形状測定装置および該方法
【課題】本発明は、測定対象物の表面形状をより高い精度で測定することができる形状測定装置および形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の形状測定装置Ｓは、光へテロダイン干渉を行う一面側測定部２および他面側測定部３によって測定対象物ＷＡの厚さを測定するものであって、一面側測定部２が測定対象物に複数の測定光を照射することで、１回の測定で測定対象物ＷＡにおける厚さと表面形状とを測定する。
【解決手段】本発明の形状測定装置Ｓは、光へテロダイン干渉を行う一面側測定部２および他面側測定部３によって測定対象物ＷＡの厚さを測定するものであって、一面側測定部２が測定対象物に複数の測定光を照射することで、１回の測定で測定対象物ＷＡにおける厚さと表面形状とを測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路は、素子の集積化が進んでいる。この集積回路を半導体ウェハに製造するプロセス条件であるプロセス・ルールは、通常、ゲート配線の線幅または間隔における最小加工寸法によって規定される。このプロセス・ルールが半分になれば、理論上、同じ面積に４倍のトランジスタや配線を配置することができるため、同じトランジスタ数では１／４の面積となる。この結果、１枚の半導体ウェハから製造することができるダイが４倍になるだけでなく、通常、歩留まりも改善されるため、さらに多くのダイが製造可能となる。この最小加工寸法は、高密度な集積回路を製造するために、２００７年の時点の最先端では、４５ｎｍに達している。
【０００３】
このようなサブミクロンメートルオーダ（１μｍ以下）のプロセス・ルールでは、半導体ウェハに高い平坦度が要求され、半導体ウェハの表面形状（表面の高さ変化）が無視できない。このため、半導体ウェハの表面形状を高精度に、例えば、サブナノメートルオーダ（１ｎｍ以下）で測定する形状測定装置が望まれている。このような形状測定装置の１つとして、光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物の表面形状を測定する装置が知られている。この光ヘテロダイン干渉法は、周波数の異なる２つのレーザ光を干渉させてそれらの差の周波数を持つビート信号を生成し、この生成したビート信号の位相変化を検波するものであり、このビート信号の位相変化は、前記２つのレーザ光の間における光路長の差に対応する。このような光ヘテロダイン干渉法を用いた形状測定装置は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
この特許文献１に記載の形状測定装置は、被測定物の厚みを非接触で測定するために用いられる形状測定装置であって、所定の光源から射出されるそれぞれ周波数が異なる第１の測定光および第２の測定光のそれぞれを分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位である表面の測定部位およびうら面の測定部位の各方向へ導く導光手段と、前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光を前記おもて面の測定部位に照射させるとともに、前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第２の測定光を第１の参照面に照射させ、前記おもて面の測定部位からの前記第１の測定光の反射光と前記第１の参照面からの前記第２の測定光の反射光とを干渉させ、その干渉光の強度信号を出力するおもて面側のヘテロダイン干渉計と、前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第２の測定光を前記うら面の測定部位に照射させるとともに、前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光を第２の参照面に照射させ、前記うら面の測定部位からの前記第２の測定光の反射光と前記第２の参照面からの前記第１の測定光の反射光とを干渉させ、その干渉光の強度信号を出力するうら面側のヘテロダイン干渉計と、前記おもて面側のヘテロダイン干渉計およびうら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから出力される強度信号の位相差を検出し、その検出信号を前記被測定物の厚みに相当する第１の測定値として出力する第１の位相検波手段とを備えている。このような構成によって特許文献１に記載の形状測定装置は、被測定物の厚みを非接触で測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８０７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この特許文献１に記載の形状測定装置は、原理的には面の表面形状を測定することが可能であるが、その測定結果には、ウェハの振動も含んだ面形状データとなってしまい、ナノメートルオーダレベルでの正確な面の表面形状を測定することができない。
【０００７】
特に、半導体ウェハでは、その表面形状の平坦度（厚さ分布および表面形状）は、その外縁部にエッジロールオフ（Edge Roll-off）と呼ばれる形状が存在するため、一般に、中心部よりも外縁部の方が劣る。半導体ウェハにおけるダイの製造可能領域を外縁部へ広げるために、このエッジロールオフの評価が重要である。このエッジロールオフを評価するためにも、半導体ウェハにおける表面形状をより高い精度で測定することが望まれる。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、測定対象物の表面形状をより高い精度で測定することができる形状測定装置および形状測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる形状測定装置は、測定光を生成する光源部と、前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算部とを備え、前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めることを特徴とする。
【００１０】
そして、本発明の他の一態様にかかる形状測定方法は、測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける測定光分配工程と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側干渉光生成工程と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側干渉光生成工程と、一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側干渉光生成工程によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算工程とを備え、前記一面側干渉光生成工程は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、前記演算工程は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めることを特徴とする。
【００１１】
このような構成の形状測定装置および形状測定方法では、測定対象物の一方面に対し複数の箇所で光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物が測定され、これによって測定対象物の厚さと例えば高さ分布等の面の表面形状が１回の測定で求めることができ、上記構成の形状測定装置および形状測定方法は、測定対象物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。
【００１２】
また、上述の形状測定装置において、前記測定対象物の厚さ方向に直交する水平方向に前記測定対象物を移動する移動部をさらに備え、前記演算部は、前記移動部によって前記測定対象物を前記水平方向に移動させながら、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記測定対象物の表面形状を求めることで、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状を複数求めることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、移動部によって測定対象物が水平方向に移動され、前記測定対象物が走査される。このため、このような構成の形状測定装置は、前記走査の範囲について、測定対象物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。
【００１４】
また、これら上述の形状測定装置において、前記複数の箇所は、３箇所以上であり、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについての前記予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離に基づいて前記複数の箇所における曲率を求めることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の形状測定装置は、測定対象物の表面における曲率を測定対象物の表面形状として測定することができる。
【００１６】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は、前記曲率を複数求め、前記求めた複数の曲率によって得られる複数の円弧を連結することによって、前記測定対象物における表面の高さ分布を求めることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、複数の曲率によって得られる複数の円弧が連結される。このため、このような構成の形状測定装置は、測定対象物における表面形状を再現することができる。
【００１８】
また、これら上述の形状測定装置において、前記移動部は、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、前記測定対象物を前記水平方向に移動することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、測定対象物が水平方向に移動される。このため、このような構成の形状測定装置は、連続的に測定対象物の表面形状を容易に測定することができる。
【００２０】
また、これら上述の形状測定装置において、前記複数の箇所は、移動方向に沿って並んでおり、前記移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所の間隔が等しいことを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、移動方向に沿って並ぶ２つの箇所の間隔が等しい。このため、このような構成の形状測定装置は、移動部の制御が容易となり、また、一定の間隔で、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００２２】
また、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける第１一面側回折格子と、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける第２一面側回折格子とを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側回折格子で分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側回折格子で分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成することを特徴とする。
【００２３】
このような構成の形状測定装置は、第１一面側回折格子を用いることによって１つの光学素子で第１一面側測定光を複数に分けることができ、そして、第２一面側回折格子を用いることによって１つの光学素子で第２一面側測定光を複数に分けることができ、複数の箇所を同時に測定することができる。
【００２４】
また、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける１または複数の第１一面側ビームスプリッタと、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける１または複数の第２一面側ビームスプリッタとを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成することを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、１または複数の第１一面側ビームスプリッタによって第１一面側測定光が複数に分けられ、１または複数の第２一面側ビームスプリッタによって第２一面側測定光が複数に分けられ、複数の箇所が同時に測定される。このようにビームスプリッタを用いるので、このような構成の形状測定装置は、一面側測定部の光学設計や調整において、高い自由度を持ち、その制約が低減される。
【００２６】
また、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光と第２一面側測定光との間に周波数差を生じさせる一面側光変調器を備え、前記他面側測定部は、前記分けられた第１他面側測定光と第２他面側測定光との間に周波数差を生じさせる他面側光変調器を備えることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、一面側測定部内に一面側光変調器が備えられ、他面側測定部内に他面側光変調器が備えられる。このため、このような構成の形状測定装置は、光源部から一面側測定部に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無く、そして、光源部から他面側測定部に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無い。
【発明の効果】
【００２８】
本発明にかかる形状測定装置および形状測定方法は、測定対象物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態の形状測定装置における光源部の構成を示す図である。
【図３】実施形態の形状測定装置における第１態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。
【図４】実施形態の形状測定装置における第２態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。
【図５】実施形態の形状測定装置における他面側測定部の構成を示す図である。
【図６】実施形態の形状測定装置におけるステージの構成を示す図である。
【図７】実施形態の形状測定装置における第１態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。
【図８】実施形態の形状測定装置における第２態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。
【図９】実施形態の形状測定装置における他方面側位相検波部の構成を示す図である。
【図１０】曲率の算出方法を説明するための図である。
【図１１】実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合における測定箇所を説明するための図である。
【図１２】実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合において、各測定箇所における複数の箇所と測定結果とを説明するための図である。
【図１３】エッジロールオフを説明するための図である。
【図１４】測定箇所における複数の箇所について、第１ないし第３の態様を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３１】
図１は、実施形態にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、光ヘテロダイン干渉法を利用することによって例えば半導体ウェハ等の薄板状の測定対象物ＷＡにおける表面形状をナノメートルレベルやサブナノメートルレベル（１ｎｍ以下の厚さ方向の分解能）で測定する装置である。形状測定装置Ｓは、例えば、図１に示すように、光源部１と、一面側測定部２（２Ａ、２Ｂ）と、他面側測定部３と、ステージ４と、一面側位相検波部５（５Ａ、５Ｂ）と、他方面側位相検波部６と、演算制御部７と、入力部８と、出力部９とを備えて構成され、ステージ４によって測定対象物ＷＡを水平方向に移動させながら測定対象物ＷＡの表面形状を測定するものである。
【００３２】
以下、形状測定装置Ｓの各部について説明するが、ここで、各部で多用される光部品（光学素子）について、纏めて説明する。
【００３３】
光分岐部（optical branching device、無偏光ビームスプリッタ）は、入射光を光パワーの点で２つの光に分配してそれぞれ射出する光部品である。光分岐部は、例えば、ハーフミラー（半透鏡）等の微少光学素子形光分岐結合器や、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や、光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光分岐部は、通常、入力端子と出力端子とを入れ替えて（逆に）使用すると、入射した２つの光を合わせて射出する光結合部として機能する。光分岐部としてハーフミラーが用いられる場合、通常、この分配された一方の光は、ハーフミラーを通過してそのままの方向で射出され、この分配された他方の光は、ハーフミラーで反射されてこの方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００３４】
偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter）は、入射光から互いに直交するＳ偏光とＰ偏光とを取り出してそれぞれ射出する光部品であり、通常、この取り出された一方の光（Ｓ偏光またはＰ偏光）は、そのままの方向で射出され、この取り出された他方の光（Ｐ偏光またはＳ偏光）は、この方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００３５】
偏光子（polarizer）は、入射光から所定の偏光面を持つ直線偏光を取り出して射出する光部品であり、例えば、偏光フィルタである。
【００３６】
波長板（wave plate、（位相板（phase plate））は、入射光における２つの偏光成分の間に所定の位相差（したがって光路差）を与えて射出する光部品であり、例えば、前記１／４波長板や、入射光における２つの偏光成分の間にλ／２の光路差を与える１／２波長板等である。波長板を構成する例えば複屈折性の白雲母板等の結晶板における厚さをｄとし、前記結晶板における２つの偏光成分に対する屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の波長をλとする場合に、この波長板による位相差は、（２π／λ）（ｎ１−ｎ２）ｄで与えられる。
【００３７】
反射鏡（ミラー、reflection mirror）は、入射光をその入射角に応じた反射角で所定の反射率で反射することによって光の進行方向を変更する光部品であり、例えば、ガラス部材の表面に金属薄膜や誘電体多層膜を蒸着したものである。反射鏡は、光のロスを低減するために、全反射する全反射鏡が好ましい。
【００３８】
入力端子は、光部品へ光を入射するための端子であり、また、出力端子は、光部品から光を射出するための端子である。各部間の接続には、例えばミラーやレンズ等の光学部品から構成される導光手段が用いられてもよいが、本実施形態では、各部間の接続には、後述するように、偏波保持光ファイバやマルチモード光ファイバ等の光ファイバが用いられることから、これら入力端子および出力端子には、光ファイバを接続するためのコネクタが用いられる。
【００３９】
以下、形状測定装置Ｓの各部について説明する。まず、光源部１について説明する。図２は、実施形態の形状測定装置における光源部の構成を示す図である。光源部１は、所定の可干渉光であって、測定対象物ＷＡの表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するための測定光を生成する装置である。測定光は、予め設定された所定の波長λ（周波数ω）を持つ単波長光であって、予め設定された所定の偏光面を持つ偏光である。測定光は、測定対象物を両面から光ヘテロダイン干渉法によって測定するために、２つの一面側測定光（第Ａ測定光）および他面側測定光（第Ｂ測定光）を備えている。このような光源部１は、例えば、図２に示すように、単波長レーザ光源１ａと、光アイソレータ１ｂと、光分岐部１ｃと、偏光子１ｄ、１ｆと、出力端子１ｅ、１ｇとを備えて構成される。
【００４０】
単波長レーザ光源１ａは、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長レーザ光を発生する装置であり、種々のレーザ装置を用いることができるが、例えば、所定の光パワーで波長約６３２．８ｎｍのレーザ光を出力することができるヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置）等である。単波長レーザ光源１ａは、波長ロッカ等を備えた周波数安定化レーザ装置が好ましい。光アイソレータ１ｂは、その入力端子からその出力端子へ一方向のみに光を透過させる光部品である。光アイソレータ１ｂは、単波長レーザ光源１ａのレーザ発振を安定させるために、形状測定装置Ｓ内における各光部品（光学素子）の接続部等で生じる反射光（戻り光）が単波長レーザ光源１ａに入射することを防止するものである。
【００４１】
このような光源部１では、単波長レーザ光源１ａから射出されたレーザ光は、光アイソレータ１ｂを介して光分岐部１ｃに入射され、第１レーザ光および第２レーザ光の２つに分配される。第１レーザ光は、偏光子１ｄに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の一面側測定光となって、出力端子１ｅから射出される。この一面側測定光は、一面側測定部２に入射される。一方、第２レーザ光は、偏光子１ｆに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の他面側測定光となって、出力端子１ｇから射出される。この他面側測定光は、他面側測定部３に入射される。
【００４２】
ここで、説明の便宜上、測定対象物ＷＡの一方面（図１に示す例では上側の面（上面））を「Ａ面」と呼称することとし、測定対象物ＷＡの、Ａ面と表裏の関係にある他方面（図１に示す例では下側の面（下面））を「Ｂ面」と呼称することとする。本実施形態では、前記一面側測定光は、測定対象物ＷＡのＡ面の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられ、前記他面側測定光は、測定対象物ＷＡのＢ面の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられる。
【００４３】
光源部１と一面側測定部２との接続、および、光源部１と他面側測定部３との接続には、光源部１および一面側測定部２間の光路長と、光源部１および他面側測定部３間の光路長との調整を容易にする観点から、本実施形態では、それぞれ、光をその偏波面を保持しながら導光する偏波保持光ファイバが用いられる。偏波保持光ファイバは、例えば、ＰＡＮＤＡファイバや楕円コア光ファイバ等である。光源部１の出力端子１ｅから射出した一面側測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、一面側測定部２へ入射し、光源部１の出力端子１ｇから射出した他面側測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、他面側測定部３へ入射する。
【００４４】
次に、一面側測定部２について説明する。図３は、実施形態の形状測定装置における第１態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。図４は、実施形態の形状測定装置における第２態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。
【００４５】
一面側測定部（第Ａ測定部）２は、光源部１からの一面側測定光が入射され、一面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡにおけるＡ面の表面形状の情報を含むビート光信号を得る装置である。
【００４６】
より具体的には、一面側測定部２は、測定対象物ＷＡのＡ面に対向配置され、光源部１からの一面側測定光を第１一面側測定光（第Ａ１測定光）と第２一面側測定光（第Ａ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＷＡのＡ面に照射されて反射された照射後一面側測定光（第Ａ照射後測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光（第Ａ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＷＡのＡ面に照射される前の照射前一面側測定光（第Ａ照射前測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光（第Ａ照射前干渉光）を生成する測定光学系であって、測定対象物ＷＡにおけるＡ面の表面形状を測定するべく複数の照射後一面側干渉光を生成するために、測定対象物ＷＡのＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得る測定光学系である。このような構成の一面側測定部２では、照射前一面側干渉光を基準に、複数の照射後一面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。
【００４７】
さらに、より具体的には、一面側測定部２は、測定対象物ＷＡのＡ面に対向配置され、一面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２一面側測定光を生成し、この２つの第１一面側測定光と第２一面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、一面側測定光から第１および第２一面側測定光が生成されてから第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射され反射される第１一面側光路および第１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射されない第２一面側光路の各光路を含み、そして、測定対象物ＷＡにおけるＡ面の表面形状を測定するために、第１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射される前に第１一面側測定光がさらに複数に分配され、そのそれぞれが測定対象物ＷＡのＡ面に照射され反射され、この第１一面側測定光の複数の分配に対応して、第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉される前に、第２一面側測定光もさらに複数に分配され、そのそれぞれが測定対象物ＷＡのＡ面で反射された複数の第１一面側測定光とそれぞれ干渉する測定光学系である。
【００４８】
このような一面側測定部２として、例えば、図３に示す構成の第１態様にかかる一面側測定部２Ａや図４に示す構成の第２態様にかかる一面側測定部２Ｂが挙げられる。
【００４９】
この第１態様にかかる一面側測定部２Ａは、図３に示すように、入力端子２ａと、光分岐部２ｂ、２ｄ、２ｉ、２ｍ、２ｐと、偏光ビームスプリッタ２ｆと、光波長シフタ２ｃ、２ｌと、反射鏡２ｋ、２ｏと、回折格子２ｅ、２ｎと、１／４波長板２ｇと、レンズ２ｈと、出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）、２ｑとを備えて構成される。
【００５０】
光波長シフタ２ｃ、２ｌは、入射光の波長をシフトして（入射光の周波数を変化させて）入射光の波長（周波数）と異なる波長（周波数）の光を生成する光部品であり、例えば、音響光学効果を利用することによって入射光の波長をシフトする音響光学変調器（acoustooptic modulator）等が用いられる。回折格子２ｅ、２ｎは、入射光を回折する光部品である。回折格子２ｅ、２ｎは、本実施形態では、入射光が格子に入射されるとこの格子を透過して回折光が射出される透過型の回折格子である。レンズ２ｈは、一面側測定部２Ａの測定対象物ＷＡに対する対物レンズであり、非球面の集光レンズである。
【００５１】
このような構成の一面側測定部２Ａでは、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子２ａに入射された一面側測定光は、光分岐部２ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第１一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部２ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２一面側測定光は、第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１一面側測定光は、光波長シフタ２ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２一面側測定光は、反射鏡２ｋを介して光波長シフタ２ｌに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。周波数変更後（波長シフト後）における第１一面側測定光の周波数ωＡ１と第２一面側測定光の周波数ωＡ２との周波数差△ωＡは、特に限定されないが、光ヘテロダインによって干渉させる観点から、例えば、数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の値である。後述の第２態様の一面側測定部２Ｂおよび他面側測定部３も同様である。
【００５２】
なお、本実施形態では、第１一面側測定光および第２一面側測定光のそれぞれを波長シフタ２ｃ、ｃｌによってそれぞれ波長シフトしたが、光ヘテロダインによって干渉させるために、第１一面側測定光の周波数ωＡ１と第２一面側測定光の周波数ωＡ２との間に、所定の周波数差△ωＡが有ればよいので、一方のみであってもよい。後述の第２態様の一面側測定部２Ｂおよび他面側測定部３も同様である。
【００５３】
また、光分岐部２ｂから射出された第２一面側測定光は、本実施形態では光分岐部２ｂによって第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡２ｋによってその進行方向が直角に曲げられ、第１一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡２ｋは、光分岐部２ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００５４】
波長シフタ２ｃから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部２ｄに入射され、第１１一面側測定光（第Ａ１１測定光）および第１２一面側測定光（第Ａ１２測定光）の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ２ｌから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第２一面側測定光）は、光分岐部２ｍに入射され、第２１一面側測定光（第Ａ２１測定光）および第２２一面側測定光（第Ａ２２測定光）の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００５５】
第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部２ｐに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡２ｏを介して光分岐部２ｐに入射される。そして、この光分岐部２ｐに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部２ｐで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前一面側干渉光として出力端子２ｑから射出される。ここでは、光分岐部２ｐは、光結合部として機能している。この出力端子２ｑから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００５６】
また、測定対象物ＷＡのＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の測定光、本実施形態では第１１一面側測定光を照射するために、第１１一面側測定光は、回折格子２ｅに入射され、回折され、複数に分配される。そして、これに対応して第２１一面側測定光も、回折格子２ｎに入射され、回折され、複数に分配される。前記複数の箇所Ｐは、任意の個数でよいが、本実施形態では、測定対象物ＷＡの表面形状として測定箇所の曲率を求めることから、３箇所以上である。前記複数の箇所Ｐの個数が多いほど、求められる曲率の精度が向上し、好ましいが、その情報処理（演算処理）の処理量（演算量）が増すことから、例えば、本実施形態では、前記複数の箇所Ｐの個数は、３箇所である。このため、回折格子２ｅによって回折された回折光のうちの３つの回折光が、測定対象物ＷＡのＡ面における３箇所に同時に照射される第１１一面側測定光として用いられ、これに対応して回折格子２ｎによって回折された回折光のうちの３つの回折光が、後述のように光分岐部２ｉで合わせられて光へテロダイン干渉を行う第２１一面側測定光として用いられる。そして、このように用いられる３つの回折光は、光パワーの点で相対的により強くまた対称性を有することから、例えば、０次回折光、＋１次回折光および−１次回折光が用いられる。
【００５７】
回折格子２ｅで回折された複数（ここでは３個）の第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ２ｆを介して１／４波長板２ｇに入射され、レンズ２ｈで集光され、測定対象物ＷＡのＡ面に、１つの測定箇所ＭＰにおいて複数の箇所Ｐに照射される。そして、この測定対象物ＷＡのＡ面における前記複数の箇所Ｐのそれぞれで反射された複数の第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ２ｈに入射され、そして、１／４波長板２ｇに入射される。したがって、この１／４波長板２ｇの存在によって、偏光ビームスプリッタ２ｆから測定対象物ＷＡのＡ面に照射される複数の第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、測定対象物ＷＡのＡ面で反射して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される複数の第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、回折格子２ｅから偏光ビームスプリッタ２ｆに入射された複数の第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ２ｆを測定対象物ＷＡのＡ面に向かって通過する一方、測定対象物ＷＡのＡ面からレンズ２ｈおよび１／４波長板２ｇを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射した複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が測定対象物ＷＡのＡ面から偏光ビームスプリッタ２ｆへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【００５８】
偏光ビームスプリッタ２ｆから射出された複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、光分岐部２ｉに入射される。光分岐部２ｉには、回折格子２ｎで回折され分配された複数の第２１一面側測定光も、入射される。そして、この光分岐部２ｉに入射された複数の第１１一面側測定光と複数の第２１一面側測定光とは、光分岐部２ｉで各光のそれぞれが合わされて光ヘテロダイン干渉をそれぞれ行い、その複数のビート光信号が複数の照射後一面側干渉光として各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出される。ここでは、光分岐部２ｉは、光結合部として機能している。これら各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出されたビート光信号の複数の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００５９】
本実施形態では、一面側測定部２Ａと一面側位相検波部５とは、シングルモード光ファイバであってもよいが、光軸調整および伝播光の光量における優位性の観点から、複数の伝搬モードを持つマルチモード光ファイバによって接続されている。したがって、本実施形態では、一面側測定部５Ａから射出した照射前一面側干渉光は、マルチモード光ファイバによって導光され、一面側位相検波部５へ入射し、一面側測定部５Ａから射出した複数の照射後一面側干渉光は、複数のマルチモード光ファイバによってそれぞれ導光され、一面側位相検波部５へ入射する。なお、後述の一面側測定部２Ｂと一面側位相検波部５との接続および他面側測定部３と他方面側位相検波部６との接続も同様である。
【００６０】
このような構成の一面側測定部２Ａは、回折格子２ｅを用いることによって１つの光学素子で第１一面側測定光を複数に分けることができ、そして、回折格子２ｎを用いることによって１つの光学素子で第２一面側測定光を複数に分けることができ、一面側測定光の１つの発光で前記複数の箇所Ｐを同時に測定することができる。また、複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）と複数の第２１一面側測定光との光ヘテロダイン干渉も１つの光分岐部２ｉで行うことができる。したがって、一面側測定部２Ａを構成する光部品の個数を低減することができ、装置の小型化および低廉化を実現しやすい。
【００６１】
また、この第２態様にかかる一面側測定部２Ｂは、図４に示すように、入力端子２ａと、光分岐部２ｂ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｍ、２０ｎ、２０ｏ、２０ｐ、２０ｑ、２０ｒ、２０ｕと、偏光ビームスプリッタ２ｆと、光波長シフタ２ｃ、２ｌと、反射鏡２ｋ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｊ、２０ｋ、２０ｌ、２０ｓ、２０ｔと、１／４波長板２ｇと、レンズ２ｈと、出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）、２ｑとを備えて構成される。
【００６２】
このような構成の一面側測定部２Ｂでは、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子２ａに入射された一面側測定光は、光分岐部２ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第２一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部２ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第１一面側測定光は、第２一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第２一面側測定光は、光波長シフタ２ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第１一面側測定光は、反射鏡２ｋを介して光波長シフタ２ｌに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。
【００６３】
また、光分岐部２ｂから射出された第１一面側測定光は、本実施形態では光分岐部２ｂによって第２一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡２ｋによってその進行方向が直角に曲げられ、第２一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡２ｋは、光分岐部１ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００６４】
波長シフタ２ｌから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部２０ａに入射され、第１１一面側測定光および第１２一面側測定光の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ２ｃから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第２一面側測定光）は、光分岐部２０ｐに入射され、第２１一面側測定光および第２２一面側測定光の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００６５】
第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部２０ｕに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡２０ｔを介して光分岐部２０ｕに入射される。そして、この光分岐部２０ｕに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部２０ｕで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前一面側干渉光として出力端子２ｑから射出される。ここでは、光分岐部２ｐは、光結合部として機能している。この出力端子２ｑから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００６６】
また、測定対象物ＷＡのＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の測定光、本実施形態では第１１一面側測定光を照射するために、第１１一面側測定光は、複数の光分岐部２０に順次に入射され、各光分岐部で順次に分配され、複数に分配される。これに対応して第２１一面側測定光も、複数の光分岐部２０に順次に入射され、各光分岐部で順次に分配され、複数に分配される。本実施形態では、一面側測定部２Ａの説明で上述したように、前記複数の箇所Ｐの個数は、３箇所である。このため、より具体的には、第１１一面側測定光は、２個の光分岐部２０ｂおよび光分岐部２０ｃに順次に入射され、各光分岐部２０ｂ、２０ｃで順次に分配され、３つに分配される。これに対応して第２１一面側測定光も、２個の光分岐部２０ｑおよび光分岐部２０ｒに順次に入射され、各光分岐部２０ｑ、２０ｒで順次に分配され、３つに分配される。
【００６７】
光分岐部２０ｂで分配された一方の第１１一面側測定光は、第１番目の第１１一面側測定光として、反射鏡２０ｅを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。光分岐部２０ｂで分配された他方の第１１一面側測定光は、光分岐部２０ｃに入射され、さらに分配される。この光分岐部２０ｃで分配された一方の第１１一面側測定光は、第２番目の第１１一面側測定光として、反射鏡２０ｆを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。そして、この光分岐部２０ｃで分配された他方の第１１一面側測定光は、第３番目の第１１一面側測定光として、反射鏡２０ｄおよび反射鏡２０ｇを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。
【００６８】
ここで、この光分岐部２０ｂで分配された他方の第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｂで分配された一方の第１１一面側測定光は、前記他方の第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。この光分岐部２０ｃで分配された他方の第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｃで分配された一方の第１１一面側測定光は、前記他方の第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。そして、反射鏡２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇは、それぞれ、入射光の進行方向に対し略直交する方向で射出する。したがって、反射鏡２０ｅ、２０ｆ、２０ｇから偏光ビームスプリッタ２ｆへ向かう第１番目ないし第３番目の各第１１一面側測定光は、互いに略同じ方向に向かって進行している。
【００６９】
また、光分岐部２０ｑで分配された一方の第２１一面側測定光は、第１番目の第２１一面側測定光として、光分岐部２０ｏに入射される。光分岐部２０ｑで分配された他方の第２１一面側測定光は、光分岐部２０ｒに入射され、さらに分配される。この光分岐部２０ｒで分配された一方の第２１一面側測定光は、第２番目の第２１一面側測定光として、光分岐部２０ｎに入射される。そして、この光分岐部２０ｒで分配された他方の第２１一面側測定光は、第３番目の第２１一面側測定光として、反射鏡２０ｓを介して光分岐部２０ｍに入射される。
【００７０】
ここで、この光分岐部２０ｑで分配された他方の第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｑで分配された一方の第２１一面側測定光は、前記他方の第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。この光分岐部２０ｒで分配された他方の第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｒで分配された一方の第２１一面側測定光は、前記他方の第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。そして、反射鏡２０ｓは、入射光の進行方向に対し直交する方向で射出する。したがって、光分岐部２０ｑ、光分岐部２０ｒ、反射鏡２０ｓから光分岐部２０ｏ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｍへ向かう第１番目ないし第３番目の各第２１一面側測定光は、互いに略同じ方向に向かって進行している。
【００７１】
そして、反射鏡２０ｅ、２０ｆ、２０ｇから偏光ビームスプリッタ２ｆに入射された第１番目ないし第３番目の各第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ２ｆを介して１／４波長板２ｇに入射され、レンズ２ｈで集光され、測定対象物ＷＡのＡ面に１つの測定箇所ＭＰにおいて複数の箇所Ｐ（ここでは３箇所）で照射される。この測定対象物ＷＡのＡ面における前記複数の箇所Ｐのそれぞれで反射された複数（ここでは３箇所）の第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ２ｈに入射され、そして、１／４波長板２ｇを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。これら偏光ビームスプリッタ２ｆに入射された各第１１一面側測定光（各照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が測定対象物ＷＡのＡ面から偏光ビームスプリッタ２ｆへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【００７２】
偏光ビームスプリッタ２ｆから射出された各第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、反射鏡２０ｊ、反射鏡２０ｋ、反射鏡２０ｌでそれぞれ反射され、その進行方向が略直角に曲げられ、光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏにそれぞれ入射される。これら光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏのそれぞれには、上述したように、反射鏡２０ｓ、光分岐部２０ｒ、光分岐部２０ｑからの各第２１一面側測定光も、入射されている。そして、これら光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏのそれぞれに入射された各第１１一面側測定光と各第２１一面側測定光とは、これら光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏのそれぞれで各光のそれぞれが合わされて光ヘテロダイン干渉をそれぞれ行い、その複数（ここでは３個）のビート光信号が各照射後一面側干渉光として各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出される。ここでは、光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏは、光結合部として機能している。これら各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出されたビート光信号の複数の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００７３】
このような構成の一面側測定部２Ｂでは、１または複数、図４に示す例では２個の光分岐部２０ｂ、２０ｃによって第１一面側測定光が複数に分けられ、１または複数、図４に示す例では２個の光分岐部２０ｑ、２０ｒによって第２一面側測定光が複数に分けられ、一面側測定光の１回の発光で前記複数の箇所Ｐが同時に測定される。このように光分岐部を用いるので、このような構成の一面側測定部２Ｂは、その光学設計や調整において、高い自由度を持ち、その制約が低減される。図３に示す構成の一面側測定部２Ａと比較すると、この一面側測定部２Ａでは、回折格子２ｅ、２ｎおよびレンズ２ｈのパラメータによって、各光学素子間の距離や複数の箇所における各距離が略一意に決まり、その光学設計や調整において、その自由度が比較的少ないが、この図４に示す構成の一面側測定部２Ｂでは、各光学素子の光軸を個別に調整することができるため、その光学設計や調整において、その制約が比較的少なく、高い自由度を有している。
【００７４】
次に、他面側測定部３について説明する。図５は、実施形態の形状測定装置における第２測定部の構成を示す図である。
【００７５】
他面側測定部（第Ｂ測定部）３は、光源部１からの他面側測定光が入射され、他面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡにおけるＢ面の表面形状の情報を含むビート光信号を得る装置である。
【００７６】
より具体的には、他面側測定部３は、測定対象物ＷＡのＢ面に対向配置され、光源部１からの他面側測定光（第Ｂ測定光）を第１他面側測定光（第Ｂ１測定光）と第２他面側測定光（第Ｂ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における測定対象物ＷＡのＢ面に照射されて反射された照射後他面側測定光（第Ｂ照射後測定光）と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光（第Ｂ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における測定対象物ＷＡのＢ面に照射される前の照射前他面側測定光（第Ｂ照射前測定光）と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光（第Ｂ照射前干渉光）を生成する測定光学系である。このような構成の他面側測定部３では、照射前他面側干渉光を基準に、複数の照射後他面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。
【００７７】
さらに、より具体的には、他面側測定部３は、測定対象物ＷＡのＢ面に対向配置され、他面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２他面側測定光を生成し、この２つの第１他面側測定光と第２他面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、他面側測定光から第１および第２他面側測定光が生成されてから第１他面側測定光と第２他面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１他面側測定光が測定対象物ＷＡのＢ面に照射され反射される第１他面側光路および第１他面側測定光が測定対象物ＷＡのＢ面に照射されない第２他面側光路を含む測定光学系である。
【００７８】
このような他面側測定部３は、例えば、図５に示すように、入力端子３ａと、光分岐部３ｂ、３ｄ、３ｈ、３ｌ、３ｎと、偏光ビームスプリッタ３ｅと、光波長シフタ３ｃ、３ｋと、反射鏡３ｊ、３ｍと、１／４波長板３ｆと、レンズ３ｇと、出力端子３ｉ、３ｏとを備えて構成される。
【００７９】
このような構成の他面側測定部３では、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子３ａに入射された他面側測定光は、光分岐部３ｂに入射され、第１他面側測定光および第２他面側測定光の２つに分配される。第１他面側測定光は、そのままの方向（光分岐部３ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２他面側測定光は、第１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１他面側測定光は、光波長シフタ３ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２他面側測定光は、反射鏡３ｊを介して光波長シフタ３ｋに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。
【００８０】
また、光分岐部３ｂから射出された第２他面側測定光は、本実施形態では光分岐部３ｂによって第１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡３ｊによってその進行方向が直角に曲げられ、第１他面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡３ｊは、光分岐部３ｂから射出された第１他面側測定光の進行方向と第２他面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００８１】
波長シフタ３ｃから射出された第１他面側測定光（波長シフト後の第１他面側測定光）は、光分岐部３ｄに入射され、第１１他面側測定光（第Ｂ１１測定光）および第１２他面側測定光（第Ｂ１２測定光）の２つに分配される。この第１１他面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２他面側測定光は、第１１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ３ｋから射出された第２他面側測定光（波長シフト後の第２他面側測定光）は、光分岐部２ｌに入射され、第Ｂ２１測定光および第Ｂ２２測定光の２つに分配される。この第Ｂ２１測定光は、そのままの方向で進行する一方、第Ｂ２２測定光は、第Ｂ２１測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００８２】
第１２他面側測定光は、照射前他面側測定光であり、光分岐部３ｎに入射され、第Ｂ２２測定光は、反射鏡３ｍを介して光分岐部３ｎに入射される。そして、この光分岐部３ｎに入射された第１２他面側測定光と第Ｂ２２測定光とは、光分岐部３ｎで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前他面側干渉光として出力端子３ｏから射出される。ここでは、光分岐部３ｎは、光結合部として機能している。この出力端子３ｏから射出されたビート光信号の照射前他面側干渉光は、他方面側位相検波部６に入射される。
【００８３】
第１１他面側測定光は、偏光ビームスプリッタ３ｅを介して１／４波長板３ｆに入射され、レンズ３ｇで集光され、測定対象物ＷＡのＢ面に照射される。そして、この測定対象物ＷＡのＢ面で反射された第１１他面側測定光は、照射後他面側測定光として、再び、レンズ３ｇに入射され、そして、１／４波長板３ｆに入射される。したがって、この１／４波長板３ｆの存在によって、偏光ビームスプリッタ３ｅから測定対象物ＷＡのＢ面に照射される第１１他面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、測定対象物ＷＡのＢ面で反射して偏光ビームスプリッタ３ｅに入射される第１１他面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、光分岐部３ｄから偏光ビームスプリッタ３ｅに入射された第１１他面側測定光は、偏光ビームスプリッタ３ｅを測定対象物ＷＡのＢ面に向かって通過する一方、測定対象物ＷＡのＢ面からレンズ３ｇおよび１／４波長板３ｆを介して偏光ビームスプリッタ３ｅに入射した第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）が測定対象物ＷＡのＢ面から偏光ビームスプリッタ３ｅへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【００８４】
偏光ビームスプリッタ３ｅから射出された第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）は、光分岐部３ｈに入射される。光分岐部３ｈには、光分岐部３ｌで分配された第Ｂ２１測定光も、入射される。そして、この光分岐部３ｈに入射された第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）と第Ｂ２１測定光とは、光分岐部３ｈで各光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射後他面側干渉光として出力端子３ｉから射出される。ここでは、光分岐部３ｈは、光結合部として機能している。この出力端子３ｉから射出されたビート光信号の照射後他面側干渉光は、他方面側位相検波部６に入射される。
【００８５】
そして、一面側測定部２と他面側測定部３とは、測定対象物ＷＡのＡ面における測定箇所（測定位置）とそのＢ面における測定箇所（測定位置）とが表裏関係で以て同じ位置となるように、配置される。すなわち、測定対象物ＷＡの厚さ方向をＺ軸とし、前記厚さ方向に直交する水平面内における互いに直交する２方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする直交ＸＹＺ座標系を設定する場合に、複数の第１１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射される複数の箇所のうちのいずれかの箇所（例えば、複数の箇所における中央の箇所等）のＸ座標値およびＹ座標値が、第１１他面側測定光が測定対象物ＷＡのＢ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値と一致するように、正対配置される。
【００８６】
次に、ステージ４について説明する。図６は、実施形態の形状測定装置におけるステージの構成を示す図である。ステージ４は、演算制御部７の制御に従って、測定対象物ＷＡの厚さ方向に直交する水平方向に測定対象物ＷＡを移動する装置である。ステージ４は、上述のようにＸＹＺ座標系を設定した場合に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に測定対象物ＷＡを移動することができるＸＹステージであってもよいが、本実施形態では、測定対象物ＷＡが半導体ウェハである場合に、一般に、半導体ウェハが円盤状の形状であることから、ステージ４は、測定対象物ＷＡを回転移動することができるとともに、前記回転の径方向にも移動することができる装置である。このため、測定箇所における測定値は、円柱座標系ＲθＺで表現されることが好ましい。
【００８７】
このようなステージ４は、より具体的には、例えば、図６に示すように、測定対象物ＷＡの振動による影響を受けることなく、測定対象物ＷＡの測定箇所ＭＰにおける厚さ等の表面形状を高精度にかつ高速に測定することができるように、中央部材から径方向に延びる３個のアーム部材を備え、前記アーム部材の先端で、半導体ウェハ等の円盤状の測定対象物ＷＡをその縁部（エッジ領域）において円周上の３箇所で３点支持する支持部４ｄと、前記支持部４ｄの中央部材に連結される回転軸４ａと、回転軸４ａを回転駆動する回転駆動部４ｂと、回転駆動部４ｂを所定の移動範囲内で直線移動する直線駆動部４ｃとを備えている。これら回転駆動部４ｂや直線駆動部４ｃは、例えばサーボモータ等のアクチュエータや減速ギヤ等の駆動機構を備えて構成される。
【００８８】
このような構成のステージ４では、測定対象物ＷＡが支持部４ｄにおける３個のアーム部材の各先端に載せられて支持部４ｄによって３点支持される。そして、このように測定対象物ＷＡがステージ４に載置された場合に、測定対象物ＷＡのＡ面およびＢ面が一面側測定部２および他面側測定部３によって測定することができるように、ステージ４が一面側測定部２および他面側測定部３の配置位置に対して配設される。
【００８９】
そして、このような構成のステージ４では、演算制御部７の制御に従って回転駆動部４ｂが回転することで、回転軸４ａを介して支持部４ｄが回転し、測定対象物ＷＡが回転軸４ａ（支持部４ｄの中央部材）を中心に回転する。そして、演算制御部７の制御に従って回転駆動部４ｂが回転駆動部４ｂを直線移動することで、測定対象物ＷＡが径方向に沿って移動する。このような回転駆動部４ｂによる測定対象物ＷＡの回転移動と、直線駆動部４ｃによる測定対象物ＷＡの直線方向の移動とを併用することによって、ステージ４の移動範囲内において測定対象物ＷＡの所望の測定箇所ＭＰを測定することができる。ここで、１個の測定箇所ＭＰには、上述したように、一面側測定部２によって複数の箇所Ｐで第１１一面側測定光が照射される。
【００９０】
次に、一面側位相検波部（第Ａ位相検波部）５について説明する。図７は、実施形態の形状測定装置における第１態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。図８は、実施形態の形状測定装置における第２態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。
【００９１】
一面側位相検波部５は、一面側測定部２（２Ａ、２Ｂ）によって得られた複数の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡを検出するための装置である。本実施形態では、３箇所の測定箇所ＭＰＡ１、ＭＰＡ２、ＭＰＡ３について、３個の照射後一面側干渉光が得られることから、３個の位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３が検出される。
【００９２】
このような一面側位相検波部５として、例えば、図７に示す構成の第１態様にかかる一面側位相検波部５Ａや図８に示す構成の第２態様にかかる一面側位相検波５Ｂが挙げられる。
【００９３】
この第１態様にかかる一面側位相検波部５Ａは、図７に示すように、光電変換部５ａ（５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３）、５ｂと、位相検波器５ｃ、５ｄ、５ｅとを備えて構成される。
【００９４】
光電変換部５ａ、５ｂは、例えばホトダイオード等の、入射光の光量に応じた信号レベルの電気信号に変換して該電気信号を出力する光電変換素子を備えて構成される。光電変換部５ａは、前記複数の箇所（測定箇所ＭＰ）の個数に応じて用意され、一面側測定部２からの複数の照射後一面側干渉光をそれぞれ受光して、その各光量に応じた信号レベルの各電気信号を各一面側測定ビート信号（第Ａ測定ビート信号）ＳｉｇＡとして出力するものである。本実施形態では、前記複数の箇所は、３個であることから、３個の光電変換部５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３が用意される。各光電変換部５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３のそれぞれは、一面側測定部２の出力端子２ｊ−１、２ｊ−２、２ｊ−３からそれぞれ射出された３個の照射後一面側干渉光を各マルチモード光ファイバおよび図略の各入力端子を介してそれぞれ受光し、これら各照射後一面側干渉光の各光量に応じて各一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−１、ＳｉｇＡ−２、ＳｉｇＡ−３をそれぞれ出力する。そして、光電変換部５ｂは、一面側測定部２からの照射前一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側参照ビート信号（第Ａ参照ビート信号）ＲｅｆＡとして出力するものである。
【００９５】
位相検波器５ｃ、５ｄ、５ｅは、入力信号間の位相を検出する装置である。位相検波器５ｃは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２とが入力され、これら一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２との間における位相差△ΦＡａ２−ｒを検出する。位相検波器５ｄは、光電変換部５ａ−１から一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−１と光電変換部５ａ−２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２とが入力され、一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−１と一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２との間における位相差△ΦＡａ１−ａ２を検出する。位相検波器５ｅは、光電変換部５ａ−２から一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−２と光電変換部５ａ−３から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３とが入力され、一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−２と一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３との間における位相差△ΦＡａ３−ａ２を検出する。これら位相差△ΦＡａ２−ｒ、位相差△ΦＡａ１−ａ２および位相差△ΦＡａ３−ａ２から、演算処理によって、一面側測定部２によって得られた複数の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３を検出することができる。この演算処理は、一面側位相検波部５Ａによって実行されてもよく、また、演算制御部７によって実行されてもよい。
【００９６】
このような演算処理を不要とするために、第２態様にかかる一面側位相検波部５Ｂは、図８に示すように、光電変換部５ａ（５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３）、５ｂと、位相検波器５ｃ、５ｄ、５ｅとを備え、位相検波器５ｃは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ２を検出する。位相検波器５ｄは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−１から第Ａ測定ビート信号ＳｉｇＡ−１とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−１と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ１を検出する。位相検波器５ｅは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−３から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ３を検出する。
【００９７】
次に、他方面側位相検波部（第Ｂ位相検波部）６について説明する。図９は、実施形態の形状測定装置における他方面側位相検波部の構成を示す図である。
【００９８】
他方面側位相検波部６は、他面側測定部３によって得られた照射後他面側干渉光と照射前他面側干渉光との間における各位相差△ΦＢを検出するための装置である。より具体的には、このような他方面側位相検波部６は、例えば、図９に示すように、光電変換部６ａ、６ｂと、位相検波器６ｃとを備えて構成される。
【００９９】
光電変換部６ａは、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、他面側測定部３からの照射後他面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を他面側測定ビート信号（第Ｂ測定ビート信号）ＳｉｇＢとして出力するものである。光電変換部６ｂは、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、他面側測定部３からの照射前他面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を他面側参照ビート信号（第Ｂ参照ビート信号）ＲｅｆＢとして出力するものである。
【０１００】
位相検波器６ｃは、入力信号間の位相を検出する装置であり、光電変換部６ｂから他面側参照ビート信号ＲｅｆＢと光電変換部６ａから他面側測定ビート信号ＳｉｇＢとが入力され、これら他面側参照ビート信号ＲｅｆＢと他面側測定ビート信号ＳｉｇＢとの間における位相差△ΦＢを検出する。
【０１０１】
演算制御部７は、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや測定対象物ＷＡの表面形状を一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６の各出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部７は、機能的に、曲率算出部７１と、形状算出部７２と、ステージ制御部７３と、光源制御部７４と、厚さ算出部７５とを備えている。
【０１０２】
ステージ制御部７３は、測定対象物ＷＡにおける複数の測定箇所ＭＰを測定するために、測定対象物ＷＡが厚さ方向に直交する水平方向に移動するように、ステージ４における回転駆動部４ｂおよび直線駆動部４ｃの各動作を制御するものである。光源制御部７４は、光源部１の動作を制御するものである。
【０１０３】
厚さ算出部７５は、一面側測定部２によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部５で位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部３によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部６で位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から測定対象物ＷＡにおけるＡ面からＢ面までの距離を測定対象物ＷＡの厚さとして求めるものである。より具体的には、厚さ算出部７５は、一面側測定部２によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部５で位相検波することによって得られた一面側位相差△ΦＡと、他面側測定部３によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部６で位相検波することによって得られた他方面側位相差△ΦＢとの差分（△ΦＡ−△ΦＢ）から測定対象物ＷＡにおけるＡ面からＢ面までの距離を測定対象物ＷＡの厚さとして求める。この差分（△ΦＡ−△ΦＢ）は、測定対象物ＷＡの厚さに関する値であり、一面側測定光の波長および他面側測定光の波長とが等しいとの近似の下に、一面側測定光の波長をλとする場合に、測定対象物ＷＡの厚さＤは、例えば、Ｄ＝（△ΦＡ＋△ΦＢ）×（λ／２）／（２π）によって求められる。前記式の符号（△ΦＡと△ΦＢとの間の符号）は、光学系によって正負いずれもとることができ、通常、一面側測定部２および他面側測定部３を対称に作った（構成した）場合には、正（＋）となる。なお、本実施形態では、一面側と他面側との測定光は、同じ光源からの光を分岐したものであり、一面側と他面側との測定光の波長は、一致している。
【０１０４】
そして、演算制御部７は、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのそれぞれについて、予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面（Ａ面）までの距離ｄ（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）を求めることによって、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐでの測定対象物ＷＡの表面形状を求めるものである。本実施形態では、測定対象物ＷＡの表面形状として例えば曲率や前記曲率に基づく円弧が曲率算出部７１や形状算出部７２によって求める。
【０１０５】
曲率算出部７１は、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのそれぞれについて、予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面（Ａ面）までの距離ｄ（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）に基づいて、前記複数の箇所Ｐにおける曲率、すなわち、前記測定箇所ＭＰでの曲率を求めるものである。本実施形態では、前記複数の箇所Ｐは、３箇所であるので、曲率算出部７１は、図１０に示すように、曲率ＣＦを、ＣＦ＝（２ｄｂ−ｄａ−ｄｃ）／（ｗ２）によって求める。ここで、ｄａは、第１番目の箇所Ｐａにおける前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離であり、ｄｂは、第２番目の箇所Ｐｂにおける前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離であり、ｄｃは、第３番目の箇所Ｐｃにおける前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離である。この距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃは、実際の距離をそのままに表す絶対値ではなく前記基準面からの相対値であり、この距離ｄａは、ｄａ＝（△ΦＡ１／（２π）＋ｎ１）×（λ／２）＋Ｎ１によって求められ、距離ｄｂは、ｄｂ＝（△ΦＡ２／（２π）＋ｎ２）×（λ／２）＋Ｎ２によって求められ、距離ｄｃは、ｄｃ＝（△ΦＡ３／（２π）＋ｎ３）×（λ／２）＋Ｎ３によって求められる。このように前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離でｄは、例えば、ｄ＝（△ΦＡ／（２π）＋ｎ）×（λ／２）＋Ｎによって求められる。なお、前記基準面は、一面側測定部２から照射される測定光の光軸に対し水平な水平面であり、前記光軸に沿った任意の位置に設定される。前記定数Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は、前記基準面に対する初期値であり、例えば測定対象物ＷＡの測定の度に事前に測定され、当該形状測定装置Ｓに記憶される。また、数値ｎ、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、連続測定の場合に前記初期値に対する変化分を位相の整数倍で表すものである。そして、ｗは、隣接する測定光照射位置間の距離（面方向）である。曲率ＣＦの逆数が曲率半径ＣＦＲである。
【０１０６】
形状算出部７２は、曲率算出部７１によって求められた、複数の測定箇所ＭＰでの各曲率によって得られる各円弧を連結することによって、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を表面形状として求めるものである。例えば、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのうちの中央位置に在る箇所Ｐから曲率算出部７１で求められた曲率ＣＦに対応する曲率半径ＣＦＲで、前記中央位置の箇所Ｐを含む円弧が、前記測定箇所ＭＰでの円弧として求められ、各測定箇所ＭＰでの各円弧が連結される。
【０１０７】
入力部８は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや測定対象物の属性情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。出力部９は、入力部８で受け付けたコマンドやデータおよび測定結果等を出力するための装置であり、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。これら入力部８および出力部９は、演算制御部７に接続される。
【０１０８】
次に、本実施形態における形状測定装置Ｓの動作について説明する。図１１は、実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合における測定箇所を説明するための図である。図１１における○は、測定箇所ＭＰを示し、その破線は、各測定箇所ＭＰの軌跡を示す。図１２は、実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合において、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐと測定結果とを説明するための図である。図１２（Ａ）は、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを説明するための図であり、図１２（Ｂ）は、各測定箇所ＭＰにおける測定結果を示す図である。図１２（Ａ）における●は、測定箇所における複数の箇所Ｐを示し、その円弧状の破線は、各測定箇所ＭＰの軌跡を示す。図１２（Ｂ）の横軸は、測定対象物ＷＡにおける周方向の位置座標を表し、その縦軸は、面高さを表す。図１２（Ｂ）における●は、測定結果を示す。また、図１２における直線上の実線および破線は、図１２（Ａ）と図１２（Ｂ）との対応関係を表すものである。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐは、説明の便宜上、３個として説明を行う。
【０１０９】
図略の電源スイッチがオンされると、形状測定装置Ｓが起動され、演算制御部７によって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の測定対象物ＷＡがステージ４に載置され、入力部８から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部７は、測定対象物ＷＡの表面形状の測定を開始する。
【０１１０】
まず、演算制御部７の光源制御部７４は、光源部１を駆動し、単波長レーザ光源１ａに所定のレーザ光を発光させる。この単波長レーザ光源１ａによる所定のレーザ光の発光により、上述した光学系の作用によって、一面側測定光および他面側測定光が光源部１の出力端子１ｅおよび出力端子１ｇからそれぞれ射出される。
【０１１１】
続いて、この光源部１の出力端子１ｅから射出された一面側測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、一面側測定部２に入射される。この一面側測定部２では、この入射された一面側測定光から上述した光学系の作用によって照射前一面側干渉光および３個の照射後一面側干渉光とが生成され、出力端子２ｑおよび３個の出力端子２ｊ−１〜２ｊ−３からそれぞれ射出される。続いて、この一面側測定部２の出力端子２ｑおよび３個の出力端子２ｊ−１〜２ｊ−３からそれぞれ射出された照射前一面側干渉光および３個の照射後一面側干渉光とは、各マルチモード光ファイバを伝播し、一面側位相検波部５に入射される。この一面側位相検波部５では、これら照射前一面側干渉光と３個の照射後一面側干渉光との位相検波によって、これら３個の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３に関連あるいは表すデータが生成される。
【０１１２】
一方、この光源部１の出力端子１ｇから射出された他面側測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、他面側測定部３に入射される。この他面側測定部３では、この入射された他面側測定光から上述した光学系の作用によって照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光とが生成され、出力端子３ｏおよび出力端子２ｉからそれぞれ射出される。続いて、この他面側測定部３の出力端子２ｏおよび出力端子３ｉからそれぞれ射出された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光とは、各マルチモード光ファイバを伝播し、他方面側位相検波部６に入射される。この他方面側位相検波部６では、これら照射前他面側干渉光と照射後他面側干渉光との位相検波によって、照射後他面側干渉光について、照射前他面側干渉光との間における各位相差△ΦＢを表すデータが生成される。
【０１１３】
これら一面側測定部２および一面側位相検波部５と他面側測定部３および他方面側位相検波部６とがこのような動作を行っている際に、演算制御部７のステージ制御部７３は、ステージ４を制御することによって、測定対象物ＷＡをその厚さ方向に直交する水平方向に移動させる。
【０１１４】
より具体的には、例えば、本実施形態では、ステージ制御部７は、ステージ４の回転駆動部４ｂを制御することによって測定対象物ＷＡを回転させつつ、ステージ４の直線駆動部４ｃを制御することによって測定対象物ＷＡを直線方向に移動させる。このようなステージ制御部７３によるステージ４の制御を行っている間に、演算制御部７は、測定箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、図１１に示すように、複数の測定箇所ＭＰの各位置の軌跡が螺旋を描くように、測定対象物ＷＡにおける測定箇所ＭＰの位置を順次に変更しつつ測定対象物ＷＡにおける各測定箇所ＭＰでの各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得される。また例えば、ステージ制御部７は、ステージ４の回転駆動部４ｂを制御することによって測定対象物ＷＡを回転させつつ、この間に、演算制御部７は、測定箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。続いて、測定対象物ＷＡが１回転したところで、ステージ４の直線駆動部４ｃを制御することによって測定対象物ＷＡを直線方向に所定の距離だけ移動させる。そして、この直線方向に所定の距離だけ移動したところで、上述と同様に、演算制御部７は、測定対象物ＷＡを回転させつつ、この間に、所定の位置での各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、半径の異なる円周上の各位置での各測定箇所ＭＰで各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得される。
【０１１５】
ここで、上述の形状測定装置Ｓにおいて、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとが２つ以上重なるように、測定対象物ＷＡを水平方向に移動するように、演算制御部７のステージ制御部７３は、ステージ４を制御し、そして、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得してもよい。
【０１１６】
また、上述の形状測定装置Ｓにおいて、複数の箇所Ｐが、移動方向に沿って並び、この移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所Ｐの間隔が等しくなるように、演算制御部７のステージ制御部７３は、ステージ４を制御し、そして、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得してもよい。
【０１１７】
例えば、ステージ制御部７３は、各測定箇所ＭＰの各位置の軌跡が螺旋を描く場合では、測定対象物ＷＡが周方向に一定の角速度で回転するように回転駆動部４ｂを制御しつつ、測定対象物ＷＡが直線方向に一定の速度で移動するように直線駆動部４ｃを制御する。この場合でも、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとが２つ以上重なるように、周方向に回転させつつ、直線方向に移動するようにステージ４が制御される。あるいは、ステージ制御部７３は、各測定箇所ＭＰの各位置が円周上に並ぶ場合では、測定対象物ＷＡが周方向に一定の角速度で回転するように回転駆動部４ｂを制御し、１回転したところで、測定対象物ＷＡが直線方向に所定の距離だけ移動するように直線駆動部４ｃを制御する。そして、演算制御部７は、一定の周期で、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。
【０１１８】
このようなステージ制御部７３によるステージ４の制御および演算制御部７のデータ取得のタイミングの制御を行うことにより、例えば、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとを２つ重ね、かつ、移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所Ｐの間隔を等しくすると（曲線（円弧）ＡＲ上での距離を等しくすると）、各測定箇所ＰＭでの複数の箇所Ｐは、図１２（Ａ）に示す位置となる。図１２（Ａ）に示す例では、第１番目の測定箇所ＭＰ１では、曲線（円弧）ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−１１、Ｐ−１２、Ｐ−１３で前記各位相差のデータが取得され、第２番目の測定箇所ＭＰ２では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−２１、Ｐ−２２、Ｐ−２３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ−２２が箇所Ｐ−１１に重なり、箇所Ｐ−２３が箇所Ｐ−１２に重なる。そして、第３番目の測定箇所ＭＰ３では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−３１、Ｐ−３２、Ｐ−３３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ−３２が箇所Ｐ−２１に重なり、箇所Ｐ−３３が箇所Ｐ−２２および箇所Ｐ−１１に重なる。また、第４番目の測定箇所ＭＰ４では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−４１、Ｐ−４２、Ｐ−４３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ−４２が箇所Ｐ−３１に重なり、箇所Ｐ−４３が箇所Ｐ−３２および箇所Ｐ−２１に重なる。
【０１１９】
続いて、これら各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得されると、演算制御部７の厚さ算出部７５は、上述した演算式によって、測定箇所ＭＰにおける厚さＤ、例えば箇所Ｐｂの厚さＤを求め、測定箇所ＭＰにおける測定対象物ＷＡの厚さＤを求める。
【０１２０】
続いて、演算制御部７の曲率算出部７１は、測定箇所ＭＰにおける３個の箇所Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃのそれぞれについての測定対象物ＷＡの距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃに基づいて、上述した演算式によって、測定箇所ＭＰにおける曲率ＣＦを求める。
【０１２１】
続いて、演算制御部の形状算出部７２は、曲率算出部７１によって求められた、複数の測定箇所ＭＰでの各曲率ＣＦによって得られる各円弧を連結することによって、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を求める。例えば、実線の曲線で図１２（Ｂ）に示すように、４個の第１ないし第４測定箇所ＭＰ１〜ＭＰ４での各曲率ＣＦ１〜ＣＦ４によって得られる各円弧を連結することによって、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布が求められる。
【０１２２】
続いて、演算制御部７は、これら求めた厚さ分布、曲率および表面の高さ分布を測定対象物ＷＡの表面形状として出力部９に出力し、出力部９は、これら厚さ分布、曲率および表面の高さ分布を測定対象物ＷＡの表面形状として表示する。
【０１２３】
このように動作することによって、本実施形態における形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、測定対象物ＷＡの一方面に対し測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐで光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡの一方面から他方面までの距離が測定され、測定対象物ＷＡの厚さと面の表面形状が１回の測定で求めることができ、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、測定対象物ＷＡの厚さと表面形状とをより高い精度で測定することができる。例えば、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、ナノメートルレベルの精密な測定が可能となる。このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、製造工程中や製造後における製品検査等の用途で半導体ウェハの製造工場等で好適に使用することができる。
【０１２４】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、ステージ４によって測定対象物ＷＡが水平方向に移動され、測定対象物ＷＡの厚みが走査される。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、前記走査の範囲について、測定対象物ＷＡの厚さ分布をより高い精度で測定することができる。
【０１２５】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、測定対象物ＷＡの表面における曲率ＣＦを測定対象物ＷＡの表面形状として測定することができる。
【０１２６】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、複数の曲率ＣＦによって得られる複数の円弧が連結される。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を測定対象物ＷＡの表面形状として測定することができ、測定対象物ＷＡにおける表面の形状を再現することができる。
【０１２７】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重ねられる。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、連続的に測定対象物ＷＡの表面形状を容易に測定することができる。
【０１２８】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、移動方向に沿って並ぶ２つの箇所Ｐの間隔が等しい。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、ステージ４の制御が容易となり、また、一定の間隔で、測定対象物ＷＡの表面形状を測定することができる。
【０１２９】
また、上述の形状測定装置Ｓでは、一面側光変調器および他面側光変調器が光源部１内に設けられるのではなく、一面側測定部２は、その内部に、より具体的には、筐体内部に一面側光変調器の一例としての波長シフタ２ｃ、２ｌを備え、他面側測定部３は、その内部に、より具体的には、筐体内部に他面側光変調器の一例としての波長シフタ３ｃ、３ｋを備えている。このため、このような構成の形状測定装置Ｓは、光源部１から一面側測定部２に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無く、そして、光源部１から他面側測定部３に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無い。したがって、形状測定装置Ｓは、測定対象物ＷＡの表面形状をより高い精度で測定することができる。
【０１３０】
なお、上述の実施形態において、形状測定装置Ｓは、エッジロールオフを表す指標を演算制御部７によって求めてもよい。図１３は、エッジロールオフを説明するための図である。図１３（Ａ）は、ウェハ（Wafer）の表面プロファイル（Surface Profile）を示す模式図であり、図１３（Ｂ）は、前記ウェハの縦断面模式図である。図１３（Ａ）の横軸は、ウェハにおけるエッジからの距離であり、その縦軸は、高さである。
【０１３１】
半導体ウェハには、図１３に示すように、最も外側にＣｈａｍｆｅｒと呼ばれる面取部があり、例えば、３００ｍｍウェハでは、物理的な先端から約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの領域が前記面取部に当たる。エッジロールオフ（Edge Roll-off）は、前記面取部より内部の数ｍｍまでに至る領域である。このエッジロールオフは、様々な要因によって生じるが、その大きな要因は、半導体ウェハの研磨工程にある。このエッジロールオフは、通常、図１３に示すように、「ダレた形状」を呈するが、条件によっては、ダレではなく、「盛り上がった形状」を呈する場合もある。
【０１３２】
このエッジロールオフの評価方法として、例えば、Ｋｉｍｕｒａらが提案しているＲＯＡ（Roll-off Amount；ＲＯＡ）という評価値がある。この評価値は、図１３（Ａ）に示すように、半導体ウェハが平坦であると考えられる、半導体ウェハの物理的な先端から約３〜６ｍｍの位置（Reference area）における半導体ウェハの形状から基準平面を求め、１ｍｍの位置の半導体ウェハの形状と前記基準面との距離として定義される。この評価値ＲＯＡは、半導体ウェハの外縁部がどの程度ダレているか、あるいは盛り上がっているかを表す指標である。
【０１３３】
このようなエッジロールオフの指標である評価値ＲＯＡを求めるために、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐが径方向に沿って並ぶように一面側測定部２が構成され、演算制御部７が、機能的に、形状算出部７２によって求められた測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を用いて、評価値ＲＯＡを求める評価値算出部をさらに備えるように形状測定装置Ｓが構成されてもよい。この評価値算出部をさらに備えることで、形状測定装置Ｓは、エッジロールオフの評価値ＲＯＡを求めることができる。したがって、このエッジロールオフの評価値ＲＯＡを参照することによって、所定のプロセス・ルールに適合したダイを製造することができる領域を半導体ウェハに適切に設定することができる。
【０１３４】
また、上述の実施形態では、形状測定装置Ｓは、Ａ面のみ複数の箇所Ｐで測定するように構成されたが、Ｂ面もＡ面における複数の箇所Ｐの各位置に正対する各位置の複数の箇所Ｑで測定するように、構成されてもよい。この場合では、他面側測定部３も一面側測定部２と同様に構成され、演算制御部７は、Ａ面とＢ面において互いに正対する位置における位相差のデータ同士で、測定対象物ＷＡの表面形状を求める。
【０１３５】
また、上述の実施形態では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐは、３個であったが、これに限定されるものではない。図１４は、測定箇所における複数の箇所について、第１ないし第３の態様を説明するための図である。図１４（Ａ）は、第１態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示し、図１４（Ｂ）は、第２態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示し、図１４（Ｃ）は、第３態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示す。図１４において、●は、箇所Ｐを表す。
【０１３６】
第１態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図１４（Ａ）に示すように、上述した実施形態と同様に３個である。隣接する２つの箇所Ｐ間の距離は、例えば、５００μｍ等である。
【０１３７】
また、第２態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図１４（Ｂ）に示すように、十字を形成するように配列された５個である。このような第２態様では、例えば、図３に示す第１態様の一面側測定部２Ａにおいて、回折格子２ｅおよび回折格子２ｎのそれぞれを、回折方向が互いに直交する２個の回折格子に代え、さらに、この２個の回折格子によって２次元アレイ状にそれぞれ回折された第１１一面側測定光および第２１一面側測定光（照射後一面側干渉光）のうち、十字を形成するような配列で５個の照射後一面側干渉光を、５個の出力端子２ｊで受光するように、形状測定装置Ｓが構成される。
【０１３８】
そして、第３態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図１４（Ｃ）に示すように、２次元アレイ状に配列された３行×３列の９個である。このような第３態様では、例えば、図３に示す第１態様の一面側測定部２Ａにおいて、回折格子２ｅおよび回折格子２ｎのそれぞれを、回折方向が互いに直交する２個の回折格子に代え、さらに、この２個の回折格子によって２次元アレイ状にそれぞれ回折された第１１一面側測定光および第２１一面側測定光（照射後一面側干渉光）のうち、３行×３列の２次元アレイ状を形成するような配列で９個の照射後一面側干渉光を、９個の出力端子２ｊで受光するように、形状測定装置Ｓが構成される。
【０１３９】
このような測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐが、前記第２態様や前記第３態様のように２次元配列される場合では、測定対象物ＷＡにおける表面形状を、１つの測定箇所ＭＰにおいて２次元的に測定することが可能となる。
【０１４０】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【０１４１】
Ｓ 形状測定装置
ＭＰ 測定箇所
Ｐ 測定箇所における複数の箇所
ＷＡ 測定対象物
１ 光源部
２、２Ａ、２Ｂ 一面側測定部
２ｅ、２ｎ 回折格子
３ 他面側測定部
４ ステージ
５、５Ａ、５Ｂ 一面側位相検波部
６ 他面側位相検波部
７ 演算制御部
７１ 曲率算出部
７２ 形状算出部
７３ ステージ制御部
７４ 光源制御部
７５ 厚さ算出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路は、素子の集積化が進んでいる。この集積回路を半導体ウェハに製造するプロセス条件であるプロセス・ルールは、通常、ゲート配線の線幅または間隔における最小加工寸法によって規定される。このプロセス・ルールが半分になれば、理論上、同じ面積に４倍のトランジスタや配線を配置することができるため、同じトランジスタ数では１／４の面積となる。この結果、１枚の半導体ウェハから製造することができるダイが４倍になるだけでなく、通常、歩留まりも改善されるため、さらに多くのダイが製造可能となる。この最小加工寸法は、高密度な集積回路を製造するために、２００７年の時点の最先端では、４５ｎｍに達している。
【０００３】
このようなサブミクロンメートルオーダ（１μｍ以下）のプロセス・ルールでは、半導体ウェハに高い平坦度が要求され、半導体ウェハの表面形状（表面の高さ変化）が無視できない。このため、半導体ウェハの表面形状を高精度に、例えば、サブナノメートルオーダ（１ｎｍ以下）で測定する形状測定装置が望まれている。このような形状測定装置の１つとして、光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物の表面形状を測定する装置が知られている。この光ヘテロダイン干渉法は、周波数の異なる２つのレーザ光を干渉させてそれらの差の周波数を持つビート信号を生成し、この生成したビート信号の位相変化を検波するものであり、このビート信号の位相変化は、前記２つのレーザ光の間における光路長の差に対応する。このような光ヘテロダイン干渉法を用いた形状測定装置は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
この特許文献１に記載の形状測定装置は、被測定物の厚みを非接触で測定するために用いられる形状測定装置であって、所定の光源から射出されるそれぞれ周波数が異なる第１の測定光および第２の測定光のそれぞれを分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位である表面の測定部位およびうら面の測定部位の各方向へ導く導光手段と、前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光を前記おもて面の測定部位に照射させるとともに、前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第２の測定光を第１の参照面に照射させ、前記おもて面の測定部位からの前記第１の測定光の反射光と前記第１の参照面からの前記第２の測定光の反射光とを干渉させ、その干渉光の強度信号を出力するおもて面側のヘテロダイン干渉計と、前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第２の測定光を前記うら面の測定部位に照射させるとともに、前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光を第２の参照面に照射させ、前記うら面の測定部位からの前記第２の測定光の反射光と前記第２の参照面からの前記第１の測定光の反射光とを干渉させ、その干渉光の強度信号を出力するうら面側のヘテロダイン干渉計と、前記おもて面側のヘテロダイン干渉計およびうら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから出力される強度信号の位相差を検出し、その検出信号を前記被測定物の厚みに相当する第１の測定値として出力する第１の位相検波手段とを備えている。このような構成によって特許文献１に記載の形状測定装置は、被測定物の厚みを非接触で測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８０７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この特許文献１に記載の形状測定装置は、原理的には面の表面形状を測定することが可能であるが、その測定結果には、ウェハの振動も含んだ面形状データとなってしまい、ナノメートルオーダレベルでの正確な面の表面形状を測定することができない。
【０００７】
特に、半導体ウェハでは、その表面形状の平坦度（厚さ分布および表面形状）は、その外縁部にエッジロールオフ（Edge Roll-off）と呼ばれる形状が存在するため、一般に、中心部よりも外縁部の方が劣る。半導体ウェハにおけるダイの製造可能領域を外縁部へ広げるために、このエッジロールオフの評価が重要である。このエッジロールオフを評価するためにも、半導体ウェハにおける表面形状をより高い精度で測定することが望まれる。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、測定対象物の表面形状をより高い精度で測定することができる形状測定装置および形状測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる形状測定装置は、測定光を生成する光源部と、前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算部とを備え、前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めることを特徴とする。
【００１０】
そして、本発明の他の一態様にかかる形状測定方法は、測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける測定光分配工程と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側干渉光生成工程と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側干渉光生成工程と、一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側干渉光生成工程によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算工程とを備え、前記一面側干渉光生成工程は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、前記演算工程は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めることを特徴とする。
【００１１】
このような構成の形状測定装置および形状測定方法では、測定対象物の一方面に対し複数の箇所で光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物が測定され、これによって測定対象物の厚さと例えば高さ分布等の面の表面形状が１回の測定で求めることができ、上記構成の形状測定装置および形状測定方法は、測定対象物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。
【００１２】
また、上述の形状測定装置において、前記測定対象物の厚さ方向に直交する水平方向に前記測定対象物を移動する移動部をさらに備え、前記演算部は、前記移動部によって前記測定対象物を前記水平方向に移動させながら、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記測定対象物の表面形状を求めることで、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状を複数求めることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、移動部によって測定対象物が水平方向に移動され、前記測定対象物が走査される。このため、このような構成の形状測定装置は、前記走査の範囲について、測定対象物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。
【００１４】
また、これら上述の形状測定装置において、前記複数の箇所は、３箇所以上であり、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについての前記予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離に基づいて前記複数の箇所における曲率を求めることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の形状測定装置は、測定対象物の表面における曲率を測定対象物の表面形状として測定することができる。
【００１６】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は、前記曲率を複数求め、前記求めた複数の曲率によって得られる複数の円弧を連結することによって、前記測定対象物における表面の高さ分布を求めることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、複数の曲率によって得られる複数の円弧が連結される。このため、このような構成の形状測定装置は、測定対象物における表面形状を再現することができる。
【００１８】
また、これら上述の形状測定装置において、前記移動部は、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、前記測定対象物を前記水平方向に移動することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、測定対象物が水平方向に移動される。このため、このような構成の形状測定装置は、連続的に測定対象物の表面形状を容易に測定することができる。
【００２０】
また、これら上述の形状測定装置において、前記複数の箇所は、移動方向に沿って並んでおり、前記移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所の間隔が等しいことを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、移動方向に沿って並ぶ２つの箇所の間隔が等しい。このため、このような構成の形状測定装置は、移動部の制御が容易となり、また、一定の間隔で、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００２２】
また、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける第１一面側回折格子と、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける第２一面側回折格子とを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側回折格子で分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側回折格子で分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成することを特徴とする。
【００２３】
このような構成の形状測定装置は、第１一面側回折格子を用いることによって１つの光学素子で第１一面側測定光を複数に分けることができ、そして、第２一面側回折格子を用いることによって１つの光学素子で第２一面側測定光を複数に分けることができ、複数の箇所を同時に測定することができる。
【００２４】
また、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける１または複数の第１一面側ビームスプリッタと、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける１または複数の第２一面側ビームスプリッタとを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成することを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、１または複数の第１一面側ビームスプリッタによって第１一面側測定光が複数に分けられ、１または複数の第２一面側ビームスプリッタによって第２一面側測定光が複数に分けられ、複数の箇所が同時に測定される。このようにビームスプリッタを用いるので、このような構成の形状測定装置は、一面側測定部の光学設計や調整において、高い自由度を持ち、その制約が低減される。
【００２６】
また、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光と第２一面側測定光との間に周波数差を生じさせる一面側光変調器を備え、前記他面側測定部は、前記分けられた第１他面側測定光と第２他面側測定光との間に周波数差を生じさせる他面側光変調器を備えることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、一面側測定部内に一面側光変調器が備えられ、他面側測定部内に他面側光変調器が備えられる。このため、このような構成の形状測定装置は、光源部から一面側測定部に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無く、そして、光源部から他面側測定部に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無い。
【発明の効果】
【００２８】
本発明にかかる形状測定装置および形状測定方法は、測定対象物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態の形状測定装置における光源部の構成を示す図である。
【図３】実施形態の形状測定装置における第１態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。
【図４】実施形態の形状測定装置における第２態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。
【図５】実施形態の形状測定装置における他面側測定部の構成を示す図である。
【図６】実施形態の形状測定装置におけるステージの構成を示す図である。
【図７】実施形態の形状測定装置における第１態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。
【図８】実施形態の形状測定装置における第２態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。
【図９】実施形態の形状測定装置における他方面側位相検波部の構成を示す図である。
【図１０】曲率の算出方法を説明するための図である。
【図１１】実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合における測定箇所を説明するための図である。
【図１２】実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合において、各測定箇所における複数の箇所と測定結果とを説明するための図である。
【図１３】エッジロールオフを説明するための図である。
【図１４】測定箇所における複数の箇所について、第１ないし第３の態様を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３１】
図１は、実施形態にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、光ヘテロダイン干渉法を利用することによって例えば半導体ウェハ等の薄板状の測定対象物ＷＡにおける表面形状をナノメートルレベルやサブナノメートルレベル（１ｎｍ以下の厚さ方向の分解能）で測定する装置である。形状測定装置Ｓは、例えば、図１に示すように、光源部１と、一面側測定部２（２Ａ、２Ｂ）と、他面側測定部３と、ステージ４と、一面側位相検波部５（５Ａ、５Ｂ）と、他方面側位相検波部６と、演算制御部７と、入力部８と、出力部９とを備えて構成され、ステージ４によって測定対象物ＷＡを水平方向に移動させながら測定対象物ＷＡの表面形状を測定するものである。
【００３２】
以下、形状測定装置Ｓの各部について説明するが、ここで、各部で多用される光部品（光学素子）について、纏めて説明する。
【００３３】
光分岐部（optical branching device、無偏光ビームスプリッタ）は、入射光を光パワーの点で２つの光に分配してそれぞれ射出する光部品である。光分岐部は、例えば、ハーフミラー（半透鏡）等の微少光学素子形光分岐結合器や、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や、光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光分岐部は、通常、入力端子と出力端子とを入れ替えて（逆に）使用すると、入射した２つの光を合わせて射出する光結合部として機能する。光分岐部としてハーフミラーが用いられる場合、通常、この分配された一方の光は、ハーフミラーを通過してそのままの方向で射出され、この分配された他方の光は、ハーフミラーで反射されてこの方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００３４】
偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter）は、入射光から互いに直交するＳ偏光とＰ偏光とを取り出してそれぞれ射出する光部品であり、通常、この取り出された一方の光（Ｓ偏光またはＰ偏光）は、そのままの方向で射出され、この取り出された他方の光（Ｐ偏光またはＳ偏光）は、この方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００３５】
偏光子（polarizer）は、入射光から所定の偏光面を持つ直線偏光を取り出して射出する光部品であり、例えば、偏光フィルタである。
【００３６】
波長板（wave plate、（位相板（phase plate））は、入射光における２つの偏光成分の間に所定の位相差（したがって光路差）を与えて射出する光部品であり、例えば、前記１／４波長板や、入射光における２つの偏光成分の間にλ／２の光路差を与える１／２波長板等である。波長板を構成する例えば複屈折性の白雲母板等の結晶板における厚さをｄとし、前記結晶板における２つの偏光成分に対する屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の波長をλとする場合に、この波長板による位相差は、（２π／λ）（ｎ１−ｎ２）ｄで与えられる。
【００３７】
反射鏡（ミラー、reflection mirror）は、入射光をその入射角に応じた反射角で所定の反射率で反射することによって光の進行方向を変更する光部品であり、例えば、ガラス部材の表面に金属薄膜や誘電体多層膜を蒸着したものである。反射鏡は、光のロスを低減するために、全反射する全反射鏡が好ましい。
【００３８】
入力端子は、光部品へ光を入射するための端子であり、また、出力端子は、光部品から光を射出するための端子である。各部間の接続には、例えばミラーやレンズ等の光学部品から構成される導光手段が用いられてもよいが、本実施形態では、各部間の接続には、後述するように、偏波保持光ファイバやマルチモード光ファイバ等の光ファイバが用いられることから、これら入力端子および出力端子には、光ファイバを接続するためのコネクタが用いられる。
【００３９】
以下、形状測定装置Ｓの各部について説明する。まず、光源部１について説明する。図２は、実施形態の形状測定装置における光源部の構成を示す図である。光源部１は、所定の可干渉光であって、測定対象物ＷＡの表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するための測定光を生成する装置である。測定光は、予め設定された所定の波長λ（周波数ω）を持つ単波長光であって、予め設定された所定の偏光面を持つ偏光である。測定光は、測定対象物を両面から光ヘテロダイン干渉法によって測定するために、２つの一面側測定光（第Ａ測定光）および他面側測定光（第Ｂ測定光）を備えている。このような光源部１は、例えば、図２に示すように、単波長レーザ光源１ａと、光アイソレータ１ｂと、光分岐部１ｃと、偏光子１ｄ、１ｆと、出力端子１ｅ、１ｇとを備えて構成される。
【００４０】
単波長レーザ光源１ａは、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長レーザ光を発生する装置であり、種々のレーザ装置を用いることができるが、例えば、所定の光パワーで波長約６３２．８ｎｍのレーザ光を出力することができるヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置）等である。単波長レーザ光源１ａは、波長ロッカ等を備えた周波数安定化レーザ装置が好ましい。光アイソレータ１ｂは、その入力端子からその出力端子へ一方向のみに光を透過させる光部品である。光アイソレータ１ｂは、単波長レーザ光源１ａのレーザ発振を安定させるために、形状測定装置Ｓ内における各光部品（光学素子）の接続部等で生じる反射光（戻り光）が単波長レーザ光源１ａに入射することを防止するものである。
【００４１】
このような光源部１では、単波長レーザ光源１ａから射出されたレーザ光は、光アイソレータ１ｂを介して光分岐部１ｃに入射され、第１レーザ光および第２レーザ光の２つに分配される。第１レーザ光は、偏光子１ｄに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の一面側測定光となって、出力端子１ｅから射出される。この一面側測定光は、一面側測定部２に入射される。一方、第２レーザ光は、偏光子１ｆに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の他面側測定光となって、出力端子１ｇから射出される。この他面側測定光は、他面側測定部３に入射される。
【００４２】
ここで、説明の便宜上、測定対象物ＷＡの一方面（図１に示す例では上側の面（上面））を「Ａ面」と呼称することとし、測定対象物ＷＡの、Ａ面と表裏の関係にある他方面（図１に示す例では下側の面（下面））を「Ｂ面」と呼称することとする。本実施形態では、前記一面側測定光は、測定対象物ＷＡのＡ面の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられ、前記他面側測定光は、測定対象物ＷＡのＢ面の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられる。
【００４３】
光源部１と一面側測定部２との接続、および、光源部１と他面側測定部３との接続には、光源部１および一面側測定部２間の光路長と、光源部１および他面側測定部３間の光路長との調整を容易にする観点から、本実施形態では、それぞれ、光をその偏波面を保持しながら導光する偏波保持光ファイバが用いられる。偏波保持光ファイバは、例えば、ＰＡＮＤＡファイバや楕円コア光ファイバ等である。光源部１の出力端子１ｅから射出した一面側測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、一面側測定部２へ入射し、光源部１の出力端子１ｇから射出した他面側測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、他面側測定部３へ入射する。
【００４４】
次に、一面側測定部２について説明する。図３は、実施形態の形状測定装置における第１態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。図４は、実施形態の形状測定装置における第２態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。
【００４５】
一面側測定部（第Ａ測定部）２は、光源部１からの一面側測定光が入射され、一面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡにおけるＡ面の表面形状の情報を含むビート光信号を得る装置である。
【００４６】
より具体的には、一面側測定部２は、測定対象物ＷＡのＡ面に対向配置され、光源部１からの一面側測定光を第１一面側測定光（第Ａ１測定光）と第２一面側測定光（第Ａ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＷＡのＡ面に照射されて反射された照射後一面側測定光（第Ａ照射後測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光（第Ａ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＷＡのＡ面に照射される前の照射前一面側測定光（第Ａ照射前測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光（第Ａ照射前干渉光）を生成する測定光学系であって、測定対象物ＷＡにおけるＡ面の表面形状を測定するべく複数の照射後一面側干渉光を生成するために、測定対象物ＷＡのＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得る測定光学系である。このような構成の一面側測定部２では、照射前一面側干渉光を基準に、複数の照射後一面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。
【００４７】
さらに、より具体的には、一面側測定部２は、測定対象物ＷＡのＡ面に対向配置され、一面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２一面側測定光を生成し、この２つの第１一面側測定光と第２一面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、一面側測定光から第１および第２一面側測定光が生成されてから第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射され反射される第１一面側光路および第１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射されない第２一面側光路の各光路を含み、そして、測定対象物ＷＡにおけるＡ面の表面形状を測定するために、第１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射される前に第１一面側測定光がさらに複数に分配され、そのそれぞれが測定対象物ＷＡのＡ面に照射され反射され、この第１一面側測定光の複数の分配に対応して、第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉される前に、第２一面側測定光もさらに複数に分配され、そのそれぞれが測定対象物ＷＡのＡ面で反射された複数の第１一面側測定光とそれぞれ干渉する測定光学系である。
【００４８】
このような一面側測定部２として、例えば、図３に示す構成の第１態様にかかる一面側測定部２Ａや図４に示す構成の第２態様にかかる一面側測定部２Ｂが挙げられる。
【００４９】
この第１態様にかかる一面側測定部２Ａは、図３に示すように、入力端子２ａと、光分岐部２ｂ、２ｄ、２ｉ、２ｍ、２ｐと、偏光ビームスプリッタ２ｆと、光波長シフタ２ｃ、２ｌと、反射鏡２ｋ、２ｏと、回折格子２ｅ、２ｎと、１／４波長板２ｇと、レンズ２ｈと、出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）、２ｑとを備えて構成される。
【００５０】
光波長シフタ２ｃ、２ｌは、入射光の波長をシフトして（入射光の周波数を変化させて）入射光の波長（周波数）と異なる波長（周波数）の光を生成する光部品であり、例えば、音響光学効果を利用することによって入射光の波長をシフトする音響光学変調器（acoustooptic modulator）等が用いられる。回折格子２ｅ、２ｎは、入射光を回折する光部品である。回折格子２ｅ、２ｎは、本実施形態では、入射光が格子に入射されるとこの格子を透過して回折光が射出される透過型の回折格子である。レンズ２ｈは、一面側測定部２Ａの測定対象物ＷＡに対する対物レンズであり、非球面の集光レンズである。
【００５１】
このような構成の一面側測定部２Ａでは、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子２ａに入射された一面側測定光は、光分岐部２ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第１一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部２ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２一面側測定光は、第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１一面側測定光は、光波長シフタ２ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２一面側測定光は、反射鏡２ｋを介して光波長シフタ２ｌに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。周波数変更後（波長シフト後）における第１一面側測定光の周波数ωＡ１と第２一面側測定光の周波数ωＡ２との周波数差△ωＡは、特に限定されないが、光ヘテロダインによって干渉させる観点から、例えば、数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の値である。後述の第２態様の一面側測定部２Ｂおよび他面側測定部３も同様である。
【００５２】
なお、本実施形態では、第１一面側測定光および第２一面側測定光のそれぞれを波長シフタ２ｃ、ｃｌによってそれぞれ波長シフトしたが、光ヘテロダインによって干渉させるために、第１一面側測定光の周波数ωＡ１と第２一面側測定光の周波数ωＡ２との間に、所定の周波数差△ωＡが有ればよいので、一方のみであってもよい。後述の第２態様の一面側測定部２Ｂおよび他面側測定部３も同様である。
【００５３】
また、光分岐部２ｂから射出された第２一面側測定光は、本実施形態では光分岐部２ｂによって第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡２ｋによってその進行方向が直角に曲げられ、第１一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡２ｋは、光分岐部２ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００５４】
波長シフタ２ｃから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部２ｄに入射され、第１１一面側測定光（第Ａ１１測定光）および第１２一面側測定光（第Ａ１２測定光）の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ２ｌから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第２一面側測定光）は、光分岐部２ｍに入射され、第２１一面側測定光（第Ａ２１測定光）および第２２一面側測定光（第Ａ２２測定光）の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００５５】
第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部２ｐに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡２ｏを介して光分岐部２ｐに入射される。そして、この光分岐部２ｐに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部２ｐで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前一面側干渉光として出力端子２ｑから射出される。ここでは、光分岐部２ｐは、光結合部として機能している。この出力端子２ｑから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００５６】
また、測定対象物ＷＡのＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の測定光、本実施形態では第１１一面側測定光を照射するために、第１１一面側測定光は、回折格子２ｅに入射され、回折され、複数に分配される。そして、これに対応して第２１一面側測定光も、回折格子２ｎに入射され、回折され、複数に分配される。前記複数の箇所Ｐは、任意の個数でよいが、本実施形態では、測定対象物ＷＡの表面形状として測定箇所の曲率を求めることから、３箇所以上である。前記複数の箇所Ｐの個数が多いほど、求められる曲率の精度が向上し、好ましいが、その情報処理（演算処理）の処理量（演算量）が増すことから、例えば、本実施形態では、前記複数の箇所Ｐの個数は、３箇所である。このため、回折格子２ｅによって回折された回折光のうちの３つの回折光が、測定対象物ＷＡのＡ面における３箇所に同時に照射される第１１一面側測定光として用いられ、これに対応して回折格子２ｎによって回折された回折光のうちの３つの回折光が、後述のように光分岐部２ｉで合わせられて光へテロダイン干渉を行う第２１一面側測定光として用いられる。そして、このように用いられる３つの回折光は、光パワーの点で相対的により強くまた対称性を有することから、例えば、０次回折光、＋１次回折光および−１次回折光が用いられる。
【００５７】
回折格子２ｅで回折された複数（ここでは３個）の第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ２ｆを介して１／４波長板２ｇに入射され、レンズ２ｈで集光され、測定対象物ＷＡのＡ面に、１つの測定箇所ＭＰにおいて複数の箇所Ｐに照射される。そして、この測定対象物ＷＡのＡ面における前記複数の箇所Ｐのそれぞれで反射された複数の第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ２ｈに入射され、そして、１／４波長板２ｇに入射される。したがって、この１／４波長板２ｇの存在によって、偏光ビームスプリッタ２ｆから測定対象物ＷＡのＡ面に照射される複数の第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、測定対象物ＷＡのＡ面で反射して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される複数の第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、回折格子２ｅから偏光ビームスプリッタ２ｆに入射された複数の第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ２ｆを測定対象物ＷＡのＡ面に向かって通過する一方、測定対象物ＷＡのＡ面からレンズ２ｈおよび１／４波長板２ｇを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射した複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が測定対象物ＷＡのＡ面から偏光ビームスプリッタ２ｆへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【００５８】
偏光ビームスプリッタ２ｆから射出された複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、光分岐部２ｉに入射される。光分岐部２ｉには、回折格子２ｎで回折され分配された複数の第２１一面側測定光も、入射される。そして、この光分岐部２ｉに入射された複数の第１１一面側測定光と複数の第２１一面側測定光とは、光分岐部２ｉで各光のそれぞれが合わされて光ヘテロダイン干渉をそれぞれ行い、その複数のビート光信号が複数の照射後一面側干渉光として各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出される。ここでは、光分岐部２ｉは、光結合部として機能している。これら各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出されたビート光信号の複数の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００５９】
本実施形態では、一面側測定部２Ａと一面側位相検波部５とは、シングルモード光ファイバであってもよいが、光軸調整および伝播光の光量における優位性の観点から、複数の伝搬モードを持つマルチモード光ファイバによって接続されている。したがって、本実施形態では、一面側測定部５Ａから射出した照射前一面側干渉光は、マルチモード光ファイバによって導光され、一面側位相検波部５へ入射し、一面側測定部５Ａから射出した複数の照射後一面側干渉光は、複数のマルチモード光ファイバによってそれぞれ導光され、一面側位相検波部５へ入射する。なお、後述の一面側測定部２Ｂと一面側位相検波部５との接続および他面側測定部３と他方面側位相検波部６との接続も同様である。
【００６０】
このような構成の一面側測定部２Ａは、回折格子２ｅを用いることによって１つの光学素子で第１一面側測定光を複数に分けることができ、そして、回折格子２ｎを用いることによって１つの光学素子で第２一面側測定光を複数に分けることができ、一面側測定光の１つの発光で前記複数の箇所Ｐを同時に測定することができる。また、複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）と複数の第２１一面側測定光との光ヘテロダイン干渉も１つの光分岐部２ｉで行うことができる。したがって、一面側測定部２Ａを構成する光部品の個数を低減することができ、装置の小型化および低廉化を実現しやすい。
【００６１】
また、この第２態様にかかる一面側測定部２Ｂは、図４に示すように、入力端子２ａと、光分岐部２ｂ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｍ、２０ｎ、２０ｏ、２０ｐ、２０ｑ、２０ｒ、２０ｕと、偏光ビームスプリッタ２ｆと、光波長シフタ２ｃ、２ｌと、反射鏡２ｋ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｊ、２０ｋ、２０ｌ、２０ｓ、２０ｔと、１／４波長板２ｇと、レンズ２ｈと、出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）、２ｑとを備えて構成される。
【００６２】
このような構成の一面側測定部２Ｂでは、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子２ａに入射された一面側測定光は、光分岐部２ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第２一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部２ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第１一面側測定光は、第２一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第２一面側測定光は、光波長シフタ２ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第１一面側測定光は、反射鏡２ｋを介して光波長シフタ２ｌに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。
【００６３】
また、光分岐部２ｂから射出された第１一面側測定光は、本実施形態では光分岐部２ｂによって第２一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡２ｋによってその進行方向が直角に曲げられ、第２一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡２ｋは、光分岐部１ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００６４】
波長シフタ２ｌから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部２０ａに入射され、第１１一面側測定光および第１２一面側測定光の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ２ｃから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第２一面側測定光）は、光分岐部２０ｐに入射され、第２１一面側測定光および第２２一面側測定光の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００６５】
第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部２０ｕに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡２０ｔを介して光分岐部２０ｕに入射される。そして、この光分岐部２０ｕに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部２０ｕで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前一面側干渉光として出力端子２ｑから射出される。ここでは、光分岐部２ｐは、光結合部として機能している。この出力端子２ｑから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００６６】
また、測定対象物ＷＡのＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の測定光、本実施形態では第１１一面側測定光を照射するために、第１１一面側測定光は、複数の光分岐部２０に順次に入射され、各光分岐部で順次に分配され、複数に分配される。これに対応して第２１一面側測定光も、複数の光分岐部２０に順次に入射され、各光分岐部で順次に分配され、複数に分配される。本実施形態では、一面側測定部２Ａの説明で上述したように、前記複数の箇所Ｐの個数は、３箇所である。このため、より具体的には、第１１一面側測定光は、２個の光分岐部２０ｂおよび光分岐部２０ｃに順次に入射され、各光分岐部２０ｂ、２０ｃで順次に分配され、３つに分配される。これに対応して第２１一面側測定光も、２個の光分岐部２０ｑおよび光分岐部２０ｒに順次に入射され、各光分岐部２０ｑ、２０ｒで順次に分配され、３つに分配される。
【００６７】
光分岐部２０ｂで分配された一方の第１１一面側測定光は、第１番目の第１１一面側測定光として、反射鏡２０ｅを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。光分岐部２０ｂで分配された他方の第１１一面側測定光は、光分岐部２０ｃに入射され、さらに分配される。この光分岐部２０ｃで分配された一方の第１１一面側測定光は、第２番目の第１１一面側測定光として、反射鏡２０ｆを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。そして、この光分岐部２０ｃで分配された他方の第１１一面側測定光は、第３番目の第１１一面側測定光として、反射鏡２０ｄおよび反射鏡２０ｇを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。
【００６８】
ここで、この光分岐部２０ｂで分配された他方の第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｂで分配された一方の第１１一面側測定光は、前記他方の第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。この光分岐部２０ｃで分配された他方の第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｃで分配された一方の第１１一面側測定光は、前記他方の第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。そして、反射鏡２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇは、それぞれ、入射光の進行方向に対し略直交する方向で射出する。したがって、反射鏡２０ｅ、２０ｆ、２０ｇから偏光ビームスプリッタ２ｆへ向かう第１番目ないし第３番目の各第１１一面側測定光は、互いに略同じ方向に向かって進行している。
【００６９】
また、光分岐部２０ｑで分配された一方の第２１一面側測定光は、第１番目の第２１一面側測定光として、光分岐部２０ｏに入射される。光分岐部２０ｑで分配された他方の第２１一面側測定光は、光分岐部２０ｒに入射され、さらに分配される。この光分岐部２０ｒで分配された一方の第２１一面側測定光は、第２番目の第２１一面側測定光として、光分岐部２０ｎに入射される。そして、この光分岐部２０ｒで分配された他方の第２１一面側測定光は、第３番目の第２１一面側測定光として、反射鏡２０ｓを介して光分岐部２０ｍに入射される。
【００７０】
ここで、この光分岐部２０ｑで分配された他方の第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｑで分配された一方の第２１一面側測定光は、前記他方の第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。この光分岐部２０ｒで分配された他方の第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部２０ｒで分配された一方の第２１一面側測定光は、前記他方の第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。そして、反射鏡２０ｓは、入射光の進行方向に対し直交する方向で射出する。したがって、光分岐部２０ｑ、光分岐部２０ｒ、反射鏡２０ｓから光分岐部２０ｏ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｍへ向かう第１番目ないし第３番目の各第２１一面側測定光は、互いに略同じ方向に向かって進行している。
【００７１】
そして、反射鏡２０ｅ、２０ｆ、２０ｇから偏光ビームスプリッタ２ｆに入射された第１番目ないし第３番目の各第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ２ｆを介して１／４波長板２ｇに入射され、レンズ２ｈで集光され、測定対象物ＷＡのＡ面に１つの測定箇所ＭＰにおいて複数の箇所Ｐ（ここでは３箇所）で照射される。この測定対象物ＷＡのＡ面における前記複数の箇所Ｐのそれぞれで反射された複数（ここでは３箇所）の第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ２ｈに入射され、そして、１／４波長板２ｇを介して偏光ビームスプリッタ２ｆに入射される。これら偏光ビームスプリッタ２ｆに入射された各第１１一面側測定光（各照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が測定対象物ＷＡのＡ面から偏光ビームスプリッタ２ｆへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【００７２】
偏光ビームスプリッタ２ｆから射出された各第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、反射鏡２０ｊ、反射鏡２０ｋ、反射鏡２０ｌでそれぞれ反射され、その進行方向が略直角に曲げられ、光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏにそれぞれ入射される。これら光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏのそれぞれには、上述したように、反射鏡２０ｓ、光分岐部２０ｒ、光分岐部２０ｑからの各第２１一面側測定光も、入射されている。そして、これら光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏのそれぞれに入射された各第１１一面側測定光と各第２１一面側測定光とは、これら光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏのそれぞれで各光のそれぞれが合わされて光ヘテロダイン干渉をそれぞれ行い、その複数（ここでは３個）のビート光信号が各照射後一面側干渉光として各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出される。ここでは、光分岐部２０ｍ、光分岐部２０ｎ、光分岐部２０ｏは、光結合部として機能している。これら各出力端子２ｊ（２ｊ−１〜２ｊ−３）から射出されたビート光信号の複数の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部５に入射される。
【００７３】
このような構成の一面側測定部２Ｂでは、１または複数、図４に示す例では２個の光分岐部２０ｂ、２０ｃによって第１一面側測定光が複数に分けられ、１または複数、図４に示す例では２個の光分岐部２０ｑ、２０ｒによって第２一面側測定光が複数に分けられ、一面側測定光の１回の発光で前記複数の箇所Ｐが同時に測定される。このように光分岐部を用いるので、このような構成の一面側測定部２Ｂは、その光学設計や調整において、高い自由度を持ち、その制約が低減される。図３に示す構成の一面側測定部２Ａと比較すると、この一面側測定部２Ａでは、回折格子２ｅ、２ｎおよびレンズ２ｈのパラメータによって、各光学素子間の距離や複数の箇所における各距離が略一意に決まり、その光学設計や調整において、その自由度が比較的少ないが、この図４に示す構成の一面側測定部２Ｂでは、各光学素子の光軸を個別に調整することができるため、その光学設計や調整において、その制約が比較的少なく、高い自由度を有している。
【００７４】
次に、他面側測定部３について説明する。図５は、実施形態の形状測定装置における第２測定部の構成を示す図である。
【００７５】
他面側測定部（第Ｂ測定部）３は、光源部１からの他面側測定光が入射され、他面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡにおけるＢ面の表面形状の情報を含むビート光信号を得る装置である。
【００７６】
より具体的には、他面側測定部３は、測定対象物ＷＡのＢ面に対向配置され、光源部１からの他面側測定光（第Ｂ測定光）を第１他面側測定光（第Ｂ１測定光）と第２他面側測定光（第Ｂ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における測定対象物ＷＡのＢ面に照射されて反射された照射後他面側測定光（第Ｂ照射後測定光）と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光（第Ｂ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における測定対象物ＷＡのＢ面に照射される前の照射前他面側測定光（第Ｂ照射前測定光）と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光（第Ｂ照射前干渉光）を生成する測定光学系である。このような構成の他面側測定部３では、照射前他面側干渉光を基準に、複数の照射後他面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。
【００７７】
さらに、より具体的には、他面側測定部３は、測定対象物ＷＡのＢ面に対向配置され、他面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２他面側測定光を生成し、この２つの第１他面側測定光と第２他面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、他面側測定光から第１および第２他面側測定光が生成されてから第１他面側測定光と第２他面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１他面側測定光が測定対象物ＷＡのＢ面に照射され反射される第１他面側光路および第１他面側測定光が測定対象物ＷＡのＢ面に照射されない第２他面側光路を含む測定光学系である。
【００７８】
このような他面側測定部３は、例えば、図５に示すように、入力端子３ａと、光分岐部３ｂ、３ｄ、３ｈ、３ｌ、３ｎと、偏光ビームスプリッタ３ｅと、光波長シフタ３ｃ、３ｋと、反射鏡３ｊ、３ｍと、１／４波長板３ｆと、レンズ３ｇと、出力端子３ｉ、３ｏとを備えて構成される。
【００７９】
このような構成の他面側測定部３では、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子３ａに入射された他面側測定光は、光分岐部３ｂに入射され、第１他面側測定光および第２他面側測定光の２つに分配される。第１他面側測定光は、そのままの方向（光分岐部３ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２他面側測定光は、第１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１他面側測定光は、光波長シフタ３ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２他面側測定光は、反射鏡３ｊを介して光波長シフタ３ｋに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。
【００８０】
また、光分岐部３ｂから射出された第２他面側測定光は、本実施形態では光分岐部３ｂによって第１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡３ｊによってその進行方向が直角に曲げられ、第１他面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡３ｊは、光分岐部３ｂから射出された第１他面側測定光の進行方向と第２他面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００８１】
波長シフタ３ｃから射出された第１他面側測定光（波長シフト後の第１他面側測定光）は、光分岐部３ｄに入射され、第１１他面側測定光（第Ｂ１１測定光）および第１２他面側測定光（第Ｂ１２測定光）の２つに分配される。この第１１他面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２他面側測定光は、第１１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ３ｋから射出された第２他面側測定光（波長シフト後の第２他面側測定光）は、光分岐部２ｌに入射され、第Ｂ２１測定光および第Ｂ２２測定光の２つに分配される。この第Ｂ２１測定光は、そのままの方向で進行する一方、第Ｂ２２測定光は、第Ｂ２１測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００８２】
第１２他面側測定光は、照射前他面側測定光であり、光分岐部３ｎに入射され、第Ｂ２２測定光は、反射鏡３ｍを介して光分岐部３ｎに入射される。そして、この光分岐部３ｎに入射された第１２他面側測定光と第Ｂ２２測定光とは、光分岐部３ｎで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前他面側干渉光として出力端子３ｏから射出される。ここでは、光分岐部３ｎは、光結合部として機能している。この出力端子３ｏから射出されたビート光信号の照射前他面側干渉光は、他方面側位相検波部６に入射される。
【００８３】
第１１他面側測定光は、偏光ビームスプリッタ３ｅを介して１／４波長板３ｆに入射され、レンズ３ｇで集光され、測定対象物ＷＡのＢ面に照射される。そして、この測定対象物ＷＡのＢ面で反射された第１１他面側測定光は、照射後他面側測定光として、再び、レンズ３ｇに入射され、そして、１／４波長板３ｆに入射される。したがって、この１／４波長板３ｆの存在によって、偏光ビームスプリッタ３ｅから測定対象物ＷＡのＢ面に照射される第１１他面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、測定対象物ＷＡのＢ面で反射して偏光ビームスプリッタ３ｅに入射される第１１他面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、光分岐部３ｄから偏光ビームスプリッタ３ｅに入射された第１１他面側測定光は、偏光ビームスプリッタ３ｅを測定対象物ＷＡのＢ面に向かって通過する一方、測定対象物ＷＡのＢ面からレンズ３ｇおよび１／４波長板３ｆを介して偏光ビームスプリッタ３ｅに入射した第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）が測定対象物ＷＡのＢ面から偏光ビームスプリッタ３ｅへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【００８４】
偏光ビームスプリッタ３ｅから射出された第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）は、光分岐部３ｈに入射される。光分岐部３ｈには、光分岐部３ｌで分配された第Ｂ２１測定光も、入射される。そして、この光分岐部３ｈに入射された第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）と第Ｂ２１測定光とは、光分岐部３ｈで各光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射後他面側干渉光として出力端子３ｉから射出される。ここでは、光分岐部３ｈは、光結合部として機能している。この出力端子３ｉから射出されたビート光信号の照射後他面側干渉光は、他方面側位相検波部６に入射される。
【００８５】
そして、一面側測定部２と他面側測定部３とは、測定対象物ＷＡのＡ面における測定箇所（測定位置）とそのＢ面における測定箇所（測定位置）とが表裏関係で以て同じ位置となるように、配置される。すなわち、測定対象物ＷＡの厚さ方向をＺ軸とし、前記厚さ方向に直交する水平面内における互いに直交する２方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする直交ＸＹＺ座標系を設定する場合に、複数の第１１一面側測定光が測定対象物ＷＡのＡ面に照射される複数の箇所のうちのいずれかの箇所（例えば、複数の箇所における中央の箇所等）のＸ座標値およびＹ座標値が、第１１他面側測定光が測定対象物ＷＡのＢ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値と一致するように、正対配置される。
【００８６】
次に、ステージ４について説明する。図６は、実施形態の形状測定装置におけるステージの構成を示す図である。ステージ４は、演算制御部７の制御に従って、測定対象物ＷＡの厚さ方向に直交する水平方向に測定対象物ＷＡを移動する装置である。ステージ４は、上述のようにＸＹＺ座標系を設定した場合に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に測定対象物ＷＡを移動することができるＸＹステージであってもよいが、本実施形態では、測定対象物ＷＡが半導体ウェハである場合に、一般に、半導体ウェハが円盤状の形状であることから、ステージ４は、測定対象物ＷＡを回転移動することができるとともに、前記回転の径方向にも移動することができる装置である。このため、測定箇所における測定値は、円柱座標系ＲθＺで表現されることが好ましい。
【００８７】
このようなステージ４は、より具体的には、例えば、図６に示すように、測定対象物ＷＡの振動による影響を受けることなく、測定対象物ＷＡの測定箇所ＭＰにおける厚さ等の表面形状を高精度にかつ高速に測定することができるように、中央部材から径方向に延びる３個のアーム部材を備え、前記アーム部材の先端で、半導体ウェハ等の円盤状の測定対象物ＷＡをその縁部（エッジ領域）において円周上の３箇所で３点支持する支持部４ｄと、前記支持部４ｄの中央部材に連結される回転軸４ａと、回転軸４ａを回転駆動する回転駆動部４ｂと、回転駆動部４ｂを所定の移動範囲内で直線移動する直線駆動部４ｃとを備えている。これら回転駆動部４ｂや直線駆動部４ｃは、例えばサーボモータ等のアクチュエータや減速ギヤ等の駆動機構を備えて構成される。
【００８８】
このような構成のステージ４では、測定対象物ＷＡが支持部４ｄにおける３個のアーム部材の各先端に載せられて支持部４ｄによって３点支持される。そして、このように測定対象物ＷＡがステージ４に載置された場合に、測定対象物ＷＡのＡ面およびＢ面が一面側測定部２および他面側測定部３によって測定することができるように、ステージ４が一面側測定部２および他面側測定部３の配置位置に対して配設される。
【００８９】
そして、このような構成のステージ４では、演算制御部７の制御に従って回転駆動部４ｂが回転することで、回転軸４ａを介して支持部４ｄが回転し、測定対象物ＷＡが回転軸４ａ（支持部４ｄの中央部材）を中心に回転する。そして、演算制御部７の制御に従って回転駆動部４ｂが回転駆動部４ｂを直線移動することで、測定対象物ＷＡが径方向に沿って移動する。このような回転駆動部４ｂによる測定対象物ＷＡの回転移動と、直線駆動部４ｃによる測定対象物ＷＡの直線方向の移動とを併用することによって、ステージ４の移動範囲内において測定対象物ＷＡの所望の測定箇所ＭＰを測定することができる。ここで、１個の測定箇所ＭＰには、上述したように、一面側測定部２によって複数の箇所Ｐで第１１一面側測定光が照射される。
【００９０】
次に、一面側位相検波部（第Ａ位相検波部）５について説明する。図７は、実施形態の形状測定装置における第１態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。図８は、実施形態の形状測定装置における第２態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。
【００９１】
一面側位相検波部５は、一面側測定部２（２Ａ、２Ｂ）によって得られた複数の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡを検出するための装置である。本実施形態では、３箇所の測定箇所ＭＰＡ１、ＭＰＡ２、ＭＰＡ３について、３個の照射後一面側干渉光が得られることから、３個の位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３が検出される。
【００９２】
このような一面側位相検波部５として、例えば、図７に示す構成の第１態様にかかる一面側位相検波部５Ａや図８に示す構成の第２態様にかかる一面側位相検波５Ｂが挙げられる。
【００９３】
この第１態様にかかる一面側位相検波部５Ａは、図７に示すように、光電変換部５ａ（５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３）、５ｂと、位相検波器５ｃ、５ｄ、５ｅとを備えて構成される。
【００９４】
光電変換部５ａ、５ｂは、例えばホトダイオード等の、入射光の光量に応じた信号レベルの電気信号に変換して該電気信号を出力する光電変換素子を備えて構成される。光電変換部５ａは、前記複数の箇所（測定箇所ＭＰ）の個数に応じて用意され、一面側測定部２からの複数の照射後一面側干渉光をそれぞれ受光して、その各光量に応じた信号レベルの各電気信号を各一面側測定ビート信号（第Ａ測定ビート信号）ＳｉｇＡとして出力するものである。本実施形態では、前記複数の箇所は、３個であることから、３個の光電変換部５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３が用意される。各光電変換部５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３のそれぞれは、一面側測定部２の出力端子２ｊ−１、２ｊ−２、２ｊ−３からそれぞれ射出された３個の照射後一面側干渉光を各マルチモード光ファイバおよび図略の各入力端子を介してそれぞれ受光し、これら各照射後一面側干渉光の各光量に応じて各一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−１、ＳｉｇＡ−２、ＳｉｇＡ−３をそれぞれ出力する。そして、光電変換部５ｂは、一面側測定部２からの照射前一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側参照ビート信号（第Ａ参照ビート信号）ＲｅｆＡとして出力するものである。
【００９５】
位相検波器５ｃ、５ｄ、５ｅは、入力信号間の位相を検出する装置である。位相検波器５ｃは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２とが入力され、これら一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２との間における位相差△ΦＡａ２−ｒを検出する。位相検波器５ｄは、光電変換部５ａ−１から一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−１と光電変換部５ａ−２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２とが入力され、一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−１と一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２との間における位相差△ΦＡａ１−ａ２を検出する。位相検波器５ｅは、光電変換部５ａ−２から一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−２と光電変換部５ａ−３から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３とが入力され、一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ−２と一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３との間における位相差△ΦＡａ３−ａ２を検出する。これら位相差△ΦＡａ２−ｒ、位相差△ΦＡａ１−ａ２および位相差△ΦＡａ３−ａ２から、演算処理によって、一面側測定部２によって得られた複数の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３を検出することができる。この演算処理は、一面側位相検波部５Ａによって実行されてもよく、また、演算制御部７によって実行されてもよい。
【００９６】
このような演算処理を不要とするために、第２態様にかかる一面側位相検波部５Ｂは、図８に示すように、光電変換部５ａ（５ａ−１、５ａ−２、５ａ−３）、５ｂと、位相検波器５ｃ、５ｄ、５ｅとを備え、位相検波器５ｃは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−２と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ２を検出する。位相検波器５ｄは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−１から第Ａ測定ビート信号ＳｉｇＡ−１とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−１と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ１を検出する。位相検波器５ｅは、光電変換部５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部５ａ−３から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ−３と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ３を検出する。
【００９７】
次に、他方面側位相検波部（第Ｂ位相検波部）６について説明する。図９は、実施形態の形状測定装置における他方面側位相検波部の構成を示す図である。
【００９８】
他方面側位相検波部６は、他面側測定部３によって得られた照射後他面側干渉光と照射前他面側干渉光との間における各位相差△ΦＢを検出するための装置である。より具体的には、このような他方面側位相検波部６は、例えば、図９に示すように、光電変換部６ａ、６ｂと、位相検波器６ｃとを備えて構成される。
【００９９】
光電変換部６ａは、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、他面側測定部３からの照射後他面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を他面側測定ビート信号（第Ｂ測定ビート信号）ＳｉｇＢとして出力するものである。光電変換部６ｂは、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、他面側測定部３からの照射前他面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を他面側参照ビート信号（第Ｂ参照ビート信号）ＲｅｆＢとして出力するものである。
【０１００】
位相検波器６ｃは、入力信号間の位相を検出する装置であり、光電変換部６ｂから他面側参照ビート信号ＲｅｆＢと光電変換部６ａから他面側測定ビート信号ＳｉｇＢとが入力され、これら他面側参照ビート信号ＲｅｆＢと他面側測定ビート信号ＳｉｇＢとの間における位相差△ΦＢを検出する。
【０１０１】
演算制御部７は、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや測定対象物ＷＡの表面形状を一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６の各出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部７は、機能的に、曲率算出部７１と、形状算出部７２と、ステージ制御部７３と、光源制御部７４と、厚さ算出部７５とを備えている。
【０１０２】
ステージ制御部７３は、測定対象物ＷＡにおける複数の測定箇所ＭＰを測定するために、測定対象物ＷＡが厚さ方向に直交する水平方向に移動するように、ステージ４における回転駆動部４ｂおよび直線駆動部４ｃの各動作を制御するものである。光源制御部７４は、光源部１の動作を制御するものである。
【０１０３】
厚さ算出部７５は、一面側測定部２によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部５で位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部３によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部６で位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から測定対象物ＷＡにおけるＡ面からＢ面までの距離を測定対象物ＷＡの厚さとして求めるものである。より具体的には、厚さ算出部７５は、一面側測定部２によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部５で位相検波することによって得られた一面側位相差△ΦＡと、他面側測定部３によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部６で位相検波することによって得られた他方面側位相差△ΦＢとの差分（△ΦＡ−△ΦＢ）から測定対象物ＷＡにおけるＡ面からＢ面までの距離を測定対象物ＷＡの厚さとして求める。この差分（△ΦＡ−△ΦＢ）は、測定対象物ＷＡの厚さに関する値であり、一面側測定光の波長および他面側測定光の波長とが等しいとの近似の下に、一面側測定光の波長をλとする場合に、測定対象物ＷＡの厚さＤは、例えば、Ｄ＝（△ΦＡ＋△ΦＢ）×（λ／２）／（２π）によって求められる。前記式の符号（△ΦＡと△ΦＢとの間の符号）は、光学系によって正負いずれもとることができ、通常、一面側測定部２および他面側測定部３を対称に作った（構成した）場合には、正（＋）となる。なお、本実施形態では、一面側と他面側との測定光は、同じ光源からの光を分岐したものであり、一面側と他面側との測定光の波長は、一致している。
【０１０４】
そして、演算制御部７は、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのそれぞれについて、予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面（Ａ面）までの距離ｄ（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）を求めることによって、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐでの測定対象物ＷＡの表面形状を求めるものである。本実施形態では、測定対象物ＷＡの表面形状として例えば曲率や前記曲率に基づく円弧が曲率算出部７１や形状算出部７２によって求める。
【０１０５】
曲率算出部７１は、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのそれぞれについて、予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面（Ａ面）までの距離ｄ（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）に基づいて、前記複数の箇所Ｐにおける曲率、すなわち、前記測定箇所ＭＰでの曲率を求めるものである。本実施形態では、前記複数の箇所Ｐは、３箇所であるので、曲率算出部７１は、図１０に示すように、曲率ＣＦを、ＣＦ＝（２ｄｂ−ｄａ−ｄｃ）／（ｗ２）によって求める。ここで、ｄａは、第１番目の箇所Ｐａにおける前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離であり、ｄｂは、第２番目の箇所Ｐｂにおける前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離であり、ｄｃは、第３番目の箇所Ｐｃにおける前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離である。この距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃは、実際の距離をそのままに表す絶対値ではなく前記基準面からの相対値であり、この距離ｄａは、ｄａ＝（△ΦＡ１／（２π）＋ｎ１）×（λ／２）＋Ｎ１によって求められ、距離ｄｂは、ｄｂ＝（△ΦＡ２／（２π）＋ｎ２）×（λ／２）＋Ｎ２によって求められ、距離ｄｃは、ｄｃ＝（△ΦＡ３／（２π）＋ｎ３）×（λ／２）＋Ｎ３によって求められる。このように前記予め設定された基準面から測定対象物ＷＡの一方面までの距離でｄは、例えば、ｄ＝（△ΦＡ／（２π）＋ｎ）×（λ／２）＋Ｎによって求められる。なお、前記基準面は、一面側測定部２から照射される測定光の光軸に対し水平な水平面であり、前記光軸に沿った任意の位置に設定される。前記定数Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は、前記基準面に対する初期値であり、例えば測定対象物ＷＡの測定の度に事前に測定され、当該形状測定装置Ｓに記憶される。また、数値ｎ、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、連続測定の場合に前記初期値に対する変化分を位相の整数倍で表すものである。そして、ｗは、隣接する測定光照射位置間の距離（面方向）である。曲率ＣＦの逆数が曲率半径ＣＦＲである。
【０１０６】
形状算出部７２は、曲率算出部７１によって求められた、複数の測定箇所ＭＰでの各曲率によって得られる各円弧を連結することによって、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を表面形状として求めるものである。例えば、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのうちの中央位置に在る箇所Ｐから曲率算出部７１で求められた曲率ＣＦに対応する曲率半径ＣＦＲで、前記中央位置の箇所Ｐを含む円弧が、前記測定箇所ＭＰでの円弧として求められ、各測定箇所ＭＰでの各円弧が連結される。
【０１０７】
入力部８は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや測定対象物の属性情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。出力部９は、入力部８で受け付けたコマンドやデータおよび測定結果等を出力するための装置であり、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。これら入力部８および出力部９は、演算制御部７に接続される。
【０１０８】
次に、本実施形態における形状測定装置Ｓの動作について説明する。図１１は、実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合における測定箇所を説明するための図である。図１１における○は、測定箇所ＭＰを示し、その破線は、各測定箇所ＭＰの軌跡を示す。図１２は、実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合において、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐと測定結果とを説明するための図である。図１２（Ａ）は、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを説明するための図であり、図１２（Ｂ）は、各測定箇所ＭＰにおける測定結果を示す図である。図１２（Ａ）における●は、測定箇所における複数の箇所Ｐを示し、その円弧状の破線は、各測定箇所ＭＰの軌跡を示す。図１２（Ｂ）の横軸は、測定対象物ＷＡにおける周方向の位置座標を表し、その縦軸は、面高さを表す。図１２（Ｂ）における●は、測定結果を示す。また、図１２における直線上の実線および破線は、図１２（Ａ）と図１２（Ｂ）との対応関係を表すものである。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐは、説明の便宜上、３個として説明を行う。
【０１０９】
図略の電源スイッチがオンされると、形状測定装置Ｓが起動され、演算制御部７によって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の測定対象物ＷＡがステージ４に載置され、入力部８から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部７は、測定対象物ＷＡの表面形状の測定を開始する。
【０１１０】
まず、演算制御部７の光源制御部７４は、光源部１を駆動し、単波長レーザ光源１ａに所定のレーザ光を発光させる。この単波長レーザ光源１ａによる所定のレーザ光の発光により、上述した光学系の作用によって、一面側測定光および他面側測定光が光源部１の出力端子１ｅおよび出力端子１ｇからそれぞれ射出される。
【０１１１】
続いて、この光源部１の出力端子１ｅから射出された一面側測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、一面側測定部２に入射される。この一面側測定部２では、この入射された一面側測定光から上述した光学系の作用によって照射前一面側干渉光および３個の照射後一面側干渉光とが生成され、出力端子２ｑおよび３個の出力端子２ｊ−１〜２ｊ−３からそれぞれ射出される。続いて、この一面側測定部２の出力端子２ｑおよび３個の出力端子２ｊ−１〜２ｊ−３からそれぞれ射出された照射前一面側干渉光および３個の照射後一面側干渉光とは、各マルチモード光ファイバを伝播し、一面側位相検波部５に入射される。この一面側位相検波部５では、これら照射前一面側干渉光と３個の照射後一面側干渉光との位相検波によって、これら３個の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３に関連あるいは表すデータが生成される。
【０１１２】
一方、この光源部１の出力端子１ｇから射出された他面側測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、他面側測定部３に入射される。この他面側測定部３では、この入射された他面側測定光から上述した光学系の作用によって照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光とが生成され、出力端子３ｏおよび出力端子２ｉからそれぞれ射出される。続いて、この他面側測定部３の出力端子２ｏおよび出力端子３ｉからそれぞれ射出された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光とは、各マルチモード光ファイバを伝播し、他方面側位相検波部６に入射される。この他方面側位相検波部６では、これら照射前他面側干渉光と照射後他面側干渉光との位相検波によって、照射後他面側干渉光について、照射前他面側干渉光との間における各位相差△ΦＢを表すデータが生成される。
【０１１３】
これら一面側測定部２および一面側位相検波部５と他面側測定部３および他方面側位相検波部６とがこのような動作を行っている際に、演算制御部７のステージ制御部７３は、ステージ４を制御することによって、測定対象物ＷＡをその厚さ方向に直交する水平方向に移動させる。
【０１１４】
より具体的には、例えば、本実施形態では、ステージ制御部７は、ステージ４の回転駆動部４ｂを制御することによって測定対象物ＷＡを回転させつつ、ステージ４の直線駆動部４ｃを制御することによって測定対象物ＷＡを直線方向に移動させる。このようなステージ制御部７３によるステージ４の制御を行っている間に、演算制御部７は、測定箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、図１１に示すように、複数の測定箇所ＭＰの各位置の軌跡が螺旋を描くように、測定対象物ＷＡにおける測定箇所ＭＰの位置を順次に変更しつつ測定対象物ＷＡにおける各測定箇所ＭＰでの各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得される。また例えば、ステージ制御部７は、ステージ４の回転駆動部４ｂを制御することによって測定対象物ＷＡを回転させつつ、この間に、演算制御部７は、測定箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。続いて、測定対象物ＷＡが１回転したところで、ステージ４の直線駆動部４ｃを制御することによって測定対象物ＷＡを直線方向に所定の距離だけ移動させる。そして、この直線方向に所定の距離だけ移動したところで、上述と同様に、演算制御部７は、測定対象物ＷＡを回転させつつ、この間に、所定の位置での各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、半径の異なる円周上の各位置での各測定箇所ＭＰで各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得される。
【０１１５】
ここで、上述の形状測定装置Ｓにおいて、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとが２つ以上重なるように、測定対象物ＷＡを水平方向に移動するように、演算制御部７のステージ制御部７３は、ステージ４を制御し、そして、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得してもよい。
【０１１６】
また、上述の形状測定装置Ｓにおいて、複数の箇所Ｐが、移動方向に沿って並び、この移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所Ｐの間隔が等しくなるように、演算制御部７のステージ制御部７３は、ステージ４を制御し、そして、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得してもよい。
【０１１７】
例えば、ステージ制御部７３は、各測定箇所ＭＰの各位置の軌跡が螺旋を描く場合では、測定対象物ＷＡが周方向に一定の角速度で回転するように回転駆動部４ｂを制御しつつ、測定対象物ＷＡが直線方向に一定の速度で移動するように直線駆動部４ｃを制御する。この場合でも、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとが２つ以上重なるように、周方向に回転させつつ、直線方向に移動するようにステージ４が制御される。あるいは、ステージ制御部７３は、各測定箇所ＭＰの各位置が円周上に並ぶ場合では、測定対象物ＷＡが周方向に一定の角速度で回転するように回転駆動部４ｂを制御し、１回転したところで、測定対象物ＷＡが直線方向に所定の距離だけ移動するように直線駆動部４ｃを制御する。そして、演算制御部７は、一定の周期で、一面側位相検波部５および他方面側位相検波部６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。
【０１１８】
このようなステージ制御部７３によるステージ４の制御および演算制御部７のデータ取得のタイミングの制御を行うことにより、例えば、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとを２つ重ね、かつ、移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所Ｐの間隔を等しくすると（曲線（円弧）ＡＲ上での距離を等しくすると）、各測定箇所ＰＭでの複数の箇所Ｐは、図１２（Ａ）に示す位置となる。図１２（Ａ）に示す例では、第１番目の測定箇所ＭＰ１では、曲線（円弧）ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−１１、Ｐ−１２、Ｐ−１３で前記各位相差のデータが取得され、第２番目の測定箇所ＭＰ２では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−２１、Ｐ−２２、Ｐ−２３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ−２２が箇所Ｐ−１１に重なり、箇所Ｐ−２３が箇所Ｐ−１２に重なる。そして、第３番目の測定箇所ＭＰ３では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−３１、Ｐ−３２、Ｐ−３３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ−３２が箇所Ｐ−２１に重なり、箇所Ｐ−３３が箇所Ｐ−２２および箇所Ｐ−１１に重なる。また、第４番目の測定箇所ＭＰ４では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ−４１、Ｐ−４２、Ｐ−４３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ−４２が箇所Ｐ−３１に重なり、箇所Ｐ−４３が箇所Ｐ−３２および箇所Ｐ−２１に重なる。
【０１１９】
続いて、これら各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得されると、演算制御部７の厚さ算出部７５は、上述した演算式によって、測定箇所ＭＰにおける厚さＤ、例えば箇所Ｐｂの厚さＤを求め、測定箇所ＭＰにおける測定対象物ＷＡの厚さＤを求める。
【０１２０】
続いて、演算制御部７の曲率算出部７１は、測定箇所ＭＰにおける３個の箇所Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃのそれぞれについての測定対象物ＷＡの距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃに基づいて、上述した演算式によって、測定箇所ＭＰにおける曲率ＣＦを求める。
【０１２１】
続いて、演算制御部の形状算出部７２は、曲率算出部７１によって求められた、複数の測定箇所ＭＰでの各曲率ＣＦによって得られる各円弧を連結することによって、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を求める。例えば、実線の曲線で図１２（Ｂ）に示すように、４個の第１ないし第４測定箇所ＭＰ１〜ＭＰ４での各曲率ＣＦ１〜ＣＦ４によって得られる各円弧を連結することによって、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布が求められる。
【０１２２】
続いて、演算制御部７は、これら求めた厚さ分布、曲率および表面の高さ分布を測定対象物ＷＡの表面形状として出力部９に出力し、出力部９は、これら厚さ分布、曲率および表面の高さ分布を測定対象物ＷＡの表面形状として表示する。
【０１２３】
このように動作することによって、本実施形態における形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、測定対象物ＷＡの一方面に対し測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐで光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡの一方面から他方面までの距離が測定され、測定対象物ＷＡの厚さと面の表面形状が１回の測定で求めることができ、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、測定対象物ＷＡの厚さと表面形状とをより高い精度で測定することができる。例えば、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、ナノメートルレベルの精密な測定が可能となる。このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、製造工程中や製造後における製品検査等の用途で半導体ウェハの製造工場等で好適に使用することができる。
【０１２４】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、ステージ４によって測定対象物ＷＡが水平方向に移動され、測定対象物ＷＡの厚みが走査される。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、前記走査の範囲について、測定対象物ＷＡの厚さ分布をより高い精度で測定することができる。
【０１２５】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、測定対象物ＷＡの表面における曲率ＣＦを測定対象物ＷＡの表面形状として測定することができる。
【０１２６】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、複数の曲率ＣＦによって得られる複数の円弧が連結される。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を測定対象物ＷＡの表面形状として測定することができ、測定対象物ＷＡにおける表面の形状を再現することができる。
【０１２７】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重ねられる。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、連続的に測定対象物ＷＡの表面形状を容易に測定することができる。
【０１２８】
また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、移動方向に沿って並ぶ２つの箇所Ｐの間隔が等しい。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、ステージ４の制御が容易となり、また、一定の間隔で、測定対象物ＷＡの表面形状を測定することができる。
【０１２９】
また、上述の形状測定装置Ｓでは、一面側光変調器および他面側光変調器が光源部１内に設けられるのではなく、一面側測定部２は、その内部に、より具体的には、筐体内部に一面側光変調器の一例としての波長シフタ２ｃ、２ｌを備え、他面側測定部３は、その内部に、より具体的には、筐体内部に他面側光変調器の一例としての波長シフタ３ｃ、３ｋを備えている。このため、このような構成の形状測定装置Ｓは、光源部１から一面側測定部２に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無く、そして、光源部１から他面側測定部３に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無い。したがって、形状測定装置Ｓは、測定対象物ＷＡの表面形状をより高い精度で測定することができる。
【０１３０】
なお、上述の実施形態において、形状測定装置Ｓは、エッジロールオフを表す指標を演算制御部７によって求めてもよい。図１３は、エッジロールオフを説明するための図である。図１３（Ａ）は、ウェハ（Wafer）の表面プロファイル（Surface Profile）を示す模式図であり、図１３（Ｂ）は、前記ウェハの縦断面模式図である。図１３（Ａ）の横軸は、ウェハにおけるエッジからの距離であり、その縦軸は、高さである。
【０１３１】
半導体ウェハには、図１３に示すように、最も外側にＣｈａｍｆｅｒと呼ばれる面取部があり、例えば、３００ｍｍウェハでは、物理的な先端から約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの領域が前記面取部に当たる。エッジロールオフ（Edge Roll-off）は、前記面取部より内部の数ｍｍまでに至る領域である。このエッジロールオフは、様々な要因によって生じるが、その大きな要因は、半導体ウェハの研磨工程にある。このエッジロールオフは、通常、図１３に示すように、「ダレた形状」を呈するが、条件によっては、ダレではなく、「盛り上がった形状」を呈する場合もある。
【０１３２】
このエッジロールオフの評価方法として、例えば、Ｋｉｍｕｒａらが提案しているＲＯＡ（Roll-off Amount；ＲＯＡ）という評価値がある。この評価値は、図１３（Ａ）に示すように、半導体ウェハが平坦であると考えられる、半導体ウェハの物理的な先端から約３〜６ｍｍの位置（Reference area）における半導体ウェハの形状から基準平面を求め、１ｍｍの位置の半導体ウェハの形状と前記基準面との距離として定義される。この評価値ＲＯＡは、半導体ウェハの外縁部がどの程度ダレているか、あるいは盛り上がっているかを表す指標である。
【０１３３】
このようなエッジロールオフの指標である評価値ＲＯＡを求めるために、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐが径方向に沿って並ぶように一面側測定部２が構成され、演算制御部７が、機能的に、形状算出部７２によって求められた測定対象物ＷＡにおける表面の高さ分布を用いて、評価値ＲＯＡを求める評価値算出部をさらに備えるように形状測定装置Ｓが構成されてもよい。この評価値算出部をさらに備えることで、形状測定装置Ｓは、エッジロールオフの評価値ＲＯＡを求めることができる。したがって、このエッジロールオフの評価値ＲＯＡを参照することによって、所定のプロセス・ルールに適合したダイを製造することができる領域を半導体ウェハに適切に設定することができる。
【０１３４】
また、上述の実施形態では、形状測定装置Ｓは、Ａ面のみ複数の箇所Ｐで測定するように構成されたが、Ｂ面もＡ面における複数の箇所Ｐの各位置に正対する各位置の複数の箇所Ｑで測定するように、構成されてもよい。この場合では、他面側測定部３も一面側測定部２と同様に構成され、演算制御部７は、Ａ面とＢ面において互いに正対する位置における位相差のデータ同士で、測定対象物ＷＡの表面形状を求める。
【０１３５】
また、上述の実施形態では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐは、３個であったが、これに限定されるものではない。図１４は、測定箇所における複数の箇所について、第１ないし第３の態様を説明するための図である。図１４（Ａ）は、第１態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示し、図１４（Ｂ）は、第２態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示し、図１４（Ｃ）は、第３態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示す。図１４において、●は、箇所Ｐを表す。
【０１３６】
第１態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図１４（Ａ）に示すように、上述した実施形態と同様に３個である。隣接する２つの箇所Ｐ間の距離は、例えば、５００μｍ等である。
【０１３７】
また、第２態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図１４（Ｂ）に示すように、十字を形成するように配列された５個である。このような第２態様では、例えば、図３に示す第１態様の一面側測定部２Ａにおいて、回折格子２ｅおよび回折格子２ｎのそれぞれを、回折方向が互いに直交する２個の回折格子に代え、さらに、この２個の回折格子によって２次元アレイ状にそれぞれ回折された第１１一面側測定光および第２１一面側測定光（照射後一面側干渉光）のうち、十字を形成するような配列で５個の照射後一面側干渉光を、５個の出力端子２ｊで受光するように、形状測定装置Ｓが構成される。
【０１３８】
そして、第３態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図１４（Ｃ）に示すように、２次元アレイ状に配列された３行×３列の９個である。このような第３態様では、例えば、図３に示す第１態様の一面側測定部２Ａにおいて、回折格子２ｅおよび回折格子２ｎのそれぞれを、回折方向が互いに直交する２個の回折格子に代え、さらに、この２個の回折格子によって２次元アレイ状にそれぞれ回折された第１１一面側測定光および第２１一面側測定光（照射後一面側干渉光）のうち、３行×３列の２次元アレイ状を形成するような配列で９個の照射後一面側干渉光を、９個の出力端子２ｊで受光するように、形状測定装置Ｓが構成される。
【０１３９】
このような測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐが、前記第２態様や前記第３態様のように２次元配列される場合では、測定対象物ＷＡにおける表面形状を、１つの測定箇所ＭＰにおいて２次元的に測定することが可能となる。
【０１４０】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【０１４１】
Ｓ 形状測定装置
ＭＰ 測定箇所
Ｐ 測定箇所における複数の箇所
ＷＡ 測定対象物
１ 光源部
２、２Ａ、２Ｂ 一面側測定部
２ｅ、２ｎ 回折格子
３ 他面側測定部
４ ステージ
５、５Ａ、５Ｂ 一面側位相検波部
６ 他面側位相検波部
７ 演算制御部
７１ 曲率算出部
７２ 形状算出部
７３ ステージ制御部
７４ 光源制御部
７５ 厚さ算出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を生成する光源部と、
前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、
前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、
前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、
一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算部とを備え、
前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、
前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めること
を特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記測定対象物の厚さ方向に直交する水平方向に前記測定対象物を移動する移動部をさらに備え、
前記演算部は、前記移動部によって前記測定対象物を前記水平方向に移動させながら、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記測定対象物の表面形状を求めることで、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状を複数求めること
を特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記複数の箇所は、３箇所以上であり、
前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについての前記予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離に基づいて前記複数の箇所における曲率を求めること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記曲率を複数求め、前記求めた複数の曲率によって得られる複数の円弧を連結することによって、前記測定対象物における表面の高さ分布を求めること
を特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記移動部は、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、前記測定対象物を前記水平方向に移動すること
を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記複数の箇所は、移動方向に沿って並んでおり、前記移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所の間隔が等しいこと
を特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける第１一面側回折格子と、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける第２一面側回折格子とを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側回折格子で分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側回折格子で分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成すること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける１または複数の第１一面側ビームスプリッタと、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける１または複数の第２一面側ビームスプリッタとを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成すること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光と第２一面側測定光との間に周波数差を生じさせる一面側光変調器を備え、
前記他面側測定部は、前記分けられた第１他面側測定光と第２他面側測定光との間に周波数差を生じさせる他面側光変調器を備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける測定光分配工程と、
前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側干渉光生成工程と、
前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側干渉光生成工程と、
一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側干渉光生成工程によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算工程とを備え、
前記一面側干渉光生成工程は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、
前記演算工程は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めること
を特徴とする形状測定方法。
【請求項１】
測定光を生成する光源部と、
前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、
前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、
前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、
一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算部とを備え、
前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、
前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めること
を特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記測定対象物の厚さ方向に直交する水平方向に前記測定対象物を移動する移動部をさらに備え、
前記演算部は、前記移動部によって前記測定対象物を前記水平方向に移動させながら、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記測定対象物の表面形状を求めることで、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状を複数求めること
を特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記複数の箇所は、３箇所以上であり、
前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについての前記予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離に基づいて前記複数の箇所における曲率を求めること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記曲率を複数求め、前記求めた複数の曲率によって得られる複数の円弧を連結することによって、前記測定対象物における表面の高さ分布を求めること
を特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記移動部は、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、前記測定対象物を前記水平方向に移動すること
を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記複数の箇所は、移動方向に沿って並んでおり、前記移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所の間隔が等しいこと
を特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける第１一面側回折格子と、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける第２一面側回折格子とを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側回折格子で分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側回折格子で分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成すること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける１または複数の第１一面側ビームスプリッタと、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける１または複数の第２一面側ビームスプリッタとを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成すること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光と第２一面側測定光との間に周波数差を生じさせる一面側光変調器を備え、
前記他面側測定部は、前記分けられた第１他面側測定光と第２他面側測定光との間に周波数差を生じさせる他面側光変調器を備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける測定光分配工程と、
前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側干渉光生成工程と、
前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側干渉光生成工程と、
一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側干渉光生成工程によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記測定対象物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記測定対象物の厚さとして求める演算工程とを備え、
前記一面側干渉光生成工程は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、
前記演算工程は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側干渉光生成工程によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めること
を特徴とする形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１４５１９４（Ｐ２０１１−１４５１９４Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６６５３（Ｐ２０１０−６６５３）
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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