JPH1082611A

JPH1082611A - 面位置検出装置

Info

Publication number: JPH1082611A
Application number: JP8239012A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で調整の容易な、且つ高精度に被
検面の面位置を検出できる面位置検出装置を提供する。【解決手段】格子パターン形成面８ａの格子パターン
の像を投射光学系９，１０を介してウエハ１上の被検面
１ａに斜めに投射し、被検面１ａからの反射光より集光
光学系１１，１２を介して入射面２５ａに格子パターン
像を形成し、この格子パターン像をアオリ補正プリズム
２５、及びリレー光学系１４〜１６を介して受光面１７
ａにリレーする。格子パターン形成面８ａと被検面１ａ
とは、投射光学系９，１０に関してシャインプルーフの
条件を満たし、被検面１ａと入射面２５ａとは集光光学
系１１，１２に関してシャインプルーフの条件を満た
す。投射光学系９，１０を被検面１ａ側にテレセントリ
ックとして、集光光学系１１，１２の開口数を投射光学
系９，１０の開口数よりも大きく設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検面の高さや傾
斜角を検出するための面位置検出装置に関し、例えば半
導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は
薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ
工程で使用される投影露光装置において、ウエハ等の感
光基板の高さを検出するためのオートフォーカスセンサ
に使用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子を製造する際に、マス
クとしてのレチクル上に形成された回路パターンを投影
光学系を介して感光基板としてのウエハ上に転写する投
影露光装置（ステッパー等）が使用されている。このよ
うな投影露光装置においては、投影光学系の焦点深度が
比較的浅く、しかも、ウエハに部分的な凹凸が存在する
こともあるため、ウエハの各露光領域における投影光学
系の結像面に対する焦点ずれの補正をそれぞれ行う必要
がある。

【０００３】このように投影光学系の光軸方向における
ウエハの表面（被検面）の位置（フォーカス位置）を検
出するためのセンサとして、そのウエハの表面に対して
斜め方向からスリット像を投影する投射光学系と、その
ウエハからの反射光を集光してそのスリット像を再結像
する集光光学系とを有し、このように再結像されたスリ
ット像の横ずれ量を検出する斜入射方式のオートフォー
カスセンサ（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）が知られて
いる。この斜入射方式のＡＦセンサにおいては、被検面
が投影光学系の光軸方向に沿って上下すると、被検面上
におけるスリット像の位置が集光光学系の光軸と直交す
る方向に沿ってずれる。そこで、その集光光学系で再結
像されたスリット像の横ずれ量を測定することで、その
被検面のフォーカス位置を検出することができる。

【０００４】この場合、その被検面はＡＦセンサの投射
光学系及び集光光学系の光軸に対してかなり大きな角度
で傾斜しているために、その被検面からの反射光よりそ
のスリット像を再結像した場合に、その再結像されたス
リット像の結像面のアオリ角が大きくなり、受光素子に
入射する光量が少なくなる等の不都合があった。そこ
で、特開平６−９７０４５号公報では、アオリ角を補正
するためのプリズムを用いて、その再結像されるスリッ
ト像のアオリ角を小さくするようにしたＡＦセンサが開
示されている。また、特開平３−１８３９０４号公報
（米国特許第５，０７６，６９８号）では、グレーティ
ング（回折格子）を用いて結像光束のアオリ角を補正す
るようにした検出装置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の特開
平６−９７０４５号公報に開示された斜入射方式のＡＦ
センサでは、被検面の位置が変化しても再結像されるス
リット像の倍率が変化しないように、投射光学系、及び
集光光学系共に両側テレセントリックであることが望ま
しい。そのためには、被検面を挟んで投射光学系及び集
光光学系にそれぞれテレセントリック絞りを配置する必
要があるが、光学系の組立調整上の誤差等によってそれ
ら２つの絞り間には或る程度の位置合わせ誤差が残存す
る恐れがある。しかしながら、それら２つの絞り間に位
置合わせ誤差が残存すると、光量損失が生じるという不
都合がある。

【０００６】また、その集光光学系で再結像されるスリ
ット像の横ずれ量を光電顕微鏡の原理を適用して検出す
るために、その集光光学系内に配置した振動ミラー等の
走査手段によってそのスリット像を光電検出器に対して
計測方向に振動させる場合がある。このような構成で
は、集光光学系中にテレセントリック絞りを置くことが
困難な場合が多い。一方、投射光学系側に走査装置を設
けると、被検面でスリット像が移動するため、再結像さ
れた像の横ずれの状態が被検面の凹凸によっても変化し
て、その像の横ずれを振動ミラーの振動成分と被検面の
凹凸による成分とに分離するのが困難であるという不都
合があった。

【０００７】また、そのＡＦセンサ中でアオリ角補正用
に特開平３−１８３９０４号公報で開示されたグレーテ
ィングを使用する場合でも、アオリ補正用のプリズムを
使用する場合と同様に、投射光学系、及び集光光学系共
にテレセントリック絞りを配置するのは困難であるとい
う不都合がある。本発明は斯かる点に鑑み、投射光学
系、及び集光光学系の両方に直列にテレセントリック絞
りを配置することのない簡単な構成で調整の容易な、且
つ高精度に被検面の面位置を検出できる面位置検出装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【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、第１面（８ａ）上に形成された所定のパターン
（８）と、被検面（１ａ）に対して斜めの方向からその
所定のパターンの像を投射する投射光学系（９，１０）
と、被検面（１ａ）で反射された光束を集光してその所
定のパターンの像を第２面（２５ａ）上に形成する集光
光学系（１１，１２）と、その所定のパターンの像を光
電的に検出する検出器（１７）と、を有し、この検出器
の出力に基づいて被検面（１ａ）の面位置を検出する面
位置検出装置において、検出器（１７）の受光面と、そ
の所定のパターンの像とを相対的に走査させる走査手段
（３０，３１）を設け、その第１面と被検面（１ａ）と
は、その投射光学系の主平面に関してシャインプルーフ
の条件を満たすと共に、被検面（１ａ）とその第２面と
は、その集光光学系の主平面に関してシャインプルーフ
の条件を満たし、その投射光学系は、被検面（１ａ）側
において実質的にテレセントリックな光学系であり、そ
の集光光学系は、その投射光学系よりも大きい開口数を
持つものである。

【０００９】斯かる本発明によれば、投射光学系（９，
１０）は被検面（１ａ）側にテレセントリックである。
この作用につき図１０を参照して説明する。図１０は、
投射光学系（９，１０）による被検面（１ａ）上の点Ｐ
に集束する結像光束ＬＡの様子を示し、図１０（ａ）は
その投射光学系がテレセントリックな場合、図１０
（ｂ）はその投射光学系がテレセントリックでない場合
を示している。即ち、図１０（ａ）では、被検面（１
ａ）に入射する結像光束ＬＡの内の軸外の主光線ＬＡ１
も光軸に平行な光束となっており、図１０（ｂ）ではそ
の結像光束の内で光軸に平行な光束ＬＡ１に対して軸外
の主光線ＬＡ２は傾斜している。

【００１０】このとき、集光光学系（１１，１２）はも
との被検面（１ａ）に合焦しているものとして、被検面
（１ａ）が点線で示す位置（１ａ’）まで変位すると、
図１０（ａ）のテレセントリックな場合には、その集光
光学系によってその第２面では、点Ｐの鏡影像である点
Ｐ’を通る結像光束によって被検面（１ａ）上の点Ｐか
らｘだけ離れた点Ｑのデフォーカスした像が形成され
る。この際の被検面（１ａ）の変位は、その点Ｐと点Ｑ
との間隔ｘのその集光光学系の光軸に垂直な方向への射
影成分を計測することによって求められる。その際、そ
の集光光学系の開口数（ＮＡ）はその投射光学系の開口
数よりも大きいので、このデフォーカスにより広がった
像が点Ｑの共役点を中心に点対称に広がってその第２面
上に結像することになる。被検面（１ａ）がレジストに
覆われたウエハの場合、その被検面はほぼ鏡面とみなす
ことができるが、完全な鏡面ではないので多少の散乱が
生じ、その被検面上の各点は２次光源とみなせる場合も
ある。その場合でも、反射光の結像光束は、もとの主光
線ＬＢ１と平行な主光線ＬＢ１’の周りにほぼ軸対称に
分布した光束とみなせるので、結局、その集光光学系に
よる像は点Ｑの共役点を中心に点対称に分布して、計測
されるずれ量（ずれ量ｘの射影成分）は変わらない。

【００１１】一方、図１０（ｂ）のように投射光学系
（９，１０）がテレセントリックでない場合は、軸外の
主光線ＬＡ２は光軸と非平行になり、被検面（１ａ）が
点線で示す位置（１ａ’）まで変位すると、その被検面
（１ａ）からの反射光はその集光光学系によって、点
Ｐ’（点Ｐの鏡影像）を通る主光線ＬＢ２’の延長上の
被検面（１ａ）上の点Ｑ’の共役点を中心とした位置で
広がるように結像する。その点Ｑ’は図１０（ａ）の点
Ｑとは間隔Δｘだけずれているため、この間隔Δｘのそ
の集光光学系の光軸に垂直な方向への射影成分が検出誤
差となる。そして、図１０（ｂ）において、たとえその
集光光学系がテレセントリックであっても、上述のよう
に、被検面（１ａ）が完全な鏡面ではなく２次光源とし
て作用するため、点Ｐと点Ｑ’との間隔ｘ’は小さくな
ってしまう。このテレセントリック性のずれ量は、被検
面（１ａ）とその投射光学系の光軸との交点からの距離
に応じて変わるので、このずれ量が誤差になる。つま
り、その投射光学系が被検面（１ａ）でテレセントリッ
クでないと、被検面（１ａ）上の計測点の位置によって
計測値が変化して、計測誤差が生じてしまうことにな
る。それに対して本発明では、被検面（１ａ）側でその
投射光学系をテレセントリックに構成し、且つその集光
光学系ではその投射光学系より大きな開口数で再結像し
ているため、計測誤差は生じない。

【００１２】また、例えば図９に示すように、Ａ面上の
パターンをＢ面上に結像する光学系に関して、それらＡ
面とＢ面とがシャインプルーフの条件を満たすとは、こ
の光学系のメリジオナル断面内において、そのＡ面の延
長線とその光学系の物側主平面との交点をＨ、そのＢ面
の延長線とその光学系の像側主平面との交点をＨ’とし
た場合、交点Ｈから光軸までの距離Ｌと交点Ｈ’から光
軸までの距離Ｌ’とが等しいことを意味する。シャイン
プルーフの条件が満たされているときには、所謂アオリ
の結像関係が成立し、そのＡ面上の任意の点から射出さ
れた光は、それぞれＢ面上の対応する１点に収束する。
従って、そのＡ面上の全面の点の像がそのＢ面上に形成
される。

【００１３】本発明の面位置検出装置では、その第１面
と被検面（１ａ）とがアオリの結像関係を満たし、且つ
被検面（１ａ）とその第２面とがアオリの結像関係を満
たしているので、被検面（１ａ）の全面の各点の像がそ
の第２面上に結像される。この場合、その投射光学系が
被検面（１ａ）に対して斜め方向から所定パターンの像
を投射しているので、被検面（１ａ）に部分的に凹凸が
存在すると、その第２面上の像は、その凹凸に対応した
変位（歪み）を生ずる。そして、この変位を例えば特開
昭５６−４２２０５号公報に開示されている光電顕微鏡
の原理によって検出すれば、被検面（１ａ）の上下方向
の位置情報を得ることができる。この光電顕微鏡の原理
を簡略に説明する。先ず、走査手段（３０，３１）によ
って、検出器（１７）の受光面とその第２面上の像とを
相対的に走査させ、その受光面上で変調光を光電検出す
る。そして、走査の周期を基準として検出された光電信
号を同期検波すると、被検面（１ａ）の位置ずれ量に相
当する検波出力を得ることができる。

【００１４】更に、被検面（１ａ）とその第２面とがア
オリの結像関係にあるので、面同士の倍率関係に比べ
て、被検面（１ａ）の上下の変動によるその第２面上で
の像の横ずれ量が大きくなる。これについて定量的に説
明する。例えば、図１に示すように、被検面（１ａ）に
対する投射光学系（９，１０）からの主光線の入射角を
θ、被検面（１ａ）の上下方向の変位量をｚ、被検面
（１ａ）のその第２面へのアオリの結像面に沿った結像
倍率をβ’とすると、その第２面上での横ずれ量ｙ ₁ は
次式で表すことができる。

【００１５】ｙ₁ ＝２・β’・tan θ・ｚ（１）ところで、被検面（１ａ）とその第２面との光軸と垂直
な方向の倍率である横倍率をβとすると、シャインプル
ーフの条件から次の関係が成立する。 β’＝（β²cos² θ＋β⁴sin² θ)^1/2 （２）一方、像の横ずれは光軸と垂直な方向に検出しているの
で、検出される横ずれ量ｙ₂ は、次のようになる。

【００１６】ｙ₂ ＝２・β・sin θ・ｚ（３）ここで、（１）式と（２）式とを比較すると、入射角θ
が大きい場合には、アオリの結像関係を満たした場合の
（１）式の横ずれ量ｙ₁ の方が大きい。簡単のため、β
＝１とすると、（２）式よりβ’＝１となり、横ずれ量
ｙ₁ 及びｙ₂ は、それぞれtan θ及びsin θに比例す
る。例えば、θ＝８０°の場合、（１）式によればｙ₁
＝１１．３ｚとなり、（３）式によればｙ₂ ＝２．０ｚ
となる。従って、アオリの結像関係を満たしている場合
の方が５．７倍も横ずれが大きくなり、被検面（１ａ）
の上下方向の変位に対する検出感度及び検出精度が改善
される。

【００１７】次に本発明では、その集光光学系から射出
される光束の光軸に対する傾斜角を小さくするためのア
オリ角補正光学系（２５）をその第２面に設けることが
望ましい。即ち、本発明において、その投射光学系から
被検面（１ａ）への主光線の入射角θを大きくすると、
被検面（１ａ）の上下の変位に対する横ずれ量の変化の
割合が大きくなるので、更なる検出精度向上を図ること
ができる。しかしながら、入射角θが大きい場合には、
その第２面に入射する光束の入射角も大きくなる。この
とき、例えば検出器（１７）の受光面をその第２面上に
配置すると、この受光面上での表面反射や光束のけられ
等が発生し、その受光面での受光量が著しく低下するこ
とがある。そこで、その第２面上にアオリ角補正光学系
（２５）を配置して、その集光光学系の光軸を偏向させ
ることにより、その受光面に達する光束の入射角が小さ
くなるため、受光量の低下を招く恐れがない。

【００１８】また、そのアオリ角補正光学系はプリズム
体であることが望ましい。プリズム体は、例えばグレー
ティングに比べて分散が小さいため、検出光として広帯
域の光束を使用できる。広帯域の光束を使用すること
で、被検面（１ａ）にフォトレジストが塗布されている
ような場合に、薄膜干渉の影響等を軽減できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による面位置検出装
置の実施の形態の一例につき図１〜図８を参照して説明
する。本例は、ステッパー等の投影露光装置に備えられ
た斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（ＡＦセ
ンサ）に本発明を適用したものである。

【００２０】図１は、本例の投影露光装置を示し、この
図１において、露光用の照明光学系４０からの露光用の
照明光は、レチクルＲのパターン面（下面）に形成され
た回路パターンを照明する。その照明光のもとで、レチ
クルＲ上のパターンの像が投影光学系５を介して、ウエ
ハ１の表面である被検面１ａ上の各ショット領域に投影
される。被検面１ａにはフォトレジストが塗布され、ウ
エハ１はウエハホルダ２上に吸着保持され、ウエハホル
ダ２は、投影光学系５の光軸ＡＸ１方向に突没自在の３
個の支点を介してウエハステージ３上に載置されてい
る。

【００２１】それら３個の支点を並行に突没させること
でウエハホルダ２（ウエハ１）をその光軸ＡＸ１に沿っ
た方向（フォーカシング方向）に移動させることがで
き、それら３個の支点を独立に突没させることでウエハ
ホルダ２を２次元的に傾斜させる（レベリングを行う）
ことができると共に、ウエハホルダ２の微小回転もでき
るように構成されている。また、ウエハステージ３は、
光軸ＡＸ１に垂直な平面内でウエハホルダ２（ウエハ
１）の位置決めを行い、ウエハ１上の或るショット領域
への露光が終了すると、ウエハステージ３の駆動によっ
てステップ・アンド・リピート方式でウエハ１上の次の
ショット領域が投影光学系５の露光領域に設定される。
ウエハステージ３、及び３個の支点の動作は駆動部４に
よって制御される。

【００２２】ここで、ウエハ１の被検面１ａ上にレチク
ルＲ上の回路パターンの像を良好に転写するためには、
露光対象の各ショット領域毎に、投影光学系５による結
像面に対する焦点深度の幅内に、その被検面１ａの現在
の露光領域を収める必要がある。このためには、被検面
１ａの現在の露光領域上の各点の投影光学系５の光軸Ａ
Ｘ１方向の位置（フォーカス位置）を正確に検出した後
に、被検面１ａが投影光学系５の結像面に対して焦点深
度の幅内に収まるように、ウエハホルダ２（ウエハ１）
のレベリング、及びフォーカシング方向への移動を行え
ばよい。

【００２３】そのため、本例の投影露光装置には、被検
面１ａの現在の露光領域のフォーカス位置、及び傾斜角
を検出するための多点のＡＦセンサが備えられている。
図１のＡＦセンサにおいて、波長幅の広い白色光を供給
する光源６からの照明光は、コンデンサーレンズ７によ
って、略平行光束に変換されて、偏向プリズム２６に入
射する。この偏向プリズム２６は、コンデンサーレンズ
７からの略平行光束を屈折させることで偏向させる。そ
して、この偏向プリズム２６の射出側には、図１の紙面
に垂直な方向に延びた複数の縞パターンが形成された透
過型格子パターン板８が設けられている。即ち、透過型
格子パターン板８のウエハ側の格子パターン形成面８ａ
には、透過部と遮光部とを交互に所定ピッチで配列した
透過型格子パターンが形成されている。

【００２４】なお、透過型格子パターンの代わりに、凹
凸形状の反射型回折格子を使用してもよく、更には、反
射部と無反射部とが交互に形成された反射格子パターン
を使用してもよい。本例では、ウエハ１の表面（被検面
１ａ）は、一般的にフォトレジスト等の薄膜で覆われて
いるので、この薄膜による干渉の影響を低減するため
に、光源６は、波長幅の広い光を発生する白色光源であ
ることが望ましい。なお、光源６としては、フォトレジ
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
イオード等を使用してもよい。そして、偏向プリズム２
６を経て格子パターン形成面８ａに達した照明光は、こ
の格子パターン形成面８ａを透過した後、投影光学系５
の光軸ＡＸ１に対して角度θで交差する光軸ＡＸ２に沿
って配置された、集光レンズ９及び投射用対物レンズ１
０よりなる投射光学系９，１０に入射する。この投射光
学系９，１０は、格子パターン形成面８ａとウエハ１の
被検面１ａとを共役な配置にする。そして、被検面１ａ
が投影光学系５の結像面に合致している状態で、格子パ
ターン形成面８ａと被検面１ａとは、この投射光学系
９，１０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、格子パターン形成面８ａ
の格子パターンの像は、被検面１ａの全面にわたって正
確に結像する。

【００２５】また、本例の投射光学系９，１０の投射光
学系１０の物体側の焦点面に開口絞りとしてのテレセン
トリック絞り１００が配置されている。また、本例では
投射光学系１０の物体型の焦点面は集光レンズ９の像側
の焦点面ともなっている。従って、図２に光路を点線で
示すように、集光レンズ９と投射用対物レンズ１０とで
構成される投射光学系９，１０は、所謂両側テレセント
リック光学系であり、格子パターン形成面８ａと被検面
１ａ上の共役点とは、全面にわたってそれぞれ同倍率で
ある。この場合、格子パターン形成面８ａに図１の紙面
に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子パターンが
形成されているので、被検面１ａ上に形成される像は、
図１の紙面に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子
パターン像となる。

【００２６】なお、投射光学系９，１０は少なくとも被
検面１ａ側でテレセントリックであればよく、格子パタ
ーン形成面８ａ側では必ずしもテレセントリックである
必要はない。但し、投射光学系９，１０を格子パターン
形成面８ａ側でもテレセントリックとすることによっ
て、格子パターン形成面８ａ上で光軸からずれた位置に
ある格子パターンと、対応する被検面１ａ上の格子パタ
ーン像との間の倍率の変化が生じないため、調整上都合
が良い。即ち、後述のように本例では被検面１ａ上の複
数の検出点でそれぞれ格子パターン像の横ずれ量からフ
ォーカス位置の変化量が求められるが、投射光学系９，
１０を格子パターン形成面８ａ側でもテレセントリック
とすることによって、その横ずれ量とフォーカス位置と
の関係が全部の検出点で同じになる。

【００２７】図１に戻り、被検面１ａに投射された照明
光は、この被検面１ａで反射されて、受光用対物レンズ
１１と集光レンズ１２とで構成された集光光学系１１，
１２を介して、アオリ補正プリズム２５の入射面２５ａ
に格子パターン像を再形成する。この集光光学系１１，
１２の入射側の光軸ＡＸ３₁ は、投影光学系５の光軸Ａ
Ｘ１に関して、投射光学系９，１０の光軸ＡＸ２と線対
称になるように設けられている。また、被検面１ａと入
射面２５ａとの間の光路中には、走査手段としての振動
ミラー３０が設けられており、光軸ＡＸ３₁に沿って受
光用対物レンズ１１に入射した照明光は、振動ミラー３
０を介して、光軸ＡＸ３₂に沿って集光レンズ１２に達
する。本例では、振動ミラー３０が集光光学系１１，１
２の略瞳面（被検面１ａに対する光学系フーリエ変換
面）に配置されているが、この振動ミラー３０は、被検
面１ａと入射面２５ａ（更には後述の光電検出器１７の
受光面１７ａ）との間の光路中であればどこに配置して
もよい。

【００２８】そして、被検面１ａが投影光学系５の結像
面と合致しているときには、集光光学系１１，１２に関
して被検面１ａと共役な面上にアオリ補正プリズム２５
の入射面２５ａが位置するように配置されている。この
とき、被検面１ａからの反射光は、アオリ補正プリズム
２５の入射面２５ａ上に集光して格子パターン像を形成
する。この入射面２５ａ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。

【００２９】図３は受光スリットＳを示し、この図３に
示すように、受光スリットＳは例えば５箇所の開口部Ｓ
ａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓａ５（以下、「Ｓａ
１〜Ｓａ５」と略記する）を有するように構成されてお
り、集光光学系１１，１２を介した被検面１ａからの反
射光は、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５をそれ
ぞれ通過して、図１のアオリ補正プリズム２５に入射す
る。この受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の数が
被検面１ａ上におけるフォーカス位置の検出点に対応す
る。

【００３０】図４は、被検面１ａに格子パターン形成面
８ａの像８０ａが投射されている状態を示し、この図４
において、被検面１ａ上の検出点（検出領域）Ｄａ１，
Ｄａ２，Ｄａ３，Ｄａ４，Ｄａ５（以下、「Ｄａ１〜Ｄ
ａ５」と略記する）は、図３の受光スリットＳの５箇所
の開口部Ｓａ１〜Ｓａ５に対応する。そして、それら複
数の検出点Ｄａ１〜Ｄａ５でのフォーカス位置が検出さ
れる。このため、被検面１ａ上での検出点の数を増やし
たいときには、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５
の数を増やせばよいだけであるので、検出点の個数を増
やしても構成の複雑化を招くことがない。

【００３１】更に、図１において、ウエハ１上の被検面
１ａが投影光学系５の結像面に合致している状態で、被
検面１ａとアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａと
は、集光光学系１１，１２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、被検面
１ａと結像面とが合致している状態においては、入射面
２５ａの全面にわたって、被検面１ａ上の格子パターン
の像８０ａが正確に再結像する。

【００３２】また、本例では集光光学系１１，１２中に
はこの集光光学系をテレセントリックにするための絞り
は配置されてないが、集光光学系１１，１２の開口数は
投射光学系９，１０の開口数より大きくなるように構成
されている。一例として、投射光学系９，１０の開口数
を０．０４程度とすると、集光光学系１１，１２の開口
数は０．０５程度に設定される。そして、投射光学系
９，１０からの照明光の主光線の集光光学系１１，１２
内での光路は、図２の点線で示すようになる。

【００３３】即ち、図２の集光光学系１１，１２におい
て、被検面１ａからの照明光の主光線の交差位置の付近
に振動ミラー３０が配置されているが、その交差位置に
開口絞りが無い。しかしながら、集光光学系１１，１２
の開口数が投射光学系９，１０の開口数より大きく、且
つウエハ１の被検面１ａはほぼ鏡面とみなせるため、集
光光学系１１，１２は被検面１ａ側で実質的にテレセン
トリックとみなせるようになって、被検面１ａが光軸Ａ
Ｘ１の方向に変位しても、そのフォーカス位置を正確に
検出できる。

【００３４】また、本例の集光光学系１１，１２ではテ
レセントリック絞りは配置されていないが、受光用対物
レンズ１１の像側焦点と集光レンズ１２の物側焦点とが
合致するように構成されている。従って、集光光学系１
１，１２は実質的に両側テレセントリックとみなせるた
め、被検面１ａ上の各点とアオリ補正プリズム２５の入
射面２５ａ上の共役点とは、全面でほぼ同倍率である。
従って、被検面１ａが投影光学系５の結像面に合致して
いる状態では、受光スリットＳ上に投影される像も図１
の紙面に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子状の
パターンとなる。

【００３５】即ち、本例において、被検面１ａと投影光
学系５の結像面とが合致している状態では、格子パター
ン形成面８ａ、被検面１ａ、及びアオリ補正プリズム２
５の入射面２５ａは、各々シャインプルーフの条件を満
たす関係にあり、しかも各面とも全面にわたってそれぞ
れ倍率がほぼ等しい。次に、被検面１ａの光軸ＡＸ１方
向の変位がｚであるときのアオリ補正プリズム２５の入
射面２５ａにおける格子パターン像の横ずれ量ｙを求め
る。ここで、被検面１ａに対する入射光の主光線の入射
角をθ、集光光学系１１，１２の横倍率をβ、被検面１
ａからアオリ補正プリズム２５の入射面２５ａへのアオ
リの結像面に沿った倍率をβ’とすると、前述の（１）
式、（２）式より、横ずれ量ｙは、次のようになる。

【００３６】ｙ＝２・β’・tan θ・ｚ＝２（β² sin²θ＋β⁴ sin⁴θ／cos²θ)^1/2・ｚ（４）即ち、被検面１ａに投射する格子パターンの結像光束の
入射角θを大きくすれば、横ずれ量ｙも大きくなり、よ
り高精度な面位置の検出が可能となる。ところで、投射
光学系９，１０及び集光光学系１１，１２は、それぞれ
シャインプルーフの条件を満足している。従って、透過
型格子パターン板８の法線と反射光とがなす角度をγ、
アオリ補正プリズム２５における入射光とその法線とが
なす角度をα（この角度αは、アオリ補正プリズム２５
の入射面２５ａへの主光線の入射角に等しい）、投射光
学系９，１０の横倍率をβ₄ 、集光光学系１１，１２の
横倍率をβとすると、次の関係が成り立っている。

【００３７】 tan γ＝β₄ ・tan θ （５） tan α＝β・tan θ （６）ところで、入射面２５ａ上に直接後述の光電検出器の受
光面を配置した場合には、被検面１ａに対する入射角θ
が大きいと、その受光面に対する光束の入射角も大きく
なる。例えば、入射面２５ａにシリコン・フォト・ダイ
オードＳＰＤの受光面を配置した場合に、シリコン・フ
ォト・ダイオードＳＰＤへの光束の入射角が大きいと、
このシリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ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。

【００３８】本例においては、このような受光量の低下
を避けるために、図１に示す如く、入射面２５ａに偏向
光学系としてのアオリ補正プリズム２５を配置して、集
光光学系１１，１２から射出される光束を偏向させてい
る。このアオリ補正プリズム２５は、図５の断面図に示
すように、所定の頂角ξを有し、この頂角ξは、このア
オリ補正プリズム２５によって屈折された射出光線Ｌ２
がアオリ補正プリズム２５の射出面２５ｂの法線と略平
行となるように定められている。

【００３９】図１において、アオリ補正プリズム２５の
射出側には、平面鏡１５、リレーレンズ１４、リレーレ
ンズ１６で構成されるリレー光学系１４〜１６が配置さ
れている。アオリ補正プリズム２５に入射した光束は、
このアオリ補正プリズム２５による屈折作用を受けた後
に、平面鏡１５へ導かれる。この平面鏡１５で反射され
た光束は、リレー光学系１４〜１６により、光電検出器
１７の受光面１７ａ上に収束され、受光面１７ａに格子
パターン像が形成される。即ち、このリレー光学系１４
〜１６は、アオリ補正プリズム２５の入射面２５ａ上に
形成される格子パターン像の更なる共役像を受光面１７
ａ上に形成する。

【００４０】ここで、アオリ補正プリズム２５の作用に
つき図５を参照して説明する。図５において、図１の集
光光学系１１，１２の射出側の光軸ＡＸ３₂に平行な光
束をＬ１とすると、図１よりアオリ補正プリズム２５に
対する光束Ｌ１の入射角はαとなる。図５において、ア
オリ補正プリズム２５の屈折率をｎとして、屈折角をξ
とすると、次式が成立する。

【００４１】 ξ＝sin^-1(sin α／ｎ）（７）そして、本例では、アオリ補正プリズム２５の頂角は、
その屈折角と同じくξに設定されている。これにより、
アオリ補正プリズム２５の射出面２５ｂから射出される
光束Ｌ２は、その射出面２５ｂに垂直になり、リレー光
学系１４〜１６の入射側の光軸ＡＸ４₁もその射出面２
５ｂに垂直になる。

【００４２】このとき、アオリ補正プリズム２５へ入射
する光束Ｌ１に対して射出する光束Ｌ２のなす角度は、
アオリ補正プリズム２５の屈折率ｎを用いて、頂角ξが
小さいとすると、（sin^-1(ｎsin ξ）−ξ）となる。こ
の角度は、集光光学系１１，１２を介してアオリ補正プ
リズム２５に入射する光束Ｌ１と入射面２５ａとがなす
角度αに比べてかなり小さくなる。

【００４３】また、アオリ補正プリズム２５のガラスに
よる像の浮き上がりを考慮すると、その射出される光束
Ｌ２に垂直な平面に対する被検面１ａのリレーされた像
面の傾きであるアオリ角ρは、次式で示される。 ρ＝tan^-1(tan ξ／ｎ）（８）いま、リレー光学系１４〜１６の倍率を１とすると、こ
のアオリ角ρがそのまま、光電検出器１７の受光面１７
ａと、リレー光学系１４〜１６の射出側の光軸ＡＸ４₂
に垂直な面とのなす角度、即ち受光面１７ａに対する主
光線の入射角となる。

【００４４】例えば、アオリ補正プリズム２５の屈折率
ｎ＝１．８、入射角α＝８０．１゜とすると、アオリ角
ρ＝２０．０゜となり、アオリ角は０゜に近づいてい
る。ここで、受光面１７ａへの光束の入射角も２０．０
゜であるが、この程度であれば、受光量の低下は、殆ど
無いとみなすことができる。このように、本例において
は、偏向光学系としてアオリ補正プリズム２５を用い
て、受光面１７ａに入射する光束の入射角が小さくなる
ため、この受光面１７ａ上に配置された光電検出器での
受光量の低下を防止できる。

【００４５】なお、アオリ補正プリズム２５の入射面２
５ａと光電検出器１７の受光面１７ａとは、リレー光学
系１４〜１６に関してシャインプルーフの条件を満足す
ることが望ましい。更に、リレー光学系１４〜１６の開
口数も投射光学系９，１０の開口数より大きくなるよう
に設定されているため、被検面１ａから受光面１７ａに
至る間の集光光学系１１，１２、及びリレー光学系１４
〜１６よりなる光学系の開口数は投射光学系９，１０の
開口数より大きく設定されている。これによって、リレ
ー光学系１４〜１６中にもテレセントリック絞りのよう
な開口絞りを設けることなく、被検面１ａの位置が変化
しても正確に位置検出が行われる。従って、光学系の設
計の自由度が増して、光学系の調整も容易になってい
る。また、本例では格子パターン形成面８ａと受光面２
５ａとの間に設けられている開口絞りは１つのテレセン
トリック絞り１００のみであるため、光量損失が少ない
利点もある。

【００４６】ところで、本例のように光源６からの照明
光の波長帯が広い場合には、偏向光学系としてアオリ補
正プリズム２５のようなプリズムを用いることが望まし
い。それに対して、偏向光学系として例えば回折格子を
用いた場合には、プリズムを用いた場合に比べて偏向さ
れた光束の分散が大きくなり、リレー光学系１４〜１６
の開口数を大きくする必要があるため、好ましくない。

【００４７】また、被検面１ａに入射する光束の入射角
αが大きい場合には、アオリ補正プリズム２５を通過す
る光線の透過率がＰ偏光とＳ偏光とで大きく異なるよう
になる。例えば、入射角α＝８０゜、屈折率ｎ＝１．８
の場合には、Ｐ偏光の透過率が０．７９となり、Ｓ偏光
の透過率が０．３７となる。このように、アオリ補正プ
リズム２５における透過率が光線の偏光状態によって異
なるため、偏光成分毎の情報の重みが異なり、被検面１
ａの位置検出を正確にできない恐れがある。そこで、本
例では、図１に示す如く、集光光学系１１，１２とアオ
リ補正プリズム２５との間の光路中に１／２波長板２４
を配置する。そして、この１／２波長板２４によって偏
光方向を４５゜回転させた光束をアオリ補正プリズム２
５に入射させている。このため、アオリ補正プリズム２
５に入射する光束は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混合した状態
となり、被検面１ａの位置検出が正しく行われる。

【００４８】なお、１／２波長板２４の代わりに、１／
４波長板を用いてもよく、１／４波長板を用いた場合に
は、アオリ補正プリズム２５への入射光束は、円偏光と
なり、被検面１ａの位置検出は、１／２波長板を用いた
場合と同様に正確に行われる。更に、アオリ補正プリズ
ム２５の射出面２５ｂと、この射出面２５ｂから射出す
る光束Ｌ２（図５参照）とは、略垂直となることが好ま
しい。本例においては、アオリ補正プリズム２５の頂角
をこのアオリ補正プリズム２５に入射する光束Ｌ１に対
する光束Ｌ２の屈折角ξと等しくする構成によって、射
出面２５ｂと光束Ｌ２とを略垂直としている。これに対
して、射出面２５ｂと光束Ｌ２とが略垂直にならない
と、リレー光学系１４〜１６によって、入射面２５ａ上
の像をリレーする際に、非点収差等の収差が発生するた
め、好ましくない。

【００４９】さて、図１のアオリ補正プリズム２５の入
射面２５ａ上には、図３に示すように５箇所の開口部Ｓ
ａ１〜Ｓａ５を有する受光スリットＳが設けられている
ので、入射面２５ａに再結像された格子パターン像は、
部分的に遮光される。即ち、受光スリットＳの開口部Ｓ
ａ１〜Ｓａ５の領域に形成された格子パターン像からの
光束のみがアオリ補正プリズム２５を通過する。そし
て、入射面２５ａ上に形成された受光スリットＳの開口
部Ｓａ１〜Ｓａ５の像は、リレー光学系１４〜１６によ
り、光電検出器１７の受光面１７ａにリレーされる。

【００５０】図６は、その光電検出器１７の受光面１７
ａを示し、この図６の受光面１７ａにおいて、図３の受
光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５に対応する位置に
５つのシリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１，ＳＰＤ
２，ＳＰＤ３，ＳＰＤ４，ＳＰＤ５（以下、「ＳＰＤ１
〜ＳＰＤ５」と略記する）が設けられている。これらの
シリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１〜ＳＰＤ５上に
は開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の像がスリット像ＳＬ１，ＳＬ
２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５（以下、「ＳＬ１〜ＳＬ
５」と略記する）として結像する。このスリット像ＳＬ
１〜ＳＬ５は、シリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１
〜ＳＰＤ５よりも小さくなるように結像する。なお、本
例では、受光面に複数のシリコン・フォト・ダイオード
を設けた光電検出器１７が使用されているが、光電検出
器１７として２次元ＣＣＤ型の撮像素子や、光ファイバ
と複数のフォトマルチプライアとを組み合わせた検出器
等を用いてもよい。

【００５１】そして、被検面１ａが投影光学系５の光軸
ＡＸ１に沿って上下に移動すると、アオリ補正プリズム
２５の入射面２５ａ上に投影された格子パターン像は、
被検面１ａの上下量に対応した量だけ格子パターン像の
ピッチ方向に横ずれを起こす。本例ではこの横ずれ量を
振動ミラー３０と光電検出器１７とを用いて、例えば特
開昭５６−４２２０５号公報に開示された光電顕微鏡の
原理により検出することによって、被検面１ａ上の各検
出位置での光軸ＡＸ１方向の位置（フォーカス位置）を
検出する。

【００５２】以下、図１に戻って、光電顕微鏡の原理に
よるフォーカス位置の検出について詳述する。図１にお
いて、集光光学系１１，１２の光路中には、振動ミラー
３０が設けられている。そして、ミラー駆動部３１は、
内部の発振器からの信号に基づいて、所定の周期Ｔで振
動ミラー３０を図１中の矢印方向に振動させる。この振
動ミラー３０の振動に伴って、アオリ補正プリズム２５
の入射面２５ａ上に形成される格子パターン像も振動す
る。このとき、入射面２５ａ上に結像される格子パター
ン像の振動の振幅は、この格子パターン像のピッチの１
／２以下に規定し、また、スリットＳの開口部Ｓａ１〜
Ｓａ５の幅も格子パターン像のピッチの１／２以下に規
定する。この格子パターン像の振動に伴って、入射面２
５ａ上、即ち受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５の
領域を透過する検出光の光量が変化する。そして、この
透過光は、リレー光学系１４〜１６によって、光電検出
器１７上のシリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１〜Ｓ
ＰＤ５の受光面に達する。

【００５３】以下、説明を簡単にするために、図６の１
つのシリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１についての
み説明する。受光スリットＳの開口部Ｓａ１の領域を透
過した光は、シリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１上
でスリット像ＳＬ１を形成する。このスリット像ＳＬ１
の明るさは、振動ミラー３０の振動に伴って変化する。
次に、図７を参照してスリット像ＳＬ１の明るさの変化
について詳述する。

【００５４】図７は、受光スリットＳの開口部Ｓａ１近
傍の拡大図であり、この図７において、格子パターン像
ＳＴは、ピッチＰＳＴで受光スリットＳ上に形成されて
おり、格子パターン像ＳＴは、振動ミラー３０の振動に
伴って図７中の矢印方向に振動する。ここで、開口部Ｓ
ａ１の幅ＷＳａ１は、この開口部Ｓａ１上に形成される
格子パターン像ＳＴのピッチＰＳＴに対して、次の関係
を満たすことが望ましい。

【００５５】ＷＳａ１≦ＰＳＴ／２（９）また、振動ミラー３０によって振動する格子パターン像
ＳＴの振幅ＡＳＴは、次の関係を満たすことが望まし
い。ＡＳＴ≦ＰＳＴ／２（１０）ここで、開口部Ｓａ１の幅ＷＳａ１が上述の（９）式を
満足しないとき、あるいは、格子パターン像ＳＴの振幅
ＡＳＴが上述の（１０）式を満足しない場合には、振動
ミラー３０の振動に伴う開口部Ｓａ１での光量変化が小
さくなり、検出精度が低下するため、好ましくない。本
例においては、開口部の幅ＷＳａ１が格子パターン像Ｓ
ＴのピッチＰＳＴの１／２以下となるように規定してお
り、更に、格子パターン像ＳＴの振幅ＡＳＴがピッチＰ
ＳＴの１／２以下となるように規定しているため、振動
ミラー３０の振動に伴う光量変化が小さくなる恐れがな
い。

【００５６】また、開口部Ｓａ１の位置は、被検面１ａ
と投影光学系５の結像面とが一致しているときに、開口
部Ｓａ１の中心が格子パターン像ＳＴの振動中心に一致
するように設けられている。そして、開口部Ｓａ１の幅
ＷＳａ１が格子パターン像ＳＴのピッチＰＳＴの１／２
以下であり、且つ格子パターン像ＳＴの振幅ＡＳＴもこ
のピッチＰＳＴの１／２以下であるので、この格子パタ
ーン像ＳＴが振動すると、シリコン・フォト・ダイオー
ドＳＰＤ１上での受光量が変化する。そして、シリコン
・フォト・ダイオードＳＰＤ１は、この光強度の変化、
即ち光変調に応じた検出出力ＳＤ１を図１の検出部１８
に出力する。

【００５７】また、同様に、他のシリコン・フォト・ダ
イオードＳＰＤ２，ＳＰＤ３，ＳＰＤ４，ＳＰＤ５にお
いても、それぞれスリット像ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，
ＳＬ５の光変調に応じた検出出力ＳＤ２，ＳＤ３，ＳＤ
４，ＳＤ５を検出部１８へ出力する。また、ミラー駆動
部３１からも振動ミラー３０の振動周期Ｔと同じ位相の
交流信号が検出部１８へ出力される。ここで、検出部１
８においては、周期Ｔの交流信号の位相を基準として、
検出出力ＳＤ１，ＳＤ２，ＳＤ３，ＳＤ４，ＳＤ５（以
下、「ＳＤ１〜ＳＤ５」と略記する）の同期整流、即ち
同期検波が行われ、検波出力信号ＦＳ１，ＦＳ２，ＦＳ
３，ＦＳ４，ＦＳ５（以下、「ＦＳ１〜ＦＳ５」と略記
する）が補正量算出部１９へ出力される。この検波出力
信号ＦＳ１〜ＦＳ５は、所謂Ｓカーブ信号と呼ばれ、被
検面１ａ上の検出点Ｄａ１〜Ｄａ５が投影光学系５の結
像面に位置しているとき、即ち検出出力ＳＤ１〜ＳＤ５
が振動ミラー３０の振動周期Ｔの１／２の周期で変化し
たときに、それぞれ零レベルとなる。また、被検面１ａ
の検出点Ｄａ１〜Ｄａ５が投影光学系５の結像面より上
方に変位しているときには正のレベル、検出点Ｄａ１〜
Ｄａ５が投影光学系５の結像面より下方に変位している
ときには負のレベルを示す。このように、検波出力信号
ＦＳ１〜ＦＳ５は、被検面１ａの変位（フォーカス位
置）に対応した出力値を示す。

【００５８】その後、検波出力信号ＦＳ１〜ＦＳ５が出
力された補正量算出部１９は、これらの検波出力信号Ｆ
Ｓ１〜ＦＳ５の正負レベルから、被検面１ａ上の各検出
点Ｄａ１〜Ｄａ５のフォーカス位置をそれぞれ算出し、
被検面１ａの平均的な傾きと、被検面１ａの平均的なフ
ォーカス位置とを求める。そして、被検面１ａが投影光
学系５の結像面に対して焦点深度の範囲内に位置するよ
うな傾きの補正量、及びフォーカス位置の補正量をそれ
ぞれ算出する。その後、補正量算出部１９は、これらの
補正量を駆動部４へ伝達する。そして、駆動部４は、傾
きの補正量に基づいて、ウエハステージ３上の３個の支
点を駆動して、ウエハホルダ２のレベリングを行うと共
に、フォーカス位置の補正量に基づいて、それら３個の
支点を駆動してウエハホルダ２（ウエハ１）のフォーカ
シングを行う。このように本例では、多点ＡＦセンサに
よって被検面１ａ上の複数の検出点のフォーカス位置を
同時に検出し、この検出出力に基づいて、被検面１ａを
結像面に合わせ込むことができる。

【００５９】なお、図６では各シリコン・フォト・ダイ
オードＳＰＤ１〜ＳＰＤ５上にそれぞれ１つのスリット
像が形成されているが、図８に示すように、１つのシリ
コン・フォト・ダイオードＳＰＤ６上に、複数のスリッ
ト像（例えば、３つのスリット像ＳＬ６ａ，ＳＬ６ｂ，
ＳＬ６ｃ）を形成してもよい。このとき、スリット像Ｓ
Ｌ６ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃのピッチＰ６は、格子パタ
ーン像のピッチＰＳＴに対して次式を満足することが望
ましい。

【００６０】Ｐ６＝ｍ・ＰＳＴ（１１）但し、ｍは、整数である。また、各スリット像ＳＬ６
ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃの幅Ｗ６は、次式を満足するこ
とが望ましい。Ｗ６≦ＰＳＴ／２（１２）ここで、スリット像ＳＬ６ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃの間
隔Ｐ６が上述の（１１）式から外れると、各スリット像
ＳＬ６ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃ毎に、振動ミラー３０の
振動に伴う光量変化が異なるようになるため、検出値が
不正確になるため、好ましくない。また、スリット像Ｓ
Ｌ６ａ，ＳＬ６ｂ，ＳＬ６ｃの幅Ｗ６が上述の（１２）
式の範囲から外れると、振動ミラー３０の振動に伴う光
量変化が小さくなるので、好ましくない。

【００６１】上述のような構成によると、シリコン・フ
ォト・ダイオードＳＰＤ６上での受光量が増加する利点
がある他に、対応する被検面１ａ上の検出領域が広くな
り平均化効果が得られるといった利点がある。なお、本
例においては、受光面１７ａ上に設けられたシリコン・
フォト・ダイオードＳＰＤ１〜ＳＰＤ５上に受光スリッ
トＳを介した光を入射させているが、必ずしも受光スリ
ットＳを介する必要はない。受光スリットＳを介さない
場合には、シリコン・フォト・ダイオードＳＰＤ１〜Ｓ
ＰＤ５の領域が被検面１ａ上での受光領域となる。即
ち、被検面１ａでの検出点に対応した箇所にシリコン・
フォト・ダイオードＳＰＤ１〜ＳＰＤ５を配置すればよ
い。

【００６２】また、本例においては、受光スリットＳ
は、第２面（アオリ補正プリズム２５の入射面２５ａ）
に配置されているが、これは、光電検出器１７の受光面
１７ａ上であってもよい。このとき、受光スリットＳの
開口部Ｓａの大きさは、受光面１７ａの大きさよりも小
さくなるように設けられることが望ましい。そして、本
例においては、複数のシリコン・フォト・ダイオードを
受光面１７ａ上にフォトエッチング法で設けてもよい。
この場合には、受光スリットＳの開口部Ｓａ１〜Ｓａ５
の数が大幅に増加しても、対応できる利点がある。

【００６３】また、被検面１ａとしてのウエハの表面
は、プロセスの都合によっては必ずしも平面になるとは
限らない。このような場合には、被検面１ａ上の検出領
域（検出点）の数を増加させればよい。ここで、被検面
１ａ上の検出点を増加させるには、この検出点に対応す
る受光スリットＳの開口部を増加させればよい。このよ
うに、本例のＡＦセンサは、簡易な構成のままで、被検
面１ａ上の検出点を増やすことが可能であるので、被検
面１ａ上の広い範囲にわたるフォーカス位置を検出する
ことができる。しかも、検出点の箇所が増加しても、同
時に検出できるので、スループットの低下を招くことが
ない。

【００６４】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。

【００６５】

【発明の効果】本発明の面位置検出装置によれば、投射
光学系のみテレセントリック光学系にして、集光光学系
の開口数を投射光学系の開口数より大きくしているた
め、簡単な構成で調整が容易であると共に、被検面の位
置が変化しても高精度にその被検面の面位置を検出でき
る利点がある。

【００６６】また、開口絞りの個数が少ないために、光
学系の設計の自由度が増すと共に、光量損失が少ない利
点もある。また、集光光学系から射出される光束の光軸
に対する傾斜角を小さくするためのアオリ角補正光学系
を第２面に設けた場合には、検出器の受光面に入射する
光束の入射角が小さくなるため、光束の受光効率が高く
なり、得られる検出信号のＳＮ比が改善される利点があ
る。

【００６７】また、そのアオリ角補正光学系がプリズム
体である場合には、分散が小さいため、検出用の光束と
して薄膜干渉等の影響の少ない広帯域の光束を使用でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による面位置検出装置の実施の形態の一
例を備えた投影露光装置を示す概略構成図である。

【図２】図１に示した投射光学系９，１０が被検面１ａ
側にテレセントリックであることを示す光路図である。

【図３】図１の受光スリットＳの開口部を示す平面図で
ある。

【図４】図１の被検面１ａ上に投射された格子パターン
像と検出領域との関係を示す斜視図である。

【図５】図１のアオリ補正用プリズム２５を示す拡大図
である。

【図６】図１の光電検出器１７の受光面１７ａ上のシリ
コン・フォト・ダイオードとスリット像との関係を示す
平面図である。

【図７】図３の受光スリットＳ上の開口部を示す拡大図
である。

【図８】１つのシリコン・フォト・ダイオード上に複数
のスリット像が形成される例を示す拡大図である。

【図９】シャインプルーフの条件の説明に供する図であ
る。

【図１０】（ａ）は投射光学系がテレセントリックな場
合の被検面の上下による光路の変化を示す図、（ｂ）は
投射光学系がテレセントリックでない場合の被検面の上
下による光路の変化を示す図である。

【符号の説明】

Ｒレチクル１ウエハ１ａ被検面５投影光学系８透過型格子パターン板８ａ格子パターン形成面（第１面）９集光レンズ１０投射用対物レンズ１１受光用対物レンズ１２集光レンズ１４，１６リレーレンズ１７光電検出器１７ａ受光面２５アオリ補正用プリズム２５ａ入射面（第２面）３０振動ミラー３１振動ミラー駆動部Ｓ受光スリット１００テレセントリック絞り

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上に形成された所定のパターン
と、被検面に対して斜めの方向から前記所定のパターン
の像を投射する投射光学系と、前記被検面で反射された
光束を集光して前記所定のパターンの像を第２面上に形
成する集光光学系と、前記所定のパターンの像を光電的
に検出する検出器と、を有し、該検出器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、前記検出器の受光面と、前記所定のパターンの像とを相
対的に走査させる走査手段を設け、前記第１面と前記被検面とは、前記投射光学系の主平面
に関してシャインプルーフの条件を満たすと共に、前記被検面と前記第２面とは、前記集光光学系の主平面
に関してシャインプルーフの条件を満たし、前記投射光学系は、前記被検面側において実質的にテレ
セントリックな光学系であり、前記集光光学系は、前記
投射光学系よりも大きい開口数を持つことを特徴とする
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、前記集光光学系から射出される光束の光軸に対する傾斜
角を小さくするためのアオリ角補正光学系を前記第２面
に設けたことを特徴とする面位置検出装置。
【請求項３】請求項２記載の面位置検出装置であっ
て、前記アオリ角補正光学系はプリズム体であることを特徴
とする面位置検出装置。