JPH086263A

JPH086263A - 面位置検出装置

Info

Publication number: JPH086263A
Application number: JP6136946A
Authority: JP
Inventors: Kinya Kato; 欣也加藤; Hiroshi Shirasu; 廣白数; Masami Seki; 昌美関
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】投影光学系の周囲に配置用の空間の制約があ
る場合でも、正確に焦点位置検出を行う。【構成】マスク２１上の照明領域２３内のパターンを
投影光学系２４を介してプレート２５上の露光領域２６
に投影する。光源１からの検出光がスリット板３を照明
し、スリット板３からの検出光がミラー５及び対物レン
ズ６等を経て露光領域２６の中央部に斜めに入射し、そ
こにスリット像１２が結像される。スリット像１２から
の反射光が、対物レンズ７及びシリンドリカルレンズ１
０等を介してイメージセンサ１１の受光面にスリット像
を再結像する。対物レンズ６の光軸ＡＸ₂をプレート２
５上へ投影して得られる軸１３に直交する軸に対してス
リット像１２を傾斜させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検面の高さ方向の位
置を検出するための面位置検出装置に関し、特に例えば
半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工
程で製造する際に使用される投影露光装置のオートフォ
ーカス機構の焦点位置検出系に適用して好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子又は液晶表示素子等を
製造する際に、マスク（レチクル、フォトマスク等）の
パターンを投影光学系を介してフォトレジストが塗布さ
れたプレート（ガラスプレート又は半導体ウエハ等）上
に投影する投影露光装置が使用されている。従来はステ
ップ・アンド・リピート方式でプレート上の各ショット
領域にそれぞれレチクルのパターンを一括露光する投影
露光装置（ステッパー）が多用されていたが、最近は、
マスクとプレートとを投影光学系に対して同期して走査
することによりプレート上にマスクのパターンを逐次露
光する走査露光方式の投影露光装置も注目されつつあ
る。

【０００３】これらの投影露光装置では、従来よりプレ
ートの表面の投影光学系の光軸方向の位置（フォーカス
位置又は焦点位置）を投影光学系の結像面に合わせ込む
ためのオートフォーカス機構が備えられている。このオ
ートフォーカス機構は、プレートの表面のフォーカス位
置を検出する焦点位置検出系と、検出されたフォーカス
位置を結像面に位置に合わせ込むサーボ系とより構成さ
れている。最近は、プレートが大型化して全体として凹
凸量が大きくなる傾向にあると共に、プレート上に多数
層の回路パターンが重ねて段差状に形成されることがあ
るため、より正確にプレート上の各位置でのフォーカス
位置を検出する焦点位置検出系が求められている。

【０００４】図８は、従来の焦点位置検出系を備えた走
査露光方式の投影露光装置を示し、この図８において、
マスク２１の回路パターン領域２２（実際にはマスク２
１の下面に形成されている）上のスリット状の照明領域
２３が不図示の照明光学系からの露光光により照明さ
れ、照明領域２３内のパターンが投影光学系２４を介し
てプレート２５上のスリット状の露光領域２６に所定の
投影倍率βで投影されている。投影光学系２４の光軸に
平行にＺ軸を取り、照明領域２３の長手方向にＺ軸を、
照明領域２３の短手方向にＹ軸を取る。この場合、投影
光学系２４が正立像を投影するものとすると、照明領域
２３に対してマスク２１を例えば＋Ｙ方向に速度Ｖ_Rで
走査するのと同期して、露光領域２６に対してプレート
２５を＋Ｙ方向に速度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査することに
より、プレート２５上のショット領域２７上にマスク２
１の回路パターン領域２２内のパターンが逐次露光され
る。ショット領域２７上にはそれまでの工程により、Ｙ
方向に平行な回路パターン２９、及びＸ方向に平行な回
路パターン２８が形成されている。

【０００５】また、焦点位置検出系において、発光ダイ
オード等の光源１０１からの検出光（プレート２５上の
フォトレジストに対する感光性の弱い光）が、集光レン
ズ１０２によりスリット板１０３上に集光される。そし
て、スリット板１０３内のスリットを通過した検出光
が、落射ミラー１０４で下方に反射された後、開口絞り
１０５、対物レンズ１０６Ａ、及び光路偏向用のミラー
１０７Ａを経て、投影光学系２４の光軸に対して斜めに
露光領域２６内にスリット像１１２を投影する。スリッ
ト像１１２の長手方向は、対物レンズ１０６Ａの光軸を
ミラー１０７Ａで反射して得られる光軸ＡＸ₁をプレー
ト２５上に投影して得られる軸１１３（光軸ＡＸ₁のプ
レート２５上への正射影）に対して直交している。

【０００６】また、スリット像１１２からの反射光が、
光路偏向用のミラー１０７Ｂ、対物レンズ１０６Ｂ、開
口絞り１０８、ミラー１０９を経て、１次元又は２次元
ＣＣＤ等からなるイメージセンサ１１１上にスリット像
を再結像する。この場合、スリット像１１２が回路パタ
ーン２８及び２９により検出されにくくなるのを防止す
るため、スリット像１１２の長手方向はＸ軸及びＹ軸に
対してほぼ４５°で交差するように設定されていた。即
ち、焦点位置検出系の送光系、及び受光系は全体として
Ｘ軸及びＹ軸に４５°で交差するように配置されてい
た。

【０００７】図９は、図８における焦点位置検出の原理
説明図であり、この図９において、プレート２５の表面
のフォーカス位置が投影光学系２４の結像面の位置Ｚ₁
に合致しているときには、実線で示すようにイメージセ
ンサ１１１上の中央の位置Ｐ１にスリット像が再結像さ
れているものとする。例えばテストプリント、又は別途
設けたキャリブレーション装置により、プレート２５の
表面が結像面に合致しているときのイメージセンサ１１
１上でのスリット像の結像位置Ｐ１を記憶しておくよう
にする。

【０００８】次に、点線で示すように、プレート２５の
表面のフォーカス位置が位置Ｚ₂に変化すると、イメー
ジセンサ１１１上のスリット像の結像位置は横ずれして
位置Ｐ２に移動する。従って、イメージセンサ１１１上
のスリット像の横ずれ量からプレート２５の表面のフォ
ーカス位置の結像面からのずれ量を知ることができる。
別途設けたサーボ系により、そのずれ量が０に維持され
るようにプレート２５のＺ方向の位置を制御することに
より、オートフォーカスが行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の焦
点位置検出系では一般に、プレート上に既に形成されて
いる回路パターン２８，２９の影響を少なくする為に、
その回路パターン２８，２９に対してほぼ４５°で交差
する方向が長手方向になるようにスリット像１１２を投
影していた。また、スリット像１１２の長手方向は、焦
点位置検出系の送光系の光軸ＡＸ₁のプレート２５上へ
の投影像に対して直交していたため、焦点位置検出系の
送光系及び受光系も一般に回路パターン２８，２９に対
してほぼ４５°で交差する方向に配置されていた。

【００１０】しかしながら、投影露光装置においては焦
点位置検出系の他にもアライメント系や、ウエハローダ
系等の種々の機構を設ける必要があるため、投影光学系
２４の周辺には常に斜め方向に十分に広い空間が焦点位
置検出系用に確保されているとは限らない。そこで、投
影光学系周辺の空間的な制約から焦点位置検出系をプレ
ート上の回路パターンに対してほぼ４５°で交差する方
向に取り付けられない場合、従来は、焦点位置検出系を
例えばプレート上の回路パターンに対してほぼ平行にな
るように取り付けることもあった。この場合には、スリ
ット像の長手方向が回路パターンにほぼ平行になるた
め、正確な焦点位置検出が困難になるという不都合があ
った。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、投影光学系の周
囲に配置用の空間の制約がある場合でも、正確に焦点位
置検出を行うことができる面位置検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による面位置検出
装置は、例えば図１〜図４に示すように、第１面（３）
上に形成されたスリット状パターン（３ａ）の像（１
２）を被検面（２５）に対して斜めの方向から投射する
投射光学系（４，６）と、その被検面で反射された光束
を集光してそのスリット状パターンの像（１２Ｐ）を第
２面（１１ａ）上に再形成する集光光学系（７，９）
と、その第２面上のスリット状パターンの像（１２Ｐ）
の位置を光電的に検出する光電検出手段（１１）とを有
し、この光電検出手段の検出結果に基づいて被検面（２
５）の面位置を検出する装置において、投射光学系
（４，６）の光軸を被検面（２５）上に投影して得られ
る軸（１３）に直交するその被検面上での軸に対してそ
のスリット状パターンの像（１２）の長手方向を傾斜さ
せると共に、集光光学系（７，９）内に、この集光光学
系により形成されるそのスリット状パターンの像の長手
方向とこの集光光学系の光軸とを含む面内で正屈折力を
有する一方向性集光系（１０）を配置したものである。

【００１３】この場合、集光光学系（７，９）は両側テ
レセントリックであることが望ましい。

【００１４】

【作用】斯かる本発明によれば、例えば図１に示すよう
に、投射光学系（４，６）の光軸を被検面（２５）上に
投影して得られる軸（１３）に対して、そのスリット状
パターンの像（１２）の長手方向は直交していない。即
ち、その軸（１３）に対してスリット状パターンの像
（１２）の長手方向は９０°以外の任意の角度で交差す
ることができる。この場合、被検面（２５）上にスリッ
ト状パターンの像（１２）の全部を鮮明に投影するため
には、図３又は図４に示すように、第１面のスリット状
パターン（３ａ）とスリット状パターンの像（１２）と
は投射光学系（４，６）に関して所謂アオリの結像関係
を満たす必要がある。

【００１５】アオリの結像関係を満たすためには、例え
ば図３又は図４に示すように、シャインプルーフの条
件、即ち第１面上のスリット状パターン（３ａ）の延長
線と投射光学系（４，６）の物側主平面との交点と投射
光学系の光軸ＡＸ₂との間隔と、スリット状パターンの
像（１２）と投射光学系の像側主平面との交点と光軸Ａ
Ｘ₂との間隔とが等しいという条件を満たす必要があ
る。言い換えると、光軸ＡＸ₂の被検面（２５）に対す
る傾斜角に応じて、光軸ＡＸ₂に対してスリット状パタ
ーン（３ａ）を所定角度だけ傾斜させる必要がある。同
様に、スリット状パターンの像（１２）とその更なる像
（１２Ｐ）とが集光光学系（７，９）に関してアオリの
結像関係を満たすように、集光光学系の光軸ＡＸ₃に対
して光電検出手段の受光面（１１ａ）を所定角度だけ傾
斜させる必要がある。これにより、第１面（３）のスリ
ット状パターン（３ａ）と第２面（１１ａ）のスリット
状パターンの像（１２Ｐ）との共役関係は維持される。

【００１６】次に、例えば本発明を投影露光装置の焦点
位置検出系に適用したものとして、図１に示すように、
被検面（２５）上に既に回路パターン（２８，２９）が
形成されているものとする。この場合、投影光学系（２
４）の周囲に回路パターン（２８，２９）に対して４５
°で交差するようにその焦点位置検出系を配置する空間
がないとしても、投射光学系の光軸ＡＸ₂を被検面（２
５）に投影して得られる軸（１３）が例えば回路パター
ン（２８）にほぼ平行になるように配置すればよい。こ
の場合、その軸（１３）に対してスリット状パターンの
像（１２）の長手方向をほぼ４５°で交差させることに
より、回路パターン（２８）の影響を低減できる。

【００１７】更に、本発明では図４に示すように、集光
光学系（７，９）中に配置されたシリンドリカルレンズ
等の方向性集光系により、スリット状パターンの像（１
２Ｐ）が長手方向に圧縮される。従って、光学的にスリ
ット状パターンの像の位置が平均化されるため、複雑な
電気処理を行うことなく被検面（２５）の平均的な位置
を正確に検出できる。

【００１８】次に、集光光学系（７，９）が両側テレセ
ントリックである場合には、図４（ａ）に示すように集
光光学系（７，９）は、例えば所謂ケプラー型のアフォ
ーカル系である。この場合、アオリの結像関係により、
被検面（２５）及び受光面（１１ａ）が傾斜しても、主
光線が常に光軸ＡＸ₃に平行であるため、受光面（１１
ａ）上のスリット状パターンの像の位置から、被検面の
高さ方向の位置を正確に計測できる。

【００１９】また、同様の理由により、投射光学系
（４，６）も両側テレセントリックであること、即ち例
えばケプラー型のアフォーカル系であることが望まし
い。

【００２０】

【実施例】以下、本発明による面位置検出装置の第１実
施例につき図１〜図４を参照して説明する。本実施例
は、走査露光方式の投影露光装置の焦点位置検出系に本
発明を適用したものである。図１は本実施例の投影露光
装置の概略構成を示し、この図１において、マスク２１
の下面の回路パターン領域２２上のスリット状の照明領
域２３が不図示の照明光学系からの露光光により照明さ
れ、照明領域２３内のパターンが投影光学系２４を介し
てプレート２５上のスリット状の露光領域２６に投影倍
率β（βは例えば１倍、１／４倍、１／５倍等）で投影
されている。露光光としては、水銀ランプのｉ線（波長
３６５ｎｍ）又はＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８
ｎｍ）等が使用できる。プレート２５はガラス基板より
なり、表面にフォトレジストが塗布されている。投影光
学系２４の光軸に平行にＺ軸を取り、照明領域２３の長
手方向に平行にＸ軸を、照明領域２３の短手方向（走査
方向）に平行にＹ軸を取る。

【００２１】プレート２５上のショット領域２７に走査
露光方式で回路パターン領域２２内のパターンが逐次露
光されるが、本例の投影光学系２４は正立像を投影する
ため、マスク２１及びプレート２５は同期して＋Ｙ方向
（又は−Ｙ方向）に倍率βの速度比で走査される。但
し、投影光学系２４が倒立像を投影する場合には、マス
ク２１とプレート２５とは互いに逆方向に走査される。
また、ショット領域２７上にはそれまでの工程により、
Ｙ軸に平行な回路パターン２９、及びＸ軸に平行な回路
パターン２８が形成されている。

【００２２】本例の焦点位置検出系において、発光ダイ
オード、ハロゲンランプ等の光源１からの検出光（プレ
ート２５上のフォトレジストに対する感光性の弱い光）
が、集光レンズ２によりスリット板３上に集光される。
そして、スリット板３内のスリット３ａを通過した検出
光が、集光レンズ４を経た後、光路偏向用のミラー５及
び対物レンズ６を経て投影光学系２４の光軸に対して斜
めに、プレート２５上の露光領域２６内にスリット像１
２を結像する。スリット像１２の長手方向は、対物レン
ズ６の光軸ＡＸ₂をプレート２５上に投影して得られる
軸１３（光軸ＡＸ₂のプレート２５上への正射影）に直
交する軸に対して斜めになっている。具体的に、軸１３
はＸ軸に平行な回路パターン２８にほぼ平行となってお
り、スリット像１２は軸１３に対してほぼ４５°で交差
している。従って、スリット像１２は、回路パターン２
８及び２９に対してもほぼ４５°で交差している。従っ
て、焦点検出の際に回路パターン２８及び２９の影響は
低減されている。

【００２３】また、スリット像１２からの反射光が、対
物レンズ７、光路偏向用のミラー８、集光レンズ９、及
びシリンドリカルレンズ１０を経て、１次元ＣＣＤ又は
２次元ＣＣＤ等からなるイメージセンサ１１上にスリッ
ト像１２の像を再結像する。この場合、シリンドリカル
レンズ１０は、イメージセンサ１１上のスリット像を長
手方向に圧縮するものである。また、予めプレート２５
の表面が投影光学系２４の結像面に合致しているときの
イメージセンサ１１上でのスリット像の結像位置が求め
られている。従って、イメージセンサ１１上でのスリッ
ト像１２の横ずれ量を検出することにより、プレート２
５上のスリット像１２の投影領域におけるフォーカス位
置の結像面からのずれ量の平均値を検出できる。

【００２４】次に、本実施例ではスリット像１２が軸１
３に対して直交していない。この関係を示したのが図２
である。図２において、図１の対物レンズ６の光軸ＡＸ
₂に平行にプレート２５に入射する光線の方向ベクトル
をＳとして、プレート２５上のスリット像１２の方向ベ
クトルをｅとすると、次のようになる。

【００２５】

【数１】Ｓ＝(sinθcos φ,sinθsin φ，-cosθ）、ｅ＝(cosα,sinα，０）この場合、入射光の光軸ＡＸ₂とスリット像１２とのな
す角度δは、方向ベクトルＳと方向ベクトルｅとの内積
を用いると（但し、図２ではα＞０、φ＜０、θ＞０で
ある。）、次のようになる。

【００２６】

【数２】cos δ=sinθcos(α−φ）従来の焦点位置検出系では、スリット像１２と入射光の
光軸ＡＸ₂（又は光軸ＡＸ₂をプレート２５上へ投影し
た軸１３）とを直交させる必要があるため、δ＝９０
゜、即ち（数２）より、α−φ＝９０゜でなければなら
なかった。従って、φ＝α−９０゜でなければならなか
った。しかしながら、本実施例では、入射光の光軸ＡＸ
₂、及びスリット像１２の方向に応じて、（数２）より
入射光の光軸とスリット像とのなす角度δが決まる。

【００２７】上述のように本実施例では、スリット像１
２の長手方向は、入射光の光軸ＡＸ ₂を投影して得られ
る軸１３に対して直交していないため、スリット３ａと
スリット像１２とはほぼアオリの結像関係を満たす必要
があり、更にスリット像１２とイメージセンサ１１上に
再結像されるスリット像とはほぼアオリの結像関係を満
たす必要がある。

【００２８】図３は、所謂アオリの結像関係を示す原理
図であり、図３において、図１の集光レンズ４及び対物
レンズ６よりなる光学系を投射光学系１４とする。この
場合、スリット３ａと投射光学系１４の光軸ＡＸ₂とが
なす角度をε、スリット像１２と光軸ＡＸ₂とがなす角
度をδ、スリット３ａの中心から投射光学系１４の物側
主点までの距離をａ、投射光学系１４の像側主点からス
リット像１２の中心までの距離をｂとすると、次の関係
が成立している。

【００２９】

【数３】ａ・tan ε＝ｂ・tan δ この場合、投射光学系１４の投影倍率（ｂ／ａ）をβ₁
とすると、次式が成立している。

【００３０】

【数４】tan ε＝（ｂ／ａ）tan δ＝β₁tan δ 同様に、図１において対物レンズ７及び集光レンズ９よ
りなる集光光学系に関しても、スリット像１２とイメー
ジセンサ１１上のスリット像とはほぼアオリの結像関係
を満たしている。これにより、スリット板３上のスリッ
ト３ａの像（実際には長手方向に圧縮された像）がイメ
ージセンサ１１上に鮮明に結像される。

【００３１】次に、本実施例では図４に示すように、投
射光学系及び集光光学系はそれぞれ両側テレセントリッ
クになっている。先ず、図４（ａ）は投射光学系を示
し、集光レンズ４及び対物レンズ６の焦点距離をそれぞ
れｆ₁ 及びｆ₂ とすると、集光レンズ４と対物レンズ６
との間隔が（ｆ₁ ＋ｆ₂)に設定され、所謂ケプラー型の
アフォーカル系が構成されている。そして、集光レンズ
４から対物レンズ６側に間隔ｆ₁ の位置に開口絞り１５
が設置されている。従って、図４（ａ）に示すように、
スリット３ａからの主光線は常に光軸ＡＸ₂に平行であ
り、アオリの結像関係に伴う倍率変化や、被検面として
のプレート２５の表面のデフォーカスによるスリット像
１２の焦点ずれに対しても、スリット像１２の倍率が変
化しない。

【００３２】同様に、図４（ｂ）に示すように、対物レ
ンズ７及び集光レンズ９よりなる集光光学系もケプラー
型のアフォーカル系を構成し、対物レンズ７の後側焦点
位置に開口絞り１６が設置され、両側テレセントリック
となっている。従って、プレート２５の表面がデフォー
カスしても、スリット像１２からイメージセンサ１１の
受光面１１ａ上のスリット像１２Ｐに対する倍率が変化
しないため、イメージセンサ１１の受光面１１ａでのス
リット像の横ずれ量から、正確に焦点検出を行うことが
できる。（数４）の倍率β₁を焦点距離ｆ₁ 及びｆ₂ を
用いて表すと、（数４）は次のようになる。

【００３３】

【数５】tan ε＝（ｆ₂/ｆ₁)tan δ そして、（数２）、及び（数５）より角度δを消去する
と、次のようになる。

【００３４】

【数６】

【００３５】従って、（数６）より、図３におけるスリ
ット３ａの光軸ＡＸ₂に対する傾きが決定されることに
なる。また、図４（ｂ）において、集光光学系中のシリ
ンドリカルレンズ１０は、イメージセンサ１１の受光面
１１ａ上のスリット像を長手方向に圧縮してスリット像
１２Ｐにする役割を果たしている。シリンドリカルレン
ズ１０は、対物レンズ７の像側焦点面である瞳面（フー
リエ変換面）ＦＴＰとイメージセンサ１１の受光面１１
ａとを共役にすることが望ましい。また、イメージセン
サ１１が例えば１次元ＣＣＤからなる場合、プレート２
５上のスリット像１２と光軸ＡＸ₃とを含む面が図４
（ｂ）の紙面に平行であるとすると、イメージセンサ１
１の長手方向（検出方向）は図４（ｂ）の紙面に垂直と
なる。

【００３６】次に、本発明の第２実施例につき図５〜図
７を参照して説明する。本実施例は、それぞれ等倍の正
立像を投影する複数の部分投影光学系よりなる投影光学
系を有する走査露光方式の投影露光装置の焦点位置検出
系に本発明を適用したものである。また、本実施例では
図１の焦点位置検出系が複数組使用されるため、各焦点
位置検出系の構成の説明は省略し、それらの配置のみを
説明する。

【００３７】図５は、本実施例の投影露光装置を示し、
この図５において、マスク２１と、プレート２５とが搬
送される方向（走査方向）をＸ軸、マスク２１に平行な
平面内でＸ軸と直交する方向をＹ軸、マスク２１の法線
方向をＺ軸とした座標系を採用する。図５において、照
明光学系３１からの露光光（例えばｇ線（波長４３５ｎ
ｍ）、あるいはｉ線（波長３６５ｎｍ）等）は、マスク
２１上に走査方向に２列に配置された後述の７個の台形
状の視野領域３２Ａ〜３２Ｇをそれぞれ囲む矩形状の領
域を均一に照明する。照明光学系３１としては、例えば
水銀ランプのような光源からの露光光を複数に分岐する
光ガイドと、各分岐された露光光をそれぞれ矩形状の照
明領域に均一な照度分布で照射する複数の部分照明光学
系とから構成されている。台形状の視野領域３２Ａ〜３
２Ｇは、後述の部分投影光学系の最大視野領域の形状に
可能な限り相似な形状として選ばれたものである。ま
た、各視野領域３２Ａ〜３２Ｇは、それぞれ部分投影光
学系中の視野絞りにより規定される領域である。そのた
め、照明光学系３１は、例えば視野領域３２Ａ〜３２Ｇ
の全てを含む１つの大きな矩形状の照明領域を露光光で
照明するものでもよい。

【００３８】さて、図５において、マスク２１の下方に
は、７個の部分投影光学系３３Ａ〜３３Ｇが２列に配置
され、マスク２１上の視野領域３２Ａ〜３２Ｇのパター
ンがそれぞれ部分投影光学系３３Ａ〜３３Ｇを介してプ
レート２５上の台形状の露光領域３６Ａ〜３６Ｇ上に投
影される。以下、図６を参照して部分投影光学系３３Ａ
〜３３Ｇについて説明する。なお、部分投影光学系３３
Ａ〜３３Ｇは、互いに同じ構成を有するため、部分投影
光学系３３Ａのみについて述べる。

【００３９】図６は、部分投影光学系３３Ａのレンズ構
成図であり、この部分投影光学系３３Ａは、それぞれダ
イソン型光学系を変形した２組の光学系を組み合わせた
ものである。図６において、部分投影光学系３３Ａは、
第１部分光学系３４Ａａ，４５，４６，３４Ａｂと、視
野絞り４９と、第２部分光学系３５Ａａ，４７，４８，
３５Ａｂとから構成されており、これら第１及び第２部
分光学系は、それぞれダイソン型光学系を変形したもの
である。

【００４０】そして、第１部分光学系は、マスク２１の
下面（パターン形成面）に対して４５°の傾斜角で配置
された反射面を持つ直角プリズム３４Ａａと、マスク２
１の下面に平行な光軸を有し、平面部が直角プリズム３
４Ａａに接合された平凸レンズ成分４５と、全体として
メニスカス形状であって一面が平凸レンズ成分４５の凸
面（接合面４５ａ）に接合され他面（平凸レンズ成分４
５に対して凹面）が反射面４６ａとなったレンズ成分４
６と、直角プリズム３４Ａａの反射面と直交し且つマス
ク２１の下面に対して４５°の傾斜角で配置された反射
面を持つ直角プリズム３４Ａｂとを有する。直角プリズ
ム３４Ａｂも平凸レンズ成分４５の平面部に接合され、
平凸レンズ成分４５の硝材とレンズ成分４６の硝材とは
異なっている。

【００４１】そして、マスク２１上の視野領域３２Ａを
含む照明領域からの光は、直角プリズム３４Ａａによっ
て光路が９０°偏向され、平凸レンズ成分４５に入射す
る。直角プリズム３４Ａａからの光は、平凸レンズ成分
４５とレンズ成分４６との間の接合面４５ａにて屈折し
てレンズ成分４６に入射して、反射膜が蒸着された反射
面４６ａに達する。反射面４６ａで反射された光は、接
合面４５ａで再び屈折され、平凸レンズ成分４５を経て
直角プリズム３４Ａｂに達する。平凸レンズ成分４５か
らの光は、直角プリズム３４Ａｂの反射面により光路が
９０°偏向されて、直角プリズム３４Ａｂの射出面側
に、マスク２１の１次像を形成する。ここで、第１部分
光学系３４Ａａ〜３４Ａｂが形成するマスク２１の１次
像は、Ｘ方向（各部分光学系の光軸方向）の横倍率が正
であり、且つＹ方向の横倍率が負となる等倍像である。

【００４２】１次像からの光は、第２部分光学系３５Ａ
ａ，４７，４８，３５Ａｂを介して、マスク２１の２次
像をプレート２５上の露光領域３６Ａに形成する。第２
部分光学系３５Ａａ〜３５Ａｂの構成は、第１部分光学
系３４Ａａ〜３４Ａｂと同一であるため説明を省略す
る。即ち、第２部分光学系３５Ａａ〜３５Ａｂは、第１
部分光学系３４Ａａ〜３４Ａｂと同じく、Ｘ方向に正で
且つＹ方向に負となる横倍率の等倍像を形成する。従っ
て、プレート２５上に形成される２次像は、マスク２１
の等倍の正立像（上下左右方向の横倍率が正となる像）
となる。また、それら第１及び第２部分光学系よりなる
部分投影光学系３３Ａは、両側テレセントリック光学系
である。

【００４３】上述の第１及び第２部分光学系は、それぞ
れの反射面４６ａ及び４８ａが共に同じ向きとなるよう
に構成されている。これにより、投影光学系全体の小型
化を図ることができる。また、第１及び第２部分光学系
は、平凸レンズ成分４５と反射面４６ａとの間の光路、
及び平凸レンズ成分４７と反射面４８ａとの間の光路中
をそれぞれ硝材で埋める構成となっている。これによ
り、平凸レンズ成分４５，４７と反射面４６ａ，４８ａ
との偏心が生じない利点がある。

【００４４】なお、第１及び第２部分光学系としては、
平凸レンズ成分４５，４７と対応する反射面４６ａ，４
８ａとの間を空気とする、所謂ダイソン型光学系そのも
のを使用してもよい。このダイソン型光学系に関して
は、J.Opt.Soc.Am.vol.49,713-716(1959) に詳述されて
いる。図６において、本実施例においては、第１部分光
学系により形成される１次像の位置に、視野絞り４９が
配置されている。視野絞り４９は台形状の開口部を有
し、視野絞り４９の開口部と共役なマスク２１上の領域
が視野領域３２Ａである。また、視野絞り４９の開口部
と共役なプレート２５上の領域が台形状の露光領域３６
Ａであり、露光領域３６Ａに視野領域３２Ａ内のパター
ンが露光される。

【００４５】ここで、本実施例の変形されたダイソン型
光学系において、平凸レンズ成分４５，４７及びレンズ
成分４６，４８のＹＺ平面内での断面形状が円形である
ため、部分投影光学系３３Ａが取り得る最大の視野の領
域は、図７に示すように半円状領域５２Ａとなる。な
お、説明の便宜上、部分投影光学系３３Ａのマスク２１
上での最大視野を示す代わりに、その最大視野と共役な
プレート２５上での最大露光領域を使用する。このと
き、図６の視野絞り４９にて規定される台形状の露光領
域３６Ａは、一対の平行辺のうちの短辺が半円状領域５
２Ａの円弧側を向くことが好ましい。これにより、ダイ
ソン型光学系の取り得る最大露光領域（半円状領域５２
Ａ）に対して、露光領域３６Ａの走査方向（Ｘ方向）の
幅を最大とすることができ、走査速度を向上させること
が可能となる。

【００４６】なお、視野絞り４９の開口部の形状は六角
形状でもよい。この六角形状の開口部の投影像の大きさ
は、図７に破線で示される最大露光領域（半円状領域５
２Ａ）の範囲内となる。また、図７の最大露光領域（半
円状領域５２Ａ）は、図６において第１及び第２部分光
学系をケラれなく通過する軸外光束の内、最も外側を通
過する光束がプレート２５上で通過する点が囲む領域で
ある。

【００４７】図５に戻り、部分投影光学系３３Ａ〜３３
Ｇは、各部分投影光学系内の視野絞りによって規定され
るマスク２１上の視野領域３２Ａ〜３２Ｇを有してい
る。これら視野領域３２Ａ〜３２Ｇ内のパターンの像
は、それぞれプレート２５上の露光領域３６Ａ〜３６Ｇ
内に等倍の正立像として形成される。ここで、部分投影
光学系３３Ａ〜３３Ｄは、視野領域３２Ａ〜３２Ｄが図
５のＹ方向に沿って配列されるように設けられている。
また、投影光学系３３Ｅ〜３３Ｇは、図５のＸ方向で視
野領域３２Ａ〜３２Ｄとは異なる位置に、視野領域３２
Ｅ〜３２ＧがＹ方向に沿って配列されるように設けられ
ている。このとき、部分投影光学系３３Ａ〜３３Ｄと、
部分投影光学系３３Ｅ〜３３Ｇとは、それぞれが有する
直角プリズム（３４Ａａ等）同士が極近傍に位置するよ
うに設けられる。なお、Ｘ方向において、視野領域３２
Ａ〜３２Ｄと視野領域３２Ｅ〜３２Ｇとの間隔を広げる
ように部分投影光学系３３Ａ〜３３Ｇを配置しても構わ
ないが、このときには、走査露光を行うための走査量
（マスク２１及びプレート２５の移動量）が増し、スル
ープットの低下を招くため好ましくない。

【００４８】プレート２５上には、部分投影光学系３３
Ａ〜３３Ｄによって、図５のＹ方向に沿って配列された
露光領域３６Ａ〜３６Ｄが形成され、部分投影光学系３
３Ｅ〜３３Ｇによって、露光領域３６Ａ〜３６Ｄとは異
なる位置にＹ方向に沿って配列された露光領域３６Ｅ〜
３６Ｇが形成される。ここで、マスク２１は図示なきマ
スクステージ上に載置され、プレート２５は、プレート
ステージ３７上に載置されている。ここで、マスクステ
ージとプレートステージ３７とは、図５のＸ方向に同期
して移動する。これにより、プレート２５上には、照明
光学系３１により照明されたマスク２１の像が逐次転写
され、いわゆる走査露光方式の露光が行われる。マスク
２１の移動により、視野領域３２Ａ〜３２Ｇによるマス
ク２１の全面の走査が完了すると、プレート２５上の全
面に亘ってマスク２１の像が転写される。

【００４９】プレートステージ３７上には、Ｙ軸に沿っ
た反射面を有する反射部材３８と、Ｘ軸に沿った反射面
を有する反射部材３９とが設けられている。また、露光
装置本体側には、干渉計として、例えばＨｅ−Ｎｅ（６
３３ｎｍ）等のレーザ光を供給するレーザ光源４０、レ
ーザ光源４０からのレーザ光をＸ方向測定用のレーザ光
とＹ方向測定用のレーザ光とに分割するビームスプリッ
タ４１、ビームスプリッタ４１からのレーザ光を反射部
材３８へ投射するためのプリズム４２、及びビームスプ
リッタ４１からのレーザ光を反射部材３９上の２点へ投
射するためのプリズム４３，４４が設けられている。こ
れにより、プレートステージ３７のＸ方向の位置、Ｙ方
向の位置及びＸＹ平面内での回転角を検出できる。な
お、図５においては、反射部材３８，３９にて反射され
たレーザ光と参照用レーザ光とを干渉させた後に検出す
る検出系については図示省略してある。

【００５０】次に、図７を参照して本実施例による露光
領域３６Ａ〜３６Ｇ、及び対応する部分投影光学系３３
Ａ〜３３Ｇの配置について説明する。図７は、図５にお
けるプレート２５の平面図であり、図７において、図５
の部分投影光学系３３Ａ〜３３Ｇをプレート２５上へ射
影した像を部分投影光学系の像５１Ａ〜５１Ｇとしてい
る。また、本実施例では各露光領域３６Ａ〜３５Ｇ毎
に、図１の焦点位置検出系が使用されるため、図１のミ
ラー５に相当する部分をミラー５Ａ〜５Ｇとして表し、
図１のミラー８に対応する部分をミラー８Ａ〜８Ｇとし
て表し、それ以外の部分は省略する。

【００５１】図７において、露光領域３６Ａ〜３６Ｄの
左辺（一対の平行な辺のうちの短辺）と、露光領域３６
Ｅ〜３６Ｇの右辺（一対の平行な辺のうちの短辺）とが
段違いに対向するように配列されている。本実施例にお
いては、部分投影光学系３３Ａ〜３３Ｇが両側テレセン
トリック光学系であるため、ＸＹ平面内において、部分
投影光学系の像５１Ａ〜５１Ｇが占める領域が、それぞ
れ露光領域３６Ａ〜３６Ｇの占める領域よりも大きくな
る。従って、露光領域３６Ａ〜３６Ｄは、それぞれの間
で所定の間隔を持つように配置される。この場合、露光
領域３６Ａ〜３６Ｄのみを用いて走査露光を行うなら
ば、露光領域３６Ａ〜３６Ｄの間のプレート２５上にマ
スク２１上のパターンが露光されない。そこで、本実施
例においては、露光領域３３Ａ〜３３Ｄの間の領域につ
いて走査露光を行うために、Ｘ方向に離れた位置に露光
領域３６Ｅ〜３６Ｇが設けられている。

【００５２】このとき、プレート２５上での露光量を位
置に依らずに均一化するためには、走査方向（Ｘ方向）
に沿った露光領域３６Ａ〜３６Ｇの幅の総和が、Ｙ方向
のどの位置においても常に一定となることが望ましい。
そのため、１列目の台形状の露光領域３６Ａ〜３６Ｄの
斜辺部と、２列目の台形状の露光領域３６Ｅ〜３６Ｇの
斜辺部とが重なるように設定されている。

【００５３】図７において、本実施例では、各露光領域
３６Ａ〜３６Ｇの中心に対して対応する焦点位置検出系
からスリット像５０Ａ〜５０Ｇを投影している。これら
スリット像５０Ａ〜５０Ｇは、それぞれ長手方向がＸ軸
及びＹ軸に対してほぼ４５°で交差している。しかしな
がら、像５１Ａ〜５１Ｇから分かるように、部分投影光
学系３３Ａ〜３３Ｇが密集して配置されているため、各
焦点位置検出系をＸ軸及びＹ軸にほぼ４５°で交差させ
て配置することが困難である。

【００５４】そこで、本実施例では、露光領域３６Ｄを
例に取って説明するように、焦点位置検出系の投射光学
系（ミラー５Ｄを有する光学系）、及び集光光学系（ミ
ラー８Ｄを有する光学系）の光軸をプレート２５に投影
した軸がＹ軸に対して角度φで交差するようにしてい
る。この場合の角度φは４５°よりかなり小さい角度で
ある。更に、その投射光学系、及び集光光学系の光軸を
プレート２５に投影した軸に対してスリット像５０Ｄの
長手方向を角度（φ＋α）で交差させると共に、角度α
を４５°としている。この場合、角度φは４５°よりか
なり小さいため、角度（φ＋α）は９０°よりかなり小
さく、４５°より僅かに大きい程度である。これによ
り、スリット像５０Ｄの長手方向は、Ｘ軸及びＹ軸に対
して４５°で交差している。

【００５５】他の焦点位置検出系についても同様に配置
されている。従って、仮にプレート２５上にそれまでの
工程によりＸ軸及びＹ軸に平行な回路パターンが形成さ
れていても、スリット像５０Ａ〜５０Ｇはそれぞれその
回路パターンと明確に区別できるため、各露光領域３６
Ａ〜３６Ｇのフォーカス位置が正確に検出できる。この
検出結果に基づいて、プレート２５のフォーカス位置、
及び傾斜角を調整することにより、オートフォーカス及
びオートレベリングが行われる。

【００５６】なお、上述の第２実施例では、図６に示す
ように等倍の正立像を得る部分投影光学系として、平凸
レンズ成分と凹面鏡とを持つダイソン型光学系の変形光
学系が使用されているが、等倍で正立像を得る部分投影
光学系としては、例えば凹面鏡、凸面鏡及び凹面鏡が順
に配列されたオフナー型光学系を使用することもでき
る。

【００５７】また、例えば図１ではスリット像の横ずれ
量を検出するためにイメージセンサ１１が使用されてい
るが、その代わりに振動スリット及び単一の光電変換素
子を用いて光電顕微鏡方式でそのスリット像の横ずれを
検出してもよい。また、上述実施例では何れもプレート
２５のＺ方向の位置検出を行っているが、マスク２１の
Ｚ方向の位置検出を行うために、例えば図１の焦点位置
検出系と同様の焦点位置検出系を使用してもよい。

【００５８】このように、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。

【００５９】

【発明の効果】本発明の面位置検出装置によれば、投射
光学系及び集光光学系の配置に依らず、被検面上でスリ
ット状パターンの像の長手方向を任意の方向（光軸に直
交する方向を除く）に設定できる。従って、本発明を例
えば投影露光装置の焦点位置検出系に適用した場合、被
検面上に互いに直交する２種類の回路パターンが形成さ
れ、且つこれら回路パターンに対して４５°で交差する
方向に投射光学系及び集光光学系を配置する余地が無い
ようなときには、それら投射光学系及び集光光学系を例
えば一方の回路パターンに対してほぼ平行に配置した状
態で、スリット状パターンの像の長手方向をそれら回路
パターンに対してほぼ４５°で交差させることができ
る。従って、それら回路パターンに影響されずに正確に
被検面の高さ方向の位置を検出できる。

【００６０】しかも、投射光学系及び集光光学系の配置
に依らず、スリット状パターンの長手方向を任意の方向
に設定できるため、装置の設計上の自由度が増大する。
また、方向性集光系により光電検出手段の受光面上でス
リット状パターンの像を長手方向に圧縮しているため、
被検面上のスリット状パターンの投影領域での平均的な
位置を検出できる。即ち、光学的に平均化が行われるた
め、電気的に平均化を行う場合に比べてほぼリアルタイ
ムで位置検出を行うことができる。

【００６１】また、集光光学系が両側テレセントリック
である場合には、被検面の高さ方向の位置が変化して
も、被検面から光電検出手段の受光面への倍率が変化し
ないため、常に高精度に位置検出が行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による面位置検出装置の第１実施例が適
用された投影露光装置を示す斜視図である。

【図２】図１の焦点位置検出系の投射光学系の光軸とス
リット像との関係を示す斜視図である。

【図３】アオリの結像関係の原理説明図である。

【図４】（ａ）は焦点位置検出系の投射光学系を示す光
路図、（ｂ）は焦点位置検出系の集光光学系を示す光路
図である。

【図５】本発明の第２実施例の走査露光方式の投影露光
装置の概略構成を示す斜視図である。

【図６】図５の部分投影光学系３３Ａの構成を示す側面
図である。

【図７】図５のプレート２５上の露光領域３６Ａ〜３６
Ｇ、及び対応する焦点位置検出系の配置の説明に供する
拡大平面図である。

【図８】従来の焦点位置検出系を備えた投影露光装置を
示す斜視図である。

【図９】図８の焦点位置検出系のフォーカス位置の検出
原理の説明に供する光路図である。

【符号の説明】

１光源３ａスリット４集光光学系６対物レンズ７対物レンズ９集光光学系１０シリンドリカルレンズ１１イメージセンサ１２スリット像２１マスク２４投影光学系２５プレート２６スリット状の露光領域２８，２９回路パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/027

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上に形成されたスリット状パター
ンの像を被検面に対して斜めの方向から投射する投射光
学系と、前記被検面で反射された光束を集光して前記ス
リット状パターンの像を第２面上に再形成する集光光学
系と、前記第２面上の前記スリット状パターンの像の位
置を光電的に検出する光電検出手段とを有し、該光電検
出手段の検出結果に基づいて前記被検面の面位置を検出
する装置において、前記投射光学系の光軸を前記被検面上に投影して得られ
る軸に直交する前記被検面上での軸に対して前記スリッ
ト状パターンの像の長手方向を傾斜させると共に、前記集光光学系内に、該集光光学系により形成される前
記スリット状パターンの像の長手方向と該集光光学系の
光軸とを含む面内で正屈折力を有する一方向性集光系を
配置したことを特徴とする面位置検出装置。
【請求項２】前記集光光学系は両側テレセントリック
であることを特徴とする請求項１記載の面位置検出装
置。