(57)【要約】【課題】安定且つ高精度な移動体の駆動制御を可能にする。【解決手段】  複数のＺヘッドそれぞれの計測ビームの照射点がスケール３９Ｙ１上のフォーカスサーボ一時停止領域（ＦＳＵ1，ＦＳＵ2）以外の領域内に位置するときには、そのヘッドを、計測面のＺ位置の変化に応じた位置情報を出力するフォーカスサーボ状態とし、照射点がスケール外又はフォーカスサーボ一時停止領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値の出力を維持するスケールサーボ状態とする。ここで、スケール３９Ｙ１上のフォーカスサーボ一時停止領域として、例えばスケール端部、スケール上に形成された回折格子が損傷している領域、異物が付着した領域、位置出しパターンの近傍などを選ぶことにより、ヘッドの不安定動作を回避し、面位置計測システムの安定な稼動、ひいてはウエハステージの安定な駆動制御が可能となる。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上にパターンを形成する露光方法であって、
前記物体を保持して所定平面内を移動する移動体と該移動体の外部との一方に設けられた複数のヘッドの少なくとも一部の複数のヘッドのそれぞれから、前記移動体と該移動体の外部との他方に設けられた計測面に計測光を照射し、前記計測面で反射される光を受光して、前記移動体の前記所定平面に垂直な方向に関する位置情報を計測し、前記計測に用いられている複数のヘッドそれぞれの前記計測光の照射点が端部を含む所定領域以外の前記計測面上の領域に位置するときには、そのヘッドを、前記計測面の前記所定平面に垂直な方向に関する位置の変化に応じた位置情報を出力する第１の状態とする一方、前記計測光の照射点が前記計測面外又は前記計測面上の前記所定領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値の出力を維持する第２の状態とし、前記第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて前記移動体を駆動する工程を含む露光方法。
【請求項２】
前記駆動する工程では、前記移動体の移動に伴い前記照射点が前記計測面の前記所定領域内に入る際に、前記ヘッドを前記第１状態から前記第２状態に移行させる請求項１に記載の露光方法。
【請求項３】
前記駆動する工程では、前記移動体の移動に伴い前記照射点が前記所定領域から外れ前記所定領域外の前記計測面上の領域に入る際に、前記ヘッドを前記第２状態から前記第１状態に移行させる請求項１又は２に記載の露光方法。
【請求項４】
前記駆動する工程では、前記移動体の位置情報より前記目標値を定める請求項１〜３のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項５】
前記駆動する工程では、前記移動体の移動に伴い、前記計測面の所定領域内に計測光を照射するヘッドから前記計測面の前記所定領域外の領域に計測光を照射するヘッドへと前記複数のヘッドを切り換えて使用する請求項１〜４のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項６】
前記所定領域は、前記計測面内に設けられた前記計測光を反射しない領域を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項７】
前記駆動する工程では、前記位置情報計測に用いられる前記光の強度をさらに計測し、
前記所定領域は、前記光の強度が変化する前記計測面内の領域を含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項８】
前記駆動する工程に先立って、前記計測面の状態を診断する工程をさらに含み、
前記所定領域は、前記診断する工程で損傷が検出された前記計測面内の領域を含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項９】
前記診断する工程では、前記光の強度の変化から前記計測面の状態を診断する請求項８に記載の露光方法。
【請求項１０】
前記駆動する工程と並行して、前記計測面上の異物を検出する工程をさらに含み、
前記所定領域は、前記検出する工程にて異物が検出された前記計測面内の領域を含む請求項１〜９のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項１１】
前記物体が有する感応層にエネルギビームを照射して前記パターンを形成する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の露光方法を用いて、物体上にパターンを形成する工程と；
前記パターンが形成された前記物体に処理を施す工程と；を含むデバイス製造方法。
【請求項１３】
物体上にパターンを形成する露光装置であって、
前記物体を保持して所定平面内を移動可能な移動体と；
前記移動体と該移動体の外部との一方に設けられた複数のヘッドを有し、該複数のヘッドの少なくとも一部の複数のヘッドのそれぞれから、前記移動体と該移動体の外部との他方に設けられた計測面に計測光を照射し、前記計測面で反射される光を受光して、前記移動体の前記所定平面に垂直な方向に関する位置情報を計測する位置計測系と；
前記計測に用いられている複数のヘッドそれぞれの前記計測光の照射点が端部を含む所定領域以外の前記計測面上の領域に位置するときには、そのヘッドを、前記計測面の前記所定平面に垂直な方向に関する位置の変化に応じた位置情報を出力する第１の状態とする一方、前記計測光の照射点が前記計測面外又は前記計測面上の前記所定領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値を出力する第２の状態とし、前記第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて前記移動体を駆動する駆動システムと；を備える露光装置。
【請求項１４】
前記駆動システムは、前記移動体の移動に伴い前記照射点が前記計測面の前記所定領域内に入る際に、前記ヘッドを前記第１状態から前記第２状態に移行させる請求項１３に記載の露光装置。
【請求項１５】
前記駆動システムは、前記移動体の移動に伴い前記照射点が前記所定領域から外れ前記所定領域外の前記計測面上の領域に入る際に、前記ヘッドを前記第２状態から前記第１状態に移行させる請求項１３又は１４に記載の露光装置。
【請求項１６】
前記駆動システムは、前記移動体の位置情報より前記目標値を定める請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項１７】
前記駆動システムは、前記移動体の移動に伴い、前記計測面の所定領域内に計測光を照射するヘッドから前記計測面の前記所定領域外の領域に計測光を照射するヘッドへと前記複数のヘッドを切り換えて使用する請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項１８】
前記所定領域は、前記計測面内に設けられた前記計測光を反射しない領域を含む請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項１９】
前記位置計測系は、前記位置情報計測に用いられる前記光の強度を、さらに計測し、
前記所定領域は、前記光の強度が変化する前記計測面内の領域を含む請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項２０】
前記所定領域は、損傷した前記計測面内の領域を含む請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項２１】
前記所定領域は、異物が付着した前記計測面内の領域を含む請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項２２】
前記計測面上の異物を検出する異物検出器をさらに備える請求項２１に記載の露光装置。
【請求項２３】
前記物体が有する感応層にエネルギビームを照射して前記パターンを形成するパターン生成装置をさらに備える請求項１３〜２２のいずれか一項に記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光方法及び露光装置、並びにデバイス製造方法に係り、特に、半導体素子（集積回路等）、液晶表示素子等を製造するリソグラフィ工程で用いられる露光方法及び露光装置、並びに前記露光方法を用いるデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子（集積回路等）、液晶表示素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するリソグラフィ工程では、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（いわゆるステッパ）、あるいはステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ（スキャナとも呼ばれる））などが、主として用いられている。
【０００３】
この種の露光装置では、集積回路の微細化に伴い使用される露光光は年々短波長化し、また、投影光学系の開口数も次第に増大（高ＮＡ化）しており、これによって解像力の向上が図られている。この一方、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化によって、焦点深度が非常に狭くなってきた。また、高ＮＡ化により、投影光学系の下端面とウエハとの間の距離（ワーキングディスタンス）が狭くなってきた。
【０００４】
しかるに、ワーキングディスタンスが狭い露光装置では、投影光学系の直下で、ウエハ表面の面位置（投影光学系の光軸方向に関する位置）を検出するための、多点焦点位置検出系（以下、「多点ＡＦ系」とも呼ぶ）などのフォーカスセンサを投影光学系の近傍に配置することが困難である。
【０００５】
そこで、露光に先立って、ウエハを保持するウエハステージ上面を基準としてウエハ表面の面位置情報を計測し、露光の際には、ウエハステージ上面の面位置を検出しつつ、その検出結果と先に検出したウエハステージ上面を基準とするウエハ表面の面位置情報とに基づいて、露光領域内でウエハ表面が常時投影光学系の像面に合致する（像面の焦点深度の範囲内となる）ように、いわゆるフォーカス・レベリング制御を行う露光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１の実施形態に開示される露光装置は、実質的に露光波長を短くして、かつ空気中に比べて焦点深度を実質的に大きく（広く）するために液浸法を利用する局所液浸型の露光装置であり、ワーキングディスタンスが非常に狭い。また、この露光装置では、ウエハステージ上面（計測面）の面位置の計測には、その計測面上の複数点に複数のヘッドから計測光をそれぞれ照射し、それぞれの反射光を受光して、各計測光の照射点における計測面の光軸方向の位置を検出することによって、ステージの光軸方向の位置及び傾きを計測する面位置計測システムが用いられている。このような面位置計測システムを用いる場合、計測面の面積が有限であるため、ウエハステージの位置に応じて、複数のヘッドの中から計測光の照射点が計測面上に位置するヘッドを切り換えて使用する必要がある。従って、ウエハステージの移動に伴い計測光の照射点が計測面から外れると、反射光の強度が急激にゼロになる一方、逆に計測光の照射点が計測面の外部から計測面上に進入する際にも、反射光の強度がゼロから有限の値に急激に変化する。また、計測面上に付着した異物等によって計測光が遮られるといった異常時においても、反射光の強度が急激に変化する。このような場合に、ヘッドの不安定動作を引き起こす恐れがある。
【０００７】
【特許文献２】国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレット
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の事情の下でなされたものであり、第１の観点からすると、物体上にパターンを形成する露光方法であって、前記物体を保持して所定平面内を移動する移動体と該移動体の外部との一方に設けられた複数のヘッドの少なくとも一部の複数のヘッドのそれぞれから、前記移動体と該移動体の外部との他方に設けられた計測面に計測光を照射し、前記計測面で反射される光を受光して、前記移動体の前記所定平面に垂直な方向に関する位置情報を計測し、前記計測に用いられている複数のヘッドそれぞれの前記計測光の照射点が端部を含む所定領域以外の前記計測面上の領域に位置するときには、そのヘッドを、前記計測面の前記所定平面に垂直な方向に関する位置の変化に応じた位置情報を出力する第１の状態とする一方、前記計測光の照射点が前記計測面外又は前記計測面上の前記所定領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値の出力を維持する第２の状態とし、前記第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて前記移動体を駆動する工程を含む露光方法である。
【０００９】
これによれば、移動体の所定平面に垂直な方向に関する位置情報の計測に用いられている複数のヘッドそれぞれの計測光の照射点が端部を含む所定領域以外の前記計測面上の領域に位置するときには、そのヘッドを、計測面の所定平面に垂直な方向に関する位置の変化に応じた位置情報を出力する第１の状態とする一方、前記計測光の照射点が計測面外又は計測面上の前記所定領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値の出力を維持する第２の状態とし、前記第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて前記移動体を駆動する。ここで、所定領域には、計測面の端部のように、反射光の強度が急激に変化するあるいは不安定になる計測面上の領域が含まれる。
【００１０】
従って、計測光の照射点が反射光の強度が十分安定する計測面上の領域内に位置するときのみ、そのヘッドを第１の状態とし、第１の状態にあるヘッドから出力される位置情報に基づいて移動体を駆動するので、ヘッドの不安定動作を回避するとともに、複数のヘッドを含む計測システムの安定な稼動、ひいては移動体の安定な駆動制御が可能となる。
【００１１】
本発明は、第２の観点からすると、本発明の露光方法を用いて、物体上にパターンを形成する工程と；前記パターンが形成された前記物体に処理を施す工程と；を含むデバイス製造方法である。
【００１２】
本発明は、第３の観点からすると、物体上にパターンを形成する露光装置であって、前記物体を保持して所定平面内を移動可能な移動体と；前記移動体と該移動体の外部との一方に設けられた複数のヘッドを有し、該複数のヘッドの少なくとも一部の複数のヘッドのそれぞれから、前記移動体と該移動体の外部との他方に設けられた計測面に計測光を照射し、前記計測面で反射される光を受光して、前記移動体の前記所定平面に垂直な方向に関する位置情報を計測する位置計測系と；前記計測に用いられている複数のヘッドそれぞれの前記計測光の照射点が端部を含む所定領域以外の前記計測面上の領域に位置するときには、そのヘッドを、前記計測面の前記所定平面に垂直な方向に関する位置の変化に応じた位置情報を出力する一方、前記計測光の照射点が前記計測面外又は前記計測面上の前記所定領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値を出力する第２の状態とし、前記第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて前記移動体を駆動する駆動システムと；を備える露光装置である。
【００１３】
これによれば、駆動システムにより、移動体の所定平面に垂直な方向に関する位置情報の計測に用いられている複数のヘッドそれぞれの計測光の照射点が端部を含む所定領域以外の前記計測面上の領域に位置するときには、そのヘッドが、計測面の所定平面に垂直な方向に関する位置の変化に応じた位置情報を出力する第１の状態とされる一方、前記計測光の照射点が計測面外又は計測面上の所定領域に位置するときには、所定の位置情報の目標値を出力する第２の状態とされる。そして、駆動システムにより、第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて移動体が駆動される。ここで、所定領域には、計測面の端部のように、反射光の強度が急激に変化するあるいは不安定になる計測面上の領域が含まれる。
【００１４】
従って、駆動システムにより、計測光の照射点が反射光の強度が十分安定する計測面上の有効領域内に位置するヘッドのみが第１の状態とされ、その第１の状態にある少なくとも１つのヘッドから出力される位置情報に基づいて移動体が駆動される。従って、ヘッドの不安定動作を回避できるとともに、位置計測系の安定な稼動、ひいては移動体の安定な駆動制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図１６（Ｂ）に基づいて、説明する。
【００１６】
図１には、一実施形態の露光装置１００の構成が概略的に示されている。露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置、いわゆるスキャナである。後述するように、本実施形態では投影光学系ＰＬとプライマリアライメント系ＡＬ１（図４、図５等参照）が設けられている。以下においては、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行な方向をＺ軸方向、これに直交する面内で光軸ＡＸとプライマリアライメント系ＡＬ１の検出中心を結ぶ直線と平行な方向をＹ軸方向、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。
【００１７】
露光装置１００は、照明系１０、レチクルステージＲＳＴ、投影ユニットＰＵ、ウエハステージＷＳＴを有するステージ装置５０、及びこれらの制御系等を備えている。図１では、ウエハステージＷＳＴ上にウエハＷが載置されている。
【００１８】
照明系１０は、レチクルブラインド（マスキングシステムとも呼ばれる）で規定されたレチクルＲ上のスリット状の照明領域ＩＡＲを、照明光（露光光）ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。照明系１０の構成は、例えば米国特許出願公開第２００３／０２５８９０号明細書などに開示されている。ここで、照明光ＩＬとして、一例として、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられる。
【００１９】
レチクルステージＲＳＴ上には、そのパターン面（図１における下面）に回路パターンなどが形成されたレチクルＲが、例えば真空吸着により、固定されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系１１（図１では不図示、図７参照）によって、ＸＹ平面内で微小駆動可能であるとともに、走査方向（図１における紙面内左右方向であるＹ軸方向）に所定の走査速度で駆動可能となっている。
【００２０】
レチクルステージＲＳＴのＸＹ平面内の位置情報（θｚ方向の回転情報を含む）は、レチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）１１６によって、移動鏡１５（又はレチクルステージＲＳＴの端面に形成された反射面）を介して、例えば０．２５ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１１６の計測値は、主制御装置２０（図１では不図示、図７参照）に送られる。
【００２１】
投影ユニットＰＵは、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に配置されている。投影ユニットＰＵは、鏡筒４０と、鏡筒４０内に保持された投影光学系ＰＬと、を含む。投影光学系ＰＬとしては、例えば、Ｚ軸方向と平行な光軸ＡＸに沿って配列される複数の光学素子（レンズエレメント）から成る屈折光学系が用いられる。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで、所定の投影倍率（例えば１／４倍、１／５倍又は１／８倍など）を有する。このため、照明系１０によってレチクルＲ上の照明領域ＩＡＲが照明されると、投影光学系ＰＬの第１面（物体面）とパターン面がほぼ一致して配置されるレチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬ（投影ユニットＰＵ）を介してその照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの縮小像（回路パターンの一部の縮小像）が、その第２面（像面）側に配置される、表面にレジスト（感応剤）が塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲに共役な領域（以下、露光領域とも呼ぶ）ＩＡに形成される。そして、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとの同期駆動によって、照明領域ＩＡＲ（照明光ＩＬ）に対してレチクルＲを走査方向（Ｙ軸方向）に相対移動させるとともに、露光領域ＩＡ（照明光ＩＬ）に対してウエハＷを走査方向（Ｙ軸方向）に相対移動させることで、ウエハＷ上の１つのショット領域（区画領域）の走査露光が行われ、そのショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。すなわち、本実施形態では照明系１０、レチクルＲ及び投影光学系ＰＬによってウエハＷ上にパターンが生成され、照明光ＩＬによるウエハＷ上の感応層（レジスト層）の露光によってウエハＷ上にそのパターンが形成される。
【００２２】
ステージ装置５０は、図１に示されるように、ベース盤１２上に配置されたウエハステージＷＳＴ、ウエハステージＷＳＴの位置情報を計測する計測システム２００（図７参照）、及びウエハステージＷＳＴを駆動するステージ駆動系１２４（図７参照）等を備えている。計測システム２００は、図７に示されるように、干渉計システム１１８、エンコーダシステム１５０及び面位置計測システム１８０などを含む。
【００２３】
ウエハステージＷＳＴは、不図示の非接触軸受、例えばエアベアリングなどにより、数μｍ程度のクリアランスを介して、ベース盤１２の上方に支持されている。また、ウエハステージＷＳＴは、リニアモータ等を含むステージ駆動系１２４（図７参照）によって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に所定ストロークで駆動可能である。
【００２４】
ウエハステージＷＳＴは、ステージ本体９１と、該ステージ本体９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢとを含む。このウエハテーブルＷＴＢ及びステージ本体９１は、リニアモータ及びＺ・レベリング機構（ボイスコイルモータなどを含む）を含む駆動系によって、ベース盤１２に対し、６自由度方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）に駆動可能に構成されている。
【００２５】
ウエハテーブルＷＴＢの上面の中央には、ウエハＷを真空吸着等によって保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。図２に示されるように、ウエハテーブルＷＴＢ上面のウエハホルダ（ウエハＷ）の＋Ｙ側には、計測プレート３０が設けられている。この計測プレート３０には、中央に基準マークＦＭが設けられ、基準マークＦＭのＸ軸方向の両側に一対の空間像計測スリットパターン（スリット状の計測用パターン）ＳＬが、設けられている。そして、各空間像計測スリットパターンＳＬに対応して、ウエハテーブルＷＴＢの内部には、光学系及び受光素子などが配置されている。すなわち、ウエハテーブルＷＴＢ上には、空間像計測スリットパターンＳＬを含む一対の空間像計測装置４５Ａ，４５Ｂ（図７参照）が設けられている。
【００２６】
また、ウエハテーブルＷＴＢ上面には、後述するエンコーダシステム１５０で用いられるスケールが形成されている。詳述すると、ウエハテーブルＷＴＢ上面のＸ軸方向（図２における紙面内左右方向）の一側と他側の領域には、それぞれＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2が形成されている。Ｙスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2は、例えば、Ｘ軸方向を長手方向とする格子線３８が所定ピッチでＹ軸方向に配列された、Ｙ軸方向を周期方向とする反射型の格子（例えば回折格子）によって構成されている。
【００２７】
同様に、ウエハテーブルＷＴＢ上面のＹ軸方向（図２における紙面内上下方向）の一側と他側の領域には、Ｙスケール３９Ｙ1及び３９Ｙ2に挟まれた状態で、Ｘスケール３９Ｘ1，３９Ｘ2がそれぞれ形成されている。Ｘスケール３９Ｘ1，３９Ｘ2は、例えば、Ｙ軸方向を長手方向とする格子線３７が所定ピッチでＸ軸方向に配列された、Ｘ軸方向を周期方向とする反射型の格子（例えば回折格子）によって構成されている。
【００２８】
なお、格子線３７，３８のピッチは、例えば１μｍと設定される。図２及びその他の図においては、図示の便宜上から、格子のピッチは実際のピッチよりも大きく図示されている。
【００２９】
また、回折格子を保護するために、低熱膨張率のガラス板でカバーすることも有効である。ここで、ガラス板としては、厚さがウエハと同程度、例えば厚さ１ｍｍのものを用いることができ、そのガラス板の表面がウエハ面と同じ高さ（同一面）になるよう、ウエハテーブルＷＳＴ上面に設置される。
【００３０】
また、ウエハテーブルＷＴＢの−Ｙ端面，−Ｘ端面には、図２に示されるように、後述する干渉計システムで用いられる反射面１７ａ，反射面１７ｂが形成されている。
【００３１】
また、ウエハテーブルＷＴＢの＋Ｙ側の面には、図２に示されるように、国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレットに開示されるＣＤバーと同様の、Ｘ軸方向に延びるフィデューシャルバー（以下、「ＦＤバー」と略述する）４６が取り付けられている。ＦＤバー４６の長手方向の一側と他側の端部近傍には、センターラインＬＬに関して対称な配置で、Ｙ軸方向を周期方向とする基準格子（例えば回折格子）５２がそれぞれ形成されている。また、ＦＤバー４６の上面には、複数の基準マークＭが形成されている。各基準マークＭとしては、後述するアライメント系によって検出可能な寸法の２次元マークが用いられている。
【００３２】
本実施形態の露光装置１００では、図４及び図５に示されるように、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとプライマリアライメント系ＡＬ１の検出中心を結ぶＹ軸に平行な直線（以下、基準軸と呼ぶ）ＬＶ上で、光軸ＡＸから−Ｙ側に所定距離隔てた位置に検出中心を有するプライマリアライメント系ＡＬ１が配置されている。プライマリアライメント系ＡＬ１は、不図示のメインフレームの下面に固定されている。図５に示されるように、プライマリアライメント系ＡＬ１を挟んで、Ｘ軸方向の一側と他側には、基準軸ＬＶに関してほぼ対称に検出中心が配置されるセカンダリアライメント系ＡＬ２1，ＡＬ２2と、ＡＬ２3，ＡＬ２4とがそれぞれ設けられている。セカンダリアライメント系ＡＬ２1〜ＡＬ２4は、可動式の支持部材を介してメインフレーム（不図示）の下面に固定されており、駆動機構６０1〜６０4（図７参照）により、Ｘ軸方向に関してそれらの検出領域の相対位置が調整可能となっている。
【００３３】
本実施形態では、アライメント系ＡＬ１，ＡＬ２1〜ＡＬ２4のそれぞれとして、例えば画像処理方式のＦＩＡ（Field Image Alignment）系が用いられている。アライメント系ＡＬ１，ＡＬ２1〜ＡＬ２4のそれぞれからの撮像信号は、不図示の信号処理系を介して主制御装置２０に供給される。
【００３４】
干渉計システム１１８は、図３に示されるように、反射面１７ａ又は１７ｂにそれぞれ干渉計ビーム（測長ビーム）を照射し、その反射光を受光して、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内の位置を計測するＹ干渉計１６と、３つのＸ干渉計１２６〜１２８と、一対のＺ干渉計４３Ａ，４３Ｂとを備えている。詳述すると、Ｙ干渉計１６は、基準軸ＬＶに関して対称な一対の測長ビームＢ４1，Ｂ４2を含む少なくとも３つのＹ軸に平行な測長ビームを反射面１７ａ、及び後述する移動鏡４１に照射する。また、Ｘ干渉計１２６は、図３に示されるように、光軸ＡＸと基準軸ＬＶとに直交するＸ軸に平行な直線（以下、基準軸と呼ぶ）ＬＨに関して対称な一対の測長ビームＢ５1，Ｂ５2を含む少なくとも３つのＸ軸に平行な測長ビームを反射面１７ｂに照射する。また、Ｘ干渉計１２７は、アライメント系ＡＬ１の検出中心にて基準軸ＬＶと直交するＸ軸に平行な直線（以下、基準軸と呼ぶ）ＬＡを測長軸とする測長ビームＢ６を含む少なくとも２つのＹ軸に平行な測長ビームを反射面１７ｂに照射する。また、Ｘ干渉計１２８は、Ｙ軸に平行な測長ビームＢ７を反射面１７ｂに照射する。
【００３５】
干渉計システム１１８の各干渉計からの位置情報は、主制御装置２０に供給される。主制御装置２０は、Ｙ干渉計１６及びＸ干渉計１２６又は１２７の計測結果に基づいて、ウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）のＸ，Ｙ位置に加え、θｘ方向の回転（すなわちピッチング）、θｙ方向の回転（すなわちローリング）、及びθｚ方向の回転（すなわちヨーイング）も算出することができる。
【００３６】
また、図１に示されるように、ステージ本体９１の−Ｙ側の側面に、凹形状の反射面を有する移動鏡４１が取り付けられている。移動鏡４１は、図２からわかるように、Ｘ軸方向の長さがウエハテーブルＷＴＢの反射面１７ａよりも、長く設計されている。
【００３７】
移動鏡４１に対向して、干渉計システム１１８（図７参照）の一部を構成する一対のＺ干渉計４３Ａ，４３Ｂが設けられている（図１及び図３参照）。Ｚ干渉計４３Ａ，４３Ｂは、移動鏡４１を介して、例えば投影ユニットＰＵを支持するフレーム（不図示）に固定された固定鏡４７Ａ，４７Ｂにそれぞれ２つのＹ軸に平行な測長ビームＢ１，Ｂ２を、垂直に照射する。そして、それぞれの反射光を受光して、測長ビームＢ１，Ｂ２の光路長を計測する。その結果より、主制御装置２０は、ウエハステージＷＳＴの４自由度（Ｙ，Ｚ，θｙ，θｚ）方向の位置を算出する。
【００３８】
本実施形態では、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＸＹ平面内の位置情報（θｚ方向の回転情報を含む）は、主として、後述するエンコーダシステム１５０及び面位置計測システム１８０を用いて計測される。干渉計システム１１８は、ウエハステージＷＳＴがエンコーダシステム１５０及び面位置計測システム１８０の計測領域外（例えば、アンローディングポジションとローディングポジション付近）に位置する際に、使用される。また、エンコーダシステム１５０及び面位置計測システム１８０の計測結果の長期的変動（例えばスケールの経時的な変形などによる）を補正（較正）する場合などに補助的に使用される。勿論、干渉計システム１１８とエンコーダシステム１５０及び面位置計測システム１８０とを併用して、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）の全位置情報を計測することとしても良い。
【００３９】
本実施形態の露光装置１００には、干渉計システム１１８とは独立に、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内での位置（Ｘ，Ｙ，θｚ）を計測するために、エンコーダシステム１５０を構成する複数のヘッドユニットが設けられている。
【００４０】
図４に示されるように、投影ユニットＰＵの＋Ｘ側、＋Ｙ側、−Ｘ側、及びプライマリアライメント系ＡＬ１の−Ｙ側に、４つのヘッドユニット６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、及び６２Ｄが、それぞれ配置されている。また、アライメント系ＡＬ１、ＡＬ２1〜ＡＬ２4のＸ軸方向の両外側にヘッドユニット６２Ｅ、６２Ｆが、それぞれ設けられている。ヘッドユニット６２Ａ〜６２Ｆは、支持部材を介して、投影ユニットＰＵを保持するメインフレーム（不図示）に吊り下げ状態で固定されている。なお、図４において、符号ＵＰは、ウエハステージＷＳＴ上にあるウエハのアンロードが行われるアンローディングポジションを示し、符号ＬＰは、ウエハステージＷＳＴ上への新たなウエハのロードが行われるローディングポジションを示す。
【００４１】
ヘッドユニット６２Ａ及び６２Ｃは、図５に示されるように、前述の基準軸ＬＨ上に間隔ＷＤで配置された複数（ここでは５個）のＹヘッド６５1〜６５5、Ｙヘッド６４1〜６４5を、それぞれ備えている。以下では、必要に応じて、Ｙヘッド６５1〜６５5及びＹヘッド６４1〜６４5を、それぞれ、Ｙヘッド６５及びＹヘッド６４とも記述する。
【００４２】
ヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃは、Ｙスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ軸方向の位置（Ｙ位置）を計測する多眼のＹリニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃ（図７参照）を構成する。なお、以下では、Ｙリニアエンコーダを、適宜、「Ｙエンコーダ」又は「エンコーダ」と略述する。
【００４３】
ヘッドユニット６２Ｂは、図５に示されるように、投影ユニットＰＵの＋Ｙ側に配置され、基準軸ＬＶ上に間隔ＷＤで配置された複数（ここでは４個）のＸヘッド６６5〜６６8を備えている。また、ヘッドユニット６２Ｄは、プライマリアライメント系ＡＬ１の−Ｙ側に配置され、基準軸ＬＶ上に間隔ＷＤで配置された複数（ここでは４個）のＸヘッド６６1〜６６4を備えている。以下では、必要に応じて、Ｘヘッド６６5〜６６8及びＸヘッド６６1〜６６4をＸヘッド６６とも記述する。
【００４４】
ヘッドユニット６２Ｂ，６２Ｄは、Ｘスケール３９Ｘ1，３９Ｘ2を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＸ軸方向の位置（Ｘ位置）を計測する多眼のＸリニアエンコーダ７０Ｂ，７０Ｄ（図７参照）を構成する。なお、以下では、Ｘリニアエンコーダを、適宜、「Ｘエンコーダ」又は「エンコーダ」と略述する。
【００４５】
ここで、ヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃがそれぞれ備える５個のＹヘッド６５，６４（より正確には、Ｙヘッド６５，６４が発する計測ビームのスケール上の照射点）のＸ軸方向の間隔ＷＤは、露光の際などに、少なくとも１つのヘッドが、常に、対応するＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2に対向する（計測ビームを照射する）ように定められている。同様に、ヘッドユニット６２Ｂ，６２Ｄがそれぞれ備える隣接するＸヘッド６６（より正確には、Ｘヘッド６６が発する計測ビームのスケール上の照射点）のＹ軸方向の間隔ＷＤは、露光の際などに、少なくとも１つのヘッドが、常に、対応するＸスケール３９Ｘ又は３９Ｘ2に対向する（計測ビームを照射する）ように定められている。
【００４６】
なお、ヘッドユニット６２Ｂの最も−Ｙ側のＸヘッド６６5とヘッドユニット６２Ｄの最も＋Ｙ側のＸヘッド６６4との間隔は、ウエハステージＷＳＴのＹ軸方向の移動により、その２つのＸヘッド間で切り換え（つなぎ）が可能となるように、ウエハテーブルＷＴＢのＹ軸方向の幅よりも狭く設定されている。
【００４７】
ヘッドユニット６２Ｅは、図５に示されるように、複数（ここでは４個）のＹヘッド６７1〜６７4を備えている。
【００４８】
ヘッドユニット６２Ｆは、複数（ここでは４個）のＹヘッド６８1〜６８4を備えている。Ｙヘッド６８1〜６８4は、基準軸ＬＶに関して、Ｙヘッド６７4〜６７1と対称な位置に配置されている。以下では、必要に応じて、Ｙヘッド６７4〜６７1及びＹヘッド６８1〜６８4を、それぞれＹヘッド６７及びＹヘッド６８とも記述する。
【００４９】
アライメント計測の際には、少なくとも各１つのＹヘッド６７，６８が、それぞれＹスケール３９Ｙ2，３９Ｙ1に対向する。このＹヘッド６７，６８（すなわち、これらＹヘッド６７，６８によって構成されるＹエンコーダ７０Ｅ，７０Ｆ（図７参照））によってウエハステージＷＳＴのＹ位置（及びθｚ回転）が計測される。
【００５０】
また、本実施形態では、セカンダリアライメント系のベースライン計測時などに、セカンダリアライメント系ＡＬ２1，ＡＬ２4にＸ軸方向で隣接するＹヘッド６７3，６８2が、ＦＤバー４６の一対の基準格子５２とそれぞれ対向し、その一対の基準格子５２と対向するＹヘッド６７3，６８2によって、ＦＤバー４６のＹ位置が、それぞれの基準格子５２の位置で計測される。以下では、一対の基準格子５２にそれぞれ対向するＹヘッド６７3，６８2によって構成されるエンコーダをＹリニアエンコーダ７０Ｅ2，７０Ｆ2と呼ぶ。また、識別のため、Ｙスケール３９Ｙ2，３９Ｙ1に対向するＹヘッド６７，６８によって構成されるＹエンコーダを、Ｙエンコーダ７０Ｅ1、７０Ｆ1と呼ぶ。
【００５１】
上述したエンコーダ７０Ａ〜７０Ｆの計測値は、主制御装置２０に供給される。主制御装置２０は、エンコーダ７０Ａ〜７０Ｄのうちの３つ、又はエンコーダ７０Ｅ1，７０Ｆ1，７０Ｂ及び７０Ｄのうちの３つの計測値に基づいて、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内での位置（Ｘ，Ｙ，θｚ）を算出する。
【００５２】
また、主制御装置２０は、リニアエンコーダ７０Ｅ2，７０Ｆ2の計測値に基づいて、ＦＤバー４６（ウエハステージＷＳＴ）のθｚ方向の回転を制御する。
【００５３】
なお、各エンコーダヘッド（Ｙヘッド、Ｘヘッド）として、例えば、国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレットに開示されている干渉型のエンコーダヘッドを用いることができる。この種のエンコーダヘッドでは、２つの計測光を対応するスケールに照射し、それぞれの戻り光を１つの干渉光に合成して受光し、その干渉光の強度を光検出器を用いて計測する。その干渉光の強度変化より、スケールの計測方向（回折格子の周期方向）への変位を計測する。
【００５４】
さらに、本実施形態の露光装置１００では、図４及び図６に示されるように、照射系９０ａ及び受光系９０ｂから成る多点焦点位置検出系（以下、「多点ＡＦ系」と略述する）が設けられている。多点ＡＦ系としては、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書等に開示されるものと同様の構成の斜入射方式を採用している。本実施形態では、一例として、前述のヘッドユニット６２Ｅの−Ｘ端部の＋Ｙ側に照射系９０ａが配置され、これに対峙する状態で、前述のヘッドユニット６２Ｆの＋Ｘ端部の＋Ｙ側に受光系９０ｂが配置されている。なお、多点ＡＦ系（９０ａ，９０ｂ）は、投影ユニットＰＵを保持するメインフレームの下面に固定されている。
【００５５】
図４及び図６では、それぞれ検出ビームが照射される複数の検出点が、個別に図示されず、照射系９０ａ及び受光系９０ｂの間でＸ軸方向に延びる細長い検出領域（ビーム領域）ＡＦとして示されている。検出領域ＡＦは、Ｘ軸方向の長さがウエハＷの直径と同程度に設定されているので、ウエハＷをＹ軸方向に１回スキャンするだけで、ウエハＷのほぼ全面でＺ軸方向の位置情報（面位置情報）を計測できる。
【００５６】
図６に示されるように、多点ＡＦ系（９０ａ，９０ｂ）の検出領域ＡＦの両端部近傍に、基準軸ＬＶに関して対称な配置で、面位置計測システム１８０の一部を構成する各一対のＺ位置計測用のヘッド（以下、「Ｚヘッド」と略述する）７２ａ，７２ｂ、及び７２ｃ，７２ｄが設けられている。これらのＺヘッド７２ａ〜７２ｄは、不図示のメインフレームの下面に固定されている。
【００５７】
Ｚヘッド７２ａ〜７２ｄとしては、例えば、ＣＤドライブ装置などで用いられる光ピックアップと同様の光学式変位センサのヘッドが用いられる。Ｚヘッド７２ａ〜７２ｄは、ウエハテーブルＷＴＢに対し上方から計測ビームを照射し、その反射光を受光して、照射点におけるウエハテーブルＷＴＢの面位置を計測する。なお、本実施形態では、Ｚヘッドの計測ビームは、前述のＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2を構成する反射型回折格子の面によって反射される構成を採用している。
【００５８】
さらに、前述のヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃは、図６に示されるように、それぞれが備える５つのＹヘッド６５j，６４i（ｉ，ｊ＝１〜５）と同じＸ位置に、ただしＹ位置をずらして、それぞれ５つのＺヘッド７６j，７４i（ｉ，ｊ＝１〜５）を備えている。そして、ヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃのそれぞれに属する５つのＺヘッド７６，７４は、互いに基準軸ＬＶに関して対称に配置されている。なお、各Ｚヘッド７６，７４としては、前述のＺヘッド７２ａ〜７２ｄと同様の光学式変位センサのヘッドが採用される。
【００５９】
上述したＺヘッド７２ａ〜７２ｄ，７４1〜７４5，７６1〜７６5は、図７に示されるように、信号処理・選択装置１７０を介して主制御装置２０に接続されており、主制御装置２０は、信号処理・選択装置１７０を介してＺヘッド７２ａ〜７２ｄ，７４1〜７４5，７６1〜７６5の中から任意のＺヘッドを選択して作動状態とし、その作動状態としたＺヘッドで検出した面位置情報を信号処理・選択装置１７０を介して受け取る。本実施形態では、Ｚヘッド７２ａ〜７２ｄ，７４1〜７４5，７６1〜７６5と、信号処理・選択装置１７０とを含んでウエハステージＷＳＴのＺ軸方向及びＸＹ平面に対する傾斜方向の位置情報を計測する面位置計測システム１８０が構成されている。
【００６０】
図７には、露光装置１００の制御系の主要な構成が示されている。この制御系は、装置全体を統括的に制御するマイクロコンピュータ（又はワークステーション）から成る主制御装置２０を中心として構成されている。
【００６１】
上述のようにして構成された本実施形態の露光装置１００では、例えば国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレットの実施形態中に開示されている手順と同様の手順に従って、アンローディングポジションＵＰ（図４参照）でのウエハＷのアンロード、ローディングポジションＬＰ（図４参照）での新たなウエハＷのウエハテーブルＷＴＢ上へのロード、計測プレート３０の基準マークＦＭとプライマリアライメント系ＡＬ１とを用いたプライマリアライメント系ＡＬ１のベースラインチェック前半の処理、エンコーダシステム及び干渉計システムの原点の再設定（リセット）、アライメント系ＡＬ１，ＡＬ２1〜ＡＬ２4を用いたウエハＷのアライメント計測、これと並行したフォーカスマッピング、空間像計測器４５Ａ，４５Ｂを用いたプライマリアライメント系ＡＬ１のベースラインチェック後半の処理、並びにアライメント計測の結果求められるウエハ上の各ショット領域の位置情報と、最新のアライメント系のベースラインとに基づく、ステップ・アンド・スキャン方式でのウエハＷ上の複数のショット領域の露光などの、ウエハステージＷＳＴを用いた一連の処理が、主制御装置２０によって実行される。なお、詳細説明については省略する。
【００６２】
なお、セカンダリアライメント系ＡＬ２1〜ＡＬ２4のベースライン計測は、適宜なタイミングで、国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレットに開示される方法と同様に、前述のエンコーダ７０Ｅ2，７０Ｆ2の計測値に基づいて、ＦＤバー４６（ウエハステージＷＳＴ）のθｚ回転を調整した状態で、アライメント系ＡＬ１、ＡＬ２1〜ＡＬ２4を用いて、それぞれの視野内にあるＦＤバー４６上の基準マークＭを同時に計測することで行われる。
【００６３】
露光装置１００では、主制御装置２０は、面位置計測システム１８０（図７参照）を用いて、ウエハステージＷＳＴの有効ストローク領域、すなわちアライメント計測及び露光動作のためにウエハステージＷＳＴが移動する領域において、少なくともその２自由度方向（Ｚ，θｙ）の位置座標を計測する。
【００６４】
より具体的には、主制御装置２０は、露光時には、少なくとも各１つのＺヘッド７４i，７６j（ｉ，ｊは１〜５のいずれか）の計測値を用いて、ウエハステージＷＳＴ上面、すなわちウエハテーブルＷＴＢ上面上の基準点（ウエハテーブルＷＴＢ上面と投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとの交点）における、ウエハステージＷＳＴの高さＺ０とローリングθｙを算出する。ここで、計測面（すなわち対応するＹスケール３９Ｙ１又は３９Ｙ２）の内部の領域（後述するフォーカスサーボ一時停止領域を除く）に対向しているＺヘッドからは、計測ビームの照射点における計測面の面位置（すなわちＺヘッドの計測値）Ｚが、主制御装置２０に供給される。主制御装置２０は、各１つのＺヘッド７４i，７６jの計測値を用いてウエハステージＷＳＴの高さＺ０とローリングθｙとを算出する。
【００６５】
Ｚヘッド７４i，７６j（ｉ，ｊは１〜５のいずれか）の計測値（以下では、それぞれＺL，ＺRと表記する）は、計側面を含めウエハテーブルＷＴＢの上面が理想的な平面だとして、ウエハステージＷＳＴの（Ｚ0，θｘ，θｙ）位置に対して、次のように依存する。
【００６６】
ＺL＝−ｔａｎθｙ・ｐL＋ｔａｎθｘ・ｑL＋Ｚ0    …（１）
ＺR＝−ｔａｎθｙ・ｐR＋ｔａｎθｘ・ｑR＋Ｚ0    …（２）
ここで、（ｐL，ｑL），（ｐR，ｑR）は、それぞれＺヘッド７４i，７６jのＸ，Ｙ設置位置（より正確には計測ビームの照射点のＸ，Ｙ位置）である。式（１）、（２）より、次式（３）、（４）が導かれる。
【００６７】
Ｚ0＝〔ＺL＋ＺR−ｔａｎθｘ・（ｑL＋ｑR）〕／２                  …（３）
ｔａｎθｙ＝〔ＺL−ＺR−ｔａｎθｘ・（ｑL−ｑR）〕／（ｐR−ｐL）  …（４）
従って、主制御装置２０は、Ｚヘッド７４i，７６jの計測値ＺL，ＺRを用いて、式（３）（４）より、ウエハステージＷＳＴの高さＺ０とローリングθｙを算出する。ただし、ピッチングθｘは、別のセンサシステム（本実施形態では干渉計システム１１８）の計測結果を用いる。
【００６８】
また、主制御装置２０は、フォーカスキャリブレーションとフォーカスマッピング時には、４つのＺヘッド７２ａ〜７２ｄの計測値（それぞれＺａ，Ｚｂ，Ｚｃ，Ｚｄと表記する）を用いて、多点ＡＦ系（９０ａ，９０ｂ）の複数の検出点の中心（Ｘ，Ｙ）＝（Ｏｘ’，Ｏｙ’）におけるウエハテーブルＷＴＢの高さＺ０とローリングθｙを、次のように算出する。
【００６９】
Ｚ０＝（Ｚａ＋Ｚｂ＋Ｚｃ＋Ｚｄ）／４    …（５）
ｔａｎθｙ＝−（Ｚａ＋Ｚｂ−Ｚｃ−Ｚｄ）／（ｐa＋ｐb−ｐc−ｐd）  …（６）
ここで、（ｐａ，ｑａ），（ｐｂ，ｑｂ），（ｐｃ，ｑｃ），（ｐｄ，ｑｄ）はそれぞれＺヘッド７２ａ〜７２ｄのＸ，Ｙ設置位置（より正確には計測ビームの照射点のＸ，Ｙ位置）である。ただし、ｐa＝ｐb，ｐc＝ｐd，ｑa＝ｑc，ｑb＝ｑd，（ｐa＋ｐc）／２＝（ｐb＋ｐd）／２＝Ｏｘ’，（ｑa＋ｑb）／２＝（ｑc＋ｑd）／２＝Ｏｙ’とする。なお、先と同様に、ピッチングθｘは、別のセンサシステム（本実施形態では干渉計システム１１８）の計測結果を用いる。
【００７０】
図８には、Ｚヘッド７２（７２ａ〜７２ｄ），７４（７４1〜７４5），７６（７６1〜７６5）を代表して、Ｚヘッド７６の構成が示されている。以下では、Ｚヘッド７６（ヘッドユニット６２Ａ）を取り上げて、Ｚヘッドの構成及び計測原理、Ｚヘッドの復帰、フォーカスサーボ及びスケールサーボの切り換えなどについて説明する。なお、図８では、Ｚヘッド７６からＹスケール３９Ｙ1に検出光（計測ビーム）ＬＢが照射されている。図８において、符号ＣＧは、カバーガラスを示す。
【００７１】
Ｚヘッド７６は、図８に示されるように、フォーカスセンサＦＳ、フォーカスセンサＦＳを収納したセンサ本体ＺＨ、センサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動する駆動部ＤＰ（図８では不図示、図１０参照）、及びセンサ本体ＺＨのＺ軸方向の変位を計測する計測部ＺＥ等を備えている。
【００７２】
フォーカスセンサＦＳとして、計測ビームＬＢを計測面（Ｙスケール３９Ｙ1）に照射し、その反射光を受光することにより、計測面の変位を光学的に読み取るピックアップ方式のフォーカスセンサ（この構成等については後述する）が用いられている。フォーカスセンサＦＳの出力は、後述する第１演算回路ＣＣ１（図８では不図示、図１０参照）に送られ、第１演算回路ＣＣ１で算出されるフォーカスエラーＩ（出力信号）が駆動部ＤＰ（図８では不図示、図１０参照）に送られる。
【００７３】
駆動部ＤＰは、アクチュエータ、例えばボイスコイルモータを含み、ボイスコイルモータの可動子及び固定子の一方は、センサ本体ＺＨに、他方はセンサ本体ＺＨ及び計測部ＺＥ等を収容する不図示の筐体の一部に、それぞれ固定されている。駆動部ＤＰは、第１演算回路ＣＣ１からの出力信号に従って、センサ本体ＺＨと計測面との距離を一定に保つように（より正確には、計測面をフォーカスセンサＦＳの受光光学系のベストフォーカス位置に保つように）、センサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動する。これにより、センサ本体ＺＨは計測面のＺ軸方向の変位に追従し、フォーカスロック状態が保たれる。
【００７４】
計測部ＺＥとしては、例えば、エンコーダ７０Ａ〜７０Ｆと同様の回折干渉方式のエンコーダが用いられている。計測部ＺＥは、センサ本体ＺＨの上面に固定されたＺ軸方向に延びる支持部材ＳＭの側面に設けられたＺ軸方向を周期方向とする反射型の回折格子ＥＧと、回折格子ＥＧに対向して不図示の筐体に取付けられたエンコーダヘッドＥＨとを含む。エンコーダヘッドＥＨは、計測ビームＥＬを回折格子ＥＧに照射し、回折格子ＥＧからの反射・回折光を受光素子で受光して計測ビームＥＬの照射点の変位を読み取ることで、センサ本体ＺＨのＺ軸方向の変位、すなわち計測面のＺ軸方向の変位を計測する。このエンコーダヘッドＥＨの計測値が、Ｚヘッド７６の計測値ＺＲとして前述の信号処理・選択装置１７０を介して主制御装置２０に供給される。
【００７５】
ここで、フォーカスセンサＦＳの構成及び機能を詳述する。フォーカスセンサＦＳは、一例として、図９（Ａ）に示されるように、照射系ＦＳ1、光学系ＦＳ2、受光系ＦＳ3の３部分を含む。
【００７６】
照射系ＦＳ1は、例えばレーザダイオードから成る光源ＬＤと、該光源ＬＤから射出されるレーザ光の光路上に配置された回折格子板（回折光学素子）ＺＧとを含む。
【００７７】
光学系ＦＳ2は、一例として回折格子板ＺＧにて発生するレーザ光の回折光、すなわち計測ビームＬＢ1の光路上に順次配置された偏光ビームスプリッタＰＢＳ、コリメータレンズＣＬ、四分の一波長板（λ／４板）ＷＰ、及び対物レンズＯＬ等を含む。
【００７８】
受光系ＦＳ3は、一例として、計測ビームＬＢ1の計測面Ｓでの反射ビームＬＢ2の戻り光路上に順次配置された円筒レンズＣＹＬ及び分割受光素子ＺＤを含む。
【００７９】
フォーカスセンサＦＳにおいて、照射系ＦＳ1の光源ＬＤで発生した直線偏光のレーザ光が回折格子板ＺＧに照射され、該回折格子板ＺＧで回折光（計測ビームＬＢ1）が発生する。この計測ビームＬＢ1の中心軸（主光線）は、Ｚ軸と平行で、且つ計測面Ｓに直交する。
【００８０】
計測ビームＬＢ1は、光学系ＦＳ2内の偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射する。これにより、計測ビームＬＢ1の２つの偏光成分のうち、偏光ビームスプリッタＰＢＳの分離面に対してＰ偏光となる成分が偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過する。そして、この偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過した計測ビームＬＢ1は、コリメータレンズＣＬを透過して平行ビームに変換され、λ／４板ＷＰを透過して円偏光に変換され、対物レンズＯＬを透過して集光され、そして計測面Ｓに照射される。これにより、計測面Ｓにて計測ビームＬＢ1とは逆向きの円偏光である反射ビームＬＢ2が発生する。反射ビームＬＢ2は、計測ビームＬＢ1の光路を逆に辿って、対物レンズＯＬ、λ／４板ＷＰ、コリメータレンズＣＬを透過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳに向かう。ここで、再度λ／４板ＷＰを透過することにより、反射ビームＬＢ2は偏光ビームスプリッタＰＢＳの分離面に対するＳ偏光に変換されている。そのため、反射ビームＬＢ2は、偏光ビームスプリッタＰＢＳの分離面で進行方向が折り曲げられ、受光系ＦＳ3へ送られる。
【００８１】
受光系ＦＳ3では、反射ビームＬＢ2は円筒レンズＣＹＬを透過して、四分割受光素子ＺＤの検出面に照射される。ここで、円筒レンズＣＹＬは、いわゆる「かまぼこ型」のレンズで、図９（Ｂ）に示されるように、ＹＺ断面はＹ軸方向に凸部を向けた凸形状（すなわち、直線と円弧（又は楕円の一部）とで囲まれた形状）を有するとともに、図９（Ｃ）に示されるように、ＸＹ断面は矩形状を有する。このため、円筒レンズＣＹＬを透過することにより、反射ビームＬＢ2はＺ軸方向とＸ軸方向とでその断面形状が非対称に絞られる。すなわち、非点収差が発生する。そして、四分割受光素子ＺＤに照射される。
【００８２】
四分割受光素子ＺＤは、その検出面で反射ビームＬＢ2を受光する。四分割受光素子ＺＤの検出面は、図１１（Ａ）に示されるように、全体として正方形で、その２本の対角線を分離線として、４つの検出領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに等分割されている。検出面の中心をＯＺＤとする。
【００８３】
ここで、図９（Ａ）に実線で示される理想フォーカス状態（ピントの合った状態、デフォーカス量ΔＬ＝０）、すなわち計測ビームＬＢ1が計測面Ｓ0上に焦点を結ぶ状態では、反射ビームＬＢ2の検出面上での断面形状は、図１１（Ｃ）に示されるように、中心ＯＺＤを中心とする円形となる。また、図９（Ａ）において、計測ビームＬＢ1の焦点に対して計測面Ｓ1が手前（＋Ｚ側）に位置する、いわゆる後ピン状態（ΔＬ＜０）では、反射ビームＬＢ2の検出面上での断面形状は、図１１（Ｂ）に示されるような中心ＯＺＤを中心とする横長の長円形となる。また、図９（Ａ）において、計測ビームＬＢ1の焦点に対して計測面Ｓ-1が奥側（−Ｚ側）に位置する、いわゆる前ピン状態（ΔＬ＞０）では、反射ビームＬＢ2の検出面上での断面形状は、図１１（Ｄ）に示されるような中心ＯＺＤを中心とする縦長の長円形となる。
【００８４】
四分割受光素子ＺＤ（検出部ＦＳ3）に接続された第１演算回路（図１０参照）ＣＣ１では、４つの検出領域ａ，ｂ，ｃ，ｄで受光する光の強度（それぞれＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄと表記する）から、次のフォーカスエラーＩを算出する。
【００８５】
Ｉ＝（Ｉａ＋Ｉｃ）−（Ｉｂ＋Ｉｄ）    …（７）
そして、駆動部（図１０参照）ＤＰに出力する。
【００８６】
図１２には、フォーカスエラーＩとデフォーカス量ΔＺ（上述の理想フォーカス状態を基準とする、計測ビームＬＢ１の焦点と計測面Ｓの離間距離ΔＬ）との関係が、図示されている。上述の理想フォーカス状態（ΔＺ＝０、すなわちΔＬ＝０）では、４つの検出領域のそれぞれにおけるビーム断面の面積は互いに等しいので、式（７）より、Ｉ＝０が得られる。また、後ピン状態（ΔＬ＜０）ではＩ＜０、前ピン状態（ΔＬ＞０）ではＩ＞０が得られる。
【００８７】
駆動部ＤＰは、図１０に示されるように、第１演算回路ＣＣ１よりフォーカスエラー（出力信号）Ｉを受信し、Ｉ＝０を再現するように、フォーカスセンサＦＳを格納したセンサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動する。この駆動部ＤＰの動作により、計測面ＳのＺ変位に追従して、センサ本体ＺＨも変位するため、計測ビームが計測面Ｓ上で焦点を結ぶ状態で、センサ本体ＺＨと計測面Ｓの間の距離が常に一定（ΔＬ＝０）に保たれる、すなわちフォーカスロック状態が保たれる。この駆動部ＤＰの動作（フォーカスサーボ制御）により、計測面Ｓの面位置を計測することができる。なお、フォーカスセンサＦＳの光学系の焦点位置を所望の位置に調整するために、例えば対物レンズＯＬを駆動する駆動系などを設けても良い。
【００８８】
また、駆動部ＤＰは、計測部ＺＥの計測結果が外部から入力される目標値に一致するように、センサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動し、位置決めすることもできる。この時、図１０に示されるように、計測部ＺＥの計測結果と目標値との差ΔＺから決まるフォーカスエラーの修正量ΔＩが、信号処理選択装置１７０から駆動部ＤＰに送信される（上述のフォーカスロック状態ではΔＩ＝０が送信されている）。駆動部ＤＰは、第１演算回路ＣＣ１から送信されるフォーカスエラー（出力信号）Ｉと、信号処理選択装置１７０から送信される修正量ΔＩとの和Ｉ＋ΔＩ＝０を再現するように、フォーカスセンサＦＳを格納したセンサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動する。従って、実際の計測面Ｓの面位置とは異なる位置に、計測ビームの焦点を位置させることもできる。この駆動部ＤＰの動作（スケールサーボ制御）により、後述するＺヘッドの起動処理等を実行することができる。
【００８９】
なお、Ｚヘッド７６では、センサ本体ＺＨ及び計測部ＺＥは、ともに不図示の筐体内部に格納されており、また計測ビームＬＢ1の筐体外部に露出する部分の光路長も極短いため、空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、Ｚヘッドを含むセンサは、例えばレーザ干渉計と比較しても、空気が揺らぐ程度の短い期間における計測安定性（短期安定性）に格段に優れている。
【００９０】
前述の通り、本実施形態の面位置計測システム１８０では、計測面（Ｙスケール３９Ｙ１，３９Ｙ2）の面積が有限であるため、主制御装置２０は、ウエハステージＷＳＴの移動に伴い、複数のＺヘッドの中から計測ビームＬＢ１の照射点が対応するＹスケール上に位置するＺヘッドを切り換えて使用している。従って、ヘッドユニット６２ＡのＺヘッド７６（７６1〜７６5）も、ウエハステージＷＳＴの移動に伴い、計測ビームＬＢ1の照射点がＹスケール３９Ｙ1上に位置するＺヘッド７６が、切り換えて使用される。ここで、計測ビームＬＢ１の照射点がＹスケール３９Ｙ1から外れる際には、反射ビームＬＢ２の強度Ｉ（すなわち出力Ｉａ〜Ｉｄ）は有限の値から零に、急激に変化する。逆に計測ビームＬＢ1の照射点が外部からＹスケール３９Ｙ1内に入る際には、反射ビームＬＢ２の強度Ｉ（すなわち出力Ｉａ〜Ｉｄ）が急激に変化する。さらに、計測ビームＬＢ１の照射断面が部分的にＹスケール３９Ｙ１から外れるため、出力Ｉａ〜Ｉｄが非一様に変化し、それによりフォーカスエラーが誤算出される。このように反射ビームＬＢ２の強度Ｉが急激に変化する状況では、さらに出力Ｉａ〜Ｉｄが非一様に変化する状況では、駆動部ＤＰはセンサ本体ＺＨをＹスケールに対して十分かつ正確に追従駆動できないため、上述のフォーカスサーボ制御により不安定動作が誘発される恐れがある。また、計測ビームＬＢ１の照射点がＹスケール３９Ｙ1から外れた状態では、駆動部ＤＰはセンサ本体ＺＨをＹスケール３９Ｙ1に対して追従駆動できないため、上述のフォーカスサーボ制御により不安定動作が誘発される蓋然性がさらに高い。
【００９１】
そこで、本実施形態では、フォーカスサーボ制御を一時的に停止してスケールサーボ制御を行うべき領域（以下、便宜上、フォーカスサーボ一時停止領域と呼ぶ）が、Ｙスケール３９Ｙ１上に、予め設定されている。フォーカスサーボ一時停止領域として、上述のフォーカスサーボ制御が有効に機能する程度には、反射ビームＬＢ２の強度が安定しないＹスケール３９Ｙ１上の領域が選ばれている。そして、主制御装置２０が、以下に説明するように、フォーカスサーボ制御とスケールサーボ制御とを切り換えることにより、面位置計測システム１８０の安定な稼動（面位置計測システム１８０の計測値を用いたウエハステージＷＳＴの安定な位置のサーボ制御）を実現している。
【００９２】
ここで、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）、図１４、及び図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）に基づいて、本実施形態における、フォーカスサーボ制御とスケールサーボ制御とを切り換えて利用するＺヘッドの安定な起動手順について、説明する。
【００９３】
図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）には、ウエハステージＷＳＴが＋Ｘ方向に移動し、それに伴いＺヘッド７６がＹスケール３９Ｙ１に対向する状況が表されている。前提として、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に示されるように、Ｙスケール３９Ｙ1には、そのＸ軸方向の両端部の所定幅の帯状領域（図中の陰影の無い領域）から成るフォーカスサーボ一時停止領域ＦＳＵ1、ＦＳＵ2が、設定されているものとする。
【００９４】
図１３（Ａ）には、起動前のＺヘッド７６の状態、すなわちＺヘッド７６が対応するＹスケール３９Ｙ1に対向していない状態が示されている。この状態では、Ｚヘッド７６の計測ビームＬＢ1は、Ｙスケール３９Ｙ１上に照射されていないので、Ｚヘッド７６が受光する反射ビームＬＢ２の強度ＩＲは、図１４中に点ａで示されるように、零である。なお、図１４において、横軸はＹスケール３９Ｙ1（ウエハステージＷＳＴ）のＸ位置である。そこで、図１３（Ａ）の状態では、主制御装置２０は、Ｚヘッド７６を停止状態に置く。停止状態では、図１５（Ａ）に示されるように、センサ本体ＺＨは退避位置に位置決めされる。そのため、計測部ＺＥは、センサ本体ＺＨの退避位置に対応して定義される基準面位置（原点）Ｓ０を計測結果として出力する。
【００９５】
ここで、上記の説明では、Ｚヘッドの起動前の状態、すなわち図１３（Ａ）及び図１５（Ａ）に示されるように、Ｚヘッド７６が対応するＹスケール３９Ｙ1に対向していない状態では、Ｚヘッドを停止状態に置くこととした。しかし、停止状態に置くことは、面位置計測システム１８０を安定に稼動する目的においては、本質的なことではない。従って、Ｚヘッド７６が対応するＹスケール３９Ｙ1に対向していない状態で、Ｚヘッド７６を、次に説明する待機状態に置くこととしても良い。
【００９６】
図１３（Ａ）の状態からウエハステージＷＳＴが＋Ｘ方向に移動すると、Ｚヘッド７６がＹスケール３９Ｙ1に対向し始める。図１３（Ｂ）には、Ｚヘッド７６の計測ビームＬＢ１（以下、適宜、計測ビームＬＢとも記述する）の照射点（有限の面積を有する断面）が、Ｙスケール３９Ｙ1の＋Ｘ端部のフォーカスサーボ一時停止領域ＦＳＵ1に位置している状態が示されている。この状態は、計測ビームＬＢ１の照射点がＹスケール３９Ｙ1上に進入している最中でもある。このとき、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲは、図１４中の点ｂで示されるように、急激に増大している。そこで、主制御装置２０は、図１５（Ｂ）に示されるように、Ｚヘッド７６のスケールサーボ制御を開始する。なお、スケールサーボ制御されている状態を待機状態と呼ぶ。この場合において、主制御装置２０は、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲを検出してＺヘッド７６のスケールサーボ制御を開始するのではなく、Ｙスケール３９Ｙ１上の計測ビームＬＢ１の照射点が、フォーカスサーボ一時停止領域ＦＳＵ1上にあることを確認した段階で、Ｚヘッド７６のスケールサーボ制御を開始する。Ｙスケール３９Ｙ１上の計測ビームＬＢ１の照射点の位置は、ウエハステージＷＳＴの位置から求めることができる。ここで、主制御装置２０は、ウエハステージＷＳＴの位置として、エンコーダシステム１５０（若しくは干渉計システム１１８）の計測結果を用いる。
【００９７】
スケールサーボ制御を開始するに際し、主制御装置２０は、ウエハステージＷＳＴの３自由度（Ｚ，θｙ，θｘ）方向の位置から、前述した式（２）を用いて、Ｚヘッド７６の計測値ＺR（すなわち、Ｙスケール３９Ｙ1の予想面位置Ｓ）を予想する。ここで、式（２）内のｐR，ｑRには、Ｚヘッド７６のＸ，Ｙ設置位置を代入する。そして、主制御装置２０は、図１５（Ｂ）に示されるように、Ｚヘッド７６の計測部ＺＥが予想面位置Ｓを出力するように、駆動部ＤＰを介してセンサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動し、計測ビームＬＢ１の焦点を予想面位置Ｓに位置させる。そして、主制御装置２０は、Ｚヘッド７６のスケールサーボ制御を開始する。以上の処理により、Ｚヘッド７６の待機状態への移行が完了する。
【００９８】
なお、主制御装置２０は、Ｚヘッド７６がＹスケール３９Ｙ1に対向し始めるのではなく、Ｚヘッド７６がＹスケール３９Ｙ1（すなわちウエハステージＷＳＴ）から所定の距離内に入るのを確認して、Ｚヘッド７６を待機状態に移行させる（すなわち、Ｚヘッド７６のスケールサーボ制御を開始する）こととしても良い。ここで、Ｚヘッド７６とＹスケール３９Ｙ1の距離は、エンコーダシステム１５０（若しくは干渉計システム１１８）の計測結果より、確認する。この取り扱いは、Ｚヘッド７６を起動するのに要する時間が長い場合に有効である。
【００９９】
待機状態への移行が完了した状態では、計測ビームＬＢ１の焦点の位置がＹスケール３９Ｙ1の予想面位置Ｓに一致している。ここで、予想面位置Ｓは、ウエハステージＷＳＴの３自由度（Ｚ，θｙ，θｘ）方向の動きとともに、変位する。主制御装置２０は、上述のスケールサーボ制御中、Ｚヘッド７６の計測部ＺＥがその出力として予想面位置Ｓを維持するように、駆動部ＤＰを介してセンサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動する。従って、スケールサーボ制御中、予想面位置Ｓの変化に追従して、Ｚヘッド７６のセンサ本体ＺＨもＺ軸方向に変位する。このような状態で、主制御装置２０は、作動状態へ移行させるまで、Ｚヘッド７６を待機させる。
【０１００】
図１３（Ｂ）の状態からウエハステージＷＳＴがさらに＋Ｘ方向に移動すると、Ｚヘッド７６がＹスケール３９Ｙ1に完全に対向する。図１３（Ｃ）には、Ｚヘッド７６の計測ビームＬＢ１の照射点（有限の面積を有する断面）が、ほぼ、Ｙスケール３９Ｙ1内に進入した状態、すなわちＺヘッド７６の計測ビームＬＢの照射点（有限の面積を有する断面）が、Ｙスケール３９Ｙ1上のフォーカスサーボ一時停止領域ＦＳＵ1から外れ、該フォーカスサーボ一時停止領域ＦＳＵ1の−Ｘ側のＹスケール３９Ｙ1上の領域に位置している状態が示されている。この図１３（Ｃ）の状態では、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲは、図１４中の点ｃで示されるように、最大強度に近づき、その変化も緩やかになっている。このとき、主制御装置２０は、信号処理選択装置１７０を介して第１演算回路ＣＣ１で算出されるＺヘッド７６のフォーカスエラーＩが、ほぼ零であるか否かを確認することにより、Ｙスケール３９Ｙ1の予想面位置Ｓ（すなわち、Ｚヘッド７６の計測ビームＬＢ１の焦点のＺ位置）が実際のＹスケール３９Ｙ1の面位置に一致しているか否かを判断する。そして、Ｚヘッド７６のフォーカスエラーＩが、ほぼ零であることが確認された場合には、主制御装置２０は、図１５（Ｃ）に示されるように、Ｚヘッド７６のフォーカスサーボ制御を開始する。以上の処理により、Ｚヘッド７６の待機状態から作動状態への移行が完了する。なお、図１３（Ｃ）では、Ｚヘッド７６が作動状態にあることが、黒丸を用いて表されている。
【０１０１】
図１３（Ｃ）の状態からウエハステージＷＳＴがさらに＋Ｘ方向に移動すると、図１３（Ｄ）に示されるように、Ｚヘッド７６の計測ビームＬＢ１の照射点がＹスケール３９Ｙ1のＸ軸方向の中央の陰影が付された領域に位置する状態が続く。計測ビームＬＢ1の照射点がＹスケール３９Ｙ1の陰影が付された領域に位置する間、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲは、図１４中の点ｄで示されるように、ほぼ最大強度をとり、その変化も十分微小になっている。そこで、主制御装置２０は、計測ビームＬＢ１の照射点がＹスケール３９Ｙ1の陰影が付された領域に位置する間、図１５（Ｄ）に示されるように、Ｚヘッド７６のフォーカスサーボ制御を続行する。このフォーカスサーボ制御が続行されている間、Ｚヘッド７６は、計測値ＺRとして、計測部ＺＥで計測されるＹスケール３９Ｙ1の面位置Ｓを、出力する。
【０１０２】
なお、図１３（Ｄ）の状態からウエハステージＷＳＴがさらに＋Ｘ方向に移動し、あるいは−Ｘ方向に移動すると、このウエハステージＷＳＴの移動に伴い、Ｚヘッド７６の計測ビームＬＢの照射点がＹスケール３９Ｙ１上のフォーカスサーボ一時停止領域ＦＳＵ2、あるいはＦＳＵ1に位置するが、その際には、主制御装置２０は、上述の手順と逆の手順に従って、Ｚヘッド７６を作動状態から待機状態へと（さらに停止状態へと）移行させる。すなわち、主制御装置２０は、Ｚヘッド７６のフォーカスサーボ制御を停止し、スケールサーボ制御を開始する（さらにスケールサーボ制御を停止する）。
【０１０３】
Ｙスケール３９Ｙ１上のフォーカスサーボ一時停止領域として、前述の通り、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲ（すなわち出力Ｉａ〜Ｉｄ）が安定しない領域（例えば、前述した領域ＦＳＵ1、ＦＳＵ2）を選ぶことにより、この一時停止領域ＦＳＵ1、ＦＳＵ2以外のＹスケール３９Ｙ1上の領域は、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲ（すなわち出力Ｉａ〜Ｉｄ）が十分安定する領域となる。このため、主制御装置２０は、前述した手順に従って、Ｚヘッド７６をフォーカスサーボ制御を一時停止してスケールサーボ制御に切り換える、あるいはこの反対にスケールサーボ制御からフォーカスサーボ制御に切り換えることで、Ｚヘッド７６の不安定動作を回避する。ここで、図１６（Ａ）に示されるように、Ｙスケール３９Ｙ１上の回折格子が損傷した領域（ここでは、Ｚヘッドの計測ビームＬＢ1をまともに反射できない程度に損傷した領域を意味する）ＤＡに計測ビームＬＢ１を照射する、あるいは図１６（Ｂ）に示されるように、Ｙスケール３９Ｙ１上に付着した異物ＤＰ等によって計測ビームＬＢ1が遮られる、といった異常時においても、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲは急激に変化する。また、通常、スケールの内部には、Ｚヘッド（及びエンコーダヘッド）のＸ，Ｙ設置位置を定めるための位置出しパターンが設けられている。位置出しパターンは、例えば図１６（Ｂ）に示されるパターン３９Ｙ３のように、回折格子及び反射面が形成されていない間隙を挟んでＹスケール３９Ｙ１の内部に設けられる。ここで、位置出しパターン３９Ｙ３を囲む間隙に計測ビームＬＢ１が照射される場合にも、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲ（すなわち出力Ｉａ〜Ｉｄ）は急激に変化する。そこで、本実施形態では、さらに、回折格子が損傷した領域ＤＡ、異物ＤＰが付着した領域、位置出しパターン３９Ｙ３の近傍領域が、Ｙスケール３９Ｙ1上のフォーカスサーボ一時停止領域に定められている。
【０１０４】
ヘッドユニット６２Ｃが備えるＺヘッド７４（７４1〜７４5），及びＺヘッド７２（７２ａ〜７２ｄ）も、Ｚヘッド７６と同様に構成され、Ｙスケール３９Ｙ２上にも、上述したＹスケール３９Ｙ１と同様に、フォーカスサーボ一時停止領域（スケールの非計測方向の両端部の領域ＦＳＵ1，ＦＳＵ2、回折格子が損傷した領域ＤＡ、異物ＤＰが付着した領域、位置出しパターン３９Ｙ３の近傍領域など）が、定められている。そして、主制御装置２０によって、前述と同様の手順に従って、Ｚヘッドのフォーカスサーボ制御を一時停止してスケールサーボ制御に切り換える、あるいはこの反対にスケールサーボ制御からフォーカスサーボ制御に切り換える、サーボ制御モードの切り換えが行われる。
【０１０５】
従って、本実施形態の露光装置１００によると、Ｚヘッド７６，７４，７２ａ〜７２ｄの不安定動作を回避し、面位置計測システム１８０の安定な稼動、ひいてはウエハステージＷＳＴの安定な駆動制御が可能となる。
【０１０６】
なお、本実施形態の露光装置１００では、各スケール上に付着した異物を検出するための異物検出器が設けられても良い。そして、主制御装置２０は、その異物検出器を用いて、露光動作に先立って（あるいは露光動作と並行して）、各スケール上の異物を検出することとしても良い。また、主制御装置２０は、露光動作に先立って、回折格子の状態を診断することとしても良い。そして、主制御装置２０は、異物が検出されたスケール上の領域、及び回折格子の異常が検出されたスケール上の領域を、前述した一時停止領域に定めても良い。
【０１０７】
また、主制御装置２０は、図１４に示される、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲを監視することによって、Ｙスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2上のフォーカスサーボ一時停止領域を定めても良い。主制御装置２０は、例えば、露光動作に先立って、いずれかのＺヘッドを用いて対応するスケール（Ｙスケール３９Ｙ1又は３９Ｙ2）の全面に計測ビームＬＢ１を照射し、出力ビームＬＢ２の強度ＩＲを監視する。あるいは、主制御装置２０は、露光動作と並行して、対応するスケールに計測ビームＬＢ１を照射しているＺヘッドの反射ビームＬＢ２の強度ＩＲを監視する。そして、主制御装置２０は、強度の変化が著しい領域、あるいは強度が一定強度（最大強度から定められる）以下である領域を、スケール上のフォーカスサーボ一時停止領域と定める。この処理は、上述の異物の検出及び回折格子の状態の診断を兼ねることも可能である。
【０１０８】
なお、反射ビームＬＢ２の強度ＩＲは、各ＺヘッドのフォーカスセンサＦＳの検出部ＦＳ3（四分割受光素子ＺＤ）からの出力Ｉａ〜Ｉｄを用いて、次のように求めることができる。
【０１０９】
ＩＲ＝Ｉａ＋Ｉｃ＋Ｉｂ＋Ｉｄ    …（８）
そこで、本実施形態では、図１０に示されるように、フォーカスセンサＦＳに強度ＩＲを算出する第２演算回路ＣＣ２が接続されている。第２演算回路ＣＣ２の算出結果（強度ＩＲ）は、信号処理・選択装置１７０を介して主制御装置２０に供給される。
【０１１０】
そして、主制御装置２０は、例えば露光時には、前述した手順で、少なくとも各１つのＺヘッド７４i，７６j（ｉ，ｊは１〜５のいずれか）の計測値を用いて、ウエハテーブルＷＴＢ上面上の基準点における、ウエハステージＷＳＴの高さＺ０とローリングθｙを算出する。
【０１１１】
なお、Ｚヘッド７２ａ〜７２ｄ，７４i（ｉ＝１〜５），７６j（ｊ＝１〜５）について、有効な計測結果が必要数に満たない場合、主制御装置２０は、面位置計測システム１８０に替えて干渉計システム１１８を用いてウエハステージＷＳＴの位置を計測する。このような状況は、特に、Ｚヘッドの計測ビームが、図１６（Ａ）に示されるスケール上の回折格子が損傷した領域ＤＡ、図１６（Ｂ）に示される異物ＤＰが付着した領域、位置出しパターン３９Ｙ３の近傍領域、に照射される際に起こり得る。
【０１１２】
以上詳細に説明したように、本実施形態の露光装置１００によると、主制御装置２０により、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に関する位置情報の計測に用いられている複数のＺヘッドそれぞれの計測ビームＬＢ1の照射点が計測面であるＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2上面（正確には、Ｙスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2を構成する反射型回折格子の面）の長手方向に直交する方向の端部を含むフォーカスサーボ一時停止領域以外のＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2上の領域に位置するときには、そのＺヘッドがＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2上面のＺ軸方向に関する位置の変化に応じたＺ位置情報を出力するフォーカスサーボ状態とされる一方、計測ビームＬＢ1の照射点がＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ外又はＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ上のフォーカスサーボ一時停止領域に位置するときには、ウエハステージＷＳＴの３自由度（Ｚ，θｙ，θｘ）方向の位置から、前述した式（１）又は式（２）を用いて算出される、Ｚヘッド７４，７６の計測値ＺL，ＺR（すなわち、Ｙスケール３９Ｙ2，３９Ｙ1の予想面位置Ｓ（所定の位置情報の目標値））を出力するスケールサーボ状態とされる。そして、主制御装置２０により、フォーカスサーボ状態にある少なくとも１つのＺヘッドから出力されるＺ位置情報に基づいてウエハステージＷＳＴが駆動される。ここで、フォーカスサーボ一時停止領域には、Ｙスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2の端部のように、反射ビームＬＢ2の強度が急激に変化するあるいは不安定になるＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2の面上の領域が含まれる。
【０１１３】
従って、主制御装置２０により、計測ビームＬＢ1の照射点が反射ビームＬＢ2の強度ＩRが十分安定するＹスケール３９Ｙ1，３９Ｙ2の上面上の領域（有効領域）内に位置するＺヘッドのみがフォーカスサーボ状態とされ、そのフォーカスサーボ状態にある少なくとも１つのＺヘッドから出力されるＺ位置情報に基づいてウエハステージＷＳＴがＺ軸方向に駆動される。これにより、Ｚヘッドの不安定動作を回避できるとともに、面位置計測システム１８０の安定な稼動、ひいてはウエハステージＷＳＴのＺ軸方向（及びＸＹ平面に対する傾斜方向（少なくともθｙ方向））に関する高精度な駆動が可能になる。この結果、レチクルＲのパターンをデフォーカスの無い露光により、ウエハＷ上の複数のショット領域に精度良く転写することが可能になる。
【０１１４】
なお、上記実施形態で説明した面位置計測システムなどの各計測装置の構成は一例に過ぎず、本発明がこれに限定されないことは勿論である。例えば、上記実施形態では、ウエハテーブル（ウエハステージ）上に計測面（Ｙスケール、Ｘスケール）を設け、これに対向してＸヘッド、Ｙヘッド、Ｚヘッドをウエハステージの外部に配置する構成の計測システムを採用した場合について例示したが、これに限らず、例えば米国特許出願公開第２００６／０２２７３０９号明細書などに開示されているように、ウエハステージにＸヘッド、Ｙヘッド、Ｚヘッドを設け、これに対向してウエハステージの外部に計測面（例えば２次元格子又は２次元に配置された１次元格子）を配置する構成の計測システムを採用しても良い。
【０１１５】
また、上記実施形態では、例えばヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃの内部にエンコーダヘッドとＺヘッドとが、別々に設けられている場合について説明したが、エンコーダヘッドとＺヘッドとの機能を備えた単一のヘッドを、エンコーダヘッドとＺヘッドの組に代えて用いても良い。
【０１１６】
また、上記実施形態では、フォーカスセンサＦＳ、フォーカスセンサＦＳを収納したセンサ本体ＺＨ、センサ本体ＺＨをＺ軸方向に駆動する駆動部ＤＰ、及びセンサ本体ＺＨのＺ軸方向の変位を計測する計測部ＺＥ等を備えたＺヘッドを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。すなわち、Ｚヘッドは、計測面のＺ軸方向に関する位置の変化（変位）に応じたＺ位置情報を出力する第１の状態と、所定の位置情報の目標値の出力を維持する第２の状態とで、状態切り換えが可能であれば、その構成は問わない。
【０１１７】
また、上述の実施形態では、本発明が、液体（水）を介さずにウエハＷの露光を行うドライタイプの露光装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレット、欧州特許出願公開第１,４２０,２９８号明細書、国際公開第２００４／０５５８０３号パンフレット、特開２００４−２８９１２６号公報（対応米国特許第６,９５２,２５３号明細書）などに開示されているように、投影光学系とウエハとの間に照明光の光路を含む液浸空間を形成し、投影光学系及び液浸空間の液体を介して照明光でウエハを露光する露光装置にも本発明を適用することができる。また、例えば国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレット（対応米国特許出願公開第２００８／０８８４３号明細書）に開示される、液浸露光装置などにも、本発明を適用することができる。この国際公開第２００７／０９７３７９号パンフレット（対応米国特許出願公開第２００８／０８８４３号明細書）に開示される液浸露光装置では、ウエハステージに設けられた計測面（スケール）に計測ビームを照射し、その反射光を受光することによって、計測面に垂直な方向に関する計測面の面位置を計測する面位置計測システムが採用されている。かかる露光装置では、回収されずにスケール上に残った液浸液（液体）が、異物として、計測システムを構成するヘッドの計測ビームを遮ることが頻繁に起こり得るので、上記実施形態の方法は有用である。
【０１１８】
また、上記実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式等の走査型露光装置に本発明が適用された場合について説明したが、これに限らず、ステッパなどの静止型露光装置に本発明を適用しても良い。ステッパなどであっても、露光対象の物体が搭載されたステージの位置を上記実施形態と同様に、面位置計測システムを用いて計測することができるので、同様の効果を得ることができる。また、ショット領域とショット領域とを合成するステップ・アンド・スティッチ方式の縮小投影露光装置、プロキシミティー方式の露光装置、又はミラープロジェクション・アライナーなどにも本発明は適用することができる。さらに、例えば米国特許第６，５９０，６３４号明細書、米国特許第５，９６９，４４１号明細書、米国特許第６，２０８，４０７号明細書などに開示されているように、複数のウエハステージを備えたマルチステージ型の露光装置にも本発明を適用できる。また、例えば国際公開第２００５／０７４０１４号パンフレットなどに開示されているように、ウエハステージとは別に、計測部材（例えば、基準マーク、及び／又はセンサなど）を含む計測ステージを備える露光装置にも本発明は適用が可能である。
【０１１９】
また、上記実施形態の露光装置における投影光学系は縮小系のみならず等倍及び拡大系のいずれでも良いし、投影光学系ＰＬは屈折系のみならず、反射系及び反射屈折系のいずれでも良いし、その投影像は倒立像及び正立像のいずれでも良い。また、前述の照明領域及び露光領域はその形状が矩形であるものとしたが、これに限らず、例えば円弧、台形、あるいは平行四辺形などでも良い。
【０１２０】
なお、上記実施形態の露光装置の光源は、ＡｒＦエキシマレーザに限らず、ＫｒＦエキシマレーザ（出力波長２４８ｎｍ）、Ｆ2レーザ（出力波長１５７ｎｍ）、Ａｒ2レーザ（出力波長１２６ｎｍ）、Ｋｒ2レーザ（出力波長１４６ｎｍ）などのパルスレーザ光源、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）などの輝線を発する超高圧水銀ランプなどを用いることも可能である。また、ＹＡＧレーザの高調波発生装置などを用いることもできる。この他、例えば米国特許７,０２３,６１０号明細書に開示されているように、真空紫外光としてＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。
【０１２１】
また、上記実施形態では、露光装置の照明光ＩＬとしては波長１００ｎｍ以上の光に限らず、波長１００ｎｍ未満の光を用いても良いことはいうまでもない。例えば、近年、７０ｎｍ以下のパターンを露光するために、ＳＯＲやプラズマレーザを光源として、軟Ｘ線領域（例えば５〜１５ｎｍの波長域）のＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光を発生させるとともに、その露光波長（例えば１３．５ｎｍ）の下で設計されたオール反射縮小光学系、及び反射型マスクを用いたＥＵＶ露光装置の開発が行われている。この装置においては、円弧照明を用いてマスクとウエハを同期走査してスキャン露光する構成が考えられるので、かかる装置にも本発明を好適に適用することができる。この他、電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いる露光装置にも、本発明は適用できる。
【０１２２】
また、上述の実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン（又は位相パターン・減光パターン）を形成した光透過型マスク（レチクル）を用いたが、このレチクルに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号明細書に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて、透過パターン又は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスク（可変成形マスク、アクティブマスク、あるいはイメージジェネレータとも呼ばれ、例えば非発光型画像表示素子（空間光変調器）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを含む）を用いても良い。
【０１２３】
また、例えば干渉縞をウエハ上に形成することによって、ウエハ上にライン・アンド・スペースパターンを形成する露光装置（リソグラフィシステム）にも本発明を適用することができる。
【０１２４】
さらに、例えば米国特許第６，６１１，３１６号明細書に開示されているように、２つのレチクルパターンを投影光学系を介してウエハ上で合成し、１回のスキャン露光によってウエハ上の１つのショット領域をほぼ同時に二重露光する露光装置にも本発明を適用することができる。
【０１２５】
なお、上記実施形態でパターンを形成すべき物体（エネルギビームが照射される露光対象の物体）はウエハに限られるものではなく、ガラスプレート、セラミック基板、フィルム部材、あるいはマスクブランクスなど、他の物体でも良い。
【０１２６】
露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光装置、有機ＥＬ、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシン及びＤＮＡチップなどを製造するための露光装置にも広く適用できる。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、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又は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。
【０１２７】
半導体素子などの電子デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置（パターン形成装置）によりマスク（レチクル）のパターンをウエハに転写するリソグラフィステップ、露光されたウエハを現像する現像ステップ、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト除去ステップ、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、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。この場合、リソグラフィステップで、上記実施形態の露光装置を用いて前述の露光方法が実行され、ウエハ上にデバイスパターンが形成されるので、高集積度のデバイスを生産性良く製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の露光方法及び露光装置は、物体上にパターンを形成するのに適している。また、本発明のデバイス製造方法は、半導体素子又は液晶表示素子などの電子デバイスを製造するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】一実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】ウエハステージを示す平面図である。
【図３】図１の露光装置が備えるステージ装置及び干渉計の配置を示す平面図である。
【図４】図１の露光装置が備える干渉計システム以外の計測装置をウエハステージとともに示す平面図である。
【図５】エンコーダヘッド（Ｘヘッド、Ｙヘッド）とアライメント系の配置を示す平面図である。
【図６】Ｚヘッドと多点ＡＦ系の配置を示す平面図である。
【図７】一実施形態に係る露光装置の制御系の主要な構成を示すブロック図である。
【図８】Ｚヘッドの構成の一例を概略的に示す図である。
【図９】図９（Ａ）はフォーカスセンサの構成の一例を示す図、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は円筒レンズの形状及び機能を説明するための図である。
【図１０】Ｚヘッドの構成の一例を、信号処理選択装置とともに示すブロック図である。
【図１１】図１１（Ａ）は四分割受光素子の検出領域の構成を示す図、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）、及び図１１（Ｄ）は、それぞれ、前ピン状態、理想フォーカス状態、及び後ピン状態での反射ビームＬＢ2の検出面上での断面形状を示す図である。
【図１２】非点収差法におけるフォーカスエラーＩとデフォーカス量ΔＬとの関係（Ｓ字カーブ）を示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、Ｚヘッドがスケールに対向する際の、Ｚヘッドの起動手順を説明するための図である。
【図１４】図１４は、Ｚヘッドがスケールに対向する際の、Ｚヘッドが受光する反射ビームの強度の変化を示す図である。
【図１５】図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）は、Ｚヘッドがスケールに対向する際の、Ｚヘッドの起動手順を説明するための図である。
【図１６】図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）は、スケール上の有効領域を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１０…照明系、２０…主制御装置、３９Ｙ1，３９Ｙ2…Ｙスケール、５０…ステージ装置、６２Ａ〜６２Ｆ…ヘッドユニット、７２ａ〜７２ｄ，７４，７６…Ｚヘッド、１００…露光装置、１２４…ステージ駆動系、１７０…信号処理・選択装置、１８０…面位置計測システム、２００…計測システム、ＰＬ…投影光学系、ＰＵ…投影ユニット、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、ＷＴＢ…ウエハテーブル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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