JP2013197123A - 光学系、面位置検出装置、及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色収差の調整を容易に行う。
【解決手段】複数の波長の光を含む光束の光路に配置される補正用光学系４８であって、第１のアッベ数を持つ光学材料からなり、対向する面Ｓ３，Ｓ４に互いに同一の自由曲面が形成されて、光軸ａｘに垂直なｘ方向に相対移動可能に配置された一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂと、その第１のアッベ数と異なる第２のアッベ数を持つ光学材料からなり、対向する面Ｓ７，Ｓ８に互いに同一の自由曲面が形成されて、ｘ方向に相対移動可能に配置された一対の光学素子５４Ａ，５４Ｂとを備え、一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂと一対の光学素子５４Ａ，５４Ｂとが光軸ａｘに沿って直列に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の波長の光を含む光束の光路に配置される光学系、この光学系を用いて被検面の面位置情報を検出する面位置検出技術、この面位置検出技術を用いる露光技術、及びこの露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。

半導体素子（集積回路等）又は液晶表示素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィー工程中で、レチクルのパターンを投影光学系を介してレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）の表面に転写するために、ステッパー又はスキャニングステッパー（スキャナー）などの露光装置が用いられている。かかる露光装置においては、従来より、オートフォーカスセンサ（以下、ＡＦセンサという）によってウエハの表面の面位置を検出し、この検出結果に基づいて露光中にオートフォーカス方式でウエハの表面を投影光学系の像面に合焦させている。

従来のＡＦセンサとしては、ウエハの表面（被検面）に対して送光光学系系によって斜め方向からスリット像を投射し、受光光学系によってその表面からの反射光を受光してそのスリット像を再結像し、再結像されたスリット像の横ずれ量を検出する斜入射型の検出装置が知られている。この検出装置においては、ウエハの表面に塗布されたレジストにおける薄膜干渉の影響を軽減するために、検出光として比較的波長域の広い光（白色光）が使用されていた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、投影光学系中に互いに同一形状の非球面を有する一対の光学素子を配置し、ＡＦセンサの計測値に基づいて、その一対の光学素子の相対位置を変化させることによって、投影光学系の像面をウエハの表面に対して所定の条件でデフォーカスさせる露光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−４８８１８号公報 特開２００３−１７８９５４号公報

従来のＡＦセンサは、面位置を検出する計測点の数が少なく検出領域が狭かったため、検出光の波長域が広くとも、送光光学系及び受光光学系における色収差の影響は無視できる程度であった。しかしながら、最近のＡＦセンサは、面位置の計測効率を高めるために、例えばウエハを横切るように設定される細長い検出領域内に設定された多数の計測点に並列にスリット像を投射して、その多数の計測点の面位置を一度に検出することも求められている。このように検出領域が広くなると、検出光の波長域が広いことによる、送光光学系及び受光光学系における色収差の影響（例えば軸上色収差によるスリット像の横ずれ）が無視できなくなりつつある。さらに、その色収差の影響は、プロセス毎のウエハに塗布されるレジストの種類や膜厚等によっても変化する。

また、従来の互いに同一形状の非球面を有する一対の光学素子を用いても、フォーカス位置の調整は可能であっても、色収差の調整は困難である。
本発明の態様は、このような事情に鑑み、色収差の調整を容易に行うことを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、複数の波長の光を含む光束の光路に配置される光学系が提供される。この光学系は、それぞれ第１の分散を持つ光学材料からなり、対向する面に互いに同一の自由曲面が形成されるとともに、その光束の波面の状態を変えるために光軸に垂直な方向に相対移動可能に配置された第１の一対の光学素子と、その第１の分散と異なる分散特性を持ち、対向する面に互いに同一の自由曲面又は回折格子パターンが形成されるとともに、その光束の波面の状態を変えるためにその光軸に垂直な方向に相対移動可能に配置された第２の一対の光学素子と、を備え、その第１の一対の光学素子とその第２の一対の光学素子とがその光軸に沿って直列に配置されたものである。

また、第２の態様によれば、被検面の面位置情報を検出する面位置検出装置が提供される。この面位置検出装置は、その被検面に斜め方向から光を投射する送光光学系と、その被検面で反射された光を受光する受光光学系と、その送光光学系及びその受光光学系の少なくとも一方に配置された本発明の第１の態様の光学系と、その受光光学系を介した光を検出してその被検面の面位置情報を求める検出部と、を備えるものである。

また、第３の態様によれば、露光光でパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置が提供される。この露光装置は、そのパターンが形成された面及びその基板の表面の少なくとも一方の面位置を検出するために、第２の態様による面位置検出装置を備えるものである。
また、第４の態様によれば、第３の態様の露光装置を用いて、マスクのパターンを基板に転写することと、そのパターンが転写されたその基板をそのパターンに基づいて加工することと、を含むデバイス製造方法が提供される。

本発明の態様によれば、第１の一対の光学素子の相対移動による波面の状態の変化と、その第１の一対の光学素子と分散特性が異なる第２の一対の光学素子の相対移動による波面の状態の変化との組み合わせによって、その光学系の色収差の調整を容易に行うことができる。

（Ａ）は第１の実施形態に係る結像光学系を示す図、（Ｂ）は図１（Ａ）の状態から２対の光学素子を相対移動した後の結像光学系を示す図である。 （Ａ）は図１（Ａ）中の一対の光学素子を概念的に示す図、（Ｂ）は図２（Ａ）の状態から相対移動した後の一対の光学素子を示す図、（Ｃ）は光学素子の自由曲面の一例を概念的に示す斜視図である。 （Ａ）は第２の実施形態に係る結像光学系を示す図、（Ｂ）は図３（Ａ）の状態から２対の光学素子を相対移動した後の結像光学系を示す図である。 第２の実施形態の変形例の結像光学系を示す図である。 第３の実施形態に係るＡＦセンサを備えた露光装置を示す図である。 図５中のＡＦセンサの検出領域を示す平面図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態につき図１〜図３を参照して説明する。
図１（Ａ）は本実施形態に係る結像光学系６０を示す。図１（Ａ）において、無限遠の物体面ＯＰ（面Ｓ０とする）にある物体（不図示）からの複数の波長の光を含む広い波長域の光束は、開口絞りＡＳ１を通過した後、一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂよりなる第１の光学素子対５０Ａ、一対の光学素子５４Ａ，５４Ｂよりなる第２の光学素子対５０Ｂ、及び実質的に無収差のレンズ５８を介して、像面ＩＰに物体の像を形成する。結像光学系６０の光軸ａｘに沿って直列に近接して配置された第１の光学素子対５０Ａ及び第２の光学素子対５０Ｂから、色収差を補正するための補正用光学系４８が構成されている。また、開口絞りＡＳ１、補正用光学系４８、及びレンズ５８から結像光学系６０が構成されている。結像光学系６０に入射する光束の波長域は、一例として３つの波長４８６．１ｎｍ（Ｆ線）、５８７．６ｎｍ（ｄ線）、及び６５６．３ｎｍ（Ｃ線）を含む４５０〜７００ｎｍ程度である。なお、本明細書において、色収差を補正するとは、色収差を低減する他に、色収差を調整又は制御することも含んでいる。

以下、結像光学系６０の光軸ａｘに平行にｚ軸を取り、ｚ軸に垂直な平面内で図１（Ａ）の紙面に平行な方向にｘ軸を、図１（Ａ）の紙面に垂直な方向にｙ軸を取って説明する。また、複数の光学素子の面に関して、物体面ＯＰから像面ＩＰに向かってｉ番目の面を面Ｓｉ（図１（Ａ）では、ｉ＝１〜１２）と呼ぶものとする。この場合、開口絞りＡＳ１は面Ｓ１、光学素子５２Ａ，５２Ｂの対向する面はそれぞれ面Ｓ３，Ｓ４、光学素子５４Ａ，５４Ｂの対向する面はそれぞれ面Ｓ７，Ｓ８である。

本実施形態において、第１の光学素子対５０Ａを構成する光学素子５２Ａ，５２Ｂは、それぞれ第１のアッベ数（νｄ１）を持つ平板状の光学材料からなり、対向する面Ｓ３，Ｓ４に互いに同一の自由曲面が形成されている。さらに、光学素子５２Ａ，５２Ｂは、屈折力を変えるために、第１の駆動装置５６Ａによって光軸ａｘに垂直なｘ方向に相対移動可能に支持されている。また、第２の光学素子対５０Ｂを構成する光学素子５４Ａ，５４Ｂは、それぞれ第１のアッベ数（νｄ１）と異なる第２のアッベ数（νｄ２）を持つ平板状の光学材料からなり、対向する面Ｓ７，Ｓ８に互いに同一の自由曲面が形成されている。さらに、光学素子５４Ａ，５４Ｂは、屈折力を変えるために、第２の駆動装置５６Ｂによってｘ方向に相対移動可能に支持されている。

本実施形態では、光学素子対５０Ａの面Ｓ３，Ｓ４に形成されている自由曲面と、光学素子対５０Ｂの面Ｓ７，Ｓ８に形成されている自由曲面とは互いに同一である。以下、光学素子対５０Ａの面Ｓ３，Ｓ４に形成されている自由曲面の一例につき説明する。
図２（Ａ）は、図１（Ａ）中の光学素子５２Ａ，５２Ｂを概念的に示す図である。なお、自由曲面の実際の凹凸量は使用される光の波長のオーダであるが、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）では、自由曲面の凹凸量を拡大して示している。図２（Ａ）において、ｘ軸、ｙ軸の原点を光軸上に取り、光学素子５２Ａの入射面から距離ｄ１だけ＋ｚ方向に離れた平面に対する面Ｓ３上の位置（ｘ，ｙ）にある点のｚ方向の位置（自由曲面の形状）を表す関数をｆ（ｘ，ｙ）とする。このとき、光学素子５２Ｂの射出面から−ｚ方向に所定の距離ｄ２だけ離れた平面に対する面Ｓ４上の位置（ｘ，ｙ）にある点のｚ方向の位置も関数ｆ（ｘ，ｙ）で表される。そして、位置（ｘ，ｙ）における光学素子５２Ａの厚さｄＡ（ｘ，ｙ）及び光学素子５２Ｂの厚さｄＢ（ｘ，ｙ）は次のようになる。

ｄＡ（ｘ，ｙ）＝ｄ１＋ｆ（ｘ，ｙ） …（１Ａ）
ｄＢ（ｘ，ｙ）＝ｄ２−ｆ（ｘ，ｙ） …（１Ｂ）
さらに、光学素子５２Ａの入射面と光学素子５２Ｂの射出面とのｚ方向の間隔をｄ３、光学素子５２Ａ，５２Ｂの波長λにおける屈折率をｎａｂとすると、位置（ｘ，ｙ）を通り光軸に平行に光学素子５２Ａに入射する波長λの光Ｌ１（ｘ，ｙ）が光学素子５２Ｂから射出されるときの位相の変化δ（ｘ，ｙ）（ｒａｄ）は、次のようになる。

δ（ｘ，ｙ）＝［ｎａｂ｛ｄＡ（ｘ，ｙ）＋ｄＢ（ｘ，ｙ）｝＋ｄ３−｛ｄＡ（ｘ，ｙ）＋ｄＢ（ｘ，ｙ）｝］（２π）／λ
＝［（ｎａｂ−１）｛ｄＡ（ｘ，ｙ）＋ｄＢ（ｘ，ｙ）｝＋ｄ３］（２π）／λ
＝ｋ１｛ｄＡ（ｘ，ｙ）＋ｄＢ（ｘ，ｙ）｝＋ｋ２ …（２）
なお、式（２）において、係数ｋ１＝（ｎａｂ−１）（２π）／λ、係数ｋ２＝ｄ３（２π）／λである。式（２）に式（１Ａ）及び式（１Ｂ）を代入すると、位相の変化δ（ｘ，ｙ）は次のように位置（ｘ，ｙ）に関わりなく一定になる。従って、一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂは、屈折力が０の平板として作用する。

δ（ｘ，ｙ）＝ｋ１（ｄ１＋ｄ２）＋ｋ２ …（３）
次に、図２（Ｂ）に示すように、図２（Ａ）の状態から光学素子５２Ｂを光軸に垂直なｘ方向にΔｘだけ移動すると、位置（ｘ，ｙ）で光学素子５２Ａに入射して光学素子５２Ｂから射出される光Ｌ１（ｘ，ｙ，Δｘ）に関する光学素子５２Ｂの厚さｄＢ（ｘ，ｙ，Δｘ）は次のようになる。

ｄＢ（ｘ，ｙ，Δｘ）＝ｄ２−ｆ（ｘ−Δｘ，ｙ） …（４）
このとき、光Ｌ１（ｘ，ｙ，Δｘ）が光学素子５２Ｂから射出されるときの位相の変化δ（ｘ，ｙ，Δｘ）は、式（２）のｄＢ（ｘ，ｙ）を式（４）のｄＢ（ｘ，ｙ，Δｘ）で置き換えた次式で表される。なお、係数ｋ３＝ｋ１（ｄ１＋ｄ２）＋ｋ２であり、（∂ｆ／∂ｘ）は関数ｆ（ｘ，ｙ）の座標ｘに関する偏微分である。

δ（ｘ，ｙ，Δｘ）＝ｋ１｛ｄ１＋ｄ２＋（ｆ（ｘ，ｙ）−ｆ（ｘ−Δｘ，ｙ））｝＋ｋ２＝ｋ１（ｆ（ｘ，ｙ）−ｆ（ｘ−Δｘ，ｙ））＋ｋ３
≒ｋ１（∂ｆ／∂ｘ）Δｘ＋ｋ３ …（５）
本実施形態では、光学素子５２Ａ，５２Ｂがｘ方向にΔｘだけ相対移動した後の位相の変化δ（ｘ，ｙ，Δｘ）が、次のような屈折力成分を有するように関数ｆ（ｘ，ｙ）（自由曲面の形状）を設定する。なお、ａ，ｂ’は任意の定数である。

δ（ｘ，ｙ，Δｘ）＝ｋ１・ｂ（ｘ²＋ｙ²＋ａ）Δｘ＋ｋ３
＝ｋ１・ｇ（ｘ，ｙ）Δｘ＋ｋ３ …（６）
式（５）と式（６）との比較から、関数ｆ（ｘ，ｙ）は、次のように式（６）中の関数ｇ（ｘ，ｙ）をｘ方向（光学素子５２Ａ，５２Ｂを相対移動させる方向）に積分したものであることが分かる。

ｆ（ｘ，ｙ）＝∫ｇ（ｘ，ｙ）ｄｘ＝∫ｂ（ｘ²＋ｙ²＋ａ）ｄｘ
＝ｂ（ｘ³／３＋ｘｙ²＋ａｘ）＋ｃ …（７）
なお、ｃは任意のオフセットである。また、定数ｂが負で、オフセットｃが０のときの関数ｆ（ｘ，ｙ）（面Ｓ３及びＳ４の形状）は、図２（Ｃ）のようになる。また、式（６）から分かるように、一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂのｘ方向の相対変位Δｘによって屈折力は調整可能であるとともに、相対変位Δｘの符号によって屈折力は正にも負にも調整可能である。

図１（Ａ）に戻り、アッベ数（νｄ１）を持つ光学素子５２Ａ，５２Ｂのｘ方向の相対変位によって、第１の光学素子対５０Ａの屈折力を所定の負の値から所定の正の値まで連続的に調整可能である。同様に、アッベ数（νｄ１）と異なるアッベ数（νｄ２）を持つ光学素子５４Ａ，５４Ｂのｘ方向の相対変位によって、第２の光学素子対５０Ｂの屈折力を所定の負の値から所定の正の値まで連続的に調整可能である。従って、一例として、駆動装置５６Ａによって光学素子５２Ａ，５２Ｂを相対変位させて、光学素子対５０Ａの屈折力を正にし、駆動装置５６Ｂによって光学素子５４Ａ，５４Ｂを相対変位させて、光学素子対５０Ｂの屈折力を負にすることによって、結像光学系６０の色収差（ここでは軸上色収差）を補正できるとともに、その補正量は可変である。

言い換えると、光学素子対５０Ａ，５０Ｂよりなる補正用光学系４８は、色収差を補正するための光学系として使用可能である。その色収差の補正量をできるだけ大きくするためには、一例として、光学素子５２Ａ，５２Ｂをクラウン系のアッベ数ができるだけ大きい（色分散の小さい）光学材料より形成し、光学素子５４Ａ，５４Ｂをフリント系のアッベ数ができるだけ小さい（色分散の大きい）光学材料から形成することが好ましい。

［第１数値実施例］
次に、本実施形態の結像光学系６０の数値実施例につき説明する。この実施例では、第１の光学素子対５０Ａを構成する光学素子５２Ａ，５２Ｂの材料として、アッベ数νｄ１がほぼ６４のクラウン系のＢＫ７を使用し、第２の光学素子対５０Ｂを構成する光学素子５４Ａ，５４Ｂの材料として、アッベ数νｄ２がアッベ数νｄ１より小さいほぼ３４の重フリント系のＳＦ２を使用する。また、レンズ５８の材料は、屈折率が１．７でアッベ数が大きい実質的に分散のない仮想的な材料である。また、この実施例で使用される自由曲面の形状（光軸を原点とする座標系（ｘ，ｙ）の各位置における光軸に垂直な平面からの距離ｚ）は、式（６）の積分に対応する式（７）に基づいて、係数Ｆ１，Ｆ２を用いて次のように表される。なお、原点における距離ｚを０としている。

ｚ＝Ｆ１・ｘ＋（Ｆ２／３）ｘ³＋Ｆ２・ｘｙ² …（１１）
さらに、この実施例で使用される非球面の形状（光軸からの距離ｙの位置における非球面の頂点の接平面からの距離ｚ）は、頂点の曲率半径ｒ、円錐係数Ｋ、ｉ次の非球面係数をＡｉとしたとき、以下の式で表される。なお、ここでは、非球面係数Ａｉとしては、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０のみを考慮する。

ｚ＝(y²/r)／［1+{1-(1+K)(y/r)²}^1/2］＋A4・y⁴＋A6・y⁶＋A8・y⁸＋A10・y¹⁰ …（１２）
以下の表１に、この数値実施例の結像光学系６０の主要諸元の値を掲げる。面番号は、物体面から像面に向かって配置される面Ｓｉの順序ｉを示し、ｒは各面の曲率半径（自由曲面、非球面では光軸上での曲率半径）、ｄは各面の軸上間隔、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を表している。

《表１》（第１数値実施例の主要諸元）
単位：ｍｍ
使用波長： 656.30nm, 587.60nm, 486.10nm
面番号ｉ ｒ ｄ ｎｄ νｄ
０（物体面） ∞ ∞
１（絞り） ∞ 30.000000
２ ∞ 3.000000 1.51680 64.17
３（自由曲面） ∞ 0.000100
４（自由曲面） ∞ 3.000000 1.51680 64.17
５ ∞ 3.000000
６ ∞ 3.000000 1.64769 33.85
７（自由曲面） ∞ 0.000100
８（自由曲面） ∞ 3.000000 1.64769 33.85
９ ∞ 30.000000
１０（非球面） 209.62158 30.000000 1.70000 −
１１ ∞ 281.812336
１２（像面） ∞ 0.000000
（自由曲面データ）
第３面、第４面、第７面、第８面に共通（ｍＥ−ｎは、ｍ×１０^-nを意味する）
F1=-1.0000E-02, F2=2.0000E-06
（非球面データ）
第１０面
K=0.000000, A4=-0.878819E-08, A6=-0.155312E-12, A8=-0.231738E-17,
A10=-0.405227E-22

この実施例の結像光学系６０の波面収差データは以下の通りである。波面収差は規格化半径(normalization radius)が５０ｍｍのゼルニケ(Zernike) 多項式のｊ次の係数（以下、ゼルニケ係数という。）Ｚｊ（ｊ＝１〜３６）で表すものとする。まず、図１（Ａ）に示すように、光学素子５２Ａ，５２Ｂのｘ方向の相対変位が０で、光学素子５４Ａ，５４Ｂのｘ方向の相対変位も０の場合のゼルニケ係数Ｚｊ（ｊ＝１〜３６）は、３つの波長６５６．３０ｎｍ，５８７．６０ｎｍ，４８６．１０ｎｍの全部についてそれぞれ０．００００であり、無収差である。

次に、図１（Ａ）の状態から図１（Ｂ）に示すように、光学素子５２Ａを＋ｘ方向に移動し、光学素子５２Ｂを−ｘ方向に移動し、光学素子５４Ａを−ｘ方向に移動し、光学素子５４Ｂを＋ｘ方向に移動した場合の波面収差を計算した。各光学素子のｘ方向の移動量（ｍｍ）は以下の通りである。
光学素子５２Ａ：+1.000000，光学素子５２Ｂ：-1.000000，
光学素子５４Ａ：-0.797930，光学素子５４Ｂ：+0.797930
このように光学素子５２Ａ，５２Ｂ及び５４Ａ，５４Ｂを相対移動した後のゼルニケ係数Ｚｊで表される波面収差は、以下の通りである。

波長６５６．３０ｎｍにおいては、Ｚ１＝Ｚ４＝0.0151，他のＺｊ＝0.0000
波長５８７．６０ｎｍにおいては、全部のＺｊ＝0.0000
波長４８６．１０ｎｍにおいては、Ｚ１＝Ｚ４＝-0.0538，他のＺｊ＝0.0000
この場合、ゼルニケ係数Ｚ１はオフセット成分、Ｚ４は屈折力成分である。従って、光学素子５２Ａ，５２Ｂ及び５４Ａ，５４Ｂの相対移動によって、波長６５６．３０ｎｍに関して屈折力が正になり、波長５８７．６０ｎｍに関しては屈折力が０のままであり、波長４８６．１０ｎｍに関しては屈折力が負になり、色収差（軸上色収差）を補正できることが分かる。しかも、屈折力以外の波面収差成分は変化しないため、他の結像特性は変化しない。

本実施形態の効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の結像光学系６０は、複数の波長の光を含む光路に配置されるとともに、色収差を補正するための補正用光学系４８を備えている。補正用光学系４８は、それぞれ第１のアッベ数（第１の分散）を持つ光学材料からなり、対向する面Ｓ３，Ｓ４に互いに同一の自由曲面が形成されるとともに、その光束の波面の状態を変えるために光軸ａｘに垂直なｘ方向に相対移動可能に配置された第１の一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂ（光学素子対５０Ａ）と、その第１のアッベ数と異なる第２のアッベ数（第２の分散）を持つ光学材料からなり、対向する面Ｓ７，Ｓ８に互いに同一の自由曲面が形成されるとともに、その光束の波面の状態を変えるためにｘ方向に相対移動可能に配置された第２の一対の光学素子５４Ａ，５４Ｂ（光学素子対５０Ｂ）と、を備えている。そして、第１の光学素子対５０Ａと第２の光学素子対５０Ｂとが光軸ａｘに沿って直列に配置されている。

本実施形態によれば、第１の一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂの相対移動による波面の状態の変化と、分散特性の異なる第２の一対の光学素子５４Ａ，５４Ｂの相対移動による波面の状態の変化との組み合わせによって、結像光学系６０の色収差の調整を容易に行うことができる。
（２）また、光学素子５２Ａ，５２Ｂの相対移動によって光学素子５２Ａ，５２Ｂの屈折力が変化し、光学素子５４Ａ，５４Ｂの相対移動によって光学素子５４Ａ，５４Ｂの屈折力が変化するため、実質的に色収差（軸上色収差）以外の結像特性に影響を与えることなく、色収差のみを補正できる。

なお、本実施形態では、光学素子５２Ａ，５２Ｂの対向する面に形成される自由曲面と、光学素子５４Ａ，５４Ｂの対向する面に形成される自由曲面とは互いに同一であり、補正用光学系４８の製造が容易である。しかしながら、光学素子５２Ａ，５２Ｂの対向する面に形成される自由曲面と、光学素子５４Ａ，５４Ｂの対向する面に形成される自由曲面とは異なっていてもよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態につき図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において図１（Ａ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図３（Ａ）は本実施形態の結像光学系６０Ａを示す。図３（Ａ）において、結像光学系６０Ａは、無限遠の物体面ＯＰ（面Ｓ０）から像面ＩＰに向かって配置された、開口絞りＡＳ１、色収差を補正する補正用光学系４８Ａ、及び実質的に無収差のレンズ５８から構成されている。そして、補正用光学系４８Ａは、結像光学系６０Ａの光軸ａｘに沿って直列に配置された、一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂよりなる第１の光学素子対５０Ａ、及び一対の回折光学素子６２Ａ，６２Ｂよりなる第２の光学素子対５０Ｃから構成されている。本実施形態においても、第１の光学素子対５０Ａを構成する光学素子５２Ａ，５２Ｂは、それぞれ所定のアッベ数（νｄ１）を持つ平板状の光学材料からなり、対向する面Ｓ３，Ｓ４に互いに同一の自由曲面が形成されている。さらに、光学素子５２Ａ，５２Ｂは、屈折力を変えるために、第１の駆動装置５６Ａによって光軸ａｘに垂直なｘ方向に相対移動可能に支持されている。

一方、第２の光学素子対５０Ｃを構成する回折光学素子６２Ａ，６２Ｂは、それぞれ光学素子５２Ａ，５２Ｂと同じアッベ数（νｄ１）を持つ平板状の光学材料からなり、対向する面Ｓ７，Ｓ８に互いに同一のブレーズ型の回折格子Ｇ１，Ｇ２が形成されている。さらに、回折光学素子６２Ａ，６２Ｂは、屈折力を変えるために、第２の駆動装置５６Ｂによってｘ方向に相対移動可能に支持されている。また、回折格子Ｇ１，Ｇ２の特性は、回折格子Ｇ１，Ｇ２を通過した光の位相分布が、光学素子５２Ａ，５２Ｂの面Ｓ３，Ｓ４に形成されている自由曲面を通過した光の位相分布と実質的に同じになるように設定されている。

この場合、回折格子Ｇ１，Ｇ２における分散特性（色収差）は、光学ガラスにおける分散特性と逆になるため、回折光学素子６２Ａ，６２Ｂ（光学素子対５０Ｃ）は、光学素子５２Ａ，５２Ｂ（光学素子対５０Ａ）と分散特性が逆の光学素子として作用する。従って、光学素子対５０Ａ及び５０Ｃよりなる補正用光学系４８Ａを用いることによって、結像光学系６０Ａの色収差（軸上色収差）を補正できる。その色収差の補正量をできるだけ大きくするためには、一例として、光学素子５２Ａ，５２Ｂをフリント系のアッベ数ができるだけ小さい（色分散が大きい）光学材料より形成することが好ましい。

［第２数値実施例］
次に、本実施形態の結像光学系６０Ａの数値実施例につき説明する。この実施例では、第１の光学素子対５０Ａを構成する光学素子５２Ａ，５２Ｂの材料、及び第２の光学素子対５０Ｃを構成する回折光学素子６２Ａ，６２Ｂの材料として、屈折率ｎｄが１．５１６８０、アッベ数νｄが６４．１７のクラウン系のＢＫ７を使用する。

また、この数値実施例の主要諸元は、第１の数値実施例（表１）の主要諸元と、回折光学素子６２Ａ，６２Ｂ（面Ｓ６，Ｓ８）の屈折率ｎｄ及びアッベ数νｄ、並びに回折光学素子６２Ａ，６２Ｂの対向する面Ｓ７，Ｓ８に形成された回折格子Ｇ１，Ｇ２の特性を除いて同じである。回折格子Ｇ１，Ｇ２の特性は、ブレーズ化波長が５８７．６０ｎｍで、１次回折光を用いるとともに、回折格子Ｇ１，Ｇ２を透過した光の位相分布は、光学素子５２Ａ，５２Ｂの対向する面Ｓ３，Ｓ４に形成された自由曲面を透過する光と同じである。

この実施例の結像光学系６０Ａの波面収差データは以下の通りである。まず、図３（Ａ）に示すように、光学素子５２Ａ，５２Ｂのｘ方向の相対変位が０で、回折光学素子６２Ａ，６２Ｂのｘ方向の相対変位も０の場合のゼルニケ係数Ｚｊ（ｊ＝１〜３６）は、３つの波長６５６．３０ｎｍ，５８７．６０ｎｍ，４８６．１０ｎｍの全部についてそれぞれ０．００００であり、無収差である。

次に、図３（Ａ）の状態から図３（Ｂ）に示すように、光学素子５２Ａを＋ｘ方向に移動し、光学素子５２Ｂを−ｘ方向に移動し、回折光学素子６２Ａを−ｘ方向に移動し、回折光学素子６２Ｂを＋ｘ方向に移動した場合の波面収差を計算した。各光学素子のｘ方向の移動量（ｍｍ）は以下の通りである。
光学素子５２Ａ：+1.000000，光学素子５２Ｂ：-1.000000，
回折光学素子６２Ａ：-0.516834，回折光学素子６２Ｂ：+0.516834
このように光学素子５２Ａ，５２Ｂ及び回折光学素子６２Ａ，６２Ｂを相対移動した後のゼルニケ係数Ｚｊで表される波面収差は、以下の通りである。

波長６５６．３０ｎｍにおいては、Ｚ１＝Ｚ４＝-0.4792，他のＺｊ＝0.0000
波長５８７．６０ｎｍにおいては、全部のＺｊ＝0.0000
波長４８６．１０ｎｍにおいては、Ｚ１＝Ｚ４＝0.9757，Ｚ９＝-0.0001，他のＺｊ＝0.0000
従って、光学素子５２Ａ，５２Ｂ及び回折光学素子６２Ａ，６２Ｂの相対移動によって、波長６５６．３０ｎｍに関して屈折力が負になり、波長５８７．６０ｎｍに関しては屈折力が０のままであり、波長４８６．１０ｎｍに関しては屈折力が正になり、色収差（軸上色収差）を補正できることが分かる。しかも、屈折力以外の波面収差成分は実質的に変化しないため、他の結像特性は変化しない。

本実施形態の効果等は以下の通りである。
本実施形態の補正用光学系４８Ａは、それぞれ所定のアッベ数（第１の分散）を持つ光学材料からなり、対向する面Ｓ３，Ｓ４に互いに同一の自由曲面が形成されるとともに、光軸ａｘに垂直なｘ方向に相対移動可能に配置された一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂ（第１の光学素子対５０Ａ）と、その第１の分散と異なる分散特性を持ち、対向する面Ｓ７，Ｓ８に互いに同一の回折格子Ｇ１，Ｇ２が形成されるとともに、入力する光束の波面の状態を変えるためにｘ方向に相対移動可能に配置された一対の回折光学素子６２Ａ，６２Ｂ（第２の光学素子対５０Ｃ）と、を備えている。そして、第１の光学素子対５０Ａと第２の光学素子対５０Ｃとが光軸ａｘに沿って直列に配置されている。

本実施形態によれば、一対の光学素子５２Ａ，５２Ｂの相対移動による波面の状態の変化と、分散特性の異なる一対の光学素子６２Ａ，６２Ｂの相対移動による波面の状態の変化との組み合わせによって、結像光学系６０Ａの色収差の調整を容易に行うことができる。
なお、本実施形態においては以下のような変形が可能である。

（１）図３（Ａ）では、光学素子対５０Ａの後に光学素子対５０Ｃが配置されているが、光学素子対５０Ｃ（回折光学素子６２Ａ，６２Ｂ）の後に光学素子対５０Ａ（光学素子５２Ａ，５２Ｂ）を配置してもよい。
（２）図４の変形例の結像光学系６０Ｂで示すように、補正用光学系４８Ｂを、対向する面Ｓ３，Ｓ４に互いに同一の自由曲面が形成された光学素子５２Ａ，５２Ｂよりなる第１の光学素子対５０Ａと、対向する面に互いに同一の回折格子Ｇ１，Ｇ２が形成された光学素子５２Ｂ，６２Ｂよりなる第２の光学素子対５０Ｃとから構成してもよい。この変形例では、中央の光学素子５２Ｂは、２つの光学素子対５０Ａ，５０Ｃで兼用されている。この変形例においては、第１の駆動装置５６Ａによって光学素子５２Ａをｘ方向に移動し、第２の駆動装置５６Ｂによって光学素子（回折光学素子）６２Ｂをｘ方向に移動することによって、補正用光学系４８Ｂによる色収差の補正量を制御できる。
なお、図４の結像光学系６０Ｂにおいて、補正用光学系４８Ｂを光軸ａｘを通り光軸ａｘに垂直な軸の回りに１８０°回転してもよい。この場合には、光学素子の配列順序が像面ＩＰ側に順に、光学素子（回折光学素子）６２Ｂ、光学素子５２Ｂ、及び光学素子５２Ａとなる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態につき図５及び図６を参照して説明する。本実施形態は、露光装置が備えるオートフォーカスセンサ（面位置検出装置）に本発明を適用したものであり、図５において、図１（Ａ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、スキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査型の投影露光装置（走査型露光装置）である。図５において、露光装置ＥＸは、露光用の照明光（露光光）ＩＬでミラーＭＩを介してレチクルＲ（マスク）を照明する照明系ＩＬＳ、レチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴ、及びレチクルＲのパターンの像をウエハＷ（基板）の表面に投影する投影光学系ＰＬを備えている。また、露光装置ＥＸは、ウエハＷを保持して移動するウエハステージＷＳＴ、及び装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御装置（不図示）等を備えている。

以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（本実施形態ではほぼ水平面である）内でレチクルとウエハとが相対走査される方向にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向にＸ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。露光装置ＥＸは、ウエハＷの表面Ｗｓ（被検面）の複数の計測点における投影光学系ＰＬの光軸方向の位置（Ｚ位置、フォーカス位置、又は面位置）を検出するオートフォーカスセンサ（以下、ＡＦセンサという）１２を備えている。ＡＦセンサ１２は、被検面に斜めに検出用の光束を投射する光学式で斜入射方式の検出装置である（詳細後述）。

例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示される照明系ＩＬＳは、レチクルＲのパターン面（下面）ＲａのＸ方向に細長いスリット状の照明領域を、照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。照明光ＩＬとしては、一例としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、照明光ＩＬとしては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、固体レーザ（ＹＡＧレーザ、半導体レーザなど）の高調波、又は水銀ランプの輝線（ｉ線等）なども使用できる。

レチクルステージＲＳＴは、レチクルベース（不図示）のＸＹ平面に平行な上面において、例えばリニアモータ等を含む駆動系（不図示）によってＸ方向、Ｙ方向、θｚ方向に微少駆動可能であるとともに、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能である。レチクルステージＲＳＴを駆動するための位置情報はレーザ干渉計（不図示）によって計測される。

投影光学系ＰＬは、照明光ＩＬのもとでレチクルＲのパターン領域の照明領域内の回路パターンの像を、ウエハＷの一つのショット領域のＸ方向に細長いスリット状の露光領域（照明領域に共役な領域）に形成する。投影光学系ＰＬは、屈折系又は反射屈折系からなり、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。ウエハＷ（基板）は、例えば直径が２００ｍｍから４５０ｍｍ程度の円板状の半導体ウエハ（基材）の表面にフォトレジスト（感光材料）を所定の厚さ（例えば数１０〜２００ｎｍ程度）で塗布したものを含む。

また、露光装置ＥＸが液浸法で露光を行う場合には、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子とウエハＷとの間の局所的な領域に、照明光ＩＬを透過する液体を供給するための局所液浸機構（不図示）が設けられる。その局所液浸機構は、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書等に開示されている。
また、ウエハステージＷＳＴは、ウエハベースＷＢのＸＹ平面に平行な上面において、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能で、θｚ方向に微小回転可能なＸＹステージと、ＸＹステージの上部に固定されたＺステージとを有する。そのＺステージは、ウエハテーブルＷＴＢを介してウエハＷを保持するとともに、ウエハテーブルＷＴＢ（及びウエハＷ）のＺ位置並びにθｘ方向、θｙ方向の傾斜角を制御する。ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハの表面とほぼ同じ高さの面となる、中央にウエハＷが設置される開口が形成された平板１０が設けられている。露光装置ＥＸが液浸型である場合には、平板１０の表面には撥液化処理が施される。

ウエハベースＷＢの上面におけるウエハステージＷＳＴの位置情報（少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）はレーザ干渉計（不図示）によって計測され、この計測値等に基づいてリニアモータ等の駆動系（不図示）を介してウエハステージＷＳＴ内のＸＹステージの動作が制御される。さらに、ＡＦセンサ１２で計測されるウエハＷの表面のＺ位置の情報に基づいて、ウエハステージＷＳＴのＺステージが制御される。

また、ウエハステージＷＳＴは、レチクルＲのアライメントマークの投影光学系ＰＬによる像の位置を計測する空間像計測系（不図示）を備え、投影光学系ＰＬの近傍には、ウエハＷのアライメントマークの位置を計測するウエハアライメント系（不図示）が設けられている。その空間像計測系及びウエハアライメント系の計測結果に基づいてレチクルＲ及びウエハＷのアライメントが行われる。

次に、本実施形態のＡＦセンサ１２の構成等につき詳細に説明する。ＡＦセンサ１２は、ウエハＷに塗布されたフォトレジストに対する感光性が低く、かつ薄膜干渉による影響を低減するために波長幅が例えば５００〜９００ｎｍ程度の広帯域の光束Ｌ１を射出する光源部１６と、光束Ｌ１を集光するコンデンサーレンズ１７と、集光された光束Ｌ１が照射される偏向プリズム１８とを有する。偏向プリズム１８の射出面には、遮光膜中に複数の送光スリット１９ａを周期的に配列した構成の送光スリット部１９が設けられている。各送光スリット１９ａは、ウエハＷの表面Ｗｓ（被検面）のＸ方向に対応する方向に対してほぼ４５°で交差する方向に細長い長方形（スリット状）の開口パターンである。

また、ＡＦセンサ１２は、送光スリット部１９を通過した光束Ｌ１によって、ウエハＷの表面Ｗｓに斜め方向から複数の送光スリット１９ａの像を投射する送光光学系１４Ａと、表面Ｗｓで反射された光束Ｌ１を受光して、複数の送光スリット１９ａの像を再結像する受光光学系１４Ｂと、その複数の送光スリット１９ａの像が再結像される入射面を持つ偏光プリズム３４とを有する。偏向プリズム３４の入射面には、遮光膜中に複数の送光スリットの像とほぼ同じ配列で同じ形状の複数の受光スリット３５ａを配列した構成の受光スリット部３５が設けられている。また、ＡＦセンサ１２は、偏向プリズム３４の受光スリット部３５を通過した光束Ｌ１をリレー光学系３６を介して受光する受光素子アレイ３７を有する。受光素子アレイ３７には、それぞれ受光スリット部３５の複数の受光スリット３５ａを通過した光束が入射する複数の受光素子（例えばフォトダイオード）が設けられている。受光素子アレイ３７の複数の受光素子の検出信号は信号処理系（不図示）に供給される。

また、送光光学系１４Ａは、第１対物レンズ２０Ａ及び第２対物レンズ２０Ｂよりなり、送光スリット１９ａの像を中間結像面ＷＡ１に形成する第１結像光学系２０と、第１対物レンズ２４Ａ及び第２対物レンズ２４Ｂよりなり、中間結像面ＷＡ１の送光スリットの像をウエハＷの表面Ｗｓに再結像する第２結像光学系２４とを有する。さらに、送光光学系１４Ａは、第２結像光学系２４の射出瞳と共役な面（瞳面）ｐｐ１の近傍に配置されて、光束Ｌ１をほぼ＋Ｘ方向に対して所定角度だけ−Ｚ方向に傾斜した方向を中心としてθｙ方向に所定の角度範囲で振動させる振動ミラー２６Ａと、第２対物レンズ２４Ｂを通過した光束Ｌ１の光路を−Ｚ方向にシフトさせるプリズム２８Ａとを有する。複数の送光スリット１９ａの像４０−ｉ（ｉ＝１〜Ｉ、Ｉは２以上の整数）は、ウエハＷの表面Ｗｓを含むＸ方向に細長い検出領域２９内にＸ方向に一定の間隔で形成される。

送光光学系１４Ａは、偏向プリズム１８の射出面（送光スリット部１９の形成面）と投影光学系ＰＬの像面（合焦時のウエハＷの表面Ｗｓ）とを光学的に共役にする結像光学系である。表面Ｗｓに斜めに投射される光束Ｌ１の主光線の入射面と、投影光学系ＰＬの像面（合焦時の表面Ｗｓ）とが交差する直線はＸ軸に平行である。送光スリット部１９の形成面、中間結像面ＷＡ１、及び表面Ｗｓは、それぞれ送光光学系１４Ａの光軸に垂直な面に対してθｙ方向に大きく傾斜している。

また、表面Ｗｓが投影光学系ＰＬの像面に合致している状態で、送光スリット部１９の形成面と中間結像面ＷＡ１とは、第１結像光学系２０に関してシャインプルーフの条件を満たすように配置され、かつ中間結像面ＷＡ１と表面Ｗｓとは、第２結像光学系２４に関してシャインプルーフの条件を満たすように配置されている。このため、複数の送光スリット１９ａの像は、検出領域２９の全面に渡って正確に結像する。また、送光光学系１４Ａはいわゆる両側テレセントリック光学系であり、任意の２つの送光スリット１９ａの間隔と、対応する表面Ｗｓの２つの像の間隔とは、表面Ｗｓの全面に渡って互いに同じ倍率である。

さらに、本実施形態のＡＦセンサ１２は、送光光学系１４Ａ中に配置されて、色収差を補正する第１の実施形態（図１（Ａ））と同じ補正用光学系４８を有する。補正用光学系４８は、送光スリット部１９の形成面とほぼ光学的に共役な位置で、かつ像高によってはデフォーカスしている位置に設置することが好ましい。そこで、送光光学系１４Ａの中間結像面ＷＡ１のほぼ中心を通るように、かつ送光光学系１４Ａの光軸に垂直に、補正用光学系４８を構成する第１の光学素子対５０Ａ（光学素子５２Ａ，５２Ｂ）及び第２の光学素子対５０Ｂ（光学素子５４Ａ，５４Ｂ）が順に配置されている。さらに、ＡＦセンサ１２は、光学素子対５０Ａ（光学素子５２Ａ，５２Ｂ）及び光学素子対５０Ｂ（光学素子５４Ａ，５４Ｂ）をそれぞれ送光光学系１４Ａの光軸に垂直なＸ方向に相対移動可能に支持する第１及び第２の駆動装置５６Ａ及び５６Ｂを備えている。駆動装置５６Ａ，５６Ｂは例えば主制御装置（不図示）によって制御される。なお、本実施形態の駆動装置５６Ａ，５６Ｂはそれぞれ一方の光学素子５２Ａ，５４ＢのみをＸ方向に移動可能であるが、駆動装置５６Ａ，５６Ｂはそれぞれ光学素子５２Ａ，５２Ｂ及び光学素子５４Ａ，５４Ｂを独立にＸ方向に移動してもよい。

図６に示すように、ウエハＷの表面Ｗｓを含む検出領域２９内には、送光光学系１４Ａから投射された光束Ｌ１によって、複数の送光スリット１９ａの像４０−ｉがＸ方向に一定間隔で形成される。振動ミラー２６Ａによって像４０−ｉはＸ方向に振動しており、像４０−ｉの中心がＺ位置の計測点である。一例として、ウエハＷの直径が３００ｍｍであるとき、検出領域２９のＸ方向の長さはほぼ３００ｍｍであり、検出領域２９内には数ｍｍピッチで数１０個の像４０−ｉが投射される。このように検出領域２９が送光光学系１４Ａの光軸に垂直な面に対して大きく傾斜し、かつ検出領域２９がＸ方向に広い場合には、色収差（特に軸上色収差）によって像４０−ｉの位置がＸ方向に変化することがある。このような像４０−ｉのＸ位置の変化はＺ位置の変化として検出されるため、ＡＦセンサ１２の計測誤差になる。本実施形態では、補正用光学系４８によって色収差を最適な状態に補正できるため、そのような計測誤差が生じることはない。

図５において、受光光学系１４Ｂは、第１対物レンズ３０Ａ及び第２対物レンズ３０Ｂよりなり、表面Ｗｓからの反射光を受光して複数の送光スリットの像を中間結像面ＷＡ２に形成する第１結像光学系３０と、第１対物レンズ３２Ａ及び第２対物レンズ３２Ｂよりなり、中間結像面ＷＡ２の複数の送光スリットの像を偏向プリズム３４の受光スリット部３５に再結像する第２結像光学系３２とを有する。さらに、受光光学系１４Ｂは、第１結像光学系３０の射出瞳と共役な面の近傍に配置されて、光束Ｌ１をほぼ＋Ｚ方向に反射するミラー２６Ｂと、表面Ｗｓで反射された光束の光路を＋Ｚ方向にシフトさせて第１対物レンズ３０Ａに導くプリズム２８Ｂとを有する。

受光光学系１４Ｂに関して、投影光学系ＰＬの像面（合焦時の表面Ｗｓ）と偏向プリズム３４の入射面（受光スリット部３５の形成面）とは光学的に共役である。また、表面Ｗｓが投影光学系ＰＬの像面に合焦している状態で、表面Ｗｓと中間結像面ＷＡ２とは、第１結像光学系３０に関してシャインプルーフの条件を満たすように配置され、中間結像面ＷＡ２と偏向プリズム３４の入射面とは、第２結像光学系３２に関して、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。従って、偏向プリズム３４の入射面の全面に渡って、表面Ｗｓの検出領域２９内に投射された送光スリットの像の像が正確に再結像する。また、受光光学系１４Ｂは両側テレセントリック光学系であり、表面Ｗｓの２点の間隔と偏向プリズム３４の入射面上の対応する２つの共役点の間隔とは、全面で同じ倍率である。

また、受光素子アレイ３７の各受光素子の検出信号を信号処理系（不図示）で振動ミラー２６Ａの駆動信号に同期して処理（同期検波）することによって、検出領域２９内の各計測点のＺ位置が求められる。
なお、受光光学系１４Ｂにおいても色収差があると、受光スリット部３５上で送光スリットの像の位置がＸ方向に対応する方向にずれるため、Ｚ位置の計測誤差が生じる。そこで、補正用光学系４８によって、受光光学系１４Ｂの色収差分の補正も行うようにしてもよい。さらに、ウエハＷの表面に塗布されたフォトレジストの種類及び膜厚等によって受光光学系１４Ｂの色収差が変化する場合には、予めフォトレジストの種類及び膜厚等によって変化する色収差を計測しておいてもよい。この場合、フォトレジストの種類及び膜厚等によって、主制御装置（不図示）が駆動装置５６Ａ，５６Ｂを介して光学素子対５０Ａ，５０Ｂの相対位置を制御して、その色収差を補正することができる。このようにして、受光光学系１４Ｂで発生する色収差も補正できる。

ウエハＷの露光時には、一例として図６に示すように、ウエハステージＷＳＴを駆動してＡＦセンサ１２の検出領域２９に対してウエハＷの表面ＷｓをＹ方向に走査して、ウエハＷの表面Ｗｓに格子状に設定された多数の計測点でＺ位置を計測する。その後、ウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向へのステップ移動によって、ウエハＷの一つのショット領域を投影光学系ＰＬの露光領域の手前に移動する。その後、Ｚ位置の計測値に基づいてウエハステージＷＳＴ（Ｚステージ）を駆動してウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させた状態で、照明系ＩＬＳからの照明光ＩＬの照射を開始する。そして、レチクルＲのパターンの投影光学系ＰＬによる像でウエハＷの当該ショット領域を露光しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを駆動して、レチクルＲ及びウエハＷをＹ方向に同期して移動することによって、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像を走査露光する。そのステップ移動と走査露光とを繰り返すことによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターンの像が露光される。この際に、ＡＦセンサ１２によってウエハＷのＺ位置を高精度に、かつ効率的に計測できるため、ウエハＷの露光を高精度に高いスループットで行うことができる。

本実施形態の効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の露光装置ＥＸは、ウエハＷの表面ＷｓのＺ位置（面位置）を検出するＡＦセンサ１２（面位置検出装置）を備えている。ＡＦセンサ１２は、表面Ｗｓに斜め方向から光を投射する送光光学系１４Ａと、表面Ｗｓで反射された光を受光する受光光学系１４Ｂと、送光光学系１４Ａに配置された補正用光学系４８と、受光光学系１４Ｂを介した光を検出して、表面ＷｓのＺ位置の情報を求める受光素子アレイ３７を含む検出部とを備えている。

ＡＦセンサ１２によれば、補正用光学系４８によって色収差を容易に補正できるため、表面Ｗｓの検出領域２９が広い場合でも、検出領域２９の全面で高精度にＺ位置を計測できる。
（２）また、補正用光学系４８は、送光光学系１４Ａ内の表面Ｗｓと共役な面である中間結像面ＷＡ１の近傍で、かつ像高によってデフォーカスする位置に配置されている。従って、補正用光学系４８によって送光光学系１４Ａの色収差を容易に補正できる。

なお、補正用光学系４８は、図５の第１結像光学系２０の第１対物レンズ２０Ａと送光スリット部１９の形成面との間の位置Ｑ２、第２対物レンズ２０Ｂと中間結像面ＷＡ１との間の位置Ｑ３、第２結像光学系２４の第２対物レンズ２４Ｂと表面Ｗｓとの間の位置Ｑ４等に、送光光学系１４Ａの光軸に垂直に設置してもよい。
さらに、補正用光学系４８は、受光光学系１４Ｂ内の中間結像面ＷＡ２のほぼ中心を通り、受光光学系１４Ｂの光軸に垂直な位置Ｑ５、又は送光光学系１４Ａ内の位置Ｑ２〜Ｑ４に対応する受光光学系１４Ｂ内の位置等に設置してもよい。このように補正用光学系４８を受光光学系１４Ｂ内に設置することで、受光光学系１４Ｂの色収差を容易に補正できる。また、送光光学系１４Ａ内の中間結像面ＷＡ１の近傍又は位置Ｑ２〜Ｑ４のいずれかに補正用光学系４８を設置し、かつ受光光学系１４Ｂ内の中間結像面ＷＡ２の近傍又は位置Ｑ２〜Ｑ４に対応する位置のいずれかに補正用光学系４８と同じ構成の補正用光学系を設置し、２つの補正用光学系４８等を用いて送光光学系１４Ａ及び受光光学系１４Ｂの色収差を個別に補正してもよい。

なお、補正用光学系４８の代わりに、図３（Ａ）の補正用光学系４８Ａ又は図４の補正用光学系４８Ｂを配置しても、同様に送光光学系１４Ａ及び／又は受光光学系１４Ｂの色収差を補正できる。
（３）また、本実施形態の露光装置ＥＸは、照明光ＩＬ（露光光）でレチクルＲのパターン及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷ（基板）を露光する露光装置において、ウエハＷの表面ＷｓのＺ位置を検出するためにＡＦセンサ１２を備えている。従って、ＡＦセンサ１２の検出結果を用いて、露光中にオートフォーカス方式でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦できる。

なお、レチクルＲのパターン面ＲａのＺ位置（面位置）を検出するためにＡＦセンサ１２と同様の斜入射方式のＡＦセンサを用いてもよい。このようにレチクルＲのパターン面ＲａのＺ位置を検出するＡＦセンサの送光光学系及び／又は受光光学系にも補正用光学系４８，４８Ａ，４８Ｂを設置することによって、容易に色収差を補正して、高精度にＺ位置を検出できる。

なお、本実施形態では、光束の光路をＺ方向にシフトするプリズム２８Ａ，２８Ｂを備えているが、プリズム２８Ａ，２８Ｂは必ずしも設ける必要はない。
また、本実施形態では、送光光学系１４Ａ及び受光光学系１４Ｂは、それぞれ中間結像を行う２段の結像光学系であるが、送光光学系１４Ａ及び／又は受光光学系１４Ｂとして途中で中間結像を行わない１段の結像光学系を使用してもよい。

また、本実施形態では、ＡＦセンサ１２は、多点の検出系であるが、ＡＦセンサ１２の計測点は１点のみでもよい。
なお、上記の実施形態では、補正用光学系４８は、対向する１対の面Ｓ３，Ｓ４及び他の対向する１対の面Ｓ７，Ｓ８よりなる２対の自由曲面を有し、補正用光学系４８Ａ，４８Ｂは、対向する１対の面Ｓ３，Ｓ４（自由曲面）及び対向する１対の回折格子Ｇ１，Ｇ２よりなる２対の補正用の面を有する。この他に、補正用光学系は、３対以上の自由曲面を有していてもよく、少なくとも１対の自由曲面及び２対以上の回折格子を有していてもよく、さらには、２対以上の自由曲面及び少なくとも１対の回折格子を有していてもよい。このように自由曲面対及び／又は回折格子対の数を増やすことで色収差の調整の自由度を高めることができる。

また、上記の実施形態の露光装置又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイスを製造する場合、電子デバイスは、図７に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２２２、デバイスの基材に感光材料を塗布した基板（ウエハ）を製造するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置ＥＸによりレチクルのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。

言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置を用いて基板（物体）を露光することと、その露光された基板を処理すること（現像等）と、を含んでいる。この場合、基板の投影光学系ＰＬに対する合焦精度が高いため、電子デバイスを高精度に製造できる。
なお、本発明は、上述の走査露光型の投影露光装置の他に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパー等）にも適用できる。さらに、本発明は、液浸型露光装置以外の、ドライ露光型の露光装置にも同様に適用することができる。

また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子やプラズマディスプレイなどを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックスウエハ上に転写する露光装置、並びに撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及びＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置及びＥＵＶ露光装置などで使用されるマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。

このように、本発明は上述の実施形態に限定されず、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。

ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、１２…ＡＦセンサ（オートフォーカスセンサ）、１４Ａ…送光光学系、１４Ｂ…受光光学系、４８…補正用光学系、５２Ａ，５２Ｂ…光学素子、５４Ａ，５４Ｂ…光学素子

Claims (11)

1. 複数の波長の光を含む光束の光路に配置される光学系であって、
   それぞれ第１の分散を持つ光学材料からなり、対向する面に互いに同一の自由曲面が形成されるとともに、前記光束の波面の状態を変えるために光軸に垂直な方向に相対移動可能に配置された第１の一対の光学素子と、
   前記第１の分散と異なる分散特性を持ち、対向する面に互いに同一の自由曲面又は回折格子パターンが形成されるとともに、前記光束の波面の状態を変えるために前記光軸に垂直な方向に相対移動可能に配置された第２の一対の光学素子と、を備え、
   前記第１の一対の光学素子と前記第２の一対の光学素子とが前記光軸に沿って直列に配置されたことを特徴とする光学系。
2. 前記第１の一対の光学素子を相対移動することで、前記第１の一対の光学素子の屈折力が変化し、
   前記第２の一対の光学素子を相対移動することで、前記第２の一対の光学素子の屈折力が変化することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１の一対の光学素子の相対移動の方向の座標をｘ、前記光軸に垂直な平面内で前記相対移動の方向に直交する方向の座標をｙとして、前記第１の一対の光学素子を通過した光束の波面の変化量を関数ｇ（ｘ，ｙ）で表したとき、
   前記第１の一対の光学素子の前記自由曲面の形状は、関数ｇ（ｘ，ｙ）を座標ｘに関して積分して得られる関数で表されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記第１の一対の光学素子の前記自由曲面の形状は座標Ｘ及び座標Ｙの多項式で表されることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記第２の一対の光学素子は、それぞれ前記第１の分散と異なる第２の分散を持つ光学材料からなり、対向する面に互いに同一の自由曲面が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記第２の一対の光学素子は、対向する面に互いに同一の回折格子パターンが形成された一対の回折光学素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記第１の一対の光学素子のうち第１の光学素子の前記自由曲面が形成された面の裏面に前記第２の一対の光学素子の前記回折格子パターンが形成され、
   前記第１の光学素子が前記第１の一対の光学素子と前記第２の一対の光学素子とで兼用されていることを特徴とする請求項６に記載の光学系。
8. 被検面の面位置情報を検出する装置において、
   前記被検面に斜め方向から光を投射する送光光学系と、
   前記被検面で反射された光を受光する受光光学系と、
   前記送光光学系及び前記受光光学系の少なくとも一方に配置された請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学系と、
   前記受光光学系を介した光を検出して、前記被検面の面位置情報を求める検出部と、
   を備えることを特徴とする面位置検出装置。
9. 前記光学系によって前記送光光学系及び前記受光光学系の少なくとも一方の色収差を調整することを特徴とする請求項８に記載の面位置検出装置。
10. 露光光でパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、
    前記パターンが形成された面及び前記基板の表面の少なくとも一方の面位置を検出するために、請求項８又は９に記載の面位置検出装置を備えることを特徴とする露光装置。
11. 請求項１０に記載の露光装置を用いて、マスクのパターンを基板に転写することと、
    前記パターンが転写された前記基板を前記パターンに基づいて加工することと、
    を含むデバイス製造方法。

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