[0001]【発明の属する技術分野】この発明は、測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法に関する。あって測定経路内のガスの屈折率の変動に無関係な、干渉計法による距離測定、特に、多重通過干渉計を用いて空気の屈折率を測定するスーパーヘテロダイン装置及び方法に関する。[0002]【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】計測学においてしばしば遭遇する問題は、空気柱の屈折率の測定である。空気柱が試料セルの中に収容され温度、圧力及び物理的寸法がモニタされているようなとき、高度に制御された環境下での屈折率測定のいくつかの手法が存在する。(3)、80〜83(1965年)の論文を見よ。(1965).【0003】おそらく、空気の屈折率についての最も難しい測定は、制御されない温度及び圧力のもとで、未知のまたは変化する長さを有する測定経路にわたる屈折率の変動を測定することである。このような状況は、地球物理学上の、あるいは気象学上の測量においてしばしば生じるが、空気の密度及び組成の変化により大気が当然のこととして制御されないので屈折率が劇的に変化する。(1984)の論文に記載されている。(1993)論文を見よ。million)0.005ppmの精度でなければならない。sources)と高解像位相検出を必要とする。estimation)のヘテロダイン方式は先行技術としてしばしば見い出される。公知の形式のヘテロダイン距離測定干渉計の先行技術の中で、光源がわずかに異なる光学的周波数(例えば2MHz)を有する2つの直交偏波を出射するものがある。Polarizer)と光検出器とからなる。(beatfrequency)で発振され、信号の位相は相対位相差に対応する。(1987)に教示がある。これら公知の形式の干渉計による計測学は、屈折率における変動によって制限され、それら自体では、次世代のマイクロリソグラフ器具として適切ではない。(1977)の開示がある。RedmanとWallにより教示されたこの手法は、互いが2つの部分に分割された、2つの異なる波長のレーザ光線を使用することにより構成される。shifts)は、それぞれの光線の一部の中に導入される。それぞれの光線の一部は対象物体から反射し、1つの光検出器において他の部分と再結合する。photodetector.【0008】光検出器における干渉計信号から、その位相が表面までの距離の尺度となる異なる差異周波数が得られる。(equivalentwavelength)は、2つのレーザ波長の積を2つの波長の差で除算したものに等しい。このRedmanとWallの先行技術の2波長技術は測定の不確実性を減少するが、しかし少なくとも単一波長技術と同じ位に空気の率変動の有害な影響に敏感である。finding)と題する米国特許第4,907,886号に開示がある。interferometry)と題する論文にも記載されている。modulation)により周波数で分離された2つの偏光成分を備えた2波長レーザ光線を使用する。これらの光線がマイケルソン干渉計を共線的に通過した後、偏光成分は混合され、その結果ヘテロダイン信号を生成する。frequency,2つのレーザ波長の積を2つの波長の差で除算したものに等しい相当波長に付随する位相とを有することになる。wavelengths.【0012】米国特許第4,907,886号(上述)によれば、前記スーパーヘテロダイン信号の位相は、測定対象物体の位置及び相当波長にのみ依存するものと推測される。したがって、このシステムもまた、空気の屈折率の変動について測定及び補正を行うことが企図されていない。(1990)の論文に見られる。これらの例のいずれもが率変動の問題を挙げていない。is空気の屈折率の変動の測定及び補正のための満足できる手法及び相当する手段を提供しない。先行技術におけるこの欠陥は、重大な測定の不確かさを生み、例えば集積回路のマイクロリソグラフ製作のような干渉計法を用いるシステムの精度に深刻な影響を与える。その結果として、将来の干渉計法は屈折率変動の測定及び補正の発明性のある新しい方法及び手段を具備する必要があるだろう。path,光路の屈折率への影響を計算することである。(1981)の論文に開示されている。(1985)の論文に記載されている。この手法は、概略値のみを提供する点で同様に不満足なものであり、扱いにくく、空気の密度の緩やかな全体的変動のみを補正するものである。measurement)による。その基本的原理は次のように理解されるであろう。干渉計とレーザレーダは、リファレンスと対象物体との間で、たいていは大気中で、光学的光路長を測定する。length,屈折率と測定光線が通過した物理的長さの積の総和である。passed.【0017】屈折率は波長とともに変化するが、物理的光路は波長と無関係であるので、機器が少なくとも2つの波長を使用しているならば一般的に、通常屈折率の変動から物理的経路長を分離可能である。technique)として以後、記載する。described.【0018】率測定のための分散手法は長い歴史を有し、レーザの導入以前に逆上る。atmosphere)と題する論文には基本原理が記載され、地球物理学上の測定のこの手法の実行可能性の分析が示されている。(1965))と題する論文に見い出される。entitled.【0019】率補正のための先行技術の分散手法に基づく商業的距離測定レーザレーダは、1970年代に登場した。(1972)の論文は、5から10kmの測定経路にわたって作動するマイクロ波変調のHeNe(ヘリウムネオン)とHeCd(ヘリウムカドミウム)レーザを使用する先行技術の器具を開示する。(1972)の論文に見い出される。論文に記載されている。近距離である程、より有利である。(1972)kyの米国特許第3,647,302号において、例えば温度、湿度及び圧力のような周囲の環境における変化を補正するために多重波長を使用する干渉計法による変位測定システムの先行技術が開示されている。この先行技術の器具は、特に移動対象物体を使用して、すなわち、変化する物理的光路長を有する対象物体を使用して作動させる設計であるが、先行技術のZipin及びZaluskyの位相検出手段は高精度測定に対して不十分な正確さである。YAGレーザー及び632ナノメートル波長のヘリウムネオンレーザーを使用する。日本における先行論文に記載されている。これらの論文に記載されたZhuらの干渉計法は、例えば、マイクロリソグラフ用サブミクロン干渉計法においてすべての適用に対し不満足な解像度しか得られない。4,948,254号に記載されたアプローチに見ることができる。(1989)の論文に記載されている。この論文に開示されている。crystal)により同時に2つの波長を提供する。locked)2つの波長が得られ、それによって屈折率測定の安定性及び確度は大きく改善される。further,位相検出及び信号処理手段は、対象物体の動きが、正確に検出するのが困難な急速な位相の変化を生じるような動的測定には適さない。(1995)による米国特許第5,404,222号には、率変動の検出及び補正のため分散手法を用いる2波長干渉計法が開示されている。論文に開示されている。Lisによる米国特許第5,404,222号の改良は1996年7月に登録された米国特許第5,537,209号に開示されている。(supra),位相検出手段の精度を改善するために他のBBO2重化水晶を追加したことにある。means.【0027】追加されるBBO水晶は、正確には2つの異なる要素である波長を有する2つの光線を光学的に干渉させることができる。合成された干渉は屈折率に直接的に依存するが、ステージの動作には実質的に依存しない位相を有する。pathBO水晶を必要とする。crystal.【0028】マイクロリソグラフのステージはしばしば6つ以上の測定経路を使用するのでBBOは12000ドル以上のコストを要し、追加の水晶は重大なコスト負担となる。(transducer)の物理的変位に基づく低速(32−HZ)位相検出システムを使用することにある。sducer).【0029】前記記載より明らかであるのは、先行技術は空気の屈折率の変動を測定し補正するための、実用的で、高速で、高精度な方法及び対応する手段を提供しないことだ。先行技術の限界は下記の未解決の技術的困難から主として生じる。No.5,404,222号に開示されたような、検出システムの一部に、2重水晶を使用する先行技術は高価で、複雑になる。complicated.【0030】先行技術における欠点のため、率の変動の存在下でマイクロリソグラフのための変位測定を行ういかなる実用的な干渉計システムも存在していない。この発明の目的は、上記した率の変動の存在下で変位測定を高精度で行い得る実用的な干渉計システムを提供することにある。変動を測定する装置が提供される。(8)測定経路にわたってガスの屈折率の変動を求めるために前記スーパーヘテロダイン変調位相を解析するための、好ましくは電子的な、手段からなる、測定経路におけるガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法であって前記変動に依存しない距離測定干渉計のために有用な装置及び方法が提供される。provided.【0033】この発明の主要な利点を以下に要約する。below.光源の波長が実質的に調波関係を有しかつ通過数が同様に調波関係を有する多重通過によって発生した移相である時、この発明の手段は、ステージの動作に実質的に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相を提供する。phase.スーパーヘテロダイン変調位相は、空気の屈折率における変動の直接の尺度である。スーパーヘテロダイン変調周波数は、いずれかの適切な値に調整することができるので、屈折率変動を補正するための位相測定の正確さが適切に増大される。is,例えば2重化水晶などの高価な光学的素子なしに、さらにステージ動作の高速性にいかなる制限をも設けることなしに簡便に達成される。invention,光源波長における予期されない変動を補正する能力を有するものが含まれる。モニタ干渉計は好ましくは注意深くコントロールされた屈折率をもつ固定モニタ経路長を備え、モニタにおけるいかなる測定された変化も波長の安定性にのみ起因しその尺度を与えるものとなる。関し、それらの内容全部を参照することによって本願の一部をなすものとして組み入れられる。[0036]【発明の実施の形態】以下、図に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。図1において、変動と無関係に対象物体67の変位を測定するのに有効な測定経路66において気体の屈折率の変動を測定するこの発明の装置の現在の好ましい実施形態を示す。invention.【0037】この発明のより好ましい方法によれば、第1のステップにおいて光源1から放射された光線11はドライバ3によって起動された変調器2を通過する。λ1を有するものである。変調器2は、例えば音響−光学素子または光線11の偏光構成成分を選択的に変調するための付加的光学系を備えた音響−光学素子の組み合わせである。振動周波数をシフトする。これらの偏光成分をそれぞれx及びyで表す。高い方にシフトされた振動周波数を有する。11.【0038】次の段階において、光源4から放射された光線12はドライバ6によって起動された変調器5を通過する。これら変調器5及びドライバ6は変調器2及びドライバ3に類似のものである。2に関して公知の略調波関係を有する。2であることが好ましい。2だけ高い方にシフトされた振動周波数を有する。with,あるいは2つ以上の波長の光線を生じ得る何らかの等価の光源構成であってもよい。)などの現象の結果であってもよい。2を導入するための光学的手段からなる干渉計60に伝搬される。2の大きさは、数式(2)で示されるように測定経路66の往復の物理的長さLに関連する。jに対するすべての寄与を含むものである。2と同一であることは注目すべきである。=2として構成されている。mirror波長板82、偏光ビーム分割器23及び対象物体67からなる。interferometer)としてその技術分野では公知であり簡単な説明として示している。interferometer)または類似の装置は、集積回路のマイクロリソグラフ製作において広く使用されるステージで動作させる際に本発明の装置に組み込むことが好ましい。)と題する文献に記載された公知の干渉計の他の形式は、この発明の精神及び見地から大きく逸脱することなく図1の装置に組み込むことができる。1だけシフトすることである。66倍を通過することになる。357-361(1960)に記載されたように、測定分解能を改善する手段としての技術として公知である。乱流空気の補正を目的とする同じシステムにおける単一通過と2倍通過の干渉計の特許性のある組み合わせは、出願人には公知ではなく、この技術はここで最初に教示されたものである。そのような、特許性のある組み合わせを達成する装置は後段の2つのパラグラフに記述されている。12偏光成分を分離する。偏光光線スプリッタ−23はy偏光成分を伝播する一方で、x偏光成分を反射するのが好ましい。211の偏光状態を環状に変換する4分の1波長板83を通って光線211として導かれる。211の偏光状態を直線に戻すが、偏光方向はその時点でy方向に沿っている。point.【0048】実質的に同時に、光線11のy偏光成分は、光線111の偏光状態を環状に変換する4分の1波長板81を通って光線111として導かれる。測定経路66を通過し対象物体67から反射した後、4分の1波長板81は光線111の偏光状態を直線に戻すが、偏光の方向はその時点でx方向に沿っている。111及び211は結合して移相光線15を形成し図1に示すように、干渉計60を出ていく。偏光状態を直線に戻すが、偏光方向はその時点でy方向に沿っている。実質的に同時に、光線12のy偏光成分は、光線112の偏光状態を環状に変換する4分の1波長板81を通って光線112として導かれる。測定経路66を通過し対象物体67から反射した後、4分の1波長板81は光線112の偏光状態を直線に戻すが、偏光の方向はその時点でx方向に沿っている。23が反射し、y偏光成分を有する光線212が透過されるので、両方の光線112及び212は結合して移相光線115を形成し屈曲プリズム82に伝播し、屈曲プリズム82は光線115の向きを変えて偏光光線スプリッター23に戻す。23.【0050】偏光ビームスプリッター23がもう1回光線115の偏光成分を分離する。このときにx偏光状態を有する光線113とy偏光状態を有する光線213とを産出する。4分の1波長板83を2回通過しリファレンスミラー65から1回反射した後、光線213はx偏光に復調される。113はy偏光に復調される。光線23によってx偏光成分を有する光線213が反射しy偏光成分を有する光線113が伝播されると、両方の光線213及び113は結合して移相光線16を形成し、屈曲ミラー84から反射した後、図1に示すように干渉計60を出ていく。16のそれぞれのx及びy偏光成分を混合するよう方向付けられて偏光子44を通過する。2.【0052】それらは以下の形式を有する。2は解析のために電子処理手段98に伝播される。2を、下記の数式で示されるスーパーヘテロダイン信号Sを生成すべく電子的に加算する手段982からなるのが好ましい。2が異なる振幅であるとき、得られる計算結果はより複雑であるが、それでもなおエンベロープ信号によって変調された搬送信号の形で記載することができる。2は同じ振幅を有すると仮定する。98は好ましくは整流、フィルタリング、信号方形化または振幅変調の抽出及び搬送波の復調のような手法のいずれかを使うことによって搬送波信号Cからエンベロープ信号Mを分離する手段983からなる。使用することによって変調位相φを求める手段985からなる。respectively6及び手段987を追加して構成する。コンピュータ99は搬送波位相θを計算しさらに以下の数式を使用して屈折率を計算する。1)【0057】上記で定義された定数Γは、空気の屈折率の分散の尺度である。=0.33μmであれば、その時Γ=24となる。オフセット係数Qは下式によって定義される。この発明の現在の好ましい具体例としては、Qは一定として考え、または純粋に電子的手段(図示せず)によってモニタされる。χをそれぞれ、真空スーパーヘテロダイン波数及び真空搬送波波数と称する。=1である時に成り立つ以下の2つの位相の数式から論理的に導かれる。1における変動と無関係な距離Lを求めるのに使用することができる。2に関する同類の計算をおこなうことは当業者にとって明らかなことである。.【0060】前節においてこの発明の好ましい具体例を開示したが、この発明の底に横たわる利点は以下の記載により明確になるだろう。1の計算から搬送波位相θ及びスーパーヘテロダイン位相Φに必要とされる正確さが、搬送波の波数χ及びスーパーヘテロダイン波数Κの値に関係することが明らかである。easy,スーパーヘテロダイン変調位相Φの高確度測定によることが一般的には最も有利である。2が略調波関係するとき、この発明の装置において容易に達成される。場合には、真空スーパーヘテロダイン波数Κはゼロに等しく、屈折率の計算は下式によって示されるように搬送波位相θを少しも含まない。2が非常に強く距離Lに依存するのに対し、スーパーヘテロダイン変調位相Φは距離Lにわずかに依存するだけである。これはマイクロリソグラフ設備において通常よく見かける移動する対象物体に対する位相検出の精度を大いに向上させる。equipment.【0064】一般的な干渉計及び特に分散手法について重要な考慮すべき問題は光源波長の不安定性である。この発明の装置及び手法は下記のように光源波長の不安定性を補正する簡便な方法を提供する。1が下式で与えられることが示される。ここでδΚは真空スーパーヘテロダイン波数Κにおける不安定性である。2などのすべての他の変数と無関係であることを示す。したがって率における真の変動から完全に独立したモニタ通路に沿った屈折率を測定することにより波長の安定性の効果を補正することが可能である。測定された偏差は波長の不安定性の結果である。1を補正する目的でこの発明の他の具体例として図1の具体例にモニタシステム60bを追加したものを示す。ビームスプリッター70及びミラー71はモニタシステム60bに向かって光線13の一部を反射させる。60b.【0067】モニタシステム60bは、干渉計60と同様の動作をするいくつかの素子からなり、モニタシステム60bの要素について述べると接尾字bを付けるという点を除いては干渉計60における同様の記号で示す素子と同じような動作を行う。同様にモニタ電子処理システム98bは、電子処理システム98と似たような類似の動作を行う。60bは、好ましくは注意深く制御された屈折率を備えた固定長さを有し、例えばモニタ経路66bを封じ込むことと、その封じ込まれた空間の温度及び圧力を制御することによって達成される。Mは光源波長の不安定性に起因する。1を計算するのが好ましい。field合と同じように信号及び周波数が得られる。which,これをモニタヘテロダイン信号と称する。thisロダイン変調周波数と称する。frequency.【0069】この新しい補正の手法は、光源に対する波長の安定性の要求度を大幅に低減する。この発明は絶対的な波長の安定性を要求せず、モニタ経路66bは極端に安定した物理的長さLを有することを必要としないことは特に注目に価する。interest.【0070】この発明の利点として、(1)この発明は、空気の屈折率の変動に対して正確な測定及び補正を行なうことができ、例えば距離測定用干渉計に有効となる;(2)この発明は、最新のマイクロリソグラフ装置に共通な高速ステージ動作に互換性がある;(3)この発明は光源安定性の要求度を実質的に低減する組み込み容易なモニタ手段と方法を選択的に備える;(4)この発明の装置は、比較し得る先行技術に対して実質的に複雑さが少なく高価ではない。compared.【0071】さらに代替となる追加の光学素子及び電子処理ステップは、この発明の装置の開示された具体例の1つに組み込むことができるということは当業者によって理解されるであろう。追加の検出器及び付随する素子は、データ処理に表れる様々な位相オフセット値を測定し補正する具体例に追加することができる。これら及び他の自明な修正は、この発明の精神及び見地から逸脱することなくこの発明に採用することができる。【0072】この発明の測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置及び方法によれば、ステージの動作に実質的に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相を提供する。スーパーヘテロダイン変調周波数は、いずれかの適切な値に調整することができるので、屈折率変動を補正するための位相測定の正確さが適切に増大される。increased.【0073】さらに、追加されるモニタ干渉計手段と基本的な装置において使用されるのと実質的に同じ電子処理手段とを使用することにより、光源波長における予期されない変動を補正することができる。wavelength.【0074】この発明のこの好ましい補正の手法は、光源に対する波長の安定性の要求度を大幅に低減する。この発明は絶対的な波長の安定性を要求せず、モニタ経路は極端に安定した物理的長さLを有することを必要としない。L.【0075】この発明は、空気の屈折率の変動に対して正確な測定及び補正を行なうことができ、例えば距離測定用干渉計に有効となる。この発明は、最新のマイクロリソグラフ装置に共通な高速ステージ動作に互換性がある。この発明は組み込み容易なモニタ手段と光源安定性の要求度を実質的に低減する方法を選択的に備える。この発明の装置は、比較し得る先行技術に対して実質的に複雑さが少なく高価ではない。compared.【0076】スーパーヘテロダイン変調周波数は、いずれかの適切な値に調整することができるので、屈折率変動を補正するための位相測定の正確さが適切に増大される。先行技術に対するこれらの改善は、例えば2重化水晶などの高価な光学的素子なしに、さらにステージ動作の高速性にいかなる制限をも設けることなしに簡便に達成される。limitation.【0077】モニタ干渉計は好ましくは注意深くコントロールされた屈折率をもつ固定モニタ経路長を備え、モニタにおけるいかなる測定された変化も波長の安定性にのみ起因しその尺度を与えるものとなる。measure.【0078】光源の波長が実質的に調波関係を有しかつ通過数が同様に調波関係を有する多重通過によって発生した移相である時、この発明の手段は、ステージの動作に実質的に影響されないスーパーヘテロダイン変調位相を提供する。スーパーヘテロダイン変調位相は、空気の屈折率における変動の直接の尺度である。DRAWINGS【図1】この発明の好ましい具体例を示す測定装置の概略構成図である。invention.【図2】この発明によるスーパーヘテロダイン信号を示すグラフである。invention.【図3】この発明に使用された処理用エレクトロニクスのブロックダイアグラムを示す図である。invention.【図4】この発明の他の具体例を示す概略構成図である。前記スーパーヘテロダイン変調位相を解析して前記測定経路にわたって前記屈折率の変動を求める手段とを設けてなる測定経路内のガスの屈折率の変動を測定する装置。said光線の他の全てのそれとは異なる請求項1記載の装置。前記光線を整列させる前記手段が、前記光線が前記の同じ測定経路を通過するよう前記光線の全部を整列させる光学的手段からなる請求項1記載の装置。前記の移相光線を生成する前記光学的手段が、前記光線のそれぞれの偏光状態の間で移相を生じる光学的手段からなる請求項1記載の装置。beam請求項1記載の装置。前記偏光成分を混合する前記手段が偏光子(polarizer)からなる請求項1記載の装置。前記ヘテロダイン電気信号を生成する手段が光電検出手段からなる請求項1記載の装置。前記のヘテロダイン電気信号の少なくとも2つを加える手段が、前記スーパーヘテロダイン変調周波数を有する振幅変調搬送波からなる前記の1つのス<br/>ーパーヘテロダイン電気信号を生成するために前記ヘテロダイン電気信号のいずれか2つを加える手段からなる請求項1記載の装置。前記光源がコヒーレント放射の光源からなる請求項1記載の装置。laser記載の装置。前記測定経路が干渉計内の測定経路からなる請求項1記載の装置。前記ガスが空気である請求項1記載の装置。前記ヘテロダイン信号を混合する前記手段が電子手段からなる請求項1記載の装置。前記光源の波長の変動によって生成される前記スーパーヘテロダイン変調位相の誤差を補正する手段をさらに具備してなる請求項1記載の装置。前記補正手段が、固定長を有するモニタ光路と制御された屈折率を有するガスとからなる測定経路を備えた干渉計手段からなる請求項15記載の装置。前記補正手段が、モニタヘテロダイン信号を生成する手段をさらに具備してなる請求項16記載の装置。前記補正手段が、モニタスーパーヘテロダイン変調周波数を有する振幅変調搬送波からなる前記モニタヘテロダイン電気信号のいずれか2つを混合して少なくとも1つのモニタスーパーヘテロダイン電気信号を生成する手段をさらに備えてなる請求項17記載の装置。signal13記載の装置。