JPH09250904A

JPH09250904A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH09250904A
Application number: JP8238858A
Authority: JP
Inventors: Toru Kawaguchi; 透川口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】光学系の調整が容易で複数波長の光を使用で
きるという特徴を維持した上で、簡単な構成でＳＮ比の
高い光ビート信号を得ることができるヘテロダイン干渉
型の位置検出装置を提供する。【解決手段】光源からの所定の帯域の光束Ｌ₀の光軸
に沿って、且つその光軸の周りに対称に傾斜するように
異なる周波数で駆動されている２個の音響光学素子（Ａ
ＯＭ）１７Ａ，１７Ｂを配置する。光束Ｌ₀によるＡＯ
Ｍ１７Ａからの±１次回折光Ｌ_A(1)，Ｌ_A(-1) と、ＡＯ
Ｍ１７Ａからの０次光によるＡＯＭ１７Ｂからの±１次
回折光Ｌ_B(1)，Ｌ_B(-1) とを光軸に対して対称に発生さ
せて、回折光Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)よりなる１組の光束と、回
折光Ｌ_A(-1),Ｌ_B(-1) よりなる１組の光束とをそれぞれ
異なる回折格子マークに照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロダイン干渉
型で被検面の法線に垂直な方向の位置、又はその法線方
向の位置を検出する位置検出装置に関し、特に例えば半
導体素子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造
するためのフォトリソグラフィ工程で使用される露光装
置において、アライメントセンサ、オートフォーカスセ
ンサ、又はオートレベリングセンサに使用して好適なも
のである。

【０００２】

【従来の技術】微細パターンを有する半導体素子等を製
造する際に、マスクとしてのレチクルのパターンをフォ
トレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート
等）上に転写露光するために使用される露光装置とし
て、従来はステップ・アンド・リピート方式でウエハ上
の各ショット領域にレチクルのパターンを転写露光する
一括露光方式の投影露光装置（所謂ステッパー等）が多
用されていた。最近では、レチクル及びウエハを投影光
学系に対して同期して走査しながら露光を行うステップ
・アンド・スキャン方式等の走査露光方式の投影露光装
置も使用されつつある。

【０００３】一般に、半導体素子等はウエハ上に多層の
回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成される
ため、そのような露光装置には、ウエハ上の各ショット
領域とレチクルとの位置合わせ（アライメント）を高精
度に行うためのアライメント装置が備えられている。こ
のアライメント装置は、レチクル上のアライメントマー
ク（レチクルマーク）、及びウエハ上のアライメントマ
ーク（ウエハマーク）の位置を検出するアライメントセ
ンサと、このアライメントセンサの検出結果に基づいて
レチクル又はウエハの位置を補正するステージ機構とか
ら構成されている。

【０００４】従来のアライメントセンサに使用できる位
置検出装置として、例えば特開平２−２２７６０４号公
報において、ヘテロダイン干渉法を利用して高精度に位
置検出を行う位置検出装置が開示されている。この位置
検出装置では、レーザ光源からの光束をビームスプリッ
タ等を介して２分割した後、得られた２光束をそれぞれ
異なる音響光学素子（ＡＯＭ）に通すことにより、それ
ら２光束の間に所定の周波数差が付与される。そして、
その周波数差を有する２光束を、レチクルマークとして
の回折格子マーク、及びウエハマークとしての回折格子
マークに対してそれぞれ２方向から照射し、各回折格子
マークから同じ方向に発生する回折光よりなる干渉光
（ヘテロダインビーム）を光電検出器を介して光ビート
信号に変換して、２つの光ビート信号を得ている。この
場合、２つの光ビート信号は周波数が上述の２つの音響
光学素子により付与された周波数差に等しく、且つ位相
が対応する回折格子マークの位置に応じたものであるた
め、それら２つの光ビート信号より２つの回折格子マー
クの位置（又は位置ずれ量）が検出され、この検出結果
に基づいてレチクルとウエハとの位置合わせが行われて
いた。

【０００５】ところが、上述の特開平２−２２７６０４
号公報に開示された位置検出装置では、ビームスプリッ
タ等で分割された２光束が異なる音響光学素子により変
調される方式であるため、構成が複雑で且つ各光学部材
の調整が困難であった。また、分割された２光束の光路
差が波長に比べて大きくなり易いため、位置検出用の光
としてレーザビーム等の単色光（単一波長の光）を用い
ざるを得ず、ウエハ上に塗布されたフォトレジスト等に
よる薄膜干渉の悪影響を受け易く、特にウエハマークの
位置検出精度が低下する恐れがあった。

【０００６】更に、一般にウエハは種々のプロセスを経
るため、ウエハマークの断面形状が次第に崩れ、そのウ
エハマークの断面形状が非対称になることがある。この
場合、位置検出用の光が単色光であると、そのウエハマ
ーク（回折格子マーク）の非対称性により位置検出精度
が低下するという不都合もあった。そこで、これらの不
都合を全て解消するため、２個の互いに僅かに異なる周
波数で駆動される音響光学素子をリレー光学系を介して
直列に配置し、各音響光学素子に対して交差するように
２光束を供給し、各音響光学素子内でそれぞれ同時に２
光束を周波数変調する位置検出装置が本出願人により提
案された。この場合、２個の音響光学素子内ではそれぞ
れブラッグ回折（音響ブラッグ回折）により周波数変調
が行われている。また、２個の音響光学素子を使用する
のは、一般に従来の１個の音響光学素子による変調周波
数は５０ＭＨｚ程度以上であり、これがそのまま光ビー
ト信号の周波数となったのでは信号処理が困難であるか
らである。即ち、従来は２個の音響光学素子をそれぞれ
５０ＭＨｚ程度で、且つ僅かに異なる周波数で駆動する
ことにより、最終的に得られる光ビート信号の周波数を
例えば数１０ｋＨｚ程度に低下（ビートダウン）させて
いた。

【０００７】更に、音響光学素子をブラッグ回折領域で
はなく、ラマン−ナス回折領域で使用することにより、
最小個数の音響光学素子で光束の分割手段と変調手段と
を兼用させるようにした位置検出装置も本出願人により
提案されている。このようにラマン−ナス回折領域で音
響光学素子を使用する場合にも、周波数をビートダウン
させるために、２段目の音響光学素子を別途設ける必要
があった。

【０００８】一方、投影露光装置では、解像度を高める
ために開口数（N.A.）の大きな投影光学系が用いられる
ため、許容される焦点深度の幅が非常に狭くなってい
る。そこで、投影光学系の露光フィールド全体に亘っ
て、しかもウエハの各ショット領域毎に鮮明な回路パタ
ーン像を転写するため、従来より投影露光装置には投影
光学系の像面に対する各ショット領域の焦点ずれを補正
するオートフォーカス装置、及びその像面に対する各シ
ョット領域の傾斜角のずれの補正を行うオートレベリン
グ装置が備えられている。

【０００９】そして、オートフォーカスを行うために投
影光学系の光軸方向のウエハの位置（焦点位置）を検出
する装置の一例として、本出願人による特開昭５６−４
２２０５号公報に開示されているような、被検面上に斜
めに投影したスリット像等を再結像する斜入射型のオー
トフォーカスセンサ（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）が
知られている。このＡＦセンサでは、被検面が上下する
と、再結像されたスリット像等の位置が受光光学系の光
軸と垂直な方向にずれることを利用して、このずれ量を
測定することにより被検面の焦点位置を検出している。

【００１０】また、オートレベリングを行うためにウエ
ハの各ショット領域の傾斜状態を検出する装置の一例と
して、本出願人による特開昭５８−１３７０６号公報に
開示されているような、コリメータ型のオートレベリン
グセンサ（以下、「ＡＬセンサ」と呼ぶ）が知られてい
る。このセンサでは、被検面上に斜めに平行光束を照射
し、その被検面から反射された平行光束を例えば４分割
受光素子上に集光し、その集光位置からその被検面の傾
斜角を検出している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
アライメントセンサとしての直列に配置された音響光学
素子を使用したヘテロダイン干渉型の位置検出装置で
は、各光学部材の調整が容易であると共に、構成の対称
性により複数波長の光を位置検出光として使用できるた
め、薄膜干渉の影響や回折格子マークの断面形状の非対
称性の影響を受けにくいという特徴があった。しかしな
がら、その従来の位置検出装置では、光ビート信号の周
波数を低下させるために、位置検出用の光束がリレー光
学系を介して２個の独立の音響光学素子によりそれぞれ
（合計で２回）回折を受けることとなり、その位置検出
用の光束の利用効率が低下するという不都合があった。
また、全体の光学系が大型であり且つ複雑であるという
不都合もあった。

【００１２】これに関して、例えば１個の音響光学素子
内の１つの超音波作用領域内に逆方向に周波数の僅かに
異なる超音波を印加して、処理し易い程度に周波数変調
された光束を生成するいわば直接変調型とでも言うべき
位置検出装置も提案されている。しかしながら、このよ
うな直接変調型では、逆向きに印加される超音波の中心
位置の間隔が所定の条件を満たさないと最終的に得られ
る光ビート信号のコントラスト（ＳＮ比）が低下すると
いう不都合があった。

【００１３】一方、従来のＡＦセンサ及びＡＬセンサで
は、センサ上でスリット像や集光スポットがデフォーカ
スした場合、被検面の反射率むら等により検出光の光量
重心位置がずれるため、被検面の焦点位置や傾斜角を誤
検出する恐れがあるという不都合があった。また、回路
パターンが形成されているウエハ面を被検面とする場合
には、その回路パターンによる回折光や散乱光が同時に
それらのセンサで検出され、結果として所望の検出光に
対する光量重心位置の変化を誘発して、同様に焦点位置
や傾斜角の誤検出を招く恐れがあった。

【００１４】更に、焦点位置や傾斜角のずれ量の検出に
関して、上記のようにセンサ上のスリット像や集光スポ
ットの位置ずれを直流信号のレベル変化として検出する
場合には、検出精度のセンサ単体の性能への依存性が高
くなり、より高精度化、高分解能化を狙うにはセンサの
光学系の負担が大きくなると共に、光学系の配置上の制
約も増してくる。これに対して、斜入射型のＡＦセンサ
では、例えば本出願人による特開昭６０−１０１５４０
号公報に開示されているように、振動ミラーを利用して
スリット像をセンサ上に設けられた検出スリットに対し
て一定の周波数及び振幅で単振動させて、その検出スリ
ットを通過する光を光電検出し、得られた光電信号を同
期検波することによって高精度化を図る手法も開発され
ている。

【００１５】ところがこの手法では、同期検波するため
に振動ミラーを機械的に高精度に駆動する必要があるた
め、センサの機構部が複雑化すると共に、このセンサの
近傍に配置されている他のセンサシステム等に対して振
動による悪影響を与える恐れがある等の不都合があっ
た。本発明は斯かる点に鑑み、光学系の調整が容易で複
数波長の光を使用できるという特徴を維持した上で、簡
単な構成でＳＮ比の高い光ビート信号を得ることができ
ると共に、位置検出用の光の利用効率の高いヘテロダイ
ン干渉型の位置検出装置を提供することを第１の目的と
する。

【００１６】また、本発明は、光学系の調整が容易で複
数波長の光を使用できるという特徴を維持したヘテロダ
イン干渉型の位置検出装置であって、更に被検面の反射
率むらや被検面からのノイズ光の影響等を軽減し、機械
的な駆動部を排除した上で被検面の法線方向に垂直な方
向の位置、又はその法線方向の位置を高精度に検出でき
る位置検出装置を提供することを第２の目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の位置
検出装置は、例えば図１〜図４に示すように、互いに周
波数の異なる２光束を生成する２光束生成手段と、この
２光束生成手段からの２光束を集光して被検物（４）上
に形成された回折格子状マーク（ＷＭ）に対して所定の
２方向から照射する対物光学系（１８ａ，１８ｂ，２
１，２６，２７，３８，３）と、回折格子状マーク（Ｗ
Ｍ）から発生する複数の回折光よりなる干渉光を検出す
る光電検出器（３３）とを有し、この光電検出器の検出
信号に基づいて回折格子状マーク（ＷＭ）の位置を検出
する位置検出装置において、その２光束生成手段は、複
数波長の光を含む光束（広帯域の光束を含む）又は単一
波長の光束を生成する光源手段（１０）と、それぞれ入
射光束から互いに周波数の異なる２光束を生成する第１
及び第２の音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）と、を備え
ているものである。

【００１８】更に本発明では、光源手段（１０）からの
光束（Ｌ₀)をそれら２個の音響光学素子（１７Ａ，１７
Ｂ）を通過させることによって、少なくとも２組の互い
に周波数の異なる２光束（Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)とＬ_A(-1),Ｌ
_B(-1))を生成するために、それら２個の音響光学素子は
光源手段（１０）からの光束の光軸に沿って直列に、且
つその光軸を中心とする回転方向に沿って互いに所定角
度だけ傾いて配置され、それら２個の音響光学素子によ
って生成される複数組の互いに周波数の異なる２光束
（Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)とＬ_A(-1),Ｌ_B(-1))を複数個の回折格
子状マーク（ＷＭ，ＲＭ）に照射して、これら複数個の
回折格子状マークの位置を検出するものである。

【００１９】斯かる本発明によれば、例えば図４に示す
ように、２個の音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）は光軸
に沿って直列に配列されているため、光学系の調整が容
易で、且つ光源手段（１０）からの光束（Ｌ₀)が複数波
長（広帯域の光束を含む）の光束であっても対称に±ｍ
次（ｍは１以上の整数）の回折光を発生できる。更に、
２個の音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）は光軸の周りに
互いにねじられて配置されているため、例えば光源手段
（１０）からの光束（Ｌ₀)による第１の音響光学素子
（１７Ａ）からの±１次回折光（Ｌ_A(1)とＬ_A(-1))と、
その光束（Ｌ₀)の第１の音響光学素子（１７Ａ）からの
０次光による第２の音響光学素子（１７Ｂ）からの±１
次回折光（Ｌ_B(1)とＬ_B(-1))とは混合されることなくそ
の光軸に沿って進行する。従って、各回折光は２個の音
響光学素子によってそれぞれ１回だけ回折された光束で
あるため、光束（Ｌ₀)の利用効率が低下しない。

【００２０】また、±１次回折光（Ｌ_A(1)とＬ_A(-1))
と、±１次回折光（Ｌ_B(1)とＬ_B(-1))との一方ずつを組
み合わせて得られる２組の互いに周波数の異なる２光束
（Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)とＬ_A(-1),Ｌ_B(-1))を２個の回折格子
状マーク（ＷＭ，ＲＭ）に照射することによって、２個
の回折格子状マーク（ＷＭ，ＲＭ）のそれぞれについて
光ビート信号を得ることができるため、光束の利用効率
が更に向上している。また、各音響光学素子内ではそれ
ぞれ一方向への超音波のみが生成されているため、ＳＮ
比の高い光ビート信号を得ることができる。

【００２１】この場合、例えば図６に示すように、それ
ら２個の音響光学素子（１７Ａ’，１７Ｂ’）の間にリ
レー光学系（５４ａ，５４ｂ）を配置し、２個の音響光
学素子（１７Ａ’，１７Ｂ’）の超音波作用領域をその
リレー光学系に関して共役にしてもよい。これによっ
て、２個の音響光学素子（１７Ａ’，１７Ｂ’）を実質
的に同じ位置に配置できるため、得られる光ビート信号
のコントラストが最大となる。しかも、各組の２光束の
位置ずれがなくなるため、光束の利用効率が最大とな
る。

【００２２】また、例えば図５に示すように、それら２
個の音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）の射出側にリレー
光学系（５５）を設け、このリレー光学系に関して第１
の音響光学素子（１７Ａ）の超音波作用領域と第２の音
響光学素子（１７Ｂ）の超音波作用領域とのその光軸に
沿った中点（Ｐ_AB）と共役な位置に、それら複数組の互
いに周波数の異なる２光束の周辺のノイズ光を遮蔽する
視野絞り（５７）を配置してもよい。これによって、得
られる光ビート信号の直流成分が減少してＳＮ比が改善
される。

【００２３】また、その２光束生成手段内の２個の音響
光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）を、一体及び個別にその光
軸の周りに回転自在に設けてもよい。このように２個の
音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）を個別に回転すること
によって、それら２個の音響光学素子によって生成され
る複数組の互いに周波数の異なる２光束（Ｌ_A(1)，Ｌ
_B(1)とＬ_A(-1),Ｌ_B(-1))によって対応する回折格子状マ
ーク上に形成される干渉縞の計測方向のピッチが変化す
る。従って、それら干渉縞のピッチ調整を行うことがで
きる。また、全体として回転することによって、それら
２光束によって対応する回折格子状マーク上に形成され
る干渉縞が回転する。従って、それら干渉縞の回転調整
を行うことができる。

【００２４】この場合、更に、例えば図１２に示すよう
に、それら２個の音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）によ
って発生する複数組の互いに周波数の異なる２光束の内
の１組の２光束（Ｌ_A(-1),Ｌ_B(-1))を回転させるための
像回転プリズム等の像回転手段（６１）を設けてもよ
い。この像回転手段（６１）を用いて、例えばその１組
の２光束（Ｌ_A(-1),Ｌ_B(-1))を９０°回転させることに
よって、例えば被検物（４）上で直交するように配置さ
れた２個の回折格子状マークの位置検出を同時に行うこ
とができる。

【００２５】次に、本発明による第２の位置検出装置
は、例えば図１６〜図２１に示すように、互いに周波数
の異なる２光束を生成する２光束生成手段（７１）と、
この２光束生成手段からの２光束を集光して被検物
（４）上に形成された回折格子状マーク（ＷＭ１）に対
して所定の２方向から照射する対物光学系（７６）と、
回折格子状マーク（ＷＭ１）から発生する複数の回折光
よりなる干渉光を検出する光電検出器とを有し、この光
電検出器の検出信号に基づいて回折格子状マーク（ＷＭ
１）の位置を検出する位置検出装置において、２光束生
成手段（７１）は、複数波長の光を含む光束又は単一波
長の光束（ＬＷ₀)を生成する光源手段（１１０）と、そ
れぞれ入射光束から互いに周波数の異なる２光束を生成
する第１及び第２の音響光学素子（１１７Ａ，１１７
Ｂ）とを備え、光源手段（１１０）からの光束をそれら
２個の音響光学素子に通過させることによって生成され
る少なくとも２組の互いに周波数の異なる２光束（Ｌａ
(1),Ｌｂ(1) とＬａ(-1)，Ｌｂ(-1)）を、回折格子状マ
ーク（ＷＭ１）に照射して得られる光電検出器（８１
Ａ，８１Ｂ）からの検出信号に基づいて、回折格子状マ
ーク（ＷＭ１）の高さ変化、及び横ずれ量の少なくとも
一方を検出する検出手段（８２，８３，５０）が設けら
れたものである。

【００２６】斯かる本発明によれば、２個の音響光学素
子（１１７Ａ，１１７Ｂ）でそれぞれ１回ずつ回折され
た回折光を使用しているため、２個の音響光学素子の調
整が容易であり、複数波長の光束を使用しても回折効率
は殆ど低下しない。また、本発明の上記の第１の位置検
出装置では得られる少なくとも２組の２光束を互いに異
なる複数個の回折格子状マークに照射するのに対して、
この第２の位置検出装置では得られる少なくとも２組の
２光束（Ｌａ(1),Ｌｂ(1) とＬａ(-1)，Ｌｂ(-1)）を共
通に１つの回折格子状マーク（ＷＭ１）に照射してい
る。この結果、例えば図１９に示すように、それら２組
の内の第１組の光束（Ｌａ(1),Ｌｂ(1))による回折光
（ＬＷ₁’）に基づいて、回折格子状マーク（ＷＭ１）
の第１の位置情報Δ１が得られ、第２組の光束（Ｌａ(-
1)，Ｌｂ(-1)）による回折光（ＬＷ_-1’）に基づいて、
回折格子状マーク（ＷＭ１）の第２の位置情報Δ２が得
られる。

【００２７】この際に簡単のため、第１組の光束（Ｌａ
(1),Ｌｂ(1))、及び第２組の光束（Ｌａ(-1)，Ｌｂ(-
1)）の中心線が、被検面の法線に対してほぼ対称に傾斜
しているものとすると、回折格子状マーク（ＷＭ１）の
その法線に垂直な方向への位置ずれ量（横ずれ量）をΔ
ｙ、その法線方向への位置ずれ量（高さ変化）をΔｚと
すると、所定の係数ｋ１及びｋ２を用いて、それらは以
下のように求められる。

【００２８】Δｙ＝ｋ１（Δ１＋Δ２）（Ａ１） Δｚ＝ｋ２（Δ１−Δ２）（Ａ２）即ち、横ずれ量Δｙは、２組の光束から得られる変位の
和に基づいて求められ、高さ変化Δｚは、２組の光束か
ら得られる変位の差に基づいて求められる。この際に、
位置情報Δ１及びΔ２はヘテロダイン干渉方式で検出さ
れるため、被検面の反射率のむらや回路パターン等の影
響を受けにくいと共に、振動ミラーのような機械的な駆
動部を設けることなく交流信号が得られる。

【００２９】この場合、検出手段（８２，８３，５０）
は、被検物（４）上の異なる３箇所に形成された３個の
回折格子状マーク（ＷＭ１，ＷＭ２，ＷＭ３）に対して
２光束生成手段（７１）と同一の２光束生成手段からの
少なくとも２組の互いに周波数の異なる２光束をそれぞ
れ照射して得られるその光電検出器からの検出信号に基
づいて、３個の回折格子状マーク（ＷＭ１，ＷＭ２，Ｗ
Ｍ３）の高さ変化をそれぞれ検出し、この検出結果に基
づいて被検物（４）の傾斜角の補正を行うレベリング手
段（５ｄ）が更に設けられることが望ましい。

【００３０】このとき、それら３個の回折格子状マーク
（ＷＭ１，ＷＭ２，ＷＭ３）の高さ変化より被検面の傾
斜角の変化が求められ、この傾斜角の変化を相殺するよ
うにレベリング手段（５ｄ）を駆動することによって、
オートレベリング方式でその被検面の傾斜角が所定の状
態に維持される。また、その第２の位置検出装置におい
て、２光束生成手段（７１）からの少なくとも２組の互
いに周波数の異なる２光束（Ｌａ(1),Ｌｂ(1) とＬａ(-
1)，Ｌｂ(-1)）が共通に対物光学系（７６）を介して、
各組の一方の光束（Ｌａ(1),Ｌａ(-1)）がこの対物光学
系の光軸と同軸となり、且つ各組の他方の光束（Ｌｂ
(1)，Ｌｂ(-1)）がこの対物光学系の光軸に対して対称
に傾斜して回折格子状マーク（ＷＭ１）に照射されるこ
とが望ましい。これによって、例えば図１９に示すよう
に、第１組の２光束（Ｌａ(1),Ｌｂ(1))の中心線は被検
面の法線に対して傾斜し、第２組の２光束（Ｌａ(-1)，
Ｌｂ(-1)）の中心線もその被検面の法線に対して傾斜す
るため、それら２光束の回折光はそれぞれ回折格子状マ
ーク（ＷＭ１）の横ずれ量及び高さ変化の情報を含むよ
うになり、それらの情報の演算によって横ずれ量、及び
高さ変化を求めることができる。

【００３１】その構成の他に、例えば図２０に示すよう
に、２光束生成手段（７１）からの少なくとも２組の互
いに周波数の異なる２光束（Ｌａ(1),Ｌｂ(1) とＬａ(-
1)，Ｌｂ(-1)）が共通に対物光学系（７６）を介して、
各組の一方の光束（Ｌａ(1),Ｌａ(-1)）がこの対物光学
系の光軸（ＡＸ２）を含む回折格子状マーク（ＷＭ１）
の非計測方向の面内にあって互いにこの光軸に対して反
対側から傾斜して照射され、且つ各組の他方の光束（Ｌ
ｂ(1) ，Ｌｂ(-1)）がこの対物光学系の光軸（ＡＸ２）
を含む回折格子状マーク（ＷＭ１）の非計測方向の平面
に対して互いに反対側から回折格子状マーク（ＷＭ１）
に照射されるようにしてもよい。この構成では、少なく
とも２組の２光束（Ｌａ(1),Ｌｂ(1) とＬａ(-1)，Ｌｂ
(-1)）が回折格子状マーク（ＷＭ１）上で完全に分離さ
れているため、得られる回折光中のノイズ光が少なくな
り、検出信号のＳＮ比が改善される。

【００３２】また、この第２の位置検出装置において
も、例えば図１７に示すように、光源手段（１１０）か
らの光束（ＬＷ₀)を２個の音響光学素子（１１７Ａ，１
１７Ｂ）を通過させることによって、少なくとも２組の
互いに周波数の異なる２光束を生成するために、２個の
音響光学素子（１１７Ａ，１１７Ｂ）は光源手段（１１
０）からの光束（ＬＷ₀)の光軸に沿って直列に、且つこ
の光軸を中心とする回転方向に沿って互いに所定角度だ
け傾いて配置されていることが望ましい。

【００３３】この構成によって、２個の音響光学素子
（１１７Ａ，１１７Ｂ）は光軸の周りに互いにねじられ
て配置されるため、光源手段（１１０）からの光束（Ｌ
Ｗ₀)による第１の音響光学素子（１１７Ａ）からの±１
次回折光（Ｌａ(1) とＬａ(-1)）と、その光束（ＬＷ₀)
の第１の音響光学素子（１１７Ａ）からの０次光による
第２の音響光学素子（１１７Ｂ）からの±１次回折光
（Ｌｂ(1) とＬｂ(-1)）とは混合されることなくその光
軸に沿って進行する。従って、各回折光は２個の音響光
学素子によってそれぞれ１回だけ回折された光束である
ため、光束（ＬＷ₀)の利用効率が低下しない。

【００３４】更に、２個の音響光学素子（１１７Ａ，１
１７Ｂ）の間にはリレー光学系（１３３，１３４）を配
置し、それら２個の音響光学素子の超音波作用領域をそ
のリレー光学系に関して共役としてもよい。これによっ
て、得られる干渉光のＳＮ比が向上する。また、２個の
音響光学素子（１１７Ａ，１１７Ｂ）の射出側にはリレ
ー光学系（１５５）が設けられ、このリレー光学系に関
して第１の音響光学素子（１１７Ａ）の超音波作用領域
と第２の音響光学素子（１１７Ｂ）の超音波作用領域と
のその光軸に沿った中点と共役な位置に、それら複数組
の互いに周波数の異なる２光束の周辺のノイズ光を遮蔽
する視野絞り（１５７）が配置されていることが望まし
い。これによっても、得られる干渉光のＳＮ比が向上す
る。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置検出装置
の第１の実施の形態につき図１〜図４を参照して説明す
る。本例は、本発明を、投影露光装置のヘテロダイン干
渉型のアライメントセンサに適用したものである。ま
た、本例は音響光学素子によるラマン−ナス回折を利用
したものである。

【００３６】図１は、本例の投影露光装置を示し、この
図１において、所定の回路パターンが形成され、その回
路パターンの周辺部にレチクルマークとしての回折格子
マークＲＭが形成されたレチクル１は、２次元的に移動
可能なレチクルステージ２上に保持されている。また、
レチクル１の斜め上方に照明光学系４０が配置され、照
明光学系４０からの露光光は、レチクル１の上方に４５
゜の傾斜角で斜設されたダイクロイックミラー６により
下方へ反射されて、レチクル１を均一な照度分布で照明
する。その露光光のもとで、レチクル１上のパターンは
投影光学系３を介してウエハ４上の各ショット領域に所
定の投影倍率で転写される。即ち、レチクル１のパター
ン形成面は、投影光学系３に関してウエハ４の表面と共
役になるように配置されている。以下では、投影光学系
３の光軸に平行にｚ軸を取り、ｚ軸に垂直な平面内で図
１の紙面に平行にｘ軸を、図１の紙面に垂直にｙ軸を取
って説明する。

【００３７】この場合、ウエハ４上の各ショット領域に
は、レチクル１上に形成された回折格子マークＲＭに対
応して、ウエハマークとしての回折格子マークＷＭが付
設されている。そして、ウエハ４は、２次元的に移動自
在なウエハステージ５上に保持され、ウエハ上の１つの
ショット領域へのレチクルパターンの転写が完了する
と、ウエハステージ５によってウエハ４は次のショット
位置までステッピング移動し、以下ステップ・アンド・
リピート方式で露光が繰り返される。また、レチクルス
テージ２及びウエハステージ５におけるｘ方向、ｙ方向
及び回転方向（θ方向）の位置を独立に検出するための
不図示の干渉計が各ステージに設けられており、それら
の干渉計の計測結果が主制御系５１に供給され、主制御
系５１は供給された計測結果に基づいてサーボ系５２を
介してレチクルステージ２及びウエハステージ５の動作
を制御する。

【００３８】本例では、回折格子マークＲＭ及びＷＭの
位置検出を行うためのＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）
方式のアライメントセンサが、ダイクロイックミラー６
の上方に設けられている。以下、そのアライメントセン
サについて説明する。図１のアライメントセンサにおい
て、キセノン（Ｘｅ）ランプ、ハロゲンランプ等の白色
光源１０からの露光光とは異なる波長帯の白色光（広い
帯域幅を有する光束）は、口径可変な可変絞り１１及び
コンデンサーレンズ１２を介することにより平行な光束
Ｌ₀に変換された後、所定の波長域の光を抽出するバン
ドパスフィルタ１３を介して第１の音響光学素子（以
下、「ＡＯＭ」と呼ぶ）１７Ａに垂直に入射する。第１
のＡＯＭ１７Ａの後に所定間隔で第２のＡＯＭ１７Ｂが
配置され、ＡＯＭ１７Ａ及び１７Ｂは、それぞれ周波数
ｆ₁及びｆ₂(ｆ₁＞ｆ₂とする）の高周波信号ＳＦ₁及
びＳＦ₂で駆動されており、所定の波長域の光束Ｌ ₀は
ＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによりそれぞれラマン−ナス（Ra
man-Nath）回折作用を受ける。但し、ＡＯＭ１７Ａ，１
７Ｂは、後述のように図１の紙面内でｚ軸に平行な光軸
の周りに、ｙ軸に平行な基準軸に対して互いに反対方向
に対称に所定角度だけ傾いて配置されており、図１の紙
面（ｘｚ平面内）への射影では互いに逆方向から駆動さ
れている。

【００３９】ここで、光束Ｌ₀の周波数（中心周波数）
をｆ₀とすると、光束Ｌ₀による２つのＡＯＭ１７Ａ及
び１７Ｂからの＋１次回折光よりなる光束Ｌ_A(1)及びＬ
_B(1)（図４参照）は、それぞれｆ₁及びｆ₂の周波数変
調を受け、同様に−１次回折光よりなる光束Ｌ_A(-1）及
びＬ_B(-1）は、それぞれ−ｆ₁及び−ｆ₂の周波数変調
を受ける。この場合、これら４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ
_B(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ_B(-1）は、ｚ軸に平行な光軸を中心
として所定角度をなして対称に、互いに異なる方向に発
散するように回折されるが、図１においては簡単のた
め、ｘｚ平面に投影した状態で光束Ｌ_A(1)と光束Ｌ_B(-
1）とを合わせて光束Ｌ₁(1)で表し、光束Ｌ_A(-1）と光
束Ｌ_B(1)とを合わせて光束Ｌ₂(-1）で表している。

【００４０】図１において、光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-
1）は、レンズ１８ａ、反射ミラー２０、レンズ１８
ｂ、及びレンズ２１を経て、ビームスプリッタ２２で２
分割される。レンズ１８ａとレンズ１８ｂとで構成され
るリレー光学系の間には、光束Ｌ ₁(1)と光束Ｌ₂(-1）と
を抽出するための空間フィルタ１９が設けられている。
ＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂからは０次光及び高次回折光も発
生するが、これらは空間フィルタ１９により阻止され
る。また、レンズ１８ｂとレンズ２１との間に視野絞り
５７及び傾角可変の平行平面板５８が配置されている。
平行平面板５８は、後述のように、光束Ｌ₁(1)及び光束
Ｌ₂(-1）を構成する４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)，Ｌ_A(-
1），Ｌ_B(-1）の相対位置を調整するために使用され
る。

【００４１】ビームスプリッタ２２を透過した光束Ｌ
₁(1)及び光束Ｌ₂(-1）はレンズ２３により集光され、こ
の集光位置に設けられた参照用の回折格子２４上に、ピ
ッチ方向に沿って流れる干渉縞が形成される。そして、
この回折格子２４から射出される±１次回折光よりなる
干渉光が光電検出器２５に入射し、その干渉光を光電変
換して得られる周波数（ｆ₁−ｆ₂)の参照用の光ビート
信号を含む光電信号が光電検出器２５から出力される。
その光電信号は位相検出系５０に供給される。

【００４２】一方、ビームスプリッタ２２で反射された
光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1）は、レンズ２６ａ及び２６
ｂよりなる第１リレーレンズ２６、第２リレーレンズ２
７、ビームスプリッタ２８、並びに平行平面板３７を通
過する。この平行平面板３７は、投影光学系３の瞳共役
位置又はその近傍に、このアライメントセンサの光学系
の光軸に対して傾角可変に設けられ、アライメント用の
光束のテレセントリック性を維持するための機能を有す
る。なお、平行平面板３７の代わりに、厚さが厚い粗調
整用の平行平面板と、厚さが薄い微調整用の平行平面板
とを組み合わせた構成の２枚の平行平面板を使用しても
よい。

【００４３】平行平面板３７を通過した光束Ｌ₁(1)及び
光束Ｌ₂(-1）は、対物レンズ３８、ダイクロイックミラ
ー６を介して、所定の交差角で２方向からレチクル１上
の回折格子マークＲＭを照明する。なお、投影光学系３
がアライメント光に対して色収差補正されていない場合
には、対物レンズ３８は、特開昭６３−２８３１２９号
公報にて提案されている２焦点光学系で構成することが
望ましい。これにより、２焦点光学系に入射する２光束
は互いに直交する偏光光にそれぞれ分割され、第１焦点
へ向かう一方の偏光光同士がレチクル１上で集光し、第
２焦点へ向かう他方の偏光光同士がウエハ４上で集光す
る。

【００４４】さて、光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1）は、レ
チクル１上の回折格子マークＲＭを照明するが、レチク
ル１には、図２（ａ）に示す如く、回折格子マークＲＭ
と並列にアライメント光用の透過窓Ｐ₀が設けられてお
り、図２（ｂ）に示す如く、この透過窓Ｐ₀に対応する
ウエハ４上の位置に、回折格子マークＷＭが形成されて
いる。

【００４５】光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1）は、回折格子
マークＲＭ及び透過窓Ｐ₀を覆うように２方向から照明
するが、厳密には、光束Ｌ_A(-1），Ｌ_B(-1）が回折格子
マークＲＭを照明し、光束Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)が透過窓Ｐ₀
を照明する。これにより回折格子マークＲＭ上には、ピ
ッチ方向に沿って流れる干渉縞が発生する。そして、こ
の回折格子マークＲＭの法線方向（投影光学系３の光軸
方向）には、光束Ｌ₁(1)の＋１次回折光、及び光束Ｌ
₂(-1）の−１次回折光がそれぞれ発生する。

【００４６】ここで、光束Ｌ₁(1)と光束Ｌ₂(-1）とが回
折格子マークＲＭを２方向から照明するときの交差角
は、回折格子マークＲＭのピッチをＰ_RM、光源１０から
供給される光の基準波長（平均波長）をλ₀、光束Ｌ
₁(1)又は光束Ｌ₂(-1）の回折格子マークＲＭに対する入
射角をθ_RMとするとき、次の関係を満足するように設定
されている。

【００４７】sin θ_RM＝λ₀／Ｐ_RM （Ｂ１）これにより、回折格子マークＲＭから発生する±１次回
折光は、再びダイクロイックミラー６、対物レンズ３
８、平行平面板３７を通過してビームスプリッタ２８で
反射された後、レンズ２９を経てビームスプリッタ３０
で反射されて視野絞り３４に達する。

【００４８】この視野絞り３４は、レチクル１と共役な
位置に設けられており、具体的には、図３（ａ）の斜線
で示す如く、レチクル１の回折格子マークＲＭからの回
折光のみを通過させるように、回折格子マークＲＭの位
置に対応して開口部Ｓ_RMが設けられている。このため、
図１において、視野絞り３４を通過した回折格子マーク
ＲＭからの回折光は、０次回折光を遮光する空間フィル
タ３５によりフィルタリングされて、±１次回折光より
なる干渉光のみが光電検出器３６に達し、この光電検出
器３６にてレチクル１の回折格子マークＲＭの位置情報
を含んだ光ビート信号が光電検出される。光電検出器３
６から出力される光電信号も、位相検出系５０に供給さ
れる。

【００４９】一方、レチクル１の透過窓Ｐ₀を通過した
光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1）の一部は、投影光学系３を
介して、ウエハ４上の回折格子マークＷＭを所定の交差
角で２方向から照明し、これにより回折格子マークＷＭ
上には、ピッチ方向に沿って流れる干渉縞が発生する。
そして、この回折格子マークＷＭの法線方向（投影光学
系３の光軸方向）には、光束Ｌ₁(1)の−１次回折光、及
び光束Ｌ₂(-1）の＋１次回折光がそれぞれ発生する。

【００５０】ここで、光束Ｌ₁(1)と光束Ｌ₂(-1）とが回
折格子マークＷＭを２方向から照明するときの交差角
は、回折格子マークＷＭのピッチをＰ_WM、光源１０から
供給される光の基準波長をλ₀、光束Ｌ₁(1)又は光束Ｌ
₂(-1）の回折格子マークＷＭに対する入射角をθ_WMとす
るとき、次の関係を満足するように設定されている。

【００５１】sin θ_WM＝λ₀／Ｐ_WM （Ｂ２）これにより、回折格子マークＷＭから発生する±１次回
折光は、再び投影光学系３、透過窓Ｐ₀、ダイクロイッ
クミラー６、対物レンズ３８、平行平面板３７を通過し
てビームスプリッタ２８で反射された後、レンズ２９を
経てビームスプリッタ３０を透過して、視野絞り３１に
達する。

【００５２】この視野絞り３１は、ウエハ４と共役な位
置に設けられており、具体的には、図３（ｂ）の斜線で
示す如く、ウエハ４の回折格子マークＷＭからの回折光
のみを通過させるように、回折格子マークＷＭの位置に
対応して開口部Ｓ_WMが設けられている。このため、視野
絞り３１を通過した回折格子マークＷＭからの回折光は
０次回折光を遮光する空間フィルタ３２によりフィルタ
リングされて、±１次回折光よりなる干渉光のみが光電
検出器３３に達し、この光電検出器３３にてウエハ４の
位置情報を含んだ光ビート信号が光電検出される。光電
検出器３３から出力される光電信号も、位相検出系５０
に供給される。

【００５３】本例の空間フィルタ３２，３５はアライメ
ントセンサの光学系の瞳面（被検面に対するフーリエ変
換面）と略共役な位置、即ち投影光学系３の瞳（射出
瞳）面と実質的に共役な位置に配置され、レチクル１、
及びウエハ４上に形成された回折格子マークＲＭ及びＷ
Ｍからの０次回折光（正反射光）を遮断し、±１次回折
光（回折格子マークＲＭ，ＷＭに対して垂直な方向に発
生する回折光）のみを通過させるように設定されてい
る。また、光電検出器３３及び３６の受光面は、対物レ
ンズ３８及びレンズ２９に関して、それぞれレチクル１
及びウエハ４と略々共役となるように配置されている。

【００５４】さて、以上のアライメントセンサの構成に
より、光電検出器２５，３３，３６からそれぞれ得られ
る３つの光電信号は、共に同じ周波数Δｆ（＝ｆ₁−ｆ
₂)の正弦波状の光ビート信号を含んでいる。そして、位
相検出系５０内の光ビート信号抽出部（フーリエ変換回
路）にてそれら３つの光電信号からそれぞれ周波数Δｆ
の正弦波状の光ビート信号が精度良く抽出される。抽出
された３つの光ビート信号は主制御系５１に供給され、
主制御系５１では、一例として、光電検出器３３及び３
６に対応する光ビート信号の位相差を算出する。この位
相差は、レチクル１及びウエハ４に対応する光ビート信
号の位相差である。

【００５５】今、位置合わせされていない状態でレチク
ル１、及びウエハ４が任意の位置で停止しているとする
と、レチクル１及びウエハ４に対応する光ビート信号の
位相差は、位置合わせされたときの基準値（例えば０）
に対して所定の位相だけずれることになる。ここで、レ
チクル１及びウエハ４にそれぞれ対応する光ビート信号
の位相差（±１８０゜の範囲内の値）は、レチクル１及
びウエハ４上のそれぞれの回折格子マークＲＭ及びＷＭ
の格子ピッチの１／２以内の相対位置ずれ量に一義的に
対応している。

【００５６】このため、予めプリアライメントによっ
て、レチクル１とウエハ４との各回折格子マークの格子
ピッチ方向に対する相対位置ずれ量が、各回折格子マー
クＲＭ，ＷＭの格子ピッチの１／２以下となるように位
置合わせが行われる。その後、主制御系５１は、レチク
ル１及びウエハ４に対応する光ビート信号の位相差が０
又は所定の値となるように、サーボ系５２を介してレチ
クルステージ２又はウエハステージ５を２次元移動させ
て位置合わせを行う。これにより高精度に最終的なアラ
イメントが行われる。

【００５７】なお、主制御系５１では、光電検出器２５
に対応する参照用の光ビート信号を基準信号として、こ
の基準信号と各回折格子マークＲＭ，ＷＭに対応する光
ビート信号との位相差がそれぞれ０又は所定の値となる
ように位置合わせを行っても良い。また、ＡＯＭ１７Ａ
又は１７Ｂを駆動する駆動信号（高周波信号ＳＦ₁又は
ＳＦ₂）を基準信号として利用することもできる。

【００５８】次に、本例のアライメントセンサにおける
互いに異なる周波数の２光束を生成する部分について、
より具体的な構成及び原理を図４を参照しながら説明す
る。図４に示すように、ＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂは光束Ｌ
₀の光軸（ｚ軸に平行）を中心として、ｙ軸に平行な軸
を基準として互いに反対方向に所定角度φだけ対称に傾
いて配置されている。このとき、白色光の光束Ｌ₀がＡ
ＯＭ１７Ａに対して垂直に入射すると、ラマン−ナス回
折作用により超音波の進行方向と光束Ｌ₀の光軸とを含
む面内で、各波長毎に０次光Ｌ_A(0)、＋１次回折光Ｌ
_A(1)、−１次回折光Ｌ_A(-1）、及び他の高次回折光が発
生し、これらの回折光は後続のＡＯＭ１７Ｂに入射す
る。

【００５９】ＡＯＭ１７Ａからの０次光Ｌ_A(0)はＡＯＭ
１７Ｂに垂直に入射し、ＡＯＭ１７Ｂのラマン−ナス回
折作用により、同様に超音波の進行方向と光束Ｌ₀の光
軸とを含む面内で、各波長毎に０次光Ｌ_B(0)、＋１次回
折光Ｌ_B(1)、−１次回折光Ｌ _B(-1）、及び他の高次回折
光が発生する。以下では、＋１次回折光Ｌ_A(1)、−１次
回折光Ｌ_A(-1）、＋１次回折光Ｌ_B(1)、及び−１次回折
光Ｌ_B(-1）をそれぞれ単に光束Ｌ_A(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ
_B(1)及びＬ_B(-1）と呼ぶ。

【００６０】これら４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ
_B(1)，Ｌ_B(-1）は光束Ｌ₀の光軸に対して等しい角度を
なしてほぼ対称に回折され、また、それぞれ順に＋
ｆ₁，−ｆ ₁，＋ｆ₂，−ｆ₂の周波数変調を受けてい
る。これら４光束の内、光束Ｌ_A(1)とＬ_B(1)、及び光束
Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）とのそれぞれの組が互いに周波数の
異なる２光束として使用される。即ち、２光束生成手段
としての本例の２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによって、
互いに周波数の異なる２光束が２組得られることにな
る。このとき、各組で２光束間の周波数差は等しくΔｆ
（＝ｆ₁−ｆ₂)である。周波数ｆ₁及びｆ₂はそれぞれ
例えば５０ＭＨｚ、及び（５０ＭＨｚ＋数１０ｋＨｚ）
程度であるため、周波数差Δｆは数１０ｋＨｚ程度にビ
ートダウンされている。なお、この他の回折光の組み合
わせでは、２光束間の周波数差が一般に大きくなり過ぎ
る（数１０ＭＨｚ程度）ため、光電検出器の応答特性等
を考慮すると実用的には好ましくない。

【００６１】また、図４において、ＡＯＭ１７Ｂを通過
した０次光、及び２次以上の高次回折光は、空間フィル
タ１９によって阻止されて、４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ_A(-
1），Ｌ_B(1)，Ｌ_B(-1）のみが図１のリレー光学系に向
かう。図４の光束Ｌ_A(1)及びＬ _B(-1）が図１の光束Ｌ
₁(1)に対応し、光束Ｌ_A(-1）及びＬ_B(1)が光束Ｌ₂(-1）
に対応している。そして、光束Ｌ_A(-1）と光束Ｌ_B(-1）
とは図１のリレー光学系を経て、回折格子マークＲＭを
入射角θ_RMで照明し、回折格子マークＲＭからの±１次
回折光が同軸に上方に射出される。また、光束Ｌ_A(1)と
光束Ｌ_B(1)とは同様に図１のリレー光学系を経て、更に
透過窓Ｐ₀、及び投影光学系３を介して回折格子マーク
ＷＭを入射角θ_WMで照明し、回折格子マークＷＭからの
±１次回折光が同軸に上方に射出される。なお、図１の
リレー光学系中の平行平面板５８は、これら２組の光束
対の内の一方の光束対に対して傾角可変に設けられてお
り、各組の光束対が正確に回折格子マークＲＭと透過窓
Ｐ₀とを照明するように２組の光束対の相対位置を調整
する作用を持つ。

【００６２】また、図１のビームスプリッタ２２は回折
格子マークＲＭを照明する光束対（本例では光束Ｌ_A(-
1）及びＬ_B(-1))のみを２分割することが望ましい。通
常、ウエハ４上の回折格子マークＷＭを照明し、それか
らの±１次回折光を信号光として検出する場合、その信
号光は投影光学系３を往復で２度通過することとなり、
その通過の際の光量損失が無視し得ない。そこで、回折
格子マークＷＭを照明するまでの光量損失を極力抑制す
るためにも、光量的に有利な回折格子マークＲＭを照明
するための光束対をビームスプリッタ２２で分割し、分
割された一部の光束対を参照光として使用することが望
ましい。但し、光量的に十分に余裕があるものならばこ
の限りではなく、例えば、２組の光束対の内の一方の光
束対を全て参照光として利用し、他方を信号光としても
よい。この場合、信号光で回折格子マークＲＭと透過窓
Ｐ₀とを同時に覆うように照明するとよく、光束対の間
隔調整用の平行平面板５８は必ずしも必要なくなる。

【００６３】上述のように本例では、所定の波長域を有
する光束Ｌ₁(1)とＬ₂(-1）とを回折格子２４、及び回折
格子マークＲＭ，ＷＭに対して各波長毎に異なる入射角
のもとで対称に照射できるため、回折格子２４、及び回
折格子マークＲＭ，ＷＭの上方に各波長毎の±１次回折
光を常に同軸に発生させることができ、その結果、各波
長の±１次回折光により所定の周波数Δｆ（＝ｆ₁−ｆ
₂)のビート光を生成することができる。従って、その周
波数Δｆの多波長のビート光を各光電検出器２５，３
３，３６にてそれぞれ光電検出することによって、回折
格子２４、及び回折格子マークＲＭ，ＷＭの位置情報を
含んだビート光を各波長毎に複数検出できる。その結
果、各波長のビート光による平均化効果により回折格子
マークＲＭ，ＷＭの非対称性の影響を抑えつつ、単色光
に対するウエハ４上のフォトレジスト層の薄膜干渉の影
響（光量変化等の影響）を解消でき、ヘテロダイン干渉
方式による高精度な位置検出が達成できる。更に、光学
系の調整が容易でコンパクトな装置が実現できる。

【００６４】ところで、図４のように２つのＡＯＭ１７
Ａ，１７Ｂを隣接して配置する限り、実質的な各ＡＯＭ
１７Ａ，１７Ｂの超音波作用領域内の回折点（各ＡＯＭ
の中心）には光軸方向に位置ずれが生じる。そのため、
図１のレンズ１８ａ，１８ｂよりなるリレーレンズ系の
像面、及びこれに共役な各回折格子マークＲＭ，ＷＭ上
で２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂからの回折光に位置ずれ
が生じる。即ち、互いに干渉する２光束（光束Ｌ_A(1)と
Ｌ_B(1)との対、及び光束Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）との対）の
間で位置ずれが生じることとなる。その位置ずれ量は、
２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの中心間隔にほぼ比例す
る。

【００６５】このように干渉する２光束間に僅かでも位
置ずれがあると、位置ずれした部分の光束は干渉に寄与
しないノイズ光となり、そのノイズ光をそのまま受光す
ると得られる光ビート信号のコントラストが低下する。
そこで、図１の実施の形態ではそのようなノイズ光を除
去するため視野絞り５７が設けられている。図５は、図
１の要部を簡略化して平面的に示したもので、この図５
において、図１のレンズ１８ａ及び１８ｂよりなるリレ
ーレンズ系をリレーレンズ系５５で表している。図５に
おいて、ＡＯＭ１７Ａの中心とＡＯＭ１７Ｂの中心との
中点Ｐ_ABとリレーレンズ系５５に関して共役な位置、即
ちリレーレンズ系５５の像面上に視野絞り５７が配置さ
れている。この視野絞り５７で、４光束Ｌ_A(1)，Ｌ
_B(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ_B(-1）が互いに重なり合う部分のみ
を抽出し、それ以外の周辺部の光束を遮光している。こ
のフィルタリングにより得られる光束は、全て干渉に寄
与する成分となるため、最終的に得られる光ビート信号
のＳＮ比が向上する。

【００６６】一方、２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの間隔
は理想的には０になることが望ましいが、図４のように
隣接して配置する限り両者の間隔は０になり得ない。そ
こで、実質的に２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの間隔を０
にするように、２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの間にリレ
ーレンズ系を配置するとよい。図６は、そのようにリレ
ーレンズ系を配置した変形例を示し、この図６におい
て、第１のＡＯＭ１７Ａ’と第２のＡＯＭ１７Ｂ’との
間に、２枚のレンズ５４ａ及び５４ｂよりなる等倍のリ
レーレンズ系が配置されている。第１のＡＯＭ１７Ａ’
は、図４の第１のＡＯＭ１７Ａを上下反転して進行波の
方向を逆にしたものである。また、レンズ５４ａ及び５
４ｂの焦点距離をそれぞれＦＤ₁及びＦＤ ₂として、Ａ
ＯＭ１７Ａ’の超音波作用領域の中心Ｐをレンズ５４ａ
の前側焦点に配置し、２枚のレンズ５４ａ及び５４ｂの
間隔を（ＦＤ₁＋ＦＤ₂)に設定し、レンズ５４ｂの後側
焦点にＡＯＭ１７Ｂの超音波作用領域の中心Ｑを配置す
る。即ち、そのリレーレンズ系により、ＡＯＭ１７Ａ’
の超音波作用領域の中心Ｐと、ＡＯＭ１７Ｂ’の超音波
作用領域の中心Ｑとが共役となっている。この場合、レ
ンズ５４ａ，５４ｂよりなるリレーレンズ系は両側テレ
セントリックであることが望ましい。また、１回のリレ
ーにより、２つのＡＯＭ１７Ａ’，１７Ｂ’内の進行波
の方向はｘｚ面内（図６の紙面内）への射影で、同じ方
向に設定されている。

【００６７】この変形例では、入射する光束Ｌ₀による
ＡＯＭ１７Ａ’内の中心Ｐからの＋１次回折光Ｌ_A(1)、
−１次回折光Ｌ_A(-1）、及び０次光Ｌ_A(0)は、それぞれ
リレーレンズ系を介してＡＯＭ１７Ｂ’内の中心Ｑで交
差する。従って、その中心Ｑからは、その０次光Ｌ_A(0)
によるＡＯＭ１７Ｂ’からの＋１次回折光Ｌ_B(1)と−１
次回折光Ｌ_A(-1）とがｘｚ面内（図６の紙面内）への射
影で完全に重なった状態で射出される。また、＋１次回
折光Ｌ_B(1)と、＋１次回折光Ｌ_A(1)とがｙｚ面内（図６
の紙面内に垂直な面内）への射影でほぼ完全に重なった
状態で射出される。同様に、０次光Ｌ_A(0)によるＡＯＭ
１７Ｂからの−１次回折光Ｌ_B(-1）と、＋１次回折光Ｌ
_A(1)とがｘｚ面内（図６の紙面内）への射影で完全に重
なった状態で射出され、また、−１次回折光Ｌ_B(-1）
と、−１次回折光Ｌ_A(-1）とがｙｚ面内（図６の紙面内
に垂直な面内）への射影でほぼ完全に重なった状態で射
出される。即ち、光束Ｌ₀の光軸に対してＡＯＭ１７
Ａ’，１７Ｂ’による４つの回折光が完全に対称に射出
される。従って、この場合には図１の例のように視野絞
り５７で光束の一部を遮光する必要がなくなり、アライ
メント用の光束の利用効率が高くなり、且つ得られる光
ビート信号のコントラスト（ＳＮ比）が高くなる利点が
ある。

【００６８】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
７を参照して説明する。本例も、投影露光装置のヘテロ
ダイン干渉型のアライメントセンサに本発明を適用した
ものであり、図７において、図１に対応する部分には同
一符号を付してその詳細説明を省略する。但し、本例は
ブラッグ回折（音響ブラッグ回折）領域で音響光学素子
を使用する例である。

【００６９】図７において、白色光源１０からの白色光
は、口径可変な可変絞り１１、及びコンデンサーレンズ
１２を介することにより平行な光束Ｌ₀に変換された
後、所定の波長域の光を抽出するバンドパスフィルタ１
３を介して回折格子１４に垂直に入射する。この回折格
子１４に垂直に入射した平行な光束Ｌ₀は、図７の紙面
内（ｘｚ面内）で回折格子１４の回折作用によって所定
の波長域を有する±１次回折光Ｌ₁,Ｌ₂に分割される。
所定の波長域をもつ±１次回折光（以下、単に「光束」
と呼ぶ）Ｌ₁,Ｌ₂は、レンズ１５ａ及び１５ｂを有する
リレー光学系によって集光された後、直列して配置され
たＡＯＭ１７Ａ及び１７Ｂに対して等しい入射角のもと
で対称に入射する。また、レンズ１５ａとレンズ１５ｂ
との間には、回折格子１４からの±１次回折光を抽出す
るための空間フィルタ１６が設けられている。

【００７０】ＡＯＭ１７Ａ及び１７Ｂは所定間隔で配置
され、それぞれ周波数ｆ₁及びｆ₂(ｆ₁＞ｆ₂とする）
の高周波信号ＳＦ₁及びＳＦ₂で駆動されており、所定
の波長域の光束Ｌ₀はＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによりブラ
ッグ回折作用を受ける。但し、ＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂは
図７の紙面内でｚ軸に平行な光軸の周りに、ｙ軸を基準
として互いに反対方向にほぼ対称な角度だけ傾いて配置
されており、図７の紙面内（ｘｚ面内）への射影では互
いに逆方向から駆動されている。

【００７１】ここで、光束Ｌ₁,Ｌ₂の周波数（中心周波
数）をｆ₀とすると、光束Ｌ₁,Ｌ₂の２つのＡＯＭ１７
Ａ，１７Ｂによる＋１次回折光Ｌ_1A(1),Ｌ_2B(1）（図８
参照）は、それぞれｆ₁及びｆ₂の周波数変調を受け、
同様に−１次回折光Ｌ_1B(-1)，Ｌ_2A(-1)は、それぞれ−
ｆ₁及び−ｆ₂の周波数変調を受ける。なお、これら４
つの回折光Ｌ_1A(1),Ｌ_2B(1),Ｌ_1B(-1)，Ｌ_2A(-1)は、ｚ
軸に平行な光軸を中心として所定角度をなして対称に、
互いに異なる方向に回折されるが、図７においては簡単
のため回折光Ｌ_1A(1）とＬ_1B(-1)とを合わせて光束Ｌ
₁(1)として表し、回折光Ｌ_2A(-1)とＬ_2B(1）とを合わせ
て光束Ｌ₂(-1）として表している。

【００７２】光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1）は、レンズ１
８ａ、反射ミラー２０、レンズ１８ｂ、レンズ２１を介
して、ビームスプリッタ２２で２分割される。レンズ１
８ａとレンズ１８ｂとで構成されるリレー光学系の間に
は、光束Ｌ₁(1)と光束Ｌ₂(-1）とを抽出するための空間
フィルタ１９が設けられている。ＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂ
からは０次光及び高次回折光も発生するが、これらは空
間フィルタ１９により阻止される。その他の構成は図１
の実施の形態と同様であるため、ここでは説明を省略す
る。

【００７３】次に、図７に示した第２の実施の形態のア
ライメントセンサにおいて、互いに異なる周波数の２光
束を生成する部分についてより具体的な構成及び原理を
図７〜図９を参照して説明する。先ず、図７において、
白色光の光束Ｌ₀がｘ方向に所定ピッチで形成された回
折格子１４に対して垂直に入射すると、回折格子１４の
回折作用により、図７の紙面内（ｘｚ面内）で各波長毎
に各次数の回折光が発生する。

【００７４】このとき、回折格子１４の法線方向に対す
る回折光の回折角をφ₁、回折格子１４のピッチを
Ｐ_G、回折光の波長をλ、回折光の次数をＮ（Ｎは整
数）とするとき、以下の式を満足する各次数の回折光が
発生する。

【００７５】sin φ₁＝Ｎ・λ／Ｐ_G （Ｂ３）そして、集光レンズ１５ａを通過した所定の波長帯の各
次数の回折光は、集光レンズ１５ａの後側焦点位置（集
光レンズ１５ｂの前側焦点位置）に配置された空間フィ
ルタ１６によってフィルタリングされ、所定の波長帯の
±１次回折光以外の光は遮蔽され、所定の波長帯の±１
次回折光よりなる光束Ｌ₁,Ｌ₂のみが選択されて、集光
レンズ１５ｂを介してＡＯＭ１７Ａに向かう。

【００７６】このとき、回折光の波長が異なるのに伴い
回折角φ₁が変化するが、本例ではレンズ１５ａ，１５
ｂよりなるリレー光学系によって回折格子１４の回折点
をＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの中点にリレーして、各波長の
±１次回折光をＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの中点で集光させ
ている。そのため、回折格子１４により対称に２分割さ
れた所定の波長帯の±１次回折光よりなる光束Ｌ₁,Ｌ₂
は、各波長毎に予め定められた入射角φ₂のもとでＡＯ
Ｍ１７Ａ，１７Ｂに対して対称に入射する。

【００７７】図８は、図７内の２つのＡＯＭ１７Ａ，１
７Ｂの配置を示す拡大斜視図、図９（ａ）は図７内の２
つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの配置をｙ方向に見た拡大
図、図９（ｂ）は図９（ａ）の底面図であり、図８にお
いて、所定の波長域の光束Ｌ₁,Ｌ₂は、入射角φ₂(ｘｚ
面に射影した入射角）で２方向からＡＯＭ１７Ａに入射
する。そして、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、各
光束Ｌ₁,Ｌ₂の一部は第１のＡＯＭ１７Ａによるブラッ
グ回折作用を受けるが、各光束の０次光Ｌ_1A(0),Ｌ
_2A(0）はそのままＡＯＭ１７Ａを透過してＡＯＭ１７Ｂ
に対称に入射する。そして、これら０次光は第２のＡＯ
Ｍ１７Ｂによるブラッグ回折作用を受ける。

【００７８】この場合、第１のＡＯＭ１７Ａは、光束Ｌ
₁の＋１次回折光Ｌ_1A(1）と、光束Ｌ₂の−１次回折光
Ｌ_2A(-1)とのそれぞれの回折角が共にｘｚ面内でほぼ２
φ₂(入射角φ₂の２倍）となる周波数ｆ₁の高周波信号
ＳＦ₁により駆動されている。また、第２のＡＯＭ１７
Ｂは、光束Ｌ₁の−１次回折光Ｌ_1B(-1)と、光束Ｌ₂の
＋１次回折光Ｌ_2B(1）とのそれぞれの回折角が、共にｘ
ｚ面内でほぼ２φ₂となる周波数ｆ₂(周波数ｆ₁より僅
かに小さい）の高周波信号ＳＦ₂により駆動されてい
る。

【００７９】２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによる４つの
回折光Ｌ_1A(1),Ｌ_2A(-1)，Ｌ_1B(-1)，Ｌ_2B(1）は、光束
Ｌ₀の光軸に対して等しい角度をなしてほぼ対称に回折
されると共に、それぞれ順に＋ｆ₁，−ｆ₁，−ｆ₂，
＋ｆ₂の周波数変調を受けている。以下では、これら４
つの回折光を単に光束Ｌ_1A(1),Ｌ_2A(-1)，Ｌ_1B(-1)，Ｌ
_2B(1）と呼ぶ。これら４つの光束の内、光束Ｌ_1A(1）と
Ｌ_2B(1）との組、及び光束Ｌ_2A(-1)とＬ_1B(-1)との組の
それぞれが周波数の異なる２光束として使用される。即
ち、２光束生成手段としての本例の２つのＡＯＭ１７
Ａ，１７Ｂによっても、互いに周波数の異なる２光束が
２組得られることになる。このとき、各組での２光束間
の周波数差は等しくΔｆ（＝ｆ₁−ｆ₂)である。そし
て、それら２組の２光束によってレチクルマークＲＭ及
びウエハマークＷＭの位置、ひいてはそれらの位置ずれ
量を高精度に検出できる。この場合の光ビート信号を得
るに至る構成は第１の実施の形態と同様であるため、説
明を省略する。

【００８０】なお、本例でも、第１の実施の形態の図６
に示した変形例と同様に、２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂ
の間にリレーレンズ系を配置し、各ＡＯＭ１７Ａ，１７
Ｂの中心を共役関係とすることによって、得られる光ビ
ート信号のＳＮ比を改善できる。更に、本例では、図７
に示すように光源手段としての白色光源１０から供給さ
れる白色の光束Ｌ₀（多波長光）を光束分割手段として
の回折格子１４によって入射方向（光軸方向）に対して
対称に分割しているが、回折格子１４とは別の光束分割
手段を使用してもよく、例えば、図１０に示すようにウ
ォラストンプリズム１４０を用いて光束Ｌ₀を２分割し
てもよい。更に、図１１に示すように、複数の単色光源
１００〜１０２から射出される波長λ₁〜λ₃の光束を
反射型回折格子１０３を用いて同軸に合成して光束Ｌ₀
とし、この光束Ｌ₀を図１又は図７の白色光源１０から
射出される光束Ｌ₀の代わりに使用してもよい。

【００８１】また、図１及び図７に示した各実施の形態
とも、光電検出器２５，３３，３６からの光電信号よ
り、位相差検出系５０内部の光ビート信号抽出部にて所
定の周波数の光ビート信号が抽出されている。しかしな
がら、光電検出器２５，３３，３６と位相差検出系５０
との間の電気的な経路間に、光ビート信号抽出部（フー
リエ変換回路）をそれぞれ配置し、各光電検出器２５，
３３，３６から出力される光電信号をそれぞれ独立にフ
ーリエ変換してもよい。

【００８２】次に、上述の実施の形態では、図２に示す
ように、同時に検出される回折格子マークＲＭ及び回折
格子マークＷＭのピッチ方向（計測方向）は共にｘ方向
であるが、場合によっては同時に計測方向が直交する２
つの回折格子マークの位置を検出することが要求される
こともある。このような場合には、図４の例で示すよう
に、２つのＡＯＭ１７Ａ及び１７Ｂによって生成される
４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ _A(-1），Ｌ_B(1)，Ｌ_B(-1）の内
で、１つの回折格子マークに照射される光束Ｌ_A(1)とＬ
_B(1)とからなる第１組の光束、又は別の回折格子マーク
に照射される光束Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）とからなる第２組
の光束の分離方向（計測方向）を９０°回転すればよ
い。

【００８３】図１２は、そのように一方の組の光束の分
離方向を９０°回転した変形例を示し、この図１２にお
いて図４に対応する部分には同一符号を付してその詳細
説明を省略する。図１２において、入射した光束Ｌ₀が
２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによって回折されて、光束
Ｌ₀の光軸に対して等しい角度をなしてほぼ対称に生成
された４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ_B(1)，Ｌ_B(-1）
は、レンズ１８ａを介してｚ軸に平行になって空間フィ
ルタ１９の開口を通過する。この空間フィルタ１９を通
過した段階では、光束Ｌ_A(1)とＬ_B(1)とからなる第１組
の光束、及び光束Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）とからなる第２組
の光束の分離方向は共にｘ方向であり、計測方向は共通
である。

【００８４】そこで、この変形例では、空間フィルタ１
９の直後で、且つ光束Ｌ_A(-1）とＬ _B(-1）とからなる第
２組の光束の光路上に像回転プリズム６１を配置する。
この際に、像回転プリズム６１の底面はｚｙ面に平行な
状態から、ｚ軸に平行な軸（光軸）の周りに４５°回転
させた状態で固定されている。図１３（ａ）は像回転プ
リズム６１の平面図、図１３（ｂ）は像回転プリズム６
１の側面図であり、図１３において、像回転プリズム６
１の底面が光束Ｌ_A(-1）及びＬ_B(-1）の分離方向に対し
て４５°回転しているため、像回転プリズム６１に入射
する光束Ｌ_A(-1）及びＬ_B(-1）は、像回転プリズム６１
から射出される際に分離方向が９０°回転している。

【００８５】図１２に戻り、光束Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）と
からなる第２組の光束は、像回転プリズム６１を通過す
ることによって分離方向が９０°回転して、矢印Ｄ１で
示すようにｙ方向に沿って分離されている。これによっ
て、計測方向が直交する２つの回折格子マークの位置検
出が可能となる。但し、図１２の例では、分離方向が９
０°回転した光束Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）とからなる第２組
の光束は、計測方向のテレセントリック性が崩れている
ため、例えば後続の光学系中に傾角可変の平行平板ガラ
スを配置して、そのテレセントリック性を補正すること
が望ましい。

【００８６】図１４は計測方向が直交する２つの回折格
子マークの例を示し、先ず図１４（ａ）では、ウエハ４
上にｘ方向に所定ピッチで形成されたｘ軸の回折格子マ
ーク６２Ｘと、ｙ方向に所定ピッチで形成されたｙ軸の
回折格子マーク６２Ｙとが近接して配置されている。一
方、図１４（ｂ）では、２つの１次元の回折格子マーク
を合成した形の２次元的な回折格子マーク６３が形成さ
れている。これらの内の何れの回折格子マークであって
も、図１２の例で生成される２組の光束によって位置検
出を行うことができる。

【００８７】即ち、例えば図１４（ａ）の回折格子マー
ク６２Ｘ，６２Ｙの位置検出を行う場合、ｘ軸の回折格
子マーク６２Ｘに対しては、図１２で生成される２組の
光束の内の分離方向がｘ方向の光束Ｌ_A(1)とＬ_B(1)とか
らなる第１組の光束を照射する。そして、ｙ軸の回折格
子マーク６２Ｙに対しては、図１２で生成される分離方
向がｙ方向の光束Ｌ_A(-1）とＬ_B(-1）とからなる第２組
の光束を照射する。これによって、計測方向が直交する
２つの回折格子マーク６２Ｘ，６２Ｙの位置検出を行う
ことができる。同様に、図１４（ｂ）の回折格子マーク
６３の位置検出を行う際には、図１２で生成される２組
の光束を交差させて照射すればよい。

【００８８】また、上述の図４に示す実施の形態では、
周波数の異なる２光束によって回折格子マークＲＷ，Ｗ
Ｍ上に形成される干渉縞のピッチ、及び方向は一定であ
るが、その干渉縞のピッチ、及び方向の調整機能を持た
せることが望ましい。以下では、その干渉縞のピッチ、
及び方向の調整手段の一例につき説明する。図１５は、
形成される干渉縞のピッチ、及び方向の調整手段を備え
た変形例を示し、この図１５において図４に対応する部
分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。図１
５において、２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂは、図４の例
と同様に光軸の周りに対称に回転した状態で、且つ回転
手段としての支持部材６４によって連結され、支持部材
６４が光束Ｌ₀の光軸の周りに所望の角度回転した状態
で固定できるように構成されている。更に、不図示であ
るが、支持部材６４には２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂを
光軸の周りに個別に回転するための回転調整具が取り付
けられている。従って、２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂ
は、その光軸の周りのΘ方向に個別に回転できると共
に、２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂは、支持部材６４を介
してその光軸の周りのΘ方向に一体として回転できるよ
うにもなっている。

【００８９】この変形例でも、入射した光束Ｌ₀が２つ
のＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによって回折されて、光束Ｌ₀
の光軸に対して等しい角度をなしてほぼ対称に生成され
た４つの光束Ｌ_A(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ_B(1)，Ｌ_B(-1）は、
レンズ１８ａを介してｚ軸に平行になって空間フィルタ
１９の開口を通過する。また、空間フィルタ１９の直後
で、且つ光束Ｌ_A(1)及びＬ_B(1)からなる第１組の光束の
光路上に平行平板ガラス６６が配置され、光束Ｌ_A(-1）
及びＬ_B(-1）からなる第２組の光束の光路上に平行平板
ガラス６５が配置され、平行平板ガラス６５，６６はそ
れぞれほぼｘｙ面に平行な回転軸６５ａ，６６ａを軸と
して回転できるようになっている。更に、空間フィルタ
１９、及び平行平板ガラス６５，６６はそれぞれ支持部
材６４のΘ方向への回転に連動して、ほぼ同じ角度だけ
Θ方向に回転されるように支持されている。

【００９０】図１５において、先ずＡＯＭ１７Ａ及び１
７ＢをΘ方向に個別に回転することによって、１組の光
束Ｌ_A(1)，Ｌ_B(1)及び別の１組の光束Ｌ_A(-1），Ｌ_B(-
1）は独立に空間フィルタ１９上で点線で示す円周６７
に沿って回転する。そのため、それら２組の光束の分離
方向は独立に光軸の周りに回転して、それらを回折格子
マークＲＭ，ＷＭに照射した場合に形成される干渉縞の
ｘ方向のピッチ調整を行うことができる。また、この際
に２組の光束の回転角に合わせて、空間フィルタ１９を
それら２組の光束を遮光しないような空間フィルタで交
換してもよい。

【００９１】次に、図１５において、支持部材６４をΘ
方向に回転すると、空間フィルタ１９上で４つの光束Ｌ
_A(1)，Ｌ_A(-1），Ｌ_B(1)，Ｌ_B(-1）は点線で示す円周６
７に沿って回転する。この際に空間フィルタ１９、及び
平行平板ガラス６５，６６もほぼ同期して回転するた
め、それら４つの光束は空間フィルタ１９を通過し、光
束Ｌ_A(1)及びＬ_B(1)は更に平行平板ガラス６６を通過
し、光束Ｌ_A(-1）及びＬ_B(-1）は更に平行平板ガラス６
５を通過する。この結果、平行平板ガラス６５，６６を
通過した２組の光束の分離方向は光軸の周りに回転し、
それら２組の光束のｘｚ面への射影の間隔は変化する。
従って、それら２組の光束を図１の回折格子マークＲ
Ｍ，ＷＭに照射した場合に、これら回折格子マーク上に
形成される干渉縞も回転し、その干渉縞のｘ方向のピッ
チが微小量変化する。

【００９２】上述のようなピッチ調整によって、例えば
アライメントセンサの光学系に或る程度の倍率誤差等が
生じても、それら２組の光束によって形成される干渉縞
のピッチを検出対象の回折格子マークのピッチに対応し
た値に設定できる。また、このように２組の光束を個別
に又は一体として回転して干渉縞のピッチ調整を行う
と、それら２組の光束のテレセントリック性が崩れてし
まう。そこで、図１５の平行平板ガラス６５及び６６を
回転軸６５ａ及び６６ａの周りに回転することによっ
て、それら２組の光束のテレセントリック性を補正す
る。これによって、例えばウエハ４の高さが或る程度変
化しても、正確に位置検出を行うことができる。

【００９３】なお、上述の実施の形態は、ＴＴＲ方式の
アライメントセンサに本発明を適用したものであるが、
本発明はＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式やオフ・ア
クシス方式のヘテロダイン干渉型のアライメントセンサ
にも同様に適用できる。

【００９４】次に、本発明の第３の実施の形態につき図
１６〜図２０を参照して説明する。本例は、本発明を投
影露光装置のＡＦセンサ（オートフォーカスセンサ）、
ＡＬセンサ（オートレベリングセンサ）、及びアライメ
ントセンサを兼用するセンサに適用したものである。ま
た、本例の音響光学素子はラマン−ナス回折を利用して
いる。

【００９５】図１６は、本例の投影露光装置の要部の概
略構成を示し、この図１６において、露光時には照明光
学系４０からの露光光のもとで、レチクルステージ２上
のレチクル１のパターンが、投影光学系３を介して所定
の投影倍率でフォトレジストが塗布されたウエハ４上の
各ショット領域に投影される。以下では、投影光学系３
の光軸ＡＸ１に平行にｚ軸を取り、ｚ軸に垂直な平面内
で図１６の紙面に平行にｘ軸を、図１６の紙面に垂直に
ｙ軸を取って説明する。

【００９６】ウエハ４はウエハホルダ５ａ上に真空吸着
により保持され、ウエハホルダ５ａはそれぞれｚ方向に
伸縮自在な３個の支点５ｄを介してＺレベリングステー
ジ５ｂ上に載置され、Ｚレベリングステージ５ｂはＸ方
向及びＹ方向にウエハを位置決めするためのＸＹステー
ジ５ｃ上に固定されている。これらウエハホルダ５ａ、
Ｚレベリングステージ５ｂ、支点５ｄ、ＸＹステージ５
ｃ、及び不図示の回転テーブル等からウエハステージが
構成されている。

【００９７】支点５ｄとしては、機械的に例えば球体を
ｚ方向に移動させるカム機構、送りねじ機構、又はピエ
ゾ素子等が使用できる。Ｚレベリングステージ５ｂ内の
駆動部において、それら支点５ｄを同時に同じ量だけ伸
縮させることによりウエハ４をｚ方向に微動することが
でき、それら支点５ｄを互いに独立に所定量だけ伸縮さ
せることによりウエハ４を所望の方向に所望の角度だけ
傾斜させることができるようになっている。

【００９８】また、ウエハ４（Ｚレベリングステージ５
ｂ）のｘ座標及びｙ座標は不図示のレーザ干渉計により
常時計測され、この計測値が主制御系５０に供給され、
主制御系５０ではその計測値に基づいてウエハステージ
の駆動系５２ａを介してＸＹステージ５ｃの位置決め動
作を制御する。同時に主制御系５０は、後述のように検
出されるウエハの露光対象のショット領域のｚ方向の位
置（焦点位置）及び傾斜角に基づいて、駆動系５２ａ及
びＺレベリングステージ５ｂ内の駆動部を介して支点５
ｄの伸縮量を制御することによって、オートレベリング
方式及びオートフォーカス方式でそのショット領域の表
面を投影光学系３の像面に合わせ込む。

【００９９】更に、後述のように検出されるウエハ４と
レチクル１との相対位置関係に基づいてＸＹステージ５
ｃを駆動することによって、ウエハ４のアライメントが
行われる。さて、ウエハ４の各ショット領域にレチクル
１上の回路パターンの像を良好に転写するには、各ショ
ット領域の表面をそれぞれ投影光学系３の像面に対して
焦点深度の範囲内に収める必要がある。そのためには、
ウエハ４上の露光対象のショット領域毎の表面（被検
面）の焦点位置を正確に検出する必要がある。また、ウ
エハ４とレチクル１とのアライメントを行って、ウエハ
４上に多層の回路パターンを所定の位置関係で積み重ね
て形成するためには、ウエハ４上の露光対象のショット
領域毎にレチクル１との相対位置関係を正確に検出する
必要がある。

【０１００】図１８は本例のウエハ４上の１つのショッ
ト領域ＳＡを示し、この図１８において、ショット領域
ＳＡにｙ方向に隣接するようにｘ方向に所定ピッチの回
折格子マークＷＭ２が形成され、ｘ方向の両側に隣接す
るようにｙ方向に所定ピッチの回折格子マークＷＭ１及
びＷＭ３が形成されている。他のショット領域にもそれ
ぞれ３個の回折格子マークＷＭ１〜ＷＭ３が付設されて
おり、本例ではそれら３個の回折格子マークの位置を後
述の多目的センサで検出することによって、オートフォ
ーカス、オートレベリング、及びアライメントを行う。

【０１０１】即ち、図１６に戻り、本例の投影露光装置
の投影光学系３の側面にオフ・アクシス方式の多目的セ
ンサ７０が配置されている。この多目的センサ７０は、
ウエハ４上の各ショット領域の１つのウエハマークＷＭ
１（図１８参照）のｚ方向の位置（焦点位置）、及びｙ
方向の位置を検出するためのセンサである。実際には、
それ以外に多目的センサ７０と同じ構成で、ウエハ４上
の各ショット領域の他の２つのウエハマークＷＭ２，Ｗ
Ｍ３のｘ方向又はｙ方向の位置、及びｚ方向の位置を検
出するための２つの多目的センサが設置されているが、
それらは省略されている。これらの全体で３つの多目的
センサの検出結果に基づいて、ウエハ４上の各ショット
領域の焦点位置、傾斜角、及び２次元的な位置が求めら
れる。また、レチクル１上には、レチクルの位置を検出
するためのレチクル位置検出系（レチクルアライメント
顕微鏡）も配置されているが、図１６においては省略さ
れている。

【０１０２】図１６の多目的センサ７０において、送光
系７１から射出された複数の直線偏光の光束は１／２波
長板７２を介して偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢ
Ｓ」と呼ぶ）７３に入射する。１／２波長板７２の回転
角は、入射した光束の所定の割合がＰＢＳ７３で反射さ
れるように設定されている。ＰＢＳ７３を透過したＰ偏
光の光束は、光路折り曲げ用のミラー７４、１／４波長
板７５、対物レンズ７６、ミラー７７、及び落射照明用
のミラー７８を経て光軸ＡＸ２に沿ってウエハ４上の回
折格子マークに入射する。そして、この回折格子マーク
からの後述の２組の回折光は、ミラー７８、ミラー７
７、対物レンズ７６、１／４波長板７５、ミラー７４を
経てＳ偏光としてＰＢＳ７３に戻り、ＰＢＳ７３でほぼ
全部が反射された２組の回折光は、空間フィルタ７９及
びレンズ８０を経て２つの光電検出器８１Ａ及び８１Ｂ
に入射する。光電検出器８１Ａ及び８１Ｂからの２つの
光電信号は、ローパスフィルタ回路８２を介して位相検
出系８３の一方の入力部に供給される。

【０１０３】一方、送光系７１から１／２波長板７２を
介してＰＢＳ７３に入射して、このＰＢＳ７３で反射さ
れた一部のＳ偏光の光束は参照信号検出系８４に入射
し、この参照信号検出系８４から参照ビート信号を含む
光電信号が出力される。この光電信号は、ローパスフィ
ルタ回路８５を介して位相検出系８３の他方の入力部に
供給される。ここで、多目的センサ７０の光学系の構成
につき詳細に説明する。

【０１０４】図１７は、図１６の多目的センサ７０の光
学系を示し、先ずこの図１７の送光系７１において、キ
セノン（Ｘｅ）ランプ、ハロゲンランプ等の白色光源１
１０からの露光光とは異なる波長帯で、且つ広い帯域幅
を有する光束（白色光）は、口径可変な可変絞り１１１
及びコンデンサーレンズ１１２を介して平行光束に変換
された後、所定の波長域の光を抽出するバンドパスフィ
ルタ１１３及び不図示の偏光板を介して光束ＬＷ₀とし
て第１の音響光学素子（以下、「ＡＯＭ」と呼ぶ）１１
７Ａに垂直に入射する。なお、その偏光板は省略しても
よい。第１のＡＯＭ１１７Ａの後に所定間隔で第２のＡ
ＯＭ１１７Ｂが配置され、これらはそれぞれ周波数ｆ₁
及びｆ₂(ｆ₁＞ｆ₂とする）の高周波信号ＳＦ₁及びＳ
Ｆ₂で駆動されており、所定の波長域の光束ＬＷ₀は各
ＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂでラマン−ナス（Raman-Nat
h）回折作用を受ける。周波数ｆ₁及びｆ₂はそれぞれ
数１０ＭＨｚ（例えば５０ＭＨｚ）程度であり、且つｆ
₁はｆ₂に比べて数１０ｋＨｚ高く設定されている。各
ＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂは、それぞれｙ軸に平行な光
軸の周りに、且つｚ軸に平行な基準軸に対して互いに対
称に所定角度（本例では４５°）だけ傾いて配置されて
おり、共に＋ｘ方向側から高周波信号で駆動されてい
る。

【０１０５】ここで、光束ＬＷ₀の周波数（中心周波
数）をｆ₀とすると、光束ＬＷ₀の２つのＡＯＭ１１７
Ａ，１１７Ｂからの＋１次回折光よりなる光束Ｌａ(1)
及びＬｂ(1) は、それぞれｆ₁及びｆ₂の周波数変調を
受け、同様に−１次回折光である光束Ｌａ(-1)及びＬｂ
(-1)は、それぞれ−ｆ₁及び−ｆ₂の周波数変調を受け
る。これら４光束は、ｙ軸に平行な光軸を中心として所
定角度をなしてほぼ対称に、互いに異なる方向に回折さ
れる。

【０１０６】ここで、簡単のため、光束Ｌａ(1) 及びＬ
ｂ(1) よりなる光束対をＬＷ₁、光束Ｌａ(-1)及びＬｂ
(-1)よりなる光束対をＬＷ_-1と呼ぶことにする。光束対
ＬＷ ₁及び光束対ＬＷ_-1は、レンズ１１８ａ及び１１８
ｂよりなるリレーレンズ系（以下、「リレーレンズ系１
１８ａ，１１８ｂ」と呼ぶ）、及び視野絞り１５７を介
してミラー１２０で反射される。レンズ１１８ａ及び１
１８ｂの間にスリット状の２本の平行な開口を有する空
間フィルタ１１９が配置され、空間フィルタ１１９は、
光束対ＬＷ₁及びＬＷ_-1のみを抽出するために使用され
る。即ち、ＡＯＭ１１７Ｂからは０次光及び高次回折光
も発生するが、それらは空間フィルタ１１９により遮光
される。視野絞り１５７は２個のＡＯＭ１１７Ａ，１１
７Ｂの光軸上の中間点と共役なリレーレンズ系１１８
ａ，１１８ｂの像面位置に配置されている。

【０１０７】ミラー１２０で反射された４光束（２つの
光束対）は、レンズ１２１を通過した後、互いの光軸が
平行とされ、ミラー１２２，１２６により２つの光束対
ＬＷ ₁及びＬＷ_-1毎に別の光路に分割される。その後、
光束対ＬＷ₁はミラー１２７を介してハーフプリズム１
２５の一面に入射し、光束対ＬＷ_-1は２枚のミラー１２
３，１２４を介してハーフプリズム１２５の隣り合う別
の面に入射する。ここで、光束対ＬＷ₁及び光束対ＬＷ
_-1は光束Ｌａ(1) 及びＬａ(-1)が同軸となり、且つ４光
束の各中心線がｘｙ面内に並ぶように合成される。これ
により、光束対ＬＷ₁及びＬＷ_-1は、見かけ上は３光束
になる。白色光源１１０〜ハーフプリズム１２５までの
部材より送光系７１が構成されている。

【０１０８】ハーフプリズム１２５を射出した２つの光
束対ＬＷ₁及びＬＷ_-1は１／２波長板７２を透過して偏
光面を所定方向に回転調整された後ＰＢＳ７３に入射
し、一部が反射され、大部分が透過する。反射された２
つの光束対ＬＷ₁及びＬＷ_-1は、参照信号検出系８４内
でミラー１２８、レンズ１２９を介して参照用の回折格
子１３０上に集光され、干渉縞が形成される。そして、
この回折格子１３０から射出され同軸とされる回折光よ
りなる２つの干渉光が光電検出器１３１Ａ及び１３１Ｂ
に入射し、その干渉光を光電変換して得られる周波数Δ
ｆ（＝ｆ₁−ｆ₂)の参照用の光ビート信号を含む光電信
号が光電検出器１３１Ａ，１３１Ｂから出力され、図１
のローパスフィルタ回路８５を介して位相検出系８３に
供給される。ミラー１２８〜光電検出器１３１Ａ，１３
１Ｂまでの部材より参照信号検出系８４が形成されてい
る。

【０１０９】一方、ＰＢＳ７３を透過した光束対ＬＷ₁
及びＬＷ_-1はミラー７４、１／４波長板７５、対物レン
ズ７６、及びミラー７７，７８を介してウエハ４の露光
対象のショット領域ＳＡ近傍に形成されている回折格子
マークＷＭ１上に集光される。回折格子マークＷＭ１は
そのピッチ方向がｙ軸に平行となっている。回折格子マ
ークＷＭ１に集光される４光束は、同軸となっている光
束Ｌａ(1)及びＬａ(-1)が対物レンズ７６の光軸上にあ
って回折格子マークＷＭ１の形成面に垂直に照射され、
他の２光束Ｌｂ(1) 及びＬｂ(-1)が対物レンズ７６の光
軸に対して対称にｙ方向に所定角度傾いて照射される。
このとき、回折格子マークＷＭ１上にはｙ方向（ピッチ
方向）に流れる干渉縞が発生する。

【０１１０】図１９（ａ）はそれら４光束が回折格子マ
ークＷＭ１に入射する様子を示している。但し、各光束
は実際にはウエハ４上で有限な大きさの断面を持つが、
図１９ではそれぞれの光束の中心線が示されている。図
１９（ａ）において、光束Ｌｂ(1) の回折格子マークＷ
Ｍ１に対する入射角θは、次式を満足するように設定さ
れている。

【０１１１】sin θ＝λ₀ ／Ｐ（Ｃ１）但し、Ｐは回折格子マークＷＭ１のピッチ、λ₀ は光束
の基準波長（平均波長）である。このとき、光束Ｌａ
(1) 及びＬａ(-1)は対物レンズ７６の光軸ＡＸ２に沿っ
て回折格子マークＷＭ１に垂直に入射しているため、図
１９（ｂ）に示すように、光束Ｌａ(1) の−１次回折光
Ｌａ(1)'と光束Ｌｂ(1) の０次光Ｌｂ(1)'との干渉光Ｌ
Ｗ₁'が同軸に光束Ｌｂ(-1)の光路を逆に戻るように発生
する。更に、図１９（ｃ）に示すように、光束Ｌａ(-1)
の１次回折光Ｌａ(-1)’と光束Ｌｂ(-1)の０次光Ｌｂ(-
1)’との干渉光ＬＷ_-1’が同軸に光束Ｌｂ(1) の光路を
逆に戻るように発生する。

【０１１２】干渉光ＬＷ₁'及びＬＷ_-1’は、図１７の対
物レンズ７６、及び１／４波長板７５等を介してＰＢＳ
７３で反射された後、空間フィルタ７９及び瞳リレーレ
ンズ８０を経て光電検出器８１Ａ及び８１Ｂに達する。
回折格子マークＷＭ１では干渉光ＬＷ₁'，ＬＷ_-1’以外
の回折光も発生するが、それらは空間フィルタ７９によ
り遮光され、干渉光ＬＷ₁'，ＬＷ_-1’のみが光電検出器
８１Ａ，８１Ｂに達し、この光電検出器８１Ａ，８１Ｂ
にて回折格子マークＷＭ１の位置情報を含んだビート光
が光電検出される。光電検出器８１Ａ，８１Ｂから出力
される光電信号は図１６のローパスフィルタ回路８２を
介して位相検出系８３に供給される。

【０１１３】光電検出器８１Ａ，８１Ｂからの光電信号
は、共に同じ周波数Δｆ（＝ｆ₁ −ｆ₂ ）の正弦波状の
光ビート信号を含んでいる。そして、図１６の位相検出
系８３内の光ビート信号抽出部（フーリエ変換回路）に
てそれらの光電信号から、それぞれ周波数Δｆの干渉光
ＬＷ₁'，ＬＷ_-1’の光ビート信号が精度良く抽出され
る。同様に、参照信号検出系８４の光電検出器１３１
Ａ，１３１Ｂからの光電信号からも、位相検出系８３に
て周波数Δｆの参照用の光ビート信号が抽出される。但
し、ここでは先ず一例として参照用の光ビート信号を使
用しない信号処理方法を説明する。即ち、位相検出系８
３では、抽出された干渉光ＬＷ₁'の光ビート信号と、干
渉光ＬＷ_-1’の光ビート信号との位相差、及び位相和を
求め、これらの位相差、及び位相和を主制御系５０に供
給する。

【０１１４】後述のように、位相差は被検面（回折格子
マークＷＭ１の形成面）のｚ方向の基準面に対する位置
ずれ量（焦点位置のずれ量）に対応し、位相和は回折格
子マークＷＭ１のｙ方向の基準位置に対する位置ずれ量
に対応している。今、位置合わせされていない状態でウ
エハが任意の位置で静止しているとして、干渉光ＬＷ ₁'
の位相と干渉光ＬＷ_-1’の位相との位相差及び位相和
は、位置合わせされた状態の基準値（例えば０）に対し
てそれぞれ所定の位相だけずれることになる。このと
き、主制御系５０はその位相差が０又は所定の値となる
ように、駆動系５２ａ、及びＺレベリングステージ５ｂ
の駆動部を介して支点５ｄの伸縮量を制御して被検面の
ｚ方向の位置合わせを行う。また、他の２箇所の回折格
子マークＷＭ２，ＷＭ３についても同様にｚ方向の位置
合わせを行うことによって、被検面のレベリング及びフ
ォーカシングが行われる。更に、主制御系５０は、その
位相和が０又は所定の値となるように、駆動系５２ａ、
及びＸＹステージ５ｃを介してウエハ４を２次元移動さ
せてｘｙ面内の位置合わせを行う。これによって、高精
度に最終的なアライメントが行われる。

【０１１５】なお、位相検出系８３では、干渉光ＬＷ₁'
及びＬＷ_-1’の光ビート信号の位相差及び位相和と共
に、対応する参照用の光ビート信号の位相を主制御系５
０に供給するようにしてもよい。この場合、主制御系５
０ではその位相差が対応する参照用の光ビート信号の位
相に合致し、且つその位相和が対応する参照用の光ビー
ト信号の位相に合致するように、位置合わせを行うよう
にしてもよい。また、参照用の回折格子１３０の光ビー
ト信号を使用する代わりに、ＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂ
の駆動信号（高周波信号ＳＦ₁及びＳＦ₂）をミキシン
グして得られる周波数Δｆの信号を基準信号として利用
してもよい。更に、図１６において、レチクル１上の回
折格子マーク（不図示）にも計測用の光束を照射し、そ
の回折格子マークから得られる回折光を光電変換して得
られる光ビート信号を基準信号としてもよい。

【０１１６】次に、本例の回折格子マークのピッチ方向
及び上下方向の変位の検出原理につき図１９を参照して
説明する。図１９（ａ）において、互いにコヒーレント
な平行光束である４つの光束Ｌａ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ
(1),Ｌｂ(-1)は図１９（ａ）の紙面内（ｙｚ面内）を進
行し、回折格子マークＷＭ１上で交差する。光束Ｌａ
(1),Ｌａ(-1)は光軸ＡＸ２と同軸に、即ち回折格子マー
クＷＭ１の法線（ｚ軸）に平行に回折格子マークＷＭ１
に入射し、光束Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)は光束Ｌａ(1),Ｌａ(-
1)（光軸ＡＸ２）について回折格子マークＷＭ１のピッ
チ方向に対称に傾いて回折格子マークＷＭ１に入射す
る。このとき、光束Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)の入射角は（Ｃ
１）式を満足するように設定されている。

【０１１７】この結果、上述のように光束Ｌａ(1) の−
１次回折光Ｌａ(1)'と光束Ｌｂ(1)の０次光（正反射
光）Ｌｂ(1)'との干渉光ＬＷ₁'が同軸に光束Ｌｂ(-1)の
光路を逆に戻るように発生し、光束Ｌａ(-1)の１次回折
光Ｌａ(-1)’と光束Ｌｂ(-1)の０次光（正反射光）Ｌｂ
(-1)’との干渉光ＬＷ_-1’が同軸に光束Ｌｂ(1) の光路
を逆に戻るように発生する。干渉光ＬＷ₁'及びＬＷ_-1’
が個別に光電変換されて光ビート信号が検出される。

【０１１８】ここで、回折格子マークＷＭ１のピッチ方
向（ｙ方向）の変位をΔｙ、上下方向（ｚ方向）の変位
をΔｚとする。また、光束の入射角θ_i 、回折角（反射
角）θ_o の基準をｚ軸にとり、図１９の紙面内で反時計
周りの回転角を＋、時計周りの回転角を−とする。２光
束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) に関して、図１９（ｂ）の点線
で示されるように、回折格子マークＷＭ１がｚ方向の位
置１３２まで変位すると２光束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) の
回折格子マークＷＭ１に対する入射位置は変化する。ま
た、回折格子マークＷＭ１がｙ方向に変位した場合に
も、２光束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) の回折格子マークＷＭ
１に対する入射位置が変化することは明らかである。回
折格子マークＷＭ１のｙ方向への変位Δｙ及びｚ方向へ
の変位Δｚに伴う、回折格子マークＷＭ１に対する光束
Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) の入射位置の変化δ_p は次式で表
される。

【０１１９】 δ_p ＝−Δｙ−Δｚtan θ_i （Ｃ２）一方、回折格子マークＷＭ１がｚ方向に変位する場合に
は、その変位の前後で２光束Ｌａ(1)'及びＬｂ(1)'のそ
れぞれに光路の変化に伴う位相差が発生する。変位Δｚ
に伴う各光束の位相の変化δ_l は次式で表される。

【０１２０】 δ_l ＝（２π／λ₀){(１＋cos(θ_i-θ_o ))／cos θ_i}Δｚ（Ｃ３）これらの位相の変化δ_p 及びδ_l により、光束Ｌａ(1)'
とＬｂ(1)'とからなる干渉光ＬＷ₁'の光ビート信号の位
相が変化する。光束Ｌａ(1)'においてθ_i ＝０、θ_o ＝
−θ、光束Ｌｂ(1)'においてθ_i ＝θ、θ_o ＝−θであ
ることを考慮すると、干渉光ＬＷ₁'を光電検出して得ら
れる光ビート信号の交流成分Ι₁ は次式で表される。但
し、Ａは信号の振幅、φ₁ は初期位相であり、共に系の
構成で決まる定数である。

【０１２１】 Ι₁ ＝Ａ・cos［２πΔｆｔ−２π｛Δｙ／Ｐ−λ₀ Δｚ/(２Ｐ²)｝−φ₁] （Ｃ４）２光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)に関しても同様に、図１９
（ｃ）の点線で示されるように回折格子マークＷＭ１が
ｚ方向の位置１３２まで変位すると、（Ｃ２）式及び
（Ｃ３）式が成り立つ。従って、位相の変化δ_p 及びδ
_l により、光束Ｌａ(-1)’とＬｂ(-1)’とからなる干渉
光ＬＷ_-1’の光ビート信号の位相が変化する。光束Ｌａ
(-1)’においてθ_i ＝０、θ_o ＝θ、光束Ｌｂ(-1)’に
おいてθ_i＝−θ、θ_o ＝θであることを考慮すると、
干渉光ＬＷ_-1’を光電検出して得られる光ビート信号の
交流成分Ι_-1は次式で表される。但し、Ｂは信号の振
幅、φ _-1は初期位相であり、共に系の構成で決まる定数
である。

【０１２２】 Ι_-1＝Ｂ・cos［２πΔｆｔ−２π｛Δｙ／Ｐ＋λ₀ Δｚ/(２Ｐ²)｝−φ_-1］（Ｃ５）（Ｃ４）式及び（Ｃ５）式から明らかなように、位相検
出系８３にて交流成分Ι₁,Ι_-1の位相差ψ_- 及び位相和
ψ₊ を算出すると、それぞれ次式で表されるように、定
数項を除いて変位Δｚあるいは変位Δｙのみに依存する
位相が求められる。

【０１２３】 ψ_- ＝（２πλ₀ ／Ｐ²)Δｚ−（φ_-1−φ₁) （Ｃ６） ψ₊ ＝−２π（２／Ｐ）Δｙ−（φ_-1＋φ₁) （Ｃ７）従って、回折格子マークＷＭ１の変位の前後でψ_- 及び
ψ₊ を比較すると、位相差ψ_- から回折格子マークＷＭ
１のｙ方向の変位の影響を受けることなくｚ方向の変位
が求められ、位相和ψ₊ から回折格子マークＷＭ１のｚ
方向の変位の影響を受けることなくｙ方向の変位を求め
ることができる。あるいは、ψ_- 及びψ ₊ の値がそれぞ
れ所定値となるように回折格子マークＷＭ１の位置を決
定すれば、被検面の位置を所定の位置に制御することが
できる。

【０１２４】この場合、既に図１７の参照用の回折格子
１３０を用いて説明したように、固定した回折格子に対
して交流成分Ι₁ ，Ι_-1と同様に干渉信号を光電検出
し、これによって検出された干渉信号の位相とそれらψ
_- 及びψ₊ との位相差が所定の値となるように被検面の
位置を制御してもよい。なお、その参照用の回折格子に
対する干渉信号は、変位Δｙ及びΔｚには依存しない次
式で表される交流成分を持つ光ビート信号として検出さ
れる。但し、Ｃは信号の振幅、φ_Ref は初期位相であ
り、共に系の構成で決まる定数である。

【０１２５】 Ι_Ref ＝Ｃ・cos（２πΔｆｔ−φ_Ref) （Ｃ８）また、既に説明したように、別にＡＯＭ１１７Ａ及び１
１７Ｂを駆動する高周波信号ＳＦ₁及びＳＦ₂より生成
した参照信号を利用する場合には、この参照信号とψ_-
及びψ₊ との位相差がそれぞれ所定の値になるように制
御すればよい。ところで、図１９において上記の±１次
回折光あるいは０次光以外にも多数の回折光が発生す
る。そのため、干渉光ＬＷ₁'には光束Ｌａ(1)'及びＬｂ
(1)'以外にも、光束Ｌａ(-1)の−１次回折光Ｌａ(-1)”
及び光束Ｌｂ(-1)の−２次回折光Ｌｂ(-1)”が同軸とな
って含まれる。また、干渉光ＬＷ_-1’には光束Ｌａ(-
1)’及びＬｂ(-1)’以外にも、光束Ｌａ(1) の１次回折
光Ｌａ(1)"及び光束Ｌｂ(1)の２次回折光Ｌｂ(1)"が同
軸となって含まれる。この結果、例えば干渉光ＬＷ₁'を
光電検出して得られる交流成分Ι₁ は、（Ｃ４）式以外
にもいくつかの周波数成分を持つビート信号がノイズと
して重畳された信号として検出される。それらノイズが
重畳された状態では位相検出誤差が発生し、結果として
回折格子マークＷＭ１の位置検出誤差を引き起こす。

【０１２６】これを回避するため本例では、図１６に示
すように、光電検出した干渉信号を電気的なローパスフ
ィルタ回路８２及び８５に通している。例えば、干渉光
ＬＷ ₁'における光束Ｌａ(-1)の−１次回折光Ｌａ(-1)”
に起因するノイズ成分の周波数は、ＡＯＭ１１７Ａ，１
１７Ｂの駆動周波数のほぼ２倍に等しく数１０ＭＨｚで
ある。これに対して、所望の光ビート信号の周波数は通
常数１０ｋＨｚ程度であって、電気的なフィルタリング
により十分にノイズを分離することができる。また、回
折格子マークＷＭ１のデューティを１／２（ライン幅と
スペース幅との比の値を１）とすることが好ましい。こ
れにより、回折格子マークＷＭ１における±２次回折光
の発生が抑制され（原理的には発生しない）、２次回折
光に起因するノイズ成分が減少しＳＮ比が向上する。

【０１２７】しかしながら、後者の対策に関しては、実
用的には完全には回折格子マークＷＭ１における±２次
回折光の発生を抑えることができず、それに起因するノ
イズも完全に消すことはできない。従って、この影響を
完全に回避するには、例えば図２０（ａ）及び（ｂ）に
示すように、対物レンズ７６の光軸に対して非計測方向
に２つの光束対ＬＷ₁及びＬＷ_-1を互いに反対側（ほぼ
対称）に傾けて回折格子マークＷＭ１に入射させること
が好ましい。

【０１２８】即ち、図２０（ａ）は図１７の変形例の要
部を示し、図２０（ｂ）は図２０（ａ）中の回折格子マ
ークＷＭ１の拡大図を示し、この図２０（ａ）に示すよ
うに、ハーフプリズム１２５に入射する一方の光束Ｌａ
(1),Ｌｂ(1) と他方の光束Ｌａ(-1)，Ｌｂ(-1)とは、光
束Ｌａ(1) と光束Ｌａ(-1)とがｚ方向にずれるように入
射している。この結果、図２０（ｂ）に示すように、回
折格子マークＷＭ１に入射する２つの光束対ＬＷ₁及び
ＬＷ_-1は、非計測方向にほぼ対称に傾斜して入射するよ
うになる。また、光束対ＬＷ₁及びＬＷ_-1による回折格
子マークＷＭ１からの干渉光ＬＷ₁'及びＬＷ_-1’は、非
計測方向（ｘ方向）から見ると図１９に示すように見え
るが、実際には対物レンズ７６の光軸ＡＸ２に関して非
計測方向に互いに反対側に反射回折される。それらの干
渉光ＬＷ₁'及びＬＷ_-1’は、図２０（ａ）の空間フィル
タ７９Ａの２つの円形開口を通過して光電検出器８１
Ａ，８１Ｂで受光される。そして、光束Ｌａ(-1)の−１
次回折光Ｌａ(-1)”、及び光束Ｌｂ(-1)の−２次回折光
Ｌｂ(-1)”は、その空間フィルタ７９Ａによって完全に
遮光されるため、ＳＮ比の改善された光ビート信号が得
られる。

【０１２９】他にも例えば、図１７のハーフプリズム１
２５を偏光ビームスプリッタとすることによって、光束
対ＬＷ₁とＬＷ_-1とを互いに直交した偏光光として相互
の干渉を抑制してもよい。また、光束対ＬＷ₁とＬＷ_-1
とを別々の対物レンズを通して回折格子マークＷＭ１上
の離れた場所に入射させ、２つの光束対による回折光を
空間的に分離してもよい。

【０１３０】次に、図１７の多目的センサ７０の送光系
７１中で互いに異なる周波数の２光束を生成する部分に
ついて、より具体的な構成及び動作原理につき図２１を
参照して説明する。図２１は、図１７中の送光系７１の
要部を示し、この図２１に示すように、ＡＯＭ１１７
Ａ，１１７Ｂは入射する光束ＬＷ₀ の光軸（ｙ軸に平行
な軸）を中心とし、ｚ軸方向を基準として互いに反対方
向に所定角度ψだけ対称に傾いて配置されている。ほぼ
白色の光束ＷＬ₀ がＡＯＭ１１７Ａに対して垂直に入射
すると、ラマン−ナス回折作用により各波長毎に０次光
Ｌａ(0) 、＋１次回折光Ｌａ(1) 、−１次回折光Ｌａ(-
1)、及び他の高次回折光が超音波の進行方向と光束ＬＷ
₀ の光軸とを含む面内で発生し、これらの光束はＡＯＭ
１１７Ｂに入射する。

【０１３１】ＡＯＭ１１７Ａからの０次光Ｌａ(0) はＡ
ＯＭ１１７Ｂに垂直に入射し、ＡＯＭ１１７Ｂのラマン
−ナス回折作用により、同様に各波長毎に０次光Ｌｂ
(0)(不図示）、＋１次回折光Ｌｂ(1) 、−１次回折光Ｌ
ｂ(-1)、及び他の高次回折光が超音波の進行方向と光束
ＬＷ₀ の光軸とを含む面内で発生する。このとき、４つ
の光束Ｌａ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)は光束ＬＷ
₀の光軸に対して等しい角度をなしてほぼ対称に回折さ
れ、且つそれぞれ順に＋ｆ₁，−ｆ₁，＋ｆ₂，−ｆ₂
の周波数変調を受けている。これら４つの光束のうち、
光束対Ｌａ(1),Ｌｂ(1) と、光束対Ｌａ(-1)，Ｌｂ(-1)
とのそれぞれの組が周波数の異なる２光束として使用さ
れる。即ち、本例の２光束生成手段では、互いに周波数
の異なる２光束が２組得られることになる。このとき、
各組で２光束間の周波数差は等しくΔｆ（＝ｆ₁−ｆ₂)
である。なお、この他の回折光の組み合わせでは、２光
束間の周波数差が一般に大きくなり過ぎる（数１０ＭＨ
ｚ程度）ため、光電検出器の応答特性等を考慮すると実
用的には好ましくない。

【０１３２】また、図２１において、ＡＯＭ１１７Ｂを
通過した０次光、及び２次以上の高次回折光は空間フィ
ルタ１１９によって遮光されて、空間フィルタ１１９の
２つの平行なスリット状の開口１１９ａ及び１１９ｂを
通過した４つの光束Ｌａ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(1),Ｌｂ(-
1)のみが図１７のレンズ１１８ｂに向かう。図２１の光
束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) が図１７の光束対ＬＷ₁に対応
し、光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)が光束対ＬＷ_-1に対応し
ている。

【０１３３】上述のように本例では、所定の波長域を有
する光束Ｌａ(1),Ｌｂ(1) と、光束Ｌａ(-1)，Ｌｂ(-1)
とを参照用の回折格子１３０、及び回折格子マークＷＭ
１に対して各波長の光毎に（Ｃ１）式を満足するように
照射できるため、参照用の回折格子１３０、及び回折格
子マークＷＭ１に対して所定方向に各波長毎の１次回折
光及び０次光を常に同軸に発生させることができ、その
結果、各波長毎の１次回折光及び０次光により所定の周
波数Δｆ（＝ｆ₁−ｆ₂）のビート光を生成することが
できる。従って、その周波数Δｆの多波長のビート光を
各光電検出器１３１Ａ，１３１Ｂ，８１Ａ，８１Ｂにて
それぞれ光電検出できる。即ち、回折格子マークＷＭ１
の位置情報を含んだビート光を各波長毎に複数検出でき
る。その結果、各波長のビート光による平均化効果によ
り回折格子マークＷＭ１の非対称性の影響を抑えつつ、
多波長光によるフォトレジスト層の薄膜干渉の影響（光
量変化等の影響）を解消でき、ヘテロダイン干渉方式に
よる高精度な位置検出が達成できる。また、光学系の調
整が容易でコンパクトな装置が実現できることも大きな
特徴である。

【０１３４】ところで、図２１のように２つのＡＯＭ１
１７Ａ，１１７Ｂを隣接して配置する限り、実質的な各
ＡＯＭの回折点（ＡＯＭの中心）には光軸方向に位置ず
れが生じる。そのため、リレーレンズ系１１８ａ，１１
８ｂの像面、及びこれに共役な回折格子マークＷＭ１上
で２つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂからの回折光に位置
ずれが生じる。即ち、干渉する２光束Ｌａ(1) 及びＬｂ
(1) の間、及び干渉する２光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)の
間でそれぞれ位置ずれが生じることとなる。その位置ず
れ量は、２つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂの中心間隔に
ほぼ比例する。

【０１３５】このように、干渉する２光束間に僅かでも
位置ずれがあると、位置ずれした部分の光束は干渉に寄
与しないノイズ光となり、そのノイズ光をそのまま受光
すると得られる光ビート信号のコントラストが低下す
る。そこで、図１７の実施の形態ではそのようなノイズ
光を除去するため視野絞り１５７が設けられている。図
２２は、図１７の送光系７１の要部を簡略化して平面的
に示したもので、この図２２において、図１７のリレー
レンズ系１１８ａ，１１８ｂがリレーレンズ系１５５で
表わされ、ＡＯＭ１１７Ａの中心とＡＯＭ１１７Ｂの中
心との中点とリレーレンズ系１５５に関して共役な位置
（リレーレンズ系１５５の像面上）に視野絞り１５７が
配置されている。この視野絞り１５７で、４光束Ｌａ
(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)が互いに重なり合う部
分のみを抽出し、それ以外の周辺部の光束を遮光してい
る。このフィルタリングにより得られる光束は、全て干
渉に寄与する成分となり、従って最終的に得られる光ビ
ート信号のＳＮ比が向上する。

【０１３６】一方、２つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂの
間隔は理想的には０になることが望ましいが、図２１の
ように隣接して配置する限り間隔は０になり得ない。そ
こで、実質的に間隔を０にするように、２つのＡＯＭ１
１７Ａ，１１７Ｂの間にリレーレンズ系を配置するとよ
い。図２３は、そのようにリレーレンズ系を配置した変
形例を示し、この図２３において、第１のＡＯＭ１１７
Ａと第２のＡＯＭ１１７Ｂとの間に、２枚のレンズ１３
３，１３４よりなる等倍のリレーレンズ系が配置されて
いる。第１のＡＯＭ１１７Ａは、図２１の場合に対して
上下を反転して進行波の方向が逆にされている。また、
レンズ１３３及び１３４の焦点距離をそれぞれＦＤ₁及
びＦＤ₂として、ＡＯＭ１１７Ａの超音波作用領域の中
心Ｐをレンズ１３３の前側焦点に配置し、２枚のレンズ
１３３，１３４の間隔を（ＦＤ₁＋ＦＤ₂）に設定し、
レンズ１３４の後側焦点にＡＯＭ１１７Ｂの超音波作用
領域の中心Ｑを配置する。即ち、そのリレーレンズ系に
より、ＡＯＭ１１７Ａの超音波作用領域の中心Ｐと、Ａ
ＯＭ１１７Ｂの超音波作用領域の中心Ｑとが共役となっ
ている。この場合、レンズ１３３，１３４よりなるリレ
ーレンズ系は両側テレセントリックであることが望まし
い。また、１回のリレーにより、２つのＡＯＭ１１７
Ａ，１１７Ｂ内の進行波の方向はｘ方向（図２３の紙面
内）に関して逆方向に設定されている。

【０１３７】この変形例では、入射する光束ＬＷ₀によ
るＡＯＭ１１７Ａ内の中心Ｐからの＋１次回折光Ｌａ
(1) 、−１次回折光Ｌａ(-1)、及び０次光Ｌａ(0) は、
それぞれリレーレンズ系を介してＡＯＭ１１７Ｂ内の中
心Ｑで交差する。従って、その中心Ｑからは、その０次
光Ｌａ(0) によるＡＯＭ１１７Ｂからの＋１次回折光Ｌ
ｂ(1) と＋１次回折光Ｌａ(1) とがｘｙ面内（図２３の
紙面内）の射影で完全に重なった状態で射出され、ま
た、＋１次回折光Ｌｂ(1) と−１次回折光Ｌａ(-1)とが
ｙｚ面内（図２３の紙面に垂直な面内）の射影でほぼ完
全に重なった状態で射出される。同様に、０次光Ｌａ
(0) によるＡＯＭ１１７Ｂからの−１次回折光Ｌｂ(-1)
と−１次回折光Ｌａ(-1)とがｘｙ面内（図２３の紙面
内）の射影でほぼ完全に重なった状態で射出され、ま
た、−１次回折光Ｌｂ(-1)と＋１次回折光Ｌａ(1) とが
ｙｚ面内（図２３の紙面に垂直な面内）の射影でほぼ完
全に重なった状態で射出される。即ち、光束ＬＷ₀の光
軸に対してＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂによる４つの回折
光が完全に対称に射出される。従って、この場合には視
野絞りで光束の一部を遮光する必要がなくなり、アライ
メント用の光束の利用効率が高くなり、且つ得られる光
ビート信号のＳＮ比が高くなる利点がある。

【０１３８】次に、本発明の第４の実施の形態につき図
２４を参照して説明する。本例も、本発明を投影露光装
置のヘテロダイン干渉型のＡＦセンサ、ＡＬセンサ、及
びアライメントセンサを兼用する多目的センサに適用し
たものである。本例の多目的センサは図１６及び図１７
に示す多目的センサ７０の内の送光系７１の構成を変え
て、ブラッグ回折（音響ブラッグ回折）領域で音響光学
素子を使用するようにしたものであり、本例の送光系の
構成につき説明する。また、図２４において、図１７に
対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略
する。

【０１３９】図２４は、本例の多目的センサの送光系の
要部を示し、この図２４において、白色光源１１０から
の白色光は、口径可変な可変絞り１１１及びコンデンサ
ーレンズ１１２を介することにより平行光束に変換され
た後、所定の波長域の光を抽出するバンドパスフィルタ
１１３及び不図示の偏光板を介して光束ＬＷ₀として回
折格子１３５に垂直に入射する。この回折格子１３５に
垂直に入射した光束ＬＷ₀は、ｘｙ面内で回折格子１３
５の回折作用によって所定の波長域を持つ±１次回折光
Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)に分割される。

【０１４０】所定の波長域をもつ±１次回折光（以下、
単に「光束」と呼ぶ）Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)は、レンズ１３
７ａ及び１３７ｂよりなるリレー光学系（以下、「リレ
ー光学系１３７ａ，１３７ｂ」と呼ぶ）によって集光さ
れた後、直列に配置されたＡＯＭ１１７Ａ及び１１７Ｂ
に等しい入射角のもとで対称に入射する。また、リレー
光学系１３７ａ，１３７ｂの間には、回折格子１３５か
らの±１次回折光を抽出するための空間フィルタ１３６
が設けられている。

【０１４１】ＡＯＭ１１７Ａ及び１１７Ｂは所定間隔で
配置され、それぞれ周波数ｆ₁及びｆ₂（ｆ₁＞ｆ₂と
する）の高周波信号ＳＦ₁及びＳＦ₂で駆動されてお
り、所定の波長域の光束Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)はＡＯＭ１１
７Ａ，１１７Ｂによりブラッグ回折作用を受ける。但
し、ＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂはｙ軸に平行な光軸の周
りに、ｚ軸に平行な基準軸に対して互いに反対方向に対
称に所定角度だけ傾いて配置されており、且つｘ軸方向
に関して同じ側から高周波信号で駆動されている。

【０１４２】ここで、光束Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)の周波数
（中心周波数）をｆ₀とすると、光束Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)
の２つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂによる＋１次回折光
（これを光束Ｌａ(1),Ｌｂ(1) と呼ぶ）は、それぞれｆ
₁及びｆ₂の周波数変調を受け、同様に−１次回折光
（これを光束Ｌａ(-1)，Ｌｂ(-1)と呼ぶ）は、−ｆ₁及
び−ｆ₂の周波数変調を受ける。これら４つの回折光
（光束Ｌａ(1),Ｌｂ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(-1)）は、光軸
（ｙ軸に平行な軸）を中心として所定角度をなして対称
に、互いに異なる方向に回折される。

【０１４３】ここで、図２４の要部を拡大した図２５に
示すように、光束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) よりなる光束対
をＬＷ₁、光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)よりなる光束対を
光束対ＬＷ_-1と呼ぶことにする。光束対ＬＷ₁及びＬＷ
_-1は、図２４のリレーレンズ系１１８ａ，１１８ｂを介
して視野絞り１５７に入射する。リレーレンズ系１１８
ａ，１１８ｂの間には、光束対ＬＷ₁及び光束対ＬＷ_-1
のみを抽出するための空間フィルタ１１９が設けられて
いる。ＡＯＭ１１７Ｂからは０次光及び高次回折光も発
生するが、それらは空間フィルタ１１９により遮光され
る。なお、視野絞り１５７は２個のＡＯＭ１１７Ａ，１
１７Ｂの光軸上の中間点と共役なリレーレンズ系１１８
ａ，１１８ｂの像面位置に配置されている。その他の構
成は図１７の実施の形態と同様であり、視野絞り１５７
を通過した光束は図１７のミラー１２０で反射される。
以下の説明は省略する。

【０１４４】次に、図２４に示した第４の実施の形態に
おいて、互いに異なる周波数の２光束を生成する部分に
ついてより具体的な構成及び原理を図２４〜図２６を参
照して説明する。図２４において、ほぼ白色の光束ＬＷ
₀が回折格子１３５に対して垂直に入射すると、回折格
子１３５の回折作用により、ｘｙ面内で各波長毎に各次
数の回折光が発生する。

【０１４５】このとき、回折格子１３５の法線方向に対
する回折光の回折角をφ_g1、回折格子１３５のピッチを
Ｐ_g、回折光の波長をλ₀ 、回折光の次数をＮ（Ｎは整
数）とするとき、以下の式を満足する各次数の回折光が
発生する。 sin φ_g1＝Ｎ・λ₀ ／Ｐ_g （Ｃ９）そして、レンズ１３７ａを通過した所定の波長帯の各次
数の回折光は、レンズ１３７ａの後側焦点位置（レンズ
１３７ｂの前側焦点位置）に配置された空間フィルタ１
３６によってフィルタリングされ、所定の波長帯の±１
次回折光以外の光は遮光され、所定の波長帯の±１次回
折光Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)のみが選択され、レンズ１３７ｂ
を介してＡＯＭ１１７Ａに向かう。

【０１４６】このとき、光の波長が異なるのに伴い回折
角φ_g1が変化するが、本例ではリレー光学系１３７ａ，
１３７ｂによって回折格子１３５の回折点をＡＯＭ１１
７Ａ，１１７Ｂの中点にリレーして、各波長の±１次回
折光をＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂの中点で集光させてい
るため、回折格子１３５により対称に２分割された所定
の波長帯の±１次回折光Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)は、各波長毎
に予め定められた入射角φ_g2のもとでＡＯＭ１１７Ａ及
び１１７Ｂに対して対称に入射する。

【０１４７】図２５は、図２４内の２つのＡＯＭ１１７
Ａ，１１７Ｂを含む要部の拡大図であり、図２５に示す
ように、所定の波長域の光束Ｌｇ(1),Ｌｇ(-1)は、入射
角φ _g2で２方向からＡＯＭ１１７Ａに入射し、各光束の
一部は第１のＡＯＭ１１７Ａによるブラッグ回折作用を
受けるが、各光束の０次光はそのままＡＯＭ１１７Ａを
透過して第２のＡＯＭ１１７Ｂに対称に入射する。そし
て、これら０次光は第２のＡＯＭ１１７Ｂによるブラッ
グ回折作用を受ける。

【０１４８】この場合、第１のＡＯＭ１１７Ａは、光束
Ｌｇ(1) の＋１次回折光Ｌａ(1) と、光束Ｌｇ(-1)の−
１次回折光Ｌａ(-1)とのそれぞれの回折角が共にｘｙ面
内でほぼ２φ_g2（入射角φ_g2の２倍）となる周波数ｆ₁
の高周波信号ＳＦ₁により駆動されている。また、第２
のＡＯＭ１１７Ｂは、光束Ｌｇ(1) のＡＯＭ１１７Ａに
よる０次光の−１次回折光Ｌｂ(-1)と、光束Ｌｇ(-1)の
ＡＯＭ１１７Ａによる０次光の＋１次回折光Ｌｂ(1) と
のそれぞれの回折角が、共にｘｙ面内でほぼ２φ_g2とな
る周波数ｆ₂（周波数ｆ₁より僅かに小さい）の高周波
信号ＳＦ₂により駆動されている。

【０１４９】図２６（ａ）は、図２４の２つのＡＯＭ１
１７Ａ，１１７Ｂの拡大図、図２６（ｂ）は図２６
（ａ）の底面図であり、図２６に示すように、各ＡＯＭ
１１７Ａ，１１７Ｂによる４つの回折光よりなる光束Ｌ
ａ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)は、光束ＬＷ₀の光
軸に対して等しい角度をなしてほぼ対称に回折され、ま
た、それぞれ順に＋ｆ₁，−ｆ₁，＋ｆ₂，−ｆ₂の周
波数変調を受けている。これら４光束の内、光束Ｌａ
(1) 及びＬｂ(1) と、光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)とのそ
れぞれの組が周波数の異なる２光束として使用される。
即ち、本例の２光束生成手段でも、互いに周波数の異な
る２光束が２組得られることになる。このとき、各組で
２光束間の周波数差は等しくΔｆ（＝ｆ₁−ｆ₂）であ
る。その他、光ビート信号を得るに至る構成は第３の実
施の形態と同様である。

【０１５０】なお、この第４の実施の形態でも第３の実
施の形態の変形例として図２３に示したのと同様に、２
つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂの間にレンズ１３３，１
３４よりなるリレーレンズ系を配置し、各ＡＯＭ１１７
Ａ，１１７Ｂの中心を共役関係とすることが有効であ
る。更に、上述の第４の実施の形態では、図２４に示す
ように、白色光源１１０から供給される白色光（多波長
光）を光束分割手段としての回折格子１３５によって入
射方向（光軸方向）に対して対称に分割しているが、回
折格子１３５とは別の光束分割手段を使用してもよく、
例えば図１０で示した如きウォラストンプリズム１４０
を用いてもよい。更に図１１で示したように、複数の単
色光源１００〜１０２から射出される波長λ₁〜λ₃の
光束を反射型回折格子１０３を用いて同軸に合成して光
束Ｌ₀とし、この光束Ｌ₀を図１７又は図２４の白色光
源１１０から射出される光束ＬＷ₀の代わりに使用して
もよい。

【０１５１】また、上述の第３及び第４の実施の形態で
は、図１７又は図２４に示したように、光源手段からの
光束ＬＷ₀をその光軸上に直列に配置した２つのＡＯＭ
１１７Ａ，１１７Ｂにより周波数の異なる２組の２光束
に分割しているが、２つのＡＯＭを並列に配置してもよ
い。図２７は、２つのＡＯＭを並列に配置した本発明の
第５の実施の形態を示し、この図２７において、白色光
源１１０から射出された光束は、可変絞り１１１、コン
デンサーレンズ１１２、バンドパスフィルタ１１３、及
び不図示の偏光板を介して光束ＬＷ₀としてハーフプリ
ズム１３８に入射している。そして、ハーフプリズム１
３８を透過した光束はＡＯＭ１１７Ａに入射し、ＡＯＭ
１１７Ａでのラマン−ナス回折によって発生した±１次
回折光Ｌａ(1),Ｌａ(-1)は、レンズ１４１Ａ、空間フィ
ルタ１１９、及びレンズ１１８ｂを経て視野絞り１５７
に入射している。一方、ハーフプリズム１３８で反射さ
れた光束はミラー１３９で反射されてＡＯＭ１１７Ｂに
入射し、ＡＯＭ１１７Ｂでのラマン−ナス回折によって
発生した±１次回折光Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)は、レンズ１４
１Ｂ、空間フィルタ１１９、及びレンズ１１８ｂを経て
視野絞り１５７に入射している。このとき、各ＡＯＭ１
１７Ａ，１１７Ｂは共にｘ方向側から同じ方向に駆動さ
れる。それ以外の構成は図１７と同様であり、位置検出
も同様に行われる。

【０１５２】また、上述の図１７、又は図２４に示す実
施の形態では、周波数の異なる２光束によって回折格子
マーク上に形成される干渉縞のピッチ、及び方向は一定
であるが、その干渉縞のピッチ、及び方向の調整機能を
持たせることが望ましい。以下では、その干渉縞のピッ
チ、及び方向の調整手段の一例につき説明する。図２８
は、形成される干渉縞のピッチ、及び方向の調整手段を
備えた変形例を示し、この図２８において図１７に対応
する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略す
る。図２８において、２つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂ
は、図１７の例と同様に光軸の周りに対称に回転した状
態で、且つ回転手段としての支持部材１６４によって連
結され、支持部材１６４が光束ＬＷ₀の光軸の周りに所
望の角度回転した状態で固定できるように構成されてい
る。更に、不図示であるが、支持部材１６４には２つの
ＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂを光軸の周りに個別に回転す
るための回転調整具が取り付けられている。従って、２
つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂは、その光軸の周りのΘ
方向に個別に回転できると共に、２つのＡＯＭ１１７
Ａ，１１７Ｂは、支持部材１６４を介してその光軸の周
りのΘ方向に一体として回転できるようにもなってい
る。

【０１５３】この変形例でも、入射した光束ＬＷ₀が２
つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂによって回折されて、光
束ＬＷ₀の光軸に対して等しい角度をなしてほぼ対称に
生成された４つの光束Ｌａ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(1),Ｌｂ
(-1)は、レンズ１１８ａを介してｙ軸に平行になって空
間フィルタ１１９の開口を通過する。また、空間フィル
タ１１９の直後で、且つ光束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) から
なる第１組の光束対ＬＷ₁の光路上に平行平板ガラス１
６５が配置され、光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)からなる第
２組の光束対ＬＷ_-1の光路上に平行平板ガラス１６６が
配置され、平行平板ガラス１６５，１６６はそれぞれほ
ぼｚｘ面に平行な回転軸１６５ａ，１６６ａを軸として
回転できるようになっている。更に、空間フィルタ１１
９、及び平行平板ガラス１６５，１６６はそれぞれ支持
部材１６４のΘ方向への回転に連動して、ほぼ同じ角度
だけΘ方向に回転されるように支持されている。

【０１５４】図２８において、先ずＡＯＭ１１７Ａ及び
１１７ＢをΘ方向に個別に回転することによって、１組
の光束Ｌａ(1),Ｌｂ(1) 及び別の１組の光束Ｌａ(-1)，
Ｌｂ(-1)は空間フィルタ１１９上で点線で示す円周１６
７に沿って回転する。そのため、それら２組の光束の分
離方向は光軸の周りに回転して、それらを回折格子マー
クＷＭ１に照射した場合に形成される干渉縞のｙ方向の
ピッチ調整を行うことができる。また、この際に２組の
光束の回転角に合わせて、空間フィルタ１１９をそれら
２組の光束を遮光しないような空間フィルタで交換して
もよい。

【０１５５】次に、図２８において、支持部材１６４を
Θ方向に回転すると、空間フィルタ１１９上で４つの光
束Ｌａ(1),Ｌａ(-1)，Ｌｂ(1),Ｌｂ(-1)は点線で示す円
周１６７に沿って回転する。この際に空間フィルタ１１
９、及び平行平板ガラス１６５，１６６もほぼ同期して
回転するため、それら４つの光束は空間フィルタ１１９
を通過し、光束Ｌａ(1) 及びＬｂ(1) は更に平行平板ガ
ラス１６５を通過し、光束Ｌａ(-1)及びＬｂ(-1)は更に
平行平板ガラス１６６を通過する。この結果、平行平板
ガラス１６５，１６６を通過した２組の光束の分離方向
は光軸の周りに回転し、それら２組の光束のｚｙ面への
射影の間隔は変化する。従って、それら２組の光束を図
１７の回折格子マークＷＭ１に照射した場合に、この回
折格子マーク上に形成される干渉縞も回転し、その干渉
縞のｙ方向のピッチが微小量変化する。

【０１５６】上述のようなピッチ調整によって、例えば
アライメントセンサの光学系に或る程度の倍率誤差等が
生じても、それら２組の光束によって形成される干渉縞
のピッチを検出対象の回折格子マークのピッチに対応し
た値に設定できる。また、このように２組の光束を個別
に又は一体として回転して干渉縞のピッチ調整を行う
と、それら２組の光束のテレセントリック性が崩れてし
まう。そこで、図２８の平行平板ガラス１６５及び１６
６を回転軸１６５ａ及び１６６ａの周りに回転すること
によって、それら２組の光束のテレセントリック性を補
正する。これによって、例えばウエハ４の高さが或る程
度変化しても、正確に位置検出を行うことができる。

【０１５７】なお、本発明は露光装置用のセンサのみな
らず、広くヘテロダイン干渉型の位置検出装置に適用で
きるものである。このように、本発明は上述の実施の形
態に限定されず、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。

【０１５８】

【発明の効果】本発明の第１の位置検出装置によれば、
必要に応じて複数波長の光（白色光を含む）による光ビ
ート信号が得られるため、各波長の光ビート信号、即ち
複数の光ビート信号による平均化効果によって、各回折
格子状マークの非対称性による悪影響を抑えることがで
きる。しかも、多波長光（白色光）により被検面上の回
折格子状マークを照射したときには、フォトレジスト層
等の薄膜干渉の影響を解消しながら、ヘテロダイン干渉
法による高精度な位置検出が達成できる。

【０１５９】更に、多波長光（白色光）を使用した場合
でも、多波長光は２光束生成手段により入射方向に対し
て対称に分割された後、各光学系を光軸に対して対称、
且つ並列的に進行するため、分割光束間には光路長差が
原理的に発生しない。このため、分割光束間の波面が揃
っているため、高精度な位置合わせが可能となるばかり
か、調整容易でコンパクトな装置が実現できる。更に、
隣接して配置された２個の音響光学素子内にそれぞれ超
音波を供給するという簡単な構成で、ラマン−ナス回折
を利用する場合でも、ブラッグ回折を利用する場合で
も、ビートダウンされた低い周波数の光ビート信号を得
ることができる。

【０１６０】また、回折格子状マークに照射される光束
は、それぞれ２個の音響光学素子を通過する際に全体と
して１回だけ回折された光束であるため、光束の利用効
率が高いと共に、各音響光学素子内ではそれぞれ一方向
に超音波が供給されているため、高いＳＮ比の光ビート
信号を得ることができる。この場合、２個の音響光学素
子の間にリレー光学系が配置され、それら２個の音響光
学素子の超音波作用領域がそのリレー光学系に関して共
役であるときには、実質的にそれら２個の音響光学素子
の光軸方向の位置ずれが無くなるため、得られる光ビー
ト信号のコントラストが最大となる。しかも、その隣接
する２つの音響光学素子からの回折光の位置ずれが無く
なるため、光の利用効率も最大となる利点がある。

【０１６１】また、それら２個の音響光学素子の射出側
にリレー光学系が設けられ、このリレー光学系に関して
第１の音響光学素子の超音波作用領域と第２の音響光学
素子の超音波作用領域との光軸に沿った中点と共役な位
置に、それら複数組の互いに周波数の異なる２光束の周
辺のノイズ光を遮蔽する視野絞りが配置された場合に
は、位置検出とは関係のない光束が遮断されるため、得
られる光ビート信号のコントラスト（ＳＮ比）が更に改
善される。

【０１６２】次に、本発明の２光束生成手段内の２個の
音響光学素子を、一体及び個別に光軸の周りに回転自在
に設けたときには、それら２個の音響光学素子によって
生成される複数組の互いに周波数の異なる２光束によっ
て対応する回折格子状マーク上に形成される干渉縞の計
測方向のピッチが変化する。従って、それら干渉縞のピ
ッチ調整を行うことができる。

【０１６３】この場合、更に、それら２個の音響光学素
子によって発生する複数組の互いに周波数の異なる２光
束の内の１組の２光束を回転させるための像回転手段を
設けたときには、この像回転手段を用いて、例えばその
１組の２光束の分離方向を９０°回転させることによっ
て、例えば被検物上で直交するように配置された２個の
回折格子状マークの位置検出を同時に行うことができ
る。

【０１６４】また、本発明の第２の位置検出装置によれ
ば、２光束生成手段は、複数波長の光を含む光束又は単
一波長の光束を生成する光源手段と、それぞれ入射光束
から互いに周波数の異なる２光束を生成する第１及び第
２の音響光学素子とを備え、その光源手段からの光束を
それら２個の音響光学素子に通過させることによって生
成される少なくとも２組の互いに周波数の異なる２光束
を、その回折格子状マークに照射して得られる光電検出
器からの検出信号に基づいて、その回折格子状マークの
高さ変化、及び横ずれ量の少なくとも一方を検出してい
る。従って、ヘテロダイン干渉方式で光学系の調整が容
易で複数波長の光を使用できるという特徴が維持されて
いると共に、被検面の反射率むらや被検面からのノイズ
光の影響等が軽減され、機械的な駆動部を排除した上で
被検面の法線方向に垂直な方向の位置、又はその法線方
向の位置を高精度に検出できる利点がある。

【０１６５】この場合、検出手段は、その被検物上の異
なる３箇所に形成された３個の回折格子状マークに対し
て２光束生成手段と同一の２光束生成手段からの少なく
とも２組の互いに周波数の異なる２光束をそれぞれ照射
して得られる光電検出器からの検出信号に基づいて、そ
れら３個の回折格子状マークの高さ変化をそれぞれ検出
し、この検出結果に基づいてその被検物の傾斜角の補正
を行うレベリング手段が更に設けられたときには、オー
トレベリング方式でその被検物の傾斜角の補正を行うこ
とができる。

【０１６６】また、２光束生成手段からの少なくとも２
組の互いに周波数の異なる２光束が共通に対物光学系を
介して、各組の一方の光束がこの対物光学系の光軸と同
軸となり、且つ各組の他方の光束がこの対物光学系の光
軸に対して対称に傾斜してその回折格子状マークに照射
される場合には、２組の光束から得られる位置情報の差
演算、又は和演算のような簡単な演算で被検面の横ずれ
量、又は高さ変化を検出できる。

【０１６７】一方、２光束生成手段からの少なくとも２
組の互いに周波数の異なる２光束が共通に対物光学系を
介して、各組の一方の光束がこの対物光学系の光軸を含
むその回折格子状マークの非計測方向の面内にあって互
いに該光軸に対して反対側から照射され、且つ各組の他
方の光束がこの対物光学系の光軸を含むその回折格子状
マークの非計測方向の平面に対して互いに反対側からそ
の回折格子状マークに照射されるときには、２組の光束
が完全に分離されているため、得られる光ビート信号の
ＳＮ比が向上する。

【０１６８】また、光源手段からの光束をそれら２個の
音響光学素子を通過させることによって、少なくとも２
組の互いに周波数の異なる２光束を生成するために、そ
れら２個の音響光学素子はその光源手段からの光束の光
軸に沿って直列に、且つこの光軸を中心とする回転方向
に沿って互いに所定角度だけ傾いて配置されている場合
には、光学系の調整が容易で、光束の利用効率も高い利
点がある。

【０１６９】また、それら２個の音響光学素子の間には
リレー光学系が配置され、それら２個の音響光学素子の
超音波作用領域はそのリレー光学系に関して共役である
場合には、得られる干渉光のノイズ成分が減少して光ビ
ート信号のＳＮ比が向上すると共に、光量の利用効率も
向上する。一方、それら２個の音響光学素子の射出側に
はリレー光学系が設けられ、このリレー光学系に関して
第１の音響光学素子の超音波作用領域と第２の音響光学
素子の超音波作用領域との光軸に沿った中点と共役な位
置に、それら複数組の互いに周波数の異なる２光束の周
辺のノイズ光を遮蔽する視野絞りが配置されている場合
には、得られる干渉光のノイズ成分が減少して光ビート
信号のＳＮ比が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の第１の実施の形態
が適用された投影露光装置を示す概略構成図である。

【図２】第１の実施の形態で使用される各回折格子マー
クを示す拡大平面図である。

【図３】第１の実施の形態のアライメントセンサの光学
系内に設けられた各視野絞りを示す拡大平面図である。

【図４】図１内の２組の互いに異なる周波数の２光束を
生成する部分の構成を示す斜視図である。

【図５】図１における視野絞り５７の作用の説明に供す
る概念図である。

【図６】２つの音響光学素子間にリレーレンズ系を配置
した変形例を示す構成図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態が適用された投影露
光装置の概略を示す構成図である。

【図８】図７内の２組の互いに異なる周波数の２光束を
生成する部分の構成を示す斜視図である。

【図９】図８の２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂによる回折
光の状態を示す説明図である。

【図１０】光束分割手段をウォラストンプリズムで構成
した例を示す図である。

【図１１】互いに異なる波長の光を射出する複数の光源
と、ブレーズド型の反射型回折格子とによって光源手段
を構成した例を示す図である。

【図１２】像回転プリズムを用いて一方の２光束の分離
方向を回転する変形例の要部を示す斜視図である。

【図１３】図１２内の像回転プリズム６１の動作の説明
図である。

【図１４】（ａ）は計測方向が直交する２つの回折格子
マークの一例を示す平面図、（ｂ）は２次元の回折格子
マークの一例を示す平面図である。

【図１５】２組の互いに周波数の異なる２光束を回転す
る機構を備えた変形例の要部を示す斜視図である。

【図１６】本発明による位置検出装置の第３の実施の形
態が適用された投影露光装置の概略を示す構成図であ
る。

【図１７】図１６の多目的センサ７０の光学系の構成を
示す斜視図である。

【図１８】第３の実施の形態で使用される複数個の回折
格子マークの配置を示す拡大平面図である。

【図１９】第３の実施の形態における横ずれ量及び高さ
変化の検出原理の説明図である。

【図２０】（ａ）は第３の実施の形態の変形例を示す要
部の斜視図、（ｂ）は図２０（ａ）の回折格子マークを
示す拡大斜視図である。

【図２１】図１７内の２組の互いに異なる周波数の２光
束を生成する部分の構成を示す斜視図である。

【図２２】図１７における視野絞り１５７の作用の説明
に供する概念図である。

【図２３】２つの音響光学素子間にリレーレンズ系を配
置した変形例を示す構成図である。

【図２４】本発明の第４の実施の形態の多目的センサの
送光系の要部を示す斜視図である。

【図２５】図２４内の２組の互いに異なる周波数の２光
束を生成する部分の構成を示す斜視図である。

【図２６】図２４の２つのＡＯＭ１１７Ａ，１１７Ｂに
よる回折光の状態を示す説明図である。

【図２７】本発明の第５の実施の形態の多目的センサの
送光系の要部を示す斜視図である。

【図２８】図１７の送光系７１に回転機構を設けた変形
例を示す拡大斜視図である。

【符号の説明】

１レチクル３投影光学系４ウエハＲＭ，ＷＭ回折格子マーク１０白色光源１１可変絞り１２コンデンサーレンズ１３バンドパスフィルタ１４回折格子１７Ａ，１７Ｂ，１７Ａ’，１７Ｂ’ 音響光学素子
（ＡＯＭ）１８ａ，１８ｂレンズ１９空間フィルタ３８対物レンズ５７視野絞り５８平行平面板６１像回転プリズム７０多目的センサＷＭ１，ＷＭ２，ＷＭ３回折格子マーク７１送光系７６対物レンズ８１Ａ，８１Ｂ，１３１Ａ，１３Ｂ光電検出器８３位相検出系８４参照信号検出系１１０白色光源１１７Ａ，１１７Ｂ音響光学素子（ＡＯＭ）１１９空間フィルタ１５７視野絞り

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/30 ５２５Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに周波数の異なる２光束を生成する
２光束生成手段と、該２光束生成手段からの２光束を集
光して被検物上に形成された回折格子状マークに対して
所定の２方向から照射する対物光学系と、前記回折格子
状マークから発生する複数の回折光よりなる干渉光を検
出する光電検出器とを有し、該光電検出器の検出信号に
基づいて前記回折格子状マークの位置を検出する位置検
出装置において、前記２光束生成手段は、複数波長の光を含む光束又は単
一波長の光束を生成する光源手段と、それぞれ入射光束
から互いに周波数の異なる２光束を生成する第１及び第
２の音響光学素子とを備え、前記光源手段からの光束を前記２個の音響光学素子を通
過させることによって、少なくとも２組の互いに周波数
の異なる２光束を生成するために、前記２個の音響光学
素子は前記光源手段からの光束の光軸に沿って直列に、
且つ前記光軸を中心とする回転方向に沿って互いに所定
角度だけ傾いて配置され、前記２個の音響光学素子によって生成される複数組の互
いに周波数の異なる２光束を複数個の回折格子状マーク
に照射して、該複数個の回折格子状マークの位置を検出
することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置であって、前記２個の音響光学素子の間にはリレー光学系が配置さ
れ、前記２個の音響光学素子の超音波作用領域は前記リ
レー光学系に関して共役であることを特徴とする位置検
出装置。
【請求項３】請求項１記載の位置検出装置であって、前記２個の音響光学素子の射出側にはリレー光学系が設
けられ、該リレー光学系に関して前記第１の音響光学素
子の超音波作用領域と前記第２の音響光学素子の超音波
作用領域との前記光軸に沿った中点と共役な位置に、前
記複数組の互いに周波数の異なる２光束の周辺のノイズ
光を遮蔽する視野絞りが配置されることを特徴とする位
置検出装置。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載の位置検出装
置であって、前記２光束生成手段内の前記２個の音響光学素子は、一
体及び個別に前記光軸の周りに回転自在に設けられるこ
とを特徴とする位置検出装置。
【請求項５】請求項４記載の位置検出装置であって、前記２個の音響光学素子によって発生する複数組の互い
に周波数の異なる２光束の内の１組の２光束を回転させ
るための像回転手段を設けたことを特徴とする位置検出
装置。
【請求項６】互いに周波数の異なる２光束を生成する
２光束生成手段と、該２光束生成手段からの２光束を集
光して被検物上に形成された回折格子状マークに対して
所定の２方向から照射する対物光学系と、前記回折格子
状マークから発生する複数の回折光よりなる干渉光を検
出する光電検出器とを有し、該光電検出器の検出信号に
基づいて前記回折格子状マークの位置を検出する位置検
出装置において、前記２光束生成手段は、複数波長の光を含む光束又は単
一波長の光束を生成する光源手段と、それぞれ入射光束
から互いに周波数の異なる２光束を生成する第１及び第
２の音響光学素子とを備え、前記光源手段からの光束を前記２個の音響光学素子に通
過させることによって生成される少なくとも２組の互い
に周波数の異なる２光束を、前記回折格子状マークに照
射して得られる前記光電検出器からの検出信号に基づい
て、前記回折格子状マークの高さ変化、及び横ずれ量の
少なくとも一方を検出する検出手段が設けられたことを
特徴とする位置検出装置。
【請求項７】請求項６記載の位置検出装置であって、前記検出手段は、前記被検物上の異なる３箇所に形成された３個の回折格
子状マークに対して前記２光束生成手段と同一の２光束
生成手段からの少なくとも２組の互いに周波数の異なる
２光束をそれぞれ照射して得られる前記光電検出器から
の検出信号に基づいて、前記３個の回折格子状マークの
高さ変化をそれぞれ検出し、該検出結果に基づいて前記被検物の傾斜角の補正を行う
レベリング手段が更に設けられたことを特徴とする位置
検出装置。
【請求項８】請求項６記載の位置検出装置であって、前記２光束生成手段からの少なくとも２組の互いに周波
数の異なる２光束が共通に前記対物光学系を介して、各
組の一方の光束が該対物光学系の光軸と同軸となり、且
つ各組の他方の光束が該対物光学系の光軸に対して対称
に傾斜して前記回折格子状マークに照射されることを特
徴とする位置検出装置。
【請求項９】請求項６記載の位置検出装置であって、前記２光束生成手段からの少なくとも２組の互いに周波
数の異なる２光束が共通に前記対物光学系を介して、各
組の一方の光束が該対物光学系の光軸を含む前記回折格
子状マークの非計測方向の面内にあって互いに該光軸に
対して反対側から傾斜して照射され、且つ各組の他方の
光束が該対物光学系の光軸を含む前記回折格子状マーク
の非計測方向の平面に対して互いに反対側から前記回折
格子状マークに照射されることを特徴とする位置検出装
置。
【請求項１０】請求項６〜９の何れか一項記載の位置
検出装置であって、前記光源手段からの光束を前記２個の音響光学素子を通
過させることによって、少なくとも２組の互いに周波数
の異なる２光束を生成するために、前記２個の音響光学
素子は前記光源手段からの光束の光軸に沿って直列に、
且つ該光軸を中心とする回転方向に沿って互いに所定角
度だけ傾いて配置されていることを特徴とする位置検出
装置。
【請求項１１】請求項６〜１０の何れか一項記載の位
置検出装置であって、前記２個の音響光学素子の間にはリレー光学系が配置さ
れ、前記２個の音響光学素子の超音波作用領域は前記リ
レー光学系に関して共役であることを特徴とする位置検
出装置。
【請求項１２】請求項６〜１０の何れか一項記載の位
置検出装置であって、前記２個の音響光学素子の射出側にはリレー光学系が設
けられ、該リレー光学系に関して前記第１の音響光学素
子の超音波作用領域と前記第２の音響光学素子の超音波
作用領域との前記光軸に沿った中点と共役な位置に、前
記複数組の互いに周波数の異なる２光束の周辺のノイズ
光を遮蔽する視野絞りが配置されていることを特徴とす
る位置検出装置。