変位検出装置、露光装置、およびデバイス製造方法
【課題】 温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検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】 測定対物レンズ（４）を介して被検面（２０ａ）に光源（ＬＳ）からの光を投光し、測定対物レンズを介した被検面からの反射光に基づいて、被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置。光源からの光を複数の光に分割し、複数の光のうちの第１の光を測定光として測定光路に沿って導き且つ複数の光のうちの第２の光を参照光として参照光路に沿って導く光分割部材（２）と、被検面で反射された測定光が含む測定情報と参照光が含む参照情報とに基づいて被検面の面位置の変位を検出する検出系（１３，１４）とを備えている。
【解決手段】 測定対物レンズ（４）を介して被検面（２０ａ）に光源（ＬＳ）からの光を投光し、測定対物レンズを介した被検面からの反射光に基づいて、被検面の面位置の変位を検出する変位検出装置。光源からの光を複数の光に分割し、複数の光のうちの第１の光を測定光として測定光路に沿って導き且つ複数の光のうちの第２の光を参照光として参照光路に沿って導く光分割部材（２）と、被検面で反射された測定光が含む測定情報と参照光が含む参照情報とに基づいて被検面の面位置の変位を検出する検出系（１３，１４）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では、環境温度の変化に応じて光学素子の内部温度が変動し、特に対物レンズの内部温度の変動により検出変位のドリフト（変動）が発生し易い。また、光源が供給する光の波長の変動により、検出変位のドリフトが発生し易い。換言すれば、温度変動や波長変動に起因する変位ドリフトの発生、ひいては検出誤差の発生を抑えるには、環境温度および波長を高精度に安定化させる必要がある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検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、測定対物レンズを介して被検面に光源からの光を投光し、前記測定対物レンズを介した前記被検面からの反射光に基づいて、前記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、
光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光のうちの第１の光を測定光として測定光路に沿って導き且つ前記複数の光のうちの第２の光を参照光として参照光路に沿って導く光分割部材と、
前記被検面で反射された前記測定光が含む測定情報と前記参照光が含む参照情報と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１つの形態にしたがう変位検出装置では、参照光が、測定光の通過する測定光路に対応した条件（環境温度、光学素子、光路長など）を有する参照光路を通過する。特に、参照光は、測定光の通過する測定対物レンズに対応した位置に配置され且つ測定対物レンズに対応した光学特性を有する参照対物レンズを通過する。また、測定光と参照光とは、共通の光源からの光を光分割部材により分割して得られる光であって、互いに同じ波長を有する。換言すれば、参照光の波長の変動は、測定光の波長の変動と一致する。
【００１０】
したがって、参照光は、被検面で反射された測定光とは異なり、被検面の面位置の変位に関する情報を含まないが、測定光と同様に、温度変動の影響や波長変動の影響に関する情報を含んでいる。その結果、本発明の変位検出装置では、被検面で反射された測定光が含む測定情報と参照光が含む参照情報とに基づいて、温度変動や波長変動の影響を実質的に受けることなく、ひいては温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検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、本発明の第１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。第１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、第１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を備えている。光源ＬＳから射出された光は、ＸＹ平面およびＹＺ平面に対して所定角度だけ傾いた偏光面を有し、コリメートレンズ１を介して、偏光ビームスプリッター２に入射する。偏光ビームスプリッター２に入射して偏光分離面２ａにより反射された光すなわちｓ偏光状態の光は、測定光Ｌ１として、１／４波長板３に入射する。
【００１３】
１／４波長板３を介して円偏光状態になった測定光Ｌ１は、測定対物レンズ４を介して、ガラス基板２０に入射する。ガラス基板２０の内部を伝播して裏面２０ａで反射された測定光Ｌ１は、ガラス基板２０から射出された後、測定対物レンズ４に入射する。なお、ガラス基板２０に入射した測定光Ｌ１は、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。測定対物レンズ４を介した測定光Ｌ１は、１／４波長板３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２に戻る。
【００１４】
一方、偏光ビームスプリッター２に入射して偏光分離面２ａを透過した光すなわちｐ偏光状態の光は、参照光Ｌ２として、１／４波長板５に入射する。１／４波長板５を介して円偏光状態になった参照光Ｌ２は、参照対物レンズ６を介して、参照基板７に入射する。参照対物レンズ６は、測定対物レンズ４に対応した位置に配置されて、測定対物レンズ４に対応した光学特性を有する。
【００１５】
参照基板７は、ガラス基板２０に対応した位置に配置されて、ガラス基板２０に対応した光学特性を有する。ただし、ガラス基板２０はＺ方向に移動するが、参照基板７はＹ方向に固定されている。参照基板７の内部を伝播して裏面７ａで反射された参照光Ｌ２は、参照基板７から射出された後、参照対物レンズ６に入射する。参照基板７に入射した参照光Ｌ２は、参照面である裏面７ａまたはその近傍に集光点を形成する。
【００１６】
参照対物レンズ６を介した参照光Ｌ２は、１／４波長板５を介してｓ偏光状態に変換された後、偏光ビームスプリッター２に戻る。このように、偏光ビームスプリッター２は、光源ＬＳからの光を２つの光に分割し、反射光（第１の光）を測定光Ｌ１として測定光路に沿って導き且つ透過光（第２の光）を参照光Ｌ２として参照光路に沿って導く光分割部材を構成している。そして、偏光ビームスプリッター２の偏光分離面２ａは、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに対して互いに異なる偏光状態を付与する。
【００１７】
偏光ビームスプリッター２に戻ったｐ偏光状態の測定光Ｌ１は、偏光分離面２ａを透過して、ウォラストンプリズム８に入射する。偏光ビームスプリッター２に戻ったｓ偏光状態の参照光Ｌ２は、偏光分離面２ａで反射されて、ウォラストンプリズム８に入射する。ウォラストンプリズム８は、入射光の偏光状態に応じた向きに偏向して射出する機能を有する。したがって、ｐ偏光状態で入射した測定光Ｌ１とｓ偏光状態で入射した参照光Ｌ２とは、ウォラストンプリズム８により互いに異なる偏光状態に応じて偏向作用を受けた後、集光レンズ９に入射する。
【００１８】
集光レンズ９を介した測定光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ１０および偏光板１１を介して、光検出部１３の測定用４分割センサ３１（図１では不図示；図２を参照）に達する。集光レンズ９を介した参照光Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１０および偏光板１２を介して、光検出部１３の参照用４分割センサ３２（図１では不図示；図２を参照）に達する。シリンドリカルレンズ１０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であり、偏光ビームスプリッター２を経た測定光Ｌ１および参照光Ｌ２に非点収差を発生させる機能を有する。
【００１９】
偏光板１１は、ｐ偏光状態の光だけが透過するように配置され、測定光Ｌ１が含むノイズ光が測定用４分割センサ３１に入射するのを遮る機能を有する。偏光板１２は、ｓ偏光状態の光だけが透過するように配置され、参照光Ｌ２が含むノイズ光が参照用４分割センサ３２に入射するのを遮る機能を有する。なお、集光レンズ９の前側（偏光ビームスプリッター２側）にシリンドリカルレンズ１０を配置することもできる。また、偏光板１１および１２の設置を省略することもできる。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１０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。
【００２０】
光検出部１３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測定用４分割センサ３１と参照用４分割センサ３２とを有する。測定用４分割センサ３１は、測定光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３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを有する。
【００２１】
換言すれば、４つの受光部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、４分割センサ３１の中心点に関して点対称に配置されている。参照用４分割センサ３２は、参照光Ｌ２を受光するように位置決めされ、測定用４分割センサ３１と同様に点対称に配置された４つの受光部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有する。光検出部１３の出力、すなわち測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍおよび参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒは、信号処理部１４に供給される。
【００２２】
先ず、第１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および図２の構成から、参照光Ｌ２に関連する構成要素、すなわち１／４波長板５、参照対物レンズ６、参照基板７、偏光板１２、および参照用４分割センサ３２の設置が省略されている。また、比較例では、ウォラストンプリズム８の設置が不要である。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、上述の測定光Ｌ１に対応する光がガラス基板２０の裏面２０ａで反射され、測定用４分割センサ３１に対応する単一の４分割センサ３３（図３を参照）に達するものとする。
【００２３】
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４の焦点位置）にあるとき、裏面２０ａからの反射光は、図３に示すように４分割センサ３３において４つの受光部３３ａ〜３３ｄの中心点を中心とする円形状の光分布３３ｅ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１０の作用により、４分割センサ３３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３３ｅａおよび３３ｅｂで模式的に示すように、４つの受光部３３ａ〜３３ｄの中心点付近を中心とする楕円形状に変化する。
【００２４】
４分割センサ３３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３３ａの受光光量に対応する値であり、Ｓｂは受光部３３ａに隣接する受光部３３ｂの受光光量に対応する値である。また、Ｓｃは受光部３３ａと対向する受光部３３ｃの受光光量に対応する値であり、Ｓｄは受光部３３ｂと対向する受光部３３ｄの受光光量に対応する値である。なお、第１実施形態における測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍおよび参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒについても同様である。
Ｓ＝（Ｓａ＋Ｓｃ）−（Ｓｂ＋Ｓｄ） （１）
【００２５】
式（１）により表される４分割センサ３３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３３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。
【００２６】
４分割センサ３３の出力信号Ｓが供給される信号処理部１４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１４は、例えば４分割センサ３３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３３の出力信号Ｓの符号および絶対値に基づいて算出する。
【００２７】
比較例では、環境温度の変化に応じて光学素子の内部温度が変動し、特に対物レンズ４の内部温度の変動により検出変位のドリフト（変動）が発生し易い。また、光源ＬＳが供給する光の波長の変動により、検出変位のドリフトが発生し易い。具体的に、通常の設計にしたがう比較例において、対物レンズ４の内部温度が１°Ｃだけ変化すると、７６０ｎｍ程度の変位ドリフトが発生する。また、対物レンズ４がＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート：アクリル）により形成されていて、その焦点距離が４ｍｍである場合、光の波長が１ｎｍだけ変化すると、１６０ｎｍ程度の変位ドリフトが発生する。
【００２８】
以上のように、第１実施形態では、参照光Ｌ２が、測定光Ｌ１の通過する測定光路に対応した条件（環境温度、通過する光学素子、光路長など）を有する参照光路を通過する。とりわけ、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１の通過する測定対物レンズ４に対応した位置に配置され且つ測定対物レンズ４に対応した光学特性を有する参照対物レンズ６を通過する。また、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とは、共通の光源ＬＳからの光を偏光ビームスプリッター２により分割して得られる光であって、互いに同じ波長を有する。換言すれば、参照光Ｌ２の波長の変動は、測定光Ｌ１の波長の変動と一致する。
【００２９】
したがって、固定された参照面（参照基板７の裏面７ａ）で反射された参照光Ｌ２は、Ｚ方向に移動する被検面（ガラス基板２０の裏面２０ａ）で反射された測定光Ｌ１とは異なり、被検面の面位置の変位に関する情報を含まない。しかしながら、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１と同様に、温度変動の影響や波長変動の影響に関する情報を含んでいる。その結果、被検面で反射された測定光Ｌ１が含む測定情報と参照面で反射された参照光Ｌ２が含む参照情報とに基づいて、温度変動や波長変動の影響を実質的に受けることなく、被検面の面位置の変位を検出することができる。換言すれば、第１実施形態では、温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検面の面位置の変位を高精度に検出することができる。
【００３０】
すなわち、信号処理部１４では、測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍから参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒを差し引いて得られる差分（Ｓｍ−Ｓｒ）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。具体的に、信号処理部１４では、裏面２０ａの面位置の変位Ｄを、次の式（２）により求める。式（２）において、Ｋｍは、測定用４分割センサ３１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）であって、面位置の変化に対する信号Ｓｍの変化率である。変化率Ｋｍは、例えば計測により予め求められる。
Ｄ＝（Ｓｍ−Ｓｒ）×Ｋｍ （２）
【００３１】
測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍおよび参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒは、次の式（３）および（４）によりそれぞれ表される。式（３）において、Ｓｍａは受光部３１ａ、Ｓｍｂは受光部３１ｂ、Ｓｍｃは受光部３１ｃ、Ｓｍｄは受光部３１ｄの受光光量に対応する値である。式（４）において、Ｓｒａは受光部３２ａ、Ｓｒｂは受光部３２ｂ、Ｓｒｃは受光部３２ｃ、Ｓｒｄは受光部３２ｄの受光光量に対応する値である。
Ｓｍ＝（Ｓｍａ＋Ｓｍｃ）−（Ｓｍｂ＋Ｓｍｄ） （３）
Ｓｒ＝（Ｓｒａ＋Ｓｒｃ）−（Ｓｒｂ＋Ｓｒｄ） （４）
【００３２】
なお、上述の第１実施形態において、参照対物レンズ６の位置および光学特性は、必ずしも測定対物レンズ４の位置および光学特性に対応している必要はない。また、参照基板７の位置および光学特性は、必ずしもガラス基板２０の位置および光学特性に対応している必要はない。しかしながら、参照光路と測定光路との間の条件をできるだけ一致させて高精度な検出を図るには、参照対物レンズ６と測定対物レンズ４との間および参照基板７とガラス基板２０との間で、その位置および光学特性がそれぞれ対応していることが望ましい。
【００３３】
また、上述の第１実施形態では、偏光ビームスプリッター２を経た測定光Ｌ１および参照光Ｌ２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１０と、測定光Ｌ１を光電変換する測定光電変換部としての４分割センサ３１と、参照光Ｌ２を光電変換する参照光電変換部としての４分割センサ３２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。
【００３４】
以下、図５および図６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５の変形例は図１の第１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１０に代えて遮光部材１５を用いるとともに、２つの４分割センサ３１および３２に代えて２つの２分割センサ４１および４２を用いている点が第１実施形態と相違している。図５では、図１に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、図５の変形例の構成および作用を説明する。
【００３５】
図５の変形例では、集光レンズ９を介した測定光Ｌ１および参照光Ｌ２が、遮光部材１５に入射する。遮光部材１５は、装置の光軸ＡＸと直交してＹ方向に延びるエッジ１５ａを有し、測定光Ｌ１および参照光Ｌ２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。換言すれば、遮光部材１５のエッジ１５ａは、ウォラストンプリズム８が測定光Ｌ１および参照光Ｌ２を偏向させる面（ＹＺ平面）と平行に延びている。光検出部１３’は、図６に示すように、Ｙ方向に沿って間隔を隔てて配置された２つの２分割センサ４１および４２を有する。
【００３６】
図６中左側の測定用２分割センサ４１は、測定光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４１ａおよび４１ｂを有する。換言すれば、２つの受光部４１ａと４１ｂとは、２分割センサ４１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６中右側の参照用２分割センサ４２は、参照光Ｌ２を受光するように位置決めされ、測定用２分割センサ４１と同様に対称に配置された２つの受光部４２ａおよび４２ｂを有する。
【００３７】
測定用２分割センサ４１の出力信号Ｓｍおよび参照用２分割センサ４２の出力信号Ｓｒは、次の式（５）および（６）により表される。式（５）において、Ｓｍａは受光部４１ａの受光光量、Ｓｍｂは受光部４１ｂの受光光量に対応する値である。式（６）において、Ｓｒａは受光部４２ａの受光光量、Ｓｒｂは受光部４２ｂの受光光量に対応する値である。
Ｓｍ＝Ｓｍａ−Ｓｍｂ （５）
Ｓｒ＝Ｓｒａ−Ｓｒｂ （６）
【００３８】
図５の変形例では、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄの発生に応じて、測定光Ｌ１が２分割センサ４１に形成する光分布４１ｃと参照光Ｌ２が２分割センサ４２に形成する光分布４２ｃとが異なることになる。こうして、図５の変形例においても、第１実施形態の場合と同様に、上述の式（２）を用いて、温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えつつ、ガラス基板２０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。
【００３９】
また、上述の第１実施形態では、ウォラストンプリズム８を用いて測定光Ｌ１および参照光Ｌ２を偏光状態に応じた向きに偏向することにより、測定光Ｌ１を測定用４分割センサ３１へ導き、参照光Ｌ２を測定用４分割センサ３１とは別の参照用４分割センサ３２へ導いている。しかしながら、これに限定されることなく、図７の変形例に示すように、参照基板７に代えてコーナーキューブ１６を用いることにより、ウォラストンプリズム８の光路分離作用を果たすことができる。
【００４０】
図７の変形例では、偏光ビームスプリッター２、１／４波長板５および参照対物レンズ６を経た参照光Ｌ２が、コーナーキューブ１６に入射する。コーナーキューブ１６の内部を伝播して複数の反射面で順次反射された参照光Ｌ２は、コーナーキューブ１６への入射光路とは異なる光路に沿ってコーナーキューブ１６から射出された後、参照対物レンズ６に入射する。こうして、コーナーキューブ１６の作用により、ウォラストンプリズム８を用いなくても、偏光ビームスプリッター２から測定用４分割センサ３１へ向かう測定光Ｌ１の光路と、偏光ビームスプリッター２から参照用４分割センサ３２へ向かう参照光Ｌ２の光路とが分離される。
【００４１】
なお、図７の変形例では、コーナーキューブ１６に代えて、参照光Ｌ２を複数の反射面で順次反射して入射光路とは異なる光路に沿って射出する機能を有する他の光学部材、たとえば三角プリズムなどを用いることができる。また、図示を省略したが、図５の変形例において、参照基板７に代えてコーナーキューブ１６を用いることもできる。換言すれば、図７の変形例の基本構成において、例えばナイフエッジ法や臨界角法などの手法を用いることもできる。
【００４２】
図８は、本発明の第２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。第２実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、参照光路の構成が第１実施形態と相違している。また、第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、ウォラストンプリズム８を用いていない。図８では、図１に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態の構成および作用を説明する。
【００４３】
第２実施形態では、ガラス基板２０の裏面２０ａで反射された測定光Ｌ１が、測定対物レンズ４、１／４波長板３、偏光ビームスプリッター２、集光レンズ９、シリンドリカルレンズ１０ａ、および偏光板１１を介して、光検出部１３ａの測定用４分割センサ３１に達する。一方、偏光ビームスプリッター２を透過した参照光Ｌ２は、１／４波長板５、参照対物レンズ６、およびシリンドリカルレンズ１０ｂを介して、光検出部１３ｂの参照用４分割センサ３２に達する。
【００４４】
シリンドリカルレンズ１０ａおよび１０ｂは、第１実施形態におけるシリンドリカルレンズ１０と同様に、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である。ただし、シリンドリカルレンズ１０ａは測定光Ｌ１だけに非点収差を発生させ、シリンドリカルレンズ１０ｂは参照光Ｌ２だけに非点収差を発生させる。また、光検出部１３ｂの参照用４分割センサ３２の受光面は、反射光が測定光路に入り込んでノイズ光になるのを回避するために、ＸＺ平面に対して傾けて配置されている。
【００４５】
第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、参照光Ｌ２の通過する参照光路と測定光Ｌ１の通過する測定光路との間に共通する光路部分がない。その結果、参照光Ｌ２と測定光Ｌ１とは、環境温度に関する条件がほぼ同じであるが、通過する光学素子、光路長などに関して条件が異なる。しかしながら、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１の通過する測定対物レンズ４に対応した位置に配置され且つ測定対物レンズ４に対応した光学特性を有する参照対物レンズ６を通過する。また、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とは、共通の光源ＬＳからの光を偏光ビームスプリッター２により分割して得られる光であって互いに同じ波長を有し、参照光Ｌ２の波長の変動は測定光Ｌ１の波長の変動と一致する。
【００４６】
したがって、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１とは異なり、被検面の面位置の変位に関する情報を含まないが、測定光Ｌ１と同様に、温度変動の影響や波長変動の影響に関する情報を含んでいる。その結果、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、測定光Ｌ１が含む測定情報と参照光Ｌ２が含む参照情報とに基づいて、温度変動や波長変動の影響を実質的に受けることなく、被検面としてのガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位を検出することができる。
【００４７】
具体的に、第２実施形態では、信号処理部１４において、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを、次の式（７）により求める。式（７）において、変化率Ｋｒは、参照用４分割センサ３２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（測定用４分割センサ３１のＳカーブの傾きとは異なる）であり、例えば計測により予め求められた変化率Ｋｍと設計データとにより算出される。
Ｄ＝Ｓｍ×Ｋｍ−Ｓｒ×Ｋｒ （７）
【００４８】
なお、上述の第２実施形態では、偏光ビームスプリッター２を経た測定光Ｌ１に非点収差を発生させる第１収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ１０ａと、偏光ビームスプリッター２を経た参照光Ｌ２に非点収差を発生させる第２収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ１０ｂと、測定光Ｌ１を光電変換する測定光電変換部としての４分割センサ３１と、参照光Ｌ２を光電変換する参照光電変換部としての４分割センサ３２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、第２実施形態の基本構成に対して、例えばナイフエッジ法や臨界角法などの手法を適用することもできる。
【００４９】
なお、上述の実施形態および変形例では、光源ＬＳからの光を２つの光に分割し、反射光を測定光Ｌ１として測定光路に沿って導き且つ透過光を参照光Ｌ２として参照光路に沿って導く光分割部材として、偏光分離面２ａを有する偏光ビームスプリッター２を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、この種の光分割部材については様々な形態が可能である。例えば、この種の光分割部材として、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。
【００５０】
一般的には、偏光型または通常型のビームスプリッターにより、反射光または透過光を測定光として測定光路に沿って導き且つ透過光または反射光を参照光として参照光路に沿って導くことができる。ただし、通常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。また、上述の実施形態および変形例では、必要に応じて、参照用４分割センサ３２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。
【００５１】
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）になるように測定対物レンズ４または装置全体をＺ方向に移動させ、測定対物レンズ４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。
【００５２】
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、上述の実施形態または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。
【００５３】
以下、図９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９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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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または図８の実施形態あるいは図５または図７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。
【００６４】
次に、図９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１０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１０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）。
【００６５】
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。
【００６６】
図１１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１１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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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】
【００７１】
【図１】本発明の第１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】第１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】第１実施形態に対してナイフエッジ法を適用した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６】図５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７】第１実施形態において参照基板に代えてコーナーキューブを用いた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８】本発明の第２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９】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１０】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１１】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】
【００７２】
ＬＳ 光源
２ 偏光ビームスプリッター
３，５ １／４波長板
４ 測定対物レンズ
６ 参照対物レンズ
７ 参照基板
８ ウォラストンプリズム
１０ シリンドリカルレンズ
１３ 光検出部
１４ 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では、環境温度の変化に応じて光学素子の内部温度が変動し、特に対物レンズの内部温度の変動により検出変位のドリフト（変動）が発生し易い。また、光源が供給する光の波長の変動により、検出変位のドリフトが発生し易い。換言すれば、温度変動や波長変動に起因する変位ドリフトの発生、ひいては検出誤差の発生を抑えるには、環境温度および波長を高精度に安定化させる必要がある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検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、測定対物レンズを介して被検面に光源からの光を投光し、前記測定対物レンズを介した前記被検面からの反射光に基づいて、前記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、
光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光のうちの第１の光を測定光として測定光路に沿って導き且つ前記複数の光のうちの第２の光を参照光として参照光路に沿って導く光分割部材と、
前記被検面で反射された前記測定光が含む測定情報と前記参照光が含む参照情報と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１つの形態にしたがう変位検出装置では、参照光が、測定光の通過する測定光路に対応した条件（環境温度、光学素子、光路長など）を有する参照光路を通過する。特に、参照光は、測定光の通過する測定対物レンズに対応した位置に配置され且つ測定対物レンズに対応した光学特性を有する参照対物レンズを通過する。また、測定光と参照光とは、共通の光源からの光を光分割部材により分割して得られる光であって、互いに同じ波長を有する。換言すれば、参照光の波長の変動は、測定光の波長の変動と一致する。
【００１０】
したがって、参照光は、被検面で反射された測定光とは異なり、被検面の面位置の変位に関する情報を含まないが、測定光と同様に、温度変動の影響や波長変動の影響に関する情報を含んでいる。その結果、本発明の変位検出装置では、被検面で反射された測定光が含む測定情報と参照光が含む参照情報とに基づいて、温度変動や波長変動の影響を実質的に受けることなく、ひいては温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検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、本発明の第１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。第１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、第１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を備えている。光源ＬＳから射出された光は、ＸＹ平面およびＹＺ平面に対して所定角度だけ傾いた偏光面を有し、コリメートレンズ１を介して、偏光ビームスプリッター２に入射する。偏光ビームスプリッター２に入射して偏光分離面２ａにより反射された光すなわちｓ偏光状態の光は、測定光Ｌ１として、１／４波長板３に入射する。
【００１３】
１／４波長板３を介して円偏光状態になった測定光Ｌ１は、測定対物レンズ４を介して、ガラス基板２０に入射する。ガラス基板２０の内部を伝播して裏面２０ａで反射された測定光Ｌ１は、ガラス基板２０から射出された後、測定対物レンズ４に入射する。なお、ガラス基板２０に入射した測定光Ｌ１は、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。測定対物レンズ４を介した測定光Ｌ１は、１／４波長板３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２に戻る。
【００１４】
一方、偏光ビームスプリッター２に入射して偏光分離面２ａを透過した光すなわちｐ偏光状態の光は、参照光Ｌ２として、１／４波長板５に入射する。１／４波長板５を介して円偏光状態になった参照光Ｌ２は、参照対物レンズ６を介して、参照基板７に入射する。参照対物レンズ６は、測定対物レンズ４に対応した位置に配置されて、測定対物レンズ４に対応した光学特性を有する。
【００１５】
参照基板７は、ガラス基板２０に対応した位置に配置されて、ガラス基板２０に対応した光学特性を有する。ただし、ガラス基板２０はＺ方向に移動するが、参照基板７はＹ方向に固定されている。参照基板７の内部を伝播して裏面７ａで反射された参照光Ｌ２は、参照基板７から射出された後、参照対物レンズ６に入射する。参照基板７に入射した参照光Ｌ２は、参照面である裏面７ａまたはその近傍に集光点を形成する。
【００１６】
参照対物レンズ６を介した参照光Ｌ２は、１／４波長板５を介してｓ偏光状態に変換された後、偏光ビームスプリッター２に戻る。このように、偏光ビームスプリッター２は、光源ＬＳからの光を２つの光に分割し、反射光（第１の光）を測定光Ｌ１として測定光路に沿って導き且つ透過光（第２の光）を参照光Ｌ２として参照光路に沿って導く光分割部材を構成している。そして、偏光ビームスプリッター２の偏光分離面２ａは、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに対して互いに異なる偏光状態を付与する。
【００１７】
偏光ビームスプリッター２に戻ったｐ偏光状態の測定光Ｌ１は、偏光分離面２ａを透過して、ウォラストンプリズム８に入射する。偏光ビームスプリッター２に戻ったｓ偏光状態の参照光Ｌ２は、偏光分離面２ａで反射されて、ウォラストンプリズム８に入射する。ウォラストンプリズム８は、入射光の偏光状態に応じた向きに偏向して射出する機能を有する。したがって、ｐ偏光状態で入射した測定光Ｌ１とｓ偏光状態で入射した参照光Ｌ２とは、ウォラストンプリズム８により互いに異なる偏光状態に応じて偏向作用を受けた後、集光レンズ９に入射する。
【００１８】
集光レンズ９を介した測定光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ１０および偏光板１１を介して、光検出部１３の測定用４分割センサ３１（図１では不図示；図２を参照）に達する。集光レンズ９を介した参照光Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１０および偏光板１２を介して、光検出部１３の参照用４分割センサ３２（図１では不図示；図２を参照）に達する。シリンドリカルレンズ１０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であり、偏光ビームスプリッター２を経た測定光Ｌ１および参照光Ｌ２に非点収差を発生させる機能を有する。
【００１９】
偏光板１１は、ｐ偏光状態の光だけが透過するように配置され、測定光Ｌ１が含むノイズ光が測定用４分割センサ３１に入射するのを遮る機能を有する。偏光板１２は、ｓ偏光状態の光だけが透過するように配置され、参照光Ｌ２が含むノイズ光が参照用４分割センサ３２に入射するのを遮る機能を有する。なお、集光レンズ９の前側（偏光ビームスプリッター２側）にシリンドリカルレンズ１０を配置することもできる。また、偏光板１１および１２の設置を省略することもできる。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１０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。
【００２０】
光検出部１３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測定用４分割センサ３１と参照用４分割センサ３２とを有する。測定用４分割センサ３１は、測定光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３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを有する。
【００２１】
換言すれば、４つの受光部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、４分割センサ３１の中心点に関して点対称に配置されている。参照用４分割センサ３２は、参照光Ｌ２を受光するように位置決めされ、測定用４分割センサ３１と同様に点対称に配置された４つの受光部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有する。光検出部１３の出力、すなわち測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍおよび参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒは、信号処理部１４に供給される。
【００２２】
先ず、第１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および図２の構成から、参照光Ｌ２に関連する構成要素、すなわち１／４波長板５、参照対物レンズ６、参照基板７、偏光板１２、および参照用４分割センサ３２の設置が省略されている。また、比較例では、ウォラストンプリズム８の設置が不要である。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、上述の測定光Ｌ１に対応する光がガラス基板２０の裏面２０ａで反射され、測定用４分割センサ３１に対応する単一の４分割センサ３３（図３を参照）に達するものとする。
【００２３】
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４の焦点位置）にあるとき、裏面２０ａからの反射光は、図３に示すように４分割センサ３３において４つの受光部３３ａ〜３３ｄの中心点を中心とする円形状の光分布３３ｅ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１０の作用により、４分割センサ３３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３３ｅａおよび３３ｅｂで模式的に示すように、４つの受光部３３ａ〜３３ｄの中心点付近を中心とする楕円形状に変化する。
【００２４】
４分割センサ３３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３３ａの受光光量に対応する値であり、Ｓｂは受光部３３ａに隣接する受光部３３ｂの受光光量に対応する値である。また、Ｓｃは受光部３３ａと対向する受光部３３ｃの受光光量に対応する値であり、Ｓｄは受光部３３ｂと対向する受光部３３ｄの受光光量に対応する値である。なお、第１実施形態における測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍおよび参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒについても同様である。
Ｓ＝（Ｓａ＋Ｓｃ）−（Ｓｂ＋Ｓｄ） （１）
【００２５】
式（１）により表される４分割センサ３３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３３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。
【００２６】
４分割センサ３３の出力信号Ｓが供給される信号処理部１４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１４は、例えば４分割センサ３３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３３の出力信号Ｓの符号および絶対値に基づいて算出する。
【００２７】
比較例では、環境温度の変化に応じて光学素子の内部温度が変動し、特に対物レンズ４の内部温度の変動により検出変位のドリフト（変動）が発生し易い。また、光源ＬＳが供給する光の波長の変動により、検出変位のドリフトが発生し易い。具体的に、通常の設計にしたがう比較例において、対物レンズ４の内部温度が１°Ｃだけ変化すると、７６０ｎｍ程度の変位ドリフトが発生する。また、対物レンズ４がＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート：アクリル）により形成されていて、その焦点距離が４ｍｍである場合、光の波長が１ｎｍだけ変化すると、１６０ｎｍ程度の変位ドリフトが発生する。
【００２８】
以上のように、第１実施形態では、参照光Ｌ２が、測定光Ｌ１の通過する測定光路に対応した条件（環境温度、通過する光学素子、光路長など）を有する参照光路を通過する。とりわけ、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１の通過する測定対物レンズ４に対応した位置に配置され且つ測定対物レンズ４に対応した光学特性を有する参照対物レンズ６を通過する。また、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とは、共通の光源ＬＳからの光を偏光ビームスプリッター２により分割して得られる光であって、互いに同じ波長を有する。換言すれば、参照光Ｌ２の波長の変動は、測定光Ｌ１の波長の変動と一致する。
【００２９】
したがって、固定された参照面（参照基板７の裏面７ａ）で反射された参照光Ｌ２は、Ｚ方向に移動する被検面（ガラス基板２０の裏面２０ａ）で反射された測定光Ｌ１とは異なり、被検面の面位置の変位に関する情報を含まない。しかしながら、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１と同様に、温度変動の影響や波長変動の影響に関する情報を含んでいる。その結果、被検面で反射された測定光Ｌ１が含む測定情報と参照面で反射された参照光Ｌ２が含む参照情報とに基づいて、温度変動や波長変動の影響を実質的に受けることなく、被検面の面位置の変位を検出することができる。換言すれば、第１実施形態では、温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えて、被検面の面位置の変位を高精度に検出することができる。
【００３０】
すなわち、信号処理部１４では、測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍから参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒを差し引いて得られる差分（Ｓｍ−Ｓｒ）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。具体的に、信号処理部１４では、裏面２０ａの面位置の変位Ｄを、次の式（２）により求める。式（２）において、Ｋｍは、測定用４分割センサ３１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）であって、面位置の変化に対する信号Ｓｍの変化率である。変化率Ｋｍは、例えば計測により予め求められる。
Ｄ＝（Ｓｍ−Ｓｒ）×Ｋｍ （２）
【００３１】
測定用４分割センサ３１の出力信号Ｓｍおよび参照用４分割センサ３２の出力信号Ｓｒは、次の式（３）および（４）によりそれぞれ表される。式（３）において、Ｓｍａは受光部３１ａ、Ｓｍｂは受光部３１ｂ、Ｓｍｃは受光部３１ｃ、Ｓｍｄは受光部３１ｄの受光光量に対応する値である。式（４）において、Ｓｒａは受光部３２ａ、Ｓｒｂは受光部３２ｂ、Ｓｒｃは受光部３２ｃ、Ｓｒｄは受光部３２ｄの受光光量に対応する値である。
Ｓｍ＝（Ｓｍａ＋Ｓｍｃ）−（Ｓｍｂ＋Ｓｍｄ） （３）
Ｓｒ＝（Ｓｒａ＋Ｓｒｃ）−（Ｓｒｂ＋Ｓｒｄ） （４）
【００３２】
なお、上述の第１実施形態において、参照対物レンズ６の位置および光学特性は、必ずしも測定対物レンズ４の位置および光学特性に対応している必要はない。また、参照基板７の位置および光学特性は、必ずしもガラス基板２０の位置および光学特性に対応している必要はない。しかしながら、参照光路と測定光路との間の条件をできるだけ一致させて高精度な検出を図るには、参照対物レンズ６と測定対物レンズ４との間および参照基板７とガラス基板２０との間で、その位置および光学特性がそれぞれ対応していることが望ましい。
【００３３】
また、上述の第１実施形態では、偏光ビームスプリッター２を経た測定光Ｌ１および参照光Ｌ２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１０と、測定光Ｌ１を光電変換する測定光電変換部としての４分割センサ３１と、参照光Ｌ２を光電変換する参照光電変換部としての４分割センサ３２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。
【００３４】
以下、図５および図６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５の変形例は図１の第１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１０に代えて遮光部材１５を用いるとともに、２つの４分割センサ３１および３２に代えて２つの２分割センサ４１および４２を用いている点が第１実施形態と相違している。図５では、図１に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、図５の変形例の構成および作用を説明する。
【００３５】
図５の変形例では、集光レンズ９を介した測定光Ｌ１および参照光Ｌ２が、遮光部材１５に入射する。遮光部材１５は、装置の光軸ＡＸと直交してＹ方向に延びるエッジ１５ａを有し、測定光Ｌ１および参照光Ｌ２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。換言すれば、遮光部材１５のエッジ１５ａは、ウォラストンプリズム８が測定光Ｌ１および参照光Ｌ２を偏向させる面（ＹＺ平面）と平行に延びている。光検出部１３’は、図６に示すように、Ｙ方向に沿って間隔を隔てて配置された２つの２分割センサ４１および４２を有する。
【００３６】
図６中左側の測定用２分割センサ４１は、測定光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４１ａおよび４１ｂを有する。換言すれば、２つの受光部４１ａと４１ｂとは、２分割センサ４１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６中右側の参照用２分割センサ４２は、参照光Ｌ２を受光するように位置決めされ、測定用２分割センサ４１と同様に対称に配置された２つの受光部４２ａおよび４２ｂを有する。
【００３７】
測定用２分割センサ４１の出力信号Ｓｍおよび参照用２分割センサ４２の出力信号Ｓｒは、次の式（５）および（６）により表される。式（５）において、Ｓｍａは受光部４１ａの受光光量、Ｓｍｂは受光部４１ｂの受光光量に対応する値である。式（６）において、Ｓｒａは受光部４２ａの受光光量、Ｓｒｂは受光部４２ｂの受光光量に対応する値である。
Ｓｍ＝Ｓｍａ−Ｓｍｂ （５）
Ｓｒ＝Ｓｒａ−Ｓｒｂ （６）
【００３８】
図５の変形例では、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄの発生に応じて、測定光Ｌ１が２分割センサ４１に形成する光分布４１ｃと参照光Ｌ２が２分割センサ４２に形成する光分布４２ｃとが異なることになる。こうして、図５の変形例においても、第１実施形態の場合と同様に、上述の式（２）を用いて、温度変動や波長変動に起因する検出誤差の発生を抑えつつ、ガラス基板２０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。
【００３９】
また、上述の第１実施形態では、ウォラストンプリズム８を用いて測定光Ｌ１および参照光Ｌ２を偏光状態に応じた向きに偏向することにより、測定光Ｌ１を測定用４分割センサ３１へ導き、参照光Ｌ２を測定用４分割センサ３１とは別の参照用４分割センサ３２へ導いている。しかしながら、これに限定されることなく、図７の変形例に示すように、参照基板７に代えてコーナーキューブ１６を用いることにより、ウォラストンプリズム８の光路分離作用を果たすことができる。
【００４０】
図７の変形例では、偏光ビームスプリッター２、１／４波長板５および参照対物レンズ６を経た参照光Ｌ２が、コーナーキューブ１６に入射する。コーナーキューブ１６の内部を伝播して複数の反射面で順次反射された参照光Ｌ２は、コーナーキューブ１６への入射光路とは異なる光路に沿ってコーナーキューブ１６から射出された後、参照対物レンズ６に入射する。こうして、コーナーキューブ１６の作用により、ウォラストンプリズム８を用いなくても、偏光ビームスプリッター２から測定用４分割センサ３１へ向かう測定光Ｌ１の光路と、偏光ビームスプリッター２から参照用４分割センサ３２へ向かう参照光Ｌ２の光路とが分離される。
【００４１】
なお、図７の変形例では、コーナーキューブ１６に代えて、参照光Ｌ２を複数の反射面で順次反射して入射光路とは異なる光路に沿って射出する機能を有する他の光学部材、たとえば三角プリズムなどを用いることができる。また、図示を省略したが、図５の変形例において、参照基板７に代えてコーナーキューブ１６を用いることもできる。換言すれば、図７の変形例の基本構成において、例えばナイフエッジ法や臨界角法などの手法を用いることもできる。
【００４２】
図８は、本発明の第２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。第２実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、参照光路の構成が第１実施形態と相違している。また、第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、ウォラストンプリズム８を用いていない。図８では、図１に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態の構成および作用を説明する。
【００４３】
第２実施形態では、ガラス基板２０の裏面２０ａで反射された測定光Ｌ１が、測定対物レンズ４、１／４波長板３、偏光ビームスプリッター２、集光レンズ９、シリンドリカルレンズ１０ａ、および偏光板１１を介して、光検出部１３ａの測定用４分割センサ３１に達する。一方、偏光ビームスプリッター２を透過した参照光Ｌ２は、１／４波長板５、参照対物レンズ６、およびシリンドリカルレンズ１０ｂを介して、光検出部１３ｂの参照用４分割センサ３２に達する。
【００４４】
シリンドリカルレンズ１０ａおよび１０ｂは、第１実施形態におけるシリンドリカルレンズ１０と同様に、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である。ただし、シリンドリカルレンズ１０ａは測定光Ｌ１だけに非点収差を発生させ、シリンドリカルレンズ１０ｂは参照光Ｌ２だけに非点収差を発生させる。また、光検出部１３ｂの参照用４分割センサ３２の受光面は、反射光が測定光路に入り込んでノイズ光になるのを回避するために、ＸＺ平面に対して傾けて配置されている。
【００４５】
第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、参照光Ｌ２の通過する参照光路と測定光Ｌ１の通過する測定光路との間に共通する光路部分がない。その結果、参照光Ｌ２と測定光Ｌ１とは、環境温度に関する条件がほぼ同じであるが、通過する光学素子、光路長などに関して条件が異なる。しかしながら、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１の通過する測定対物レンズ４に対応した位置に配置され且つ測定対物レンズ４に対応した光学特性を有する参照対物レンズ６を通過する。また、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とは、共通の光源ＬＳからの光を偏光ビームスプリッター２により分割して得られる光であって互いに同じ波長を有し、参照光Ｌ２の波長の変動は測定光Ｌ１の波長の変動と一致する。
【００４６】
したがって、参照光Ｌ２は、測定光Ｌ１とは異なり、被検面の面位置の変位に関する情報を含まないが、測定光Ｌ１と同様に、温度変動の影響や波長変動の影響に関する情報を含んでいる。その結果、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、測定光Ｌ１が含む測定情報と参照光Ｌ２が含む参照情報とに基づいて、温度変動や波長変動の影響を実質的に受けることなく、被検面としてのガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位を検出することができる。
【００４７】
具体的に、第２実施形態では、信号処理部１４において、ガラス基板２０の裏面２０ａの面位置の変位Ｄを、次の式（７）により求める。式（７）において、変化率Ｋｒは、参照用４分割センサ３２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（測定用４分割センサ３１のＳカーブの傾きとは異なる）であり、例えば計測により予め求められた変化率Ｋｍと設計データとにより算出される。
Ｄ＝Ｓｍ×Ｋｍ−Ｓｒ×Ｋｒ （７）
【００４８】
なお、上述の第２実施形態では、偏光ビームスプリッター２を経た測定光Ｌ１に非点収差を発生させる第１収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ１０ａと、偏光ビームスプリッター２を経た参照光Ｌ２に非点収差を発生させる第２収差発生部材としてのシリンドリカルレンズ１０ｂと、測定光Ｌ１を光電変換する測定光電変換部としての４分割センサ３１と、参照光Ｌ２を光電変換する参照光電変換部としての４分割センサ３２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、第２実施形態の基本構成に対して、例えばナイフエッジ法や臨界角法などの手法を適用することもできる。
【００４９】
なお、上述の実施形態および変形例では、光源ＬＳからの光を２つの光に分割し、反射光を測定光Ｌ１として測定光路に沿って導き且つ透過光を参照光Ｌ２として参照光路に沿って導く光分割部材として、偏光分離面２ａを有する偏光ビームスプリッター２を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、この種の光分割部材については様々な形態が可能である。例えば、この種の光分割部材として、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。
【００５０】
一般的には、偏光型または通常型のビームスプリッターにより、反射光または透過光を測定光として測定光路に沿って導き且つ透過光または反射光を参照光として参照光路に沿って導くことができる。ただし、通常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。また、上述の実施形態および変形例では、必要に応じて、参照用４分割センサ３２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。
【００５１】
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）になるように測定対物レンズ４または装置全体をＺ方向に移動させ、測定対物レンズ４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。
【００５２】
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、上述の実施形態または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。
【００５３】
以下、図９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９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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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または図８の実施形態あるいは図５または図７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。
【００６４】
次に、図９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１０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１０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）。
【００６５】
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。
【００６６】
図１１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１１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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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】
【００７１】
【図１】本発明の第１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】第１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】第１実施形態に対してナイフエッジ法を適用した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６】図５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７】第１実施形態において参照基板に代えてコーナーキューブを用いた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８】本発明の第２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９】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１０】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１１】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】
【００７２】
ＬＳ 光源
２ 偏光ビームスプリッター
３，５ １／４波長板
４ 測定対物レンズ
６ 参照対物レンズ
７ 参照基板
８ ウォラストンプリズム
１０ シリンドリカルレンズ
１３ 光検出部
１４ 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】
測定対物レンズを介して被検面に光源からの光を投光し、前記測定対物レンズを介した前記被検面からの反射光に基づいて、前記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、
光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光のうちの第１の光を測定光として測定光路に沿って導き且つ前記複数の光のうちの第２の光を参照光として参照光路に沿って導く光分割部材と、
前記被検面で反射された前記測定光が含む測定情報と前記参照光が含む参照情報と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】
前記参照光路において前記測定対物レンズに対応した位置に配置されて前記測定対物レンズに対応した光学特性を有する参照対物レンズをさらに備え、
前記測定対物レンズは、前記光分割部材と前記被検面との間の光路中に配置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】
前記被検面で反射されて前記測定対物レンズおよび前記光分割部材を経た前記測定光を光電変換する測定光電変換部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記参照対物レンズを経て参照面に入射し且つ該参照面で反射されて前記参照対物レンズおよび前記光分割部材を経た前記参照光を光電変換する参照光電変換部を備えてい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】
前記測定光電変換部および前記参照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】
前記光分割部材と前記測定光電変換部および前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光および前記参照光に非点収差を発生させる収差発生部材を備え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】
前記光分割部材と前記測定光電変換部および前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光および前記参照光を部分的に遮る遮光部材を備え、
前記測定光電変換部および前記参照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５に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記光分割部材は、前記測定光と前記参照光とに対して互いに異なる偏光状態を付与する偏光分離面を有し、
前記光分割部材と前記測定光電変換部および前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて、前記測定光および前記参照光のうちの少なくとも一方を光の偏光状態に応じた向きの偏向する偏向部材を備えてい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】
前記参照面は、前記参照光を順次反射する複数の反射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１０】
前記参照対物レンズを経た前記参照光を光電変換する参照光電変換部を備えてい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１１】
前記測定光電変換部および前記参照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１０に記載の変位検出装置。
【請求項１２】
前記光分割部材と前記測定光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光に非点収差を発生させる第１収差発生部材と、
前記光分割部材と前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記参照光に非点収差を発生させる第２収差発生部材とを備えることを特徴とする請求項１１に記載の変位検出装置。
【請求項１３】
前記光分割部材と前記測定光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光を部分的に遮る第１遮光部材と、
前記光分割部材と前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記参照光を部分的に遮る第２遮光部材とを備え、
前記測定光電変換部および前記参照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１０に記載の変位検出装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３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１５】
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１４に記載の露光装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５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】
測定対物レンズを介して被検面に光源からの光を投光し、前記測定対物レンズを介した前記被検面からの反射光に基づいて、前記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、
光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光のうちの第１の光を測定光として測定光路に沿って導き且つ前記複数の光のうちの第２の光を参照光として参照光路に沿って導く光分割部材と、
前記被検面で反射された前記測定光が含む測定情報と前記参照光が含む参照情報と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】
前記参照光路において前記測定対物レンズに対応した位置に配置されて前記測定対物レンズに対応した光学特性を有する参照対物レンズをさらに備え、
前記測定対物レンズは、前記光分割部材と前記被検面との間の光路中に配置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】
前記被検面で反射されて前記測定対物レンズおよび前記光分割部材を経た前記測定光を光電変換する測定光電変換部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記参照対物レンズを経て参照面に入射し且つ該参照面で反射されて前記参照対物レンズおよび前記光分割部材を経た前記参照光を光電変換する参照光電変換部を備えてい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】
前記測定光電変換部および前記参照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】
前記光分割部材と前記測定光電変換部および前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光および前記参照光に非点収差を発生させる収差発生部材を備え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】
前記光分割部材と前記測定光電変換部および前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光および前記参照光を部分的に遮る遮光部材を備え、
前記測定光電変換部および前記参照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５に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記光分割部材は、前記測定光と前記参照光とに対して互いに異なる偏光状態を付与する偏光分離面を有し、
前記光分割部材と前記測定光電変換部および前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて、前記測定光および前記参照光のうちの少なくとも一方を光の偏光状態に応じた向きの偏向する偏向部材を備えてい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】
前記参照面は、前記参照光を順次反射する複数の反射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１０】
前記参照対物レンズを経た前記参照光を光電変換する参照光電変換部を備えてい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１１】
前記測定光電変換部および前記参照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１０に記載の変位検出装置。
【請求項１２】
前記光分割部材と前記測定光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光に非点収差を発生させる第１収差発生部材と、
前記光分割部材と前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記参照光に非点収差を発生させる第２収差発生部材とを備えることを特徴とする請求項１１に記載の変位検出装置。
【請求項１３】
前記光分割部材と前記測定光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記測定光を部分的に遮る第１遮光部材と、
前記光分割部材と前記参照光電変換部との間の光路中に配置されて前記光分割部材を経た前記参照光を部分的に遮る第２遮光部材とを備え、
前記測定光電変換部および前記参照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１０に記載の変位検出装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３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１５】
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１４に記載の露光装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５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１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２３６６５５（Ｐ２００９−２３６６５５Ａ）
【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２００８−８２４９８（Ｐ２００８−８２４９８）
【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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