JPH10284370A

JPH10284370A - 焦点位置検出装置及び該装置を備えた投影露光装置

Info

Publication number: JPH10284370A
Application number: JP9085139A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】簡素化された構成で露光光とほぼ同じ照明条
件のもとで高精度に、投影光学系の像面に対する被検面
の焦点ずれ量を検出する。【解決手段】コンデンサレンズ１２から射出される露
光光ＩＬを光路変位プリズム３５を介してビームスプリ
ッタ３８に導き、ビームスプリッタ３８を透過した露光
光でレチクルＲ上のフォーカス検出マーク３３を照明
し、更に投影光学系ＰＬを介して基準部材３０上のフォ
ーカス検出マーク３１を照明する。フォーカス検出マー
ク３１，３３からの光束をビームスプリッタ３８、対物
光学系３９を介して像位置検出系４０で撮像し、両マー
ク像の結像位置から基準部材３０の表面のデフォーカス
量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、撮像素子（ＣＣＤ等）、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中
で、マスクパターンを感光性基板上に転写するために使
用される投影露光装置の合焦機構に使用して好適な焦点
位置検出装置、及びこの焦点位置検出装置を備えた投影
露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスクとしてのレチクルのパターンを投
影光学系を介して、感光性基板としてのウエハ上の各シ
ョット領域に転写するステッパー等の投影露光装置で
は、ウエハの表面を投影光学系の像面に対して焦点深度
の幅内に収めて露光を行う必要がある。そのため従来よ
り、ウエハの表面の高さ（フォーカス位置）を検出する
焦点位置検出系（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）と、こ
の検出結果に応じてそのウエハの高さを調整するＺステ
ージ等とからなる合焦機構が備えられている。近年の投
影露光装置は、解像度を高めるために投影光学系の開口
数が高くなり、露光波長も短くなっており、投影光学系
の焦点深度はかなり狭くなっているため、ＡＦセンサの
検出精度に対する要求も厳しくなっている。

【０００３】従来のＡＦセンサとしては、例えば投影光
学系の側面からウエハの表面に斜めにスリット像を投影
し、そのウエハからの反射光を集光してそのスリット像
を再結像し、このように再結像された像の横ずれ量から
そのウエハの表面のフォーカス位置を検出する斜入射方
式のＡＦセンサが知られている（例えば特開昭６０−１
０１５４０号公報参照）。このＡＦセンサはウエハの表
面の像面からのデフォーカス量を間接的に検出するもの
であるため、次のようにキャリブレーションを行うため
の焦点位置検出装置が提案されている。

【０００４】（イ）ステージ発光方式このステージ発光方式の焦点位置検出装置は、ウエハス
テージ側から所定の開口パターンの像を投影光学系を介
してレチクル側に投影し、レチクルからの反射光を投影
光学系及びその開口パターンを介して受光することによ
って、投影光学系の像面を検出している。

【０００５】（ロ）ＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方
式このＴＴＲ方式の焦点位置検出装置は、その特開昭６０
−１０１５４０号公報でも開示されているように、露光
波長の照明光のもとでレチクルに形成された評価用パタ
ーンを投影光学系を介してウエハ上に投影し、そのウエ
ハからの反射光を投影光学系を介してレチクルに逆投影
し、これによって再結像される像とその評価用パターン
からの直接の反射光によって得られる像との比較より像
面を検出している。

【０００６】また、ＡＦセンサのキャリブレーション用
ではなく、投影光学系を介して直接ウエハの表面のデフ
ォーカス量を検出するための焦点位置検出装置として、
特開平２−２９２８１３号公報では次のような焦点位置
検出装置が開示されている。（ハ）光束分離ＴＴＲ方式この方式は、基本的にはＴＴＲ方式で投影光学系の像面
からのデフォーカス量を検出するものであるが、レチク
ル上の評価用マークから直接反射される光束と投影光学
系を往復してレチクル側に戻される光束とを分離するた
めに、投影光学系の瞳面に１／４波長板を設置し、且つ
別の位置で１／４波長板の出し入れを行っている。ま
た、この方式では検出光として、露光用の照明光学系と
は別に設けられたレーザ光源からのレーザビームを使用
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の焦点
位置検出装置の内で、（イ）のステージ発光方式では、
ウエハステージ側から露光波長の照明光で所定の開口パ
ターンを照明しているため、その開口パターンの照明条
件は通常の露光用の照明光学系の照明条件と異なること
がある。特に、露光光のコヒーレンスファクタ（σ値）
を変化させる場合、又は輪帯照明や変形照明等を行う場
合には、投影光学系の像面位置が微妙に変化する可能性
があり、ステージ発光方式では必ずしも要求されている
精度で像面位置を検出できない可能性がある。これを避
けるために、ステージ内部の照明系の照明条件を可変に
することも考えられるが、これでは装置の複雑化を招く
と共に、正確に同じ照明条件にすることは困難である。
更に、投影パターンが投影光学系を往復するので収差の
影響を二重に受けてしまい、投影光学系を一度通過する
場合の像面位置を必ずしも正確に検出できないことがあ
るという不都合もあった。

【０００８】また、（ロ）のＴＴＲ方式でも、同じく投
影パターンが投影光学系を往復するため、投影光学系の
収差の影響を二重に受けるという不都合があった。同様
に、（ハ）の光束分離ＴＴＲ方式でも、投影光学系を往
復する光束を使用して像面を検出しているため、投影光
学系の収差の影響を二重に受けてしまう。更にこの方式
では、光束を分離するために複数の１／４波長板を一部
は出し入れ自在に設置する必要があるため、装置構成が
複雑化する恐れもあった。

【０００９】本発明は斯かる点に鑑み、簡素化された構
成で露光光とほぼ同じ照明条件のもとで高精度に、投影
光学系の像面に対する被検面の焦点ずれ量を検出できる
焦点位置検出装置を提供することを目的とする。更に本
発明は、そのような焦点位置検出装置を備えた投影露光
装置を提供することをも目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点位置検
出装置は、転写用パターンの形成されたマスク（Ｒ）を
露光光で照明する照明光学系（１〜１２）と、その露光
光のもとでマスク（Ｒ）のパターン像を感光性基板
（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、感光性基板
（Ｗ）を位置決めする基板ステージ（１９，２０Ａ〜２
０Ｃ，２１）と、を有する投影露光装置に備えられ、投
影光学系（ＰＬ）の像面に対する焦点ずれ量を検出する
ための焦点位置検出装置において、その照明光学系から
の露光光でマスク（Ｒ）上の所定の第１の評価用パター
ン（３３）、及びその基板ステージ上の所定の第２の評
価用パターン（３１）を照明したときに、それら２つの
評価用パターンの一方（３３）からの反射光を直接集光
すると共に、それら２つの評価用パターンの他方（３
１）からの反射光を投影光学系（ＰＬ）を介して集光し
てそれら第１及び第２の評価用パターンの像を形成する
観察光学系（３９）と、この観察光学系によって形成さ
れるそれら２つの評価用パターンの像の位置を検出する
像位置検出系（４０）と、この像位置検出系の検出結果
に基づいて投影光学系（ＰＬ）の像面に対する第２の評
価用パターン（３１）の形成面の焦点ずれ量を算出する
演算系（１４）と、を有するものである。

【００１１】斯かる本発明によれば、焦点検出用の照明
光として露光時にマスク上に照射される露光光の一部が
使用される。そして、例えばマスク（Ｒ）側で検出を行
う場合には、マスク（Ｒ）上の第１の評価用パターン
（３３）からの反射光を観察光学系（３９）で集光して
その第１の評価用パターン（３３）の像を形成するのと
並行して、その基板ステージ上の第２の評価用パターン
（３１）からの反射光を投影光学系（ＰＬ）及びマスク
（Ｒ）を介して観察光学系（３９）で集光してその第２
の評価用パターン（３１）の像を形成する。この際に、
例えばそれら２つの評価用パターンの位置を横方向にず
らすと共に、その基板ステージ上でその第１の評価用パ
ターンと共役な領域での反射率を低くしておく等によっ
て、観察光学系（３９）の結像面で両パターンからの結
像光束が互いに混じり合わないようにしておく。又は、
その基板ステージ上の第２の評価用パターンの形成面を
マスク（Ｒ）に対する像面からフォーカス方向にずらし
ておいてもよい。

【００１２】そして、第２の評価用パターン（３１）の
結像位置（フォーカス方向、又はこれに垂直な方向の位
置）よりその基板ステージ側のその第２の評価用パター
ンの形成面の位置を検出し、第１の評価用パターン（３
３）の結像位置よりマスク（Ｒ）のパターン面の位置を
検出し、これら２つの面位置よりその第２の評価用パタ
ーンの形成面のデフォーカス量を求める。この際に、そ
の第２の評価用パターン（３１）からの反射光は、投影
光学系（ＰＬ）を片道しか通らないため、露光時の結像
条件と同様な収差の影響を受けてデフォーカス量の検出
精度が増す。

【００１３】この場合、一例としてその像位置検出系
は、観察光学系（３９）によって形成される２つの評価
用パターン（３３，３１）の像の観察光学系（３９）の
光軸方向の位置を個別に検出し、その演算系は、それら
個別に検出される２つの光軸方向の位置の差分よりその
焦点ずれ量を算出するものである。この場合、例えば図
７に示すように、観察光学系（３９）に対して合焦用の
可動の補正レンズ（４５，４６）が付加され、その補正
レンズを光軸方向に動かしたときに最もコントラストの
良い像が形成されるときのその補正レンズの位置ｚを、
それぞれ対応する評価用パターンの像の位置とみなすこ
とができる。

【００１４】また、別の例としてその像位置検出系は、
観察光学系（３９）からの結像光束を実質的にこの観察
光学系の光軸に関して対称な２つの光束に分割しこのよ
うに分割した２つの光束を互いに異なる方向に導く光束
分岐光学系（４１）と、この光束分岐光学系からの２つ
の光束によってそれぞれ形成されるそれら２つの評価用
パターンの像を撮像する撮像素子（４２）と、を含み、
その演算系は、その撮像素子を介して検出される２組の
２つの評価用パターンの像の間隔よりその焦点ずれ量を
算出するものである。この場合、例えば図３に示すよう
に、撮像素子（４２）の撮像面に第１の評価用パターン
の像（３３Ａ，３３Ｂ）、及び第２の評価用パターンの
像（３１Ａ，３１Ｂ）が形成され、基板ステージの第２
の評価用パターンの形成面の位置がフォーカス方向に変
化すると、第２の評価用パターンの像（３１Ａ，３１
Ｂ）の位置は横ずれする。従って、各評価用パターンの
像の間隔より対応する面位置が検出できる。

【００１５】また、本発明による第２の焦点位置検出装
置は、その第１の焦点位置検出装置と同じ前提部のもと
で、その照明光学系からの露光光でマスク（Ｒ）上の所
定の第１の評価用パターン（３３）、及びその基板ステ
ージ上の所定の第２の評価用パターン（３１）を照明し
たときに、それら２つの評価用パターンの一方（３３）
からの反射光を直接集光すると共に、それら２つの評価
用パターンの他方（３１）からの反射光を投影光学系
（ＰＬ）を介して集光してそれら第１及び第２の評価用
パターンの像を形成する観察光学系（３９）と、この観
察光学系からの結像光束のテレセントリック性を崩す光
学部材（４１）と、この光学部材からの光束によって形
成されるそれら２つの評価用パターンの像の位置を検出
する像位置検出系（４２）と、その照明光学系の照明条
件、又はそのマスク上のパターンの種類に応じて予め像
位置検出系（４２）によって検出される像の位置とその
像面に対する焦点ずれ量との関係を記憶しておく記憶手
段（１４ａ）と、像位置検出系（４２）の検出結果及び
記憶手段（１４ａ）で記憶されている関係に基づいて投
影光学系（ＰＬ）の像面に対するその第２の評価用パタ
ーンの形成面の焦点ずれ量を算出する演算系（１４）
と、を有するものである。

【００１６】この場合、そのテレセントリック性を崩す
光学部材（４１）によって、マスク（Ｒ）のフォーカス
方向の位置、又はその基板ステージのフォーカス方向の
位置が変化すると、対応する評価用パターン（３３，３
１）の像の位置が横シフトする。従って、予めそれらの
像の位置とその焦点ずれ量との関係を記憶しておくこと
によって、それらの像の位置のみから焦点ずれ量を求め
ることができる。

【００１７】また、本発明による投影露光装置は、上述
の本発明の焦点位置検出装置と、転写用パターン及び第
１の評価用パターン（３３）の形成されたマスク（Ｒ）
を露光光で照明する照明光学系（１〜１２）と、その露
光光のもとでマスク（Ｒ）のパターン像を感光性基板
（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その感光性
基板を位置決めすると共に第２の評価用パターン（３
１）の形成された基板ステージ（１９，２０Ａ〜２０
Ｃ，２１）と、この基板ステージ上の感光性基板（Ｗ）
の表面に斜めに光束を照射しこの表面からの反射光を受
光してこの表面の高さを検出する斜入射方式の焦点位置
検出系（２４，２５）と、を備えた投影露光装置であっ
て、その焦点位置検出装置を介して投影光学系（ＰＬ）
の像面に対する第２の評価用パターン（３１）の形成面
の焦点ずれ量を検出する際に、斜入射方式の焦点位置検
出系（２４，２５）を介してその第２の評価用パターン
の形成面の高さを検出して、それら２つの検出結果の差
分をオフセットとして所定の記憶手段（１４ａ）に記憶
し、露光時に斜入射方式の焦点位置検出系（２４，２
５）による検出結果及びその記憶手段に記憶されている
オフセットに基づいて感光性基板（Ｗ）の合焦を行うも
のである。

【００１８】斯かる本発明によれば、露光時には斜入射
方式の焦点位置検出系（２４，２５）による検出結果に
基づいてオートフォーカス方式で合焦を行う。ところ
が、斜入射方式では、露光用の照明光学系の照明条件が
輪帯照明等に切り換わった場合等に、像面の変化に対応
できない。そこで、このような場合には露光光の一部を
利用して本発明の焦点位置検出装置を用いて焦点ずれ量
を検出することによって、斜入射方式の焦点位置検出系
のキャリブレーションを行う。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
につき図１〜図６を参照して説明する。本例は、レチク
ル及びウエハを投影光学系に対して同期走査することに
より、レチクルのパターン像をウエハ上の各ショット領
域に逐次転写するステップ・アンド・スキャン方式の投
影露光装置に備えられた焦点位置検出装置に本発明を適
用したものである。

【００２０】図１は本例の投影露光装置の概略構成を示
し、この図１において、ＫｒＦエキシマレーザ光源（発
振波長２４８ｎｍ）、又はＡｒＦエキシマレーザ光源
（発振波長１９３ｎｍ）等の露光光源１から射出された
レーザ光よりなる露光光ＩＬは、ミラー２及びビーム整
形光学系３等を介して、照度分布均一化用のフライアイ
レンズ４に入射する。フライアイレンズ４の射出面に開
口絞り板５が回転自在に配置され、開口絞り板５の周縁
部に円形開口よりなる通常の開口絞り、小さい円形開口
よりなる小σ値（コヒーレンスファクタ）用の開口絞
り、輪帯絞り、及び例えば４個の小さい円形開口を軸対
称に配置してなる変形照明用の開口絞り等の種々の開口
絞り（σ絞り）が配置され、コンピュータよりなり装置
全体の動作を統轄制御する主制御装置１４の指令のもと
で、回転モータ６を介して開口絞り板５を回転すること
によって、フライアイレンズ４の射出面に所望の開口絞
りを設置できるように構成されている。

【００２１】フライアイレンズ４の射出面の開口絞りを
通過した露光光ＩＬは、露光時には第１リレーレンズ
７、可変視野絞り（レチクルブラインド）８、第２リレ
ーレンズ１０、光路折り曲げ用のミラー１１、及びコン
デンサレンズ１２を経てレチクルＲのパターン面（下
面）の矩形の照明領域１３を均一な照度分布で照明す
る。以上の露光光源１〜コンデンサレンズ１２より露光
用の照明光学系が構成されている。可変視野絞り８の配
置面はそのパターン面と共役であり、主制御装置１４が
駆動装置９を介して可変視野絞り８の開口の形状を制御
することよって、照明領域１３の形状が規定される。な
お、露光光ＩＬとしては、エキシマレーザ光の他に、金
属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波、又は水銀ランプ
の輝線（波長３６５ｎｍのｉ線等）等を使用することも
できる。

【００２２】露光時には、露光光ＩＬのもとでレチクル
Ｒ上の照明領域１３内のパターンの像が、両側（又はウ
エハ側に片側）テレセントリックな投影光学系ＰＬを介
して投影倍率β（βは例えば１／４，１／５等）で、フ
ォトレジストが塗布されたウエハＷ上の矩形の露光領域
に投影露光される。以下では、投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘ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。

【００２３】本例では、レチクルＲはレチクルステージ
１５上に保持され、レチクルステージ１５は、レチクル
ベース１６上で光軸ＡＸに垂直な平面内で２次元的にレ
チクルＲの位置決めを行うと共に、Ｙ方向（走査方向）
にレチクルＲを所定速度で走査できるように構成されて
いる。レチクルステージ１５上の移動鏡１７ｍ、及びレ
ーザ干渉計１７によって計測されるレチクルステージ１
５の２次元座標が、主制御装置１４に供給され、主制御
装置１４は供給された座標に基づいてリニアモータ等の
駆動部を介してレチクルステージ１５の位置、及び速度
を制御する。

【００２４】一方、ウエハＷは、ウエハホルダ（不図
示）を介してＺレベリングステージ１９上に保持され、
Ｚレベリングステージ１９は３個のＺ方向に突没自在の
支点２０Ａ〜２０Ｃを介してＸＹステージ２１上に載置
されている。３個の支点２０Ａ〜２０Ｃを並行に突没す
ることによってウエハＷのフォーカス位置（光軸ＡＸ方
向の位置）を制御できると共に、３個の支点２０Ａ〜２
０Ｃを独立に移動することによってウエハＷの傾斜角を
制御できる。また、ＸＹハステージ２１は、Ｘ方向及び
Ｙ方向にウエハＷの位置決めを行うと共に、Ｙ方向にウ
エハＷを一定速度で走査できるように構成されている。
Ｚレベリングステージ１９上の移動鏡２２ｍ、及び外部
のレーザ干渉計２２によって計測されるＺレベリングス
テージ１９の２次元座標が主制御装置１４に供給され、
主制御装置１４は駆動モータ等の駆動部２３を介してＸ
Ｙステージ２１の動作を制御すると共に、支点２０Ａ〜
２０Ｃの移動量も制御する。主制御装置１４には、種々
のデータ等を格納するための磁気ディスク装置等の記憶
装置１４ａも接続されている。

【００２５】Ｚレベリングステージ１９、支点２０Ａ〜
２０Ｃ、及びＸＹステージ２１よりウエハステージが構
成されている。走査露光時には、レチクルステージ１５
を介してレチクルＲが＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度
Ｖ_Rで走査されるのに同期して、ウエハ側のＸＹステー
ジ２１を介してウエハＷ上の１つのショット領域が速度
β・Ｖ_R(βは投影倍率）で−Ｙ方向（又は＋Ｙ方向）に
走査される。

【００２６】また、本例の投影露光装置には、露光光の
照射熱の影響、環境温度の変化、又は大気圧の変化等に
依る投影光学系ＰＬの結像特性を補正するためのレンズ
コントローラ２６が備えられている。このレンズコント
ローラ２６は、主制御装置１４からの指令のもとで配管
２６ａを介して、投影光学系ＰＬ内の所定のレンズ間の
密閉空間内の気体圧力を制御する装置であり、その気体
圧力を制御することによって焦点位置や投影倍率等を所
定範囲内で制御できるように構成されている。

【００２７】更に、投影光学系ＰＬの側面部には、ウエ
ハＷの表面にスリット像（又はスポット像等）を形成す
るための検出光ＡＬを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに斜め
に照射する照射光学系２４と、そのスリット像からの反
射光を受光して例えば振動スリット上にそのスリット像
を再結像し、その振動スリットを通過した検出光を受光
する受光光学系２５とからなる、斜入射方式のＡＦセン
サ（焦点位置検出系）２４，２５が配置されている。受
光光学系２５からは、所定範囲内でウエハＷのフォーカ
ス位置の変化に応じてレベルがほぼ線形に変化するフォ
ーカス信号が主制御装置１４に供給され、予めウエハＷ
の表面が投影光学系ＰＬの像面に合致しているときにそ
のフォーカス信号が０となるようにキャリブレーション
が行われている。そして、露光時にはそのフォーカス信
号が０となるように支点２０Ａ〜２０Ｃの移動量を制御
することによって、オートフォーカス方式で合焦が行わ
れる。この場合、ＡＦセンサ２４，２５の検出光ＡＬと
しては、ウエハＷ上のフォトレジストに対する感光性の
弱い波長域の照明光が使用されるため、感光の恐れなく
連続的にオートフォーカスを行うことができる。

【００２８】ところが、その斜入射方式のＡＦセンサ２
４，２５は投影光学系ＰＬに関するレチクルＲのパター
ン面の共役面（像面）を直接検出するものではないた
め、例えば露光用の照明光学系を輪帯照明に切り換えた
ような場合にその像面位置が微妙に変化しても、その変
化に対応することができない。そこで、本例では必要に
応じて実際の露光光ＩＬのもとでの像面からのデフォー
カス量を検出し、その像面位置でＡＦセンサ２４，２５
からのフォーカス信号が０になるようにキャリブレーシ
ョンを行うための焦点位置検出装置が備えられている。
先ず、Ｚレベリングステージ１９上のウエハＷの近傍に
は、ウエハＷの表面と同じ高さで平坦度の良好な表面
（以下、「基準面３０ａ」と呼ぶ）を有する基準部材３
０が固定され、基準部材３０の基準面３０ａにフォーカ
ス検出マーク３１が形成されている。本例ではＡＦセン
サ２４，２５のキャリブレーションを行うのに露光光を
使用するが、この際にフォトレジストを感光させないよ
うに基準面３０ａが使用される。また、レチクルＲのパ
ターン面のパターン領域の近傍にもフォーカス検出マー
ク３３が形成されている。

【００２９】図２（ａ）はレチクルＲ上のフォーカス検
出マークを示し、この図２（ａ）において、レチクルＲ
のパターン領域ＰＡの＋Ｘ方向の外側に露光光を透過す
る矩形の窓部３２が形成され、この窓部３２に＋Ｘ方向
に近接して、Ｘ方向に所定ピッチで光透過部と４本の光
反射部とを配列してなるライン・アンド・スペースパタ
ーンよりなるフォーカス検出マーク３３が形成されてい
る。窓部３２及びフォーカス検出マーク３３は、露光用
の照明光学系による露光光ＩＬの有効照明領域に対して
＋Ｘ方向に外れた領域に形成されている。また、少なく
ともその窓部３２は、図１の投影光学系ＰＬによってウ
エハＷ上に投影できる最大の領域（有効視野）内に収ま
っている。なお、フォーカス検出マーク３３をパターン
領域内部に複数個形成してもよい。

【００３０】図２（ｂ）は、基準部材３０上のフォーカ
ス検出マークを示し、この図２（ｂ）において、基準部
材３０の基準面３０ａ上に低反射率の遮光膜を背景とし
て、Ｘ方向に所定ピッチで５本の高反射率のパターンを
配列したライン・アンド・スペースパターンよりフォー
カス検出マーク３１が形成されている。その低反射率の
遮光膜は例えば酸化クロム膜よりなり、高反射率のフォ
ーカス検出マーク３１は、例えばアルミニウム膜、通常
のクロム膜、又は光反射多層膜より形成されている。従
って、その基準面３０ａを露光光で落射照明すると、フ
ォーカス検出マーク３１のみが明るく観察され、レチク
ルＲのフォーカス検出マーク３３の像は殆ど反射されな
い。また、フォーカス検出マーク３１を投影光学系ＰＬ
を介してレチクルＲ側に投影して得られる像のピッチ
は、レチクルＲ上のフォーカス検出マーク３３のピッチ
とほぼ同じであり、且つその像の大きさは窓部３２より
小さくなるように設定されている。この際に、レチクル
Ｒ側の評価用パターン３３は４本のパターンであり、ウ
エハステージ側の評価用パターン３１は５本のパターン
であるため、それらの像は明確に識別できる。

【００３１】また、不図示であるが、図１のＺレベリン
グステージ１９の表面には種々のアライメントセンサ用
の基準マークが形成された基準マーク部材も固定されて
いる。なお、これらの基準マークを基準部材３０の表面
に形成しても良い。図１において、レチクルＲの窓部３
２及びフォーカス検出マーク３３の上方にＴＴＲ方式の
焦点位置検出装置３４が配置されている。この焦点位置
検出装置３４は、レチクルＲの上方で光軸ＡＸに対して
４５°で傾斜して外側を向くように配置されたビームス
プリッタ３８と、このビームスプリッタ３８からの光束
を集光する対物光学系３９と、この対物光学系３９で形
成された像の位置を検出する像位置検出系４０とから構
成されている。

【００３２】また、ＡＦセンサ２４，２５のキャリブレ
ーション時に露光光ＩＬの一部を焦点位置検出装置３４
用の照明光とするために、Ｙ方向から見た形状が菱型の
光路変位プリズム３５が配置されている。光路変位プリ
ズム３５は支持アーム３６を介してスライダ３７にＸ方
向に出し入れ自在に取り付けられている。そして、露光
時には支持アーム３６をスライダ３７内に引き込むこと
で、光路変位プリズム３５を露光光ＩＬの光路から退避
でき、キャリブレーション時には支持アーム３６をスラ
イダ３７から引き出すことで光路変位プリズム３５の入
射面を露光光ＩＬの光路に設置できるように構成されて
いる。

【００３３】図１に示すように、ＡＦセンサ２４，２５
のキャリブレーションを行うために、光路変位プリズム
３５の入射面を露光光ＩＬの光路中に設置した状態で
は、ＸＹステージ２１を駆動することによって、基準部
材３０上の評価用パターン３１は、ほぼレチクルＲの窓
部３２と共役な位置に移動している。そして、コンデン
サレンズ１２から射出された露光光ＩＬの一部は光路変
位プリズム３５の入射面に入射する。このように光路変
位プリズム３５に入射した露光光は、光路変位プリズム
３５内部の対向する傾斜面で２回全反射された後、光路
変位プリズム３５の底面から射出されてビームスプリッ
タ３８に向かう。ビームスプリッタ３８を透過した露光
光の一部はレチクルＲのフォーカス検出マーク３３を照
明し、残りの露光光はレチクルＲの窓部３２を通過した
後、投影光学系ＰＬを介して基準部材３０上のフォーカ
ス検出マーク３１を照明する。

【００３４】このフォーカス検出マーク３１で反射され
た露光光は、再び投影光学系ＰＬを経てレチクルＲの窓
部３２にそのフォーカス検出マーク３１の像を形成す
る。この際に、基準部材３０の基準面３０ａ上ではフォ
ーカス検出マーク３１以外の反射率は低く、レチクルＲ
側のフォーカス検出マーク３３に基準面１０ａからの反
射光が混入することは殆どないため、純粋にレチクルＲ
のみの面位置検出が可能である。即ち、その窓部３２に
戻された露光光、及びフォーカス検出マーク３３で直接
反射された露光光はビームスプリッタ３８に向かい、ビ
ームスプリッタ３８で反射された露光光は対物光学系３
９を経て像位置検出系４０に入射する。

【００３５】図３は、本例の像位置検出系４０の構成例
を示し、この図３において、像位置検出系４０は、対物
光学系３９の光軸ＡＸ１に沿って配置されたダハプリズ
ム４１、及び２次元ＣＣＤ等の撮像素子４２より構成さ
れている。ダハプリズム４１は、投影光学系３９の入射
瞳と共役な位置に配置された所謂瞳分割用のプリズムで
あり、撮像素子４２の撮像面はほぼ対物光学系３９に関
してレチクルＲのパターン面と共役な面に配置されてい
る。なお、図１のビームスプリッタ３８は図３では省略
されている。図１の窓部３２に形成されるフォーカス検
出マーク３１の像を３１Ｒとすると、図３において、そ
の像３１Ｒ及びレチクルＲ上のフォーカス検出マーク３
３からの光束は、対物光学系３９を経てダハプリズム４
１によって光軸ＡＸ１を中心として上下方向に２分割さ
れ、分割された２光束がそれぞれ撮像素子４２の撮像面
にフォーカス検出マーク３１の像３１Ａ，３１Ｂ及びフ
ォーカス検出マーク３３の像３３Ａ，３３Ｂを形成す
る。

【００３６】この場合、ダハプリズム４１によって結像
光束のテレセントリック性が崩れているため、例えばフ
ォーカス検出マーク３１（像３１Ｒ）の位置が矢印４３
で示すように光軸ＡＸ１方向に移動すると、対応するマ
ーク像３１Ａ及び３１Ｂの光量分布の重心位置は、それ
ぞれ矢印４４Ａ及び４４Ｂで示すように反対方向に移動
する。フォーカス検出マーク３３についても同様であ
り、両マークのフォーカス位置がずれると、それぞれ２
分割された光束による２組の像の相対間隔が変化するこ
とになる。これは所謂瞳分割横ずれ方式のフォーカスセ
ンサが構成されたことを意味する。撮像素子４２の撮像
信号ＩＡは図１の主制御装置１４内の画像処理部に供給
され、この画像処理部ではその撮像信号を処理してフォ
ーカス検出マーク３１，３３の２組の像の相対間隔を求
め、これらの相対間隔より基準部材３０の基準面３０ａ
の像面からのデフォーカス量を求める。

【００３７】なお、ダハプリズム４１が無い状態では撮
像素子４２上にはフォーカス検出マーク３１及び３３の
像（３１Ｃ，３３Ｃとする）が１組形成され、撮像信号
４２から出力される撮像信号ＩＡは図４で示すように２
つの正弦波信号を含むのみとなる。しかも、例えば基準
面３０ａの位置がずれてもそれらの像の位置（重心位
置）は変化しないため、焦点ずれ量の検出はできない。

【００３８】次に、本例において焦点位置検出装置３４
を用いてＡＦセンサ２４，２５のキャリブレーションを
行う場合の動作の一例につき詳細に説明する。この場
合、図１において、レチクルＲの窓部３２とほぼ共役な
位置に基準部材３０上のフォーカス検出マーク３１が移
動して固定され、光路変位プリズム３５の入射面が露光
光ＩＬの光路中に設置され、焦点位置検出装置３４でフ
ォーカス検出マーク３１及び３３の像を撮像する。この
動作と並行して、ＡＦセンサ２４，２５でも基準面３０
ａのフォーカス位置を検出する。

【００３９】この場合、上述のように、図３に示す像位
置検出系４０内にはダハプリズム４１が設けられている
ため、撮像素子４２上にはウエハステージ側のフォーカ
ス検出マーク３１の２つのマーク像３１Ａ，３１Ｂ及び
レチクルＲ側のフォーカス検出マーク３３の２つのマー
ク像３３Ａ，３３Ｂが形成され、撮像素子４２から主制
御装置１４内の画像処理部に対して、それらの像の光強
度分布に応じた撮像信号ＩＡが出力される。ここで、ダ
ハプリズム４１によって結像光束が分割される方向をｘ
方向とする。

【００４０】図５は、撮像素子４２から出力される撮像
信号ＩＡを示し、図５において横軸は撮像素子４２上の
ｘ方向の位置、縦軸はそのｘ方向の位置での撮像信号Ｉ
Ａのレベルを示す。本例のフォーカス検出マーク３１は
５本のマークであり、フォーカス検出マーク３３は４本
のマークであるため、撮像信号ＩＡが５周期の正弦波状
の信号であるか、又は４周期の正弦波状の信号であるか
によってマーク像３１Ａ，３１Ｂ、又はマーク像３３
Ａ，３３Ｂであるかが識別される。そこで、主制御装置
１４内の画像処理部では例えばその撮像信号ＩＡ中で正
弦波状になっている複数の部分を抽出し、各部分の波の
数を数えると共に、各部分でフーリエ変換（離散フーリ
エ変換）を行って各部分内の正弦波の中心のｘ方向の位
置を正確に算出する。そして、画像処理部ではウエハス
テージ側のマーク像３１Ａ，３１Ｂ同士の中心のｘ方向
の間隔Ｌ₂、及びレチクルＲ側のマーク像３３Ａ，３３
Ｂ同士の中心のｘ方向の間隔Ｌ₁をそれぞれ算出し、算
出結果を主制御装置１４内の演算制御部に供給する。

【００４１】それらの間隔Ｌ₁,Ｌ₂はそれぞれレチクル
Ｒのパターン面の光軸ＡＸ方向の位置、及び基準部材３
０の基準面３０ａの光軸ＡＸ方向の位置に応じて変化す
る。そこで、演算制御部はそれらの間隔Ｌ₁,Ｌ₂の差分
ΔＬを算出する。この場合、図１より分かるように、基
準面３０ａがレチクルＲのパターン面と共役である、即
ち合焦しているときにはその差分ΔＬは０となる。そし
て、基準面３０ａがそのレチクルＲの共役面から光軸Ａ
Ｘ方向にΔＦだけデフォーカスすると、そのデフォーカ
ス量ΔＦに対応して差分ΔＬも変化する。

【００４２】そこで、予め基準面３０ａのＺ方向の位置
を所定ステップずつ変えてそれぞれその差分ΔＬを計測
することによって、そのデフォーカス量ΔＦと差分ΔＬ
との関係を求め、この関係を図１の記憶装置１４ａに記
憶しておく。また、露光用の照明光学系のコヒーレンス
ファクタ（σ値）を小さくしたり、又は輪帯照明や変形
照明等を行う場合には、そのデフォーカス量ΔＦと差分
ΔＬとの関係も変化する可能性がある。そこで、照明条
件毎にそれぞれそのデフォーカス量ΔＦと差分ΔＬとの
関係を求めておく。

【００４３】図６はそのような関係の一例を示し、この
図６の横軸は基準面３０ａのデフォーカス量ΔＦ、縦軸
は間隔Ｌ₁,Ｌ₂の差分ΔＬである。例えば通常の照明条
件でのデフォーカス量ΔＦと差分ΔＬとの関係が直線４
５で表されるものとすると、輪帯照明を行う場合のデフ
ォーカス量ΔＦと差分ΔＬとの関係が直線４６で表され
ている。これに対応して、記憶装置１４ａには直線４
５，４６の勾配を記憶しておけばよい。

【００４４】但し、実際には、焦点位置検出装置４０の
調整誤差等によって、デフォーカス量ΔＦが０のときに
その差分ΔＬに或る程度のオフセットが残存している可
能性もある。このような恐れのある場合には、予め、例
えば基準面３０ａの高さを光軸方向に所定ステップずつ
変えたときに、ＡＦセンサ２４，２５でフォーカス位置
を検出し、その後ウエハＷを投影光学系ＰＬの露光フィ
ールドに移動して、ＡＦセンサ２４，２５で検出される
フォーカス位置が同一となるようにした状態でレチクル
Ｒのパターン像を露光するというテストプリントを繰り
返し、現像後のレジストパターンのコントラスト等を計
測することによって、基準面３０ａがレチクルＲのパタ
ーン面との共役面（ベストフォーカス位置）にあるとき
の差分ΔＬのオフセットΔＬ₀を求めておけばよい。又
は、撮像信号ＩＡ内のマーク像３１Ａ，３１Ｂに対応す
る信号のコントラストが最も高くなるときをベストフォ
ーカス位置とみなして、このベストフォーカス位置での
差分ΔＬをオフセットΔＬ ₀としてもよい。この場合に
は、図６の直線４５，４６の勾配、及びそのオフセット
ΔＬ₀を記憶装置１４ａに記憶しておけばよい。

【００４５】そして、キャリブレーション時には、主制
御装置１４内の演算制御部は、差分ΔＬ、記憶装置１４
ａ内の勾配、更に必要に応じてそのオフセットΔＬ₀よ
り、現在の基準面３０ａのデフォーカス量ΔＦを算出す
る。このように本例では、各フォーカス検出マーク３
１，３３のＺ方向の位置の絶対値の分からない瞳分割横
ずれ方式が採用されているが、デフォーカスΔＦは極め
て短時間に検出できると共に、図６に示すようにデフォ
ーカス量ΔＦと差分ΔＬとの直線性が良好で、広い範囲
でデフォーカス量ΔＦを正確に算出できる利点がある。

【００４６】その後、例えばそのデフォーカス量ΔＦを
補正するようにＺレベリングステージ１９の高さを補正
したときに、ＡＦセンサ２４，２５からのフォーカス信
号が０となるように受光光学系２５の調整を行う。これ
によって、ＡＦセンサ２４，２５のキャリブレーション
が完了する。その後は、露光光を使用して検出された像
面に対してウエハＷの表面がオートフォーカス方式で合
わせ込まれた状態で、レチクルＲのパターン像がウエハ
Ｗの各ショット領域に転写されるため、レチクルＲのパ
ターン像が高い解像度で転写される。

【００４７】上述のように本例では、露光光ＩＬの一部
を照明光として用いる焦点位置検出装置３４を介して基
準面３０ａのデフォーカス量が検出され、このデフォー
カス量に合わせてＡＦセンサ２４，２５のキャリブレー
ションが行われるため、例えば開口絞り板５を回転して
開口絞りを小σ値用の開口絞り、輪帯絞り、又は変形照
明用の開口絞り等に切り換えた場合でも、切り換えた照
明条件でのデフォーカス量が正確に検出できるため、照
明条件が切り換えられても高い重ね合わせ精度が得られ
る。

【００４８】なお、上述の実施の形態ではその検出され
たデフォーカス量に応じてＡＦセンサ２４，２５の受光
光学系２５の調整を行ってフォーカス信号のレベルを調
整しているが、その代わりにそのデフォーカス量を相殺
するように、レンズコントローラ２６を介して投影光学
系ＰＬの焦点位置を補正してもよい。この場合には、Ａ
Ｆセンサ２４，２５側では特に調整動作等は要しない。

【００４９】また、図１において、レチクルＲを別のレ
チクルに交換した場合は、その厚さが若干変化して図５
におけるフォーカス検出マーク３３のマーク像３３Ａ，
３３Ｂの間隔Ｌ₁が変化することもある。このような場
合には、対物光学系３９に焦点位置調整用の内焦レンズ
を設け、この内焦レンズを用いてその間隔Ｌ₁を初期値
に戻すことが望ましい。これによって、レチクルＲのパ
ターン面は撮像素子４２に対して常にベストフォーカス
位置に設定されるため、基準面３０ａのデフォーカス量
を常に高精度に検出できる。

【００５０】また、ウエハステージ側のフォーカス検出
マーク３１及びレチクルＲ側のフォーカス検出マーク３
３の検出は、同一のビームスプリッタ３８、対物光学系
３９、及び像位置検出系４０を介して行われているた
め、これらのビームスプリッタ３８、対物光学系３９、
及び像位置検出系４０は可動式であっても検出精度に影
響しない。そのため、それらの光学部材を退避自在に構
成して、ウエハ交換時等の空き時間等にこれらの光学部
材を露光光の光路に配置するようにしてもよい。これに
よって、フォーカス検出マーク３３を有効照明領域内に
形成することもでき、且つ光路変位プリズム３５を省略
することもできる。

【００５１】また、基準部材３０からの反射光が若干残
ってレチクルＲ側のフォーカス検出マーク３３の検出に
悪影響を及ぼす恐れのある場合は、キャリブレーション
時にフォーカス検出マーク３３のマーク像の間隔を計測
する際には、基準部材３０を光軸ＡＸ方向に大きくデフ
ォーカスさせて、基準面３０ａからの反射光によるフォ
ーカス検出マーク３３の像が大きくぼけて殆ど影響がな
い状態にすればよい。この場合は、ウエハステージ側の
フォーカス検出マーク３１とレチクルＲ側のフォーカス
検出マーク３３との検出の同時性はなくなるが、短時間
の時間差なので実際上の影響はない。

【００５２】また、この実施の形態では、ウエハＷの表
面を直接検出せずに基準面１０ａによりキャリブレーシ
ョンをしたが、ウエハＷ上にフォーカス検出マークを形
成しておきて、このフォーカス検出マークを直接検出す
ることも可能である。また、レチクルＲ側から落射照明
で照明する他に、基準面１０ａの裏面からフォーカス検
出マーク３１を露光波長の照明光で照明してもよい。こ
の場合は、投影光学系ＰＬに対する露光光の照明条件と
ほぼ同じ照明条件とすることが望ましい。

【００５３】また、図１の焦点位置検出装置４０をウエ
ハステージ側、即ち基準面１０ａの裏側等に設けること
も可能である。次に、本発明の第２の実施の形態につき
図７〜図９を参照して説明する。本例は、図１の焦点位
置検出装置３４の像位置検出系４０の構成を変えたもの
であり、図７において図１及び図３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。

【００５４】図７は、本例の焦点位置検出装置を示し、
この図７において、ウエハステージ側のフォーカス検出
マーク３１の像３１Ｒ、及びレチクルＲのフォーカス検
出マーク３３からの光束は、ビームスプリッタ３８及び
対物光学系３９を介して像位置検出系４０Ａに入射す
る。本例の像位置検出系４０Ａは、対物光学系３９の光
軸ＡＸ１に沿って焦点位置調整用の内焦レンズ４５，４
６、及び撮像素子４２を配置したものであり、内焦レン
ズ４５，４６はボイスコイルモータ等の駆動装置４７を
介して光軸ＡＸ１方向に高速移動できるように構成され
ている。そして、撮像素子４２の撮像面には対物光学系
３９及び内焦レンズ４５，４６によるフォーカス検出マ
ーク３１，３３の像３１Ｃ，３３Ｃが形成されており、
撮像素子４２の撮像信号ＩＢが図１の主制御装置１４に
供給されている。その他の構成は図１の例と同様であ
る。

【００５５】本例で図１の基準面３０ａのデフォーカス
量を検出する場合には、図７の内焦レンズ４５，４６の
光軸ＡＸ１方向の位置（これを位置ｚとする）を変え
て、それぞれ撮像素子４２から出力される撮像信号ＩＢ
のコントラストを求める。図８は、その撮像信号ＩＢの
一例を示し、この図８において、横軸は撮像素子４２上
のｘ方向の位置、縦軸は位置ｘでの撮像信号ＩＢのレベ
ルである。図８より分かるように、撮像信号ＩＢのコン
トラストはマーク像３１Ｃ，３３Ｃ毎に異なっている。
更に、内焦レンズ４５，４６の光軸ＡＸ１方向の位置ｚ
が変化すると、撮像信号ＩＢは実線の曲線４８から点線
の曲線４９に変化して、マーク像３１Ｃ，３３Ｃ毎の撮
像信号ＩＢのコトンラストも変化する。

【００５６】図９は、内焦レンズ４５，４６の中心位置
ｚ（横軸）に対して撮像信号ＩＢのコントラスト（縦
軸）をプロットした結果を示し、この図９において、実
線の曲線５５ＲはレチクルＲのフォーカス検出マーク３
３の像に対応する部分のコントラスト、点線の曲線５５
Ｗはウエハステージ側のフォーカス検出マーク３１の像
に対応する部分のコントラストを示し、曲線５５Ｒ及び
５５Ｗがそれぞれピーク値を取るときの内焦レンズ４
５，４６の中心位置ｚ１及びｚ２を求める。この場合に
は、位置ｚ１，ｚ２の差分が基準面３０ａのデフォーカ
ス量に対応しているため、予め例えば基準面３０ａを光
軸ＡＸ方向に所定ステップずつずらしてその位置ｚ１，
ｚ２の差分の変化を求め、この関係を記憶装置１４ａに
記憶しておくことによって、キャリブレーション時には
その位置ｚ１，ｚ２の差分から基準面３０ａのデフォー
カス量を検出できる。

【００５７】この方式では処理が複雑になるが、レチク
ルＲのパターン面、及び基準面３０ａのフォーカス位置
の絶対値に対応する位置ｚ１，ｚ２を独立に計測できる
利点がある。なお、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
り得ることは勿論である。

【００５８】

【発明の効果】本発明の第１の焦点位置検出装置によれ
ば、露光光を使用して２つの評価用パターンを照明する
ため、簡素化された構成で露光光とほぼ同じ照明条件の
もとで焦点ずれ量を検出できる。また、２つの評価用パ
ターンの一方からの光束が投影光学系を一度通過して形
成される像に基づいて焦点ずれ量を検出するため、高精
度にその焦点ずれ量を検出できる利点がある。また、感
光性基板側、及びマスク側のそれぞれの面位置情報をま
とめて感光性基板側、又はマスク側で検出できるため、
観察光学系や像位置検出系等を共通化することによっ
て、検出系等の計測結果の安定性はあまり問題にならな
い利点がある。

【００５９】また、検出動作を感光性基板の交換時等の
空き時間に行えばスループットを落とす恐れもない。ま
た、検出系等の出し入れにより検出精度が劣化しないの
で、マスクのパターン領域上に検出系等を移動して、マ
スク上のパターン領域内の評価用パターンを利用して焦
点ずれ量を検出すれば、投影面全体の焦点ずれ量の検出
が可能である。

【００６０】また、その像位置検出系は、観察光学系に
よって形成される２つの評価用パターンの像のその観察
光学系の光軸方向の位置を個別に検出し、その演算系
は、それら個別に検出される２つの光軸方向の位置の差
分より焦点ずれ量を算出する場合には、２つの評価用パ
ターンの形成面の位置を独立に検出できる利点がある。
また、その像位置検出系は、観察光学系からの結像光束
を実質的にその観察光学系の光軸に関して対称な２つの
光束に分割し該分割した２つの光束を互いに異なる方向
に導く光束分岐光学系と、この光束分岐光学系からの２
つの光束によってそれぞれ形成されるそれら２つの評価
用パターンの像を撮像する撮像素子と、を含み、その演
算系は、その撮像素子を介して検出される２組の２つの
評価用パターンの像の間隔よりその焦点ずれ量を算出す
る場合には、特に光学部材を動かすことなく短時間に焦
点ずれ量を算出できる利点がある。

【００６１】また、本発明の第２の焦点位置検出装置に
よれば、露光光を使用して２つの評価用パターンを照明
するため、簡素化された構成で露光光とほぼ同じ照明条
件のもとで焦点ずれ量を検出できる。また、２つの評価
用パターンの一方からの光束が投影光学系を一度通過し
て形成される像に基づいて焦点ずれ量を検出するため、
高精度にその焦点ずれ量を検出できる利点がある。ま
た、テレセントリック性を崩す部材を使用しているた
め、高感度に焦点ずれ量を検出できる。

【００６２】また、本発明の投影露光装置によれば、斜
入射方式の焦点位置検出系の出力を本発明の焦点位置検
出装置を用いてキャリブレーションできる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の投影露光装置を示
す構成図である。

【図２】（ａ）は図１のレチクルＲのフォーカス検出マ
ークを示す平面図、（ｂ）は図１の基準部材３０上のフ
ォーカス検出マークを示す平面図である。

【図３】図１の像位置検出系４０の構成例を示す図であ
る。

【図４】ダハプリズム４１が無い場合の撮像素子からの
撮像信号を示す図である。

【図５】ダハプリズム４１が有る場合の撮像素子からの
撮像信号を示す図である。

【図６】デフォーカス量ΔＦとマーク像の間隔の差分Δ
Ｌとの関係を示す図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態の焦点位置検出装置
を示す構成図である。

【図８】図７の撮像素子４２から出力される撮像信号Ｉ
Ｂを示す図である。

【図９】その第２の実施の形態における内焦レンズ４
５，４６の位置ｚと撮像信号ＩＢのコントラストとの関
係を示す図である。

【符号の説明】

１露光光源４フライアイレンズ５開口絞り板１２コンデンサレンズＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ１４主制御装置１９Ｚレベリングステージ２１ＸＹステージ３０ａ基準面３１フォーカス検出マーク３２窓部３３フォーカス検出マーク３４焦点位置検出装置３５光路変位プリズム３７スライダ３８ビームスプリッタ３９対物光学系４０，４０Ａ像位置検出系４１ダハプリズム４２撮像素子４５，４６内焦レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用パターンの形成されたマスクを露
光光で照明する照明光学系と、前記露光光のもとで前記
マスクのパターン像を感光性基板上に投影する投影光学
系と、前記感光性基板を位置決めする基板ステージと、
を有する投影露光装置に備えられ、前記投影光学系の像
面に対する焦点ずれ量を検出するための焦点位置検出装
置において、前記照明光学系からの露光光で前記マスク上の所定の第
１の評価用パターン、及び前記基板ステージ上の所定の
第２の評価用パターンを照明したときに、前記２つの評
価用パターンの一方からの反射光を直接集光すると共
に、前記２つの評価用パターンの他方からの反射光を前
記投影光学系を介して集光して前記第１及び第２の評価
用パターンの像を形成する観察光学系と、該観察光学系によって形成される前記２つの評価用パタ
ーンの像の位置を検出する像位置検出系と、該像位置検出系の検出結果に基づいて前記投影光学系の
像面に対する前記第２の評価用パターンの形成面の焦点
ずれ量を算出する演算系と、を有することを特徴とする
焦点位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の焦点位置検出装置であっ
て、前記像位置検出系は、前記観察光学系によって形成され
る前記２つの評価用パターンの像の前記観察光学系の光
軸方向の位置を個別に検出し、前記演算系は、前記個別に検出される２つの光軸方向の
位置の差分より前記焦点ずれ量を算出することを特徴と
する焦点位置検出装置。
【請求項３】請求項１記載の焦点位置検出装置であっ
て、前記像位置検出系は、前記観察光学系からの結像光束を
実質的に該観察光学系の光軸に関して対称な２つの光束
に分割し該分割した２つの光束を互いに異なる方向に導
く光束分岐光学系と、該光束分岐光学系からの２つの光束によってそれぞれ形
成される前記２つの評価用パターンの像を撮像する撮像
素子と、を含み、前記演算系は、前記撮像素子を介して検出される２組の
前記２つの評価用パターンの像の間隔より前記焦点ずれ
量を算出することを特徴とする焦点位置検出装置。
【請求項４】転写用パターンの形成されたマスクを露
光光で照明する照明光学系と、前記露光光のもとで前記
マスクのパターン像を感光性基板上に投影する投影光学
系と、前記感光性基板を位置決めする基板ステージと、
を有する投影露光装置に備えられ、前記投影光学系の像
面に対する焦点ずれ量を検出するための焦点位置検出装
置において、前記照明光学系からの露光光で前記マスク上の所定の第
１の評価用パターン、及び前記基板ステージ上の所定の
第２の評価用パターンを照明したときに、前記２つの評
価用パターンの一方からの反射光を直接集光すると共
に、前記２つの評価用パターンの他方からの反射光を前
記投影光学系を介して集光して前記第１及び第２の評価
用パターンの像を形成する観察光学系と、該観察光学系からの結像光束のテレセントリック性を崩
す光学部材と、該光学部材からの光束によって形成される前記２つの評
価用パターンの像の位置を検出する像位置検出系と、前記照明光学系の照明条件、又は前記マスク上のパター
ンの種類に応じて予め前記像位置検出系によって検出さ
れる像の位置と前記像面に対する焦点ずれ量との関係を
記憶しておく記憶手段と、前記像位置検出系の検出結果及び前記記憶手段で記憶さ
れている関係に基づいて前記投影光学系の像面に対する
前記第２の評価用パターンの形成面の焦点ずれ量を算出
する演算系と、を有することを特徴とする焦点位置検出
装置。
【請求項５】請求項１〜４の何れか一項に記載された
焦点位置検出装置と、転写用パターン及び前記第１の評
価用パターンの形成されたマスクを露光光で照明する照
明光学系と、前記露光光のもとで前記マスクのパターン
像を感光性基板上に投影する投影光学系と、前記感光性
基板を位置決めすると共に前記第２の評価用パターンの
形成された基板ステージと、該基板ステージ上の前記感
光性基板の表面に斜めに光束を照射し該表面からの反射
光を受光して該表面の高さを検出する斜入射方式の焦点
位置検出系と、を備えた投影露光装置であって、前記焦点位置検出装置を介して前記投影光学系の像面に
対する前記第２の評価用パターンの形成面の焦点ずれ量
を検出する際に、前記斜入射方式の焦点位置検出系を介
して前記第２の評価用パターンの形成面の高さを検出し
て、前記２つの検出結果の差分をオフセットとして所定
の記憶手段に記憶し、露光時に前記斜入射方式の焦点位置検出系による検出結
果及び前記記憶手段に記憶されているオフセットに基づ
いて前記感光性基板の合焦を行うことを特徴とする投影
露光装置。