満たした場合の
（１）式の横ずれ量ｙ₁の方が大きい。簡単のため、β
＝１とすると、（２）式よりβ’＝１となり、横ずれ量
ｙ₁及びｙ₂は、それぞれｔａｎθ及びｓｉｎθに比例
する。例えば、θ＝80°の場合、（１）式によれば、ｙ
₁＝11.3ｚとなり、（３）式によればｙ₂＝ 2.0ｚとな
る。従って、アオリの結像関係を満たしている場合の方
が5.7 倍も横ずれが大きくなり、被検面の上下に対する
検出感度及び検出精度が改善される。

【００１５】また、本発明において、投射光学系による
被検面への入射角θを大きくすると、被検面の上下の変
位に対する横ずれ量の変化の度合いが大きくなるので、
さらなる検出精度向上を計ることができる。しかしなが
ら、入射角θが大きい場合には、第２面に入射する光束
の入射角も大きくなる。このことは、例えば検出手段の
受光面を第２面上に配置した場合、この受光面上での表
面反射や光束のけられ等が発生し、受光面での受光量が
著しく低下することがある。そこで、第２面上にプリズ
ム等の偏向光学系を配置することで、集光光学系の光軸
を偏向させる。これにより、受光面に達する光束の入射
角が小さくなるため、受光量の低下を招く恐れがない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明による面位置検出装置の実施例
を図面を参照して説明する。図１は、本発明による面位
置検出装置を投影露光装置に適用した例を示す模式図で
ある。図１において、主照明光源40からの主照明光は、
所定の回路パターンが表面に設けられたレチクルR を照
明する。そして、投影レンズ5 によって、ウェハ1 の被
露光面1aにレチクルR の像が投影される。このウェハ1
を載置しているホルダー2 は、ウェハ1 を投影レンズ5
の光軸AX1 に垂直な平面内での平行移動、微小回転、及
び光軸AX1 に沿った方向（フォーカシング方向）へ移動
させる。このホルダー2 は、上下方向に移動可能な３ヶ
所の支持点によってホルダー2 を支持する保持機構3 に
よって支持される。そして、駆動部4 は、保持機構3 の
支持点の上下方向の移動を行わせ、ホルダー2 のレベリ
ング（水平出し）を行う。

【００１７】ここで、ウェハ1 の被検面1a上にレチクル
R 上に設けられた回路パターンを良好に転写するために
は、各露光ショット毎に、投影レンズ5 による結像面に
対する焦点深度の幅内に、その被検面1aの現在の露光領
域を収める必要がある。このためには、被検面1aの現在
の露光領域上の各点の投影レンズ5 の光軸AX1 方向の位
置を正確に検出した後に、被検面1aが投影レンズ5 の焦
点深度の幅の範囲内に収まるように、ホルダー2 のレベ
リング、及びウェハ1 のフォーカシング方向の移動を行
えば良い。

【００１８】以下に、被検面1aの現在の露光領域の位置
を検出する際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供給する光源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26に入射する。この偏向プリ
ズム26は、コンデンサーレンズ7 からの略平行光束を屈
折させることで偏向させる。そして、この偏向プリズム
26の射出側には、図中紙面垂直方向に延びた縞パターン
で構成された透過型格子パターン板8 が設けられてい
る。この透過型格子パターン板8 は、透過部と遮光部と
が交互に設けられた格子パターン形成面8aがウェハ1a側
になるように配置されている。なお、透過型格子パター
ンの代わりに、凹凸形状の反射型回折格子を適用しても
良く、さらには、反射部と無反射部とが交互に形成され
た反射格子パターンを適用しても良い。

【００１９】ここで、ウェハ1 の表面（被検面1a）は、
一般的に、レジスト等の薄膜で覆われているので、この
薄膜による干渉の影響を低減するために、光源6 は、波
長幅の広い白色光源であることが望ましい。なお、光源
6 としては、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等でも良い。そして、格子パ
ターン形成面8aに達した照明光は、この格子パターン形
成面8aを透過した後、投影レンズ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 と、投射用対物レンズ10とで構成され、格子パターン
形成面8aと被検面1aとを共役な配置にする。そして、格
子パターン形成面8aと被検面1aとは、この投射光学系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
されているため、格子パターン形成面8aの格子パターン
は、被検面1aの全面にわたって正確に結像する。

【００２０】また、図２に光路を点線で示すように、集
光レンズ9 と投射用対物レンズ10とで構成される投射光
学系9,10は、いわゆる両側テレセントリツク光学系であ
り、格子パターン形成面8aと被検面1a上の共役点とは、
全面に渡って夫々同倍率である。従って、格子パターン
形成面8aが図１で紙面垂直方向を長手方向とする等間隔
の格子状パターンを有しているので、被検面1a上に形成
される像は、図１の紙面垂直方向を長手方向とする等間
隔の格子状パターンとなる。

【００２１】図１に戻って、被検面1aに投射された光
は、この被検面1a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、受光用対物レンズ11
と集光レンズ12とで構成され、この集光光学系11,12 の
入射側の光軸AX3₁は、投影レンズ5 の光軸AX1 に関し
て、投射光学系9,10の光軸AX2 と線対称になるように設
けられている。また、被検面1aと第２面25a との間の光
路中には、走査手段としての振動ミラー30が設けられて
おり、受光用対物レンズ11に入射した光は、振動ミラー
30を介して、集光レンズ12に達する。なお、本実施例で
は、振動ミラー30が集光光学系11,12 の略瞳面に配置さ
れているが、この振動ミラー30は、被検面1aと受光面17
a との間の光路中であれば良い。

【００２２】そして、被検面1aが投影レンズ5 の結像面
と合致しているときには、集光光学系11,12 による被検
面1aの共役な面上にアオリ補正プリズム25の入射面25a
が位置するように配置されている。このとき、被検面1a
からの反射光は、アオリ補正プリズム25の入射面25a 上
に集光する。この入射面25a には、遮光手段としての受
光スリットS が設けられている。この受光スリットS
は、図３に示すように、例えば５か所の開口部Sa₁,Sa₂,
Sa₃,Sa₄,Sa₅(以下、 Sa₁〜Sa₅ と略記する）を有するよ
うに構成されており、集光光学系11,12 を介した被検面
1aからの反射光は、受光スリットS の開口部 Sa₁〜Sa₅
をそれぞれ通過して、アオリ補正プリズム25に入射す
る。

【００２３】この受光スリットS の開口部Saの数が被検
面1a上における検出点に対応する。例えば図４の被検面
1aに格子パターン形成面8aの像80a が投射されている状
態を示す図のように、被検面1a上の検出点（検出領域）
Da₁,Da₂,Da₃,Da₄,Da₅(以下 Da₁〜Da₅と略記する) は、
図３に示す如く受光スリットS の５箇所の開口部 Sa₁〜
Sa₅に対応する。ここで、被検面1a上での検出点の数を
増やしたいときには、開口部Saの数を増やせば良いだけ
であるので、検出点の個数を増やしても構成の複雑化を
招くことがない。

【００２４】さらに、投影レンズ5 による結像面とアオ
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、被検面1aと結像面とが合致してい
る状態においては、入射面25a の全面にわたって、被検
面1a上の格子パターンの像80a が正確に再結像する。ま
た、図２に光路を点線で示すように、集光光学系11,12
が両側テレセントリツク光学系で構成されているため、
被検面1a上の各点とプリズム入射面25a 上の共役点と
は、全面で同倍率である。従って、被検面1aが投影レン
ズ5 の結像面に合致している状態では、受光スリットS
上に投影される像も図１の紙面垂直方向を長手方向とす
る等間隔の格子状のパターンとなる。

【００２５】すなわち、本実施例において、被検面1aと
投影レンズ5 の結像面とが合致している状態では、格子
パターン形成面8a、被検面1a、及びアオリ補正プリズム
25の入射面25a は、各々シャインプルーフの条件を満た
す関係にあり、しかも各面とも全面にわたって夫々倍率
が等しい。次に、被検面1a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
格子状パターンの像の横ずれ量ｙを求める。ここで、被
検面1aに対する入射光の主光線の入射角をθ、集光光学
系11,12 の横倍率をβ、被検面1a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、前述の（１）式、（２）式より、横ずれ
量ｙは、

【００２６】

【数４】ｙ＝２・β’・tan θ・ｚ＝２（β²sin²θ＋β⁴sin⁴θ／cos²θ）^1/2・ｚ ‥‥（４）で示される。すなわち、被検面1aに投射する格子パター
ンの入射角θを大きくすれば、横ずれ量ｙも大きくな
り、より高精度な面位置の検出が可能となる。

【００２７】ところで、投射光学系9,10並びに集光光学
系11,12 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、透過型格子パターン板8 の法線と反射
光とがなす角度をγ、アオリ補正プリズム25における入
射光とその法線とがなす角度をα（この角度αは、アオ
リ補正プリズム25の入射面25a へ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、集光光学系1
1,12 の横倍率をβとすると、次の関係が成り立ってい
る。

【００２８】

【数５】ｔａｎγ＝β₄・ｔａｎθ ‥‥（５）

【００２９】

【数６】ｔａｎα＝β・ｔａｎθ ‥‥（６）ところで、第２面上に受光面17a を配置した場合には、
被検面1aに対する入射角θが大きいと、受光面17a にお
ける光束の入射角も大きくなる。例えば、受光面17a に
シリコン・フォト・ダイオードSPD を配置した場合に
は、シリコン・フォト・ダイオードSPD への光束の入射
角が大きいと、このシリコン・フォト・ダイオードSPD
における表面反射が大きくなると共に、光束のけられが
生じて、受光量が著しく低下する恐れがある。

【００３０】本実施例においては、このような受光量の
低下を避けるために、図１に示す如く、偏向光学系とし
て、第２面上にアオリ補正プリズム25を配置して、集光
光学系11,12 から射出する光束を偏向させている。この
アオリ補正プリズム25は、図５の断面図に示すように、
所定の頂角ξを有し、この頂角ξは、このアオリ補正プ
リズム25によって屈折された射出光線L2がアオリ補正プ
リズム25の射出面25bの法線と略平行となるように定め
られている。このとき、アオリ補正プリズム25へ入射す
る入射光線L1に対する射出光線L2のなす角は、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に入射する入射光線L1と入射面25a とのなす
角度αに比してかなり小さくなる。

【００３１】そして、アオリ補正プリズム25の射出側に
は、リレーレンズ14、平面鏡15、リレーレンズ16で構成
されるリレー光学系14〜16が配置されている。このリレ
ー光学系は、図２に示すように、両側テレセントリック
光学系である。図１に戻って、アオリ補正プリズム25に
入射した光束は、このアオリ補正プリズム25によって屈
折作用を受けた後に、平面鏡15へ導かれる。この平面鏡
15で反射された光束は、リレー光学系14〜16により、受
光面17a 上に集束される。すなわち、このリレー光学系
14〜16は、アオリ補正プリズム25の入射面25a 上に形成
される像の更なる共役像を受光面17a 上に形成する。

【００３２】ここで、アオリ補正プリズム25の働きにつ
いて図５を参照して説明する。図５において、集光光学
系11,12 の射出側の光軸AX3₂に平行なビームをL1とする
と、図１よりアオリ補正プリズム25に対するビームL1の
入射角は、αとなる。図５において、アオリ補正プリズ
ム25の屈折率をｎとして、屈折角をξとすると、次式が
成立する。

【００３３】

【数７】 ξ＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎα／ｎ） ‥‥（７）そして、本実施例では、アオリ補正プリズム25の頂角
は、その屈折角と同じくξに設定されている。これによ
り、アオリ補正プリズム25の射出面25b から射出される
ビームL2は、その射出面25b と垂直になる。

【００３４】従って、アオリ補正プリズム25のガラスに
よる像の浮き上がりを考慮すると、その射出されるビー
ムL2に垂直な平面に対する被検面1aのリレーされた像面
の傾きであるアオリ角ρは、次式で示される。

【００３５】

【数８】 ρ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎξ／ｎ） ‥‥（８）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、受光部17の受光面17a と、リレー
光学系14〜16の射出側の光軸AX4₂に垂直な面とのなす角
度、すなわち受光面17a に対する主光線の入射角とな
る。

【００３６】例えば、屈折率ｎ＝1.8 、入射角α＝80.1
°とすると、アオリ角ρ＝20.0°となり、アオリ角は0
°に近づいている。ここで、受光面17a への入射角も2
0.0°であるが、この程度であれば、受光量の低下は、
ほとんど無いとみなすことができる。このように、本実
施例においては、偏向光学系としてアオリ補正プリズム
25を用いているので、受光面17a に入射する光束の入射
角が小さくなるため、この受光面17a 上に配置されたシ
リコン・フォト・ダイオードSPD での受光量の低下を防
止できる。

【００３７】なお、アオリ補正プリズム25の入射面25a
と受光部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条件を満足することが望まし
い。ところで、光源の波長帯が広い場合には、偏向光学
系としてプリズム、例えばアオリ補正プリズム25を用い
ることが望ましい。ここで、例えば偏向光学系として回
折格子を用いた場合には、プリズムを用いた場合に比し
て偏向された光線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るため、好ましくな
い。

【００３８】また、被検面1aに入射する光束の入射角α
が大きい場合には、アオリ補正プリズム25を通過する光
線の透過率が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＝80°、屈折率ｎ＝1.8 の場合に
は、Ｐ偏光の透過率が0.79となり、Ｓ偏光の透過率が0.
37となる。このように、アオリ補正プリズム25における
透過率が光線の偏光状態によって異なるため、偏光ごと
の情報の重みが異なり、被検面1aの位置検出が正確にな
らない恐れがある。しかし、本実施例では、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、この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、被検面1aの位置検出が正しく
行われる。

【００３９】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、１／４波長板を用いた場合に
は、アオリ補正プリズム25への入射光束は、円偏光とな
り、被検面1aの位置検出は、１／２波長板を用いた場合
と同様に正確に行われる。さらに、アオリ補正プリズム
25の射出面25b と、この射出面25b から射出する光束L2
とは、略垂直となることが好ましい。本実施例において
は、アオリ補正プリズム25の頂角をこのアオリ補正プリ
ズム25に入射する光束L1に対する光束L2の屈折角ξと等
しくする構成によって、射出面25b と光束L2とを略垂直
としている。ここで、射出面25b と光束L2とが略垂直に
ならないと、リレー光学系14〜16にって、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た
め、望ましくない。

【００４０】さて、アオリ補正プリズム25の入射面25a
上には、図３に示すように５箇所の開口部 Sa₁〜Sa₅を
有する受光スリットS が設けられているので、入射面25
a に再結像された格子状パターンの像は、部分的に遮光
される。すなわち、受光スリットS の開口部 Sa₁〜Sa₅
の領域に形成された格子状パターンの像からの光束のみ
がアオリ補正プリズム25から射出する。

【００４１】そして、入射面25a 上に形成された受光ス
リットS の開口部 Sa₁〜Sa₅の像は、リレー光学系14〜
16により、受光部17にリレーされる。この受光部17は、
図６の平面図に示すように、例えば受光スリットS の開
口部 Sa₁〜Sa₅に対応する５つのシリコン・フォト・ダ
イオードSPD₁,SPD₂,SPD₃,SPD₄,SPD₅（以下、SPD₁〜SPD₅
と略記する）が受光面17a 上に設けられる構成となって
いる。これらのシリコン・フォト・ダイオードSPD₁〜SP
D₅上には、開口部 Sa₁〜Sa₅の像がスリット像SL₁,SL₂,
SL₃,SL₄,SL₅(以下、 SL₁〜SL₅ と略記する) として結像
する。このスリット像 SL₁〜SL₅ は、シリコン・フォト
・ダイオードSPD₁〜SPD₅の大きさよりも小さくなるよう
に結像する。

【００４２】なお、本実施例では、受光面に複数のシリ
コン・フォト・ダイオードを設けてあるが、ＣＣＤ（２
次元電荷結合型撮像素子）やフォトマルを用いても良
い。そして、被検面1aが投影レンズ5 の光軸に沿って上
下に移動すると、アオリ補正プリズム25の入射面25a 上
に投影されたパターンは、被検面1aの上下に対応してパ
ターンのピッチ方向に横ずれを起こす。この横ずれ量を
振動ミラー30と受光部17とを用いて、例えば特開昭56-4
2205号公報に開示された光電顕微鏡の原理により検出す
れば、被検面1a上の光軸AX1 方向に関する光軸AX1 方向
に関する面位置を検出することができる。

【００４３】以下、図１に戻って、光電顕微鏡の原理に
よる面位置検出について詳述する。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が設けられて
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を図中矢
印方向に振動させる。この振動ミラー30の振動に伴っ
て、アオリ補正プリズム25の入射面25a 上に形成される
格子状パターンの像も振動する。このとき、入射面25a
上に結像される格子状パターンの振動の振幅は、この格
子状パターンのピッチの1/2 以下に規定し、また、スリ
ットS の開口部 Sa₁〜Sa₅の幅も格子状パターン像のピ
ッチの1/2 以下に規定する。この格子状パターンの像の
振動に伴って、入射面25a 上、即ち受光スリットS の開
口部 Sa₁〜Sa₅の領域を透過する光の光量が変化する。
そして、この透過光は、リレー光学系14〜16によって、
受光部17上のシリコン・フォト・ダイオードSPD₁〜SPD₅
の領域に達する。

【００４４】以下、説明を簡単にするために、１つのシ
リコン・フォト・ダイオードSPD₁についてのみ説明す
る。受光スリットS の開口部Sa₁の領域を透過した光
は、シリコン・フォト・ダイオードSPD₁上のスリット像
SL₁の領域内に到達する。このスリット像SL₁の明るさ
は、振動ミラー30の振動に伴って変化する。次に、図７
を参照してスリット像SL₁の明るさの変化について詳述
する。図７は、受光スリットS の開口部Sa₁近傍の拡大
図である。この図７において、格子状パターンSTは、ピ
ッチ P_STで受光スリットS 上に形成されており、格子状
パターンSTは、振動ミラー30の振動に伴って図中矢印方
向に振動する。

【００４５】ここで、開口部Sa₁の幅WSa₁は、この開口
部Sa₁上に形成される格子状パターンSTのピッチを P_ST
としたとき、

【００４６】

【数９】 WSa₁≦ P_ST／２ ‥‥（９）を満足することが望ましい。また、振動ミラー30によっ
て振動する格子状パターンSTの振幅Ａ_STは、

【００４７】

【数１０】Ａ_ST≦ P_ST／２ ‥‥（１０）を満足することが望ましい。ここで、開口部Sa₁の幅WS
a₁が上述の（９）式を満足しないとき、あるいは、格子
状パターンの振幅Ａ_STが上述の（１０）式を満足しない
場合には、振動ミラー30の振動に伴う開口部Sa₁での光
量変化が小さくなり、検出精度が低下するため、好まし
くない。本実施例においては、開口部の幅WSa₁が格子状
パターンSTのピッチ P_STの1/2 以下となるように規定し
ており、さらに、格子状パターンSTの振幅Ａ_STがピッチ
P_STの1/2 以下となるように規定しているため、振動ミ
ラー30の振動に伴う光量変化が小さくなる恐れがない。

【００４８】また、開口部Sa₁の位置は、被検面1aと投
影レンズの結像面とが一致しているときに、開口部Sa₁
の中心が格子状パターンSTの振動中心に一致するように
設けられている。そして、開口部Sa₁の幅が格子状パタ
ーンのピッチの1/2 以下であり、かつ格子状パターンの
振幅もこのピッチの1/2 であるので、この格子状パター
ンSTが振動すると、シリコン・フォト・ダイオードSPD₁
上での受光量が変化する。そして、シリコン・フォト・
ダイオードSPD₁は、この光強度の変化、すなわち光変調
に応じた検出出力SD₁ を検出部18に出力する。

【００４９】また、同様に、他のシリコン・フォト・ダ
イオードSPD₂,SPD₃,SPD₄,SPD₅ においても、スリット像
SL₂,SL₃,SL₄,SL₅の光変調に応じた検出出力SD₂,SD₃,SD
₄,SD ₅を検出部18へ出力する。また、ミラー駆動部31か
らも振動ミラー30の振動周期Ｔと同じ位相の交流信号が
検出部18へ出力される。ここで、検出部18においては、
周期Ｔの交流信号の位相を基準として、検出出力SD₁,SD
₂,SD₃,SD₄,SD₅(以下、 SD₁〜SD₅ と略記する）の同期整
流、すなわち同期検波が行われ、検波出力信号FS₁,FS₂,
FS₃,FS₄,FS₅(以下、 FS₁〜FS₅ と略記する) が補正量算
出部19へ出力される。この検波出力信号 FS₁〜FS₅ は、
いわゆるＳカーブ信号と呼ばれ、被検面1a上の検出領域
Da₁,Da₂,Da₃,Da₄,Da₅(以下、 Da₁〜Da₅ と略記する) が
投影レンズ5 の結像面に位置しているとき、すなわち検
出出力 SD₁〜SD₅ が振動ミラー30の振動周期Ｔの1/2 の
周期で変化したときに、それぞれ零レベルとなる。ま
た、被検面1aの検出領域 Da₁〜Da₅が投影レンズ5 の結
像面より上方に変位しているときには正のレベル、被検
面1aの検出領域 Da₁〜Da₅ が投影レンズ5 の結像面より
下方に変位しているときには負のレベルを示す。このよ
うに、検波出力信号 FS₁〜FS₅は、被検面1aの変位に対
応した出力値を示す。

【００５０】その後、検波出力信号 FS₁〜FS₅ が出力さ
れた補正量算出部19は、これらの検波出力信号 FS₁〜FS
₅ の正負レベルから、被検面1a上の各検出領域 Da₁〜Da
₅のフォーカシング方向の位置をそれぞれ算出し、被検
面1aの平均的な傾きと、被検面1aのフォーカシング方向
の位置を求める。そして、被検面1aが投影レンズ5 の焦
点深度の範囲内に位置するような傾きの補正量、及びフ
ォーカシング方向の補正量を夫々算出する。その後、補
正量算出部19は、これらの補正量を駆動部4 へ伝達す
る。

【００５１】そして、駆動部4 は、傾きの補正量に基づ
いて、保持機構3 を駆動させて、ホルダー2 のレベリン
グを行なわせと共に、フォーカシング方向の補正量に基
づいて、ウェハホルダー2 を駆動させてウェハ1 のフォ
ーカシング方向の移動を行わせる。このような構成によ
り、被検面1a上の複数の検出点を同時に検出し、この検
出出力に基づいて、被検面を所定の位置に位置させるこ
とができる。

【００５２】また、図８に示すように、１つのシリコン
・フォト・ダイオードSPD₆上に、複数のスリット像（例
えば、３つのスリット像SL_6a,SL_6b,SL_6C )を形成して
も良い。このとき、スリット像SL_6a,SL_6b,SL_6Cの間隔
P_SPDは、

【００５３】

【数１１】 P_SPD＝ｍ・ P_ST ‥‥（１１）を満足することが望ましい。ただし、ｍは、整数であ
る。また、スリット像SL_6a,SL_6b,SL_6C幅 W_SPD6は、

【００５４】

【数１２】 W_SPD6≦ P_ST／２ ‥‥（１２）を満足することが望ましい。ここで、スリット像SL_6a,
SL_6b,SL_6Cの間隔 P_SPDが上述の（１１）式から外れる
と、各スリット像SL_6a,SL_6b,SL_6Cごとに、振動ミラー
30の振動に伴う光量変化が異なるようになるため、検出
値が不正確になるため好ましくない。また、スリット像
SL_6a,SL_6b,SL_6C幅 W_SPD6が上述の（１２）式の範囲か
ら外れると、振動ミラー30の振動に伴う光量変化が小さ
くなるので、好ましくない。

【００５５】上述のような構成によると、シリコン・フ
ォト・ダイオードSPD₆上での受光量が増加する利点があ
る他に、対応する被検面1a上の領域が広くなり平均化効
果が得られるといった利点がある。なお、本実施例にお
いては、受光面17a 上に設けられたシリコン・フォト・
ダイオードSPD 上に受光スリットS を介した光を入射さ
せているが、必ずしも受光スリットS を介する必要はな
い。受光スリットS を介さない場合には、シリコン・フ
ォト・ダイオードSPD の領域が被検面1a上での受光領域
となる。すなわち、被検面1aでの検出領域に対応した箇
所にシリコン・フォト・ダイオードSPD を配置すれば良
い。

【００５６】また、本実施例においては、受光スリット
S は、第２面（アオリ補正プリズム25の入射面25a)に配
置されているが、これは、受光部17の受光面17a 上であ
っても良い。このとき、受光スリットS の開口部Saの大
きさは、受光面17a の大きさよりも小さくなるように設
けられることが望ましい。そして、本実施例において
は、複数のシリコン・フォト・ダイオードを受光面17a
上にフォトエッチング法で設けても良い。この場合に
は、受光スリットS の開口部Saの数が大幅に増加して
も、対応できる利点がある。

【００５７】また、被検面1aとしてのウェハの表面は、
プロセスの都合によっては必ずしも平面になるとは限ら
ない。このような場合には、被検面1a上の検出領域（検
出点）の数を増加させれば良い。ここで、被検面1a上の
検出点の箇所を増加させるには、この検出領域に対応す
る受光スリットS の開口部の箇所を増加させれば良い。
このように、本発明による面位置検出装置は、簡易な構
成のままで、被検面1a上の検出点を増やすことが可能で
あるので、被検面1a上の広い範囲にわたる面位置を検出
することができる。しかも、検出点の箇所が増加して
も、同時に検出できるので、スループットの低下を招く
ことがない。

【００５８】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、投射光学
系に関して第１面と被検面とをシャインプルーフの条件
を満たすように構成し、集光光学系に関して被検面と第
２面とをシャインプルーフの条件を満たすように構成し
ているので、簡単な光学系で、被検面の広い領域の上下
方向の位置の分布を同時に検出できる。

【００５９】また、第２面上に、集光光学系の光軸の方
向を偏向させる偏向光学系を設ければ、受光面に入射す
る光束の入射角を略０°に近づけることができる。従っ
て、受光面における受光量の低下を招くことなしに、被
検面へ投射するパターンの入射角をより大きくして、よ
り高精度な位置検出を行うことができる。さらに、第２
面上に形成された所定のパターンと受光面とを相対的に
走査させる構成であるため、簡単な光学系のままで、被
検面上の複数の箇所を高精度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による面位置検出装置の実施例を模式的
に示した図。

【図２】図１に示した光学系が両側テレセントリックで
あることを示す光路図。

【図３】受光スリットの平面図。

【図４】被検面上に投射された格子パターンと検出領域
との関係を示す図。

【図５】図１に示したアオリ補正用プリズムを示す図。

【図６】受光面上のシリコン・フォト・ダイオードの配
置とスリット像との関係を示す平面図。

【図７】受光スリット上の開口部を拡大して示した平面
図。

【図８】１つのシリコン・フォト・ダイオード上に複数
のスリット像が形成された例を示す平面図。

【図９】シャインプルーフの条件を説明する説明図。

【符号の説明】

1a ‥‥ 被検面 5 ‥‥ 投影レンズ 8 ‥‥ 透過型格子パターン板 8a ‥‥ 格子パターン形成面（第１面） 9 ‥‥ 集光レンズ 10 ‥‥ 投射用対物レンズ 11 ‥‥ 受光用対物レンズ 12 ‥‥ 集光レンズ 14 ‥‥ リレーレンズ 16 ‥‥ リレーレンズ 17 ‥‥ 受光部 17a ‥‥ 受光面 25 ‥‥ アオリ補正用プリズム 25a ‥‥ 入射面（第２面） 30 ‥‥ 振動ミラー 31 ‥‥ 振動ミラー駆動部 S ‥‥ 受光スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 9/00 Ｈ 9122−2ＨＨ０１Ｌ 21/68 Ｆ 8418−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上に形成された所定のパターンと、被検面に対して斜めの方向から前記所定のパターンの像
を投射する投射光学系と、前記被検面で反射された光束を集光して前記所定のパタ
ーンの像を第２面上に形成する集光光学系と、前記所定のパターンの像を光電的に検出する検出器とを
有し、該検出器の出力に基づいて、前記被検面の面位置を検出
する面位置検出装置において、前記検出器の受光面と、前記所定のパターンの像とを相
対的に走査させる走査手段を有し、前記第１面と前記被検面とは、前記投射光学系の主平面
に関して、シャインプルーフの条件を満たすと共に、前記被検面と前記第２面とは、前記集光光学系の主平面
に関してシャインプルーフの条件を満たすことを特徴と
する面位置検出装置。
【請求項２】前記第２面と前記受光面とを共役にするリ
レー光学系を前記第２面と前記受光面との間に設けると
共に、前記集光光学系から射出される光束を偏向させる偏向光
学系を前記第２面に設けたことを特徴とする請求項１記
載の面位置検出装置。