KR100328007B1

KR100328007B1 - 다중패스 간섭법을 사용하여 공기의 굴절률을 측정하는 슈퍼헤테 로다인 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100328007B1
Application number: KR1019997000485A
Authority: KR
Inventors: 힐헨리알렌; 드그룻피터
Original assignee: 게리 윌리스; 지고 코포레이션
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2002-03-09
Also published as: JP3273501B2; KR20000067977A; DE69725859T2; DE69725859D1; JPH1090175A; US5764362A; DE19727404A1

Abstract

측정 경로 내의, 공기와 같은 기체의 굴절률에서의 변동을 측정하기 위한 방법 및 장치가 이들 변동과는 무관하게 대상체의 거리를 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 코히어런트 광원 (1,4) 은, 서로 실질적인 고조파 관계인 측정 경로 (66) 를 따르는 소오스 파장 (

Description

다중패스 간섭법을 사용하여 공기의 굴절률을 측정하는 슈퍼헤테로다인 방법 및 장치{SUPERHETERODYNE METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE REFRACTIVE INDEX OF AIR USING MULTIPLE-PASS INTERFEROMETRY}

계측학에서 종종 부딪히는 문제는 공기 컬럼(column) 의 굴절률 측정이다. 공기 컬럼이 샘플 셀 내에 포함되어, 온도, 압력 및 물리적 크기에 대하여 모니터링되는 등, 고도로 통제된 환경 하에서 굴절률을 측정하는 몇몇 기술이 공지되어 있다. 예를 들면, 제이 테리엔(J. Terrien) 의, Metrologia1(3), 80-83(1965) 에 기재된 'An air refractometer for interference length metrology' 란 제목의 논문이 있다.

공기의 굴절률과 관련된 가장 어려운 측정이라면, 통제되지 않는 온도와 압력을 가지며 미지의 또는 가변의 길이를 갖는 측정 경로 상에서의 굴절률 변동을 측정하는 것이다. 그런 상황은 지구물리학적 및 기상학적인 조사에서 종종 발생되는데, 공기 밀도와 조성비의 변화로 인하여, 굴절률이 극적으로 변화하고 대기가 명확하게 통제되지 않기 때문이다. 이러한 문제는 Appl. Opt.23(19), 3388-3394(1984) 에, 에이치 마쓰모토(H.Matsumoto) 와 케이 쓰까하라(K. Tsukahara) 에 의한 'Effects of the atmospheric phase fluctuation on long distance measurement' 의 논문과 Appl. Opt.23(23), 4383-4389(1984) 에 지 엔 깁슨(G.N. Gibson) 등에 의한 'Optical path length fluctuation in the atmosphere' 의 논문에 기재되어 있다.

공기의 굴절률을 측정할 때의 또 다른 문제의 경우로는, 집적회로의 마이크로 리소그래피 공정에 사용되는, 고정밀도의 거리 측정 간섭계의 경우이다. 예를 들어, Appl. Opt.26(13), 2676 - 2682 (1987) 에 기재된 엔 봅로프(N.Bobroff) 에 의한 'Residual errors in laser interferometry from air turbulence and non-linearity' 의 논문과 Measurement science & tech.4(9), 907-926(1993) 에 기재된 엔 봅로프(N.Bobroff) 에 의한 'Recent advances in displacement measuring interferometry' 의 논문이 있다. 전형적으로 굴절률 변동에 대한 보정은 그 크기가 0.1 ppm(parts per million) 정도이며, 0.005ppm 까지 정확해야한다. 이러한 고정밀도는 주파수가 안정된 레이저 소오스와 고분해능 위상 검출을 필요로 한다.

종래 기술에서 주로 참조되는 것으로서, 헤테로다인 위상 추정법이 있는데, 위상이 시간에 따라서 제어되는 방식이다. 예를 들어, 종래기술의 헤테로다인 거리-측정 간섭계의 공지된 형태에서는, 소오스가 약간 다른 광주파수(예를 들어 2MHz)를 갖는 두개의 직교편광을 방출한다. 이러한 경우 간섭계의 수광부는 선형 편광기와 광검출기를 일반적으로 구비하여, 시변 간섭 신호를 측정한다. 상기 신호는 맥놀이 (beat) 주파수에서 진동하며, 신호의 위상은 상대 위상차와 일치한다. 헤테로다인 거리-측정 간섭계의 또 다른 종래기술의 대표적인 예가 지.이.섬마그렌 (G.E.Sommargren) 과 엠 스캄(M. Schaham) 의 공동소유인 미국특허 제 4,688,940 호(1987) 에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 공지된 간섭계의 계측법에서는 굴절률에서의 변동에 의해 제한되기 때문에, 그것만으로는 차세대의 마이크로리소그래피 장치로 적절하지 않다.

거리측정을 위한 간섭계의 또다른 공지된 형태가 제이 디 레드맨 (J.D.Redman) 과 엠 알 월 (M.R.Wall) 에 의해 'Interferometric methods and apparatus for measuring distance to a surface' 의 제목으로 미국특허 제 4,005,936 (1977) 에 기재 되어있다. 레드맨과 월의 방법은, 각각 두 개의 부분으로 분리되는, 두 개의 상이한 파장의 레이저 빔을 사용하는 것을 포함한다. 각 빔들의 한 부분에 주파수 천이가 도입된다. 각 빔의 한 부분은 대상체로부터 반사되며, 광검출기 상에서 다른 부분과 결합되어, 간섭신호를 만든다. 검출기에서의 간섭신호로부터 차 주파수를 유도하며, 차 주파수의 위상은 표면까지의 거리 측정값이다. 차 주파수에 해당하는 위상의 등가 파장은, 두 레이저 파장의 곱을 두 파장의 차로 나눈 것이 된다. 레드맨과 월의 상기 2-파장 기술은 측정의 모호성을 감소시키기는 하나, 적어도 단일-파장 기술만큼 공기의 굴절률 변동에 민감하다.

레드맨과 월의 것과 비슷한 2-파장 간섭계의 또 다른 예가 알 댄들리케르 (R. Dandliker)와 더블유 헤르부르크(W..Heerburgg) 에 의해 'Method and apparatus for two-wavelength interferometry with optical heterodyne processes and use for position or range finding' 로 미국특허 제 4,907,886 (1990) 호에 기재되어 있다. 상기 시스템은 알 댄들리케르, 알 탈맨(R.Thalmann), 디 프롱그 (D.Prongue) 에 의해, Opt. Let.13(5), 339-341 (1988) 에 'Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection' 이란 제목으로 기재되어 있으며, 알 댄들리케르, 케이 휴그(K.Hug), 제이 폴리치(J.Politch) 및 이 지메르맨(E.Zimmermann) 에 의해, 'High-accuracy distance measurements with multiple-wavelength interferometry' 란 제목으로 기재되어 있다. 미국특허 제 4,907,886 호에 기재된 댄들리케르 등의 시스템은 두 파장의 레이저 빔을 사용하며, 상기 빔의 각각은 음향광학변조 (acousto-optic modulation) 에 의해서 주파수 분리된 두 개의 편광성분을 구비한다. 상기 빔이 동일직선상으로 (colinearly) 마이켈슨 간섭계를 통과한 후, 상기 편광 성분이 혼합되고, 헤테로다인 신호가 생성된다. 이 헤테로다인 신호가 각 두 파장에 대하여 상이한 주파수를 갖기 때문에, 상기 헤테로다인 주파수의 차와 동일한 주파수와, 상기 레이저 파장의 곱을 두 파장의 차로 나눈 것과 동등한 파장인 등가 파장에 해당하는 위상을 갖는, 소위 슈퍼헤테로다인 신호를 발생한다. 미국특허 제 4,907,886 호에 따르면, 상기 슈퍼헤테로다인 신호의 위상은 측정 대상체의 위치와 등가 파장에만 의존한다고 가정한다. 그러므로, 상기 종래 시스템은 또한 공기의 굴절률의 변동을 측정하거나 보상하도록 설계되지는 않았다.

레드맨과 웰, 및 댄들리케르와 헤르부르크에 의해서 개발된 2-파장 슈퍼헤테로다인 기술의 또다른 예가 지 소드니크(Z.Sodnik), 이 피셔(E.Fischer), 티 이트너(T.Ittner) 및 에이치 제이 티지아니(H.J.Tiziani) 에 의해, Appl. Opt.30(22), 3139-3144(1991) 에 'Two-wavelength double heterodyne interferometry using a matched grating technique' 란 제목의 논문과, 에스 맨하트(S.Manhart) 와 알 마우렐(R.Maurer) 에 의해 SPIE1319, 214-216 (1990) 에 'Diode laser and fiber optics for dual-wavelength heterodyne interferometry' 란 제목의 논문에서 발견할 수 있다. 그러나, 이 예들 중 어느 것도 굴절률 변동의 문제점을 다루고 있지는 않다.

전술한 예들에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 헤테로다인 및 슈퍼헤테로다인 간섭법은 공기의 굴절률의 변동을 보상하고 측정하는 방법과 대응되는 수단을 만족스럽게 제공하지 않는다는 결론을 얻을 수 있다. 종래 기술에서의 이러한 결함은 심각한 측정 불확실을 발생시켜서, 그런 간섭계를 사용하는 시스템, 예를 들어 집적회로의 마이크로-리소그래피 공정에서 시스템의 정밀도에 심각한 악영향을 발생시킨다. 미래의 간섭계는 필연적으로 굴절률 변동을 측정하고 보상하기 위하여 개발된 새로운 방법 및 수단과 일체화되어야한다.

굴절률 변동을 검출하기 위한 한 방법으로 측정경로에 따르는 압력과 온도의 변화를 측정하고 경로의 굴절률에 대한 결과를 계산하는 것이 있다. 이러한 계산을 하기 위한 수학식이 에프 이 존스(F.E Jones) 에 의해 J. Res. NBS86(1),27-32(1981) 에 'The refractivity of air' 란 제목의 논문에 개시되어 있다. 상기 종래 기술의 구현은 더블유 티 에스틀러(W.T.Estler) 에 의해서 Appl. Opt.24(6), 808-815 (1985) 에 'High-accuracy displacement interferometry in air' 란 제목의 논문에 개시되어 있다. 그러나, 이 기술은 근사값만을 제공하며, 성가신 작업이 있으며, 공기 밀도의 느리고 포괄적인 변동에 대해서만 보정하여, 여전히 만족스러운 것은 아니다.

경로상의 굴절률 변동을 검출하기 위한 좀 더 직접적인 또다른 방법으로는 다중-파장 거리 측정이 있다. 이것의 기본 원리는 다음과 같이 이해될 수도 있다. 간섭계와 레이저 레이더는 대부분 옥외에서, 기준과 대상체 사이의 광로 길이를 측정한다. 광로 길이는 굴절률과 측정빔이 이동한 물리적 경로의 곱의 적분이다. 굴절률은 파장에 따라서 변화하지만, 물리적 경로는 파장과 무관하다는 점에서, 장치가 2 개 이상의 파장을 사용한다면, 물리적 경로 길이를 굴절률의 변동과 분리시킬 수 있다. 파장에 따른 굴절률의 변화는 분산으로서 공지되어 있으며, 이 기술은 분산 기술로서 이후에 언급될 것이다.

굴절률 측정을 위한 분산 기술은 긴 역사를 지니며, 레이저의 도입보다 먼저이다. 케이 이 에릭슨(K.E.Erickson)(J.Opt.Soc.Am.52(7),781-787(1962)) 에 의한 'Long-path interferometry through an uncontrolled atmosphere' 란 제목의 논문에 기초원리가 기재되어 있으며, 종래의 지구물리학적 측정기술의 용이한 분석을 제공한다. 부가적인 이론적인 제안은, 피 엘 벤더(P.L.Bender) 와 제이 시 오웬스(J.C.Owens)(J.Geo.Res.70(10),2461-2462(1965)) 에 의한 'Correction of optical distance measurements for the fluctuating atmospheric index of refraction' 이란 제목의 논문에서 발견할 수 있다.

굴절률 보상을 위한 종래의 분산 기술을 기초로한 상용 거리-측정 레이저 레이더가 1970 년대에 나타났다. 케이 비 어언쇼우(K.B.Earnshaw) 와 이 엔 헤맨데즈(E.N.Hemandez) 에 의해 Appl. Opt.11(4), 749-754(1972) 에 'Two-laser optical distance-measuring instrument that corrects for the atmospheric index of refraction' 제목의 논문이 5 내지 10 Km 의 측정 경로 상에서 작동하는 마이크로파 변조 HeNe 및 HeCd 레이저를 채용한 장치를 개시하고 있다. 또한 이 장치의 상세한 설명은 이 엔 헤맨더즈 및 케이 비 어언쇼우에 의해, J.Geo.Res. 77(35),6994-6998(1972) 에 'Field Tests of a two-laser(4416A 및 6328A) optical distance-measuring instrument correcting for the atmospheric index of refraction' 란 제목의 논문에서 발견할 수 있다. 또한, 이 베르그(E.Berg) 와 제이 에이 카르터(J.A.Carter) 에 의해서 J.Geo.Res.85(B11), 6513-6520 (1980) 에 'Distance corrections for single- and dual-color lasers by ray tracing' 의 제목의 논문과, 엘 이 슬레이터(L.E.Slater) 와 지 알 휴게트(G.R.Huggett) 에 의해 J.Geo.Res.81(35), 6299-6306(1976) 에 'A Multi wavelength distance-measuring instrument for geophysical experiment' 의 제목의 논문이 있다.

비록 종래의 지구물리학적 측정장치는, 통상적으로 강도변조 레이저 레이더를 사용하지만, 근거리에 있어서는 광 간섭위상 검출방식이 좀 더 바람직한 것으로 알려져 있다. 알 비 지핀(R.B. Zipin) 과 제이 티 잘루스키(J.T.Zalusky) 에 의해, 'Apparatus for and method of obtaining precision dimensional measurements' (1972) 란 제목의 미국특허 제 3,647,302 호에는, 온도, 습도 및 압력과 같은 대기 조건의 변화에 대하여 보상을 하기 위하여 다중 파장을 사용하는 간섭 변위측정 시스템을 개시하고 있다. 상기 종래 장치는 특히 이동가능 대상체, 즉 변동가능한 물리적 경로 길이로 동작하도록 설계된다. 그러나, 지핀과 잘루스키의 위상 검출 수단은 고정밀 측정을 위한 정확도에는 불충분하다.

좀 더 현대적으로 설명된 예가, 와이 쥬(Y.Zhu), 에이치 마쓰모또 (H.Matsumoto), 티 오이시(T. O'ishi) 에 의해, SPIE1319, Optics in complex systems,538-539(1990) 에 'Long-arm two-color interferometer for measuring the change of air refractive index' 란 제목으로 기재된 시스템이다. 쥬 등의 시스템은 1064 nm 파장의 YAG 레이저와 632 nm 의 HeNe 레이저를 직각 위상 검출기 와 함께 사용한다. 실질적으로 동일한 기구가 일본에서 쥬등에 의해, Proc. 3rd meeting on lightwave sensing technology, Appl. Phys.Soc. of Japan, 39(1989) 에 'Measurement of atmospheric phase and intensity turbulence for long-path distance interferometer' 란 제목으로 기재된 논문에 개시되어 있다. 그러나, 쥬 등의 간섭계는 모든 응용, 예를들어 마이크로리소그래피를 위한 서브마이크론 간섭법을 위하여는 충분한 분해능을 갖지 못한다.

고정밀도 간섭법에 대한 최근 시도는 에이 이시다에 의한 미국특허 제 4,948,254(1990) 에 의해서 설명된다. 비슷한 장치가 Jpn.J.Appl.Phys.28(3), L473-475(1989) 에 'Two-wavelength displacement-measuring interferometer using second-harmonic light to eliminate air-turbulence-induced errors' 란 제목의 논문으로 설명되어 있다. 이 논문에서, 변위-측정 간섭계는 2-파장 분산 검출에 의해 굴절률의 변동에 의해서 발생된 오류를 제거하는 것을 개시하고 있다. Ar 레이저 소오스는 BBO 로서 기술분야에서 공지된 주파수 2배화 결정 (frequency-doubling crystal) 에 의해서 동시에 두 개의 파장을 제공한다. BBO 2배화 결정의 사용은 기본적으로 위상이 고정된 두 개의 파장을 발생하여서, 굴절률 측정의 정확성과 안정성을 크게 개선한다. 그러나, 호모다인 (homodyne) 직교 검출을 사용하는, 위상 검출 수단은 고분해 위상 측정에 충분하지 않다. 또한, 위상 검출 및 신호 처리 수단은, 대상체의 이동이 위상의 빠른 변화를 발생시켜서, 정확하게 검출하는 것이 어렵기 때문에, 동적 측정에는 적합하지 않다.

에스 에이 리스(S.A.Lis) 에 의한 'Interferometric measuring system with air turbulence compensation' 란 제목의 미국특허 제 5,404,222 (1995) 호에서는, 굴절률 변동을 검출하고 보상하기 위한 분산 기술과 2 파장 간섭계를 사용한 또 다른 종래 기술을 개시하고 있다. 비슷한 장치가 리스에 의해, SPIE2440(1995) 에, 'An air turbulence compensated Interferometer for IC manufacturing' 란 제목으로 개시되어 있다. 리스에 의한 미국특허 제 5,404,222 호에 대한 개선으로 1996 년 7월에 등록된 미국특허 제 5,537,209 호가 있다. Jpn. J.Appl.Phys.(상기 인용) 에서 이시다에 의해서 지시된 것에 대한 시스템의 원리 혁명은 위상 검출 수단의 정밀도를 증가하기 위하여 또다른 BBO 2배화 결정을 추가하였다. 추가된 BBO 결정은, 정확히 2의 정수배의 차가 나는 파장을 갖는 두 빔을 광학적으로 간섭시키는 것이 가능하다. 그 간섭의 결과는 굴절률에 직접적으로 의존하나 스테이지 이동과는 실질적으로 무관한 위상을 갖는다. 그러나, 상기 리스의 시스템은 모든 측정 경로에 대하여 추가로 BBO 결정을 요구하며 복잡하다는 단점이 있다. 마이크로 리소그래피 스테이지가 6 개 이상의 측정 경로를 종종 포함하며, BBO 의 가격이 $12,000 이상이 될 수 있다는 점에서, 추가의 결정은 심각한 가격 부담을 일으킨다. 리스 시스템의 또다른 단점은 PZT 변환기의 물리적 변위를 기초로 하는 저속(32Hz) 위상 검출 시스템을 사용한다는 것이다.

상기로부터 명확하게 알 수 있는 것처럼, 종래기술은 공기의 굴절률의 변동을 측정하고 보상하기 위하여 실질적으로, 고속, 고정밀도의 방법과 그에 대응하는 수단을 제공하지 못한다. 종래 기술의 한계는 다음의 풀리지 않는 기술적 애로점으로부터 원리적으로 발생된다; 1) 종래기술의 헤테로다인 및 슈퍼헤테로다인 간섭계가 공기의 굴절률의 변동에 의해서 정확성이 제한되며, 2) 굴절률 변동을 측정하기 위한 종래기술의 분산기술은 고정밀도 거리측정 간섭계의 일반적인 정확도 크기의 정도를 일반적으로 초과하는, 간섭 위상 측정에서의 높은 정확성을 요구하며, 3) 위상 측정 정확성을 개선하기 위한 종래기술의 간섭계에 대한 변형은 현대 마이크로리소그래피 장치에서 빠른 스테이지 이동과 양립될 수 없을 정도까지 측정시간이 증가되며, 4) 종래 기술의 분산 기술은, 다중의 위상 동기 파장을 방출하는 극도로 안정된 레이저 소오스 혹은 단일 소오스를 두 개 이상을 요구하며, 5) 마이크로리소그래피 응용에서의 종래의 분산 기술은 측정시 스테이지 이동에 민감하여서 시스템 오류를 발생하며, 6) 검출 시스템의 부분으로서 2배화 결정 (예를들어, 리스에 의한 미국특허 제 5,404,222 호) 을 사용하는 종래 기술의 분산 기술은 가격이 높고 복잡하다는 것이다.

종래기술에서의 이러한 결함으로, 굴절률 변동이 존재할 경우, 마이크로리소그래피에서 변위 측정을 실행하는데에는, 어떤 실제적인 간섭계 시스템도 사용되지 않고 있다.

본 발명은 거리와 굴절률을 측정하기 위한 광학장치에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 측정 경로상의 기체 굴절률의 변동과 무관하게 간섭 거리를 측정하는 것에 관한 것이다.

도면에서, 동일한 도면부호는 도면을 통하여 동일한 부품을 나타낸다.

도 1 은 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 도면이다.

도 2 는 슈퍼헤테로다인 신호를 설명하는 그래프이다.

도 3 은 전자처리수단의 블록 다이어그램을 보여주는 도면이다.

도 4 는 본 발명의 또다른 실시예를 보여지는 도면이다.

본 발명에 따르면, 측정 경로에 있는 기체의 굴절률의 변동을 측정하기 위한 장치와 방법, 즉 상기 변동과는 독립적인 거리 측정 간섭법에 유용한 장치와 방법으로서, 1) 각각 상이한 파장을 갖는 두 개 이상의 광빔들의 소오스로서, 상기 파장은 서로에 대하여 또는 공통 기준에 대하여, 공지된 근사 고조파 관계를 갖는 광빔 소오스, 2) 상기 광빔들의 두 직교 편광 상태간의 주파수 차로서, 2 개 이상의 광빔간에 서로 다른 주파수 차를 도입하기 위한 수단, 3) 실질적으로 동일한 측정 경로를 통과하도록 상기 광빔 모두를 정렬하기 위한 광학 수단, 4) 상기 광빔들 각각의 편광 상태 사이에 위상 천이를 도입함으로서, 위상 천이된 빔을 생성하는 광학 수단으로서, 상기 광학수단은 상기 광빔들에 대하여 상기 측정 경로 상에서 다중 패스를 발생시키기 위한 수단을 구비하며, 각 광빔에 대한 패스의 수는, 상기 파장들 사이의 상기 공지된 근사 고조파 관계와 실질적으로 동일한 관계이며, 상기 광학적으로 생성된 빔들의 위상 천이는 상기 측정 경로 상의 패스의 수, 상기 측정 경로의 물리적 길이, 및 측정 경로 내의 기체의 굴절률의 곱에 비례하는 크기를 가지며, 상기 굴절률은 파장의 함수이며 따라서 위상 천이된 빔의 각각에 대하여 상이하도록 하는 광학수단, 5) 두 개 이상의 혼합된 출력 빔들을 생성하기 위하여 상기 천이된 광빔 각각의 편광 성분을 혼합하는 수단으로, 바람직하게는 편광판인 수단, 6) 상기 혼합된 출력빔들의 강도로부터 헤테로다인 전기 신호를 생성하기 위한 수단으로, 바람직하게는 광전 검출인 수단으로서, 상기 헤테로다인 전기 신호는 상기 광빔들의 편광 상태들 사이의 상기 주파수 차와 관련된 헤테로다인 주파수에서 진동하며, 상기 헤테로다인 전기 신호는 헤테로다인 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 수단, 7) 상기 헤테로다인 전기 신호를 처리하여 슈퍼헤테로다인 신호를 생성하는 수단으로서, 슈퍼헤테로다인 위상은 헤테로다인 위상과 고조파 관계이며, 바람직하게는 전자장치수단으로서, 상기 슈퍼헤테로다인 전기 신호는 두 해당 헤테로다인 주파수의 차의 1/2 과 동일한 슈퍼헤테로다인 변조 주파수와, 두 해당 헤테로다인 위상 사이의 차의 1/2 과 동일한 슈퍼헤테로다인 변조 위상을 갖는 진폭 변조 반송파로 구성되는 수단과, 8) 상기 측정 경로 상에 기체의 굴절률의 변동을 결정하기 위한 슈퍼헤테로다인 변조 위상을 분석하는 수단으로, 바람직하게는 전자장치인 수단을 구비한다.

본 발명의 원리의 장점은 아래와 같이 요약될 것이다. 소오스 파장은 실질적으로 고조파 관계이며, 위상천이가, 그 패수의 수가 동일하게 고조파 관계인, 다중패스에 의해서 발생될 경우, 본 발명은 스테이지 이동에 실질적으로 민감하지 않은 슈퍼헤테로다인 변조 위상을 제공한다. 상기 슈퍼헤테로다인 변조 위상은 공기의 굴절률의 변동을 직접 측정한 것이다. 슈퍼헤테로다인 변조 주파수를 임의의 편리한 값으로 조정할 수도 있기 때문에, 굴절률 변동에 대한 보상을 위하여 위상 측정 정확도를 적절하게 강화시킬 수도 있다. 종래 기술과 비교되는 이러한 개선은 2배화 결정 등의 값비싼 광학성분없이도 편리하게 얻으며, 빠른 스테이지 이동에 대한 임의의 제한 없이도 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 추가의 모니터 간섭계 수단과 종래 장치에 사용된 실질적으로 동일한 전자처리수단을 사용하여, 소오스 파장의 예상치 않은 변동에 대한 보상의 능력을 포함한다. 모니터 간섭계는 바람직하게는 미세하게 조절되는 굴절률을 갖는 고정된 모니터 경로 길이를 포함하여서, 모니터에서의 임의의 측정 변화가 파장 안정성의 측정값에 기여하고 그 측정값을 제공한다.

도 1 을 참조하면, 측정 경로 (66) 내의 기체의 굴절률의 변동을 측정하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 장치가 도시되었는데, 상기 변동과는 무관하게 대상체 (67) 의 변위를 측정할 수 있는 장치이다.

본 발명의 바람직한 방법에 따르면, 제 1 단계에서, 소오스 (1) 로부터 방사된 광빔 (11) 은 구동기 (3) 에 의해서 활성화된 변조기 (2) 를 통과한다. 소오스 (1) 는 바람직하게는 편광되어 있으며, 파장을 가지며 코히어런트한 방사를 하는 레이저 등이다. 변조기 (2) 는 예를 들어 음향-광학 장치 혹은 빔 (11) 의 편광 성분을 선택적으로 변조하는 추가의 광학장치와 음향-광학 장치와의 결합체일 수도 있다. 변조기 (2) 는, 바람직하게는 직교선형 편광성분에 대하여 빔중 하나의 선형 편광성분의 진동 주파수를 f₁만큼 천이시키며, 상기 편광 성분은 x 와 y 방향 성분으로 나타내었다. 그러므로, 변조기(2) 를 통과한 후에, 빔(11) 의 x 편광성분은 빔 (11) 의 y 편광성분에 대하여 f₁만큼 상방으로 천이된 진동 주파수를 갖는 것이 바람직하다.

다음 단계에서, 변조기 (2) 와 구동기 (3) 와 유사하게, 소오스 (4) 로부터 방출된 광빔 (12) 은 구동기 (6) 에 의해서 활성화된 변조기 (5) 를 통과한다. 소오스 (4) 는 소오스 (1) 과 유사하게, 편광되어 있으며, 코히어런트 방사를 하는 레이저 등이나, 상이한 파장을 가지며,에 대하여 공지된 근사 고조파 관계, 즉 P₁, P₂= 1, 2, 3, ..., P₁≠P₂일 때,

의 관계를 갖는 것이 바람직하다.

변조기 (5) 를 통과한 후, 빔 (12) 의 x 편광성분은 빔 (12) 의 y 편광성분에 대하여 f₂양만큼 상방으로 천이된 진동 주파수를 갖는다.

빔 (11 및 12) 은 하나 이상의 파장을 방사하는 단일 레이저 소오스 혹은 광주파수 2 배화 수단과 결합된 단일 레이저 소오스에 의해서 선택적으로 제공될 수 도 있으며, 혹은 2 이상의 파장의 광빔을 발생할 수 있는 어떠한 등가 소오스로도 구성될 수 있음은 당업자에게 자명한 것이다. 주파수 천이 f₁, f₂의 하나 혹은 양자가 레이저 소오스 그 자체의 지만 스플릿팅 (Zeeman splitting) 등의 현상 특성의 결과일 수도 있다는 것 또한 자명한 것이다.또한, 상기 광빔 (11 및 12) 을 정렬하기 위한 수단이 간섭계 (60) 로 전파되기 전에 구비될 수 있음도 또한 당업자에게 자명하다.

다음 단계에서, 빔 (11 및 12) 은 간섭계 (60) 로 전파되며, 상기 간섭계 (60) 는 파장에 대응하는 빔 (11) 의 x 및 y 편광성분 사이의 위상 천이과 파장에 대응하는 빔의 x 및 y 편광성분 사이의 위상 천이를 도입하기 위한 광학수단을 포함한다. 위상 천이,의 크기는 이하의 식에 따라서 측정 경로 (66) 의 왕복의 물리적 길이 (L) 와 관련된다.

j=1,2

여기서 파수는

이며, 측정 경로 (66) 내의 기체의 굴절률는 파장에 대응한다. 위상 오프셋는 측정 경로 (66) 와 무관한 위상 천이에 기여되는 모든 것을 포함한다. 계수는 수학식 1 에서 근사 고조파 관계를 정의하기 위하여 사용된 동일 부호 계수와 동일한 것이 바람직하다. 도 1 에서, 간섭계 (60) 는및로 구성되어서, 본 발명의 기능을 가장 간단한 방법으로 설명할 것이다.

도 1 에 도시된 것처럼, 간섭계 (60) 는 기준 미러 (65), 1/4 파장판 (81), 1/4 파장판 (83), 편광빔 스플릿터 (23) 및 이동 스테이지 (68) 에 연결되어 있으며, 측정 경로 (66) 를 변경하여 이동할 수도 있는 대상체 (67) 등으로 구성된다. 상기 구성은 편광 마이켈슨 간섭계로서 본 기술분야에서는 공지되어 있으며, 간단하게 도시되어 있다. 집적회로의 마이크로리소그래피 공정에서 일반적으로 통용되는 스테이지와 작용하는 경우, 씨 자논니(C. Zanoni) 에 의한 'Differential interferometer arrangements for distance and angle measurements: Principles, advantages and applications' (VDI Berichte Nr. 749, p93, 1989) 에서 설명된 것과 같은 각도-보상 간섭계 혹은 유사 장치가 본 발명의 장치와 통합되는 것이 바람직하다. 씨 자논니에 의한 'Differential interferometer arrangements for distance and angle measurements : Principle, advantages and applications.' (VDI Berichte Nr. 749, p93, 1989) 에 서술된 것처럼 본 분야에서 공지된 간섭계의 다른 형태가, 본 발명의 정신과 영역으로부터 벗어나지 않는다면, 도 1 의 발명의 장치에 통합될 수 있다.

본 발명의 간섭계 (60) 의 독특한 특성은 파장의 빔 (11) 이 굴절률에 측정 경로 (66) 의 왕복길이(L) 를 곱한 값에 비례하는 위상천이을 경험하는 반면, 파장의 빔 (12) 은 굴절률에 측정경로 (66) 의 왕복길이 (L) 를 곱한 값의 두배에 비례한다. 그러므로, 빔 (12) 은 측정경로 (6) 를 통하여 이중패스를 경험한다. 이중패스 간섭계는 측정 분해능을 개선하기 위한 수단으로서 종래기술에 공지된 것으로, 예를 들어 피 하리하란(P. Hariharan) 과 디 센(D. Sen) 에 의해, J. Opt. Soc. Am. 50, 357-361(1960) 에 'Double-passed two-beam interferometers' 란 제목의 논문에 언급된 것이 있으나, 공기 요동에 대한 보상을 위하여 동일한 시스템에서 이중 패스 간섭계와 단일 패스 간섭계의 결합인 본 발명은 출원인들에게는 알려져 있지 않으며 이 분야에서는 여기서 처음으로 언급하고 있다. 그런 본 발명의 결합을 얻기 위한 장치는 다음의 두 문단에서 설명될 것이다.

도 1 을 참조하면, 간섭계 (60) 의 편광빔 스플릿터 (23) 는 빔 (11 및 12) 을 두 개의 x 성분 및 y 성분으로 분리한다. 편광빔 스플릿터 (23) 는 바람직하게는 x 편광성분을 반사하고 y 편광성분을 투과시킨다. 그러므로, 빔 (11) 의 x 편광성분은, 빔 (211) 의 편광 상태를 원형으로 변환시키는 1/4 파장판 (83) 을 통과하는 빔 (211) 으로서 진행된다. 기준 미러 (65) 로부터 반사된 후에, 1/4 파장판 (83) 은 빔 (211) 의 편광 상태를 선형으로 되돌리나, 편광 방향은 y 방향을 따른다. 실질적으로 동시에, 빔 (11) 의 y 편광 성분은, 빔 (111) 의 편광 상태를 원형으로 변환시키는 1/4 파장판 (81) 을 통과하는 빔 (111) 으로서 진행된다. 측정경로 (66) 를 통과하고 대상체 (67) 로부터 반사된 후에, 1/4 파장판 (81) 은 빔 (111) 의 편광 상태를 선형으로 되돌리나, 편광 방향은 x 방향을 따른다. x 편광 성분을 갖는 빔 (111) 이 반사되고, y 편광성분을 갖는 빔 (211) 이 빔 스플릿터 (23) 를 투과하기 때문에, 빔 (111 및 211) 은, 도 1 에 도시된 것처럼 간섭계 (60) 로부터 나가는 위상 천이된 빔 (15) 을 형성하도록 결합된다.

도 1 을 참조하면, 빔 (12) 의 x 편광성분은, 빔(212) 의 편광 상태를 원형으로 변화시키는 1/4 파장판 (83) 을 통과하는 빔(212) 으로서 진행된다. 기준미러 (65) 로부터 반사된 후, 1/4 파장판 (83) 은 빔 (212) 의 편광 상태를 선형으로 되돌리나, 편광의 방향은 y 방향을 따른다. 실질적으로 동시에, 빔 (12) 의 y 편광성분은, 빔(112) 의 편광 상태를 원형으로 변환하는 1/4 파장판 (81) 을 통과하는 빔 (112) 로서 진행된다. 측정경로 (66) 를 통과하고 대상체 (67) 로부터 반사된 후, 1/4 파장판 (81) 은 빔 (112) 의 편광 상태를 선형으로 되돌리나, 편광 방향은 x 방향을 따른다. x 편광성분을 갖는 빔 (112) 이 반사하고 y 편광성분을 갖는 빔 (212) 이 빔 스플릿터 (23) 에 의해서 투과되기 때문에, 두 빔 (112 및 212) 은 결합되어 빔 (115) 을 형성하며, 빔 (115) 은 폴딩 프리즘 (82) 으로 진행되며, 여기서 편광빔 스플릿터 (23) 로 빔 (115) 을 재진행시킨다. 편광빔 스플릿터 (23) 는 빔 (115) 의 편광성분을 다시 한번 분리하며, 이때 x 편광 상태를 갖는 빔 (113) 과 y 편광 상태를 갖는 빔 (213) 을 생성한다. 1/4 파장판을 2회 통과하고, 기준미러 (65) 로부터 1회 반사된 후에, 빔 (213) 은 x 편광으로 다시 변환된다. 유사하게, 1/4 파장판 (81) 을 2회 통과하고, 대상체 (67) 를 1 회 반사한 후, 빔 (113) 은 y 편광으로 다시 변환된다. x 편광 성분을 갖는 빔 (213) 은 반사되며 y 편광성분을 갖는 빔 (113) 은 빔 스플릿터 (23) 에 의해서 투과되기 때문에, 두 빔 (213 및 113) 은 결합되어, 위상 천이된 빔 (16) 을 형성하며, 이것은 폴드 미러 (84) 로부터 반사된 후에 도 1 에 도시된 것처럼 간섭계 (60) 를 나오게된다.

다음 단계에서, 도 1 에 도시된 위상 천이된 빔 (15 및 16) 은, 바람직하게는 빔 (15 및 16) 각각의 x 및 y 편광성분을 혼합하도록 배향된 편광기 (44) 를 통과한다. 그런 후, 빔 (15,16) 은 각각 광검출기 (46) 및 광검출기 (45) 와 부딪혀서, 두 개의 파장에 각각 대응하는 두 개의 헤테로다인 간섭 신호를 각각 생성하며,

j =1,2

의 형태를 가지며, 여기서 헤테로다인 간섭 신호의 시간종속 변수는,

에 의해서 주어지며, 신호 진폭은 1 로 정규화(normalized) 되며, 임의의 상수 오프셋 값들은 전자 선행처리 수단(도시되지 않음) 에 의해서 필터링된다. 헤테로다인 간섭 신호는 분석을 위하여 전자 처리 수단 (98) 으로 전송된다.

도 3 을 참조하면, 전자 처리 수단 (98) 은 두 개의 헤테로다인 신호를 전자적으로 가산하는 수단 (982) 를 구비하여, 다음의 수학식 형태를 갖는 슈퍼헤테로다인 신호 S 를 생성한다.

상기 식을 다시 쓰면,

여기서,

및

그러므로, 슈퍼헤테로다인 신호 S 는 주파수 F 의 포락선 (envelope) 신호로 변조된 주파수의 반송파 신호 C 이다. 헤테로다인 신호는 상이한 진폭을 가질 때, 그 결과의 수학적 표현은 좀 더 복잡하나, 그럼에도 불구하고, 포락선 신호에 의해서 변조된 반송파 신호의 항으로 설명될 수도 있다는 것은 당업자에게는 자명한 것이다. 본 발명의 개시를 단순화하기 위하여, 헤테로다인 신호는 동일한 진폭을 갖는다고 가정한다.

도 3 을 참조하면, 전자 처리 수단 (98) 은 바람직하게는, 정류 및 필터링, 신호 제곱화 (squaring) 혹은 진폭 변조를 추출하고 반송파를 복조하기 위한 임의의 기술을 사용하여, 반송파 신호 C 로부터 포락선 신호 M 을 분리하는 수단 (983) 을 구비한다. 전자 처리 수단 (98) 은 시간기반의 위상 검출등을 사용하여 변조 위상를 결정하는 수단 (985) 를 또한 구비한다. 전자 처리 수단 (98) 은 수단 (986) 과 수단 (987) 을 추가로 구비하여 위상및를 각각 결정한다.

다음 단계에서, 전자 처리 수단 (98) 은, 변조 위상와, 위상 천이의 값을, 디지털 혹은 아날로그 형태로, 컴퓨터 (99) 로 보낸다. 컴퓨터 (99) 는 반송파 위상를 계산하고 다음의 식을 사용하여 굴절률을 계산한다.

여기서,

이다.

상기에서 정의된, 상수는 공기의 굴절률의 분산의 측정값이다. 예를 들어, 만일=0.63㎛ 및=0.33㎛ 이라면,=24 이다. 오프셋 인자 Q 는

로 정의되며, 여기서

이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, Q 는 상수로서 고려되거나 혹은 전자수단 (도시되지 않음) 에 의해서 모니터링된다.

수학식 (14, 15) 에서 유도된 값와는 각각 진공 슈퍼헤테로다인 파수와 진공 반송파 파수로서 참조될 것이다. 이 용어는일 때, 유효한 다음의 두 위상식으로부터 논리적으로 유추된다.

이다. 같은 이유로서, 수학식 (18,19) 에서 유도된 값및는 진공 반송파 위상 오프셋과 진공 슈터헤테로다인 위상 오프셋으로서 각각 설명참조될 것이다.

마지막 단계로서, 거리 측정 간섭법과 관련된 적용에 있어서, 위상천이함께 굴절률의 계산값이, 다음의 식을 사용하여, 굴절률의 변동과 무관한 거리 L 를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

에 추가로 혹은대신에,에 대하여 비슷한 계산을 실행하는 것은 당업자에게는 자명한 일이다.

앞 문단에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예에서의 본 발명의 근원적인 장점은 다음의 논의에 의해서 좀 더 명확하게 될 것이다. 반송파 위상과 슈퍼헤테로다인 위상에서 요구되는 정확도는 반송파 파수와 슈퍼헤테로다인 파수 K 의 값과 관계되는 것이 수학식 (12) 에 의해서 제공된 굴절률의 계산으로부터 명확해진다. 변조 신호 (M) 의 주파수 (F) 는 반송파 신호 C 의 주파수보다 훨씬 작을 수 있다는 점에서, 그리고 낮은 주파수의 전기 신호로 고분해능의 위상을 계산하는 것이 일반적으로 쉽기 때문에, 슈퍼헤테로다인 변조 위상의 고정밀도 측정에 의존된다는 것이 일반적으로 가장 큰 장점이다. 이것은, 파장가 수학식 (1) 에 도시된 것과 같이, 근사 고조파 관계에 있을 때, 본 발명의 장치를 쉽게 얻을 수 있다. 파장가 서로 정수배라는 제한된 경우에 대하여, 즉,일 경우에

에 대하여, 진공 슈퍼헤테로다인 파수 K 는 0 이며 굴절률 계산은 반송파 위상를 전혀 포함하지 않는다.

(K=0 일 경우)

또한, K=0 일 경우에, 슈퍼헤테로다인 변조 위상은, 위상 천이및 반송파 위상에 강하게 의존하는 것에 비하여, 거리 L 에는 약하게만 의존된다. 이것은, 마이크로리소그래피 장비에서 통상적인 이동 대상체에 대한 위상 검출 정확도를 개선한다.

일반적으로는 간섭법, 특히 분산 기술에 대하여 심각하게 고려해야할 것은 소오스 파장의 불안정성이다. 본 발명의 장치 및 수단은 다음과 같이, 소오스 파장 불확정성의 보상을 위한 편리한 방법을 제공한다. 수학식 (12) 에 의해서, 소오스 파장 불안정성에 기여하는 굴절률에서의 오차는

에 의해서 주어지며, 여기서는 진공 슈퍼헤테로다인 파수에서의 불안정성이다. 상기 식은 오차의 크기가 대상체 거리 L 에 실질적으로 무관하며, 대상체 거리 L 에 직접적으로 의존하는 위상천이와 같은 모든 다른 변수들과도 실질적으로 무관하다. 그러므로, 실제 굴절률 변동과는 무관한 모니터 경로를 따르는 굴절률을 측정함으로서 파장 안정성의 영향을 보상할 수 있다. 임의의 측정치 변동는 파장 불안정성의 결과이다.

도 4 를 참조하면, 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 것으로, 소오스 파장 불안정성에 기여하는 굴절률 측정에서의 오차에 대한 보상을 위하여, 도 4 의 실시예에서는 도 1 의 실시예에 모니터 시스템 (60b) 을 추가하였다. 빔 스플릿터 (70) 및 미러 (71) 은 모니터 시스템 (60b) 을 향하여 빔 (11 및 12) 의 일부분을 반사한다. 모니터 시스템 (60b) 은, 간섭계 (60) 와 서로 유사한 동작을 실행하는 다수의 소자를 포함하며, 여기서, 상기 소자들은 모니터 시스템 (60b) 으로 언급될 때의 첨자 'b' 를 제외한 간섭계 (60) 와 동일한 도면부호로서 동일한 동작을 실행한다. 모니터 전자 처리 시스템 (98b) 은 전자 처리 시스템 (98) 과 동일한 동작을 비슷하게 실행한다. 간섭계 (60) 와 모니터 시스템 (60b) 사이의 차이점은 모니터 시스템 (60b) 의 모니터 경로 (66b) 가, 바람직하게는 모니터 경로 (66b) 를 봉쇄하고, 봉쇄된 체적내의 온도와 압력을 제어함으로써 달성되는, 주의깊게 제어된 굴절률을 갖는 고정된 길이라는 것이다. 모니터 경로 (66b) 를 따르는 굴절률이 실질적으로 상수라는 점에서, 모니터 시스템에서의 임의의 측정변화가 소오스 파장 불안정성에 기여한다. 본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 컴퓨터 (99) 는 다음의 식을 따라서 굴절률을 계산한다.

본 발명의 보상 기술은 소오스에 대한 파장 안정성의 요구를 크게 감소시킨다. 특히, 본 발명은 절대적인 파장 안정성을 요구하지 않으며, 모니터 경로 (66b) 는 매우 안정한 물리적 길이 (L) 를 가질 필요가 없다.

본 발명의 장점은 1) 본 발명은 공기의 굴절률의 변동을 정확하게 측정하고 그를 보상하여서, 거리 측정 간섭법에 유용하며, 2) 본 발명은 최근의 마이크로 리소그래피 장비에 통상적인 빠른 스테이지 이동에 적용될 수 있으며, 3) 선택적으로, 본 발명은 쉽게 일체화되는 모니터 수단과 소오스 안정성 요구를 실질적으로 감소시키는 방법을 포함하며, 4) 본 발명의 장치는 실질적으로 복잡하지 않으며, 종래기술과 비교하여 실질적으로 가격이 비싸지도 않다.

추가의 광학 소자 및 전자처리 단계가 본 발명의 장치의 설명된 실시예 중 하나에 포함될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 예를 들어, 추가의 검출기 및 관련된 소자가 데이터 처리에서 통용되는 다양한 위상 오프셋을 측정하고 보상하기 위해 실시예에 추가될 수도 있다. 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않는다면, 이러한 다양한 변형예가 가능하다.

Claims

측정 경로상의 기체의 굴절률 변동을 측정하는 장치로서,

서로 다른 파장을 가지며, 실질적으로 고조파 관계를 갖는, 그리고 각각 직교 편광상태를 갖는, 두 개 이상의 광빔들의 소오스 (1, 4),

상기 광빔들 각각의 상기 직교 편광 상태 사이에 주파수 차를 도입하는 수단 (2, 3, 5, 6),

상기 직교 편광상태간에 주파수 차를 갖는 광빔으로부터 위상천이된 광빔 (15, 16) 을 생성하는 광학수단 (60, 67) 으로서, 상기 직교편광 상태간에 주파수 차를 갖는 상기 광빔들에 대하여 상기 측정경로 (66) 를 따라 다중패스를 발생시키는 수단 (23, 65, 81, 82, 84) 을 포함하며, 상기 직교편광 상태간에 주파수 차를 갖는 광빔들에 대한 패스의 수는 상기 파장들간의 상기 고조파 관계와 실질적으로 동일한 관계의 고조파 관계이며, 상기 광학적으로 생성된 위상 천이된 빔들 (15, 16) 의 위상 천이는 상기 측정 경로 (66) 상의 패스의 수, 상기 측정 경로 (66) 의 물리적인 길이 및 상기 측정 경로 상 (66) 의 상기 기체의 상기 굴절률의 곱에 비례하는 크기를 갖도록 하는 광학수단 (60, 67),

두 개 이상의 혼합된 출력빔을 생성하기 위하여 상기 위상 천이된 빔들 (15, 16) 각각의 상기 편광 성분을 혼합하는 수단 (44),

상기 둘 이상의 혼합된 출력빔의 강도로부터 헤테로다인 전기신호 (S₁, S₂) 를 생성하는 수단 (45, 46) 으로서, 상기 헤테로다인 전기신호 (S₁, S₂) 는 상기 광빔들의 편광상태간의 주파수 차와 관련된 헤테로다인 주파수에서 진동하며, 상기 측정경로 (66) 상의 상기 기체의 굴절률과 관련된 차이를 제외하면, 실질적으로 동일한 헤테로다인 위상을 포함하는 헤테로다인 전기신호 (S₁, S₂) 를 생성하는 수단 (45, 46),

상기 둘 이상의 헤테로다인 전기신호 (S₁, S₂) 로부터 선택된 하나 이상의 쌍을 가산하여, 상기 헤테로다인 전기신호중 상기 선택된 쌍 (S₁, S₂) 의 상기 헤테로다인 주파수의 차의 1/2 과 실질적으로 동일한 슈퍼헤테로다인 변조주파수 (F) 및 상기 헤테로다인 전기신호 (S₁, S₂) 중 상기 선택된 쌍의 상기 헤테로다인 위상의 차의 1/2 과 실질적으로 동일한 슈퍼헤테로다인 변조위상을 포함하는, 하나의 슈퍼헤테로다인 전기신호를 생성하는 수단 (982), 및

상기 측정 경로 (66) 상의 상기 굴절률의 상기 변동을 결정하기 위하여 상기 슈퍼헤테로다인 변조 위상을 분석하는 수단 (983, 985, 986, 987, 99) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 광빔들의 각각에 대한 상기 주파수 차 사이의 상기 주파수 차가 상기 광빔들 중 그 밖의 모든 빔의 주파수 차와 상이한 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 광빔들 각각의 직교 편광상태 사이에 주파수 차를 갖는 모든 광빔들을 상기 측정경로를 통과하도록 정렬하는 광학수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 위상 천이된 광빔을 생성하는 광학 수단은 상기 광빔 각각의 편광 상태들 사이에 위상천이를 도입하기 위한 광학 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 기체의 상기 굴절률은 파장의 함수로서 변화하고 상기 위상 천이된 빔의 각각에 대하여 상이한 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 편광 성분을 혼합하기 위한 상기 수단이 편광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 헤테로다인 전기신호를 생성하는 수단은 광전 검출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 헤테로다인 전기신호중 둘 이상을 가산하는 수단은, 상기 슈퍼헤테로다인 변조 주파수를 갖는 상기 진폭변조 반송파를 포함하는 상기 하나의 슈퍼헤테로다인 전기 신호를 생성하기 위하여 상기 헤테로다인 전기신호중 임의의 두 개를 가산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서, 상기 소오스는 코히어런트 방사 소오스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 소오스는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 측정 경로는 간섭계 내의 측정 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 기체는 공기인 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 헤테로다인 신호를 혼합하는 수단은 전자 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 위상 천이된 빔을 생성하는 광학수단은 다중 패스 간섭계 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

상기 소오스 파장 내의 변동에 의해 생성된 상기 슈퍼헤테로다인 변조위상 내의 오차를 보상하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 39 항에 있어서,

상기 보상 수단은 고정된 길이의 모니터 경로와 제어된 굴절률을 갖는 기체를 포함하는 간섭계 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 40 항에 있어서,

상기 보상수단은 모니터 헤테로다인 신호를 생성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 41 항에 있어서,

상기 보상수단은 상기 모니터 헤테로다인 전기신호중 임의의 두 개를 혼합하여 모니터 슈퍼헤테로다인 변조주파수를 갖는 진폭변조 반송파를 포함하는 하나 이상의 모니터 슈퍼헤테로다인 전기신호를 생성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서,

선택적인 이동을 위하여 대상체를 적어도 상기 측정 경로의 일단에 장착하여, 상기 대상체의 위치의 변화에 따라 상기 측정경로가 변화되도록 하는 수단, 및

상기 대상체를 이동시킬 때, 상기 기체의 상기 굴절률의 변동과 실질적으로 무관하게 상기 대상체의 위치를 측정하기 위해 상기 슈퍼헤테로다인 변조 신호를 분석하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
측정 경로상의 기체의 굴절률 변동을 측정하는 방법으로서,

서로 다른 파장을 가지며, 실질적으로 고조파 관계를 갖는, 그리고 각각 직교 편광상태를 갖는, 두 개 이상의 광빔들을 제공하는 단계,

상기 광빔들 각각의 상기 직교 편광 상태 사이에 주파수 차를 도입하는 단계,

상기 측정경로를 한 번 이상 통과하도록 상기 광빔을 정렬하는 단계,

상기 직교편광 상태간에 주파수 차를 갖는 광빔에 대하여 상기 측정경로를 따라 다중 패스를 발생시킴으로써 위상천이된 광빔을 광학적으로 생성하는 단계로서, 상기 광빔들의 패스의 수는 상기 파장들간의 상기 고조파 관계와 실질적으로 동일한 관계의 고조파 관계이며, 상기 광학적으로 생성된 위상 천이된 빔들의 위상 천이는 상기 측정 경로상의 패스의 수, 상기 측정 경로의 물리적인 길이 및 상기 측정 경로 상의 상기 기체의 상기 굴절률의 곱에 비례하는 크기를 갖는 위상천이된 빔을 광학적으로 생성하는 단계,

두 개 이상의 혼합된 출력빔을 생성하기 위하여 상기 위상 천이된 빔들 각각의 상기 편광성분을 혼합하는 단계,

상기 광빔들의 편광상태간의 주파수 차와 관련된 헤테로다인 주파수에서 진동하며, 상기 측정경로상의 상기 기체의 굴절률과 관련된 차이를 제외하면, 실질적으로 동일한 헤테로다인 위상을 포함하는 헤테로다인 전기신호를, 상기 둘 이상의 혼합된 출력빔의 강도로부터 생성하는 단계

상기 둘 이상의 헤테로다인 전기신호로부터 선택된 하나 이상의 쌍을 가산하여, 상기 헤테로다인 전기신호중 상기 선택된 쌍의 상기 헤테로다인 주파수의 차의 1/2 과 실질적으로 동일한 슈퍼헤테로다인 변조주파수 및 상기 헤테로다인 전기신호중 상기 선택된 쌍의 상기 헤테로다인 위상의 차의 1/2 과 실질적으로 동일한 슈퍼헤테로다인 변조위상을 포함하는, 하나의 슈퍼헤테로다인 전기신호를 생성하는 단계, 및

상기 측정경로상의 상기 굴절률의 변동을 결정하기 위하여 상기 슈퍼헤테로다인 변조위상을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 기체가 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 측정 경로는 그 길이를 변화하도록 상기 측정 경로를 따라서 이동할 수 있는 스테이지를 포함하며, 상기 슈퍼헤테로다인 변조위상을 제공하는 단계는 상기 측정경로 내의 스테이지 이동에 실질적으로 민감하지 않은 상기 슈퍼헤테로다인 변조위상을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 굴절률 (n) 의 상기 변동과는 무관하게 상기 측정경로의 거리 (L) 를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 47 항에 있어서,

상기 거리를 결정하는 단계는 다음의 식에 따라서 상기 거리 (L)을 결정하는 단계를 더 포함하며,

여기서은 위상 천이 크기,은 위상 천이의 파수, n 은 반사율 및은 위상 오프셋이며, 상기 위상 오프셋은 측정 경로와 관계되지 않는 위상 천이에 기여하는 모든 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 광빔 각각은 직교 상태를 가지며, 상기 헤테로다인 위상 천이를 제공하는 단계는, 상기 광빔 각각의 편광 상태 사이에 위상 천이를 도입함으로서, 측정 경로를 통한 패스의 수에 비례하며, 광빔의 파장에 역비례하며, 상기 측정 경로의 물리적 길이에 비례하며, 상기 측정 경로에서의 상기 기체의 굴절률에 비례하는 위상 천이 크기를 갖는 상기 위상 천이된 빔을 광학적으로 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 44 항에 있어서,

소오스 파장에서의 변동에 의해서 생성된 상기 슈퍼헤테로다인 변조위상 내의 에러를 보상하기 위한 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 광빔들 각각에 대한 상기 주파수 차가 상기 광빔들 중 그 밖의 다른 것의 주파수 차와 상이한 것을 특징으로 하는 방법.