JPH1090176A - 測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法 - Google Patents
測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法Info
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- JPH1090176A JPH1090176A JP9222801A JP22280197A JPH1090176A JP H1090176 A JPH1090176 A JP H1090176A JP 9222801 A JP9222801 A JP 9222801A JP 22280197 A JP22280197 A JP 22280197A JP H1090176 A JPH1090176 A JP H1090176A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 測定経路内のガスの屈折率の変動をステージ
の動作に実質的に影響されないで測定する装置及び方法
を提供する。 【解決手段】 測定経路（６６）における、例えば空気
のようなガスの屈折率における変動を測定する測定装置
は、これらの変動に無関係に対象物体（６７）の変位
（displacement）を測定するのに使用できる。コヒーレ
ント光（１，４）の光源は、測定経路（６６）に沿って
実質的に互いに調波関係を有する光源波長（λ1，λ2）
を備えた２つの光源光線（１１，１２）を供給する。光
線（１１，１２）は、測定経路（６６）に沿った実質的
に動作に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相を
供給するため、調波関係を有する光源波長に同様に調波
関係を有するよう供給された光源波長に基づく変更ヘテ
ロダイン移相を提供すべく電子的処理（９８，９８１，
９８２，９８３，９８４，９８５）が施される。
の動作に実質的に影響されないで測定する装置及び方法
を提供する。 【解決手段】 測定経路（６６）における、例えば空気
のようなガスの屈折率における変動を測定する測定装置
は、これらの変動に無関係に対象物体（６７）の変位
（displacement）を測定するのに使用できる。コヒーレ
ント光（１，４）の光源は、測定経路（６６）に沿って
実質的に互いに調波関係を有する光源波長（λ1，λ2）
を備えた２つの光源光線（１１，１２）を供給する。光
線（１１，１２）は、測定経路（６６）に沿った実質的
に動作に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相を
供給するため、調波関係を有する光源波長に同様に調波
関係を有するよう供給された光源波長に基づく変更ヘテ
ロダイン移相を提供すべく電子的処理（９８，９８１，
９８２，９８３，９８４，９８５）が施される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、測定経路内のガ
スの屈折率の変動を測定する装置及び方法に関する。更
に詳しくはこの発明は、距離及び屈折率測定用光学的機
器であって、測定経路内のガスの屈折率の変動に無関係
な、干渉計法による距離測定、特に電子周波数多重法を
用いた空気の屈折率補正用スーパーヘテロダイン干渉計
及び方法に関する。
スの屈折率の変動を測定する装置及び方法に関する。更
に詳しくはこの発明は、距離及び屈折率測定用光学的機
器であって、測定経路内のガスの屈折率の変動に無関係
な、干渉計法による距離測定、特に電子周波数多重法を
用いた空気の屈折率補正用スーパーヘテロダイン干渉計
及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】計測学
においてしばしば遭遇する問題は、空気柱の屈折率の測
定である。例えば、空気柱が試料セルの中に収容され温
度、圧力及び物理的寸法がモニタされているようなと
き、高度に制御された環境下での空気の屈折率測定のい
くつかの手法が存在する。例えば、J. Terrienによる
“干渉計法長さ計測のための空気屈折計”（An air ref
ractometer for interference length metrology）と題
するMetrologia 1(3)、80〜83（1965年）の論文を見
よ。
においてしばしば遭遇する問題は、空気柱の屈折率の測
定である。例えば、空気柱が試料セルの中に収容され温
度、圧力及び物理的寸法がモニタされているようなと
き、高度に制御された環境下での空気の屈折率測定のい
くつかの手法が存在する。例えば、J. Terrienによる
“干渉計法長さ計測のための空気屈折計”（An air ref
ractometer for interference length metrology）と題
するMetrologia 1(3)、80〜83（1965年）の論文を見
よ。
【０００３】おそらく、空気の屈折率についての最も難
しい測定は、制御されない温度及び圧力のもとで、未知
のまたは変化する長さを有する測定経路にわたる屈折率
の変動を測定することである。このような状況は、地球
物理学上の、あるいは気象学上の測量においてしばしば
生じるが、空気の密度及び組成の変化により大気が当然
のこととして制御されないので、空気の屈折率が劇的に
変化する。この問題は、H. Matsumoto 及びK. Tsukahar
aによる“長距離測定における大気位相変動の影響（Eff
ects of the atmospheric phase fluctuation on longd
istance measurement）と題するAppl、Opt. 23(19) 338
8-3394 (1984)の論文に記載され、また、G. N. Gibson
らにより“大気中の光学的光路長の変動”（Optical pa
th length fluctuation in the atmosphere）と題するA
ppl、Opt. 23 (23)４月、4383-4389 (1984)の論文に記
載されている。
しい測定は、制御されない温度及び圧力のもとで、未知
のまたは変化する長さを有する測定経路にわたる屈折率
の変動を測定することである。このような状況は、地球
物理学上の、あるいは気象学上の測量においてしばしば
生じるが、空気の密度及び組成の変化により大気が当然
のこととして制御されないので、空気の屈折率が劇的に
変化する。この問題は、H. Matsumoto 及びK. Tsukahar
aによる“長距離測定における大気位相変動の影響（Eff
ects of the atmospheric phase fluctuation on longd
istance measurement）と題するAppl、Opt. 23(19) 338
8-3394 (1984)の論文に記載され、また、G. N. Gibson
らにより“大気中の光学的光路長の変動”（Optical pa
th length fluctuation in the atmosphere）と題するA
ppl、Opt. 23 (23)４月、4383-4389 (1984)の論文に記
載されている。
【０００４】空気の屈折率を測定する際に遭遇する他の
問題の例として、例えば集積回路のマイクロリソグラフ
製作において採用されるような高精度の距離測定干渉計
測定である。例としては、N. Bobroffによる“大気乱流
と非直線性によるレーザ干渉計の残余誤差”（Residual
errors in laser interferometry from air turbulenc
e and non-linearity）と題するAppl、Opt. 26 (13)267
6-2682(1987）の論文及び同じくN. Bobroffによる“変
位測定干渉計法における最近の進歩”（Recentadnances
in displacement measuring interferometry）と題す
る「計測科学と技術」（Measurement science & tech.)
4 (9)、907-926 (1993)論文を見よ。
問題の例として、例えば集積回路のマイクロリソグラフ
製作において採用されるような高精度の距離測定干渉計
測定である。例としては、N. Bobroffによる“大気乱流
と非直線性によるレーザ干渉計の残余誤差”（Residual
errors in laser interferometry from air turbulenc
e and non-linearity）と題するAppl、Opt. 26 (13)267
6-2682(1987）の論文及び同じくN. Bobroffによる“変
位測定干渉計法における最近の進歩”（Recentadnances
in displacement measuring interferometry）と題す
る「計測科学と技術」（Measurement science & tech.)
4 (9)、907-926 (1993)論文を見よ。
【０００５】空気の屈折率の変動による補正は、一般的
にその大きさにおいて0.1ppm (100万分率）のオーダー
であり0.005ppmの精度でなければならない。これらの高
精度は、周波数安定化レーザ光源（frequency-stabiliz
ed laser sources）と高解像位相検出を必要とする。
にその大きさにおいて0.1ppm (100万分率）のオーダー
であり0.005ppmの精度でなければならない。これらの高
精度は、周波数安定化レーザ光源（frequency-stabiliz
ed laser sources）と高解像位相検出を必要とする。
【０００６】位相が制御下で時間とともに変化する、位
相評価（phase estimation）のヘテロダイン方式は先行
技術としてしばしば見い出される。例えば、公知の形式
のヘテロダイン距離測定干渉計の先行技術の中で、光源
がわずかに異なる光学的周波数（例えば２ＭＨｚ）を有
する２つの直交偏波を出射するものがある。この場合、
干渉計の受信器は、一般的に時間的に変化する干渉計信
号を測定するための直線偏波器（linear polarinzer）
と光検出器とからなる。その信号はうなり周波数（beat
frequency）で発振され、信号の位相は相対位相差に対
応する。さらにヘテロダイン距離測定干渉計法における
先行技術の代表例としては、G. E. Sommargren及びM. S
chahamの共有に係る米国特許第4,688,940 (1987)に開示
がある。しかしながら、これら公知の形式の干渉計によ
る計測学は、屈折率における変動によって制限され、そ
れら自体では、次世代のマイクロリソグラフ器具として
適切ではない。
相評価（phase estimation）のヘテロダイン方式は先行
技術としてしばしば見い出される。例えば、公知の形式
のヘテロダイン距離測定干渉計の先行技術の中で、光源
がわずかに異なる光学的周波数（例えば２ＭＨｚ）を有
する２つの直交偏波を出射するものがある。この場合、
干渉計の受信器は、一般的に時間的に変化する干渉計信
号を測定するための直線偏波器（linear polarinzer）
と光検出器とからなる。その信号はうなり周波数（beat
frequency）で発振され、信号の位相は相対位相差に対
応する。さらにヘテロダイン距離測定干渉計法における
先行技術の代表例としては、G. E. Sommargren及びM. S
chahamの共有に係る米国特許第4,688,940 (1987)に開示
がある。しかしながら、これら公知の形式の干渉計によ
る計測学は、屈折率における変動によって制限され、そ
れら自体では、次世代のマイクロリソグラフ器具として
適切ではない。
【０００７】距離測定用干渉計の他の公知の形式として
は、J. D. Redman及びM. R. Wallによる“表面までの距
離を測定する干渉計による方法及び装置”（Interferom
etric method and apparatus for measuring distance
to a surface）と題する米国特許第4,005,936号(1977)
の開示がある。RedmanとWallにより教示されたこの先行
技術は、互いが２つの部分に分割された、２つの異なる
波長のレーザ光線を使用することにより構成される。
は、J. D. Redman及びM. R. Wallによる“表面までの距
離を測定する干渉計による方法及び装置”（Interferom
etric method and apparatus for measuring distance
to a surface）と題する米国特許第4,005,936号(1977)
の開示がある。RedmanとWallにより教示されたこの先行
技術は、互いが２つの部分に分割された、２つの異なる
波長のレーザ光線を使用することにより構成される。
【０００８】周波数シフト（frequency shifts）は、そ
れぞれの光線の一部の中に導入される。対象物体からの
それぞれの光線の一部は反射し、１つの干渉計信号を生
成するために１つの光検出器において他の部分と再結合
する。この干渉計信号から、その位相が表面までの距離
の尺度となる１つの差異周波数（difference frequenc
y）が得られる。差異周波数に付随する位相の相当波長
（equivalent wavelength)は、２つのレーザ波長の積を
２つの波長の差で除算したものに等しい。このRedmanと
Wallの先行技術の２波長技術は測定の不確実性を減少す
るが、しかし少なくとも先行技術の単一波長技術と同じ
位に空気の率変動の有害な影響に敏感である。
れぞれの光線の一部の中に導入される。対象物体からの
それぞれの光線の一部は反射し、１つの干渉計信号を生
成するために１つの光検出器において他の部分と再結合
する。この干渉計信号から、その位相が表面までの距離
の尺度となる１つの差異周波数（difference frequenc
y）が得られる。差異周波数に付随する位相の相当波長
（equivalent wavelength)は、２つのレーザ波長の積を
２つの波長の差で除算したものに等しい。このRedmanと
Wallの先行技術の２波長技術は測定の不確実性を減少す
るが、しかし少なくとも先行技術の単一波長技術と同じ
位に空気の率変動の有害な影響に敏感である。
【０００９】RedmanとWallのそれに類似した先行技術の
２つの波長干渉計法の他の例には、R. Da(エーウムラウ
ト)ndlikerとW. Heerburggによる“光学的ヘテロダイン
プロセスを有する２波長干渉計法及び装置と、位置また
は距離測定のための使用法”（Meｔhod and apparatus
for two-wavelength interferometry with optical het
erodyne processes and use for position or range fi
nding）と題する米国特許第4,907,886号に開示がある。
この先行技術のシステムは、R. Da(エーウムラウト)ndl
iker, R. Thalmann及びD. Prongueによる“スーパーヘ
テロダイン検出を用いた２波長レーザ干渉計法”（Two-
wavelength laser interferometry using superheterod
yne detection）と題するOpt. Let. 13 (5), 339-341
(1988)の論文にも記載され、さらにR. Da(エーウムラウ
ト)ndliker, K. Hug, J. Politch及びE. Zimmermannに
よる“多重波長干渉計法による高精度距離測定”（High
-accuracy distance measurements with multiple-wave
length interferometry）と題する論文にも記載されて
いる。
２つの波長干渉計法の他の例には、R. Da(エーウムラウ
ト)ndlikerとW. Heerburggによる“光学的ヘテロダイン
プロセスを有する２波長干渉計法及び装置と、位置また
は距離測定のための使用法”（Meｔhod and apparatus
for two-wavelength interferometry with optical het
erodyne processes and use for position or range fi
nding）と題する米国特許第4,907,886号に開示がある。
この先行技術のシステムは、R. Da(エーウムラウト)ndl
iker, R. Thalmann及びD. Prongueによる“スーパーヘ
テロダイン検出を用いた２波長レーザ干渉計法”（Two-
wavelength laser interferometry using superheterod
yne detection）と題するOpt. Let. 13 (5), 339-341
(1988)の論文にも記載され、さらにR. Da(エーウムラウ
ト)ndliker, K. Hug, J. Politch及びE. Zimmermannに
よる“多重波長干渉計法による高精度距離測定”（High
-accuracy distance measurements with multiple-wave
length interferometry）と題する論文にも記載されて
いる。
【００１０】米国特許第4,907,886号に教示されたDa(エ
ーウムラウト)ndliker らのシステムは、光線のそれぞ
れが音響−光学変調（acousto-optic modulation）によ
り周波数で分離された２つの偏光成分を備えた２波長レ
ーザ光線を使用する。これらの光線がマイケルソン干渉
計を共線的に通過した後、偏光成分は混合され、その結
果ヘテロダイン信号を生成する。ヘテロダイン信号は、
２つの波長のそれぞれに対して異なる周波数を有するの
で、その結果生じるいわゆるスーパーヘテロダイン信号
は、ヘテロダイン周波数における差に等しい周波数と、
２つのレーザ波長の積を２つの波長の差で除算したもの
に等しい相当波長に付随する位相とを有することにな
る。
ーウムラウト)ndliker らのシステムは、光線のそれぞ
れが音響−光学変調（acousto-optic modulation）によ
り周波数で分離された２つの偏光成分を備えた２波長レ
ーザ光線を使用する。これらの光線がマイケルソン干渉
計を共線的に通過した後、偏光成分は混合され、その結
果ヘテロダイン信号を生成する。ヘテロダイン信号は、
２つの波長のそれぞれに対して異なる周波数を有するの
で、その結果生じるいわゆるスーパーヘテロダイン信号
は、ヘテロダイン周波数における差に等しい周波数と、
２つのレーザ波長の積を２つの波長の差で除算したもの
に等しい相当波長に付随する位相とを有することにな
る。
【００１１】米国特許第4,907,886号によれば、このス
ーパーヘテロダイン信号の位相は、測定対象物体の位置
及び相当波長にのみ依存するものと推測される。したが
って、この先行技術のシステムもまた、空気の屈折率の
変動について測定及び補正を行うことが企図されていな
い。
ーパーヘテロダイン信号の位相は、測定対象物体の位置
及び相当波長にのみ依存するものと推測される。したが
って、この先行技術のシステムもまた、空気の屈折率の
変動について測定及び補正を行うことが企図されていな
い。
【００１２】RedmanとWallとによる、及びDa(エーウム
ラウト)ndlikerとHeerburgg（上述した）とによって改
良された先行技術である２波長スーパーヘテロダイン技
術の他の例は、Z. Sodnik, E. Fischer, T. Ittner及び
H. J. Tizianiによる“整合回折格子技術を用いた２波
長ダブルヘテロダイン干渉計法”（Two-wavelength dou
ble heterodyne interferometry using matched gratin
g technique）と題するAppl、Opt. 30 (22), 3139-3144
(1991)の論文と、S. Manhart及びR. Maurerによる“２
重波長ヘテロダイン干渉計法のためのダイオードレーザ
及びファイバ光学”（Diode laser and fiber optics f
or dual-wavelength heterodyne interferometry）と題
するSPIE 1319, 214-216 (1990)の論文に見られる。し
かし、これらの例のいずれもが率変動の問題を挙げてい
ない。
ラウト)ndlikerとHeerburgg（上述した）とによって改
良された先行技術である２波長スーパーヘテロダイン技
術の他の例は、Z. Sodnik, E. Fischer, T. Ittner及び
H. J. Tizianiによる“整合回折格子技術を用いた２波
長ダブルヘテロダイン干渉計法”（Two-wavelength dou
ble heterodyne interferometry using matched gratin
g technique）と題するAppl、Opt. 30 (22), 3139-3144
(1991)の論文と、S. Manhart及びR. Maurerによる“２
重波長ヘテロダイン干渉計法のためのダイオードレーザ
及びファイバ光学”（Diode laser and fiber optics f
or dual-wavelength heterodyne interferometry）と題
するSPIE 1319, 214-216 (1990)の論文に見られる。し
かし、これらの例のいずれもが率変動の問題を挙げてい
ない。
【００１３】前記の例で説明されたように、ヘテロダイ
ン及びスーパーヘテロダイン干渉計法における先行技術
は、空気の屈折率の変動の測定及び補正のための満足で
きる手法及び相当する手段を提供しない。先行技術にお
けるこの欠陥は、重大な測定の不確かさを生み、例えば
集積回路のマイクロリソグラフ製作のような干渉計法を
用いるシステムの精度に深刻な影響を与える。その結果
として、将来の干渉計法は屈折率変動の測定及び補正の
発明性のある新しい方法及び手段を具備する必要がある
だろう。
ン及びスーパーヘテロダイン干渉計法における先行技術
は、空気の屈折率の変動の測定及び補正のための満足で
きる手法及び相当する手段を提供しない。先行技術にお
けるこの欠陥は、重大な測定の不確かさを生み、例えば
集積回路のマイクロリソグラフ製作のような干渉計法を
用いるシステムの精度に深刻な影響を与える。その結果
として、将来の干渉計法は屈折率変動の測定及び補正の
発明性のある新しい方法及び手段を具備する必要がある
だろう。
【００１４】率の変動を検出する公知の１つの方法は、
測定経路に沿って圧力と温度についての変化を測定し、
光路の屈折率への影響を計算することである。この計算
を実行するための数式は、F. E. Jones, J.Resによる
“空気の屈折”（The refractivity of air ）と題する
NBS 86 (1), 27-32 (1981)の論文に開示されたように、
公知である。この先行技術手法の実行は、W. T. Estler
による“空気中での高精度変位干渉計法”（High-accur
acy displacement interferometry in air）と題するAp
pl. Opt. 24 (6), 808-815 (1985)の論文に記載されて
いる。
測定経路に沿って圧力と温度についての変化を測定し、
光路の屈折率への影響を計算することである。この計算
を実行するための数式は、F. E. Jones, J.Resによる
“空気の屈折”（The refractivity of air ）と題する
NBS 86 (1), 27-32 (1981)の論文に開示されたように、
公知である。この先行技術手法の実行は、W. T. Estler
による“空気中での高精度変位干渉計法”（High-accur
acy displacement interferometry in air）と題するAp
pl. Opt. 24 (6), 808-815 (1985)の論文に記載されて
いる。
【００１５】しかしながら、この先行技術手法は、概略
値のみを提供する点で同様に不満足なものであり、扱い
にくく、空気の濃度の緩やかな全体的変動のみを補正す
るものである。
値のみを提供する点で同様に不満足なものであり、扱い
にくく、空気の濃度の緩やかな全体的変動のみを補正す
るものである。
【００１６】光路の全面に率変動を検出するための他の
より直接的な方法は、多重波長距離測定（multiple-wav
elength distance measurement）による。その基本的原
理は次のように理解されるであろう。干渉計とレーザレ
ーダは、リファレンスと対象物体との間で、たいていは
大気中で、光学的光路長を測定する。光学的光路長は、
屈折率と測定光線が通過した物理的長さの積の総和であ
る。
より直接的な方法は、多重波長距離測定（multiple-wav
elength distance measurement）による。その基本的原
理は次のように理解されるであろう。干渉計とレーザレ
ーダは、リファレンスと対象物体との間で、たいていは
大気中で、光学的光路長を測定する。光学的光路長は、
屈折率と測定光線が通過した物理的長さの積の総和であ
る。
【００１７】屈折率は波長とともに変化するが、物理的
光路は波長と無関係であるので、機器が少なくとも２つ
の波長を使用しているならば一般的に、通常屈折率の変
動から物理的経路長を分離可能である。波長にともなう
率の変化は分散（dispersion）として知られており、し
たがってこの手法は分散手法（dispersion techniqu
e）として以後、記載する。
光路は波長と無関係であるので、機器が少なくとも２つ
の波長を使用しているならば一般的に、通常屈折率の変
動から物理的経路長を分離可能である。波長にともなう
率の変化は分散（dispersion）として知られており、し
たがってこの手法は分散手法（dispersion techniqu
e）として以後、記載する。
【００１８】率測定のための先行技術である分散手法は
長い歴史を有し、レーザの導入以前に逆上る。K. E. Er
ickson (J. Opt. Soc. Am. 52 (7), 781-787 (1952)）
による“無制御雰囲気を通過する長距離光路干渉計”
（Long-path interferometry through an uncontrolled
atmosphere）と題する論文には基本原理が記載され、
地球物理学上の測定のこの先行技術手法の実行可能性の
分析が示されている。補足的な理論的提案はP. L. Bend
er及びJ. C. Owensによる“大気の屈折率変動について
の光学的距離測定の補正”（Correction of optical di
stance measurements for the fluctuating almospheri
c index of refraction)（J. Geo. Res. 70 (10), 2461
-2462 (1965)）と題する論文に見い出される。
長い歴史を有し、レーザの導入以前に逆上る。K. E. Er
ickson (J. Opt. Soc. Am. 52 (7), 781-787 (1952)）
による“無制御雰囲気を通過する長距離光路干渉計”
（Long-path interferometry through an uncontrolled
atmosphere）と題する論文には基本原理が記載され、
地球物理学上の測定のこの先行技術手法の実行可能性の
分析が示されている。補足的な理論的提案はP. L. Bend
er及びJ. C. Owensによる“大気の屈折率変動について
の光学的距離測定の補正”（Correction of optical di
stance measurements for the fluctuating almospheri
c index of refraction)（J. Geo. Res. 70 (10), 2461
-2462 (1965)）と題する論文に見い出される。
【００１９】率補正のための先行技術の分散手法に基づ
く商業的距離測定レーザレーダは、1970年代に登場し
た。K. B. Earnshaw及びE. N. Hernandezによる“大気
の屈折率を補正する２レーザ光学的距離測定器具”（Tw
o-laser optical distance-measuring instrument that
corrects for the atmospheric index of refractio
n）と題するAppl. Opt. 11 (4), 749-754 (1972)の論文
は、５から10kmの測定経路にわたって作動するマイクロ
波変調のHeNe（ヘリウムネオン）とHeCd（ヘリウムカド
ミウム）レーザを使用する先行技術の器具を開示する。
く商業的距離測定レーザレーダは、1970年代に登場し
た。K. B. Earnshaw及びE. N. Hernandezによる“大気
の屈折率を補正する２レーザ光学的距離測定器具”（Tw
o-laser optical distance-measuring instrument that
corrects for the atmospheric index of refractio
n）と題するAppl. Opt. 11 (4), 749-754 (1972)の論文
は、５から10kmの測定経路にわたって作動するマイクロ
波変調のHeNe（ヘリウムネオン）とHeCd（ヘリウムカド
ミウム）レーザを使用する先行技術の器具を開示する。
【００２０】この器具のさらに詳細は、E. N. Hernande
z及びK. B. Earnshawによる“大気の屈折率を補正する
２レーザ（4416A及び6328A）光学的距離測定器具のフィ
ールドテスト”（Field Tests of a two-laser（4416A
及び6328A）optical distance-measuring instrument c
orrecting for the atmospheric index of refractio
n）と題するJ. Geo. Res. 77(35), 6994-6998 (1972)の
論文に見い出される。さらに分散手法の応用の例は、E.
Berg及びJ. A. Carterによる“レイトレーシングによ
る単一及び二重色の距離補正”（Distance corrections
for single-anddual-color lasers by ray tracing ）
と題するJ. Geo. Res. 85 (B11), 6513-6520 (1980)の
論文と、L. E. Slater及びG. R. Huggettによる“地球
物理学的実験のための多重波長距離測定器具”（A mult
i-wavelength distance-measuringinstrument for geop
hysical experiments ）と題するJ. Geo. Res. 81 (3
5), 6299-6306 (1976) の論文に記載されている。
z及びK. B. Earnshawによる“大気の屈折率を補正する
２レーザ（4416A及び6328A）光学的距離測定器具のフィ
ールドテスト”（Field Tests of a two-laser（4416A
及び6328A）optical distance-measuring instrument c
orrecting for the atmospheric index of refractio
n）と題するJ. Geo. Res. 77(35), 6994-6998 (1972)の
論文に見い出される。さらに分散手法の応用の例は、E.
Berg及びJ. A. Carterによる“レイトレーシングによ
る単一及び二重色の距離補正”（Distance corrections
for single-anddual-color lasers by ray tracing ）
と題するJ. Geo. Res. 85 (B11), 6513-6520 (1980)の
論文と、L. E. Slater及びG. R. Huggettによる“地球
物理学的実験のための多重波長距離測定器具”（A mult
i-wavelength distance-measuringinstrument for geop
hysical experiments ）と題するJ. Geo. Res. 81 (3
5), 6299-6306 (1976) の論文に記載されている。
【００２１】先行技術の地球物理学的測定装置用器具
は、特に輝度変調(intensity modulation)レーザレーダ
ーを使用するが、その先行技術の中ににおいて光学的干
渉位相検出は近距離である程、より有利である。“精密
寸法測定を行うための装置及び方法”（Apparatus for
and method of obtaining precision dimensional meas
urements）と題するR. B. Zipin及びJ. T. Zaluskyの米
国特許第3,647,302号において、例えば温度、湿度及び
圧力のような周囲の環境における変化を補正するために
多重波長を使用する干渉計法による変位測定システムの
先行技術が開示されている。この先行技術の器具は、特
に移動対象物体を使用して、すなわち、変化する物理的
光路長を有する対象物体を使用して作動させる設計であ
るが、先行技術のZipin及びZaluskyの位相検出手段は高
精度測定に対して不十分な正確さである。
は、特に輝度変調(intensity modulation)レーザレーダ
ーを使用するが、その先行技術の中ににおいて光学的干
渉位相検出は近距離である程、より有利である。“精密
寸法測定を行うための装置及び方法”（Apparatus for
and method of obtaining precision dimensional meas
urements）と題するR. B. Zipin及びJ. T. Zaluskyの米
国特許第3,647,302号において、例えば温度、湿度及び
圧力のような周囲の環境における変化を補正するために
多重波長を使用する干渉計法による変位測定システムの
先行技術が開示されている。この先行技術の器具は、特
に移動対象物体を使用して、すなわち、変化する物理的
光路長を有する対象物体を使用して作動させる設計であ
るが、先行技術のZipin及びZaluskyの位相検出手段は高
精度測定に対して不十分な正確さである。
【００２２】率測定のための先行技術手法のより新しく
詳細な例は、Y. Zhu, H. Matsumoto及びT. Ooishi によ
る“空気の屈折率の変化を測定するための長腕２色干渉
計法”（Long-arm two-color interferometer for meas
uring the change of air refractive index）と題する
SPIE 1319，Optics in complex systems, 538-539 (199
0) に記載されている。このシステムは、直角位相（qua
drature phase）検出とともに1064ナノメートル波長の
ＹＡＧレーザー及び632ナノメートル波長のヘリウムネ
オンレーザーを使用する。
詳細な例は、Y. Zhu, H. Matsumoto及びT. Ooishi によ
る“空気の屈折率の変化を測定するための長腕２色干渉
計法”（Long-arm two-color interferometer for meas
uring the change of air refractive index）と題する
SPIE 1319，Optics in complex systems, 538-539 (199
0) に記載されている。このシステムは、直角位相（qua
drature phase）検出とともに1064ナノメートル波長の
ＹＡＧレーザー及び632ナノメートル波長のヘリウムネ
オンレーザーを使用する。
【００２３】実質的に同じ先行技術の器具が、Zhuらに
よる“長経路距離干渉計法のための大気の位相及び輝度
乱調の測定”（Measurement of atmospheric phase and
intensity turbulence for long-path distance inter
ferometer）と題された第３回光波検出技術会のAppl Ph
ys. Soc. of Japan, 39 (1989) の日本における先行論
文に記載されている。しかし、これらの論文に記載され
たZhuらの先行技術の干渉計法は、例えば、マイクロリ
ソグラフ用サブミクロン干渉計法のような先行技術にお
いてすべての適用に対し不満足な解像度しか得られな
い。
よる“長経路距離干渉計法のための大気の位相及び輝度
乱調の測定”（Measurement of atmospheric phase and
intensity turbulence for long-path distance inter
ferometer）と題された第３回光波検出技術会のAppl Ph
ys. Soc. of Japan, 39 (1989) の日本における先行論
文に記載されている。しかし、これらの論文に記載され
たZhuらの先行技術の干渉計法は、例えば、マイクロリ
ソグラフ用サブミクロン干渉計法のような先行技術にお
いてすべての適用に対し不満足な解像度しか得られな
い。
【００２４】マイクロリソグラフにおける高精度干渉計
法の使用についての最近の試みは、A. Ishidaの米国特
許第4,948,254号に記載されたアプローチに見ることが
できる。同様の先行技術の装置は、Ishidaによる“乱流
による誤差を除去するために第２高調波光を使用する２
波長変位測定用干渉計法”（Two wavelength displacem
ent-measuring interferometer using second-harmonic
light to eliminate air-turlulence-induced errors
）と題するJpn.J.Appl. Phys. 28 (3), L473-475 (19
89) の論文に記載されている。変位測定用干渉計法は、
２波長分散検出による屈折率の変動により生じた誤差を
除去するこの論文に開示されている。
法の使用についての最近の試みは、A. Ishidaの米国特
許第4,948,254号に記載されたアプローチに見ることが
できる。同様の先行技術の装置は、Ishidaによる“乱流
による誤差を除去するために第２高調波光を使用する２
波長変位測定用干渉計法”（Two wavelength displacem
ent-measuring interferometer using second-harmonic
light to eliminate air-turlulence-induced errors
）と題するJpn.J.Appl. Phys. 28 (3), L473-475 (19
89) の論文に記載されている。変位測定用干渉計法は、
２波長分散検出による屈折率の変動により生じた誤差を
除去するこの論文に開示されている。
【００２５】アルゴンレーザー光源は、ＢＢＯとしてこ
の技術における公知の周波数２重水晶の手段（means of
a frequency-doubling crystal）により同時に両波長
を提供する。基本的に拘束された位相である２つの波長
は、ＢＢＯ二重水晶を使用すると、それによって屈折率
測定の安定性及び確度は大きく改善される。しかし、簡
単なホモダイン直角位相検出（homodyne quadrature de
tection)を使用する位相検出手段は、高解像度位相測定
には不充分である。さらに、位相検出及び信号処理手段
は、対象物体の動きが、正確に検出するのが困難な急速
な位相の変化を生じるような動的測定には適さない。
の技術における公知の周波数２重水晶の手段（means of
a frequency-doubling crystal）により同時に両波長
を提供する。基本的に拘束された位相である２つの波長
は、ＢＢＯ二重水晶を使用すると、それによって屈折率
測定の安定性及び確度は大きく改善される。しかし、簡
単なホモダイン直角位相検出（homodyne quadrature de
tection)を使用する位相検出手段は、高解像度位相測定
には不充分である。さらに、位相検出及び信号処理手段
は、対象物体の動きが、正確に検出するのが困難な急速
な位相の変化を生じるような動的測定には適さない。
【００２６】“大気乱流の補正を有する干渉計測定シス
テム”（Interferometric measuring system with air
turbulence compensation）と題するS. A. Lis (1995)
による米国特許第5,404,222号には、率変動の検出及び
補正のための２波長干渉計法及び分散手法を用いる他の
先行技術手法が開示されている。
テム”（Interferometric measuring system with air
turbulence compensation）と題するS. A. Lis (1995)
による米国特許第5,404,222号には、率変動の検出及び
補正のための２波長干渉計法及び分散手法を用いる他の
先行技術手法が開示されている。
【００２７】同様の装置の先行技術が、“ＩＣ製造のた
めの大気乱流補正干渉計法”（An air turbulence comp
ensated interferometer for IC manufacturing）と題
するLisによるSPIE 2440 (1995) の論文に開示されてい
る。S. A. Lisによる米国特許第5,404,222号の改良は19
96年７月に登録された米国特許第5,537,209号に開示さ
れている。Jpn. J. Appl. Phys（上述）においてIshida
によって教示されたことに関するこのシステムの基本的
革新点は、位相検出手段の精度を改善するために他のＢ
ＢＯ２重水晶を追加したことにある。
めの大気乱流補正干渉計法”（An air turbulence comp
ensated interferometer for IC manufacturing）と題
するLisによるSPIE 2440 (1995) の論文に開示されてい
る。S. A. Lisによる米国特許第5,404,222号の改良は19
96年７月に登録された米国特許第5,537,209号に開示さ
れている。Jpn. J. Appl. Phys（上述）においてIshida
によって教示されたことに関するこのシステムの基本的
革新点は、位相検出手段の精度を改善するために他のＢ
ＢＯ２重水晶を追加したことにある。
【００２８】追加されるＢＢＯ水晶は、正確には２つの
異なる要素である波長を有する２つの光線を光学的に干
渉させることができる。合成された干渉は屈折率に直接
的に依存する位相を有するが、ステージの動作には実質
的に依存しない。しかし、Lisによって教示された先行
技術のシステムは、複雑でありすべての測定経路に対し
て追加のＢＢＯ水晶を必要とする。
異なる要素である波長を有する２つの光線を光学的に干
渉させることができる。合成された干渉は屈折率に直接
的に依存する位相を有するが、ステージの動作には実質
的に依存しない。しかし、Lisによって教示された先行
技術のシステムは、複雑でありすべての測定経路に対し
て追加のＢＢＯ水晶を必要とする。
【００２９】マイクロリソグラフのステージはしばしば
６つ以上の測定経路を使用するのでＢＢＯは12000ドル
以上のコストを要し、そのような追加の水晶の使用は重
大なコスト負担となる。Lisのシステムの補足的な欠点
は、ＰＺＴ変換器(transducer)の物理的変位に基づく低
速（32−HZ）位相検出システムを使用することにある。
６つ以上の測定経路を使用するのでＢＢＯは12000ドル
以上のコストを要し、そのような追加の水晶の使用は重
大なコスト負担となる。Lisのシステムの補足的な欠点
は、ＰＺＴ変換器(transducer)の物理的変位に基づく低
速（32−HZ）位相検出システムを使用することにある。
【００３０】前記記載より出願人にとって明らかである
のは、先行技術は空気の屈折率の変動を測定し補正する
ための、実用的で、高速で、高精度な方法及び対応する
手段を提供しないことだ。先行技術の限界は下記の未解
決の技術的困難から主として生じる。（１）先行技術の
ヘテロダイン及びスーパーヘテロダイン干渉計法は空気
の屈折率の変動により正確さが限定される；（２）率変
動を測定する先行技術の分散手法は、特に高精度距離測
定干渉計法の通常の精度より１桁上回るような、干渉計
法の位相測定における極めて高い正確さを要求する；
（３）位相測定の正確さを向上させるための先行技術の
干渉計法に対する自明の修正では、最新のマイクロリソ
グラフ設備におけるステージ動作の高速性に相容れない
程度の測定時間が増加する；（４）分散手法の先行技術
は、少なくとも２つの極めて安定なレーザー光源また
は、多重で位相が固定された波長を出射する単一光源を
必要とする；（５）マイクロリソグラフ分野における分
散手法の先行技術は、測定中のステージの動作に敏感で
あり、その結果、系統誤差を生じる；及び（６）検出シ
ステムの一部に、Lisの米国特許第5,404,222号に開示さ
れたような２重水晶を使用する分散手法の先行技術は高
価で、複雑になる。
のは、先行技術は空気の屈折率の変動を測定し補正する
ための、実用的で、高速で、高精度な方法及び対応する
手段を提供しないことだ。先行技術の限界は下記の未解
決の技術的困難から主として生じる。（１）先行技術の
ヘテロダイン及びスーパーヘテロダイン干渉計法は空気
の屈折率の変動により正確さが限定される；（２）率変
動を測定する先行技術の分散手法は、特に高精度距離測
定干渉計法の通常の精度より１桁上回るような、干渉計
法の位相測定における極めて高い正確さを要求する；
（３）位相測定の正確さを向上させるための先行技術の
干渉計法に対する自明の修正では、最新のマイクロリソ
グラフ設備におけるステージ動作の高速性に相容れない
程度の測定時間が増加する；（４）分散手法の先行技術
は、少なくとも２つの極めて安定なレーザー光源また
は、多重で位相が固定された波長を出射する単一光源を
必要とする；（５）マイクロリソグラフ分野における分
散手法の先行技術は、測定中のステージの動作に敏感で
あり、その結果、系統誤差を生じる；及び（６）検出シ
ステムの一部に、Lisの米国特許第5,404,222号に開示さ
れたような２重水晶を使用する分散手法の先行技術は高
価で、複雑になる。
【００３１】この発明により克明される先行技術におけ
る欠点のため、率の変動の存在下でマイクロリソグラフ
のための変位測定を行ういかなる実用的な干渉計システ
ムも存在していない。この発明の目的は、上記した、干
渉計法による距離測定の諸問題を解決することにある。
る欠点のため、率の変動の存在下でマイクロリソグラフ
のための変位測定を行ういかなる実用的な干渉計システ
ムも存在していない。この発明の目的は、上記した、干
渉計法による距離測定の諸問題を解決することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、測定
経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置であって、
異なる波長と実質的に調波関係を有する少なくとも２つ
の光線を出射し、各光線が直交偏光状態である光源と、
前記光線のそれぞれの直交偏光状態の間で周波数差を生
成する手段と、前記光線を整列させて測定経路に沿う１
本の実質的に共線を有する光線にする手段と、記測定経
路の物理的長さと前記測定経路における前記ガスの屈折
率との積に比例する大きさの移相を有する移相光線を生
成する手段と、前記移相光線のそれぞれの偏光成分を混
合し、混合した出力光線を生成する手段と、前記光線の
前記偏光状態の間の周波数差に関連するヘテロダイン周
波数での振動及びヘテロダイン位相を備えるヘテロダイ
ン電気信号を前記混合出力光線の強度から生成する手段
と、前記ヘテロダイン周波数に調波関係を有する変更ヘ
テロダイン周波数及び前記ヘテロダイン位相に調波関係
を有する変更ヘテロダイン位相を備える変更ヘテロダイ
ン電気信号を前記ヘテロダイン電気信号から生成する手
段と、前記変更ヘテロダイン電気信号の少なくとも２つ
を混合して２つの対応する変更ヘテロダイン周波数の差
の１／２に実質的に等しいスーパーヘテロダイン変調周
波数と、前記２つの対応する変更ヘテロダイン位相間の
差の１／２に実質的に等しいスーパーヘテロダイン変調
位相とからなる少なくとも１つのスーパーヘタロダイン
電気信号を生成する手段と、前記スーパーヘテロダイン
変調位相を解析して前記測定経路にわたって前記屈折率
の変動を求める手段とからなる測定経路内のガスの屈折
率の変動を測定する装置が提供される。
経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置であって、
異なる波長と実質的に調波関係を有する少なくとも２つ
の光線を出射し、各光線が直交偏光状態である光源と、
前記光線のそれぞれの直交偏光状態の間で周波数差を生
成する手段と、前記光線を整列させて測定経路に沿う１
本の実質的に共線を有する光線にする手段と、記測定経
路の物理的長さと前記測定経路における前記ガスの屈折
率との積に比例する大きさの移相を有する移相光線を生
成する手段と、前記移相光線のそれぞれの偏光成分を混
合し、混合した出力光線を生成する手段と、前記光線の
前記偏光状態の間の周波数差に関連するヘテロダイン周
波数での振動及びヘテロダイン位相を備えるヘテロダイ
ン電気信号を前記混合出力光線の強度から生成する手段
と、前記ヘテロダイン周波数に調波関係を有する変更ヘ
テロダイン周波数及び前記ヘテロダイン位相に調波関係
を有する変更ヘテロダイン位相を備える変更ヘテロダイ
ン電気信号を前記ヘテロダイン電気信号から生成する手
段と、前記変更ヘテロダイン電気信号の少なくとも２つ
を混合して２つの対応する変更ヘテロダイン周波数の差
の１／２に実質的に等しいスーパーヘテロダイン変調周
波数と、前記２つの対応する変更ヘテロダイン位相間の
差の１／２に実質的に等しいスーパーヘテロダイン変調
位相とからなる少なくとも１つのスーパーヘタロダイン
電気信号を生成する手段と、前記スーパーヘテロダイン
変調位相を解析して前記測定経路にわたって前記屈折率
の変動を求める手段とからなる測定経路内のガスの屈折
率の変動を測定する装置が提供される。
【００３３】さらに具体的に言えば、この発明により、 （１）波長がお互いにまたは共通のリファレンスに対し
て既知の略調波関係（harmonic relationship）を有す
る、それぞれが異なる波長を備えた少なくとも２つの光
線の光源と； （２）少なくとも２つの光線について異なる周波数差を
有し、光線のそれぞれの２つの直交偏光状態の間で周波
数差を生成する手段と； （３）それらが実質的に共線で測定経路に沿って実質的
に等しい直径となるよう光線の全部を単一光線として整
列させる光学的手段と； （４）移相の大きさが測定経路の物理長さと測定経路の
ガスの屈折率との積に比例し、屈折率が波長の関数であ
って、前記移相の光線のそれぞれに対して異なり、光線
のそれぞれの偏光状態の間で移相を生成する移相光線生
成用光学手段と； （５）移相光線のそれぞれの偏光成分を混合し２以上の
混合された出力光線を生成するための、好ましくは偏光
子である手段と； （６）ヘテロダイン電気信号が光線の偏光状態の間で周
波数差に関するヘテロダイン周波数で振動することによ
り特長付けられ、ヘテロダイン電気信号がさらにヘテロ
ダイン位相で特長付けられる、好ましくは光電検出器で
ある混合された出力光線の強度からヘテロダイン電気信
号を生成する手段と； （７）ヘテロダイン位相に調波関係する変更ヘテロダイ
ン位相によって特長付けられた変更ヘテロダイン信号を
生成するヘテロダイン電気信号処理用の、好ましくは電
子的な、手段と； （８）２つの対応する変更ヘテロダイン周波数の差の半
分に等しいスーパーヘテロダイン変調周波数及び２つの
対応する変更ヘテロダイン位相の間における差の半分に
等しいスーパーヘテロダイン変調位相を有する振幅変調
搬送波（amplitude-modulatedcarrier）からなる少なく
とも１つのスーパーヘテロダイン電気信号を生成するた
めに、変更ヘテロダイン電気信号を生成する好ましくは
電子的な、変更ヘテロダイン電気信号のいずれか２つを
混合する手段と； （９）測定経路にわたってガスの屈折率の変動を求める
ために前記スーパーヘテロダイン変調位相を解析するた
めの、好ましくは電子的な、手段とからなる、測定経路
内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法であっ
て、例えば、前記変動の影響を受けない距離測定用干渉
計法に対して有効なものを提供することができる。
て既知の略調波関係（harmonic relationship）を有す
る、それぞれが異なる波長を備えた少なくとも２つの光
線の光源と； （２）少なくとも２つの光線について異なる周波数差を
有し、光線のそれぞれの２つの直交偏光状態の間で周波
数差を生成する手段と； （３）それらが実質的に共線で測定経路に沿って実質的
に等しい直径となるよう光線の全部を単一光線として整
列させる光学的手段と； （４）移相の大きさが測定経路の物理長さと測定経路の
ガスの屈折率との積に比例し、屈折率が波長の関数であ
って、前記移相の光線のそれぞれに対して異なり、光線
のそれぞれの偏光状態の間で移相を生成する移相光線生
成用光学手段と； （５）移相光線のそれぞれの偏光成分を混合し２以上の
混合された出力光線を生成するための、好ましくは偏光
子である手段と； （６）ヘテロダイン電気信号が光線の偏光状態の間で周
波数差に関するヘテロダイン周波数で振動することによ
り特長付けられ、ヘテロダイン電気信号がさらにヘテロ
ダイン位相で特長付けられる、好ましくは光電検出器で
ある混合された出力光線の強度からヘテロダイン電気信
号を生成する手段と； （７）ヘテロダイン位相に調波関係する変更ヘテロダイ
ン位相によって特長付けられた変更ヘテロダイン信号を
生成するヘテロダイン電気信号処理用の、好ましくは電
子的な、手段と； （８）２つの対応する変更ヘテロダイン周波数の差の半
分に等しいスーパーヘテロダイン変調周波数及び２つの
対応する変更ヘテロダイン位相の間における差の半分に
等しいスーパーヘテロダイン変調位相を有する振幅変調
搬送波（amplitude-modulatedcarrier）からなる少なく
とも１つのスーパーヘテロダイン電気信号を生成するた
めに、変更ヘテロダイン電気信号を生成する好ましくは
電子的な、変更ヘテロダイン電気信号のいずれか２つを
混合する手段と； （９）測定経路にわたってガスの屈折率の変動を求める
ために前記スーパーヘテロダイン変調位相を解析するた
めの、好ましくは電子的な、手段とからなる、測定経路
内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法であっ
て、例えば、前記変動の影響を受けない距離測定用干渉
計法に対して有効なものを提供することができる。
【００３４】この発明の主要な利点を以下に要約する。
光源の波長が実質的に調波関係を有しかつ変更ヘテロダ
イン移相が近似的に調波関係を有するとき、この発明
は、ステージの動作に実質的に影響されないスーパーヘ
テロダイン変調位相を提供する。スーパーヘテロダイン
変調位相は、空気の屈折率における変動の直接の尺度で
ある。スーパーヘテロダイン変調周波数は、いずれかの
適切な値に調整することができるので、屈折率変動を補
正するための位相測定の正確さが適切に増大される。先
行技術に対するこれらの改善は、例えば２重水晶などの
高価な光学的素子なしに、さらにステージ動作の高速性
にいかなる制限をも設けることなしに簡便に達成され
る。
光源の波長が実質的に調波関係を有しかつ変更ヘテロダ
イン移相が近似的に調波関係を有するとき、この発明
は、ステージの動作に実質的に影響されないスーパーヘ
テロダイン変調位相を提供する。スーパーヘテロダイン
変調位相は、空気の屈折率における変動の直接の尺度で
ある。スーパーヘテロダイン変調周波数は、いずれかの
適切な値に調整することができるので、屈折率変動を補
正するための位相測定の正確さが適切に増大される。先
行技術に対するこれらの改善は、例えば２重水晶などの
高価な光学的素子なしに、さらにステージ動作の高速性
にいかなる制限をも設けることなしに簡便に達成され
る。
【００３５】この発明の他の具体例としては、追加され
るモニタ干渉計手段と基本的な装置において使用される
のと実質的に同じ電子処理手段とを使用することによ
り、光源波長における予期されない変動を補正する能力
を有するものが含まれる。モニタ干渉計は好ましくは注
意深くコントロールされた屈折率をもつ固定モニタ経路
長を備え、モニタにおけるいかなる測定された変化も波
長の安定性にのみ起因しその尺度を与えるものとなる。
るモニタ干渉計手段と基本的な装置において使用される
のと実質的に同じ電子処理手段とを使用することによ
り、光源波長における予期されない変動を補正する能力
を有するものが含まれる。モニタ干渉計は好ましくは注
意深くコントロールされた屈折率をもつ固定モニタ経路
長を備え、モニタにおけるいかなる測定された変化も波
長の安定性にのみ起因しその尺度を与えるものとなる。
【００３６】なお、この出願は、H. A. Hill及びP. de
Grootによる“マルチパス干渉計を用いた空気の屈折率
を測定するスーパーヘテロダイン方法及び装置”（Supe
rheterodyne Method and Apparatus for Measuring the
Refractive Index of Air Using Multiple-Pass Inter
ferometry）と題する同時係属共有米国特許出願に関
し、それらの内容全部を参照することによって本願の一
部をなすものとして組み入れられる。
Grootによる“マルチパス干渉計を用いた空気の屈折率
を測定するスーパーヘテロダイン方法及び装置”（Supe
rheterodyne Method and Apparatus for Measuring the
Refractive Index of Air Using Multiple-Pass Inter
ferometry）と題する同時係属共有米国特許出願に関
し、それらの内容全部を参照することによって本願の一
部をなすものとして組み入れられる。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、図に示す実施の形態に基づ
いてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明
が限定されるものではない。図１において、変動と無関
係に対象物体６７の変位を測定するのに有効な測定経路
６６において気体の屈折率の変動を測定するこの発明の
装置の現在の好ましい実施形態を示す。
いてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明
が限定されるものではない。図１において、変動と無関
係に対象物体６７の変位を測定するのに有効な測定経路
６６において気体の屈折率の変動を測定するこの発明の
装置の現在の好ましい実施形態を示す。
【００３８】この発明のより好ましい方法によれば、第
１のステップにおいて光源１から放射された光線１１は
ドライバ３によって起動された変調器２を通過する。光
源１は好ましくはレーザなどのコヒーレント放射（cohe
rent radiation）の光源で、好ましくは偏光され波長λ
1を有するものである。変調器２は、例えば音響−光学
素子または光線１１の偏光構成成分を選択的に変調する
ための付加的光学系を備えた音響−光学素子の組み合わ
せである。変調器２は好ましくはこの発明で光線１１の
１つの直線偏光成分を、直交する直線偏光成分に関して
量ｆ1だけ振動周波数をシフトする。これらの偏光成分
をそれぞれｘ及びｙで表す。したがって、変調器２を通
過した後、光線１１の偏光成分ｘは、光線１１の偏光成
分ｙに関して量ｆ1だけ高い方にシフトされた振動周波
数を有する。
１のステップにおいて光源１から放射された光線１１は
ドライバ３によって起動された変調器２を通過する。光
源１は好ましくはレーザなどのコヒーレント放射（cohe
rent radiation）の光源で、好ましくは偏光され波長λ
1を有するものである。変調器２は、例えば音響−光学
素子または光線１１の偏光構成成分を選択的に変調する
ための付加的光学系を備えた音響−光学素子の組み合わ
せである。変調器２は好ましくはこの発明で光線１１の
１つの直線偏光成分を、直交する直線偏光成分に関して
量ｆ1だけ振動周波数をシフトする。これらの偏光成分
をそれぞれｘ及びｙで表す。したがって、変調器２を通
過した後、光線１１の偏光成分ｘは、光線１１の偏光成
分ｙに関して量ｆ1だけ高い方にシフトされた振動周波
数を有する。
【００３９】次の段階において、光源４から放射された
光線１２はドライバ６によって起動された変調器５を通
過する。これら変調器５及びドライバ６は変調器２及び
ドライバ３に類似のものである。光源４は、光源１と同
様に、それぞれレーザなどの偏光光源で干渉性放射であ
るが、λ2に関して公知の略調波関係を有する。例え
ば、下記の数式１で示される異なる波長λ2であること
が好ましい。 〔数式１〕 ｐ1λ2≒ｐ2λ1（ここでｐ1，ｐ2＝２，３…，ｐ1≠
ｐ2） 変調器５を通過した後、光線１２の偏光構成成分ｘは光
線１２の偏光構成成分ｙに関して量ｆ2だけ高い方にシ
フトされた振動周波数を有する。
光線１２はドライバ６によって起動された変調器５を通
過する。これら変調器５及びドライバ６は変調器２及び
ドライバ３に類似のものである。光源４は、光源１と同
様に、それぞれレーザなどの偏光光源で干渉性放射であ
るが、λ2に関して公知の略調波関係を有する。例え
ば、下記の数式１で示される異なる波長λ2であること
が好ましい。 〔数式１〕 ｐ1λ2≒ｐ2λ1（ここでｐ1，ｐ2＝２，３…，ｐ1≠
ｐ2） 変調器５を通過した後、光線１２の偏光構成成分ｘは光
線１２の偏光構成成分ｙに関して量ｆ2だけ高い方にシ
フトされた振動周波数を有する。
【００４０】当業者であれば正しく認識するであろう
が、別の態様として光線１１及び１２は２以上の波長を
放射する単一レーザ光源によって供給されるか、または
光学的周波数２重化手段と結合された単一レーザ光源、
あるいは２または２以上の波長の光線を生じ得る何らか
の等価の光源構成であってもよい。同様に当業者であれ
ば正しく認識するであろうが、１つまたは２つの周波数
シフトｆ1，ｆ2はレーザー光源自体に固有のゼーマン分
岐（Zeeman splitting ）などの現象の結果であっても
よい。
が、別の態様として光線１１及び１２は２以上の波長を
放射する単一レーザ光源によって供給されるか、または
光学的周波数２重化手段と結合された単一レーザ光源、
あるいは２または２以上の波長の光線を生じ得る何らか
の等価の光源構成であってもよい。同様に当業者であれ
ば正しく認識するであろうが、１つまたは２つの周波数
シフトｆ1，ｆ2はレーザー光源自体に固有のゼーマン分
岐（Zeeman splitting ）などの現象の結果であっても
よい。
【００４１】次のステップにおいて、光線１１及び１２
は光学素子９により、好ましくは偏光性でないビームス
プリッターによって組み合わされたテスト光線１３にな
る。さらに次のステップにおいて、テスト光線１３は、
波長λ1に相当する光線１３の偏光ｘ成分及びｙ成分の
間の移相φ1及び波長λ2に相当する光線１３の偏光ｘ成
分及びｙ成分の間の移相φ2を導入するための光学的手
段からなる干渉計６０に伝搬される。
は光学素子９により、好ましくは偏光性でないビームス
プリッターによって組み合わされたテスト光線１３にな
る。さらに次のステップにおいて、テスト光線１３は、
波長λ1に相当する光線１３の偏光ｘ成分及びｙ成分の
間の移相φ1及び波長λ2に相当する光線１３の偏光ｘ成
分及びｙ成分の間の移相φ2を導入するための光学的手
段からなる干渉計６０に伝搬される。
【００４２】移相φ1，φ2の大きさは、数式（２）で示
されるように測定経路６６の物理的長さＬに関連する。 〔数式２〕 φj＝Ｌｋj n j ＋ζj （ここでｊ＝１．２） ここで波数k jは下式によって求められ、 〔数式３〕 k j＝２π／λj さらに、測定経路６６におけるガスの屈折率n jは波長
λ1に対応する。位相ずれζjは測定経路６６に関連しな
い移相φjに対するすべての寄与を含むものである。
されるように測定経路６６の物理的長さＬに関連する。 〔数式２〕 φj＝Ｌｋj n j ＋ζj （ここでｊ＝１．２） ここで波数k jは下式によって求められ、 〔数式３〕 k j＝２π／λj さらに、測定経路６６におけるガスの屈折率n jは波長
λ1に対応する。位相ずれζjは測定経路６６に関連しな
い移相φjに対するすべての寄与を含むものである。
【００４３】図１において示すように、干渉計６０は反
射鏡６５、４分の１波長板２１、４分の１波長板２２、
偏光ビームスプリッター２３及び対象物体６７からな
る。この構成は、偏光されたマイケルソン干渉計（Mich
elson interferometer）としてその技術分野では公知で
あり簡単な説明として示している。C.Zanoniによる“距
離及び角度の測定のための差分干渉計配置：原理、利点
及び応用”（Differential interferometer arrangemen
ts for distance and angle measurements：Principle,
advantages and applications"）（VDI Berichte Nr.74
9,P.93,1989 ）と題する文献に記載されているような角
度補正干渉計（angle-compensating interferometer）
または類似の装置は、集積回路のマイクロリソグラフ製
作において広く使用されるステージで動作させる際に本
発明の装置に組み込むことが好ましい。
射鏡６５、４分の１波長板２１、４分の１波長板２２、
偏光ビームスプリッター２３及び対象物体６７からな
る。この構成は、偏光されたマイケルソン干渉計（Mich
elson interferometer）としてその技術分野では公知で
あり簡単な説明として示している。C.Zanoniによる“距
離及び角度の測定のための差分干渉計配置：原理、利点
及び応用”（Differential interferometer arrangemen
ts for distance and angle measurements：Principle,
advantages and applications"）（VDI Berichte Nr.74
9,P.93,1989 ）と題する文献に記載されているような角
度補正干渉計（angle-compensating interferometer）
または類似の装置は、集積回路のマイクロリソグラフ製
作において広く使用されるステージで動作させる際に本
発明の装置に組み込むことが好ましい。
【００４４】上記に記載したC.Zanoniによる“距離及び
角度の測定のための差分干渉計配置：原理、利点及び応
用”（Differential interferometer arrangements for
distance and angle measurements：Principle,advant
ages and applications"）（VDI Berichte Nr.749,P.9
3,1989 ）と題する文献に記載された公知の干渉計の他
の形式は、この発明の精神及び見地から大きく逸脱する
ことなく図１の装置に組み込むことができる。
角度の測定のための差分干渉計配置：原理、利点及び応
用”（Differential interferometer arrangements for
distance and angle measurements：Principle,advant
ages and applications"）（VDI Berichte Nr.749,P.9
3,1989 ）と題する文献に記載された公知の干渉計の他
の形式は、この発明の精神及び見地から大きく逸脱する
ことなく図１の装置に組み込むことができる。
【００４５】干渉計６０を通過後、テスト光線１３は移
相光線１５となり、これは光線１５の偏光成分ｘ及びｙ
を混合するために好ましく方向付けられて偏光器４４を
通過する。従来のダイクロイックビームスプリッター
（dichroic beam splitter）８０は、２つの波長λ1及
びλ2に相当する光線１５の各部を光線１６，１７のそ
れぞれに適切に分割する。
相光線１５となり、これは光線１５の偏光成分ｘ及びｙ
を混合するために好ましく方向付けられて偏光器４４を
通過する。従来のダイクロイックビームスプリッター
（dichroic beam splitter）８０は、２つの波長λ1及
びλ2に相当する光線１５の各部を光線１６，１７のそ
れぞれに適切に分割する。
【００４６】光線１６，１７は、次に、光検出器４５，
４６にそれぞれ入射して２つの波長λ1，λ2に相当する
２つのヘテロダイン干渉信号ｓ1，ｓ2を形成する。それ
らは以下の形式を有する。 〔数式４〕 ｓj＝ｃｏｓ［αj（ｔ）］ （ここでj＝１，２） ここでヘテロダイン干渉信号ｓ1，ｓ2の時間依存変数α
1（ｔ），α2（ｔ）は以下によって与えられ、 〔数式５〕 αj（ｔ）＝２πｆjｔ＋φj 信号振幅は１つに標準化され、いかなる一定のずれ量も
従来の電子前処理手段（図示せず）によってフィルタ除
去される（filtered out）。ヘテロダイン干渉信号
ｓ1 ，ｓ2は解析のために電子処理手段９８に送信され
る。
４６にそれぞれ入射して２つの波長λ1，λ2に相当する
２つのヘテロダイン干渉信号ｓ1，ｓ2を形成する。それ
らは以下の形式を有する。 〔数式４〕 ｓj＝ｃｏｓ［αj（ｔ）］ （ここでj＝１，２） ここでヘテロダイン干渉信号ｓ1，ｓ2の時間依存変数α
1（ｔ），α2（ｔ）は以下によって与えられ、 〔数式５〕 αj（ｔ）＝２πｆjｔ＋φj 信号振幅は１つに標準化され、いかなる一定のずれ量も
従来の電子前処理手段（図示せず）によってフィルタ除
去される（filtered out）。ヘテロダイン干渉信号
ｓ1 ，ｓ2は解析のために電子処理手段９８に送信され
る。
【００４７】図３を参照すると、電子処理装置９８は、
以下の算式で示される２つの変更ヘテロダイン信号
Ｓ 1，Ｓ 2を生成するようヘテロダイン干渉信号ｓ1，ｓ2
の時間依存変数α1（ｔ），α2（ｔ）をそれぞれ係数ｐ
1，ｐ2と電子的に乗算するための手段９８１を構成する
のが好ましい。 〔数式６〕Ｓ j ＝ｃｏｓ［ｐjαj（ｔ）］ （ここでｊ＝１，
２）
以下の算式で示される２つの変更ヘテロダイン信号
Ｓ 1，Ｓ 2を生成するようヘテロダイン干渉信号ｓ1，ｓ2
の時間依存変数α1（ｔ），α2（ｔ）をそれぞれ係数ｐ
1，ｐ2と電子的に乗算するための手段９８１を構成する
のが好ましい。 〔数式６〕Ｓ j ＝ｃｏｓ［ｐjαj（ｔ）］ （ここでｊ＝１，
２）
【００４８】前記乗算は、信号方形化（signal squarin
g）及びそれに引き続く電子フィルタリングのようなそ
の技術分野では公知になった従来の周波数逓倍手法（fr
equency multiplying technique）のいずれか１つによ
って行なうことができる。このような電子的乗算手法
が、この発明の分析手法における簡略化された記載にお
いて無視されてもよい信号強度におけるオフセットと変
更を導くことは当業者であれば理解出来るであろう。係
数ｐ1，ｐ2が、数式（１）における略調波関係を規定す
るために使用された、同じ記号で示した係数ｐ1，ｐ2と
同一のものが好ましいことは注目すべきことである。
g）及びそれに引き続く電子フィルタリングのようなそ
の技術分野では公知になった従来の周波数逓倍手法（fr
equency multiplying technique）のいずれか１つによ
って行なうことができる。このような電子的乗算手法
が、この発明の分析手法における簡略化された記載にお
いて無視されてもよい信号強度におけるオフセットと変
更を導くことは当業者であれば理解出来るであろう。係
数ｐ1，ｐ2が、数式（１）における略調波関係を規定す
るために使用された、同じ記号で示した係数ｐ1，ｐ2と
同一のものが好ましいことは注目すべきことである。
【００４９】図３を再び参照すれば、電子的処理手段９
８が、２つの変更ヘテロダイン信号Ｓ 1，Ｓ 2を、下記の
数式 〔数式７〕 Ｓ＝Ｓ 1＋Ｓ 2 で示されるスーパーヘテロダイン信号Ｓを生成すべく電
子的に加算する手段９８２からなるのが好ましい。これ
は書き換えると、 〔数式８〕 Ｓ＝２ＭＣ ここで 〔数式９〕 Ｃ＝ｃｏｓ（２πｖｔ＋θ） 〔数式１０〕 Ｍ＝ｃｏｓ（２πＦｔ＋φ） 及び 〔数式１１〕 ｖ＝（ｐ1ｆ1＋ｐ2ｆ2）／２ θ＝（ｐ1φ1＋ｐ2φ2）／２ 〔数式１２〕 Ｆ＝（ｐ1ｆ1−ｐ2ｆ2）／２ Φ＝（ｐ1φ1−ｐ2φ2）／２
８が、２つの変更ヘテロダイン信号Ｓ 1，Ｓ 2を、下記の
数式 〔数式７〕 Ｓ＝Ｓ 1＋Ｓ 2 で示されるスーパーヘテロダイン信号Ｓを生成すべく電
子的に加算する手段９８２からなるのが好ましい。これ
は書き換えると、 〔数式８〕 Ｓ＝２ＭＣ ここで 〔数式９〕 Ｃ＝ｃｏｓ（２πｖｔ＋θ） 〔数式１０〕 Ｍ＝ｃｏｓ（２πＦｔ＋φ） 及び 〔数式１１〕 ｖ＝（ｐ1ｆ1＋ｐ2ｆ2）／２ θ＝（ｐ1φ1＋ｐ2φ2）／２ 〔数式１２〕 Ｆ＝（ｐ1ｆ1−ｐ2ｆ2）／２ Φ＝（ｐ1φ1−ｐ2φ2）／２
【００５０】スーパーヘテロダイン信号Ｓは、したがっ
て周波数Ｆのエンベロープ信号Ｍ（envelope signal
M）によって変調された周波数の搬送波信号Ｃ（carrier
signal C）である。変更ヘテロダイン信号Ｓ 1，Ｓ 2が
異なる振幅であるとき、得られる計算結果はより複雑で
あるが、それでもなおエンベロープ信号によって変調さ
れた搬送信号に置き換えて記載することができる。本明
示においては、簡単にするため、変調されたヘテロダイ
ン信号Ｓ 1，Ｓ 2は同じ振幅を有すると仮定する。
て周波数Ｆのエンベロープ信号Ｍ（envelope signal
M）によって変調された周波数の搬送波信号Ｃ（carrier
signal C）である。変更ヘテロダイン信号Ｓ 1，Ｓ 2が
異なる振幅であるとき、得られる計算結果はより複雑で
あるが、それでもなおエンベロープ信号によって変調さ
れた搬送信号に置き換えて記載することができる。本明
示においては、簡単にするため、変調されたヘテロダイ
ン信号Ｓ 1，Ｓ 2は同じ振幅を有すると仮定する。
【００５１】図３を再び参照すると、電子的処理手段９
８は好ましくは整流、フィルタリング、信号方形化また
は振幅変調の抽出及び搬送波の復調のような手法のいず
れかを使うことによって搬送波信号Ｃからエンベロープ
信号Ｍを分離する手段９８３からなる。電子処理手段９
８はさらに、従来の時間基準位相検出などを使用するこ
とによって変調位相Φを求める手段９８５からなる。電
子処理手段９８は、位相φ1及びφ2をそれぞれ求める手
段９８６及び手段９８７を追加して構成する。
８は好ましくは整流、フィルタリング、信号方形化また
は振幅変調の抽出及び搬送波の復調のような手法のいず
れかを使うことによって搬送波信号Ｃからエンベロープ
信号Ｍを分離する手段９８３からなる。電子処理手段９
８はさらに、従来の時間基準位相検出などを使用するこ
とによって変調位相Φを求める手段９８５からなる。電
子処理手段９８は、位相φ1及びφ2をそれぞれ求める手
段９８６及び手段９８７を追加して構成する。
【００５２】次のステップにおいて、電子処理手段９８
は変調位相Φ及び移相φ1，φ2の値をデジタルまたはア
ナログ形式（format）のいずれかで、コンピュータ９９
に転送する。コンピュータ９９は搬送波位相θを計算し
さらに以下の数式を使用して屈折率を計算する。 〔数式１３〕 ｎ1＝１＋Α（Κζ−χΦ−Ｑ）／Ｌ ここで 〔数式１４〕 Α＝２Γ／（χ2−Κ2） 〔数式１５〕 Κ＝（ｐ1k 1−ｐ2k 2）／２ 〔数式１６〕 χ＝（ｐ1k 1＋ｐ2k 2）／２ 〔数式１７〕 Γ＝（ｎ1−１）／（ｎ2−ｎ1） 上記で定義された定数Γは、空気の屈折率の分散の尺度
である。例えば、仮にλ1＝０．６３μｍ及びλ2＝０．
３３μｍであれば、その時γ＝２４となる。オフセット
（ずれ）係数Ｑは下式によって定義される。 〔数式１８〕 Ｑ＝Κζ−χＺ 〔数式１９〕 ここで ζ＝（ｐ1ζ1＋ｐ2ζ2）／２ ここで 〔数式２０〕 Ζ＝（ｐ1ζ1−ｐ2ζ2）／２ この発明の現在の好ましい具体例としては、Ｑは一定と
して考え、または純粋に電子的手段（図示せず）によっ
てモニタされる。
は変調位相Φ及び移相φ1，φ2の値をデジタルまたはア
ナログ形式（format）のいずれかで、コンピュータ９９
に転送する。コンピュータ９９は搬送波位相θを計算し
さらに以下の数式を使用して屈折率を計算する。 〔数式１３〕 ｎ1＝１＋Α（Κζ−χΦ−Ｑ）／Ｌ ここで 〔数式１４〕 Α＝２Γ／（χ2−Κ2） 〔数式１５〕 Κ＝（ｐ1k 1−ｐ2k 2）／２ 〔数式１６〕 χ＝（ｐ1k 1＋ｐ2k 2）／２ 〔数式１７〕 Γ＝（ｎ1−１）／（ｎ2−ｎ1） 上記で定義された定数Γは、空気の屈折率の分散の尺度
である。例えば、仮にλ1＝０．６３μｍ及びλ2＝０．
３３μｍであれば、その時γ＝２４となる。オフセット
（ずれ）係数Ｑは下式によって定義される。 〔数式１８〕 Ｑ＝Κζ−χＺ 〔数式１９〕 ここで ζ＝（ｐ1ζ1＋ｐ2ζ2）／２ ここで 〔数式２０〕 Ζ＝（ｐ1ζ1−ｐ2ζ2）／２ この発明の現在の好ましい具体例としては、Ｑは一定と
して考え、または純粋に電子的手段（図示せず）によっ
てモニタされる。
【００５３】数式（１５，１６）で導入した量Ｋ及びχ
をそれぞれ、真空スーパーヘテロダイン波数及び真空
搬送波波数と称する。この用語はn 1＝n 2＝１である時
に成り立つ、以下の２つの位相の数式から論理的に導か
れる。 〔数式２１〕 θ＝χＬ＋ζ 〔数式２２〕 Φ＝ＫＬ＋Ｚ 同じ理由で、数式（１９，２０）において導入された量
ζ及びＺをそれぞれ真空搬送波位相オフセット(vacuum
carrier phase offset) 及び真空スーパーヘテロダイン
位相オフセット(vacuum superheterodyne phase offse
t) と称する。
をそれぞれ、真空スーパーヘテロダイン波数及び真空
搬送波波数と称する。この用語はn 1＝n 2＝１である時
に成り立つ、以下の２つの位相の数式から論理的に導か
れる。 〔数式２１〕 θ＝χＬ＋ζ 〔数式２２〕 Φ＝ＫＬ＋Ｚ 同じ理由で、数式（１９，２０）において導入された量
ζ及びＺをそれぞれ真空搬送波位相オフセット(vacuum
carrier phase offset) 及び真空スーパーヘテロダイン
位相オフセット(vacuum superheterodyne phase offse
t) と称する。
【００５４】最後のステップでは、距離測定用干渉計に
関する応用のため、移相φ1とともに屈折率n 1の計算値
は、下記の数式を使って屈折率n 1における変動と無関
係に距離Ｌを求めるのに使用することができる。 〔数式２３〕 Ｌ＝（φ1−ζ1）／k 1ｎ1 さらに、n 1の代わりにまたはn 1に付加してn 2に関す
る同類の計算をおこなうことは当業者にとって明らかな
ことである。
関する応用のため、移相φ1とともに屈折率n 1の計算値
は、下記の数式を使って屈折率n 1における変動と無関
係に距離Ｌを求めるのに使用することができる。 〔数式２３〕 Ｌ＝（φ1−ζ1）／k 1ｎ1 さらに、n 1の代わりにまたはn 1に付加してn 2に関す
る同類の計算をおこなうことは当業者にとって明らかな
ことである。
【００５５】前節においてこの発明の好ましい具体例を
開示したが、この発明の底に横たわる利点は以下の記載
により明確になるだろう。上記の数式により提供された
屈折率n 1の計算から搬送波位相ζ及びスーパーヘテロ
ダイン位相Φに必要とされる正確さが、搬送波の波数χ
及びスーパーヘテロダイン波数Κの値に関係することが
明らかである。
開示したが、この発明の底に横たわる利点は以下の記載
により明確になるだろう。上記の数式により提供された
屈折率n 1の計算から搬送波位相ζ及びスーパーヘテロ
ダイン位相Φに必要とされる正確さが、搬送波の波数χ
及びスーパーヘテロダイン波数Κの値に関係することが
明らかである。
【００５６】変調信号Ｍの周波数Ｆは搬送信号Ｃの周波
数Ｖよりかなり小さく、また高分解能の低周波数の電気
信号によって位相を計算する方が一般的に容易なので、
スーパーヘテロダイン変調位相Φの高確度測定によるこ
とが一般的には最も有利である。
数Ｖよりかなり小さく、また高分解能の低周波数の電気
信号によって位相を計算する方が一般的に容易なので、
スーパーヘテロダイン変調位相Φの高確度測定によるこ
とが一般的には最も有利である。
【００５７】これは第１の数式において示したように、
波長λ1、λ2が略調波関係するとき、この発明の装置に
おいて容易に達成される。λ1、λ2が下式で示すような
極限的な場合、すなわち互いが整数倍数である極限的な
場合、 〔数式２４〕 ｐ1λ2＝ｐ2λ1（例えば、ｐ1，ｐ2＝２，３……，ｐ1
≠ｐ2） となり、真空スーパーヘテロダイン波数Κはゼロに等し
く、屈折率の計算は下式によって示されるように搬送波
位相θを少しも含まない。 〔数式２５〕 ｎ1＝１＋Α（χΦ−Ζ）／Ｌ （Κ＝０に対して）
波長λ1、λ2が略調波関係するとき、この発明の装置に
おいて容易に達成される。λ1、λ2が下式で示すような
極限的な場合、すなわち互いが整数倍数である極限的な
場合、 〔数式２４〕 ｐ1λ2＝ｐ2λ1（例えば、ｐ1，ｐ2＝２，３……，ｐ1
≠ｐ2） となり、真空スーパーヘテロダイン波数Κはゼロに等し
く、屈折率の計算は下式によって示されるように搬送波
位相θを少しも含まない。 〔数式２５〕 ｎ1＝１＋Α（χΦ−Ζ）／Ｌ （Κ＝０に対して）
【００５８】さらにΚ＝０である場合、搬送波位相θ及
び位相φ1，φ2が非常に強く距離Ｌに依存するのに対
し、スーパーヘテロダイン変調位相Φは距離Ｌにわずか
に依存するだけである。これはマイクロリソグラフ設備
において通常よく見かける移動する対象物体に対する位
相検出の精度を大いに向上させる。
び位相φ1，φ2が非常に強く距離Ｌに依存するのに対
し、スーパーヘテロダイン変調位相Φは距離Ｌにわずか
に依存するだけである。これはマイクロリソグラフ設備
において通常よく見かける移動する対象物体に対する位
相検出の精度を大いに向上させる。
【００５９】一般的な干渉計及び特に分散手法について
重要な考慮すべき問題は光源波長の不安定性である。こ
の発明の装置は下記のように光源波長の不安定性を補正
する簡便な方法を提供する。数式１３の数学的操作によ
り、光源波長の不安定性に起因する屈折率の誤差δn 1
が下式で与えられることが示される。 〔数式２６〕 δｎ1≒χΑδΚ ここでδΚは真空スーパーヘテロダイン波数Κにおける
不安定性である。
重要な考慮すべき問題は光源波長の不安定性である。こ
の発明の装置は下記のように光源波長の不安定性を補正
する簡便な方法を提供する。数式１３の数学的操作によ
り、光源波長の不安定性に起因する屈折率の誤差δn 1
が下式で与えられることが示される。 〔数式２６〕 δｎ1≒χΑδΚ ここでδΚは真空スーパーヘテロダイン波数Κにおける
不安定性である。
【００６０】この数式は、誤差の大きさは実質的に対象
物体距離Ｌと無関係であり、対象物体の距離Ｌに直接依
存する移相φ1，φ2などのすべての他の変数と無関係で
あることを示す。したがって率における真の変動から完
全に独立した測定通路に沿った屈折率を測定することに
より波長の安定性の効果を補正することが可能である。
測定された偏差は波長の不安定性の結果である。
物体距離Ｌと無関係であり、対象物体の距離Ｌに直接依
存する移相φ1，φ2などのすべての他の変数と無関係で
あることを示す。したがって率における真の変動から完
全に独立した測定通路に沿った屈折率を測定することに
より波長の安定性の効果を補正することが可能である。
測定された偏差は波長の不安定性の結果である。
【００６１】図４について見れば、光源波長の不安定性
に起因する屈折率測定における誤差δｎを補正する目的
でこの発明の他の具体例として図１の具体例にモニタシ
ステム６０ｂを追加したものを示す。ビームスプリッタ
ー７０及びミラー７１はモニタシステム６０ｂに向かっ
て光線１３の一部を反射させる。
に起因する屈折率測定における誤差δｎを補正する目的
でこの発明の他の具体例として図１の具体例にモニタシ
ステム６０ｂを追加したものを示す。ビームスプリッタ
ー７０及びミラー７１はモニタシステム６０ｂに向かっ
て光線１３の一部を反射させる。
【００６２】モニタシステム６０ｂは、干渉計６０と同
様の動作をするいくつかの素子からなり、モニタシステ
ム６０ｂの要素について述べると接尾字“ｂ”を付ける
という点を除いては干渉計６０における同様の記号で示
す素子と同じような動作を行う。同様にモニタ電子処理
システム９８ｂは、電子処理システム９８と似たような
類似の動作を行う。
様の動作をするいくつかの素子からなり、モニタシステ
ム６０ｂの要素について述べると接尾字“ｂ”を付ける
という点を除いては干渉計６０における同様の記号で示
す素子と同じような動作を行う。同様にモニタ電子処理
システム９８ｂは、電子処理システム９８と似たような
類似の動作を行う。
【００６３】干渉計６０とモニタシステム６０ｂとの間
の差異は、モニタシステム６０ｂのモニタ経路６６ｂ
は、好ましくは注意深く制御された屈折率を備えた固定
長さを有し、例えば封じ込まれたモニタ経路６０ｂと、
その閉じ込められた空間の温度及び圧力を制御によって
達成される。モニタ経路６６ｂに沿った屈折率は実質的
に一定であるので、モニタシステムにおける測定偏差δ
ｎMは光源波長の不安定性に起因する。発明のこの具体
例において、コンピュータ９９が下記の公式によって屈
折率n 1を計算するのが好ましい。 〔数式２７〕 ｎ1＝１＋Α（Κθ−χΦ−Ｑ）／Ｌ−δｎM
の差異は、モニタシステム６０ｂのモニタ経路６６ｂ
は、好ましくは注意深く制御された屈折率を備えた固定
長さを有し、例えば封じ込まれたモニタ経路６０ｂと、
その閉じ込められた空間の温度及び圧力を制御によって
達成される。モニタ経路６６ｂに沿った屈折率は実質的
に一定であるので、モニタシステムにおける測定偏差δ
ｎMは光源波長の不安定性に起因する。発明のこの具体
例において、コンピュータ９９が下記の公式によって屈
折率n 1を計算するのが好ましい。 〔数式２７〕 ｎ1＝１＋Α（Κθ−χΦ−Ｑ）／Ｌ−δｎM
【００６４】本発明のこの好ましい補正の手法は、光源
に対する波長の安定性の要求度を大幅に低減する。この
発明は絶対的な波長の安定性を要求せず、モニタ経路６
６ｂは極端に安定した物理的長さＬを有することを必要
としないことは特に注目に価する。
に対する波長の安定性の要求度を大幅に低減する。この
発明は絶対的な波長の安定性を要求せず、モニタ経路６
６ｂは極端に安定した物理的長さＬを有することを必要
としないことは特に注目に価する。
【００６５】この発明の利点として、（１）この発明
は、空気の屈折率の変動に対して正確な測定及び補正を
行なうことができ、例えば距離測定用干渉計に有効とな
る；（２）この発明は、最新のマイクロリソグラフ装置
に共通な高速ステージ動作に互換性がある；（３）この
発明は組み込み容易なモニタ手段と光源安定性の要求度
を実質的に低減する方法を選択的に備える；（４）この
発明の装置は、比較し得る先行技術に対して実質的に複
雑さが少なく高価ではない。
は、空気の屈折率の変動に対して正確な測定及び補正を
行なうことができ、例えば距離測定用干渉計に有効とな
る；（２）この発明は、最新のマイクロリソグラフ装置
に共通な高速ステージ動作に互換性がある；（３）この
発明は組み込み容易なモニタ手段と光源安定性の要求度
を実質的に低減する方法を選択的に備える；（４）この
発明の装置は、比較し得る先行技術に対して実質的に複
雑さが少なく高価ではない。
【００６６】他のデータ処理がこの発明の精神及び見地
から離脱することなく考えられることは当業者にとって
は明らかであり、例えば、変更ヘテロダイン信号Ｓ 1，
Ｓ 2を加算するより乗算を行うのが有用であることを実
証できる。上記結果を数式で示す。 〔数式２８〕 Ｓ’＝Ｓ 1Ｓ 2
から離脱することなく考えられることは当業者にとって
は明らかであり、例えば、変更ヘテロダイン信号Ｓ 1，
Ｓ 2を加算するより乗算を行うのが有用であることを実
証できる。上記結果を数式で示す。 〔数式２８〕 Ｓ’＝Ｓ 1Ｓ 2
【００６７】代替信号（alternative signal）Ｓ’は、
位相感度検出の使用の間中、（Ｓ1＋Ｓ2）p+qの二項展
開（binomial expansion）における適切な項を選択する
ことによって生成され得る。代替信号Ｓ’は、周波数Ｆ
及びＶを有する２つの信号の積よりも合計（sum）から
構成される。そのような処理手法は、例えば、図１の検
出器４５，４６及びダイクロイックビームスプリッター
８０を単一検出器（single detector）と置き換えるの
が有用であることがわかれば利点となるであろう。
位相感度検出の使用の間中、（Ｓ1＋Ｓ2）p+qの二項展
開（binomial expansion）における適切な項を選択する
ことによって生成され得る。代替信号Ｓ’は、周波数Ｆ
及びＶを有する２つの信号の積よりも合計（sum）から
構成される。そのような処理手法は、例えば、図１の検
出器４５，４６及びダイクロイックビームスプリッター
８０を単一検出器（single detector）と置き換えるの
が有用であることがわかれば利点となるであろう。
【００６８】さらに代替となる追加の光学素子及び電子
処理ステップは、この発明の装置の開示された具体例の
１つに組み込むことができるということは当業者によっ
て理解されるであろう。例えば、追加の検出器及び付随
する素子は、データ処理に表れる様々な位相オフセット
値を測定し補正する具体例に追加することができる。こ
れら及び他の自明な修正は、この発明の精神及び見地か
ら逸脱することなくこの発明に採用することができる。
処理ステップは、この発明の装置の開示された具体例の
１つに組み込むことができるということは当業者によっ
て理解されるであろう。例えば、追加の検出器及び付随
する素子は、データ処理に表れる様々な位相オフセット
値を測定し補正する具体例に追加することができる。こ
れら及び他の自明な修正は、この発明の精神及び見地か
ら逸脱することなくこの発明に採用することができる。
【００６９】
【発明の効果】この発明の測定経路内のガスの屈折率の
変動を測定する装置及び方法によれば、ステージの動作
に実質的に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相
を提供する。スーパーヘテロダイン変調周波数は、いず
れかの適切な値に調整することができるので、屈折率変
動を補正するための位相測定の正確さが適切に増大され
る。先行技術に対するこれらの改善は、例えば２重水晶
などの高価な光学的素子なしに、さらにステージ動作の
高速性にいかなる制限をも設けることなしに簡便に達成
される。
変動を測定する装置及び方法によれば、ステージの動作
に実質的に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相
を提供する。スーパーヘテロダイン変調周波数は、いず
れかの適切な値に調整することができるので、屈折率変
動を補正するための位相測定の正確さが適切に増大され
る。先行技術に対するこれらの改善は、例えば２重水晶
などの高価な光学的素子なしに、さらにステージ動作の
高速性にいかなる制限をも設けることなしに簡便に達成
される。
【００７０】さらに、追加されるモニタ干渉計手段と基
本的な装置において使用されるのと実質的に同じ電子処
理手段とを使用することにより、光源波長における予期
されない変動を補正することができる。この発明のこの
好ましい補正の手法は、光源に対する波長の安定性の要
求度を大幅に低減する。この発明は絶対的な波長の安定
性を要求せず、モニタ経路は極端に安定した物理的長さ
Ｌを有することを必要としない。この発明は、空気の屈
折率の変動に対して正確な測定及び補正を行なうことが
でき、例えば距離測定用干渉計に有効となる。この発明
は、最新のマイクロリソグラフ装置に共通な高速ステー
ジ動作に互換性がある。この発明は組み込み容易なモニ
タ手段と光源安定性の要求度を実質的に低減する方法を
選択的に備える。この発明の装置は、比較し得る先行技
術に対して実質的に複雑さが少なく高価ではない。
本的な装置において使用されるのと実質的に同じ電子処
理手段とを使用することにより、光源波長における予期
されない変動を補正することができる。この発明のこの
好ましい補正の手法は、光源に対する波長の安定性の要
求度を大幅に低減する。この発明は絶対的な波長の安定
性を要求せず、モニタ経路は極端に安定した物理的長さ
Ｌを有することを必要としない。この発明は、空気の屈
折率の変動に対して正確な測定及び補正を行なうことが
でき、例えば距離測定用干渉計に有効となる。この発明
は、最新のマイクロリソグラフ装置に共通な高速ステー
ジ動作に互換性がある。この発明は組み込み容易なモニ
タ手段と光源安定性の要求度を実質的に低減する方法を
選択的に備える。この発明の装置は、比較し得る先行技
術に対して実質的に複雑さが少なく高価ではない。
【図１】この発明の好ましい具体例を示す測定装置の概
略構成図である。
略構成図である。
【図２】この発明によるスーパーヘテロダイン信号を示
すグラフである。
すグラフである。
【図３】この発明に使用された処理用エレクトロニクス
のブロックダイアグラムを示す図である。
のブロックダイアグラムを示す図である。
【図４】この発明の他の具体例を示す概略構成図であ
る。
る。
１、４ 光源 ２、５ 変調器 ９ 光学素子 １１、１２ 光線 １５、１６、１７ 光線 ２３ 偏光ビームスプリッター ４４ 偏光器 ４５、４６ 光検出器 ６０ 干渉計 ６５ リファレンスミラー ６６ 測定経路 ６７ 対象物体 ９８ 電子的処理手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター デ グルート アメリカ合衆国 コネチカット 06457、 ミドルタウン、ローレル グロウブ ロー ド 355
Claims (28)
- 【請求項１】 測定経路内のガスの屈折率の変動を測定
する装置であって、 異なる波長と実質的に調波関係を有する少なくとも２つ
の光線を出射し、各光線が直交偏光状態である光源と、 前記光線のそれぞれの直交偏光状態の間で周波数差を生
成する手段と、 前記光線を整列させて測定経路に沿う１本の実質的に共
線を有する光線にする手段と、 前記測定経路の物理的長さと前記測定経路における前記
ガスの屈折率との積に比例する大きさの移相を有する移
相光線を生成する手段と、 前記移相光線のそれぞれの偏光成分を混合し、混合した
出力光線を生成する手段と、 前記光線の前記偏光状態の間の周波数差に関連するヘテ
ロダイン周波数での振動及びヘテロダイン位相を備える
ヘテロダイン電気信号を前記混合出力光線の強度から生
成する手段と、 前記ヘテロダイン周波数に調波関係を有する変更ヘテロ
ダイン周波数及び前記ヘテロダイン位相に調波関係を有
する変更ヘテロダイン位相を備える変更ヘテロダイン電
気信号を前記ヘテロダイン電気信号から生成する手段
と、 前記変更ヘテロダイン電気信号の少なくとも２つを混合
して２つの対応する変更ヘテロダイン周波数の差の１／
２に実質的に等しいスーパーヘテロダイン変調周波数
と、前記２つの対応する変更ヘテロダイン位相間の差の
１／２に実質的に等しいスーパーヘテロダイン変調位相
とからなる少なくとも１つのスーパーヘタロダイン電気
信号を生成する手段と、 前記スーパーヘテロダイン変調位相を解析して前記測定
経路にわたって前記屈折率の変動を求める手段とからな
る、測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置。 - 【請求項２】 前記光線が２つの直交偏光状態をそれぞ
れ有し、前記周波数差を生成する手段が前記光線のそれ
ぞれの２つの直交偏光状態の間で周波数差を生成する手
段からなり、前記周波数差が少なくとも２つの光線につ
いての差である請求項１記載の装置。 - 【請求項３】 前記光線を整列させる手段が、前記光線
の全部を単一光線に整列させる光学的手段からなる請求
項１記載の装置。 - 【請求項４】 前記移相された光線を生成する手段が、
前記光線のそれぞれの偏光状態の間で移相を生じる手段
からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項５】 前記移相された光線を生成する手段が、
光学的手段からなる請求項４記載の装置。 - 【請求項６】 前記移相された光線を生成する手段が、
光学的手段からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項７】 前記屈折率が、波長の関数であり前記移
相された光線のそれぞれに対して異なる屈折率からなる
請求項１記載の装置。 - 【請求項８】 前記偏光成分を混合する手段が、偏光子
からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項９】 前記ヘテロダイン電気信号を生成する手
段が、光電検出手段からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項１０】 前記変更ヘテロダイン電気信号の少な
くとも２つを混合する手段が、前記スーパーヘテロダイ
ン変調周波数を有する振幅変調搬送波からなる少なくと
も１つのスーパーヘテロダイン電気信号を生成するため
に前記変更ヘテロダイン電気信号のいずれか２つを混合
する手段からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項１１】 前記光源が、コヒーレント放射の光源
からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項１２】 前記光源がレーザーからなる請求項１
１記載の装置。 - 【請求項１３】 前記測定経路が干渉計内の測定経路か
らなる請求項１記載の装置。 - 【請求項１４】 前記ガスが空気である請求項１記載の
装置。 - 【請求項１５】 前記変更ヘテロダイン信号を生成する
手段が電子手段からなる請求項１記載の装置。 - 【請求項１６】 前記光源の波長の変動によって生成さ
れる前記スーパーヘテロダイン変調位相の誤差を補正す
る手段をさらに具備してなる請求項１記載の装置。 - 【請求項１７】 前記補正手段が、固定長を有するモニ
タ光路と制御された屈折率を有するガスとからなる測定
経路を備えた干渉計手段からなる請求項１６記載の装
置。 - 【請求項１８】 前記補正手段が、さらにモニタヘテロ
ダイン信号を生成する手段からなり、前記生成手段がさ
らに前記モニタヘテロダイン信号から変更モニタヘテロ
ダイン信号を生成する手段からなる請求項１７記載の装
置。 - 【請求項１９】 前記変更モニタヘテロダイン信号を生
成する手段が電子手段からなる請求項１８記載の装置。 - 【請求項２０】 前記補正手段が、前記の変更モニタヘ
テロダイン電気信号のいずれか２つを混合して少なくと
も１つのモニタスーパーヘテロダイン電気信号を生成す
る手段をさらに備え、前記モニタスーパーヘテロダイン
信号がモニタスーパーヘテロダイン変調周波数を有する
振幅変調搬送波からなる請求項１８記載の装置。 - 【請求項２１】 光源波長を有し実質的に互いが調波関
係にある光源光線を測定経路に沿って供給し、次に前記
調波関係にある光源波長と同様の調波関係にある変更ヘ
テロダイン移相を前記供給された光源波長に基づいて供
給し、前記測定経路に沿った運動に対して実質的に影響
されないスーパーヘテロダイン変調位相を供給するステ
ップとからなる測定経路内のガスの屈折率の変動を測定
する方法。 - 【請求項２２】 前記ガスが空気である請求項２１記載
の方法。 - 【請求項２３】 前記測定経路が、前記測定経路に沿っ
て移動可能なステージを有する干渉計内の測定経路から
なり、前記スーパーヘテロダイン変調位相供給ステップ
が、前記測定経路におけるステージの運動に実質的に影
響されない前記スーパーヘテロダイン変調位相を供給す
るステップからなる請求項２１記載の方法。 - 【請求項２４】 前記屈折率ηにおける前記変動とは無
関係に前記測定経路に沿って距離Ｌを求めるステップを
さらに具備してなる請求項２１記載の方法。 - 【請求項２５】 前記距離確定ステップが、 数式Ｌ＝（φ1−ζ1）／ｋ1ｎ1 （但し、φ1が移相の大きさであり、κ1が移相の波数で
あり、ηが屈折率であり、ζ1が位相オフセット量であ
り、位相オフセット量が測定経路と無関係な移相φ1に
対するすべての寄与を含む）によって前記距離Ｌを求め
るステップをさらに具備してなる請求項２１記載の方
法。 - 【請求項２６】 前記光源光線を供給するステップが、
直交偏光状態の間に周波数差を有する前記直交偏光状態
を備えた光源光線を供給するステップからなり、かつ前
記の供給された光源波長に基づいて変更ヘテロダイン移
相を供給するステップが、前記光源光線の偏光状態の間
に周波数差に関連するヘテロダイン周波数における振動
を備えるヘテロダイン電気信号を生成し、前記の変更ヘ
テロダイン移相を備える前記ヘテロダイン電気信号から
変更ヘテロダイン信号を生成するステップからなる請求
項２１記載の方法。 - 【請求項２７】 前記ヘテロダイン信号生成ステップ
が、前記の変更ヘテロダイン信号を電子的に生成するス
テップからなり、前記方法がさらに前記スーパーヘテロ
ダイン変調位相を備えるスーパーヘテロダイン信号を生
成するために、前記の変更ヘテロダイン信号を電子的に
加算するステップを具備してなる請求項２６記載の方
法。 - 【請求項２８】 光源波長における変動によって生成さ
れた前記スーパーヘテロダイン変調位相における誤差を
補正するステップをさらに具備してなる請求項２１記載
の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/700,112 US5838485A (en) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | Superheterodyne interferometer and method for compensating the refractive index of air using electronic frequency multiplication |
| US08/700112 | 1996-08-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1090176A true JPH1090176A (ja) | 1998-04-10 |
| JP3273500B2 JP3273500B2 (ja) | 2002-04-08 |
Family
ID=24812237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22280197A Expired - Fee Related JP3273500B2 (ja) | 1996-08-20 | 1997-08-19 | 測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5838485A (ja) |
| JP (1) | JP3273500B2 (ja) |
| KR (1) | KR100322938B1 (ja) |
| DE (2) | DE19727402A1 (ja) |
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| JP7026857B1 (ja) * | 2021-02-26 | 2022-02-28 | 三菱電機株式会社 | ライダ装置 |
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