JPH10223517A

JPH10223517A - 合焦装置、それを備えた観察装置及びその観察装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JPH10223517A
Application number: JP9033283A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukui; 達雄福井; Ayako Sugaya; 綾子菅谷; Masahiro Nakagawa; 正弘中川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】合焦用像の重なり合いを防ぎ合焦精度を上げ
る。【解決手段】視野絞り１３と、視野絞りを照明する光
源１１と、照明された視野絞りの像を被検面１７上に結
像する照明用結像光学系、被検面上に形成された視野絞
りの像を所定の検出面Ｖ１に再結像する検出光学系と、
所定の基準位置に対する前記被検面の整合状態を検出す
るために、検出面上に再結像された視野絞りの像を光電
的に検出する合焦用検出器２６とを備え、視野絞りは、
所定の主開口Ｓ１と副開口Ｓ２、Ｓ３とを有し、検出光
学系は、被検面上に形成された主開口の像からの光束を
遮光すると共に、被検面上に形成された副開口の像から
の光束を通過させるために、被検面と共役な位置又はそ
の位置近傍に配置された遮光部材２１と、被検面上に形
成された副開口の像からの光束を複数に分割して、該分
割された光束を合焦用検出器に導く光束分割部材２３と
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被検基板上のパターン等を検出する際に自動的に合焦状
態を得るための合焦装置、それを備えた観察装置及びそ
の観察装置を備えた露光装置に関し、特に光束分割部材
を備えた合焦装置、それを備えた観察装置及びその観察
装置を備えた露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の合焦装置では、例えば特
開平６−２１４１５０号公報に開示されているように、
被検面上の計測領域外の部分に合焦用パターンを投射
し、そこから反射した合焦用光束を瞳分割プリズムなど
で２光束に分割し、合焦用パターン結像面におけるこれ
ら２光束間の距離を測定することで合焦点位置に関する
情報を得ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術においては、観察物体の合焦の精度を上
げるためには、観察用の照野からの反射光束と合焦用照
野からの反射光束とを近接させる必要があるが、その為
にこれら２光束同士が互いに重なり合い干渉して正確な
合焦動作がかえって困難となるためこれを避けて、観察
用光束と合焦用光束とが異なる光路を通るように構成
し、合焦用の光束のみを２光束に分割して合焦動作に用
いている。しかし、この手法を実行するためには観察用
照野を照明する光源系と合焦用照野を照明する光源系と
の独立した２光源系を必要とすることから、装置が複雑
かつ大型化しコストがかかるという欠点があった。又、
合焦用光源に可視光のような広帯域波長光を用い且つ２
光束分割の際に光透過型の瞳分割プリズムを採用してい
るので、この瞳分割プリズムで分割された合焦検出光束
に色分散が発生し、被検面の分光反射率の変動による合
焦検出誤差を生じやすいという問題点があった。

【０００４】そこで本発明は、単一の光源使用により装
置の大型化及び高コスト化を防ぎ、高い合焦精度を持つ
合焦装置、それを備えた観察装置及びその観察装置を備
えた露光装置を提供することを主目的とする。

【０００５】また、本発明は、光束分割の際の色分散等
による合焦誤差をなくして広帯域波長光の使用を可能と
し、合焦用光束像の不必要な重なり合いを回避して合焦
精度を上げた合焦装置、それを備えた観察装置及びその
ような観察装置を備えた露光装置を提供することを副次
的な目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明に係る合焦装置は、図１に示
すように、視野絞り１３と；前記視野絞りを照明する光
源１１と；前記光源により照明された前記視野絞りの像
を被検面１７（Ｆ１）上に結像する照明用結像光学系１
４、１６と；前記被検面上に形成された前記視野絞りの
像を所定の検出面Ｖ１に再結像する検出光学系と；所定
の基準位置に対する前記被検面の整合状態を検出するた
めに、前記検出面上に再結像された前記視野絞りの像を
光電的に検出する合焦用検出器２６とを備え；前記視野
絞りは、所定の主開口Ｓ１と副開口Ｓ２、Ｓ３とを有
し；前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記
主開口の像からの光束を遮光すると共に、前記被検面上
に形成された前記副開口の像からの光束を通過させるた
めに、前記被検面と共役な位置又はその位置近傍に配置
された遮光部材２１と；前記被検面上に形成された前記
副開口の像からの光束を複数に分割して、該分割された
光束を前記合焦用検出器に導く光束分割部材２３とを有
する。

【０００７】請求項２に記載の発明に係る合焦装置は、
請求項１に記載の合焦装置において、前記検出光学系
は、前記被検面上に形成された前記視野絞りの主開口及
び副開口の像からの光束を集光して、前記各開口の中間
像を形成する対物光学系１６、１８と；前記中間像から
の光束を集光して前記中間像を前記検出面に再結像する
リレー光学系２２、２４とを有し；前記遮光部材は、前
記中間像が形成される位置又はその近傍に設けられ；前
記光束分割部材は、前記リレー光学系中に設けられる。

【０００８】このように構成すると、主開口の像からの
光束を遮光し、副開口の像からの光束を選択的に通過さ
せる遮光部材を備えるので、主開口からの光と副開口か
らの光が重なり合わない。

【０００９】請求項３に記載の発明に係る合焦装置は、
請求項１の発明において、前記検出光学系は、前記光分
割部材と前記合焦用検出器との間に配置され、前記光束
分割部材の分割方向とほぼ直交する方向に屈折力を持つ
円柱光学系をさらに備える。

【００１０】このように構成すると、光源の像を光束分
割部材の分割方向と直交する方向に結像する円柱光学系
が、検出面Ｖ１上に結像される像を光束分割部材の分割
方向と直交する方向に圧縮するので、被検面からの合焦
用光束強度を平均化できる。

【００１１】請求項４に記載の発明は、図８の装置４０
０として示されるように、視野絞り４１３と；前記視野
絞りを照明する光源４１１と；前記光源により照明され
た前記視野絞りの像を被検面上に結像する照明用結像光
学系４１４、４１６と；前記被検面上に形成された前記
視野絞りの像を所定の検出面に再結像する検出光学系４
１６、４１８、４２２、４２４と；所定の基準位置に対
する前記被検面の整合状態を検出するために、前記検出
面Ｖ１上に再結像された前記視野絞りの像を光電的に検
出する合焦用検出器４２６とを備え；前記視野絞りは、
所定の主開口Ｓ４１と副開口Ｓ４２、Ｓ４３とを有し；
前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記視野
絞りの主開口及び副開口の像からの光束をそれぞれ複数
に分割して、該分割された光束を前記検出面に導く光束
分割部材４２３Ａと；前記光束分割部材と前記検出器と
の間に配置されて、前記光束分割部材の分割方向とほぼ
直交する方向に屈折力を持つ円柱光学系４２５とを有す
る。

【００１２】このように構成すると、主開口Ｓ１を通過
する光束により照明される領域が比較的小さい場合に対
処できるし、光源の像を光束分割部材の分割方向と直交
する方向に結像する円柱光学系が、検出面Ｖ１上に結像
される像を光束分割部材の分割方向と直交する方向に圧
縮する。

【００１３】請求項５に記載の合焦装置は、請求項４に
記載の装置において、前記検出光学系は、前記被検面上
に形成された前記視野絞りの主開口及び副開口の像のい
ずれか一方からの光束を前記合焦用検出器へ導く光束選
択部材４２１をさらに備える。

【００１４】請求項６に記載の合焦装置は、請求項４に
記載の装置において、前記検出光学系は、前記被検面上
に形成された前記視野絞りの主開口及び副開口の像から
の光束を集光して、前記各開口の中間像を形成する対物
光学系と；該対物光学系により形成された前記主開口の
中間像及び前記副開口の中間像からのいずれか一方から
の光束を前記合焦用検出器へ導く光束選択部材と；該光
束選択部材によって選択された光束を集光して前記各開
口の中間像の一方の像を前記検出面に再結像するリレー
光学系とを更に備える。

【００１５】このように構成すると、いずれか一方の開
口の像からの光束を選択的に通過させる光束選択部材を
備えるので、主開口と副開口の像からの光束が分離さ
れ、重なり合わない。

【００１６】請求項７に記載の合焦装置は、請求項１乃
至請求項６のいずれかに記載の装置において、前記光束
分割部材は、反射型プリズム又は色消しプリズムで構成
される。

【００１７】このように構成すると、光束分割部材が、
反射型プリズム又は色消しプリズムであるので、広帯域
波長光を用いても、光束を分割した際に光の分散が生じ
ない。

【００１８】請求項８に記載の合焦装置は、請求項１乃
至請求項７のいずれかに記載の装置において、前記光束
分割部材により前記検出面上に分割形成される複数の副
開口像同士の間隔に関する前記合焦用検出器からの出力
に基づいて、前記被検面をその法線方向に移動させて、
前記被検面の位置を調整する制御系をさらに備える。

【００１９】このように構成すると、制御系を備えるの
で、副開口の像同士の間隔に基づいて、被検面の焦点合
わせを行うことができる。

【００２０】請求項９に記載の観察装置は、請求項１乃
至請求項８のいずれかに記載の合焦装置と；前記被検面
と前記各開口の中間像との間に配置されたビームスプリ
ッタと；該ビームスプリッタにより分割された光路中に
配置されると共に、前記被検面と共役な位置又はその近
傍に配置された観察用検出器とを備え；前記照明用結像
光学系は、前記視野絞りの主開口の像を前記被検面上の
観察用マークに向けて結像することにより、前記主開口
の像にて前記観察用マークを照明し；前記観察用検出器
は、前記観察用マークの像を光電検出する。

【００２１】このように構成すると、前記の合焦装置を
備えるので、開口の像からの光束が分離され、重なり合
わない。したがって合焦精度の高い観察装置が得られ
る。

【００２２】請求項１０に記載の露光装置は、請求項９
に記載の観察装置と；所定のパターンが形成されたレチ
クルを感光性基板に露光するために前記レチクルを照明
する露光用照明系とを備え；前記観察装置は、前記観察
用マークとしての前記感光性基板上に形成されたアライ
メントマークの像を前記観察用検出器にて光電検出する
ことにより、前記感光性基板の位置を検出するように構
成されている。

【００２３】このように構成すると、前記の観察装置を
備えるので、基板のアライメントの際に正確な合焦がで
き、ひいては正確なアライメントが実行でき、高精度の
露光ができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは
相当する部材には同一または下２桁が同一な符号を付
し、重複した説明は省略する。

【００２５】図１は本発明による合焦装置の第１の実施
の形態を示す概略構成図である。合焦装置１０におい
て、光源１１は所定の広帯域波長の光束を発する光源で
あり、単一光源として観察用及び合焦用の動作に共用さ
れる。

【００２６】光源１１の光路上にコンデンサレンズ１
２、図１中の（ａ）に示すような主開口Ｓ１及び副開口
Ｓ２、Ｓ３を有する視野絞り１３、照明リレーレンズ１
４、及びビームスプリッタ１５がこの順に配置され、照
明リレーレンズ１４を介した光源１１からの光がビーム
スプリッタ１５において反射される方向、図１ではビー
ムスプリッタ１５から下方に進む光路上には、第１対物
レンズ１６、及びウエハ１７を載置するためのステージ
２７が配置されている。

【００２７】ウエハ１７の表面は本発明に基づく基準面
としての第１の面Ｆ１に一致するように置かれ、このと
きウエハ１７の表面（基準面Ｆ１）は、視野絞り１３と
共役の位置にある。ウエハ１７上には不図示の観察用マ
ークとしての位置検出用アライメントマークが形成され
ている。

【００２８】以下においては、基準面（予定焦点面）Ｆ
１とウエハ１７の表面とが合致しているものとして説明
する。

【００２９】尚、視野絞り１３の主開口Ｓ１は正方形に
形成され、視野絞り１３の中央部に配置されており、そ
の中心がコンデンサレンズ１２乃至照明リレーレンズ１
４の光軸とほぼ一致するように光路中に挿入されてい
る。副開口Ｓ２、Ｓ３は細長い矩形スリットに形成さ
れ、その長手方向の辺が主開口Ｓ１の対向する２つの辺
に平行で且つその近傍に、且つ両副開口が主開口に対し
て対称位置に配置されている。

【００３０】副開口Ｓ２、Ｓ３の長手方向と直交する方
向が、後述する合焦の計測方向となる。以下の説明中で
は、副開口Ｓ２、Ｓ３の長手方向を非計測方向と呼ぶ。
又、合焦の計測方向は、種々の方向に設定することが可
能であるが本実施の形態では被検ウエハ面のパターンの
基準線の方向（ｘ方向又はｙ方向）に合わせている。

【００３１】次に、第１対物レンズ１６の光軸に沿っ
て、ビームスプリッタ１５の反射面を透過する方向、図
では上方向への光路上には、第２対物レンズ１８が配置
され、次いで遮光板２１が、第１の面（基準面Ｆ１）に
あるウエハ１７の表面Ｆ１と共役な位置Ｆ２に配置さ
れ、第１のリレーレンズ２２と続き、入射光束を複数の
光束に分割する光束分割部材である瞳分割用反射型プリ
ズム２３（本実施の形態では２本の光束に分割）が光源
１１と共役な位置又はその近傍に配置される。

【００３２】ここで瞳分割用反射型プリズム２３は、２
面が１８０度に近い鈍角で山型に形成されたプリズム
の、その２面を反射面に仕上げた光学部材である。本実
施の形態では、前記２面の交線（山の稜線）が第１リレ
ーレンズ２２の光軸と交差し、その光軸をほぼ９０度横
に振るように傾けて配置されている。

【００３３】遮光板２１の配置される位置Ｆ２は本発明
に基づく第２の面の位置に相当する。第２対物レンズ２
２を介して瞳分割用反射型プリズム２３に入射した光束
は、ここで図中右方へ分割反射され、この右方への光路
上には、瞳分割用反射型プリズム２３に続いて第２のリ
レーレンズ２４、円柱光学系である円柱レンズ（シリン
ドリカルレンズ）２５、及びＡＦセンサ２６が順次配置
される。

【００３４】ここで円柱光学系とは、前後の面が、互い
に平行な母線を有する円柱面であるレンズである。前後
の面の一方が平面であってもよい。この場合、具体的に
は円柱面の母線と直角の方向には屈折力があるが母線方
向の屈折力はゼロである。本実施の形態では、円柱レン
ズ２５はその母線が本合焦光学系の計測方向にほぼ一致
するように配置される。またここでは、円柱光学系は、
直交する２方向で屈折力（度）が異なるレンズ、トーリ
ックレンズを含む概念とする。

【００３５】ＡＦセンサ２６は、第２の面Ｆ２と共役又
はその近傍の位置にある第１の撮像面Ｖ１の位置に配置
され、その撮像面上に結像される像の位置関係を検出し
て合焦（オートフォーカス（ＡＦ））用信号を発信す
る。

【００３６】又、第１の面Ｆ１と第２の面Ｆ２との中
間、詳しくは第２対物レンズ１８と遮光板２１との中間
にビームスプリッタ１９が配置され、第１の面Ｆ１と第
２の面Ｆ２とを連結する光路はビームスプリッタ１９に
よって反射方向、図中では左方向へ分岐され、その方向
の光路上、第１の面Ｆ１と共役の位置、第２の撮像面Ｖ
２に像検出読み取り用の撮像素子２０、例えばＣＣＤ撮
像素子が配置される。

【００３７】ステージ２７にはステージ駆動装置２８が
接続され、ＡＦセンサ２６及び撮像素子２０には信号処
理装置２９が接続されており、更に、ステージ駆動装置
２８及び信号処理装置２９には制御部３０が接続されて
いる。

【００３８】尚、以上の構成において、視野絞り１３か
ら第１の面Ｆ１に相当するウエハ１７表面までの間の光
学構成要素によって、本発明に基づく照明用結像光学系
が形成されている。又、第１の面Ｆ１に相当するウエハ
１７から第２の面Ｆ２に相当する遮光板２１までの間の
光学構成要素によって、本発明に基づく対物結像光学系
が形成されている。第２の面Ｆ２又はその近傍に位置す
る遮光板２１から第１の撮像面Ｖ１に相当するＡＦセン
サ２６までの間の光学構成要素によって、本発明に基づ
くリレー光学系が形成されている。

【００３９】ウエハ１７からＡＦセンサ２６までの間の
光学構成要素によって本発明に基づく検出光学系が形成
されている。

【００４０】以下、図１を参照して上記の構成における
合焦装置１０の動作を説明する。まず、光源１１から射
出した照明光束がコンデンサレンズ１２によって集光さ
れ、主開口Ｓ１及び副開口Ｓ２、Ｓ３を有する視野絞り
１３を均一に照明する。視野絞り１３の主開口Ｓ１及び
副開口Ｓ２、Ｓ３を通過した光束は、照明リレーレンズ
１４によってコリメートされ、ビームスプリッタ１５で
その反射方向、図中下方向へ分岐される。その分岐され
た光束は、第１対物レンズ１６によって集光され、ステ
ージ２７上に載せたウエハ１７の表面に垂直に照射され
る。

【００４１】ウエハ１７の表面は、視野絞り１３と共役
な位置にあるので、主開口Ｓ１及び副開口Ｓ２、Ｓ３の
像は、照明用結像光学系の照明リレーレンズ１４及び第
１対物レンズ１６を介して、第１の面（基準面）Ｆ１に
あるウエハ１７の表面に結像される。その際、主開口Ｓ
１の像はウエハ１７表面の位置検出用の不図示のウエハ
マーク（アライメントマーク）を照明し、副開口Ｓ２及
びＳ３の像はウエハマークの近傍を照明する。ステージ
２７にはステージ駆動装置２８が接続されて、ステージ
２７、したがってウエハ１７の位置の移動及び調整を行
う。

【００４２】ここで、ウエハ１７の表面に結像された主
開口Ｓ１の像からの反射光束をＬ１、副開口Ｓ２の像か
らの光束をＬ２、副開口Ｓ３の像からの光束をＬ３とす
る。これらの光束Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３は第一対物レン
ズ１６によってコリメートされ、ビームスプリッタ１５
を透過し、第２対物レンズ１８によって再び集光され、
ビームスプリッタ１９によって透過及び反射分岐され
る。

【００４３】反射分岐された光束のうち光束Ｌ１は撮像
素子２０の面上に、ウエハマークの像を結像する。撮像
素子２０からの出力信号は信号処理装置２９により処理
され、これに基づいて、ウエハマークの位置検出やテレ
ビモニタによる観察が行われる。

【００４４】一方、ビームスプリッタ１９において透過
分岐された光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、２つの対物レンズ
１６、１８の結像作用によって、ウエハ１７表面と共役
またはその近傍の第２の面Ｆ２の位置に設けられた遮光
板２１にＳ１、Ｓ２、Ｓ３の像を再結像する。

【００４５】すなわち、遮光板２１上には、２つの対物
レンズ（１６、１８）によってウエハ１７の表面上に形
成された主開口Ｓ１及び副開口（Ｓ２、Ｓ３）の像の中
間像（空間像）が形成される。

【００４６】図１中の（ｂ）に光軸方向から見た遮光板
２１の形態を示す。遮光板２１には光軸Ｏに対して対称
な位置に２個のスリット状の光束通過部Ｓ１２、Ｓ１３
が副開口Ｓ２、Ｓ３に対応するように設けられており、
図２に示すようにウエハ表面において結像反射された光
束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうち光束Ｌ１は遮光され、光束Ｌ
２、Ｌ３のみがＳ１２及びＳ１３をそれぞれ介して通過
できるように構成されている。尚、遮光板２１は図１中
の（ｃ）に示す形態も考えられる。即ち、光束Ｌ１が遮
光板２１に入射する（図中斜線で示す）範囲のみが遮光
され、その周囲の部分全ての領域Ｓ１４が光束通過部と
して構成されていてもよい。

【００４７】遮光板２１を通過した光束Ｌ２、Ｌ３は第
１のリレーレンズ２２によってコリメートされた後、瞳
分割用反射型プリズム２３上に光源１１の像を結像す
る。更に、光束Ｌ２、Ｌ３は瞳分割用反射型プリズム２
３によってそれぞれ２個の光束に分割されると共に図中
で右方へ反射され、第２のリレーレンズ２４により再び
集光される。そして、円柱レンズ２５を介して、ＡＦセ
ンサ２６上に光束Ｌ２及びＬ３による副開口Ｓ２及びＳ
３の像を結像する。

【００４８】これらの結像を詳しく説明すると、図３に
示すようにＡＦセンサ２６上で計測方向（図３の左右方
向、図１では光軸を挟んだ副開口Ｓ２、Ｓ３のスリット
長手に直角な方向）に関して、Ｓ２の２分割像であるＬ
２Ｌ，Ｌ２Ｒ及びＳ３の２分割像であるＬ３Ｌ，Ｌ３Ｒ
の計４個の像が結像される。又、ＡＦセンサ２６の計測
方向に対して直角の非計測方向に関しては、又は反射型
プリズム２３の光分割方向と直交する方向に関しては、
円柱レンズ２５が屈折力を持つためＬ２，Ｌ３の光束は
ＡＦセンサ２６上の非計測方向に関して４つの光源像を
結像する。

【００４９】この円柱レンズの作用によりＡＦセンサ２
６上に形成されるスリット状の４つの光の強度は、非計
測方向にて平均化され、ＡＦセンサ２６は精度良く被検
面の位置を検出することができる。

【００５０】次に図４を参照して、本発明に基づく合焦
装置の合焦機構について説明する。図４の（ａ）、
（ｂ）、及び（ｃ）は、瞳分割用反射型プリズム２３上
でそれぞれ２本の光束に分割された光束Ｌ２及びＬ３の
ＡＦセンサ２６上での結像の合焦状態及び合焦ずれ状態
を、光束Ｌ２を例にとって示す。

【００５１】図４の（ｂ）はウエハ１７の表面が撮像素
子２０に対して合焦状態にある（すなわち対物光学系
（１６、１８）の予定焦点面としての基準面Ｆ１と共役
の位置にあるＡＦセンサ２６の表面に対しても合焦状態
にある）場合の光束Ｌ２の結像状態を示す。

【００５２】分割された２光束（２分割光束）各々の結
像位置中心をＰ１、Ｐ２としＰ１とＰ２との距離をｄと
する。この場合Ｐ１及びＰ２は図３の光束Ｌ２の２分割
光束による結像Ｌ２Ｌ及びＬ２Ｒの位置中心にそれぞれ
対応する。尚説明の便宜上、計測方向において光軸から
Ｌ２側への向きをＲ、Ｌ３側への向きをＬとする。

【００５３】これに対して、ウエハ１７の表面が合焦状
態にある場合の基準位置Ｆ１（合焦位置）よりも、図１
中で下方、即ち第１対物レンズ１６から遠方向にある場
合は、図４の（ａ）に示すように２分割光束各々の合焦
点がＡＦセンサ２６の結像面よりも図中で左方寄り、即
ちリレーレンズ２４寄りの位置となるため、ＡＦセンサ
２６の結像面上での結像位置中心あるいは光量中心が上
に述べたＰ１、Ｐ２よりも互いに近づく方向へずれた位
置Ｐ１ａ、Ｐ２ａとなる（Ｐ１ａとＰ２ａとの距離ｄ
（ａ）＜ｄ）。

【００５４】又、反対にウエハ１７の表面が合焦位置Ｆ
１よりも図１中で上方、即ち第１対物レンズ１６に近い
方向にある場合は、図４の（ｃ）に示すように、２分割
光束による結像位置中心あるいは光量中心はＰ１、Ｐ２
よりも互いに離れる方向へずれた位置Ｐ１ｃ、Ｐ２ｃと
なる（Ｐ１ｃとＰ２ｃとの距離ｄ（ｃ）＞ｄ）。

【００５５】すなわち、ステージ２７を図１中で上下方
向に位置調整してステージ２７上のウエハ１７の表面を
上下させることにより、２分割光束の像Ｌ２Ｌ及びＬ２
Ｒが計測方向に関して互いに近づいたり離れたりする。
そして、ＡＦセンサ２６が２分割光束の結像位置につい
ての情報を検出し、この情報を含む信号がＡＦセンサ２
６から信号処理装置２９に送られて処理され、結像位置
間の距離が算出される。

【００５６】更に、予め記憶されている合焦状態におけ
る結像位置間の距離との比較が行われ、両者の差が計算
されて焦点位置情報として制御部３０へ出力される。制
御部３０では入力情報に基づいてステージ駆動装置２８
を介してステージ２７を上下に移動させ、図４の（ｂ）
の状態が得られるように調整すると、Ｓ２、Ｓ３の像が
ＦＡセンサ２６に対して合焦すると同時に、ウエハ１７
上のウエハマーク像が撮像素子２０に対して合焦する。

【００５７】このような合焦検出方式の利点として、副
開口Ｓ２、Ｓ３の非計測方向の長さを長く取ることによ
るウエハの反射率ムラ平均化効果と、瞳分割方式による
ウエハ反射率ムラ影響低減効果とが挙げられる。このこ
とから、ウエハの反射率ムラによる合焦検出誤差発生を
防ぐことにより正確に合焦できる。又、合焦用開口とし
てＳ２、Ｓ３の２個の開口を用いているため、ウエハ１
７の合焦検出を行う際に、Ｌ２Ｌ及びＬ２Ｒを用いた合
焦測定値とＬ３Ｌ及びＬ３Ｒを用いた合焦測定値との平
均を取ることによって合焦位置検出精度が向上する。
尚、どちらか一方の測定値を用いて合焦を行ってもよ
い。

【００５８】ここで、本発明の遮光板２１を設けること
による効果を説明する。本発明においては、光束を合焦
動作に用いる際に、上記のように光路の途中に遮光板２
１を設け、光束のうち主開口の像からの光束Ｌ１を遮光
板２１によって遮光し、副開口の像からの光束Ｌ２、Ｌ
３は遮光板２１を通過させ、瞳分割用反射型プリズム２
３によって２光束に分割し、図３に示すように、ＡＦセ
ンサ２６上にＬ２Ｌ、Ｌ２Ｒ及びＬ３Ｌ、Ｌ３Ｒの４個
の像を結像して合焦動作に用いるようにしている。

【００５９】もし、Ｌ１を遮光せずに透過させた場合、
光束Ｌ１も瞳分割用反射型プリズム２３によって２光束
に分割されることとなり、分割２光束は、図３に仮想線
で示すような像Ｌ１Ｌ、Ｌ１Ｒを結像する。ところが、
これらのＬ１像は、図３に示すように、隣り合うＬ２及
びＬ３の分割光束による像とＡＦセンサ２６上で重なり
合ってしまうため、Ｌ２及びＬ３関連の結像位置読み取
りを含む正確な合焦動作を行うことが困難となる。

【００６０】この対策として、光束Ｌ１の結像と光束Ｌ
２、Ｌ３の結像とがＡＦセンサ上で重ならないように、
図１中の（ａ）に示した主開口Ｓ１と副開口Ｓ２、Ｓ３
との間隔を広く取ることにより、遮光板２１を配置すべ
き第２の面上での光束Ｌ１とＬ２、Ｌ３との結像位置の
間隔を広げ、その結果として、ＡＦセンサ２６上での結
像の重なりを防ぐことが考えられる。しかしこの手法で
は光束間の間隔を広くとる必要から大きな視野を確保し
なければならず、そのためには光学系はより複雑なもの
となり、又ＡＦセンサも大型化する必要があり、結果的
にコスト高になるという問題が生じ、装置の簡単化小型
化コスト低減を目的とする単一光源方式の利点が相殺さ
れるおそれがある。本発明においては、遮光板２１を設
けることによって、これらの問題が解決された。

【００６１】次に、従来技術の装置では瞳分割を行う際
に透過型プリズムを用いているため、広帯域波長の光源
を用いた場合に光束中の波長の差から瞳分割用プリズム
において色分散を生じ合焦精度が低下するという欠点が
あったが、本発明においては、光束を反射することによ
り分割する瞳分割用反射プリズム２３を採用しているた
めＡＦセンサ２６上で分散が発生しない。

【００６２】瞳分割用の透過型プリズムと反射型プリズ
ムとの色分散に関する比較について図５及び図６を用い
て説明する。すなわち、光束を２分割してその進行方向
を変化させるときに透過型プリズムを用いた場合には、
図５に示すように光の波長によってガラスの屈折率が異
なるのでプリズムから射出する光の進行方向が波長によ
って異なる。一方、反射型プリズムを用いると、図６に
示したように反射光は波長と無関係に同一方向に進行す
るのでＡＦセンサ２６の結像面において２光束分割によ
る色収差の発生を避けることができ、誤検出が防止され
る。

【００６３】よって、ウエハ１７を照明する光源１１と
して白色光のような広帯域波長光を用いることができ
る。この白色光を用いることの利点としては、光源１１
に単色光を用いた場合に見られるウエハ１７上でのレジ
スト内部の、入射光とウエハからの反射光との干渉現象
による検出信号の乱れを回避できることが挙げられる。
よってウエハの表面形態によらず正確な焦点位置を検出
できる。

【００６４】以上により本発明においては、ウエハの反
射率ムラによる合焦検出誤差発生を防ぐために、副開口
の長スリットの非計測方向圧縮方式及び瞳分割方式を同
時に用いた場合でも、遮光板２１を設けることによっ
て、遮光板２１がなければ発生するＡＦセンサ２６上で
の光束Ｌ１の結像と光束Ｌ２、Ｌ３の結像との重なりを
回避することができるため、光学系やＡＦセンサを小型
化できる。

【００６５】更に、瞳分割方式において瞳分割用反射型
プリズム２３を用いることにより、光源１１に白色光を
用いても２光束分割時における色収差の発生を避けるこ
とができ、合焦位置情報に関する検出精度が向上する。

【００６６】又、ウエハマークを照射するための観察用
の照明系と合焦用開口像をウエハ１７上に投影するため
の合焦用の照明系とにおいて同一の単一光源を共用する
ように構成したため、光学系を簡素化できるので、これ
らの観察用と合焦用とにそれぞれ別個の光源を用いる従
来技術の装置に比べて簡単、小型でコストを低減でき
る。

【００６７】したがって、本発明をステッパ露光装置に
おけるウエハ位置合わせ装置の合焦動作に応用すること
により、鮮明なウエハマーク像を撮像検出することが可
能になり、ウエハの高精度な位置検出及び位置決めが可
能となる。

【００６８】以上のように本装置は、露光装置に装着さ
れる基板アライメント装置、ウエハ上でのパターン重ね
合わせ状態測定装置、被検基板上のマーク観察用の顕微
鏡装置等に適用して特に好適である。

【００６９】次に図７を参照して、本発明の実施例を説
明する。この実施例では、合焦装置１０（撮像素子によ
るウエハマーク位置検出装置を含む）がステッパ露光装
置１００用のウエハアライメント装置１０Ａとして組み
込まれている。図中、ウエハアライメント装置１０Ａの
構成要素である光源１１〜制御部３０は、図１の合焦装
置１０の構成要素である光源１１〜制御部３０と同一で
あるので詳しい説明は省略する。投影露光部には、レチ
クル１０１、投影レンズ１０２が示されている。

【００７０】本実施例においては、合焦装置１０Ａは図
１を参照して説明したように、主開口Ｓ１を介した光束
によりウエハ上のウエハマーク１７Ａが照明され、この
ウエハマーク１７Ａの像が撮像素子２０の面上に結像さ
れる。一方、副開口Ｓ２、Ｓ３を介した光束はウエハ１
７を照明し、その反射光束が途中で２分割されてＡＦセ
ンサ２６上に副開口の像を結像する。そして、このＡＦ
センサ２６上の副開口の像を利用して合焦動作が行わ
れ、ウエハ１７上のウエハマーク１７Ａの像が撮像素子
２０に対して合焦する。

【００７１】ウエハーマーク１７Ａが合焦すると、ステ
ッパ露光装置１００の動作は合焦段階から露光段階に移
り、レチクル１０１上の不図示のパターンが不図示の露
光動作用照明系によって投影レンズ１０２を介してウエ
ハ１７上に結像露光される。

【００７２】次に図８に、本発明の第２の実施の形態を
示す。この実施の形態は、本発明をステッパ露光装置に
よる重ね合わせ露光の際の下地と上地の重ね合わせのズ
レ状態を測定する重ね合わせ測定装置２００に応用した
ものである。

【００７３】図中、重ね合わせ測定装置２００は、ウエ
ハ１７のアライメントを行うための合焦装置付きアライ
メントマーク位置検出系３００と、下地と上地との重ね
合わせのズレ状態を測定するための合焦装置付き重ね合
わせ状態測定系４００とから構成される。

【００７４】前述の図１に示した合焦装置１０において
は瞳分割に瞳分割用反射型プリズム２３を用いたが、図
８の第２の実施の形態の位置検出系３００では、反射型
プリズムの代わりに、瞳分割用色消しプリズム２３Ａを
瞳分割用に採用している。こようにすることによって、
反射型プリズム２３の場合と同様に色分散を発生させる
ことなく光束Ｌ２、Ｌ３を２分割して、かつ透過するこ
とにより２分割するので、直進光路を保持した配置が可
能である。

【００７５】ここで、色消しプリズムとは、色収差が無
い又は無視し得る程に低減された透過型プリズムであ
り、例えば異なる屈折率を有する光学ガラスで形成され
た２個のプリズムを稜の位置を互いに逆に組み合わせて
貼り合わせ、これを通る光が分散を伴わずに屈折透過す
るように構成したプリズム系である。

【００７６】なお、図８に示した位置検出系３００の光
源１１〜第１のリレーレンズ２２、第２のリレーレンズ
２４〜制御部３０の各構成要素は図１の実施の形態の構
成要素と同様であるので、説明を省略する。

【００７７】ここで、図８の瞳分割用色消しプリズム２
３Ａの一例を、図９に部分拡大図を用いて示し、以下そ
の色分散回避機構について説明する。

【００７８】図９に示すように色消しプリズムは、異な
る屈折率を有するプリズム１とプリズム２とからなる２
個のプリズムを、それぞれの頂角（稜）α₁とα₂が互い
違いになるように、互いに逆に組み合わせてなるプリズ
ム群を１対用意し、そのプリズム群同士を光軸に対して
対称に配置して構成したものである。

【００７９】ここで単一のプリズムを考えたときにプリ
ズムによる光束のフレ角θは、プリズムの頂角をα、プ
リズムの基準波長における屈折率をｎとすると、 θ＝（ｎ−１）α と表すことができる。

【００８０】したがって、プリズムの最小ふれの位置に
おける２個のプリズムによる合成の色分散ｄθは、プリ
ズム１の光学ガラスの短波長に対する屈折率と長波長
に対する屈折率との差、すなわち分散をｄｎ₁、プリズ
ム１の頂角をα₁、プリズム２の光学ガラスの短波長に
対する屈折率と長波長に対する屈折率との差、すなわち
分散をｄｎ₂、プリズム２の頂角をα₂とすれば、ｄθ ＝ α₁ｄｎ₁−α₂ｄｎ₂ と表すことができる。

【００８１】そこで、ｄθ＝０（α₁ｄｎ₁＝α₂ｄｎ₂）
の関係を満足する頂角及びガラス材料を選択し、図９に
示すように２個のプリズムからなるプリズム群１対、計
４個のプリズムから構成される瞳分割用色消しプリズム
２３Ａを形成配置する。ここで、α₁ｄｎ₁＝α₂ｄｎ₂の
関係とはプリズム１の屈折力と分散との積がプリズム２
の屈折力と分散との積に等しいことを表している。

【００８２】このように構成した結果、２分割された透
過光の波長による射出方向の分散（ばらけ）を防ぐこと
ができ、ＡＦセンサ２６の結像面において光束２分割に
おける色収差の発生を避けられるので、正確な焦点位置
が検出できる。したがって、合焦した鮮明なウエハマー
ク４１が検出できるので、ウエハマークの位置検出精度
が向上する。そして、位置検出したウエハ１７を、ステ
ージを駆動することにより水平方向に移動させること
で、重ね合わせ状態測定系４００の計測領域にウエハ１
７上の重ね合わせパターンを正確に送り込むことが可能
となる。

【００８３】次に図８中の重ね合わせ状態測定系４００
について説明する。重ね合わせ状態測定系４００は光源
４１１〜第１対物レンズ４１６、第２対物レンズ４１８
〜撮像素子４２０、第１のリレーレンズ４２２、第２の
リレーレンズ４２４〜ＡＦセンサ４２６、ステージ駆動
装置４２８〜制御部４３０の構成要素からなり、これら
の構成要素は、それぞれ図１に示す第１の実施の形態の
光源１１〜第１対物レンズ１６、第２対物レンズ１８〜
撮像素子２０、第１のリレーレンズ２２、第２のリレー
レンズ２４〜ＡＦセンサ２６、ステージ駆動装置２８〜
制御部３０に対応している。

【００８４】又、瞳分割用プリズムは、位置検出系３０
０の瞳分割用プリズムと同様に、透過型の瞳分割用色消
しプリズム４２３Ａが用いられている。

【００８５】まず、光源４１１から射出した広帯域波長
の照明光束はコンデンサレンズ４１２によって集光され
視野絞り４１３を均一に照明する。視野絞り４１３は図
８の（ｄ）に示すように正方形の主開口Ｓ４１を挟んで
スリット状の副開口Ｓ４２、Ｓ４３が、スリットの長手
方向に一直線上にシリーズに配列されている。

【００８６】視野絞り４１３を通過した光束は照明リレ
ーレンズ４１４によってコリメートされ、ビームスプリ
ッタ４１５により反射分岐される。更に、第一対物レン
ズ４１６によって集光され、ウエハ１７を垂直に照射す
る。ここで視野絞り４１３とウエハ１７とは共役な位置
にあるため、主開口Ｓ４１及び副開口Ｓ４２、Ｓ４３の
像は照明リレーレンズ４１４、対物レンズ４１６を介し
てウエハ１７上に結像される。

【００８７】主開口Ｓ４１の像はウエハ１７上の重ね合
わせ測定用マーク４２を照射しており、副開口Ｓ４２、
Ｓ４３の像はウエハ１７上の重ね合わせ測定用マーク４
２の傍を照射している。ここで、主開口Ｓ４１の像から
の反射光をＬ４１、副開口Ｓ４２の像からの反射光をＬ
４２、副開口Ｓ４３の像からの反射光をＬ４３とする。
この時、ウエハ１７表面から反射する光束Ｌ４１、Ｌ４
２、Ｌ４３は第１対物レンズ４１６によってコリメート
され、ビームスプリッタ４１５を透過し、第２対物レン
ズ４１８によって再び集光される。

【００８８】そして、ビームスプリッタ４１９を透過分
岐する光束はウエハ１７と共役な位置、すなわち第２の
面４２１（Ｆ２）において図８の（ｅ）にＬ４１、Ｌ４
２、Ｌ４３として破線で示すようにＳ４１、Ｓ４２、Ｓ
４３の像を再結像する。

【００８９】又、ビームスプリッタ４１９によって反射
分岐される光束は撮像素子４２０の面、すなわち第２の
撮像面Ｖ２に視野絞りの開口の像を結像する。このうち
光束Ｌ４１による結像については、図１の実施の形態の
合焦装置１０の場合と同様であり、撮像素子４２０にお
いて光束Ｌ４１によってウエハ１７上で照明された重ね
合わせ測定用マーク４２の像が結像検出され、下地と上
地との重ね合わせのズレが測定される。

【００９０】更に第１のリレーレンズ４２２、瞳分割用
色消しプリズム４２３Ａ、第２のリレーレンズ４２４、
円柱レンズ４２５を介してＡＦセンサ４２６上の２個所
に、図８の（ｆ）に示すように、光束Ｌ４１、Ｌ４２，
Ｌ４３のそれぞれ２分割光束による像（Ｌ４１Ｌ、Ｌ４
２Ｌ、Ｌ４３Ｌ及びＬ４１Ｒ、Ｌ４２Ｒ、Ｌ４３Ｒ）
を、計測方向に関して結像する。又、非計測方向に関し
ては円柱レンズ４２５が屈折力を持ち、Ｌ４１、Ｌ４
２，Ｌ４３の光束はＡＦセンサ４２６上に重ねられて光
源像を結像する。測定系４００における合焦動作に関す
る詳細については図１の第１の実施の形態と同様であ
り、説明を省略する。

【００９１】重ね合わせ測定系４００においては、位置
検出系３００と比べ、その計測領域が小さく、主開口Ｓ
４１を小さく形成することができるので、第１対物レン
ズ４１６の有効視野には未使用区域がまだ十分に存在す
ることになる。したがって、合焦用の副開口Ｓ４２、Ｓ
４３を合焦検出の非計測方向に直線上に直列に並べて配
置することが可能になる。図８の（ｄ）はその例を示
す。そして、このように配置することにより、測定用マ
ーク照明反射の平均化のためにに必要な合焦用開口投影
区域を大きく取って平均化効果を高めることが可能とな
る。なお、この非計測方向に並べて配置した主開口Ｓ４
１及び副開口Ｓ４２、Ｓ４３を更に非計測方向に一つな
がりの長いスリット状の開口としてもよい。

【００９２】又、図８に示す重ね合わせ測定系４００に
おいては視野絞り４１３の主開口Ｓ４１及び副開口Ｓ４
２、Ｓ４３の像が光束Ｌ４１及びＬ４２、Ｌ４３によっ
て再結像される、ウエハ１７と共役な位置にある第２の
面４２１（Ｆ２）、に遮光板を設けていないが、別の実
施例として、図１０に示すように、光束Ｌ４２、Ｌ４３
を遮光し光束Ｌ４１のみを透過するような開口を有する
遮光板４２１Ａをこの第２の面の位置に挿脱自在に配置
できるように構成した光束選択部材である遮光板４２１
Ａ及びそれを挿脱する挿脱装置４３１を設けると、重ね
合わせ測定系４００において合焦検出の際、上記したよ
うな光束Ｌ４１、Ｌ４２、Ｌ４３による像が重ね合わさ
れた合焦用パターンの間隔をＡＦセンサ４２６上で計測
するほかに、光束Ｌ４１による像のみの間隔を計測して
合焦検出を行うことも可能となる。これによって、マー
クから離れた位置での合焦検出を行う場合は、Ｌ４１、
Ｌ４２、Ｌ４３によって反射率ムラを平均化することで
合焦検出精度を向上させ、マーク近傍における位置での
合焦検出には位置合わせに真に必要とされる重ね合わせ
測定用マーク４２に直接に合焦用開口光束を照射できる
ので、合焦検出の精度が向上する。

【００９３】図８の第２の実施の形態では、透過型の色
消しプリズム２３Ａ、４２３Ａを用いたが、もちろん図
１の実施の形態のように、反射型色消しプリズム２３を
用いてもよく、逆に図１の第１の実施の形態において、
図８、図９に示す透過型色消しプリズムを用いてもよ
い。

【００９４】なお、以上の実施の形態においては、記述
を簡単にするために、合焦装置における合焦検出の計測
方向をウエハ面のパターンの基準線の方向（ｘ方向又は
ｙ方向）に合わせることとして説明したが、合焦状態の
検出精度を向上させるために、計測方向をウエハパター
ンの基準線に対してある角度を持たせて、例えば４５度
傾斜させて設定することも可能である。この場合の視野
絞り１３の開口の配置例を図１１に示す。

【００９５】図１及び図８に示した装置では、焦点検出
光学系中にリレー光学系（２２、２４、４２２、４２
４）を配置した例を示したが、このリレー光学系（２
２、２４、４２２、４２４）は必ずしも必須のものでは
なく、リレー光学系（２２、２４、４２２、４２４）を
除去した構成としても良い。

【００９６】例えば、図１に示す装置及び図８の位置検
出装置１０または３００を図１２に示す構成としても良
い。図１２に示す如き装置では、対物光学系（１６、１
８）により形成される像位置（基準面Ｆ１と光学的に共
役な位置Ｆ２）に検出面が位置するようにＡＦセンサ２
６が配置され、このＡＦセンサ２６の検出面の近傍（基
準面Ｆ１と光学的に共役な位置Ｆ２の近傍）の位置に遮
光板２１が配置されている。また、第１対物レンズ１６
からの光束を分岐して観察用の撮像素子２０へ導くため
のビームスプリッタ１９は、ビームスプリッタ１５と第
２対物レンズ１８との間に配置され、そのビームスプリ
ッタ１９により分岐された観察用の光束を集光して被検
面の像を形成する第３の対物レンズとしての結像レンズ
１８Ａは、ビームスプリッタ１９と観察用の撮像素子２
０との間に配置されている。色消しプリズムとしての光
分割プリズム２３Ａは、ビームスプリッタ１９と第２対
物レンズ１８との間に配置され、円柱レンズ２５は、光
分割プリズム２３ＡとＡＦセンサ２６との間に配置され
ている。なお、光分割プリズム２３Ａは、第２対物レン
ズ１８とＡＦセンサ２６との間に配置されても良く、さ
らには、反射型の光分割プリズムで構成されても良い。

【００９７】以上の構成によって、ＡＦセンサ２６は、
被検物１７の表面（被検面）に形成される視野絞りの像
（開口の像）からの光束を、第１対物レンズ１６、２つ
のビームスプリッタ（１５、１９）、光分割プリズム２
３Ａ、第２対物レンズ１８、円柱レンズ２５及び遮光板
２１を介して受光する。これによって、ＡＦセンサ２６
は、被検物１７の所定の基準位置Ｆ１に対する被検物１
７の表面の整合状態を高精度のもとで検出することがで
きる。

【００９８】また、観察用の撮像素子２０は、被検物１
７の表面（被検面）に形成される視野絞りの像（開口の
像）からの光束を、第１対物レンズ１６、２つのビーム
スプリッタ（１５、１９）、結像レンズ１８Ａを介して
受光する。撮像素子２０は、視野絞り１３の主開口によ
って照明された領域（観察領域）の像を光電検出するこ
とができる。

【００９９】以上のように、ＡＦセンサ２６からの出力
に基づいて、最終的に被検物１７を保持するステージ２
７が第１対物レンズ１６の光軸方向へ移動することによ
り、第１対物レンズ１６の予定焦点位置（前側焦点位置
又は被検物側焦点位置）としての基準位置Ｆ１と被検物
１７の表面の位置とを精度良く合致させることができる
ため、撮像素子２０は、視野絞り１３の主開口によって
照明された領域（観察領域）の良好なる像を検出するこ
とができる。

【０１００】なお、第１対物レンズ１６の予定焦点位置
とは、焦点検出側の対物光学系（１６、１８）の予定焦
点位置（前側焦点位置又は被検物側焦点位置）及び観察
側の対物光学系（１６、１８Ａ）の予定焦点位置（前側
焦点位置又は被検物側焦点位置）を意味する。

【０１０１】以上では、図１２に基づいて、図１に示す
装置１０及び図８の位置検出装置３００の変形例につい
て説明したが、図１２は、図８に示す重ね合わせ状態測
定系４００の構成も示している。

【０１０２】この場合、図１に示す装置１０および図８
の位置検出装置３００の変形例の構成との差異は、被検
面からの３つの光束（Ｌ４１、Ｌ４２、Ｌ４３）を用い
た平均的な合焦検出をする場合と被検面からの１つの光
束Ｌ４１を用いて高精度な合焦検出する場合との各合焦
検出に応じて、ＡＦセンサ４２６の近傍に配置されてい
る遮光板４２１Ａが光路に対して挿脱可能に設けられて
いる点である。

【０１０３】なお、図１２に示した例では、円柱レンズ
２５と第２対物レンズ１８とを独立に設けた例を示した
が、円柱レンズ２５を設ける代わりに、第２対物レンズ
１８を構成する少なくとも１つのレンズ素子をトーリッ
クレンズとして構成することもできる。

【０１０４】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、観
察用及び合焦用の照明系に単一の光源を使用できるた
め、別個の光源及び照明系を用いる従来技術の装置に比
べて装置を簡単化、小型化及び低コスト化できる。光束
分割の際の色分散等による合焦誤差のない瞳分割プリズ
ムを採用したので、広帯域波長光の使用が可能となり、
単色光を用いる従来技術の装置に比べて被検ウエハ面に
おける入射及び反射光束間の干渉等による誤差発生を防
ぎ合焦精度が向上する。合焦用光束の遮光及び透過を適
宜使い分けることにより合焦用光束間の間隔を不必要に
大きくしなくてよいので、装置を小型化できる。又、本
発明の合焦装置の機構は、合焦位置検出系のほかステッ
パ露光装置の重ね合わせ測定系にも広く適用して作業精
度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の合焦装置の概略構
成図である。ここで、（ａ）は光軸方向に見た視野絞り
の主開口及び副開口を示す図、（ｂ）及び（ｃ）は光軸
方向に見た遮光板の開口を示す略図である。

【図２】遮光板の光軸に沿った断面図であり、光束Ｌ
１、Ｌ２、Ｌ３の遮光及び通過状況を示す図である。

【図３】それぞれ２個の光束に分割された光束Ｌ２及び
Ｌ３によって結像された副開口の像と、遮光板がないと
した場合の主開口の像との関連を示す説明図である。

【図４】分割された光束Ｌ２のＡＦセンサ２６上での結
像の状態を示す説明図である。

【図５】瞳分割用透過型プリズムの説明図である。

【図６】瞳分割用反射型プリズムの説明図である。

【図７】本発明の合焦装置をウエハアライメント装置と
して組み込んだステッパ露光装置を示す構成図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態の概略構成図であ
る。

【図９】色消しプリズムの部分拡大断面図である。

【図１０】図８の重ね合わせ状態測定系４００の、光軸
方向に見た第２の面の位置に設けた光束選択装置を示す
略図である。

【図１１】視野絞りの主開口び副開口の別の形状及び配
置を示す略図である。

【図１２】図１及び図８に示した装置の変形例の概略的
構成を示す図である。

【符号の説明】

１０合焦装置１１光源１２コンデンサレンズ１３視野絞り１４照明リレーレンズ１５、１９ビームスプリッタ１６第１対物レンズ１７ウエハ１７Ａウエハマーク１８第２対物レンズ２０撮像素子２１遮光板２２第１のリレーレンズ２３瞳分割用反射型プリズム２３Ａ瞳分割用色消しプリズム２４第２のリレーレンズ２５円柱レンズ２６ＡＦセンサ２７ステージ２８ステージ駆動装置２９信号処理装置３０制御部４１ウエハマーク４２重ね合わせ測定用マーク１００ステッパ露光装置１０１投影レンズ１０２レチクル２００重ね合わせ測定装置３００合焦装置付きアライメントマーク位置検出系４００合焦装置付き重ね合わせ状態測定系４１１光源４１２コンデンサレンズ４１３視野絞り４１４照明リレーレンズ４１５、４１９ビームスプリッタ４１６第１対物レンズ４１８第２対物レンズ４２０撮像素子４２１第２の面４２１Ａ遮光板４２２第１のリレーレンズ４２３Ａ瞳分割用色消しプリズム４２４第２のリレーレンズ４２５円柱レンズ４２６ＡＦセンサ４２８ステージ駆動装置４２９信号処理装置４３０制御部４３１光束選択部材の挿脱装置Ｆ１第１の面Ｆ２第２の面Ｌ１第１の面に結像された主開口Ｓ１の像からの光束Ｌ２、Ｌ３第１の面に結像された副開口Ｓ２、Ｓ３の
像からの光束Ｌ２Ｌ、Ｌ２Ｒ光束Ｌ２から瞳分割によって得られる
２分割光束によるＡＦセンサ表面上の結像Ｌ３Ｌ、Ｌ３Ｒ光束Ｌ３から瞳分割によって得られる
２分割光束によるＡＦセンサ表面上の結像Ｓ１、Ｓ４１視野絞りの主開口Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４２、Ｓ４３視野絞りの副開口Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４遮光板２１の光束通過部Ｖ１第１の撮像面Ｖ２第２の撮像面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０３Ｆ 7/20 ５２１Ｇ０２Ｂ 7/11 ＭＧ０３Ｂ 3/00 ＡＨ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】視野絞りと；前記視野絞りを照明する光
源と；前記光源により照明された前記視野絞りの像を被
検面上に結像する照明用結像光学系と；前記被検面上に
形成された前記視野絞りの像を所定の検出面に再結像す
る検出光学系と；所定の基準位置に対する前記被検面の
整合状態を検出するために、前記検出面上に再結像され
た前記視野絞りの像を光電的に検出する合焦用検出器と
を備え；前記視野絞りは、所定の主開口と副開口とを有
し；前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記主開口の像からの光束を
遮光すると共に、前記被検面上に形成された前記副開口
の像からの光束を通過させるために、前記被検面と共役
な位置又はその位置近傍に配置された遮光部材と；前記
被検面上に形成された前記副開口の像からの光束を複数
に分割して、該分割された光束を前記合焦用検出器に導
く光束分割部材とを有する；合焦装置。
【請求項２】前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記視野絞りの主開口及び副
開口の像からの光束を集光して、前記各開口の中間像を
形成する対物光学系と；前記中間像からの光束を集光し
て前記中間像を前記検出面に再結像するリレー光学系と
を有し；前記遮光部材は、前記中間像が形成される位置
又はその近傍に設けられ；前記光束分割部材は、前記リ
レー光学系中に設けられる；請求項１に記載の合焦装
置。
【請求項３】前記検出光学系は、前記光分割部材と前
記合焦用検出器との間に配置され、前記光束分割部材の
分割方向とほぼ直行する方向に屈折力を持つ円柱光学系
をさらに備える；請求項１に記載の合焦装置。
【請求項４】視野絞りと；前記視野絞りを照明する光
源と；前記光源により照明された前記視野絞りの像を被
検面上に結像する照明用結像光学系と；前記被検面上に
形成された前記視野絞りの像を所定の検出面に再結像す
る検出光学系と；所定の基準位置に対する前記被検面の
整合状態を検出するために、前記検出面上に再結像され
た前記視野絞りの像を光電的に検出する合焦用検出器と
を備え；前記視野絞りは、所定の主開口と副開口とを有
し；前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記視野絞りの主開口及び副
開口の像からの光束をそれぞれ複数に分割して、該分割
された光束を前記検出面に導く光束分割部材と；前記光
束分割部材と前記検出器との間に配置されて、前記光束
分割部材の分割方向とほぼ直交する方向に屈折力を持つ
円柱光学系とを有する；合焦装置。
【請求項５】前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記視野絞りの主開口及び副
開口の像のいずれか一方からの光束を前記合焦用検出器
へ導く光束選択部材とをさらに備える；請求項４に記載
の合焦装置。
【請求項６】前記検出光学系は、前記被検面上に形成された前記視野絞りの主開口及び副
開口の像からの光束を集光して、前記各開口の中間像を
形成する対物光学系と；該対物光学系により形成された
前記主開口の中間像及び前記副開口の中間像のいずれか
一方からの光束を前記合焦用検出器へ導く光束選択部材
と；該光束選択部材によって選択された光束を集光して
前記各開口の中間像の一方の像を前記検出面に再結像す
るリレー光学系とをさらに備える；請求項４に記載の合
焦装置。
【請求項７】前記光束分割部材は、反射型プリズム又
は色消しプリズムで構成される；請求項１乃至請求項６
のいずれかに記載の合焦装置。
【請求項８】前記光束分割部材により前記検出面上に
分割形成される複数の副開口像同士の間隔に関する前記
合焦用検出器からの出力に基づいて、前記被検面をその
法線方向に移動させて、前記被検面の位置を調整する制
御系をさらに備える；請求項１乃至請求項７のいずれか
に記載の合焦装置。
【請求項９】請求項１乃至請求項８のいずれかに記載
の合焦装置と；前記被検面と前記各開口の中間像との間
に配置されたビームスプリッタと；該ビームスプリッタ
により分割された光路中に配置されると共に、前記被検
面と共役な位置又はその近傍に配置された観察用検出器
とを備え；前記照明用結像光学系は、前記視野絞りの主
開口の像を前記被検面上の観察用マークに向けて結像す
ることにより、前記主開口の像にて前記観察用マークを
照明し；前記観察用検出器は、前記観察用マークの像を
光電検出する；観察装置。
【請求項１０】請求項９に記載の観察装置と；所定の
パターンが形成されたレチクルを感光性基板に露光する
ために前記レチクルを照明する露光用照明系とを備え；
前記観察装置は、前記観察用マークとしての前記感光性
基板上に形成されたアライメントマークの像を前記観察
用検出器にて光電検出することにより、前記感光性基板
の位置を検出するように構成された；露光装置。