JPH0739955B2

JPH0739955B2 - 表面変位検出装置

Info

Publication number: JPH0739955B2
Application number: JP63155454A
Authority: JP
Inventors: 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1995-05-01
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: JPH026709A

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56−42205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に配設された半導体ウェハに対し
て、斜め方向から検出光を照射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、半導体ウエハの表面を被検出
面として、該被検出面にスリット状のパターンをスリッ
トの長手方向が、入射光と反射光とで張る平面、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エハの表面が
上下方向に変位する（投影レンズの光軸に沿って近づい
たり遠のいたりすることをいう）と、その上下方向の変
位に対応して検出手段に入射するスリット反射光が入射
面に平行な方向、すなわち、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
半導体ウエハの表面の上下位置を検出することができ、
ウエハ表面が投影レンズの合焦基準位置、即ち投影レン
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
いて半導体ウエハの表面位置を検出する場合、半導体ウ
エ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61−144340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.A.が小さい場合
は焦点深度も大きくなり、ピント合わせが困難になるの
で、上記特願昭61−144340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ことによって、ピント調節
時にはN.A.を大きく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せ
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せつつ、しかも被検面に投影され
るスリット像のピント調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〕

本発明では、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とし、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すると共
に、該入射面に平行な直線状パターンの像の位置を変位
させる光学部材を配置し、該光学部材による該入射面に
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光軸方向での基準位置を設
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けて、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からの照射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を照射する。スリット板13は第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本のスリット13Aと13Bとからなる
実質的な十字状スリットを有し、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１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（Ａ）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
上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13A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の受光スリット板23上におけるピント検出を行うこ
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13A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13A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23Aは、その長手方向
がスリット板13の直線状パターン13A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Z₀の高さにあるとき、被検
面１からの反射光が受光スリット板23の基準位置P₀に入
射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P₀に反射光が入射するとき、受光スリット板23が基
準位置P₀を中心として周期Ｔ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T/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周
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上でのスリット像の変位Δｙは、βを受光側対物レン
ズ21の結像倍率、αをスリット検出光の被検面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から得られ
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て、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22によ
り、入射面内でのスリット像の結像光束の開き角θ_Ｂは
小さく制限されているため、スリット13A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ット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23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
な直線状パターン13Bは、第１図（Ａ）の平面光路図に
示す如く、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21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、その矩形開口の長手方向が
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_Ａ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θ_Ｂよりも大きい。
このため入射面に垂直な方向のスリット13B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として、焦点深度ΔＦを、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.A.＝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Ｗ_Ｈ
の大きい方向を通って結像するスリット13B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_Ａ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_Ｈ及び幅Ｗ_Ｖ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θ_Ａが
例えばN.A.＝0.1になるように幅Ｗ_Ｈを設定し、変位検
出用に入射面に沿う方向の開き角θ_ＢがN.A.＝0.025と
なるように絞り幅Ｗ_Ｖ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と受光スリット板23との焦点
調節をすれば、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13A（N.A.＝0.025）の焦点
を焦点深度の1/8以内に調節したことになり、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26aを回転軸と
して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、スリット13Bの像を入射面に垂直な方向
で走査し、この間の検出部24の出力が最大となるよう
に、スリット板13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
平行平面板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上の入射面に垂直なスリット23A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26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
射面に平行なスリット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２実施例第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エハ上
に転写される投影型露光装置におけるウエハ面の焦点検
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に垂直にウエハ面が配置され、このウエハ面上に図示
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、ウエハ面を被検面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か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Axに平行に構成されている。そして、被検面
としてのウエハ面の変位検出のための光源11からの波長
λ_１は、投影対物レンズＬによるウエハの露光波長λ_０
と異なるようにすることによって、ウエハ上に塗布され
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、スリット板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本のスリッ
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、ピント合わせの
ために必要な入射面に平行なスリットと変位検出のため
に必要な入射面に垂直なスリットとを、一本のスリット
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
光スリット板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25,26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はスリット透過光を集光して検
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を設ける代わり
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21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20M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３実施例第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としてのウエハ面
上には、投射対物レンズ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ベ
リング用の照射光を導入するためのダイクロイックミラ
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
レベリング用の検出光を分離するためのダイクロイック
ミラー20D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、
レベリング用の光源41からの光束は第１レンズ42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、ダイクロイックミラー10D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１に向け
て照射されるレベ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、ダ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の長手方向は入射面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エハ
面上に投射される平行光束の照射領域が、ウエハ面上に
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、ウエ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エ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、ウエハ等の被
検面の処理に制約を生ずることになる。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図に示した第３実施例に
おいては、レベリング用の光学系を組み合わせるために
ダイクロイックミラー10D,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１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,21aと被検面１との間に、平行な全反射
面を有するプリズム10P,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、被検面としてのウエハ面
の変位検出のための光源11からの波長λ_１を、投影対物
レンズＬによるウエハの露光波長λ_０と異なるようにす
ることは勿論、光源41からのレベリング用の波長λ_２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
してのウエ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エ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。

その他の実施例（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_１として600〜800nmの範囲を用いる
ことが望ましい。

（ｂ）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けて、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13B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リット23Aを用いて、
スリット板13上の入射面に垂直なスリット13A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に一本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゜だけ回転可能と
し、ピント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け
る結像状態により、被検面に投影されるスリット像のピ
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。

【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
リッ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 13……スリット板 13A……入射面に垂直な直線状パターン 13B……入射面に平行な直線状パターン 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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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とし、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すると共
に、該入射面に平行な直線状パターンの像の位置を変位
させる光学部材を配置し、該光学部材による該入射面に
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光軸方向での基準位置を設
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。
【請求項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
直な直線状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。
【請求項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。