JPH04143607A - 水平位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明対物レンズの光軸に対してウェハ面や被検物体面
を垂直位置に正確に設定するための基準位置検出装置、
特に傾斜検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に集積回路製造用の縮小投影露光装置には大きな開
口数（Ｎ、　Ａ、　’）を有する投影対物レンズが用い
られているため、許容焦点範囲か極めて小さい。

このため、ウェハの露光領域を投影対物レンズの光軸に
対して正確な垂直位置に維持しない限り、露光領域全体
にわたって鮮明なパターンの露光を行うことができない
。ウェハ全体は別途に設けられたオートフォーカス機構
によりウェハ面上の３点の検出によって対物レンズの光
軸に対してほぼ垂直に位置合わせされ得るが、ウェハの
大型化やシリコンに代わるガリウム　ヒ素等の新素材料
ではウェハ自体の平面性が不安定になるため、ウェハの
部分的な傾斜状態の検出が必要となる。そして、複数回
の露光及び化学処理によりさらにウェハの変形か増大さ
れるため、特に露光領域の正確な傾斜状態の検出が必要
となっていている。

このように、露光領域の正確な傾斜検出することが不可
欠となっているが、かかる露光領域の傾斜を検出する装
置としては、例えば本発明と同一出願人により特開昭５
８−１１３７０６号公報において第９図に示す如きコリ
メータ型の傾斜検出装置を提案した。

この装置を具体的に説明すると、第９図に示す如く、投
影対物レンズｌに関してレチクル２とウェハ３とが共役
に維持され、図示なき照明光学系により照明されたレチ
クル２上のパターンがウェハ３上に縮小投影される。

一方、投影対物レンズｌの光軸に関して対称に照射光学
系１０と集光光学系２０とが配置されている。

上記露光光とは別波長の光束を供給する照射光学系１０
の光源１１からの光束はコンデンサーレンズ１２により
絞り１３の開口部上に集光され、この絞り１３上に焦点
を有する照射対物レンズ１７により平行光束かウェハ３
上に導かれる。そして、ウェハ３を反射した平行光束は
、集光対物レンズ２１により集光され、これの焦点位置
に設けられた４分割受光素子２２上で受光される。すな
わち、この４分割受光素子２２上では、照射光学系中の
絞り１３の像が検出される。

この集光光は、ウェハ３上の露光領域が垂直に保たれて
いる時には、４分割受光素子２２の中心で受光され、ウ
ェハ３上の露光領域が垂直面からψだけ傾いている時に
は、ウェハ３で反射される平行光束は、集光光学系２０
の光軸２０ａに対し２ψ傾く。

従って、受光素子２２上での集光点位置によりウェハ３
上の露光領域の傾斜を検出し、制御手段３１で受光素子
２２上での集光７東Φ変位方向及び量に対応する制御信
号を発生し、駆動手段３２により支持装置３３を移動さ
せて、ウェハの露光表面の傾斜を補正している。

〔発明が解決しようとする課題〕

所定のパターンが形成されているウェハ上に別のパター
ンを重ね焼きする際に、所定のパターンか形成されてい
るウェハ３の露光領域の傾斜状態を検出しようとすると
、このウェハ上のパターンにより照射対物レンズ１４か
らの平行光束は回折されて、受光素子２２上には、ウェ
ハからの正反射光（０次回先光）による照射光学系中の
絞り１３の像か検出されるのみならず、±１．±２−一
一一・±ｎｎ次回先光より絞り１３の回折像も同時に検
出される。

例えば、第１Ｏ図の（ｂ）に示す如き規則的な凹凸形状
の格子状パターンが形成されたウェハの露光領域が水平
に維持されている場合には、第１１図の１））に示す如
く、受光素子２２上での回折光強度は左右対称な分布と
なる。そして、この受光素子２２はこれの中心位置でこ
の回折光強度の光重心位置を検出できるため、第１２図
の（ｂｌの点線で示す如く、実際に水平な面を平均面と
して検出することができる。

しかしながら、第１０図の（ａｌに示す如き規則的な鋸
状の格子（ブレーズ格子）のパターンが形成されたウェ
ハの露光領域か水平に維持されている場合には、第１１
図の（ａ）に示す如く、受光素子２２上での回折光強度
は非対称な分布となり、光重心位置は中心から右側へず
れることになる。従って、この受光素子２２は、これの
中心から右側へずれた光重心位置分だけウェハ面の露光
領域か傾斜していると誤検出するため、このずれ分か零
となるように支持装置３３によってウェハ面か傾けられ
る。この結果、第１２図の（ｂｌの点線で示す如く、実
際に傾斜した面を正しい水平な平均面として検出してい
まう。

このように、従来の装置では、非対称な回折光強度分布
となるようなパターンを持つウェハ面上の露光領域の傾
斜検出には全く対応ができない問題かある。

そこで、前述の特開昭５８−１１３７０６号公報には、
第９図に示した構成に加えて、４分割受光素子２２をリ
レーするリレーレンズと、集光光学系２１の焦点位置に
微小開口部を有する絞りとを配置することにより、ウェ
ハ上の被検面領域からの不要な回折光は、集光光学系２
１を通過した後、この絞りで除去されるため高精度な検
出が実現できる。

しかしなから、この絞りの微小開口部を通過したウェハ
３からの正反射光（０次光）を検出光として取り出して
いるため、受光素子２２上で多くの光量か得られないた
め、より安定した高精度な検出か達成できない問題かあ
る。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、受光
素子上での検出光量を格段に向上させることにより、Ｓ
／Ｎ比をより向上させて、極めて優れた検出精度を達成
し得る傾斜検出装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために、第１図に示す
如く、互いに直交した２方向に方向性を持つパターンが
形成された被検面上の所定の領域を所定の共役関係に形
成するための主対物レンズ１と、該主対物レンズの光軸
１ａ外から前記被検面上へ平行光束を供給するための光
源１１と照射対物レンズ１８とを有する照射光学系１０
と、該照射光学系１０から供給され前記被検面上で反射
される光束を受光素子２２上で集光させるための集光対
物レンズ２１を有する集光光学系２０とを設けるととも
に、前記照射光学系ｌＯ中に前記受光素子２２とほぼ共
役なる位置に所定形状の開口部１３を有する絞りを設す
、前記両光学系の光軸１０ａ、　２０ａを前記主対物レ
ンズの光軸１ａに関して対称に配置し、前記受光素子２
２の出力信号に基づいて前記被検面上の共役領域の水平
位置を検出する水平位置検出装置において、 前記照射光学系の光軸１０ａと前記主対物レンズの光軸
１ａとを含む平面と前記被検面の共役領域とが交わる被
検面上での照射方向が、前記被検面上のパターンが持つ
互い直交した２方向の方向性での各々の方向に対して異
なるようにしたものである。

そして、上記の基本構成に基づいて、前記絞り１３は、
スリット状の開口部を有することが望ましい。

より好ましき構成は、前記照射光学系の光軸１０ａと前
記主対物レンズの光軸１ａとを含む平面と前記被検面の
共役領域とが交わる被検面上での照射方向と、前記被検
面上のパターンが持つ互い直交した２方向の方向性での
各々の方向の内の一方の方向とのなす角をγとし、前記
主対物レンズの光軸１ａと前記照射光学系の光軸１０ａ
とのなす角をθとするとき、以下の条件を満足すること
が良い。

ｔａｎ−１（ｃｏｓ　　θ）≦γ≦ｔａｎ　−’　　（
１／ｃｏｓ　　θ）〔作　用〕 第９図に示した従来の構成における照射光学系１０から
の平行光束がウェハ上に形成されたパターンを照射した
際に、受光素子２２上においてこのパターンから発生す
る回折光の様子について見る。

第１３図はウェハ３上の被検面を真上から見た時の様子
を示しており、ウェハ３上には互いに直交したＸ、　Ｘ
方向において、所定の等しいピッチ（Ｘ方向ではＰ、、
Ｘ方向ではＰア）を有する２次元的な回折格子状のパタ
ーンが形成されている。

今、照射対物レンズ１８からの平行光束の照射方向を、
ウェハ上に形成されているパターンの方向と等しいＸ方
向とし、照射光学系１０からの千行光束かウェハ３上の
回折格子状のパターンを直径りの円形の照射領域３ａて
照射するものとする。

すると、この照射領域３ａ内の回折格子パターンにより
回折光か発生する。

これをより具体的かつ説明を簡単にするために、照射領
域３ａの中心を原点０としてＸＹ座標をとり、照射対物
レンズ１８の光軸１０ａ上を進行する光線を考えると、
第１４図に示す如く、ウェハ上の２次元的な格子パター
ンにより０次回先光（正反射光）は集光対物レンズ２１
の光軸２Ｏａ上を進行し、±１次回折光は、この集光対
物レンズ２１の光軸２０ａを原点０′　とした仮想平面
ＰのＸ’　Ｙ’座標の直交したＸ’　Ｙ’力方向広がる
。そして、受光素子２２上は、集光対物レンズ２１の焦
点位置に、即ち瞳位Ｉｔ（フーリエ面）に配置されてい
るため、受光素子２２上でのこれらの回折光は、フラン
フォーファー回折として解析することができる。

そこで、集光対物レンズ２１の光軸２０ａと照射領域３
ａのＸ軸（仮想平面ＰではＸ°軸）とを含む平面内で発
生する±１次回折光の集光対物レンズ２１の光軸２０ａ
に対する回折角をα８とし、集光対物レンズ２２の光軸
２０ａと照射領域３ａのＹ軸（仮想平面ＰではＹ′軸）
とを含む平面内で発生する±１次回折光の集光対物レン
ズ２２の光軸２０ａに対する回折角をα２、水平位置検
出装置の光源波長をλ、前記主対物レンズＩの光軸１ａ
と前記照射対物レンズ１８の光軸１０ａとのなす角をθ
とするとき、次式の如くなる。

λ ５ｉｎ（θ＋ａ、　）　　＝　−＋ｓｉｎ　　θ　　−
−（１１Ｐ。

λ ｓｉｎ　　αア＝　　　　　　　　　　　−−・−（２
）Ｙ そして、±１次回折光の回折角は小さいため、ｓｉｎ　
ａｌｌ＃ａ、　、ｓｉｎ　ａ、　岬α、　、ｃｏｓ　ａ
ｔ　＃ｌ、ｃｏｓａｒ＃１とすると、上式（１）及び（
２）は、λ λ αア　＝ Ｙ となる。

次に、 第１３図に示した被検領域中の２次元格子パターンによ
り発生する受光素子２２上での回折光の様子について見
る。

今、照射光学系１０からの平行光束により照射される円
形状の照射領域３ａ内のウェハ３上の被検領域ＷＰ、が
水平な状態であるものとし、受光素子２２の受光面２２
ａの形状を矩形、受光素子２２と共役な位置に配置され
た絞り１３の開口部の形状を円形とすると、第１５図に
示す如く、絞り１３の像Ｓは受光素子２２上の受光面２
２ａの中心に形成される。

ここで、受光素子２２の受光面２２ａ上の中心を原点Ｏ
とするｘｙ座漂は、第１４図に示したウェハ３上の照射
領域３ａの中心としたＸＹ座標及び集光対物レンズ２１
の光軸２０ａを原点とした仮想平面ＰのＸ’　Ｙ’座標
に対応している。

従って、第１４図にて示した±１次回折光（Ｄ〜Ｄ、）
は、受光素子２２上の受光面２２ａのｘｙ軸上に沿って
絞り１３の開口部の±１回折像（ＤＳ。

〜ＤＳ、）が２次元的に形成される。

今、受光素子の受光面２２ａの中心からｘ、ｙ方向での
±１回折像（ＤＳ、〜ＤＳ４）の中心までの距離をそれ
ぞれＩ！１．！、とし、集光対物レンズ２１の焦点距離
をｆ、ｘ方向での受光素子２２の受光面２２ａの長さを
り、、ｙ方向での受光素子２２の受光面２２ａの長さを
Ｌア、絞り１３の像Ｓ（回折像ＤＳ、）の半径をｒとし
、さらに第１４図に示した、集光対物レンズ２１の光軸
２０ａと照射領域３ａのＸ軸（仮想平面ＰではＸ゛軸）
とを含む平面内で発生する±１次回折光の集光対物レン
ズ２１の光軸２０ａに対する回折角をα１、集光対物レ
ンズ２１の光軸２０ａと照射領域３ａのＹ軸（仮想平面
ＰではＹ″軸）とを含む平面内で発生する±１次回折光
の集光対物レンズ２１の光軸２０ａに対する回折角をα
。

とすると、受光素子２２の受光面２２ａのとりつる大き
さは１次式の如くなる。

１、＝ｆα、≧□　＋　ｒ　　　　　−−−−（５）Ｌ
。

ｌア＝ｆα、≧□十ｒ　　　　−（６）そして、この（
５）、　＋６＋式に上式（３）、　（４１をそれぞれ代
入すると、以下の如くなる。

２　ｆ　λ ＰｘＣＯＳ　　θ Ｐ。

従って、この（７）式、（８）式を満足するように受光
素子２２の受光面の大きさを選択することにより、検出
誤差を招く回折光を除去できる。

さらに、第１３図に示した如く、照射領域３ａ内のＹ軸
、Ｙ軸において２次元格子パターンかそれぞれＮ、個、
ＮＹ個だけ含まれているとすると、上式（７）、（８）
は次式の如（なる。

Ｄｃｏｓ　　θ ２Ｎ、ｆ　λ Ｌア　＋２ｒ≦ −・−ｍ 一例として、Ｎ　ｔ　＝　Ｎ　ｙ　＝　１０、Ｄ　＝　
２０ｍｍ、　λ＝７００ｎｍ　、　　θ＝７５°とする
と、（９）式及びαα式より、Ｌ　ｘ　＋　２　ｒ≦０
．１３５ｍｍ Ｌ、＋２ｒ≦０．０３５ｍｍ となる。そして、絞り１３の像の半径ｒが０．０１ｍｍ
であるとすると、 Ｌ、　　≦０．１１５ｍｍ Ｌ、　　≦０．０１５＋ｎｍ となる。

従って、受光素子の大きさを０．０１５ｍｍ　ＸＯ，１
１５ｍｍ（Ｌ□×Ｌア）以下とすれば、受光素子２２は
不要な回折光による像（ＤＳ、−ＤＳ４）を検出するこ
となく、必要な正反射光による像Ｓを検出できるため、
高精度な被検面の検出が可能となる。

また、先にも述べた如く、第９図に示した構成に加えて
、４分割受光素子２２をリレーするリレーレンズと、集
光対物レンズ２１の焦点位置に微小開口部を有する絞り
とを配置した場合にも、上記（９）式及びαα式を満足
すように集光対物レンズ２１の焦点位置に設けられた絞
りの開口部を構成とすることにより、必要な正反射光に
よる絞り１３の像Ｓのみを検出できるという効果を有す
る。

ところが、受光素子２２と共役な位置に設けられた照射
光学系中の絞りによって制限された点光源の像しか受光
素子２２上では得られず、しかも回折光を除去している
ため、被検面の水平検出をするための検出光の光量が微
弱となる。

従って、検出精度は受光素子２２の性能に大きく左右さ
れるのみならず、Ｓ／Ｎ比の劣化を免れることができず
、より安定しかつ高精度な被検面の水平位置の検出が望
めない。

そこで、本発明は、被検面上に形成された２次元パター
ンに対し照射光束の照射方向による回折光の方向性に着
目し、検出光量を大幅に増大させて検出精度を格段に向
上させ得る水平位置検出装置の最適な構成を見出したも
のである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例についての構成図であり、第９
図と機能的に同一の部材については同一の記号を付しで
ある。そして、この第１図を参照しながら本発明につい
て説明する。

図示の如く、レチクル２とウェハ３はそれぞれ主対物レ
ンズとしての投影対物レンズｌに関して共役な位置に維
持されており、レチクル２上のパターンが図示していな
い照明光学系によって照明されて、ウェハ３上に縮小投
影される。このようなウェハ３の焼付露光はステップ、
アンド、リピート方式と呼ばれ、ウェハ３を所定量だけ
移動させて繰り返し露光を行うものである。

投影対物レンズｌの光軸に対して対称に照明光学系ｌＯ
と集光光学系２０とが斜設されており、この両光学系に
より水平位置検出装置が構成される。

照明光学系ｌＯは、光源１１、コンデンサーレンズ１２
、紙面と垂直な方向に長手方向を有するスリット状の開
口部を持つ絞り１３、反射鏡１４、第１リレーレンズ、
検出範囲を制限する視野絞り１６、第２リレーレンズ１
７、照射対物レンズ１８とがらなる。

この照明光学系装置において、ウェハ３上に紛布された
レジストを感光させないために、露光光とは異なる波長
光を供給する光源１１からの光束はコンデンサー１２に
よって絞り１３上で集光され、ここに光源像が形成され
る。そして、この光源像からの光束は、反射鏡１４を反
射した後、絞り１３上に焦点を有する第１リレーレンズ
１５によって平行光束となり、視野絞り１６を通過して
第２リレーレンズ１７によりこれの焦点位置に集光され
る。その後、この第２リレーレンズ１７の焦点（集光）
位置に焦点を存する照射対物レンズ１８からの平行光束
かウェハ上の露光領域でもある被検領域を入射角θで斜
め照明する。

この被検領域（ＷＰ＋〜ＷＰ、）上に形成されたパター
ンは、第２図に示す如く、互いに直交したＸＸ方向に方
向性を育し、この照射領域３ａを真上から見た時の照射
対物レンズ１８からの平行光束の照射方向はＸ軸に対し
て角度γだけ傾くように構成されている。この構成によ
り、受光素子上における被検面のパターンからの回折光
の発生する方向をコントロールでき、上記絞り１３の開
口部の形状に合わせて受光素子の受光の形状を大きくす
ることができる。これについては、後で詳述する。

視野絞り１６は第２リレーレンズ１７と照射対物レンズ
１８とに関してウェハ上の被検領域（露光領域ＷＰ＋〜
ｗｐ、　＞と共役に配置されており、視野絞り１６の開
口部の像か例えば矩形の露光領域とばば同じ大きさとな
るように形成される。これを換言すれば、照射光学系１
０からの平行光束により照射される被検領域上での照射
領域３ａは、ウェハ３上の露光領域（ＷＰ　、〜ＷＰ、
）とほぼ一致するように形成される。

例えば、照射領域３ａの形状は、第３図の（ａ）及び（
ｂｌに示す如く、矩形状の露光領域ＷＰ６に内接あるい
は外接する円領域となるように、円形の開口部を有する
視野絞り１６はアオリの原理により光路中に斜設されて
いる。

なお、この斜設した円形の開口部を有する視野絞り１６
の代わりに、楕円形状の開口部を有する視野絞りを光路
と垂直に配置し、照射領域３ａか矩形状の露光領域ＷＰ
、に内接あるいは外接する円領域となるようにしても良
い。また、第３図の（Ｃ１に示す如く、照射領域３ａの
形状は円形に限ることなく、視野絞り１６の開口部形状
を矩形にして、矩形の露光領域ＷＰ５とほぼ一致させる
ようにしても良い。

さらには、特開平１−１６４０３３号公報に開示されて
いる如く、露光領域の形状変化に応じて照射領域を変更
できるようにしても良い。

さて、集光光学系２０は集光対物レンズ２１と受光素子
としての４分割受光素子２２とがらなる。

照射光学系ｌＯからの平行光束は、被検面としてのウェ
ハ３上で反射され、集光対物レンズ２１によってこれの
焦点位置に設けられた４分割受光素子２２上で集光され
る。

この４分割受光素子２２の受光面２２ａは紙面方向に長
手方向を有する矩形状（長方形状）で形成されており、
この受光面２２ａの大きさは、被検面でのパターンによ
る不要な回折光を排除できるような所定の大きさで形成
されている。

以上の構成により、この４分割受光素子２２の受光面に
は、絞り１３のスリット状の開口部の像Ｓが形成される
ため、受光できる光量を大幅に増大でき、格段に安定か
つ高精度な水平位置検出か達成できる。

なお、この４分割受光素子２２は、レチクル３の結像面
３ａの傾きとウェハ３の上面の傾きとが一致したときに
照射光学系１０からの光束か４分割受光素子２２の受光
面の中心に集光されるようにな位置に予め設定されてい
る。

なお、上記構成による傾斜検出の動作については、従来
技術の項目で説明した特開昭５８−１１３７０６号公報
と同一なのでこれについての説明を省略する。

次に、以上の構成による本発明の実施例についての原理
を説明する。この説明に先立って、まず照射対物レンズ
１８からの平行光束の照射方向を被検面上のパターンの
方向に対して傾けた場合についての受光素子２２上での
回折の現象について説明する。

ここで、受光素子２２と共役な位置に設けられた照射光
学系ＩＯ中に絞り１３の開口部形状は上述したスリット
状とは異なる従来のものと同様な円形であるものとする
。また、説明を簡単にするために、第４図に示す如く、
互いに直交したＸ、　Ｘ方向において、所定の等しいピ
ッチ（Ｘ方向ではＰ工。

Ｘ方向ではＰ、）を有する２次元的な回折格子状のパタ
ーンが形成されているものとし、被検面上に形成されて
いる２次元回折パターンのＸ、　Ｙ方向でのピンチ（Ｐ
、、Ｐア）は共に等しいピッチＰとする。

本発明の実施例では、前述の如く、このウェハ３上を真
上で見たときに、照射光学系ｌＯからの平行光束の照射
方向を、２次元的な回折格子状のパターンの形成されて
いるＸ、Ｘ方向に対して異なる（非平行となる）ように
しており、すなわち、照射光学系１０からの平行光束の
照射方向をウェハ３上の回折格子状のパターンのＸ方向
に対してγだけ傾けている。

これにより、受光素子２２の受光面では、第５図に示す
如く、±１次回折光による絞り１３の像（ＤＳ１〜ＤＳ
、）が発生する方向が変化し、ｙ′はＸ軸に対しβだけ
傾き、Ｘ°軸はＸ軸に対しδだけ傾く。そして、±１次
回折光による絞り１３の像（ＤＳ、〜ＤＳ４）は、原点
０から等しい距離だけ離れた位置に発生する。

このため、絞り１３の回折像（ＤＳ、〜ＤＳ、）をＸ方
向に大きく伸ばしても、この回折像（ＤＳ〜ＤＳ、）か
検出されることがない。従って、絞りＩ３の開口部の形
状を例えば長方形状にすれば、第６図に示す如く、受光
素子上において、検出されるための絞り１３の像Ｓの面
積か増大し、これによる検出光量を格段に大きくするこ
とができる。

そこで、この被検面上に形成された２次元パターンに対
する照射光束の照射方向による受光素子上での回折光の
方向性に着目し、第６図の場合での回折現象を解析する
。

回折像（ＤＳ、−ＤＳ、）についてのｘ、　　ｙの各成
分方向での原点０からの長さは、集光対物レンズ２１の
焦点距離をｆ、被検面上に形成されている２次元回折パ
ターンのＸ、Ｘ方向でのピッチ（Ｐ、、Ｐ、）をＰとす
るとき、次式の関係が成立する。尚、この事は第５図で
も同様に成立し、これらは、回折角が小さい場合、すな
わちλ／２（ｌとした場合での近似である。

ｔａｎ γ 　ｃｏｓ θ ｔａｎ　　δ＝　ｃｏｓ　　θ・ｔａｎ　　７　　”−
””’αＧ従って、Ｘ方向での受光素子２２の受光面２
２ａの長さをＬつ、Ｘ方向での受光素子２２の受光面２
２ａの長さをり、、Ｘ方向での絞り１３の像Ｓ（回折像
ＤＳ、’）の長さをＳ！、Ｘ方向での絞り１３の像Ｓ（
回折像ＤＳ、　）の長さをＳア、照射領域の直径をＤ、
照射領域３ａ内のＸ軸、Ｙ軸において２次元格子パター
ンがそれぞれＮ８個、Ｎｖ個だけ含まれているとすると
、受光素子２２の受光面２２ａの大きさは、上式０１１
゜ α２゜ ０組 α９より 一−−−−αη ・−・−■ となり、上式を全て同時に満足するように構成すること
が好ましい。

但し、Ｎｘ　＝Ｎｙ　、　　ｔａｎβ＝　ｃｏｓ　　θ
／ｌａｎγ、ｔａｎδ＝ｔａｎ７−ＣＯ３θである。

ここで、０〈β≦４５°とすると、第６図からも分かる
ように、Ｉ　ｙ’、≧Ｉ！ｙ’アとなり、検出に不要と
なる絞り１３の像（ＤＳａ　、ＤＳａ）を検出させない
ためには、Ｉ！ｙ’、の長さのみを考慮すれば良い。す
なわち、αη式満足するようなＸ方向での受光素子２２
の受光面の大きさを考慮すれば良く、これによりＸ方向
での受光素子２２の受光面を任意に長くすることができ
る。

また、これと同様に、０くδ≦４５°とすると、１２　
Ｘ’、≧ｌｘ’アとなり、検出に不要となる絞り１３の
像（ＤＳ、、ＤＳ、）を検出させないためには、ｉｘ’
、の長さのみを考慮すれば良い。すなわち、０９式満足
するようなＸ方向での受光素子２２の受光面の大きさを
考慮すれば良く、上記と同様にＸ方向での受光素子２２
の受光面を任意に長くすることができる。

そこで、上述の如く受光素子２２の受光面の一方向での
長さを長くできる場合において、被検面上に形成された
２次元的なパターンか形成されるＸ。

Ｘ方向に対して、照射光学系１０からの平行光束の照射
方向が傾けられ得る最適な範囲について第７図を参照し
なから説明する。

第７図の（ａｌに示す如く、±１次回折像（ＤＳ２、Ｄ
Ｓ、）が受光素子２２上の検出面でのＸ軸に対しβ＝４
５°だけ傾いたｙ′輪軸上発生する場合において、被検
面上に形成された２次元的なパターンか形成されるＸ方
向に対する照射光学系ｌＯからの平行光束の照射方向の
傾きγは、０３式より、７＝ｔａｎ　”’　（ｃｏｓθ
）−−（２１）となる。

また、Ｘ軸に対しδだけ傾いたＸ′細軸上±１次回折像
（ＤＳ、　、ＤＳ、）か発生し、この時のδの値は、α
３式、　０５式より、 δ＝ｔａｎ　−１（ｃｏｓ”　θ）　　　　　　・−一
−−（２２）となる。

例えば、照射光学系ｌＯからの平行光束の入射角をθ（
照射光学系の光軸１０ａと主対物レンズの光軸１ａとの
なす角）を７５°とすると、δ＝　３．８３°となり、
上式（２１）より、γ＝１４．５１　’となる。

従って、この場合には、ＺＹｘ≦ｌ　Ｘ’　、どなるの
で、受光素子２２の受光面は、Ｉ！ｙ’　、の大きさを
考慮すれば良く、Ｘ方向において上式αηを満足するよ
うな大きさで構成すれば、Ｘ方向では任意に大きくする
ことができる。

次に、第７図のｆａｌに示した状態からγの値を小さく
して、受光素子２２上の検出面でのＸ軸に対し±１次回
折像（ＤＳｔ　、ＤＳ、）か発生するｙ゛軸とのなす角
βと、Ｘ軸に対し±１次回折像（ＤＳＩ、ＤＳ２）か発
生するＸ°軸とのなす角δとが等しくなる第７図の（ｂ
）に示す如き場合について見る。

この状態での被検面上に形成された２次元的なパターン
か形成されるＸ方向に対する照射光学系１０からの平行
光束の照射方向の傾きγは、０３式。

００式より、 γ＝４５°　　　　　　　−・−、、（２３）となる。

そして、この時のβ及びδの値は、０３式、００式より
、 β＝δ＝ｔａｎ　”（ｃｏｓθ）　　　−（２４）とな
り、例えば、照射光学系１０からの平行光束の入射角を
θ（照射光学系の光軸１０ａと主対物レンズの光軸１ａ
とのなす角）を７５°とすると、β＝δ＝１４．５°と
なる。

従って、この場合には、１．ｙ’、＝１ｘ’よとなるの
で、受光素子２２の受光面は、Ｘ方向で０９式又は測成
を満足するような大きさで構成すれば、Ｘ方向では任意
に大きくすることができる。

次に、第７図の（ｂｌに示した状態からγの値を小さく
し、±１次回折像（ＤＳＩ　、ＤＳ３）か受光素子２２
上の検出面でのＸ軸に対しδ＝４５°だけ傾いたＸ′細
軸上発生する第７図のＦＣ＋に示す如き場合について見
る。

この場合、被検面上に形成された２次元的なパターンか
形成されるＸ方向に対する照射光学系１゜からの平行光
束の照射方向の傾きγは、０５式より、７　＝　ｔａｎ
　−’　（１／ｃｏｓθ）　　　−−一（２５）となる
。

また、Ｘ軸に対しβだけ傾いたｙ°輪軸上±１次回折像
（ＤＳ、　、ＤＳ４）が発生し、この時のβの値は、α
３式、００式より、 β＝ｔａｎ　”（ｃｏｓ”　θ）　　　　−一−−−−
（２６）となる。

例えば、照射光学系ｌＯからの平行光束の入射角をθ（
照射光学系の光軸１０ａと主対物レンズの光軸１ａとの
なす角）を７５°とすると、β＝　３．８３°となり、
上式（２５）より、γ＝　７５．４９°となる。

従って、この場合には、Ｉ！ｙ’、≧／Ｘ’、となるの
で、受光素子２２の受光面は、１ｘ°、の大きさおみを
考慮すれば良い。このため、Ｘ方向における上式〇９を
満足するような大きさで構成すれば、Ｘ方向では任意に
大きくすることができる。

このように、受光素子２２の受光面の一方向での長さを
長くできる場合において、被検面上に形成された２次元
的なパターンが形成されるＸ、Ｘ方向の内の一方向に対
して、照射光学系ｌＯからの平行光束の照射方向が傾け
られ得る最適な範囲は、上記の（２１）及び（２５）式
より、次式に示す範囲となる。

ｔａｎ　−’　　（ｃｏｓ　　θ）≦γ≦ｔａｎ　−’
　　（１／ｃｏｓ　　θ）従って、この（２７）式を満
足するように、照射光学系１０からの平行光束の照射方
向を決定することにより、受光素子２２の受光面の一方
向での長さをを任意に大きく選択でき、しかも受光素子
２２の受光面と共役な位置に設けられた絞り１３の開口
部は、長方形状、楕円状等の長手方向を持つスリット状
にてきるため、検出光量を大幅に増大させることが達成
できる。

よって、被検面の検出精度を格段に向上させることが達
成でき、しかも検出精度の安定化も同時に達成できる。

ここで、−例として、被検領域でのＸ方向のパターンの
数Ｎ、をｌＯ１集光対物レンズ２１の焦点距離ｆを１０
０＋ｎｍ　、光源１１の波長λを７００ｎｍ　、照射領
域の径りを２０１１１ｍ１被検面に対する照射光学系１
０からの入射角θを７５°、Ｘ方向での絞り１３の像の
長さＳ８を０．０２ｍｍとし、第７図に示した（ａｌ、
　（ｂｌ、　（Ｃ１の３つの場合での受光素子の大きさ
について見る。

第７図の（ａｌの場合では、上式（２１）よりγ＝１４
、５１°となり、上式（１７）からＬ８≦０．２７０ｘ
ｓｉｎ（１４，５１’　）　−０，０２＝０．０４８と
なる。

よって、受光素子の受光面２２ａのＸ方向での長さし、
を０．０４８　ｍｍ以下とすれば良い。

第７図の（ｂｌの場合では、上式（１３）、　（１６）
よりγ＝４５°となり、上式（１７）または（１９）か
らり、≦０．２７０ｘｃｏｓ（４５°）　−０，０２＝
Ｏ１１７１となる。

よって、受光素子の受光面２２ａのＸ方向での長さＬ８
を０．１７１ｍｍ以下とすれば良い。

第７図の（Ｃ１の場合では、上式（２５）よりγ＝７５
、４９°となり、上式（１９）からＬ１≦０．２７０　
ｘ　ｃｏｓ　（７５，４９°）　−０，０２＝０．０４
８となる。

よって、受光素子２２の受光面２２ａのＸ方向での長さ
Ｌ８を０．０４８　ｆｆ１ｍ以下とすれば良い。

このように、第７図の（ｂｌにて示すγ＝４５°の場合
では、受光素子の受光面２２ａでのＸ方向での長さを最
も長くとることができる。

以上においては、説明を簡単にするために、被検面上で
のパターンを２次元的な回折格子に基づいて述べてきた
が、上式（２７）は、その場合に限ることない。すなわ
ち、（２７）式は、第２図のＷＦ２で示した如く、−船
釣に互いに直交した２方向に方向性を持つ被検パターン
であれば一般的に適用てき、以上に述べた如き場合と同
様な効果が得られることは言うまでもない。

また、受光素子２２と共役な位置に設けられている照射
光学系ｌＯ中の絞り１３の開口部形状は本実施例では第
８図の（ａｌに示す如き長方形状としたが、第８図の（
ｂ）に示す如き楕円状等の長手方向を持つ形状であれば
良い。

さらに、受光素子の受光面２２ａの形状は、矩形状（正
方形状、長方形状）、円形状、楕円状等の形状で構成す
ることもできる。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、受光素子上で発生する回
折像の発生する方向を最適な状態にコントロールできる
ため、受光素子と共役な位置に設けられた照射光学系中
の絞りの開口部をスリット状に大きくでき、検出光量の
大幅な向上が達成できる。

このため、Ｓ／Ｎ比を向上が実現できるため、被検面の
検出精度を格段に向上でき、しかもより安定した水平位
置検出を達成することができる。

また、受光素子の受光面での一方向の長さを任意に大き
くすることができるので、これに応じて、受光素子と共
役な位置に設けられた照射光学系中の絞りの開口部を大
きくでき、さらなる検出光量の増大化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例の装置を示す構成図である
。 第２図はウェハ上に形成された露光領域中の直交した２
方向に方向性を持つパターンに対し光束を斜め方向に照
射させた様子を示すウェハの平面図である。 第３図は露光領域に対する照射領域の様子を示す図であ
る。 第４図は被検面上に形成された２次元的な格子パターン
に対し光束を斜め方向に照射させた様子を示す被検領域
の平面図である。 第５図は絞り１３の開口部の形状を円形状とした場合に
、第４図に示す被検面上に形成された２次元的な格子パ
ターンに対し光束を斜め方向に照射させることにより、
受光素子の受光面上で形成される回折像の様子を示す図
である。 第６図は絞り１３の開口部の形状を長方形状とした場合
に、第４図に示す被検面上に形成された２次元的な格子
パターンに対し光束を斜め方向に照射させることにより
、受光素子の受光面上で形成される回折像の様子を示す
図である。 第７図は第４図に示す被検面上に形成された２次元的な
格子パターンに対して光束の照射方向を変えた場合での
受光素子の受光面上形成される回折像の様子を示す図で
ある。 第８図は本発明における照射光学系中の絞り１３の開口
部の様子を示す図である。 第９図は従来の装置の構成図である。 第１０図は被検面上に形成されたパターンの様子を示す
図である。 第１１図は第１０図のパターンによる回折光の光量分布
の様子を示す図である。 第１２図は第１０図のパターンによる水平位置を検出し
た様子を示す図である。 第１３図は被検面上に形成された２次元的な格子パター
ンのＸ方向に対し光束を平行に照射させた様子を示す被
検領域の平面図である。 第１４図は被検面上に形成された２次元的な格子パター
ンのＸ方向に対し光束を平行に照射させた様子を示す斜
示図である。 第１５図は第１４図に示す被検面上に形成された２次元
的な格子パターンのＸ方向に対し光束を平行に照射させ
た場合における受光素子の受光面上で形成される回折像
の様子を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １　・・−投影対物レンズ　２−　レチクル３−・・ウ
ェハ　　　　　１０　−・−照射光学系１１　　・−・
・光源　　　　　　　１３　　・−絞り２０　−集光光
学系　　　２２　　・−４分割受光素子ｌａ　　−・・
投影対物レンズの光軸 １０ａ　−一照射光学系の光軸 ２０ａ−・集光光学系

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）互いに直交した２方向に方向性を持つパターンが形
   成された被検面上の所定の領域を所定の共役関係に形成
   するための主対物レンズと、該主対物レンズの光軸外か
   ら前記被検面上へ平行光束を供給するための光源と照射
   対物レンズとを有する照射光学系と、該照射光学系から
   供給され前記被検面上で反射される光束を受光素子上で
   集光させるための集光対物レンズを有する集光光学系と
   を設けるとともに、前記照射光学系中に前記受光素子と
   ほぼ共役なる位置に所定形状の開口部を有する絞りを設
   け、前記両光学系の光軸を前記主対物レンズの光軸に関
   して対称に配置し、前記受光素子の出力信号に基づいて
   前記被検面上の共役領域の水平位置を検出する水平位置
   検出装置において、 前記照射光学系の光軸と前記主対物レンズの光軸とを含
   む平面と前記被検面の共役領域とが交わる被検面上での
   照射方向が、前記被検面上のパターンが持つ互い直交し
   た２方向の方向性での各々の方向に対して異なるように
   することを特徴とする水平位置検出装置。 ２）前記絞りは、スリット状の開口部を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の水平位置検出装置
   。 ３）前記照射対物レンズの光軸と主対物レンズの光軸と
   を含む平面と前記被検面の共役領域とが交わる被検面上
   での照射方向と、前記被検面上のパターンが持つ互い直
   交した２方向の方向性での各々の方向の内の一方の方向
   とのなす角をγとし、前記主対物レンズの光軸と前記照
   射対物レンズの光軸とのなす角をθとするとき、以下の
   条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または至第２項記載の水平位置検出装置。 ｔａｎ＾−＾１（ｃｏｓθ）≦γ≦ｔａｎ＾−＾１（１
   ／ｃｏｓθ）