JPH10326745A

JPH10326745A - 表面変位検出装置及び表面変位検出工程を備える半導体デバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH10326745A
Application number: JP10046169A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kato; 正紀加藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】平均表面変位を短時間で検出することができ
る表面変位検出装置を提供する。【解決手段】図１に示すように、所定の基準面（ＸＹ
平面）に対する被検面Ｗの変位を検出する表面変位検出
装置において、被検面Ｗ上のＮ個（図１の例ではＮ＝
３）の検出箇所１〜３のうちの第１番目の検出箇所１に
向けて光を照射する照射光学系１１〜１４と、照射光学
系１１〜１４からの光が前記Ｎ個の検出箇所１〜３の全
てを経由するように、第１番目の検出箇所１で反射した
光に基づき、被検面ＷのＮ−１個の検出箇所２、３を再
照射する再照射光学系１５〜２２とを有し、被検面Ｗ上
の第Ｎ番目の最終検出箇所３から反射した光を受光面上
に集光する検出光学系２３〜２５と、前記受光面での受
光光の変位を光電的に検出する光電検出部２６〜２８と
を有する表面変位検出装置。照射光学系からの光がＮ個
の検出箇所全ての変位に関する情報を前記光に含ませる
ことができ、その光を検出光学系により受光面に集光
し、光電検出部により受光光の変位を光電的に検出する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検面の変位を検
出するための表面変位検出装置に関し、特に、大型液晶
パネルや半導体集積回路等の基板で、うねり成分に比べ
て傾斜成分の少ない基板の平均表面変位を検出する表面
変位検出装置及び平均表面変位検出工程を含む液晶表示
装置等の半導体デバイスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置における表面変位検出装
置としては、基板の表面に対して斜めに入射光を照射
し、その基板から斜めに反射してくる光を検出して、表
面位置を検出する斜入射型表面変位検出装置が用いられ
ている。そのような表面変位検出装置には、例えば、特
開昭５６−４２２０５号公報、特開平５−１２９１８２
号あるいは特開平５−２０４１６６号に記載されている
ものがある。

【０００３】特に特開平５−２０４１６６号に記載され
ている表面変位検出系は、大型の基板の表面変位を検出
するのに適している。この表面変位検出系は、２つの光
源と２つの受光素子を備えて構成されており、各光源の
光はハーフプリズムで分岐され、各光源毎に２箇所ずつ
の検出点に導かれ、各検出点からの光が２つの受光素子
の各々により受光され、各検出点の変位が計測されるよ
うになっている。２つの光源は、オン、オフの時分割に
より、それぞれ２点ずつの変位を同時に計測できるよう
になっている。このようにして、２つの光源と２つの受
光素子で、大型基板上の周辺部に広がった、合計４カ所
の検出点の変位が検出できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のような表面変位
検出系によれば、うねり成分に比べ傾斜成分の少ない被
検面であっても、時分割にて各検出点を検出するため、
被検面上の複数の検出点を全て検出し、基板の平均面位
置を求めるのに時間がかかり、スループットを低下させ
る原因の一つになっていた。さらに同様な構成によっ
て、これを改善しようとすると、受光光学系が各検出点
に対して各々必要となり、構成が複雑になり、設計、製
造上、大きな障害となり、また過大な労力を費やすこと
となっていた。

【０００５】そこで本発明は、平均表面変位を短時間で
検出することができる表面変位検出装置及びそのような
表面変位検出装置を備える露光装置を用いて半導体デバ
イスを製造する方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による表面変位検出装置は、図
１を参照すれば、所定の基準面（例えばＸＹ平面）に対
する被検面Ｗの変位を検出する表面変位検出装置におい
て；被検面Ｗ上のＮ個（Ｎは２以上の整数、図１の例で
はＮ＝３）の検出箇所１〜３のうちの第１番目の検出箇
所１に向けて光を照射する照射光学系１１〜１４と；照
射光学系１１〜１４からの光が前記Ｎ個の検出箇所１〜
３の全てを経由するように、第１番目の検出箇所１で反
射した光に基づき、被検面ＷのＮ−１個の検出箇所２、
３を再照射する再照射光学系１５〜２２とを有し；被検
面Ｗ上の第Ｎ番目の最終検出箇所３から反射した光を受
光面上に集光する検出光学系２３〜２５と；前記受光面
での受光光の変位を光電的に検出する光電検出部２６〜
２８とを有する。

【０００７】このように構成すると、照射光学系からの
光がＮ個の検出箇所の全てを経由するように、検出箇所
を再照射する再照射光学系を有するので、全ての検出箇
所の変位に関する情報を前記光に含ませることができ、
その光を検出光学系により受光面に集光し、光電検出部
により受光光の変位を光電的に検出することができる。

【０００８】請求項２に記載のように、上記表面変位検
出装置では、再照射光学系１５〜２２は、各検出箇所１
〜３での基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）に
沿った被検面Ｗの変位がそれぞれ所定量だけ加算される
ような受光光の変位を前記受光面上に形成するように構
成されている。

【０００９】これは、光電検出部２８の受光面での受光
光の変位は、各検出箇所１〜３での基準面（ＸＹ平面）
の法線方向（Ｚ軸方向）に沿った被検面Ｗの変位がそれ
ぞれ所定量だけ加算された値に対応して変化するよう
に、再照射光学系１５〜２２が構成されていると言い換
えることもできる。

【００１０】このように構成すると、受光面での受光光
の変位は、各検出箇所での基準面の法線方向に沿った被
検面の変位がそれぞれ所定量だけ加算された値に対応し
て変化するように、再照射光学系１５〜２２が構成され
ているので、所定量を例えば等倍とすれば、各検出点１
〜３のＺ軸方向の変位は平等に加算されたことになり、
その総和を３で除算すれば、被検面ＷのＺ軸方向の変位
の平均値を求めることができ、例えば検出点２の変位を
２倍して、検出点１、３の変位は１倍のままとして加算
すれば、重要な点である検出点２に重みを付けたことに
なり、その総和を４で除算すれば、被検面ＷのＺ軸方向
の変位の平均値を、検出点２に２倍の重み付けをして求
めたことになる。

【００１１】請求項３に記載のように、請求項２の表面
変位検出装置では、例えば図４を参照すれば、再照射光
学系１５〜１８は、第１番目の検出箇所１で反射した光
を被検面Ｗ（図１）上の第２番目の検出箇所２へ導くリ
レー光学系１５〜１８を有し；検出光学系２３〜２５
は、第２番目の検出箇所２から反射した光を前記受光面
上に集光し；リレー光学系１５〜１８は、第１番目の検
出箇所１での基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方
向）に沿った被検面Ｗの変位と第２番目の検出箇所２で
の基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）に沿った
被検面Ｗの変位とがそれぞれ所定量だけ加算されるよう
な受光光の変位を前記受光面に形成するように構成して
もよい。

【００１２】このように構成すると、第１番目の検出箇
所と第２番目の検出箇所での被検面Ｗの変位がそれぞれ
所定量だけ加算されて検出できる。

【００１３】請求項４に記載のように、請求項２に記載
の表面変位検出装置では、図１を参照すれば、再照射光
学系１５〜２２は、第１番目の検出箇所１で反射した光
を被検面Ｗ上の第２番目の検出箇所２へ導く第１のリレ
ー光学系１５〜１８と、第２番目の検出箇所２で反射し
た光を被検面Ｗ上の第３番目の検出箇所３へ導く第２の
リレー光学系１９〜２２とを有し；検出光学系２３〜２
５は、第３番目の検出箇所３から反射した光を前記受光
面上に集光し；第１及び第２のリレー光学系１５〜１
８、１９〜２２は、第１番目乃至第３番目の検出箇所１
〜３での基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）に
沿った被検面Ｗの変位がそれぞれ所定量だけ加算される
ような受光光の変位を前記受光面に形成するように構成
してもよい。

【００１４】また、請求項５に記載のように、図５を参
照すれば、請求項１または請求項２に記載の表面変位検
出装置では、再照射光学系１５〜１８は、被検面Ｗが基
準面（ＸＹ平面）（図１）の法線方向（Ｚ軸方向）に変
位した際に、第１番目の検出箇所１に入射する光束の主
光線Ｌ１に関する前記基準面での入射面（検出箇所１に
向かう主光線Ｌ０と基準面の法線とがなす平面）と直交
しかつ前記再照射光学系１５〜１８の光軸を含む所定面
により２分される再照射光学系１５〜１８の一方の部分
（図５では被検面Ｗ側の部分）に向けて入射する前記主
光線を、前記所定面により２分される再照射光学系１５
〜１８の他方の部分（図５では投影光学系ＰＬ側の部
分）から射出させて前記第Ｎ番目の検出箇所（図５では
Ｎ＝２）へ導くように構成されていてもよい。

【００１５】このように構成すると、第１番目の検出箇
所と第２番目の検出箇所での被検面Ｗの変位が加算され
る。

【００１６】また、請求項６に記載のように、請求項３
に記載の表面変位検出装置では、図５に示すように、リ
レー光学系１５〜１８は、被検面Ｗが基準面（ＸＹ平
面）の法線方向（Ｚ軸方向）に変位した際に、第１番目
の検出箇所１に入射する光束の主光線に関する前記基準
面での入射面と直交しかつ前記リレー光学系１５〜１８
の光軸を含む所定面により２分される前記リレー光学系
の一方の部分に向けて入射する前記主光線を、前記所定
面により２分されるリレー光学系１５〜１８の他方の部
分から射出させて第２番目の検出箇所２へ導くように構
成されていてもよい。

【００１７】請求項７に記載のように、請求項４に記載
の表面変位検出装置では、第１のリレー光学系１５〜１
８は、被検面Ｗが基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸
方向）に変位した際に、第１番目の検出箇所１に入射す
る光束の主光線に関する前記基準面での第１の入射面と
直交しかつ第１のリレー光学系１５〜１８の光軸を含む
第１の所定面により２分される前記第１のリレー光学系
の一方の部分に向けて入射する前記主光線を、前記第１
の所定面により２分される第１のリレー光学系１５〜１
８の他方の部分から射出させて第２番目の検出箇所２へ
導くように構成され；第２のリレー光学系１９〜２２
は、被検面Ｗが基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方
向）に変位した際に、第２番目の検出箇所２に入射する
光束の主光線に関する前記基準面での第２の入射面と直
交しかつ第２のリレー光学系１９〜２２の光軸を含む第
２の所定面により２分される第２のリレー光学系１９〜
２２の一方の部分に向けて入射する前記主光線を、前記
第２の所定面により２分される第２のリレー光学系１９
〜２２の他方の部分から射出させて第３番目の検出箇所
３へ導くように構成されていてもよい。

【００１８】また、請求項８に記載のように、請求項３
または請求項６に記載の表面変位検出装置では、リレー
光学系１５〜１８は、第１番目の検出箇所１での基準面
（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）に沿った被検面Ｗ
の変位と第２番目の検出箇所２での基準面（ＸＹ平面）
の法線方向（Ｚ軸方向）に沿った被検面Ｗの変位とに所
定の重み付けを行う量に応じた光学倍率を有するように
構成してもよい。

【００１９】このように構成すると、重要な検出箇所に
大きな重みを付けることができ、重み付け平均を求める
ことができる。

【００２０】また、請求項９に記載のように、請求項４
または請求項７に記載の表面変位検出装置では、第１及
び第２のリレー光学系１５〜１８、１９〜２２は、第１
番目の検出箇所１での基準面（ＸＹ平面）の法線方向
（Ｚ軸方向）に沿った被検面Ｗの変位、第２番目の検出
箇所２での基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）
に沿った被検面Ｗの変位、及び第３番目の検出箇所３で
の基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）に沿った
被検面Ｗの変位に所定の重み付けを行う量に応じた光学
倍率をそれぞれ有するように構成してもよい。

【００２１】また、請求項１０に記載のように、例えば
図８を参照すれば、請求項３に記載の表面変位検出装置
では、リレー光学系１５〜１８は、第１番目の検出箇所
１で反射した光を集光する第１リレーレンズ群１５と、
第１リレーレンズ群１５を介した光を集光する第２リレ
ーレンズ群１８と、第１リレーレンズ群１５と第２リレ
ーレンズ群１８との間にそれぞれ配置された第１及び第
２の光分割部材１６Ａ、１７Ａとを有し；第１の光分割
部材１６Ａにより分割された光を集光して第２の光分割
部材１７Ａへ導く補助リレー光学系３０、３１、３３、
３４を配置し；第１リレーレンズ群１５、補助リレー光
学系３０、３１、３３、３４、第２リレーレンズ群１８
及び検出光学系２３〜２５を介して前記受光面に導かれ
る光は、補助リレー光学系３０、３１、３３、３４によ
って、第１番目の検出箇所１での基準面（ＸＹ平面）の
法線方向（Ｚ軸方向）に沿った被検面Ｗの変位と第２番
目の検出箇所２での基準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ
軸方向）に沿った被検面Ｗの変位との差に対応する変位
を付与されるように構成してもよい。

【００２２】このように構成すると、第１番目の検出箇
所１と第２番目の検出箇所２での基準面（ＸＹ平面）の
法線方向（Ｚ軸方向）に沿った被検面Ｗのそれぞれの変
位の和の他にそれぞれの変位の差を求めることもでき
る。

【００２３】また、請求項１１に記載のように、請求項
１０に記載の表面変位検出装置では、第１リレーレンズ
群１５、補助リレー光学系３０、３１、３３、３４及び
第２リレーレンズ群１８の合成光学系は、被検面Ｗが基
準面（ＸＹ平面）の法線方向（Ｚ軸方向）に変位した際
に、第１番目の検出箇所１に入射する光束の主光線に関
する前記基準面での第３の入射面と直交しかつ前記合成
光学系の光軸を含む第３の所定面により２分される前記
合成光学系の一方の部分に向けて入射する前記主光線
を、前記第３の所定面により２分される前記合成光学系
の前記一方の部分から射出させて前記第２番目の検出箇
所へ導くように構成してもよい。

【００２４】また、請求項１２に記載のように、請求項
３、請求項６、請求項８のいずれか１項に記載の表面変
位検出装置では、前記リレー光学系１５〜１８は、第１
の検出箇所１で反射した光を第２番目の検出箇所２へ向
けて偏向させる偏向部材１６、１７と、第１番目の検出
箇所１と第２番目の検出箇所２とを実質的に共役にする
２つのリレーレンズ群１５、１８を有するように構成し
てもよい。

【００２５】このように構成すると、第１番目の検出箇
所１と第２番目の検出箇所２とを実質的に共役にする２
つのリレーレンズ群１５、１８を有するので、検出箇所
１の像を検出箇所２に形成することができ、偏向部材１
６、１７を有するので、検出箇所１と検出箇所２とを、
被検面Ｗ上でほぼ並列に配置することができる。

【００２６】また、請求項１３に記載のように、請求項
１乃至請求項１３のいずれかに記載の表面変位検出装置
では、照射光学系１１〜１４は、所定のパターンを有す
る送光スリット板１２と、該所定のパターンを第１番目
の検出箇所１に投影する送光対物レンズ系１４とを有
し；光電検出部２６〜２８は、前記受光面上に配置され
た受光スリット板２６と、受光スリット板２６を介した
光を光電変換する光電検出器２８を有し；検出光学系２
３〜２５は、前記受光面上に形成される前記所定のパタ
ーンの像が受光スリット板２６を横切るように振動する
振動ミラー２４を有するように構成してもよい。

【００２７】また、請求項１４に記載のように、請求項
１乃至請求項１３のいずれかに記載の表面変位検出装置
では、光電検出部２６〜２８からの出力に基づいて被検
面Ｗの平均的な変位を演算する演算装置５１をさらに備
えるのが好ましい。

【００２８】請求項１５に記載の半導体デバイスの製造
方法は、請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の表
面変位検出装置を備える露光装置を提供する工程と；前
記表面変位検出装置の前記被検面の位置に感光性基板Ｗ
を載置する工程と；前記表面変位検出装置により感光性
基板Ｗの表面の平均的変位を検出する工程と；前記検出
された感光性基板Ｗの表面の平均的位置の情報に基づい
て、感光性基板Ｗの位置を補正する工程と；感光性基板
Ｗの表面に露光を行う工程とを備える。

【００２９】このように構成すると、感光性基板の表面
の変位或いは傾きが検出でき、それに基づいて露光装置
の合焦ができる。なお以上の工程では、液晶表示装置の
ような大型の基板を用いる半導体デバイスの製造におい
て特に有効である。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複
した説明は省略する。

【００３１】図１は、本発明による表面変位検出装置を
液晶用露光装置に適用した例を示す図である。図中、本
液晶用露光装置は、照明光学系９、投影光学系ＰＬを有
し、その間にレチクルＲを配置するようになっている。
投影光学系ＰＬについて、照明光学系９と反対側で、レ
チクルと共役な位置に被検物体としての基板Ｗを載置す
るＸＹステージＳＴ、ＸＹステージの投影光学系ＰＬと
は反対側にそれを駆動する駆動装置ＳＴＤが配置されて
いる。ここで、ＸＹＺの３次元座標を、投影光学系ＰＬ
の光軸に平行な軸をＺ軸、これに直交する平面内の直交
座標をＸ軸及びＹ軸として設定する。ＸＹステージＳＴ
の基板Ｗを載置する面は、ＸＹ座標面とほぼ平行であ
る。典型的には、本発明の所定の基準面はＸＹ座標面あ
るいはＸＹ座標面と平行な平面、即ち投影光学系ＰＬの
結像面とする。したがって、Ｚ軸方向は、本発明でいう
基準面の法線方向である。なお図中、照明光学系９は省
略して象徴的に図示されている。また図１の例では、検
出箇所の数Ｎは３である。

【００３２】以上のように、照明光学系９によって、所
定のパターンが形成されたレチクルＲを照明することに
より、レチクルＲのパターン像が投影光学系ＰＬを介し
て基板Ｗ上に露光される。そして、この露光工程を経る
ことにより、最終的に液晶表示装置を製造することがで
きる。図１は、液晶用露光装置に適用した例であるが、
その他ＩＣチップ等に代表される半導体デバイス一般を
製造する露光装置に適用することもできる。

【００３３】以上の露光工程に先立って、以下に述べる
表面変位検出装置によって基板Ｗの被検面としての表面
のＺ軸方向の位置、即ちＺ軸方向の変位を検出する。な
お、以上の投影露光工程と同時に以下に述べる表面変位
検出装置によって基板Ｗの表面の位置を検出することも
可能である。

【００３４】図１に示される液晶用露光装置に組み込ま
れた表面変位検出装置は、不図示の例えばハロゲンラン
プのような光源から照明用の光を導く光ファイバー１０
の光射出端が射出方向をＺ軸とほぼ平行にして、投影光
学系ＰＬの側面の近傍に配置されている。該射出端から
の光路中にコンデンサーレンズ１１、コンデンサーレン
ズ１１により均一に照明される位置にスリット状の開口
部を有する送光スリット板１２、偏向部材であるミラー
１３がこの順に配列されている。ミラー１４は、送光ス
リット板１２からの光を基板Ｗの表面上の第１番目の検
出箇所としての検出点１に斜めに入射させるように傾斜
されている。ミラー１３と検出点１との間には、送光対
物レンズ系１４が配置されている。

【００３５】ここで、被検物体としての基板Ｗの表面
（被検面）が基準面（投影光学系ＰＬの結像面）と一致
している場合には、送光対物レンズ系１４は、送光スリ
ット板１２と基板Ｗの表面とを光学的に共役に保つ機能
を有している。また、送光対物レンズ系１４は、基板Ｗ
の表面側（第１番目の検出点側）に関してテレセントリ
ックに構成されている。以上の、コンデンサーレンズ１
１から送光対物レンズ系１４までの光学部材が、本発明
の照射光学系を形成する。

【００３６】なお、不図示の多波長の光を供給する光源
及びその光源からの光をコンデンサーレンズ１１へ導く
光ファイバー１０は、光源部を構成している。また、図
１に於いては、コンデンサーレンズ１１及び送光対物レ
ンズ系１４をそれぞれ１枚のレンズとして示している
が、コンデンサーレンズ１１及び送光対物レンズ系１４
を複数のレンズで構成してよい事は言うまでもない。

【００３７】一方基板Ｗ上に形成されたパターンは、典
型的には互いに直角をなす縦横の直線を主な構成要素と
して形成されている。検出点１におけるスリットの像の
長手方向が、このような縦横の直線方向と約４５度の角
度をなすように、先の送光スリット板１２のスリットの
長手方向を配置する。例えば、パターンの横縦の直線を
座標のＸ軸、Ｙ軸の方向に合わせて基板ＷをＸＹステー
ジＳＴ上に載置した場合、スリットの長手方向は、Ｘ軸
と４５度をなすＸ₁軸と平行となる。このようにスリッ
ト像を形成すれば、パターンによる明暗や、反射率の不
均一さを平均化して表面位置の検出精度が上がるからで
ある。なお、４５度が望ましい角度であるが、パターン
の縦と横の線を横断してスリットの像が結像されればよ
いので、９０度以外の角度、例えば３０度や６０度であ
ってもよい。

【００３８】以上の照射光学系によって検出点１に多波
長の光が照射されると、その検出点１からの反射光は、
検出点１からの反射光を第２番目の検出点２へ導く第１
リレー光学系（１５〜１８）に入射する。この第１リレ
ー光学系（１５〜１８）は基板Ｗの表面（被検面）に対
して斜設されている。

【００３９】ここで、この検出点１には、スリット板１
２の開口部の像、即ちスリット像が形成される。そし
て、第１リレー光学系１５〜１８は、第１番目の検出点
１に形成されたスリット像を第２番目の検出点２へ再結
像（リレー）する機能を有している。

【００４０】被検物体としての基板Ｗの表面（被検面）
が基準面（投影光学系ＰＬの結像面）と一致している場
合には、第１リレー光学系（１５〜１８）は、第１番目
の検出点１と第２番目の検出点２を光学的に共役に保っ
ている。

【００４１】なお、第１リレー光学系（１５〜１８）
は、第１番目の検出点１に形成されるスリット像の長手
方向と第２番目の検出点２に形成されるスリット像の長
手方向とが一致するように構成されている。

【００４２】第１リレー光学系（１５〜１８）は、被検
面に関する基準面（基板Ｗの表面と基準面とが一致した
ときの検出点１の位置）に前側焦点が位置するように配
置されて、検出点１からの反射光を集光してコリメート
光を形成する第１リレーレンズ（第１リレーレンズ群）
１５と、そのコリメート光をＸ₁ に平行な方向（所定の
方向）へ反射（偏向）させる第１のミラー１６（第１の
偏向部材）と、そのミラー１６により反射（偏向）され
たコリメート光を第２番目の検出点２へ向けて反射（偏
向）させる第２のミラー１７（第２の偏向部材）と、第
１リレーレンズ１５及び２つのミラー（１６、１７）を
介したコリメート光を集光する第２リレーレンズ（第２
リレーレンズ群）１８とを有している。

【００４３】なお、基板Ｗの表面と基準面とが一致した
とき、第１リレーレンズ１５は、第１リレーレンズ１５
の前側焦点位置と被検面に関する基準面（基板Ｗの表面
と基準面とが一致したときの検出点１の位置）とが一致
すると共に、第１リレーレンズ１５の後側焦点位置と第
２リレーレンズ１８の前側焦点位置とが一致するように
設定されている。また、基板Ｗの表面と基準面とが一致
したとき、第２リレーレンズ１８は、第１リレーレンズ
１５の後側焦点位置と第２リレーレンズ１８の前側焦点
位置とが一致すると共に、第２リレーレンズ１８の後側
焦点位置と被検面に関する基準面（基板Ｗの表面と基準
面とが一致したときの検出点２の位置）とが一致するよ
うに設定されている。

【００４４】したがって、第１リレー光学系（１５〜１
８）は、第１番目の検出点側（物体側）及び第２番目の
検出点側（像側）に関して共にテレセントリックに構成
されている。

【００４５】なお、図１に於いては、第１リレーレンズ
群としての第１リレーレンズ１５及び第２リレーレンズ
群としての第２リレーレンズ１８をそれぞれ１枚のレン
ズとして示しているが、第１及び第２リレーレンズ（１
５、１８）を複数のレンズで構成してよいことは言うま
でもない。

【００４６】次に、以上の第１リレー光学系（１５〜１
８）によって第２番目の検出点２に検出用の光が照射さ
れると、その検出点２からの反射光は、検出点２からの
反射光を第３番目の検出箇所としての検出点３へ導く第
２リレー光学系（１９〜２２）に入射する。この第２リ
レー光学系（１９〜２２）は、第１リレー光学系１５〜
１８と同様に、基板Ｗの表面（被検面）に対して斜設さ
れている。

【００４７】ここで、この検出点２には、第１リレー光
学系（１５〜１８）により再結像されたスリット像が形
成される。そして、第２リレー光学系（１９〜２２）
は、第２番目の検出点２に形成されたスリット像を第３
番目の検出点３へ再結像（リレー）する機能を有してい
る。

【００４８】被検物体としての基板Ｗの表面（被検面）
が基準面（投影光学系ＰＬの結像面）と一致している場
合には、第２リレー光学系（１９〜２２）は、第２番目
の検出点２と第３番目の検出点３を光学的に共役に保っ
ている。

【００４９】なお、第２リレー光学系（１９〜２２）
は、第２番目の検出点２に形成されるスリット像の長手
方向と第３番目の検出点３に形成されるスリット像の長
手方向とが一致するように構成されている。

【００５０】第２リレー光学系（１９〜２２）は、被検
面に関する基準面（基板Ｗの表面と基準面とが一致した
ときの検出点２の位置）に前側焦点が位置するように配
置されて、検出点２からの反射光を集光してコリメート
光を形成する第３リレーレンズ（第３リレーレンズ群）
１９と、そのコリメート光をＸ₁ に平行な方向（所定の
方向）へ反射（偏向）させる第３のミラー２０（第３の
偏向部材）と、そのミラー２０により反射（偏向）され
たコリメート光を第３番目の検出点３へ向けて反射（偏
向）させる第４のミラー２１（第４の偏向部材）と、第
３リレーレンズ１９及び２つのミラー（２０、２１）を
介して通過した光を集光する第４リレーレンズ（第４リ
レーレンズ群）２２とを有している。

【００５１】ここで、基板Ｗの表面と基準面とが一致し
たとき、第３リレーレンズ群１９は、第３リレーレンズ
群１９の前側焦点位置と被検面に関する基準面（基板Ｗ
の表面と基準面とが一致したときの検出点２の位置）と
が一致すると共に、第３リレーレンズ１９の後側焦点位
置と第４リレーレンズ２２の前側焦点位置が一致するよ
うに設定されている。また、基板Ｗの表面と基準面とが
一致したとき、第４リレーレンズ２２は、第３リレーレ
ンズ１９の後側焦点位置と第４リレーレンズ２２の前側
焦点位置とが一致すると共に、第４リレーレンズ２２の
後側焦点位置と被検面に関する基準面（基板Ｗの表面と
基準面とが一致したときの検出点３の位置）とが一致す
るように設定されている。

【００５２】したがって、第２リレー光学系（１９〜２
２）は、第２番目の検出点側（物体側）及び第３番目の
検出点側（像側）に関して共にテレセントリックに構成
されている。

【００５３】なお、図１に於いては、第３リレーレンズ
群としての第３リレーレンズ１９及び第４リレーレンズ
群としての第４リレーレンズ２２をそれぞれ１枚のレン
ズとして示しているが、第３及び第４リレーレンズ群
（１９、２２）を複数のレンズで構成してよいことは言
うまでもない。

【００５４】さて、次に、以上の第２リレー光学系（１
９〜２２）によって第３番目の検出点３に光が照射され
ると、その検出点３からの反射光は、検出点３からの反
射光を所定の受光面上に集光する検出光学系（２３〜２
５）に入射する。

【００５５】ここで、この検出点３には、第３リレー光
学系（１９〜２２）により再結像されたスリット像が形
成される。そして、検出光学系２３〜２５は、第３番目
の検出点３に形成されたスリット像を所定の受光面に配
置された受光スリット板２６へ再結像（リレー）する機
能を有している。

【００５６】被検物体としての基板Ｗの表面（被検面）
が基準面（投影光学系ＰＬの結像面）と一致している場
合には、検出光学系（２３〜２５）は、第３番目の検出
点３と所定の受光面に配置された受光スリット板２６と
を光学的に共役に保っている。

【００５７】検出光学系（２３〜２５）は、被検面に関
する基準面（基板Ｗの表面と基準面とが一致したときの
検出点３の位置）に前側焦点が位置するように配置され
て、検出点３からの反射光を受光スリット板２６上に集
光する受光対物レンズ系２３と、その受光対物レンズ系
２３からの光を偏向（受光対物レンズ系２３の光軸をＺ
軸に平行な方向へ偏向）する振動ミラー２４と、受光対
物レンズ系２３及び振動ミラー２４を介した光を制限す
る開口絞り２５とを有している。

【００５８】なお、検出光学系２３〜２５又は受光対物
レンズ系２３は、第３番目の検出点側（物体側）及び受
光スリット板側（像側）に関して共にテレセントリック
に構成されている。

【００５９】また、検出光学系（２３〜２５）の像側に
は、所定の受光面での受光光の変位を光電検出する光電
検出部（２６〜２８）が配置されている。

【００６０】光電検出部（２６〜２８）は、所定の受光
面上に配置されて所定のスリット状の開口部を有する受
光スリット板２６と、その受光スリット板２６の開口部
を通過した光を集光する集光レンズ２７と、その集光レ
ンズ２７により集光された光を光電変換する光電変換素
子（光電検出器）としてのＳＰＤ２８を有している。

【００６１】なお、受光スリット板２６は、受光スリッ
ト板２６に形成されるスリット状の開口部の長手方向
と、検出光学系（２３〜２５）によって受光スリット板
２６（受光面）上に形成されるスリット像の長手方向と
が一致するように設定されている。

【００６２】また、図１に於いては、受光対物レンズ系
２３及び集光レンズ２７をそれぞれ１枚のレンズとして
示しているが、受光対物レンズ系２３及び集光レンズ２
７を複数のレンズで構成してよいことは言うまでもな
い。

【００６３】ここで、簡単に検出動作について述べる
と、振動ミラー２４は、ミラー駆動装置２９によりＹＸ
平面に平行な軸線回り（Ｘ₁ 軸線方向に平行な軸線回
り）に揺動（振動）させられる。そして、受光対物レン
ズ系２３により受光スリット板２６上に形成されるスリ
ット像は、この振動ミラーの作用によって、受光スリッ
ト板２６の開口部を横切る。したがって、ＳＰＤ２８
は、受光スリット板２６及び集光レンズ２７を通過した
光を光電検出し、その光電検出信号に基づいて後述する
コントローラ５１内部の演算装置によって同期検波の手
法によって基板Ｗの表面の平均的な位置（検出点１〜検
出点３の平均位置）が検出される。

【００６４】なお、図１に示した例では、振動ミラー２
４を用いて同期検波によって基板Ｗの表面の位置を検出
する手法を示しているが、この手法に限ることはない。
例えば、受光スリット板２６と集光レンズ２７とＳＰＤ
２８とを取り除き、検出光学系２３〜２５によって形成
されるスリット像（結像）の位置（受光スリット板２６
が配置されていた位置）にコントローラ５１内部の演算
装置と電気的に接続されたＣＣＤ等の撮像素子を用いて
も基板Ｗの表面の平均的な位置の検出をすることが可能
である。この場合、振動ミラー２４は光路を偏向させる
単なる固定ミラーとして用いられる。

【００６５】次に図１を参照して、本実施の形態の作用
を説明する。不図示のレチクル照明用光源からの光で照
明系９を介し、レチクルＲが照明される。照明されたレ
チクルＲ上のパターンは、投影光学系のレンズＰＬによ
り、レチクルＲと共役な位置に載置されたプレート基板
Ｗに投影露光される。この時、基板Ｗの変位を計測する
ことにより、基板ＷをＺ軸方向に平行移動させ、所定の
位置に合わせ込むことになる。

【００６６】また、ＸＹステージ駆動装置ＳＴＤを、表
面変位検出装置の検出値に応じて駆動しＸＹステージＳ
ＴのＺ軸方向の高さを調節するコントローラ５１が設け
られており、ＳＰＤ２８からの信号を受信し、ＸＹステ
ージ駆動装置ＳＴＤに制御信号を送る。コントローラ５
１は、ＳＰＤ２８からの出力に基づいて検出点１、２、
３の平均的な変位を演算する演算装置を含んで構成され
ている。

【００６７】基板Ｗの表面の平均的な高さ即ちＺ軸方向
位置を計測する表面変位検出装置の主要部は、投影光学
系ＰＬと基板Ｗとの間に配置されている。この表面変位
検出装置をさらに説明する。

【００６８】不図示の位置に配置されたハロゲンランプ
等の光源からの光を、光ファイバー１０により表面変位
検出装置内に取り込み、その光でコンデンサーレンズ１
１により送光スリット板１２が照明される。照明された
スリット板１２は、送光対物レンズ系１４を介して、基
板Ｗ上の検出点１に結像される。

【００６９】更に、検出点１にて反射された反射光は、
リレーレンズ１５と、ミラー１６、ミラー１７、リレー
レンズ１８により、検出点２にスリットの像を再結像す
る。更に、検出点２にて反射されたスリットの像は、再
びリレーレンズ１９、ミラー２０、ミラー２１、リレー
レンズ２２を介して、本発明の第３番目の検出箇所であ
る検出点３に斜めに入射し、ここに再び結像される。

【００７０】更に、検出点３にて反射された光は、受光
系対物レンズ２３を介して、振動ミラー２４にて反射さ
れ、開口絞り２４を通過して受光スリット板２６の表面
の受光面上に、スリットの像を結像する。受光スリット
板２６を透過する光は、集光レンズ２７にてＳＰＤ２８
に導かれる。

【００７１】ここでリレーレンズの径等が大型にならな
い為に、リレーレンズ１５、１８とリレーレンズ１９、
２２は、両側テレセントリックになるように配置され
る。

【００７２】更に、リレーレンズ１５、１８とリレーレ
ンズ１９、２２がほぼ等倍であれば、検出点１、２、３
のＺ軸方向の変位の和をとることとなる。ここで振動ミ
ラー２４を用いているのは、いわゆる光電顕微鏡の原理
に基づく位相検波方式の検出を行うためである。

【００７３】コントローラ５１は、また受光素子２８か
ら出力される電気信号をミラー駆動装置２９によるミラ
ー２４の振動周波数で位相検波する。

【００７４】図２と図３は、それぞれ図１の平面図と図
１のＡＡ矢視図である。ここで投影光学系ＰＬの露光フ
ィールドが破線の正方形で示されている。通常液晶パネ
ルには、縦横の直線状のパターンが多く形成されてお
り、その直線状パターンは露光フィールドの正方形の各
辺に平行である。図２には、検出点１、２、３におい
て、各スリットが露光フィールドに対して４５度の方向
に投影されている様子が示されている。図３において
は、投影光学系ＰＬは上半部は省略して図示されてい
る。この点は、図５においても同様である。

【００７５】次に図４と図５を参照して、検出点の変位
がどのようにして光学的に加算されるかの原理について
説明する。図４は、検出点を検出点１と検出点２の２箇
所（Ｎ＝２）としたときの斜視図である。図４には、送
光スリット板１２から、受光スリット板２６までの光学
系を記載してある。また送光スリット板１２から、受光
スリット板２６まで光線の進む方向を示す矢印を、主光
線に付してある。実線は、再照射光学系（１５〜１８）
の光軸Ａｘを進む主光線Ｌ１を示し、ここでは基準光線
と呼ぶ。２点鎖線は、基準光線から横ずれを起こした主
光線Ｌ２を示す。

【００７６】また、図４及び図５に於いて、照射光学系
（送光スリット板１２から送光対物レンズ系１４までの
光学部材）からの送光光（照射光）を主光線Ｌ０として
示している。さらに、図４及び図５に示す構成要素に於
いて、図１の構成要素と同じ機能を持つ構成要素には同
じ符号を付してある。

【００７７】なお、図４及び図５で示す再照射光学系
は、１つのリレー光学系（１５〜１８）で構成される。

【００７８】図５は、図４のＢＢ矢視図であり、図４に
対応して光線の進む方向に矢印を付けてある。送光スリ
ット板１２からの光（主光線Ｌ０）は、送光対物レンズ
系１４により、基板Ｗ上の検出点１に結像される。

【００７９】ここで、図５において基板Ｗが基準位置
（投影光学系ＰＬの結像面または投影光学系ＰＬの合焦
位置）（点線で示す）に対してΔＺだけ（本発明の基準
面の法線方向である）下方向（投影光学系ＰＬから離れ
る方向）に動いた場合を考える。基準位置で反射した場
合は、当然受光スリット２６上に形成される送光スリッ
ト１２の像の位置は変化しない。次に、基板の表面（被
検面）がΔＺ下方にずれていたとすれば、検出点１に当
たった光Ｌ０は、図４では、２点鎖線で、図５では、実
線で示された反射光線Ｌ２となる。なお入射光線Ｌ０が
斜めに入射する角度、入射光線Ｌ０と投影光学系ＰＬの
光軸とのなす角度θは、典型的には約７０〜８０度であ
る。

【００８０】光線Ｌ２は、リレーレンズ１５では基準光
線Ｌ１よりも下方、即ち本発明の再照射光学系（１５〜
１８）の光軸Ａｘを含む所定面により２分される照射光
学系（１５〜１８）の一方の部分（光軸Ａｘよりも下側
の部分）に入射し、リレーレンズ１５の瞳位置Ｐ１にて
基準光線Ｌ１（または光軸Ａｘ）と交差し、即ち所定面
と交差し、リレーレンズ１８では基準光線Ｌ１よりも上
方に進むことになる。この光線Ｌ２は、リレーレンズ１
８を通り、基準光線Ｌ１よりも上方にあるまま検出点２
に到達することになる。ここで、前記所定面とは、検出
点１に向けて入射する光束の主光線Ｌ０に関する基準面
での入射面と直交し、かつ再照射光学系（１５〜１８）
の光軸Ａｘ（Ｌ１が通っている）を含む面である。

【００８１】これを換言すれば、図４及び図５の例で示
す所定面とは、被検面が基準位置と一致しているときの
検出点１、ミラー１６上でのリレー光学系（１５〜１
８）の光軸Ａｘの偏向点Ａ、ミラー１７上でのリレー光
学系（１５〜１８）の光軸Ａｘの偏向点Ｂ及び被検面が
基準位置と一致しているときの検出点２との４点で形成
される平面である。

【００８２】したがって、図５に示す所定面とは、リレ
ー光学系（１５〜１８）の光軸Ａｘを含み図５の紙面に
直交する平面である。

【００８３】このため、図５に示されるように、その所
定面は、被検面が基準面に対して基準面の法線方向（Ｚ
方向）にΔＺだけ変位した際に、第１番目の検出箇所
（検出点１）に向けて入射する光束の主光線Ｌ０に関す
る基準面での入射面（実線で示す被検面に入射する主光
線Ｌ０と、主光線Ｌ０が基準面と交差した位置での基準
面の法線（Ｚ方向）とを含んで形成される面、即ち図５
の紙面）と直交した関係となっている。

【００８４】このように、図４及び図５に示す再照射光
学系（１５〜１８）は、被検面が基準面の法線方向（Ｚ
方向）にΔＺだけ変位した際に、第１番目の検出箇所１
に向けて入射する光束の主光線Ｌ１に関する基準面での
入射面と直交し且つ再照射光学系（１５〜１８）の光軸
Ａｘを含む所定面により２分される再照射光学系（１５
〜１８）の一方の部分に向けて入射する第１番目の検出
点１からの主光線Ｌ２を、その所定面により２分される
再照射光学系（１５〜１８）の他方の部分から射出させ
て、第２番目の検出箇所２へ導く構成となっている。

【００８５】このような再照射光学系（１５〜１８）の
構成により、各検出箇所での基準面の法線方向に沿った
被検面の変位がそれぞれ所定量だけ加算されるような受
光光の変位を受光面（受光スリット板２６）上に形成す
ることができる。

【００８６】図５で、検出点２でのＺ軸方向の換算量Δ
１は、リレー光学系の倍率により異なるが、等倍であれ
ば、ΔＺと同等になる。更に、検出点２でも同様にΔＺ
だけ下方にずれていれば、光線Ｌ２は、このズレ量だ
け、加算されて、受光系対物レンズ２３に入射すること
になる。

【００８７】リレーレンズの倍率が等倍ではない場合に
は、検出点１のズレΔＺが検出点２上では、光学系の倍
率がかかり、ΔＺ×βとなり、更に、これに検出点２の
ΔＺが加算された量だけ受光スリット２６上で移動する
ことになり、検出点１の値に重み付けをしたことと等価
になる。

【００８８】また図１のように、基板Ｗ上の３点を検出
する場合は、リレーレンズ１５、１８の倍率をβ１倍、
リレーレンズ１９、２２の倍率をβ２倍、検出点１の変
位をΔＺ１、検出点２の変位をΔＺ２、検出点３の変位
をΔＺ３とすれば、検出点３で反射された光線の移動量
Δ’は、次の式で表される。

【００８９】 Δ’＝｛（ΔＺ１×β１＋ΔＺ２）×β２｝＋ΔＺ３また例えば、検出点２のみ２倍の重み付けを行うとき
は、β１＝１／２、β２＝２とすればよいことがわか
る。

【００９０】図６は、本発明の表面変位検出装置を２系
統配置した実施の形態である。これは、図１あるいは図
２に示されるような検出点を３点（検出点１、２、３）
持つ光学系に、図４に示されるような検出点を２点（検
出点４、５）持つ光学系を、光束の進行方向を９０度の
角度をもって、追加したものである。この実施の形態に
よれば、リレーレンズの倍率を等倍にした場合、投影光
学系ＰＬの露光フィールドの中心（検出点２）と４隅の
計５点の平均値が容易に求まることとなる。

【００９１】以上の実施の形態では、例えば図４におい
てリレーレンズ１５と１８の間には、ミラー１６と１７
が設けられている。しかしながら、要はリレーレンズ１
５と１８を介しながら検出点１から検出点２に向けて光
束を偏向すればよいのであって、ミラーは１枚、或いは
３枚以上であってもよい。例えば、図１においてミラー
１７を省いてミラー１６だけにした場合、偏向後の光束
の方向がＸ１軸に平行な方向ではなく、直接検出点２に
向かうようにミラー１６の傾きを調整すればよい。図１
においても同様であり、またリレーレンズ１９と２２、
ミラー２０と２１との関係も同様であって、ミラー２０
を省いてもよく、その場合はミラー２１の傾きを調整す
ればよい。

【００９２】図７は、検出フィールドが比較的小さな場
合に用いられる実施の形態である。これは、特開平５−
１２９１８２号公報に記載された焦点位置検出を応用し
た例である。

【００９３】また、図７の例では、再照射光学系は１つ
のリレー光学系（１５Ａ、１６Ａ）で構成され、後述す
る対物レンズ系（１４Ａ、１４Ｂ）は、照射光学系中の
送光対物レンズ系と検出光学系中の受光対物レンズ系と
を兼用するように構成されている。

【００９４】光源１０Ａの光により、コンデンサーレン
ズ１１を介して照明されたスリット１２の像は、ミラー
１３で基板Ｗに斜めに入射するように偏向され、両側テ
レセントリックになるように配置された、第２対物レン
ズ１４Ａと第１対物レンズ１４Ｂを介して検出点１Ａに
結像される。

【００９５】検出点１Ａにて反射された光束は、リレー
レンズ１５Ａを介し瞳ミラー１６Ａにて反射され、再び
リレーレンズ１５Ａを介して、検出点２Ａに再結像され
る。ここで、リレーレンズ１５Ａの後側焦点面に反射点
が来るように、瞳ミラー１６Ａが配置されている。スリ
ット１２の像が、検出点１Ａにおいて、長手方向が光軸
に直交する方向になるように、スリット板１２は配置さ
れており、かつ検出点２Ａにおけるスリットの像は、検
出点１Ａにおける像と、長手方向に直交する方向に間隔
をもって、長手方向が平行になるように、以上の光学系
の各要素は配置されている。

【００９６】検出点２にて反射された光束は、再び第１
対物レンズ１４Ｂ、第２対物レンズ１４Ａを介して、撮
像素子２８Ａの受光面上に結像する。撮像素子２８Ａと
しては、ＣＣＤ、ラインセンサ、ＴＤＩ等が用いられ
る。なお、この系では、スリット１２、受光素子２８Ａ
と、検出点１Ａと検出点２Ａとがアオリの関係、シャイ
ンプルーフの条件を満足するように配置されている。

【００９７】この実施の形態では、検出点を１Ａと２Ａ
の２つにしているが、当然それ以上であってもよいし、
本実施の形態では、撮像素子２８Ａを受光素子として用
いているが、先の実施の形態と同様に、振動ミラーによ
る光電顕微鏡の方式を用いてもよい。

【００９８】図８は、図４で説明した実施の形態に、補
助リレー光学系（３０、３１、３３、３４）を追加した
場合の実施の形態である。この実施の形態では、基板Ｗ
上の検出点１の変位と検出点２の変位との差も併せて求
めることが可能となる。

【００９９】図８で、送光スリット１２からミラー１６
Ａ、ミラー１７Ａを経て受光スリット２６に到る光学系
の構成は、図４の場合と同様である。但し、ミラー１６
とミラー１７がそれぞれハーフミラー１６Ａとハーフミ
ラー１７Ａとに置き代えられている。また、ハーフミラ
ー１６Ａを透過した光束を集光するリレーレンズ３０、
それを介した光束をＸ₁方向に偏向するミラー３１、偏
向された光束をさらにハーフミラー１７Ａ方向に偏向す
るミラー３３、ミラー３３とハーフミラー１７Ａとの中
間には、リレーレンズ３４が配置されている。ミラー３
１とミラー３３との間には、中間結像点Ｐがある。

【０１００】また、ハーフミラー１６Ａとリレーレンズ
３０との間の瞳Ｐ３には、不図示のシャッター３２３が
設けられ、ハーフミラー１６Ａとハーフミラー１７Ａと
の間の瞳Ｐ１には、不図示のシャッター３２１が設けら
れている。

【０１０１】図８を参照して、本実施の形態の作用を説
明する。まず不図示の光源からの照明光で送光スリット
板１２が照明され、送光スリット板１２のスリットから
の光（光線Ｌ０）はミラー１３、送光対物レンズ系１４
を介して検出点１に結像される。検出点１で反射された
光（主光線Ｌ２）は、リレーレンズ１５を経由して、第
１の光分割部材としてのハーフミラー１６Ａで反射さ
れ、さらにその光（主光線Ｌ２）は第２の光分割部材と
してのハーフミラー１７Ａで反射され、リレーレンズ１
８を介して検出点２に再結像される。検出点２で反射さ
れた光（主光線Ｌ２）は、受光系対物レンズ２３によ
り、ミラー２４、開口絞り２５を経由して、受光スリッ
ト２６上に、スリット１２の像を再結像する。この光路
は、図８では２点鎖線で示されている。ここまでは図４
とほぼ同様である。

【０１０２】次に、ハーフミラー１６Ａを透過した光
（主光線Ｌ３）を考える。ハーフミラー１６Ａを透過し
た光（主光線Ｌ３）は、第１の補助リレーレンズ群とし
てのリレーレンズ３０により、また第１の補助偏向部材
としてのミラー３１により偏向されて後、検出点１と共
役な点Ｐに中間結像をする。更に、第２の補助偏向部材
としてのミラー３３により偏向され、第２の補助リレー
レンズ群としてのリレーレンズ３４を介して、ハーフミ
ラー１７Ａを透過し、瞳Ｐ１を経て来た光と合成され、
リレーレンズ１８により、検出点２にスリットの像を再
結像する。

【０１０３】更に、検出点２のスリット像（主光線Ｌ３
によるスリット像）は受光系対物レンズ２３を介して受
光スリット板２６上に結像されることになる。この時の
光路は、図８では点線で示されている。ここで例えば、
リレーレンズ１５、リレーレンズ３０とリレーレンズ１
８、リレーレンズ３４とで決定される検出点１と検出点
２間の倍率が等倍であれば、検出点１に対する検出点２
の高さを検出することが可能になる。

【０１０４】以上のように、第１リレーレンズ１５、ハ
ーフミラー１６Ａ、補助リレー光学系、ハーフミラー１
６Ａ及び第１リレーレンズ１５を介した光を検出光学系
（２３〜２５）を介して１部不図示の光電検出部（２６
〜２８）へ導くことにより、不図示のコントローラ５１
の演算装置にて検出点１と検出点２との差、即ち被検面
の傾き等を検出することができる。

【０１０５】ここで、補助リレー光学系（３０、３１、
３３、３４）についての光学的な作用について図８を参
照しながら説明する。なお、補助リレー光学系（３０、
３１、３３、３４）の作用を説明する際に、第１リレー
レンズ群としての第１リレーレンズ１５、補助リレー光
学系（３０、３１、３３、３４）及び第２リレーレンズ
群としての第２リレーレンズ１８を１つの合成光学系と
見なす。

【０１０６】今、基板Ｗの表面（被検面）が基準面（投
影光学系の結像面）に対して変位しているとすると、照
射光学系（１２〜１４）によって第１番目の検出点１へ
照射された光（主光線）Ｌ０は、変位した基板Ｗの表面
の第１番目の検出点１にて反射されて、反射光（主光
線）Ｌ３として第１リレーレンズ１５に入射する。即
ち、この反射光（主光線）Ｌ３は、合成光学系（１５、
１８、３０、３１、３３、３４）の光軸Ａｘを含む所定
面により２分される合成光学系（１５、１８、３０、３
１、３３、３４）の一方の部分（光軸Ａｘよりも下側の
部分）に入射する。

【０１０７】この入射光線（主光線）Ｌ３は、第１リレ
ーレンズ１５の瞳Ｐ３にて光軸Ａｘ（又は基準光線Ｌ
１）と交差（所定面と交差）して、光軸Ａｘ（又は基準
光線Ｌ１）よりも上方に進む。その後、光線（主光線）
Ｌ３は、第１の補助リレーレンズ３０の上方を通過する
ことにより、光軸Ａｘ又は基準光線Ｌ１とほぼ平行な光
線に変換され、２つのミラー（３１、３３）を介して第
２の補助リレーレンズ３４の上方から入射する。

【０１０８】その後、第２の補助リレーレンズ３４を通
過した光線（主光線）Ｌ３は、第２の補助リレーレンズ
３４により形成される瞳位置Ｐ４にて光軸Ａｘ（又は基
準光線Ｌ１）と交差（所定面と交差）して、光軸Ａｘ
（又は基準光線Ｌ１）よりも下方に進む。

【０１０９】その後、光線（主光線）Ｌ３は、第２のリ
レーレンズ１８の下方を通過することにより、光軸Ａｘ
又は基準光線Ｌ１とほぼ平行な光線に変換され、検出点
２に向けて導かれる。

【０１１０】ここで、図８の例で言う所定面とは、被検
面が基準位置と一致しているときの検出点１、ミラー３
１上での補助リレー光学系（３０、３１、３３、３４）
の光軸Ａｘの偏向点Ｃ、ミラー３３上での補助リレー光
学系（３０、３１、３３、３４）の光軸Ａｘの偏向点Ｄ
及び被検面が基準位置と一致しているときの検出点２と
の４点で形成される平面である。

【０１１１】また、その所定面は、被検面が基準面に対
して基準面の法線方向（Ｚ方向）にΔＺだけ変位した際
に、第１番目の検出箇所（検出点１）に向けて入射する
光束の主光線Ｌ０に関する基準面での入射面（被検面に
入射する主光線Ｌ０と、主光線Ｌ０が基準面と交差した
位置での基準面の法線（Ｚ方向）とを含んで形成される
面）と直交した関係となっている。

【０１１２】したがって、図８に示す合成光学系（１
５、１８、３０、３１、３３、３４）は、被検面が基準
面の法線方向（Ｚ方向）のΔＺだけ変位した際に、第１
番目の検出箇所１に向けて入射する光束の主光線Ｌ０に
関する基準面での入射面と直交し且つ合成光学系の光軸
Ａｘを含む所定面により２分される合成光学系の一方の
部分に向けて入射する第１番目の検出点１からの主光線
Ｌ３を、その所定面により２分される合成光学系の一方
の部分から射出させて、第２番目の検出箇所２へ導く構
成となっている。

【０１１３】このような合成光学系（１５、１８、３
０、３１、３３、３４）の構成により、第１検出箇所１
での基準面の法線方向に沿った被検面の変位と第２検出
箇所に２での基準面の法線方向に沿った被検面の変位と
の差に対応する受光光の変位を受光面（受光スリット板
２６）上に形成することができる。

【０１１４】検出点１と検出点２の変位の和、または、
差の検出は、ハーフミラー１で分割された光路にシャッ
ター３２１、３２３を設け、切り替えを行えば良い。シ
ャッター３２１、３２３は、例えば図９に示されるよう
な２葉のシャッター３２を２個用意し、これをハーフミ
ラー１６Ａとハーフミラー１７Ａとの中間の瞳の位置Ｐ
１と、ハーフミラー１６Ａとリレーレンズ３０との間の
瞳の位置Ｐ３とに設けて、同期させて一方を開としたと
きは他方を閉とするようにすれば、検出点１と検出点２
との変位の和と差が交互に求められる。シャッターの位
置は、瞳の位置に限らず、それぞれの光学系の光の進路
を遮る位置ならどこでもよい。例えば、ミラー３１とミ
ラー３３の中間の中間像の位置Ｐであってもよい。

【０１１５】図９のシャッター３２は、２葉の場合であ
り、その中心３２Ａを軸にして回転できるように構成さ
れている。３２Ｂと３２Ｃとが対称な銀杏の葉状の形状
をしており、銀杏の葉のへたの部分で結合して一体にな
り、結合部に中心３２Ａがある。各葉３２Ｂ、３２Ｃの
中心あるいは、葉の無い部分（図中破線の円部分）に光
束の断面がくるように装置中に組み込む。葉３２Ｂ、３
２Ｃの部分が光路に一致すると光を遮断し、葉３２Ｂと
３２Ｃとの間、葉の無い部分に光路があるときには、光
を通す。

【０１１６】この実施の形態では、ハーフミラー１６
Ａ、１７Ａによる光量低下を防ぐために、これらの代わ
りにダイクロイックミラーを用い、和の検出と差の検出
を波長によって分離することも可能である。また、偏光
ビームスプリッターを用い、和の検出と差の検出をＰ偏
光とＳ偏光に分離してもよい。

【０１１７】更に、不図示ではあるが、例えば、中間結
像点Ｐを挟むリレーレンズ３０とリレーレンズ３４との
間に光軸をシフトさせる光学部材、平行平面板を傾斜さ
せて挿入し、差の検出光を予めオフセットを持たせ、更
に、受光スリットに分割センサーや、ＣＣＤのような撮
像素子を用いることにより、同時に和と差を検出するこ
とも可能である。例えば、検出点が２点の場合には、和
と差を検出することにより、各検出点の変位を求めるこ
とができる。即ち、２点の平均的変位だけでなく２点間
の傾きも求めることができる。

【０１１８】以上のように検出点１と検出点２といった
隣同士の検出点間の光学系の瞳の数が奇数の場合に、２
点間の変位の和を計測することが可能になる。隣同士の
検出点間の光学系の瞳の数が偶数の場合には一般的には
変位の差を検出できることになる。

【０１１９】但し、像の上下を反転させるようにしたダ
ハミラー等の光学部材を用いれば、上記一般解とは別に
特殊な解として光学系が偶数の瞳を持つと共にダハミラ
ー等の光学部材を持つ構成としても２点の変位の和をと
ることが可能になる。

【０１２０】全てを含めれば隣同士の検出点間で、初め
ての検出点からの光をリレーする光学系の光軸に対して
上又は下を通る場合に、次の検出点へ入射する光学系を
射出した光はこの光学系の光軸に対して先の光学系と反
転した方向となる場合に変位の和を計測できることにな
る。

【０１２１】ダハミラー等の光学部材を含む場合は、一
般的には、瞳の数（瞳では光の上下反転がある）とダハ
ミラー等による上下反転の数の合計が奇数の場合は和、
偶数の場合は差を検出できる。ここで上下反転とは、本
発明の、所定面により２分された２つの空間部分の一方
から他方に主光線が入れ替わることをいう。

【０１２２】即ち、本発明でいうところの被検面が基準
面の法線方向に変位した際に第１の検出箇所（例えば検
出点１）に入射する光束の主光線に関する入射面と直交
しかつ再照射光学系の光軸を含む所定面により２分され
る再照射光学系の一方の部分に向けて入射する主光線
を、前記所定面により２分される再照射光学系の他方の
部分から射出させて次の検出箇所（例えば検出点２）に
入射させるように、再照射光学系が構成されていれば、
光線は第１の検出箇所と次の検出箇所との変位を合計し
た情報を含むことになる。

【０１２３】ここで、ダハミラーとは、面角が９０度の
屋根形に配置された反射面をもつミラーであり、屋根形
をした面での反射により、像は上下左右が同時に反転
し、レンズによる倒立像を正立像に変えることができ
る。ダハプリズムもこの一種である。

【０１２４】また、以上のような表面変位検出装置を備
える投影露光装置のＸＹステージＳＴ上に、半導体デバ
イス用の感光性基板を載置し、表面変位検出装置により
基板の表面の平均的な変位を検出して、検出された平均
的な変位に基づいて、基板をＺ軸方向に移動し合焦した
後、感光性基板の表面上に露光を行うことにより、半導
体デバイスを製造することができる。この方法によれ
ば、感光性基板の平均的変位或いは傾きが検出でき、そ
れに基づいて露光装置の合焦ができるので、液晶表示装
置のように大型のデバイスも、比較的コンパクトな装置
で製造できる。従って、良好なる液晶表示装置やその他
の半導体デバイスを製造することができる。

【０１２５】また、液晶表示装置またはその他の半導体
デバイスを製造する際に、レチクルＲのパターンを投影
光学系ＰＬを介して露光する露光工程は、表面変位検出
装置にて基板Ｗの位置を検出する工程を完了した後に行
うことに限らず、表面変位検出装置にて基板Ｗの位置を
検出する工程と同時に行っても良い。

【０１２６】また、以上のような本発明の表面変位検出
工程によれば、良好なる液晶表示装置や半導体デバイス
を製造することができる。

【０１２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の検
出位置の変位情報を等倍のリレーレンズを用いて加算す
る場合は、計測値を検出点の数で割ることにより各検出
点の平均値を容易に算出することができ、またリレー光
学系の倍率を変更すれば各検出点に重みを加えることが
可能になる。更に、基板上の第１の検出点と第２の検出
点、更に多くの検出点がある場合であっても、時分割等
で制御することなく、複数の検出位置の変位情報を加算
している一つの検出光を受光することにより、スループ
ットのロスを防ぐことができ、当然、一つの光源に対し
て、一つの光電変換素子を有する場合でも、その時の検
出点は複数であることから、大幅なコストダウンと、コ
ンパクトな平均変位検出装置を実現できる。また、第４
の光学系を追加することによって、２点間の差、即ち傾
きを求めることもできる。

【０１２８】また、以上のような本発明の表面変位検出
装置を備える露光装置を用いれば、良好なる液晶表示装
置やその他の半導体デバイスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である、検出点が３点の
場合の表面変位検出装置を組み込んだ投影露光装置の構
成図である。

【図２】図１の投影光学系と基板との間から基板を見た
平面図である。

【図３】図１のＡＡ矢視図である。

【図４】本発明の検出点が２点の場合の表面変位検出装
置の斜視図である。

【図５】図４のＢＢ矢視図である。

【図６】本発明の別の実施の形態である、検出点が３点
と検出点が２点の表面変位検出装置を組み合わせた場合
の平面図である。

【図７】本発明のさらに別の実施の形態の側面図であ
る。

【図８】本発明の、検出点の変位の和の他に差を求める
ことのできる、実施の形態の斜視図である。

【図９】本発明に用いる、シャッターの正面図である。

【符号の説明】

１、２、３、４、５検出点１２送光スリット板１４送光系対物レンズ１５、１８リレーレンズ２３受光系対物レンズ２６受光スリット板３０、３４リレーレンズＳＴＸＹステージＳＴＤＸＹステージ駆動装置Ｗ基板ＲレチクルＰＬ投影光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の基準面に対する被検面の変位を検
出する表面変位検出装置において；被検面上のＮ個（但
し、Ｎは２以上の整数）の検出箇所のうちの第１番目の
検出箇所に向けて光を照射する照射光学系と；前記照射
光学系からの光が前記Ｎ個の検出箇所の全てを経由する
ように、前記第１番目の検出箇所で反射した光に基づ
き、前記被検面のＮ−１個の検出箇所を再照射する再照
射光学系とを有し；前記被検面上の第Ｎ番目の最終検出
箇所から反射した光を受光面上に集光する検出光学系
と；前記受光面での受光光の変位を光電的に検出する光
電検出部とを有することを特徴とする；表面変位検出装
置。
【請求項２】前記再照射光学系は、前記各検出箇所で
の前記基準面の法線方向に沿った前記被検面の変位がそ
れぞれ所定量だけ加算されるような受光光の変位を前記
受光面上に形成することを特徴とする、請求項１に記載
の表面変位検出装置。
【請求項３】前記再照射光学系は、前記第１番目の検
出箇所で反射した光を前記被検面上の第２番目の検出箇
所へ導くリレー光学系を有し；前記検出光学系は、前記
第２番目の検出箇所から反射した光を前記受光面上に集
光し；前記リレー光学系は、前記第１番目の検出箇所で
の前記基準面の法線方向に沿った前記被検面の変位と前
記第２番目の検出箇所での前記基準面の法線方向に沿っ
た前記被検面の変位とがそれぞれ所定量だけ加算される
ような受光光の変位を前記受光面に形成することを特徴
とする、請求項２に記載の表面変位検出装置。
【請求項４】前記再照射光学系は、前記第１番目の検
出箇所で反射した光を前記被検面上の第２番目の検出箇
所へ導く第１のリレー光学系と、前記第２番目の検出箇
所で反射した光を前記被検面上の第３番目の検出箇所へ
導く第２のリレー光学系とを有し；前記検出光学系は、
前記第３番目の検出箇所から反射した光を前記受光面上
に集光し；前記第１及び第２のリレー光学系は、前記第
１番目乃至前記第３番目の検出箇所での前記基準面の法
線方向に沿った前記被検面の変位がそれぞれ所定量だけ
加算されるような受光光の変位を前記受光面に形成する
ことを特徴とする、請求項２に記載の表面変位検出装
置。
【請求項５】前記再照射光学系は、前記被検面が前記
基準面の前記法線方向に変位した際に、前記第１番目の
検出箇所に入射する光束の主光線に関する前記基準面で
の入射面と直交しかつ前記再照射光学系の光軸を含む所
定面により２分される前記再照射光学系の一方の部分に
向けて入射する前記主光線を、前記所定面により２分さ
れる前記再照射光学系の他方の部分から射出させて前記
第Ｎ番目の検出箇所へ導くように構成されていることを
特徴とする、請求項１または請求項２に記載の表面変位
検出装置。
【請求項６】前記リレー光学系は、前記被検面が前記
基準面の前記法線方向に変位した際に、前記第１番目の
検出箇所に入射する光束の主光線に関する前記基準面で
の入射面と直交しかつ前記リレー光学系の光軸を含む所
定面により２分される前記リレー光学系の一方の部分に
向けて入射する前記主光線を、前記所定面により２分さ
れる前記リレー光学系の他方の部分から射出させて前記
第２番目の検出箇所へ導くように構成されていることを
特徴とする、請求項３に記載の表面変位検出装置。
【請求項７】前記第１のリレー光学系は、前記被検面
が前記基準面の前記法線方向に変位した際に、前記第１
番目の検出箇所に入射する光束の主光線に関する前記基
準面での第１の入射面と直交しかつ前記第１のリレー光
学系の光軸を含む第１の所定面により２分される前記第
１のリレー光学系の一方の部分に向けて入射する前記主
光線を、前記第１の所定面により２分される前記第１の
リレー光学系の他方の部分から射出させて前記第２番目
の検出箇所へ導くように構成され；前記第２のリレー光
学系は、前記被検面が前記基準面の前記法線方向に変位
した際に、前記第２番目の検出箇所に入射する光束の主
光線に関する前記基準面での第２の入射面と直交しかつ
前記第２のリレー光学系の光軸を含む第２の所定面によ
り２分される前記第２のリレー光学系の一方の部分に向
けて入射する前記主光線を、前記第２の所定面により２
分される前記第２のリレー光学系の他方の部分から射出
させて前記第３番目の検出箇所へ導くように構成されて
いることを特徴とする、請求項４に記載の表面変位検出
装置。
【請求項８】前記リレー光学系は、前記第１番目の検
出箇所での前記基準面の法線方向に沿った前記被検面の
変位と前記第２番目の検出箇所での前記基準面の法線方
向に沿った前記被検面の変位とに所定の重み付けを行う
量に応じた光学倍率を有することを特徴とする、請求項
３または請求項６に記載の表面変位検出装置。
【請求項９】前記第１及び第２のリレー光学系は、前
記第１番目の検出箇所での前記基準面の法線方向に沿っ
た前記被検面の変位、前記第２番目の検出箇所での前記
基準面の法線方向に沿った前記被検面の変位、及び前記
第３番目の検出箇所での前記基準面の法線方向に沿った
前記被検面の変位に所定の重み付けを行う量に応じた光
学倍率をそれぞれ有することを特徴とする、請求項４ま
たは請求項７に記載の表面変位検出装置。
【請求項１０】前記リレー光学系は、前記第１番目の
検出箇所で反射した光を集光する第１リレーレンズ群
と、前記第１リレーレンズ群を介した光を集光する第２
リレーレンズ群と、前記第１リレーレンズ群と前記第２
リレーレンズ群との間にそれぞれ配置された第１及び第
２の光分割部材とを有し；前記第１の光分割部材により
分割された光を集光して前記第２の光分割部材へ導く補
助リレー光学系を配置し；前記第１リレーレンズ群、前
記補助リレー光学系、前記第２リレーレンズ群及び前記
検出光学系を介して前記受光面に導かれる光は、前記補
助リレー光学系によって、前記第１番目の検出箇所での
前記基準面の法線方向に沿った前記被検面の変位と前記
第２番目の検出箇所での前記基準面の法線方向に沿った
前記被検面の変位との差に対応する変位を付与されるこ
とを特徴とする、請求項３に記載の表面変位検出装置。
【請求項１１】前記第１リレーレンズ群、前記補助リ
レー光学系及び第２リレーレンズ群の合成光学系は、前
記被検面が前記基準面の前記法線方向に変位した際に、
第１番目の検出箇所に入射する光束の主光線に関する前
記基準面での第３の入射面と直交しかつ前記合成光学系
の光軸を含む第３の所定面により２分される前記合成光
学系の一方の部分に向けて入射する前記主光線を、前記
第３の所定面により２分される前記合成光学系の前記一
方の部分から射出させて前記第２番目の検出箇所へ導く
ように構成されることを特徴とする；請求項１０に記載
の表面変位検出装置。
【請求項１２】前記リレー光学系は、前記第１の検出
箇所で反射した光を前記第２番目の検出箇所へ向けて偏
向させる偏向部材と、前記第１番目の検出箇所と前記第
２番目の検出箇所とを実質的に共役にする２つのリレー
レンズ群を有することを特徴とする；請求項３、請求項
６、請求項８のいずれか１項に記載の表面変位検出装
置。
【請求項１３】前記照射光学系は、所定のパターンを
有する送光スリット板と、該所定のパターンを前記第１
番目の検出箇所に投影する送光対物レンズ系とを有し；
前記光電検出部は、前記受光面上に配置された受光スリ
ット板と、該受光スリット板を介した光を光電変換する
光電検出器を有し；前記検出光学系は、前記受光面上に
形成される前記所定のパターンの像が前記受光スリット
板を横切るように振動する振動ミラーを有することを特
徴とする；請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記
載の表面変位検出装置。
【請求項１４】前記光電検出部からの出力に基づいて
前記被検面の平均的な変位を演算する演算装置をさらに
備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項１３のい
ずれか１項に記載の表面変位検出装置。
【請求項１５】請求項１乃至請求項１４のいずれか１
項に記載の表面変位検出装置を備える露光装置を提供す
る工程と；前記表面変位検出装置の前記被検面の位置に
感光性基板を載置する工程と；前記表面変位検出装置に
より前記感光性基板の表面の平均的変位を検出する工程
と；前記検出された感光性基板の表面の平均的位置の情
報に基づいて、前記感光性基板の位置を補正する工程
と；前記感光性基板の表面に露光を行う工程とを備え
る；半導体デバイスの製造方法。