JP5622068B2 - 面位置検出装置、露光装置、およびデバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、面位置検出装置、露光装置、およびデバイスの製造方法に関する。特に、本発明は、半導体素子、液晶表示素子、撮像素子、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスを製造するためのリソグラフィ工程でマスクパターンを感光性基板上に転写するのに使用される投影露光装置における感光性基板の面位置の検出に関するものである。

従来、投影露光装置に好適な面位置検出装置として、本出願人による特開２００１−２９６１０５号公報（特許文献１）に開示された斜め入射型の面位置検出装置が知られている。このような斜め入射型の面位置検出装置において被検面の面位置の検出精度を原理的に高めるためには、被検面への光束の入射角を大きくする（９０°に近づける）ことが必要である。この場合、斜め入射型の面位置検出装置の投射光学系および集光光学系の構成および配置について被検面の制約を回避するために、投射光学系の光路および集光光学系の光路中に、互いに平行な一対の内面反射面を有する平行四辺形プリズム（以下、「ひし形プリズム」という）をそれぞれ配置して、投射光学系および集光光学系を被検面から遠ざけることが提案されている（特許文献１の図７を参照）。

特開２００１−２９６１０５号公報

しかしながら、上述の特許文献１の図７に開示された従来の面位置検出装置では、投射側ひし形プリズムの互いに平行な２つの内面反射面で全反射された光束に偏光成分による相対的な位置ずれが発生し、鮮明なパターン像が被検面上に形成されない可能性がある。同様に、被検面から反射されて受光側ひし形プリズムの互いに平行な２つの内面反射面で全反射された光束にも偏光成分による相対的な位置ずれが発生し、パターン二次像がさらに不鮮明になる可能性がある。

一方、露光装置において表面にレジストが塗布されたウェハ（感光性基板）の面位置の検出に対して従来の面位置検出装置を適用する場合、特定の偏光成分の光に対する反射率がレジスト層の厚さに依存して変化することが知られている。その結果、従来の面位置検出装置では、ひし形プリズムの内面反射面で全反射された光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれと、感光性基板のレジスト層の厚さによる反射率の変化とに起因して、被検面の面位置の検出誤差が発生し易い。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、プリズム部材の内面反射面で全反射された光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれが被検面の面位置の検出に及ぼす影響を抑えて、被検面の面位置を高精度に検出することのできる面位置検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、被検面の面位置を高精度に検出することのできる面位置検出装置を用いて、マスクのパターン面と感光性基板の露光面とを投影光学系に対して高精度に位置合わせすることのできる露光装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、光学部材の全反射面にて発生する光の偏光成分による相対的な位置ずれを抑えることができる光学装置や計測装置等を提供することを目的とする。また、本発明は、光学部材の全反射面にて発生する光の偏光成分による相対的な位置ずれを調整できる光学装置や調整方法等を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、被検面上に斜め方向から光束を投射する投射系と、前記被検面で反射された光束を受光する受光系とを備え、該受光系の出力に基づいて前記被検面の面位置を検出する面位置検出装置において、
前記投射系および前記受光系のうちの少なくとも一方は、入射光束を全反射するための内面反射面を有する全反射プリズム部材を備え、
前記全反射プリズム部材の前記内面反射面で全反射された光束の偏光成分による相対的な位置ずれが前記被検面の面位置の検出に及ぼす影響を抑えるために、前記全反射プリズム部材を形成する光学材料の屈折率と前記全反射プリズム部材の前記内面反射面に対する前記入射光束の入射角とが所定の関係を満たすように設定されていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。

本発明の第２形態では、投影光学系を介して所定のパターンを感光性基板上へ投影露光する露光装置において、
前記所定のパターン面または前記感光性基板の露光面の前記投影光学系に対する面位置を、前記被検面の面位置として検出するための第１形態の面位置検出装置と、
前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記所定のパターン面または前記感光性基板の露光面を前記投影光学系に対して位置合わせするための位置合わせ手段とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第３形態では、第２形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイスの製造方法を提供する。

本発明の第４形態では、光路に全反射面を有する光学部材が配置された光学装置において、
前記光学部材の前記全反射面で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれを抑えるように、前記光学部材の屈折率および前記全反射面に対する光の入射角が設定されていることを特徴とする光学装置を提供する。

本発明の第５形態では、光路にＮ個の内面反射面を有し、
前記Ｎ個の内面反射面のそれぞれに対する光の入射角及び前記Ｎ個の内面反射面を形成する各光学部材の屈折率は、前記Ｎ個の内面反射面で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれがほぼ零となるように設定されていることを特徴とする光学装置を提供する。

本発明の第６形態では、計測光路に全反射面を有する光学部材が配置された計測装置において、
前記光学部材の前記全反射面で全反射された計測光の偏光成分による相対的な位置ずれを抑えるように、前記光学部材の屈折率および前記全反射面に対する計測光の入射角が設定されていることを特徴とする計測装置を提供する。

本発明の第７形態では、被検面を計測する計測装置において、
前記被検面からの計測光を検出する検出器と、
前記被検面と前記検出器との間の光路に配置された全反射面を含む光学部材とを有し、
前記光学部材の前記全反射面で全反射された計測光の偏光成分による相対的な位置ずれを抑えるために、前記光学部材の屈折率および前記光学部材の前記全反射面に対する計測光の入射角が設定されていることを特徴とする計測装置を提供する。

本発明の第８形態では、被検面を計測する計測装置において、
前記被検面へ計測光を導く投射系と、
前記被検面からの計測光を受光する受光系と、
前記投射系の光路と前記受光系の光路との少なくとも一方に配置された全反射面を含む光学部材とを有し、
前記光学部材の前記全反射面で全反射された計測光の偏光成分による相対的な位置ずれを抑えるために、前記光学部材の屈折率および前記光学部材の前記全反射面に対する計測光の入射角が設定されていることを特徴とする計測装置を提供する。

本発明の第９形態では、光路にＮ個の内面反射面を有し、
前記Ｎ個の内面反射面のそれぞれに対する光の入射角及び前記Ｎ個の内面反射面を形成する各光学部材の屈折率は、前記Ｎ個の内面反射面で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれがほぼ零となるように設定されていることを特徴とする計測装置を提供する。

本発明の第１０形態では、所定のパターンを感光性基板に露光する露光装置において、
前記感光性基板の位置を計測するための第６形態、第７形態、第８形態または第９形態の計測装置を備えることを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第１１形態では、第１０形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイスの製造方法を提供する。

本発明の第１２形態では、光路中に配置されて全反射面を有する少なくとも１つの光学部材と、前記少なくとも１つの光学部材の全反射面で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれを調整する調整装置とを備えた光学装置を提供する。

本発明の第１３形態では、全反射面を有する少なくとも１つの光学部材を光路に配置する工程と、前記少なくとも１つの光学部材の全反射面にて発生する光の偏光成分による相対的な位置ずれを調整する工程とを含む調整方法を提供する。

本発明の第１４形態では、全反射面を有する少なくとも１つの光学部材に光を導く工程と、前記少なくとも１つの光学部材の全反射面にて発生する光の偏光成分による相対的な位置ずれを検出する工程と、前記少なくとも１つの光学部材の全反射面に入射する光の入射角度を調整する工程とを含むことを特徴とする調整方法を提供する。

本発明の典型的な形態にしたがう面位置検出装置では、全反射プリズム部材を形成する光学材料の屈折率と、その内面反射面に対する入射光束の入射角とが所定の関係を満たすように設定することにより、内面反射面で全反射された光束に偏光成分による相対的な位置ずれが実質的に発生しない。その結果、被検面上に鮮明なパターン一次像が形成され、受光面（またはその共役面）上に鮮明なパターン二次像が形成され、ひいては被検面の面位置を高精度に検出することができる。

こうして、本発明の面位置検出装置では、プリズム部材の内面反射面で全反射された光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれが被検面の面位置の検出に及ぼす影響を抑えて、被検面の面位置を高精度に検出することができる。したがって、露光装置において投影光学系に対する感光性基板の面位置の検出に本発明の面位置検出装置を適用すると、感光性基板の面位置を高精度に検出することができ、ひいてはマスクのパターン面と感光性基板の露光面とを投影光学系に対して高精度に位置合わせすることができるので、良好なデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる面位置検出装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。図２は、図１の投射光学系および集光光学系がともに両側テレセントリックであることを示す光路図である。図３は、本実施形態の面位置検出装置における一対のペンタプリズム間の構成を概略的に示す図である。

図１および図２では、図面の明瞭化のために、一対のペンタプリズム６と９との間の構成の図示を省略している。図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に平行にＹ軸を、図１の紙面に垂直にＸ軸を設定している。本実施形態では、投影露光装置における感光性基板の面位置の検出に対して本発明の面位置検出装置を適用している。

図示の露光装置は、露光用光源（不図示）から射出された照明光（露光光）で、所定のパターンが形成されたマスクとしてのレチクルＲを照明するための照明系ＩＬを備えている。レチクルＲは、レチクルホルダＲＨを介して、レチクルステージ（不図示）上においてＸＹ平面に平行に保持されている。レチクルステージは、図示を省略した駆動系の作用により、レチクル面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル干渉計（不図示）によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。

レチクルＲに形成されたパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷの表面（露光面）Ｗａ上にレチクルパターン像を形成する。ウェハＷはウェハホルダ２１上に載置され、ウェハホルダ２１はホルダ保持機構２２によって支持されている。ホルダ保持機構２２は、ホルダ駆動部２３の制御に基づいて、上下方向（Ｚ方向）に移動可能な３つの支持点２２ａ〜２２ｃ（図１では２つの支持点２２ａおよび２２ｂだけを示す）によって、ウェハホルダ２１を支持している。

こうして、ホルダ駆動部２３は、ホルダ保持機構２２の各支持点２２ａ〜２２ｃの上下移動をそれぞれ制御することにより、ウェハホルダ２１のレベリング（水平出し）およびＺ方向（フォーカシング方向）移動を、ひいてはウェハＷのレベリングおよびＺ方向移動を行う。ウェハホルダ２１およびホルダ保持機構２２は、さらにウェハステージ（不図示）によって支持されている。ウェハステージは、図示を省略した駆動系の作用によりウェハ面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能で且つＺ軸廻りに回転可能であり、その位置座標はウェハ干渉計（不図示）によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。

ここで、レチクルＲのパターン面上に設けられた回路パターンをウェハＷの露光面Ｗａの各露光領域に良好に転写するには、各露光領域への露光毎に、投影光学系ＰＬによる結像面を中心とした焦点深度の幅内に、露光面Ｗａの現在の露光領域を位置合わせする必要がある。そのためには、現在の露光領域における各点の面位置すなわち投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿った面位置を正確に検出した後に、露光面Ｗａが投影光学系ＰＬの焦点深度の幅の範囲内に収まるように、ウェハホルダ２１のレベリングおよびＺ方向の移動を、ひいてはウェハＷのレベリングおよびＺ方向の移動を行えば良い。

本実施形態の投影露光装置は、露光面Ｗａの現在の露光領域における各点の面位置を検出するための面位置検出装置を備えている。図１を参照すると、本実施形態の面位置検出装置は、検出光を供給するための光源１を備えている。一般に、被検面であるウェハＷの表面Ｗａは、レジスト等の薄膜で覆われている。したがって、この薄膜による干渉の影響を低減するために、光源１は波長幅の広い白色光源（たとえば、波長幅が６００〜９００ｎｍの照明光を供給するハロゲンランプや、これと同様の帯域の広い照明光を供給するキセノン光源など）であることが望ましい。なお、光源１として、レジストに対する感光性の弱い波長帯の光を供給する発光ダイオードを用いることもできる。

光源１からの発散光束は、コンデンサーレンズ２を介して略平行光束に変換された後、偏向プリズム３に入射する。偏向プリズム３は、コンデンサーレンズ２からの略平行光束を、屈折作用により−Ｚ方向に沿って偏向させる。また、偏向プリズム３の射出側には、Ｘ方向に延びる細長い透過部とＸ方向に延びる細長い遮光部とが一定のピッチで交互に設けられた透過型格子パターン３ａが形成されている。なお、透過型格子パターンに代えて、凹凸形状の反射型回折格子を適用しても良いし、あるいは反射部と無反射部とが交互に形成された反射型格子パターンを適用しても良い。

透過型格子パターン３ａを透過した光は、投影光学系の光軸ＡＸに平行な光軸ＡＸ１に沿って配置された投射光学系（４，５）に入射する。投射光学系（４，５）は、投射用集光レンズ４と投射用対物レンズ５とで構成されている。投射光学系（４，５）を介した光束は、ペンタプリズム６に入射する。ペンタプリズム６は、その長手方向軸線がＸ方向に沿って延びた五角柱状の偏向プリズムであり、光軸ＡＸ１に沿って入射した光を屈折させることなくそのまま透過させるための第１透過面６ａを有する。すなわち、第１透過面６ａは、光軸ＡＸ１に対して垂直に設定されている。

第１透過面６ａを透過してペンタプリズム６の内部を光軸ＡＸ１に沿って伝播した光は、第１反射面６ｂで反射された後、第２反射面６ｃで光軸ＡＸ２に沿って再び反射される。第２反射面６ｃで反射されてペンタプリズム６の内部を光軸ＡＸ２に沿って伝播した光は、第２透過面６ｄで屈折されることなくそのまま透過する。すなわち、第２透過面６ｄは、光軸ＡＸ２に対して垂直に設定されている。ここで、ペンタプリズム６は石英ガラスのような低熱膨張で且つ低分散の光学材料で形成され、第１反射面６ｂおよび第２反射面６ｃにはアルミニウムや銀などからなる反射膜が形成されている。

こうして、光軸ＡＸ１に沿って−Ｚ方向に入射した光は、ペンタプリズム６によって大きく偏向され、光軸ＡＸ２に沿って被検面Ｗａへ導かれる。このとき、被検面Ｗａへの入射角が十分大きくなるように、光軸ＡＸ２の方向が設定され、ひいてはペンタプリズム６による偏向角が設定されている。具体的には、図３に示すように、光軸ＡＸ２に沿ってペンタプリズム６から射出された光束は、投射側ひし形プリズム７に入射する。

ひし形プリズム７は、平行四辺形状（またはひし形状）の断面を有する四角柱状のプリズムであって、その長手方向軸線がペンタプリズム６と同様にＸ方向に沿って配置されている。ひし形プリズム７では、光軸ＡＸ２に垂直な第１透過面７ａを透過した光が、互いに平行な一対の反射面７ｂおよび７ｃで順次反射された後、第１透過面７ａに平行な第２透過面７ｄを透過し、光軸ＡＸ２に平行な光軸ＡＸ２１に沿ってひし形プリズム７から射出される。ひし形プリズム７から光軸ＡＸ２１に沿って射出された光束は、被検面Ｗａに入射する。

ここで、被検面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面と合致している状態において、投射光学系（４，５）が格子パターン３ａの形成面（すなわち偏向プリズム３の射出面）と被検面Ｗａとを共役に配置するように構成されている。また、格子パターン３ａの形成面と被検面Ｗａとが投射光学系（４，５）に関してシャインプルーフの条件を満たすように構成されている。その結果、格子パターン３ａからの光は、投射光学系（４，５）を介して、被検面Ｗａ上のパターン像形成面の全体に亘って正確に結像する。

また、図２において光路を破線で示すように、投射用集光レンズ４と投射用対物レンズ５とで構成される投射光学系（４，５）は、いわゆる両側テレセントリック光学系である。したがって、格子パターン３ａの形成面上の各点と被検面Ｗａ上の各共役点とは、全面に亘ってそれぞれ同倍率である。こうして、被検面Ｗａ上には、図４に示すように、格子パターン３ａの一次像がその全体に亘って正確に形成される。

再び図１を参照すると、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに関して光軸ＡＸ２１と対称な光軸ＡＸ３１に沿って被検面Ｗａで反射された光束は、受光側ひし形プリズム８に入射する。ひし形プリズム８は、ひし形プリズム７と同様に、Ｘ方向に沿って長手方向軸線を有し且つ平行四辺形状（またはひし形状）の断面を有する四角柱状のプリズムである。したがって、ひし形プリズム８では、光軸ＡＸ３１に垂直な第１透過面８ａを透過した光が、互いに平行な一対の反射面８ｂおよび８ｃで順次反射された後、第１透過面８ａに平行な第２透過面８ｄを透過し、光軸ＡＸ３１に平行な光軸ＡＸ３に沿ってひし形プリズム８から射出される。

光軸ＡＸ３に沿ってひし形プリズム８から射出された光は、上述のペンタプリズム６と同様の構成を有するペンタプリズム９を介して、集光光学系（１０，１１）に入射する。すなわち、被検面Ｗａで反射された光は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに関して光軸ＡＸ２と対称な光軸ＡＸ３に沿って、ペンタプリズム９に入射する。ペンタプリズム９では、光軸ＡＸ３に垂直な第１透過面９ａを透過した光が、第１反射面９ｂおよび第２反射面９ｃで順次反射された後、Ｚ方向に延びる光軸ＡＸ４に沿って第２透過面９ｄに達する。光軸ＡＸ４に垂直な第２透過面９ｄを透過した光は、光軸ＡＸ４に沿って＋Ｚ方向に集光光学系（１０，１１）に入射する。

集光光学系（１０，１１）は、受光用対物レンズ１０と受光用集光レンズ１１とで構成されている。そして、受光用対物レンズ１０と受光用集光レンズ１１との間の光路中には、走査手段としての振動ミラー１２が設けられている。したがって、光軸ＡＸ４に沿って受光用対物レンズ１０に入射した光は、振動ミラー１２を介して偏向され、光軸ＡＸ５に沿って受光用集光レンズ１１に達する。なお、本実施形態では、振動ミラー１２を集光光学系（１０，１１）の略瞳面の位置に配置しているが、これに限定されることなく、被検面Ｗａと後述のアオリ補正プリズム１３との間の光路中または被検面Ｗａと偏向プリズム３との間の光路中において任意の位置に配置することができる。

集光光学系（１０，１１）を介した光は、上述の偏向プリズム３と同様の構成を有するアオリ補正プリズム１３に入射する。ここで、被検面Ｗａが投影光学系ＰＬの結像面と合致している状態において、集光光学系（１０，１１）が被検面Ｗａとアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａとを共役に配置するように構成されている。こうして、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａには、格子パターン３ａの二次像が形成される。

なお、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａには、遮光手段としての受光スリットＳが設けられている。受光スリットＳは、図５に示すように、例えば５つのＸ方向に細長く延びる矩形状の開口部Ｓａ１〜Ｓａ５を有する。集光光学系（１０，１１）を介した被検面Ｗａからの反射光は、受光スリットＳの各開口部Ｓａ１〜Ｓａ５をそれぞれ通過して、アオリ補正プリズム１３に入射する。

ここで、受光スリットＳの開口部Ｓａの数が、被検面Ｗａ上における検出点の数に対応する。すなわち、被検面Ｗａ上に格子パターン３ａの一次像が形成されている状態を示す図４において、被検面Ｗａ上の検出点（検出領域）Ｄａ１〜Ｄａ５は、図５に示す受光スリットＳの５つの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５に光学的に対応している。したがって、被検面Ｗａ上での検出点の数を増やしたいときには、開口部Ｓａの数を増やせば良いだけであり、検出点の数を増やしても構成の複雑化を招くことがない。

なお、投影光学系ＰＬによる結像面とアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａとが集光光学系（１０，１１）に関してシャインプルーフの条件を満たすように構成されている。したがって、被検面Ｗａと結像面とが合致している状態において、格子パターン３ａからの光が、集光光学系（１０，１１）を介して、プリズム入射面１３ａ上のパターン像形成面の全体に亘って正確に再結像する。

また、図２において光路を破線で示すように、集光光学系（１０，１１）が両側テレセントリック光学系で構成されている。したがって、被検面Ｗａ上の各点とプリズム入射面１３ａ上の各共役点とは、全面に亘ってそれぞれ同倍率である。こうして、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上には、格子パターン３ａの二次像がその全体に亘って正確に形成される。

ところで、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａの位置に受光面を配置すると、被検面Ｗａに対する光束の入射角θが大きいため、受光面における光束の入射角も大きくなる。この場合、受光面に例えばシリコン・フォト・ダイオードを配置すると、シリコン・フォト・ダイオードへの光束の入射角が大きくなるため、シリコン・フォト・ダイオードにおける表面反射が大きくなると共に、光束のけられが生じて、受光量が著しく低下する恐れがある。

本実施形態では、受光面における光束の入射角に起因する受光量の低下を避けるために、図１に示すように、集光光学系（１０，１１）に関する被検面Ｗａとの共役面に偏向光学系としてのアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａを配置している。その結果、集光光学系（１０，１１）を介して光軸ＡＸ５に沿ってアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａに入射した光束は、アオリ補正プリズム１３の頂角（入射面と射出面とのなす角）と同じ屈折角にしたがって偏向され、射出面１３ｂから光軸ＡＸ６に沿って射出される。ここで、射出面１３ｂは、光軸ＡＸ６に垂直に設定されている。

アオリ補正プリズム１３の射出面１３ｂから光軸ＡＸ６に沿って射出された光は、一対のレンズ１４ａおよび１４ｂで構成されるリレー光学系（１４ａ，１４ｂ）に入射する。リレー光学系（１４ａ，１４ｂ）を介した光は、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上に形成された格子パターン３ａの二次像と受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５との共役像を、受光部１５の受光面１５ａ上に形成する。受光面１５ａには、図６に示すように、５つのシリコン・フォト・ダイオードＰＤ１〜ＰＤ５が、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５に光学的に対応するように設けられている。なお、シリコン・フォト・ダイオードに代えて、ＣＣＤ（２次元電荷結合型撮像素子）やフォトマルを用いることもできる。

このように、本実施形態においては、偏向光学系としてのアオリ補正プリズム１３を用いているので、受光面１５ａに入射する光束の入射角が十分小さくなり、受光面１５ａにおける光束の入射角に起因する受光量の低下が回避される。なお、リレー光学系（１４ａ，１４ｂ）は、図２に示すように、両側テレセントリック光学系であることが望ましい。また、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａと受光面１５ａとがリレー光学系（１４ａ，１４ｂ）に関してシャインプルーフの条件を満足するように構成されていることが望ましい。

上述したように、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上には、５つの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５を有する受光スリットＳが設けられている。したがって、入射面１３ａに形成された格子状パターン３ａの二次像は、受光スリットＳを介して部分的に遮光される。すなわち、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の領域に形成された格子状パターン３ａの二次像からの光束のみが、アオリ補正プリズム１３およびリレー光学系（１４ａ，１４ｂ）を介して、受光面１５ａに達する。

こうして、図６に示すように、受光部１５の受光面１５ａ上に配置されたシリコン・フォト・ダイオードＰＤ１〜ＰＤ５上には、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の像すなわちスリット像ＳＬ１〜ＳＬ５がそれぞれ形成される。なお、スリット像ＳＬ１〜ＳＬ５は、シリコン・フォト・ダイオードＰＤ１〜ＰＤ５の矩形状の受光領域の内側にそれぞれ形成されるように設定されている。

ここで、被検面Ｗａが投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿ってＺ方向に上下移動すると、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上に形成される格子パターン３ａの二次像は、被検面Ｗａの上下移動に対応してパターンのピッチ方向に横ずれを起こす。本実施形態では、たとえば本出願人による特開平６−９７０４５号公報に開示された光電顕微鏡の原理により、格子パターン３ａの二次像の横ずれ量を検出し、検出した横ずれ量に基づいて投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿った被検面Ｗａの面位置を検出する。

なお、振動ミラー１２を駆動するミラー駆動部１６、ミラー駆動部１６からの交流信号に基づいてシリコン・フォト・ダイオードＰＤ１〜ＰＤ５からの検出信号を同期検波するための位置検出部１７、被検面Ｗａを投影光学系ＰＬの焦点深度の範囲内に収めるのに必要な傾き補正量およびＺ方向補正量を算出する補正量算出部１８、傾き補正量およびＺ方向補正量に基づいてホルダ保持機構２２を駆動制御して、ウェハホルダ２１のレベリングおよびＺ方向移動を行わせるためのホルダ駆動部２３の動作は、本出願人による特開２００１−２９６１０５号公報に開示される装置と同様であるため、ここでは説明を省略する。

また、シャインプルーフの条件、偏向プリズム３およびアオリ補正プリズム１３の構成や作用、および光電顕微鏡の原理の具体的な適用などについては、特開平６−９７０４５号公報に詳細に開示されている。そして、ペンタプリズム６および９の構成や作用については、特開２００１−２９６１０５号公報に詳細に開示されている。なお、これらのペンタプリズム６および９の一方、または双方を省く構成も可能である。

本実施形態では、投射光学系（４，５）と被検面Ｗａとの間の光路中および集光光学系（１０，１１）と被検面Ｗａとの間の光路中にペンタプリズム６および９をそれぞれ設け、被検面Ｗａへの入射光束の光路および被検面Ｗａからの反射光束の光路をペンタプリズム６および９の作用により大きく折り曲げて、投射光学系（４，５）および集光光学系（１０，１１）を被検面Ｗａから十分に遠ざけている。その結果、投射光学系（４，５）および集光光学系（１０，１１）の構成および配置が、被検面Ｗａの制約を実質的に受けることがない。

また、本実施形態では、ペンタプリズム６と被検面Ｗａとの間の光路中およびペンタプリズム９と被検面Ｗａとの間の光路中にひし形プリズム７および８がそれぞれ付設されているので、被検面Ｗａへの入射光束の光路および被検面Ｗａからの反射光束の光路がひし形プリズム７および８の作用によりそれぞれ平行移動する。その結果、一対のペンタプリズム６および９を被検面Ｗａから遠ざけることができ、一対のペンタプリズム６および９およびその保持部材の構成および配置が被検面Ｗａの制約を実質的に受けることがない。

本実施形態の面位置検出装置では、投射系の光路中に配置されて入射光束の光路を平行移動させるための一対の内面反射面（７ｂ，７ｃ）を有する投射側プリズム部材すなわちひし形プリズム７と、受光系の光路中において投射側プリズム部材７に対応するように配置されて、被検面Ｗａからの入射光束の光路を平行移動させるための一対の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を有する受光側プリズム部材すなわちひし形プリズム８とを備えている。この場合、前述したように、投射側のひし形プリズム７の互いに平行な２つの内面反射面（７ｂ，７ｃ）で全反射された光束に偏光成分による相対的な位置ずれが発生し、鮮明なパターン像が被検面Ｗａ上に形成されない。なお、投射光学系（４，５）の被検面側と集光光学系（１０，１１）の被検面側はテレセントリックに構成されているため、ひし形プリズム（７，８）の全反射面（７ｂ，７ｃ，８ｂ，８ｃ）に入射する主光線は全て同じ入射角となる。

図７は、プリズムの内面反射面で全反射された光束（光軸上を通る主光線）に偏光成分による相対的な位置ずれが発生する様子を概略的に示す図である。図７に示すように、プリズム７０の内部を伝搬して内面反射面７１に対して所定値よりも大きい入射角で入射した光Ｌは、内面反射面７１で全反射される。このとき、内面反射面７１で全反射された光束のうち、図７の紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光状態の光Ｌｓと、図７の紙面に平行な方向に偏光方向を有するＰ偏光状態の光Ｌｐとは、距離Δだけ間隔を隔てた互いに平行な２つの光路に沿ってそれぞれプリズム７０の内部を伝搬する。

ここで、プリズム７０の内面反射面７１で全反射された光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δは、グースヘンシェンシフト（Goos-Haenchen Shift）と呼ばれる。こうして、投射側のひし形プリズム７の互いに平行な２つの内面反射面（７ｂ，７ｃ）での全反射に起因して、被検面Ｗａに達する光束のうち、被検面Ｗａに対するＰ偏光の光とＳ偏光の光との間に相対的な位置ずれが発生し、ひいてはＰ偏光の光が被検面Ｗａ上に形成するパターン像とＳ偏光の光が被検面Ｗａ上に形成するパターン像との間に相対的な位置ずれが発生する。

同様に、被検面Ｗａから反射されて受光側のひし形プリズム８の互いに平行な２つの内面反射面（８ｂ，８ｃ）で全反射された光束にも偏光成分による相対的な位置ずれが発生し、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上に形成されるパターン二次像がさらに不鮮明になる。換言すれば、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）での全反射の影響により、Ｐ偏光の光が入射面１３ａ上に形成するパターン二次像とＳ偏光の光が入射面１３ａ上に形成するパターン二次像との間に発生する相対的な位置ずれが助長され（倍加され）る。

本実施形態の面位置検出装置は、半導体露光プロセス途中において各種の表面状態を持つウェハＷ（たとえばウェハＷ上の構造物を構成する物質が複数種であったり、ウェハＷ上の構造そのもの（多層構造）が複数種であったりする）の面位置検出に対して適用される。そして、一般的に、ウェハ表面はレジストが塗布された状態になっている。このような状況で、各種表面状態にばらつきがある場合（たとえばウェハ上に形成される層の厚みがばらついたり、その層を形成する材料の純度などの性質がばらついたりする場合）や、レジスト厚にばらつきがある場合、特定の偏光成分の光（例えばＰ偏光の光、Ｓ偏光の光など）に対する反射率がこれらのばらつきに依存して変化する。

その結果、本実施形態の面位置検出装置では、特段の策を講じない限り、ひし形プリズム（７；８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）で全反射された光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれと、上記ウェハＷの表面状態のばらつきやレジスト厚のばらつきに起因する特定偏光成分の反射率変化とにより、被検面Ｗａの面位置の検出誤差が発生しやすい。

近年、投影露光パターンの微細化に伴い、ウェハ面の平坦度に対する要求も厳しくなるとともに、面位置検出精度に対する要求も非常に高くなっている。また、ＡｒＦエキシマレーザ光源を用いた露光装置などでは、表面のレジストの厚みも薄くなる傾向にあり、前記各種表面状態やレジスト厚のばらつきに起因する、面位置検出誤差が無視できない状況にある。

そこで、本実施形態では、全反射プリズム部材としてのひし形プリズム（７；８）を形成する光学材料の屈折率ｎと、その内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）に対する入射光束（光軸に沿って進む主光線）の入射角θとが所定の関係を満たすように設定することにより、ひし形プリズム（７；８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）で全反射された光束の偏光成分による相対的な位置ずれが被検面Ｗａの面位置の検出に及ぼす影響を抑えている。以下、ひし形プリズム（７；８）を形成する光学材料の屈折率ｎと内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）に対する入射光束（光軸上に沿った主光線）の入射角θとが満たすべき関係について説明する。

今、全反射面としての各内面反射面（７ｂ，７ｃ，８ｂ，８ｃ）において、Ｐ偏光とＳ偏光の成分での位相変化φｐ，φｓは、θを反射面への主光線の入射角（０°≦θ≦９０°）、λを光の波長、ｎをガラス等の光学材料の屈折率とすると、次の式（１）及び（２）で表される。

ここで、Ｐ偏光成分の反射光において、反射面に沿った方向でのＰ偏光成分の基準反射位置Ｐ₀に対する相対的な位置ずれ量Δｐ（Ｐ偏光成分のグースヘンシェンシフト（ＧＨＳ）と呼ぶ。）は、Ｐ偏光成分の位相変化をβ＝ｎ／λ・cosθとして、Ｐ偏光成分の位相変化φのβでの偏微分∂φ／∂βとなる。また、Ｓ偏光成分の反射光において、反射面に沿った方向でのＳ偏光成分の基準反射位置Ｐ₀に対する相対的な位置ずれ量Δｓ（Ｓ偏光成分のグースヘンシェンシフト（ＧＨＳ）と呼ぶ。）は、Ｓ偏光成分の位相変化をβ＝ｎ／λ・cosθとして、Ｓ偏光成分の位相変化φのβでの偏微分∂φ／∂βとなる。

各偏光成分の反射光での相対的な位置ずれ量Δｐ，Δｓは、次式（３）及び（４）で表される。

これらから、反射光線におけるＰ偏光成分の光とＳ偏光成分の光との垂直方向での相対的な位相ずれ量の差Δ（グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ））を求めると、反射面に沿った方向での各偏光成分の反射光の間での相対的な位相ずれ量ＧＨＳは、Δｐ−Δｓとなるため、以下の式（５）の関係が成立する。
Δ＝cosθ×（Δp−Δs） （５）

このため、以下の式（６）に示すように、ΔだけＰ偏光とＳ偏光の光軸に差が生じる。

従って、プリズム（７；８）の内部での１回の全反射（内面反射）において発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δは、上記の式（６）によって表すことができる。よって、全反射において偏光成分による相対的位置ずれが発生しない条件、すなわち、全反射において発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δ（グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ））が零となる条件としては、次の式（７）を満たすことである。

本実施形態では、全反射プリズム部材としてのひし形プリズム（７；８）を形成する光学材料の屈折率ｎと、その内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）に対する入射光束の入射角θとが式（７）に示す関係をほぼ満たすように設定することにより、ひし形プリズム（７；８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）で全反射された光束に偏光成分による相対的な位置ずれが実質的に発生しない。その結果、被検面であるウェハＷの表面Ｗａ上に鮮明なパターン一次像が形成され、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上に鮮明なパターン二次像が形成され、ひいては被検面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。

したがって、本実施形態の露光装置では、被検面の面位置を高精度に検出することのできる面位置検出装置を用いて、ウェハ（感光性基板）Ｗの露光面Ｗａの面位置を高精度に検出することができ、ひいてはレチクル（マスク）Ｒのパターン面とウェハＷの露光面Ｗａとを投影光学系ＰＬに対して高精度に位置合わせすることができる。

なお、本実施形態の面位置検出装置を露光装置における感光性基板の面位置の検出やマスクの面位置の検出などに適用する場合、１回の全反射において発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δの大きさ（絶対値）を、例えば０．３μｍ以内に抑えることが実用上において好ましい。すなわち、次の条件式（８）を満たすとき、感光性基板の面位置の検出やマスクの面位置の検出などについて実用上問題がない。ただし、式（８）において、光の波長λの単位はμｍである。

ここで、全反射において発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δ（グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ））の大きさが０．３μｍ以下であることが実用的に好ましいことについて説明する。焦点検出ＡＦ（面検出、焦点計測）に要求される精度としては、投影光学系ＰＬの焦点深度に対して小さいということが条件であるが、最近の大ＮＡの投影レンズ（焦点深度：約３００ｎｍ以下）に対しては、他の誤差を考慮するとレジスト膜厚によるＡＦ誤差としては幅で５０ｎｍ以上は許されないのが現状である。図８は、偏光成分による相対的な位置ずれ量Δが０．３μｍである場合の、レジスト膜厚の変化に対するＡＦ計測値の変化の様子である。幅で２５０ｎｍ程度、ＡＦ計測値が変化していることが分かる。

図８の一部の領域を拡大したのが図９である。レジスト膜厚は製膜機の性能により、±１０ｎｍ程度のバラツキがウェハ内やウェハ間において発生してしまう。このため、図９においてレジスト膜厚が幅で２０ｎｍ変化した場合を図から読み取ると、最悪で５０ｎｍ弱程度ＡＦ計測値が変化することが分かる。よって、偏光成分による相対的な位置ずれ量Δを０．３μｍ以下にしておくのが好ましいことが理解される。さらに、高精度化を図りつつより安定した検出を実現するためには、以下の式（９）に示すように、偏光成分による相対的な位置ずれ量Δを０．２μｍ以下とするのがより一層好ましい。

ここで、全反射において発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δ（グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ））の大きさが０．２μｍ以下であることが実用的に好ましいことについて説明する。また、ＡＦ計測値の変化は偏光成分による相対的な位置ずれ量Δに比例であり、偏光成分による相対的な位置ずれ量Δが０．２μｍ以下であった場合では、ＡＦ計測値の変化量が３０ｎｍ程度となる。誤差が３０ｎｍであれば、最低必要量の５０ｎｍに対して２０ｎｍ程度の余裕ができ、この量はＡＦ光学系に製造上の誤差による色収差が発生した場合のＡＦ計測誤差に相当する。従って、製造誤差に起因して色収差による誤差が発生したとしても偏光成分による相対的な位置ずれ量Δが０．２μｍ以下であれば、常に高い精度のもので安定した計測が実現できる。

以下、さらに具体的な形態にしたがって、ひし形プリズム（７；８）を形成する光学材料の屈折率ｎと内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）に対する入射光束の入射角θとが満たすべき関係について考える。図１０は、全反射面への入射角と偏光成分による相対位置ずれ量との関係を示す図である。図１０において、縦軸は偏光成分による相対位置ずれ量Δ（μｍ）を示し、横軸は全反射面への入射角θ（度）を示している。

相対位置ずれ量Δは、全反射されたＳ偏光状態の光ＬｓとＰ偏光状態の光Ｌｐとが図７の位置関係にある場合（Ｐ偏光状態の光ＬｐよりもＳ偏光状態の光Ｌｓの方が内側にある場合）に正の値をとり、Ｓ偏光状態の光ＬｓよりもＰ偏光状態の光Ｌｐの方が内側にある場合には負の値をとるものとする。この点は、後述の図１１、図１３〜図１６についても同様である。

また、図１０は、プリズムを形成する光学材料（たとえば石英）の屈折率ｎが１．４５で、使用光（検出光）の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、入射角θと相対位置ずれ量Δとの関係を示している。図１０を参照すると、入射角θが約４３度のときに全反射が起こり始め、入射角θが全反射角よりも大きくなるにつれて正の値である相対位置ずれ量Δが単調に減少する。やがて、入射角θが約５３度に達すると相対位置ずれ量Δはほぼ０になり、入射角θが約５３度から更に大きくなるにつれて相対位置ずれ量Δが負の値となってその大きさは単調に増大する。

この場合、使用光の中心波長λｃを変化させると、同じ入射角θに対する相対位置ずれ量Δの値は変化する。しかしながら、上述の式（６）および（７）を参照して明らかなように、使用光の中心波長λｃを変化させても、相対位置ずれ量Δが０となるときの入射角θの値は実質的に変化しない。換言すれば、相対位置ずれ量Δが０となるときの入射角θの値は、使用光の中心波長λｃには実質的に依存しない。

こうして、本実施形態では、ひし形プリズム（７；８）が所定の屈折率ｎを有する光学材料により形成されている場合、その内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）で全反射された光束の偏光成分による相対的な位置ずれ量Δがほぼ０になるように、すなわち相対位置ずれ量Δの絶対値が例えば０．３μｍ以下になるように、さらに好ましくは０．２μｍ以下になるように、内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）に対する入射光束の入射角θを決定すればよい。なお、図１０を参照すると、入射角θの変動に対する相対位置ずれ量Δの変化の度合いは小さく、ひし形プリズム（７；８）の取付け誤差等が検出精度に及ぼす影響も小さいことがわかる。

図１１は、プリズムの屈折率と偏光成分による相対位置ずれ量との関係を示す図である。図１１において、縦軸は偏光成分による相対位置ずれ量Δ（μｍ）を示し、横軸はプリズムを形成する光学材料の屈折率ｎを示している。図１１は、全反射面への入射角θが４５度で、使用光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、屈折率ｎと相対位置ずれ量Δとの関係を示している。図１１を参照すると、屈折率ｎが１．４５から大きくなるにつれて正の値である相対位置ずれ量Δが単調に減少し、屈折率ｎが約１．７３に達すると相対位置ずれ量Δはほぼ０になる。そして、屈折率ｎが約１．７３から更に大きくなるにつれて相対位置ずれ量Δが負の値となってその大きさは単調に増大する。

この場合も、使用光の中心波長λｃを変化させると、同じ屈折率ｎに対する相対位置ずれ量Δの値は変化するが、相対位置ずれ量Δが０となるときの屈折率ｎの値は実質的に変化しない。こうして、本実施形態では、ひし形プリズム（７；８）が内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）に対して所定の入射角θで入射する光を全反射するように構成されている場合、全反射された光束の偏光成分による相対的な位置ずれ量Δがほぼ０になるように、すなわち相対位置ずれ量Δの絶対値が例えば０．２μｍ以下になるように、ひし形プリズム（７；８）を形成する光学材料の屈折率ｎを決定すればよい。

なお、図１〜図３に示す上述の実施形態では、光路中に４つの全反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）が配置され、投射光学系（４，５）からの光をペンタプリズム６およびひし形プリズム７を介して被検面Ｗａへ導くとともに、被検面Ｗａからの光をひし形プリズム８およびペンタプリズム９を介して集光光学系（１０，１１）へ導いている。しかしながら、全反射面の数および配置に限定されることなく、図１２に示すように、例えば光路中に２つの全反射面（３１ｂ；３２ｂ）が配置された構成も可能である。

図１２の変形例では、投射光学系（４，５）からの光を、光路折り曲げプリズムとしての三角プリズム３１を介して被検面Ｗａへ導くとともに、被検面Ｗａからの光を、光路折り曲げプリズムとしての三角プリズム３２を介して集光光学系（１０，１１）へ導いている。なお、図１２では、図３に対応して、投射用集光レンズ４および受光用集光レンズ１１の図示を省略している。

図１２の変形例では、投射光学系（４，５）から光軸ＡＸ１に沿って射出された光が、光路折り曲げプリズム３１に入射する。光路折り曲げプリズム３１では、第１透過面３１ａを透過した光が、全反射面３１ｂで全反射された後、第２透過面３１ｃを透過し、光軸ＡＸ２に沿って光路折り曲げプリズム３１から射出される。光路折り曲げプリズム３１から光軸ＡＸ２に沿って射出された光は、被検面Ｗａに入射する。

投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに関して光軸ＡＸ２と対称な光軸ＡＸ３に沿って被検面Ｗａで反射された光は、光路折り曲げプリズム３２に入射する。光路折り曲げプリズム３２では、第１透過面３２ａを透過した光が、全反射面３２ｂで全反射された後、第２透過面３２ｃを透過し、光軸ＡＸ４に沿って光路折り曲げプリズム３２から射出される。光軸ＡＸ４に沿って光路折り曲げプリズム３２から射出された光は、集光光学系（１０，１１）に入射する。

図１２の変形例においても、全反射プリズム部材としての光路折り曲げプリズム（３１；３２）を形成する光学材料の屈折率ｎと、その全反射面（３１ｂ；３２ｂ）に対する光の入射角θとが式（７）に示す関係をほぼ満たすように設定することにより、光路折り曲げプリズム（３１；３２）の全反射面（３１ｂ；３２ｂ）で全反射された光に発生する偏光成分による相対的な位置ずれが被検面Ｗａの面位置の検出に及ぼす影響を抑えて、被検面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。

換言すると、光路折り曲げプリズム（３１；３２）の全反射面（３１ｂ；３２ｂ）で全反射された光に発生する偏光成分による相対的な位置ずれが被検面Ｗａの面位置の検出に及ぼす影響を抑えて、被検面Ｗａの面位置を高精度に検出するには、全反射面（３１ｂ；３２ｂ）で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれ量Δがほぼ０になるように、すなわち１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値が例えば０．３μｍ以下になるように、さらに好ましくは０．２μｍ以下になるように、光路折り曲げプリズム（３１；３２）の屈折率ｎおよび全反射面（３１ｂ；３２ｂ）に対する入射光の入射角θを決定すればよい。

以下、図１３〜図１６を参照し、全反射プリズム部材の屈折率ｎを変化させたときに、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値が０．３μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する。図１３は、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．４５で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図１３を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．３μｍ以下に抑えて条件式（８）を満たすには、入射角θの範囲を約４８度〜９０度に設定すれば良いことがわかる。また、相対位置ずれ量Δがほぼ０になる入射角θは約５３度である。

図１４は、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．５で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図１４を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．３μｍ以下に抑えて条件式（８）を満たすには、入射角θの範囲を約４５度〜９０度に設定すれば良いことがわかる。また、相対位置ずれ量Δがほぼ０になる入射角θは約５２度である。

図１５は、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．６で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図１５を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．３μｍ以下に抑えて条件式（８）を満たすには、入射角θの範囲を約４２度〜９０度に設定すれば良いことがわかる。また、相対位置ずれ量Δがほぼ０になる入射角θは約４９度である。

図１６は、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．７で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図１６を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．３μｍ以下に抑えて条件式（８）を満たすには、入射角θの範囲を約３９度〜９０度に設定すれば良いことがわかる。また、相対位置ずれ量Δがほぼ０になる入射角θは約４６度である。

なお、上述の実施形態では、露光装置が単一の面位置検出装置を備えている例を説明しているが、これに限定されることなく、必要に応じて複数組の面位置検出装置で検出視野を分割することもできる。この場合、第１の面位置検出装置の検出視野と第２の面位置検出装置の検出視野との共通の視野における検出結果に基づいて、各装置のキャリブレーションを行うこともできる。

また、上述の実施形態では、投影露光装置の感光性基板の面位置の検出に対して本発明を適用しているが、投影露光装置のマスクの面位置の検出に本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、投影露光装置における感光性基板の面位置の検出に対して本発明を適用しているが、一般の被検面の面位置の検出に本発明を適用することもできる。

また、上述の実施形態では、被検面の面位置（被検面の法線に沿った位置）の検出に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば計測光路に全反射面を有する光学部材が配置された計測装置に、さらに一般的には、光路に全反射面を有する光学部材が配置された光学装置に本発明を適用することができる。具体的に、図１７に示すように被検面の面形状を計測する装置や、図１８に示すように被検面の位置（面内方向に沿った被検面の二次元的な位置）を計測する装置に対して、本発明を適用することができる。

図１７に示す計測装置では、光源４１からの計測光が、送光光学系（投射光学系）４２を介して、例えばひし形プリズムのような全反射光学部材（全反射面を有する光学部材）４３に入射する。全反射光学部材４３の全反射面（不図示）で全反射された計測光は、被検面４４に入射する。被検面４４で反射された計測光は、例えば全反射光学部材４３と同様の構成を有する全反射光学部材４５に入射する。全反射光学部材４５の全反射面（不図示）で全反射された計測光は、受光光学系４６を介して、例えばＣＣＤのような画像検出器４７に入射する。

この装置では、計測光が入射する被検面４４の高さ位置が変化すると、画像検出器４７への計測光の入射位置（像位置）が変化する。したがって、被検面４４を面内方向に沿って二次元的に移動させて被検面４４への計測光の入射位置を変化させつつ、あるいは送光光学系４２中の振動ミラーまたはポリゴンミラーの作用により被検面４４への計測光の入射位置を変化させつつ、画像検出器４７への計測光の入射位置を測定することにより、被検面４４の面形状（面内の位置毎の高さ分布）が計測される。被検面４４上に薄膜がある場合や、被検面４４に偏光性がある場合、全反射光学部材４３，４５での全反射において偏光成分による相対位置ずれが発生すると、被検面４４の面形状を高精度に計測することができない。

全反射光学部材４３，４５で全反射された光に発生する偏光成分による相対的な位置ずれが被検面４４の面形状の計測に及ぼす影響を抑えて、被検面４４の面形状を高精度に計測するには、全反射光学部材４３，４５で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれ量Δがほぼ０になるように、すなわち１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値が例えば０．３μｍ以下になるように、さらに好ましくは０．２μｍ以下になるように、全反射光学部材４３，４５の屈折率ｎおよび全反射面に対する入射光の入射角θを決定すればよい。

図１８に示す計測装置では、照明系５１からの計測光が、対物光学系５２中のハーフミラー５３で反射された後、対物光学系５２から射出されて光路折り曲げプリズム（全反射面を有する光学部材）５４に入射する。例えば三角プリズムのような光路折り曲げプリズム５４の全反射面５４ａで全反射された計測光は、被検面５５を照明する。被検面５５上に設けられたマーク（不図示）で反射された計測光は、光路折り曲げプリズム５４に再び入射する。光路折り曲げプリズム５４の全反射面５４ａで全反射された計測光は、対物光学系５２および対物光学系５２中のハーフミラー５３を介して、例えばＣＣＤのような画像検出器５６に入射する。

図１８に示す計測装置では、画像検出器５６の出力に基づいて、被検面５５上のマークの位置が、ひいては被検面５５の位置（面内方向に沿った被検面５５の二次元的な位置）が計測される。被検面５５に偏光性がある場合、光路折り曲げプリズム５４での全反射において偏光成分による相対位置ずれが発生すると、被検面５５の位置を高精度に計測することができない。

光路折り曲げプリズム５４で全反射された光に発生する偏光成分による相対的な位置ずれが被検面５５の位置の計測に及ぼす影響を抑えて、被検面５５の位置を高精度に計測するには、光路折り曲げプリズム５４で全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれ量Δがほぼ０になるように、すなわち１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値が例えば０．３μｍ以下になるように、さらに好ましくは０．２μｍ以下になるように、光路折り曲げプリズム５４の屈折率ｎおよび全反射面５４ａに対する入射光の入射角θを決定すればよい。

このように、被検面が偏光に影響を及ぼす薄膜や偏光特性を有していると、光路（照射光路や検出光路等）に配置される内面反射面（全反射面）に、グースヘンシェンシフト（Goos-Haenchen Shift）が発生するため、これが発生しないように、内面反射面（全反射面）を構成する光学部材の屈折率や、内面反射面（全反射面）に対する入射角を適切に設定することが望ましい。

ところで、図１〜図３に示す上述の実施形態では、全反射プリズム部材として、互いに平行な２つの全反射面を有する平行四辺形プリズム（ひし形プリズム）を用いている。そして、各全反射面において発生する相対位置ずれ量Δを小さく抑えるように、プリズムの屈折率ｎおよび各全反射面に対する入射光の入射角θを決定している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図１９に示すような互いに対向する２つの全反射面（一般に平行でない２つの全反射面）を有する四辺形プリズム６１を全反射プリズム部材として用い、２つの全反射面６１ａおよび６１ｂで順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量、すなわち第１全反射面６１ａで発生する相対位置ずれ量Δ₁と第２全反射面６１ｂで発生する相対位置ずれ量Δ₂との和Δ₁＋Δ₂を小さく抑えるように、プリズムの屈折率ｎおよび２つの全反射面に対する入射光の入射角θ₁（０°≦θ₁≦９０°）およびθ₂（０°≦θ₂≦９０°）を決定することもできる。

この場合、２つの全反射面６１ａおよび６１ｂで順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ₁₂＝Δ₁＋Δ₂は、次の式（１０）で表わされる。式（１０）の右辺の第１項は第１全反射面６１ａで発生する相対位置ずれ量Δ₁に対応し、右辺の第２項は第２全反射面６１ｂで発生する相対位置ずれ量Δ₂に対応している。

ここで、全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれが検出精度などに及ぼす影響を抑えるために、１つの全反射面で発生する相対位置ずれ量を０．３μｍまたはそれ以下に抑えるという上述の実施形態の考え方を式（１０）で表わされる相対位置ずれ量Δ₁₂に適用すると、２つの全反射面６１ａおよび６１ｂで順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ₁₂を小さく抑えるための条件式として、上限値を０．３μｍ×２＝０．６μｍとし、下限値を−０．３μｍ×２＝−０．６μｍとする次の条件式（１１）が得られる。

具体的な数値例として、四辺形プリズム６１が屈折率ｎ＝１．４５の石英により形成され、第１全反射面６１ａへの入射角θ₁が４７度で、第２全反射面６１ｂへの入射角θ₂が７０度の場合、第１全反射面６１ａで発生する相対位置ずれ量Δ₁は＋０．４８μｍであり、第２全反射面６１ｂで発生する相対位置ずれ量Δ₂は−０．２１μｍである。すなわち、第１全反射面６１ａで発生する相対位置ずれ量Δ₁と第２全反射面６１ｂで発生する相対位置ずれ量Δ₂とは互いに打ち消し合い、２つの全反射面６１ａおよび６１ｂで順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ₁₂は＋０．２７μｍで０．３μｍ以下になる。

また、別の数値例として、四辺形プリズム６１が屈折率ｎ＝１．４５の石英により形成され、第１全反射面６１ａへの入射角θ₁が５０度で、第２全反射面６１ｂへの入射角θ₂が６０度の場合、第１全反射面６１ａで発生する相対位置ずれ量Δ₁は＋０．１５５μｍであり、第２全反射面６１ｂで発生する相対位置ずれ量Δ₂は−０．１３６μｍである。すなわち、第１全反射面６１ａで発生する相対位置ずれ量Δ₁と第２全反射面６１ｂで発生する相対位置ずれ量Δ₂とは互いに打ち消し合い、２つの全反射面６１ａおよび６１ｂで順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ₁₂は＋０．０１９μｍで０．０５μｍ以下になる。

なお、図１９を参照した説明では、２つの全反射面を有する四辺形プリズム６１を全反射プリズム部材として用いているが、一般に２つ以上の全反射面を有する多角形プリズムを用いる場合についても同様に考えることができる。すなわち、１つの多角形プリズム（一般には光学部材）の複数（Ｎ個：Ｎは２以上の整数）の全反射面で順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量を小さく抑えるように、プリズムの屈折率ｎおよび第ａ番目の全反射面（内面反射面）に対する入射光の入射角θａ（０°≦θａ≦９０°；ａ＝１〜Ｎ）を決定すれば良い。この場合、Ｎ個の全反射面で順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ_1Nは、次の式（１２）で表わされる。

ここで、全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれが検出精度などに及ぼす影響を抑えるために、１つの全反射面で発生する相対位置ずれ量を０．３μｍまたはそれ以下に抑えるという上述の実施形態の考え方を式（１２）で表わされる相対位置ずれ量Δ_1Nに適用すると、Ｎ個の全反射面で順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ_1Nを小さく抑えるための条件式として、上限値を０．３μｍ×Ｎ＝０．３Ｎμｍとし、下限値を−０．３μｍ×Ｎ＝−０．３Ｎμｍとする次の条件式（１３）が得られる。

さらに、１つの光学部材に限定されることなく、複数の光学部材において、複数（Ｎ個：Ｎは２以上の整数）の全反射面で順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量を小さく抑えるには、第ａ番目の全反射面（内面反射面）を形成する光学部材の屈折率ｎａおよび第ａ番目の全反射面に対する入射光の入射角θａ（０°≦θａ≦９０°；ａ＝１〜Ｎ）を決定すれば良い。この場合、複数の光学部材においてＮ個の全反射面で順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ_1Nは、次の式（１４）で表わされる。

ここで、全反射された光の偏光成分による相対的な位置ずれが検出精度などに及ぼす影響を抑えるために、１つの全反射面で発生する相対位置ずれ量を０．３μｍまたはそれ以下に抑えるという上述の実施形態の考え方を式（１４）で表わされる相対位置ずれ量Δ_1Nに適用すると、Ｎ個の全反射面で順次全反射された後の光に最終的に発生する相対位置ずれ量Δ_1Nを小さく抑えるための条件式として、上限値を０．３μｍ×Ｎ＝０．３Ｎμｍとし、下限値を−０．３μｍ×Ｎ＝−０．３Ｎμｍとする次の条件式（１５）が得られる。

なお、前述の条件式（８）および（９）では下限値を設定していないが、条件式（８）の下限値を「−０．３μｍまたはそれ以上」に設定し、条件式（９）の下限値を「−０．２μｍまたはそれ以上」に設定することが好ましい。条件式（８）の下限値を下回ると、入射角度が大きい斜入射の構成になって、プリズム等の光学部材が複雑で大型になり、さらには装置全体の複雑化や大型化を招くため好ましくない。一方、条件式（９）の下限値を下回ると、斜入射の構成において入射角度が大きくなる傾向が強くなって、プリズム等の光学部材の複雑化と大型化とを招く傾向が強くなり、さらには装置全体の複雑化や大型化を招く傾向が強くなるため好ましくない。

また、条件式（８）では上限値を「＋０．３μｍまたはそれ以下」に設定しているが、光学部材や装置の簡素化やコンパクト化を可能にしつつ、より一層高精度で且つ安定した検出を可能にするには、条件式（８）の上限値を「＋０．０５μｍまたはそれ以下」に設定し、条件式（８）の下限値を「−０．０５μｍまたはそれ以上」に設定することが好ましい。すなわち、光学部材や装置の簡素化やコンパクト化を可能にしつつ、より一層高精度で且つ安定した検出を可能にするには、次の条件式（１６）を満足することが好ましい。

以下、図１３〜図１６に対応する図２０〜図２３を参照して、全反射プリズム部材の屈折率ｎを変化させたときに、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値が０．０５μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する。図２０は、図１３の一部を拡大して示す図であって、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．４５で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図２０を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．０５μｍ以下に抑えて条件式（１６）を満たすには、入射角θの範囲を約５２度〜５５度に設定すれば良いことがわかる。

図２１は、図１４の一部を拡大して示す図であって、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．５で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図２１を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．０５μｍ以下に抑えて条件式（１６）を満たすには、入射角θの範囲を約４９．５度〜５６度に設定すれば良いことがわかる。

図２２は、図１５の一部を拡大して示す図であって、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．６で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図２２を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．０５μｍ以下に抑えて条件式（１６）を満たすには、入射角θの範囲を約４６．５度〜５３度に設定すれば良いことがわかる。

図２３は、図１６の一部を拡大して示す図であって、全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．７で、光の中心波長λｃが７５０ｎｍのときの、１回の全反射による相対位置ずれ量Δと入射角θとの関係を示している。図２３を参照すると、１回の全反射において発生する偏光成分による相対位置ずれ量Δの絶対値を０．０５μｍ以下に抑えて条件式（１６）を満たすには、入射角θの範囲を約４３．５度〜５０度に設定すれば良いことがわかる。

同様に、１つの光学部材において複数の全反射面で順次全反射される場合の条件式（１３）の上限値を０．０５μｍ×Ｎ＝０．０５Ｎμｍとし、下限値を−０．０５μｍ×Ｎ＝−０．０５Ｎμｍとすると、光学部材や装置の簡素化やコンパクト化を可能にしつつ、より一層高精度で且つ安定した検出を可能にするための条件式として、条件式（１３）よりも好ましい条件式（１７）が得られる。

同様に、複数の光学部材において複数の全反射面で順次全反射される場合の条件式（１５）の上限値を０．０５μｍ×Ｎ＝０．０５Ｎμｍとし、下限値を−０．０５μｍ×Ｎ＝−０．０５Ｎμｍとすると、光学部材や装置の簡素化やコンパクト化を可能にしつつ、より一層高精度で且つ安定した検出を可能にするための条件式として、条件式（１５）よりも好ましい条件式（１８）が得られる。

なお、本発明では、入射角および各全反射面を形成する屈折率を適切に設定することで、複数の全反射面にて発生するＧＨＳを抑えているが、全反射面を有する光学部材の１つ以上（全反射面を有する光学部材の１つまたはそれ以上）を調整装置にて入射角を調整可能な構成として、各全反射面での入射角を変化させることにより、グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ）量を調整して、グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ）量を制御することもできる。ここで、光学部材をマニユアル的または自動的に調整可能となるように調整装置を構成することができるが、光学部材を自動調整できるように調整装置を構成することが好ましい。この場合、各全反射面を介した光を検出装置にて検出し、検出装置からの出力情報（検出信号、駆動信号等）に基づいて、適切なグースヘンシェンシフト（ＧＨＳ）量を自動設定できるように、モータ等を含む調整装置を駆動させることが良い。

例えば、図１２に示す実施の形態において、レンズ１０の検出器側（レンズ１０の上方）に光分割部材（ハーフミラー等）を配置すると共に、この光分割部材にて分岐された光路に、グースヘンシェンシフト（ＧＨＳ）量を検出する検出装置（検出器等）を配置する。そして、この検出装置（検出器等）からの出力に基づいて、各光路折り曲げプリズム（３１、３２）をそれぞれ独立に傾斜させる駆動装置（調整装置）を配置し、この駆動装置（調整装置）を介して、各光路折り曲げプリズム（３１、３２）の各全反射面（３１ｂ、３２ｂ）に入射する光の入射角度をそれぞれ独立に調整することにより、装置全体のＧＨＳ量を適切に設定することができる。

上述の実施形態の露光装置では、照明装置によってレチクル（マスク）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、本実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図２４のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図２４のステップ３０１において、１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ３０２において、その１ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０３において、本実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ３０４において、その１ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。

その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。なお、ステップ３０１〜ステップ３０５では、ウェハ上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、ウェハ上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。

また、本実施形態の露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図２５のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図２５において、パターン形成工程４０１では、本実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィ工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程４０２へ移行する。

次に、カラーフィルター形成工程４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列されたりしたカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。

セル組み立て工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。その後、モジュール組み立て工程４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。

本発明の実施形態にかかる面位置検出装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。 図１の投射光学系および集光光学系がともに両側テレセントリックであることを示す光路図である。 本実施形態の面位置検出装置における一対のペンタプリズム間の構成を概略的に示す図である。 被検面Ｗａ上に格子パターン３ａの一次像が形成されている状態を示す斜視図である。 ５つのＸ方向に細長く延びる矩形状の開口部Ｓａ１〜Ｓａ５を有する受光スリットＳの構成を概略的に示す図である。 ５つのシリコン・フォト・ダイオードＰＤ１〜ＰＤ５が、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５に光学的に対応するように、受光部１４の受光面１４ａ上に設けられている様子を示す図である。 プリズムの内面反射面で全反射された光束に偏光成分による相対的な位置ずれが発生する様子を概略的に示す図である。 全反射において発生する偏光成分による相対的な位置ずれ量Δ（ＧＨＳ）とＡＦ面の計測値との関係を示す図である。 図８の部分拡大図である。 全反射面への入射角と偏光成分による相対位置ずれ量との関係を示す図である。 プリズムの屈折率と偏光成分による相対位置ずれ量との関係を示す図である。 本実施形態の変形例の要部構成を概略的に示す図である。 全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．４５の場合に、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．３μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．５の場合に、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．３μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．６の場合に、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．３μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 全反射プリズム部材の屈折率ｎが１．７の場合に、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．３μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 被検面の面形状を計測する装置に本発明を適用した例を示す図である。 被検面の位置を計測する装置に本発明を適用した例を示す図である。 全反射プリズム部材として四辺形プリズムを用い、２つの全反射面で順次全反射された光に最終的に発生する相対位置ずれ量を小さく抑える考え方を説明する図である。 図１３の一部を拡大した図であって、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．０５μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 図１４の一部を拡大した図であって、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．０５μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 図１５の一部を拡大した図であって、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．０５μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 図１６の一部を拡大した図であって、相対位置ずれ量Δの絶対値が０．０５μｍ以下になる入射角θの範囲について説明する図である。 マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。

符号の説明

１ 光源
２ コンデンサーレンズ
３ 偏向プリズム
４，５ 投射光学系
６，９ ペンタプリズム
７，８ ひし形プリズム
１０，１１ 集光光学系
１２ 振動ミラー
１３ アオリ補正プリズム
１４ａ，１４ｂ リレー光学系
１５ 受光部
１６ ミラー駆動部
１７ 位置検出部
１８ 補正量算出部
２１ ウェハホルダ
２２ ホルダ保持機構
２３ ホルダ駆動部
ＩＬ 照明系
Ｒ レチクル
ＲＨ レチクルホルダ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (24)

1. 被検面に対して斜め方向から投射されて前記被検面で反射された光の受光結果に基づいて、前記被検面と交差する方向に関する前記被検面の位置を検出する面位置検出装置において、
   前記光の光路に配置されたプリズム部材に設けられ、前記プリズム部材の内部で前記光を全反射する第１全反射面および第２全反射面を備え、
   前記プリズム部材を形成する光学材料の屈折率と前記第１全反射面および前記第２全反射面に対する前記光の入射角とは、前記光のうち互いに垂直な偏光方向を有する第１偏光成分と第２偏光成分との間に全反射に起因して発生する相対的な光路の位置ずれに関し、前記第１全反射面で発生する第１位置ずれ量と前記第２全反射面で発生する第２位置ずれ量とが互いに打ち消し合うように設定されていることを特徴とする面位置検出装置。
2. 被検面に対して斜め方向から投射されて前記被検面で反射された光の受光結果に基づいて、前記被検面と交差する方向に関する前記被検面の位置を検出する面位置検出装置において、
   前記光の光路に配置されたプリズム部材に設けられ、前記プリズム部材の内部で前記光を全反射する第１全反射面および第２全反射面を備え、
   前記プリズム部材を形成する光学材料の屈折率と前記第１全反射面および前記第２全反射面に対する前記光の入射角とは、前記光のうち互いに垂直な偏光方向を有する第１偏光成分と第２偏光成分との間に全反射に起因して発生する相対的な光路の位置ずれに関し、前記第１全反射面で発生する第１位置ずれ量と前記第２全反射面で発生する第２位置ずれ量とが互いに正負が異なる値になるように設定されていることを特徴とする面位置検出装置。
3. 前記プリズム部材は、２個のプリズム部材を含み、
   前記第１全反射面は、前記２個のプリズム部材のうちの一方に設けられ、前記第２全反射面は、前記２個のプリズム部材のうちの他方に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の面位置検出装置。
4. 前記２個のプリズム部材のうちの一方を形成している光学材料の屈折率と、前記２個のプリズム部材のうちの他方を形成している光学材料の屈折率とは互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の面位置検出装置。
5. 前記２個のプリズム部材のうちの一方を形成している光学材料の屈折率と、前記２個のプリズム部材のうちの他方を形成している光学材料の屈折率とは互いに等しく、
   前記第１全反射面に対する前記光の入射角と、前記第２全反射面に対する前記光の入射角とは互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の面位置検出装置。
6. 前記第１全反射面および前記第２全反射面は、１つの前記プリズム部材に設けられ、
   前記第１全反射面に対する前記光の入射角と、前記第２全反射面に対する前記光の入射角とは互いに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の面位置検出装置。
7. 前記プリズム部材は、前記第１全反射面および前記第２全反射面によって前記光の光路をほぼ平行移動させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
8. 所定パターンを介した前記光を前記被検面に対して斜め方向から投射し、前記被検面上に前記所定パターンの一次像を形成するための投射光学系と、
   前記被検面で反射された前記光を集光して前記所定パターンの二次像を形成するための集光光学系と、
   前記所定パターンの二次像を形成した前記光を受光する検出部とを有し、
   前記第１全反射面は、前記投射光学系の前記光の光路に配置され、
   前記第２全反射面は、前記集光光学系の前記光の光路に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
9. 所定パターンを介した前記光を前記被検面に対して斜め方向から投射し、前記被検面上に前記所定パターンの一次像を形成するための投射光学系と、
   前記被検面で反射された前記光を集光して前記所定パターンの二次像を形成するための集光光学系と、
   前記所定パターンの二次像を形成した前記光を受光する検出部とを有し、
   前記第１全反射面および前記第２全反射面は、前記投射光学系の前記光の光路または前記集光光学系の前記光の光路に配置されていることを特徴とする請求項１，２，６，７のいずれか１項に記載の面位置検出装置。
10. マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光性基板上へ投影露光する露光装置において、
    前記投影光学系の光軸方向に関する前記マスクのパターン面の位置または前記感光性基板の露光面の位置を検出するための請求項１乃至９のいずれか１項に記載の面位置検出装置と、
    前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記投影光学系に対する前記パターン面の位置または前記露光面の位置を設定する位置合わせ装置と、
    を備えてい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、マスクに形成されたパターンを感光性基板に露光する露光工程と、
    前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイスの製造方法。
12. マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光性基板上へ投影露光する露光方法において、
    前記投影光学系の光軸方向に関する前記マスクのパターン面の位置または前記感光性基板の露光面の位置を、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の面位置検出装置を用いて検出することと、
    前記面位置検出装置の検出結果に基づいて、前記投影光学系に対する前記パターン面の位置または前記露光面の位置を設定することと、
    を含むことを特徴とする露光方法。
13. 請求項１２に記載の露光方法を用いて、マスクに形成されたパターンを感光性基板に露光する露光工程と、
    前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程と、
    を含むことを特徴とするデバイスの製造方法。
14. 被検面に投射されて前記被検面で反射された光の受光結果に基づいて、前記被検面を計測する計測装置において、
    前記光の光路に配置され、前記光を全反射する複数の全反射面を備え、
    前記複数の全反射面が形成された光学材料の屈折率と前記複数の全反射面に対する前記光の入射角とは、前記光のうち互いに垂直な偏光方向を有する第１偏光成分と第２偏光成分との間に全反射に起因して発生する相対的な光路の位置ずれに関し、前記複数の全反射面のうち少なくとも２つの全反射面で発生する前記位置ずれ量が互いに打ち消し合うように設定されていることを特徴とする計測装置。
15. 被検面に投射されて前記被検面で反射された光の受光結果に基づいて、前記被検面を計測する計測装置において、
    前記光の光路に配置され、前記光を全反射する複数の全反射面を備え、
    前記複数の全反射面が形成された光学材料の屈折率と前記複数の全反射面に対する前記光の入射角とは、前記光のうち互いに垂直な偏光方向を有する第１偏光成分と第２偏光成分との間に全反射に起因して発生する相対的な光路の位置ずれに関し、前記複数の全反射面のうち少なくとも２つの全反射面で発生する前記位置ずれ量が互いに正負が異なる値になるように設定されていることを特徴とする計測装置。
16. 前記計測装置は、前記受光結果に基づいて前記被検面の位置を計測することを特徴とする請求項１４または１５に記載の計測装置。
17. 前記計測装置は、前記受光結果に基づいて前記被検面の面位置を計測することを特徴とする請求項１４または１５に記載の計測装置。
18. 前記計測装置は、前記受光結果に基づいて前記被検面の面形状を計測することを特徴とする請求項１４または１５に記載の計測装置。
19. 前記光を前記被検面に投射する投射光学系と、前記被検面で反射された前記光を集光する集光光学系とを備え、
    前記複数の全反射面の一部は、前記投射光学系の前記光の光路に配置され、前記複数の全反射面の他の一部は、前記集光光学系の前記光の光路に配置されていることを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の計測装置。
20. 所定のパターンを感光性基板に露光する露光装置において、
    前記感光性基板を計測するための請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の計測装置を備えることを特徴とする露光装置。
21. 前記感光性基板を保持する保持装置と、
    前記保持装置に保持された前記感光性基板に前記所定のパターンの像を投影する投影光学系と、
    前記感光性基板を保持する保持装置を前記計測装置の計測結果に基づいて駆動制御し、前記投影光学系に対して前記感光性基板を位置合わせする位置合わせ装置と、
    を備えることを特徴とする請求項２０に記載の露光装置。
22. 請求項２０または２１に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
    前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイスの製造方法。
23. 投影光学系を介して所定のパターンを感光性基板に露光する露光方法において、
    請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の計測装置を用いて前記感光性基板を計測することと、
    前記計測装置の計測結果に基づいて前記感光性基板を前記投影光学系に対して位置合わせすることと、
    を含むことを特徴とする露光方法。
24. 請求項２３に記載の露光方法を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
    前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程と、
    を含むことを特徴とするデバイスの製造方法。

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