変位検出装置、露光装置、およびデバイス製造方法
【課題】 例えばガラス基板の表面に付着した異物の影響を抑えて、その裏面の面位置の変位を高精度に検出することのできる変位検出装置。
【解決手段】 被検面（２０ａ）の面位置の変位を検出する変位検出装置は、第１乃至第３の光（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成するための、第１乃至第３の光に共通の光学系（３，４，５）と、被検面で反射された第１乃至第３の光に基づいて第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、該３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて被検面の面位置の変位を検出する検出系（ＤＳ：５，４，３，６，７，８，９）とを備えている。
【解決手段】 被検面（２０ａ）の面位置の変位を検出する変位検出装置は、第１乃至第３の光（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成するための、第１乃至第３の光に共通の光学系（３，４，５）と、被検面で反射された第１乃至第３の光に基づいて第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、該３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて被検面の面位置の変位を検出する検出系（ＤＳ：５，４，３，６，７，８，９）とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出装置、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、被検面の面位置の変位を光学的に検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平４−３６６７１１号公報には、対物レンズを介して被検面に光源からの光を投光し、対物レンズを介した被検面からの反射光に基づいて被検面の面位置（被検面の法線方向に沿った位置）の変位を検出する変位検出装置が記載されている。具体的に、この公報に開示された変位検出装置では、対物レンズを介して被検面にレーザ光を集光し、被検面で反射されて上記対物レンズを経た光を４分割センサで受光する。そして、非点収差法を用いて、４分割センサの出力信号に基づき、被検面の面位置の変位を検出する。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３６６７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された変位検出装置を用いて、ガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する場合、例えばその表面に付着した異物（ゴミなど）の影響により、比較的大きな検出誤差が発生することがある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えばガラス基板の表面に付着した異物の影響を抑えて、その裏面の面位置の変位を高精度に検出することのできる変位検出装置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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置において、
第１乃至第３の光を前記被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて前記被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成するための、前記第１乃至第３の光に共通の光学系と、
前記被検面で反射された前記第１乃至第３の光に基づいて前記第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、該３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて前記被検面の面位置の変位を検出する検出系とを備えていることを特徴とする変位検出装置を提供する。
【０００７】
本発明の第２形態では、第１形態の変位検出装置を備え、所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。
【０００８】
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、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の変位検出装置では、共通の光学系により、第１乃至第３の光を被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて、被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成する。そして、被検面で反射された第１乃至第３の光に基づいて第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、これらの３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて被検面の面位置の変位を検出する。
【００１０】
したがって、例えばガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する場合、その表面において第１乃至第３の光が通過する領域のうちのいずれか１つの領域に異物が付着していたとしても、異物の影響を受けていない２つの光により得られた２つの変位情報に基づいて、ガラス基板の裏面の面位置の変位を検出することができる。換言すれば、本発明の変位検出装置では、例えばガラス基板の表面に付着した異物の影響を抑えて、その裏面の面位置の変位を高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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変位検出装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、非点収差法を用いてガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する変位検出装置に対して本発明を適用している。図１において、ガラス基板２０の裏面２０ａの法線方向にＺ軸を、裏面２０ａにおいて図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、裏面２０ａにおいて図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。
【００１２】
図１を参照すると、本実施形態の変位検出装置は、例えばレーザーダイオードのような光源ＬＳと、光源ＬＳからの光をガラス基板２０の裏面（装置側の面とは反対側の面）２０ａに対して集光させる照射光学系ＩＬと、被検面である裏面２０ａで反射された光に基づいて裏面２０ａの面位置の変位を検出する検出系ＤＳとを備えている。照射光学系ＩＬは、光源ＬＳからの光の入射順に、コリメートレンズ１と、グレーティング２と、偏光ビームスプリッター３と、１／４波長板４と、対物レンズ５とを備えている。
【００１３】
検出系ＤＳは、ガラス基板２０の裏面２０ａからの反射光の入射順に、対物レンズ５と、１／４波長板４と、偏光ビームスプリッター３と、集光レンズ６と、シリンドリカルレンズ７と、光検出部８とを備えている。また、検出系ＤＳは、光検出部８に接続された信号処理部９を備えている。本実施形態の変位検出装置では、光源ＬＳが、例えば偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａに対してｓ偏光状態の光を供給する。光源ＬＳから射出された光は、コリメートレンズ１を介して、グレーティング２に入射する。
【００１４】
グレーティング２の回折作用により生成された０次回折光Ｌ１、＋１次回折光Ｌ２、および−１次回折光Ｌ３は、偏光ビームスプリッター３に入射する。図１並びに関連する図５および図６において、グレーティング２により生成された０次回折光Ｌ１を実線で、＋１次回折光Ｌ２を二点鎖線で、−１次回折光Ｌ３を破線で示している。偏光ビームスプリッター３に入射した３つのｓ偏光状態の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、偏光分離面３ａで反射され、偏光ビームスプリッター３から射出された後、１／４波長板４に入射する。
【００１５】
１／４波長板４を介して円偏光状態に変換された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、対物レンズ５を介して、ガラス基板２０の表面２０ｂに入射する。表面２０ｂに入射した３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ガラス基板２０の内部を伝播した後、裏面２０ａに入射する。裏面２０ａで反射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ガラス基板２０の内部を伝播し、表面２０ｂから射出された後、対物レンズ５に入射する。
【００１６】
本実施形態では、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、被検面である裏面２０ａまたはその近傍に集光点をそれぞれ形成する。以下、説明を簡単にするために、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が裏面２０ａ上の互いに異なる位置に集光点をそれぞれ形成するものとする。対物レンズ５を介した３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、１／４波長板４を介してｐ偏光状態に変換された後、偏光ビームスプリッター３に入射する。偏光ビームスプリッター３に入射した３つのｐ偏光状態の反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、偏光分離面３ａを透過し、偏光ビームスプリッター３から射出された後、集光レンズ６に入射する。
【００１７】
集光レンズ６を介した３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ＸＺ平面において正の屈折力を有し且つＹＺ平面において無屈折力のシリンドリカルレンズ７を介して、光検出部８に達する。シリンドリカルレンズ７は、偏光ビームスプリッター３を経た３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に非点収差を発生させる機能を有する。なお、集光レンズ６の前側（偏光ビームスプリッター３側）にシリンドリカルレンズ７を配置することもできる。光検出部８は、図２に示すように、Ｙ方向に沿って間隔を隔てて配置された３つの４分割センサ８１，８２，８３を有する。また、たとえば光源ＬＳ自体が必要十分な非点収差を有している場合には、シリンドリカルレンズ７を省略してもよい。このような光源ＬＳとしてはレーザーダイオードを用いることができる。
【００１８】
中央の４分割センサ８１は、グレーティング２により生成された０次回折光Ｌ１を受光するように位置決めされ、例えば＋Ｘ方向および＋Ｙ方向と４５度をなす方向に延びる線状の領域と＋Ｘ方向および−Ｙ方向と４５度をなす方向に延びる線状の領域とにより等分割された４つの受光部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄを有する。換言すれば、４つの受光部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄは、４分割センサ８１の中心点に関して点対称に配置されている。
【００１９】
図２中左側の４分割センサ８２は、＋１次回折光Ｌ２を受光するように位置決めされ、４分割センサ８１と同様に点対称に配置された４つの受光部８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを有する。図２中右側の４分割センサ８３は、−１次回折光Ｌ３を受光するように位置決めされ、４分割センサ８１と同様に点対称に配置された４つの受光部８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄを有する。光検出部８の出力、すなわち４分割センサ８１，８２，８３の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、信号処理部９に供給される。
【００２０】
先ず、本実施形態の変位検出装置における動作の理解を容易にするために、非点収差法を用いる通常の構成例（以下、「比較例」という）における動作を説明する。比較例では、図１の構成からグレーティング２の設置が省略されている。その結果、被検面である裏面２０ａまたはその近傍に集光点を形成する光の数は１つであり、これに対応して、光検出部８に設けられる４分割センサの数も１つである。以下、図１を参照して比較例の動作を理解することができるように、上述の０次回折光Ｌ１に対応する単一の光がガラス基板２０の裏面２０ａで反射され、中央の４分割センサ８１に対応する単一の４分割センサ８４（図３を参照）に達するものとする。
【００２１】
比較例では、光学的な理想状態において、ガラス基板２０の裏面２０ａが所定位置（例えば対物レンズ５の焦点位置）にあるとき、裏面２０ａからの反射光は、図３の中央に示すように４分割センサ８４において４つの受光部８４ａ〜８４ｄの中心点を中心とする円形状の光分布８４ｅを形成する。そして、ガラス基板２０の裏面２０ａが上記所定位置からＺ方向に移動すると、収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ７の作用により、４分割センサ８４に形成される光分布は、裏面２０ａの移動方向（＋Ｚ方向または−Ｚ方向）およびＺ方向に沿った移動量に応じて、図３の左側および右側において参照符号８４ｅａおよび８４ｅｂで模式的に示すように、４つの受光部８４ａ〜８４ｄの中心点付近を中心とする楕円形状に変化する。
【００２２】
４分割センサ８４の出力信号Ｓは、次の式（１）により表される。式（１）において、Ｓａは受光部８４ａの受光光量に対応する値であり、Ｓｂは受光部８４ａに隣接する受光部８４ｂの受光光量に対応する値である。また、Ｓｃは受光部８４ａと対向する受光部８４ｃの受光光量に対応する値であり、Ｓｄは受光部８４ｂと対向する受光部８４ｄの受光光量に対応する値である。なお、本実施形態における４分割センサ８１，８２，８３の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３についても同様である。
Ｓ＝（Ｓａ＋Ｓｃ）−（Ｓｂ＋Ｓｄ） （１）
【００２３】
式（１）により表される４分割センサ８４の出力信号Ｓと、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄとの間には、図４に示すような関係が成立する。図４において、横軸は変位Ｄを、縦軸は４分割センサ８４の出力信号Ｓを表している。出力信号Ｓと変位Ｄとの関係を表すＳ字状の線（Ｓカーブ）は、その原点（Ｓ＝Ｄ＝０の点）を中心とする所定の範囲において高い線形性（リニアリティ）を有する。
【００２４】
４分割センサ８４の出力信号Ｓが供給される信号処理部９では、出力信号Ｓの変化量の符号に基づいてガラス基板２０の裏面２０ａの移動方向（すなわち変位Ｄの符号）を求め、出力信号Ｓの変化量の絶対値に基づいてガラス基板２０の裏面２０ａのＺ方向に沿った移動量（すなわち変位Ｄの絶対値）を求める。具体的には、信号処理部９は、例えば４分割センサ８４の出力信号Ｓがゼロである初期状態からの裏面２０ａの面位置の変位Ｄの符号および絶対値を、４分割センサ８４の出力信号Ｓの符号および絶対値に基づいて算出する。
【００２５】
比較例では、ガラス基板２０の裏面２０ａへの入射光束が表面２０ｂを通過する領域または裏面２０ａからの射出光束が表面２０ｂを通過する領域に、図１において参照符号２１で示すような異物（ゴミ、水滴など）が付着していると、この異物２１により４分割センサ８４へ達する光が影響を受け、ひいては検出誤差が発生する。
【００２６】
本実施形態では、図５に明瞭に示すように、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、対物レンズ５を介して、ガラス基板２０の表面２０ｂ上の互いに異なる領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を通過した後、裏面２０ａ上の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に集光点を形成する。裏面２０ａで反射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、表面２０ｂ上の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を再び通過し、対物レンズ５を介した後、最終的に互いに異なる４分割センサ８１，８２，８３に達する。
【００２７】
こうして、４分割センサ８１では、裏面２０ａ上の第１位置Ｐ１で反射された第１の光Ｌ１に基づいて、第１位置Ｐ１における面位置の変位情報が得られる。４分割センサ８２では、裏面２０ａ上の第２位置Ｐ２で反射された第２の光Ｌ２に基づいて、第２位置Ｐ２における面位置の変位情報が得られる。４分割センサ８３では、裏面２０ａ上の第３位置Ｐ３で反射された第３の光Ｌ３に基づいて、第３位置Ｐ３における面位置の変位情報が得られる。
【００２８】
したがって、例えば図１に示すように、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて第３の光Ｌ３の通過領域Ｒ３に異物２１が付着している場合（厳密には異物２１の少なくとも一部が通過領域Ｒ３にかかっている場合）、４分割センサ８３で得られる変位情報は異物２１の影響を受けて、４分割センサ８１で得られる変位情報および４分割センサ８２で得られる変位情報とは実質的に異なるものになる。
【００２９】
具体的には、例えば図２に示すように、第１の光Ｌ１が４分割センサ８１に形成する光分布８１ｅと第２の光Ｌ２が４分割センサ８２に形成する光分布８２ｅとは互いに類似したものになるが、第３の光Ｌ３が４分割センサ８３に形成する光分布８３ｅは光分布８１ｅおよび８２ｅとは実質的に異なるものになる。換言すれば、４分割センサ８１の出力信号Ｓ１と４分割センサ８２の出力信号Ｓ２とは互いに類似した値になるが、４分割センサ８３の出力信号Ｓ３は出力信号Ｓ１およびＳ２とは実質的に異なる値になる。この場合、信号処理部９では、出力信号Ｓ１とＳ２とＳ３との比較により、出力信号Ｓ３が異物２１の影響を受けていることを検知し、出力信号Ｓ１とＳ２とに基づいて、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを算出する。
【００３０】
さらに具体的には、例えば中央の基準となる４分割センサ８１のＳカーブの原点に対する４分割センサ８２のＳカーブの原点のオフセットＸ２、および４分割センサ８３のＳカーブの原点のオフセットＸ３を予め求める。また、４分割センサ８１のＳカーブの原点を中心とする所定範囲におけるＳカーブの傾き（リニアリティ）を、面位置の変化に対する信号Ｓ１の変化率Ｋ１として例えば計測により予め求める。同様に、４分割センサ８２，８３のＳカーブの原点を中心とする所定範囲におけるＳカーブの傾きを、面位置の変化に対する信号Ｓ２，Ｓ３の変化率Ｋ２，Ｋ３として例えば計測により予め求める。
【００３１】
こうして、裏面２０ａ上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における面位置の変位計測値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が、４分割センサ８１，８２，８３で得られた信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に基づいて、次の式（２）〜（４）により求められる。
Ｄ１＝Ｓ１×Ｋ１ （２）
Ｄ２＝（Ｓ２＋Ｘ２）×Ｋ２ （３）
Ｄ３＝（Ｓ３＋Ｘ３）×Ｋ３ （４）
【００３２】
４分割センサ８１，８２，８３の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、次の式（１ａ），（１ｂ），（１ｃ）によりそれぞれ表される。式（１ａ）において、Ｓ１ａは受光部８１ａ、Ｓ１ｂは受光部８１ｂ、Ｓ１ｃは受光部８１ｃ、Ｓ１ｄは受光部８１ｄの受光光量に対応する値である。式（１ｂ）において、Ｓ２ａは受光部８２ａ、Ｓ２ｂは受光部８２ｂ、Ｓ２ｃは受光部８２ｃ、Ｓ２ｄは受光部８２ｄの受光光量に対応する値である。式（１ｃ）において、Ｓ３ａは受光部８３ａ、Ｓ３ｂは受光部８３ｂ、Ｓ３ｃは受光部８３ｃ、Ｓ３ｄは受光部８３ｄの受光光量に対応する値である。
【００３３】
Ｓ１＝（Ｓ１ａ＋Ｓ１ｃ）−（Ｓ１ｂ＋Ｓ１ｄ） （１ａ）
Ｓ２＝（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｃ）−（Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｄ） （１ｂ）
Ｓ３＝（Ｓ３ａ＋Ｓ３ｃ）−（Ｓ３ｂ＋Ｓ３ｄ） （１ｃ）
【００３４】
信号処理部９では、｜Ｄ１−Ｄ２｜と｜Ｄ１−Ｄ３｜と｜Ｄ２−Ｄ３｜とを比較し、その値が最小になる変位計測値の組合せを選ぶ。そして、例えば、選んだ２つの変位計測値Ｄｉ，Ｄｊの平均値（Ｄｉ＋Ｄｊ）／２を、被検面である裏面２０ａの面位置の変位Ｄとして求める。第３の光Ｌ３の通過領域Ｒ３に異物２１が付着している場合、｜Ｄ１−Ｄ２｜の値が最小になるので、４分割センサ８１で得られた信号Ｓ１に基づいて計算された面位置の変位計測値Ｄ１と、４分割センサ８２で得られた信号Ｓ２に基づいて計算された面位置の変位計測値Ｄ２との平均値（Ｄ１＋Ｄ２）／２を変位Ｄとして求める。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、共通の光学系（３，４，５）により、ガラス基板２０の裏面２０ａ上の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３へそれぞれ導いて、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に集光点をそれぞれ形成する。そして、裏面２０ａ上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で反射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に基づいて、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における変位情報として変位計測値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３をそれぞれ検出し、これら３つの変位情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて裏面２０ａの面位置の変位Ｄを検出する。
【００３６】
したがって、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が通過する領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちのいずれか１つの領域に異物２１が付着していたとしても、異物２１の影響を受けていない２つの光により得られた２つの変位情報に基づいて、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを検出することができる。換言すれば、本実施形態の変位検出装置では、ガラス基板２０の表面２０ｂに付着した異物２１の影響を抑えて、その裏面２０ａの面位置の変位Ｄを高精度に検出することができる。
【００３７】
本実施形態では、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて隣り合う２つの光束の中心間距離を、表面２０ｂにおける各光束の通過領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の直径と、表面２０ｂに付着することが想定される異物２１の直径との和よりも大きく設定することにより、２つの光が同時に異物２１の影響を受けることがなくなり確実に検出精度を向上させることができる。すなわち、１つの異物が１つの４分割センサにしか影響を及ぼさないようにするには、次の条件式（５）を満たすことが必要である。
ｐ＞２×ＮＡ×ｔ／ｎ＋ｄ （５）
【００３８】
条件式（５）において、ｐは、図５に示すように、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて隣り合う２つの光束の中心間距離である。ＮＡは対物レンズ５の開口数であり、ｔはガラス基板２０の厚さ（Ｚ方向の寸法）であり、ｎはガラス基板２０を形成する光学材料の屈折率である。ｄは、異物２１の直径である。換言すれば、条件式（５）は、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて隣り合う２つの光束の中心間距離ｐが、表面２０ｂにおける光束の通過領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に外接する円の直径（＝２×ＮＡ×ｔ／ｎ）と、表面２０ｂに付着することが想定される異物２１に外接する円の直径の最大値ｄとの和よりも大きく設定すべきことを意味している。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、偏光ビームスプリッター３を経た３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に非点収差を発生させる収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ７と、ガラス基板２０の裏面２０ａからの３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ光電変換する光電変換部としての３つの４分割センサ８１〜８３とを用いて、非点収差法により被検面である裏面２０ａの面位置の変位を検出している。しかしながら、非点収差法に限定されることなく、例えばナイフエッジ法や臨界角法などの手法を用いて被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置に対して本発明を適用することができる。
【００４０】
以下、図６および図７を参照して、ナイフエッジ法によりガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する変位検出装置の構成例を説明する。図６の変形例は図１の実施形態と類似の構成を有するが、シリンドリカルレンズ７に代えて遮光部材１０が用いられ、３つの４分割センサ８１〜８３に代えて３つの２分割センサ９１〜９３が用いられている点が図１の実施形態と相違している。以下、図１の実施形態との相違点に着目して、図６の変形例の構成および作用を説明する。
【００４１】
図６の変形例では、集光レンズ６を介した３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、遮光部材１０に入射する。遮光部材１０は、装置の光軸ＡＸと直交してＹ方向に延びるエッジ１０ａを有し、３つの反射光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち光軸ＡＸから＋Ｘ方向にある部分を遮る機能を有する。光検出部８’は、図７に示すように、Ｙ方向に沿って間隔を隔てて配置された３つの２分割センサ９１，９２，９３を有する。中央の２分割センサ９１は、グレーティング２により生成された０次回折光Ｌ１を受光するように位置決めされ、Ｙ方向に延びる線状の領域により等分割された２つの受光部９１ａおよび９１ｂを有する。
【００４２】
換言すれば、２つの受光部９１ａと９１ｂとは、２分割センサ９１の中心点を通ってＹ方向に延びる線分に関して対称に配置されている。図７中左側の２分割センサ９２は、＋１次回折光Ｌ２を受光するように位置決めされ、２分割センサ９１と同様に対称に配置された２つの受光部９２ａおよび９２ｂを有する。図７中右側の２分割センサ９３は、−１次回折光Ｌ３を受光するように位置決めされ、２分割センサ９１と同様に対称に配置された２つの受光部９３ａおよび９３ｂを有する。
【００４３】
２分割センサ９１の出力信号Ｓ１は、次の式（６）により表される。式（６）において、Ｓ１ａは受光部９１ａの受光光量に対応する値であり、Ｓ１ｂは受光部９１ｂの受光光量に対応する値である。２分割センサ９２の出力信号Ｓ２および２分割センサ９３の出力信号Ｓ３についても同様である。
Ｓ１＝Ｓ１ａ−Ｓ１ｂ （６）
【００４４】
図６の変形例において、第３の光Ｌ３の通過領域Ｒ３に異物２１が付着している場合、図７に示すように、第１の光Ｌ１が２分割センサ９１に形成する光分布９１ｃと第２の光Ｌ２が２分割センサ９２に形成する光分布９２ｃとは互いに類似したものになるが、第３の光Ｌ３が２分割センサ９３に形成する光分布９３ｃは光分布９１ｃおよび９２ｃとは実質的に異なることになる。換言すれば、２分割センサ９１の出力信号Ｓ１と２分割センサ９２の出力信号Ｓ２とは互いに類似した値になるが、２分割センサ９３の出力信号Ｓ３は出力信号Ｓ１およびＳ２とは実質的に異なる値になる。
【００４５】
図６の変形例では、例えば図１の実施形態と同様の手法により、２分割センサ９１，９２，９３で得られた信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に基づいて、裏面２０ａ上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における面位置の変位計測値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を求める。次いで、｜Ｄ１−Ｄ２｜と｜Ｄ１−Ｄ３｜と｜Ｄ２−Ｄ３｜とを比較し、その値が最小になる変位計測値の組合せを選ぶ。そして、例えば、選んだ２つの変位計測値Ｄｉ，Ｄｊの平均値（Ｄｉ＋Ｄｊ）／２を、被検面である裏面２０ａの面位置の変位Ｄとして求める。
【００４６】
したがって、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が通過する領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちのいずれか１つの領域に異物２１が付着していたとしても、異物２１の影響を受けていない２つの光により得られた２つの変位情報に基づいて、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを検出することができる。換言すれば、図６の変形例においても、図１の実施形態の場合と同様に、ガラス基板２０の表面２０ｂに付着した異物２１の影響を抑えて、その裏面２０ａの面位置の変位Ｄを高精度に検出することができる。
【００４７】
なお、上述の実施形態および変形例では、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、被検面である裏面２０ａ上に集光点を形成している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば裏面２０ａの面粗さの影響を受けにくくするために、裏面２０ａの近傍、例えばガラス基板２０の内部に３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の集光点を形成してもよい。
【００４８】
また、上述の実施形態および変形例では、グレーティング２の回折作用により、光源ＬＳが供給する光から、０次回折光Ｌ１、＋１次回折光Ｌ２、および−１次回折光Ｌ３を生成している。しかしながら、光源からの光を第１乃至第３の光に分割する光分割部材として、グレーティング以外の適当な光学素子を用いることができる。
【００４９】
また、上述の実施形態および変形例では、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を反射して対物レンズ５へ導くための偏向部材として、偏光分離面３ａを有する偏光ビームスプリッター３を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、この種の偏向部材については様々な形態が可能である。例えば、この種の偏向部材として、偏光分離面を有しない通常のビームスプリッターを用いることができる。一般的には、光分割部材により生成された第１乃至第３の光を偏光型または通常型のビームスプリッターにより反射または透過させて対物レンズへ導き、被検面を経て偏光型または振幅分割型のビームスプリッターを透過または反射した第１乃至第３の光をそれぞれ光電変換することができる。
【００５０】
振幅分割型のビームスプリッターを用いる場合には、面位置の変位の検出に寄与しない光が発生し、ひいては光量損失が発生する。この場合、必要に応じて、面位置の変位の検出に寄与しない光を用いて光源の光量変化をモニターし、その安定化を図ることができる。同様に、偏光ビームスプリッターを用いる場合にも、必要に応じて、面位置の変位の検出に寄与しない光を積極的に発生させ、この光を用いて光源の光量変化をモニターすることができる。
【００５１】
また、上述の実施形態および変形例では、ガラス基板２０の表面２０ｂに付着した異物２１の影響に着目して、変位検出装置の作用を説明している。しかしながら、表面２０ｂに付着した異物２１だけでなく、例えばガラス基板２０内の脈理、異物、泡なども検出誤差の原因になることがある。図１の実施形態および図６の変形例では、表面２０ｂに付着した異物２１の影響だけでなく、例えばガラス基板２０内の脈理、異物、泡などの影響も抑えて、裏面２０ａの面位置の変位を高精度に検出することができる。
【００５２】
また、上述の実施形態および変形例では、装置を固定した状態において、被検面であるガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位を検出している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば検出変位Ｄが常に一定値（例えばゼロ）になるように対物レンズ５または装置全体をＺ方向に移動させ、対物レンズ５または装置全体のＺ方向移動量に基づいて被検面の面位置の変位を検出することもできる。
【００５３】
また、上述の実施形態および変形例では、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位を検出する変位検出装置を例にとって本発明を説明したが、これに限定されることなく、ガラス基板の裏面以外の被検面の変位の検出に対しても同様に本発明を適用することができる。換言すれば、図１の実施形態または図６の変形例にかかる変位検出装置の適用例については、様々な形態が可能である。
【００５４】
以下、図８を参照して、露光装置における基板ステージの面位置の変位の検出に、上述の実施形態または変形例にかかる変位検出装置を適用した構成例を説明する。図８の露光装置は、たとえば露光光源であるＡｒＦエキシマレーザ光源を含み、オプティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）、視野絞り、コンデンサレンズ等から構成される照明系６１を備えている。照明系６１は、光源から射出された露光光により、転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを照明する。
【００５５】
照明系６１は、例えばマスクＭの矩形状のパターン領域全体、あるいはパターン領域全体のうちＸ方向に沿って細長いスリット状の領域（例えば矩形状の領域）を照明する。マスクＭのパターンからの光は、所定の縮小倍率を有する投影光学系ＰＬを介して、フォトレジストが塗布されたウェハ（感光性基板）Ｗの単位露光領域にマスクＭのパターン像を形成する。すなわち、マスクＭ上での照明領域に光学的に対応するように、ウェハＷの単位露光領域において、マスクＭのパターン領域全体と相似な矩形状の領域、あるいはＸ方向に細長い矩形状の領域（静止露光領域）にマスクパターン像が形成される。
【００５６】
マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面と平行に保持されている。マスクステージＭＳには、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ軸廻りの回転方向にマスクＭを微動させる機構が組み込まれている。マスクステージＭＳには図示を省略した移動鏡が設けられ、この移動鏡を用いるマスクレーザ干渉計（不図示）が、マスクステージＭＳ（ひいてはマスクＭ）のＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置をリアルタイムに計測する。
【００５７】
ウェハＷは、Ｚステージ６２上においてＸＹ平面と平行に保持されている。Ｚステージ６２は、投影光学系ＰＬの像面と平行なＸＹ平面に沿って移動するＸＹステージ６３上に取り付けられ、ウェハＷのフォーカス位置（Ｚ方向の位置）および傾斜角（ＸＹ平面に対するウェハＷの表面の傾き）を調整する。Ｚステージ６２には移動鏡（不図示）が設けられ、この移動鏡を用いるウェハレーザ干渉計（不図示）が、Ｚステージ６２のＸ方向、Ｙ方向およびＺ軸廻りの回転方向の位置をリアルタイムに計測する。ＸＹステージ６３は、ベース６４上に載置され、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置を調整する。
【００５８】
マスクレーザ干渉計の出力およびウェハレーザ干渉計の出力は、主制御系（不図示）に供給される。主制御系は、マスクレーザ干渉計の計測結果に基づいて、マスクＭのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、主制御系は、マスクステージＭＳに組み込まれている機構に制御信号を送信し、この機構が制御信号に基づいてマスクステージＭＳを微動させることにより、マスクＭのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の調整を行う。
【００５９】
また、主制御系は、オートフォーカス方式及びオートレベリング方式により、ウェハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込む（像面と一致させる）ために、ウェハＷのフォーカス位置および傾斜角の制御を行う。即ち、主制御系は、ウェハステージ駆動系（不図示）に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系が制御信号に基づいてＺステージ６２を駆動することにより、ウェハＷのフォーカス位置および傾斜角の調整を行う。
【００６０】
また、主制御系は、ウェハレーザ干渉計の計測結果に基づいて、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、主制御系は、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系が制御信号に基づいてＸＹステージ６３を駆動することにより、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の調整を行う。
【００６１】
ステップ・アンド・リピート方式では、ウェハＷ上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの１つの単位露光領域に、マスクＭのパターン像を一括的に露光する。その後、主制御系は、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系によりＸＹステージ６３をＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。
【００６２】
ステップ・アンド・スキャン方式では、主制御系は、マスクステージＭＳに組み込まれた機構に制御信号を送信すると共に、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比でマスクステージＭＳおよびＸＹステージ６３を移動させつつ、マスクＭのパターン像をウェハＷの１つの単位露光領域に走査露光する。その後、主制御系は、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系によりＸＹステージ６３をＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。
【００６３】
すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式では、ウェハステージ駆動系およびウェハレーザ干渉計などを用いてマスクＭおよびウェハＷの位置制御を行いながら、矩形状（一般にはスリット状）の静止露光領域の短辺方向であるＹ方向に沿って、マスクステージＭＳとＸＹステージ６３とを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には静止露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有する領域に対してマスクパターンが走査露光される。
【００６４】
本実施形態の露光装置は、ウェハ（感光性基板）Ｗを支持するＺステージ（基板ステージ）６２の面位置の変位を検出するための１つまたは複数の変位検出装置６０を備えている。変位検出装置６０は、例えば図１の実施形態または図６の変形例にかかる装置と同様の構成を有する。変位検出装置６０は、例えば国際公開第２００７／０９７４６６号パンフレットに記載されたＺセンサ７２ａ〜７２ｄとして使用され、基板ステージ上に設けられた光学式エンコーダ用のガラス基板の裏面の面位置すなわち基板ステージの表面の面位置の変位を検出する。
【００６５】
次に、図８の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図９は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図９に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。
【００６６】
ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板つまりプレートＰとしてパターンの転写を行う。
【００６７】
図１０は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１０に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。
【００６８】
ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。
【００６９】
ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。
【００７０】
ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。
【００７１】
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態にかかる変位検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施形態における光検出部の構成を概略的に示す図である。
【図３】比較例における光検出部の構成を概略的に示す図である。
【図４】４分割センサの出力信号と被検面の面位置の変位との関係を示す図である。
【図５】１つの異物が１つの４分割センサにしか影響を及ぼさない条件を説明する図である。
【図６】ナイフエッジ法を用いる変形例にかかる変位検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図７】図６の変形例における光検出部の構成を概略的に示す図である。
【図８】露光装置における基板ステージの面位置の変位の検出に対して変位検出装置を適用した構成例を説明する図である。
【図９】半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図１０】液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
ＬＳ 光源
ＩＬ 照射光学系
ＤＳ 検出系
２ グレーティング
３ 偏光ビームスプリッター
４ １／４波長板
５ 対物レンズ
７ シリンドリカルレンズ
８ 光検出部
９ 信号処理部
２０ ガラス基板
２０ａ ガラス基板の裏面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出装置、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、被検面の面位置の変位を光学的に検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平４−３６６７１１号公報には、対物レンズを介して被検面に光源からの光を投光し、対物レンズを介した被検面からの反射光に基づいて被検面の面位置（被検面の法線方向に沿った位置）の変位を検出する変位検出装置が記載されている。具体的に、この公報に開示された変位検出装置では、対物レンズを介して被検面にレーザ光を集光し、被検面で反射されて上記対物レンズを経た光を４分割センサで受光する。そして、非点収差法を用いて、４分割センサの出力信号に基づき、被検面の面位置の変位を検出する。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３６６７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された変位検出装置を用いて、ガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する場合、例えばその表面に付着した異物（ゴミなど）の影響により、比較的大きな検出誤差が発生することがある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えばガラス基板の表面に付着した異物の影響を抑えて、その裏面の面位置の変位を高精度に検出することのできる変位検出装置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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置において、
第１乃至第３の光を前記被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて前記被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成するための、前記第１乃至第３の光に共通の光学系と、
前記被検面で反射された前記第１乃至第３の光に基づいて前記第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、該３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて前記被検面の面位置の変位を検出する検出系とを備えていることを特徴とする変位検出装置を提供する。
【０００７】
本発明の第２形態では、第１形態の変位検出装置を備え、所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。
【０００８】
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、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の変位検出装置では、共通の光学系により、第１乃至第３の光を被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて、被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成する。そして、被検面で反射された第１乃至第３の光に基づいて第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、これらの３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて被検面の面位置の変位を検出する。
【００１０】
したがって、例えばガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する場合、その表面において第１乃至第３の光が通過する領域のうちのいずれか１つの領域に異物が付着していたとしても、異物の影響を受けていない２つの光により得られた２つの変位情報に基づいて、ガラス基板の裏面の面位置の変位を検出することができる。換言すれば、本発明の変位検出装置では、例えばガラス基板の表面に付着した異物の影響を抑えて、その裏面の面位置の変位を高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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変位検出装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、非点収差法を用いてガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する変位検出装置に対して本発明を適用している。図１において、ガラス基板２０の裏面２０ａの法線方向にＺ軸を、裏面２０ａにおいて図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、裏面２０ａにおいて図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。
【００１２】
図１を参照すると、本実施形態の変位検出装置は、例えばレーザーダイオードのような光源ＬＳと、光源ＬＳからの光をガラス基板２０の裏面（装置側の面とは反対側の面）２０ａに対して集光させる照射光学系ＩＬと、被検面である裏面２０ａで反射された光に基づいて裏面２０ａの面位置の変位を検出する検出系ＤＳとを備えている。照射光学系ＩＬは、光源ＬＳからの光の入射順に、コリメートレンズ１と、グレーティング２と、偏光ビームスプリッター３と、１／４波長板４と、対物レンズ５とを備えている。
【００１３】
検出系ＤＳは、ガラス基板２０の裏面２０ａからの反射光の入射順に、対物レンズ５と、１／４波長板４と、偏光ビームスプリッター３と、集光レンズ６と、シリンドリカルレンズ７と、光検出部８とを備えている。また、検出系ＤＳは、光検出部８に接続された信号処理部９を備えている。本実施形態の変位検出装置では、光源ＬＳが、例えば偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａに対してｓ偏光状態の光を供給する。光源ＬＳから射出された光は、コリメートレンズ１を介して、グレーティング２に入射する。
【００１４】
グレーティング２の回折作用により生成された０次回折光Ｌ１、＋１次回折光Ｌ２、および−１次回折光Ｌ３は、偏光ビームスプリッター３に入射する。図１並びに関連する図５および図６において、グレーティング２により生成された０次回折光Ｌ１を実線で、＋１次回折光Ｌ２を二点鎖線で、−１次回折光Ｌ３を破線で示している。偏光ビームスプリッター３に入射した３つのｓ偏光状態の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、偏光分離面３ａで反射され、偏光ビームスプリッター３から射出された後、１／４波長板４に入射する。
【００１５】
１／４波長板４を介して円偏光状態に変換された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、対物レンズ５を介して、ガラス基板２０の表面２０ｂに入射する。表面２０ｂに入射した３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ガラス基板２０の内部を伝播した後、裏面２０ａに入射する。裏面２０ａで反射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ガラス基板２０の内部を伝播し、表面２０ｂから射出された後、対物レンズ５に入射する。
【００１６】
本実施形態では、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、被検面である裏面２０ａまたはその近傍に集光点をそれぞれ形成する。以下、説明を簡単にするために、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が裏面２０ａ上の互いに異なる位置に集光点をそれぞれ形成するものとする。対物レンズ５を介した３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、１／４波長板４を介してｐ偏光状態に変換された後、偏光ビームスプリッター３に入射する。偏光ビームスプリッター３に入射した３つのｐ偏光状態の反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、偏光分離面３ａを透過し、偏光ビームスプリッター３から射出された後、集光レンズ６に入射する。
【００１７】
集光レンズ６を介した３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ＸＺ平面において正の屈折力を有し且つＹＺ平面において無屈折力のシリンドリカルレンズ７を介して、光検出部８に達する。シリンドリカルレンズ７は、偏光ビームスプリッター３を経た３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に非点収差を発生させる機能を有する。なお、集光レンズ６の前側（偏光ビームスプリッター３側）にシリンドリカルレンズ７を配置することもできる。光検出部８は、図２に示すように、Ｙ方向に沿って間隔を隔てて配置された３つの４分割センサ８１，８２，８３を有する。また、たとえば光源ＬＳ自体が必要十分な非点収差を有している場合には、シリンドリカルレンズ７を省略してもよい。このような光源ＬＳとしてはレーザーダイオードを用いることができる。
【００１８】
中央の４分割センサ８１は、グレーティング２により生成された０次回折光Ｌ１を受光するように位置決めされ、例えば＋Ｘ方向および＋Ｙ方向と４５度をなす方向に延びる線状の領域と＋Ｘ方向および−Ｙ方向と４５度をなす方向に延びる線状の領域とにより等分割された４つの受光部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄを有する。換言すれば、４つの受光部８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄは、４分割センサ８１の中心点に関して点対称に配置されている。
【００１９】
図２中左側の４分割センサ８２は、＋１次回折光Ｌ２を受光するように位置決めされ、４分割センサ８１と同様に点対称に配置された４つの受光部８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを有する。図２中右側の４分割センサ８３は、−１次回折光Ｌ３を受光するように位置決めされ、４分割センサ８１と同様に点対称に配置された４つの受光部８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄを有する。光検出部８の出力、すなわち４分割センサ８１，８２，８３の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、信号処理部９に供給される。
【００２０】
先ず、本実施形態の変位検出装置における動作の理解を容易にするために、非点収差法を用いる通常の構成例（以下、「比較例」という）における動作を説明する。比較例では、図１の構成からグレーティング２の設置が省略されている。その結果、被検面である裏面２０ａまたはその近傍に集光点を形成する光の数は１つであり、これに対応して、光検出部８に設けられる４分割センサの数も１つである。以下、図１を参照して比較例の動作を理解することができるように、上述の０次回折光Ｌ１に対応する単一の光がガラス基板２０の裏面２０ａで反射され、中央の４分割センサ８１に対応する単一の４分割センサ８４（図３を参照）に達するものとする。
【００２１】
比較例では、光学的な理想状態において、ガラス基板２０の裏面２０ａが所定位置（例えば対物レンズ５の焦点位置）にあるとき、裏面２０ａからの反射光は、図３の中央に示すように４分割センサ８４において４つの受光部８４ａ〜８４ｄの中心点を中心とする円形状の光分布８４ｅを形成する。そして、ガラス基板２０の裏面２０ａが上記所定位置からＺ方向に移動すると、収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ７の作用により、４分割センサ８４に形成される光分布は、裏面２０ａの移動方向（＋Ｚ方向または−Ｚ方向）およびＺ方向に沿った移動量に応じて、図３の左側および右側において参照符号８４ｅａおよび８４ｅｂで模式的に示すように、４つの受光部８４ａ〜８４ｄの中心点付近を中心とする楕円形状に変化する。
【００２２】
４分割センサ８４の出力信号Ｓは、次の式（１）により表される。式（１）において、Ｓａは受光部８４ａの受光光量に対応する値であり、Ｓｂは受光部８４ａに隣接する受光部８４ｂの受光光量に対応する値である。また、Ｓｃは受光部８４ａと対向する受光部８４ｃの受光光量に対応する値であり、Ｓｄは受光部８４ｂと対向する受光部８４ｄの受光光量に対応する値である。なお、本実施形態における４分割センサ８１，８２，８３の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３についても同様である。
Ｓ＝（Ｓａ＋Ｓｃ）−（Ｓｂ＋Ｓｄ） （１）
【００２３】
式（１）により表される４分割センサ８４の出力信号Ｓと、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄとの間には、図４に示すような関係が成立する。図４において、横軸は変位Ｄを、縦軸は４分割センサ８４の出力信号Ｓを表している。出力信号Ｓと変位Ｄとの関係を表すＳ字状の線（Ｓカーブ）は、その原点（Ｓ＝Ｄ＝０の点）を中心とする所定の範囲において高い線形性（リニアリティ）を有する。
【００２４】
４分割センサ８４の出力信号Ｓが供給される信号処理部９では、出力信号Ｓの変化量の符号に基づいてガラス基板２０の裏面２０ａの移動方向（すなわち変位Ｄの符号）を求め、出力信号Ｓの変化量の絶対値に基づいてガラス基板２０の裏面２０ａのＺ方向に沿った移動量（すなわち変位Ｄの絶対値）を求める。具体的には、信号処理部９は、例えば４分割センサ８４の出力信号Ｓがゼロである初期状態からの裏面２０ａの面位置の変位Ｄの符号および絶対値を、４分割センサ８４の出力信号Ｓの符号および絶対値に基づいて算出する。
【００２５】
比較例では、ガラス基板２０の裏面２０ａへの入射光束が表面２０ｂを通過する領域または裏面２０ａからの射出光束が表面２０ｂを通過する領域に、図１において参照符号２１で示すような異物（ゴミ、水滴など）が付着していると、この異物２１により４分割センサ８４へ達する光が影響を受け、ひいては検出誤差が発生する。
【００２６】
本実施形態では、図５に明瞭に示すように、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、対物レンズ５を介して、ガラス基板２０の表面２０ｂ上の互いに異なる領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を通過した後、裏面２０ａ上の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に集光点を形成する。裏面２０ａで反射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、表面２０ｂ上の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を再び通過し、対物レンズ５を介した後、最終的に互いに異なる４分割センサ８１，８２，８３に達する。
【００２７】
こうして、４分割センサ８１では、裏面２０ａ上の第１位置Ｐ１で反射された第１の光Ｌ１に基づいて、第１位置Ｐ１における面位置の変位情報が得られる。４分割センサ８２では、裏面２０ａ上の第２位置Ｐ２で反射された第２の光Ｌ２に基づいて、第２位置Ｐ２における面位置の変位情報が得られる。４分割センサ８３では、裏面２０ａ上の第３位置Ｐ３で反射された第３の光Ｌ３に基づいて、第３位置Ｐ３における面位置の変位情報が得られる。
【００２８】
したがって、例えば図１に示すように、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて第３の光Ｌ３の通過領域Ｒ３に異物２１が付着している場合（厳密には異物２１の少なくとも一部が通過領域Ｒ３にかかっている場合）、４分割センサ８３で得られる変位情報は異物２１の影響を受けて、４分割センサ８１で得られる変位情報および４分割センサ８２で得られる変位情報とは実質的に異なるものになる。
【００２９】
具体的には、例えば図２に示すように、第１の光Ｌ１が４分割センサ８１に形成する光分布８１ｅと第２の光Ｌ２が４分割センサ８２に形成する光分布８２ｅとは互いに類似したものになるが、第３の光Ｌ３が４分割センサ８３に形成する光分布８３ｅは光分布８１ｅおよび８２ｅとは実質的に異なるものになる。換言すれば、４分割センサ８１の出力信号Ｓ１と４分割センサ８２の出力信号Ｓ２とは互いに類似した値になるが、４分割センサ８３の出力信号Ｓ３は出力信号Ｓ１およびＳ２とは実質的に異なる値になる。この場合、信号処理部９では、出力信号Ｓ１とＳ２とＳ３との比較により、出力信号Ｓ３が異物２１の影響を受けていることを検知し、出力信号Ｓ１とＳ２とに基づいて、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを算出する。
【００３０】
さらに具体的には、例えば中央の基準となる４分割センサ８１のＳカーブの原点に対する４分割センサ８２のＳカーブの原点のオフセットＸ２、および４分割センサ８３のＳカーブの原点のオフセットＸ３を予め求める。また、４分割センサ８１のＳカーブの原点を中心とする所定範囲におけるＳカーブの傾き（リニアリティ）を、面位置の変化に対する信号Ｓ１の変化率Ｋ１として例えば計測により予め求める。同様に、４分割センサ８２，８３のＳカーブの原点を中心とする所定範囲におけるＳカーブの傾きを、面位置の変化に対する信号Ｓ２，Ｓ３の変化率Ｋ２，Ｋ３として例えば計測により予め求める。
【００３１】
こうして、裏面２０ａ上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における面位置の変位計測値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が、４分割センサ８１，８２，８３で得られた信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に基づいて、次の式（２）〜（４）により求められる。
Ｄ１＝Ｓ１×Ｋ１ （２）
Ｄ２＝（Ｓ２＋Ｘ２）×Ｋ２ （３）
Ｄ３＝（Ｓ３＋Ｘ３）×Ｋ３ （４）
【００３２】
４分割センサ８１，８２，８３の出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、次の式（１ａ），（１ｂ），（１ｃ）によりそれぞれ表される。式（１ａ）において、Ｓ１ａは受光部８１ａ、Ｓ１ｂは受光部８１ｂ、Ｓ１ｃは受光部８１ｃ、Ｓ１ｄは受光部８１ｄの受光光量に対応する値である。式（１ｂ）において、Ｓ２ａは受光部８２ａ、Ｓ２ｂは受光部８２ｂ、Ｓ２ｃは受光部８２ｃ、Ｓ２ｄは受光部８２ｄの受光光量に対応する値である。式（１ｃ）において、Ｓ３ａは受光部８３ａ、Ｓ３ｂは受光部８３ｂ、Ｓ３ｃは受光部８３ｃ、Ｓ３ｄは受光部８３ｄの受光光量に対応する値である。
【００３３】
Ｓ１＝（Ｓ１ａ＋Ｓ１ｃ）−（Ｓ１ｂ＋Ｓ１ｄ） （１ａ）
Ｓ２＝（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｃ）−（Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｄ） （１ｂ）
Ｓ３＝（Ｓ３ａ＋Ｓ３ｃ）−（Ｓ３ｂ＋Ｓ３ｄ） （１ｃ）
【００３４】
信号処理部９では、｜Ｄ１−Ｄ２｜と｜Ｄ１−Ｄ３｜と｜Ｄ２−Ｄ３｜とを比較し、その値が最小になる変位計測値の組合せを選ぶ。そして、例えば、選んだ２つの変位計測値Ｄｉ，Ｄｊの平均値（Ｄｉ＋Ｄｊ）／２を、被検面である裏面２０ａの面位置の変位Ｄとして求める。第３の光Ｌ３の通過領域Ｒ３に異物２１が付着している場合、｜Ｄ１−Ｄ２｜の値が最小になるので、４分割センサ８１で得られた信号Ｓ１に基づいて計算された面位置の変位計測値Ｄ１と、４分割センサ８２で得られた信号Ｓ２に基づいて計算された面位置の変位計測値Ｄ２との平均値（Ｄ１＋Ｄ２）／２を変位Ｄとして求める。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、共通の光学系（３，４，５）により、ガラス基板２０の裏面２０ａ上の互いに異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３へそれぞれ導いて、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に集光点をそれぞれ形成する。そして、裏面２０ａ上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で反射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に基づいて、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における変位情報として変位計測値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３をそれぞれ検出し、これら３つの変位情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて裏面２０ａの面位置の変位Ｄを検出する。
【００３６】
したがって、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が通過する領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちのいずれか１つの領域に異物２１が付着していたとしても、異物２１の影響を受けていない２つの光により得られた２つの変位情報に基づいて、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを検出することができる。換言すれば、本実施形態の変位検出装置では、ガラス基板２０の表面２０ｂに付着した異物２１の影響を抑えて、その裏面２０ａの面位置の変位Ｄを高精度に検出することができる。
【００３７】
本実施形態では、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて隣り合う２つの光束の中心間距離を、表面２０ｂにおける各光束の通過領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の直径と、表面２０ｂに付着することが想定される異物２１の直径との和よりも大きく設定することにより、２つの光が同時に異物２１の影響を受けることがなくなり確実に検出精度を向上させることができる。すなわち、１つの異物が１つの４分割センサにしか影響を及ぼさないようにするには、次の条件式（５）を満たすことが必要である。
ｐ＞２×ＮＡ×ｔ／ｎ＋ｄ （５）
【００３８】
条件式（５）において、ｐは、図５に示すように、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて隣り合う２つの光束の中心間距離である。ＮＡは対物レンズ５の開口数であり、ｔはガラス基板２０の厚さ（Ｚ方向の寸法）であり、ｎはガラス基板２０を形成する光学材料の屈折率である。ｄは、異物２１の直径である。換言すれば、条件式（５）は、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて隣り合う２つの光束の中心間距離ｐが、表面２０ｂにおける光束の通過領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に外接する円の直径（＝２×ＮＡ×ｔ／ｎ）と、表面２０ｂに付着することが想定される異物２１に外接する円の直径の最大値ｄとの和よりも大きく設定すべきことを意味している。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、偏光ビームスプリッター３を経た３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に非点収差を発生させる収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ７と、ガラス基板２０の裏面２０ａからの３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ光電変換する光電変換部としての３つの４分割センサ８１〜８３とを用いて、非点収差法により被検面である裏面２０ａの面位置の変位を検出している。しかしながら、非点収差法に限定されることなく、例えばナイフエッジ法や臨界角法などの手法を用いて被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置に対して本発明を適用することができる。
【００４０】
以下、図６および図７を参照して、ナイフエッジ法によりガラス基板の裏面の面位置の変位を検出する変位検出装置の構成例を説明する。図６の変形例は図１の実施形態と類似の構成を有するが、シリンドリカルレンズ７に代えて遮光部材１０が用いられ、３つの４分割センサ８１〜８３に代えて３つの２分割センサ９１〜９３が用いられている点が図１の実施形態と相違している。以下、図１の実施形態との相違点に着目して、図６の変形例の構成および作用を説明する。
【００４１】
図６の変形例では、集光レンズ６を介した３つの反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、遮光部材１０に入射する。遮光部材１０は、装置の光軸ＡＸと直交してＹ方向に延びるエッジ１０ａを有し、３つの反射光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち光軸ＡＸから＋Ｘ方向にある部分を遮る機能を有する。光検出部８’は、図７に示すように、Ｙ方向に沿って間隔を隔てて配置された３つの２分割センサ９１，９２，９３を有する。中央の２分割センサ９１は、グレーティング２により生成された０次回折光Ｌ１を受光するように位置決めされ、Ｙ方向に延びる線状の領域により等分割された２つの受光部９１ａおよび９１ｂを有する。
【００４２】
換言すれば、２つの受光部９１ａと９１ｂとは、２分割センサ９１の中心点を通ってＹ方向に延びる線分に関して対称に配置されている。図７中左側の２分割センサ９２は、＋１次回折光Ｌ２を受光するように位置決めされ、２分割センサ９１と同様に対称に配置された２つの受光部９２ａおよび９２ｂを有する。図７中右側の２分割センサ９３は、−１次回折光Ｌ３を受光するように位置決めされ、２分割センサ９１と同様に対称に配置された２つの受光部９３ａおよび９３ｂを有する。
【００４３】
２分割センサ９１の出力信号Ｓ１は、次の式（６）により表される。式（６）において、Ｓ１ａは受光部９１ａの受光光量に対応する値であり、Ｓ１ｂは受光部９１ｂの受光光量に対応する値である。２分割センサ９２の出力信号Ｓ２および２分割センサ９３の出力信号Ｓ３についても同様である。
Ｓ１＝Ｓ１ａ−Ｓ１ｂ （６）
【００４４】
図６の変形例において、第３の光Ｌ３の通過領域Ｒ３に異物２１が付着している場合、図７に示すように、第１の光Ｌ１が２分割センサ９１に形成する光分布９１ｃと第２の光Ｌ２が２分割センサ９２に形成する光分布９２ｃとは互いに類似したものになるが、第３の光Ｌ３が２分割センサ９３に形成する光分布９３ｃは光分布９１ｃおよび９２ｃとは実質的に異なることになる。換言すれば、２分割センサ９１の出力信号Ｓ１と２分割センサ９２の出力信号Ｓ２とは互いに類似した値になるが、２分割センサ９３の出力信号Ｓ３は出力信号Ｓ１およびＳ２とは実質的に異なる値になる。
【００４５】
図６の変形例では、例えば図１の実施形態と同様の手法により、２分割センサ９１，９２，９３で得られた信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に基づいて、裏面２０ａ上の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３における面位置の変位計測値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を求める。次いで、｜Ｄ１−Ｄ２｜と｜Ｄ１−Ｄ３｜と｜Ｄ２−Ｄ３｜とを比較し、その値が最小になる変位計測値の組合せを選ぶ。そして、例えば、選んだ２つの変位計測値Ｄｉ，Ｄｊの平均値（Ｄｉ＋Ｄｊ）／２を、被検面である裏面２０ａの面位置の変位Ｄとして求める。
【００４６】
したがって、ガラス基板２０の表面２０ｂにおいて３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が通過する領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちのいずれか１つの領域に異物２１が付着していたとしても、異物２１の影響を受けていない２つの光により得られた２つの変位情報に基づいて、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを検出することができる。換言すれば、図６の変形例においても、図１の実施形態の場合と同様に、ガラス基板２０の表面２０ｂに付着した異物２１の影響を抑えて、その裏面２０ａの面位置の変位Ｄを高精度に検出することができる。
【００４７】
なお、上述の実施形態および変形例では、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が、被検面である裏面２０ａ上に集光点を形成している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば裏面２０ａの面粗さの影響を受けにくくするために、裏面２０ａの近傍、例えばガラス基板２０の内部に３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の集光点を形成してもよい。
【００４８】
また、上述の実施形態および変形例では、グレーティング２の回折作用により、光源ＬＳが供給する光から、０次回折光Ｌ１、＋１次回折光Ｌ２、および−１次回折光Ｌ３を生成している。しかしながら、光源からの光を第１乃至第３の光に分割する光分割部材として、グレーティング以外の適当な光学素子を用いることができる。
【００４９】
また、上述の実施形態および変形例では、グレーティング２により生成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を反射して対物レンズ５へ導くための偏向部材として、偏光分離面３ａを有する偏光ビームスプリッター３を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、この種の偏向部材については様々な形態が可能である。例えば、この種の偏向部材として、偏光分離面を有しない通常のビームスプリッターを用いることができる。一般的には、光分割部材により生成された第１乃至第３の光を偏光型または通常型のビームスプリッターにより反射または透過させて対物レンズへ導き、被検面を経て偏光型または振幅分割型のビームスプリッターを透過または反射した第１乃至第３の光をそれぞれ光電変換することができる。
【００５０】
振幅分割型のビームスプリッターを用いる場合には、面位置の変位の検出に寄与しない光が発生し、ひいては光量損失が発生する。この場合、必要に応じて、面位置の変位の検出に寄与しない光を用いて光源の光量変化をモニターし、その安定化を図ることができる。同様に、偏光ビームスプリッターを用いる場合にも、必要に応じて、面位置の変位の検出に寄与しない光を積極的に発生させ、この光を用いて光源の光量変化をモニターすることができる。
【００５１】
また、上述の実施形態および変形例では、ガラス基板２０の表面２０ｂに付着した異物２１の影響に着目して、変位検出装置の作用を説明している。しかしながら、表面２０ｂに付着した異物２１だけでなく、例えばガラス基板２０内の脈理、異物、泡なども検出誤差の原因になることがある。図１の実施形態および図６の変形例では、表面２０ｂに付着した異物２１の影響だけでなく、例えばガラス基板２０内の脈理、異物、泡などの影響も抑えて、裏面２０ａの面位置の変位を高精度に検出することができる。
【００５２】
また、上述の実施形態および変形例では、装置を固定した状態において、被検面であるガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位を検出している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば検出変位Ｄが常に一定値（例えばゼロ）になるように対物レンズ５または装置全体をＺ方向に移動させ、対物レンズ５または装置全体のＺ方向移動量に基づいて被検面の面位置の変位を検出することもできる。
【００５３】
また、上述の実施形態および変形例では、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位を検出する変位検出装置を例にとって本発明を説明したが、これに限定されることなく、ガラス基板の裏面以外の被検面の変位の検出に対しても同様に本発明を適用することができる。換言すれば、図１の実施形態または図６の変形例にかかる変位検出装置の適用例については、様々な形態が可能である。
【００５４】
以下、図８を参照して、露光装置における基板ステージの面位置の変位の検出に、上述の実施形態または変形例にかかる変位検出装置を適用した構成例を説明する。図８の露光装置は、たとえば露光光源であるＡｒＦエキシマレーザ光源を含み、オプティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）、視野絞り、コンデンサレンズ等から構成される照明系６１を備えている。照明系６１は、光源から射出された露光光により、転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを照明する。
【００５５】
照明系６１は、例えばマスクＭの矩形状のパターン領域全体、あるいはパターン領域全体のうちＸ方向に沿って細長いスリット状の領域（例えば矩形状の領域）を照明する。マスクＭのパターンからの光は、所定の縮小倍率を有する投影光学系ＰＬを介して、フォトレジストが塗布されたウェハ（感光性基板）Ｗの単位露光領域にマスクＭのパターン像を形成する。すなわち、マスクＭ上での照明領域に光学的に対応するように、ウェハＷの単位露光領域において、マスクＭのパターン領域全体と相似な矩形状の領域、あるいはＸ方向に細長い矩形状の領域（静止露光領域）にマスクパターン像が形成される。
【００５６】
マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面と平行に保持されている。マスクステージＭＳには、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ軸廻りの回転方向にマスクＭを微動させる機構が組み込まれている。マスクステージＭＳには図示を省略した移動鏡が設けられ、この移動鏡を用いるマスクレーザ干渉計（不図示）が、マスクステージＭＳ（ひいてはマスクＭ）のＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置をリアルタイムに計測する。
【００５７】
ウェハＷは、Ｚステージ６２上においてＸＹ平面と平行に保持されている。Ｚステージ６２は、投影光学系ＰＬの像面と平行なＸＹ平面に沿って移動するＸＹステージ６３上に取り付けられ、ウェハＷのフォーカス位置（Ｚ方向の位置）および傾斜角（ＸＹ平面に対するウェハＷの表面の傾き）を調整する。Ｚステージ６２には移動鏡（不図示）が設けられ、この移動鏡を用いるウェハレーザ干渉計（不図示）が、Ｚステージ６２のＸ方向、Ｙ方向およびＺ軸廻りの回転方向の位置をリアルタイムに計測する。ＸＹステージ６３は、ベース６４上に載置され、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置を調整する。
【００５８】
マスクレーザ干渉計の出力およびウェハレーザ干渉計の出力は、主制御系（不図示）に供給される。主制御系は、マスクレーザ干渉計の計測結果に基づいて、マスクＭのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、主制御系は、マスクステージＭＳに組み込まれている機構に制御信号を送信し、この機構が制御信号に基づいてマスクステージＭＳを微動させることにより、マスクＭのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の調整を行う。
【００５９】
また、主制御系は、オートフォーカス方式及びオートレベリング方式により、ウェハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込む（像面と一致させる）ために、ウェハＷのフォーカス位置および傾斜角の制御を行う。即ち、主制御系は、ウェハステージ駆動系（不図示）に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系が制御信号に基づいてＺステージ６２を駆動することにより、ウェハＷのフォーカス位置および傾斜角の調整を行う。
【００６０】
また、主制御系は、ウェハレーザ干渉計の計測結果に基づいて、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、主制御系は、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系が制御信号に基づいてＸＹステージ６３を駆動することにより、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の調整を行う。
【００６１】
ステップ・アンド・リピート方式では、ウェハＷ上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの１つの単位露光領域に、マスクＭのパターン像を一括的に露光する。その後、主制御系は、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系によりＸＹステージ６３をＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。
【００６２】
ステップ・アンド・スキャン方式では、主制御系は、マスクステージＭＳに組み込まれた機構に制御信号を送信すると共に、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比でマスクステージＭＳおよびＸＹステージ６３を移動させつつ、マスクＭのパターン像をウェハＷの１つの単位露光領域に走査露光する。その後、主制御系は、ウェハステージ駆動系に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系によりＸＹステージ６３をＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。
【００６３】
すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式では、ウェハステージ駆動系およびウェハレーザ干渉計などを用いてマスクＭおよびウェハＷの位置制御を行いながら、矩形状（一般にはスリット状）の静止露光領域の短辺方向であるＹ方向に沿って、マスクステージＭＳとＸＹステージ６３とを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には静止露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有する領域に対してマスクパターンが走査露光される。
【００６４】
本実施形態の露光装置は、ウェハ（感光性基板）Ｗを支持するＺステージ（基板ステージ）６２の面位置の変位を検出するための１つまたは複数の変位検出装置６０を備えている。変位検出装置６０は、例えば図１の実施形態または図６の変形例にかかる装置と同様の構成を有する。変位検出装置６０は、例えば国際公開第２００７／０９７４６６号パンフレットに記載されたＺセンサ７２ａ〜７２ｄとして使用され、基板ステージ上に設けられた光学式エンコーダ用のガラス基板の裏面の面位置すなわち基板ステージの表面の面位置の変位を検出する。
【００６５】
次に、図８の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図９は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図９に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。
【００６６】
ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板つまりプレートＰとしてパターンの転写を行う。
【００６７】
図１０は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１０に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。
【００６８】
ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。
【００６９】
ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。
【００７０】
ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。
【００７１】
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態にかかる変位検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施形態における光検出部の構成を概略的に示す図である。
【図３】比較例における光検出部の構成を概略的に示す図である。
【図４】４分割センサの出力信号と被検面の面位置の変位との関係を示す図である。
【図５】１つの異物が１つの４分割センサにしか影響を及ぼさない条件を説明する図である。
【図６】ナイフエッジ法を用いる変形例にかかる変位検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図７】図６の変形例における光検出部の構成を概略的に示す図である。
【図８】露光装置における基板ステージの面位置の変位の検出に対して変位検出装置を適用した構成例を説明する図である。
【図９】半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図１０】液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
ＬＳ 光源
ＩＬ 照射光学系
ＤＳ 検出系
２ グレーティング
３ 偏光ビームスプリッター
４ １／４波長板
５ 対物レンズ
７ シリンドリカルレンズ
８ 光検出部
９ 信号処理部
２０ ガラス基板
２０ａ ガラス基板の裏面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置において、
第１乃至第３の光を前記被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて前記被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成するための、前記第１乃至第３の光に共通の光学系と、
前記被検面で反射された前記第１乃至第３の光に基づいて前記第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、該３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて前記被検面の面位置の変位を検出する検出系とを備えていることを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記共通の光学系は、前記被検面としての基板の裏面またはその近傍に前記第１乃至第３の光の集光点を形成し、
前記基板の表面において隣り合う２つの光束の中心間距離は、前記基板の表面における光束の通過領域に外接する円の直径と、前記基板の表面に付着することが想定される異物に外接する円の直径の最大値との和よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記共通の光学系は、光源からの光を前記第１乃至第３の光に分割する光分割部材と、該光分割部材と前記被検面との間の光路中に配置された対物レンズとを有し、
前記検出系は、前記被検面で反射され且つ前記対物レンズを経た前記第１乃至第３の光に基づいて前記被検面の面位置の変位を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記共通の光学系は、前記光分割部材により生成された前記第１乃至第３の光を反射または透過させて前記対物レンズへ導くビームスプリッターを有し、
前記検出系は、前記ビームスプリッターを透過または反射した前記第１乃至第３の光をそれぞれ光電変換する第１乃至第３光電変換部を有することを特徴とする請求項３に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記第１乃至第３光電変換部はそれぞれ４分割センサを有することを特徴とする請求項４に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記検出系は、前記ビームスプリッターと前記光電変換部との間の光路中に配置されて前記ビームスプリッターを経た前記第１乃至第３の光に非点収差を発生させる収差発生部材を有することを特徴とする請求項５に記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記検出系は、前記ビームスプリッターを経た前記第１乃至第３の光を部分的に遮る遮光部材を有し、
前記第１乃至第３光電変換部はそれぞれ２分割センサを有することを特徴とする請求項４に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記ビームスプリッターは偏光分離面を有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の変位検出装置を備え、所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
前記感光性基板を支持する基板ステージを備え、
前記変位検出装置は、前記基板ステージの面位置の変位を検出することを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
【請求項１１】
請求項９または１０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、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項１】
被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置において、
第１乃至第３の光を前記被検面の第１乃至第３位置へそれぞれ導いて前記被検面またはその近傍に第１乃至第３の集光点を形成するための、前記第１乃至第３の光に共通の光学系と、
前記被検面で反射された前記第１乃至第３の光に基づいて前記第１乃至第３位置における第１乃至第３変位情報をそれぞれ検出し、該３つの変位情報のうちの互いに最も類似した２つの変位情報に基づいて前記被検面の面位置の変位を検出する検出系とを備えていることを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記共通の光学系は、前記被検面としての基板の裏面またはその近傍に前記第１乃至第３の光の集光点を形成し、
前記基板の表面において隣り合う２つの光束の中心間距離は、前記基板の表面における光束の通過領域に外接する円の直径と、前記基板の表面に付着することが想定される異物に外接する円の直径の最大値との和よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記共通の光学系は、光源からの光を前記第１乃至第３の光に分割する光分割部材と、該光分割部材と前記被検面との間の光路中に配置された対物レンズとを有し、
前記検出系は、前記被検面で反射され且つ前記対物レンズを経た前記第１乃至第３の光に基づいて前記被検面の面位置の変位を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記共通の光学系は、前記光分割部材により生成された前記第１乃至第３の光を反射または透過させて前記対物レンズへ導くビームスプリッターを有し、
前記検出系は、前記ビームスプリッターを透過または反射した前記第１乃至第３の光をそれぞれ光電変換する第１乃至第３光電変換部を有することを特徴とする請求項３に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記第１乃至第３光電変換部はそれぞれ４分割センサを有することを特徴とする請求項４に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記検出系は、前記ビームスプリッターと前記光電変換部との間の光路中に配置されて前記ビームスプリッターを経た前記第１乃至第３の光に非点収差を発生させる収差発生部材を有することを特徴とする請求項５に記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記検出系は、前記ビームスプリッターを経た前記第１乃至第３の光を部分的に遮る遮光部材を有し、
前記第１乃至第３光電変換部はそれぞれ２分割センサを有することを特徴とする請求項４に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記ビームスプリッターは偏光分離面を有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の変位検出装置を備え、所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
前記感光性基板を支持する基板ステージを備え、
前記変位検出装置は、前記基板ステージの面位置の変位を検出することを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
【請求項１１】
請求項９または１０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、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２３６６５４（Ｐ２００９−２３６６５４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８２４９７（Ｐ２００８−８２４９７）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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