(57)【要約】【課題】例えば、基板の面位置をより高精度に計測できる位置検出装置及び露光装置を提供する。【解決手段】本発明の第１側面に係る位置検出装置は、光軸を有し、該光軸に関して対称な２つの光束を基板に入射させる投光光学系と、受光部と、前記投光光学系から射出し該基板で反射した該２つの光束を前記受光部に導く受光光学系と、前記受光光学系から射出した該２つの光束が前記受光部に入射した位置をそれぞれ検出する検出部と、前記検出部によって検出された位置に基づいて該基板の面位置を計算する計算部とを有し、前記投光光学系及び前記受光光学系の少なくとも一方は、該２つの光束に対して共通化されていることを特徴とする。【選択図】図２
2008171960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有し、該光軸に関して対称な２つの光束を基板に入射させる投光光学系と、
受光部と、
前記投光光学系から射出し該基板で反射した該２つの光束を前記受光部に導く受光光学系と、
前記受光光学系から射出した該２つの光束が前記受光部に入射した位置をそれぞれ検出する検出部と、
前記検出部によって検出された位置に基づいて該基板の面位置を計算する計算部と、
を有し、
前記投光光学系及び前記受光光学系の少なくとも一方は、該２つの光束に対して共通化されている
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記計算部は、該２つの光束それぞれの位置の間隔に基づいて該基板の面位置を計算する
ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記投光光学系は、
計測用のパターンが形成されたパターン板と、
前記パターン板を透過する光束及び前記パターン板で反射する光束のいずれか一方に対して、該２つの光束を通過させるフィルタと、
を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
原版を介して基板を露光する露光装置であって、
照明された該原版からの光を基板へ投影する投影光学系と、
該基板を保持する基板ステージと、
前記投影光学系の光軸の方向における、前記基板ステージに保持された該基板の面位置を検出する請求項１から３のいずれか１項に記載の位置検出装置と、
を有することを特徴とする露光装置。
【請求項５】
前記位置検出装置は、該光軸に垂直な面内における、該基板に形成されたマークの位置をさらに検出する
ことを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
【請求項６】
前記位置検出装置により検出された該基板の面位置に基づいて前記基板ステージを制御する制御部をさらに有する
ことを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
【請求項７】
前記位置検出装置により検出された該マークの位置に基づいて前記基板ステージの位置を制御する制御部をさらに有する
ことを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
【請求項８】
前記投影光学系は、反射光学素子を含み
前記位置検出装置は、前記投影光学系の前記反射光学素子を介して該基板の面位置を検出する
ことを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
【請求項９】
前記投影光学系は、該原版により反射された極端紫外光を該基板に投影する
ことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１０】
請求項４から９のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する露光工程と、
前記露光工程において露光された基板を現像する現像工程と、
を有することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置検出装置及び露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
位置検出装置及び露光装置の背景技術について、要求される面位置の計測精度が厳しい半導体用の露光装置を例として説明する。
【０００３】
フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子又は液晶表示素子を基板の上に製造することがある。このとき、原版（例えば、レチクル又はマスク）に描画された回路パターンを投影光学系によって基板（例えば、ウエハ）に投影して転写するために、露光装置（例えば、投影露光装置）が使用されている。
【０００４】
露光装置では、半導体素子の高集積化に伴い、より高い解像力で原版の回路パターンを基板に投影露光することが要求されている。露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。
【０００５】
すなわち、波長を短くすればするほど解像力はよくなる。このため、近年の光源には、超高圧水銀ランプ（ｇ線（波長約４３６ｎｍ）、ｉ線（波長約３６５ｎｍ））より波長の短いＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）が用いられている。
【０００６】
また、開口数（ＮＡ）を大きくするほど解像力はよくなる。このため、液浸露光の実用化検討も進んでいる。
【０００７】
さらに、露光領域の一層の拡大も要求されている。この要求を達成するために、露光領域を矩形のスリット形状（露光スリット領域）として原版と基板とを相対的に高速走査し、露光領域を拡大する技術がある。このような技術を用いたステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる）は、略正方形形状の露光領域を基板に縮小して一括露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置（「ステッパー」とも呼ばれる。）に比べて、大画面を精度よく露光することができる。
【０００８】
このスキャナーでは、露光中において、フォーカス検出系が、基板の露光領域に計測光を照射して、基板の面位置を計測する。そして、スキャナーは、フォーカス検出系の検出結果に基づいて、原版のパターンの結像面に合うように基板の面位置を移動する。
【０００９】
このとき、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなり、露光すべき基板の面位置を原版のパターンの結像面に合わせ込む精度すなわちフォーカス精度もますます厳しくなってきている。特に、基板に塗布されたレジストの厚さむらや、基板上のパターンの影響に起因して、フォーカス検出系の計測誤差が生じやすい。
【００１０】
具体的には、周辺回路パターンやスクライブライン近傍にはレジストの厚さむらが発生しやすく、レジストの表面の段差が大きくなることがある。これにより、例えば基板の表面が平坦であっても、レジスト表面の傾斜角度が局所的に大きく（ローカルチルトに）なり、フォーカス検出系の検出する反射光の基板に対する反射角が局所的に大きく変動することがある。このため、フォーカス検出系が基板の面位置を正しく計測できないおそれがある。
【００１１】
また、基板の表面において、反射率が高い領域（例えばパターンが密な領域）と反射率が低い領域（例えばパターンが粗な領域）とが混在することがある。これにより、例えば基板の表面が平坦であっても、フォーカス検出系の検出する反射光の基板に対する反射率が局所的に大きく変動することがある。このため、フォーカス検出系が基板の面位置を正しく計測できないおそれがある。
【００１２】
例えば、図２０に示すように、基板ＳＢ上において、高反射率領域（白色で示される領域）ＨＡと、低反射率領域（灰色で示される領域）ＬＡとが存在する場合を考える。ここで、計測光が照射されてスリット像が投影される計測領域ＭＭは、その長手方向（β’方向）が、高反射率領域ＨＡと低反射率領域ＬＡとの境界に対して角度Ａだけ傾いている。計測方向は、β’方向に略垂直な方向であり、α’方向になる。
【００１３】
β’方向に垂直な３つの断面、すなわち、ＡＡ’断面、ＢＢ’断面、ＣＣ’断面における反射光の強度分布を図２１に示す。図２０に示すように、ＡＡ’断面及びＣＣ’断面は、反射率が一様な領域における断面である。これにより、図２１に示すように、ＡＡ’断面及びＣＣ’断面に対する反射光の強度分布は、対称性が良くなっている。一方、図２０に示すように、ＢＢ’断面は、反射率が異なる領域にまたがった断面である。これにより、図２１に示すように、ＢＢ’断面に対する反射光の強度分布は、対称性が悪くなっている。このように、例えば基板の表面が平坦であっても、フォーカス検出系の検出する反射光の基板に対する反射率が局所的に大きく変動することがある。すなわち、局所的な領域（高反射率領域ＨＡと低反射率領域ＬＡとの境界近傍）において、反射光の強度分布の対称性が悪くなることがある。これにより、フォーカス検出系の計測値すなわち反射光の強度分布の重心に対応する位置が基板の実際の面位置に対して局所的にずれることになる。このため、フォーカス検出系が基板の面位置を正しく計測できないおそれがある。
【００１４】
それに対して、特許文献１に示される技術では、２つの面情報検出系（フォーカス検出系）の投光光学系及び受光光学系が、それぞれ基板の上面の法線に対して対向する位置に設けられている。そして、２つの面情報検出系の投光系が、それぞれ基板の上面の法線を含む平面上の異なる２方向から基板に光束を入射させる。基板で反射したそれらの光束は、それぞれ基板の上面の法線を含む平面上の異なる別の２方向へ導かれて、２つの面情報検出系の受光系で検出される。２つの面情報検出系は、受光系が検出した結果に基づいて、基板の面位置を計測している（特許文献１参照）。これにより、段差等によるフォーカス検出系の計測値の誤差をある程度だけ低減している。
【特許文献１】特開平１１−１６８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、特許文献１に示される技術では、２つの面情報検出系（フォーカス検出系）において、投光光学系が、それぞれ別々に設けられ、受光光学系が、それぞれ別々に設けられている。これにより、投光光学系及び受光光学系の特性を、２つの面情報検出系で略同一にすることが困難である。そして、２つのフォーカス検出系が略同一形状のスリット像を基板に投影することが困難であり、スリット像を基板上の略同一箇所に投影させることが困難である。このため、異なる２方向から基板の表面に光束を入射させたとしても、段差等によるフォーカス検出系の計測値の誤差を十分に低減できないため、フォーカス検出系が基板の面位置を高精度に計測できないおそれがある。
【００１６】
本発明の目的は、例えば、基板の面位置をより高精度に計測できる位置検出装置及び露光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１側面に係る位置検出装置は、光軸を有し、該光軸に関して対称な２つの光束を基板に入射させる投光光学系と、受光部と、前記投光光学系から射出し該基板で反射した該２つの光束を前記受光部に導く受光光学系と、前記受光光学系から射出した該２つの光束が前記受光部に入射した位置をそれぞれ検出する検出部と、前記検出部によって検出された位置に基づいて該基板の面位置を計算する計算部とを有し、前記投光光学系及び前記受光光学系の少なくとも一方は、該２つの光束に対して共通化されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第２側面に係る露光装置は、原版を介して基板を露光する露光装置であって、照明された該原版からの光を基板へ投影する投影光学系と、該基板を保持する基板ステージと、前記投影光学系の光軸の方向における、前記基板ステージに保持された該基板の面位置を検出する請求項１から３のいずれか１項に記載の位置検出装置とを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３側面に係るデバイスの製造方法は、本発明の第１側面又は第２側面に係る露光装置を用いて基板を露光する露光工程と、前記露光工程において露光された基板を現像する現像工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、例えば、基板の面位置をより高精度に計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る位置検出装置を備えた露光装置は、原版のパターンを被処理体に投影露光する装置である。原版は、例えば、レチクル、マスクなどである。被処理体は、例えば基板である。基板は、例えば、半導体の単結晶基板（ウエハ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などである。この露光装置は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式によって露光する装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィ工程に好適である。また、本発明に係る位置検出装置は、例えば、ＣＤ装置やＤＶＤ装置などにおける光ピックアップ装置により、基板の面位置を計測する装置である。
【００２２】
まず、本発明の第１実施形態に係る露光装置２００を、図１を用いて説明を行う。図１は、本発明の第１実施形態に係る露光装置２００の構成図である。
【００２３】
露光装置２００は、図１に示すように、照明光学系８０１、原版２１を保持する原版ステージＲＳ、投影光学系２２、基板９を保持する基板ステージＷＳ、位置検出装置１５、及び制御部１１００を備える。
【００２４】
制御部１１００は、ＣＰＵやメモリを有し、光源８００、照明光学系８０１、原版ステージＲＳ、基板ステージＷＳ、及び位置検出装置１５と電気的に接続され、露光装置２００の動作を制御する。例えば、制御部１１００は、基板９の面位置を位置検出装置１５に演算させ、基板９の面位置の演算結果を位置検出装置１５から受け取り、基板９の面位置に基づいて基板ステージＷＳを駆動制御する。
【００２５】
照明光学系８０１は、光源８００から射出された光束を用いて被照明面（原版２１の上面）を照明する光学系である。照明光学系８０１は、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、原版２１を照明する。照明光学系８０１は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含む。照明光学系８０１では、例えば、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、及び投光結像光学系が、順番に配置される。照明光学系８０１は、軸上光、軸外光を問わずに使用してもよい。オプティカルインテグレーターは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）を重ねることによって構成されるインテグレーターを含んでもよく、光学ロッドや回折素子に置換されてもよい。
【００２６】
ここで、光源８００には、例えば、レーザーが用られる。レーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどである。光源８００に使用される光源の種類は、エキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーや波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ；極端紫外光）光であってもよい。
【００２７】
原版２１は、例えば、石英製で、転写されるべき回路パターンがＣｒ等で形成され、原版ステージＲＳに支持（保持）されている。原版２１の回路パターンで回折された回折光は、投影光学系２２を通り、基板９上に投影される。原版２１と基板９とは、光学的に共役の関係に配置される。原版２１と基板９を縮小倍率比の速度比で走査することにより原版２１のパターンを基板９上に転写する。
【００２８】
原版ステージＲＳは、原版チャック（図示せず）を介して原版２１を支持（保持）し、移動機構（図示せず）に接続されている。移動機構は、リニアモーターなどを含み、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向に原版ステージＲＳを駆動することで原版２１を移動させることができる。例えば、原版２１の付近には、光斜入射系の原版検出部（図示せず）が設けられている。原版２１は、原版検出部（図示せず）によって位置が検出される。制御部１１００は、その検出結果に基づいて、原版２１が所定の位置に配置されるように、原版ステージＲＳを駆動制御する。
【００２９】
投影光学系２２は、物体面（原版２１の上面）で回折された光束を、像面（焦点面）に結像する機能を有する。投影光学系２２は、原版２１の回路パターンで回折された回折光を基板９へと導き、回路パターンに対応した像を基板９上に結像する。投影光学系２２は、複数のレンズ素子のみからなる光学系を含んでもよいし、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）を含んでもよい。また、投影光学系２２は、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系を含んでもよい。色収差の補正が必要な場合、投影光学系２２は、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を含んでもよく、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成した光学系を含んでもよい。
【００３０】
基板９には、その上面にフォトレジストが塗布されている。なお、本実施形態では、基板９は、原版２１のパターンが転写される被処理体であるとともに、位置検出装置１５によりその位置が検出される被検出体でもある。
【００３１】
基板ステージＷＳは、基板チャック（図示せず）を介して基板９を支持（保持）し、移動機構（図示せず）に接続されている。移動機構は、リニアモーターなどを含み、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向に基板ステージＷＳを駆動することで基板９を移動させることができる。
【００３２】
また、原版ステージＲＳの位置と基板ステージＷＳの位置とは、例えば、レーザー干渉計（図示せず）などにより監視され、一定の速度比率で駆動される。基板ステージＷＳは、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられ、原版ステージＲＳ及び投影光学系２２は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパを介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。
【００３３】
位置検出装置１５は、ワンショット内の走査露光中に、基板９で反射した計測光の受光素子１３（図２参照）における受光位置を検出して、検出した受光位置に基づいて基板９の面位置を演算する。位置検出装置１５は、演算した基板９の面位置の情報を制御部１１００へ供給する。制御部１１００は、演算された基板９の面位置に基づいて、露光像面（原版２１のパターンの結像面）からのずれ量を算出する。制御部１１００は、算出したずれ量に基づいて、基板９の面位置や傾きが原版のパターンの結像面に合うように、基板ステージＷＳを駆動制御する。
【００３４】
次に、基板９の面位置（フォーカス）の計測点について説明する。図９に示すように、基板９の全域に渡って、スキャン方向（Ｙ方向）に基板ステージＷＳをスキャンしながら、位置検出装置１５で基板９の面位置を計測する。そして、スキャン方向と垂直な方向（Ｘ方向）には、ＷＳステージをΔＸだけステップする。これらの動作を繰り返し行うことにより、基板９全面のプロファイル計測を行うようにしている。
【００３５】
なお、高スループット化のためには、位置検出装置１５を複数用いて、基板９上の異なるポイントの面位置を同時に計測するようにしても良い。例えば、図１０に示すように、２つの位置検出装置（第１位置検出装置及び第２位置検出装置）がＸ方向にΔＸの間隔で並べて配置されている場合を考える。この場合、第１位置検出装置が照射するスリット像ＭＡと、第２位置検出装置が照射するスリット像ＭＢとは、基板９上にΔＸの間隔で同時に結像する。制御部１１００は、基板９の全域に渡ってスキャン方向（Ｙ方向）に基板ステージＷＳをスキャンしながら、第１位置検出装置及び第２位置検出装置に基板９の面位置を計測させる。制御部１１００は、スキャン方向と垂直な方向（Ｘ方向）にＷＳステージを２ΔＸだけステップして、第１位置検出装置及び第２位置検出装置に基板９の面位置を計測させる。制御部１１００は、このような動作を繰り返し行う。これにより、基板９全面のプロファイル計測を行うようにしている。この場合、第１位置検出装置及び第２位置検出装置による計測時間は、単一の位置検出装置１５による計測時間の約半分になる。
【００３６】
また、位置検出装置１５が備えるスリット板３のスリット３Ｓ（図２参照）は、複数のスリットを所定間隔で配置した回折格子型でもよい。このとき、位置検出装置１５は、各スリットで回折された光の基板９での反射光に対して、受光素子１３（図２参照）における受光位置を個別に検出することにより、各スリットの照射領域における基板９の面位置を個別に計測しても良い。
【００３７】
次に、基板９の面位置が計測された後の、スキャン露光時のフォーカス及びチルトの計測による基板９の面位置補正方法について説明する。位置検出装置１５は、基板９の上面の位置（基板９の面位置）を計測して、基板９の面位置の情報を制御部１１００に供給する。制御部１１００は、基板９の面位置の情報を記憶する。また、制御部１１００は、投影光学系２２の投影レンズ（図示せず）の下に基板９の露光対象のショットが位置するように、基板ステージＷＳを駆動制御する。制御部１１００は、記憶している基板９の面位置の情報に基づいて、露光対象のショット近傍の領域に対して、基板９の面位置の三次元データ（面形状データ）を作成する。制御部１１００は、作成した基板９の面位置の三次元データに基づいて、露光対象のショット近傍の領域に対して、露光像面（原版２１のパターンの結像面）からのずれ量を算出する。制御部１１００は、基板９の面位置及び傾きが原版２１のパターンの結像面に合うように、Ｚ方向および傾き（チルト）方向への基板ステージＷＳを駆動制御する。制御部１１００は、このような動作を行いながら基板上のスリット領域を露光し、かつ基板ステージＷＳをＹ方向へスキャンするように駆動制御する。こうして、制御部１１００は、露光対象のショットの転写が終了すると、同様に次の露光対象のショットに対しても同様の動作を行う。制御部１１００は、未露光のショットがないかどうかを判断し、未露光ショットがなくなるまで、上述の動作を繰り返す。制御部１１００は、全ての露光ショットの転写が終了したと判断したら、基板９を回収し、露光プロセスを終了する。
【００３８】
なお、制御部１１００は、基板９の面位置の情報において、基板の面位置の情報がＺ座標の情報となっており、基板ステージのＸＹ駆動位置の情報がＸＹ座標の情報となっていてもよい。また、制御部１１００は、最初の露光対象のショットを転写する前に、記憶している基板９の面位置の情報に基づいて、全ショット領域に対して、基板９の面位置の三次元データ（面形状データ）を作成してもよい。制御部１１００は、全ショット領域における基板９の面位置の三次元データに基づいて、全ショット領域に対して、露光像面（原版２１のパターンの結像面）からのずれ量を算出してもよい。
【００３９】
また、基板ステージＷＳは、１つのみであってもよいし、基板を露光するための露光ステーションと基板のアライメント計測や面位置計測をするための計測ステーションとの間を行き来するものが複数あってもよい。この場合、位置検出装置は、計測ステーション側に配置することになる。
【００４０】
次に、位置検出装置の構成及び動作について説明する。図２は、本発明の第１実施形態における位置検出装置の概略構成図である。
【００４１】
位置検出装置１５は、基板９の表面のＺ方向位置（面位置）を検出する（フォーカス検出系の）機能を有する。位置検出装置１５は、投光光学系、受光光学系及び演算処理装置４００（図１参照）を備える。演算処理装置４００は、受光位置検出部（図示せず、検出部）、算出部（図示せず、計算部）及び演算部（図示せず、計算部）を備える。
【００４２】
投光光学系は、投光照明光学系２、パターン板３、投光結像光学系、フィルタ５、偏光ビームスプリッタ６及びλ／４波長板７を備える。投光結像光学系は、レンズ４とレンズ８とを含む。光源１、投光照明光学系２、パターン板３、レンズ４、フィルタ５、偏光ビームスプリッタ６、λ／４波長板７及びレンズ８は、基板９とともに、投光光学系の光軸ＰＡを中心に配置されている。
【００４３】
受光光学系は、受光結像光学系、λ／４波長板７、偏光ビームスプリッタ６、受光拡大光学系及び受光素子１３を備える。受光結像光学系は、レンズ８とレンズ１０とを含む。受光拡大光学系は、レンズ１１とレンズ１２とを含む。レンズ８、λ／４波長板７、偏光ビームスプリッタ６、レンズ１０、レンズ１１、レンズ１２及び受光素子１３は、基板９とともに、受光光学系の光軸ＰＢを中心に配置されている。ここで、光軸ＰＢは、基板９から偏光ビームスプリッタ６に至る部分において光軸ＰＡと重なっており、偏光ビームスプリッタ６から受光素子１３に至る部分において光軸ＰＡと交差する方向に延びている。
【００４４】
光源１は、投光光学系の光軸ＰＡの上流に設けられ、ＬＥＤやＬＤ、またはハロゲンランプなどを用いて光（フォーカス計測光）を発生する。
【００４５】
投光照明光学系２は、光軸ＰＡに対して光源１の下流に設けられ、光源１から射出された光束を光軸ＰＡの下流側へ導き、パターン板３を照明する。投光照明光学系２は、照明強度の均一性、偏光状態を制御する機能を有する。本実施形態では、投光照明光学系２が、光源１から射出された光に対して偏光方向を揃えてＰ偏光（電場の振動方向が紙面内）とし、そのＰ偏光でパターン板３を照明している。
【００４６】
パターン板３は、光軸ＰＡに対して投光照明光学系２の下流において、投光結像光学系（レンズ４とレンズ８）の像面と共役な位置に設けられる。パターン板３において光軸ＰＡ近傍が開口され、例えば、矩形の透過スリット３Ｓのパターン（計測用のパターン）が形成されている。パターン板３は、例えば、ガラス板であり、透過スリット３Ｓ以外はＣｒがコーティングされている。なお、透過スリットは、単一でもよいし、複数のスリットが並んだ回折格子タイプのスリットでも良い。あるいは、透過スリットは、スリット部自体が回折格子状になっている構成でも良い。あるいは、パターン板が透過率の高い物質で形成されるとともに、パターン板において光軸ＰＡ近傍のみに、例えば、反射率の高い物質で矩形の反射スリットのパターンが形成されていてもよい。
【００４７】
レンズ４は、光軸ＰＡに対してパターン板３の下流に設けられて、パターン板３を通過した光束を屈折させてフィルタ５へ導く。例えば、レンズ４は、パターン板３の透過スリット３Ｓで回折（散乱）された０次光Ｂ０、−１次光Ｂ１、＋１次光Ｂ２を屈折させてフィルタ５へ導く。ここで、０次光Ｂ０は、投光光学系の光軸ＰＡ近傍を進む。−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２は、投光光学系の光軸ＰＡに沿って光軸ＰＡから離れた場所を進む。なお、レンズ４は、２次以上の次数の回折光をさらに屈折させても良い。
【００４８】
フィルタ５は、光軸ＰＡに対してレンズ４の下流に設けられる。フィルタ５には、光軸ＰＡ近傍以外の部分において開口されている。これにより、フィルタ５は、レンズ４で屈折した光束を部分的に透過させる。すなわち、フィルタ５は、０次光Ｂ０をカットし、±ｎ次（ｎ：自然数）の複数の光束を通過させる。例えば、フィルタ５は、−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２を通過させる。
【００４９】
偏光ビームスプリッタ６は、光軸ＰＡに対するフィルタ５の下流であって光軸ＰＢに対するλ／４波長板７の下流において、レンズ４、レンズ８及びレンズ１０の間に配置される。これにより、偏光ビームスプリッタ６は、光束を分岐する。すなわち、偏光ビームスプリッタ６は、レンズ４からフィルタ５経由で入射される光（Ｐ偏光）を透過してレンズ８へ導き、レンズ８からλ／４波長板７経由で入射される光（Ｓ偏光）を反射してレンズ１０へ導く。
【００５０】
λ／４波長板７は、光軸ＰＡに対して偏光ビームスプリッタ６の下流に設けられ、偏光ビームスプリッタ６を通過した光束を光軸ＰＡの下流側へ導きレンズ８へ入射させる。また、λ／４波長板７は、光軸ＰＢに対してレンズ８の下流に設けられ、レンズ８を通過した光束を光軸ＰＢの下流側へ導き偏光ビームスプリッタ６へ入射させる。このとき、λ／４波長板７は、直線偏光と円偏光とを相互に変換する。例えば、λ／４波長板７は、偏光ビームスプリッタ６から入射する光（Ｐ偏光）を円偏光に変換してレンズ８に入射させ、レンズ８から入射する光（円偏光）をＳ偏光に変換して偏光ビームスプリッタ６に入射させる。
【００５１】
レンズ８は、光軸ＰＡに対してλ／４波長板７の下流に設けられ、λ／４波長板７を通過した光束を屈折させて基板９へ導く。すなわち、投光光学系の投光結像光学系（レンズ４及びレンズ８）は、パターン板３の透過スリット３Ｓのパターンで回折された光束を屈折させて、パターン板３のパターンを基板９の上に結像させる。すなわち、投光光学系の投光結像光学系は、基板９の表面の法線に対して対称な角度で２つの光束を基板９に入射させる。また、レンズ８は、基板９で反射した反射光を屈折させてλ／４波長板７へ導く。
【００５２】
レンズ１０は、光軸ＰＢに対して偏光ビームスプリッタ６の下流に設けられ、偏光ビームスプリッタ６で反射した光束を再結像面Ｍ’上に再度結像させる。すなわち、受光結像光学系（レンズ８及びレンズ１０）は、基板９で反射した光束を屈折させて、パターン板３のパターンを再結像面Ｍ’上に再度結像させる。また、レンズ１０は、偏光ビームスプリッタ６で反射した光束を拡大光学系（レンズ１１及びレンズ１２）へ導く。
【００５３】
拡大光学系（レンズ１１及びレンズ１２）は、光軸ＰＢに対してレンズ１０の下流に設けられ、レンズ１０で屈折した光束をさらに屈折させて受光素子１３へ導く。具体的には、拡大光学系（レンズ１１及びレンズ１２）は、受光結像光学系（レンズ８及びレンズ１０）の再結像面Ｍ’から光軸ＰＢの下流側にずれた面（以下、再結像シフト面と呼ぶ）Ｍ”に投影されるパターンの像を、受光素子１３に拡大結像させる。ここで、再結像シフト面Ｍ”は、拡大光学系に関して受光素子１３の受光面と共役な位置にある。
【００５４】
受光素子（受光部）１３は、光軸ＰＢに対して拡大光学系（レンズ１１及びレンズ１２）の下流に設けられ、拡大光学系から射出された光束を検知する。受光素子１３は、例えば、ＣＣＤ（エリアセンサまたはラインセンサ）や、４分割センサなどの素子である。
【００５５】
受光位置検出部は、受光光学系の受光素子１３及び算出部に接続されている。受光位置検出部は、光電変換された電荷に応じたアナログ信号を各画素ごとに受光素子１３から受け取る。受光位置検出部は、受け取ったアナログ信号に基づき、受光光学系から射出された光束が受光素子１３に入射する位置である受光位置Ｓ１，Ｓ２を、２つの光束に対して検出する。ここで、受光位置Ｓ１，Ｓ２は、２つの光束のそれぞれが受光素子１３に形成する像の重心位置である。受光位置検出部は、２つの光束の受光位置Ｓ１，Ｓ２の情報を算出部へ供給する。
【００５６】
算出部は、受光位置検出部及び演算部に接続されている。算出部は、２つの光束の受光位置Ｓ１，Ｓ２の情報を受光位置検出部から受け取る。算出部は、受け取った２つの光束の受光位置の情報に基づき、２つの光束の受光位置の間隔を算出する。算出部は、算出した間隔の情報を演算部へ供給する。
【００５７】
演算部は、算出部及び駆動制御部に接続されている。演算部は、算出された間隔の情報を算出部から受け取る。演算部は、算出された間隔の情報に基づいて、基板９の面位置を演算する。例えば、演算部は、算出された間隔と、フォーカス状態における間隔とを比較して、デフォーカス量を演算する。このようにして、演算部は、基板９の面位置を演算する。演算部は、基板９の面位置の情報を制御部１１００の駆動制御部へ供給する。これにより、駆動制御部は、基板９の面位置と目標とする面位置（原版２１のパターンの結像面の位置）との差分を演算し、その差分だけＺ方向に基板ステージＷＳを駆動する。
【００５８】
なお、フォーカス状態における間隔は、演算部に予め設定されていてもよいし、演算部が参照可能な記憶部（図示せず）に記憶されていても良い。また、受光素子１３が受光した各反射光の位置を受光位置検出部が検出する方法としては、公知の方法を用いてもよい。例えば、受光素子１３として４分割センサや２分割センサを用いる場合、分割された各素子で受光された光強度の比を演算することにより、受光素子１３が受光した各反射光の位置を検出することができる。あるいは、例えば、受光素子１３としてＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどのアレイ素子を用いる場合、受光領域の大きさに対応する複数の素子からの光強度を元に受光領域の重心を計算することにより、受光素子１３が受光した各反射光の位置を検出することができる。
【００５９】
このように、投光光学系及び受光光学系は、上記の２つの光束に対して共通化されている。
【００６０】
次に、図２に示すスリット３Ｓで回折される０次光Ｂ０、−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２の光路を詳細に説明する。
【００６１】
スリット３Ｓで回折された０次光Ｂ０は、図２に二点鎖線で示すように、レンズ４を通過した後、フィルタ５でカットされる。
【００６２】
スリット３Ｓで回折された−１次光Ｂ１は、図２に実線で示すように、レンズ４、８により基板９に、図面左側から入射角度θｉｎで入射する。その入射光は、反射角θｉｎで基板９上反射される。この反射光は、レンズ８、λ／４波長板７、偏光ビームスプリッタ６、レンズ１０、拡大光学系（レンズ１１，１２）を経由して、受光位置Ｓ１で受光素子１３に受光される。ここで、受光位置Ｓ１は、−１次光Ｂ１が受光素子１３上に形成する像の重心位置である。
【００６３】
スリット３Ｓで回折された＋１次光Ｂ２は、図２に破線で示すように、レンズ４、８により基板９に、図面右側から入射角度θｉｎで入射する。その入射光は、反射角θｉｎで基板９上反射される。その反射光は、レンズ８、λ／４波長板７、偏光ビームスプリッタ６、レンズ１０、拡大光学系（レンズ１１，１２）を経由して、受光位置Ｓ２で受光素子１３に受光される。ここで、受光位置Ｓ２は、＋１次光Ｂ２が受光素子１３上に形成する像の重心位置である。
【００６４】
なお、間隔を算出することが可能なように受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２とが検出されるのであれば、−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２は、別々の受光素子で受光されても良い。
【００６５】
次に、基板９の面位置が変化した場合の光路のシフトを、図３及び図４を用いて説明する。図３は、基板９の面位置が変化した場合の−１次光Ｂ１の光路のシフトを示す図である。図４は、基板９の面位置が変化した場合の＋１次光Ｂ２の光路のシフトを示す図である。
【００６６】
図３に示すように、基板９の面位置（Ｚ方向の位置）が９Ａから９ＢへｄＺだけ変化した場合、−１次光Ｂ１は、面位置９Ａに対して、Ｘ１＝２・ｔａｎθｉｎ・ｄＺだけ図面右方向にシフトする（図面右方向をＸ方向の正方向とする）。また、図４に示すように、基板９の面位置が９Ａから９ＢへｄＺだけ変化した場合、＋１次光Ｂ２は、面位置９Ａに対して、Ｘ２＝―２・ｔａｎθｉｎ・ｄＺだけ図面右方向にシフトする（符号「―」は、図面左方向を示す）。このように、基板９の面位置の変化に対して、−１次光Ｂ１と＋１次光Ｂ２とが逆方向にシフトするので、それに応じて、受光素子１３上の２つの受光位置Ｓ１，Ｓ２の間隔Ｄも変化することになる。すなわち、算出部は、下記の数式１に示すように、受光位置検出部が検出した２つの受光位置Ｓ１，Ｓ２の差分（Ｘ１−Ｘ２）・Ｍを求めることにより、受光素子１３上の間隔Ｄを算出することができる。
【００６７】
Ｄ≒（Ｘ１−Ｘ２）・Ｍ＋Ｄ０・・・数式１
演算部は、位置検出装置３０の結像倍率（受光結像光学系の倍率と受光拡大光学系の倍率の積）をＭ、及び±１次光の基板９への入射角度θｉｎを用いて、数式１により算出部が算出した間隔Ｄに基づいて、下記の数式２によりＺ方向の変位ｄＺを演算する。
【００６８】
Ｄ＝２・Ｍ・ｔａｎθｉｎ・ｄＺ＋Ｄ０・・・数式２
これにより、演算部は、基板９の面位置を演算する。
【００６９】
ここで、数式１及び数式２におけるＤ０は、結像面９’（図示せず）からデフォーカスした面位置（Ｚ方向の位置）と共役な位置で２つの受光位置の間隔を計測しているために生じる初期オフセット（オフセット量）である。初期オフセットＤ０は、以下の手法により、較正することができる。
【００７０】
まず、駆動制御部は、基板９を保持している基板ステージをＺ方向に駆動する。そして、遮光機構（図示せず）は、−１次光Ｂ１と＋１次光Ｂ２とを交互に遮光する。受光位置検出部は、−１次光Ｂ１の受光位置Ｓ１と＋１次光Ｂ２の受光位置Ｓ２とを個別に検出する。算出部は、個別に検出された受光位置Ｓ１、Ｓ２の情報に基づいて、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２との間隔Ｄを算出する。演算部は、算出された間隔Ｄに基づいて、間隔Ｄがゼロであるか否かを判断する。間隔Ｄがゼロでないと演算部が判断する場合、駆動制御部は、基板ステージをＺ方向にさらに駆動する。一方、演算部は、間隔Ｄがゼロであると判断する場合、算出された間隔Ｄを基準となる間隔Ｄ１（≒０）とする。そして、演算部は、基準となる間隔Ｄ１に基づいて、基板９の面位置を演算し、演算した面位置を基準となる面位置Ｚ１とする。ここで、面位置Ｚ１は、再結像面Ｍ’と再結像シフト面Ｍ”との間隔ΔＭＤ／（受光結像光学系の倍率）だけ、パターン板３のパターンの結像面からＺ方向にシフト（デフォーカス）した基板９の面位置を示す。すなわち、
（デフォーカス量）＝ΔＭＤ／（受光結像光学系の倍率）・・・数式３
である。
【００７１】
次に、駆動制御部は、間隔ΔＭＤ／（受光結像光学系の倍率）だけ、基板ステージをＺ方向に駆動する。受光位置検出部は、−１次光Ｂ１の受光位置Ｓ１と＋１次光Ｂ２の受光位置Ｓ２とをともに検出する。算出部は、個別に検出された受光位置Ｓ１、Ｓ２の情報に基づいて、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２との間隔Ｄを算出する。演算部は、算出された間隔Ｄをオフセット状態の間隔すなわち上述の初期オフセットＤ０とする。そして、演算部は、初期オフセットＤ０に基づいて、基板９の面位置を演算し、フォーカス状態からの基板９の面位置のずれ量をｄＺとして演算する。また、初期オフセットＤ０は、フォーカス状態における受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２との間隔を示す。
【００７２】
なお、受光素子１３の有効受光範囲において受光位置Ｓ１，Ｓ２を結ぶ方向の概略半分の幅の情報は、演算部に予め設定されていても良いし、演算部が参照可能な記憶部に記憶されていても良い。
【００７３】
このようにして、演算部は、数式１のｄＺを、投光結像光学系（レンズ４とレンズ８）の焦点面（パターン板３のパターン像の結像面）からのＺ方向の変位（ずれ）とする。
【００７４】
なお、駆動制御部は、通常の動作時に、ｄＺがゼロになるような位置に基板ステージを駆動する。これにより、駆動制御部は、基板９の面位置を焦点面に位置合わせする。
【００７５】
例えば、レンズ４とレンズ８とを含む投光結像光学系の開口数ＮＡを０．６とし、入射角度θｉｎを３０度（ｓｉｎθｉｎ＜ＮＡ）、レンズ１１とレンズ１２とを含む拡大光学系の倍率Ｍを１０倍とした場合を考える。基板９の面位置の変化ｄＺは、２×１０・ｔａｎ(３０度)＝１１．５倍に拡大されることになる。例えば、受光素子１３として、５μｍ（＝５０００ｎｍ）画素ピッチのラインセンサを使用した場合、受光位置を、例えば重心処理により、画素ピッチの１／２０程度の分解能で検出できる。従って、この場合の面位置計測分解能は、５０００ｎｍ／２０／１１．５＝２２ｎｍとなる。
【００７６】
すなわち、面位置計測分解能をＺＲ、受光素子１３の画素ピッチをＰｚとすると、
ＺＲ＝Ｐｚ／２０／（２Ｍ・ｔａｎθｉｎ）・・・数式４
となる。
【００７７】
このように、数式４に基づいて、要求される面位置計測分解能ＺＲを満たすように、受光素子１３の画素ピッチをＰｚ、拡大光学系の倍率Ｍ、及び±１次光の基板９への入射角度θｉｎを設計することができる。そして、ｓｉｎθｉｎ＜ＮＡを満たすように、投光光学系の開口数ＮＡを設計することができる。さらに、演算部は、拡大光学系の倍率Ｍ、及び±１次光の基板９への入射角度θｉｎを用いて、数式１により算出部が算出した間隔Ｄに基づいて、数式２によりＺ方向の変位ｄＺを演算する。
【００７８】
次に、反射率分布がある基板９上の領域の面位置を計測したときのキャンセル効果を、図５及び図８を用いて説明する。
【００７９】
始めに、基板９上に図２で示すような反射率分布が存在し、低反射率領域ＬＡと高反射率領域ＨＡとの境界近傍領域の面位置を計測する場合を考える。図５は、基板９を上面に垂直な方向から見た図である。図５に示すように、基板９の表面において、低反射率領域（灰色で示す領域）ＬＡと、高反射率領域（白色で示す領域）ＨＡとが混在する。そして、低反射率領域ＬＡと高反射率領域ＨＡとの境界近傍領域には、左側入射光（−１次光）Ｂ１によるスリット像Ｍ１と、右側入射光（＋１次光）Ｂ２によるスリット像Ｍ２とがほぼ重なった状態で（略同一箇所に）結像される。
【００８０】
このようなスリット像Ｍ１，Ｍ２に対応した受光位置Ｓ１，Ｓ２を、図８を用いて説明する。図８は、受光素子１３上での受光位置を示す図である。図８において、基板９の面位置が９Ａである場合の受光した光の強度分布（プロファイル）を実線で示し、基板９の面位置が９Ｂである場合の受光した光の強度分布（プロファイル）を破線で示している。
【００８１】
まず、基板９の面位置が９Ａである場合の実線のプロファイルＰＦ１Ａ，ＰＦ２Ａを考える。左側入射光（−１次光）Ｂ１の受光位置Ｓ１近傍におけるプロファイルＰＦ１Ａは、基板９の反射率分布（図２参照）により、左右非対称な波形となる。このプロファイルＰＦ１Ａは、基板９の反射率が均一に分布する場合に比べて、高反射率領域ＨＡの側に重心位置がｄＰ１だけシフトする。同様に、右側入射光（＋１次光）Ｂ２の受光位置Ｓ２のプロファイルＰＦ２Ａは、基板９の反射率分布（図２参照）により、左右非対称な波形となる。このプロファイルＰＦ２Ａは、基板９の反射率が均一に分布する場合に比べて、高反射率領域ＨＡの側に重心位置がｄＰ２だけシフトする。このとき、基板９に対して左右から入射した光は、基板９上で概ね重なっている（図５参照）ため、それらのシフト量は概ね等しい（すなわちｄＰ１≒ｄＰ２）。したがって、基板９の面位置が９Ａである場合、２つの受光位置Ｓ１，Ｓ２の間隔ＤＡを計測することにより、反射率分布による各受光位置Ｓ１，Ｓ２の計測誤差ｄＰ１，ｄＰ２をキャンセルできる。
【００８２】
次に、基板９の面位置が９Ｂである場合の破線のプロファイルＰＦ１Ｂ，ＰＦ２Ｂを考える。この破線のプロファイルＰＦ１Ｂ，ＰＦ２Ｂは、実線のプロファイルＰＦ１Ａ，ＰＦ２Ａと比較すると、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２との間隔が大きくなっている（間隔ＤＢ＞間隔ＤＡ）。このことは、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２とが、基板９の面位置に対して逆方向に変化することを示している（図３、図４参照）。また、破線のプロファイルＰＦ１Ｂ，ＰＦ２Ｂは、実線のプロファイルＰＦ１Ａ，ＰＦ２Ａと比較すると、基板の反射率分布による重心位置が同じ方向にシフトする点で共通している。すなわち、破線のプロファイルＰＦ１Ｂ，ＰＦ２Ｂは、基板９の反射率が均一に分布する場合に比べて、高反射率領域ＨＡの側に（同じ方向に）重心位置がそれぞれｄＰ１，ｄＰ２だけシフトする。これらのシフト量は概ね等しい（ｄＰ１≒ｄＰ２）。したがって、基板９の面位置が９Ｂである場合も、２つの受光位置Ｓ１，Ｓ２の間隔ＤＢを算出することにより、反射率分布による各受光位置Ｓ１，Ｓ２の計測誤差ｄＰ１，ｄＰ２をキャンセルできることになる。
【００８３】
次に、レジスト表面において傾斜角度が局所的に大きく（ローカルチルトに）なっている領域の面位置を計測したときのキャンセル効果を、図６〜図８を用いて説明する。図６は、ローカルチルトによる基板９の反射光の光路を示す図である。図７は、ローカルチルトによる反射光の再結像シフト面Ｍ”における位置のシフトを説明する図である。なお、上記では、基板９に対する入射光と反射光とを同一の符号で表したが、以下では、便宜的に入射光と反射光とを異なる符合で表すことにする。
【００８４】
図６に示すように、−１次光Ｂ１、＋１次光Ｂ２の反射方向は、面計測位置の表面にローカルチルトがない場合に比べて、ローカルチルト（チルト角Ｔ）がある場合に局所的にずれる。すなわち、左側から入射した−１次光Ｂ１の反射光Ｂ１’は、ローカルチルトが無い場合に比べて、角度２Ｔだけ反射方向がずれる。右側から入射した＋１次光Ｂ２の反射光Ｂ２’も同様に、ローカルチルトが無い場合に比べて、角度２Ｔだけ反射方向がずれる。ここで、反射光Ｂ１’,Ｂ２’のずれる回転方向は同じである。
【００８５】
反射光Ｂ１’,Ｂ２’の反射方向がずれることに応じて、図７に示すように、再結像シフト面Ｍ”における反射光Ｂ１’,Ｂ２’の位置もずれる。
【００８６】
すなわち、再結像面Ｍ’では、−１次光Ｂ１’の位置と、＋１次光Ｂ２’の位置とが重なる。また、再結像面Ｍ’では、ローカルチルトがある場合の−１次光Ｂ１’（又は＋１次光Ｂ２’）の位置と、（一点鎖線で示す）ローカルチルトが無い場合の−１次光Ｂ１’（又は＋１次光Ｂ２’）の位置とが重なる。
【００８７】
一方、再結像シフト面Ｍ”上では、図７に示すように、ローカルチルト量（チルト角Ｔ）に応じた量だけ、反射光Ｂ１’,Ｂ２’の位置がシフトする。すなわち、再結像シフト面Ｍ”において、左側入射光Ｂ１の反射光Ｂ１’の位置は、ローカルチルト量が無い場合に比べて、ｄｍ１だけ図面下方にシフトする。再結像シフト面Ｍ”において、右側入射光Ｂ２の反射光Ｂ２’の位置は、ローカルチルト量が無い場合に比べて、ｄｍ２だけ図面下方にシフトする。上記のようにローカルチルト分による入射角度変化は概ね同じ（角度２Ｔ）であるので、ｄｍ１≒ｄｍ２が成立する。
【００８８】
このように、再結像シフト面Ｍ”において、−１次光Ｂ１’の位置のシフト量ｄｍ１と、＋１次光Ｂ２’の位置のシフト量ｄｍ２とが、同一方向で概ね等量である。これにより、再結像シフト面Ｍ”と共役な位置である受光素子１３の受光面においても、−１次光Ｂ１’の受光位置Ｓ１のシフト量と、＋１次光Ｂ２’の受光位置Ｓ２のシフト量とが、同一方向で概ね等量になる。基板９のローカルチルトによる−１次光Ｂ１’及び＋１次光Ｂ２’の位置のシフトが同一方向で概ね等量になるので、その差分を取ることで、そのシフト量をキャンセル出来る（図８参照）。すなわち、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２とは、基板９の面位置の変化に対して、受光素子１３上で逆方向に変化する（図８参照）。一方、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２とは、基板９のローカルチルトに対して、受光素子１３上で同方向にシフトする。したがって、受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２との間隔Ｄを算出することにより、ローカルチルトによる各受光位置Ｓ１，Ｓ２の計測誤差Ｍ・ｄｍ１，Ｍ・ｄｍ２をキャンセルできることになる（Ｍ；拡大倍率）。
【００８９】
また、特許文献１に示される技術と異なり、同じスリット像を、同じ投光結像光学系で、基板９上に結像させている。これにより、基板９上での２つのスリット像を重ねることが容易であり、基準となる位置を同一ポジションにして計測することが可能となるため、上述のような反射率分布やローカルチルトに起因した計測誤差に対するキャンセル効果を高めることができる。
【００９０】
さらに、基板９に対して二方向からの入射光（−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２）を使用して受光位置Ｓ１と受光位置Ｓ２との間隔Ｄを算出するので、入射角度を８０度以上の大きな角度に設定しなくても、基板９の面位置を演算して求めることができる。これにより、ＴＴＬ（スルーザレンズ）の構成を用いたとしても、位置検出装置１５を露光装置２００にコンパクトに実装することが可能となる。
【００９１】
以上のように、本発明の第１実施形態における位置検出装置１５によれば、検出するための基板９に反射率分布やローカルチルトがある場合においても、高精度に基板９の面位置を検出することができる。また、その位置検出装置１５を備えた露光装置２００によれば、小さな焦点深度に対して高いフォーカス精度を実現することができ、歩留まりの向上を達成することができる。さらに、露光装置２００のアライメント精度を向上することができ、半導体チップの性能向上、歩止りの向上を達成することができる。
【００９２】
基板９上には、複雑な回路パターンや、スクライブラインなどが存在する。これにより、反射率分布やローカルチルトなどの発生率が高いため、反射率分布やローカルチルトによる計測誤差を低減できる本発明の効果は大きいと言える。基板９の面位置が高精度に計測できるようになると、最適露光面と基板表面のフォーカス合わせの精度が向上することになり、半導体素子の性能向上や、製造歩止まりの向上にも繋がるという効果もある。
【００９３】
なお、投光光学系及び受光光学系の一方が上記の２つの光束に対して共通化されていてもよい。この場合でも、投光光学系及び受光光学系の両方が別々に設けられている場合に比べて、高精度に基板９の面位置を検出することができる。
【００９４】
次に、本発明の第２実施形態に係る露光装置３００について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の第２実施形態に係る露光装置の構成図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【００９５】
露光装置３００は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、位置検出装置３０を備える点で第１実施形態と異なる。
【００９６】
位置検出装置３０は、基板９の表面のＺ方向位置（面位置）を検出する（フォーカス検出系の）機能に加えて、基板９の表面のＸＹ方向位置（面方向位置）を検出する（アライメント検出系又はアライメントスコープの）機能を有する。位置検出装置３０は、基板９上の各ショットに形成されたアライメントマークＡＭ（図１３参照）を検出して、アライメントマークＡＭの設計位置からの位置ずれを検出する。これにより、基板９の露光対象のショットのＸＹ位置を高精度にアライメント（位置合わせ）することができる。
【００９７】
位置検出装置３０は、図１２に示すように、アライメント用投光光学系、アライメント用受光光学系及び演算処理装置４０１を備える。演算処理装置４０１は、受光位置検出部（図示せず、検出部）、算出部（図示せず、計算部）及び演算部（図示せず、計算部）を備える。
【００９８】
アライメント用投光光学系は、アライメント用投光照明光学系２Ａ、ミラー３Ａ、アライメント用投光結像光学系、偏光ビームスプリッタ６及びλ／４波長板７を備える。アライメント用投光結像光学系は、レンズ８を含む。光源１Ａ、アライメント用投光照明光学系２Ａ、ミラー３Ａ、偏光ビームスプリッタ６、λ／４波長板７及びレンズ８は、基板９とともに、アライメント用投光光学系の光軸ＰＣを中心に配置されている。ここで、光軸ＰＣは、光源１Ａからミラー３Ａに至る部分において光軸ＰＡと交差する方向に延びており、ミラー３Ａから基板９に至る部分において光軸ＰＡ、ＰＢ、ＰＤと重なっている。
【００９９】
アライメント用受光光学系は、アライメント用受光結像光学系、λ／４波長板７、偏光ビームスプリッタ６、ビームスプリッタ１４、フィルタ５’、アライメント用受光拡大光学系及び受光素子１９を備える。アライメント用受光結像光学系は、レンズ８とレンズ１６とを含む。アライメント用受光拡大光学系は、レンズ１７とレンズ１８とを含む。レンズ８、λ／４波長板７、偏光ビームスプリッタ６、ビームスプリッタ１４、レンズ１６、レンズ１７、レンズ１８及び受光素子１９は、基板９とともに、アライメント用受光光学系の光軸ＰＤを中心に配置されている。ここで、光軸ＰＤは、基板９から偏光ビームスプリッタ６に至る部分において光軸ＰＡ、ＰＢ、ＰＣと重なっている。光軸ＰＤは、偏光ビームスプリッタ６からビームスプリッタ１４に至る部分において、光軸ＰＢと重なっており、光軸ＰＡ、ＰＣと交差する方向に延びている。光軸ＰＤは、偏光ビームスプリッタ１４から受光素子１９に至る部分において、光軸ＰＢと交差する方向に延びている。
【０１００】
光源１Ａは、投光光学系の光軸ＰＣの上流に設けられ、ＬＥＤやＬＤ、またはハロゲンランプなどを用いて光（アライメント計測光）を発生する。
【０１０１】
アライメント用投光照明光学系２Ａは、光軸ＰＡに対して光源１Ａの下流に設けられ、光源１Ａから射出されたアライメント計測光を光軸ＰＣの下流側へ導き、ミラー３Ａを照明する。アライメント用投光照明光学系２Ａは、照明強度の均一性、偏光状態を制御する機能を有する。本実施形態では、アライメント用投光照明光学系２Ａが、光源１Ａから射出されたアライメント計測光に対して偏光方向を揃えてＰ偏光（電場の振動方向が紙面内）とし、そのＰ偏光でミラー３Ａを照明している。
【０１０２】
ミラー３Ａは、光軸ＰＣに対して投光照明光学系２Ａの下流に設けられており、投光照明光学系２Ａから射出されたアライメント計測光を反射して偏光ビームスプリッタ６へ導く。ミラー３Ａは、面位置検出用の−１次光Ｂ１、＋１次光Ｂ２を遮らないように、フィルタ５の両側開口部の内側に配置している。
【０１０３】
偏光ビームスプリッタ６は、光軸ＰＣに対するミラー３Ａの下流であって光軸ＰＤに対するλ／４波長板７の下流において、レンズ８及びレンズ１６の間に配置される。これにより、偏光ビームスプリッタ６は、光束を分岐する。すなわち、偏光ビームスプリッタ６は、レンズ４からフィルタ５経由で入射されるアライメント計測光（Ｐ偏光）を透過してレンズ８へ導き、レンズ８からλ／４波長板７経由で入射されるアライメント計測光（Ｓ偏光）を反射してレンズ１０へ導く。
【０１０４】
ビームスプリッタ１４は、光軸ＰＤに対する偏光ビームスプリッタ６の下流において、レンズ１６及びレンズ１０の間に配置される。これにより、ビームスプリッタ１４は、光束を分岐する。すなわち、ビームスプリッタ１４は、偏光ビームスプリッタ６から入射される面位置検出用の−１次光Ｂ１、＋１次光Ｂ２を透過してレンズ１０へ導き、偏光ビームスプリッタ６から入射されるアライメント計測光を反射してレンズ１６へ導く。なお、ビームスプリッタ１４は、アライメント計測光を部分的に透過することもある。
【０１０５】
λ／４波長板７は、光軸ＰＣに対して偏光ビームスプリッタ６の下流に設けられ、偏光ビームスプリッタ６を通過したアライメント計測光を光軸ＰＣの下流側へ導きレンズ８へ入射させる。また、λ／４波長板７は、光軸ＰＤに対してレンズ８の下流に設けられ、レンズ８を通過したアライメント計測光を光軸ＰＤの下流側へ導き偏光ビームスプリッタ６へ入射させる。このとき、λ／４波長板７は、直線偏光と円偏光と相互に変換する。例えば、λ／４波長板７は、偏光ビームスプリッタ６から入射する光（Ｐ偏光）を円偏光に変換してレンズ８に入射させ、レンズ８から入射する光（円偏光）をＳ偏光に変換して偏光ビームスプリッタ６に入射させる。
【０１０６】
レンズ８は、光軸ＰＡに対してλ／４波長板７の下流に設けられ、λ／４波長板７を通過したアライメント計測光を屈折させて基板９上のアライメントマークＡＭへ導く。すなわち、アライメント用投光結像光学系（レンズ８）は、アライメント計測光を屈折させて、基板９上のアライメントマークＡＭへ入射させる。また、レンズ８は、基板９上のアライメントマークＡＭで反射又は散乱したアライメント計測光を屈折させてλ／４波長板７へ導く。
【０１０７】
アライメントマークＡＭとしては、例えば図１３に示す形状のマークを用いている。図１３では、アライメントマークＡＭを上面から見た図が上側に示され、上側の図のＣ−Ｃ断面図が下側に示されている。図１３において、計測方向であるＸ方向の寸法が４μｍであり、非計測方向であるＹ方向の寸法が２０μｍである矩形のマークが、Ｘ方向に２０μｍのピッチで並べられたマーク部ＡＭ１〜ＡＭ４が示されている。アライメントマークＡＭにおけるマーク部ＡＭ１〜ＡＭ４は、エッチング等により、０．６μｍの線幅の矩形が周囲よりへこんだ形状をしている。なお実際は、そのマーク部の上にレジストが塗布されているが、図には示していない。
【０１０８】
レンズ１６は、光軸ＰＤに対してビームスプリッタ１４の下流に設けられ、ビームスプリッタ１４で反射したアライメント計測光をアライメント結像面ＡＭ’上に結像させる。すなわち、アライメント用受光結像光学系（レンズ８及びレンズ１６）は、基板９で反射したアライメント計測光を屈折させて、アライメントマークＡＭの像をアライメント結像面ＡＭ’上に結像させる。また、レンズ１０は、ビームスプリッタ１４で反射したアライメント計測光をアライメント用拡大光学系（レンズ１７及びレンズ１８）へ導く。
【０１０９】
アライメント用拡大光学系（レンズ１７及びレンズ１８）は、光軸ＰＤに対してレンズ１６の下流に設けられ、レンズ１６で屈折したアライメント計測光をさらに屈折させて受光素子１９へ導く。具体的には、アライメント用拡大光学系（レンズ１７及びレンズ１８）は、アライメント用受光結像光学系（レンズ８及びレンズ１６）のアライメント結像面ＡＭ’に投影されるアライメントマークＡＭの像を、受光素子１９に拡大結像させる。ここで、アライメント結像面ＡＭ’は、アライメント用拡大光学系に関して受光素子１９の受光面と共役な位置にある。
【０１１０】
受光素子１９は、光軸ＰＤに対してアライメント用拡大光学系（レンズ１７及びレンズ１８）の下流に設けられ、アライメント用拡大光学系から射出された光束を検知する。受光素子１９は、例えば、ＣＣＤ（エリアセンサまたはラインセンサ）や、４分割センサなどの素子である。
【０１１１】
フィルタ５’は、光軸ＰＢに対してビームスプリッタ１４の下流に設けられる。フィルタ５’は、フィルタ５と同様に、光軸ＰＢ近傍以外の部分において開口されている。これにより、フィルタ５’は、ビームスプリッタ１４を部分的に透過したアライメント計測光をカットする。また、フィルタ５’は、面位置検出用の±ｎ次（ｎ：自然数）の複数の光束を通過させる。例えば、フィルタ５は、−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２を通過させる。
【０１１２】
受光位置検出部は、アライメント用受光光学系の受光素子１９及び算出部にも接続されている。受光位置検出部は、光電変換された電荷に応じたアナログ信号を各画素ごとに受光素子１９から受け取る。受光位置検出部は、受け取ったアナログ信号に基づき、アライメントマークＡＭで反射した光束が受光素子１９に入射する位置であるアライメント受光位置を、アライメント計測光に対して検出する。
【０１１３】
例えば、受光位置検出部は、図１４に示すような受光した光のプロファイルを受光素子１９から受け取る。例えば、図１３に示すアライメントマークＡＭのマーク部ＡＭ１〜ＡＭ４に照射された際に、アライメント計測光は、マーク部ＡＭ１〜ＡＭ４のエッジにおいてレンズ８の開口数ＮＡに入らない大きな角度で散乱されることがある。また、そのアライメント計測光は、エッジで散乱された後に互いに干渉することがある。これらに応じて、受光位置検出部は、受光したアライメント計測光の強度が局所的に小さい位置を、アライメント受光位置ＳＡＭ１１〜ＳＡＭ４２として検出する。アライメント受光位置ＳＡＭ１１、ＳＡＭ１２はマーク部ＡＭ１に対応しており、アライメント受光位置ＳＡＭ２１、ＳＡＭ２２はマーク部ＡＭ２に対応している。アライメント受光位置ＳＡＭ３１、ＳＡＭ３２はマーク部ＡＭ３に対応しており、アライメント受光位置ＳＡＭ４１、ＳＡＭ４２はマーク部ＡＭ４に対応している。
【０１１４】
ここで、受光位置検出部は、アライメント受光位置を二次元的に検出するために、テンプレートマッチング法を用いている。テンプレートマッチング法では、取得したアライメント計測光の強度の２次元的な分布の情報（画像情報）と、予め設定されたテンプレートとの相関を演算して、最も相関の高い位置を２次元的なアライメント受光位置として検出する。例えば、受光位置検出部は、局所的に強度が小さい画素（図１４のＳＡＭ１１〜ＳＡＭ４２参照）から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／２０から１／５０画素の分解能を達成できる。
【０１１５】
算出部は、受光位置検出部及び演算部に接続されている。算出部は、２次元的なアライメント受光位置の情報を受光位置検出部から受け取る。算出部は、受け取った２次元的なアライメント受光位置の情報に基づき、マーク像（マーク部の像）の平均位置を算出する。算出部は、マーク像の平均位置の情報を演算部へ供給する。
【０１１６】
例えば、算出部は、マーク部ＡＭ１〜ＡＭ４のそれぞれに対する２次元的なアライメント受光位置の重心位置を求めることにより、マーク像の中心位置を算出する。具体的には、算出部は、受光素子１９上でのアライメントマークＡＭの４本のマーク像の中心位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４を求める（単位は画素）。そして、算出部は、各マーク像の中心位置Ｘ１〜Ｘ４を平均して、マーク像の平均位置
Ｘａ＝［Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４］／４・・・数式５
を求める。
【０１１７】
演算部は、算出部及び駆動制御部に接続されている。演算部は、算出されたマーク像の平均位置の情報を算出部から受け取る。演算部は、算出されたマーク像の平均位置の情報に基づいて、基板９の面方向位置（ＸＹ位置）を演算する。
【０１１８】
例えば、演算部は、マーク像の平均位置に基づいて、基板９上のアライメントマークＡＭの位置ずれを演算する。位置検出装置３０の結像倍率をＭａ（アライメント用受光結像光学系の倍率とアライメント用拡大光学系の倍率の積）、受光素子１９のアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとする。このとき、演算部は、基板９上のアライメントマークＡＭの位置ずれ
Ｘｗ＝Ｘａ／（Ｐｘ・Ｍａ）・・・数式６
を求める。このようにして、演算部は、基板９の面方向位置を演算する。演算部は、基板９の面方向位置の情報を制御部１１００の駆動制御部へ供給する。これにより、駆動制御部は、基板９の面方向位置と目標とする面方向位置（原版２１のパターンの結像面）との差分（ずれ）を演算し、その差分だけＸＹ方向に基板ステージＷＳを駆動する。
【０１１９】
次に、位置検出装置が基板９の面方向位置を検出する（アライメント検出する）際のシーケンスについて説明を行う。
【０１２０】
制御部１１００は、基板９上の各ショットに形成されているアライメントマークの位置を検出するために、基板ステージＷＳを駆動して、計測すべきショットのアライメントマークが位置検出装置３０の下に位置するようにする（ステップＡ１）。制御部１１００は、位置検出装置３０に基板９の面位置を計測（検出、算出、演算）させる（ステップＡ２）。制御部１１００は、基板９の面位置に基づいて、ベストフォーカス位置（原版２１のパターンのＺ方向結像面）に基板ステージＷＳを駆動して、ピント合わせを行う（ステップＡ３）。制御部１１００は、位置検出装置３０にアライメントマークＡＭを撮像させ、数式５及び数式６に基づいて、そのショットにおけるアライメントマークＡＭの位置ずれ量を位置検出装置３０に計測させる（ステップＡ４）。その後、制御部１１００は、計測対象となるショットが無くなるまで、ステップＡ１からステップＡ４のシーケンスを繰り返し行う。
【０１２１】
上記では、Ｘ方向のアライメントマークの位置計測のみを説明したが、図１３のアライメントマークを９０度回転したＹ方向のアライメントマークも計測し、ショットのＹ方向の位置も同時に計測する。このとき、Ｙ方向の位置検出のために、図１２のビームスプリッタ１４の後に、さらにビームスプリッタを設けて、Ｙ方向位置検出系を設けるようにする。Ｙ方向のアライメントマークの位置計測を行う系は、図１２のレンズ１６から受光素子１９までの光学系を光軸周りに９０度回転したものを使用する。
【０１２２】
各ショットのアライメントマークの計測が終了すると、各ショットの計測値を用いて、基板全体の位置ずれ量を算出する。この時、基板のシフト量、倍率、回転をＸ方向とＹ方向とに関して求め、計６個のパラメータを補正変数とする所謂グローバルアライメントを行う。このパラメータをもとに、基板９上の各ショットの位置合わせを行った後に、各ショットに原版２１の回路パターンの転写を実施する。
【０１２３】
以上により、アライメントマークＡＭ近傍に反射率分布やローカルチルトがあっても、それらの影響を受けずに、高精度に原版２１のパターンの面方向の結像面に基板９の表面を位置合わせすることが出来る。その結果、露光装置３００のアライメント精度を向上することができ、半導体素子の性能向上や、製造歩止まりの向上にも繋がるという効果がある。
【０１２４】
次に、第３実施形態に係る露光装置４００について、図１５を用いて説明する。図１５は、本発明の第３実施形態に係る露光装置の構成図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【０１２５】
露光装置４００は、図１５に示すように、照明光学系６０、原版（パターン板）８１、投影光学系７０、原版ステージ（パターン板ステージ）８０、基板ステージ８５、真空系及び位置検出装置１００を備える。
【０１２６】
位置検出装置１００は、第１実施形態における位置検出装置１５とその基本的な構成は同様であるが、後述する点で異なる。位置検出装置１００は、投影光学系（ＰＯ）による原版のパターンの結像面に、基板９の上面を高精度に位置合わせする為に設けられている点は、第１実施形態と同様である。
【０１２７】
照明光学系６０は、光軸においてＥＵＶ光源５０の下流に設けられている。照明光学系６０は、複数の多層膜または斜入射の第１〜第３ミラー６１〜６３とオプティカルインテグレータ６４等を含む。初段の第１集光ミラー６１は、レーザプラズマ５３からほぼ等方的に放射されるＥＵＶ光を集める役割を果たす。オプティカルインテグレータ６４は、原版８１を均一に所定の開口数で照明する役割を持っている。また、原版８１と共役な照明光学系６０の位置には、原版面で照明される領域を円弧状に限定するためのアパーチャ６５が設けられる。
【０１２８】
ここで、ＥＵＶ光源５０は、例えば、レーザプラズマ光源が用いられる。ＥＵＶ光源５０では、ターゲット供給装置５１から供給され真空容器５２中に置かれたターゲット材に、レーザ発生装置５３からの高強度のパルスレーザが集光レンズ５４で集光されて照射される。これにより、ＥＵＶ光源５０では、高温のプラズマ５５が発生して、このプラズマ５５から放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光が光源として利用される。ターゲット材としては、金属薄膜、不活性ガス、液滴などが用いられる。ターゲット供給装置５１は、ガスジェット等の手段でターゲット材を真空容器５２内に供給する。レーザ発生装置５３は、プラズマ５５から放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするために、発生するパルスレーザの繰り返し周波数を高くする。例えば、レーザ発生装置５３は、数ｋＨｚの繰り返し周波数でパルスレーザを発生させる。
【０１２９】
投影光学系７０は、複数のミラー（反射光学素子）７１〜７４を用いている。投影光学系７０では、ミラー７１〜７４の枚数が少ないと、ＥＵＶ光の利用効率を高くめることができるが、収差補正が難しくなる。そこで、投影光学系７０では、ミラー７１〜７４の枚数が、収差補正に必要な枚数である４枚〜６枚程度にしてある。ミラー７１〜７４の反射面の形状は、凸面または凹面の球面または非球面である。投影光学系７０の開口数ＮＡは０．１〜０．３程度である。投影光学系７０では、原版８１側からの光の入射角が原版８１上面の法線に対して所定の鋭角をなしており、基板９側への光の射出角が基板９上面の法線に略平行である。すなわち、投影光学系７０は、像側がテレセントリックな光学系になっている。
【０１３０】
ここで、ミラー７１〜７４は、低膨張率ガラスやシリコンカーバイド等の剛性及び硬度が高く熱膨張率が小さい材料からなる基板を、研削・研磨して所定の反射面形状を創生した後、反射面にモリブデン／シリコンなどの多層膜を成膜したものである。ミラー７１〜７４へのＥＵＶ光の入射角が反射面内の場所によって一定でない場合、ブラッグの式から明らかなように、反射面内の場所によって反射率が高くなるＥＵＶ光の波長がずれてしまう。そこで、ミラー７１〜７４の反射面には、同一の波長のＥＵＶ光が効率よく反射されるように、膜周期分布を持たせることが必要である。
【０１３１】
原版ステージ８０と基板ステージ８５とは、縮小倍率に比例した速度比で同期して走査される。ここで、原版８１又は基板８６の上面に平行な平面内において、走査方向をＸ方向とし、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。また、原版８１又は基板８６の上面に垂直な方向をＺ方向とする。
【０１３２】
原版８１は、反射型の原版である。原版ステージ８０は、原版チャック８２を介して、原版８１を保持する。原版ステージ８０は、Ｘ方向に高速移動する機構をもつ。また、原版ステージ８０は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、及び各軸の回りの回転方向に微動する機構をもち、原版８１を位置決めすることができる。原版ステージ８０の位置と姿勢とがレーザ干渉計によって計測され、その結果に基いて、制御部（駆動制御部）は、原版ステージ８０の位置と姿勢とを駆動制御する。
【０１３３】
基板ステージ８５は、基板チャック８８を介して、基板８６を保持する。基板ステージ８５は、原版ステージ８０と同様に、Ｘ方向に高速移動する機構をもつ。また、基板ステージ８５は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、及び各軸の回りの回転方向に微動する機構をもち、基板９を位置決めすることができる。基板ステージ８５の位置と姿勢とがレーザ干渉計によって計測され、その結果に基いて、制御部（駆動制御部）は、基板ステージ８５の位置と姿勢とを駆動制御する。
【０１３４】
次に、位置検出装置１００の詳細構成及び詳細動作を、図１６を用いて説明する。
【０１３５】
位置検出装置１００は、投光光学系、受光光学系及び演算処理装置４００（図１参照）を備える。
【０１３６】
投光光学系は、投光照明光学系２、パターン板３、投光結像光学系、フィルタ５、偏光ビームスプリッタ６及びλ／４波長板７を備える。投光結像光学系は、レンズ４とレンズ１０８とを含む。
【０１３７】
レンズ１０８は、光軸ＰＡに対してλ／４波長板７の下流に設けられ、λ／４波長板７を通過した光束を屈折させて原版８１へ導く。すなわち、投光結像光学系（レンズ４及びレンズ１０８）は、パターン板３の透過スリット３Ｓのパターンで回折された光束を屈折させて、原版８１へ入射させる。
【０１３８】
原版８１の上には、回折格子パターン１０１（図１７参照）が形成されている。原版に入射した−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２は、回折格子パターン１０１で回折作用を受け、投影光学系７０にＮＡ以内の角度で入射する。投影光学系７０は、反射型の光学系である（図１５参照）ため、波長の違いによる色収差の影響を受けない。これにより、回折格子パターン１０１で回折作用を受けた−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２は、投影光学系７０を介して、色収差の影響を受けずに、矩形の透過スリット３Ｓのパターンを基板８６上に結像する。
【０１３９】
基板８６の反射光（−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２）は、投影光学系７０を通り、原版８１に到達する。−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２は、原版８１上の回折格子パターン１０１（図１７参照）で再度回折作用を受けて、レンズ１０８を通り、λ／４波長板７を透過した後にＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ６で反射してレンズ１０に入射する。受光結像光学系（レンズ８及びレンズ１０）により、パターン板３の透過スリット３Ｓのパターンは、再結像面Ｍ’に再度結像される。
【０１４０】
次に、原版８１上の回折格子パターン１０１と、光線の入射角及び回折角との関係を、図１７及び図１８を用いて説明する。
【０１４１】
回折格子パターン１０１は、図１７で示すように、Ｘ方向にピッチＰで配列された１次元の回折格子である。投光結像光学系（レンズ４及びレンズ１０８）は、図１８に示すように、−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２をそれぞれ入射角度θ１、θ２で原版８１の回折格子パターン１０１へ入射させる。−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２は、回折格子パターン１０１により、それぞれ回折角θ３、θ４で回折する。
【０１４２】
ここで、投影光学系（ＰＯ）７０の光軸とＺ軸との成す角度をθｐとする。このθｐは、露光光が照明光学系から原版８１へ入射する際の入射角度に等しい。このとき、−１次光Ｂ１とその回折光Ｂ３とに関して、回折格子の回折方程式から、次式が成り立つ。
【０１４３】
Ｐ（ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ３）＝ｍλ・・・数式７
Ｐは回折格子パターン１０１のピッチを示し（図１７参照）、ｍは回折の次数を示し、λは光源１が発生する光の波長を示す。また、同様に、＋１次光Ｂ２とその回折光Ｂ４とに関して、次式が成り立つ。
【０１４４】
Ｐ（ｓｉｎθ２＋ｓｉｎθ４）＝ｍλ・・・数式８
また、投影光学系７０の光軸に対して、−１次光Ｂ１及び＋１次光Ｂ２を基板８６に等しい角度で入射させる条件として、
θ３−θｐ＝θｐ−θ４・・・数式９
を満たす必要がある。さらに、投影光学系の開口数ＮＡ内に回折光Ｂ３、回折光Ｂ４が入射する条件として、
θ４―θ３＜ｓｉｎ−１(ＮＡ・β)・・・数式１０
を満たす必要がある。ＮＡは基板側（像側）の開口数を示し、βは投影光学系の縮小倍率を示す。
【０１４５】
これらの数式７〜数式１０について、数値例を挙げて説明する。
【０１４６】
例えば、露光装置４００の投影光学系７０のＮＡが０．３で、原版８１へのＥＵＶ光の入射角度（θｐ）が７度、位置検出装置１００で使用する光源の中心波長λが０．６３３μｍの場合を考える。このとき、数式７〜数式１０を満たす数値として、回折格子パターン１０１のピッチＰ＝０．７６３６μｍ、−１次光Ｂ１の回折格子パターン１０１への入射角を３９．６度、＋１次光Ｂ２の回折格子パターン１０１への入射角を５１度にする。このとき、回折光Ｂ３、Ｂ４の基板８６上への入射角度は±１６．３度となる。ｓｉｎ(１６．３度)＝０．２８５であり、投影光学系のＮＡ内に収まるように設計することができる。
【０１４７】
以上のように、本発明の第３実施形態における位置検出装置１００によれば、投影光学系７０の最適像面位置（結像面）に対する基板８６の面位置のずれを、基板の反射率分布や、ローカルチルトの影響を受けずに、高精度に計測することができる。なお、投影光学系７０の最適像面を基準面とする場合は、第１実施形態で説明したように、光学スポット間隔の初期オフセットＤ０の較正を行う必要がある。
【０１４８】
なお、本実施形態の変形例として、位置検出装置の光軸と、露光光の照明光学系の光軸を一致させる構成としても良い。この場合、露光光の照明光学系の一部に、ミラーなどを挿入して、面位置計測を行い、露光時にはこのミラーを露光光の光路から外すようにする。この場合、投影光学系に導光するための偏光素子として、原版上には、回折格子を用いる代わりに、ミラー機能（反射機能）が配置される。
【０１４９】
次に、本発明の露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１９は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップＳ９１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップＳ９２（マスク作製）では設計した回路パターンに基づいてマスク（原版又はレチクルともいう）を作製する。一方、ステップＳ９３（基板製造、準備工程）ではシリコン等の材料を用いて基板（基板ともいう）を製造する。ステップＳ９４（基板プロセス）は前工程と呼ばれ、上記のマスクと基板を用いて、上述の露光装置によりリソグラフィー技術を利用して基板上に実際の回路を形成する。次のステップＳ９５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップＳ９４によって作製された基板を用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップＳ９６（検査）ではステップＳ９５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップＳ９７でこれを出荷する。
【０１５０】
上記ステップＳ９４の基板プロセスは以下のステップを有する。すなわち、基板の表面を酸化させる酸化ステップ、基板表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、基板上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、基板にイオンを打ち込むイオン打ち込みステップを有する。また、基板に感光剤を塗布するレジスト処理ステップを有する。上記の露光装置を用いて、レジスト処理ステップ後の基板を、マスクのパターンを介して露光し、レジストに潜像パターンを形成する露光ステップを有する。露光ステップで露光した基板上のレジストに形成された潜像パターンを現像する現像ステップを有する。さらに、現像ステップで現像した潜像パターン以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップを有する。これらのステップを繰り返し行うことによって、基板上に多重に回路パターンを形成する。
【０１５１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、光ピックアップの面位置検出系（フォーカス検出系）にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る露光装置の構成図。
【図２】本発明の一側面としての位置検出装置の構成を示す図。
【図３】本発明の面位置計測の検出原理を説明する図。
【図４】本発明の面位置計測の検出原理を説明する図。
【図５】基板上の反射率分布と計測領域の関係を示す図。
【図６】基板上のローカルチルトによる反射光の光路を示す図。
【図７】基板上のローカルチルトによる反射光の位置シフトを説明する図。
【図８】本発明の位置検出装置の信号プロファイルを説明する図。
【図９】本発明の第２の実施形態における第１の面位置計測方法を示す図。
【図１０】本発明の第２の実施形態における第２の面位置計測方法を示す図。
【図１１】本発明の第２実施形態として、半導体露光装置を示す図。
【図１２】本発明の第２実施形態におけるアライメントスコープを示す図。
【図１３】本発明の第２実施形態におけるアライメントマークを示す図。
【図１４】本発明の第２実施形態におけるアライメントマークの波形信号を示す図。
【図１５】本発明の第３実施形態としてのＥＵＶ光を露光光源とする半導体露光装置を示す図。
【図１６】本発明の第３実施形態における、面位置計測方法を説明するための図。
【図１７】本発明の第３実施形態における、原版上の回折格子の例を説明するするための図。
【図１８】本発明の第３実施形態における、原版上の回折格子へ入射光と回折光の関係を説明するための図。
【図１９】半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図。
【図２０】従来の位置検出装置の課題を説明するための図。
【図２１】従来の位置検出装置で計測される信号プロファイルの例を示す図。
【符号の説明】
【０１５３】
１、１Ａ  光源
２、２Ａ  照明光学系
３  パターン板
３Ａ  ミラー
４、８、１０、１６  レンズ
５、５’  フィルタ
６  偏光ビームスプリッタ
７  波長板
９、８９  基板
１１、１２、１７、１８、１０２  拡大結像光学系
１３、１９  受光素子
１４  ビームスプリッタ
１５  位置検出装置
２１、８１  原版
３０  アライメントスコープ
７０  投影光学系
８１  干渉計
１００  位置検出装置
１０１  回折格子
４００、４０１  信号処理装置
７００  照明装置
８００  露光用光源
８０１  照明光学系
ＲＳ  原版ステージ
ＷＳ  基板ステージ
ＡＭ  アライメントマーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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