(57)【要約】【課題】振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、被検面の面位置情報を検出する。【解決手段】ウエハの表面Ｗａの面位置情報を検出するＡＦセンサ１２であって、Ｐ偏光の光束ＬＰ及びＳ偏光の光束ＬＳを発する光源系１６と、光束ＬＰ，ＬＳの偏光を解消した光束ＬＡ，ＬＢを表面Ｗａに斜め方向から投射する送光光学系１４Ａと、表面Ｗａで反射された光束ＬＡ，ＬＢを受光する受光光学系１４Ｂと、送光光学系１４Ａ中に配置されて、光束ＬＰ，ＬＳの相対的な角度を変える偏光分離プリズム２２と、受光光学系１４Ｂを介した光束ＬＡ，ＬＢを検出して表面Ｗａの面位置情報を求める検出系１４Ｃと、を備える。【選択図】図１
2013187513.tif 000002
【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、
互いに異なる第１光束及び第２光束を発する光源系と、
前記第１光束及び前記第２光束を前記被検面に斜め方向から投射する送光光学系と、
前記被検面で反射された前記第１光束及び前記第２光束を受光する受光光学系と、
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光束の光路の相対的な位置又は角度を変える光学素子と、
前記受光光学系を介した前記第１光束及び前記第２光束を検出して前記被検面の面位置情報を求める検出部と、
を備えることを特徴とする面位置検出装置。
【請求項２】
前記光源系は、前記第１光束と前記第２光束とを交互に発し、
前記検出部は、前記光源系が前記第１光束及び前記第２光束を発するタイミングに応じて前記第１光束及び前記第２光束の検出信号を処理す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】
前記検出部は、前記第１光束及び前記第２光束を検出するための受光スリットが形成された部材を備え、
前記受光スリットは、前記被検面の面位置が変化したときに前記第１光束及び前記第２光束の位置が変化する方向に平行な第１方向に交差する方向を長手方向とする開口パターンであり、
前記第１光束及び前記第２光束の前記長手方向に直交する第２方向の全体の幅は、前記受光スリットの前記第２方向の幅より広いことを特徴とする請求項１又は２に記載の面位置検出装置。
【請求項４】
前記第１光束及び前記第２光束はそれぞれその少なくとも一部が前記受光スリットを通過することを特徴とする請求項３に記載の面位置検出装置。
【請求項５】
前記光源系は、前記第１光束及び前記第２光束を互いに異なる偏光状態で前記送光光学系に供給し、
前記光学素子は、互いに偏光状態の異なる２つの光束の光路の相対的な位置又は角度を変える素子であ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】
前記光学素子は、前記送光光学系又は前記受光光学系の射出瞳と共役な面の位置若しくはこの近傍に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な角度を変える素子であることを特徴とする請求項５に記載の面位置検出装置。
【請求項７】
前記光学素子は、前記送光光学系又は前記受光光学系内で前記被検面と共役な面の位置若しくはこの近傍に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な位置を変える素子であることを特徴とする請求項５に記載の面位置検出装置。
【請求項８】
前記光源系は、前記第１光束及び前記第２光束の前記被検面における形状を規定する送光スリットが形成された第１プリズム部材を備え、
前記検出部は、前記送光スリットに対応する受光スリットが形成された第２プリズム部材を備え、
前記光学素子は、それぞれ前記第１光束及び前記第２光束のみを通過させる第１選択膜及び第２選択膜を含み、前記第１選択膜及び前記第２選択膜は、前記送光スリット又は前記受光スリットを覆うように並列に配置されることを特徴とする請求項５に記載の面位置検出装置。
【請求項９】
前記光源系は、前記第１光束及び前記第２光束を互いに異なる角度で前記送光光学系に供給し、
前記光学素子は、前記送光光学系又は前記受光光学系の射出瞳と共役な面の位置若しくはこの近傍に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な角度を変える角度変換素子であ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１０】
前記送光光学系及び前記受光光学系は、それぞれ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１〜９のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
【請求項１１】
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１〜１０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１２】
被検面の面位置情報を検出する方法において、
互いに異なる第１光束及び第２光束を発することと、
前記第１光束及び前記第２光束を送光光学系を介して前記被検面に斜め方向から投射することと、
前記被検面で反射された前記第１光束及び前記第２光束を受光光学系を介して受光することと、
前記送光光学系又は前記受光光学系中で、前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な位置又は角度を変えて、前記光路の少なくとも一方を変化させることと、
前記受光された前記第１光束及び前記第２光束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と、
を含む面位置検出方法。
【請求項１３】
前記第１光束及び前記第２光束を発することは、前記第１光束及び前記第２光束を交互に発することを含み、
前記面位置情報を求めることは、前記第１光束及び前記第２光束を発するタイミングに応じて前記検出信号を処理することを含む請求項１２に記載の面位置検出方法。
【請求項１４】
前記面位置情報を求めることは、前記被検面の面位置が変化したときに前記第１光束及び前記第２光束の位置が変化する方向に平行な第１方向に交差する方向を長手方向とする受光スリットを介して前記第１光束及び前記第２光束を検出することを含み、
前記光路の少なくとも一方を変化させることは、前記第１光束及び前記第２光束の光路の前記長手方向に直交する第２方向の全体の幅を、前記受光スリットの前記第２方向の幅より広くすることを含む請求項１２又は１３に記載の面位置検出方法。
【請求項１５】
前記第１光束及び前記第２光束を前記受光光学系を介して受光することは、前記第１光束及び前記第２光束のそれぞれの少なくとも一部を前記受光スリットを介して受光することを含む請求項１４に記載の面位置検出方法。
【請求項１６】
前記第１光束及び前記第２光束を発することは、互いに偏光状態が異なる前記第１光束及び前記第２光束を発することを含み、
前記光路の少なくとも一方を変化させることは、偏光状態に応じて前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な位置又は角度を変えることを含む請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の面位置検出方法。
【請求項１７】
前記光路の少なくとも一方を変化させることは、前記送光光学系又は前記受光光学系の射出瞳と共役な面の位置若しくはこの近傍で、前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な角度を変えることを含む請求項１６に記載の面位置検出方法。
【請求項１８】
前記光路の少なくとも一方を変化させることは、前記送光光学系又は前記受光光学系内で前記被検面と共役な面の位置若しくはこの近傍で、前記第１光束と前記第２光束とを互いに横ずれさせることを含む請求項１６に記載の面位置検出方法。
【請求項１９】
互いに異なる前記第１光束及び前記第２光束を発することは、前記第１光束及び前記第２光束を互いに異なる角度で前記送光光学系に供給することを含み、
前記光路の少なくとも一方を変化させることは、前記送光光学系又は前記受光光学系の射出瞳と共役な面の位置若しくはこの近傍で、前記第１光束及び前記第２光束の光路の相対的な角度を変えることを含む請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の面位置検出方法。
【請求項２０】
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１２〜１９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２１】
請求項１１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２２】
請求項２０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センサは振動ミラーを用いているため、検出信号のサンプリングのタイミングのずれが大きいと、検出精度が低下する恐れがあった。さらに、投影光学系の解像度等の露光精度をさらに高めるためには、振動ミラー等の振動源は使用しないことが好ましい。
本発明の態様は、このような事情に鑑み、振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、被検面の面位置情報を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、互いに異なる第１光束及び第２光束を発する光源系と、その第１光束及びその第２光束をその被検面に斜め方向から投射する送光光学系と、その被検面で反射されたその第１光束及びその第２光束を受光する受光光学系と、その送光光学系又はその受光光学系中に配置されて、その第１光束及びその第２光束の光路の相対的な位置又は角度を変える光学素子と、その受光光学系を介したその第１光束及びその第２光束を検出してその被検面の面位置情報を求める検出部と、を備えるものである。
【０００７】
また、本発明の第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、本発明の第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、本発明の第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、互いに異なる第１光束及び第２光束を発することと、その第１光束及びその第２光束を送光光学系を介してその被検面に斜め方向から投射することと、その被検面で反射されたその第１光束及びその第２光束を受光光学系を介して受光することと、その送光光学系又はその受光光学系中で、その第１光束及びその第２光束の光路の相対的な位置又は角度を変えて、その光路の少なくとも一方を変化させることと、その受光されたその第１光束及びその第２光束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ことと、を含むものである。
【０００８】
また、本発明の第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、本発明の第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、本発明の第５の態様によれば、本発明の第２の態様の露光装置又は本発明の第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】
【０００９】
本発明の態様によれば、被検面からの反射光を検出するときに、例えば第１光束及び第２光束を交互に検出することによって、振動ミラーで反射光の位置を変化させる場合と同様に、反射光の位置を変化させることができる。従って、例えばその反射光の変化に同期して反射光の検出信号を処理することによって、振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、被検面の面位置情報を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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のＡＦセンサの検出領域を示す平面図、（Ｂ）は図１の一つの受光スリット上に交互に形成される２つのスリット像を示す拡大図、（Ｃ）は受光スリット上をスリット像が移動する様子を示す拡大図である。
【図３】（Ａ）は図１において第１光束を使用する場合の光路図、（Ｂ）は図１において第２光束を使用する場合の光路図である。
【図４】（Ａ）は第２光束の発光タイミングを示す図、（Ｂ）は第１光束の発光タイミングを示す図、（Ｃ）はモニタされる光束の光量変化を示す図、（Ｄ）は振動ミラーを使用する場合の検出信号の一例を示す図、（Ｅ）は図１の光電センサから得られる検出信号の一例を示す図である。
【図５】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６】第１変形例のＡＦセンサを備えた露光装置を示す図である。
【図７】（Ａ）は第２変形例のＡＦセンサを備えた露光装置の要部を示す図、（Ｂ）は図７（Ａ）の一つの送光スリットを示す拡大図、（Ｃ）は第１の実施形態の送光スリットを示す拡大図である。
【図８】第２の実施形態に係るＡＦセンサを備えた露光装置の要部を示す図である。
【図９】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】
【００１１】
［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５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。この露光装置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にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向に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。
【００１２】
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Ｗの表面Ｗａ（被検面）の複数の計測点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）。
【００１３】
照明系ＩＬＳ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、光源と、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、レチクルブラインド等（いずれも不図示）を有する照明光学系とを含んでいる。照明系ＩＬＳは、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）ＲａのＸ方向に細長いスリット状の照明領域を、ミラーＭＩを介して照明光ＩＬにより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。
【００１４】
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がそのレチクルステージ駆動系を制御する。
【００１５】
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（照明領域に共役な領域）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。
【００１６】
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位置並びに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。
【００１７】
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Ｗの表面の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。
【００１８】
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。
【００１９】
ウエハＷの露光時には、照明系ＩＬＳからの照明光ＩＬの照射を停止して、ウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向へのステップ移動によって、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する。その後、照明光ＩＬ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。
【００２０】
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Ｗの表面が投影光学系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。
【００２１】
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、図１の紙面に平行な方向に偏光した第１光束ＬＰ及び図１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１６と、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Ｗの表面Ｗａ（被検面としてのウエハ面）に斜め方向から投射する送光光学系１４Ａと、表面Ｗａで反射された光束ＬＡ，ＬＢを受光する受光光学系１４Ｂとを有する。さらに、ＡＦセンサ１２は、送光光学系１４Ａ内に配置されて、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）と、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と、受光光学系１４Ｂを介した光束ＬＡ，ＬＢを検出して表面ＷａのＺ位置（面位置）の情報を求める検出系１４Ｃとを有する。
【００２２】
まず、光源系１６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１７Ａ及び第２光源１７Ｂ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１７Ｅ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１７Ｅに入射する。光電センサ１７Ｅは受光した光の検出信号ＤＳ１を光源制御系４４に供給する。光源制御系４４は、主制御装置４０からの制御情報に応じて、第１光源１７Ａ及び第２光源１７Ｂ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１７Ｅで光源１７Ａ，１７Ｂの出力をモニタしているため、後述のように光源１７Ａ，１７Ｂの出力のばらつきは計測誤差にならない。
【００２３】
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１７Ｄ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、遮光膜中に複数の送光スリット１９ａｉ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。送光スリット１９ａｉ（ｉ＝１〜Ｉ）の個数Ｉは２以上である。送光スリット１９ａｉは、ウエハＷの表面ＷａのＸ方向に対応する方向に対してほぼ４５°で交差する方向に細長い長方形（スリット状）の開口パターンであり、複数の送光スリット１９ａｉは表面ＷａのＸ方向に対応する方向に一定間隔で配列されている。
【００２４】
光源１７Ａ，１７Ｂ、偏光ビームスプリッタ１７Ｃ、コンデンサーレンズ１７Ｄ、モニタ用の光電センサ１７Ｅ、偏向プリズム１８、及び光源制御系４４から光源系１６が構成されている。なお、光源１７Ａ，１７Ｂの光束は、それぞれ例えば可撓性を持つ光ガイド（不図示）によって偏光ビームスプリッタ１７Ｃの近傍まで伝送してもよい。
そして、偏向プリズム１８の複数の送光スリット１９ａｉを通過した第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳ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、表面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Ｗの表面Ｗａを含むＸ方向に細長い検出領域２９内に斜めに投射される。光束ＬＡ，ＬＢによって検出領域２９内に、複数の送光スリット１９ａｉの像がＸ方向に一定の間隔で形成される。
【００２５】
第１対物レンズ２０Ａ、ミラー２６Ａ、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Ｗの表面Ｗａ）とを光学的に共役にする結像光学系である。また、表面Ｗａに斜めに投射される第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢの各主光線の入射面と、投影光学系ＰＬの像面（合焦時の表面Ｗａ）とが交差する直線はＸ軸に平行である。
【００２６】
偏光分離プリズム２２は、送光光学系１４Ａの射出瞳と共役な面の近傍に配置され、偏光解消板２４は、偏光分離プリズム２２とミラー２６Ａとの間に配置されている。また、表面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の形成面と表面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１９ａｉの像は、検出領域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、任意の２つの送光スリット１９ａｉの間隔と、対応する表面Ｗａの２つの像の間隔とは、表面Ｗａの全面に渡って互いに同じ倍率である。
【００２７】
図２（Ａ）に示すように検出領域ＤＡ内には、送光光学系１４Ａから投射された光束ＬＡ及びＬＢによって、それぞれ複数の送光スリット１９ａｉの像３７Ａｉ及び像３７Ｂｉ（ｉ＝１〜Ｉ）が、その中心のＸ方向の間隔が偏光分離プリズム２２から射出される光束ＬＰ，ＬＳの開き角に応じて定まる間隔となるように形成される。また、像３７Ａｉ，３７Ｂｉは互いに同一のＸ軸に対してほぼ４５°で交差する方向に細長いパターンである。本実施形態では、像３７Ａｉ，３７Ｂｉの中心のＸ方向の間隔は、ほぼ像３７Ａｉ（即ち像３７Ｂｉ）のＸ方向の幅と等しく設定され、像３７Ａｉ，３７ＢｉはＸ方向にほぼ密着して投影される。像３７Ａｉ，３７Ｂｉの中点がｉ番目のＺ位置の計測点ＭＰｉである。
【００２８】
図１において、ウエハＷの表面Ｗａに投射された実線で示す第１光束ＬＡ及び点線で示す第２光束ＬＢは、表面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ＬＡ，ＬＢ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ＬＡ，ＬＢは、偏向プリズム３２の入射面上に、図２（Ａ）の検出領域２９内の複数の送光スリットの像３７Ａｉ，３７Ｂｉ（ｉ＝１〜Ｉ）の像を形成する。偏向プリズム３２の入射面には、遮光膜中に複数の送光スリット１９ａｉの像とほぼ同じ配列で同じ形状の開口パターンよりなる複数の受光スリット３３ａｉを配列した構成の受光スリット部３３が設けられている。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から受光光学系１４Ｂが構成されている。
【００２９】
受光光学系１４Ｂに関して、投影光学系ＰＬの像面（合焦時の表面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、表面Ｗａが投影光学系ＰＬの像面に合焦している状態で、表面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、表面Ｗａの検出領域２９内に結像した送光スリットの像３７Ａｉ，３７Ｂｉの像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、表面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。
【００３０】
偏向プリズム３２の入射面の複数の受光スリット３３ａｉを覆うように、図２（Ｂ）に示すように、それぞれ図１の送光スリット１９ａｉの第１光束ＬＡによる像３７Ａｉの受光光学系１４Ｂによる像３８Ａｉ、及び送光スリット１９ａｉの第２光束ＬＢによる像３７Ｂｉの受光光学系１４Ｂによる像３８Ｂｉが、ウエハＷの表面ＷａにおけるＸ方向に対応するＸ’方向にほぼ密着するように形成される。ただし、本実施形態では、第１光束ＬＡ（ＬＰ）と第２光束ＬＢ（ＬＳ）とがほぼ交互に射出されるため、像３８Ａｉ及び３８Ｂｉもほぼ交互に形成される。従って、像３８Ａｉ，３８Ｂｉは、偏光分離プリズム２２がない場合に、光束ＬＡ（又はＬＢ）を振動ミラー（本実施形態では使用されない）によってＸ方向に対応する方向に振動させた場合にＸ’方向の両端に形成される送光スリット１９ａｉの像に対応する。
【００３１】
この場合、ウエハＷの表面ＷａがＺ方向（面位置の計測方向）に変位すると、像３８Ａｉ，３８ＢｉはＸ’方向に平行な第１方向ＲＤ１に変位する。従って、表面ＷａのＺ位置がδＺだけ変化すると、所定の係数ｋｆを用いて、像３８Ａｉ，３８Ｂｉの平均的な位置が第１方向ＲＤ１に沿ってδＸ’（＝ｋｆ・δＺ）だけ変位する。また、各受光スリット３３ａｉの長手方向ＲＤＬは、第１方向ＲＤ１に対してほぼ４５°で傾斜しており、像３８Ａｉ，３８Ｂｉは第１方向ＲＤ１に沿って変位するときに、受光スリット３３ａｉに対して長手方向ＲＤＬに直交する短手方向（幅方向）に平行な第２方向ＲＤ２に変位する。従って、表面ＷａのＺ位置に応じて、像３８Ａｉ，３８Ｂｉの第２方向ＲＤ２の平均的な位置が変化して、像３８Ａｉ，３８Ｂｉを形成する光束のうちで受光スリット３３ａｉを通過する光量が変化する。そこで、受光スリット３３ａｉを通過する光量に基づいて表面Ｗａの計測点ＭＰｉにおけるＺ位置を検出できる。
【００３２】
ここで、受光スリット３３ａｉの長手方向ＲＤＬが第１方向ＲＤ１に対してなす角度をφとすると、第１方向ＲＤ１に沿った像３８Ａｉ，３８Ｂｉの変位δＸ’と、長手方向ＲＤＬに直交する第２方向ＲＤ２に対する像３８Ａｉ，３８Ｂｉの変位δｘとの関係は次のようになる。
δｘ＝ｓｉｎφ・δＸ’  …（１）
従って、角度φが９０°のときに変位δｘが最大になりＺ位置の検出感度が最大になり、角度φが０のときに変位δｘは０になる。このため、角度φは０以外であればよい。なお、本実施形態では、上述のように角度φはほぼ４５°である。
【００３３】
また、本実施形態では、像３８Ａｉ，３８Ｂｉの形状は互いに等しく、かつほぼ密着するように形成されるとともに、像３８Ａｉ（又は３８Ｂｉ）の形状及び方向は受光スリット３３ａｉとほぼ同じである。従って、図２（Ｂ）に示すように、像３８Ａｉ，３８Ｂｉの全体の第２方向ＲＤ２の幅は、受光スリット３３ａｉの幅のほぼ２倍である。また、通常の露光時には、像３８Ａｉ，３８Ｂｉの境界部が受光スリット３３ａｉ内に収まっている範囲で、即ち像３８Ａｉ，３８Ｂｉのそれぞれの少なくとも一部が受光スリット３３ａｉ内にある範囲でＺ位置の計測が行われる。
【００３４】
なお、一般に、像３８Ａｉ（及び３８Ｂｉ）の形状と受光スリット３３ａｉの形状とは異なっていてもよく、像３８Ａｉ，３８Ｂｉの第２方向ＲＤ２の間隔も任意である。従って、像３８Ａｉと像３８Ｂｉとは一部が重なっていてもよく、像３８Ａｉと像３８Ｂｉとは離れていてもよい。ただし、偏向プリズム３２の入射面（受光スリット部３３の形成面）において、像３８Ａｉ，３８Ｂｉ（又は第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢの照射領域）の第２方向ＲＤ２における全体の幅は、受光スリット３３ａｉの第２方向ＲＤ２の幅より広いことが好ましい。さらに、Ｚ位置の計測時には、像３８Ａｉ（又は第１光束ＬＡの照射領域）及び像３８Ｂｉ（又は第２光束ＬＢの照射領域）は、それぞれ少なくとも一部が受光スリット３３ａｉ内にあることが好ましい。
【００３５】
偏向プリズム３２の入射面の複数の受光スリット３３ａｉ（受光スリット部３３）を通過した第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢは、リレー光学系３４により、受光素子アレイ３６に形成された受光スリット３３ａｉの個数と同じ個数の受光素子（例えばフォトダイオード）にリレーされる。受光素子アレイ３６からは、複数の受光スリット３３ａｉを通過した光束を個別に光電変換して得られる検出信号ＤＳ２ｉ（ｉ＝１〜Ｉ）が信号処理系４６に出力される。信号処理系４６は、各検出信号ＤＳ２ｉ及びモニタ用の光電センサ１７Ｅから出力される検出信号ＤＳ１を個別に処理して、表面Ｗａの計測点ＭＰｉ毎のＺ位置Ｚｉを求める。求められたＺ位置Ｚｉの情報は主制御装置４０に供給される。偏向プリズム３２、リレー光学系３４、受光素子アレイ３６、及び信号処理系４６から検出系１４Ｃが構成されている。なお、受光素子アレイ３６としてはＣＣＤ又はＭＯＳ型のラインセンサ又は撮像素子等を使用してもよい。ＡＦセンサ１２のうち、光源制御系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。
【００３６】
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位置を計測する動作の一例につき、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、図５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の検出領域２９にウエハＷの検出対象の表面Ｗａを移動する。次のステップ１０４において、光源制御系４４は第１光源１７Ａを発光させる。これにより、図３（Ａ）の光路図で示すように、第１光源１７Ａから射出された光束Ｌ１の一部が光電センサ１７Ｅで検出され、光束Ｌ１のうちＰ偏光の第１光束ＬＰが偏向プリズム１８の送光スリット部１９を照明する。次のステップ１０６において、送光スリット部１９を通過した第１光束ＬＰは、送光光学系１４Ａに入射し、偏光分離プリズム２２によって光路の角度が反時計回りに変更された後、偏光解消板２４によって非偏光の第１光束ＬＡになる。次のステップ１０８において、送光光学系１４Ａから第１光束ＬＡが表面Ｗａに斜めに投射され、表面Ｗａに複数の送光スリット１９ａｉの像３７Ａｉが投影される。
【００３７】
次のステップ１１０において、表面Ｗａで反射された第１光束ＬＡは、受光光学系１４Ｂを介して受光され、第１光束ＬＡによって、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１９ａｉの像３８Ａｉが形成される。次のステップ１１２において、信号処理系４６は、光源制御系４４を介してモニタ用の光電センサ１７Ｅの検出信号ＤＳ１をサンプリングすると同時に、受光素子アレイ３６の各検出信号ＤＳ２ｉをサンプリングし、検出信号ＤＳ１，ＤＳ２ｉを記憶する。次のステップ１１４において、検出信号の２回のサンプリングが行われたかどうかが判定される。ここでは、サンプリングは１回しか行われていないため、動作はステップ１１６に移行して、光源制御系４４は、第１光源１７Ａを消灯し、第２光源１７Ｂを発光させる。これにより、図３（Ｂ）の点線の光路図で示すように、第２光源１７Ｂから射出された光束Ｌ２の一部が光電センサ１７Ｅで検出され、光束Ｌ２のうちＳ偏光の第２光束ＬＳが偏向プリズム１８の送光スリット部１９を照明する。次のステップ１０６において、送光スリット部１９を通過した第２光束ＬＳは、送光光学系１４Ａに入射し、偏光分離プリズム２２によって光路の角度が時計回りに変更された後、偏光解消板２４によって非偏光の第２光束ＬＢになる。次のステップ１０８において、送光光学系１４Ａから表面Ｗａに斜めに第２光束ＬＢによる複数の送光スリット１９ａｉの像３７Ｂｉが投射される。
【００３８】
次のステップ１１０において、表面Ｗａで反射された第２光束ＬＢは、受光光学系１４Ｂを介して、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１９ａｉの像３８Ｂｉを形成する。次のステップ１１２において、信号処理系４６は、モニタ用の光電センサ１７Ｅの検出信号ＤＳ１をサンプリングすると同時に、受光素子アレイ３６の各検出信号ＤＳ２ｉをサンプリングし、検出信号ＤＳ１，ＤＳ２ｉを記憶する。次のステップ１１４において、検出信号の２回のサンプリングが行われたため、動作はステップ１１８に移行する。
【００３９】
この場合、ステップ１０４からの第１光源１７Ａの発光期間をＴ、ステップ１１６からの第２光源１７Ｂの発光期間をＴとすると、第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳの光量はそれぞれ図４（Ｂ）及び図４（Ａ）に示すように周期２Ｔで交互に大きくなり、モニタ用の光電センサ１７Ｅの検出信号ＤＳ１は、図４（Ｃ）に示すように、光束ＬＰ及びＬＳの和に比例している。なお、周期２Ｔは、一例として１００μｓ〜１ｍｓ程度であり、周波数に換算すると１０ｋＨｚ〜１ｋＨｚ程度である。また、受光スリット部３３のｉ番目の受光スリット３３ａｉを通過した光束の検出信号ＤＳ２ｉは、図４（Ｅ）に示すように、第１光源１７Ａの発光期間ではほぼＶ１となり、第２光源１７Ｂの発光期間ではほぼＶ２となる。また、ステップ１１２における検出信号ＤＳ１のサンプリング点ｓｐ２１，ｓｐ２２及び検出信号ＤＳ２ｉのサンプリング点ｓｐ１１，ｓｐ１２は、それぞれ光源１７Ａ，１７Ｂの発光期間Ｔの中央に設定されている。
【００４０】
次のステップ１１８において、信号処理系４６は、サンプリング点ｓｐ１１，ｓｐ１２で得られた検出信号Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ同じ時刻のサンプリング点ｓｐ２１，ｓｐ２２で得られた検出信号ＤＳ１（値をそれぞれＤＳ１１，ＤＳ１２とする）で除算することによって、次のように検出信号Ｖ１，Ｖ２を規格化した信号Ｖ１’，Ｖ２’を求める。この規格化によって、光源１７Ａ，１７Ｂの出力のばらつきの影響が低減される。
【００４１】
Ｖ１’＝Ｖ１／ＤＳ１１  …（２Ａ）、  Ｖ２’＝Ｖ２／ＤＳ１２  …（２Ｂ）
次のステップ１２０において、信号処理系４６は、規格化された検出信号Ｖ１，Ｖ２であるＶ１’，Ｖ２’及び予め例えば計算又は実測等から定めてある係数ｋｚを用いて、次式から表面Ｗａの対応する計測点ＭＰｉのＺ位置Ｚｉを計算する。次式は、図２（Ｂ）において、受光スリット３３ａｉに対する第１光束ＬＡによる像３８Ａｉの第２方向ＲＤ２の位置ｘ１と、第２光束ＬＢによる像３８Ｂｉの第２方向ＲＤ２の位置ｘ２との差分に、第２方向ＲＤ２の変位から表面ＷａのＺ方向の変位を求めるための係数を乗算した結果に対応している。
【００４２】
Ｚｉ＝ｋｚ（Ｖ１’−Ｖ２’）／（Ｖ１’＋Ｖ２’）  …（３）
式（３）のＺ位置Ｚｉは、図２（Ａ）の検出領域２９内の一連の計測点ＭＰｉについてそれぞれ求められる。また、予め表面Ｗａが投影光学系ＰＬの像面に合致しているときに、式（３）から求められるＺ位置Ｚｉが０になるようにオフセット調整を行っておいてもよい。この場合には、式（３）から求められるＺ位置Ｚｉはそのまま像面（ベストフォーカス位置）からのＺ方向への位置ずれ量（デフォーカス量）になる。さらに、式（３）では、規格化された信号Ｖ１’及びＶ２’の差分を計算しているため、受光素子アレイ３６に例えばウエハＷの表面Ｗａで反射された外乱光が入射しても、その外乱光に起因する信号は相殺されて、外乱光の影響は大きく低減される。従って、表面ＷａのＺ位置を高精度に検出できる。
【００４３】
また、図４（Ｅ）に示すように、検出信号ＤＳ２ｉはサンプリング点ｓｐ１１，ｓｐ１２を中心とする範囲（本実施形態では、５０〜５００μｓ程度の期間）でほぼ一定であるため、サンプリング点が例えば１０μｓ程度ずれても計測誤差は実質的に生じない。
これに対して、従来の振動ミラー方式の場合には、偏向プリズム３２の入射面では、図２（Ｃ）に示すように、受光スリット３３ａｉに対して送光スリットの像は、像３８Ａｉの位置Ａ１と像３８Ｂｉの位置Ａ４との間で連続的に振動する。この振動ミラー方式で受光スリット３３ａｉを通過した光束から得られる検出信号をＤＳ２とする。この場合、送光スリットの像が図２（Ｃ）の位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と変化すると、受光スリット３３ａｉを通過する光量は、次第に増加して位置Ａ３で最大になってから減少する。そのため、検出信号ＤＳ２は図４（Ｄ）のサンプリング点ｓｐ１，ｓｐ２，ｓｐ３，ｓｐ４を通るように周期的に連続的に変化する。従って、例えば送光スリットの像が両端部にあるときのサンプリング点ｓｐ１，ｓｐ４で検出信号ＤＳ２を取り込む場合、サンプリング点が例えば１０μｓ程度ずれると、得られる検出信号ＤＳ２のレベルが変化するため、計測誤差が生じる恐れがある。このような計測誤差を抑制するためには、振動ミラーの振動周波数を小さくするか、又は制御回路を高速化することが好ましい。しかしながら、本実施形態では、サンプリング点ｓｐ１１，ｓｐ１２付近の検出信号ＤＳ２ｉがほぼ一定であるため、制御回路を高速化することなく、光束ＬＰ，ＬＳ（ＬＡ，ＬＢ）の切り替え周波数を高めることも可能である。
【００４４】
次のステップ１２２において、Ｚ位置の計測を継続する場合には、ステップ１０４に戻り、第１の光源１７Ａから射出される第１光束ＬＰ（ＬＡ）を期間Ｔだけ発光させて検出信号を得る動作（ステップ１０４〜１１２）と、第２の光源１７Ｂから射出される第２光束ＬＳ（ＬＢ）を期間Ｔだけ発光させて検出信号を得る動作（ステップ１１６，１０６〜１１２）と、それらの検出信号からＺ位置Ｚｉを求める動作（ステップ１１８，１２０）とを繰り返す。この場合、一例として、所定回数得られるＺ位置Ｚｉの平均値＜Ｚｉ＞を表面Ｗａの対応する複数の点におけるＺ位置としてもよい。その後、ステップ１２０において、計測動作を終了する場合には、光源１７Ａ，１７Ｂを消灯させて、Ｚ位置の計測動作を終了する。
【００４５】
このように本実施形態では、ＡＦセンサ１２のＺ位置の計測時に振動が発生しないため、例えばウエハＷの露光中にＡＦセンサ１２の計測値に基づいてオートフォーカス方式でウエハステージＷＳＴのＺステージを駆動する場合にも、高い露光精度（解像度、重ね合わせ精度等）が得られる。
なお、例えばウエハステージＷＳＴを駆動して、ウエハＷをローディング位置から投影光学系ＰＬの露光領域の方向に移動する途中で、図２（Ａ）に示すように、ＡＦセンサ１２によって予めウエハＷの全面の例えば格子状に配列される複数の点でＺ位置を計測して記憶しておいてもよい。この際のウエハＷの露光時には、その記憶してあるＺ位置に基づいてウエハステージＷＳＴのＺステージを駆動するようにしてもよい。
【００４６】
本実施形態の効果等は以下の通りである。
（１）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Ｗの表面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、Ｐ偏光の第１光束ＬＰ及びＳ偏光の第２光束ＬＳを発する光源系１６と、光束ＬＰ及びＬＳの偏光を解消した第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢを表面Ｗａに斜め方向から投射する送光光学系１４Ａと、表面Ｗａで反射された光束ＬＡ，ＬＢを受光する受光光学系１４Ｂと、送光光学系１４Ａ中の射出瞳と共役な面の近傍に配置されて、第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳの相対的な角度を変える偏光分離プリズム２２と、受光光学系１４Ｂを介した第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢを検出して表面ＷａのＺ位置を求める検出系１４Ｃと、を備えている。
【００４７】
また、ＡＦセンサ１２を用いて表面ＷａのＺ位置（面位置）を検出する方法は、偏向状態が互いに異なる第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳを発するステップ１０４，１１６と、送光光学系１４Ａを介して光束ＬＰ，ＬＳの偏光を解消した第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢを表面Ｗａに斜め方向から投射するステップ１０８と、表面Ｗａで反射された第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢを受光光学系１４Ｂを介して受光するステップ１１０と、送光光学系１４Ａ中で第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳの光路の相対的な角度を変えて、その光路の両方を変化させるステップ１０６と、受光された第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢの検出信号ＤＳ２ｉに基づいて表面ＷａのＺ位置を求めるステップ１１８，１２０と、を含んでいる。
【００４８】
本実施形態によれば、表面Ｗａからの反射光を検出するときに、第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢを交互に検出することによって、振動ミラーで反射光の位置を変化させる場合と同様に、反射光の位置を変化させることができる。従って、その反射光の位置の変化に同期して反射光の検出信号ＤＳ２ｉを処理することによって、振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、表面Ｗａの面位置の情報を検出することができる。
【００４９】
（２）また、光源系１６は、第１光束ＬＰと第２光束ＬＳとを交互に発し、検出系１４Ｃは、第１光束ＬＰ及び第２光束ＬＳを発するタイミングに応じて第１光束ＬＡ及び第２光束ＬＢの検出信号を処理している。この際に、光束ＬＰ，ＬＳの発光期間には、対応する検出信号がほぼ一定であるため、サンプリング点が変動しても高い計測精度が得られる。
【００５０】
（３）また、偏光分離プリズム２２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ため、偏光分離プリズム２２で光束ＬＰ，ＬＳの相対的な角度を変えることで、光束ＬＰ，ＬＳの偏光を解消した光束ＬＡ，ＬＢの表面Ｗａ（被検面）上での位置を変えることができる。
なお、偏光分離プリズム２２は、図１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。
【００５１】
（４）また、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。
（５）また、偏光分離プリズム２２は、光束ＬＰ，ＬＳの相対的な角度を表面ＷａのＸ方向に対応する方向に変えているが、偏光分離プリズム２２によって、光束ＬＰ，ＬＳの相対的な角度を変える方向は、受光スリット３３ａｉの長手方向に対応する方向以外の方向であれば任意である。受光スリット３３ａｉの長手方向が表面ＷａのＸ方向に対応する方向に対してほぼ４５°で傾斜している場合には、偏光分離プリズム２２によって、光束ＬＰ，ＬＳの相対的な角度を変える方向は、表面ＷａのＹ方向に対応する方向、又は受光スリット３３ａｉの面上の第２方向ＲＤ２に対応する方向等でもよい。
【００５２】
（６）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。
【００５３】
また、露光装置ＥＸによる露光方法は、ＡＦセンサ１２によるＺ位置の検出方法を用いて、ウエハＷを露光するときに、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。
その露光装置ＥＸ又は露光方法によれば、ＡＦセンサ１２は振動ミラーを用いることなく高精度にＺ位置を計測できるため、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る。
【００５４】
なお、レチクルＲのパターン面Ｒａ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。
次に、上記の実施形態では以下のような変形が可能である。
（１）上記の実施形態では、送光光学系１４Ａ又は受光光学系１４Ｂの射出瞳と共役な面の近傍に偏光分離プリズム２２が配置されている。しかしながら、図６の第１変形例のＡＦセンサ１２Ａで示すように、例えば送光光学系１４Ａ内でウエハＷの表面Ｗａ（被検面）と共役な面又はこの近傍の面である、偏向プリズム１８の射出面（送光スリット部１９が形成された面）の近傍にＰ偏光の第１光束ＬＰとＳ偏光の第２光束ＬＳとの相対的な間隔を変える光学素子であるビームディスプレイサー５１を配置してもよい。ビームディスプレイサー５１としては、方解石又は水晶等の複屈折性の結晶が使用可能である。また、ビームディスプレイサー５１によって光束ＬＰ，ＬＳの間隔を変える方向は、受光スリット部３３の受光スリットの長手方向に対応する方向以外の任意の方向でよく、例えば表面ＷａのＸ方向に対応する方向である。この他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５５】
この第１変形例のＡＦセンサ１２Ａによれば、光源系１６から交互に光束ＬＰ，ＬＳを射出すると、ビームディスプレイサー５１によって光束ＬＰ，ＬＳの間隔が変化するため、光束ＬＰ，ＬＳの偏光を解消した光束ＬＡ，ＬＢの表面Ｗａにおける照射位置が例えばＸ方向に変化する。第１の実施形態と同様に、振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、表面Ｗａの面位置の情報を検出することができる。
【００５６】
なお、この第１変形例において、ビームディスプレイサー５１を設置する位置は、送光光学系１４Ａ中で表面Ｗａに近い位置Ｑ２、受光光学系１４Ｂ中で表面Ｗａに近い位置Ｑ３、又は受光光学系１４Ｂ中で偏向プリズム３２の入射面に近い位置Ｑ４等でもよい。ただし、偏光解消板２４はビームディスプレイサー５１の下流に配置する必要があるため、例えば位置Ｑ３又はＱ４にビームディスプレイサー５１を設置するときには、偏光解消板２４は省略してもよい。
【００５７】
（２）また、図７（Ａ）の第２変形例のＡＦセンサ１２Ｂで示すように、光源系１６Ａの偏向プリズム１８の射出面の送光スリット部１９ＡにＰ偏光の第１光束ＬＰを透過する膜と、Ｓ偏光の第２光束ＬＳを透過する膜とを形成してもよい。
図７（Ｂ）に示すように、送光スリット部１９Ａのクロム等で形成された遮光膜中の、一つの送光スリットに対応する位置１９Ａａｉ（ｉ＝１〜Ｉ）に、それぞれＰ偏光の光束のみを透過するスリット状の膜１９Ａｂｉと、Ｓ偏光の光束のみを透過するスリット状の膜１９Ａｃｉとが近接して形成されている。膜１９Ａｂｉ及び１９Ａｃｉの形状及び方向は、それぞれ図７（Ｃ）に示す第１の実施形態の送光スリット部１９の一つの幅ｄの送光スリット１９ａｉと同じである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５８】
この第２変形例のＡＦセンサ１２Ｂによれば、光源系１６Ａにおいて、第１の光源１７Ａを点灯すると、送光スリット部１９Ａの各位置１９Ａａｉの膜１９ＡｂｉからＰ偏光の第１光束ＬＰが射出され、第２の光源１７Ｂを点灯すると、送光スリット部１９Ａの膜１９ＡｃｉからＳ偏光の第２光束ＬＳが射出される。そのため、第１光源１７Ａ及び第２光源１７Ｂを交互に発光させると、光束ＬＰ，ＬＳの偏光を解消した光束ＬＡ，ＬＢの表面Ｗａにおける照射位置がＸ方向に変化する。従って、第１の実施形態と同様に、振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、表面Ｗａの面位置の情報を検出することができる。
【００５９】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態につき図８を参照して説明する。図８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８は、本実施形態のＡＦセンサ１２Ｃを備えた露光装置の要部を示す。図８において、ＡＦセンサ１２Ｃは、光源系１６Ｂと、送光光学系１４Ａと、受光光学系１４Ｂと、検出系１４Ｃと、送光光学系１４Ａの射出瞳と共役な面に配置された開口絞りＡＳＦの近傍に配置された１対のそれぞれ偏角プリズムよりなる角度変換素子５２Ａ，５２Ｂとを有する。
【００６０】
また、光源系１６Ｂは、非偏光の光束Ｌ１，Ｌ２を交互に射出する光源１７Ａ，１７Ｂと、送光スリット部１９が形成された偏向プリズム１８と、光束Ｌ１，Ｌ２をほぼ平行光束にして、かつ異なる方向から偏向プリズム１８に供給するコンデンサーレンズ１７Ｄとを有する。光束Ｌ１及びＬ２は、ウエハＷの表面ＷａのＸ方向に対応する方向に相対的に傾斜して送光スリット部１９に交互に入射する。この場合、角度変換素子５２Ａ，５２Ｂは、表面ＷａのＸ方向に対応する方向に近接して配置される。角度変換素子５２Ａ，５２Ｂは、それぞれ入射する光束の角度を反時計回り及び時計回りに傾斜させる。本実施形態では、角度変換素子５２Ａ，５２Ｂは偏光状態に依存していないため、偏光解消板は設ける必要がない。この他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００６１】
本実施形態のＡＦセンサ１２Ｃによれば、光源１７Ａ，１７Ｂから交互に光束Ｌ１，Ｌ２を射出すると、送光スリット部１９の各送光スリット１９ａｉからは反時計回りに傾斜した光束Ｌ１と時計回りに傾斜した光束Ｌ２とが交互に送光光学系１４Ａに供給される。従って、送光光学系１４Ａの開口絞りＡＳＦの近傍では、光束Ｌ１は一方の角度変換素子５２Ａに入射して反時計回りに傾斜した第１光束ＬＡとなり、光束Ｌ２は他方の角度変換素子５２Ｂに入射して時計回りに傾斜した第２光束ＬＢとなる。そして、送光光学系１４Ａから表面Ｗａに供給される第１光束ＬＡの位置は本来の位置（角度変換素子５２Ａ，５２Ｂがない場合の位置）から−Ｘ方向にずれ、第２光束ＬＢの位置は本来の位置から＋Ｘ方向にずれるため、光束ＬＡ，ＬＢの表面Ｗａにおける照射位置がＸ方向に変化する。従って、検出系１４Ｃで光束ＬＡ，ＬＣの検出信号を処理することによって、第１の実施形態と同様に、振動ミラーを用いることなく外乱光の影響を低減して、表面Ｗａの面位置の情報を検出することができる。
【００６２】
なお、本実施形態においても、角度変換素子５２Ａ，５２Ｂは、受光光学系１４Ｂ内の射出瞳と共役な面又はその近傍の位置Ｑ１に配置してもよい。
また、光源１７Ａ，１７Ｂから出力される光束の一部をビームスプリッタ（不図示）で分岐した光束を光電センサ（不図示）でモニタし、このモニタ結果を用いて検出系１４Ｃで得られる検出信号を規格化してもよい。
【００６３】
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。
【００６４】
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９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。
【００６５】
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。
【００６６】
また、上記の実施形態では、ＡＦセンサ１２〜１２Ｃは、多点の検出系であるが、ＡＦセンサ１２〜１２Ｃ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。
【００６７】
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】
【００６８】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、１２…ＡＦセンサ（オートフォーカスセンサ）、１４Ａ…送光光学系、１４Ｂ…受光光学系、１４Ｃ…検出系、１６…光源系、１９…送光スリット部、２２…偏光分離プリズム、２４…偏光解消板、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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【図９】
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