TW382653B - Apparatus and method for measuring the refractive index and optical path length effects of air using multiple-pass interferometry - Google Patents

Apparatus and method for measuring the refractive index and optical path length effects of air using multiple-pass interferometry Download PDF

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Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 — _ B7___ 五、發明說明（1 ) 相關申請案之交互參考 -本申請案有關美國專利第5，7 6 4，3 6 2號，而 •由1998年2月23日提出及標題爲、使用干涉儀來量 測氣體之反射率及光學路徑長度效應的裝置及方法〃之美 國臨時專利申請案第6 0/0 7 5，5 6 6號要求優先權 ’且亦爲1 9 9 8年5月1 3日提出及標題爲、使用干涉 儀來量測及補償光學路徑中之反射率效應的裝置及方法" 之美國專利申請案第0 9/0 7 8，1 6 3號之一延續部 份’該二申請案一般係據此持有及在此倂入參考。 發明領域 本發明有關用於量測距離及反射率之光學儀器。本發 明特別有關在一包含反射率波動效應之量測路徑中與氣體 反射率之光學路徑長度效應無關之干涉距離測量。 背景及先前技藝 於度量衡學中常碰到之問題是氣柱反射率之測量。現 行一些技術用於在高度控制之環境下量測該反射率’諸如 當該氣柱包含在一樣本盒及監視其溫度、壓力、及物理特 性時。譬如看（1 9 6 5年）度量衡學集（Metrologia ) 1 (3)，80-83頁由焦耳，特林（J.Terrien )所著標題爲"用以 干涉長度度量衡之氣體折射儀〃之論文。 可能有關氣體反射率之最困難測量是在具有未控制之 溫度及壓力之未知或可變長度測量路徑上量測反射率波動 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） · 4 - A7 _B7___ 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 。此情況時常源自地球物理學及氣象學之測量，這是因爲 吾人顯然未能控制大氣及該反射率基於空氣密度及成份之 變化而急劇地改變。該問題係敘述於（1 9 8 4年）Appl. 0 p t. 2 3 (19)，第 3 3 8 8 - 3 3 9 4 頁由 H. M a t s u m 〇 t 〇 及 K. T s u k a h a r a 所著標題爲"長距離測量之氣相波動效應〃之論文中，及 於（1 9 8 4 年）Appl. Opt. 23 (23)，第 43 83-43 89 頁由 吉布生（G.N.Gibson )等人所著標題爲"大氣中之光學路 徑長度波動〃之論文中。 另一示範狀況係高精確度之距離量測干涉法，諸如用 於積體電路之微光刻照相製造。譬如看（1 9 8 7年） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
Appl. Opt. 26(13)，第 2676-2682 頁由巴布魯夫（N.Bobroff )所著標題爲 '' 於雷射干涉法中來自空氣亂流及非線性之 剩餘誤差〃之論文，及（1 9 8 7年）之測量科學及技術 刊物4 (9)，第907 — 926頁亦由巴布魯夫（ N.Bobroff )所著標題爲 '位移量測干涉法之近來發進"之 論文。如前述引用之參考專利所提及，空氣中之干涉位移 量測係受制於環境之不確定性，特別是氣壓及溫度中之改 變；受制於諸如源自溼度改變之空氣中成份之不確定性； 及受制於空氣中之亂流效應。此等因素改變係用於量測該 位移之光波長。在正常狀況下，空氣之折射率具有約 1χ10_5至1χ10_4變化量之1 . 0003。於很多 運用中，必須知道氣體反射率具有少於百萬分之0 . 1至 百萬分之0 . 0 0 3之相對精度，該二相對精度分別對應 於用在一米干涉位移量測之1. 0 0納米及3納米之位移量 本紙張尺度择用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .c. A7 B7 五、發明說明（3) 測準確度。 該技藝中經常提及相位估算之外差法，其中該相位於 控制下之方式隨著時間變化。譬如，於先前技藝之外差距 離量測干涉儀之習知形式中，光源放射具有稍不同光學頻 率（例如2百萬赫）之二正交偏振光束。於本案例中該干 涉接收器典型包含一線偏振器及一光電探測器以測量時變 干涉信號。該信號在該差頻擺動且該信號之相位對應於相 對之相差。在（1 9 8 7年）發給索馬格蘭（ G.E.Sommargren)及夏漢（M.Schaham)共同擁有之美國專 利第4，6 8 8，9 4 0號中教導先前技藝於外差距離量 測干涉法中之另一代表性範例。然而，這些已知干涉度量 衡之形式係受限於反射率之波動，及本身不適用於下一代 之微石版印刷儀器。 用於距離量測之另一已知干涉儀形式係揭露在（ ' 1 9 7 7年）發給列德蒙（J.D.Redman )及華爾（ M.R.Wall )、標題爲 > 用以量測至一表面之距離之干涉方 法及裝置〃之美國專利第4，0 0 5 ，9 3 6號中。列德 蒙及華爾所教導之方法包括採用二不同波長之雷射光束， 每一雷射光束分裂成二部份。頻移係導入各個光束之一部 份。每一光束之一部份由一目的物反射及在一光電探測器 上與其他部份再結合。在該探測器由該干涉信號推得在一 差頻之相位，該相位係至該表面距離之一量測。與該差頻 相關之相位之同等波長係等於該二雷射波長之乘積除以該 二波長之差。列德蒙及華爾之此二波長技術減少量測之含 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---I ! i 訂-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
A7 B7
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4 ) 糊不淸’但對氣體反射率波動之有害效應至少如單波長技 術般易受影響。 類似於列德蒙及華爾專利之另一種二波長干涉儀範例 係揭露在（1 9 9 0年）發給丹林科（R.Dandliker )及希 爾博格（W.Heerburgg )、標題爲 '"以光學外差法及用於定 位或測距之二波長干涉量測方法及裝置〃之美國專利第 4 ’ 9 0 7，8 8 6號中。該系統亦敘述在（1 9 8 8年 )Opt. Let. 13(5)，339-341 頁由丹林科（R.Dandliker )、 謝門（R.Thalmann )、及布農格（D.Prongue )所著標題爲 ''使用超外差檢波之二波長雷射干涉量測"之論文，及由 丹林科（R.Dandliker )、赫格（K.Hug )、波里希（ J.Politch )、及齊麥曼（E.Zimmermiinn )所著標題爲 ''使 用多波長干涉測量法之高精確度距離量測"之論文中。如 美國專利第4，907，88 6號中所教導，丹林科等人 之系統採用二波長之雷射光束，每一光束包含藉著聲光調 制在頻率中分開之二偏振分量。在同一直線傳送該光束經 過一邁克爾遜（Michelson )干涉儀之後，混合該偏振分量 導致一干涉信號，亦即一外差信號。其中該外差信號之每 一波長具有不同之頻率，一源自此處之所謂超外差信號具 有等於該外差頻率中之差値之頻率及與一同等波長有關之 相位，該同等波長係等於該二雷射波長之乘積除以該二波 長之差。根據（上述）美國專利第4，907，886號 ，該超外差信號之相位係假設只依—量測目標物之位置及 該同等波長而定。因此，該系統亦未設計供量測或補償氣 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝.I! 訂---------
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（5) 體反射率中之波動。 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 由列德蒙及華爾與由丹林科及希爾博格（上述）所開 發之二波長超外差技術之另一範例係發現在（1 9 9 1年 )Appl. Opt. 30(22)，3 1 39-3 144 頁由塞德尼克（Z.Sodnik )_、費希爾（E.Fischer )、依特爾（T.Ittner )、及蒂日尼 (Hj.Tiziani )所著標題爲，使用匹配光柵技術之二波長 雙重外差干涉量測〃之論文，及於（1990年）SPIE 1319, 214-216 頁由曼哈特（S.Manhart)及莫勒（R.Maurer )所著標題爲"用於雙波長外差干涉量測之二極管雷射器 及纖維光學〃之論文中。然而，這些範例無一強調該反射 率波動之問題。 參. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由前面可下結論：先前技藝於外差及超外差干涉量測 中未提供一用以量測及補償量測路徑中之氣體光學路徑長. 度效應之高速方法及對應機制，特別是由於氣體反射率波 動之效應。先前技藝中之此缺點導致顯著之量測不確定性 ，如此嚴重地影響採用此干涉儀之系統之精確度，譬如於 積體電路之微石版印刷製造中所發現者。未來之干涉儀將 必需併入一有創造力、新的方法及機制，用以測量及補償 一由改變之物理長度所組成之量測路徑中之波動反射率。 一偵測反射率波動之方法係沿著一量測路徑測量壓力 及溫度中之變化’及計算該量測路徑之光學路徑長度效應 。完成此計算之數學方程式係揭露於（1 9 8 1年）J.Res. NBS 86(1)，27-32頁由F.E.瓊斯所著標題爲、氣體之反射係 數〃之論文中。該技術之一儀器係敘述在（1 9 8 5年） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） A7 ___B7____ 五、發明說明（6)
Appl. Opt. 24(6)，808-8 15 頁由伊絲勒（W.T.Estler )所著 標題爲"氣體中之高準確度位移干涉量測"之論文中。不 幸地是該技術只提供大約値’這是難處理的，及只修正氣 體密度中之緩慢、總體性波動。 在量測路徑上方偵測一波動反射率效應之另一更直接 方式係藉著多波長距離量測。可了解其基本原理如下。干 涉儀及雷射蕾達測量一參考物及一目的物間之光學路徑長 度，通常大部分於戶外。該光學路徑長度係反射率及一量 測光束所通過光學路徑之乘積積分。其中該反射率隨著波 長而變化，但該物理路徑與波長無關，倘若該工具採用至 少二波長，大致可能由該光學路徑長度決定該物理路徑長 度，特別是反射率中之波動貢獻。該反射率隨著波長之變 化在技藝中係已知爲色散作用，因此該技術在下文將稱爲 色散技術。 用於反射率量測之色散技術具有一長久歷史，且在引 進雷射之前。在（1962年）J0SA 52(7) > 7 8 1 — 7 8 7頁由艾利克生（K.E. Ericks on )所著標題爲 '、一未控制環境之長路徑干涉儀〃之論文敘述該基本原理 及提供一地球物理學量測之技術可行性分析。額外之理論 提案係發現在（1 9 6 5 年）J.Geo.Res· 70(10)，第 2461-2462頁由彭達〈P.L.Bender )及歐文斯（J.C. Owens )所 著標題爲&大氣反射率波動之光學距離量測之修正"之論 文中。 基於該色散技術用於反射率補償之商用距離量測雷射 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 --丨丨訂丨 -------♦· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ g _ A7 B7 五、發明說明（7 ) 雷達出現在1 9 7 0年代。在（1 9 7 2年）Appl. Opt. 11(4)，第 749-7 54 頁由鄂休（K.B.Earnshaw )及赫納曰（ E.N.Hernandez )所著標題爲"用於修正大氣反射率之二雷 射光學距離量測儀器〃之論文揭露一採用微波調制式氦氖 及氦鎘雷射之儀器，用於在5至10公里量測路徑上方操 作。該儀器之另一細節係發現在（1 9 7 2年）J. Geo.Res. 77(35)，第 6994-6998 頁由赫納日（E.N. Hernandez )及鄂 休（K.B.Earnshaw )所著標題爲v用於修正大氣反射率之 二雷射（4 4 1 6 A及6 3 2 8 A )光學距離量測儀器之 實地測試〃之論文中。色散技術之其他運用範例係討論在 (1 9 8 0 年）J.Geo.Res. 85(B1 1)，第 65 1 3-6520 頁由貝 爾格（E.Berg )及卡特（J.A.Carter )所著標題爲"藉著電 子軌跡描繪用於單色及雙色雷射之距離修正法〃之論文中 ，及於（1 9 7 6 年）LGeo.Res· 81(35 )，第 6299-6306 頁由施雷特（L.E.Slater )及赫吉特（.G.R.Huggett )所著 標題爲 ''用於地球物理學實驗之多波長距離量測儀器〃之 論文中。 雖然用於地球物理學量測之儀器典型採用亮度調制之 雷射雷達，應了解的是在該技藝中該光學干涉相位之偵測 對較短距離更有利。於發給日冰（R.B.Zipin )及诺諾斯基 (J.T.Zalusky ) '標題爲"獲得精確尺寸量測之裝置及方 法〃之美國專利第3，647，302號中，已揭露一採 用多重波長以補償諸如溫度、壓力、及溼度之周圍狀態變 化之午涉位移量測系統。該儀器係特別設計用於與可動之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝------ tr--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 目的物一起操作，亦即具有可變之物理路徑長度。然而， 曰冰及诺諾斯基之相位檢波機制對高精確度量測仍不夠精 確。 一更現代及詳細之範例係敘述在（1 9 9 0年） SPIE 1319，複合系統中之光學第538 — 5 3 9 頁由朱（Y.Zhu ) 、H.Matsumoto、T.O'ishi 所著標 題爲"用於測量氣體反射率變化之長臂式雙色干涉儀"論 文中之系統。朱等人之系統採用一種1 0 6 4納米波長之 釔鋁暗紅（Y A G )雷射及一種6 3 2納米之氦氖雷射隨 同正交相位檢波。大體而言相同之儀器係以日語敘述在（ 1989年）39曰本Appl.Phys.Soc之第三屆光波感測技 術會議記錄由朱等人所著標題爲 ''用於長路徑距離干涉儀 之大氣相位及強度亂流之量測'之梢早論文中。然而，朱 等人之干涉儀對例如用於微石版印刷術之次微米干涉儀之 全部應用具有不足之解答。 (1 9 9 0年）發給A.Ishida之美國專利第 4，9 4 8，2 5 4號代表近來在用於微石版印刷術之高 精確度干涉儀之努力。Ishida所述之一類似裝置係於（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 9 8 9 年）日本 J.Appl.Phys. 28(3)，L473-475 頁標題爲 '' 使用二次諧波光以消除空氣亂流誘生誤差之二波長位移量 測干涉儀〃之論文中。於該論文中揭露一位移量測干涉儀 ，其藉著二波長色散偵測消除該反射率中之波動所造成之 誤差。一正氬離子（A r + )雷射光源藉著技藝中已知爲 B B 0之倍瀕晶體同時提供該二波長。使用B B 0倍頻晶 本紙張尺度用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（9 ) 體導致完全鎖相之二波長，如此大幅改善該反射率量測之 穩定性及準確度。然而，採用簡單之零差正交偵測法之相 位檢波機制係不足以用在高分辨率之相位量測。再者，該 相位檢波及信號處理機制不適於動態量測，其中該目的物 之運動導致難以準確偵測相位中之快速變化。 於（1 9 9 5年）發給莉絲（S.A.Lis )、標題爲 ''具 有空氣亂流補償之干涉量測系統〃之美國專利.第 5，4 0 4，2 2 2號中，已揭露一種採用該色散技術以 偵測及補償反射率波動之二波長干涉儀。莉絲所述之一類 似裝置係於（1995年）SPIE 2440標題爲* 用於積體電路製造之氣體亂流補償式干涉儀〃之論文中。 莉絲（S.A.Lis )在美國專利第5，404，222號上之 改善係揭露於1 9 9 6年七月發表之美國專利第 5，537，209 號中。Ishida 於曰本 J.Appl.Phys.(上 述）所教導關於該系統之主要革新係加入第二B B 0倍頻 晶體以改善該相位檢波機制之精確度。該額外之Β Β Ο晶 體使其可能光學干涉具有正好2之因數之二不同波長光束 。合成之干涉具有一直接與該反射率相依之相位，但實質 上與平台運動無關。.然而，莉絲所教導之系統具有複雜及 對每一量測路徑需要一額外之Β B 0晶體之缺點。於該微 石版印刷階段時常涉及六或更多個量測路徑，及該Β B 0 可能相當昂貴，該額外之晶體係一重大之成本負擔。莉絲 系統之一額外缺點係其採用基於壓電換能器（P Z T )之 物理位移之低速度（3 2赫）相位檢波系統。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-------訂i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- A7 B7 五、發明說明（10) 由前文淸楚的是先前技藝未提供一實用、高速、高精 確度之方法及對應機制，用以於一量測路徑中測量氣體之 反射率及測量與補償該氣體光學路徑長度效應，特別是由 於該氣體反射率中之波動之效應。先前技藝中之限制主要 源自下列未解決之技術困難：（1)先前技藝之外差及超 外差干涉儀係由於該氣體反射率中之波動而限制其準確度 ;(2 )用於量測反射率波動之先前技藝色散技術於干涉 相位量測中需要極高之準確度，典型超過高精確度距離量 測干涉儀之典型準確度達一數量級；（3 )對先前技藝干 涉儀之明顯修正以改善相位量測之.準確度將增加該量測時 間至一與現代微石版印刷設備中之平台運動之迅速性不相 容之範圍；（4)先前技藝之色散技術需要至少二極穩定 之雷射光源或發射多數鎖相波長之單一光源；（5 )於微 石版印刷應用中之先前技藝色散技術係易受量測期間之平 台運動之影響，導致系統性之誤差；及（6 )採用倍頻晶 體（例如發給莉絲之美國專利第5，4 0 4，2 2 2號） 當作部份偵測系統之先前技藝色散技術係昂貴及複雜的。 於先前技藝中之缺點已導致無任何實用之干涉系統可 用以在存有氣體之量測路徑中施行微石版印刷之位移量測 ，在此已有典型之折射率波動及該量測路徑包含一改變之 物理長度。 據此，本發明之一目的是提供一種用於迅速及準確地 量測及監視量測路徑中之氣體反射率及/或該氣體之光學 路徑長度效應之方法及裝置，其中該反射率可波動及/或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ___五、發明說明（11) 該量測路徑之物理長度可改變。 本發明之另一目的是提供一種用於迅速及準確地量測 及監視量測路徑中之氣體反射率及/或該氣體之光學路徑 長度效應之方法及裝置，其中量測之準確性及氣體反射率 及/或該光學路徑長度效應之監視實質上未因量測路徑之 物理長度中之快速變化而妥協。 本發明之另一目的是提供一種用於迅速及準確地量測 及監視量測路徑中之氣體反射率及/或該氣體之光學路徑 長度效應之方法及裝置，其中該方法及裝置不須量測及監 視諸如溫度及壓力之環境狀況。 本發明之另一目的是提供一種用於迅速及準確地量測 及監視量測路徑中之氣體反射率及/或該氣體之光學路徑 長度效應之方法及裝置，其中該方法及裝置可使用、但不 需要使用二或更多不同波長之鎖相光束。 本發明之另一目的是提供一種用於迅速及準確地量測 及監視量測路徑中之氣體光學路徑長度效應之方法及裝置 ，其中一干涉量測中之量測路徑長度實質上未用於該氣體 光學路徑長度效應之計算。 本發明之另一目的是提供一種用於迅速及準確地量測 及監視量測路徑中之氣體反射率及/或該氣體之光學路徑 長度效應之方法及裝置，其中一干涉量測及量測路徑中之 氣體反射率及/或該光學路徑長度效應之監視所使用之光 束頻率實質上未用於該氣體光學路徑長度效應之相對貢獻 之計算。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂---------^^丫. -- ______ 國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14- A7 B7 五、發明說明（12) 本發明之其他目的將局部變明顯及將局部出現於下文 。據此，當與各圖面一起閱讀時，本發明包含擁有下文範 例所詳細敘述之結構、步驟、各元件之結合、及各零件之 安排之方法及裝置。 發明槪論 本發明天致有關用於量測及監視一量測路徑中之氣體 反射率及/或該量測路徑之光學路徑長度由於該氣體而變 化之裝置及方法，其中該氣體反射率可波動，例如該氣體 呈亂流，及/‘或該量測路徑之物理長度可改變。本發明亦 有關用於光電度量衡及其他應用之裝置及方法。更特別地 是操作本發明以提供反射率之色散量測，該色散實質上係 正比於氣體密度、及/或該光學路徑長度之色散量測，該 光學路徑長度之色散係有關該反射率及該量測路徑物理長 度之色散。隨後分別由該反射率之量測色散及/或該光學 路徑長度之量測色散計算該氣體反射率及/或該氣體之光 學路徑長度效應。本發明裝置所產生之資訊特別適用於干 涉距離量測儀器（Distance Measuring Instruments，下文簡 稱D Μ I )，以補償於至少一量測路徑中由環境效應及由 快速平台轉換速率所導致之亂流所造成之有關氣體反射率 _誤差。 本發明已舉出數項實施例及這些實施例綜合地劃分成 於最後量測中需要較多或較少精確度之二種類。雖然各種 實施例分享共通之特色，其在某些細節中相異以達成個別 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 袭 -------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（13) 之目標。 大致言之，本煢明之裝置包含具有第一及第二量測相 臂之干涉儀機制，至少該量測相臂之一具有一可變之長度 及至少藉著該氣體局部地佔有至少該量測相臂之一。於較 佳實施例中，.該量測相臂之一係一參考相臂及另一相臂爲 量測相臂。最好架構及安排該構成相臂，以致該量測相臂 之部份光學姑徑長度實質上與該參考相臂之光學路徑長度 相同。於典型之干涉D Μ I應用中，該量測相臂光學路徑 之剩餘部份中之氣體係空氣。 本發明包含用於產生具有不同波長之至少二光束之機 制。於較佳實施例中，一光源產生一組光束，該組光束包 含至少二光束，該組光束之每一光束具有不同之波長。吾 人已知該組光束之各光束波長間之關係，即近似關係。 藉著於該組光束之每一光束之二正交偏振分量間至少 導入一頻差，以由該組光束產生一組頻移光束。於某些實 施例中，該組頻移光束無任二光束具有相同之頻差，雖然 於某些其他實施例中，該組頻移光束之至少二光束具有相 同之頻差。對於一給定之實施例，各波長比係與相對精度 之已知近似關係相同，該比率係依所選擇之操作波長及對 應之已知近似關係而定。因爲此波長之相依性，這些相對 精度係稱爲各波長比之個別相對精度。於若干'實施例中， 各波長比之個別相對精度係一少於氣體之個別色散乘以該 相對精度之數量級，該相對精度係該氣體之個別反射率量 測及/或該量測相臂之光學路徑長度中由於該氣體之各個 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 • ϋ ----訂---------T" 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 __- .....-____B7_______ 五、發明說明（14) 變化之量測所需。 於某些貫施例中’該近，似關係表示爲—連串比率，每 一比率包含一低位非零整數（例如2 / 1 )對各個相對精 度、該連串比率之各個相對精度之比率，其中該連串比率 之各個相對精度之個別相對精度係一少於氣體之個別色散 乘以該個別相對精度之數量級，該個別相對精度係該氣體 之個別反射率量測及/或該量測相臂之光學路徑長度中由 於該氣體之各個變化之量測所需。 於其他實施例中，當各波長比之各個相對精度關於所 想要之値係不相稱時，提供用於監視該波長比之機制及提 供反饋以控制該波長比之各個相對精度、提供資訊以修正 該波長比之各個相對精度由該波長比之想要各個相對精度 之不想要脫離所影響之隨後計算、或該二省之一些結合。 亦提供用於監視D Μ I之主要目的物中所用波長，亦即決 定一段量測路徑長度中之變化之機制。 至少每一頻移光束之一部份係藉著合適之光學機制導 入該干涉儀機制，以致每一頻移光束之至少一部份之第一 部份沿著該參考相臂之預定路徑行經該參考相臂，及每一 頻移光束之至少一部份之第二部份沿著該量測相臂之預定 路徑行經該量測相臂，每一頻移光束之至少一部份之第一 及第二部份係不同的。後來，每一頻移光束之至少一部份 之第一及第二部份由該干涉儀機制顯現當作包含資訊之出 射光束，該資訊有關經過該參考相臂中預定路徑之光學路 徑長度及經過該量測相臂中預定路徑之光學路徑長度。於 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ϋ i_i iw ^OJ> 1 ϋ 1>· ——φ. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -17- A7 B7 五、發明說明（15) 該實施例之一，產生三組之每一頻移光束之至少一部份之 第一及第二部份，一組在一種波長及二組在另一種波長。 又於另一實施例中，架構該光學機制以當其行經該參 考及量測相臂時造成每一頻移光束之至少一部份之某些部 份承受多程，及當其行經該參考及量測相臂時造成每一頻 移光束之至少一部份之額外某些部份承受多程，該某些部 份之多程數目異於該額外某些部份之多程數目。 更普遍地是該光束之第一及第二預定部份沿著預定光 學路徑行經第一及第二量測相臂達不同之通程數目，以補 償在正改變該第一及第二量測相臂之物理路徑長度處之相 對速率。 提供用於接收該射出光束之複合機制以產生混合之光 學信號，該信號包含每一頻移光束之至少一部份之第一及 第二部份射出光束間對應相位差之資訊。然後最好藉著光 電探測法用一光電探測器感測該混合之光學信號，操作該 探測器以產生包含資訊之電干涉信號，該資訊對應於該氣 體在不同光束波長之反射率及由於該氣體在不同光束波長 之反射率所對應該量測相臂中之光學路徑長度。 然後藉著電子機制分析該電干涉信號，操作該電子機 制以實質上由於該氣體反射率之色散及/或該氣體之色散 (η ^ - n j )決定該量測相臂之光學路徑長度之色散，在 此i及j係對應於波長之整數及彼此不同。由這資訊及該 氣體之倒色散率，亦可藉著該電子機制決定該氣體之反射 係數（n r - 1 )及/或由於該氣體之反射率對該量測相臂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---—訂---- ----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7__ 五、發明說明（16) 之光學路徑長度之貢獻，在此Γ係對應於一波長之整數。 r値可不同於i及j或等於i或j 。該電子機制可包含呈 適於以熟知方式設計程式之微處理器或多用途電腦形式之 電子機制，以施行所需之計算。 於較佳之形式中，該電干涉信號包括含有對應於該氣 體反射率及量測相臂之光學路徑長度之相位資訊之外差信 號，及該裝置另包含決定該外差信號之相位以產生相位資 訊之機制，該相位資訊對應於該氣體反射率之色散及由於 該氣體反射率之色散對該量測相臂之光學路徑長度之色散 。於某些實施例中，該裝置另包含用於混合、亦即倍增該 外差信號之機制，以產生至少一包含相位之超外差信號， 該相位對應於該氣體反射率之色散及由於該氣體反射率之 色散對該量測相臂之光學路徑長度之色散。亦包含用於解 決某些實施例中所產生該外差信號及超外差信號之相位含 糊不淸之機制。依該光束部份行經各種實施例之干涉儀機 制所經歷光學路徑之細節而定，提供額外或不同之電子設 備。以先前之方式，操作該電子機制以改善由於該氣體所 佔有量測相臂之物理路徑長度改變速率之任何計算效應。 雖然所揭露之本發明方法可使用所述之較佳裝置實行 ，將明顯的是亦可使用其他習知之裝置實施。此外，其顯 示可使用零差信號之裝置。 圖面簡述 本發明之結構及操作，以及本發明之其他目的及優點 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -19- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂--------- A7 B7 五、發明說明（17) ’可藉著閱讀該詳細敘述會同各圖面而最佳了解，其中本 發明之零件具有一用於在所有其出現之圖面識別他們之指 派參考數字，且其中： 第1 a —〗f圖以示意形式一起說明本發明目前較佳 之第一實施例，使得第1 a圖顯示光源1、調制器3、光 源2、調制器4 '差動平面鏡干涉儀6 9、差動平面鏡干 涉儀群組7 0、分光鏡6 5、外部平面鏡系統9 0、及探 測器8 5，8 6及2 8 6間之光學路徑，及於驅動器5、 調制器3、驅動器6、調制器4、探測器8 5，8 6及 286、電子處理器1〇9、及電腦1 1.0間之電信號路 徑； 第lb圖說明差動平面鏡干涉儀69; 第1 c圖說明差動平面鏡干涉儀群組7 〇 ; 第1 d圖說明外部平面鏡系統9 〇，爲差動平面鏡干 涉儀6 9及平台轉移器6 7供給該外部反射鏡； 第1 e圖說明外部平面鏡系統9 〇，爲差動平面鏡千 涉儀群組7 0及平台轉移器6 7供給該外部反射鏡； 第1 ί圖係一顯示該處理電子設備1 〇 9方塊圖之圖 面； 第1 g圖係一顯示用於第一實施例之第二種變型之處 理電子設備1,0 9 A方塊圖之圖面； 第2 a - 2 c圖以示意形式一起說明本發明目前.較佳 之第二實施例’使得第2 a圖顯示光學路徑及電信號路，徑 ’其中第二實施例之π件與該第一實施例之類似編號元件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂----- 泰. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（18) 施行類似之操作； 第2b圖說明差動平面鏡干涉儀170; 第2 c圖係一顯示該處理電子設備2 09方塊圖之圖 面； 第2 d圖係一顯示用於第二實施例之第一種變型之處 理電子設備209A方塊圖之圖面； 第2 e圖係一顯示用於第二實施例之第二種變型之處 理電子設備209B方塊圖之圖面； 第2 ί圖係一顯示用於第二實施例之第三種變型之處 理電子設備2 0 9 C方塊圖之圖面； . ' 第3 a - 3 g圖以示意形式一起說明本發明目前較佳 之第三實施例，使得第3 a圖顯示光學路徑及電信號路徑 ’其中第三實施例之元件與該第一實施例之類似編號元件 施行類似之操作； 第3 b圖說明差動平面鏡干涉儀3 6 9，用於光束9 進入差動平面鏡干涉儀3 6 9之情形； 第3 c圖說明差動平面鏡干涉儀3 6 9，用於光束 4 4 5射出差動平面鏡干涉儀3 6 9之情形； 第3 d圖說明差動平面鏡干涉儀2 7 0 ; 第3 e圖說明外部平面鏡系統9 0，爲差動平面鏡干 涉儀3 6 9及平台轉移器6 7供給該外部反射鏡； 第3 ί圖說明外部平面鏡系統9 0，爲差動平面鏡干 涉儀群組2 7 0及平台轉移器6 7供給該外部反軋鏡； 第3 g圖係一顯示該處理電子設備3 0 9方塊圖之圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I n ί I n I n n n ^ n I I ϋ I ϋ n- In /丨 J (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 -__.__B7_______ 五、發明說明（19) 面； 第4 a - 4 d圖以示意形式一起說明本發明目前較佳 之第四實施例，使得第4 a圖顯示裝置之光學路徑及電子 路徑，該裝置包含局部與第一較佳實施例相同之裝置，及 用於決定χ及Κ /χ之裝置之光學路徑及電子路里，其中若 干元件施行與該第一較佳實施例裝置之類似編號元件類似 之操作，除了字尾"b 〃外； 第4 b圖說明該外部平面鏡系統90b ，爲差動平面 鏡干涉儀6 9 b供給該外部反射鏡； 第4 c圖說明該外部平面鏡系統9 0 b，爲差動平面 鏡干涉儀群組7 0 b供給該外部反射鏡； 第4 d圖係顯示該處理電子設備1 0 9 b方塊圖之圖 面； 篇5圖係一描述實踐按照本發明之方法以施行各種步 驟之高電平流程圖； 箄6 a - 6 c圖有關石版印刷術及其製造積體電路之 應用，其中第6 a圖係一採用該干涉儀系統之石-版..印刷曝-光系統之槪要圖。 第6 b及6 c圖係描述製造積體電路之步驟流程圖； 及 第7圖係一採用該干涉儀系統之光束寫入系統之槪要 圖。 主要元件對照表 • 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，裳--------訂—--------基一|" 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -22- A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（2Q) 1 光源 2 光源 3 調制器 4 調制器 5 驅動器 6 驅動器 5 4 鏡子 5 4 A 分光鏡 5 4 B 鏡子 5 4 C 鏡子 5 4 D 鏡子 5 4 E 分光鏡 5 4 F 鏡子 5 4 G 鏡子 5 4 Η 鏡子 5 5 Α 分光鏡 5 5 B 鏡子 5 6 A 分光鏡 5 6 B 鏡子 5 7 A 鏡子 5 7 B 鏡子 5 8 A 分光鏡 5 8 B 鏡子 5 8 C 分光鏡 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -23- A7五、發明說明（21) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 8 D 鏡 子 5 9 C 鏡 子 5 9 D 鏡 子 6 0 A 子 6 0 B 鏡 子 6 0 C 鏡 子 6 0 D 鏡 子 6 1 A 分光 6 1 B 分 光 鏡 6 1 C 分 光 鏡 6 2 A 分 光 鏡 6 2 B 鏡 子 6 3 鏡 子 6 3 A 分 光 鏡 6 3 B 鏡 子 6 5 分 光 鏡 6 5 b 分 光 鏡 6 6 塗 層 6 7 裝 置 6 9 干 涉 儀 6 9 b 干 涉 儀 7 0 干 涉 儀 群 7 0 b 干 涉 儀 7 1 分 光 $見 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -24-
A7 __B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（22) 7 2 分光鏡 7 3 塗層 7 4 塗層 7 5 後向反射鏡 7 6 後向反射鏡 7 7 延滯板 7 8 延滯板 7 9 延滯板 8 0 延滯板 85 光電探測器 8 6 光電探測器 90 外部平面鏡系統 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
9 0 b 外 部 平 面 鏡 系 9 1 子 9 1 b 鏡 子 Z 9 1 b 鏡 子 R 9 1 鏡 子 9 2 子 9 2 b 子 9 9 b 圓 柱 體 1 0 3 b 電 子 處 理 器 1 0 4 b 電 子 處 理 器 1 0 9 電 子 處 理 器 1 0 9 A 電 子 處 理 器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -25- A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
五、發明說明（
10 9b 1 0 9 3 A
1 0 9 3 B
1 0 9 4 A
1 0 9 4 B
1 0 9 4 C
1 0 9 4 D
1 0 9 4 E
1 0 9 4 F
1 0 9 4 G
1 0 9 4 V
1 0 9 4 W
1 0 9 5 A
1 0 9 5 B
1 0 9 5 C
1 0 9 5 D
1 0 9 5 H 1 0 9 5 1
1 0 9 6 A
1 0 9 6 B
1 0 9 6 C
1 0 9 6 D
1 0 9 6 I
1 0 9 7 A 23) 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 電子處理器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -26- A7 B7 五、發明說明（24) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 0 9 7 D 電 子 處 理 1 1 0 電 腦 1 5 3 A 分 光 /s-&r 鏡 1 5 3 B 1¾ 子 1 5 4 A 分光 鏡 1 5 4 B 鏡 子 1 7 0 干涉 儀 群 組 1 7 9 A 法 拉 第 旋 轉 1 7 9 B 法 拉 第 旋 轉 1 7 9 C 延 滯 板 1 7 9 D 延 滯 板 1 8 6 探 測 器 2 0 9 電 子 處 理 器 2 0 9 A 電 子 處 理 器 2 0 9 B 電 子 處 理 器 2 0 9 C 電 子 處 理 器 2 7 0 干 涉 儀 2 8 6 光 電 探 測 器 3 0 4 b 電 子 處 理 器 3 0 9 電 子 處 理 器 3 0 9 A 電. 子 處 理 器 3 6 9 干 涉 儀 4 8 5 光 電 探 測 器 4 8 6 光 電 探 測 器 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -27- A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（25) 6 0 0 掃描器 6 0 2 機架 604 曝光基座 606 鏡頭殼套 608 鏡頭組合件 612 光學組合件 613 支撐基座 6 14 鏡子 61 1 6 平台 6 17 元件 6 19 元件 6 2 0 彈簧 6 2 2 平台 6 2 6 干涉儀系統 700 光束寫入系統 7 10 光源 714 光束聚焦組合件 7 16 基板 7 18 平台 7 2 0 干涉儀系統 7 2 4 鏡子 7 2 8 鏡子 730 控制器 7 3 6 基座 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -28-
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（26) 1 〇 〇 4 調制器 1 〇 〇 6 驅動器 本發明之詳細敘述 本發明有關可迅速量測至少一量測路徑中氣體反射係 或該量測路徑由於該氣體之光學路徑長度變化並使 用於隨後之下游或同時間應用之裝置及方法，其中該氣體 反射率及量測路徑之物理長度之任一個或兩者可能正在改 變。一同時間應用之範例係於一干涉距離量測儀器中.，以 藉著補償該氣體於該量測路徑中之反射率效應而增加精確 度’特別是在測量時期間·因爲改變之環境狀況或藉著快速 之平台轉換速率於該量測路徑中所造成之空氣亂流所發生 之光學路徑長度中之改變。 顯示及敘述本發明裝置之若干不同實施例。雖然其在 一些細節中不同，所揭露之實施例在其他方面分享很多共 用元件及依其光源之控制需求程度自然地分成二種類。如 將看出者，每一種類內所揭露之實施例亦在如何履行其干 涉光學路徑及/或如何電子處理某些資訊信號之細節中不 同。 欲敘述實施例之第一群組包含三個實施例及其變型。 該群組係意欲用在所採用光源之穩定性足夠及該採用光源 所產生光束之波長比匹配於一連串之已知比値之應用，而 使得各個相對精度足以滿足藉著最終應用強加於該輸出資 料上所需之精確度。 實施例之第二群組亦包含三個實施例及其變型，且其 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝
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本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -29 Α7 B7 五、發明說明（27) 特別適用於需要監視該光源之穩定性及測量該採用光源所 產生光束之波長比以滿足在準確度上之性能需求之場合。 對於該二群組，已揭露用於處理相位之含糊不淸及可能於 分析零差、外差、及/或超外差信號引起之相位與群延遲 之裝置，及已揭露用於履行本發明步驟之方法。 本發明裝置之不同變型實施例之一罕有及發明特色呈 現在一範例中，其中一波長λ :之光束實際上經歷一與2 p 乘以一量測路徑之來回物理長度乘以在λ :之反射率n i成 比例之相移，P爲一整數，然而波長λ 2之第二光束實際上 經歷一與ρ乘以該量測路徑之來回物理長度乘以在λ 2之反 射率η 2成比例之相移，該第一波長大約係該第二波長之兩 倍。由於該第一光束實際上經歷2 ρ通程之多程通過該量 測路徑及該第二光束實際上經歷Ρ通程之多程通過該量測 路徑，該二光束之光學路徑長度大約相同，藉此增強由於. 該氣體反射係數差異之相對效應。再者，該二光束之都卜 勒（Doppler )頻移大約相同，藉此減少干涉信號所經歷群 延遲中之差異效應。多程干涉儀在技藝中已知爲一種改善 量測分辨率之機制，譬如於（1 9 6 0年）J. Opt. Soc. Am.50，第357-36 1頁由哈瑞哈納（P.Hariharan )及仙（ D.Sen )所著標題爲 ''雙程之二光束干涉儀"之論文中所述 ;然而，在爲了量測氣體量及補償該量測路徑中氣體之相 同系統中，本發明之P通程及2 ρ通程干涉儀之組合並未 爲該技藝中之各申請人所熟悉及在此第一次教導。用於達 成此一發明組合之裝置係敘述在下文章節中。雖然以參考 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · I - 訂——----!φ. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -30- κι B7 五、發明說明（28) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 路徑及量測路徑之觀點發表該較佳實施例，將明顯的是該 二路徑可皆爲不定長度之量測路徑，在此至少其一量測路 徑係至少局部由一氣體所佔據。 第1 a — 1 f圖以槪要形式描述本發明用於測量及監 視一量測路徑中之氣體反射係數及/或該量測路徑之光學 路徑長度由於該氣體而變化之一較佳實施例，其中該氣體 反射率及量測路徑之物理長度之任一個或兩者可能正在改 變，在此所採用光源之穩定性足夠，及該採用光源所產生 光束之波長比匹配於一已知之比値，而使得一相對精度足 以滿足藉著最終應用強加於該輸出資料上所需之精確度。 雖然該裝置已應用於寬廣範圍之輻射源，下文敘述有關一 光學量測系統之例子。· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 參考第1 a圖及按照本發明第一較佳實施例之較佳裝 置及方法’一由光源1所放射之光束7通過一調制器3變 成光束9。藉著驅動器5激發調制器3。光源1最好係一 雷射或相干輻射之類似光源、最好已偏振、及具有波長λ i 。調制器3譬如可爲一聲光裝置或與額外之光學機構結合 之聲光裝置，用於選擇性地調制光束7之偏振分量。調制 器3最好關於一正交線偏振分量移動光束7之一線偏振分 量之振盪頻率達一數量f : ’在此各分量之偏振方向表示爲 X及y。於第一實施例之以下敘述中，將假設光束9之叉 偏振分量關於光束9之y偏振分量具有一移動量f1之振邊 頻率’而未偏離本發明之精神或範圍。由該驅動器5決定 該振盪頻率f :。 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _：_____B7 _五、發明說明（29) 於下一步驟中由光源2所放射之光束8通過一調 制器4變成光束1 0。藉著驅動器6激發調制器4，其分 別類似於調制器3及驅動器5。類似於光源1之光源2最 好係一雷射或已偏振、相干輻射之類似光源，但最好具有 不同波長λ 2，其中該波長比（λ ι/λ 2)具有一已知之大 約比値1 1 / 1 2，亦即 (λι/λ2)Ξ(1ι/12) (1) 在此1 i & 1 2可採用整數及非整數値，及該波長比（λ λ 2 )係與該比値1 : / 1 2相同達一數量級之相對精度，或 遠小於該氣體反射率之色散（n i — η 2 ).乘以該氣體反射 係數量測或該量測相臂之光學路徑長度由於該氣體而變化 量測所想要之相對精度ε。光束1 〇之X偏振分量關於光束 1 0之y偏振分量具有一移動量f 2之振盪頻率。由該驅動 器6決定該振盪頻率丨2。此外，光束'9及1 0之X分量之 頻移方向係相同。 熟練該技藝之人士將發現可藉著發射超過一種波長之 單一雷射光源、藉著與光學倍頻機制結合以達成倍頻、三 倍頻、四倍頻等之單一雷射光源交替地提供該光束7及8 ，不同波長之二雷射光源與和頻產生或差頻產生 '或任何 能夠產生二或更多波長光束之同等光源架構結合。 雷射光源譬如可爲於熟練該技藝之人士所已知各種習 知技術之任何一種中呈穩定之氣體雷射器，例如氦氖，譬 如看（1980年）應用光學，19，第3173 — 3 1 7 7頁發給拜爾（T.Baer )等人之"0 . 6 33微米 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝
• n I ----訂--------- 國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .32 - A7 ______ ____B7__ 五、發明說明（30) 氦-氖一縱向則曼效應（Zeeman )雷射之穩頻#; 1 9 7 5年6月1 〇日發給布哥華得（BurgWald )等人之 美國專利第3 ’ 889 ，207號；及1972年5月9 曰發‘荣德史托頓（Sandstrom)等人之美國專利第 3 ’ ’ 27 9號。另一選擇是該雷射可爲藉著熟練 該S藝之人士所已知各種習知技術之任何一種中以呈穩頻 之二極管雷射器’譬如看（1 9 8 0年）·電子函件，1 6 ’第 179 — 181 頁由 T.Okoshi 及 K.Kikuchi 所著之"用 於外差型光學通訊系統之半導體雷射之穩頻〃，及（ 198 3年）電機電子工程師協會（IEEE) J .量子 電子設備，QE — 19，1514 — 1519 由 S.Yamaqguchi及M.Suzuki所著之"使用氪之光電流效應同 時穩定一鋁鎵砷半導體雷射之頻率及功率〃。 熟練該技藝之人士亦將發現光束9及光束1 0之二光 學頻率可藉著各種頻率調制裝置及/或雷射器之任何一種 產生：（1 )使用則曼（Zeeman )之分裂雷射器.，譬如看 1969年7月29日發給巴格立（Bag ley )等人之美國 專利第 3，4 58，259 號；（1968 年 8 月）Ned.T • Natuurk，3 4，2 2 5 - 2 3 2 由布惠斯（G.Bouwhuis )所著t氣體雷射器干涉儀〃 ；1 9 7 2年4月 18日發給巴格立等人之美國專利第3 ，656 ，853 號；及（1984年）精確度工程學’6 (2) >87- 9 4由H.Matsumoto所著之"使用穩定型雷射器之新式干涉 量測〃；（2 )使用一對聲光布萊格（Bragg )光電管’譬 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -33 - A7 B7 五、發明說明（31) 如看（1979年）應用光學，18 (2) ’第219 — 2 2 4頁由Y.Ohtsuka及K.Itoh所著之"於低頻段中用於小 位移量測之雙頻雷射干涉儀"；（1 9 8 3年）應用光學 ，22(14)，第 214 1-2151 頁由馬西（ N.Massie)等人所著之"^測量具有6 4信道之外差干涉儀之 雷射流場〃；（1 9 8 4年）光學及雷射技術’ 1 6 ’ 2 5 - 2 9由Y.Ohtsuka及M.Tsubokawa所著之 '"小位移量 測之動態雙頻干涉儀〃：同上文之H.Matsumoto論文； 1 9 9 6年1月16日發給狄克森（P.Dirksen )等人之美 國專利第 5，485，272 號；（1996 年）Opt. Eng. ,35(4), 920-925 由黎刹（N.A.Riza)及郝樂達（M.M.K. Howlader )所著之"用於產生及控制可調低頻信號之聲光 系統〃 ；（3)使用單一個聲光布萊格（Bragg )光電管， 譬如看1 9 8 7年8月4日發給G.E.Sommargren之共同擁 有美國專利第4，684，828號；1987年8月 '1 8日發給G.E.Sommargren之共同擁有美國專利第 4，687，958號；同上文之狄克森（P.Dirksen )等 人之專利；（4 )使用一隨機偏振氦氖雷射之二縱向模式 ，譬如看（1978年）應用光學，17 (18)，第 2924 — 2929頁由費魯森（J.B.Ferguson )及莫禮斯 (R.H.Morris )所著之"6 3 2 8埃氦氖雷射中之單一模 式崩塌〃：或（5 )使用該雷射器內部之雙折射元件等， 譬如看（1965年）應用光學’4(1)，第142-1 4 3頁由V.Evtuhov及A.E.Siegman所著之 '、於雷射腔中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝------丨丨訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 ____Β7 —_ 五、發明說明（32) 獲得軸向均勻之能量密度之"糾結模式"技術〃。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 用於光束7及8光源之特定裝置將分別決定光束7及 8之直徑及發散性。用於一些光源，例如二極管雷射器， 將可能需要使用習知光束成型光學裝置，例如一習知顯微 鏡物鏡’以對隨後之元件提供具有合適直徑及發散性之光 束7及8。譬如當該光源係一氦氖雷射器時，可能不需要 光束成型光學裝置。 _ 熟練該技藝之人士將另發現該光束9及/或光束1 0 之X及y偏振分量二者皆可頻移，而未偏離本發明之精神 或範圍，fi保持爲光束9之X及y偏振分量之頻差，及 f 2保持爲光束1 0之X及y偏振分量之頻差。藉著一光束 之X及y偏振分量二者之頻移大致可能改善一干涉儀及一 雷射光源之隔離，其改善之隔離程度依用於產生該頻移之 機制而定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於下一步驟中，一部份光束1 0係藉著最好非偏振型 之分光鏡5 4A反射成光束2 1 2 ，及光束1 0之第二部 份係藉著分光鏡5 4 A傳送及隨後用鏡子5 4 B反射成光 束1 2。光束9入射在差動平面鏡干涉儀6 9及光束1 2 與212入射在包含二差動平面鏡干涉儀之差動平面鏡干 涉儀群組7 0上。具有分光鏡6 5及藉著外部平面鏡系統 9 0所供給之外部反射鏡之差動平面鏡干涉儀6 9及差動 平面鏡干涉儀群組7 0，包含用於在光束9之X及y分量 間導入一相移φ i、在光束1 2之X及y分量間導入一相移 φ2、及在光束2 1 2之X及y分量間導入一相移φ3之機制 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -35- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 A7 _B7___(33 ) 鏡系統9 0可連接至下文所述型式之一之石版 7或其他下游之應用。 平面鏡干涉儀測量二外部 ，其對該干涉儀分光立方 發生之熱及機械干擾不靈 鏡干涉儀6 9具有八組射 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
五、發明說明 。外部平面 影印裝置6 一差動 改變。此外 件中所可能 ，差動平面 4 7 12 5 2 5，3 3 源自光束9之一頻率分量、即第一頻 2 5，3 3及4 1包含一參考相臂之 之第二頻率分量之光束11 7，1 2 包含一量測相臂之光束。在第1 b圖 頻率分量爲唯一先驅光束 線指示該光束9之第二頻 束9之第 圖中藉著點 束之光束。 差動平 有四組射出 第1 c圖） 量之光束1 1 2之第二 臂之光束。 頻率分量爲 線指示該光 。差動平面 有四組射出 涉儀群組7 0之一 光束1 8 面鏡干 /送回 。源自光束12之一頻率 8及2 6包含 頻率分 2 6 在第1 唯一先 束1 2 鏡干涉 /送回 量之光束 c圖中藉 驅光束之 之第二頻 儀群組7 光束2 1 參考相臂 1 1 8及 著虛線指 光束，及 率分量爲 0之第二 8 ，2 2 平面鏡間 體及相聯 敏。如第 出/送回 ，1 3 3 率分量之 光束，及 5，1 3 中藉著虛 之光束， 率分量爲 差勘平面 1 1 8及 分量、即 之光束， 1 2 6包 示該光束 在第1 c 唯一先驅 差動平面 6 ，3 1 之光學路徑 光學之零組 1 b圖所示 光束1 7， 及 1 4 1。 光束1 7， 源自光束9 3 及 1 4 1 線指示該光 及在第1 b 唯一先驅光 鏡干涉儀具 1 2 6 (看 第一頻率分 及源自光束 含一量測相 1 2之第一 圖中藉著點 光束之光束 鏡干涉儀具 8 及 3 2 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 36 A7 B7 五、發明說明（34) 。源自光束2 1 2之一頻率分量、即第一頻率分量之光束 2 1 8及2 2 6包含一參考相臂之光束，及源自光束 2 1 2之第二頻率分量之光束3 1 8及3 2 6包含一量測 相臂之光束。在第lc圖中藉著包含交替之點及線之虛線 指示該光束212之第一頻率分量爲唯一先驅光束之光束 ，及在第1c圖中藉著包含交替之雙點及線之虛線指示該 光束212之第二頻率分量爲唯一先驅光束之光束。 光束 17，25，33，41，117，125， 133及141入射在分光鏡65上（第la圖）及藉著 最好是二色塗層之塗層6 6分別傳送成光束E 1 7， E25，E3 3，E41，E117，E125， E133 及 E141。光束 E17，E25，E33， E41，E117，E125，E133 及 E141 入射 在外部平面鏡系統9 0，如第1 d圖所詳細說明者，而導 致光束43及143 (第lb圖）。光束143及43分 別包含在波長λ i有關經過外部平射鏡系統9 0量測路徑中 氣體之光學路徑長度，及有關經過一參考路徑之光學路徑 長度之資訊。 同樣地，光束 18，26，118，126 ，218 ，226 ’ 318及326入射在分光鏡65上及藉著二 色塗層66分別反射成光束E18，E26，E118， £126，珏218 1226，£318及丑326。 光束 E18，E26，E118，E126 ，E218， E226，E318及E326入射在外部平面鏡系統 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '^l------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -37- A7 B7 五、發明說明（35) 9 〇，如第1 e圖所示，而分別導致光束2 8，1 2 8， 228及328 (第lc圖）。光束128及328包含 在波長λ 2有關經過外部平射鏡系統9 0量測路徑中氣體之 光學路徑長度之資訊，及光束2 8與1 2 8包含在波長λ 2 有關經過一參考路徑之光學路徑長度之資訊。 用鏡子6 3 Β反射光束4 3，部份光束4 3係用最好 是非偏振型之分光鏡6 3 Α反射變成光束4 5之一分量（ 第lb圖）。用分光鏡63A傳送部份光束143以變成 光束4 5之第二分量。光束4 5係一混合光束，光束4 5 之第一及第二分量具有相同之線偏振。光束4 5射出該差 動平面鏡干涉儀6 9。 用鏡子5 8 B反射光束2 8 (第1 c圖），部份光束 28係用最好爲非偏振分光鏡之分光鏡58A反射變成光 束30之第一分量。用分光鏡58A傳送部份光束1 28 以變成光束3 0之第二分暈。光束3 0係一混合光束，光 束30之第一及第二分量具有相同之線偏振。 用鏡子5 8 D反射光束2 2 8，部份光束2 2 8係用 最好爲非偏振分光鏡之分光鏡5 8 C反射變成光束2 3 0 之第一分量。用分光鏡5 8 C傳送部份光束3 2 8以變成 光束2 3 0之第二分量。光束2 3 0係一混合光束，光束 2 3 0之第一及第二分量具有相同之線偏振。光束3 0及 2 3 0射出差動平面鏡干涉儀群組7 0。 相移φ 1，φ 2及φ 3之大小係與量測路徑9 8及第1 a - 1 e圖所示參考路徑之路徑i之來回物理長度間之差値 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂i ------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（36) L i有關’而根據該公式 i=Pi J=Pi φ 1 ( t ) = 5 i=l i-1 i=P2 i=p2 Φ 2 ( t ) = Σφ2，Λ)= +ζ2 ’ （ 2 ) i=l i=l φ 3 ( t ) = |^3，办)=|^〇2η2ί+ζ?， i-p2+l i*p2+l 對於P i = 2 p 2之情況，在此n j i係對應於波數k j =( 2π) / Xj之量測路徑9 8之路徑i中氣體之反射率。l i 之額定値對應於外部平面鏡系統9 0中鏡子表面9 5及 9 6之空間間隔之兩倍（參考第1 d及1 e圖）。該相位 彌補ς i包含所有對該相移(P :之貢獻，並與該量測路徑9 8 或參考路徑無關。對於熟練該技藝之人士，當Pi = 2 p2 時之情況之綜合結論是一簡單之過程。於第1 b — 1 e圖 中，分別架構差動平面鏡干涉儀6 9、差動平面鏡干涉儀 群組70、分光鏡65、及外部平面鏡系統90，以致p : =4及p 2 = 2，俾能以最簡單之方式說明本發明第一較佳 裝置實施例之功能。 方程式（2 )對一波長之組合路徑及第二波長之組合 路徑實質上具有同等範圍之情況有效，選擇一情況以用最 簡單之方式說明本發明第一實施例中之功能。對於熟練該 技藝之人士，二不同波長之各個組合路徑實質上不具有同 等範圍之情況之.綜合結論是一簡單之過程。 方程式（2 )中已省略在距離量測干涉術（參考巴布 魯夫（N.Bobroff )所著論文）中產生非線性周期誤差。熟 練該技藝之人士所已知之技術可用於減少該周期誤差至可 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 裝 訂---------Φ. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（37) 忽略之程度或補償周期誤差之影響，該技術諸如於該干涉 儀中使用分開之光束及/或於該傳送系統中對由每一光束 光源至該干涉儀之光束使用分開之光束〔1 9 8 9年IEEE Trans·. Instrum.及 Meas·，.38(2)，552-554 由 M.Tanaka、 T.Yamagami、及K.Nakayama所著之 '"在次納米層次之外差 雷射干涉儀中之周期性誤差之線性內插法"〕，及具有減 少偏振及/或頻率混合之光束光源。於該干涉儀中分開光 束之技術係譬如倂入第1 a — 1 e圖所示之第一實施例中 〇 光束由外部平面鏡系統9 0之鏡子9 2行進至各個量 測及參考光束混合位置之平均延時對於不同波長之光束將 大致不同，因爲具有第一波長之光束之多程數目係異於具 有第二波長之光束之多程數目，該第一及第二波長係不同 。方程式（2)中已省略不同波長光束之平均延時中之差 値效應，以便不會過度地複雜化第一實施例之敘述。 不同波長光束之平均延時在各個相位差之差値效應係 二級效應，該效應係與該外部平面鏡系統9 0之鏡子9 2 速率成比例及大約與該L i瞬時平均値成比例。對於每秒2 米之鏡子9 2運動速度及2米之瞬時平均値L i，各個相位 差大約係1弧度。此相位差發生在低頻，典型少於或1 0 赫之大小。對熟練該技藝之人士將明顯的是可於隨後之信 號處理中製作此相位差，即不同波長光束之平均延時中之 差値效應之模型，及以該鏡子9 2之速度及該大約瞬時平 均値之知識補償至最終應用強加於該輸出資料所需之精確 私纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -40- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 B7 五、發明說明（38 ) 度。· 如第1 a圖所示於下一步騾中，光束4 5，3 0及 2 3 0分別撞擊在於光電探測器8 5，8 6及2 8 6上， 最好藉著光電探測分別導致三干涉信號、外差信號s i， S 2及S 3。該信號S 1對應於波長λ 1及信號s 2及S 3對應 於該波長。該信號h具有該形式
Sje = A^cosla^t)] > X=l，2及 3， ( 3 ) 在此由下面給予該時變自變數aA(t) αι(ί)=2πΐιί+φι> a 2 ( t) = 2 π ί 2 t + φ 2 > (4) a3(t)=2nf2.t+cp3， 外差信號s i ’ s 2及s 3分別如電子信號1 〇 3，1 〇 4 及3 0 4傳送至電子處理器1 〇 9供以數位或類比格式分 析，最好以數位格式分析。 電子處理該外差信號S i，S 2及S 3之一較佳方法係 德此呈現於當1 i及/或1 2是非低位整數之情況。對於當 1 i及1 2皆爲非低位整數及波長比匹配該比（1 i / 1 2 ) 時，使得相對精度足以滿足最終應用強加於該輸出資料所 需之精確度之情況，電子處理該外差信號s i，S 2及s 之較佳程序係如同本發明第一實施例之第二變型所隨後制 定之程序。 現在參考第1 f圖，電子處理器10 9包含電子處理 器1094A，1 0 94B及1094C，以藉著數位或 類比信號處理、最好用數位處理分別決定該相位φ i，φ 2及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^--------訂 ί_ I----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（39) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ 3 ’使用諸如數位希爾伯特（Hilbert )變換相位檢波器 〔看1 9 9 3年（紐約）馬格羅—希爾（McGraw-Hill )第 二期第4 . 1 · 1節由艮斯特（R.E.Best )所著之、'鎖相 環之理論、設計、及應用〃〕等之時基相位檢波裝置及驅 動器5與6之相位。 驅動器5及6之相位係藉著電信號、參考信號1 〇 1 及1 0 2以數位或類比格式、最好爲數位格式傳送至電子 處理器1 0 9。亦可藉著光學傳感機制及探測器（圖面中 未示出）產生參考信號1 0 1及10 2二選一之參考信號 ’並最好用非偏振分光鏡分開部份之光束9及.1 0、混合 所分開之部份光束9及部份光束1 0、及偵測該混合部份 以產生外差參考信號。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 現在參考第1 f圖，電子處理器1 0 9包含電子處理 器1 0 9 6A以將φ 2及(？ 3加在一起。其次，該相位φ 1及 合成之相位總和係分別於電子處理器1 0 9 5 Α及 1 0 9 5 B中最好藉著數位處理分別乘以（1 ι/ρι)及 (1 2/ p 2 ) ( 1 / 2 )，導致相位（1 ! / P : ) φ i 及 (1 2 X p 2 ) (φ2+φ3) / 2。其次該相位（1 l/pl 12/ρ2) (φ2+φ3)/2最好藉著數位處理 分別於電子處理器1 0 9 6 Β中加在一起及於電子處理器 1 0 9 7 Α中彼此相減，以造成該相位θ及Φ。以公式表示 V ( 5 ) _Ρι P2 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210χ 297公釐）
五、發明說明（ 40) φ=1φι—υ^}]， ( 6 ) 由方程式（5 )及（6 )發現S及Φ對外部平面鏡系統9 Ο 之鏡子9 1或9 2之傾斜及/或偏轉不靈敏，除了諸如有 關方程式（2 )所述經過外部平面鏡系統9 0之鏡子9 1 或9 .2之不同波長光束平均時延中差値效應所致之傾斜及 /或偏轉瞬時改變外，及由於使用差動平面鏡干涉儀之結 果對該干涉儀分光立方體及相聯光學零組件中可發生之熱 及機械干擾不靈敏。 經由不同波長光束平均時延中之差値效應而源自鏡子 9 1或9 2之傾斜及/或偏轉瞬時改變之3及Φ中相位效應 係二級效應，這些效應係與傾斜或偏轉中之瞬時角速度成 比例及與L i之大約瞬時平均値成比例，且發生在典型少於 1 0赫或1 0赫大小之低頻。經由不同波長光束平均時延 中之差値效應而源自鏡子9 1或9 2之傾斜及/或偏轉瞬 時改變之S及Φ中相位效應係典型少於1弧度。對熟練該技 藝之人士將明顯的是可用鏡子9 1或9 2之瞬時傾斜及/ 或偏轉角速度與！^ i之大約瞬時平均値之知識製作源自鏡子 9 1或9 2之傾斜及/或偏轉瞬時改變之&及Φ中相位效應 之模型及補償之，而於隨後之信號中處理至該最終應用強 加於該輸出資料所需之精確度。 對於包含真空之量測路徑，相位Φ將實質上由於該外 部平面鏡系統9 0中之一或二鏡子之運動而爲一與都卜勒 相移無關之常數，該運動將改變該鏡子之間隔。由於電信 號S 1 ’ s 2及s 3所經歷群延遲中之差別，事實上這可能 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐）-43 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
^------ — _.丨訂----------ST 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7___ 五、發明說明（41) 非實際情況。通常稱爲包絡延遲之群延遲描述一封包頻率 之延遲，及在一特別頻率之群延遲係定義爲在該特別頻率 之相位曲線斜率之負値〔看1 9 7 6 (紐約，威利）由H.J .Blinchikoff及A.I.Zverev所著"在時域及頻域中之濾波〃 之2 . 6節〕。假如相位Φ對於包含真空之量測路徑非爲 常數，可使用熟練該技藝之人士所已知之技術補償相位Φ 與一常數之差距（參考同前之Blinchikoff及Zveriv論文） 。重要的是要注意藉著爲轉移器6 7所產生之不同鏡子 9 2移位速度之函數測量Φ，不只可偵測Φ中之群延遲效應 ，亦可決定一包含真空之量測路徑中之群延遲效應。亦重 要的是注意藉著實際同樣接近該探測器8 5，8 6及 2 8 6中之光電探測器以分別施行信號s i，s 2及s 3之 類比數位轉換，隨之藉著與傳送信號s i，s 2及s 3當作 類比信號供隨後下游之類比信號處理及/或類比數位轉換 之相對數位信號處理，即能顯著減少Φ中之群延遲效應。 特定群延遲之補償可大致在該處理元件產生該特定群延遲 之前或之後、或局份在之前及局部在之後導入。 電子處理器1 0 9另外包含處理器1 0 9 4A以藉著 類比或數位信號處理、最好藉著數位處理使用時基相位檢 波等決定該相移9 i，參考信號1 0 1用作相敏檢波中之參 考信號。該相位Φ !、θ及Φ係以數位或類比格式、最好呈 數位格式用信號1 0 5傳送至電腦1 1 0。 可用下列公式計算該氣體之反射係數（η 1 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -44- A7 B7 五、發明說明（42) Γ 7 -1 X L Ι-ίΚ/χ)2 |[θ(Κ/χ)1φ]-ρ} 此L係物理長度L i之平均， χ = C 1 1 k 1 + 1 2 k 2 ) / 2 (8 ) K = ( 1 i k 1 — 1 2 k 2 ) /2 (9 ) Γ_ ni _1， (10) η, 及已省略二級修正項。該二級修正項係由於該量測路徑i 中反射率異於各量測路徑i上方反射率平均値之一級變化 ，及由於物理長度L i與L之差値。該量Γ係氣體色散率之 倒數，而實質上與環境狀況及該氣體中之亂流無關。該彌 補項Q係定義爲 Q = ξ ( K / χ ) 在此 Ζ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 • emmm 1 —ai Ζ tyt u 212 (ζ2+ζ3) 2 (11)(12) (13) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 可由氣體成份之知識及由與該氣體成份之反射係數相 依之波長知識計算Γ値。對於λ1 = 〇 . 6 3微米、12 = ◦ . 3 2微米及一標準大氣壓之範例，Γξ2 4。 此外，方程式（7 )對在一波長之結合光束路徑與在 第二波長之結合光束路徑實質上具有同等範圍之情況有效 ，其亦爲以最簡單之方式說明本發明第二實施例之功能之 較佳架構。對於熟練該技藝之人士，在一波長之結合光束 路徑與在第二波長之結合光束路徑實質上不具有同等範圍 之情況之綜合結論是一簡單之過程。 I---訂--------- 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 45 A7 _B7_______五、發明說明（43) 對於有關距離量測干涉儀之應用，該外差相位φ :及相 位θ及Φ可用來決定該距離L，而與一距離量測干涉霞之量 測路徑中之氣體反射率效應無關，並使用該公式
L (χ+κ) (φι ζι) Γ Pi 1-(Κ/χ) [(Κ/χ)θ-Φ-(5] (14) 該波長比可由方程式（8 )及（9 )以κ/χ表示具有結 果 λ,_ Μ Γΐ-(Κ/χ)Ί λ2 Ι_1 + (Κ/χ)」 (15) 當在 丨帅〈綠’ (16) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之條件下操作時，該相位Φ及θ之比具有大約値(Φ·-:ηΊ， (17) (η2+ι〇 因此參考方程式（1 )，對於第一實施例之情況，在此該 波長比（λ i / λ 2 )具有一已知之大約比値1 Λ / 1 2，在 此1 i及1 2可採用整數及非整數値，該波長比（λ i / λ 2 )係與該比値1 i / 1 2相同達一數量級之相對精度，或遠 小於該氣體反射率之色散（n i _ η 2 )乘以該氣體反射係 數量測或該量測相臂之光學路徑長度由於該氣體而變化量 測所想要之相對精度ε，而藉著不等式正式表達爲： λ. ll (η2-η,)ε (18) 方程式（7 )及（1 4 )分別約分至更簡單之形式 η 1 - 1 = - ^-(Φ + Q) > (19) 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） -46 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
五、發明說明（44)
L λ A7 B7 (20 。對熟練該技藝之人士亦將明顯的是對L關於η 2施行類似 計算， (η2 — 1)=(η 1— 1)(1 + 1/Γ) (21) 取代或加上η丄。 於下一步驟中’，電子處理機制1 0 9以數位或類比格 式、最好爲數位格式將φ 當作電子信號1 0 5傳送至 電腦1 1 0，用於計算（η ! - 1 )及/或L。（ 1 / 1 ! )Φ中相位冗餘之解答需要分別使用方程式（1 9 )或（ 2 0)計算（ηι— 1 )或由於該氣體而在L中之改變。此 外假如χ可隨時間變動，在使用方程式（2 0 )計算1時需 要9 i中相位冗餘之解答，及在使用方程式（2 0 )計算L 之變化時需要φι中相位冗餘之解答。 包含（1/ 1 1) Φ之同等波長顯著地大於波長λ 1及人 2之任一個，及其結果是於一用於施行（1/ 1 1) Φ中相 位冗餘之解答之程序中產生一顯著之簡化作用。該（1 / )®係 入㈣少.=-~—~Γ， （22) 1 1) Φ之同等波長 λ, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) « n I n ϋ I ϋ-*-r0, I I ϋ 1 n ϋ n —1 i
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對於λ (η2 - η,) 0 . 6 3 3微米 (η 2 — η 1 ) 3 0 及 之範例，由方程式（2 2 )所 給之同等波長係 λφΞ6 3 毫米 - (23) 數個程序之任一個可輕易地用於解決（1/ 1 1) Φ中 本纸張尺度辦用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 47 -
A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（45) 之相位冗餘，而給予如方程式（2 2 )所表達之同等波長 。對於可干涉量測該量測路徑中變化之應用，譬如用於測 ' , 量該量測路徑中變化而基於距離量測干涉儀之一應用特色 ’可藉著轉移器6 7以控制下之方式在遍及一給定長度掃 瞄該外部平面鏡系統9 0之可移動鏡子9 2，及記錄所伴 隨（1/1 1) Φ中之變化。由所記錄（1/1 1) Φ中之 變化及所掃瞄之長度，如φ i中之變化所記錄者，即可計算 .該同等波長。具有該同等波長λ ( i / h ) Φ之計算値，以該 同等波長λ ( : / η ) Φ之相當大値之觀點可輕易地解決（1 / 1 1 ) Φ中之相位冗餘。 對於該反射係數及/或一量測相臂光學路徑長度中由 於該氣體而變化之測定，且該外部平面鏡系統之鏡子9 2 不具有掃描能力之應用，諸如前述段落中所考慮者，則可 用其他程序解決（1 / 1 : ) Φ之相位冗餘。一可用於解決 (1/1 i) Φ中相位冗餘之程序係基於使用一系列外部平 面鏡系統，在此該外部平面鏡系統量測相臂之來回物理長 度L形成一幾何級數。該系列中之最小或第一來回物理長 度將大約係λ ! /〔 4 ( η 2 - η !.)〕除以已知（1 / 1 ! )Φ初値之相對精度。該系列中第二外部平面鏡系統9 Ο 之來回物理長度將大約係該第一外部平面鏡系統9 0之來 回物理長度除以使用該第一外部平面鏡系統9 0測量Φ之 相對精度。這是一幾何級數之程序，假如外部平面鏡系統 之數目連續地增加1個，結果之來回物理長度形成一幾何 級數，持續此程序直至超過用於量測該反射係數或光學路 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ^1 ϋ Mmtf am— 一OJ ^—'^1 n n n I . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 48- A7 __ B7____ 五、發明說明（46) 徑長度由於該氣體反射係數而變化之外部平面鏡系統9 0 之來回物理長度。 第三程序係基於使用一系列已知波長之光源（第1 a _ 1 e圖中未示出）及量測這些波長之Φ。解決相位冗餘 所需已知波長之數目大致因爲方程式（2 2 )所給予之入（ i / i ) Φ之相當大値而包含一小集合。 另一解決（1/ 1 :) Φ中相位冗餘之程序將是在觀察 該量測路徑9 8由氣體改變至一真空狀態時於（1 / 1 :) Φ中之變化（該真空幫浦及必要之氣體處理系統在第1 a 一 1 e圖中未示出），以解決（1 / 1 : ) Φ中之相位冗餘 。因爲（1/ 1 :) Φ之相當大同等波長，於第一較佳實施 例中未呈現在測量反射係數之絕對値及該光學路徑長度由 於該氣體反射係數之變化所常遭遇之問題，該變化局部係 基於氣體壓力由非零値改變至一真空狀態。 假如必需解決φ i中之相位冗餘，其呈現一與隨後關於 本發明第二及第三實施例及其變型中必需解決S中之相位冗 餘所述類似之問題。因此假如必需時，關於第二及第三實 施例及其變型於θ中解決相位冗餘所述程序可適用於解決 φ 1中之相位冗餘。 於方程式（19)及（20)中所呈現及定義於方程 式（2 )及（1 1 )中涉及ς i及Q之彌補項係需要測定及 /或監視之某些結合之項目，並依χ是否可隨時間改變、是 否分別測定該反射係數及/或該長度L、或是否分別測定 該反射係數及/或該長度L中之變化而定。一用於決定ζ i 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） _ 49 _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝------- tr--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 Β7 五、發明說明（47) 及Q之程序係基於用鏡子R91(在第1d及1e圖未示 出）替換該外部平面鏡系統9 0之鏡子9 1 ’鏡子R9 1 塗有對應於鏡子9 1表面9 3之表面R9 3 ’以致成爲波 長λ !及λ 2二者之一反射表面，及測量結果之Φ 1及φ値° 使該結果之Φ ^及Φ値分別成爲φ : R及Φ R。量値ζ 1及Q係 分別與φ :、及Φ r有關，如藉著下列公式由方程式（2 )及 (1 Θ )明顯看出者 ζ 1 = φ 1 r V (24) Q = — Φ r > (25) 對ς :及。之非電子貢獻隨著時間實質上應不變，因爲在該 差動平面鏡干涉儀6 9、該差動平面鏡干涉儀群組7 0、 分光鏡6 5、及外部平面鏡系統9 0中已有大幅度之補償 。用純電子機制（未示出）可監視對ζ i及Q之非電子貢獻 0 對熟練該技藝之人士將明顯的是因爲在第一啤隹實施 例中倂入分光鏡6 5，光束在λ i及λ 2之量測路徑於外部平 面鏡系統9 0中係具同等範圍，以致該氣體之色散可用作 該量測路徑中氣柱密度之高精確度之一代表項，反之分光 鏡7 1之偏振塗層7 3及四分之一波長延滞板7 7只需滿 足在λ i之性能規格，而分光鏡7 2之偏振塗層7 4及四分 之一波長延滯板7 8只需滿足在λ 2之性能規格。當需要使 用於該氣體中具有同等範圍量測路徑之三或更多不同波長 光束時，特別是在諸如積體電路之微光刻照相製造案例之 高精確度應甩中’如第一實施例所揭露根據波長之臨界運 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂---------ΑΤ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -50-
五、發明說明（48) 算之分配可爲本發明之一重要特色。然而，根據波長之運 算分配毋庸如第一較佳實施例中所揭露地完成，例如藉著 具有適當修改偏振表面之單一分光鏡·即可達到分光鏡7 i 及7 2之功能’而未偏離本發明之精神或範圍。 第一較佳實施例之敘述注意到第i a 一 1 e圖所示干 涉儀之架構在技藝中已知如差動平面鏡干涉儀。差動平面 鏡干涉儀之其他形式及諸如平面鏡干涉儀或角度補償干涉 儀或類似裝置之其他干涉儀形式，諸如在（1 9 8 9年） VDI Berichte第7 49號第9 3 — 1 06頁由湛諾尼（ C.Zanoni )所著標題爲、用於距離及角度量測之差動干涉 儀裝置之原理 '優點及應用〃之論文中所述，最好係倂入 本發明第一實施例之裝置，如當處理積體電路之微光刻照 相製造中所常遭遇之場合，而未偏離本發朋之精神或範圍 〇 第1 b圖以槪要形式描述第la圖中所示差動平面鏡 干涉儀6 9之一實施例。其以下列方式操作··光束9入射 在最好爲偏振分光鏡之分光鏡5 5 A上，使得部份光束9 傳送成光束1 3。由分光鏡5 5A所反射之第二部份光束 9係藉著鏡子5 5 B反射，及然後藉著二分之一波長相位 延滯板7 9傳送成光束1 1 3，該二分之一波長相位延滯 板7 9使光束9之反射部份之偏振平面旋轉9 0度。光束 1 3及1 1 3具有相同之偏振，但仍具有不同之頻率。分 光鏡5 5 A及鏡子5 5 B之功能係使用習知偏振技術空間 地分開光束9之二頻率分量。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐）_ 51 - <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 東..-------訂---------^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（49) 光束1 3及1 1 3進入具有一偏振塗層7 3之偏振分 光鏡71，及分別傳送成光束15及115。光束15及 1 1 5經過四分之一波長相位延滯板7 7及分別轉換成圓 偏振光束1 7及1 17。光束1 7及1 1 7係藉著具有二 色塗層6 6之分光鏡6 5所傳送，如第1 d圖所示藉著外 部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，往回通過 分光鏡6 5 /及隨後往回通過四分之一波長延滯板7 7及 轉換回與原始入射光束1 5及1 1 5呈正交偏振之線性偏 振光束。這些光束係藉著偏振塗層7 3反射而分別變成光 束19及119。光束19及119係藉著後向反射鏡 7 5所反射而分別變成光束2 1及1 2 1。光束21及 1 2 1係藉著偏振塗層7 3所反射而分別變成光束2 3及 1 2 3。光束2 3及1 2 3通過四分之一波長相位延滯板 7 7及分別轉換成圓偏振光束2 5及1 2 5。光束2 5及 1 2 5係藉著分光鏡6 5所傳送，如，第1 d圖所示藉著外 部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，往回通過 分光鏡6 5，及隨後往回通過四分之一波長延滯板7 7及 轉換回線性偏振光束，該線性偏振係與該原始入射光束 1 5及1 1 5之線性偏振相同。這些光束係藉著偏振塗層 7 3傳送而分別變成光束2 7及1 2 7。光束2 7係藉著 鏡子5 7A及5 7 B所反射及光束1 2 7係藉著鏡子 59C及59D所反射而分別變成光束29及129。 光束29及1 2 9進入偏振分光鏡7 1及藉著進入具 有偏振塗層7 3之偏振分光鏡7 1分別傳送成光束3 1及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 52 _ ------------,¼ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
A7 B7 五、發明說明（50) 131。光束31及131通過四分之一波長相位延滯板 7 7及分別轉換成圓偏振光束3 3及1 3 3。光束3 3及 13 3係藉著分光鏡6 5所傳送，如第1 d圖所示藉著外 部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，往回通過 分光鏡6 5，及隨後往回通過四分之一波長延滞板7 7及 轉換回與原始入射光束3 1及1 3 1呈正交偏振之線性偏 振光束。這些光束係藉著偏振塗層7 3所反射而分別變成 光束3 5及1 3 5。光束3 5及13 5係藉著後向反射鏡 7 5所反射而分別變成光束3 7及1 3 7。光束3 7及 1 3 7係藉著偏振塗層7 3所反射而分別變成光束3 9及 1 3 9。光束3 9及1 3 9通過四分之一波長相位延滯板 7 7及分別轉換成圓偏振光束4 1及1 4 1。光束4 1及 1 4 1係藉著分光鏡6 5所傳送，如第I d圖所示藉著外 部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，往回通過 分光鏡6 5，及隨後往回通過四分之一波長延滯板7 7及 轉換回線性偏振光束，該線性偏振係與該原始入射光束 1 5及1 1 5之線性偏振相同。這些光束係藉著偏振塗層 7 3所傳送而分別變成光束4 3及1 4 3。在波長λ i之光 束4 3及1 4 3分別包含有關經過該量測路徑9 8中氣體 之光學路徑長度及有關經過參考相臂之光學路徑長度之資 訊，其中已測定該氣體之反射係數效應。 藉著鏡子6 3 B反射光束4 3，然後一部份光束由最 好爲非偏振型之分光鏡6 3 A反射成光束4 5之第一分量 。光束1 4 3入射在分光鏡6 3A上，使得一部份光束 本紙張尺與適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ·纪 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 tr--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 __— :_Β7______ 五、發明說明（51) 1 4 3係傳送成光束4 5之.第二分量，光束4 5之第一及 第二分量具有相同之線偏振，但仍具有不同之頻率。 第1 c圖以槪要形式描述第1 a圖中所示差動平面鏡 干涉儀7 0之一實施例。其以下列方式操作：光束1 2入 射在最好爲偏振分光鏡之分光鏡5 6 A上，使得部份光束 12傳送成光束1 4。由分光鏡5 6A所反射之第二部份 光束1 2係藉著鏡子5 6 B反射，及然後藉著二分之一波 長相位延滯板8 0傳送成光束1 1 4，該二分之一波長相 位延滯板8 0使光束1 2之入射部份之偏振平面旋轉9 0 度。光束1 4及1 1 4具有相同偏振，但仍具有不同頻率 。分光鏡5 6 A及鏡子5 6 B之局部功能係使用習知偏振 技術空間地分開光束1 2之二頻率分量。 光束1 4及1 1 4進入具有一偏振塗層7 4之偏振分 光鏡72，及分別傳送成光束1 6及11 6。光束1 6及 1 1 6通過四分之一波長相位延滯板7 8及分別轉換成圓 偏振光束1 8及1 1 8。光束1 8及1 1 8係藉著具有二 色塗層6 6之分光鏡6 5所傳送，如第1 e圖所示藉著外 部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，第二次藉 著分光鏡6 5之表面6 6所反射，及隨後往回通過四分之 一波長延滯板7 8及轉換回與原始入射光束1 6及1 1 6 呈正交偏振之線性偏振光束。這些光束係藉著偏振塗層 74反射而分別變成光束20及120。光束20及 1 2 0係藉著後向反射鏡7 6所反射而分別變成光束2 2 及 1 2 2。 · 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 54 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) · ϋ ϋ _ϋ Bai a— ϋ ϋ 1· ϋ ·
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __B7____ 五、發明說明（52) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 光束2 2及1 2 2係藉著偏振塗層7 4所反射而分別 變成光束24及1 24。光束24及1 24通過四分之一 波長相位延滞板7 8及分別轉換成圓偏振光束2 6及 1 2 6。光束2 6及1 2 6係藉著分光鏡6 5之表面6 6 所反射，如第1 e圖所示藉著外部平面鏡系統9 0內之鏡 子反射回在其自身上，第二次藉著分光鏡6 5之表面6 6 所反射，及隨後往回通過四分之一波長延滯板7 8及轉換 回線性偏振光束，該線性偏振係與該原始入射光束1 6及 1 1 6之線性偏振相同。這些光束係藉著偏振塗層7 4傳 送而分別變成光束2 8及1 2 8。在波長λ 2之光束2 8及 1 2 8分別包含有關經過該量測路徑9 8中氣體之光學路 徑長度及有關經過參考相臂之光學路徑長度之資訊，其中 已測定該氣體之反射係數效應。 藉著鏡子5 8 Β反射光束2 8，及然後一部份光束由 最好爲非偏振型之分光鏡5 8Α反射成光束3 0之第一分 量。光束1 2 8入射在分光鏡5 8Α上，使得一部份光束 1 2 8係傳送成光束3 0之第二分量’光束3 0之第一及 第二分量具有相同之線偏振，但仍具有不同之頻率。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 光束2 1 2入射在分光鏡5 6 Α上，使得部份光束 2 1 2傳送成光束2 1 4。由分光鏡5 6A所反射之第二 部份光束2 12隨後藉著鏡子5 6 B反射，及然後藉著二 分之一波長相位延滯板8 0傳送成光束3 1 4 ’該二分之 一波長相位延滯板8 0使光束2 1 2之入射部份之偏振平 面旋轉9 0度。光束2 1 4及3 1 4具有相同之偏振’但 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公. 55 - A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ________B7____ 五、發明說明（53) 仍具有不同之頻率。分光鏡5 6 A及鏡子5 .6 B之局部功 能係使用習知偏振技術空間地分開光束2 1 2之二頻率分 量° 光束2 14及31 4進入具有一偏振塗層7 4之偏振 分光鏡7 2，及分別傳送成光束2 1 6及3 1 6。光束 2 1 6及3 1 6通過四分之一波長相位延滯板7 8及分別 轉換成圓偏振光束2 1 8及318。光束2 1 8及3 1 8 係藉著分光鏡6 5之表面6 6所反射，如第1 e圖所示藉 著外部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，第二 次藉著分光鏡6 5之表面6 6所反射，及隨後往回通過四 分之一波長延滯板7 8及轉換回與原始入射光束2 1 6及 3 1 6呈正交偏振之線性偏振光束。這些光束係藉著偏振 塗層7 4反射而分別變成光束2 2 0及3 2 0。光束 2 2 0及3 2 0係藉著後向反射鏡7 6所反射而分別變成 光束2 2 2及3 2 2。光束2 2 2及3 2 2係藉著偏振塗 層74所反射而分別變成光束224及324。光束 2 2 4及3 2 4通過四分之一波長相位延滯板7 8及分別 轉換成圓偏振光束226及326。光束226及326 係藉著分光鏡6 5之表面6 6所反射，如第1 e圖所示藉 著外部平面鏡系統9 0內之鏡子反射回在其自身上，第二 次藉著分光鏡6 5之表面6 6所反射，及隨後往回通過四 分之一波長延滯板7 8及轉換回線性偏振光束，該線性偏 振係與該原始入射光束2 1 6及3 1 6之線性偏振相同。 這些光束係藉著偏振塗層7 4傳送而分別變成光束2 2 8 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -56- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（54) 及328。在波長λ2之光束228及328分別包含有關 經過該量測路徑9 8中氣體之光學路徑長度及有關經過參 考相臂之光學路徑長度之資訊，其中已測定該氣體之反射 係數效應。 藉著鏡子5 8 D反射光束2 2 8，及然後一部份光束 由最好爲非偏振型之分光鏡5 8 C反射成光束2 3 0之第 一分量。光東3 2 8入射在分光鏡5 8 C上，使得一部份 光束3 2 8係傳送成光束2 3 0之第二分量，光束2 3 0 之第一及第二分量具有相同之線偏振，但仍具有不同之頻 率〇 吾人揭露該第一較佳實施例之第一種變型，其中該第 一實施例之第一種變型裝置之敘述係如同所已知該第一實 施例之裝置，除了第1 a圖所示分別關於驅動器5及6之 頻率f :及丨2外。於該第一實施例之第一種變型中，該二 驅動器5及6之頻率係相同，亦即f Λ = f 2。該第一實施 例之第一種變型之特色消除第一實施例中源自f : * f 2群 延遲中之差異效應。該第一實施例之第一種變型之其餘敘 述係如同該第一實施例所已給敘述之對應部份。 現在參考第1 a — 1 e及1 g圖，其以槪要形式一起 描述本發明用於測量及監視一量測路徑中之氣體反射係數 及/或該量測路徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之第 一較佳實施例之第二種變型，其中該氣體反射率及量測路 徑之物理長度之任一個或兩者可能正在改變，在此所採用 光源之穩定性足夠，及該採用光源所產生光束之波長係與 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） -------------.KM--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明說明（55 ) 一相對精度呈諧波相關，而足以滿足藉著最終應用強加於 該輸出資料上所需之精確度。大約諧波#關波長之條件對 應於第一實施例之特定情形，其中該比値（1 i / 1 2)可 表示成低位非零整數之比値（p i / P 2 )，亦即
(26) 其對應於大約諧波相關之波長λ】及λ 2。 第一實施例之第二種變型之光束9及10光源之敘述 與光束9及1 0之敘述係如同該第一實施例所給與光束9 及1 0光源之敘述與光束9及1 0之敘述，並加上該波長 係與一相對精度呈諧波相關，而足以滿足藉著最終應用強 加於該輸出資料上所需精確度之額外需求。第1 a - 1 e 圖中所述第一實施例之第二種變型裝置之敘述係如同該第 一實施例在P : = 4及p 2 = 2情況所給與對應部份之敘述 〇 現在參考第1 g圖，電子處理器1 0 9 A最好包含以 類比或數位處理、最好爲數位處理一起電子倍增外差信號 31及82之電子處理器1095C，以創造一超外差信號 Slx2，具有數學式： S 1 X 2 = s 1 s 2 5 (27) 該超外差信號S : x 2係由具有一-抑制載波之二邊帶所組成 及可重寫爲： S 1x2 = S + lx2 + S~lx2 (28) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ii — ί 訂—！ -!蠢· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ___B7_____ 五、發明說明（56) 在此 S + 1 X 2 = χΑ 1 A 2 C 0 S (2πν ΐ+θ ΐχ2)， 2 . (29) S_ix2 = —A1A2C ο s (2πΡί+Φΐχ2)， 2 (30) V=(fl+f2)， (31) θΐχ2=(φι+φ2)， (32) F = ( f 1 - f 2 ) » (33) Φΐχ2=(φι— 92) * (34) 因此該超外差信號S i X 2係由相等振幅之二邊帶s + i x 2及 S_lx2所組成，一邊帶具有頻率V及相位θ lx2，及第二 邊帶具有頻率F及相位Φ i X 2。 於下一步驟中，該邊帶S+lx2及S_lx2係用電子處 理器1 0 9 3 A經過高通及低通濾波或任何用於分開二信 號之類似技術所分開，該二信號係以頻率分開。選擇該超 外差信號之較低頻邊帶之頻率F使其遠小於該超外差信號 之較高頻邊帶之頻率v，以便使其更易於用高分辨率計算該 相位Φ i X 2，而大幅簡化處理器1 0 9 3 A之分開工作。 電子處理器1 0 9 A另包含使用諸如數位希爾伯特（Hilbe rt)變換相位檢波器（看同前之貝斯特（R.E.Best)論文） 等時基相位檢波裝置之電子處理器1 0 9 4 D及 1 0 9 4 E，以分別決定該相位i X 2及Φ i X 2及該驅動器 5及Θ之相位。 電子處理器1 0 9 A另包含以類比或數位處理、最好 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 59 - ---------*----^裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（57) 爲數位處理一起電子倍增外差信號S :及S 3之電子處理器 1 0 9 5D，以創造一超外差信號Slx3，具有數學式：
Slx3=SlS .3 , (35) 該超外差信號S i x 3係由具有一抑制載波.之二邊帶所組成 及可重寫爲：
Slx3=S+lx3+S 1x3 (36) 在此 ^ S + ix3 = ^-AiA3C 〇 s (2πνί+θΐχ3)， 2 (37) _ 1 S 1x3 = — A1A3C 0 S (2πΡΐ+Φΐχ3)， 2 (38) θιχ3=(φι+φ3)， (39) Φΐχ3=(φι— φ3)， （40) 因此該超外差信號S 1x3係由相等振幅之二邊帶S +1x3及. S一 i X 3所組成，一邊帶具有頻率V及相位a i χ 3，及第二 邊帶具有頻率F及相位Φΐχ3。 於下一步驟中，該邊帶S+lx3及S-lx3係用電子處 理器1 0 9 3 B經過高通及低通濾波或任何用於分開二信 號之類似技術所分開，該二信號係以頻率分開。如於電子 處理器1 0 9 3 A之討論中所注意者，選擇超外差信號 S lx3之較低頻邊帶之頻率F使其遠小於超外差信號 S i X 3之較高.頻邊帶之頻率V，而_大幅簡化處理器 1 0 9 3 B之分開工作。電子處理器1 ο 9A另包含使用 諸如數位希爾伯特變換相位檢波器（看'同前之貝斯特論文 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------.------J S--------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) B7 五、發明說明（58) )等時基相位檢波裝置之電子處理器1 〇 9 4 F及 1 0 9 4 G，以分別決定該相位S i x 3及Φ i x 3及該驅動器 5及6之相位。 隨後以類比或數位處理、最好爲數位處理於電子處理 器1 0 9 6 C中將相位θ i x 2及S ! X 3加在一起且除以2， 及藉著類比或數位處理、最好爲數位處理於電子處理器 1 0 9 6 D中將相位Φ i x 2及Φ i X 3加在一起且除以2，以 分別創造相位S及Φ。公式爲： (^1χ2+^1χ3)_Γ„ , (Φ2+φ3) 2 _ —(①U2 + ①1x3) 睡· 2 Φ φ, + Φι 2(φ2+φ3) 2' (41) (42) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由方程式（4 1 )及（4 2 )發現該θ及Φ對外部平面 鏡系統9 0之鏡子9 1及9 2之傾斜及/或偏轉不靈敏， 除了諸如有關方程式（5 )及（6 )所述經過不同波長光 束平均時延中之差値二級效應所致鏡子9 1與9 2之傾斜 及/或偏轉瞬時改變外，及由於使用差動平面鏡干涉儀之 結果對該干涉儀分光立方體及相聯光學零組件中可發生之 熱及機械干擾不靈敏。 第1 g圖所示電子處理器1 0 9 Α包含電子處理器 1 0 9 4 A以由外差信號s 1決定相位φ 1，並使用具有參 考信號1 0 1等之時基相敏檢波裝置，最好爲一數位處理 。相位φ i、θ及Φ係以數位或類比格式、最好以如信號 1 0 5之數位格式傳送至電腦1 1 0，用於計算（η 1— 1 )及/或L·。 該氣體之反射係數（n i — 1 )或由於該量測路徑中氣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（59) 體而在L中之變化可用其他數量之角度表示，該數量係於 第一實施例之第二種變型中藉著方程式（6) 、（11) 、-(12) 、（13) 、（19)及（20)所獲得，及 使得 1 1 = ρ 1 * 1 2 = ρ 2 ' (43) 第一實施例第二種變型之其餘討論係如同該第一實施例所 給與對應部份之敘述。 該第一實施例之第二種變型之主要優點爲重要電子處 理步驟之施行選擇性，諸如實質上在完全相同之頻率下決 定相位Φΐχ2及Φΐχ3，關於f 1接近f 2時外差信號S 1、 S2及S3之頻率實質上完全相同，且在Si、S2及S 3中 由外部平面鏡系統9 0之鏡子9 2位移所產生之相同之及 至該都卜勒頻移實質上相同’以致實質減少具有顯著不同 頻率之外差信號所經歷群延遲中產生差異之可能性。第一 實施例之第二種變型之群延遲效應討論係與第一實施例所 給與敘述之對應部份相同。 在先前段落中已揭露本發明第一實施例之第二種較佳 變型，藉著以下之討論將使本發明隱藏之優點變得更淸楚 。由方程式（7 )之反射係數計算或方程式（1 4 )之光 學路徑中氣體反射係數效應之計算而明顯看出者，相位3及 Φ所必需決定之準確度係與波數K及χ之値有關。其中該頻 率F可遠小於該頻率ν，及因爲其大致更易於計算具有較低 頻電子信號之高分辨率相位’依靠該超外差邊帶相位Φ之 高準確度量測大致最有利。當該波數Κ及χ具有根據方程式 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） -62- ----.---------^"^--------訂--------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 |__ Β7_ ._ 五、發明說明（60) (1 6 )之關係、方程式（7 )之反射係數計算或方程式 (1 4 )之光學路徑上氣體反射係數效應之計算實質上完 全未涉及該超外差邊帶相位S時，這在本發明之裝置中可輕 易地達成。再者，該超外差邊帶相位Φ之振幅係少於該超 外差邊帶相位θ之振幅，其差値大約.依（η 2 — η 1 )/ ( η 2+ηι)之因數而定，如方程式（1 7)所示。這大幅 改善移動目的物之潛在相位檢波準確度，諸如微石版印刷 設備中所常遭遇者。一對應之分析及摘要亦應用至該第一 實施例及至該第一實施例之第一種變型，其中移動目的物 之相位檢波準確度實質上與該相對精度成比例之改善是該 大約比値1 i / 1 2可表示爲低位非零整數之比，所有其他 因素皆相同。 方程式（1 8 )亦形成該光源1及2毋庸對該第一較 佳實施例之第一種變型鎖相之結論基礎。當以光源1及2 鎖相需求之角度觀看時，方程式（1 8 )事實上爲一弱條 件。考慮用於量測該氣體反射係數（η : - 1 )或用於該量 測相臂之光學路徑長度中由於該氣體而變化之想要精確度 ss 3 X 1 0 - 6範例，在一距離量測干涉儀中對應於約 1 X 1 0 _ 9之相對距離量測精確度，其（n i - 1 ) s 3 X 1 0 一 4及（η 2 — n i ) s1 χ 1 〇 - 5。對於該範例，以光 源頻率v i及V 2分別取代波長λ i及λ 2，方程式（1 8 )所 表達之條件係 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
對於在可見光譜部份之光源波長及低位整數ρ 1及Ρ 2，方 張尺度適用中顏家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（61) 程式（4 4 )轉換成一條件 ν2 "Ίν, « 3 0 千赫 （45) Ρ2 方程式（45)所示結果淸楚地是一在該光源1及2之頻 率條件比一鎖相條件具有顯著更少之限制。 該第一實施例及其第一與第二種變型每一個係架構有 差動平面鏡干涉儀，並使用一經過外部平面鏡系統9 0之 量測路徑9 8之偶數通程光束。於一差動平面鏡干涉儀中 用偶數通程光束，來自該量測相臂之一射出光束之傳播方 向及來自該參考相臂之對應射出光束之傳播方向係與該外 部平面鏡系統9 0中任一·鏡子之傾斜或偏轉無關，特別是 鏡子9 2，雖然該射出光束之一相對該射出光束之其他部 份將有某一橫向震動。對於一距離量測干涉儀，其中具有 鏡子9 2功能之元件或各元件產生同等位移但未產生苘等 傾斜或偏轉，該第一實施例及其變型之差動平面鏡干涉儀 可架構有呈偶數或奇·數之整數ρ2，大致減少2個所需之通 程數目，而保有該第一實施例及其變型之特色。在所需之 通程數目中減少達2之因數可導致該光學系統之大幅簡化 。譬如，第1 a — 1 e圖所示差動平面鏡干涉儀可用？1 = 2及P 2 = 1之差動平面鏡干涉儀取代，在其他方面保有該 第一實施例及其變型之特色，類似於該差動平面鏡干涉儀 ’且在美國臨時專利申請案（委託案號〇 1 8 9/U S ) 、標題爲"量測一氣體之本質光學性質之裝置及方法〃中 關於該第二實施例及其變型更充分地說明及敘述所附信號 處理’該專利係同此專利共同待審及其內容在此倂入參考 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V --- 一6J— — — — — — — — 参丨 .本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ~ ： : ~ ： : 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（62) 〇 第2 a - 2 C圖以槪要形式描述本發明用於測量及監 視一量測路徑中之氣體反射係數及/或該量測路徑之光學 路徑長度由於該氣體而變化之第二較佳實施例，其中該氣 體反射率及量測路徑之物理長度之任一個或兩者可能正在 改變，且所採用光源之穩定性足夠及該採用光源所產生光 束之波長比匹配於一已知之比値，而使得一相對精度足以 滿足藉著最終應用強加於該輸出資料上所需之精確度。第 二實施例及第一實施例間之差異係呈此方式：即其中產生 及隨後處理該第二實施例對應於該第一實施例信號s 2及 s 3之外差信號。 第二實施例之光束8及9光源與光束8及9之敘述係 如同第一實施例所給予光束8及9光源與光束8及9之敘 述。參考第2 a圖’第一部份光束8係藉著最好爲非偏振 型之分光鏡5 4E所反射、由鏡子5 4F、5 4H及 5 4 G所反射、及通過調制器4變成光束1 〇。用驅動器 6激發調制器4，調制器4及驅動器.6如同第一實施例之 調制器4及驅動器6。第二部份光束8係藉著分光鏡 5 4 E所傳送及通過調制器1 〇 〇 4變成光束1 〇 1 〇。 用驅動器1 0 0 6激發調制器1 〇 〇 4，調制器1 〇 0 4 及驅動器1 0 0 6分別類似於第二實施例之調制器4及驅 動器6。光束1 0之X偏振分量關於光束1 〇之y偏振分 量具有一移動量ί 2之振盪頻率。光束1 〇 1 〇之X偏振分 量關於光束1 0 10之y偏振分量具有一移動量f 3之振盪 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） 65 --------------------訂---------錄學 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 史柳浐判 A7 B7 五、發明說明（ 63) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 頻率。由驅動器1 0 0 6決定該振盪頻率f 3。頻率f 1， f2及f3皆彼此不同。此外，光束9，10及1010之 X分量之正頻移方向選擇成相同，而未偏離本發明之範圍 及精神。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如第2 a圖所示，光束9入射在差動平面鏡干涉儀 6 9上。光束1 0係用鏡子5 4D反射變成光束1 2及光 束1 0 1 0係藉著鏡子5 4 C反射變成光束2 1 2。光束 12及212入射在包含二差動平面鏡干涉儀之差動平面 鏡干涉儀群組1 7 0上。在第2 b圖中藉著虛線指示該光 束1 2之第一頻率分量爲唯一先驅光束之光束，及在第 2. b圖中藉著點線指示該光束1 2之第二頻率分量爲唯一 先驅光束之光束。在第2 b圖中藉著包含交替之點及線之 虛線指示該光束212之第一頻率分量爲唯一先驅光束之 光束’及在第2 b圖中藉著包含交替之雙點及線之虛線指 示該光束212之第二頻率分量爲唯一先驅光束之光束。 具有分光鏡6 5及由外部平面鏡系統9 0所供給外部反射 鏡之差動平面鏡干涉儀6 9及差動平面鏡干涉儀群組 1 7 0包含用於在光束9之X及y分量間導入一相移φ 1、 在光束1 0之X及y分量間導入一相移φ4、及在光束 10 1 0之X及y分量間導入一相移φ5之干涉機制。 差動平面鏡干涉儀6 9係如同第一較佳實施例之差動 平面鏡干涉儀6 9。差動平面鏡干涉儀群組1 7 0中之光 束路徑係如同該第一較佳實施例差動平面鏡干涉儀群組 70中之光束經過路徑及包含光束28，228，129 -66- 本紙張尺度埤用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（64) 及3 2 8之產生’如第2 b圖所示。於第二實施例中，光 束28，228，128及328係光學地組合產生光束 3 2。光束3 2係一由探測器1 8 6所偵測之混合光束， 光束3 2包含具有相同偏振但不同頻率之二分量。 藉著以下步驟由光束28，228，128及328 產生光束3 2。藉著鏡子6 Ο B反射光束2 8，一部份光 束2 8隨後藉著最好爲5 0/5 0非偏振分光鏡之鏡子 6 0A反射’以形成光束3 0A之一部份。部份光束 2 2 8係藉著分光鏡6 0 A所傳送以形成光束3 0 A之第 二部份，光束3 0A之第一及第二部份具有相同之偏振及 相同之頻率。只要光束2 8及2 2 8之振幅相同、只要分 光鏡6 0_ A爲一 5 0/5 0分光鏡、及只要光束2 8及 2 2 8之光學路徑長度相同，實質上所有光束2 8及 2 2 8將基於建設性干涉而呈現於光束3 0人中。 光束1 2 8係藉著鏡子6 0 D所反射，一部份光束 1 2 8隨後藉著最好爲5 0/5 0非偏振分光鏡之鏡子 6 0 C反射，以形成光束1 3 0 A之一部份。部份光束 3 2 8係藉著分光鏡6 0 C所傳送以形成光束1 3 0A之 第二部份，光束1 3 0 A之第一及第二部份具有相同之偏 振及相同之頻率。只要光束1 2 8及3 2 8之振幅相同、 只要分光鏡6 0 C爲一 5 0/5 0分光鏡、及只要光束 1 2 8及3 2 8之光學路徑長度相同，實質上所有光束 1 2 8及3 2 8將基於建設性干涉而呈現於光束1 3 0A 中。在波長λ 2之光束3 0 A及1 3 0 A·分別包括有關經過 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) n |>1 I 1· 一6J· i_i n 1 ϋ 1 ·
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -67- A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（65) 該含有量測路徑9 8之量測相臂光學路徑長度及有關經過 參考相臂之光學路徑長度之資訊。 於下一步驟中’藉著鏡子6 2 B反射光束3 0A，及 然後部份光束3 Ο A藉著最好爲非偏振分光鏡之分光鏡 6 2A反射變成光束3 2之第一分量。部份光束1 3 0A 係藉著分光鏡6、2 A傳送變成光束3 2之第二分量。光束 3 2係一混合光束’光束3 2之第一及第二分量具有相同 之偏振但不同之頻率。 相移之振幅係與第1 d及1 e圖所示量測路徑9 8及 參考路徑之第i路徑之來回物理長度間之差値L i有關，而 根據.該公式 i=p】 i=pi Φ 1 ( t ) = X9M(ti)= '
i=l i-I i=p2 i=P2 φ 4 ( t ) = £φ4ι.(ί;)= - (46) i=l i^Pi i=Pi φ 5 ( t ) = 2>5办)=工Ι^)1ί2η2ί+ς5 ’ i=p2+l i*p2+l 對於P i = 2 p 2之情況，在此n ; i係對應於波數k j =( 2π) / λ;之量測路徑9 8之路徑i中氣體之反射率。Li 之額定値對應於外部平面鏡系統9 0中鏡子表面9 5及 9 .6之空間間隔之兩倍（參考第1 d及1 e圖）。該相位 彌補ζ i包含所有對該相移φ !之貢獻，並與該量測路徑9 8 或參考路徑無關。對於熟練該技藝之人士，當p ρ 2 時之情況之綜合結論是一簡單之過程。於第2 a — 2 b圖 中，分別架構差動平面鏡干涉儀9、差動平面鏡干涉儀 群組7 0、分光鏡6 5、及外部平面鏡系統9 0，以致P 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -68- -----------------------訂-------！惠¥ (請先閱讀背面之>i意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明說明（66) =4及P 2=2，俾能以最簡單之方式說明本發明第二較佳 裝置實施例之功能。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於下一步驟中，如第2 a圖所示，光束4 5及3 2分 別撞擊在光電探測器8 5及1 8 6上，最好藉著光電探測 分別導致電干涉信號、外差信號S 1及S 4 + 5= S 4 + S 5 。有由撞擊在光電探測器1 8 6上之光束3 2所造成異於 S 4及s 5之外差信號。然而，這些其他之外差信號在隨後 之信號處理中未偵測及如此不包含於第二實施例之敘述中 ，而未偏離本發明之範圍及精神。該信號Si對應於波長λ i及信號S 4 + 5對應於該波長λ 2。該信號8λ具有該形式 sx = Axcos[ax(t)] * λ=1，4及 5， (47) 在此由下面給予該時變自變數ax(t) a 1 ( t ) = 2 π f 1 t + φ 1 5 α4(ί)=2πί2ί+φ4' (48) a 5 (t) = 2πί3Ϊ+φ5, 外差信號s i及S 4 + 5分別如電子信號1 〇 3及1 1 Ο 4傳 送至電子處理器2 0 9供以數位或類比格式分析，最好以 數位格式分析。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 電子處理該外差信號S 1，S 4及S 5之一較佳方法係 據此呈現於當1 i及/或1 2是非低位整數之情況。對於當 1 !及1 2皆爲低位整數及波長比匹配該比（1 i / 1 2 )時 ，使得相對精度足以滿足最終應用強加於該輸出資料所^ 之精確度之情況，電子處理該外差信號S 1，S 4及s 5之 較佳程序係如同本發明第二實施例之第二變型所隨後制定 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 69 W、叫,·,呀广巧”交办外哎押μι 卞了·^丨 一~ 一 . iw ._.-·Ά了二作二；》；^·'--. ..w -- A7 _______B7_____ 五、發明說明（67) 之程序。 參考第2 c圖，電子處理器2 0 9係最好包含字母編 號元件，其中該字母數字之數字成分指示一元件之功能， 而與第1 f圖描述第一實施例之電子處理元件所述具有相 同之數字成分/功能關聯。根據各元件之字母數字之數字 成分，藉著電子處理器209處理外差信號Si，S4及 s 5之步驟敘述係如同藉著電子處理器1 0 9處理第一實施 例之外差信號S i，s 2及s 3之步驟所給予敘述之對應部 份。. 藉著電子處理器2 0 9處理該外差信號s i，s 4及 S5造成三相位φι，φ4及φ5。形式上相位φι，φ4及φ5 之性質分別與第一實施例之電子處理器1 0 9所造成之φ i ，φ2及φ3性質相同。φ4及95藉著電子處理器2 0 9之隨 後處理造成二相位θ及Φ，其中相位θ及Φ之性質係形式上 分別如同第一實施例之電子處理器1 0 9所造成S及Φ之性 質。 於第二實施例中，可選擇該三驅動器5，6及1 0 0 6之頻率，以致該 fi = ( f 2 + f 3 ) y 2 (49) 第二實施例之本特色會同該第二實施例之另一特色，即藉 著單一探測器偵測造成外差信號S 4及s 5之光束，可實質 上消除源自f 2並呈現於該第一實施例中之群延遲差 異之第一級效應。該第二實施例之其餘敘述係如同該第一 實施例所給予敘述之對應部份。 ‘ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衮 -δ · .參 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -70- A7 B7 五、發明說明（68) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 揭露該第二較佳實施例之第一種變型，其中該第二實 施例之第一種變型裝置之敘述係如同該第二實施例裝置所 給予之敘述，除了關於第2 a圖所示第二實施例之光束 4 5及3 2偵測及使|f2-匀外。於該第二實施例之第 一種變型中，第一部份光束4 5係藉著探測器8 5偵測， 造成與s i成比例之信號a s i，在此a是一常數，且光束 3 2及第二部份光束4 5係藉著單一探測器所偵測（在圖 面.中未示出），造成信號Sbl + 4 + 5= b S 1+ S 4 + S 5 ，在此b係一常數。關於已省略外差分量之sbl + 4 + 5之 敘述係如同第二實施例關於已省略外差項之S 4 + 5所給予 敘述之對應部份。外差信號a s i及S b i + 4 + 5係以數位或 類比格式、最好爲數位格式當作電子信號1 〇 3及 2 1 0 4傳送至電子處理器2 0 9 A，而如第2 d圖以示 意形式所示供分析。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 現在參考第2 d圖，電子處理器2 0 9 A係最好包含 字母編號元件，其中該字母數字之數字成分指示一元件之 功能，而與第1 f圖描述第一實施例之電子處理元件所述 具有相同之數字成分/功能關聯。根據各元件之字母數字 之數字成分，藉著電子處理器2 0 9 A處理包含 5 » i + 4 + 5之外差信號b S !，S 4及s 5之步驟敘述係如 同藉著電子處理器2 0 9處理第二實施例之外差信號s 1 ’ s 4及5 5之步驟敘述對應部份。根據各元件之字母數字之 數字成分，藉著電子處理器2 0 9 A處理外差信號a s :之 步驟敘述係如同藉著電子處理器2 0 9處理第二實施例之 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -71 - 響 響 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（69) 外差信號s i之步驟敘述對應部份。 藉著電子處理器2 0 9 A所造成相位φ i，a及Φ形式 上分別與第二實施例之電子處理器2 0 9所造成φ 1，θ及 Φ之性質相同。 可爲一顯著特色之第二實施例第一種變型之特色係藉 著單一探測器偵測造成外差信號b S i，S 4及s 5之光束 。對熟練該技藝之人士將明顯的是第二實施例第一種變型 之單一探測器特色在減少或消除該第二實施例中某些可能 之群延遲差値效應可能是重要的。該第二實施例第一種變 型之其餘敘述係如同該第二實施例所給予敘述之對應部份 〇 現在參考第2a ，2b及2 e圖，其以槪要形式一起 描述本發明用於測量及監視一量測路徑中之氣體反射係數 及/或該量測路徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之第 二較佳實施例之第二種變型，其中該氣體反射率及量測路 徑之物理長度之任一個或兩者可能正在改變，及所採用光 源之穩定性足夠，且該採用光源所產生光束之波長係與一 相對精度呈諧波相關，而足以滿足藉著最終應用強加於該 輸出資料上所需之精確度。大約諧波相關波長之條件對應 於第二賓施例之特定情形，其中該比値（1 1 2 )可表 示成低位非零整數之比値（p i / p 2 )，而與方程式（ 2 6 )所示相同，並對應於大約諧波相關之波長λ:&λ2。 第二實施例第二種變型之光束8及9之光源及光束9 ，10與1010之敘述如同該第二實施例所給予光束8 本紙張尺度.適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -!!! ^ ϋιιιιι^·ΙΙΙΙΙ! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消合作社印製 A7 B7 五、發明說明（70) 及9之光源及光束9，1 0與1 0 1 〇之敘述，除了一額 外要求外’該額外要求是該波長係與一相對精度呈諧波相 關’而足以滿足藉著最終應用強加於該輸出資料上所需之 精確度。第2 a及2 b圖所述第二實施例第二種變型裝置 之敘述係如同敘述第二實施例所給予p 1 = 4及p 2 = 2情 況敘述之對應部份。 現在參考第2 e圖，電子處理器2 0 9 B最好包含字 母編號元件’其中該字母數字之數字成分指示—元件之功 能’而與第1 f圖描述第一實施例及第2 c圖描述第二實 施例之電子處理元件所述具有相同之數字成分/功能關聯 。根據各元件之字母數字之數字成分，藉著電子處理器 2 0 9 B處理用於相位θ及φ而包含S4 + 5之外差信號S4 及s 5之步驟敘述係如同藉著電子處理器1〇 9 a處理第一 實施例第二種變型之外差信號s :，·8 2及s 3之步驟敘述 對應部份。根據各元件之字母數字之數字成分，藉著電子 處理器2 0 9 Α處理用於相位φ 1之外差信號s :之步驟敘 述係如同藉著電子處理器1 〇 9 A處理用於相位φ :之第一 實施例第二種變型外差信號s i之步驟敘述對應部份。 關於第二實施例之第二實施例第二種變型之主要優點 係大致與該第一實施例之第二種變型關於該第一實施例之 主要優點相同，除了該第二實施例相對該第一實施例有關 使用單一探測器以偵測s 4及s 5之優點外。該第二實施例 第二種變型之其餘敘述如同第二實施例所給予敘述之對應 部份。 . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 2耵公釐） -73- -------------，裝--------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（71) 現在參考第2 a，2 b及2 ί圖，其以槪要形式一起 描述本發明用於測量及監視一量測路徑中之氣體反射係數 及/或該量測路徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之第 二較佳實施例之第三種變型，其中該氣體反射率及量測路 徑之物理長度之任一個或兩者可能正在改變，及所採用光 源之穩定性足夠，且該採用光源所產生光束之波長係與一 相對精度呈諧波相關，而足以滿足藉著最終應用強加於該 輸出資料上所需之精確度。大約諧波相關波長之條件對應 於第二實施例之特定情形，其中該比値（1 : / 1 2 )可表 示成低位非零整數之比値（p i / p 2 )，而與方程式（ 2 6 )所示相同，並對應於大約諧波相關之波長λ i及λ 2。 第二實施例第三種變型之光束8及9之光源及光束9 ，1 0與1 0 1 0之敘述如同該第二實施例第二種變型所 給予光束8及9之光源及光束9，1 0與1 〇 1 〇之敘述 。該第二實施例第三種變型裝置敘述異於光束8及9光源 之敘述者係如同該第二實施例第一種變型之對應裝置所給 予之敘述。第二實施例第三種變型之探測器所造成之外差 信號a s i及S b : + 4 + 5係以數位或類比格式、最好爲數位 格式當作電子信號1 〇 3及2 1 0 4分別傳送至電子處理 器2 0 9 C，而如第2 f圖以示意形式所示供分析。 現在參考第2 f圖，電子處理器2 0 9 C最好包含字 母編號元件，其中該字母數字之數字成分指示一元件之功 能，而與第1 f圖描述第一實施例及第2 c圖描述第二實 施例之電子處理元件所述具有相同之數字成分/功能關聯 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） -74- (諝先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
五、發明說明（72 ) 。根據各元件之字母數字之數字成分，藉著電子處理器 2 0 9 C處理用於相位S及Φ而包含sbl + 4+ '5之外差信號 b Sl，S4&s5之步驟敘述係如同藉著電子處理器 2 0 9處理第二實施例之外差信號s'，s 4及s 5及藉著 電子處理器2 0 9 B處理第二實施例第二種變型之外差信 號S i，S 4及s 5之步驟敘述對應部份。根據各元件之字 母數字之數字成分，藉著電子處理器2 0 9 C處理用於相 位φ :之外差信號a s :之步驟敘述係如同藉著電子處理器 2 0 9處理第二實施例之外差信號s'之步驟敘述對應部份 關於第二實施例之第二實施例第三種變型之主要優點 係大致與該第一實施例之第二種變型關於該第一實施例之 主要優點相同，除了該第二實施例之第一種變型相對該第 一實施例有關使用單一探測器以偵測b s i，s 4及s 5之 優點外。該第二實施例第三種變型之其餘敘述如同第二實 施例及第二實施例之第二種變型所給予敘述之對應部份。 現在參考第3 a - 3 g圖，其以槪要形式描述本發明 用於測量及監視一量測路徑中氣體反射係數及/或該量測 路徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之第三較佳實施例 ，其中該氣體反射率及量測路徑之物理長度之任一個或兩 者可能正在改變。第三實施例及第一實施例與其變型間之 主要差異在於差動平面鏡干涉儀之設計及利用。第三實施 例光束9及10之光源與光束9及10之敘述如同本發明 第一較佳實施例所給予光束9及1 0之光源與光束9及： 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) *6J.
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .•-:;:· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .’专〒抑為，，啪'，輝V; 乂 — A7 ____B7______ 五、發明說明（73 ) 1 ◦之敘述。 如第3 a圖所示，光束1 〇係藉著鏡子5 4反射變成 光束1 2。光束9入射在差動平面鏡干涉儀3 6 9及光束 1 2入射在差動平面鏡干涉儀2 7 0上。在第3 b及3 c 圖中藉著虛線指示該光束9之第一頻率分量爲唯一先驅光 束之光束，及在第3 b及3 c圖中藉著點線指示該光束9 之第二頻率分量爲唯一先驅光束之光束。差動平面鏡干涉 儀369及270、分光鏡65、及由外部平面鏡系統 9 0所供給之外部反射鏡包含用於在光束9之X及y分量 間導入一相移φ 6、及在光束1 2之X及y分量間導入一相 移φ 7之干涉機制。 差動平面鏡干涉儀3 6 9具有八組射出/送回光束， 如第3b圖所示四組射出/送回光束417，4 25， 5 1 7及5 2 5，及如第3 c圖所示四組射出/送回光束 433，441，533及541。源自光束9之一頻率 分量之光束417，425，433及441包含一參考 相臂，及源自光束9之第二頻率分量之光束5 1 7， 525，533及541包含一量測相臂。光束417， 425，433，441，517，525，533 及 5 4 1入射在分光鏡6 5上及藉著最好爲二色塗層之塗層 66分別傳送成光束E417，E425，E433， E441，E517，E525，E533；5:E541。 光束已417，£425，丑433，瓦441， E517，E525，E533及E541入射在外部平 國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面乏it意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（74) 面鏡系統9 0上，如第3 e及3 f圖所示，導致光束 44 3及543 (第3圖）。在波長λ:之光束5 43及 4 4 3分別包括有關經過該量測路徑9 8中氣體光學路徑 長度以決定該氣體之反射係數效應及有關經過參考相臂之 光學路徑長度之資訊。 差動平面鏡干涉儀270具有四組射出/送回光束 1 8，2 6 ，_ 1 1 8及1 2 6，如第3 a圖所示。源自光 束1 2之一頻率分量之光束1 8及2 6包含一參考相臂及 源自光束1 2之第二頻率分量之光束1 1 8及1 2 6包含 —量測相臂。光束1 8，2 6，1 1 8及1 2 6入射在分 光鏡65及由二色塗層66分別反射成光束E18， E26，E118 及 E126。光束 E18，E26 ’ E 1 1 8及E 1 2 6係如第3 ί屬所示藉著外部平面鏡系 統9 0往回反射在其自身上、藉著分光鏡6 5之塗層6 6 反射、及入射在差動平面鏡干涉儀2 7 0上，導致造成光 束28及128(第3d圖）。在波長λ2之光束128及 2 8分別包括有關經過該量測路徑9 8中氣體光學路徑長 度以決定該氣體之反射係數效應及有關經過參考相臂之光 學路徑長度之資訊。 · 相移φ 6及φ 7之振幅係與第3 a — 3 f圖所示量測路徑 9 8及參考路徑之第i路徑之來回物理長度間之差値L 1有 關，而根據該公式 i=Pi i=Pi - 「 φ 6 ( t ) = ^φ6. - £^ιηιί+ζ6 » i=l i=l Φ 7 ( t ) = 5φ7>ί = |]^2η2ί+ζ7 » (50) i:l i=i 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） --------------^菜-------—訂---- - --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _；_ B7 __ 五、發明說明（75) 第3 b — 3 f圖說明ρι=4及ρ.2=2，以便用最簡單之 方式說明本發明第二較佳實施例中之功能。 如第3 c圖所示，光束4 4 3係藉著二分之一波長相 位延滯板1 7 9 C及法拉第旋轉器1 7 9A傳送’由分光 鏡6 1 A所反射，部份藉著分光鏡6 1 B傳送，及然後藉 著鏡子6 3反射變成相移光束4 4 5之第一分量。二分之 一波長相位延滯板1 7 9 C及法拉第旋轉器1 7 9 A每一 個旋轉光束4 4 3之偏振達4 5度，以致該相移光束 4 4 5之第一分量之偏振正交於光束4 4 3之偏振。分光 鏡6 1 A最好係一偏振分光鏡及分光鏡6_1 B最好係一非 偏振分光鏡。光束5 4 3係藉著二分之一波長相位延滯板 1 79D及法拉第旋轉器1 7 9B傳送、由分光鏡6 1 C 所反射、由鏡子6 1 D所反射、部份藉著分光鏡6 1 B傳 送’及然後藉著鏡子6 3反射變成相移光束4 .4 5之第二 分量。二分之一·波長相位延滯板1 7 9 D及法拉第旋轉器 1 7 9 B每一個旋轉光束4 4 3之偏振達4 5度，以致該 相移光束4 4 5之第二分量之偏振正交於光束5 4 3之偏 振。分光鏡6 1 C最好係一偏振分光鏡。相移光束4 4 5 係一混合光束’相移光束4 4 5之第一及第二分量具有相 同之偏振但不同之頻率。 藉著鏡子5 8 B反射光束2 8，及然後部份光束2 8 藉著最好爲非偏振分光鏡之分光鏡5 8 A反射變成相移光 束3 0之第一分量。部份光束1 2 8係藉著分光鏡5 8 A 傳送變成相移光束3 0之第二分量。相移光束3 〇係—混 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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A7 B7 五、發明說明（76 ) 合光束’相移光束30之第一及第二分量具有相同之偏振 但不同之頻率。| 於下一步驟中’如第3 a圖所示，相移光束4 4 5及 3 0分別撞擊在光電探測器4 8 5及4 8 6上，最好藉著 光電探測分別導致二電干涉信號、外差信號s 6及s 7。該 信號S 6對應於波長及信號S 7對應於波長λ2。該信號 具有用λ=6及7之方程式（3 )表達之形式。由下面給予 該時變自變數αλ(ί) ae ( t ) = 2πΓι t + φ6， = 2 nizt+ψτ， (51) 外差信號S 6及S 7係以數位或類比格式、最好以數位格式 當作電子信號4 0 3及4 0 4分別傳送至電子處理器3 0 9供分析。 參考第3g圖，電子處理器309包含電子處理器 1 0 9 4 V及1 〇 9 4 W以分別決定來自信號s 6及s 7之 相位φ 6及φ 7，並以與第一實施例分別決定來自信號s i， S2&S3之相位φι，φ2及93所述相同之方式。其次，相 位（Ρ6及（Ρ7係分別於電子處理器1 〇 9 5Η及1 0 9 5 I中 最好藉著數位處理分別乘以（1 l/pl)及（1 2_/ρ2) ’分別導致相位（1 ι/pi) φ 6及（1 2/ρ2) φ 7。其 次該相位（1 i/pi) φ6及（1 2/ρ2) (Ρ7最好藉著數 位處理分別於電子處理器1 0 9 6 I中加在一起及於電子 處理器1 0 9 7 D中彼此相減，以造成相位θ及Φ。. 第三實施例之相位θ及Φ形式上如同該第一實施例之對 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 裝--------訂---------. 經濟部智慧財產局員工消.費合作社印製 79 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _B7_五、發明說明（77) 應相位θ及φ。隨後於該第三實施例之量測路徑中氣體色散 及/或該量測路徑中氣體效應之測定係如同第一實施例中 對應測定所敘述者，使得φ 6對應於φ 1。 差動平面鏡干涉儀369之操作如同差動平面鏡干涉 儀6 9所述之操作，除了用於分開輸入光束9之二頻率分 量之機制及用於造成該混合式輸出光束4 4 5之機制外。 參考第3 b圖，藉著最好爲偏振分光鏡之分光鏡5 5Α反 射部份光束9、由鏡子5 5 B所反射、藉著二分之一波長 相位延滯板7 9傳送、藉著最好爲偏振分光鏡之分光鏡 6 1 C傳送、由法拉第旋轉器1 7 9 B傳送、及隨後藉著 二分之一波長相位延滯板1 7 9 D傳送至變成光束5 1 3 。該法拉第旋轉器1 7 9 B及該二分之一相位延滯板 1 7 9 D分別旋轉所傳送光束之偏振平面達±4 5度及 μ4 5度，導致所傳送光束之偏振平面無淨旋轉。藉著分光 鏡5 5 Α傳送部份光束9、由最好爲偏振分光鏡之分光鏡 61A傳送、由法拉第旋轉器179A傳送、及隨後藉著 二分之一波長相位延滯板1 7 9 C傳送至變成光束4 1 3 。該法拉第旋轉器1 7 9 A及該二分之一相位延滯板 1 7 9 C分別旋轉所傳送光束之偏振平面達± 4 5度及 μ4 5度，導致所傳送光束之偏振平面無淨旋轉。二分之一 波長相位延滯板7 9旋轉所傳送光束之偏振平面達9 〇度 ，以致光束413及513具有相同之偏振但具有不同之 頻率。第3 c圖所示該法拉第旋轉器1 7 9Α及1 7 9 Β 及該二分之一波長相位延滞板1 7 9 C及1 7 9 D之目的 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝 1111111 -參· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -80- A7 B7 五、發明說明（78) 係在光束4 1 3及51 3之性質上無實質效應，但可如先 前所述旋轉光束4 4 3及5 4 3之偏振達9 0度，以便達 成光束'4 4 3及5 43由光束9路徑之有效空間隔離。 第三實施例之其餘敘述如同本發明第一實施例對應部 份所給予之敘述。 再次參考第3 a — 3 f圖，而用電子處理器3 0 9 A (圖面中未描述電子處理器3 0 9 A)取代電子處理器 3 0 9。這些圖面隨同所提及之變更以槪要形式描述本發 明用於測量及監視一量測路徑中之氣體反射係數及/或該 量測路徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之第三較佳實 施例之第一種變型，其中該氣體反射率及量測路徑之物理 長度之任一個或兩者可能正在改變，及所採用光源之穩定 性足夠，且該採用光源所產生光束之波長係與一相對精度 呈諧波相關，而足以滿足藉著最終應用強加於該輸出資料 上所需之精確度。大約諧波相關波長之條件對應於第二實 施例之特定情形，其中該比値（1 1 / 1 2 )可表示成低位 非零整數之比値（P ! / P 2 )，而與方程式〔（2 6 )〕 所示相同，並對應於大約諧波相關之波長λ :及λ 2。 第三實施例第一種變型之光束8及9之光源及光束9 ，：I 0與1 0 1 0之敘述如同該第三實施例所給予光束8 及9之光源及光束9，10與1010之敘述，除了一額 外要求外，該額外要求是該波長係與一相對精度呈諧波相 關，而足以滿足藉著最終應用強加於該輸出資料上所需之 精確度。第3 a - 3 f圖所述第三實施例第一種變型裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 81 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _ B7 ______五、發明說明（79) 之敘述係如同第三實施例所給予敘述之對應命份，除了關 於電子處理器309A外。 電子處理機制3 Ο 9A (圖面中未示出）最好包含用 於一起電子倍增該二外差信號S 6及S 7之機制（諸如第 1 g圖中用於一起倍增信號S :及8 2以造成超外差信號 Slx2之電子處理器1 0 9 5 C)，以造成一超外差信號 S 6 X 7，並具有該數學式 S 6 x7=8687* ( 5 2 ) 該超外差信號S 6x7可重寫爲： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
S 6x7
S + 6 X 7 + S (53) 在此 S +
6 X 7 = 6 A 7 C 〇 S πν t + θ ) ， (54 S-6x7 = -AeA7c 〇 s ( 2πρ t + Φ) . (5 5 ) 及 V = ( f 1 + f 2 ) S = ( φ e + φ 7 )
F Φ (f f (φ 6 — φ 7 ) :56) (5 7 ) (58) (59) 因此該超外差信號S 6x7係由相等振幅之二邊帶 S+6x7及S—6X7所組成，一邊帶具有頻率V及相位θ，及 第二邊帶具有頻率F及相位Φ。 第三實施例第一種變型之其_餘敘述如同本發明第一及 第三實施例之對應步驟所給予之敘述。 對熟練該技藝之人士將明顯的是該第三實施例有對應 表纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 82- V--------訂--------- A7
A7 λ, 1, λ2 12 “J ___B7__ 五、發明說明（80) 於第一實施例每一種變型之變型。該第三實施例這些變型 之敘述如同第一實施例對應變型所給予敘述之對應部份。 當前三個較佳實施例及其變型於方程式（1 8 )中設 定爲第四項之條件未令人滿意時，亦即 (η2-η,)ε » (60) ，第4 a — 4 d圖所示本發明第二組較佳實施例之第四較 佳實施例及其變型係皆爲測量氣體反射係數及/或量測路 徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之實施例。在方程式 (6 0 )中設定爲第四項之條件下，對於三個較佳實施例 及其變型之第二組，除了業已敘述之數量外，最好該比（ K / χ )之大約比値必須已知或按照方程式（7 )及（1 4 )量測，以便在氣體反射係數及/或量測路徑之光學路徑 長度由於該氣體而變化之測定中達成所需之準確度。 三較佳實施例及其變型之第一組之每一個能由一用於 量測氣體反射係數及/或該量測路徑之光學路徑長度由於 該氣體而變化之裝置及方法轉換至一用於量測χ及/或（Κ /χ )之裝置及方法。如以下敘述所示範，該轉換係藉著改 變三較佳實施例及其變型之第一組所給予實施例之外部平 面鏡系統而完成，以致用一預定媒介、最好是真空取代經 過量測路徑9 8中氣體之量測路徑，及該量測相臂具有一 固定之物理長度。據此，三實施例及其變型之第二組之每 —個包含來自三實施例及其變型之第一組之一之未修改及 已修改之裝置及方法，該已修改之裝置及方法係包含具有 一已修改外部平面鏡系統之未修改裝置及方法。 — — IIIIIIIII. I I I (請先閲讀背面之注音？事項#-蛛寫本頁) 訂-------------
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） _的_ A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -84- ___B7___ 五、發明說明（81) 現在參考第4 a — 4 d圖其以槪要形式描述本發明 之第四較佳實施例。第四實施例之光束9及9 b之光源敘 述如同該第一較佳實施例光束9之敘述，及第四實施例之 光束1 0及1 Ob之光源敘述如同該第一實施例之光束 1 0之敘述，除了用方程式（6 0 )中設定爲第四項之條 件取代方程式（8 )所示在波長λ i及λ 2之條件外。第四實 施例之光束9及9 b係藉著最好爲非偏振型之分光鏡 153A及鏡子1 53B源自一共用光束，及第四實施例 之光束1 0及1 0 b係藉著最好爲非偏振型之分光鏡 15 4A及鏡子1 5 4B源自一共用光束（參考第4 a圖 )。 因爲在第四實施例中需要量測χ及/或（κ/χ) ，該 第四實施例局部包含與第一實施例相同之裝置及方法與額 外用於決定χ及/或（κ/χ )之機制。用於決定χ及/或 (Κ/χ)之額外機制如同第一實施例之裝置及方法，除了 該外部平面鏡系統外。因此，當參考用於測定χ及/或（Κ / χ )之裝置時，第4 a — 4 d圖所示用於測定χ及/或（ Κ/χ)之裝置之許多元件施行與該第一實施例裝置類似之 操作，除了該字尾"b"外。 第四實施例之外部平面鏡系統9 0 b係顯示在第4 b 及4 c圖中。外部平面鏡系統9 0 b之敘述如同該外部平 面鏡系統9 0，除了關於該量測路徑9 8中之氣體及量測 路徑9 8之來回物理長度。第四實施例之外部平面鏡系統 9 0 b中之量測相臂包含如第4 b及4 c圖所示之量測路 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I n n n n n ·1 «. n I ϋ aame^OJ I · \, 一 (請先閱讀背面之注意事項耳巍寫本頁)
A7 ___B7________ 五、發明說明（82) 徑9 8 b，量測路徑9 8 b最好係一由鏡子91 9 2 b與固定長度（L/2 )圓柱體9 9 b所界定之真空 容積。參考第4b及4c圖，塗上.表面9 5 b以便高效率 地反射光束 E17b ，E25b ，E33b ，E41b ， E188b，E26b，E218b 及 E226b ’ 及高 效率地傳送光束E117b，E125b，El33b’ E141b，E118b，E126b，E3l8b 及 E326b。塗上表面96b以高效率地反射光束 E117b，E125b，E133b，El4lb， E118b，E126b，E3 18b 及 E326b。 該外部平面鏡系統9 0 b及9 0中之差異導致相位 φ lb，φ 2b及φ 3b之方程式係與量測路徑9 8 b及參考路 徑之第i路徑之來回物理長度L i有關.，其中相移φ i b， φ 2 及φ 3 b之振幅分別對照於相移φ i，φ 2及φ 3，如第 4b及4 C圖所示而根據該公式 i=Pi φ 1 b = ， i=l i=P2 一 φ 2 b = jLik2+C2b ’ (61) i=l i=p[ 經濟部智慧財—局員工消費合作社印製 φ 3 b = Σ^2+ζ31, > i:p2+l 分別爲第一實施例外差信號Sl，S2及S3對照部份之偵 測外差信號S i b，S 2 b及S 3 b係以類比或數位格式、最 好以數位格式分別如電子處理器10 3b，l〇4b及 304b傳送至電子處理器l〇9b。現在參,考至第4圖 ，電子處理器1 〇 9 b最好包含字母編號元件，其中該字 • 85- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (62)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（83) 母數字之數字成分指示一元件之功能，而與第1 f.圖描述 第—實施例之電子處理元件所述具有相同之數字成分/功 能關聯。根據各元件之字母數字之數字成分，藉著電子處 理器1 0 9 b處理外差信號s lb，s 2b及s 3 b之步驟敘 述係如同藉著電子處理器1 0 9處理第一實施例之外差信 號s 1，s 4及s 5及藉著電子處理器2 0 9 B處理第二實 施例第二種變型之外差信號Sl，S2及S3之步驟敘述對 應部份。根據各元件之字母數字之數字成分，藉著電子處 理器2 〇 9 C處理用於相位φ :之外差信號a s :之步驟敘 述係如同.藉著電子處理器2 0 9處理第二實施例之外差信 號s :之步驟所給予敘述之對應部份。 藉著電子處理器109b處理該外差信號3115，s2b 及S 3h造成該三相位φ lb，φ 2b及φ 3. b。藉著電子處理器 1 0 9 b之隨後處理cplb，cp2b及(p3b造成二相位^及 Φ b 。 (Κ/χ)之比可用下列公式表達 k = K-zJ X (^b-^b) 在此Zb&《b對應於Z及ξ。因此實質上用Φι除以Sb而獲 得（κ /χ )，而不須如（K /χ )所需相同精確度地準確 量測L。Φ b之相位冗餘可決定爲用於除去第一較佳實施例 之未修改裝置及方法中Φ相位冗餘之部份相同程序，而倂 入爲第三較佳實施例之一部份。 隨後分別使用方程式（7 )及/或（1 4 )獲得該氣 體之反射係數及/或一量測路徑光學路徑長度中由於該氣 (請先閱讀背面之注意事項+填'寫本頁) 裝 ·111111. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 86 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（84) 體之變化。基於方程式（7)及（1 4)中θ之不可忽略效 應，除了解決θ b之相位冗餘外亦必須解決a之相位冗餘。 第四實施例敘述之其餘部份如同該第一實施例之對應部份 ，除了關於解決該相位冗餘θ及S b之程序敘述外。 對於可干涉量測該量測路徑中變化之應用，譬如基於 距離量測干涉儀用於量測該量測路徑中變化之應用特色， 當在控制下之方式藉著轉換器6 7由一零位遍及所給予之 長度掃瞄該外部平面鏡系統9 0之可動鏡子9 2時，可藉 著記錄S中之變化解決θ中之相位冗餘，該零位係該量測相 臂及參考相臂之物理長度實質上相同之位置。測定零位所 需之準確度典型少於其他參數所需之準確度，如以下範例 所不：對於λι=〇 · 633 微米，（η.ι— 1)ξ3χ 1〇"4' (η2-ηι)Ξΐχ1〇_5、εΞΐ〇-9、及於方 程式（1 7 )中所提出之條件，零位測定所需之準確度對 應於± 3等級大小之θ中之不確定性。 對於測定反射係數及/或一量測相臂光學路徑長度中 由於該氣體而變化，且該外部平面鏡系統之鏡子9 2不具 有諸如前述段落所考慮之掃描能力之應用，其他程序可用 於解決θ及a b之相位冗餘。θ及θ b之有效波長實質上相同 ’以致只需要敘述用於解決S或a b之相位冗餘之程序。 用於解決Φ之相位冗餘所述之第二程序可適用於解決θ 之相位冗餘，該第二程序係基於使用一系列外部平面鏡系 統9 0 ’在此該外部平面鏡系統9 〇之量測相臂之來回物 理長度L形成一幾何級數。該系列中之最小或第一來回物 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -87- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 B7 _I__ 五、發明說明（85) {請先閱讀背面之生意事項再填窝本頁) 理長度將大約是λ 1/ ( 4 ρχ)除以已知S初値之相對精度 。該系列中之第二外部平面鏡系統9 0之物理長度將大約 是該第一外部反射鏡系統9 0之長度除以使用該第一外部 平面鏡系統9 0量測S之相對精度。這又是一幾何級數程序 ，結果之物理長度形成一幾何級數，假如外部平面鏡系統 9 .0之數目連續地增加一個，其持續直至將超過用於量測 反射係數或光學路徑長度中由於該氣體反射係數而變化之 外部平面鏡系統9 0之長度。在用於解決θ中相位冗餘之系 列中，第一外部平面鏡系統9 0之典型來回物理長度係 0 . 1毫米之大小，該系列中第二外部平面鏡系統9 0之 典型來回物理長度係Γ 0毫米大小，及假如想要該系列中 第三外部平面鏡系統9 0之典型來回物理長度係1 0 0 0 毫米大小。在用於解決Φ中相位冗餘之系列中，該外部平 面鏡系統90之物理長度典型爲大於用以解決θ中相位冗餘 之系列中外部平面鏡系統9 0之物理長度之大小量値。 第三程序係基於使用一系列已知波長之光源（在第 4 a - 4 d圖未示出）及量測這些波長之θ。用於解決相位 冗餘所需已知波長之數目大致包含一小組。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一解決S b中相位冗餘之程序係當該量測路徑9 8 b 由氣體改變至一真空狀態（第4 a — 4 d圖未示出該真空 泵及必要之氣體處理系統）時觀察3 b中之變化，以解決 θ b中之相位冗餘。於第三較佳實施例中未呈現在測量反射 係數之絕對値及該光學路徑長度由於該氣體反射係數之變 化所常遭遇之問題，該變化局部係基於氣體壓力由非零値 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -88- A7 B7 ____ 五、發明說明（86) 改變至一真空狀態’因爲在S b之測定中典型准許± 3等級 大小之相當大不確定性。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 方程式（6 2 )中所呈現之彌補項ξ b及Z b係需要測 定之項目及假如隨著時間改變即可能需要監視。測定ξ h及 Zh之程序係基於用鏡子Z91b替換該外部平面鏡系統 9 Ob之鏡子9 lb (第4a — 4d圖未示出），鏡子 Z 9 1 b具有一對應於鏡子9 1 b表面9 3 b之表面 Z 9 3 b，塗上表面Z 9 3 b以成爲波長λ1&λ2之反射表 面及量測該結果之S b及Φ b。讓S b及Φ b之最終値分別成 爲s bR及φ bR。數量ξ b及z b係藉著下列公式分別與a 及Φ b R有關 ξ b = θ b R (63) Z b = Φ b R (64) 對ξ b及Z b之非電子貢獻隨著時間實質上應不變，因爲在 該差動平面鏡干涉儀6 9 b、該差動平面鏡干涉儀群組 70b、分光鏡65b、及外部平面鏡系統90b中已有 大幅度之補償。用純電子機制（未示出）監視對ξ b及Z b 之非電子貢獻。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
使用θ b及ξ b之量測値及下列公式藉著電腦計算該波數 X 5C=(&b-gb)/(2L) (65) 使用方程式（6 2 )藉著電腦計算該比Κ/χ。 對熟練該技藝之人士將明顯的是第四實施例有對應於 第一實施例每一種變型之變型。第四實施例之這些變型之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 89 - A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __B7___ 五、發明說明（87) 敘述如同第一實施例對應變型所給予敘述之對應部份。 對熟練該技藝之人士將明顯的是如何以相同方式建構 類似於第二實施例及其變型與類似於第三實施例及其變型 之實施例及其變型，使得該第四實施例及其變型類似於第 —實施例及其變型。 熟練該技藝之人士將發現可對本發明之較佳實施例及 其變型考慮另一種資料處理，而未偏離本發明之精神及範 熟練該技藝之人士亦將發現可架構第二組較佳實施例 及其變型中用於測定Κ /χ及χ之額外機制之差動平面鏡干 涉儀及外部平面鏡系統，以致對應於一波長之光束可由該 外部平面鏡系統之一端進出，及對應於不同之第二波長之 第二光束可由該外部反射鏡之相向端點進出，而與較佳實 施例及其變型中所揭露之相同端點呈對比，而未偏離本發 明之精神及範圍，如申請專利範圍中所定義者。對於該外 部平面鏡系統之重新架構，可明顯地省略分光鏡6 5 b， 據此重新架構鏡子表面9 5 b及9 6 b上之反射及傳送塗 覆以使不同波長之光束經過鏡子9 lb及9 2b進出。 對熟練該技藝之人士將明顯的是在此所揭露本發明之 實施例及其變型將典型產生一對該外差信號所經歷群延遲 之相對差異中具有減少之敏感性之相位Φ ，對於所給予實 施例或其變型之每一外差信號實質上具有相同之頻譜。 熟練該技藝之人士將另發現較佳實施例及其變型之光 束9及/或光束1 0之X及y偏振分量可頻移，而未偏離 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） • 90 Α7 Β7 五、發明說明（88) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之精神及範圍，fi保持光束9之X及y偏振分量中 之頻差，及f 2保持光束1 0之X及y偏振分量中之頻差。 藉著一光束之X及y偏振分量二者之頻移大致可能改善— 干涉儀及一雷射光源之隔離，其改善之隔離程度依用於產 生該頻移之機制而定。 熟練該技藝之人士將發現用於測定方程式（1 4 )及 (2 0 )中Φ 1之光束波長λ i可異於用於測定該量測路徑 之光學路徑長度由於氣體而變化之二波長，而未偏離本發 明之精神及範圍。必要之倒色散率r 3將以分別在三波長λ i ，λ 2及λ 3之氣體反射係數η、，η 2及η 3之角度定義，根 據該公式 Γ 3 =上」- (66) η3 -η2 對於λ 3 < λ 2。 -f-r \β_ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 熟練該技藝之人士將另發現光束9及10之任一個或 二者之二頻率分量可在導入該頻移之機制後及於進入所述 較佳實施例之各個干涉儀之前之任何位置空間地分開，而 未偏離本發明之精神及範圍。假如該二光束之任一個之二 頻率分量係由個別之干涉儀空間地分開達任何顯著之距離 ，可能必需採用諸如第一實施例所述之另一種參考光束。 圖面中之說明描述本發明之較佳實施例及其變型，其 中一實施例之所有光束係位於單一平面中。淸楚地的是可 對一或多個較佳實施例及其變型_施行使用多重平面之修正 ，而未偏離本發明之精神及範圍。 本發明之較佳實施例及其變型具有外部平面鏡系統 -91 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（89) 9 0 b及/或9 0，其中1:^X2之量測路徑經過該系統之 每次通程具有相同之來回物理長度，及λ:&λ2之參考路徑 之每次通程具有相同之來回物理長度。熟練該技藝之人士 將發現λ !及1 2之量測路徑之每次通程能具有不同物理長度 ’及11及12之參考路徑之每次通程能具有不同物理長度， 而未偏離本發明之精神及範圍，如申請專利範圍中所定義 者。熟練該技藝之人士將另發現11及12之量測路徑可彼此 物理位移，及λ ;及12之參考路徑可彼此物理位移，而未偏 離本發明之精神及範圍，如申請專利範圍中所定義者，雖 然在關於該實施例頻率響應之性能及/或例如由於量測路 徑中氣體反射係數之空間梯度所計算各量之準確度中可能 有一些降級。 本發明之較佳實施例及其變型係全部架構用於外差偵 測。熟練該技藝之人士將發現可在每一較佳實施例及其變 型中使用零差偵測，而未偏離本發明之精神及範圍，如申 請專利範圍中所定義者。可能使用零差接收器，諸如 1 9 9 7年9月2日以P.de Groot之名義發表、標題爲" 零差干涉接收器及方法〃之共伺擁有美國專利第 5 ’ 6 6 3，7 9 3號中所揭露者。可獲得一氣體反射係 數及/或一量測路徑之光學路徑長度由於該氣體而變化之 計算’譬如在第一較佳實施例之零差形式中直接來自零差 相位φ 1H及φ 2H，該零差相位φ iH及φ 2H係第一較佳實施 例相位cp i及φ 2之對照部份，及具有方程式（7 )及（1 4 )之零差形式。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------- 訂—------- 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製
五、發明說明（90) 本發明之第二組較佳實施例及其變型量測該比（K /χ )及χ，及於一氣體反射係數及/或一量測路徑之光學路徑 長度由於該氣體而變化之計算中使用（Κ/χ )及χ之量測 値。熟練該技藝之人士將發現（Κ/χ )及χ之量測値能用 作一反饋系統中之誤差信號，以致滿足方程式（1 8 )所 示條件之任一個或兩者且χ爲常數，而未偏離本發明之精神 及範圍，如申請專利範圍中所定義者。反饋系統中（Κ /χ )及χ之任一個或兩者之量測値係送至光源1及光源2之任 一個或兩者，且用於控制光源1及光源2之任一個或兩者 之各個波長，譬如藉著控制一二極管雷射之注入電流及溫 度之任一個或兩者或一外腔二極管雷射之腔頻率。 熟練該技藝之人士將發現量測該比（Κ /χ )及χ之第 二群較佳實施例及其.變型之機制與第一群較佳實施例及其 變型之機制之組合，可用於決定一氣體反射係數及/或一 量測路徑之光學路徑長度由於該氣體之變化，並異於第二 群較佳實施例及其變型所用之組合，而未偏離本發明之精 神及範圍，如申請專利範圍中所定義者。 現在參考第5圖，其爲經由方塊5 0 0 — 5 2 6描述 用於實踐一發明方法之各種步驟之一般化流程圖，用於測 量及監視一量測路徑中之氣體反射係數及/或該量測路徑 之光學路徑長度由於該氣體而變化，其中該氣體反射率及 /或量測路徑之物理長度可能正在改變。雖然將明顯的是 可使用上文揭露之發明裝置施行第5圖所述本發明之方法 ，對熟練該技藝之人士亦將明顯的是可供給異於所揭露者 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） .93. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^!!_| 訂.！丨！·線
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（91) (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 之裝置。譬如將明顯的是吾人毋庸使闬諸如較佳實施例中 所使用之差動平面鏡干涉儀，但可使用其他習知之干涉裝 置，只要能呈現所需之參考及量測相臂。此外，將明顯的 是吾人可使用一零差方法或有利地使用外差技術之方法。 如另將發現者，經由在一般用途之電腦或適當程式設計之 微處理器上運轉之適當軟體可施行第5圖中之許多步驟， 當需要時任一裝置可用來控制該系統之其他元件。 如第5圖中所視，於方塊5 0 0中藉著提供具有不同 波長之二或更多光束開始，該波長最好如先前所述具有大 約諧波之關係。於方塊5 0 2中，該光束係分成各分量， 於方塊中5 0 4最好藉著偏振或空間編碼、或頻移或兩者 變更各分量。在其他方面，該光束可能僅只未變更地離開 及經過方塊5 0 6。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如方塊5 2 2及5 2 4中所示，可監視各光束波長之 關係，及假如其波長未在先前所討論之限制內，吾人可採 取修正措施以補償該波長關係由所想要波長關係之差距。 這些差距可用於提供反饋以控制該光束光源之波長，或可 建立各項修正及用於受各種差距所影響之隨後計算，或可 履行該二方式之某種結合。 於方塊5 0 0中產生該光束並行或同時間，吾人亦如 方塊5 2 6中所示提供一具有二相臂之干涉儀，即一參考 相臂及另一量測相臂，其中一部份量測路徑係於一氣體中 ，並欲量測該氣體之反射係數及/或測量該量測路徑之光 學路徑長度效應。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（92) 如方塊5 0 6及.5 0 8中所示，先前產生之光束分量 係導入該干涉儀相臂，以致每一分量在行經其所分派相臂 之物理長度內基於其所經歷之光學路徑長度而具有相移。 在該光束由方塊5 0 8顯現之後，其於方塊5 1 0中 結合產生一混合之光學信號。該混合之光學信號然後送至 方塊5 1 2中，在此藉著光電偵測產生對應之電信號，最 好爲外差信號，且這些電信號包含關於各光束分量間之相 對相位資訊。該電信號最好係先前頻移處理所造成之外差 信號。 於方塊5 1 4中，可直接分析該電信號以擷取相對相 位資訊，然後該相位資訊可送至方塊5 1 6 — 5 2 0，或 產生超外差信號及隨後分析用於該相對相位資訊。 於方塊516中解決零差、外差、及/或超外差信號 中之任何相位含糊不淸，最好藉著機制及有關較佳實施例 敘述之先前精心設計計算方法。 於方塊518中，計算該氣體之反射係數及/或該氣 體反射係數在該量測路徑之光學路徑長度之效鹰，如先前 決定地加上修正項，及產生輸出信號用於隨後之下游應用 或資料格式需求。 熟練該技藝之人士可對本發明之裝置及方法作其他改 變，而未偏離本發明教導之範圍。因此，吾人欲使所示及 所述之實施例視爲說明性及非限制性之意義。 上述干涉儀系統在用於製造諸如電腦晶片等之大^積 體電路之石版印刷應用中可能特別有用（如在6 7所槪要 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） <請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) --------訂---------15· -g-siF - - - 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 -95- A7 B7 五、發明說明（93)· 示出者）。石版印刷術爲半導體製造工業之主要技術驅動 者。覆疊技術之改良係直至1 0 0納米及在1 0 0納米線 寬（設計法則）以下之五個最困難挑戰之一，譬如看（ 1 9 9 7年）半導體工業藍圖第8 2頁。覆疊技術直接依 用於定位晶圓及線網（或光罩）平台之距離量測干涉儀之 性能、亦即準確度及精確度而定。既然一石版印刷工具可 產生每年5 0 — 1 0 0百萬美元之產品，來自改善性能之 距離量測干涉儀之經濟價値係豐富的。石版印刷工具之產 量每增加百分之一，將對積體電路製造商造成每年約1百 萬美元之經濟利益，及對石版印刷工具之賣方具有實質之 競爭優點。 一石版印刷工具之功能係直接空間地佈線圖案輻射於 一塗附光阻蝕刻劑之晶圓上。該製程涉及決定該晶圓接收 該輻射之位置（對齊）及在該位置將輻射施加至該光阻蝕 刻劑（曝光）。 爲適當定位該晶圓，在該晶圓上包含可藉著專用感測 器量測之對齊標記。該對齊標記之量測位置界定該晶圓在 該工具內之位置。這資訊隨著該晶圓表面之想要佈線圖案 型式規格引導該晶圓相對該空間佈線圖案輻射之對齊。基 於此資訊，一支撐該塗附光阻蝕刻劑之晶圓之可位移平台 移動該晶圚，以致該輻射將曝光該晶圓之正確位置。 在曝光期間，一輻射源照明一已佈線圖案之線網，其 擴散該輻射以產生該空間佈線圖案輻射。該線網亦稱爲一 光罩，及這些術語係可在下面互換。於縮減石版印刷之情 本紙張尺度择用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V--------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（94) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 況中，一縮減透鏡收集該擴散之輻射及形成該線網佈線圖 案之縮減影像。另一選擇是，於近貼印刷之情況中，該擴 散之輻射在接觸該晶圓之前傳送一小段距離（典型爲微米 之大小等級），以產生該線網佈線圖案之1:1影像。該 輻射於該光阻蝕刻劑中啓始光化學製程，而在該光阻蝕刻 劑內將該輻射佈線圖案轉換成一潛像。 上述干涉儀系統係該定位機構之重要零組件，其控制 該晶圓及線網之位置，及在該晶圓上對齊該線網影像。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一般言之，亦稱爲一曝光系統之石版印刷系統典型包 含一照明系統及一晶圓定位系統。該照明系統包含一用於 提供諸如紫外線、可見光、X射線、電子、或離子輻射之 輻射源，及一用於給予該佈線圖案至該輻射之線網或光罩 ，藉此產生該空間佈線圖案輻射。此外，對於縮減石版印 刷之情況，該照明系統可包含一用於使該空間佈線圖案輻 射成像於該晶圓上之透鏡組合件。該成像輻射曝光塗於該 晶圓上之光阻蝕刻劑。該照明系統亦包含一用於支撐該光 罩之光罩平台，及一用於調整該光罩平台相對經由該光罩 所引導輻射之位置之定位系統。該晶圓定位系統包含一用 於支擦該晶圓之晶圓平台，及一用於調整該晶圓平台相對 該成像輻射之位置之定位系統。積體電路之製造能包含多 重曝光步驟。對於石版印刷術之一般參考範例，可看譬如 施特（J.RSheats )及史密斯（B.W.Smith )於微石版印刷 術：科學及技術(1 9 9 8年紐約州之瑪雪狄克（Dekker Marcel )公司）中之論文，其內容在此併入參考。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（95) 上述干涉儀系統可用於精確地量測每一晶圓平台及光 罩平台相對該曝光系統其他零組件之位置，諸如該透鏡組 合件、輻射源、或支撐結構。於此情況中，該干涉儀系統 可附著至一固定不動結構及該量測目的物附著至一可動元 件’諸如光罩及晶圓平台之一。另一選擇是可顛倒該條件 ，使得該干涉儀系統附著至一可動物體及該量測目的物附 著至一固定不動之物體。 更大致言之，該干涉儀系統可用於量測該曝光系統之 任一零組件相對該曝光系統之任何其他零組件之位置，其 中該干涉儀系統係附著至或由該零組件之一所支撐，及該 量測目的物係附著至或由該零組件之其他部份所支撐。 使用干涉儀系統6 2 6之一石版印刷掃描器6 〇 0範 例係顯示在第6 a圖中。。該干涉儀系統係用於精確地量 測一晶圓在一曝光系統內之位置。在此，平台6 2 2用於 定位該晶圓相對一曝光站之位置。掃描器6 0 0包含一攜 載其他支撐結構及該結構上所承載各種零組件之機架 6 0 2。一曝光基座6 0 4之頂部上安裝著一透鏡殼套 6 0 6，在該殼套頂部安裝著二用於支撐線網或光罩之線 網或光罩平台6 1 6。一用於相對該曝光站定位該光罩之 定位系統係藉著元件6 1 7槪要地指示。定位系統6 1 7 可包含例如壓電換能器元件及對應之控制電子設備。雖然 未包含於所述實施例’上述之一或多個干涉儀系統亦可用 於精確地量測該光罩平台以及其他可移動元件之位置，於 製造石版印刷結構之製程中必須準確地監視其位置（看在 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) B —Bi fli· ϋ 一-OJ n n n ϋ ϋ a— _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -98- A7 B7 五、發明說明（96) 前之施特及史密斯於微石版印刷術：科學及技術之論文） 〇 一承載晶圓平台6 2 2之支撐基座6 1 3懸掛在曝光 基座6 0 4下方。平台6 2 2包含一用於反射藉著干涉儀 系統6 2 6引導至該平台之量測光束6 5 4之平面鏡。藉 著元件6 1 9槪要地指示用於相對干涉儀系統6 2 6定位 平台6 2 2之定位系統。定位系統6 1 9能包含例如壓電 換能器元件及對應之控制電子設備。該量測光束反射回至 安裝在曝光基座6 0 4上之干涉儀系統。該干涉儀系統可 爲先前所述實施例之任何干涉儀系統。 於操作期間，例如來自U V雷射（未示出）之紫外線 (UV)光束之輻射光束610通過一光束成型光學組合 件6 1 2及在由鏡子6 1 4反射後往下前進。此後，該輻 射光束通過藉著光罩平台6 1 6所承載之光罩（未示出） 。該光罩（未示出）係經由承載於透鏡殼套6 0 6中之透 鏡組合件6 0 8成像至晶圓平台6 2 2上之一晶圓（未示 出）。基座604及各種藉其支撐之零組件係藉著彈簧 6 2 0所述之阻尼系統由環境震動隔開。 於該石版印刷掃描器之其他實施例中，前述一或多 干涉儀系統能用於沿著譬如與該晶圓及線網（或光罩）ζρ 台有關之多軸及多角度量測距離，但未受限於此。取代 UV雷射光束，其他光束亦可用於曝光該晶圓，包含例如 X射線光束、電子束、離子束、及可見光束。 此外，該石版印刷掃描器可包含一柱面參考座標，g 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） _—.----------^:— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 參· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 99 F1释釋藤:¾ A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（97) 中干涉儀系統6 2 6引導該參考光束至透鏡殼套6 0 6或 一些引導該輻射光束之其他結構，而非該干涉儀系統內部 之一參考路徑。當結合由平台6 2 2所反射之量測光束 6 5 4及由透鏡殻套6 0 6所反射之參考光束時，干涉儀 系統6 2 6所產生之干涉信號指示該平台相對該輻射光束 之位置變化。再者，於其他實施例中可定位該干涉儀系統 6 2· 6以量if線網（或光罩）平台6 1 6或該掃描器系統 之其他可動零組件之位置變化。最後，能以與石版印刷術 系統類似之方式使用該千涉儀系統，且除了掃描器外包含 分節器，或無掃描器。 .如技藝中所熟知者，石版印刷術係製造半導體裝置之 製造方法之一關鍵部份。譬如，美國專利第5，4 8 3， 3 4 3號簡述用於此製造方法之步驟。下面參考第6 b及 6 c圖敘述該步驟。第6 b圖係製造半導體裝置之順序流 程圖，諸如半導體晶片（例如積體電路或大型積體電路） 、液晶面板或電荷耦合器件（C C D )。步驟6 5 1係設 計半導體裝置之電路之設計製程。步驟6 5 2係基於該電 路佈線圖案設計製造一光罩之製程。步驟6 5 3係藉著使 用諸如矽之材料製造晶圓之製程。 步驟6 5 4係稱爲預處理之晶圓製程，其中藉著使用 如此製備之光罩及晶圓，經由石版印刷使電路形成在該晶 圓上。步驟6 5 5係稱爲後處理之組裝步驟，其中由步驟 6 5 4所處理之晶圓係形成半導體晶片。該步驟包含組裝 (切成小塊與黏合）及包裝（晶片密封）。步驟6 5 6係 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ
• n I ----訂---------線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 1 〇〇 _ A7 ___ B7____ 五、發明說明（98) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 檢查步驟，其中進行步驟6 5 5所生產半導體裝置之操作 性檢查、耐久性檢査等。以該製程完成半導體裝置及將其 裝運（步驟6 5 7 )。 第6 c圖係顯示晶圓製程細節之流程圖。步驟6 6 1 係一氧化晶圓表面之氧化製程。步驟6 6 2係在該晶圓表 面上形成一隔離薄膜之化學蒸氣澱積（C VD )製程。步 驟6 6 3係一藉著蒸氣澱積在該晶圓上形成電極之電極形 成製程。步驟6 6 4係一將離子植入該晶圓之離子植入製 程。步驟6 6 5係一將光阻蝕刻劑（光敏材料）施加至該 晶圓之光阻蝕刻劑製程。步驟6 6 6係一經由上述曝光裝 置藉著曝光將該光罩之電路佈線圖案印刷在該晶圓上之曝 光製程。步驟6 6 7係一使該曝光晶圓顯影之顯影製程。 步驟6 6 8係一除去異於所顯影光阻蝕刻劑影像部份之蝕 刻製程。步驟6 6 9係一在遭受該蝕刻製程後分開該晶圓 上所留下光阻飩刻劑材料之光阻蝕刻劑分開製程。藉著重 複這些製程，電路佈線圖案係形成及重疊在該晶圓上。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上述干涉儀系統亦可用於其他需要精確地量測一目的 物之相對位置之應用。譬如，於雷射、X射線、離子或電 子束之寫入光束當該基板或光束移動時於一基板上標記佈 線圖案之應用中，該干涉儀系統能用於量測該基板及寫入 光束間之相對移動。 第7圖顯示一光束寫入系統7 0 0之槪要範例。光源 7 1 0產生一寫入光束7 1 2，及.一光束聚焦組合件 714引導該輻射光束至由可動平台718所支撐之基板 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) A7 ____B7________________ 五、發明說明（99) 7 1 6。爲測定該平台之相對位置，干涉儀系統7 2 0引 導一參考光束7 2 2至安裝在光束聚焦組合件7 1 4之鏡 子7 2 4及一量測光束7 2 6至安裝在平台71 8上之鏡 子7 2 8。干涉儀系統7 2 0可爲先前所述任一干涉儀系 統。由該干涉儀系統所量測位置之改變對應於寫入光束 7 1 2在基板7 1 6上之相對位置改變。干涉儀系統 7 2 0將一量測信號7 3 2送至控制器7 3 0以指示寫入 光束7 1 2在基板7 1 6上之相對位置。控制器7 3 0將 一輸出信號7 3 4送至支撐及定位平台7 1 8之基座 7 3 6 /此外，控制器7 3 0將一信號7 3 8送至光源 7 1 0，以變化寫入光束7 1 2之強度或阻擋之，以致該 寫入光束只在該基板之選定位置用足以造成光物理或光化 學變化之強度接觸該基板。再者，於一些賓施例中，控制 器7 3 0可造成光束聚焦組合件71 4遍及該基板之一範 圍掃瞄該寫入光束，例如使用信號7 4 4。其結果是控制 器7 3 0引導該系統之其他零組件以佈線該基板。該佈線 圖案典型係基於該控制器中所儲存之電子設計圖案。於一 些應用中，該寫入光束佈線一塗在該基板上之光阻蝕刻劑 ，及於其他應用中該寫入光束直接佈線、例如鈾刻該基板 〇 此一系統之一重要應用係用於前述石版印刷方法之光 罩及線網之製造。譬如，爲製造一石版印刷光罩，能使用 一電子束以佈線一塗鉻之玻璃基板。於此寫入光束係一電 子束之情況中，該光束寫入系統於真空中包圍該電子束路 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衷 ----訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -¾ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -102- A7 ___B7___ 五、發明說明（10C) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 徑。於該寫入光束爲例如電子或離子光束之情況中，該光 束聚焦組合件亦包含電場發生器，諸如用於聚焦及在真空 下引導帶電質點至該基板上之四.極透鏡。於該寫入光束係 例如X射線、U V、或可見輻射之輻射光束之其他情況中 ’該光束聚焦組合件包含用於聚焦及引導該輻射至該基板 上之對應光學設備。_ 又可對本發明作其他變化。例如，可能想要於某些特 .定應用中監視該干涉儀之參考相臂上及量測相臂中所含氣 體之反射率。範例包含干涉儀之熟知柱面參考樣式，其中 該參考相臂包含一放在機械系統內之一位置之目標光學裝 置’及該量測相臂包含一放在相同機械系統內之一不同位 置之目標光學裝置。另一範例應用有關小角度之量測，對 此該量測及參考光束二者於一小物理偏置下撞擊在相同之 目標光學裝置上，藉此提供該目標光學裝置之角度方位之 —靈敏量測。熟練該技藝之人士熟知這些應用及架構，及 必要之修正係意欲涵括在本發明之範圍內。 ‘經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在外差干涉儀中達成對都卜勒頻移之實質不靈敏性之 另一選擇機制係追蹤該都卜勒頻移及藉著下列任一個補償 (1 )調整該參考及量測光束間之頻差，（2 )調整該電 子類比/數位（A/D)組件之一或兩者之鐘脈衝頻率或' (3 )任何藉著該驅動器或偵測電子設備之主動調整以之 不斷地匹配該二波長之明顯外差差頻之類似機制。 雖然已會同其詳細敘述描述本發明，應了解的是前面 之敘述係意欲說明而非限制本發明之範圖，且由所附申請 -103- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 _B7 五、發明說明（101) 專利之範圍所界定。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -104-

Claims (1)

  1. 六、申請專利範圍 1 .—種用於量測一量測路徑中之氣體反射率效應之 干涉裝置’該干涉裝置包含： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 包含第一及第二量測相臂之干涉儀機制，該第一及第 二量測相臂具有光學路徑，設計其結構及安排使得至少其 中之一具有可變之物理長度及至少其中之一係至少局部由 該氣體所佔有及其中之一—至少局部可.由一預定媒介佔有， 該第一及._第__二量-潮W目-臂間之光學路徑長度差異係按照該氣 體及該預定媒介之個別光學路徑物理長度及性質間之差異 而變化； 用於產生具有不同波長之至少二光束之機制； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 用於將每一光束之第一及第二預定部份分別導入該干 涉儀機制之第一及第二量測相臂之機制，以致在該光束第 一及第二預定部份之-—波長之光束沿著預定光學路徑行經 至少該第一及第二量測相臂-之二*，其通程之數目異於在其 他波長之光束，以補償該第一及第二量測相臂之物理路徑 長度改變之相對速率，該光東之第一及第二預定部份由該 干涉儀機制顯現當作包含關於在該-波長經過該第一及第二 量測相臂之各個光學路徑-長真簧訊-之-射出光束； 用於結合該射出光束以產生混合光學信號之機制，該 光學信號包含對應於在該波長來自該第一及第二量測相臂 之一對應預定路徑之每一射出光束間之相差資訊； 用於偵測該混合光學信號及產生電干涉信號之機制， 該電干涉信號包含在該不同光束波長對應於該氣體及預定 媒介之反射率及該第一及第二量測相臂間之相對物理路徑 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐)—" -105- 六、申請專利範圍 長度效應及其變化速率之資訊；及 用於分析該干涉電信號以決定該量測相臂中氣體效應 之電子機制。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中該光 束之孩長.彼此具有一近似諧波關係’該近似諧波關係以— 連串比率表示，每一比率包含低位非零整數之比。 3 .根據申請專利範圍第2.項之干涉裝置，其中該干 渉儀機制包含用於沿著至少該光束量測相臂之一產生多程 之機制，在此該光束之通程數目係呈諧波關係，而實質上 與該波長間之實質諧波關係相同。 4 .根據申請專利範圍第3項之干涉裝置，其中用於 產生至少二光束之機制包含用於對每一光束產生正交偏振 分量之機制。 5 .根據申請專利範圍第4項之干涉裝置，另包含用 於將該光束分成共通波長之正交偏振分量對之機制。 6 .根據申請專利範圍第5項之干涉裝置，另包含用 於空間地分開該分量之正交偏振對供隨後用於下游干涉儀 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 機制之機制。 7 .根據申請專利範圍第2項之干涉裝置，其中以該 連串比率表達之波長關係之相對精度係少於該氣體反射率 之色散（η 2 — n i )乘以該氣體反射係數（n i — 1 )量 測或該量測相臂之光學路徑.長度差異由於.該_氣體而變化所 想要之相對精度ε達_至多二^數量級，在此η」及η 2分別是 • /' 該氣體在不同波長之反射率。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格( 210X297公嫠) -106- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 8 .根據申請專利範圍第7項之干涉裝置，另包含用 於監視以該連串比.率表達之近似諧波關係之相對精度之機 制。 _9 .根據申請專利範圍第8項之干涉裴置，另包含回 應於監視該近似諧波關係之相對精度之機制而用於提供一 反饋信號之機制，以控制用於產生該光束之機制，致使該 近似諧波關係之柑對精度少於該.氣體反射率之色散乘以該 氣體反射係數（n i - 1 )量測或該量測相臂之光學路徑長 度差異由於該氣體而變化所想要之相對精度ε達至多一數量 級。 1 0 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中該 電子機制另適於測定該物理.長度L中之差異。 1 1 .根據申請專利範圍第1 0項之干涉裝置，其中 架構該電子機制以接收該氣體之本質光學特性，即該倒色 散率Γ，如：
    [η3(λ3)-η2(λ2)] λ 1，λ 2及λ 3是波長及ηΐ，Π2及Π3是反射係 數，及其中可用[n3(h)-ni(\)]或[n2(、)-ni(\)]取代該分母。 1 2 .根據申請專利範圍第1 1項之干涉裝置，另包 含一可與該干涉儀機制連結操作之微光刻照相機制，以致 該物理長度L中之差異可用來決定該微光刻照相機制之預 定元件間相對距離差異中之變化。 1 3 .根據申請專利範圍第1項之干渉裝置，其中該 干涉儀機制包含至少一差動平面鏡干涉儀。 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞請背面之注意事項再填寫本頁)
    -107- D8 _ 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 4 .根據申請專利範圍第2項之干涉裝置，另包含 在每一光束之第一及第二部份之間導入一頻差以產生一組 頻移光束之機制，使得該組頻移光束具有相同之頻差。 1 5 .根據申請專利範圍第1 4項之干涉裝置，其中 該干涉儀機制包含用於沿著至少該光束量測相臂之一產生 多程之機制，在此該光束之通程數目係呈諧波關係，而實 質上與該波長間之實質諧波關係相同。 1 6 .根據申請專利範圍第1 5項之干涉裝置，另包 含用於將該組頻移光束之每一光束分成一或多束之光學機 制，以由該組頻移光束提供至少三頻移光朿之一擴大組， 使得該擴大組頻移光束中每一波長之頻移光束數目係與該 近似諧波關係呈倒數關係，及使得該擴大組頻農.光束.之每 一光束包含二頻率分量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 7 .根據申請專利範圍第1 6項之干涉裝置，其中 該千涉儀機制在至少三頻移光束之擴大組衣每一光束不同 頻率..分量間導入相移以產生該射出光束當作一組相移、頻 移光束，及對齊與引導該至少三頻.移光_.束之擴大組之光束 ，以致藉著該相移、頻移光束之每一子集合橫越至少__該量 測相臂之一之結合路徑實質上係相-同一，在此該-祖.移、頻多 光束之一子集合包含該相移、頻嚴光束具有相同波_最之光 .......-¾. 束，藉著相移、頻移光束之一子〜集〜合之任何二光末所橫鳆 之量測路徑實質上未重疊。 1 8 ·根據申請專利範圍第1 7項之干涉裝置，其中 導入該至少三頻移光束之擴大組之每一光束之相移振幅係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -108- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 該光束沿著該第一及第二量測相臂前進中所經歷之相移差 値，及按照遍及該第一及第二量測相臂之各個相臂之通程 數目、該第一及第二量測相臂之各個相臂之物理長度、該 至$ —量測相臂中氣體之個別反射係數、及該氣體與該預 定媒介之個別反射係數而變化，相移、頻移光束之每一子 集合之至少一量測相臂中氣體之反射係數係彼此不同，該 氣體反射係數係波長之一函數。. 1 9 .根據申請專利範圍第1 8項之干涉裝置，其中 該結合機制混合該組相移、頻移光束之每一光束之二不同 頻率分量，以產生該混合光學信號當作包含至少三混合輸 出光束之一組混合輸出光束，該組混合輸出光束之每一光 束係源自該組相移、頻移光束之一光束。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 0 .根據申請專利範圍第1 9項之干涉裝置，其中 該偵測機制包含一光電探測器，用於由該組混合輸出光束 之強'度產生該電干涉信號當作一組至少三個之外差信號， 該組至少三個之外差信號之特徵是在與該擴大組頻移光束 之光束不同頻率分量間之頻差有關之外差頻率下.振盪，該 組至少三個之外差信號之進一步-特徵是一組外差相位，該 組至少三個之外差信號包含一m差信號之子、集合外差 '信號之子集合係由相移、、頻移光束之一子-集合所產生之外 差信號。 2 1 ^根據申請專利範圍第2 0項之干涉裝置，另包 含用於加上該外差信號每一子集合之外差信號以產生一組、 加總外差信號之機制，該組加總外差信號之每一加.._總外差 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -109- A8 B8 C8 D8 々、申請專利範圍 信號具有一等於所加上子集合外差信號之外差頻率以產生 該'加總外差信號之加總外差頻率，及一等於所加上子集合 外差信號之外差相位平均値以產生該加總外差信號之加總 外差相位。 > 2 .根據申請專利範圍第2 1項之千涉裝置，其中 該電子機制另包含用於混合該組加總外差信號之二信號以 產生超外差信號之機制，該超外差信號係包含一具有邊帶 頻率等於所混合加總外差信號之加總外差頻率一半差値以 產生該超外差信號之低頻邊帶，及一等於所混合加總外差 信號之加總外差相位一半差値以產^生該超外差信號之邊帶 相位，該低頻邊帶之邊帶.相位^實鼠上爲零，除了由於氣.體 反射係數之色散及該量測相臂中.預定媒介之色散差異外。 2 3根據申請專利簏圍第2 2項之干涉裝置,，另包 含用於監視表示成該連串比率'之近似諧波關係之相對精度 之機制。 2 4 .根據申請專利範圍第2 3項之干-涉裝置，另包 含回應於監視該近似諧波關係..之相對精度之機制而用於提 供一反饋信號之機制，以控制用於產生該光束之機制，致 使該近似諧波關係之相對JI度少於該氣體之色散率乘以該 氣體反射係數量測或該量測相臂之光學路徑長度差異由於 該氣體而變化所、需相對精度達二數量級。 -V ----- 2 5 ·根據申請專利範圍第1 9項之干涉裝置_·，其中 架構及安排用於結合之機制、以輿生該混合光學信號當作包 弇至少二混合輸出光束之一組混合輸出光束，每一混合輸 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) -------訂— .! - I ...... . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •110- 六、申請專利範圍 出光束係由一子集合之相移、頻移光束所產生。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 6 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中用 於產生具有不同波長之至少二光束之機制包含一相干輻射 源。 2 7 ·根據申請專利範圍第2 6項之干涉裝置，其中 該相干光源包含一雷射。 2 8 ·根據申請專利範圍第.1項之干涉裝置，另包含 由甩於偵測及產生該電干涉信號之機制直接接收該電干涉 信號及將該電干涉信號’轉換成數位形式以在其他下游計算 中減少相位誤差之機制。 2 9 ·根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中該 至少二光束每一個具有正交之偏振狀態。 3 0 .根據申請專利範圍第2 9項之干涉裝置，另包 含在該光束之正交偏振狀態間導入一頻差之機制。 3 1 ·根據申請專利範圍第3 0項之干涉裝置，其中 用於結合該射出光束之機制係適於混合該光束之偏振狀態 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 2 ·根據申請專利範圍第3 1項之干涉裝置，其中 對應於該混合光學信號中相差之資訊係有關該氣體所佔有 量測相臂之來回物理長度L中差異之相移，並根據該公式 i=Pi i=Pi φ 1 ( t ) = £φ,. = ζ, > i=l ΐ=1 _ i=p2 i=P2 φ 2 ( t ) - Σφ2,ί = ZLik2n2i+C2 ' i=l i=l 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' -111 - 六、申請專利範圍 & φ 3 ( t ) = Χΐ^ι2η2ί+ζ3 ’ l=P2+】 i=p2+l (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 對於Pi=2 p2之情況，在此由]^』= 2π/λ j給與該角波數kj ’ j = i及2及nji係對應於波數kj 之量測路徑之路徑i中氣體之反射率，及 P 1 λ 2 Ξ P 2 λ 1 ； pi ’ P2 = 1_，2 ，3 ，..，， ，P 1萁p 2 ，及 該相位彌補ζ i包含所有對該相移CP !之貢獻，並 與該第一及第二量測祖臂無關。 3 3 .根據申請專利範圍第3 2項之干涉裝置，其中 該電干涉信號包含該形式.之外差信號： V sx = A^os[ax(t)] > λ=1，2及 3， 在此由下面給予該時變自變數αλ(ί) αι(ΐ)=2πί1ί+φι> 〇C2(t)=27lf2t+(p'2， a 3 ( t ) ., = 2 π f 2 t + φ 3 5 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 4 .根據申請專利範圍第3 3項之干涉裝置，其中 該電子機制係適於接收該外差信號及決定該相移φ i，φ 2及 φ 3 〇 3 5 .根據申請專利範圍第3 2項之干涉裝置，另包 含，用於解決該彌補ζ i中相位冗餘誤差之機制。 3 6 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，另包含 用於解決該資訊中相位冗餘誤差之機制。 3 7 . —種用於量測一量測路徑中之氣體反_·率效應 之干涉方法，該干涉裝置包含： « 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' - -112- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 提，供一包含第一及第二量測相臂之干涉儀機制，該第 一及第二量測相臂具有光學·路徑，設計其結構及安排使得 至少其中之一具有可變之物理長度及至少其,中之一係至少 局部由該氣體所佔有及其/中之一至4^局_部.可由一預定媒介 佔有，該第一及第二量測相臂間〜之光學路徑長度.差異係按 照鼠氣體及該贵定媒介之個别-光學路徑物理長度及性質間 之差異而變化； 產生具有不同波長之至少二光束；. 將每一光束之第一及第二預定部份分別導入該干涉儀 機制之第一及第二量測相臂，以^致.在該光束第一及第二預 定部份之一4皮養之光束沿著預定光學路徑-行經至少該第一 及第二量測相臂之一，其通程之數目異於在其他波長之光 束，以補償該第一及第二量測相臂之物理路徑長度改變之 相對速率，該光束之第一及第二預定部份由該干涉儀機制 顯現當作包含關於在該波長經過該第一及第二量測相臂之 各個光學路徑長度資訊之射出光束； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 結合該射出光束以產生混合光學信號，該光學信號包 含對應於在該波長來自該_第一及第二量測相臂之一對應預 定路徑之每一射出光束間之相差資訊； 偵測該混合光學信號及產生電干涉信.、號、，該電干涉信 號包含在該不同光束波長對應於該氣體及預定媒介之反射 率效應及該第一及第二量測相臂間之_相對物、理路^徑長度及 其變化速率之資訊；及 電子分析該干涉電信號以決定該量測相臂中之氣體效 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -113- Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 應。 (諸先聞讀背面之：义意事項再填寫本頁) 3 8 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，其中 該光束之被長彼此具_有一近似諧波關係’該近似諧波關係 以一連串比率表示’每一比率包含低位非零整數之比。 3 9 .根據申請專利範圍第3 8項之干涉方法，其中 包含沿著至少該光束量測相臂之一而在該干涉儀機制內產 生多程之步驟，在此該光束之通程數目係呈諧波關係，而 實質上與該波長間之實質諧波關係相同。 4 0 .根據申請專利範圍第3 9項之干涉方法，其中 用於產生至少二光束之步驟另包含對每一光束產生正交之 偏振分量。. 4 1 .根據申請專利範圍第4 0項之干涉方法，另包 含將該光束分成共通波長之正交I摄丑量.對之步驟。 _參· 4 2 .根據申請專利範圍第4 1項之干涉方法，另包 含空間地分開該分-量"之正_交-偏掘對農...隨後.用於下游干涉儀 機制之步驟。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 <3 .根據申請專利範圍第3 8項之干涉方法，其中 以該連串比率表達之近似諧波—顯係之相對精度係少於該氣 .體反射率之色散（η 2 - η !)乘以該氣體反射係數（^ ! - 1 )量測或至少一量測相臂之光學路徑長度由於;該氣體 而變化所想要之相對精度ε達至多一數量級，在此n i及 η 2分別是該氣體在不同波長之反射率。 4 4 .根據—申請專利範嵐J| 4 3項之干涉方法\另包 含監視以該連串比率表達之近似諧波關係之相對精度之步 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -114- 六、申請專利範園 驟。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 5 ·根據申請專利範圍第4 4項之干涉方法，另包 含回應於監視該近似諧波關係之相對精度之步驟而用护>提 供Ί .¾制該光束之反饋信號之步驟，致使該近似諧波關係 之相對精度少於該氣體反射率之色散乘以該氣體反射係數 (η ·ι — 1 )量測或該量測相臂之光學路徑長度差異由於該 氣體而變化所想要之相對精度ε達至多一數量級。 4 6 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，其中 該電子分析步驟另包含測定該氣體所佔有量測相臂之物理 長度L中之差異。 4 7 ·根據申請專利範圍第—4_. 6—項之干涉方法.，甘中 用該氣體之相對倒色散率r之-=鼠...定4直-計算該物理長度L， 在此： Γ = [η,^)-!] 及 [η3(λ3)-η2(λ2)] λι，λ2及.λ3是:波長與Πΐ，112及Π3是反射 係數，及其中可用[nD-n^)]或取代該分母。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 8 .根據申請專利範圍第4 7項之干涉方法，g操 作地連結一微光刻照相機制與該干涉儀機制，以致該物理 長度L可用來決定該微光刻照相機制之預定元件間之相對 距離。 4 9 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，其中 該干涉儀機制包含至少一差動平面鏡干涉儀。 5 0 .根據申請專利範圍第3 8項之干渉方法，另包 含在每一光束之第一及第二部份之間導入一頻差以產生一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) — -115- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 組頻移光束，使得該組頻移光束無二光束具有相同之頻差 0 (誇先間讀背面之注意事項再填霉本頁} 5 1 .根據申請專利範圍第5 0項之干涉方法，另包 含沿著至少該光束量測相臂之一而於該干涉儀機制內產生 多程之步驟，在此該光束之通程數目係呈諧波關係，而實 質上與該波長間之實質諧波關係相同。 5 2 根據申請專利範圍第5 1項之干涉方法，另包 含將該組頻移光束之每一光束分成一或多束以由該組頻移 光束提供至少三頻移光束之一擴大組，使得該擴大組頻移 光束中每一波長之頻移光束數目係與該近似諧波關係呈倒 數關係，及使得該擴大組頻移光束之每一光束包含二頻率 分量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 3 .根據申.請專利範圍第5 2項之干涉方法，在該 千涉儀機制內於至少三頻移光束之擴大組之每一光束不同 頻率分量間導入相移以產生該射出光束當..作一組相移、頻 移光束，及對齊與引導該至少三頻移光東之擴大組之光束 ，以致藉著該相移、頻移光束之每一子集.合橫越至少該量 測相臂之一之結合路徑實質上係相同一，在此該相移、頻移 光束之一子集合包含該相移、頻移光束具有相同.波長之光 束，藉著相移、頻移光束之一子集合之任何二光束所橫越 之量測路徑實質上未重疊。 5 4 .根據申請專利範圍第5 3項之干、涉方法，其中 導入該至少三頻移光束之擴大組之每一光束之相移振幅係 該光束沿著該第一及第二量測相臂前進中所經歷之相移差 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公^ 一 ~ -116- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 値，及按照遍及該第一及第二量測相臂之各個相臂之通程 數目、該第一及第二量測相臂之各個相臂之物理長度、該 至少一量測相臂中氣體之個別反射係數、及該量測相臂之 預定‘媒介之個別反射係數而變化，相移、頻移光束、之每一 子集合之至少一量測相臂中氣體之反射係數係彼此不同， _該氣體反射係數係波長之一函數。 5 5 .稂據申請專利範圍第.5 4項之干涉方法，其中 該結合步驟混合該組相移、頻移光束之每一光束之二不同 頻率分量，以產生該混合光學信號當作包含至少三混合輸 出光束之一組混合輸出光束，該組混合輸.出光束之每一光 束係源自該組相移、頻移光束之一光束。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 6 根據申請專利範圍第5 5項之干涉方法，其中 該偵測步驟包含一光電探測，.以--虫該組混合輸出光束之強 度產生該電干涉信號當作一組至少三個之外差信號，該組 至少三個之外差信號之特徵〜是在與該4 廣大組頻移光束之光 束不同頻率分量閒..之頻差有關之外差頻率下振盪，該組至 少三個之外差信號之進一步特徵是一組外差相位，該組至 少三個:之外差信號包含一組外差信號之子集合，外差信號 之子集合係由相移、頻移光束之一子集合所產生之外差信 號。 5 7 .曝據申請專利範圍第5 6項之干涉方法，另包 含加上該外差信號每一子集合之外差信號以產生一組加.總 外差信號，該組加總外差信號之每一加總外差信號具有一 等於所加上子集合外差信號之外差頻率以產生該加總外差 本ϋ尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） : -117- 六、申請專利範圍 信號之加總外差頻率，及一等於所加上子集合外差信號之 外差相位平均値以產生該加總外差信號之加總外差相位。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 8 .根據申請專利範圍第5 7項之干涉方法，其中 該電子分析步驟另包含混合該組加總外差信號之二信號以 產生一超外差信號，該超外差信號係包含一具有邊帶頻.率 等於所混合加總外差信號之加總一外羞ϋ率一半差値以產生 該超外差信號之低頻邊帶，及一等於所混合加總外差信號 之加總外差相位一生差値以產生笔超外差信號之邊帶相位 ，該低頻邊帶之邊·帶相位實質士爲零，馀了由於氣體反射 係數之色散及該量測相臂中預定媒介之色散差異外。 5 9 .根據申請專利範圍第5 8項之干涉方法，另包 含監視表示成該連串比率之近似諧波關係之相對精度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 0 .根據申請專利範圍第5 9項之干涉方法，另包 含回應於監視該近似諧波關係之相對精度之步驟而提供一 反饋信號以控制該光束之步驟，致使—該近似諧波關係之相 對精度少於該氣體之色散率乘以屬氣體反射係數量測或該 量測相臂之光學路徑長度差異髮..化所霞相對...精度達一數量 級。 6 1 .根據申請專利範圍第5 5項之干涉方法，其中 該結合步驟產生該混合光學信號當作包含至少二混合輸出 光束之一組混合輸出光束，每〜混合輸—出光束係由—子集 合之相移、頻移光束所產生。 6 2 .根據申請專利範圍第，3 7項之干涉方法，其中 產生具有不同波長之至少二光束一之步驟包含使用一相干輻 本&張纽適用中國@家標準（CNS )八4祕（21〇Χ297公瘦） ' -118- A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 射源。 6 3 /根據申請專利範圍第6 2項之干涉方法，其中 該相干輻射源包含一雷射。 _ 6 4 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，另包 含由該偵測步驟直接接收該電干渉信號及將該電干涉信號 轉換成數位形式以在其他下游計算中減少相位誤差之步驟 〇 6 5 ·根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，另包 含爲每一光束導入正交偏振狀態之步驟。 6 6 .根據申請專利範圍第6 5項之干涉方 '法，另包 含在該光束之正交偏振狀態間導入一頻差之步驟。 6 7 .根據申請專利範圍第6 6項之干涉方丨去，# φ 結合該射出光束之步驟混合該光束之偏振狀態。 6 8 ·根據申請專利範圍第6 7項之干涉方法，#巾 對應於該混合光學信號中相差之資訊係有關該氣體m {占w 量測相臂之來回物理長度L之相移，並根據該公式： i=Pi i=Pi Φ 1 ( t ) = Σφι,ί = Σ^ιηϋ+ζι ' i=l i=l i=p2 i：sP2 1 9 2 ( t ) = ΣΦϊ,ί = HLik2n2i+^2 ' I i=l 1=1 i=Pi i=Pi φ 3 ( t ) = ΣΜ；2η2ί+ς3， i*p2+l i=p2+l 對於P i = 2 p 2之情況’在此由k』=2 π / λ )給與該角波數k】= 1及2及n i i係對應於波數 k .j之至少一量測相臂之路徑i中氣體之反射率，及 p 1 λ 2 s P 2 λ 1 ； pi，p 2 = 1 ’2 ，3 ，.... 本紙張尺皮適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） (請先«讀背面之注意事項再填寫本頁) tr聲 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -119 六、申請專利範圍 P 1关ρ 2 ，及 並與該量 該相.位嘴補ζ 1包含所有對該相移φ 1之.言獻， 測餘參考相臂無關。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 6 9 .根據申請專利範圍第6 8項之干涉方法 其中 該電千.涉信號包含該形式之外差信號： s^AxCosjptJt)] ’ λ=1,2^： 3 > 在此由下面給予該時變自變數αλ(ί) αι(ί) =2πίιΐ+φι» α 2 ( t ) = 2 π f 2 t + φ 2 -j α3(ί)=2πΪ2Ϊ+φ3' 7 0、根據申請專利範圍第6 9項之干涉方法，其中 該電子分析步驟接收該外差信號友決定該相移φ丄，φ 2及 φ 3 〇 7 1 .根芦申請專利範圍第6 8項之干涉方法，另包 含解決該彌補ς ^.中相位冗餘誤差之步驟。 7 2 ·根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，另包 含解決該資訊中相位冗餘誤差之步驟。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 3 .拫據申請專利範圍第1項之干涉裝置，另包含 與用於製造晶圓之干涉裝置操作連結之微光刻照相機制， 該微光刻照相機制包含： 至少一用於支撐晶圓之平台； 一傅空間佈線輻射成像在該晶圓上之照明系統；及. 一用於調整該至少一平台相對該成像輻射之位置之定 位系統； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 120- A8 Βδ C8 D8 六、申請專利範圍 - 其中該干涉裝置係適於測量該晶圓相對ρ成像輻射之 位置。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 4 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，另包含 與用於在晶圓上製造積體電路之干涉裝置操作連結之微光 刻照相機制，該微光刻照相機制包含： 至少一用於支撐晶圓之平台； 一包含輻射源、光罩、定位系統、透鏡組合件、及該 干涉裝置之預定部份之照明系統； 該微光刻照相機制係有效率地操作，以致該光源引導 輻射經過該光罩以產生空間佈線圖案輻射，該定位系統調 整該光罩相對來自該光源之輻射之位置，該透鏡組合件於 該晶圓上成像該空間佈線圖案輻射，及該干涉裝置測量該 光罩相對來自該光源之輻射之位置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 5 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，另包括 與用於製造含有第一及第二零組件.之覆屬電路之干涉裝置 操作連結之微光刻照j目機制，該第二及第二零-組件係可彼 此相對移動及與該干涉裝..t祖Ji移動，該第一及第二零組 件係分別與該屬一及第二量測相臂連接，隨其共周_移動， 以致該干涉裝置測量該第一零組符相對該第二零組件之位 置。 7 6,/.根據电J靑專利.範圍第>Iji之干涉裝置，另包含 一與用於製造&版印刷光罩^之干渉.裝置^作連結之光束寫 入系統，該，光束寫入系統·包含.： ； 提供一寫入光束以佈線基板之光源.； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -121 - 六、申請專利範園 至少一用於支撐基板之平台； (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 一用於傳送該寫入光束至該基板之光束引導組合件； 及 用铃定位該至少一平台及該光束引導組合件之彼此相 對位置έ定位系統； 該干涉裝置係適於測量該至少一平台相對該光束引導 組合件之位置。 7 7 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中該 波長關於彼此具有一非諧波關係。 .、·、 7 8 .根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中該 電子機制另包含用於接收該電干涉信號及產生最初電相位 信號之相位分析機制，該相位信號包含對應於該氣體及該 預定媒介在不同光束波長之黑教.率. . .效應及該氣體所佔有量 測相臂之物理,路徑長度中-差_異_ .及其變名速率之資訊。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 9 .根據申請專利範圍第7 8項之干涉裝置，其中 該電子機制另包含用於將最初之相位信號乘以各因數之倍 增機制，以產生修改之相位信號，該因數對應於該波長比 及該光束行經該干涉儀機制所經歷之來回通程數目。 8 0 ..根據申請專利範圍第7 9項之干涉裝置，其中 該電子機制另包含甩於接.收該修改之枏位信號及選擇性地 加上及減去該信號之機制，以產..生加總_及_差J目位信號，該 相位信號包含對應於該氣體在不同光束波長之反射率效應 及該氣體所佔有量測相臂之物理路徑長度中差異及其變化 速率之資訊。 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -122- Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 8 1 .根璩申請專利範圍第8 0項之干涉裝置，其中 該雩子機制另包含用於接收該加總及差相位信號及至少一 最初相位信號之機制，以決定該氣體所.佔有量測相臂之物 理長度L中之差値。 8 2 .辑據申請專利範圍第8 1項之干涉裝置，另包 含用於解決在最初相位及該加蹲及差相位信號間之冗餘之 機制。 8 3 .根據申請專利範圍第7 9項之干涉裝置，其中 該波長係_非諧波相:關。 8 4 ·根據申請專利範圍第7 9項之干涉裝置，其中 該光束之波長彼此具有一近似.諧波關係，該近似諧波關係 以一連串比率表示，每一比率包含低位非零整數之比。 8 5 .根據申請專利範圍第2 9;項之干涉裝置，另包 含在該光束之正交偏振狀態間導入頻差之機制，以致至少 二光束於其各個偏振狀態之間具有不同頻率及用於由至少 二射出光束產生相位信號之單...光電探測器。 8 6 ·根據申請專利範圍第1項之干涉裝置，其中以 該連串比率表達之波長關係之相對精度係等於或大於該氣 體反射率之色散（η 2 - η !)乘—以-該备體反射係數（n i - 1 )量測或該量測相臂之光學路徑長度差異由於該氣體 而變化所想要之相對精度ε之大約.十分之一.’在此η 1及 η 2分別是該氣體在..不...同波長之反射率。 8 7 .根據申請專利範圍第3 7項之千涉方法，另包 含下列步驟： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4规格（210X297公嫠） (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -123- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 AS Βδ C8 __ D8六、申請專利範圍 在—可移動之平台上支撐一晶圓； 使空間佈線輻射成像在該晶圓上； 調整該至少一平台相對該成像輻射之位置； 測量該晶圓相對該成像輻射之位置。 8 8 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉 含下列步驟： 在至少可移動之平台上支撐一晶圚； 引導一輻射源|過一光罩及一透_|組合件以 線.圖案輻射； 調整該光罩相對來自該光源之輻射之位置 合件於該晶圓上成像該空間佈線圖案輻射，及 相對來自該光源之輻射之位置。 8 9 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉 括提供一用於..製..遙—1含..有_第-一_及-第-三......零.....組伴.之..積 刻照柑裝置之歩驟，.該第一及第二...零組件可彼 ，該第一及第二零組件係分別與-該一及..第.二 接，隨其共同移動，以致測昙孩·第·f零組件相 組件之位置。 9 0 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉 含下列步驟 用一寫入光束光源提供一佈線圖案之輻射； 在至少一平台上支撐一基板； 〆· 引導該寫入光束以致_該-輻..射之佈線.圖案撞 上；及 及 方法，另包 產生空間佈 ，該透鏡組 測量該光罩 方法，另包 體電路微光 此相對移動 量測相臂連 對該等二零 方法，另包 繫.在該基板 (誇先聞請背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -124- A8 Βδ C8 D8 六、申請專利範圍 彼此相對定位該至少一平台及該輻射之寫入光束；及 測量該至少一平台相對該寫入光束之位置。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 9' 1 .根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，其中 該波長關於彼此具有一非諧波關係。 9 2 ·根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，其中 該電子分析步驟另包含接收該電干涉信號及由該處擷取相 位以產生最初電相位信號之步驟，該相位信號包含對應於 該氣體及該預定媒介在不同光束波長之反射率效應及該氣 體所佔有量測相臂.之物理路徑長度中差異及其相對變化速 率之資訊。 9 3 根據申請專利範圍第9 2項之干涉方法，其中 該電子分析步驟另包含將最初名相位信號乘以各因數之步 驟，該因數對應於該波長-1及^該光束在-經該干涉儀機制以 產生修改之相位信號-所經歷之來J1L霞程數目。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9 4 .根據申請專利範圍第9 3項之干涉方法，其中 該電子分析步驟另包含接收該修改之相位信號及選擇性地 加上及減去該信號之步驟，以產生加總及差相位信號，該 相位信,號包含對應於.該氣體及該-預^定_媒介在不同光束波長 之反射率效應及_..該...氣體所佔有^Mil.相臂之物理路徑長度中 差異及其變化速率之.資訊。 / 9 5 .根韻申請專利範圍第9 4 i之干涉方法，其中 該電子分析步驟另包含接收該加總及差相位信號及至少一 最初相位信號之步驟，以決定該氣體所佔有量測相臂之物 v 理長度L中之差値。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -125- Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 9 6 .根據申請專利範圍第9 4項之干涉方 '法，另包 含解決在最初相位及該加總及差相位信號間之冗_ & # E 〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 7 .根據申請專利範圍第9 3項之干涉方法，其中 該波長係非諧波相關。 9 8 .根據申請專利範圍第9 3項之干涉方法，其中 該光束之波長彼此具有一近似諧波關係，該近似諧波關係 以一連串比率表示，每一比率包含低位非零整數之比。 9 9 ·根據申請專利範圍第6 6項之干涉方法，1另包 含在該光束之正交偏振狀態間導入頻差之步驟，以致至少 二光束於其各個偏振狀態之間具有不同頻率及使用單一光 電探測器以由至少二射出光束產生相位信號。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 0 0 ·根據申請專利範圍第3 7項之干涉方法，其 中以該連串比率表達之波長關係之相對.轉度係等於或大於 該氣體反射率之色散（η 2 — η 1 )乘以該氣體反射係數（ η ! - 1 )量測或該量測相臂之光學路徑長度差異由於該氣 體而變化所想要之相對精度ε之次約十分之一，在此n 1及 η 2分別是該氣體在不同波長之反射率。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） -126 -
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