(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の所定の面の位置情報を検出する面位置検出装置において、
前記所定の面に対して傾斜した方向から光を投射する第１の光学系と、
前記物体からの前記光を受光する第２の光学系と、
前記第２の光学系からの前記光を受け取り、該光に基づいて、前記所定の面の当該所定の面に交差する方向における位置情報を検出する検出系と、
前記第１及び第２の光学系の少なくとも一方の光路中に設けられ、前記第２の光学系からの前記光のうち前記物体の所定の面以外の面を介した光中の異なる部分の間に位相差を付与する位相差付与系とを備える面位置検出装置。
【請求項２】
前記位相差付与系は、前記第２の光学系からの前記光のうち前記所定の面で反射した光の位相分布を、当該位相差付与系に未入射の前記光の位相分布とほぼ等しくする請求項１に記載の面位置検出装置。
【請求項３】
前記位相差付与系は、前記所定の面以外の面を介した光中の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ透過させて該第１及び第２の部分の間に前記位相差を付与する第１の領域及び第２の領域を有する請求項１又は２に記載の面位置検出装置。
【請求項４】
前記位相差付与系は、前記第１の光学系の光路中に設けられた第１の絞りと、前記第２の光学系の光路中に設けられた第２の絞りとを備え、
前記第１の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光を遮光する遮光部とを有し、
前記第２の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部とを有し、
前記第２の絞りの前記透過部は、前記第１の絞りの前記透過部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置され、
前記第２の絞りの前記位相シフト部は、前記第１の絞りの前記遮光部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項５】
前記位相差付与系は、前記第１の光学系の光路中に設けられた第１の絞りと、前記第２の光学系の光路中に設けられた第２の絞りとを備え、
前記第１の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光を遮光する遮光部とを有し、
前記第２の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部とを有し、
前記第２の絞りの前記透過部は、前記第１の絞りの前記遮光部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置され、
前記第２の絞りの前記位相シフト部は、前記第１の絞りの前記透過部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項６】
前記位相差付与系は、前記第１の光学系の光路中に設けられた第１の絞りと、前記第２の光学系の光路中に設けられた第２の絞りとを備え、
前記第１の絞りは、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部と、入射した光を透過する透過部と、入射した光を遮光する遮光部とを有し、
前記第２の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部と、を有し、
前記第２の絞りの前記透過部は、前記第１の絞りの前記位相シフト部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置され、
前記第２の絞りの前記位相シフト部は、前記第１の絞りの前記透過部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項７】
前記第２の絞りは、入射した光を透過する追加透過部をさらに有し、
前記第２の絞りの前記追加透過部は、前記第１の絞りの前記遮光部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項６に記載の面位置検出装置。
【請求項８】
前記第２の絞りは、入射した光を遮光する遮光部をさらに有し、
前記第２の絞りの前記遮光部は、前記第１の絞りの前記遮光部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項６に記載の面位置検出装置。
【請求項９】
前記位相差付与系は、前記第１の光学系の光路中に設けられた第１の絞りと、前記第２の光学系の光路中に設けられた第２の絞りとを備え、
前記第１の絞りは、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部と、入射した光を透過する透過部と、入射した光を遮光する遮光部とを有し、
前記第２の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部と、を有し、
前記第２の絞りの前記透過部は、前記第１の絞りの前記透過部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置され、
前記第２の絞りの前記位相シフト部は、前記第１の絞りの前記位相シフト部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１０】
前記第２の絞りは、入射した光に対してその位相を変える追加位相シフト部をさらに有し、
前記第２の絞りの前記追加位相シフト部は、前記第１の絞りの前記遮光部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項９に記載の面位置検出装置。
【請求項１１】
前記位相差付与系は、前記第１の光学系の光路中に設けられた第１の絞りと、前記第２の光学系の光路中に設けられた第２の絞りとを備え、
前記第１の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光に対してその位相を変える位相シフト部とを有し、
前記第２の絞りは、入射した光を透過する透過部と、入射した光を遮光する遮光部とを有し、
前記第２の絞りの前記透過部は、前記第１の絞りの前記透過部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置され、
前記第２の絞りの前記遮光部は、前記第１の絞りの前記位相シフト部の共役像と同じ形状であって且つ当該共役像と同じ位置に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１２】
前記位相差付与系が付与する前記位相差は、９０°より大きく２７０°より小さい請求項１〜１１のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１３】
前記位相差付与系は、
前記第１の光学系の瞳面またはこの近傍の位置に配置された開口絞りと、
前記第２の光学系内の前記開口絞りの配置面とほぼ共役な位置に配置されて、入射した光に対してその位相を変える位相板とを含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１４】
前記第１の光学系は、前記開口絞りの配置面とほぼ共役な面を形成するリレー光学系と、前記ほぼ共役な面に配置される振動ミラーとを備える請求項１３に記載の面位置検出装置。
【請求項１５】
前記位相差付与系は、
前記第１の光学系の瞳面またはこの近傍の位置に配置されて、前記第１の光学系の光軸を含む中心領域とその外側の枠状の枠状領域とを含む第１の位相板と、
前記第２の光学系内の前記第１の位相板の配置面とほぼ共役な位置に配置される第２の位相板とを含み、
前記第１の位相板は、前記中心領域を通過した光と前記枠状領域を通過した光との間の位相差がほぼ１８０°となるように、入射した光の少なくとも一部に対してその位相を変え、
前記第２の位相板は、前記第１の位相板と同相か、または反転した位相である請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１６】
前記位相差付与系は、
前記第１の光学系の瞳面またはこの近傍の位置に配置されて、通過した光の位相差がほぼ１８０°異なる第１および第２の領域を含む第１の開口絞りと、
前記第２の光学系内であって、前記第１の開口絞りの配置面とほぼ共役な位置に配置されて、前記第２の領域から前記所定の面に向かい、前記所定の面および前記物体の前記所定の面以外の面でそれぞれ正反射された光を遮光する第２の開口絞りとを含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１７】
前記位相差付与系は、前記所定の面以外の面で正反射および回折されて前記第２の光学系に入射する光の第１の部分と第２の部分との間に位相差を与える請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１８】
前記物体は、基板とその上面に塗布された被膜とを備え、
前記所定の面は、前記被膜の表面であり、
前記第２の光学系に入射する光の前記第１及び第２の部分は、前記基板の上面に形成されたパターンによる回折光を含む請求項１７に記載の面位置検出装置。
【請求項１９】
前記第２の光学系に入射する光の前記第１及び第２の部分は、前記基板の上面に形成されたパターンでの正反射光を含み、
前記位相差付与系は、前記第２の光学系内に配置されて前記第１の部分と前記第２の部分とに位相差を与える位相板を含む請求項１８に記載の面位置検出装置。
【請求項２０】
前記第２の光学系に入射する光の前記第１の部分は、前記基板の上面に形成されたパターンでの正反射光を含み、
前記位相差付与系は、前記第１の光学系内に配置されて、前記第２の光学系に向かう前記第１及び第２の部分の間に位相差を与える位相板を含む請求項１８に記載の面位置検出装置。
【請求項２１】
検出方向を横切る面に位置する被検面の前記検出方向における位置情報を検出する面位置検出装置において、
所定のパターンの像を前記被検面上に斜め方向から投射する送光系と、
前記被検面を介した光を受光して前記パターンの像を形成する受光系と、
前記受光系によって形成された前記パターンの像から前記被検面の前記検出方向の位置情報を検出する検出部と、
前記送光系から投射され、前記被検面以外の面を介して前記受光系に入射する光に位相差を与える位相差付与系と、
を備える面位置検出装置。
【請求項２２】
物体の所定の面の位置情報を検出する面位置検出方法において、
前記所定の面に対して傾斜した方向から光を投射することと、
前記物体からの前記光の受け取りをして、該光に基づいて、前記所定の面の当該所定の面に交差する方向における位置情報を検出することと、
前記受け取りをする前記光のうち前記物体の所定の面以外の面を介した光中の異なる部分の間に位相差の付与を行うことと、を含む面位置検出方法。
【請求項２３】
前記受け取りをする前記光のうち前記所定の面で反射した光の位相分布を、前記位相差の付与が行なわれた前記光より上流の前記光の位相分布とほぼ等しくすることを含む請求項２２に記載の面位置検出方法。
【請求項２４】
前記位相差の付与を行うことは、前記所定の面以外の面を介した光中の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ位相差付与系の第１の領域及び第２の領域に透過させて、該第１及び第２の部分の間に前記位相差を付与することを含む請求項２２又は２３に記載の面位置検出方法。
【請求項２５】
所定のパターンを感光性基板上に露光する露光装置において、
前記感光性基板の面位置情報を検出するために、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の面位置検出装置を備える露光装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の露光装置を用いて所定のパターンを感光性基板上に露光する露光工程と、
前記工程で露光された感光性基板を現像し、前記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デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物体の所定の面の面位置情報を検出する面位置検出装置、この面位置検出装置を備えた露光装置、この露光装置を用いて半導体素子又は液晶表示素子等のマイクロデバイス（電子デバイス）を製造するためのデバイスの製造方法、及び面位置検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等を製造するためのリソグラフィ工程においては、レチクル（マスク）に形成されたパターンを、表面にレジスト（感光剤）が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に投影光学系を介して転写する露光装置が使用されている。露光装置としては、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置（いわゆるステッパ）、又はレチクル及びウエハを同期走査するステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（いわゆるスキャニングステッパ）等が使用されている。
【０００３】
半導体素子の高集積化及びパターンの微細化に伴い、露光装置には高解像力（高解像度）でパターンを転写することが要求されている。このため、露光装置では、デフォーカスによる像ボケ等を防止するために、ウエハ面を投影光学系の像面（パターンの最良結像面）の焦点深度（ＤＯＦ）の範囲内に位置させて露光を行う必要がある。そこで、露光装置においては、ウエハ面の、投影光学系の光軸方向の位置（面位置）を計測するオートフォーカスセンサ（以下、ＡＦセンサという）を備え、このＡＦセンサの計測値に基づいてウエハステージの高さ及び傾斜角の制御を行っている。
【０００４】
従来、ウエハ面用のＡＦセンサとしては、ウエハ面に斜め方向からスリット像等を投影し、ウエハ面で反射した光によって形成されるスリット像等の位置を計測し、この計測結果から三角測量の原理に基づいて面位置情報を求める斜入射方式のセンサが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５６３３７２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＡＦセンサで計測対象とするウエハ上には、通常それまでの工程によって回路パターン等が形成され、さらにその上にレジストが塗布されている。この場合、ＡＦセンサによる計測対象はレジスト表面の面位置である。そして、ＡＦセンサからウエハ上のレジスト表面に計測光を照射すると、計測光はレジスト表面で反射する光（計測に必要な光）と、レジスト内部に潜り込んで下地に形成された回路パターン等で反射する光（計測誤差の要因となる光）とに分かれる。
【０００６】
しかしながら、この２種類の光はほぼ同じ光路をたどるため、計測誤差の要因となる光のみを通常の絞り等で除去することは困難である。
本発明は、このような課題に鑑み、物体の所定の面の面位置情報を検出する際に、その所定の面の近傍に検出対象とならない面として物体の他の面が存在するような場合にも、その所定の面の面位置情報を高精度に検出できる面位置検出技術、この面位置検出技術を用いる露光技術、及びこの露光技術を用いるデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる面位置検出装置は、物体の所定の面の位置情報を検出する面位置検出装置において、前記所定の面に対して傾斜した方向から光を投射する第１の光学系と、前記物体からの前記光を受光する第２の光学系と、前記第２の光学系からの前記光を受け取り、該光に基づいて、前記所定の面の当該所定の面に交差する方向における位置情報を検出する検出系と、前記第１及び第２の光学系の少なくとも一方の光路中に設けられ、前記第２の光学系からの前記光のうち前記物体の所定の面以外の面を介した光中の異なる部分の間に位相差を付与する位相差付与系と、を備える。
【０００８】
本発明にかかる面位置検出装置は、検出方向を横切る面に位置する被検面の前記検出方向における位置情報を検出する面位置検出装置において、所定のパターンの像を前記被検面上に斜め方向から投射する送光系と、前記被検面を介した光を受光して前記パターンの像を形成する受光系と、前記受光系によって形成された前記パターンの像から前記被検面の前記検出方向の位置情報を検出する検出部と、前記送光系から投射され、前記被検面以外の面を介して前記受光系に入射する光に位相差を与える位相差付与系と、を備える。
【０００９】
本発明にかかる面位置検出方法は、物体の所定の面の位置情報を検出する面位置検出方法において、
前記所定の面に対して傾斜した方向から光を投射することと、前記物体からの前記光の受け取りをして、該光に基づいて、前記所定の面の当該所定の面に交差する方向における位置情報を検出することと、前記受け取りをする前記光のうち前記物体の所定の面以外の面を介した光中の異なる部分の間に位相差の付与を行うことと、を含む。
【００１０】
本発明にかかる露光装置は、所定のパターンを感光性基板上に露光する露光装置において、前記感光性基板の面位置情報を検出するために、本発明にかかる面位置検出装置を備える。
【００１１】
本発明にかかるデバイス製造方法は、本発明にかかる露光装置を用いて所定のパターンを感光性基板上に露光する露光工程と、前記工程で露光された感光性基板を現像し、前記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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、物体の所定の面の面位置情報を検出する際に、その所定の面の近傍にその所定の面以外の面が存在する場合にも、第２の光学系からの光のうち、その所定の面以外の面を介した光中の異なる部分の間に位相差が付与される。そのため、その所定の面以外の面を介した光をもとに第２の光学系によって形成される像（集光される光）の強度が低下する。このように、物体の所定の面以外の面からの光の強度が低下するため、所定の面の近傍に所定の面以外の面が存在するような場合にも、その所定の面の面位置情報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】
【００１３】
［第１の実施形態］
本実施形態は、例えば露光装置に備えられて、ウエハの表面に塗布されたレジスト（感光剤）の表面の面位置情報を検出するオートフォーカスセンサ（以下、ＡＦセンサという）に本発明を適用したものである。
図８は本実施形態のＡＦセンサの構成を示し、図８において、ウエハＷが不図示のウエハホルダを介して真空吸着等によってウエハステージＷＳＴ上に保持されている。ウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が２００〜４５０ｍｍ程度の円板状の基板の表面に、厚さ１００〜３００ｎｍ程度のレジスト１４を塗布したものである。なお、図８等において、説明の便宜上、レジスト１４はその厚さを実際よりもかなり厚く描いている。レジスト１４とウェハＷとの間にはさらに反射防止膜等が形成されている場合がある。また、ウエハＷの基板の表面である下地面Ｗａ（レジスト１４の裏面）には、それまでの工程において回路パターン及びアライメントマーク等のパターン１５が形成されているものとする。以下、ウエハＷの載置面にほぼ平行なウエハステージＷＳＴのガイド面（不図示）の法線方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な面内で図８の紙面に平行にＸ軸を、図８の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
【００１４】
本実施形態においては、下地面Ｗａのパターン１５は、Ｙ方向に延びた孤立線と見なせるパターンとしているが、これはＸ方向に延びた孤立線と見なせるパターンや、Ｘ、Ｙ方向に周期的なパターンであっても良い。パターン１５からは正反射光（０次回折光）の他に１次以上の回折光が発生するが、以下では１次以上の回折光を単に回折光と呼ぶ。また、ウェハＷとレジスト１４とからなる物体における所定の面として、ＡＦセンサによって面位置情報を検出すべき面（被検面）であるレジスト１４の表面（以下、レジスト面という）１４ａは、ほぼＺ軸に垂直（ほぼＸＹ平面に平行）であるが、ウエハＷの基板の厚さのばらつき又は下地パターンの段差等によってＺ方向の位置（Ｚ位置又はフォーカス位置）がＸ方向、Ｙ方向の位置によって異なっている。
【００１５】
また、ウエハステージＷＳＴは、Ｘ方向、Ｙ方向にウエハＷを駆動するとともに、ＡＦセンサで計測される面位置情報としてのレジスト面１４ａのＺ位置の分布に基づいて、露光用の照明光（露光光）が照射される露光領域内でのレジスト面１４ａの平均的な面を投影光学系（不図示）の最良結像面ＢＦ（ＡＦセンサを用いた被検面の位置合わせの目標位置）に対して投影光学系の焦点深度の幅内に設定するように、ウエハＷのＺ位置、及びＸ軸、Ｙ軸の周りの傾斜角を制御する。
【００１６】
本実施形態のＡＦセンサは、レジスト面１４ａ（被検面）に所定パターンとしてのスリットの像を斜め方向から投射する送光系（第１の光学系）５１Ｅと、レジスト面１４ａ及びその近傍の面からの反射光（正反射光、回折光を含む）を受光してそのスリットの像を再び形成する受光系（第２の光学系）５２Ｅと、受光系５２Ｅが形成したスリット像を光電変換する受光センサ１２およびこの光電変換で得られる検出信号を処理する信号処理系１３を含む検出系とを備えている。送光系５１Ｅにおいて、ハロゲンランプ又は発光ダイオード等の光源１からの検出光ＤＬ（計測光）は、ウエハＷのレジストを感光させない広帯域の波長を有する光であって、コンデンサレンズ２を介して送光スリット板３に形成されたＹ方向に（又はＹ方向に対して斜め方向に）細長いスリット３ａを照明する。スリット３ａから射出された検出光ＤＬは、第２対物レンズ４、第１の開口絞り（第１の位相板）１５０、及び第１対物レンズ６を介して、ウエハＷ上のレジスト面１４ａに斜めに入射する。検出光ＤＬの光路に沿った光源１〜第１対物レンズ６を含んで送光系５１Ｅが構成されている。すなわち、第１の光学系である送光系５１Ｅは、物体の所定の面としてのレジスト面に対して傾斜した方向から光を投射する。
【００１７】
第２対物レンズ４及び第１対物レンズ６は、スリット３ａの像を最良結像面ＢＦと送光系５１Ｅの光軸とが交差する点上もしくはその近傍に形成する。レジスト面１４ａは、最良結像面ＢＦ又はその近傍に位置しているため、レジスト面１４ａ上にはスリット３ａの像が斜め方向から投影される。
レジスト面１４ａに入射した検出光ＤＬは、レジスト面１４ａで正反射されて受光系５２Ｅに向かう光と、レジスト１４を透過してウエハＷの下地面Ｗａに向かい、下地面Ｗａで反射（正反射及び回折）されて受光系５２Ｅに向かう光とにほぼ分かれる。
【００１８】
レジスト面１４ａ及び下地面Ｗａで反射された検出光ＤＬは、受光系５２Ｅに入射して、第１対物レンズ７、第２の開口絞り（第２の位相板）１８０、及び第２対物レンズ９を介してスリット１０ａが形成された受光スリット板１０上にスリット像を形成する。すなわち、第２の光学系である受光系５２Ｅは、表面にレジスト１４が塗布されたウェハＷからの光を受光する。スリット１０ａを通過した検出光ＤＬは、リレーレンズ１１を介してフォトダイオード等の受光センサ１２の受光面に集光される。受光センサ１２の検出信号ＤＳは、信号処理系１３に供給される。信号処理系１３は、検出信号ＤＳからレジスト面１４ａの面位置情報として最良結像面ＢＦからのＺ方向への位置ずれ量（デフォーカス量）の情報を求める。すなわち、受光センサ１２は、受光系５２Ｅからの光を受け取り、信号処理系１３は、この光に基づいて受光センサ１２が生成した検出信号ＤＳから、レジスト面１４ａのＺ方向における位置情報を検出する。検出光ＤＬの光路に沿った第１対物レンズ７〜リレーレンズ１１を含んで受光系５２Ｅが構成されている。
【００１９】
第１対物レンズ７及び第２対物レンズ９に関して、最良結像面ＢＦと受光系５２Ｅの光軸とが交差する点と、スリット１０ａの中心とは共役である。スリット１０ａの形状は、スリット３ａの共役像とほぼ同じ形状である。下地面Ｗａからの反射光がなく、かつレジスト面１４ａのＺ位置が最良結像面ＢＦのＺ位置ＺBFに合致しているときには、対物レンズ７及び９によってスリット３ａの像はほぼスリット１０ａと同じ位置に形成されて、スリット１０ａを通過して受光センサ１２で受光される光量（光強度）が最大になる。
【００２０】
また、レジスト面１４ａの最良結像面ＢＦからのＺ方向の位置ずれによって、スリット像の光量分布の中心は、受光スリット板１０上でスリット１０ａの中心からＹ方向に直交する方向に横ずれする。従って、受光センサ１２からの検出信号ＤＳは、後述の図１Ｄに示すように、レジスト面１４ａのＺ位置がＺBFに合致するときに最大となり、Ｚ位置がＺBFからシフトすると減少する。そこで、この関係を用いて信号処理系１３では、検出信号ＤＳを処理してレジスト面１４ａ上のスリット像の投影位置（計測点）におけるレジスト面１４ａのフォーカス位置、又は最良結像面ＢＦからのデフォーカス量の情報に対応した面位置情報としてのフォーカス情報を求めることができる。なお、実際には、例えば外乱光の影響等を除去し、かつレジスト面１４ａが最良結像面ＢＦから＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のどちらに変位しているのかを検出するために、例えば送光スリット板３をスリット３ａの幅方向に振動させて、信号処理系１３では、その振動に同期させて検出信号ＤＳを同期検波してフォーカス情報を求めてもよい。この同期検波の手法については、例えば米国特許第５６３３７２１号明細書、及び特開２００７−４８８１９号公報に開示されている。
【００２１】
図９Ａの第１の開口絞り１５０は、図８の送光系５１Ｅの瞳面又はこの近傍の位置に配置されて、送光系５１Ｅの光軸と交差し、図８のＹ方向を長手方向とする矩形状の第１の領域１５０ａと、第１の領域１５０ａの短手方向の両側に位置する一対の第２の領域１５０ｂと、第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂを取り囲むように位置する遮光部１５０ｃとを備えている。そして、第１の開口絞り１５０は、第１の領域１５０ａを通過する検出光ＤＬと、その外側の第２の領域１５０ｂとを通過する検出光ＤＬとの間に、ほぼ１８０°の位相差（検出光ＤＬの中心波長をλとしてほぼλ／２の位相差）を付与する。例えば、第１の領域１５０ａは、これを透過する光の位相を、第２の領域１５０ｂを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、第２の領域１５０ｂは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能する。
【００２２】
また、図９Ｂの第２の開口絞り１８０は、受光系５２Ｅの瞳面又はこの近傍の位置に配置され、これによって第１の開口絞り１５０の配置面とほぼ共役な受光系５２Ｅ内の位置に配置されて、第１の開口絞り１５０の第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂ並びに遮光部１５０ｃとほぼ共役な形状を呈する。第２の開口絞り１８０は、受光系５２Ｅの光軸と交差し、図８のＹ方向を長手方向とする矩形状の第３の領域１８０ａと、第３の領域１８０ａの短手方向の両側に位置する一対の第４の領域１８０ｂと、第３及び第４の領域１８０ａ、１８０ｂを取り囲むように位置する透過部１８０ｃとを備えている。そして、第２の開口絞り１８０は、中心の第３の領域１８０ａを通過する検出光ＤＬと、その外側の第４の領域１８０ｂとを通過する検出光ＤＬとの間に、ほぼ１８０°の位相差（ほぼλ／２の位相差）を付与する。例えば、第３の領域１８０ａは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、第４の領域１８０ｂは、これを透過する光の位相を、第２の領域１８０ａを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、透過部１８０ｃは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過するさらなる透過部として機能する。
すなわち、第１の開口絞り１５０及び第２の開口絞り１８０は全体として、送光系５１Ｅ及び受光系５２Ｅの光路中に設けられ、受光系５２Ｅからの検出光ＤＬのうち、被検面以外の面としての下地面Ｗａを介した光中の異なる部分の間に位相差を付与する位相差付与系として機能する。
【００２３】
第１の開口絞り１５０の第１の領域１５０ａの面積と一対の第２の領域１５０ｂの合計の面積とは等しいことが好ましい。第２の開口絞り１８０の第３の領域１８０ａの面積と一対の第４の領域１８０ｂの合計の面積とは等しいことが好ましい。
【００２４】
ここで、送光系５１Ｅ／受光系５２Ｅの瞳面は以下のような２つの方法（ａ）、（ｂ）で定義することが可能である。なお、その瞳面の近傍の位置とは、少なくとも通常の製造・組み立て上の位置決め誤差は許容されるという意味である。
【００２５】
（ａ）被検面の位置合わせの目標位置（最良結像面ＢＦ）と送光系５１Ｅ／受光系５２Ｅの光軸とが交差する点を通り、その光軸に垂直な面に対する光学的フーリエ変換面にほぼ相当する面。
（ｂ）第１対物レンズ６の前側の焦点面又はその共役面／第１対物レンズ７の後側の焦点面又はその共役面。
【００２６】
本実施形態において、実際には、受光スリット板１０上に形成されるスリット像には、下地面Ｗａからの反射光による光量分布が含まれる。その下地面Ｗａからの反射光の影響を軽減するために、受光系５２Ｅ内で送光系５１Ｅ内の第１の開口絞り１５０の配置面とほぼ共役な位置に、第２の開口絞り１８０が配置されている。なお、ほぼ共役な位置とは、後述のようにウエハＷの下地面Ｗａからの正反射光と回折光とが第２の開口絞り１８０内で位相特性（透過によって付与される位相量）が異なる別の領域を通過する範囲内であれば、第２の開口絞り１８０の位置は第１の開口絞り１５０との共役面からずれてもよいという意味である。ここで、第１の開口絞り１５０は、送光系５１Ｅの瞳面又はこの近傍の位置に配置されているため、第２の開口絞り１８０を受光系５２Ｅの瞳面又はこの近傍の位置に配置するとよい。
【００２７】
第１の領域１５０ａからレジスト面１４ａに向かい、レジスト面１４ａおよび下地面Ｗａでそれぞれ正反射された光は、第２の開口絞り１８０の第３の領域１８０ａを通過する。第２の領域１５０ｂからレジスト面１４ａに向かい、レジスト面１４ａおよび下地面Ｗａでそれぞれ正反射された光は、第２の開口絞り１８０の第４の領域１８０ｂを通過する。
【００２８】
検出光ＤＬの中心波長をλとすると、第１の領域１５０ａを通過した検出光にはλ／２の位相が付与され、第２の領域１５０ｂを通過した検出光には位相が付与されない。そのため、第１の領域１５０ａを通過した検出光と第２の領域１５０ｂを通過した検出光との位相差δ１はほぼλ／２（１８０°）となる。一方、第３の領域１８０ａを通過した検出光には位相が付与されず、第４の領域１８０ｂを通過した検出光にはλ／２の位相が付与される。そのため、第３の領域１８０ａを通過した検出光と第４の領域１８０ｂを通過した検出光との位相差δ２もほぼλ／２（１８０°）になるように設定されている。また、第１の領域１５０ａ及び第３の領域１８０ａを通過した検出光と、第２の領域１５０ｂ及び第４の領域１８０ｂを通過した検出光とは、同じ量の位相が付与されるため、第２の開口絞り１８０の通過後には同位相となり、全体として第１の開口絞り１５０に入射する前とほぼ等しい位相分布を有する。
すなわち、位相差付与系としての第１の開口絞り１５０及び第２の開口絞り１８０は全体として、受光系５２Ｅからの検出光ＤＬのうち、被検面以外の面（物体の他の面）としての下地面Ｗａを介した光中の異なる部分の間に位相差を付与し、被検面としてのレジスト面１４ａで反射した光の位相分布を、第１の開口絞り１５０に未入射の検出光ＤＬの位相分布とほぼ等しくする。
【００２９】
なお、第１の領域１５０ａ及び第４の領域１８０ｂを通過した２つの光の干渉光の強度、並びに第２の領域１５０ｂ及び第３の領域１８０ａを通過した２つの光の干渉光の強度が低下すればよいため、その位相差δ１、δ２は、λ／４（９０°）より大きく３λ／４（２７０°）より小さければよい。
【００３０】
図８において、送光系５１Ｅからレジスト面１４ａに照射された検出光ＤＬのうちで、レジスト面１４ａで正反射（ここではほぼ全部が正反射される）された光（計測光）２４は、送光系５１Ｅ内の第１の領域１５０ａを通過した場合には受光系５２Ｅ内の第３の領域１８０ａを、送光系５１Ｅ内の第２の領域１５０ｂを通過した場合には受光系５２Ｅ内の第４の領域１８０ｂを、それぞれ概ね通過して受光スリット板１０上の位置Ａ１上にスリット像を形成する。レジスト面１４ａで正反射された光２４がこのように振る舞うのは、第１の開口絞り１５０の第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂと第２の開口絞り１８０の第３及び第４の領域１８０ａ、１８０ｂとがそれぞれほぼ共役であるためである。レジスト面１４ａが最良結像面ＢＦからＺ方向にずれると、光２４によるスリット像の位置は、受光スリット板１０上をＹ軸に直交する方向に沿って受光系５２Ｅの光軸に対して上下に位置ずれする。
【００３１】
一方、レジスト面１４ａに照射された検出光ＤＬのうちでレジスト１４を透過して下地面Ｗａ（パターン１５）に達した光は、その一部が正反射されて実線で示す正反射光２１（０次回折光）として射出され、残りの部分がパターン１５によって回折されて点線で示す回折光（±１次、±２次等の回折光）２２として射出される。
【００３２】
また、検出光ＤＬが照射されるレジスト面１４ａ上の点に対して、レジスト１４を透過した検出光ＤＬが入射する下地面Ｗａ上の点は、受光系５２Ｅの光軸に対して下方向に位置ずれしているため、下地面Ｗａからの正反射光２１及び回折光２２は対物レンズ７及び９を介して、受光スリット板１０上で位置Ａ１から上方に位置ずれした位置Ｂ１に集光される。送光系５１Ｅから下地面Ｗａに照射された検出光ＤＬのうちで、下地面Ｗａで正反射された光２１は、送光系５１Ｅ内の第１の領域１５０ａを通過した場合には受光系５２Ｅ内の第３の領域１８０ａを、送光系５１Ｅ内の第２の領域１５０ｂを通過した場合には受光系５２Ｅ内の第４の領域１８０ｂを、それぞれ概ね通過して受光スリット板１０上の位置Ｂ１上にスリット像を形成する。一方、送光系５１Ｅから下地面Ｗａに照射された検出光ＤＬのうちで、下地面Ｗａで回折された光２２は、送光系５１Ｅ内の第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂの何れを通過した場合にも、一部が第３の領域１８０ａを通過し、他の一部が第４の領域１８０ｂを通過して受光スリット板１０上の位置Ｂ１上にスリット像を形成することになる。
【００３３】
したがって、この場合、位置Ｂ１に集光される光のなかに位相がほぼ１８０°異なる成分が含まれているため、位置Ｂ１に集光される光の強度は干渉効果によって低下する。
すなわち、受光センサ１２で受光される光では、レジスト面１４ａからの反射光以外の光である下地面Ｗａからの正反射光及び回折光の少なくとも一部と他の一部との間で位相差が与えられることによって、表面にレジスト１４が塗布されたウェハＷからの光中の下地面Ｗａからの光の強度が低減されている。
【００３４】
これに対して、図２に示すように、送光系内に第１の開口絞り１５０を設けず、受光系内に第２の開口絞り１８０を設けない場合には、下地面Ｗａからの正反射光２１及び回折光２２が同じ位相で受光スリット板１０上の位置Ｂ１に集光する。従って、位置Ｂ１に集光する光の強度は低減されず、受光スリット板１０上のスリット像の光量分布の重心が、位置Ｂ１に集光する光によって上方に位置ずれして、レジスト面１４ａのＺ位置の計測結果に誤差が生じる。
【００３５】
本実施形態の作用効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の図８のＡＦセンサは、Ｚ方向（検出方向）を横切る面に位置するレジスト面１４ａ（被検面）のＺ方向における位置情報（面位置情報）を検出する面位置検出装置であって、スリット３ａ（所定のパターン）の像をレジスト面１４ａ上に斜め方向から投射する送光系５１Ｅと、レジスト面１４ａを介した光を受光してスリットの像を形成する受光系５２Ｅと、受光系５２Ｅによって形成されたスリット像に基づいてレジスト面１４ａのＺ方向の位置情報であるフォーカス情報を検出する受光センサ１２及び信号処理系１３とを備えている。さらに、このＡＦセンサは、送光系５１Ｅから投射され、Ｚ方向においてレジスト面１４ａと異なる位置にある下地面Ｗａを介して受光系５２Ｅに入射し、受光形５２Ｅから受光スリット板１０へ向かう光のうちの第１の部分と第２の部分との間に位相差を与える第１の開口絞り１５０及び第２の開口絞り１８０（位相差付与系）と、を備えている。下地面Ｗａを介して受光系５２Ｅに入射する光とは、下地面Ｗａでの正反射光２１及び回折光２２を含む。さらに、下地面Ｗａを介して受光系５２Ｅに入射する光の第１及び第２の部分はそれぞれ、正反射光２１の一部及び回折光２２の一部を含んでいてもよい。
【００３６】
従って、下地面Ｗａから発生する正反射光２１及び回折光２２の中で位相差が存在するため、受光系５２Ｅによって正反射光２１及び回折光２２が照射される位置Ｂ１の光強度は、第１開口絞り１５０及び第２開口絞り１８０を設けない場合に比べて干渉効果によって低下する。従って、下地面Ｗａからの光の強度が低下するため、被検面の近傍に検出対象とならない下地面Ｗａが存在するような場合にも、被検面（レジスト面１４ａ）のＺ位置（面位置情報）を高精度に検出できる。
【００３７】
（２）本実施形態において、受光系５２Ｅからの検出光のうち下地面Ｗａを介した光（正反射光２１及び回折光２２）中の異なる部分（第１及び第２の部分）の間に付与される位相差δは、９０°より大きく２７０°より小さいこと、すなわちレジスト面１４ａに照射される検出光ＤＬの中心波長をλとしてλ／４より大きく３λ／４より小さいことが好ましい。これによって、位置Ｂ１に照射される光は、位相差付与系が無い場合に比べて強度が低下するため、被検面のＺ位置の計測精度が向上する。
【００３８】
また、その位相差δは、ほぼ１８０°（λ／２）に設定されることがより好ましい。これによって、位置Ｂ１に照射される光の強度がほぼ最小となり、最も高精度に被検面のＺ位置を計測できる。
【００３９】
（３）また、その位相差δを付与するための光学系は、送光系５１Ｅの瞳面又はこの近傍の位置に配置された第１の開口絞り１５０と、受光系５２Ｅの瞳面又はこの近傍の位置に配置された第２の開口絞り１８０、すなわち受光系５２Ｅ内で第１の開口絞り１５０の配置面とほぼ共役な位置に配置された第２の開口絞り１８０とを含んでいる。
【００４０】
第１の開口絞り１５０及び第２の開口絞り１８０はそれぞれ光学系の瞳面又はこの近傍に通常の開口絞りを兼ねて配置できるため、光学系が複雑化することがない。
【００４１】
なお、ウエハＷの下地面Ｗａで発生する回折光２２の発散角（回折角）及び方向は、下地面Ｗａのパターン１５のパターンピッチ及び周期方向に依存する。そこで、例えばウエハＷの前工程の露光データから認識できるパターン１５のピッチ及び方向の分布から、最も効果的な第１の開口絞り１５０の第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂ並びに第２の開口絞り１８０の第３及び第４の領域１８０ａ、１８０ｂの大きさ（開口径）を選択することが好ましい。そのため、開口径が異なる第１の開口絞り１５０及び第２の開口絞り１８０を予め複数種類備えておき、ウエハＷの前レイアのパターン１５の情報に応じて、最適な第１及び第２の開口絞り１５０、１８０を選択して設置してもよい。
【００４２】
（４）また、本実施形態では、被検面は、ウエハＷ（基板）の上面に塗布されたレジスト（被膜）の表面であり、位相差のある第１及び第２の部分を有する光はウエハＷの上面（下地面Ｗａ）に形成されたパターン１５を介した光である。従って、本実施形態は、ウエハＷ上の２層目以降のレイアに露光を行う際の面位置計測に特に有効である。
【００４３】
（５）なお、図８の送光系５１Ｅは、光源１及びコンデンサレンズ２よりなる照明系を備えている。しかしながら、例えばスリット板３の代わりに、スリット３ａの部分が発光する自発光型のパターン生成器を用いることによって、その照明系を省略することができる。
【００４４】
本実施形態では、位相差付与系は、送光系５１Ｅ内に配置された第１の開口絞り１５０と受光系５２Ｅ内に配置された第２の開口絞り１８０とを含む。そして、第１の開口絞り１５０は、透過する光に所定量の位相を付与する第１の領域１５０ａを有し、第２の開口絞り１８０は、透過する光に所定量の位相を付与する第４の領域１８０ｂを有する。
なお、本実施形態では、第１の開口絞り１５０及び第２の開口絞り１８０は、入射する光を透過させる透過型素子であるが、位相差付与系を構成する素子の少なくとも１つは、入射する光を反射させる反射型素子であってもよい。その場合、例えば第１の領域１５０ａ及び第４の領域１８０ｂに対応する領域は、それぞれ第２の領域１５０ｂ及び第３の領域１８０ａに対応する領域に対して所定量の位相差（すなわち段差）を有する反射面とすることができる。なお、このように反射型素子を用いる場合には、第１対物レンズ６，７及び第２対物レンズ４，９等は、反射した光の光路に対応させて適宜配置するとよい。
【００４５】
図１０に、本実施形態に係るＡＦセンサに対し、ウエハＷが傾斜して配置された場合の例を示す。図１１Ａは、第１の開口絞り１５０と、ＡＦセンサの各位置での光の波面との関係を示す図である。図１１Ａにおいて、波面ＷＦ１は第２対物レンズ４と第１の開口絞り１５０との間における波面を、波面ＷＦ２は第１の開口絞り１５０と第１対物レンズ６との間における波面を、波面ＷＦ３は第１対物レンズ７と第２の開口絞り１８０との間における波面を、波面ＷＦ４は第２の開口絞り１８０と第２対物レンズ９との間における波面を、それぞれ表す。第１の開口絞り１５０を経た波面ＷＦ２では、第１の領域１５０ａを通過した部分において所定の位相が付与される。図１１Ａに示されるように、ウエハＷが傾斜している場合、下地面Ｗａで反射した光の波面は、波面ＷＦ３のように中心位置がずれてしまう。その結果、第２の開口絞り１８０を経た波面ＷＦ４は、第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂの境界に相当する箇所で波面ＷＦ２，ＷＦ３の位相差に対応する凹凸を有してしまう。これによって、受光スリット板１０上に形成されるスリット像のコントラスト、ひいては検出信号ＤＳのコントラストが低下する。
【００４６】
これに対し、例えば、図１１Ｂに示すように、第１の領域１５０ａと第２の領域１５０ｂとの境界部１５０ａｂに遮光部が設けられた第１の開口絞り１５０Ａを用いることができる。図１１Ｂは、第１の開口絞り１５０Ａと、ＡＦセンサの各位置での光の波面との関係を示す図である。図１１Ｂにおいて、波面ＷＦ１Ａは第２対物レンズ４と第１の開口絞り１５０との間における波面を、波面ＷＦ２Ａは第１の開口絞り１５０と第１対物レンズ６との間における波面を、波面ＷＦ３Ａは第１対物レンズ７と第２の開口絞り１８０との間における波面を、波面ＷＦ４Ａは第２の開口絞り１８０と第２対物レンズ９との間における波面を、それぞれ表す。この場合、ウェハＷが傾斜しても、第１及び第２の領域１５０ａ、１５０ｂの境界に相当する箇所で波面ＷＦ２Ａ，ＷＦ３Ａの位相差に対応する凹凸は形成されず、第２の開口絞り１８０を経た波面ＷＦ４Ａは波面ＷＦ１Ａと同様にほぼ平坦になる。その結果、第１の開口絞り１５０Ａを用いたＡＦセンサでは、受光スリット板１０上においてスリット像のコントラストが低下することが抑制される。
【００４７】
［第２の実施形態］
本実施形態は、例えば露光装置に備えられて、ウエハの表面に塗布されたレジスト（感光剤）の表面の面位置情報を検出するに本発明を適用したものである。
【００４８】
図１Ａは本実施形態のＡＦセンサの構成を示し、図１Ａにおいて、第１の実施形態と同一の構成部分には同一符号を付している。ウエハＷが不図示のウエハホルダを介して真空吸着等によってウエハステージＷＳＴ上に保持されている。ウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が２００〜３００ｍｍ程度の円板状の基板の表面に、厚さ１００〜３００ｎｍ程度のレジスト１４を塗布したものである。なお、図１Ａ等において、説明の便宜上、レジスト１４はその厚さを実際よりもかなり厚く描いている。レジスト１４の表面にはさらに反射防止膜等が形成されている場合がある。また、ウエハＷの基板の表面である下地面Ｗａ（レジスト１４の裏面）には、それまでの工程において回路パターン及びアライメントマーク等の周期性を持つパターン１５が形成されているものとする。以下、ウエハＷの載置面にほぼ平行なウエハステージＷＳＴのガイド面（不図示）の法線方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な面内で図１Ａの紙面に平行にＸ軸を、図１Ａの紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
【００４９】
本実施形態においては、下地面Ｗａのパターン１５は、Ｙ方向に延びた孤立線と見なせるパターンとしているが、これはＸ方向に延びた孤立線と見なせるパターンや、Ｘ、Ｙ方向に周期的なパターンであっても良い。パターン１５からは正反射光（０次回折光）の他に１次以上の回折光が発生するが、以下では１次以上の回折光を単に回折光と呼ぶ。また、被検面であるウエハＷのレジスト１４の表面（以下、レジスト面という）１４ａは、ほぼＺ軸に垂直（ほぼＸＹ平面に平行）であるが、ウエハＷの基板の厚さのばらつき又は下地パターンの段差等によってＺ方向の位置（Ｚ位置又はフォーカス位置）がＸ方向、Ｙ方向の位置によって異なっている。
【００５０】
また、ウエハステージＷＳＴは、Ｘ方向、Ｙ方向にウエハＷを駆動するとともに、そのＡＦセンサで計測されるウエハＷのレジスト面１４ａのＺ位置の分布（面位置情報）に基づいて、露光用の照明光が照射される露光領域内でのレジスト面１４ａの平均的な面を投影光学系（不図示）の最良結像面ＢＦ（ＡＦセンサによる被検面の目標位置）に対して焦点深度の幅内に設定するように、ウエハＷのＺ位置、及びＸ軸、Ｙ軸の周りの傾斜角を制御する。
【００５１】
本実施形態のＡＦセンサは、レジスト面１４ａ（被検面）に所定パターンとしてのスリットの像を斜め方向から投射する送光系５１Ａと、レジスト面１４ａ及びその近傍の面からの反射光（正反射光、回折光を含む）を受光してそのスリットの像を再び形成する受光系５２Ａと、受光系５２Ａが形成したスリット像を光電変換する受光センサ１２及びこの光電変換によって得られる検出信号を処理する信号処理系１３とを備えている。送光系５１Ａにおいて、ハロゲンランプ又は発光ダイオード等の光源１からの検出光ＤＬ（計測光）は、ウエハＷのレジストを感光させない広帯域の波長を有する光であって、コンデンサレンズ２を介して送光スリット板３に形成されたＹ方向に（又はＹ方向に対して斜め方向に）細長いスリット３ａを照明する。スリット３ａから射出された検出光ＤＬは、第２対物レンズ４、送光側絞り５（開口絞り）、及び第１対物レンズ６を介して、レジスト面１４ａに斜めに入射する。検出光ＤＬの光路に沿って光源１〜第１対物レンズ６を含んで送光系５１Ａが構成されている。
【００５２】
第２対物レンズ４及び第１対物レンズ６は、スリット３ａの像を最良結像面ＢＦ（被検面の位置合わせの目標位置）と送光系５１Ａの光軸とが交差する点上に形成する。レジスト面１４ａは、最良結像面ＢＦ又はその近傍に位置しているため、レジスト面１４ａ上にはスリット３ａの像が斜め方向から投影される。送光側絞り５には図１Ｂに示すように、遮光部５ｂの中央に光を透過する矩形の開口部５ａが形成されている。送光側絞り５は、送光系５１Ａの瞳面又はこの近傍の位置に配置されている。開口部５ａは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、遮光部５ｂは入射した光を遮光する遮光部として機能する。
ここで、送光系５１Ａ／受光系５２Ａの瞳面は以下のような２つの方法（ａ）、（ｂ）で定義することが可能である。なお、その瞳面の近傍の位置とは、少なくとも通常の製造・組み立て上の位置決め誤差は許容されるという意味である。
【００５３】
（ａ）被検面の位置合わせの目標位置（最良結像面ＢＦ）と送光系５１Ａ／受光系５２Ａの光軸とが交差する点を通り、その光軸に垂直な面に対する光学的フーリエ変換面にほぼ相当する面。
（ｂ）第１対物レンズ６の前側の焦点面又はその共役面／第１対物レンズ７の後側の焦点面又はその共役面。
レジスト面１４ａに入射した検出光ＤＬは、レジスト面１４ａで正反射されて受光系５２Ａに向かう光と、レジスト１４を透過してウエハＷの下地面Ｗａに向かい、下地面Ｗａで反射（正反射及び回折）されて受光系５２Ａに向かう光とにほぼ分かれる。
【００５４】
レジスト面１４ａ及び下地面Ｗａで反射された検出光ＤＬは、受光系５２Ａに入射して、第１対物レンズ７、位相差板８（位相板又は開口絞り）、及び第２対物レンズ９を介してスリット１０ａが形成された受光スリット板１０上にスリット像を形成する。スリット１０ａを通過した光は、リレーレンズ１１を介してフォトダイード等の受光センサ１２の受光面に集光される。受光センサ１２の検出信号ＤＳは、信号処理系１３に供給される。信号処理系１３は、検出信号ＤＳからレジスト面１４ａの面位置情報として最良結像面ＢＦからのＺ方向への位置ずれ量（デフォーカス量）の情報を求める。すなわち、受光センサ１２は、受光系５２Ａからの光を受け取り、信号処理系１３は、この光に基づいて受光センサ１２が生成した検出信号ＤＳから、レジスト面１４ａのＺ方向における位置情報を検出する。検出光ＤＬの光路に沿った第１対物レンズ７〜リレーレンズ１１を含んで受光系５２Ａが構成されている。
【００５５】
第１対物レンズ７及び第２対物レンズ９に関して、最良結像面ＢＦと受光系５２Ａの光軸とが交差する点と、スリット１０ａの中心とは共役である。スリット１０ａの形状は、スリット３ａの共役像とほぼ同じ形状である。下地面Ｗａからの反射光がなく、かつレジスト面１４ａのＺ位置が最良結像面ＢＦのＺ位置ＺBFに合致しているときには、対物レンズ７及び９によってスリット３ａの像はほぼスリット１０ａと同じ位置に形成されて、スリット１０ａを通過して受光センサ１２で受光される光量（光強度）が最大になる。
【００５６】
また、レジスト面１４ａの最良結像面ＢＦからのＺ方向の位置ずれによって、スリット像の光量分布の中心は、受光スリット板１０上でスリット１０ａの中心からＹ方向に直交する方向に横ずれする。従って、受光センサ１２からの検出信号ＤＳは、図１Ｄに示すように、レジスト面１４ａのＺ位置がＺBFに合致するときに最大となり、Ｚ位置がＺBFからシフトすると減少する。そこで、この関係を用いて信号処理系１３では、検出信号ＤＳを処理してレジスト面１４ａ上のスリット像の投影位置（計測点）におけるレジスト面１４ａのフォーカス位置、又は最良結像面ＢＦからのデフォーカス量の情報に対応した面位置情報としてのフォーカス情報を求めることができる。なお、実際には、例えば外乱光の影響等を除去し、かつレジスト面１４ａが最良結像面ＢＦから＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のどちらに変位しているのかを検出するために、例えば送光スリット板３をスリット３ａの幅方向に振動させて、信号処理系１３では、その振動に同期させて検出信号ＤＳを同期検波してフォーカス情報を求めてもよい。この同期検波の手法については、例えば米国特許第５６３３７２１号明細書、及び特開２００７−４８８１９号公報に開示されている。
【００５７】
本実施形態において、実際には、受光スリット板１０上に形成されるスリット像には、下地面Ｗａからの反射光による光量分布が含まれる。その下地面Ｗａからの反射光の影響を軽減するために、受光系５２Ａ内で送光系５１Ａ内の送光側絞り５の配置面とほぼ共役な位置に、位相差板８が配置されている。なお、ほぼ共役な位置とは、後述のようにウエハＷの下地面Ｗａからの正反射光と回折光とが位相差板８内で位相特性（透過によって付与される位相量）が異なる別の領域を通過する範囲内であれば、位相差板８の位置は送光側絞り５との共役面からずれてもよいという意味である。ここで、送光側絞り５は、送光系５１Ａの瞳面又はこの近傍の位置に配置されているため、位相差板８を受光系５２Ａの瞳面又はこの近傍の位置に配置するとよい。
【００５８】
図１Ｃは、図１Ａの位相差板８を示す平面図である。図１Ｃにおいて位相差板８は、図１Ｂの送光側絞り５の開口部５ａの共役像とほぼ同じ形状で同じ位置の矩形の透過部８ａと、その透過部８ａの周囲の枠状の位相差部８ｂとを備えている。位相差部８ｂの外形は、一例として透過部８ａの高さ及び幅を３倍程度にした形状であり、その周囲は遮光部となっている。例えば、透過部８ａは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、位相差部８ｂは、これを透過する光の位相を、透過部８ａを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能する。
【００５９】
検出光ＤＬの中心波長をλとすると、透過部８ａを通過した検出光と位相差部８ｂを通過した検出光との位相差δはほぼλ／２（１８０°）になるように設定されている。このような位相差板８は、例えば平板状のガラス基板に対して透過部８ａに対応する部分にエッチング等によって深さｄの凹部を形成することによって製造できる。そのガラス基板の屈折率をｎａ、検出光ＤＬが通過する光路の気体の屈折率をｎｂとして、所定の整数ｋ（ｋ＝０，１，２，…）を用いると、深さｄの条件は次のようになる。
【００６０】
（ｎａ−ｎｂ）ｄ＝（１／２＋ｋ）λ    …（１）
なお、後述のように、透過部８ａ及び位相差部８ｂを通過した２つの光の干渉光の強度が低下すればよいため、その位相差δは、以下のようにλ／４（９０°）より大きく３λ／４（２７０°）より小さければよい。
λ／４＜δ＜３λ／４                  …（２）
【００６１】
図１Ａにおいて、送光系５１Ａからレジスト面１４ａに照射された検出光ＤＬのうちで、レジスト面１４ａで正反射（ここではほぼ全部が正反射される）された光（計測光）２４は、ほぼ受光系５２Ａ内の位相差板８の透過部８ａを通過して受光スリット板１０上の位置Ａ１上にスリット像を形成する。レジスト面１４ａで正反射された光２４が透過部８ａを通過するのは、送光側絞り５の開口部５ａと位相差板８の透過部８ａとがほぼ共役であるためである。レジスト面１４ａが最良結像面ＢＦからＺ方向にずれると、光２４によるスリット像の位置は、受光スリット板１０上をＹ軸に直交する方向に沿って受光系５２Ａの光軸に対して上下に位置ずれする。
【００６２】
一方、レジスト面１４ａに照射された検出光ＤＬのうちでレジスト１４を透過して下地面Ｗａ（パターン１５）に達した光は、その一部が正反射されて実線で示す正反射光２１（０次回折光）として射出され、残りの部分がパターン１５によって回折されて点線で示す回折光（±１次、±２次等の回折光）２２として射出される。
【００６３】
なお、パターン１５がＹ方向に延びた孤立線と見なせるパターンであるため、回折光２２は、実際には図１Ｃに示すように、正反射光（０次回折光）２１と重なった状態となる。
【００６４】
また、検出光ＤＬが照射されるレジスト面１４ａ上の点に対して、レジスト１４を透過した検出光ＤＬが入射する下地面Ｗａ上の点は、受光系５２Ａの光軸に対して下方向に位置ずれしているため、下地面Ｗａからの正反射光２１及び回折光２２は対物レンズ７及び９を介して、受光スリット板１０上で位置Ａ１から上方に位置ずれした位置Ｂ１に集光される。この場合、位置Ｂに集光される光のなかに位相がほぼ１８０°異なる成分が含まれているため、位置Ｂ１に集光される光の強度は干渉効果によって低下する。
【００６５】
これに対して、図２に示すように、受光系５２Ａ内に位相差板８を設けない場合には、下地面Ｗａからの正反射光２１及び回折光２２が同じ位相で受光スリット板１０上の位置Ｂ１に集光する。従って、位置Ｂ１に集光する光の強度は低減されず、受光スリット板１０上のスリット像の光量分布の重心が、位置Ｂ１に集光する光によって上方に位置ずれして、レジスト面１４ａのＺ位置の計測結果に誤差が生じる。
【００６６】
本実施形態の作用効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の図１ＡのＡＦセンサは、Ｚ方向（検出方向）を横切る面に位置するレジスト面１４ａ（被検面）のＺ方向における位置情報（面位置情報）を検出する面位置検出装置であって、スリット３ａ（所定のパターン）の像をレジスト面１４ａ上に斜め方向から投射する送光系５１Ａと、レジスト面１４ａを介した光を受光してスリットの像を形成する受光系５２Ａと、受光系５２Ａによって形成されたスリット像に基づいてレジスト面１４ａのＺ方向の位置情報であるフォーカス情報を検出する受光センサ１２及び信号処理系１３とを備えている。さらに、このＡＦセンサは、送光系５１Ａから投射され、被検面以外の面である下地面Ｗａを介して受光系５２Ａに入射し、受光形５２Ａから受光スリット板１０へ向かう光のうちの異なる部分（第１の部分及び第２の部分）の間に位相差を与える送光側絞り５及び位相差板８（位相差付与系）と、を備えている。下地面Ｗａを介して受光系５２Ａに入射する光とは、下地面Ｗａでの正反射光２１及び回折光２２を含む。さらに、下地面Ｗａを介して受光系５２Ａに入射する光の第１及び第２の部分はそれぞれ、正反射光２１の一部及び回折光２２の一部を含んでいてもよい。
【００６７】
従って、下地面Ｗａから発生する正反射光２１及び回折光２２の中で位相差が付与されるため、受光系５２Ａ内によって正反射光２１及び回折光２２が照射される位置Ｂ１の光強度は、位相差板８を設けない場合に比べて干渉効果によって低下する。従って、被検面以外の面からの光の強度が低下するため、被検面の近傍に検出対象とならない面が存在するような場合にも、被検面（レジスト面１４ａ）のＺ位置（面位置情報）を高精度に検出できる。
【００６８】
（２）本実施形態において、受光系５２Ａからの検出光のうち下地面Ｗａを介した光（正反射光２１及び回折光２２）中の異なる部分（第１及び第２の部分）の間に付与される位相差δは、９０°より大きく２７０°より小さいこと、すなわちレジスト面１４ａに照射される検出光ＤＬの中心波長をλとしてλ／４より大きく３λ／４より小さいことが好ましい。これによって、位置Ｂ１に照射される光は、位相差板８が無い場合に比べて強度が低下するため、被検面のＺ位置の計測精度が向上する。
【００６９】
また、その位相差δは、ほぼ１８０°（λ／２）に設定されることがより好ましい。これによって、位置Ｂ１に照射される光の強度がほぼ最小となり、最も高精度に被検面のＺ位置を計測できる。
（３）また、その位相差δを付与するための光学系は、送光系５１Ａの瞳面又はこの近傍の位置に配置された送光側絞り５（開口絞り）と、受光系５２Ａの瞳面又はこの近傍の位置に配置された位相差板８、すなわち受光系５２Ａ内で送光側絞り５の配置面とほぼ共役な位置に配置された位相差板８（位相板）とを含んでいる。
【００７０】
送光側絞り５及び位相差板８はそれぞれ光学系の瞳面又はこの近傍に通常の開口絞りを兼ねて配置できるため、光学系が複雑化することがない。
なお、ウエハＷの下地面Ｗａで発生する回折光２２の発散角（回折角）及び方向は、下地面Ｗａのパターン１５のパターンピッチ及び周期方向に依存する。そこで、例えばウエハＷの前工程の露光データから認識できるパターン１５のピッチ及び方向の分布から、最も効果的な送光側絞り５の開口部５ａ及び位相差板８の透過部８ａの大きさ（開口径）を選択することが好ましい。そのため、開口径が異なる送光側絞り５及び位相差板８を予め複数種類備えておき、ウエハＷの前レイアのパターン１５の情報に応じて、最適な送光側絞り５及び位相差板８を選択して設置してもよい。
【００７１】
（４）また、本実施形態では、被検面は、ウエハＷ（基板）の上面に塗布されたレジスト（被膜）の表面であり、位相差付与の対象となる光はウエハＷの上面（下地面Ｗａ）に形成されたパターン１５を介した光である。従って、本実施形態は、ウエハＷ上の２層目以降のレイアに露光を行う際の面位置計測に特に有効である。
【００７２】
（５）なお、下地面Ｗａのパターン１５からの回折光の発散角が小さい場合には、上記の実施形態の図１Ａの送光側絞り５及び位相差板８の代わりにそれぞれ図３Ａの送光側絞り５Ａ（第１の位相板）及び図３Ｂの位相差板８Ａ（又は図８Ｄの位相差板８Ｂ）（第２の位相板）を配置してもよい。
【００７３】
図３Ａの送光側絞り５Ａは、図１Ａの送光系５１Ａの瞳面又はこの近傍の位置に配置されて、送光系５１Ａの光軸と交差する第１領域５Ａｃと、その外側の少なくとも一つの枠状の第２領域５Ａａと、図１Ｂの遮光部５ｂと同じ形状の遮光部５Ａｂとを備えている。そして、中心の第１領域５Ａｃと、その外側の第２領域５Ａａとを通過する検出光ＤＬの位相は、位相がほぼ１８０°（λ／２）ずつ変化している。すなわち、第１領域５Ａｃは、これを透過する光の位相を、第２領域５Ａａを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、第２領域５Ａａは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、遮光部５Ａｂは入射した光を遮光する遮光部として機能する。
【００７４】
また、図３Ｂの位相差板８Ａは、送光側絞り５Ａの配置面とほぼ共役な受光系５２Ａ内の位置に配置されて、送光側絞り５Ａの領域５Ａｃ，５Ａａとほぼ共役な形状で、かつほぼ同じ位相差を付与する第１の領域８Ａｃ及びその外側の少なくとも一つの第２の領域８Ａａとを備えている。また、これらの領域８Ａｃ，８Ａａを囲む領域８Ａｂは、その内側の領域に対してほぼ１８０°異なる位相差を付与する。図８Ｂにおいて、中間の領域８Ａａを通過する光の位相を０°とすると、中心の領域８Ａｃ及び外側の領域８Ａｂを通過する光の位相はほぼ１８０°となる。すなわち、領域８Ａｃは、これを透過する光の位相を、領域８Ａａを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、領域８Ａａは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、領域８Ａｂは、これを透過する光の位相を、領域８Ａａを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させるさらなる位相シフト部（追加位相シフト部）として機能する。
【００７５】
なお、図３Ｂの位相差板８Ａの代わりに、図３Ｃに示すように、中心の領域８Ｂｃを通過する光の位相を０°として、その外側の領域８Ｂａ、さらにその外側の領域８Ｂｂを通過する光の位相が次第にほぼ１８０°ずつ変化する位相差板８Ｂを使用してもよい。すなわち、領域８Ｂｃは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、領域８Ｂａは、これを透過する光の位相を、領域８Ｂｃを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、領域８Ｂｂは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能する。
あるいは、図３Ｂの位相差板８Ａの代わりに、図３Ｄに示すように、中心の領域８Ｃｃを通過する光の位相を０°として、その外側の領域８Ｃａを通過する光の位相がほぼ１８０°変化し、領域８Ｃａの外側の領域８Ｃｂが遮光部である位相差板８Ｃを使用してもよい。すなわち、領域８Ｃｃは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、領域８Ｃａは、これを透過する光の位相を、領域８Ｃｃを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、領域８Ｃｂは入射した光を遮光する遮光部として機能する。
【００７６】
（７）なお、図１Ａの送光系５１Ａは、光源１及びコンデンサレンズ２よりなる照明系を備えている。しかしながら、例えばスリット板３の代わりに、スリット３ａの部分が発光する自発光型のパターン生成器を用いることによって、その照明系を省略することができる。
【００７７】
次に、本実施形態の変形例につき図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。図１Ａに対応する部分に同一符号を付した図４Ａにおいて、送光系５１Ｂと受光系５２Ｂと受光センサ１２と信号処理系１３とからＡＦセンサが構成されている。送光系５１Ｂは、図１Ａの送光系５１Ａに対して送光側絞り５の代わりに送光側絞り５Ｂ（開口絞り又は位相板）を設置したものであり、受光系５２Ｂは、図１Ａの受光系５２Ａに対して位相差板８の代わりに受光側絞り１６（開口絞り）を設置した点が異なっている。この他の構成は図１ＡのＡＦセンサと同じである。
【００７８】
図４Ａの送光側絞り５Ｂは、図４Ｂに示すように、図１Ｂの送光側絞り５の開口部５ａと同じ形状の第１開口部５Ｂａと、その上方（＋Ｚ方向）近傍の所定面積の矩形の第２開口部５Ｂｃとを遮光部５Ｂｂ内に設け、第１開口部５Ｂａを通過する検出光ＤＬと第２開口部５Ｂｃを通過する検出光ＤＬとの間にほぼ１８０°（λ／２）の位相差を付与したものである。また、受光側絞り１６は、送光側絞り５Ｂとほぼ共役な位置に配置され、かつ送光側絞り５Ｂの第２開口部５Ｂｃと共役な領域を通過する光と、第１開口部５Ｂａと共役な領域を縦横にほぼ３倍にした領域の外側を通過する光とを遮光する。すなわち、第１開口部５Ｂａは入射した光を位相変化を与えずに（もしくは所定量の位相変化を与えて）透過する透過部として機能し、第２開口部５Ｂｃは、これを透過する光の位相を、第１開口部５Ｂａを透過する光の位相に比べてほぼ１８０°変化させる位相シフト部として機能し、遮光部５Ｂｂは入射した光を遮光する遮光部として機能する。
【００７９】
この場合、図４Ａにおいて、送光側絞り５Ｂの第２開口部５Ｂｃを通過してレジスト面１４ａに入射する光２５のうちで、レジスト面１４ａで正反射される正反射光２５ａ及びレジスト１４を透過して下地面Ｗａ（パターン１５）で正反射される正反射光２５ｂとは、平行に受光系５２Ｂに入射して、受光系５２Ｂの瞳面の近傍で受光側絞り１６によって遮光される。また、送光側絞り５Ｂの第１開口部５Ｂａを通過してレジスト面１４ａに入射する検出光ＤＬのうちで、レジスト１４を透過して下地面Ｗａ（パターン１５）で反射される正反射光２１と、第２開口部５Ｂｃを通過してレジスト面１４ａに入射する光２５のうちで、下地面Ｗａ（パターン１５）で回折される点線で示す回折光２５ｃとは、受光系５２Ｂによって受光スリット板１０上の位置Ｂ１に集光される。この際に、正反射光２１と回折光２５ｃとは位相がほぼ１８０°異なっているため、位置Ｂ１の光強度は小さくなり、図１Ａの実施形態と同様に高精度にレジスト面１４ａのＺ位置の計測を行うことができる。
【００８０】
図４Ａに示す変形例の作用効果は以下の通りである。
（１）図４ＡのＡＦセンサにおいて、図４Ａの送光系５１Ｂの瞳面又はこの近傍の位置に配置されて、通過する光の位相がほぼ１８０°異なる第１及び第２の開口部５Ｂａ，５Ｂｃを含む送光側絞り５Ｂと、送光系５２Ｂの瞳面又はこの近傍の位置に配置されることで受光系５２Ｂ内で送光側絞り５Ｂの配置面とほぼ共役な位置に配置されて、第２の開口部５Ｂｃから射出された後、レジスト面１４ａ及び下地面Ｗａで正反射される光２５ａ，２５ｂを遮光する受光側絞り１６とから、受光形５２Ｂから受光スリット板１０へ向かう光のうちの異なる部分（例えば、正反射光２１及び回折光２５ｃ）の間に位相差を付与する光学系が構成されている。
【００８１】
従って、下地面Ｗａ（パターン１５）において正反射光が強く、回折光が弱い通常の場合に、図４Ａの正反射光２１と回折光２５ｃとの強度比がほぼ１：１になるように、図４Ｂの送光側絞り５Ｂの２つの開口部５Ｂａ，５Ｂｃの面積比を調整することで、受光スリット板１０上の位置Ｂ１の光強度をほぼ０にすることができる。従って、高精度にレジスト面１４ａのＺ位置を計測できる。
【００８２】
（２）また、この変形例においては、ウエハＷの下地面Ｗａ上に形成されたパターン１５での正反射光２１に対して位相が付与され、その位相を付与する光学系は、送光系５１Ｂ内に配置されて、受光系５２Ｂに向かう正反射光２１及び回折光２５ｃに位相を与える送光側絞り５Ｂ（位相板）を含むものである。これによって受光系５２Ｂの構成が簡素化されている。
図４Ｂでは、第２の開口部５Ｂｃを第１の開口部５Ｂａに対して＋Ｚ方向、すなわちレジスト面１４ａから遠ざかる側に設けられている。第２の開口部５Ｂｃをこのように配置することにより、第２の開口部５Ｂｃを通過してレジスト面１４ａに入射する光がレジスト面１４ａに対してより垂直に近い角度で入射することができる。その結果、下地面Ｗａまで達する光を多くすることができるようになり、相殺のための下地面Ｗａでの回折光の光量を多くすることが可能となる。ただし、第２の開口部５Ｂｃの第１の開口部５Ｂａに対する位置は本変形例の位置に限らず、受光側絞り１６の位置を対応させさえすれば、例えば第１の開口部５Ｂａに対してレジスト面１４ａに近づく側に設けられていてもよい。
なお、本実施形態では、送光側絞り５，５Ａ，５Ｂ及び位相板８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、入射する光を透過させる透過型素子であるが、位相差付与系を構成する素子の少なくとも１つは、入射する光を反射させる反射型素子であってもよい。その場合、例えば位相シフト部として機能する領域は、透過部として機能する領域に対して所定量の位相差（すなわち段差）を有する反射面とすることができる。
【００８３】
［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態につき図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態のスキャニングステッパよりなる走査露光型の露光装置（投影露光装置）の概略構成を示す図である。図５において、露光装置は、露光光源（不図示）と、露光光源からの照明光でレチクルＲ（マスク）を照明する照明光学系ＩＬＳと、不図示のレチクルベース上でレチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲのパターンの像をレジストが塗布されたウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷを保持して直交するＸ軸及びＹ軸で規定されガイド面上で移動するウエハステージＷＳＴと、装置全体の動作を制御するコンピュータよりなる主制御系５０とを備えている。ウエハステージＷＳＴは、ガイド面上をＸ方向、Ｙ方向に移動するＸＹステージ５５と、ガイド面に垂直なＺ方向への駆動量を制御できる３つのＺ軸アクチュエータ５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ（ボイスコイルモータ等）を介してＸＹステージ５５上に載置されたＺ・レベリングステージ５４とを備えている。
【００８４】
本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬによる露光領域又はこの露光領域の近傍の計測領域内の複数の計測点でウエハＷ上のレジスト面のＺ位置（フォーカス位置）を計測するために、送光系５１Ｃ、受光系５２Ｃ、及び信号処理系７９を含むウエハ用のＡＦセンサを備えている。
【００８５】
図５の送光系５１Ｃにおいて、不図示のハロゲンランプ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源からの検出光ＤＬは、ライトガイド６０を介して導かれている。その検出光ＤＬは、コンデンサレンズ６１を介して、送光スリットプリズム６３の射出面６３ａに形成された複数のスリットを照明する。送光スリットプリズム６３の光軸に対して傾斜した射出面６３ａから射出された検出光ＤＬは、スリット像の位置を調整する電動ハービング（可回転平行平面板）６４、第２対物レンズ６５、ほぼ瞳面の位置にあり開口絞りＡＳを兼用する振動ミラー６７、及び第１対物レンズ６８を介して、側面形状が平行四辺形状の第１プリズム６９に入射する。ライトガイド６０から第１プリズム６９より送光系５１Ｃが構成されている。第１プリズム６９に入射した検出光ＤＬは、２つの傾斜面で順次反射された後、入射時の光路よりも下方にシフトした光路に沿ってウエハＷ上の計測領域に斜め方向から照射され、計測領域の複数の計測点にスリット像を形成する。
【００８６】
この場合、対物レンズ６５及び６８によって、射出面６３ａのスリットの像が計測領域に投影される。さらに、図１Ａの送光側絞り５（開口絞り）にも対応する振動ミラー６７の振動によって、計測領域上のスリット像が例えば長手方向に直交する方向に所定周期で振動する。電動ハービング６４及び振動ミラー６７の動作は、主制御系５０の指示で動作する信号処理系７９によって制御される。
【００８７】
一方、図５の受光系５２Ｃにおいて、ウエハＷから斜めに反射された検出光ＤＬは、第１プリズム６９と対称な形状の第２プリズム７０に入射した後、２つの傾斜面で反射されて光路が上方にシフトした状態で射出される。射出された検出光ＤＬは、第１対物レンズ７１、ミラー７２、図１Ａと同じ位相差板８、第２対物レンズ７４、及びスリット像の位置を調整する電動ハービング（可回転平行平面板）７５を介して、受光スリットプリズム７６の光軸に対して傾斜した入射面７６ａに入射して複数のスリット像を形成する。入射面７６ａには、送光スリットプリズム６３に形成された複数のスリットに対応して複数のスリット（受光スリット）が形成されている。
【００８８】
受光スリットプリズム７６から射出された検出光ＤＬは、リレーレンズ７７を介して受光センサ７８に入射する。受光センサ７８には、送光スリットプリズム６３（受光スリットプリズム７６）に形成された複数のスリットと同じ個数の受光素子（フォトダイオード等）が配置されており、各受光素子上に受光スリットプリズム７６の対応する受光スリットを通過した光が集光される。第２プリズム７０〜リレーレンズ７７より受光系５２Ｃが構成され、受光センサ７８の複数の受光素子の検出信号は信号処理系７９に供給される。信号処理系７９は、各受光素子の検出信号をそれぞれ振動ミラー６７の駆動信号に同期して同期検波して、ウエハＷ上の各計測点のＺ位置（例えば投影光学系ＰＬの最良結像面に対するデフォーカス量）に対応するフォーカス信号を生成する。このフォーカス信号に基づいて、主制御系５０はウエハＷ上の露光領域が最良結像面に合焦されるようにＺ・レベリングステージ５４を駆動する。
【００８９】
本実施形態において、第１プリズム６９及び第２プリズム７０を用いることによって、それぞれ送光系５１Ｃ及び受光系５２Ｃの大部分の光学系を上方に配置した状態で、検出光ＤＬを計測領域に対して大きい入射角で照射することが可能となる。本実施形態の作用効果は以下の通りである。
本実施形態の図５の露光装置は、レチクルＲのパターン（所定のパターン）をウエハＷ（感光性基板）上に露光する露光装置において、ウエハＷのレジスト面のＺ位置（面位置情報）を検出するために、図１ＡのＡＦセンサと基本的に同様の構成の送光系５１Ｃ及び受光系５２Ｃを含むＡＦセンサを備えている。
【００９０】
また、図５の振動ミラー６７は図１Ａの送光側絞り５と同様にウエハＷに照射される検出光ＤＬの入射角を設定し、図５の位相差板８によって、ウエハＷのレジスト層の底面の下地面に形成されているパターンからの正反射光と回折光との間にほぼ１８０°の位相差を付与している。従って、ウエハＷの下地面からの反射光によって受光スリットプリズム７６の入射面７６ａに形成される像の強度が減少するため、ウエハＷのＺ位置を高精度に計測できる。このため、ウエハＷの露光領域を最良結像面に高精度に合焦でき、レチクルＲのパターンを高解像度でウエハＷの各ショット領域に転写できる。
【００９１】
なお、図５の実施形態の変形例として、図６に示すように、ＡＦセンサの送光系５１Ｄで、開口絞りの配置面とほぼ共役な面を形成してもよい。これは、送光系５１Ｄ内にウエハＷ（被検面）に投射されるパターンの中間結像面を設けるのと実質的に等価である。
【００９２】
図５に対応する部分に同一符号を付して示す図６において、送光系５１Ｄ内で射出面６３ａのスリットからの検出光ＤＬは、第４対物レンズ６５Ａ、振動ミラー６７、第３対物レンズ６８Ａを介して中間像面ＩＭ１にスリット像を形成する。そして、中間像面ＩＭ１からの検出光ＤＬは、第２対物レンズ６５Ｂ、図１Ａと同じ送光側絞り５、第１対物レンズ６８Ｂ、第１プリズム６９を介してウエハＷ上にスリット像を斜め方向から投射する。送光側絞り５は、送光系５１Ｄの瞳面またはその近傍の位置に配置されており、振動ミラー６７と送光側絞り５とはほぼ共役な位置に配置されている。
【００９３】
一方、図６の受光系５２Ｄにおいて、ウエハＷからの検出光は、第２プリズム７０、第１対物レンズ７１Ａ、位相差板８、第２対物レンズ７４Ａを介して中間像面ＩＭ２上にスリット像を形成する。中間像面ＩＭ２からの検出光は、第３対物レンズ７１Ｂ、ミラー７２、第４対物レンズ７４Ｂ等を介して受光スリットプリズム７６の入射面７６ａに複数のスリット像を形成する。
【００９４】
図６に示す変形例の作用効果等は以下の通りである。
（１）図６のＡＦセンサの送光系５１Ｄは、送光側絞り５（開口絞り）の配置面とほぼ共役な面を形成する対物レンズ６８Ａ，６５Ｂよりなるリレー光学系と、そのほぼ共役な面に配置される振動ミラー６７とを備えている。従って、送光側絞り５と振動ミラー６７とを機械的に干渉することなく送光系５１Ｄ内に配置できる。これによって、ウエハＷの下地面からの反射光の強度を低減させた上で、同期検波を行うことができ、計測精度がさらに向上する。なお、換言すると、対物レンズ６８Ａ，６５Ｂよりなるリレー光学系は、送光側絞り５（開口絞り）の配置面としての対物レンズ６５Ｂ，６８Ｂからなる光学系の瞳面とほぼ共役な面を形成し、そのほぼ共役な面に振動ミラー６７が配置されている。
【００９５】
（２）なお、図６において、ウエハＷの下地面のパターンのピッチが大きく、回折光の発散角が小さいような場合には、送光側絞り５及び位相差板８の代わりにそれぞれ図３Ａの送光側絞り５Ａ及び図３Ｂの位相差板８Ａ（又は図３Ｃの位相差板８Ｂ）を配置してもよい。
【００９６】
なお、上記の実施形態においては、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置を例に挙げて説明しているが、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置のＡＦセンサにも本発明を適用することができる。また、本発明は、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレットなどに開示される液浸型露光装置のＡＦセンサにも適用することができる。
【００９７】
さらに、上記の実施形態は、例えば国際特許公開第２００７／０５８１５１号パンプレットや国際特許公開第２００６／００７５４９号パンプレットなどに開示される反射面起因の誤差を低減したＡＦセンサと組み合わせて使用することもできる。
また、上述の実施形態にかかる面位置検出装置および露光装置は、本願請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００９８】
また、上記の実施形態の露光装置を用いて半導体デバイス等のマイクロデバイスを製造する場合、マイクロデバイスは、図７に示すように、マイクロデバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置（投影露光装置）によりレチクルのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
【００９９】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置を用いて感光性基板（ウエハ）を露光することと、その露光された感光性基板を現像することとを含んでいる。このとき、感光性基板（ウエハ）用のＡＦセンサの計測精度が向上しているため、高い解像度で露光を行うことができる。従って、微細パターンを有するデバイスを高精度に製造できる。
【０１００】
また、本発明は、半導体デバイスの製造プロセスへの適用に限定されることなく、例えば、液晶表示素子、プラズマディスプレイ等の製造プロセスや、撮像素子（ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム)、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスの製造プロセスにも広く適用できる。このように本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１Ａは、第２の実施形態のＡＦセンサの構成を示す図、図１Ｂは、図１Ａ内の送光側絞り５を示す図、図１Ｃは、図１Ａ内の位相差板８を示す図、図１Ｄは、図１Ａの受光センサ１２から得られる検出信号の一例を示す図である。
【図２】図１ＡのＡＦセンサから位相差板８を取り除いた状態を示す図である。
【図３】図３Ａは、別の送光側絞り５Ａを示す図、図３Ｂは、別の位相差板８Ａを示す図、図３Ｃは、位相差板８Ａと位相が逆の位相差板８Ｂを示す図、図３Ｄは、位相差板８Ａの変形例である位相差板８Ｃを示す図である。
【図４】図４Ａは、第２の実施形態の変形例のＡＦセンサの構成を示す図、図４Ｂは、図４Ａ内の送光側絞り５Ｂを示す図である。
【図５】第３の実施形態のＡＦセンサを備えた露光装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５の実施形態の変形例を示す図である。
【図７】マイクロデバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図８】第１の実施形態のＡＦセンサの構成を示す図である。
【図９】図９Ａは、図８内の第１の開口絞り１５０を示す図、図９Ｂは、図８内の第２の開口絞り１８０を示す図である。
【図１０】ウエハＷが傾斜して配置された場合の第１の実施形態に係るＡＦセンサの構成を概略的に示す。
【図１１】図１１Ａは、第１の開口絞り１５０と、ＡＦセンサの各位置での光の波面との関係を示す図、図１１Ｂは、第１の開口絞り１５０Ａと、ＡＦセンサの各位置での光の波面との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、３…送光スリット板、４，６…対物レンズ、５，５Ａ…送光側絞り、７，９…対物レンズ、８，８Ａ…位相差板、１０…受光スリット板、１２…受光センサ、１３…信号処理系、１４…レジスト、１４ａ…レジスト面、１５…パターン、１６…受光側絞り、２１…正反射光、２２…回折光、５１Ａ〜５１Ｅ…送光系、５２Ａ〜５２Ｅ…受光系、６７…振動ミラー、１５０…第１の開口絞り、１８０…第２の開口絞り
【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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