JPH1126359A

JPH1126359A - 面位置検出装置、該装置を備えた露光装置、及び該装置を用いたデバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH1126359A
Application number: JP9183311A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度に、且つ高速に被検面の面位置を検出
する。【解決手段】照明光源２２Ａ，２２Ｂからの検出光よ
りヘテロダインビーム生成光学系２４を介して所定の周
波数差を有する２光束ＬＢ１，ＬＢ２を生成する。２光
束ＬＢ１，ＬＢ２から基準ビーム発生用プリズム２７を
介して分離した干渉光を基準信号生成部３３で受光して
基準ビート信号を生成する。２光束ＬＢ１，ＬＢ２を送
光対物系２９を介して所定の交差角でウエハＷの表面Ｗ
ａに照射し、表面Ｗａから反射された２光束ＬＢ１，Ｌ
Ｂ２を検出対物系３４を介して受光ビーム合成用プリズ
ム３７に導き、受光ビーム合成用プリズム３７で分離さ
れたヘテロダインビームを受光信号生成部４２で受光し
て検出ビート信号を生成する。検出ビート信号と基準ビ
ート信号とを比較することによって、表面Ｗａの投影光
学系ＰＬの像面からのデフォーカス量を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検面の高さ方向
（法線方向）の位置を検出するための面位置検出装置、
例えば半導体素子や液晶表示素子等を製造するためのリ
ソグラフィ工程において、その面位置検出装置を例えば
焦点位置検出系（ＡＦセンサ）として使用する露光装
置、及びこの露光装置を用いたデバイスの製造方法に関
する。なお、本発明では、半導体素子、液晶表示素子、
薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）等を総称して、デ
バイスと呼ぶ。

【０００２】

【従来の技術】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投影光学系を介してフォト
レジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）
上の各ショット領域に転写するために、従来よりステッ
プ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置（ステ
ッパー）が多用されている。最近は、投影光学系を更に
大型化することなく大面積のパターンを高精度に転写す
るために、ステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影
型露光装置も使用されつつある。

【０００３】この種の投影露光装置では、解像度を高め
るために開口数が大きく、その結果として焦点深度の浅
い投影光学系が使用されているため、従来よりウエハの
表面を投影光学系の像面に対して焦点深度の範囲内に合
わせ込む（合焦させる）ためのオートフォーカス機構が
備えられている。このオートフォーカス機構は、例えば
フォトレジストに対して非感光性の照明光を投影光学系
の光軸に対して斜めにウエハ表面に照射し、その反射光
を受光することによって、ウエハ表面の像面からのデフ
ォーカス量を検出する斜入射方式の焦点位置検出系（以
下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）と、このＡＦセンサの検出
結果に基づいてウエハのフォーカス位置（投影光学系の
光軸方向の位置）を制御するステージ系と、を有してい
る。従来のＡＦセンサとしては、以下の（ａ）〜（ｃ）
が知られている。

【０００４】（ａ）特開平５−１２９１８２号公報に開
示されたセンサこのセンサは、被検面の２次元的な計測領域に斜め方向
からスリット状のパターンを投影し、更にその像をＣＣ
Ｄ等の２次元撮像素子上に再結像させて、その像の各部
の横ずれ量に基づいてその被検面の２次元的な面位置
（ここでは、法線方向の位置）の分布を計測している。
また、被検面に斜めにスリット状のパターンを投影して
いることから、そのまではその被検面との共役面は、光
軸に垂直な面から大きく傾斜したアオリ面となるため、
撮像面をそのアオリ面に平行に設置すると、撮像面での
検出光の照度が低下する。そこで、そのセンサは、その
アオリ面を回折格子等を用いて、できるだけ光軸に垂直
な面に変換している。

【０００５】（ｂ）特開平６−９７０４５号公報に開示
されたセンサこのセンサも、（ａ）のセンサと同様にスリット状のパ
ターンを被検面に投影しているが、その像を受光スリッ
ト上に再結像させて、受光スリットを通過した検出光を
受光している。そして、その再結像した像の横ずれ量を
検出するために、その像を振動ミラーによって振動させ
ている。また、オアリ面を光軸に垂直な面に近付けるた
めにプリズムを使用している。

【０００６】（ｃ）特開平６−１８８１７２号公報に開
示されたセンサ投影光学系の露光フィールドの中心の一点での被検面の
面位置を検出するために、第１の回折格子のパターンを
被検面に投影し、その第１の回折格子のパターンを第２
の回折格子上に再結像し、その第２の回折格子を通過し
た照明光を受光している。従って、このセンサは実質的
に（ｂ）のセンサとほぼ等価であり、スリットパターン
を回折格子で置き換えたものである。但し、この（ｃ）
のセンサでは、回折格子の投影パターンの被検面の変位
による横ずれ量を検出するために、被検面からの反射光
を偏光子、複屈折素子（サバール板）、偏光変調素子、
及び検光子を介して受光している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、何れもスリット状のパターン、又は回折格
子のパターンを被検面に投影し、そのパターンの再結像
された像の横ずれ量からその被検面の面位置を検出して
いる。しかしながら、（ａ）のセンサでは、撮像素子上
に再結像されたパターンの像の横ずれ量を直接検出して
いるため、必要な分解能を得るためには再結像系を高倍
率にする必要があり、その結果、センサの大型化を招く
不都合がある。また、撮像素子の大きさによって検出領
域の大きさが制限されると共に、撮像素子の画素数が多
くなると信号処理時間が長くなるために、検出時間を短
くすることが難しいという不都合もある。

【０００８】また、（ｂ）のセンサでは、比較的低倍率
でも必要な検出精度が確保できるが、投影パターンを受
光スリット上にかなり精度よく結像させる必要がある。
そこで、検出領域が広くなって複数の計測点での面位置
を計測する場合には、複数の投影パターンと受光スリッ
トとを合わせる必要があって、光学系の調整が難しくな
る不都合がある。また、振動ミラーを用いているため
に、（ａ）と同様に高速な検出を行うことは難しい。

【０００９】これに対して、（ｃ）のセンサは偏光変調
素子を使っているため比較的高速に検出できるが、被検
面の反射によって偏光状態が変わると検出精度が低下す
る恐れがある。また、第１の回折格子の投影像のピッチ
を第２の回折格子のピッチに対してほぼ正確に合わせる
必要があるため、光学系の調整が難しい不都合がある。
更に、（ｃ）では被検面のアオリを考慮していないため
に、１つの計測点の面位置を検出することは可能である
が、計測点を複数点化するのが困難であると共に、複数
点化すると検出誤差が生じる恐れがある。

【００１０】また、ＡＦセンサの検出速度に関して、最
近使用されつつあるステップ・アンド・スキャン方式の
投影露光装置では、ウエハ上のスリット状の露光領域に
対して走査方向に手前側の先読み領域内の複数の計測点
でフォーカス位置（面位置）を検出し（先読みし）、こ
の検出結果に基づいて露光領域内のウエハの表面を投影
光学系の像面に合焦させる制御も行われている。このよ
うにフォーカス位置を先読みして合焦を行う場合、走査
速度を高めて露光工程のスループットを高めるために
は、特にフォーカス位置の検出速度を高速化する必要が
ある。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、高精度に、且つ
高速に被検面の面位置を検出できる面位置検出装置を提
供することを第１の目的とする。また、本発明は、検出
用の光学系を大型化することなく面位置の検出分解能を
高めることができると共に、複数の計測領域（広い計測
領域）での面位置の分布も容易に検出できる面位置検出
装置を提供することを第２の目的とする。

【００１２】また、本発明は、そのような面位置検出装
置を備えて高精度、且つ高速にウエハ等の基板の表面を
投影光学系の像面に合焦できる露光装置を提供すること
を第３の目的とする。更に本発明は、そのような露光装
置を用いて高い解像度で回路パターンを形成できるデバ
イスの製造方法を提供することを第４の目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による面位置検出
装置は、被検面の高さ方向の面位置を検出する面位置検
出装置において、単色又は多色で所定の周波数差を有す
る可干渉な２光束（ＬＢ１，ＬＢ２）を被検面（Ｗａ）
に対して斜めに投射して、この被検面近傍でそれらの２
光束を集光する投射光学系（２２Ａ，２２Ｂ，２３，２
４，２６，２８，２９）と、その被検面で反射された２
光束をその被検面との共役面近傍で再び集光する集光光
学系（３４，３６）と、その共役面近傍でそれらの２光
束を合成して干渉光（ＬＢ１(+1)，ＬＢ２(-1)）を生成
する受光ビーム合成系（３７）と、この受光ビーム合成
系からの干渉光を受光して光電変換する信号検出系（４
０Ａ〜４０Ｃ，４１Ａ〜４１Ｃ，４２）と、を備え、こ
の信号検出系からの検出信号に基づいてその被検面の面
位置を検出するものである。

【００１４】斯かる本発明によれば、その被検面の上下
により、ヘテロダインビームよりなる２光束（ＬＢ１，
ＬＢ２）によって形成される干渉縞は、その被検面との
共役面の近傍に配置された受光ビーム合成系（３７）上
で横ずれする。そこで、受光ビーム合成系（３７）から
の干渉光をその信号検出系を介して光電変換して得られ
るビート信号の位相を所定の基準ビート信号の位相と比
較して、その干渉縞の横ずれ量を検出することによっ
て、その被検面の面位置（法線方向の位置）が検出でき
る。その基準ビート信号は、例えばその投射光学系内で
ヘテロダインビームを生成する音響光学素子等の駆動信
号からも生成できる。本発明では、２光束のヘテロダイ
ン干渉を用いているため、高精度に、且つ高速に面位置
が検出できる。

【００１５】この場合、その信号検出系は、そのビーム
合成系からの干渉光をその被検面上の複数の被検領域
（１４Ａ〜１４Ｃ）に対応して複数に分割して得られる
光束（ＬＢＡ〜ＬＢＣ）に対応して複数個の光電検出器
（４２ａ〜４２ｃ）を有し、これら複数個の光電検出器
からの検出信号に基づいてその被検面の複数の被検領域
（１４Ａ〜１４Ｃ）の面位置を独立に検出することが望
ましい。このように干渉光を複数の光束に分割するだけ
で、光学系を大型化することなく複数の計測領域（広い
計測領域）での面位置の分布が検出できる。

【００１６】また、その受光ビーム合成系は、その被検
面との共役面近傍に配置されそれら２光束（ＬＢ１，Ｌ
Ｂ２）の回折光（ＬＢ１(+1)，ＬＢ２(-1)）を同一方向
に回折させる格子状パターン（３７ｂ）を含むことが望
ましい。その格子状パターン（３７ｂ）を用いることに
よって、コンパクトな構成で２光束を実質的に同軸に合
成して干渉光を生成できる。

【００１７】また、その投射光学系よりそれら２光束
（ＬＢ１，ＬＢ２）の一部を分岐して得られる２光束
（ＬＡ１(+1)，ＬＡ２(-1)）の干渉光を光電変換して基
準信号を生成する基準信号発生系（２７，３０，３１Ａ
〜３１Ｃ，３２Ａ〜３２Ｃ，３３）を備え、その信号検
出系からの検出信号とその基準信号とを比較してその被
検面の面位置を検出するようにしてもよい。この場合、
一例としてその投射光学系内で被検面との共役面の近傍
に回折格子パターン（２７ｃ）が配置され、この回折格
子パターンから同一方向に発生する１対の回折光よりな
る干渉光（ヘテロダインビーム）が光電変換されて、基
準ビート信号（基準信号）が生成される。その基準信号
を用いることによって、その投射光学系に対する被検面
の相対変位が高精度に検出される。

【００１８】また、被検面に形成されている回路パター
ン等の線状パターン（ＣＰ）の影響を避けるためには、
検出用の２光束（ＬＢ１，ＬＢ２）が被検面で作る干渉
縞（４Ａａ）の長手方向がその線状パターンと非平行に
なるようにそれらの２光束を入射させることが望まし
い。また、本発明による露光装置は、本発明の面位置検
出装置と、マスク（Ｒ）に形成されたパターンの像を基
板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その基板
の位置決めを行うと共に、その基板の投影光学系（Ｐ
Ｌ）の光軸方向の位置を制御する基板ステージ（７，８
Ａ〜８Ｃ，９）と、を備え、その面位置検出装置で被検
面としてのその基板の表面の面位置を検出し、この検出
結果に基づいてその基板ステージを介してその基板の表
面を投影光学系（ＰＬ）の像面に合焦させるものであ
る。斯かる本発明の露光装置によれば、高精度、且つ光
束に合焦が行われる。

【００１９】この場合、その基板ステージと同期してそ
のマスクを移動するマスクステージ（５Ａ，５Ｂ）を更
に備え、露光時にそのマスクステージ及び基板ステージ
を介してそのマスク及びその基板を投影光学系（ＰＬ）
に対して同期して走査すると共に、その基板上で走査方
向に対して投影光学系（ＰＬ）による露光領域（３）よ
り手前側の先読み領域（４Ａ，４Ｂ）でその面位置検出
装置を介してその基板の表面の面位置を先読みし、この
ように先読みされた結果に基づいてその基板の表面の投
影光学系（ＰＬ）の像面に対する合焦を行うようにして
もよい。これは、本発明の面位置検出装置をステップ・
アンド・スキャン方式のような走査露光型の投影露光装
置の先読みセンサに適用したことを意味する。

【００２０】また、本発明によるデバイスの製造方法
は、本発明の露光装置を用いて所定の回路デバイスを製
造するためのデバイスの製造方法であって、その基板上
に感光材料を塗布する第１工程（ステップ１０３）と、
その面位置検出装置で検出される被検面としてのその基
板の表面の面位置に基づいて、その基板の表面を投影光
学系（ＰＬ）の像面に合焦させた状態で、そのマスクの
パターン像をその基板上に露光する第２工程（ステップ
１０４）と、その基板の現像を行う第３工程（ステップ
１０５）と、この現像後の基板上に回路パターンを形成
する第４工程（ステップ１０６）と、を有するものであ
る。本発明の製造方法によれば、基板上にマスクパター
ン像が合焦状態で高い解像度で投影されるため、最終的
に得られる回路パターンの線幅制御精度が向上する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。本発明の面位置検出装
置は、ステップ・アンド・リピート方式、又はステップ
・アンド・スキャン方式の何れの投影露光装置にも適用
できるが、以下では本発明をステップ・アンド・スキャ
ン方式の投影露光装置のＡＦセンサ（焦点位置検出系）
として適用した例につき説明する。

【００２２】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、露光光を発生する露光光源、
その露光光の照度分布を均一化するためのフライアイレ
ンズ、照明系開口絞り、リレーレンズ系、視野絞り（レ
チクルブラインド）、及びコンデンサレンズ系等を含む
照明光学系１から射出された露光光ＩＬは、レチクルＲ
のパターン面の矩形の照明領域２を照明する。露光光Ｉ
Ｌとしては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）等の
エキシマレーザ光、ＹＡＧレーザの高調波、又は水銀ラ
ンプのｉ線（波長３６５ｎｍ）等が使用できる。

【００２３】露光光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領
域２内のパターンの像は、投影光学系ＰＬを介して所定
の投影倍率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３
に反転投影される。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに
平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光時の
走査方向に直交する非走査方向（図１の紙面に平行な方
向）にＸ軸を取り、その走査方向（図１の紙面に垂直な
方向）にＹ軸を取って説明する。このとき、レチクルＲ
はレチクルステージ５Ａ上に保持され、レチクルステー
ジ５Ａはレチクルベース５Ｂ上にリニアモータ方式でＹ
方向に連続移動できると共に、Ｘ方向、Ｙ方向、回転方
向に微動できるように載置されている。レチクルステー
ジ５Ａの２次元的な位置はレチクルステージ駆動系６内
のレーザ干渉計によって計測され、この計測結果、及び
装置全体の動作を統轄制御する主制御系１２からの制御
情報に基づいて、レチクルステージ駆動系６内の制御部
がレチクルステージ５Ａの動作を制御する。

【００２４】一方、ウエハＷは不図示のウエハホルダを
介してＺチルトステージ７上に保持され、Ｚチルトステ
ージ７は、それぞれＺ方向に伸縮自在の３個のＺアクチ
ュエータ８Ａ〜８Ｃを介してＸＹステージ９上に載置さ
れ、ＸＹステージ９は不図示の定盤上に載置されてい
る。Ｚアクチュエータ８Ａ〜８Ｃとしては、駆動モータ
の回転を上下動に変換するカム機構、又は電歪素子等が
使用できる。Ｚチルトステージ７、Ｚアクチュエータ８
Ａ〜８Ｃ、及びＸＹステージ９よりウエハステージが構
成されている。マイクロプロセッサを含む合焦制御系１
３によって、Ｚアクチュエータ８Ａ〜８Ｃを並列に伸縮
させることによって、Ｚチルトステージ７（ウエハＷ）
のフォーカス位置（投影光学系ＰＬの光軸方向の位置、
即ちＺ方向の位置）を制御でき、Ｚアクチュエータ８Ａ
〜８Ｃを個別に伸縮させることによって、Ｚチルトステ
ージ７（ウエハＷ）の傾斜角を制御できる。また、ＸＹ
ステージ９は、例えばリニアモータ方式でＹ方向に連続
移動すると共に、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動する。
Ｚチルトステージ７の上端に固定された移動鏡１０ｍに
外部のレーザ干渉計１０からレーザビームが照射されて
いる。

【００２５】図４に示すように、移動鏡１０ｍは互いに
直交するＸ軸の移動鏡１０ｍＸ、及びＹ軸の移動鏡１０
ｍＹより構成され、Ｘ軸の移動鏡１０ｍＸにはＸ軸に平
行に１軸のレーザビームＬＢＸが照射され、Ｙ軸の移動
鏡１０ｍＹにはＹ軸に平行に２軸のレーザビームＬＢＹ
１，ＬＢＹ２が照射されている。そして、例えばレーザ
ビームＬＢＸ、及びＬＢＹ１によってＺチルトステージ
７（ウエハＷ）のＸ座標、及びＹ座標が計測され、レー
ザビームＬＢＹ１，ＬＢＹ２による計測値の差分よりＺ
チルトステージ７（ウエハＷ）の回転角が計測される。

【００２６】図１に戻り、レーザ干渉計１０による計測
値、及び主制御系１２からの制御情報に基づいてウエハ
ステージ駆動系１１がＸＹステージ９の動作を制御す
る。走査露光時には、レチクルステージ５Ａを介してレ
チクルＲが照明領域２に対して＋Ｙ方向（又は−Ｙ方
向）に速度ＶＲで走査されるのに同期して、ＸＹステー
ジ９を介してウエハＷが露光領域３に対して−Ｙ方向
（又は＋Ｙ方向）に速度β・ＶＲ（βは投影倍率）で走
査される。そして、ウエハＷ上の或るショット領域への
走査露光が終了した後、ＸＹステージ９をステッピング
させて、次のショット領域を走査開始位置に移動して走
査露光を開始するという動作がステップ・アンド・スキ
ャン方式で繰り返されて、ウエハＷ上の各ショット領域
への露光が行われる。

【００２７】このようにウエハＷ上の各ショット領域へ
の走査露光を行う際には、合焦制御系１３がＺアクチュ
エータ８Ａ〜８Ｃの伸縮量を制御することによって、オ
ートフォーカス方式、及びオートレベリング方式で矩形
の露光領域３内でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像
面に合わせ込む（合焦させる）必要がある。そして、ウ
エハＷの表面のフォーカス位置の分布情報を合焦制御系
１３に供給するために、投影光学系ＰＬに対して走査方
向の両側に斜入射方式のＡＦセンサ（焦点位置検出系）
が設置されている。

【００２８】図４に示すように、投影光学系ＰＬに対し
て−Ｙ方向の側面に投射光学系２１Ａ及び集光光学系２
１Ｂよりなる第１のＡＦセンサ（以下、「ＡＦセンサ２
１Ａ，２１Ｂ」と呼ぶ）が設置され、投影光学系ＰＬに
対して＋Ｙ方向の側面に投射光学系２０Ａ及び集光光学
系２０Ｂよりなる第２のＡＦセンサ（以下、「ＡＦセン
サ２０Ａ，２０Ｂ」と呼ぶ）が設置されている。そし
て、第１のＡＦセンサ２１Ａ，２１Ｂは、投影光学系Ｐ
Ｌによる露光領域３より−Ｙ方向側の先読み領域４Ａに
検出光を照射して、先読み領域４Ａ内の複数の計測領域
のフォーカス位置を検出する。一方、第２のＡＦセンサ
２０Ａ，２０Ｂは、投影光学系ＰＬによる露光領域４よ
り＋Ｙ方向側の先読み領域４Ｂ（図２（ａ）参照）に検
出光を照射して、先読み領域４Ｂ内の複数の計測領域の
フォーカス位置を検出する。

【００２９】従って、露光領域３に対してウエハＷが＋
Ｙ方向に走査される場合には、第１のＡＦセンサ２１
Ａ，２１Ｂによって先読み領域４Ａ内で検出されたフォ
ーカス位置の情報に基づいて合焦制御系１３が合焦制御
を行い、露光領域３に対してウエハＷが−Ｙ方向に走査
される場合には、第２のＡＦセンサ２０Ａ，２０Ｂによ
って先読み領域４Ｂ内で検出されたフォーカス位置の情
報に基づいて合焦制御系１３が合焦制御を行う。それら
２つのＡＦセンサの構成は同一であるため、以下では第
１のＡＦセンサ２１Ａ，２１Ｂの構成、及びフォーカス
位置の検出動作につき説明する。

【００３０】図１の第１のＡＦセンサ２１Ａ，２１Ｂの
投射光学系２１Ａにおいて、照明光源２２Ａ及び２２Ｂ
からは互いに異なる波長λ１の検出光Ｌ１、及び波長λ
２の検出光Ｌ２が射出されている。波長λ１，λ２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で
あり、照明光源２２Ａ，２２Ｂとしては、半導体レー
ザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ等が使用でき
る。このように２波長以上の多波長の検出光を用いるこ
とにより、被検面がフォトレジストのような薄膜で覆わ
れている場合にも薄膜干渉による悪影響を低減できる。
検出光Ｌ１及びＬ２はダイクロイックミラー２３により
同軸に合成され、ヘテロダインビーム生成光学系２４に
入射する。

【００３１】ヘテロダインビーム生成光学系２４は複数
の音響光学素子を備え、これらの音響光学素子を外部の
駆動系２５から供給される駆動信号で駆動することによ
って、入射する検出光から互いに所定の周波数差Δｆ
（Δｆは例えば数１０ｋＨｚ程度）を有する可干渉な２
光束ＬＡ１，ＬＡ２を生成する。更に、駆動系２５は、
２つの音響光学素子に対する駆動信号を例えばミクシン
グすることによって周波数Δｆの基準ビート信号を生成
し、この基準ビート信号を合焦制御系１３に供給してい
る。そのように生成された２光束ＬＡ１，ＬＡ２は、所
定の交差角でヘテロダインビーム生成光学系２４から射
出された後、リレー光学系２６によって基準ビーム発生
用プリズム２７内の接合面よりなる格子形成面２７ａで
交差する。なお、図１では２光束ＬＡ１，ＬＡ２、及び
これらから分岐して得られる光束の主光線が実線で示さ
れている。

【００３２】その格子形成面２７ａの一部には回折格子
（図７参照）が形成され、この回折格子による光束ＬＡ
１の＋１次回折光ＬＡ１(+1)、及び光束ＬＡ２の−１次
回折光ＬＡ２(-1)が平行に基準ビーム発生用プリズム２
７から射出される。回折光ＬＡ１(+1)、及びＬＡ２(-1)
よりなる周波数差Δｆを有するヘテロダイン干渉光は、
アオリ角補正用のビーム成形プリズム３０を経て３個の
集光レンズ３１Ａ〜３１Ｃに入射する。

【００３３】図３の点線の光路は、図１の２光束ＬＡ
１，ＬＡ２、及びこれらから分岐して得られる光束の幅
を示し、この図３において、集光レンズ３１Ａ〜３１Ｃ
はウエハＷ上の先読み領域４Ａ内の３個の計測領域に対
応して配置されている。そして、回折光ＬＡ１(+1)、及
びＬＡ２(-1)よりなる干渉光の内で、集光レンズ３１Ａ
〜３１Ｃで集光された干渉光ＬＡＡ〜ＬＡＣは、それぞ
れ光ファイバ３２Ａ〜３２Ｃを介して基準信号生成部３
３内の光電検出器３３ａ〜３３ｃに入射する。光電検出
器３３ａ〜３３ｃから周波数Δｆの基準ビート信号ＲＡ
〜ＲＣが出力され、これらは図１の合焦制御系１３に供
給される。

【００３４】図１に戻り、基準ビーム発生用プリズム２
７に入射した２光束ＬＡ１，ＬＡ２の内で、格子形成面
２７ａを透過した２光束（これをＬＢ１，ＬＢ２とす
る）は、光路折り曲げ用のミラー２８で反射されて、送
光対物系２９を経て、被検面であるウエハＷの表面Ｗａ
の先読み領域４Ａで交差し、先読み領域４Ａに干渉縞が
形成される。なお、２光束ＬＢ１，ＬＢ２の光軸の入射
角をθとする。この際、表面Ｗａが投影光学系ＰＬの像
面に合焦している状態で、基準ビーム発生用プリズム２
７内の格子形成面２７ａと表面Ｗａとは共役関係にあ
る。即ち、送光対物系２９は、格子形成面２７ａと表面
Ｗａ（投影光学系ＰＬの像面）とに関してシャインプル
ーフの条件（アオリの結像関係）を満足している。

【００３５】図２（ａ）は、露光領域３と先読み領域４
Ａとの関係を示し、この図２（ａ）において、ウエハＷ
上の或るショット領域ＳＡ内でＸ方向に細長い露光領域
３に対して−Ｙ方向側に所定間隔で、斜線を施して示す
ようにＸ方向に細長い先読み領域４Ａが設定されてい
る。既に説明したように、先読み領域４Ａ内でのフォー
カス位置の情報は、露光領域３に対してショット領域Ｓ
Ａを＋Ｙ方向に走査する場合に使用される。更に、本例
では、先読み領域４Ａ内でＸ方向に一列に配列された３
個の計測領域１４Ａ〜１４Ｃでそれぞれ独立にフォーカ
ス位置を検出する。光ファイバ３２Ａ〜３２Ｃに入射す
る光束は、それぞれ格子形成面２７ａ上でほぼ計測領域
１４Ａ〜１４Ｃと共役な領域から回折された光束であ
る。同様に、露光領域に対してショット領域ＳＡを−Ｙ
方向に走査する際に使用される＋Ｙ方向側の先読み領域
４Ｂ内でも、Ｘ方向に一列に配列された３個の計測領域
１５Ａ〜１５Ｃでそれぞれ独立にフォーカス位置が検出
される。

【００３６】この場合、図１の投射光学系２１Ａからの
２光束ＬＢ１，ＬＢ２は、先読み領域４Ａの長手方向に
沿って、即ちＸ方向に沿って先読み領域４Ａに入射して
いる。同様に、図４の投射光学系２０Ａからの２光束
も、図２（ａ）の先読み領域４Ｂの長手方向に沿って、
即ちＸ方向に沿って先読み領域４Ｂに入射している。こ
の構成によって、露光領域３に対して走査方向の近傍に
フォーカス位置計測領域としての先読み領域４Ａ，４Ｂ
を配置することができ、高精度なフォーカス制御が可能
になる。更に、本例では露光領域３から離れた領域でフ
ォーカス位置を検出しているため、投影光学系ＰＬの作
動距離が例えば１ｍｍ程度以下と短い場合でも、フォー
カス位置検出用の光束の投影光学系ＰＬによるケラレを
防止できる。

【００３７】また、図２（ｂ）は先読み領域４Ａ内で２
光束によって形成される干渉縞４Ａａを示し、この図２
（ｂ）に示すように、ショット領域ＳＡ内にはそれまで
の工程によって凹凸の回路パターンＣＰが形成されてい
るものとする。回路パターンＣＰは、通常はショット領
域を囲む辺に平行な凹凸の線状パターンより構成されて
いる。そこで、その回路パターンＣＰによる回折の影響
を軽減するために、先読み領域４Ａ内の干渉縞４Ａａの
ピッチ方向（明部及び暗部の配列方向）は、回路パター
ンＣＰを構成する線状パターンの方向とは非平行に設定
されている。一例として、干渉縞４Ａａのピッチ方向は
Ｘ軸及びＹ軸に４５°で交差する方向に設定されてい
る。

【００３８】図１に戻り、被検面としてのウエハＷの表
面Ｗａで反射された２光束ＬＢ１，ＬＢ２は、検出対物
系３４を通り光路折り曲げ用のミラー３６で反射された
後、受光ビーム合成用プリズム３７内の接合面としての
格子形成面３７ａに入射する。表面Ｗａが投影光学系Ｐ
Ｌの像面に合焦している状態で、検出対物系３４に関し
て表面Ｗａと格子形成面３７ａとは共役関係にある。即
ち、検出対物系３４は、表面Ｗａ（投影光学系ＰＬの像
面）と格子形成面３７ａとに関してシャインプルーフの
条件（アオリの結像関係）を満足している。また、検出
対物系３４の被検面に対する瞳面（光学的フーリエ変換
面）には、図５（ａ）に示すように、２つの開口３５
ａ，３５ｂが形成された空間フィルタ３５が配置されて
いる。開口３５ａ及び３５ｂは、それぞれウエハＷの表
面Ｗａで正反射された光束ＬＢ１及びＬＢ２が通過する
領域に形成されており、空間フィルタ３５によって表面
Ｗａの回路パターン等から発生するノイズの要因となる
回折光が遮光される。

【００３９】図１に戻り、受光ビーム合成用プリズム３
７内の格子形成面３７ａ上で先読み領域４Ａと共役な領
域に回折格子（図８参照）が形成されている。この回折
格子による光束ＬＢ１の＋１次回折光ＬＢ１(+1)、及び
光束ＬＢ２の−１次回折光ＬＢ２(-1)は平行に合成され
て受光ビーム合成用プリズム３７から射出された後、集
光用レンズ３８Ａを通り、空間フィルタ３９を通ってレ
ンズ３８Ｂによって平行光束になる。空間フィルタ３９
には、図５（ｂ）に示すように光軸上に１つの開口３９
ａが形成されており、開口３９ａを±１次回折光ＬＢ１
(+1)，ＬＢ２(-1)が通過し、それ以外の回折光（０次光
を含む）は遮断されている。

【００４０】図３に示すように、レンズ３８Ｂから射出
される回折光ＬＢ１(+1)，ＬＢ２(-1)よりなるヘテロダ
イン干渉光は、集光レンズ４０Ａ〜４０Ｃに入射する。
集光レンズ４０Ａ〜４０ＣはウエハＷ上の先読み領域４
Ａ内の３個の計測領域１４Ａ〜１４Ｃ（図２（ａ）参
照）に対応して配置されている。そして、回折光ＬＢ１
(+1)，ＬＢ２(-1)よりなる干渉光の内で、集光レンズ４
０Ａ〜４０Ｃで集光された干渉光ＬＢＡ〜ＬＢＣは、そ
れぞれ光ファイバ４１Ａ〜４１Ｃを介して受光信号生成
部４２内の光電検出器４２ａ〜４２ｃに入射する。光電
検出器４２ａ〜４２ｃから周波数Δｆの検出ビート信号
ＤＡ〜ＤＣが出力され、これらも図１の合焦制御系１３
に供給される。

【００４１】図１の合焦制御系１３では、光ファイバ３
２Ａ〜３２Ｃを介して得られる干渉光に対応する基準ビ
ート信号ＲＡ〜ＲＣを基準として、それぞれ光ファイバ
４０Ａ〜４０Ｃを介して得られる干渉光に対応する検出
ビート信号ＤＡ〜ＤＣの位相差φＡ〜φＣを検出し、こ
れらの位相差より図２（ａ）の計測領域１４Ａ〜１４Ｃ
の平均的なフォーカス位置（Ｚ方向の位置）を求める。
本例では、演算量を少なくするため、投影光学系ＰＬの
像面（ベストフォーカス位置）に対する計測領域１４Ａ
〜１４Ｃのそれぞれの平均的なデフォーカス量ΔＺＡ〜
ΔＺＣを算出する。このため、予め例えばテストプリン
ト等によって求められた投影光学系ＰＬの像面にウエハ
Ｗの表面Ｗａが合致している状態で、基準ビート信号Ｒ
Ａ〜ＲＣに対する検出ビート信号ＤＡ〜ＤＣの位相差φ
Ａ₀〜φＣ₀が求めて記憶されている。そして、実際の
露光時には、その記憶されている位相差φＡ₀〜φＣ₀
に対して計測された位相差φＡ〜φＣの差分ΔφＡ〜Δ
φＣが求められ、これらの差分ΔφＡ〜ΔφＣがそれぞ
れデフォーカス量ΔＺＡ〜ΔＺＣに変換される。その
後、走査によって先読み領域４Ａ内のウエハＷの表面Ｗ
ａが露光領域３に達したときに、それらのデフォーカス
量ΔＺＡ〜ΔＺＣが０になるようにＺアクチュエータ８
Ａ〜８Ｃの伸縮量が制御される。その先読み動作と合焦
動作とは走査露光中連続的に実行され、露光対象のショ
ット領域の全面にレチクルＲのパターン像が合焦状態で
高い解像度で転写される。

【００４２】なお、それらのデフォーカス量ΔＺＡ〜Δ
ＺＣが０になるようにＺアクチュエータ８Ａ〜８Ｃの伸
縮量を制御する代わりに、予め投影光学系ＰＬ側に所定
のレンズ間の気体圧力を制御する機構、又は所定のレン
ズを駆動する機構等からなる像面の移動機構を設けてお
き、それらのデフォーカス量ΔＺＡ〜ΔＺＣを相殺する
ように像面側を移動させるようにしてもよい。

【００４３】これらの場合、それらの位相差の差分Δφ
Ａ〜ΔφＣは、ウエハＷの表面ＷａのＺ方向への変位に
よって生じる、２光束ＬＢ１，ＬＢ２の受光ビーム合成
用プリズム３７の格子形成面３７ａに対する横ずれ量に
対応している。具体的に、図１のウエハＷの表面Ｗａの
Ｚ方向への変位量をｚ、２光束ＬＢ１，ＬＢ２の受光ビ
ーム合成用プリズム３７に対する横ずれ量をｙ、検出対
物系３４による表面Ｗａから格子形成面３７ａに対する
倍率をα、表面Ｗａに対する２光束ＬＢ１，ＬＢ２の光
軸の入射角をθとすると、以下の関係が成立している。

【００４４】ｚ＝ｙ／（２・α・sin θ）（１）この式より、同じ変位量（デフォーカス量）ｚであれ
ば、倍率αが大きくなるか、又は入射角θが大きくなる
程に２光束ＬＢ１，ＬＢ２の横ずれ量ｙが大きくなっ
て、検出感度が向上することが分かる。また、２光束Ｌ
Ｂ１，ＬＢ２の横ずれ量をｙ、格子形成面３７ａでの干
渉縞のピッチをｐとすると、対応する位相差Δφ（ｒａ
ｄ）は次のようになる。

【００４５】Δφ＝２・π・ｙ／ｐ（２）従って、位相差Δφの検出分解能を高めることによっ
て、横ずれ量ｙ、ひいては（１）式よりＺ方向への変位
量ｚを極めて高い分解能で、高精度に検出できる。この
ように本例では、被検面としてのウエハＷの表面Ｗａに
所定の周波数差Δｆを有する２光束ＬＢ１，ＬＢ２の干
渉縞が形成され、この干渉縞を検出対物系３４等を介し
て光電変換して得られた検出ビート信号ＤＡ〜ＤＣの位
相に基づいて、被検面の面位置、即ちフォーカス位置
（投影光学系ＰＬの光軸方向の位置）が検出されてい
る。その検出ビート信号ＤＡ〜ＤＣの周波数Δｆは、例
えば数１０ｋＨｚ程度であるため、そのフォーカス位置
の検出は例えば数ｍｓｅｃ以内に極めて高速に実行でき
る。しかも、検出ビート信号ＤＡ〜ＤＣの位相は、例え
ば１０^-3ｒａｄのオーダで正確に検出できるため、表面
Ｗａのフォーカス位置（デフォーカス量）を極めて高い
分解能で検出できる。

【００４６】また、本例では、検出ビート信号ＤＡ〜Ｄ
Ｃの基準ビート信号として、表面Ｗａと共役な投射光学
系２１Ａ内の格子形成面２７ａから分岐されたヘテロダ
イン干渉光の光電変換信号が使用されている。従って、
投影光学系ＰＬに対する格子形成面２７ａの相対位置が
ずれないようにしておくことによって、表面Ｗａの投影
光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を高精度に、
且つ安定に検出できる。なお、照明光源２２Ａ，２２Ｂ
の発光動作が安定している場合には、その基準ビート信
号として、駆動系２５で音響光学素子用の駆動信号から
電気的に生成される基準ビート信号を使用してもよい。
この場合には、基準ビート信号発生のための基準ビーム
発生用プリズム２７、ビーム成形プリズム３０、集光レ
ンズ３１Ａ〜２１Ｃ、光ファイバ３２Ａ〜３２Ｃ、及び
基準信号生成部３３が省略できるため、光学系の構成が
簡素化できる利点がある。

【００４７】次に、図１のヘテロダインビーム生成光学
系２４、基準ビーム発生用プリズム２７、及び受光ビー
ム合成用プリズム３７の構成例につき詳細に説明する。
図６は、ヘテロダインビーム生成光学系２４の構成例を
示し、この図６において、図１のダイクロイックミラー
２３によって波長の異なる２つの検出光Ｌ１，Ｌ２が同
軸に合成されて光束Ｌとして供給されている。そして、
この光束Ｌの光路に沿って順次、第１の異方ブラッグ回
折を起こす音響光学素子（以下、「異方ＡＯＭ」と呼
ぶ）１６Ａ、リレーレンズ１７、及び第２の異方ＡＯＭ
１８Ａが配置されている。異方ＡＯＭ１６Ａ及び１８Ａ
の超音波作用領域は、リレーレンズ１７に関して共役と
なっている。それらの異方ＡＯＭ１６Ａ，１８Ａは、そ
れぞれ例えば２酸化テルル（ＴｅＯ₂)、石英、又はモリ
ブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ₄)等の音響光学媒体に、圧電素
子等のトランスデューサを被着したものであり、異方Ａ
ＯＭ１６Ａ及び１８Ａのトランスデューサに対してそれ
ぞれ発振器１６Ｂ及び１８Ｂから周波数ｆ₁及びｆ₂(ｆ
₂＝ｆ₁＋Δｆ）の高周波信号が印加されている。周波
数ｆ₁及びｆ₂は各ＡＯＭを安定に駆動できるように例
えば数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度に設定されている。但
し、発振器１６Ｂ，１８Ｂは実際には、図１の駆動系２
５内に組み込まれている。なお、異方ＡＯＭ１６Ａ，１
８Ａの詳細な構成例、及び異方ブラッグ回折の原理等に
ついては、特願平８−２０７１００号で開示されてい
る。

【００４８】この場合、入射する光束Ｌの進行方向を＋
ｚ方向として、図６の紙面内でｚ方向に直交する方向を
ｘ方向とすると、本例の異方ＡＯＭ１６Ａ，１８Ａで
は、内部の超音波の進行方向、及び入射光束の入射方向
を含む平面（ｘｚ平面）に平行な方向に偏光した光束の
みが１次のブラッグ回折を受けると共に、０次光の偏光
状態は変化せず、１次回折光の偏光方向は入射時に対し
て直交する方向に回転する。また、その０次光は周波数
変調を受けないが、１次回折光はｆ₁(又はｆ₂)の周波数
変調を受ける。従って、図６において、入射する光束Ｌ
はｘ方向に直線偏光させておく。

【００４９】これによって、入射する光束Ｌの第１の異
方ＡＯＭ１６Ａによる０次光Ｌ₀はそのままリレーレン
ズ１７を介して第２の異方ＡＯＭ１８Ａに向かい、光束
Ｌの異方ＡＯＭ１６Ａによる１次回折光Ｌ₁は、周波数
ｆ₁の変調を受けて、且つ偏光方向が図６の紙面に垂直
な方向となってリレーレンズ１７を介して異方ＡＯＭ１
８Ａに向かう。この場合、第１の異方ＡＯＭ１６Ａで
は、０次光Ｌ₀と１次回折光Ｌ₁とがほぼ等しい強度と
なるように超音波の強度が調整されている。これによっ
て、０次光及び１次回折光以外は極めて弱くなる。

【００５０】一方、第２の異方ＡＯＭ１８Ａでは、＋ｚ
方向に入射すると共にｘｚ平面に平行な方向に偏光する
光束をほぼ１００％１次回折光として回折するように超
音波の強度等が調整されている。また、第１の異方ＡＯ
Ｍ１６Ａからの１次回折光Ｌ ₁は、第２の異方ＡＯＭ１
８Ａにおいては入射角の点でもブラッグ回折を受けにく
い角度となっている。従って、０次光Ｌ₀は異方ＡＯＭ
１８Ａでほぼ１００％が回折されて、周波数ｆ₂の変調
を受けた１次回折光Ｌ₀₁となり、１次回折光Ｌ ₁は異方
ＡＯＭ１８Ａをほぼそのまま透過して０次光Ｌ₁₀とな
る。また、１次回折光Ｌ₀₁は異方ＡＯＭ１８Ａでの回折
によって偏光方向が図６の紙面に垂直な方向に回転して
おり、０次光Ｌ₁₀の偏光方向も同じである。従って、１
次回折光Ｌ ₀₁と０次光Ｌ₁₀とを干渉させると、周波数｜
ｆ₁−ｆ₂｜（＝Δｆ）のヘテロダインビームが得られ
る。そこで、０次光Ｌ₁₀及び１次回折光Ｌ₀₁がそれぞれ
図１の光束ＬＡ１及びＬＡ２として使用される。

【００５１】この際に、図６において、０次光Ｌ₁₀及び
１次回折光Ｌ₀₁は２つの異方ＡＯＭ１６Ａ，１８Ａ内の
超音波（進行波）のピッチに応じてほぼ対称に回折され
ている。従って、入射する光束Ｌが２波長、更には３波
長以上の多波長光であっても、最終的に得られるヘテロ
ダイン干渉光の位相は全部の波長について揃ったものに
なる。従って、本例のように検出光として複数波長の光
束を使用しても、得られる干渉光を光電変換して得られ
るビート信号のＳＮ比（＝振幅／直流レベル）は十分に
高く、高精度に変位検出が行われる。また、本例では２
つの異方ＡＯＭ１６Ａ，１８Ａを用いているため、入射
する光束Ｌをほぼ１００％ヘテロダインビームに変換で
きる利点がある。

【００５２】なお、図６の第２の異方ＡＯＭ１８Ａから
は入射する０次光Ｌ₀の０次光も僅かに発生することが
あるが、この０次光を除去したい場合には、その異方Ａ
ＯＭ１８Ａの後に０次光除去用の空間フィルタを設置す
ればよい。また、入射する光束Ｌの変換効率が多少低下
してもよい場合には、２つの異方ＡＯＭ１６Ａ，１８Ａ
を使用する代わりに、ラマン−ナス回折領域で使用され
る音響光学素子とブラッグ回折領域で使用される音響光
学素子との組み合わせ、又は回折格子と２つのブラッグ
回折領域で使用される音響光学素子との組み合わせ等を
使用してもよい。

【００５３】次に、図７（ａ）は、図１の基準ビーム発
生用プリズム２７を示し、この図７（ａ）において、基
準ビーム発生用プリズム２７は、格子形成面２７ａで断
面が３角形のプリズムと断面が４角形のプリズムとを貼
り合わせて形成されている。そして、図７（ｂ）に示す
ように、格子形成面２７ａの中央部は細長い開口部（透
過部）２７ｂとなり、開口部２７ｂの周囲に所定ピッチ
で反射型の基準回折格子２７ｃが形成されている。開口
部２７ｂは、前に述べた通り図１の送光対物系２９によ
り、被検面であるウエハＷの表面Ｗａと共役関係にあ
り、基準回折格子２７ｃのピッチ方向は、その共役像の
ピッチ方向が図２（ｂ）の回路パターンＣＰと平行にな
らないように傾けて設定されている。

【００５４】そして、図１のリレー光学系２６から射出
された２光束ＬＡ１，ＬＡ２は、図７（ａ）の基準ビー
ム発生用プリズム２７の入射面を通って斜めに交差する
ように開口部２７ｂ及び基準回折格子２７ｃに入射す
る。従って、基準回折格子２７ｃ上に形成される２光束
ＬＡ１，ＬＡ２の干渉縞のピッチ方向は、基準回折格子
２７ｃのピッチ方向に平行になっている。そして、基準
回折格子２７ｃによる光束ＬＡ１の＋１次回折光ＬＡ１
(+1)、及び光束ＬＡ２の−１次回折光ＬＡ２(-1)は平行
に射出面２７ｄを経て図１のビーム成形プリズム３０に
向かう。従って、基準回折格子２７ｃのピッチは、回折
光ＬＡ１(+1)、及びＬＡ２(-1)が平行になるように設定
されている。また、射出面２７ｄは、回折光ＬＡ１(+
1)、及びＬＡ２(-1)の進行方向にほぼ垂直に設定されて
いる。また、２光束ＬＡ１，ＬＡ２の内で開口部２７ｂ
を通過した光束ＬＢ１，ＬＢ２が図１のミラー２８を経
て被検面に向かう。

【００５５】次に、図８（ａ）は、図１の受光ビーム合
成用プリズム３７を示し、この図８（ａ）において、受
光ビーム合成用プリズム３７は、接合面としての格子形
成面３７ａで２つの断面形状が３角形のプリズムを貼り
合わせて構成され、格子形成面３７ａは図１の検出対物
系３４によって被検面１としてのウエハＷの表面Ｗａと
共役になっている。図８（ｂ）に示すように、格子形成
面３７ａの中央部には所定ピッチで回折格子３７ｂが形
成されている。この回折格子３７ｂのピッチ方向は、図
２（ｂ）に示す先読み領域４Ａ内の干渉縞４Ａａのピッ
チ方向に対応させて斜め方向に設定されている。これに
よって、図１のミラー３６で反射された光束ＬＢ１，Ｌ
Ｂ２が受光ビーム合成用プリズム３７に斜めに交差する
ように入射すると、回折格子３７ｂによる光束ＬＢ１の
＋１次回折光ＬＢ１(+1)、及び光束ＬＢ２の−１次回折
光ＬＢ２(-1)が平行に周波数差Δｆのヘテロダイン干渉
光として発生し、このヘテロダイン干渉光が図１の集光
レンズ３８Ａに向かう。従って、回折格子３７ｂのピッ
チは、回折光ＬＢ１(+1)，ＬＢ２(-1)が平行に発生する
ように設定されている。

【００５６】次に、本例の投影露光装置を実際にウエハ
Ｗ上に回路パターンを形成する工程で用いる場合の動作
の一例につき、図１０のフローチャートを参照して説明
する。先ず、図１０のステップ１０１において、図１の
レチクルステージ５Ａ上にレチクルＲがロードされる。
次のステップ１０２において、露光対象のウエハ（ウエ
ハＷとする）上に金属膜を蒸着し、ステップ１０３にお
いて、そのウエハＷ上の金属膜上にレジストを塗布した
後、ウエハＷを図１の投影露光装置のウエハステージの
Ｚチルトステージ７上にロードする。次に、ステップ１
０４において、走査方向に応じて図４のＡＦセンサ２１
Ａ，２１Ｂ、又はＡＦセンサ２０Ａ，２０Ｂを使い分け
て、オートフォーカス方式、及びオートレベリング方式
で合焦を行いながら、レチクルＲのパターン像を走査露
光方式でウエハＷの各ショット領域に露光する。

【００５７】その後、ステップ１０５において、ウエハ
Ｗ上のレジストの現像を行い、ステップ１０６でそのレ
ジストパターンをマスクとしてウエハＷ上の金属膜のエ
ッチングを行った後、レジストパターンを除去すること
によって、所望の回路パターンがウエハＷ上の各ショッ
ト領域に形成される。その後、ウエハＷは次のレイヤの
回路パターンの形成工程に移行する。この際に本例のＡ
Ｆセンサ２１Ａ，２１Ｂ等は検出速度が高く、フォーカ
ス位置の先読みからウエハＷの姿勢制御までの追従速度
が速くできるため、ウエハＷ上の各ショット領域をそれ
ぞれ投影光学系ＰＬの像面に正確に合焦させた状態で走
査露光を行うことができる。従って、ウエハＷ上の各シ
ョット領域に所望の回路パターンが高い解像度で形成さ
れる。

【００５８】なお、上記の実施の形態では、複数波長の
ヘテロダインビームを生成するために、照明光源２２
Ａ，２２Ｂ及びヘテロダインビーム生成光学系２４等を
使用しているが、ヘテロダインビームを発生するために
は、所定の周波数差を有する２つのレーザビームを発生
するゼーマンレーザ等も利用できる。また、上記の実施
の形態では、先読み領域４Ａ，４Ｂ内の３箇所でフォー
カス位置が検出されているが、その計測領域（計測点）
の個数は任意である。例えば、図９（ａ）に示すよう
に、先読み領域４Ａ内の５箇所の計測領域１４Ａ〜１４
Ｅでフォーカス位置を検出してもよく、更には複数列の
計測領域でフォーカス位置を検出してもよい。また、例
えば他にレベリングセンサを使用する場合には、１点で
のみフォーカス位置の計測を行ってもよい。

【００５９】また、図９（ｃ）のように２つの先読み領
域４Ａ，４Ｂの他に露光領域３の領域の中心の１点４Ｃ
の部分のフォーカス位置もモニタすれば、フォーカス制
御がさらに確実なものになる。この１点４Ｃでの検出も
基本的には先読み領域４Ａ，４Ｂ内の各計測点１５Ａ等
と同じである。また、上記の実施の形態は、本発明をス
テップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用し
たものであるが、本発明はステップ・アンド・リピート
方式の投影露光装置（ステッパー）で露光する場合にも
適用することができる。ステッパーのＡＦセンサに本発
明を適用する場合には、一例として図９（ｂ）に示すよ
うに、ショット領域ＳＡ内のスリット状の検出領域５１
にヘテロダインビームを所定の交差角で照射して干渉縞
を投影し、検出領域５１内の例えば５箇所の計測領域５
２Ａ〜５２Ｅでフォーカス位置を計測することができ
る。

【００６０】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。

【００６１】

【発明の効果】本発明の面位置検出装置によれば、２光
束によるヘテロダイン干渉方式で面位置を検出している
ため、高精度に、且つ高速に被検面の面位置を検出でき
る利点がある。また、２光束干渉であり、光学系の収差
の影響をあまり受けないため、光学系の構成を簡素化、
及び小型化できる。また、ヘテロダイン干渉光の位相の
検出分解能は容易に高めることができるため、検出用の
光学系を大型化することなく面位置の検出分解能を高め
ることができる。

【００６２】また、信号検出系は、ビーム合成系からの
干渉光を被検面上の複数の被検領域に対応して複数に分
割して得られる光束に対応して複数個の光電検出器を有
し、これら複数個の光電検出器からの検出信号に基づい
てその被検面の複数の被検領域の面位置を独立に検出す
る場合には、検出用の光学系を大型化することなく、複
数の計測領域（広い計測領域）での面位置の分布も容易
に検出できる利点がある。

【００６３】また、受光ビーム合成系は、被検面との共
役面近傍に配置され２光束の回折光を同一方向に回折さ
せる格子状パターンを含む場合には、被検面からの異な
る方向に進むヘテロダインビームより簡単な構成で同一
方向に進むヘテロダインビームを生成できる。また、投
射光学系より２光束の一部を分岐して得られる２光束の
干渉光を光電変換して基準信号を生成する基準信号発生
系を備え、信号検出系からの検出信号とその基準信号と
を比較して被検面の面位置を検出する場合には、投射光
学系を基準として安定に面位置検出を行うことができ
る。

【００６４】また、本発明の露光装置によれば、本発明
の面位置検出装置を備えて高精度、且つ高速にウエハ等
の基板の表面を投影光学系の像面に合焦できる。特に本
発明の面位置検出装置をステップ・アンド・スキャン方
式のような走査露光方式の投影露光装置で面位置（フォ
ーカス位置）の先読みを行う場合に適用した場合には、
本発明の面位置検出装置は検出速度が速く高い追従速度
が得られるため、合焦精度が向上する。

【００６５】また、本発明の回路デバイスの製造方法に
よれば、本発明の露光装置を用いているため、基板の表
面を良好に合焦させた状態で露光が行われる。従って、
高い解像度で回路パターンを形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例で使用されるステッ
プ・アンド・スキャン方式の投影露光装置を示す概略構
成図である。

【図２】（ａ）は図１の露光領域３と先読み領域４Ａと
の関係を示す拡大平面図、（ｂ）は先読み領域４Ａ内の
干渉縞を示す拡大平面図である。

【図３】図１のＡＦセンサ２１Ａ，２１Ｂの検出用の光
束の光路を示す図である。

【図４】その実施の形態で使用される投影露光装置に備
えられた２つのＡＦセンサの配置を示す斜視図である。

【図５】（ａ）は図１の空間フィルタ３５を示す図、
（ｂ）は図１の空間フィルタ３９を示す図である。

【図６】図１のヘテロダインビーム生成光学系２４の構
成例を示す図である。

【図７】（ａ）は図１の基準ビーム発生用プリズム２７
を示す拡大斜視図、（ｂ）はその格子形成面２７ａを示
す図である。

【図８】（ａ）は図１の受光ビーム合成用プリズム３７
を示す拡大斜視図、（ｂ）はその格子形成面３７ａを示
す図である。

【図９】（ａ）は先読み領域４Ａ内の計測領域の別の配
置を示す図、（ｂ）は本発明をステップ・アンド・リピ
ート方式の投影露光装置に適用した場合の検出領域の一
例を示す図である。

【図１０】その実施の形態の投影露光装置を用いてウエ
ハ上に所定の回路パターンを形成する工程の一例を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ３露光領域４Ａ，４Ｂ先読み領域７Ｚチルトステージ８Ａ〜８ＣＺアクチュエータ１２主制御系１３合焦制御系１４Ａ〜１４Ｃ，１５Ａ〜１５Ｃ計測領域１６Ａ，１８Ａ異方ブラッグ回折を起こす音響光学素
子（異方ＡＯＭ）２１Ａ投射光学系２１Ｂ集光光学系２２Ａ，２２Ｂ照明光源２３ダイクロイックミラー２４ヘテロダインビーム生成光学系２７基準ビーム発生用プリズム２７ａ格子形成面２９送光対物系３０ビーム成形プリズム３２Ａ〜３２Ｃ，４１Ａ〜４１Ｃ光ファイバ３３基準信号生成部３４検出対物系３５空間フィルタ３７受光ビーム合成用プリズム３７ａ格子形成面４２受光信号生成部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検面の高さ方向の面位置を検出する面
位置検出装置において、単色又は多色で所定の周波数差を有する可干渉な２光束
を被検面に対して斜めに投射して、該被検面近傍で前記
２光束を集光する投射光学系と、前記被検面で反射された前記２光束を前記被検面との共
役面近傍で再び集光する集光光学系と、前記共役面近傍で前記２光束を合成して干渉光を生成す
る受光ビーム合成系と、該受光ビーム合成系からの干渉光を受光して光電変換す
る信号検出系と、を備え、該信号検出系からの検出信号に基づいて前記被検面の面
位置を検出することを特徴とする面位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の面位置検出装置であっ
て、前記信号検出系は、前記ビーム合成系からの干渉光を前
記被検面上の複数の被検領域に対応して複数に分割して
得られる光束に対応して複数個の光電検出器を有し、該複数個の光電検出器からの検出信号に基づいて前記被
検面の前記複数の被検領域の面位置を独立に検出するこ
とを特徴とする面位置検出装置。
【請求項３】請求項１、又は２記載の面位置検出装置
であって、前記受光ビーム合成系は、前記被検面との共役面近傍に
配置され前記２光束の回折光を同一方向に回折させる格
子状パターンを含むことを特徴とする面位置検出装置。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載の面位置検出
装置であって、前記投射光学系より前記２光束の一部を分岐して得られ
る２光束の干渉光を光電変換して基準信号を生成する基
準信号発生系を備え、前記信号検出系からの検出信号と前記基準信号とを比較
して前記被検面の面位置を検出することを特徴とする面
位置検出装置。
【請求項５】請求項１〜４の何れか一項記載の面位置
検出装置と、マスクに形成されたパターンの像を基板上に投影する投
影光学系と、前記基板の位置決めを行うと共に、前記基板の前記投影
光学系の光軸方向の位置を制御する基板ステージと、を
備え、前記面位置検出装置で被検面としての前記基板の表面の
面位置を検出し、該検出結果に基づいて前記基板ステー
ジを介して前記基板の表面を前記投影光学系の像面に合
焦させることを特徴とする露光装置。
【請求項６】請求項５記載の露光装置であって、前記基板ステージと同期して前記マスクを移動するマス
クステージを更に備え、露光時に前記マスクステージ及び基板ステージを介して
前記マスク及び前記基板を前記投影光学系に対して同期
して走査すると共に、前記基板上で走査方向に対して前
記投影光学系による露光領域より手前側で前記面位置検
出装置を介して前記基板の表面の面位置を先読みし、該先読みされた結果に基づいて前記基板の表面の前記投
影光学系の像面に対する合焦を行うことを特徴とする露
光装置。
【請求項７】請求項５、又は６記載の露光装置を用い
て所定の回路デバイスを製造するためのデバイスの製造
方法であって、前記基板上に感光材料を塗布する第１工程と、前記面位置検出装置で検出される被検面としての前記基
板の表面の面位置に基づいて、前記基板の表面を前記投
影光学系の像面に合焦させた状態で、前記マスクのパタ
ーン像を前記基板上に露光する第２工程と、前記基板の現像を行う第３工程と、該現像後の前記基板上に回路パターンを形成する第４工
程と、を有することを特徴とするデバイスの製造方法。