位置検出装置、位置検出方法、露光装置、露光方法およびデバイス製造方法
【課題】反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、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。
【解決手段】投射系は、第１反射面７ｂ，７ｃを有する投射側プリズム部材７を備えている。受光系は、投射側プリズム部材に対応するように配置された第２反射面８ｂ，８ｃを有する受光側プリズム部材８を備えている。第１反射面および第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えている。
【解決手段】投射系は、第１反射面７ｂ，７ｃを有する投射側プリズム部材７を備えている。受光系は、投射側プリズム部材に対応するように配置された第２反射面８ｂ，８ｃを有する受光側プリズム部材８を備えている。第１反射面および第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面位置検出装置、露光装置、および露光方法に関する。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。
【背景技術】
【０００２】
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号公報およびそれに対応する米国特許第６，８９７，４６２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プリズム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７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９６１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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を通過し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。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、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被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および露光方法ならびにデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
前記投射系は、第１反射面を備え、
前記受光系は、第２反射面を備え、
前記投射系の前記第１反射面および前記受光系の前記第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。
【０００８】
本発明の第２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、
前記投射系と前記受光系との少なくとも一方は、反射面を備え、
前記反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。
【０００９】
本発明の第３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、
前記投射系は、第１反射面と、該第１反射面の射出側に配置された投射側偏光解消素子とを備え、
前記受光系は、前記第１反射面に対応するように配置された第２反射面と、該第２反射面の入射側に配置された受光側偏光解消素子とを備えていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。
【００１０】
本発明の第４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被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形態乃至第３形態のいずれか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被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。
【００１１】
本発明の第５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方法において、
第１形態乃至第３形態のいずれかの面位置検出装置を用いて、前記所定のパターン面または前記感光性基板の被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検出工程と、
前記検出工程で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被露光面を前記投影光学系に対して位置合わせする位置合わせ工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。
【００１２】
本発明の第６形態では、投影光学系を介して所定パターンを感光性基板上に投影露光する露光工程と、
第１形態乃至第３形態のいずれかの面位置検出装置を用いて、前記所定のパターン面または前記感光性基板の被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検出工程と、
前記検出工程で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被露光面を前記投影光学系に対して位置合わせする位置合わせ工程と、
前記露光工程を経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製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の第７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の製造方法において、
投射系中に配置される第１反射面を準備する工程と、
受光系中に配置される第２反射面を準備する工程と、
前記投射系の前記第１反射面および前記受光系の前記第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えていることを特徴とする面位置検出装置の製造方法を提供する。
【００１４】
本発明の第８形態では、第１反射面を介して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第２反射面を介して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の調整方法において、
入射光束の偏光成分に応じて異なる特性の射出光束を生成する偏光部材を準備する工程と、
該偏光部材を用いて、前記投射系の前記第１反射面および前記受光系の前記第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えていることを特徴とする面位置検出装置の調整方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の典型的な形態にしたがう面位置検出装置では、投射系および受光系のうちの少なくとも一方の反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材として、投射系の瞳空間または受光系の瞳空間に配置されて入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける補償素子、あるいは投射系の物体空間または像空間もしくは受光系の物体空間または像空間に配置されて入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる補償素子を備えている。この補償素子の作用により、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面の面位置を高精度に検出することができる。
【００１６】
また、本発明の別の典型的な形態にしたがう面位置検出装置では、投射系中の反射面および受光系中の反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれによる影響を低減させるための偏光解消素子（デポラライザー）を備えている。この偏光解消素子の作用により、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面の面位置を高精度に検出することができる。
【００１７】
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、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面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被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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】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】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４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本実施形態の面位置検出装置に付設された位置ずれ補償部材の構成および作用を説明する図である。
【図８】本実施形態の第１変形例の要部構成および作用を説明する図である。
【図９】本実施形態の第２変形例の要部構成および作用を説明する図である。
【図１０】本実施形態の第３変形例の要部構成および作用を説明する図である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（被露光面）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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の被露光面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、被露光面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、被露光面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。
【００２５】
そこで、本実施形態の投影露光装置は、被露光面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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
ひし形プリズム７は、ひし形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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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ひし形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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
そこで、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
さて、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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号公報およびこれに対応する米国特許第６，８９７，４６２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。
【００４９】
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、米国特許第５，６３３，７２１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号公報およびこれに対応する米国特許第６，８９７，４６２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。ここでは、米国特許第５，６３３，７２１号公報および米国特許第６，８９７，４６２号公報を参照として援用する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
具体的には、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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）を通過し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。
【００５７】
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。
【００５８】
そこで、本実施形態では、投射側プリズム部材（ひし形プリズム）７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）および受光側プリズム部材（ひし形プリズム）８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材を付設している。
【００５９】
図７は、本実施形態の面位置検出装置に付設された位置ずれ補償部材の構成および作用を説明する図である。ただし、図７では、説明の明瞭化のために、被検面Ｗａからアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａまでの光路を直線状の光軸ＡＸに沿って展開して示すとともに、振動ミラー１２の図示を省略している。この点は、図７に関連する図８においても同様である。図７を参照すると、本実施形態の面位置検出装置では、受光用対物レンズ１０と受光用集光レンズ１１との間の光路中において集光光学系（１０，１１）の瞳位置またはその近傍に、位置ずれ補償部材としてのノマルスキープリズム１９を配置している。
【００６０】
ノマルスキープリズム１９は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能を有する光学素子（第１補償素子）である。具体的には、図７に示すように、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射の影響により、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、代表的なＰ偏光の光７１ａおよびＳ偏光の光７２ａが互いに異なる角度で光軸ＡＸに対して傾いた状態でノマルスキープリズム１９中の光軸ＡＸ上のほぼ１点に入射する。ノマルスキープリズム１９は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能に基づいて、光軸ＡＸに対して傾いて入射したＰ偏光の光７１ａをほぼ光軸ＡＸに沿って進行するＰ偏光の射出光７１ｂに変換し、且つ光軸ＡＸに対して傾いて入射したＳ偏光の光７２ａをほぼ光軸ＡＸに沿って進行するＳ偏光の射出光７２ｂに変換する。
【００６１】
こうして、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射に起因して発生したＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれがノマルスキープリズム１９の作用により補償され、ノマルスキープリズム１９からのＰ偏光の射出光７１ｂとＳ偏光の射出光７２ｂとがほぼ同じ経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上のほぼ１点に達する。その結果、本実施形態の面位置検出装置では、位置ずれ補償部材としてのノマルスキープリズム１９の作用により、プリズム部材（ひし形プリズム）７，８の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、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。ちなみに、ノマルスキープリズム１９を付設しない場合、ノマルスキープリズム１９からのＰ偏光の射出光（図中破線で示す）７１ｃとＳ偏光の射出光（図中破線で示す）７２ｃとが互いに異なる経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上の互いに異なる位置に達することになり、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上において鮮明なパターン二次像は得られない。
【００６２】
なお、上述の説明では、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能を有する位置ずれ補償部材としてノマルスキープリズムを用いているが、これに限定されることなく、ノマルスキープリズムに代えて、たとえばウォラストンプリズムを用いても良い。また、位置ずれ補正部材として、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムを用いる場合には、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムの近傍に直視プリズムを配置して、色ずれを補正しても良い。
【００６３】
また、より簡易的には、前記プリズムの代わりに、方解石、水晶、イットリウム・オルトバナデート結晶、ルチル結晶などの複屈折性の結晶材料により形成されて、入射する常光線と異常光線とに角度ずれを発生させる楔プリズム板を用いても良い。この場合、例えば結晶光軸と楔は角度ずれを発生させる方向に設定する。また、このような、楔プリズム板と通常の光学ガラスによる楔プリズム板を貼り合わせたものを用いても良い。その効果に関しては、前述のノマルスキープリズムを用いたものと同様である。
【００６４】
また、上述の説明では、受光用対物レンズ１０と受光用集光レンズ１１との間の光路中において集光光学系（１０，１１）の瞳位置またはその近傍にノマルスキープリズム１９を配置しているが、これに限定されることなく、一般に投射系の瞳空間または受光系の瞳空間にノマルスキープリズムを配置することができる。なお、投射系の瞳空間に配置する場合、投射用集光レンズ４と投射用対物レンズ５との間の光路中において投射光学系（４，５）の瞳位置またはその近傍に配置すれば良い。また、位置ずれ補償部材としてウォラストンプリズムを用いる場合にも、投射系の瞳空間または受光系の瞳空間にウォラストンプリズムを配置すれば良い。ただし、既成装置の性能向上のために、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムのような位置ずれ補償部材を後付けする場合には、受光系の瞳空間に配置する方が投射系の瞳空間に配置するよりも光学調整が容易である。
【００６５】
また、上述の説明では、位置ずれ補償部材として、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能を有する光学素子（ノマルスキープリズム、ウォラストンプリズムなど）を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図８に示すように、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる光学素子（第２補償素子）を位置ずれ補償部材として用いる変形例も可能である。また、図９に示すように、投射側プリズム部材（ひし形プリズム）７と受光側プリズム部材（ひし形プリズム）８との間の光路中に配置されて入射光線の偏光方向を変化させるための位相部材を位置ずれ補償部材として用いる変形例も可能である。
【００６６】
図８を参照すると、第１変形例にかかる位置ずれ補償部材としてのビームディスプレーサー２０が、受光用集光レンズ１１とアオリ補正プリズム１３との間の光路中に配置されている。ビームディスプレーサー２０は、たとえば方解石、水晶、イットリウム・オルトバナデート（ＹＶＯ4）結晶、ルチル（ＴｉＯ2）結晶などの複屈折性の結晶材料により形成され、入射する常光線と異常光線とを互いに平行となるように射出する機能を有する。換言すれば、ビームディスプレーサー２０は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる機能を有する。
【００６７】
具体的には、図８に示すように、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射の影響により、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、代表的なＰ偏光の光７３ａおよびＳ偏光の光７４ａが光軸ＡＸにほぼ平行な互いに異なる経路に沿ってビームディスプレーサー２０に入射する。ビームディスプレーサー２０は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる機能に基づいて、入射したＰ偏光の光７３ａをそのまま透過させて光軸ＡＸにほぼ平行な経路に沿って進行するＰ偏光の射出光７３ｂに変換し、且つ入射したＳ偏光の光７４ａを平行移動させてＰ偏光の射出光７３ｂの進行経路とほぼ同じ経路に沿って進行するＳ偏光の射出光７４ｂに変換する。
【００６８】
こうして、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射に起因して発生したＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれがビームディスプレーサー２０の作用により補償され、ビームディスプレーサー２０からのＰ偏光の射出光７３ｂとＳ偏光の射出光７４ｂとがほぼ同じ経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上のほぼ１点に達する。その結果、図８の第１変形例においても、位置ずれ補償部材としてのビームディスプレーサー２０の作用により、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。ちなみに、ビームディスプレーサー２０を付設しない場合、ビームディスプレーサー２０からのＰ偏光の射出光７３ｃとＳ偏光の射出光（図中破線で示す）７４ｃとが互いに異なる経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上の互いに異なる位置に達することになり、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上において鮮明なパターン二次像は得られない。
【００６９】
なお、上述の第１変形例では、受光用集光レンズ１１とアオリ補正プリズム１３との間の光路中に、すなわち受光系の像空間に、ビームディスプレーサー２０を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、一般に偏向プリズム３とアオリ補正プリズム１３との間の光路中において、投射系の物体空間または像空間、あるいは受光系の物体空間または像空間に、ビームディスプレーサーを配置することができる。ただし、既製装置の性能向上のために、ビームディスプレイサーのような位置ずれ補償部材を後付けする場合には、受光系の像空間に配置する方が光学調整を容易に行うことができる。
【００７０】
図９を参照すると、第２変形例にかかる位置ずれ補償部材としての１／２波長板３１が、一対のプリズム部材（ひし形プリズム）７と８との間の光路中において受光側のひし形プリズム８に近接した位置に配置されている。１／２波長板３１は、入射光線の偏光方向を変化させるための位相部材であって、入射するＰ偏光の光をＳ偏光の光に変換して射出し且つ入射するＳ偏光の光をＰ偏光の光に変換して射出する機能を有する。
【００７１】
この場合、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）を通過したＰ偏光の光は、１／２波長板３１の作用によりＳ偏光の光に変換され、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を通過する。同様に、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）を通過したＳ偏光の光は、１／２波長板３１の作用によりＰ偏光の光に変換され、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を通過する。すなわち、第２変形例では、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）での全反射によりＰ偏光の光が受ける影響を、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）での全反射によりＳ偏光の光が受ける影響により相殺し、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）での全反射によりＳ偏光の光が受ける影響を、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）での全反射によりＰ偏光の光が受ける影響により相殺することになる。その結果、図９の第２変形例においても、位置ずれ補償部材としての１／２波長板３１の作用により、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。
【００７２】
なお、上述の第２変形例では、投射側プリズム部材７と受光側プリズム部材８との間の光路中に配置されて入射光線の偏光方向を変化させるための位相部材として、１／２波長板３１を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、１／２波長板３１に代えて、ファラデーローテーター（ファラデー旋光器）のような位相部材を用いることができる。
【００７３】
また、上述の第２変形例では、一対のプリズム部材（ひし形プリズム）７と８との間の光路中において受光側のひし形プリズム８に近接した位置に、位相部材としての１／２波長板３１を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、一対のプリズム部材（ひし形プリズム）７と８との間の光路中において投射側の適当な位置または受光側の適当な位置に、１／２波長板のような位相部材を配置することもできる。
【００７４】
また、上述の実施形態および変形例では、投射側プリズム部材７の内面反射面および受光側プリズム部材８の内面反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材（１９，２０，３１）を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図１０に示すように、入射光線の偏光方向をランダム化するための偏光解消素子を用いる第３変形例も可能である。
【００７５】
図１０の第３変形例では、投射側プリズム部材（ひし形プリズム）７の射出側に近接して投射側偏光解消素子３２が配置され、受光側プリズム部材（ひし形プリズム）８の入射側に近接して受光側偏光解消素子３３が配置されている。ここで、偏光解消素子３２および３３は、たとえば水晶、フッ化マグネシウムのように複屈折性を有する結晶材料により形成された偏角プリズム（くさび状のプリズム）であって、入射するＰ偏光の光およびＳ偏光の光を実質的に非偏光化する機能を有する。
【００７６】
この場合、一対の偏光解消素子３２および３３の作用により、ウェハＷへの入射前およびウェハＷからの射出後において光の偏光方向がランダム化されるので、ウェハＷに塗布されたレジスト層によるＰ偏光やＳ偏光の反射率変動の影響を良好に抑えることができる。その結果、第３変形例においても、プリズム部材（ひし形プリズム）７，８の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。
【００７７】
また、本実施形態では、投射側のひし形プリズム７および受光側のひし形プリズム８の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）の外側面に、たとえばアルミニウムなどからなる金属コートのような反射膜を形成する構成も可能である。この構成により、ひし形プリズム７，８における全反射現象を回避し、ひいてはひし形プリズム７，８を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれの発生を実質的に抑制することができる。
【００７８】
また、本実施形態では、投射側ひし形プリズム７に隣接して投射側第２ひし形プリズムを配置し、受光側ひし形プリズム８に隣接して受光側第２ひし形プリズムを配置する構成も可能である。この構成により、投射側ひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）の全反射による影響を投射側第２ひし形プリズムの内面反射面の全反射による影響で相殺し、受光側ひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）の全反射による影響を受光側第２ひし形プリズムの内面反射面の全反射による影響で相殺し、ひいてはひし形プリズム７，８を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれの発生を実質的に抑制することができる。
【００７９】
また、本実施形態では、投射系の光路中または受光系の光路中に、入射光束のうち特定の偏光成分だけを選択的に通過させるための偏光子を配置する構成も可能である。この場合、ウェハＷに塗布されたレジスト層による反射率はＰ偏光よりもＳ偏光の方が高いため、被検面Ｗａに関してＳ偏光の光だけを選択的に通過させる特性を有する偏光子を用いることが好ましい。この構成では、特定の偏光成分の光だけが受光されるので、プリズム部材の内面反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を受けることなく、被検面の面位置を高精度に検出することができる。ただし、偏光子を配置する構成は、光量損失の観点から実用的ではない。
【００８０】
また、上述の実施形態では、内面反射面を有するひし型プリズム（７，８）における全反射の影響により生ずるＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれについて説明したが、表面反射面での反射によってもＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれが生じる場合がある。上述の実施形態においては、このような表面反射面での反射により生じるＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれを補償する変形例もとることができる。
【００８１】
また、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。
【００８２】
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。
【００８３】
さて、上述の実施形態にかかる面位置検出装置および露光装置は、本願請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００８４】
たとえば上述の実施形態にかかる面位置検出装置の製造方法は、投射系中に配置される第１反射面（７ｂ，７ｃ）を準備する工程と、受光系中に配置される第２反射面（８ｂ，８ｃ）を準備する工程と、前記投射系の第１反射面および前記受光系の第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えている。
【００８５】
また、上述の実施形態にかかる面位置検出装置の調整方法は、入射光束の偏光成分に応じて異なる特性の射出光束を生成する偏光部材（１９，２０，３１，３３）を準備する工程と、該偏光部材を用いて、前記投射系の第１反射面および前記受光系の第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えている。
【００８６】
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１１のフローチャートを参照して説明する。
【００８７】
先ず、図１１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。
【００８８】
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。
【００８９】
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１２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１２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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
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
１９ ノマルスキープリズム（第１補償素子）
２０ ビームディスプレーサー（第２補償素子）
２１ ウェハホルダ
２２ ホルダ保持機構
２３ ホルダ駆動部
３１ １／２波長板（位相部材）
３２，３３ 偏光解消素子
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面位置検出装置、露光装置、および露光方法に関する。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。
【背景技術】
【０００２】
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号公報およびそれに対応する米国特許第６，８９７，４６２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プリズム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７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９６１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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を通過し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。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、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被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および露光方法ならびにデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
前記投射系は、第１反射面を備え、
前記受光系は、第２反射面を備え、
前記投射系の前記第１反射面および前記受光系の前記第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。
【０００８】
本発明の第２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、
前記投射系と前記受光系との少なくとも一方は、反射面を備え、
前記反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。
【０００９】
本発明の第３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、
前記投射系は、第１反射面と、該第１反射面の射出側に配置された投射側偏光解消素子とを備え、
前記受光系は、前記第１反射面に対応するように配置された第２反射面と、該第２反射面の入射側に配置された受光側偏光解消素子とを備えていることを特徴とする面位置検出装置を提供する。
【００１０】
本発明の第４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被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形態乃至第３形態のいずれか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被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。
【００１１】
本発明の第５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方法において、
第１形態乃至第３形態のいずれかの面位置検出装置を用いて、前記所定のパターン面または前記感光性基板の被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検出工程と、
前記検出工程で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被露光面を前記投影光学系に対して位置合わせする位置合わせ工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。
【００１２】
本発明の第６形態では、投影光学系を介して所定パターンを感光性基板上に投影露光する露光工程と、
第１形態乃至第３形態のいずれかの面位置検出装置を用いて、前記所定のパターン面または前記感光性基板の被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検出工程と、
前記検出工程で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被露光面を前記投影光学系に対して位置合わせする位置合わせ工程と、
前記露光工程を経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製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の第７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の製造方法において、
投射系中に配置される第１反射面を準備する工程と、
受光系中に配置される第２反射面を準備する工程と、
前記投射系の前記第１反射面および前記受光系の前記第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えていることを特徴とする面位置検出装置の製造方法を提供する。
【００１４】
本発明の第８形態では、第１反射面を介して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第２反射面を介して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の調整方法において、
入射光束の偏光成分に応じて異なる特性の射出光束を生成する偏光部材を準備する工程と、
該偏光部材を用いて、前記投射系の前記第１反射面および前記受光系の前記第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えていることを特徴とする面位置検出装置の調整方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の典型的な形態にしたがう面位置検出装置では、投射系および受光系のうちの少なくとも一方の反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材として、投射系の瞳空間または受光系の瞳空間に配置されて入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける補償素子、あるいは投射系の物体空間または像空間もしくは受光系の物体空間または像空間に配置されて入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる補償素子を備えている。この補償素子の作用により、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面の面位置を高精度に検出することができる。
【００１６】
また、本発明の別の典型的な形態にしたがう面位置検出装置では、投射系中の反射面および受光系中の反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれによる影響を低減させるための偏光解消素子（デポラライザー）を備えている。この偏光解消素子の作用により、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面の面位置を高精度に検出することができる。
【００１７】
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、反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面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被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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】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】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４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本実施形態の面位置検出装置に付設された位置ずれ補償部材の構成および作用を説明する図である。
【図８】本実施形態の第１変形例の要部構成および作用を説明する図である。
【図９】本実施形態の第２変形例の要部構成および作用を説明する図である。
【図１０】本実施形態の第３変形例の要部構成および作用を説明する図である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（被露光面）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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の被露光面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、被露光面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、被露光面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。
【００２５】
そこで、本実施形態の投影露光装置は、被露光面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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
ひし形プリズム７は、ひし形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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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ひし形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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
そこで、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
さて、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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号公報およびこれに対応する米国特許第６，８９７，４６２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。
【００４９】
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、米国特許第５，６３３，７２１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号公報およびこれに対応する米国特許第６，８９７，４６２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。ここでは、米国特許第５，６３３，７２１号公報および米国特許第６，８９７，４６２号公報を参照として援用する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
具体的には、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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）を通過し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。
【００５７】
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。
【００５８】
そこで、本実施形態では、投射側プリズム部材（ひし形プリズム）７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）および受光側プリズム部材（ひし形プリズム）８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材を付設している。
【００５９】
図７は、本実施形態の面位置検出装置に付設された位置ずれ補償部材の構成および作用を説明する図である。ただし、図７では、説明の明瞭化のために、被検面Ｗａからアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａまでの光路を直線状の光軸ＡＸに沿って展開して示すとともに、振動ミラー１２の図示を省略している。この点は、図７に関連する図８においても同様である。図７を参照すると、本実施形態の面位置検出装置では、受光用対物レンズ１０と受光用集光レンズ１１との間の光路中において集光光学系（１０，１１）の瞳位置またはその近傍に、位置ずれ補償部材としてのノマルスキープリズム１９を配置している。
【００６０】
ノマルスキープリズム１９は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能を有する光学素子（第１補償素子）である。具体的には、図７に示すように、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射の影響により、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、代表的なＰ偏光の光７１ａおよびＳ偏光の光７２ａが互いに異なる角度で光軸ＡＸに対して傾いた状態でノマルスキープリズム１９中の光軸ＡＸ上のほぼ１点に入射する。ノマルスキープリズム１９は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能に基づいて、光軸ＡＸに対して傾いて入射したＰ偏光の光７１ａをほぼ光軸ＡＸに沿って進行するＰ偏光の射出光７１ｂに変換し、且つ光軸ＡＸに対して傾いて入射したＳ偏光の光７２ａをほぼ光軸ＡＸに沿って進行するＳ偏光の射出光７２ｂに変換する。
【００６１】
こうして、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射に起因して発生したＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれがノマルスキープリズム１９の作用により補償され、ノマルスキープリズム１９からのＰ偏光の射出光７１ｂとＳ偏光の射出光７２ｂとがほぼ同じ経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上のほぼ１点に達する。その結果、本実施形態の面位置検出装置では、位置ずれ補償部材としてのノマルスキープリズム１９の作用により、プリズム部材（ひし形プリズム）７，８の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、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。ちなみに、ノマルスキープリズム１９を付設しない場合、ノマルスキープリズム１９からのＰ偏光の射出光（図中破線で示す）７１ｃとＳ偏光の射出光（図中破線で示す）７２ｃとが互いに異なる経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上の互いに異なる位置に達することになり、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上において鮮明なパターン二次像は得られない。
【００６２】
なお、上述の説明では、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能を有する位置ずれ補償部材としてノマルスキープリズムを用いているが、これに限定されることなく、ノマルスキープリズムに代えて、たとえばウォラストンプリズムを用いても良い。また、位置ずれ補正部材として、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムを用いる場合には、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムの近傍に直視プリズムを配置して、色ずれを補正しても良い。
【００６３】
また、より簡易的には、前記プリズムの代わりに、方解石、水晶、イットリウム・オルトバナデート結晶、ルチル結晶などの複屈折性の結晶材料により形成されて、入射する常光線と異常光線とに角度ずれを発生させる楔プリズム板を用いても良い。この場合、例えば結晶光軸と楔は角度ずれを発生させる方向に設定する。また、このような、楔プリズム板と通常の光学ガラスによる楔プリズム板を貼り合わせたものを用いても良い。その効果に関しては、前述のノマルスキープリズムを用いたものと同様である。
【００６４】
また、上述の説明では、受光用対物レンズ１０と受光用集光レンズ１１との間の光路中において集光光学系（１０，１１）の瞳位置またはその近傍にノマルスキープリズム１９を配置しているが、これに限定されることなく、一般に投射系の瞳空間または受光系の瞳空間にノマルスキープリズムを配置することができる。なお、投射系の瞳空間に配置する場合、投射用集光レンズ４と投射用対物レンズ５との間の光路中において投射光学系（４，５）の瞳位置またはその近傍に配置すれば良い。また、位置ずれ補償部材としてウォラストンプリズムを用いる場合にも、投射系の瞳空間または受光系の瞳空間にウォラストンプリズムを配置すれば良い。ただし、既成装置の性能向上のために、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムのような位置ずれ補償部材を後付けする場合には、受光系の瞳空間に配置する方が投射系の瞳空間に配置するよりも光学調整が容易である。
【００６５】
また、上述の説明では、位置ずれ補償部材として、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる角度だけ傾ける機能を有する光学素子（ノマルスキープリズム、ウォラストンプリズムなど）を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図８に示すように、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる光学素子（第２補償素子）を位置ずれ補償部材として用いる変形例も可能である。また、図９に示すように、投射側プリズム部材（ひし形プリズム）７と受光側プリズム部材（ひし形プリズム）８との間の光路中に配置されて入射光線の偏光方向を変化させるための位相部材を位置ずれ補償部材として用いる変形例も可能である。
【００６６】
図８を参照すると、第１変形例にかかる位置ずれ補償部材としてのビームディスプレーサー２０が、受光用集光レンズ１１とアオリ補正プリズム１３との間の光路中に配置されている。ビームディスプレーサー２０は、たとえば方解石、水晶、イットリウム・オルトバナデート（ＹＶＯ4）結晶、ルチル（ＴｉＯ2）結晶などの複屈折性の結晶材料により形成され、入射する常光線と異常光線とを互いに平行となるように射出する機能を有する。換言すれば、ビームディスプレーサー２０は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる機能を有する。
【００６７】
具体的には、図８に示すように、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射の影響により、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、代表的なＰ偏光の光７３ａおよびＳ偏光の光７４ａが光軸ＡＸにほぼ平行な互いに異なる経路に沿ってビームディスプレーサー２０に入射する。ビームディスプレーサー２０は、入射光線の偏光方向により射出光線の進行方向を異なる距離だけ平行移動させる機能に基づいて、入射したＰ偏光の光７３ａをそのまま透過させて光軸ＡＸにほぼ平行な経路に沿って進行するＰ偏光の射出光７３ｂに変換し、且つ入射したＳ偏光の光７４ａを平行移動させてＰ偏光の射出光７３ｂの進行経路とほぼ同じ経路に沿って進行するＳ偏光の射出光７４ｂに変換する。
【００６８】
こうして、ひし形プリズム（７，８）の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）での全反射に起因して発生したＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれがビームディスプレーサー２０の作用により補償され、ビームディスプレーサー２０からのＰ偏光の射出光７３ｂとＳ偏光の射出光７４ｂとがほぼ同じ経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上のほぼ１点に達する。その結果、図８の第１変形例においても、位置ずれ補償部材としてのビームディスプレーサー２０の作用により、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。ちなみに、ビームディスプレーサー２０を付設しない場合、ビームディスプレーサー２０からのＰ偏光の射出光７３ｃとＳ偏光の射出光（図中破線で示す）７４ｃとが互いに異なる経路に沿って進行してアオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上の互いに異なる位置に達することになり、アオリ補正プリズム１３の入射面１３ａ上において鮮明なパターン二次像は得られない。
【００６９】
なお、上述の第１変形例では、受光用集光レンズ１１とアオリ補正プリズム１３との間の光路中に、すなわち受光系の像空間に、ビームディスプレーサー２０を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、一般に偏向プリズム３とアオリ補正プリズム１３との間の光路中において、投射系の物体空間または像空間、あるいは受光系の物体空間または像空間に、ビームディスプレーサーを配置することができる。ただし、既製装置の性能向上のために、ビームディスプレイサーのような位置ずれ補償部材を後付けする場合には、受光系の像空間に配置する方が光学調整を容易に行うことができる。
【００７０】
図９を参照すると、第２変形例にかかる位置ずれ補償部材としての１／２波長板３１が、一対のプリズム部材（ひし形プリズム）７と８との間の光路中において受光側のひし形プリズム８に近接した位置に配置されている。１／２波長板３１は、入射光線の偏光方向を変化させるための位相部材であって、入射するＰ偏光の光をＳ偏光の光に変換して射出し且つ入射するＳ偏光の光をＰ偏光の光に変換して射出する機能を有する。
【００７１】
この場合、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）を通過したＰ偏光の光は、１／２波長板３１の作用によりＳ偏光の光に変換され、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を通過する。同様に、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）を通過したＳ偏光の光は、１／２波長板３１の作用によりＰ偏光の光に変換され、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）を通過する。すなわち、第２変形例では、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）での全反射によりＰ偏光の光が受ける影響を、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）での全反射によりＳ偏光の光が受ける影響により相殺し、投射側のひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）での全反射によりＳ偏光の光が受ける影響を、受光側のひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）での全反射によりＰ偏光の光が受ける影響により相殺することになる。その結果、図９の第２変形例においても、位置ずれ補償部材としての１／２波長板３１の作用により、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。
【００７２】
なお、上述の第２変形例では、投射側プリズム部材７と受光側プリズム部材８との間の光路中に配置されて入射光線の偏光方向を変化させるための位相部材として、１／２波長板３１を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、１／２波長板３１に代えて、ファラデーローテーター（ファラデー旋光器）のような位相部材を用いることができる。
【００７３】
また、上述の第２変形例では、一対のプリズム部材（ひし形プリズム）７と８との間の光路中において受光側のひし形プリズム８に近接した位置に、位相部材としての１／２波長板３１を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、一対のプリズム部材（ひし形プリズム）７と８との間の光路中において投射側の適当な位置または受光側の適当な位置に、１／２波長板のような位相部材を配置することもできる。
【００７４】
また、上述の実施形態および変形例では、投射側プリズム部材７の内面反射面および受光側プリズム部材８の内面反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材（１９，２０，３１）を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図１０に示すように、入射光線の偏光方向をランダム化するための偏光解消素子を用いる第３変形例も可能である。
【００７５】
図１０の第３変形例では、投射側プリズム部材（ひし形プリズム）７の射出側に近接して投射側偏光解消素子３２が配置され、受光側プリズム部材（ひし形プリズム）８の入射側に近接して受光側偏光解消素子３３が配置されている。ここで、偏光解消素子３２および３３は、たとえば水晶、フッ化マグネシウムのように複屈折性を有する結晶材料により形成された偏角プリズム（くさび状のプリズム）であって、入射するＰ偏光の光およびＳ偏光の光を実質的に非偏光化する機能を有する。
【００７６】
この場合、一対の偏光解消素子３２および３３の作用により、ウェハＷへの入射前およびウェハＷからの射出後において光の偏光方向がランダム化されるので、ウェハＷに塗布されたレジスト層によるＰ偏光やＳ偏光の反射率変動の影響を良好に抑えることができる。その結果、第３変形例においても、プリズム部材（ひし形プリズム）７，８の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を実質的に受けることなく、被検面Ｗａの面位置を高精度に検出することができる。
【００７７】
また、本実施形態では、投射側のひし形プリズム７および受光側のひし形プリズム８の内面反射面（７ｂ，７ｃ；８ｂ，８ｃ）の外側面に、たとえばアルミニウムなどからなる金属コートのような反射膜を形成する構成も可能である。この構成により、ひし形プリズム７，８における全反射現象を回避し、ひいてはひし形プリズム７，８を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれの発生を実質的に抑制することができる。
【００７８】
また、本実施形態では、投射側ひし形プリズム７に隣接して投射側第２ひし形プリズムを配置し、受光側ひし形プリズム８に隣接して受光側第２ひし形プリズムを配置する構成も可能である。この構成により、投射側ひし形プリズム７の内面反射面（７ｂ，７ｃ）の全反射による影響を投射側第２ひし形プリズムの内面反射面の全反射による影響で相殺し、受光側ひし形プリズム８の内面反射面（８ｂ，８ｃ）の全反射による影響を受光側第２ひし形プリズムの内面反射面の全反射による影響で相殺し、ひいてはひし形プリズム７，８を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれの発生を実質的に抑制することができる。
【００７９】
また、本実施形態では、投射系の光路中または受光系の光路中に、入射光束のうち特定の偏光成分だけを選択的に通過させるための偏光子を配置する構成も可能である。この場合、ウェハＷに塗布されたレジスト層による反射率はＰ偏光よりもＳ偏光の方が高いため、被検面Ｗａに関してＳ偏光の光だけを選択的に通過させる特性を有する偏光子を用いることが好ましい。この構成では、特定の偏光成分の光だけが受光されるので、プリズム部材の内面反射面を通過した光束に発生する偏光成分による相対的な位置ずれなどの影響を受けることなく、被検面の面位置を高精度に検出することができる。ただし、偏光子を配置する構成は、光量損失の観点から実用的ではない。
【００８０】
また、上述の実施形態では、内面反射面を有するひし型プリズム（７，８）における全反射の影響により生ずるＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれについて説明したが、表面反射面での反射によってもＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれが生じる場合がある。上述の実施形態においては、このような表面反射面での反射により生じるＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の相対的な位置ずれを補償する変形例もとることができる。
【００８１】
また、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。
【００８２】
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。
【００８３】
さて、上述の実施形態にかかる面位置検出装置および露光装置は、本願請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００８４】
たとえば上述の実施形態にかかる面位置検出装置の製造方法は、投射系中に配置される第１反射面（７ｂ，７ｃ）を準備する工程と、受光系中に配置される第２反射面（８ｂ，８ｃ）を準備する工程と、前記投射系の第１反射面および前記受光系の第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えている。
【００８５】
また、上述の実施形態にかかる面位置検出装置の調整方法は、入射光束の偏光成分に応じて異なる特性の射出光束を生成する偏光部材（１９，２０，３１，３３）を準備する工程と、該偏光部材を用いて、前記投射系の第１反射面および前記受光系の第２反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償する工程とを備えている。
【００８６】
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１１のフローチャートを参照して説明する。
【００８７】
先ず、図１１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。
【００８８】
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。
【００８９】
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１２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１２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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
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
１９ ノマルスキープリズム（第１補償素子）
２０ ビームディスプレーサー（第２補償素子）
２１ ウェハホルダ
２２ ホルダ保持機構
２３ ホルダ駆動部
３１ １／２波長板（位相部材）
３２，３３ 偏光解消素子
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記投射系と前記受光系との少なくとも一方は、反射面を備え、
前記反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えていることを特徴とする面位置検出装置。
【請求項１】
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、
前記投射系と前記受光系との少なくとも一方は、反射面を備え、
前記反射面を通過した光束の偏光成分による相対的な位置ずれを補償するための位置ずれ補償部材をさらに備えていることを特徴とする面位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−７００７５（Ｐ２０１３−７００７５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５２５２２（Ｐ２０１２−２５２５２２）
【出願日】平成２４年１１月１６日（２０１２．１１．１６）
【分割の表示】特願２０１１−２０５３４３（Ｐ２０１１−２０５３４３）の分割
【原出願日】平成１８年６月２８日（２００６．６．２８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月１６日（２０１２．１１．１６）
【分割の表示】特願２０１１−２０５３４３（Ｐ２０１１−２０５３４３）の分割
【原出願日】平成１８年６月２８日（２００６．６．２８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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