(57)【要約】【課題】光学系をあまり複雑化させることなく、被検面の多くの計測位置で面位置を高精度に検出する。【解決手段】ウエハ面Ｗａの面位置情報を検出するＡＦセンサ１２であって、ウエハ面Ｗａに斜めに入射面に沿って細長いスリット像を投射する送光光学系１４Ａと、ウエハ面Ｗａの反射光を受光してスリット像を再形成する受光光学系１４Ｂと、再形成されたスリット像の長手方向に沿って細長い受光スリット３３ａが形成された偏向プリズム３２と、スリット像のデフォーカス量を変化させる振動ミラー２６ＡＤと、受光スリット３３ａを通過した光を検出する受光素子アレイ３６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面の面位置情報を検出する装置において、
前記被検面に斜め方向から入射面に沿った方向に細長いスリット状パターンの像を投射する送光光学系と、
前記被検面で反射された光を受光して前記スリット状パターンの像を再形成する受光光学系と、
前記スリット状パターンの像が再形成される面を有し、この面に前記スリット状パターンの像の長手方向に沿って細長いスリット状開口が形成された光学部材と、
前記スリット状開口が形成された面で前記スリット状パターンの像のデフォーカス量を周期的に変化させるデフォーカス系と、
前記スリット状開口を通過した光を検出する光電検出器と、
前記光電検出器の検出信号に基づいて前記被検面の面位置情報を求める信号処理部と、
を備えることを特徴とする面位置検出装置。
【請求項２】
前記デフォーカス系は、前記スリット状開口が形成された面で前記スリット状パターンの像の位置を前記スリット状開口の長手方向に振動させる振動系であることを特徴とする請求項１に記載の面位置検出装置。
【請求項３】
前記振動系は、前記送光光学系若しくは前記受光光学系の射出瞳と共役な面、又はこの面の近傍に配置されて、前記スリット状パターンの像を形成する光の角度を前記スリット状パターンの像の長手方向に対応する方向に振動させる振動ミラーを含むことを特徴とする請求項２に記載の面位置検出装置。
【請求項４】
前記振動系は、
前記送光光学系に違いに異なる第１光束及び第２光束を供給する光源系と、
前記送光光学系又は前記受光光学系中に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の光路を分離する光束分離素子と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の面位置検出装置。
【請求項５】
前記光電検出器は、前記スリット状開口を長手方向に分割した複数の開口部を通過した光を検出する複数の受光素子を有し、
前記信号処理部は、前記複数の受光素子の検出信号をそれぞれ前記スリット状パターンの像のデフォーカス量の周期的な変化に同期して処理して、前記複数の受光素子毎にそれぞれ前記被検面の面位置情報を求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項６】
前記送光光学系は、前記被検面に前記スリット状パターンの像を平行に複数本投射し、
前記光学部材には、複数本の前記スリット状パターンの像に対応して複数本の前記スリット状開口が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項７】
前記送光光学系は、前記スリット状パターンの像を前記被検面に斜めに投影する両側テレセントリックの光学系であり、
前記受光光学系は、前記被検面の前記スリット状パターンの像を前記スリット状開口が形成された面に斜めにリレーする両側テレセントリックの光学系であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項８】
前記被検面を有する被検部材を前記スリット状パターンの像の長手方向に直交する方向に移動する移動装置を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項９】
露光光でパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、
前記パターンが形成された面及び前記基板の表面の少なくとも一方の面位置を検出するために、請求項１〜８のいずれか一項に記載の面位置検出装置を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
被検面の面位置情報を検出する方法において、
前記被検面に斜め方向から入射面に沿った方向に送光光学系を介して細長いスリット状パターンの像を投射し、
前記被検面で反射された光を受光光学系を介して受光して前記スリット状パターンの像を再形成し、
前記スリット状パターンの像が再形成される面に、前記スリット状パターンの像の長手方向に沿って配置された細長いスリット状開口を介して、前記受光光学系からの光を検出し、
前記スリット状開口が形成された面で前記スリット状パターンの像のデフォーカス量を周期的に変化させ、
前記受光光学系からの光の検出信号に基づいて前記被検面の面位置情報を求める、
ことを特徴とする面位置検出方法。
【請求項１１】
前記スリット状パターンの像のデフォーカス量を周期的に変化させるために、前記スリット状開口が形成された面で前記スリット状パターンの像の位置を前記スリット状開口の長手方向に振動させることを特徴とする請求項１０に記載の面位置検出方法。
【請求項１２】
前記スリット状パターンの像の位置を前記スリット状開口の長手方向に振動させるために、
前記送光光学系若しくは前記受光光学系の射出瞳と共役な面、又はこの面の近傍に配置された振動ミラーによって、前記スリット状パターンの像を形成する光の角度を前記スリット状パターンの像の長手方向に対応する方向に振動させることを特徴とする請求項１１に記載の面位置検出方法。
【請求項１３】
前記スリット状パターンの像の位置を前記スリット状開口の長手方向に振動させるために、
前記送光光学系に違いに異なる第１光束及び第２光束を供給し、
前記送光光学系又は前記受光光学系中に配置された光束分離素子によって、前記第１光束及び前記第２光束の光路を分離することを特徴とする請求項１１に記載の面位置検出方法。
【請求項１４】
前記受光光学系からの光の検出信号に基づいて前記被検面の面位置情報を求めるときに、
前記スリット状開口を長手方向に分割した複数の開口部を通過した光の検出信号をそれぞれ前記スリット状パターンの像のデフォーカス量の周期的な変化に同期して処理することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の面位置検出方法。
【請求項１５】
前記被検面に前記スリット状パターンの像が平行に複数本投射され、
前記受光光学系からの光は、複数本の前記スリット状パターンの像に対応して設けられた複数本の前記スリット状開口を介して受光されることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の面位置検出方法。
【請求項１６】
前記受光光学系からの光の検出信号に基づいて前記被検面の面位置情報を求めるときに、
前記被検面を有する被検部材を前記スリット状パターンの像の長手方向に直交する方向に移動し、前記被検部材の移動方向に沿った複数の計測点で前記被検面の面位置情報を求めることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の面位置検出方法。
【請求項１７】
露光光でパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、
前記パターンが形成された面及び前記基板の表面の少なくとも一方の面位置を検出するために、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の面位置検出方法を用いることを特徴とする露光方法。
【請求項１８】
請求項９に記載の露光装置を用いて、マスクのパターンを基板に転写することと、
前記パターンが転写された前記基板を前記パターンに基づいて加工することと、
を含むデバイス製造方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の露光方法を用いて、マスクのパターンを基板に転写することと、
前記パターンが転写された前記基板を前記パターンに基づいて加工することと、
を含むデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検面の面位置情報を検出する面位置検出技術、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技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子（集積回路等）又は液晶表示素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィー工程中で、レチクルのパターンを投影光学系を介してレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）の表面に転写するために、ステッパー又はスキャニングステッパー（スキャナー）などの露光装置が用いられている。かかる露光装置においては、従来より、オートフォーカスセンサ（以下、ＡＦセンサという）によってウエハの表面の面位置（法線方向の位置又は投影光学系の光軸方向の位置）を検出し、この検出結果に基づいて露光中にオートフォーカス方式でウエハの表面を投影光学系の像面に合焦させている。
【０００３】
従来のＡＦセンサとしては、ウエハの表面等の被検面に対して送光光学系によって斜め方向からスリット像を投影し、受光光学系によってその表面からの反射光を受光してそのスリット像を再結像する斜入射型の検出装置が知られている。この場合、被検面の面位置が変化すると、再結像されるスリット像の位置が横ずれすることから、被検面の面位置が検出できる。さらに、従来の斜入射型の検出装置では、送光光学系又は受光光学系内に設けられた振動ミラーの駆動信号に同期して検出信号を同期検波することで、外乱光の影響を低減させていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４８８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＡＦセンサは被検面の複数の計測位置に対してそれぞれスリット像を斜めに投影しているため、被検面の複数の計測位置の配列ピッチを小さくすることが困難であり、計測位置を増加させようとすると、光学系が複雑化して、光学系の調整も複雑化する。最近は、ウエハの表面等の被検面でより小さいピッチで配列されたより多くの計測位置で面位置を計測することが求められている。
【０００６】
本発明の態様は、このような事情に鑑み、光学系をあまり複雑化させることなく、被検面の多くの計測位置で面位置を高精度に検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、被検面の面位置情報を検出する面位置検出装置が提供される。この面位置検出装置は、その被検面に斜め方向から入射面に沿った方向に細長いスリット状パターンの像を投射する送光光学系と、その被検面で反射された光を受光してそのスリット状パターンの像を再形成する受光光学系と、そのスリット状パターンの像が再形成される面を有し、この面にそのスリット状パターンの像の長手方向に沿って細長いスリット状開口が形成された光学部材と、そのスリット状開口が形成された面でそのスリット状パターンの像のデフォーカス量を周期的に変化させるデフォーカス系と、そのスリット状開口を通過した光を検出する光電検出器と、その光電検出器の検出信号に基づいてその被検面の面位置情報を求める信号処理部と、を備えるものである。
【０００８】
また、第２の態様によれば、露光光でパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、そのパターンが形成された面及びその基板の表面の少なくとも一方の面位置を検出するために、第１の態様の面位置検出装置を備える露光装置が提供される。
また、第３の態様によれば、被検面の面位置情報を検出する面位置検出方法が提供される。この面位置検出方法は、その被検面に斜め方向から入射面に沿った方向に送光光学系を介して細長いスリット状パターンの像を投射し、その被検面で反射された光を受光光学系を介して受光してそのスリット状パターンの像を再形成し、そのスリット状パターンの像が再形成される面に、そのスリット状パターンの像の長手方向に沿って配置された細長いスリット状開口を介して、その受光光学系からの光を検出し、そのスリット状開口が形成された面でそのスリット状パターンの像のデフォーカス量を周期的に変化させ、その受光光学系からの光の検出信号に基づいてその被検面の面位置情報を求める、ものである。
【０００９】
また、第４の態様によれば、露光光でパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、そのパターンが形成された面及びその基板の表面の少なくとも一方の面位置を検出するために、第３の態様の面位置検出方法を用いる露光方法が提供される。
また、第５の態様によれば、第２の態様の露光装置又は第４の態様の露光方法を用いて、マスクのパターンを基板に転写することと、そのパターンが転写されたその基板をそのパターンに基づいて加工することと、を含むデバイス製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の態様によれば、被検面に細長いスリット状パターンの像が投射されているため、そのスリット状パターンの像を再形成し、この再形成された像の光量をスリット状開口を介して受光するときに、その再形成された像の長手方向に対応する方向に配列する受光素子の数を増加するだけで、被検面の面位置の計測位置を容易に増加できる。このため、光学系をあまり複雑化させることなく、被検面の多くの計測位置で面位置を高精度に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】（Ａ）は図１中のＡＦセンサの検出領域を示す平面図、（Ｂ）は図１中の送光スリット部１９の複数のスリットを示す拡大図、（Ｃ）は図１中の受光スリット部に形成されるスリット像を示す拡大図である。
【図３】（Ａ）はＡＦセンサにおいて振動ミラーによって変化する検出光の光路を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ受光スリット部に形成される互いにデフォーカス状態の異なるスリット像を示す図、（Ｅ）は受光素子アレイの一つの受光素子から得られる検出信号の一例を示す図である。
【図４】（Ａ）はＡＦセンサにおける検出光の上限及び下限の光路を示す図、（Ｂ）はウエハ表面にある反射率の異なる２つの領域を示す平面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれウエハ表面の反射率が異なる２つの領域を含む部分に投影されるスリット像のデフォーカス量が変化する状態を示す図である。
【図６】ウエハ表面のフォーカス位置（面位置）の検出動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態に係る露光装置を示す図である。
【図８】電子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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、スキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査型の投影露光装置（走査型露光装置）である。露光装置ＥＸは投影光学系ＰＬを備えており、以下においては、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（本実施形態ではほぼ水平面である）内でレチクルとウエハとが相対走査される方向（図１の紙面に垂直な方向）にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向（図１の紙面に平行な方向）にＸ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。
【００１３】
図１において、露光装置ＥＸは、照明系ＩＬＳ、照明系ＩＬＳからの露光用の照明光（露光光）ＩＬで照明されるレチクルＲ（マスク）を保持して移動するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲのパターンの像をウエハＷ（基板）の表面（以下、ウエハ面という）Ｗａに投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持して移動するウエハステージＷＳＴ、装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御装置４０、及びその他の制御系等を備えている。さらに、露光装置ＥＸは、ウエハ面Ｗａ（被検面）の複数の計測領域における投影光学系ＰＬの光軸方向（本実施形態ではＺ方向）の位置（Ｚ位置、フォーカス位置、又は面位置）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）１２（面位置検出装置）を備えている。ＡＦセンサ１２は、被検面に斜めに検出用の光束を投射する光学式で斜入射方式の検出装置である（詳細後述）。
【００１４】
照明系ＩＬＳは光源及び照明光学系を有する。照明光学系は、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されるように、回折光学素子又は空間光変調器等を含む光量分布設定部、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ、ロッドインテグレータ等）等を含む照度均一化光学系、固定及び可変の視野絞り（レチクルブラインド）、及びコンデンサー光学系等（いずれも不図示）を有する。照明系ＩＬＳからの照明光ＩＬは、光路折り曲げ用のミラーＭＩを介して、レチクルブラインドで規定されたレチクルＲのパターン面（下面）のＸ方向に細長いスリット状の照明領域をほぼ均一な照度で照明する。照明光ＩＬとしては、一例としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、照明光としては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザの高調波、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波、又は水銀ランプの輝線（ｉ線等）なども使用できる。
【００１５】
レチクルステージＲＳＴは、レチクルベース（不図示）のＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置されている。レチクルステージＲＳＴは、その上面において、例えばリニアモータ等を含む駆動系（不図示）によって少なくともＸ方向、Ｙ方向、θｚ方向に微少駆動可能であるとともに、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能である。レチクルステージＲＳＴの位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）はレーザ干渉計（不図示）によって計測され、この計測値及び主制御装置４０からの制御情報に基づいて、ステージ制御系４２がその駆動系を制御する。
【００１６】
投影光学系ＰＬは、照明光ＩＬのもとでレチクルＲのパターン領域の照明領域内の回路パターンの像を、ウエハＷの一つのショット領域のＸ方向に細長いスリット状の露光領域（照明領域と共役な領域）に形成する。投影光学系ＰＬは、屈折系又は反射屈折系からなり、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。ウエハＷは、例えば直径が２００ｍｍから４５０ｍｍ程度の円板状の半導体ウエハの表面にフォトレジスト（感光剤）を所定の厚さ（例えば数１０〜２００ｎｍ程度）で塗布したものを含む。
【００１７】
また、露光装置ＥＸが液浸法で露光を行う場合には、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子とウエハＷとの間の局所的な領域に、照明光ＩＬを透過する液体を供給するための局所液浸機構（不図示）が設けられる。その局所液浸機構は、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書等に開示されている。
また、ウエハステージＷＳＴは、ウエハベースＷＢのＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置されている。ウエハステージＷＳＴは、ウエハベースＷＢの上面においてＸ方向及びＹ方向に移動可能で、θｚ方向に微小回転可能なＸＹステージと、ＸＹステージの上部に固定されたＺステージとを有する。そのＺステージは、ウエハテーブルＷＴＢを介してウエハＷを保持するとともに、ウエハテーブルＷＴＢ（及びウエハＷ）のＺ位置、及びθｘ方向、θｙ方向の傾斜角を制御する。ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハの表面とほぼ同じ高さの面となる、中央にウエハＷが設置される開口が形成された平板１０が設けられている。露光装置ＥＸが液浸型である場合には、平板１０の表面には撥液化処理が施される。
【００１８】
ウエハベースＷＢの上面におけるウエハステージＷＳＴの位置情報（少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）はレーザ干渉計（不図示）によって計測され、この計測値及び主制御装置４０からの制御情報に基づいて、ステージ制御系４２がリニアモータ等の駆動系（不図示）を介してウエハステージＷＳＴ内のＸＹステージの動作を制御する。さらに、ＡＦセンサ１２で計測されるウエハ面ＷｓのＺ位置の情報に基づいて、主制御装置４０は、ステージ制御系４２を介してウエハステージＷＳＴのＺステージを制御する。
【００１９】
また、ウエハステージＷＳＴは、レチクルＲのアライメントマークの投影光学系ＰＬによる像の位置を計測する空間像計測系（不図示）を備え、投影光学系ＰＬの近傍には、ウエハＷのアライメントマークの位置を計測するウエハアライメント系（不図示）が設けられている。その空間像計測系及びウエハアライメント系の計測結果に基づいてレチクルＲ及びウエハＷのアライメントが行われる。
【００２０】
ウエハＷの露光時には、照明系ＩＬＳからの照明光ＩＬを可動のレチクルブラインドで遮光して、ウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向への移動によって、ウエハＷの一つのショット領域が投影光学系ＰＬの露光領域の手前に移動（ステップ移動）する。その後、照明光ＩＬのウエハＷへの照射を開始して、レチクルＲのパターンの一部の投影光学系ＰＬによる像でウエハＷの当該ショット領域を露光しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを駆動して、レチクルＲ及びウエハＷをＹ方向に同期して移動することによって、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。そのステップ移動と走査露光とを繰り返すことによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターンの像が露光される。
【００２１】
また、ウエハＷの各ショット領域の走査露光時に、ＡＦセンサ１２によるウエハＷの表面の複数の計測領域（計測点）のＺ位置の計測結果に基づいて、主制御装置４０はステージ制御系４２を介して、オートフォーカス方式でウエハ面Ｗｓが投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、ウエハステージＷＳＴのＺステージを駆動する。これによって、レチクルＲのパターンの像がウエハＷの各ショット領域に高い解像度で露光される。
【００２２】
次に、本実施形態のＡＦセンサ１２の構成及び動作につき詳細に説明する。ＡＦセンサ１２は、検出用の光束Ｌを射出する光源系１６、光束Ｌが照射される複数の送光スリット１９ａが形成された偏向プリズム１８、複数のスリット像をウエハ面Ｗａ（被検面）に斜め方向から投射する送光光学系１４Ａ、ウエハ面Ｗａで反射された光束Ｌを受光する受光光学系１４Ｂ、及び複数の受光スリット３３ａが形成された偏向プリズム３２を有する。さらに、ＡＦセンサ１２は、送光光学系１４Ａ内に配置されて、光束Ｌを反射させて光束Ｌのθｙ方向の角度を周期的に変化させるガルバノミラー等の振動ミラー２６ＡＤ、振動ミラー２６ＡＤを駆動するミラー制御系４４、偏向プリズム３２を介した光束Ｌを検出する検出系１４Ｃ、及び検出系１４Ｃの検出信号からウエハ面Ｗａの複数の計測領域でのＺ位置（面位置）の情報を求める信号処理系４６を有する。
【００２３】
まず、光源系１６は、波長幅の広い可視光及び／又は近赤外光よりなる非偏光の光束Ｌを射出する例えば発光ダイオード又はハロゲンランプ等よりなる光源１７Ａ、及び光束Ｌをほぼ平行光束にするコンデンサーレンズ１７Ｂを有する。光束Ｌとしては、ウエハＷに塗布されたレジストに対する感光性が低く、かつ可干渉性の低い光が好ましい。コンデンサーレンズ１７Ｂによってほぼ平行光束に変換された光束Ｌは偏向プリズム１８に入射し、偏向プリズム１８によって屈折されることにより主光線がほぼ−Ｚ方向に進行するように偏向される。偏向プリズム１８の射出面には、遮光膜中に複数の細長い送光スリット１９ａ（ラインパターン）を周期的に配列した構成の送光スリット部１９が設けられている。
【００２４】
図２（Ｂ）に示すように、送光スリット部１９の複数の細長い送光スリット１９ａの長手方向に平行なＸ１方向は、ウエハ面ＷａのＸ方向に対応する方向である。図２（Ｂ）において、Ｘ１方向に直交する方向をＹ１方向（ウエハ面ＷａのＹ方向に平行な方向）とすると、送光スリット１９ａのＹ１方向の線幅ｄ１は例えば１０〜２０μｍ、送光スリット１９ａのＹ１方向の配列のピッチ（周期）ｐ１は線幅ｄ１の数倍程度である。一例として、送光スリット１９ａの本数は数１０本〜数１００本程度である。
【００２５】
なお、光源１７Ａの光束は、それぞれ例えば可撓性を持つ光ガイド（不図示）によって投影光学系ＰＬの側面に近い位置まで伝送してもよい。
図１において、偏向プリズム１８の複数の送光スリット１９ａを通過した光束Ｌは、送光光学系１４Ａの第１対物レンズ２０Ａに入射する。第１対物レンズ２０Ａで集光された光束Ｌは、振動ミラー２６ＡＤにより９０°よりも所定角度（例えば数°〜１０°程度）小さい角度程度だけ＋Ｘ方向に光路が折り曲げられた後、第２対物レンズ２０Ｂ、及び光路を−Ｚ方向にシフトさせるプリズム２８Ａを介して、ウエハ面ＷａのＸ方向に細長い投射領域２９内に斜めに投射される。光束Ｌによって投射領域２９内に、複数の細長い送光スリット１９ａの像がＹ方向に一定のピッチで形成される。
【００２６】
第１対物レンズ２０Ａ、第２対物レンズ２０Ｂ、及びプリズム２８Ａから送光光学系１４Ａが構成されている。送光光学系１４Ａは、偏向プリズム１８の射出面（送光スリット部１９の形成面）と投影光学系ＰＬの像面（合焦時のウエハ面Ｗａ）とを光学的に共役にする結像光学系である。また、ウエハ面Ｗａに斜めに投射される光束Ｌの主光線の入射面と、投影光学系ＰＬの像面（合焦時のウエハ面Ｗａ）とが交差する直線はＸ軸に平行（Ｘ方向）であり、送光スリット１９ａの像の長手方向もＸ方向である。
【００２７】
振動ミラー２６ＡＤは、送光光学系１４Ａの射出瞳と共役な面（瞳面）の近傍に配置されている。振動ミラー２６ＡＤは、点線の下側の光路Ｐ１及び上側の光路Ｐ２の間で、すなわち光束Ｌのウエハ面Ｗａに対する入射面内で反射光を振動させる。また、ウエハ面Ｗａが投影光学系ＰＬの像面に合致している状態で、送光スリット部１９の形成面とウエハ面Ｗａとは、送光光学系１４Ａに関してシャインプルーフの条件を満たすように配置されており、複数の送光スリット１９ａの像は、投射領域２９の全面に渡って正確に結像する。また、送光光学系１４Ａはいわゆる両側テレセントリック光学系であり、一例として開口数は０．０１〜０．１程度で、投影倍率はほぼ等倍〜数倍であり、任意の２つの送光スリット１９ａのピッチｐ１と、対応するウエハ面Ｗａの２つの像のＹ方向のピッチとは、ウエハ面Ｗａの全面に渡って互いに同じ倍率である。
【００２８】
図２（Ａ）に示すように、投射領域２９内には、送光光学系１４Ａから投射された光束Ｌによって、Ｊ本（Ｊは例えば数１０〜数１００の整数）の送光スリット１９ａのＸ方向に細長い像（以下、スリット像という）３７ｊ（ｊ＝１〜Ｊ）が、Ｙ方向にピッチｐで形成される。ピッチｐは送光スリット１９ａのピッチｐ１と同じ程度か又はその数倍程度である。細長いスリット像３７ｊ（ラインパターンの像）のＸ方向の長さは、例えば被検面のＸ方向の最大の幅よりもわずかに短い程度である。従って、ウエハＷの直径が３００ｍｍ程度である場合、送光スリットの像３７ｊのＸ方向の長さはほぼ３００ｍｍ程度である。振動ミラー２６ＡＤの振動によって、各スリット像３７ｊの位置は全体としてＸ方向に周期的に変化するとともに、デフォーカス量が変化するが、Ｙ方向の平均的な位置は変化しない。
【００２９】
また、本実施形態では、複数のスリット像３７ｊが投影されている投射領域２９は、Ｘ方向に互いに同じ幅のＩ個（Ｉは数１０〜３００程度の整数）の計測領域ＭＡｉ（ｉ＝１〜Ｉ）に分かれている。ｉ番目の計測領域ＭＡｉの中心をウエハ面ＷａにおけるＺ位置のｉ番目の計測点とみなすことができる。後述のように、計測領域ＭＡｉの個数Ｉは検出系１４Ｃ内の受光素子アレイ３６の受光素子の個数と同じであり、計測領域ＭＡｉのＸ方向の配列のピッチは、受光素子アレイ３６の受光素子の配列のピッチに応じて容易に例えば１ｍｍ程度までも小さくできる。さらに、受光素子アレイ３６の受光素子の数を増加させるだけで、計測領域ＭＡｉ（計測点）の数を容易に増加させることができる。
【００３０】
図１において、ウエハ面Ｗａに投射された光束Ｌは、ウエハ面Ｗａで反射されて、光路を＋Ｚ方向にシフトさせるプリズム２８Ｂを介して第１対物レンズ３０Ａに入射する。そして、第１対物レンズ３０Ａを通過した光束Ｌは、ミラー２６Ｂを介して光路がほぼ＋Ｚ方向に折り曲げられて第２対物レンズ３０Ｂに入射する。第２対物レンズ３０Ｂから射出された光束Ｌは、偏向プリズム３２の入射面に形成された受光スリット部３３に、ウエハ面Ｗａの投射領域２９内の複数の細長いスリット像３７ｊの像を形成する。
【００３１】
図２（Ｃ）に示すように、受光スリット部３３は、遮光膜中に複数のスリット像３７ｊの像（以下、スリット像という）３８ｊ（ｊ＝１〜Ｊ）とほぼ同じ配列で、合焦時のスリット像３８ｊとほぼ同じ形状の細長い開口パターンよりなる複数の受光スリット３３ａをＹ２方向（ウエハ面のＹ方向に平行な方向）に平行に設けた構成である。スリット像３８ｊは、複数の送光スリット１９ａの送光光学系１４Ａ及び受光光学系１４Ｂによる像１９ａＰでもある。振動ミラー２６ＡＤの振動によって、複数のスリット像３８ｊは全体としてＸ２方向（ウエハ面のＸ方向に対応する方向）に周期的に移動するとともに、周期的にデフォーカス量が変化する。
【００３２】
プリズム２８Ｂ、第１対物レンズ３０Ａ、ミラー２６Ｂ、及び第２対物レンズ３０Ｂより受光光学系１４Ｂが構成されている。受光光学系１４Ｂに関して、投影光学系ＰＬの像面（合焦時のウエハ面Ｗａ）と偏向プリズム３２の入射面（受光スリット部３３の形成面）とは光学的に共役である。また、ウエハ面Ｗａが投影光学系ＰＬの像面に合焦している状態で、ウエハ面Ｗａと偏向プリズム３２の入射面とは、受光光学系１４Ｂに関して、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。従って、偏向プリズム３２の入射面の全面に渡って、ウエハ面Ｗａの投射領域２９内に結像したスリット像３７ｊの像３８ｊが正確に再結像する。また、受光光学系１４Ｂは両側テレセントリック光学系であり、一例として開口数は０．０１〜０．１程度で、投影倍率はほぼ等倍〜数分の１であり、ウエハ面Ｗａの２点の間隔と偏向プリズム３２の入射面上の対応する２つの共役点の間隔とは、全面で同じ倍率である。
【００３３】
この場合、図３（Ａ）に示すように、ウエハ面Ｗａが像面に合焦している状態で、送光光学系１４Ａから実線の光路に沿ってウエハ面ＷａのＸ方向の中央の点Ｂ０に照射された光束Ｌを想定する。この光束Ｌは、ウエハ面Ｗａで反射されてから受光光学系１４Ｂにより集光され、受光スリット部３３の中央の点Ｃ０にスリット像を合焦状態で形成する。このとき、図３（Ｃ）に示すように、受光スリット部３３の各受光スリット３３ａとほぼ同じ位置にほぼ同じ大きさのスリット像３８ｊが形成され、各受光スリット３３ａを通過する光量は最大になる。この状態から、ウエハ面ＷａがＺ方向（面位置の計測方向）に変位して、＋Ｚ方向の位置Ａ１に移動すると、上記の点Ｂ０で反射される光束と同じ光路を通る光束は、点線で示すようにウエハ面Ｗａで点Ｂ０から＋Ｘ方向にδＸだけ離れた点Ｂ１に集光される光束となる。この光束は実際には位置Ａ１にあるウエハ面Ｗａで反射された後、受光光学系１４Ｂで集光されて受光スリット部３３から＋Ｚ方向にδＺ２だけ離れた点Ｃ１でスリット像を形成する。このため、図３（Ｂ）に示すように、受光スリット部３３の各受光スリット３３ａ上にはデフォーカスしたスリット像３８ｊが形成され、各受光スリット３３ａを通過する光量は減少する。
【００３４】
一方、ウエハ面Ｗａが−Ｚ方向の位置Ａ２に移動すると、上記の点Ｂ０で反射される光束と同じ光路を通る光束は、点線で示すようにウエハ面Ｗａで点Ｂ０から−Ｘ方向にδＸだけ離れた点Ｂ２に集光される光束となる。この光束は実際には位置Ａ２にあるウエハ面Ｗａで反射された後、受光光学系１４Ｂで集光されて受光スリット部３３から−Ｚ方向にδＺ２だけ離れた点Ｃ２でスリット像を形成する。このため、図３（Ｄ）に示すように、受光スリット部３３の各受光スリット３３ａ上にはデフォーカスしたスリット像３８ｊが形成され、各受光スリット３３ａを通過する光量は減少する。従って、ウエハ面ＷａのＺ位置が変化すると、受光スリット部３３の各受光スリット３３ａを通過する光量を光電変換して得られる検出信号Ｓ１は、図３（Ｅ）に示すように、ウエハ面Ｗａがベストフォーカス位置ＢＦにあるときに最大になり、ウエハ面Ｗａが位置ＢＦから離れるほど小さくなる。このために検出信号Ｓ１からウエハ面ＷａのＺ位置（位置ＢＦに対する変位δＺ）を検出できる。ただし、単に検出信号Ｓ１を用いると、Ｚ位置が位置ＢＦに対して＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のどちらに変位しているのかが分からないため、本実施形態では後述のように検出信号Ｓ１を振動ミラー２６ＡＤの駆動信号で同期整流する。
【００３５】
また、図３（Ａ）において、一例として、送光光学系１４Ａからウエハ面Ｗａに入射する光束Ｌの入射角φを８６°として、ウエハ面ＷａのＺ方向への変位（位置Ａ１又はＡ２までの間隔）を１μｍとすると、点Ｂ０から点Ｂ１又はＢ２までの距離δＸは次のようにほぼ１４．３μｍとなる。
δＸ＝１×ｔａｎ８６°＝１４．３（μｍ）  …（１）
また、受光光学系１４Ｂが例えば等倍であるとすると、受光スリット部３３におけるスリット像３８ｊのデフォーカス量（間隔δＺ２）はほぼ式（１）の距離δＸに等しくなり、そのデフォーカス量はほぼ１４．３倍に拡大される。このウエハ面Ｗａのデフォーカス量に対する受光スリット部３３におけるデフォーカス量の倍率は受光光学系１４Ｂの共焦点効果ともいうことができる。言い換えると、受光光学系１４Ｂの開口数が仮に０．０２であるとしても、共焦点効果によって開口数は実質的に０．２８（＝０．０２×１４）相当になり、面位置の検出に際して高い検出精度が得られる。
【００３６】
図１において、偏向プリズム３２の入射面の複数の受光スリット３３ａを通過した光束Ｌは、リレー光学系３４により、受光素子アレイ３６に形成された複数の例えばフォトダイオードよりなる受光素子ＰＥｉ（ｉ＝１〜Ｉ）の受光面にリレーされる。複数の受光素子ＰＥｉの検出信号Ｓ１は信号処理系４６に供給される。受光素子アレイ３６としては、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳ型の１次元のラインセンサも使用できる。なお、受光素子アレイ３６の代わりに複数列のそれぞれ複数の受光素子のアレイを有する受光素子アレイ、又は２次元の撮像素子を使用することも可能である。
【００３７】
図２（Ｃ）には、受光スリット部３３の複数の受光スリット３８ｊの配置面から、リレー光学系３４を介して見た受光素子アレイ３６の複数の受光素子ＰＥｉ（ｉ＝１〜Ｉ）を示す。受光素子ＰＥｉの個数Ｉは、図２（Ａ）のウエハ面Ｗａの投射領域２９内に設定される計測領域ＭＡｉの個数と同じであり、ｉ番目の受光素子ＰＥｉによって、投射領域２９内のｉ番目の計測領域ＭＡｉで反射された光束のうち、受光スリット部３３の複数の受光スリット３８ｊの対応する領域（計測領域ＭＡｉと共役な領域）を通過した光束が受光される。
【００３８】
信号処理系４６は、各受光素子ＰＥｉから出力される検出信号Ｓ１を、ミラー制御系４４から供給される振動ミラー２６ＡＤの駆動信号を用いて個別に同期整流することによって、ウエハ面Ｗａのｉ番目の計測領域ＭＡｉのＺ位置のベストフォーカス位置ＢＦからの変位δＺｉとして求める。この場合の同期整流とは、一例として駆動信号の半周期毎にその検出信号をサンプリングして、サンプリングされた２つの信号の差分を求めることである。図３（Ｅ）に示したように、検出信号Ｓ１は位置ＢＦで最大値になる信号であり、その同期整流によって変位δＺｉを高精度に求めることができる。ウエハ面Ｗａにはそれまでの工程の処理等によって凹凸（段差）があるため、変位δＺｉは通常は互いにわずかに異なっている。求められたウエハ面Ｗａの全部の計測領域ＭＡｉのＺ位置（変位δＺｉ）の情報は主制御装置４０に供給される。リレー光学系３４及び受光素子アレイ３６から検出系１４Ｃが構成されている。ＡＦセンサ１２のうち、ミラー制御系４４及び信号処理系４６を除く光学系の部分は、投影光学系ＰＬを保持するフレーム（不図示）に支持されている。
【００３９】
ここで、振動ミラー２６ＡＤで光束Ｌをθｙ方向に振動することで、受光スリット部３３に形成されるスリット像のデフォーカス量が変化すること、及びＡＦセンサ１２によって、ウエハ面Ｗａの前のレイヤ等に形成されている回路パターン（下地パターン）、又はウエハ面Ｗａの互いに反射率が異なり隣接している複数の部分からの反射光の影響を軽減できることにつき説明する。ここで、図４（Ａ）に示すように、一例として、ウエハ面Ｗａが像面に合焦しており、振動ミラー２６ＡＤが振動範囲の中央（中立位置）にあるときに、送光光学系１４Ａから実線の光路に沿ってウエハ面ＷａのＸ方向の中央の点Ｂ０に照射される光束Ｌを想定する。この光束Ｌは、ウエハ面Ｗａで反射されてから、受光スリット部３３の中央の点Ｃ０にスリット像を形成する。
【００４０】
この状態から、振動ミラー２６ＡＤが時計回りの下限位置まで回転して、ウエハ面Ｗａの点Ｂ０に入射していた光束Ｌの光路が点線の光路Ｐ１に移動すると、光路Ｐ１に沿った光束Ｌはウエハ面Ｗａで反射した後に点Ｂ０から＋Ｚ方向に離れた点Ｂ０１にスリット像を形成する。従って、ウエハ面Ｗａには全部のスリット像がデフォーカスした状態で投影されるため、ウエハ面Ｗａからの反射光によって受光スリット部３３に形成されるスリット像もデフォーカスしている。この場合、点Ｂ０１を通る光束は、受光スリット部３３において点Ｃ０からＸ方向に対応する方向に離れた位置に入射する。そして、ウエハ面Ｗａの点Ｂ０に入射した光束Ｌ１１は、ウエハ面Ｗａから離れた点Ｂ１１にスリット像を形成した後、受光光学系１４Ｂの光軸に沿って点Ｃ０から＋Ｚ方向にデフォーカスした位置Ｃ１１にスリット像を形成するため、受光スリットを通過する光量は減少する。
【００４１】
これに対して、振動ミラー２６ＡＤが反時計回りの上限位置まで回転して、ウエハ面Ｗａの点Ｂ０に入射していた光束Ｌの光路が点線の光路Ｐ２に移動すると、光路Ｐ２に沿った光束Ｌは点Ｂ０の上方の点Ｂ０１にスリット像を形成した後、ウエハ面Ｗａで反射される。従って、この状態でも、ウエハ面Ｗａには全部のスリット像がデフォーカスした状態で投影されて、ウエハ面Ｗａからの反射光によって受光スリット部３３に形成されるスリット像もデフォーカスしている。そして、点Ｂ０から−Ｘ方向で＋Ｚ方向に離れた点Ｂ１２でスリット像を形成した光束Ｌ１２が、ウエハ面Ｗａの点Ｂ０で反射された後、受光光学系１４Ｂの光軸に沿って点Ｃ０から−Ｚ方向にデフォーカスした位置Ｃ１２にスリット像を形成するため、受光スリットを通過する光量は減少する。
【００４２】
このように、振動ミラー２６ＡＤの振動によって、受光スリット部３３の中央に形成されるスリット像のデフォーカス量が周期的に変化し、同様に受光スリット部３３の他の部分に形成されるスリット像もデフォーカス量が周期的に変化する。さらに、図４（Ａ）の場合には、点Ｂ０があるウエハ面Ｗａはベストフォーカス位置にあるが、ウエハ面Ｗａがベストフォーカス位置からδＺだけずれた位置にある状態で、振動ミラー２６ＡＤで光束Ｌを振動させると、受光スリット部３３に形成されるスリット像のデフォーカス量は、変位δＺに対応するデフォーカス量を中心として周期的に変化する。このため、受光素子アレイ３６から出力される検出信号を振動ミラー２６ＡＤの駆動信号で同期整流することで、ウエハ面Ｗａのベストフォーカス位置からの変位δＺを求めることができる。
【００４３】
また、図４（Ｂ）に示すように、ウエハ面Ｗａのスリット像３７ｊの投射領域２９において、例えばｉ番目の計測領域ＭＡｉが、反射率の高い部分（高反射率部）４８Ａと反射率が低い部分（低反射率部）４８Ｂとの境界部に設定されているものとする。このとき、振動ミラー２６ＡＤを振動させることで、ウエハ面Ｗａに投射される複数のスリット像３７ｊは全体としてＸ方向に移動するとともに、そのウエハ面Ｗａにおけるデフォーカス量は周期的に変化する。
【００４４】
すなわち、振動ミラー２６ＡＤによってウエハ面Ｗａでスリット像３７ｊが−Ｘ方向に移動しているときに、図５（Ａ）に示すようにスリット像３７ｊがＸ方向の移動範囲内の中央にある状態で、スリット像３７ｊが合焦状態で鮮明に形成される場合を想定する。この場合、振動ミラー２６ＡＤによってスリット像３７ｊがさらに−Ｘ方向に移動すると、図５（Ｂ）に示すように、スリット像３７ｊのデフォーカス量が最大になる。その後、振動ミラー２６ＡＤによってスリット像３７ｊが＋Ｘ方向への移動を開始し、図５（Ｃ）に示すようにスリット像３７ｊがＸ方向の移動範囲内の中央に戻ったときに、スリット像３７ｊが再び合焦状態で鮮明に形成される。そして、振動ミラー２６ＡＤによってスリット像３７ｊがさらに＋Ｘ方向に移動すると、図５（Ｄ）に示すように、スリット像３７ｊのデフォーカス量が最大になる。以下、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）の動作が周期的に繰り返される。
【００４５】
この場合、図５（Ａ）の状態で、高反射率部４８Ａと低反射率部４８Ｂとの境界部にある計測領域ＭＡｉで反射された光束が受光素子アレイ３６のｉ番目の受光素子で受光されるものとする。このとき、図５（Ｂ）又は図５（Ｄ）に示すように、ウエハ面Ｗａでスリット像３７ｊの位置がＸ方向に移動しても、そのｉ番目の受光素子に入射する光束は、高反射率部４８Ａと低反射率部４８Ｂとの境界部にある計測領域ＭＡｉで反射された光束のうちで、対応する受光スリット３３ａを通過した光束である。従って、そのｉ番目の受光素子からの検出信号は、振動ミラー２６ＡＤの振動（スリット像３７ｊのデフォーカス量）に応じて周期的に変化するが、計測領域ＭＡｉにおける高反射率部４８Ａと低反射率部４８Ｂとの面積比は変化しない。このため、ウエハ面Ｗａに高反射率部４８Ａと低反射率部４８Ｂとが隣接して形成されている状態で、スリット像３７ｊのデフォーカス量を変化させるためにスリット像３７ｊをＸ方向に移動させても、そのｉ番目の受光素子からの検出信号はそのデフォーカス量に応じて正確に変化して、高反射率部４８Ａ及び低反射率部４８Ｂの存在によって計測領域ＭＡｉのＺ位置の計測精度が低下することはない。
【００４６】
これに対して、従来技術のようにウエハ面Ｗａにスリット像を投射して、そのスリット像を振動させる場合には、そのスリット像の移動によって、スリット像が投射される領域内で高反射率部及び低反射率部の面積比が変化すると、スリット像のデフォーカス以外の要因（その面積比の変化又は下地パターンの影響）によってもその検出信号が変化して、Ｚ位置の計測精度が低下する恐れがある。本実施形態のＡＦセンサ１２によれば、ウエハ面Ｗａの下地パターン、並びにウエハ面Ｗａに高反射率部及び低反射率部が混在することによる影響が軽減される。
【００４７】
以下、本実施形態の露光装置ＥＸにおいて、主制御装置４０の制御のもとでＡＦセンサ１２を用いてウエハＷの表面のＺ位置を計測し、この計測結果を用いてウエハＷを露光する動作の一例につき、図６のフローチャートを参照して説明する。この動作は主制御装置４０によって制御される。
まず、図６のステップ１０２において、ウエハステージＷＳＴを駆動して、ＡＦセンサ１２の投射領域２９にウエハ面Ｗａを移動する。次のステップ１０４において、光源１７Ａの発光を開始させ、ミラー制御系４４によって振動ミラー２６ＡＤの振動を開始させる。次のステップ１０６において、図１に示すように、光源１７Ａから射出された光束Ｌが偏向プリズム１８の送光スリット部１９を照明する。送光スリット部１９の複数の細長い送光スリット１９ａを通過した光束Ｌが、送光光学系１４Ａ及び振動ミラー２６ＡＤを介してウエハ面Ｗａ（被検面）の投射領域２９に斜めに複数の細長いスリット像３７ｊ（ラインパターンの像）を投射する。
【００４８】
次のステップ１０８において、ウエハ面Ｗａで反射された光束Ｌは、受光光学系１４Ｂを介して受光され、偏向プリズム３２の受光スリット部３３に複数の送光スリット１９ａの像を形成する。次のステップ１１０において、複数の受光スリット３３ａを通過した光束を受光素子アレイ３６で検出し、信号処理系４６は、受光素子アレイ３６の複数の受光素子から出力される検出信号を信号処理系４６の駆動信号に同期してサンプリングする。次のステップ１１２において、信号処理系４６は、サンプリングされた複数の検出信号を用いて、ウエハ面Ｗａの複数の計測領域ＭＡｉにおけるＺ位置を求め、求めたＺ位置を内部の記憶装置に記憶する。これによって、ウエハ面Ｗａの第１列の複数の計測領域ＭＡｉ（計測点）のＺ位置が計測されたことになる。
【００４９】
次のステップ１１４において、Ｚ位置の計測を継続する場合には、ステップ１１６に移行して、ウエハステージＷＳＴを駆動して、図２（Ａ）に示すようにＡＦセンサ１２の投射領域２９に対してウエハＷをＹ方向に移動して、ウエハ面Ｗａの次の計測対象領域を投射領域２９に移動する。その後、動作はステップ１０６に戻り、その計測対象領域の複数の計測領域ＭＡｉのＺ位置が計測されて記憶される。これによって、ウエハ面Ｗａの第２列の複数の計測領域ＭＡｉのＺ位置が計測されたことになる。以下、ウエハＷをＹ方向に移動しながらＡＦセンサ１２によって、ウエハ面ＷａのＹ方向に次第に配列される第３列、第４列、…の複数の計測領域ＭＡｉのＺ位置が計測される。そして、ウエハ面Ｗａの全面でＺ位置の計測が終わったときに、ステップ１１４で計測終了と判定され、動作はステップ１１８に移行して、光源１７Ａの発光を停止させ、振動ミラー２６ＡＤの振動を停止させることで、Ｚ位置の計測動作を終了する。この際にステップ１１２で記憶されたウエハ面Ｗａ全面の複数列の複数の計測領域（計測点）でのＺ位置の計測結果が主制御装置４０に供給される。
【００５０】
その後、ステップ１２０で、ウエハステージＷＳＴを駆動して、ウエハＷの露光対象のショット領域を投影光学系ＰＬの露光領域の手前に移動する（ステップ移動）。次のステップ１２２で、ステップ１１２で記憶されたＺ位置の計測結果に基づいてオートフォーカス方式でウエハ面Ｗａを投影光学系ＰＬの像面に合焦させながら、ウエハ面Ｗａの当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。このステップ１２０、１２２の動作がウエハＷの全部のショット領域に関して実行された後、ステップ１２４でこのウエハＷに関する露光が終了し、その次のウエハに対するＺ位置の計測及び露光が行われる。
【００５１】
このように本実施形態では、ＡＦセンサ１２のＺ位置の計測領域（計測点）をＸ方向に微細なピッチで多く配置できるとともに、ウエハ面Ｗａの下地パターン等の影響が少ないため、ウエハ面ＷａのＺ位置の分布を細かいピッチで高精度に計測できる。従って、ウエハ面Ｗａをより高精度に投影光学系ＰＬの像面に合焦させることができ、レチクルＲのパターンの像をより高精度にウエハに露光できる。
【００５２】
本実施形態の効果等は以下の通りである。
本実施形態の露光装置ＥＸが備えるＡＦセンサ１２（面位置検出装置）は、ウエハ面Ｗａ（被検面）の法線方向の位置（投影光学系ＰＬの光軸方向の位置）であるＺ位置（面位置）を検出する装置である。ＡＦセンサ１２は、ウエハ面Ｗａに斜め方向から入射面に沿った方向に細長いスリット像３７ｊを投射する送光光学系１４Ａ、ウエハ面Ｗａで反射された光を受光してそのスリット像の像３８ｊを再形成する受光光学系１４Ｂ、及びスリット像３８ｊが再形成される面を有し、この面にスリット像３８ｊの長手方向に沿って細長い開口よりなる受光スリット３３ａが形成された偏向プリズム３２を有する。さらに、ＡＦセンサ１２は、受光スリット３３ａが形成された面でスリット像３８ｊのデフォーカス量を周期的に変化させる振動ミラー２６ＡＤ、受光スリット３３ａを通過した光を検出する受光素子アレイ３６、及び受光素子アレイ３６の検出信号に基づいてウエハ面Ｗａの面位置情報を求める信号処理系４６を備えている。
【００５３】
また、ＡＦセンサ１２を用いてウエハ面ＷａのＺ位置（面位置）を検出する方法は、ウエハ面Ｗａに斜め方向から入射面に沿った方向に送光光学系１４Ａを介して細長いスリット像３７ｊを投射し（ステップ１０６）、ウエハ面Ｗａで反射された光を受光光学系１４Ｂを介して受光してスリット像３８ｊを再形成し（ステップ１０８の一部）、スリット像３８ｊが再形成される面に、スリット像３８ｊの長手方向に沿って配置された細長い受光スリット３３ａを介して、受光光学系１４Ｂからの光を検出し（ステップ１０８の一部）、受光スリット３３ａが形成された面でスリット像３８ｊのデフォーカス量を周期的に変化させ（ステップ１１０）、受光光学系１４Ｂからの光の検出信号に基づいてウエハ面ＷａのＺ位置を求めている（ステップ１１２）。
【００５４】
本実施形態によれば、ウエハ面Ｗａに細長いスリット像３７ｊが投射されているため、そのスリット像３７ｊの像（スリット像）３８ｊを再形成し、この再形成されたスリット像３８ｊの光量を受光スリット３３ａを介して受光するときに、スリット像３８ｊの長手方向に対応する方向に配列する受光素子ＰＥｉの数を増加するだけで、ウエハ面Ｗａの面位置の計測領域（計測位置）の個数を容易に増加できる。さらに、ウエハ面Ｗａの面位置が変化すると、受光スリット３３ａが形成された面に形成されるスリット像３８ｊのデフォーカス量が変化して、その受光スリット３３ａを通過する光量が変化することから、その面位置の情報を検出できる。このため、ＡＦセンサ１２の光学系をあまり複雑化させることなく、ウエハ面Ｗａの多くの計測位置で面位置を高精度に検出することが可能となる。
【００５５】
また、振動ミラー２６ＡＤでウエハ面Ｗａのスリット像３７ｊ及び偏向プリズム３２の入射面でのスリット像３８ｊのデフォーカス量を変化させても、受光素子アレイ３６のある受光素子ＰＥｉに入射する光束は、ウエハ面Ｗａのある計測領域で反射された光束のままである。このため、ウエハ面Ｗａに形成されているパターン又は反射率が異なる部分の影響が低減され、高精度にウエハ面Ｗａの面位置を計測できる。
【００５６】
また、振動ミラー２６ＡＤで偏向プリズム３２の入射面でのスリット像３８ｊのデフォーカス量を変化させているため、デフォーカスさせるための機構が簡単である。なお、振動ミラー２６ＡＤは、図１の送光光学系１４Ａ内のミラー２６Ｂの位置に設置してもよい。
また、本実施形態では、投射領域２９内にＸ方向に１列の計測領域ＭＡｉが設定されているが、投射領域２９内にＹ方向に所定ピッチで複数列の計測領域ＭＡｉを設定してもよい。この場合には、受光素子アレイ３６の代わりに２次元の撮像素子を使用すればよい。
【００５７】
また、本実施形態の露光装置ＥＸは、照明光ＩＬ（露光光）でレチクルＲのパターンを照明し、照明光ＩＬでそのパターン及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷを露光する露光装置において、ＡＦセンサ１２と、ＡＦセンサ１２によって検出されるウエハＷの表面のＺ位置（面位置）の情報に基づいてウエハＷのＺ位置を制御するウエハステージＷＳＴとを備えている。また、露光装置ＥＸによる露光方法は、ウエハＷを露光するときに、ＡＦセンサ１２によるＺ位置の検出方法を用いて検出されたＺ位置を用いて、ウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させている。
【００５８】
本実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法によれば、ＡＦセンサ１２によってウエハ面ＷａのＺ位置を多くの計測領域で高精度に計測できるため、この計測値に基づいてウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に高精度に合焦でき、レチクルＲのパターンの像を高精度にウエハＷに露光できる。
なお、露光装置ＥＸにおいて、レチクルＲのパターン面のＺ方向の位置（面位置）を計測する装置としてＡＦセンサ１２と同様のセンサを使用してもよい。
【００５９】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態につき図７を参照して説明する。なお、図７において図１に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図７は、本実施形態に係る露光装置ＥＸを示す。露光装置ＥＸの基本的な構成は図１の実施形態と同じであるが、露光装置ＥＸが備えるＡＦセンサ１２Ａ（オートフォーカスセンサ又は面位置検出装置）の構成が図１のＡＦセンサ１２と異なっている。以下、本実施形態のＡＦセンサ１２Ａにつき説明する。
【００６０】
図７において、ＡＦセンサ１２Ａは、図７の紙面に平行な方向に偏光した第１光束ＬＰ及び図７の紙面に垂直な方向に偏光した第２光束ＬＳを交互に射出する光源系１６Ａ、第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳをそれぞれ非偏光にした第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢをウエハ面Ｗａ（被検面）に斜め方向から投射する送光光学系１４Ｃ、及びウエハ面Ｗａで反射された光束ＬＡ，ＬＢを受光する受光光学系１４Ｂを有する。さらに、ＡＦセンサ１２Ａは、受光光学系１４Ｂで受光された光束が照射される入射面に複数の受光スリット３３ａが形成された偏向プリズム３２、複数の受光スリット３３ａを通過した光束ＬＡ，ＬＢを受光する複数の受光素子を有する受光素子アレイ３６を含む検出系１４Ｃ、及び受光素子アレイ３６からの検出信号を処理してウエハ面Ｗａの複数の計測領域のＺ位置（面位置）を求める信号処理系４６を有する。
【００６１】
さらに、ＡＦセンサ１２Ａは、送光光学系１４Ｃ内に配置されて、第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳの相対的な角度を変えるウォラストンプリズムよりなる偏光分離プリズム２２（角度変換素子）、及び偏光分離プリズム２２の下流に配置されて第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳをそれぞれ非偏光の第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢに変換する偏光解消素子２４を有する。
【００６２】
まず、光源系１６Ａは、それぞれ波長幅の広い可視光及び／又は近赤外光よりなる非偏光の光束Ｌ１及びＬ２を射出する例えば発光ダイオードよりなる第１光源１７Ａ１及び第２光源１７Ａ２を有する。光束Ｌ１，Ｌ２としては、ウエハＷに塗布されたレジストに対する感光性の低い光が好ましい。光束Ｌ１，Ｌ２は偏光ビームスプリッタ１７Ｃの互いに直交している２つの入射面に入射する。光束Ｌ１のうちほぼ１／２の光量のＳ偏光の光束が偏光ビームスプリッタ１７Ｃで反射されて例えばフォトダイード等のモニタ用の光電センサ１７Ｄに入射し、光束Ｌ２のうちほぼ１／２の光量のＰ偏光の光束が偏光ビームスプリッタ１７Ｃを透過して光電センサ１７Ｄに入射する。光電センサ１７Ｄは受光した光の検出信号を光源制御系４４Ａに供給する。光源制御系４４Ａは、主制御装置４０からの制御情報に応じて、第１光源１７Ａ１及び第２光源１７Ａ２を指示された例えば同じ出力で交互に発光させる。なお、本実施形態では、光電センサ１７Ｄで光源１７Ａ１，１７Ａ２の出力をモニタしているため、光源１７Ａ１，１７Ａ２の出力のばらつきは計測誤差にならない。
【００６３】
一方、光束Ｌ１のうちＰ偏光の第１光束ＬＰが偏光ビームスプリッタ１７Ｃを透過し、光束Ｌ２のうち点線で示すＳ偏光の第２光束ＬＳが偏光ビームスプリッタ１７Ｃで反射される。第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳは、ほぼ同じ光路に沿ってコンデンサーレンズ１７Ｂによってほぼ平行光束に変換されて偏向プリズム１８に入射する。偏向プリズム１８に入射した光束ＬＰ，ＬＳは、それぞれ偏向プリズム１８により屈折されることにより主光線がほぼ−Ｚ方向に進行するように偏向される。偏向プリズム１８の射出面には、遮光膜中に複数の細長い送光スリット１９ａを周期的に配列した構成の送光スリット部１９が設けられている。光源１７Ａ１，１７Ａ２、偏光ビームスプリッタ１７Ｃ、コンデンサーレンズ１７Ｂ、及びモニタ用の光電センサ１７Ｄから光源系１６Ａが構成されている。
【００６４】
そして、偏向プリズム１８の複数の送光スリット１９ａを通過した第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳは、送光光学系１４Ｃの第１対物レンズ２０Ａに入射する。第１対物レンズ２０Ａで集光されたＬＰ及びＬＳは、偏光分離プリズム２２、偏光解消板（デポーラライザ）２４を介してそれぞれ非偏光の第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢとなる。偏光分離プリズム２２は、ウエハ面ＷａのＸ方向に対応する方向における光束ＬＰ及びＬＳの相対的な角度を広くする。光束ＬＰ，ＬＳは波長帯域が広いため、偏光解消板２４としては、例えば厚さが次第に変化する複屈折性の結晶（例えば水晶等）を使用可能である。偏光解消板２４を通過した第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢは、光路をほぼ＋Ｘ方向に対して所定角度だけ−Ｚ方向に傾斜した方向に折り曲げるミラー２６Ａ、第２対物レンズ２０Ｂ、及び光路を−Ｚ方向にシフトさせるプリズム２８Ａを介して、ウエハ面Ｗａを含むＸ方向に細長い投射領域２９内に斜めに投射される。光束ＬＡ，ＬＢによって投射領域２９内に、複数の送光スリット１９ａの像がＹ方向に一定の間隔で形成される。受光光学系１４Ｂ及び検出系１４Ｃの構成は第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６５】
本実施形態において、光源１７Ａ１，１７Ａ２を交互に点灯することによって、送光スリット１９ａからの光束ＬＡ及びＬＢがθｙ方向に角度がずれた状態で交互にウエハ面Ｗａにスリット像を投射する。この動作は第１の実施形態において振動ミラー２６ＡＤで光束をθｙ方向に振動させた場合と同じである。すなわち、交互に点灯される光源１７Ａ１，１７Ａ２及び偏光分離プリズム２２によって偏向プリズム３２の入射面に形成されるスリット像のデフォーカス量が周期的に変化している。このため、光源１７Ａ１，１７Ａ２を交互に点灯するための駆動信号を信号処理系４６に供給し、信号処理系４６では、その駆動信号を用いて受光素子アレイ３６から供給される検出信号を同期整流することによって、第１の実施形態と同様にウエハ面Ｗａの多くの計測領域（計測点）におけるＺ位置を、下地パターン等の影響を軽減して高精度に計測できる。
【００６６】
なお、本実施形態において、偏光分離プリズム２２は、図７の受光光学系１４Ｂの射出瞳と共役な面（瞳面）の近傍の位置Ｑ１に配置してもよい。この場合には、偏光解消板２４は位置Ｑ１と偏向プリズム３２の入射面との間に配置するか、又は偏光解消板２４の設置を省略してもよい。
また、本実施形態では、偏光分離プリズム２２の下流に偏光解消板２４が配置されているため、被検面を非偏光の光束で照明できる。なお、例えば被検面等に特定の偏光特性がない場合には、偏光解消板２４を省略してもよい。
【００６７】
なお、上記の各実施形態では、光束の光路をＺ方向にシフトするプリズム２８Ａ，２８Ｂを備えているため、送光光学系１４Ａ，１４Ｃ及び受光光学系１４Ｂの配置が容易である。しかしながら、プリズム２８Ａ，２８Ｂは必ずしも設ける必要はない。
また、上記の各実施形態では、送光光学系１４Ａ，１４Ｃ及び受光光学系１４Ｂは単一の結像光学系であるが、送光光学系１４Ａ，１４Ｃ及び／又は受光光学系１４Ｂとして途中で中間結像を行う光学系を使用してもよい。
【００６８】
また、上記の実施形態の露光装置又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイスを製造する場合、電子デバイスは、図８に示すように、電子デバイスの機能・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ＥＸ（露光方法）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。
【００６９】
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又は露光方法を用いて基板（物体）を露光することと、その露光された基板を処理すること（現像等）と、を含んでいる。この場合、基板の投影光学系ＰＬに対する合焦精度が高いため、電子デバイスを高精度に製造できる。
なお、本発明は、上述の走査露光型の投影露光装置（スキャナ）の他に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパー等）にも適用できる。さらに、本発明は、液浸型露光装置以外の、ドライ露光型の露光装置にも同様に適用することができる。
【００７０】
また、上記の実施形態では、ＡＦセンサ１２，１２Ａは、多点の検出系であるが、ＡＦセンサ１２，１２Ａの計測点は１点のみでもよい。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子やプラズマディスプレイなどを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックスウエハ上に転写する露光装置、並びに撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及びＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置及びＥＵＶ露光装置などで使用されるマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。
【００７１】
このように、本発明は上述の実施形態に限定されず、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。
【符号の説明】
【００７２】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、１２，１２Ａ…ＡＦセンサ（オートフォーカスセンサ）、１４Ａ，１４Ｃ…送光光学系、１４Ｂ…受光光学系、１４Ｃ…検出系、１６，１６Ａ…光源系、１９…送光スリット部、２６ＡＤ…振動ミラー、３３…受光スリット部、３６…受光素子アレイ、４０…主制御装置、４６…信号処理系
【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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