CN110296662B - 形状测量装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形状测量装置，基于对第1A面测量光和第2A面测量光进行光外差干涉而得到的A面参照干涉光和A面测量干涉光、以及对第1B面测量光和第2B面测量光进行光外差干涉而得到的B面参照干涉光和B面测量干涉光来测量被测量物(WA)的厚度变化量，在进行上述各光外差干涉时，将上述第1A面测量光和上述第2B面测量光设为同一频率，并且将上述第1B面测量光和上述第2A面测量光设为同一频率。

Description

形状测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及使用光外差干涉法来测量例如半导体晶圆等被测量物的厚度变化量的形状测量装置及形状测量方法。
背景技术
近年来，集成电路的元件越来越集成化。在半导体晶圆上制造这样的集成电路的工艺条件即工艺规则通常由栅极布线的线宽或间隔的最小加工尺寸规定。如果该工艺规则再降低一半，则理论上能够在相同面积内配置4倍数量的晶体管或布线，因此相同数量的晶体管只占1/4的面积。结果是不仅一片半导体晶圆所能制造的裸片数量变4倍，通常生产率也能得到改善，因此能够制造更多的裸片。为了制造高密度的集成电路，上述最小加工尺寸在2015年最先进时达到了14nm。
在这样的亚微米量级(1μm以下)工艺规则下，要求半导体晶圆有很高的平坦度，例如表面的高度变化等半导体晶圆的形状可以忽略。因此，希望有能够高精度地、例如在亚纳米量级(1nm以下)测量半导体晶圆的形状的形状测量装置。作为这样的形状测量装置之一，已知有利用光外差干涉法测量被测量物的形状的装置(例如参考日本发明公开公报特开2010-175499(D1))。该光外差干涉法使不同频率的两束激光发生干涉，从而生成频率为这两束激光的频率差的差拍信号，并对该生成的差拍信号的相位变化进行检波，该差拍信号的相位变化与上述两束激光之间的光路长度之差对应，因此与被测量物的厚度变化有关。
如上所述，在光外差干涉法中，需要有不同频率的两束激光。因此采用的是如下方法：利用从同一光轴输出不同频率的两束激光的塞曼激光器或稳频激光器，并利用声光调制器(AOM，acoustopticalmodulator)等对上述激光器输出的激光进行频率调制，从而生成上述不同频率的两束激光。在该方法中，为了获得塞曼效应而生成磁场的电路、使频率稳定的电路及用于泵浦的电路等自身产生的杂讯或从外部进入的杂讯等有时会包含在上述不同频率的两束激光的频率分量中，结果可能导致测量值中混入杂讯。
光外差干涉法使用所谓的锁相放大器来进行相位检测，但上述杂讯有时候会达到即便是构成该锁相放大器的低通滤波器也无法去除的频率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够进一步降低杂讯的形状测量装置及形状测量方法。
本发明提供的形状测量装置，包括：光源部，生成测量光；分光部，将所述光源部生成的测量光分为A面测量光和B面测量光；A面干涉部，将所述分光部分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；B面干涉部，将所述分光部分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及形状测量部，基于对所述A面干涉部所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对所述B面干涉部生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，所述A面干涉部和所述B面干涉部在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。
本发明提供的形状测量方法，包括：分光工序，将测量光分为A面测量光和B面测量光；A面干涉工序，将所述分光工序中分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的第1照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的第1照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；B面干涉工序，将所述分光工序中分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的第1照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的第1照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及形状测量工序，基于对在所述A面干涉工序生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对在所述B面干涉工序生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，所述A面干涉工序和所述B面干涉工序，在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。
通过阅读以下的详细描述和附图，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是表示实施方式的形状测量装置的结构的框图。
图2是表示上述形状测量装置中的光源部的结构的图。
图3是表示上述形状测量装置中的A面干涉部(B面干涉部)的结构的图。
图4是表示上述形状测量装置中的A面相位检波部(B面相位检波部)的结构的图。
图5是表示上述形状测量装置中的工作台的结构的图。
图6是用于说明使用上述形状测量装置测量被测量物的厚度变化量时的测量部位的图。
图7是表示测量结果的一例的图。
图8是表示变形方式所涉及的A面相位检波部(B面相位检波部)的结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的一个或多个实施方式进行说明。然而，本发明的范围并不限定为公开的实施方式。另外，在各图中，标注了相同附图标记的构件表示相同的构件，故适当地省略说明。本说明中，在总称时以省略了附加文字的参考标记来表示，在表示个别部件时以带附加文字的参考标记来表示。
本实施方式的形状测量装置是利用光外差干涉法非接触地以例如纳米级或亚纳米级(1nm以下)来测量例如半导体晶圆等被测量物WA的厚度变化量的装置。本实施方式中的形状测量装置，包括：光源部，生成测量光；分光部，将所述光源部生成的测量光分为A面测量光和B面测量光；A面干涉部，将所述分光部分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；B面干涉部，将所述分光部分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及形状测量部，基于对所述A面干涉部所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对所述B面干涉部生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量。而且，本实施方中，所述A面干涉部和所述B面干涉部在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。以下，对形状测量装置作更具体的说明。
图1是表示实施方式所涉及的形状测量装置的结构的框图。形状测量装置S例如图1所示，具备光源部1、A面干涉部2A、B面干涉部2B、A面相位检波部3A(3Aa)、B面相位检波部3B(3Ba)、运算控制部4(4a)、工作台5、输入部6和输出部7，利用工作台5使被测量物WA沿水平方向移动的同时测量被测量物WA的厚度变化量。
下面，对形状测量装置S的各部进行说明，这里对各部较多用的光学器件(光学元件)进行汇总说明。
分光部(optical branching device，无偏光分束器)是按照光功率的大小将入射光分为两束光并分别射出的光学器件。分光部可以使用例如半透镜(half mirror)等微少光学元件形式的分光耦合器、熔融光纤的光纤式分光耦合器、光波导式分光耦合器等。分光部通常在将输入端子与输出端子交换(反过来)使用时，会将射入的两束光合并射出，从而起到合光部的功能。在分光部使用半透镜时，通常是分出的一束光通过半透镜后继续沿着原方向射出，分出的另一束光则被半透镜反射而向与上述方向垂直的方向(正交的方向)射出。
偏光分束器(polarization beem splitter)是从入射光中提取出相互正交的S偏光和P偏光并分别射出的光学器件，通常是提取出的一束光(S偏光或P偏光)继续沿着原方向射出，提取出的另一束光(P偏光或S偏光)则向着与该方向垂直的方向(正交的方向)射出。
偏光器(polarizer)是从入射光中提取出具有规定的偏振面的线性偏振光并射出的光学器件，例如偏光滤波器。
波长片(wave plate，(相位板(phase plate)))是使入射光中的2种偏光成分之间具有规定相位差(最终为光程差)并射出的光学器件，例如使入射光中的2种偏光成分之间具有λ/4光程差的1/4波长片、使入射光中的2种偏光成分之间具有λ/2光程差的1/2波长片等。λ在此处是指入射光的波长。
反射镜(镜子，reflection mirror)是通过使入射光以与其入射角对应的反射角且以规定的反射率反射从而改变光的前行方向的光学器件，例如在玻璃构件的表面蒸镀金属薄膜或电介质多层膜来形成。为了降低光的损耗，反射镜优选为进行全反射的全反射镜。
输入端子是用于使光射入光学器件的端子，输出端子是用于使光从光学器件射出的端子。各部间的连接可以使用例如反射镜、透镜等光学器件构成的导光单元，而在本实施方式中，各部间的连接如后文所述地使用偏振保持光纤等光纤，因此这些输入端子和输出端子上使用用于连接光纤的连接器。
下面，对形状测量装置S的各部进行说明。首先，对光源部S1进行说明。图2是表示上述形状测量装置中的光源部的结构的图。光源部1是生成规定的可干涉光即利用光外差干涉法来测量被测量物WA的厚度变化量用的测量光的装置。上述测量光是具有预先设定的规定波长λ(频率ω)的单波长光，是具有预先设定的规定偏振面的偏振光。上述测量光包括两束A面测量光和B面测量光，用于从两个面利用光外差干涉法测量被测量物WA。为了便于说明，将被测量物WA的其中一面(一个主面)称为A面，将与该A面具有正反面关系的被测量物WA的另一面(另一主面)称为B面。这样的光源部1例如图2所示，由单波长激光光源11、光隔离器12、分光部13、偏光器14、16和输出端子15、17构成。
单波长激光光源11是生成具有预先设定的规定波长λ0(频率ω0)的单波长激光的装置，可以使用各种激光器，例如可以输出规定光功率且波长约为632.8nm的氦氖气体激光器(He-Ne气体激光器)等。单波长激光光源11优选为具备波长锁定器等的所谓稳频气体激光器。单波长激光光源11也可以是半导体激光器。
光隔离器12是使光只能从其输入端子到其输出端子单向透过的光学器件。光隔离器12为了使单波长激光光源11的激光振荡稳定，防止形状测量装置S内的各光学器件(光学元件)的连接部等产生的反射光(返回光)射入到单波长激光光源11。
在这样的光源部1中，从单波长激光光源11出射的激光经过光隔离器12射入分光部13，被分成第1激光和第2激光这两束激光。第1激光将射入偏光器14，形成具有规定偏振面的激光的A面测量光，并从输出端子15射出。该A面测量光射入A面干涉部2A。而第2激光将射入偏光器16，形成具有规定偏振面的激光的B面测量光，并从输出端子17射出。该B面测量光射入B面干涉部2B。本实施方式中，上述A面测量光被用于通过光外差干涉法测量被测量物WA的A面，上述B面测量光被用于通过光外差干涉法测量被测量物WA的B面。
考虑到要使光源部1和A面干涉部2A之间的光路长度、光源部1和B面干涉部2B之间的光路长度容易调整，在本实施方式中，光源部1与A面干涉部2A的连接、光源部1与B面干涉部2B的连接分别使用保持光的偏振面不变的同时进行导光的偏振保持光纤。偏振保持光纤例如是PANDA光纤或椭圆芯光纤等。从光源部1的输出端子15射出的A面测量光通过偏振保持光纤的导光，射入A面干涉部2A，从光源部1的输出端子17射出的B面测量光通过偏振保持光纤的导光，射入B面干涉部2B。
接下来，对A面干涉部2A和B面干涉部2B进行说明。图3是表示上述形状测量装置中的A面干涉部(B面干涉部)的结构的图。另外，A面干涉部2A和B面干涉部2B采用相同的结构，因此下面主要对A面干涉部2A进行说明，在对A面干涉部2A的结构标注的参考标号后面，用括号标记了对上述A面干涉部2A的结构所对应的B面干涉部2B的结构所标注的参考标号，并且通过将“A面”换成“B面”，就是对B面干涉部2B的结构的说明。因此，图3中主要示出的是A面干涉部2A的结构，B面干涉部2B的结构用括号将该结构所标注的参考符号括起来示于图3。
A面干涉部2A(2B)是来自光源部1的A面测量光射入，通过使用A面测量光的光外差干涉法，得到包含A面上的被测量物WA的厚度变化量相关信息的差拍光信号的装置。
更具体而言，A面干涉部2A(2B)是与被测量物WA的A面相对向的测量光学系统，将来自光源部1的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，通过光外差干涉(optical heterodyne interference)，生成使上述第1A面测量光中照射到被测量物WA的A面上的第1测量位置的部位并被反射的照射后A面测量光与上述第2A面测量光干涉后得到的A面测量干涉光，并且通过光外差干涉，生成使上述第1A面测量光中照射到上述第1测量位置的部位之前的照射前A面测量光与上述第2A面测量光干涉后得到的A面参照干涉光。在这样的结构的A面干涉部2A(2B)中，以A面参照干涉光为基准。可以得到表示A面测量干涉光的相位的信息。
换言之，A面干涉部2A(2B)是与被测量物WA的A面相对向的光外差干涉仪，其利用A面测量光生成频率不同的第1A面测量光和第2A面测量光这两束光，使这两束第1A面测量光和第2A面测量光发生干涉(光外差干涉)，生成频率为这两束光的频率差的差拍光信号，且该A面干涉部2A(2B)是在利用上述A面测量光生成上述第1A面测量光和第2A面测量光之后，到上述第1A面测量光与上述第2A面测量光发生干涉之前，包含第1A面测量光照射到被测量物WA的A面并反射的第1A面光路和第1A面测量光没有照射到被测量物WA的A面的第2A面光路这各条光路的测量光学系统。
这样的A面干涉部2A(2B)例如图3所示，具备输入端子211A(211B)、分光部212A(212B)、216A(216B)、217A(217B)、224A(224B)、232A(232B)、偏光分束器221A(221B)、光调制部214A(214B)、215A(215B)、反射镜213A(213B)、231A(231B)、1/4波长片222A(222B)、透镜223A(223B)、偏光器225A(225B)、233A(233B)和输出端子226A(226B)、234A(234B)。这些光调制部214A(214B)、215A(215B)、偏光分束器221A(221B)、1/4波长片222A(222B)、透镜223A(223B)、分光部224A(224B)、偏光器225A(225B)和输出端子226A(226B)构成生成A面测量干涉光的测量干涉仪，这些光调制部214A(214B)、215A(215B)、分光部212A(212B)、216A(216B)、217A(217B)、232A(232B)、反射镜231A(231B)、偏光器233A(233B)和输出端子234A(234B)构成生成A面参照干涉光的参照干涉仪。
光调制部214A(214B)、215A(215B)是以规定的频率对入射光进行调制的光学器件，例如使用声光效应来对入射光进行调制的声光调制器(acoustooptic modulator，AOM)等。透镜223A(223B)是A面干涉部2A(2B)的针对被测量物WA的物镜，例如非球面的聚焦透镜等。
在该A侧测量部2A(2B)中，从光源部1通过偏振保持光纤射入输入端子211A(211B)的A面测量光射入分光部212A(212B)，被分成第1A面测量光和第2A面测量光这两束光。第1A面测量光继续沿着原方向(在分光部212A(212B)，入射光的前行方向与出射光的前行方向相同)前行，而第2A面测量光沿着与第1A面测量光的前行方向正交的方向(垂直的方向)前行。从分光部212A(212B)射出的第1A面测量光射入光调制部214A(214B)，其波长(频率)被规定的第1频率fA1调制。从分光部212A(212B)射出的第2A面测量光经过反射镜213A(213B)射入光调制部215A(215B)，其波长(频率)通过光外差干涉的方式被不同于上述第1频率的规定的第2频率fA2调制。调制后的第1A面测量光的频率fA1与第2A面测量光的频率fA2的频率差△fA并无特别限定，但是考虑到利用光外差进行干涉，该频率差△fA为例如数十kHz～数MHz左右的值。
另外，本实施方式中，第1A面测量光和第2A面测量光分别由光调制部214A(214B)、215A(215B)进行调制，但为了利用光外差进行干涉，第1A面测量光的频率fA1与第2A面测量光的频率fA2之间只要具有规定的频率差△fA即可，因此也可以仅具备其中一个光调制部。
从分光部212A(212B)射出的第2A面测量光在本实施方式中通过分光部212A(212B)向与第1A面测量光的前行方向正交的方向前行，但利用反射镜213A(213B)使其前行方向转过一个直角，从而可以与第1A面测量光的前行方向一致。由此，反射镜213A(213B)是为了使从分光部212A(212B)射出的第1A面测量光的前行方向与第2A面测量光的前行方向一致而设置的。
从光调制部214A(214B)射出的调制后的第1A面测量光(第1A面调制测量光)射入分光部216A(216B)，被分光部216A(216B)分为第1-1A面调制测量光和第1-2A面调制测量光这两束光。其中，第1-1A面调制测量光沿着原方向继续前行，而第1-2A面调制测量光向着与第1-1A面调制测量光的前行方向正交的方向前行。从光调制部215A(215B)射出的调制后的第2A面测量光(第2A面调制测量光)射入分光部217A(217B)，被分光部217A(217B)分为第2-1A面调制测量光和第2-2A面调制测量光这两束光。其中，第2-1A面调制测量光沿着原方向继续前行，而第2-2A面调制测量光向着与第2-1A面调制测量光的前行方向正交的方向前行。
从分光部216A(216B)射出的第1-1A面调制测量光射入偏光分束器221A(221B)，从分光部216A(216B)射出的第1-2A面调制测量光作为照射前A面测量光射入分光部232A(232B)。从分光部217A(217B)射出的第2-1A面调制测量光射入分光部224A(224B)，从分光部217A(217B)射出的第2-2A面调制测量光经过反射镜231A(231B)射入分光部232A(232B)。上述反射镜231A(231B)使上述第2-2A面调制测量光的前行方向转过一个直角。
然后，射入该分光部232A(232B)的照射前A面测量光(第1-2A面调制测量光)与第2-2A面调制测量光在分光部232A(232B)处合光而发生光外差干涉，其差拍光信号作为A面参照干涉光经由偏光器233A(233B)射入输出端子234A(234B)。这里，分光部232A(232B)起到光耦合部(干涉部)的功能。偏光器233A(233B)通过提取出同一方向的偏振成分，射出第1-2A面调制测量光与第2-2A面调制测量光的干涉光(A面参照干涉光)。从该输出端子234A(234B)射出的差拍光信号的A面参照干涉光射入A面相位检波部3Aa。A面干涉部2A(2B)通过例如单模光纤或多模光纤等光纤与A面相位检波部3Aa(3Ba)连接。
另一方面，射入偏光分束器221A(221B)的第1-1A面调制测量光射入1/4波长片222A(222B)，通过透镜223A(223B)聚焦并照射到被测量物WA的A面上的第1测量位置的部位MP。然后，在该被测量物WA的A面上的第1测量位置的部位MP被反射的第1-1A面调制测量光作为照射后A面测量光，再次经过透镜223A(223B)和1/4波长片222A(222B)射入偏光分束器221A(221B)。由于该1/4波长片222A(222B)的存在，从偏光分束器221A(221B)照射到被测量物WA的A面的第1-1A面调制测量光的偏振状态(例如P偏光或S偏光)与在被测量物WA的A面反射并射入偏光分束器221A(221B)的照射后A面测量光的偏振状态(例如S偏光或P偏光)可彼此交替。因此，射入偏光分束器221A(221B)的第1-1A面调制测量光向着被测量物WA的A面通过偏光分束器221A(221B)，而从被测量物WA的A面经过透镜223A(223B)和1/4波长片222A(222B)射入偏光分束器221A(221B)的照射后A面测量光向着与规定的方向、本实施方式中为上述照射后A面测量光从被测量物WA的A面向着偏光分束器221A(221B)的方向正交的方向反射。从该偏光分束器221A(221B)射出的照射后A面测量光射入分光部224A(224B)
然后，射入该分光部224A(224B)的照射后A面测量光和第2-1A面调制测量光在分光部224A(224B)合光而发生光外差干涉，其差拍光信号作为A面测量干涉光通过偏光器225A(225B)射入输出端子226A(226B)。这里，分光部224A(224B)起到光耦合部(干涉部)的功能。偏光器225A(225B)通过提取出同一方向的偏振成分，射出照射后A面测量光与第2-1A面调制测量光的干涉光(A面测量干涉光)。从该输出端子226A(226B)射出的差拍光信号的A面测量干涉光射入A面相位检波部3Aa。A面干涉部2A(2B)通过例如单模光纤等光纤与A面相位检波部3Aa(3Ba)连接。
上述结构的A面干涉部2A与B面干涉部2B以被测量物WA的A面上的第1测量位置的部位与B面上的第2测量位置的部位彼此相对向的方式(即以正反面的关系位于同一位置的方式)配置。或者，也可以是从A面干涉部2A射出的第1-1A面调制测量光照射到被测量物WA的A面上的第1测量位置的部位，其反射光(照射后A面测量光)射入例如光纤等导光部件而被导光，从B面干涉部2B射出的第1-1B面调制测量光照射到被测量物WA的B面上与上述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位，其反射光(照射后B测量光)射入例如光纤等导光部件而被导光。
而且，在本实施方式中，A面干涉部2A和B面干涉部2B在进行上述光外差干涉时，将第1A面测量光和第2B面测量光设为同一频率，并且将第1B面测量光和第2A面测量光设为同一频率。更具体而言，例如A面干涉部2A中的光调制器214A的第1频率fA1和B面干涉部2B中的光调制器215B的第2频率fB2设定为同一频率(例如81MHz等)(fA2＝fB1＝f1＝81MHz)，A面干涉部2A中的光调制器215A的第2频率fA2和B面干涉部2B中的光调制器214B的第1频率fB1设定为同一频率(例如80MHz等)(fA2＝fB1＝f2＝80MHz)。
接下来，对A面相位检波部3A(3Aa)和B面相位检波部3B(3Ba)进行说明。图4是表示上述形状测量装置中的A面相位检波部(B面相位检波部)的结构的图。
A面相位检波部3A(3B)是对A面干涉部2A(2B)所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波的装置。更具体而言，在本实施方式中，A面相位检波部3A(3B)例如图4所示，是具备A面检测部31A(31B)和A面检波部32Aa(32Ba)的A面相位检波部3Aa(3Ba)。A面相位检波部3Aa和B面相位检波部3Ba具有相同的结构，因此，以下主要对A面相位检波部3Aa进行说明，在A面相位检波部3Aa的结构所标注的参考标号之后，用括号标记了与上述A面相位检波部3Aa的结构对应的B面相位检波部3Ba的结构所标注的参考标号，并且将“A面”改写为“B面”，就是对B面相位检波部3Ba的结构的说明。因此，图4中，主要示出了A面相位检波部3Aa的结构，B面相位检波部3Ba的结构通过将该结构所标注的参考标号写在括号内而示于图4。
A面检测部31A(31B)是检测A面干涉部2A(2B)的A面测量干涉光和A面参照干涉光各自的光强度信号的装置。A面检测部31A(31B)将各光强度信号输出到A面检波部32Aa(32Ba)。更具体而言，A面检测部31A(31B)包括：参照光接收部311A(311B)，其接收从A面干涉部2A(2B)射入的A面参照干涉光，对该接收到的A面参照干涉光进行光电转换，从而输出其光强度信号；以及测量光接收部312A(312B)，其接收从A面干涉部2A(2B)射入的A面测量干涉光，对该接收到的A面测量干涉光进行光电转换，从而输出其光强度信号。这些参照光接收部311A(311B)和测量光接收部312A(312B)分别由例如光电二极管等将入射光转换成信号电平与入射光的光量相应的电信号并输出该电信号的光电转换元件构成。
A面检波部32Aa(32Ba)是检测A面参照干涉光与A面测量干涉光的相位差(进行相位检波)的装置，例如是单相锁相放大器32Aa(32Ba)。作为该A面检波部32Aa(32Ba)的一例的单相锁相放大器32Aa(32Ba)具备乘法部321A(321B)和低通滤波部(LPF部)322A(322B)。乘法部321A(321B)是将输入彼此相乘的装置。本实施方式中，乘法部321A(321B)被输入由参照光接收部311A(311B)检测出的A面参照干涉光的光强度信号、和由测量光接收部312A(312B)检测出的A面测量干涉光的光强度信号，乘法部321A(321B)将这些A面参照干涉光的光强度信号和A面测量干涉光的光强度信号相乘，并将相乘结果输出到LPF部322A(322B)。LPF部322A(322B)是将由乘法部321A(321B)运算得到的相乘结果中包含的交流成分截止，将上述相乘结果的直流成分作为输出信号输出到运算控制部4的装置。这样的单相锁相放大器32Aa(32Ba)以A面参照干涉光为基准，检测A面参照干涉光与A面测量干涉光的相位差(进行相位检波)并输出。
然后，A面相位检波部3Aa将通过上述相位检波而得到的相位(上述相乘结果的直流成分；第1相位)输出到运算控制部4，B面相位检波部3Ba将通过上述相位检波而得到的相位(上述相乘结果的直流成分；第2相位)输出到运算控制部4。
接下来，对工作台5进行说明。图5是表示上述形状测量装置中的工作台的结构的图。工作台5是在运算控制部4的控制下，使被测量物WA沿着与被测量物WA的厚度方向正交的水平方向移动的装置。在将被测量物WA的厚度方向设为Z轴，将于上述厚度方向正交的水平面内相互正交的2个方向分别设为X轴和Y轴，在设定这样的正交XYZ坐标系的情况下，工作台5可以是能够使被测量物WA在X轴方向和Y轴方向上移动的XY工作台，但在本实施方式中，当被测量物WA是半导体晶圆时，由于半导体晶圆通常为圆盘状的形状，因此工作台5是使被测量物WA旋转移动并且沿着上述旋转的径向移动的装置。因此，第1测量位置和第2测量位置的部位MP上的测量值优选为用圆柱坐标系RθZ来表达。
这样的工作台5更具体地例如图5所示，为了能够高精度且高速地测量被测量物WA的第1测量位置和第2测量位置的部位MP处的厚度变化量而不受被测量物WA振动的影响，其具备：支承部54，该支承部54具备从中央构件沿径向延伸的3个支撑臂构件，在该支撑臂构件的远端，对半导体晶圆等圆盘状的被测量物WA在其边缘部(边沿区域)于圆周上的三处进行三点支承；与上述支承部54的中央构件连结的转轴51；驱动转轴51进行旋转的旋转驱动部52；以及使旋转驱动部52在规定的移动范围内作直线移动的直线驱动部53。这些旋转驱动部52、直线驱动部53例如由伺服电动机等致动器、减速齿轮等驱动机构构成。
采用上述结构的工作台5将被测量物WA载放在支承部54的3个支撑臂构件各自的远端，利用支承部54进行三点支承。而且，在被测量物WA这样载放在工作台5上的情况下，将工作台5相对于A面干涉部2A和B面干涉部2B的配置位置进行设置，使得能够利用A面干涉部2A和B面干涉部2B来测量被测量物WA的A面和B面。
而且，采用上述结构的工作台5中，通过在运算控制部4的控制下使旋转驱动部52旋转，经由转轴51而使支承部54旋转，被测量物WA以转轴51(支承部54的中央构件)为中心进行旋转。而且，通过在运算控制部4的控制下，直线驱动部53使旋转驱动部52作直线移动，从而使被测量物WA沿径向移动。通过上述利用旋转驱动部52使被测量物WA进行旋转移动、以及利用直线驱动部53使被测量物WA沿直线方向移动，从而能够在工作台5的移动范围内测量被测量物WA所期望的部位MP。
回到图1，输入部6是用于输入例如指示测量开始等的指令或被测量物WA的属性信息等数据的装置，例如具备多个输入开关的操作面板或键盘等。输出部7使用于输出输入部6收到的指令、数据和测量结果等的装置，例如CRT显示器、LCD(液晶显示器)和有机EL显示器等显示装置或打印机等打印装置等。这些输入部6和输出部7分别与运算控制部4连接。
运算控制部4使根据功能相应地控制形状测量装置S的各部并求出被测量物WA的厚度变化量的电路。更具体而言，在本实施方式中，运算控制部4从功能上来讲是具备厚度计算部41(41a)和控制部42的运算控制部4a，上述控制部42在功能上具备工作台控制部421和光源控制部422。该运算控制部4a例如由具备根据功能相应地控制形状测量装置S的各部的控制程序、基于A面相位检波部3Aa对A面干涉部2A所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位及B面相位检波部3Ba对B面干涉部2B所生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位来求出被测量物WA的厚度变化量的运算程序等各种规定的程序、存储执行上述规定的程序所需要的数据等各种规定数据等的非易失性存储元件ROM(只读存储器)或可改写非易失性存储元件EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、通过读取上述规定的程序并执行来进行规定的控制处理和运算处理的CPU(中央处理器)、存储上述规定的程序执行过程中产生的数据等的所谓CPU工作记忆的RAM(随机存取器)、以及它们的周边电路的微机等构成。运算控制部4也可以根据需要具备用于存储大容量数据的硬盘装置。
厚度计算部41基于由A面相位检波部3Aa对A面干涉部2A所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、及由B面相位检波部3Ba对B面干涉部2B所生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出被测量物WA的厚度变化量。更具体而言，本实施方式中，厚度计算部41是根据由A面相位检波部3Aa对A面干涉部2A所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位△ΦA、与由B面相位检波部3Ba对B面干涉部2B所生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位△ΦB的差分(△ΦA-△ΦB)，求出被测量物WA从A面到B面的距离变化量作为被测量物WA的厚度变化量的厚度计算部41a。该差分(△ΦA-△ΦB)是与被测量物WA的厚度相关的值，在A面测量光的波长与B面测量光的波长近似相等的条件下，若将A面测量光的波长设为λ，则被测量物WA的厚度变化量△D例如可以通过△D＝(△ΦA-△ΦB)×(λ/2)/(2π)求出。本实施方式中，A面测量光和B面测量光是对同一光源发出的光进行分光而得到的，因此A面测量光与B面测量光的波长一致。
控制部42根据功能相应地控制形状测量装置S的各部，从而对形状测量装置S进行整体控制。工作台控制部421控制工作台5的旋转驱动部52和直线驱动部53各自的动作，以使被测量物WA在与厚度方向正交的水平方向上移动，从而能够测量被测量物WA的多个部位MP。光源控制部422控制光源部1的动作。
接下来，对本实施方式的形状测量装置S的动作进行说明。图6是用于说明使用上述形状测量装置测量被测量物的厚度变化量时的测量部位的图。图7是表示测量结果的一例的图。
当省略了图示的电源开关接通时，形状测量装置S启动，运算控制部4a使所需的各部完成初始化，并通过执行上述规定的程序，使运算控制部4a在功能上由厚度计算部41a和控制部42构成，控制部42在功能上由工作台控制部421和光源控制部422构成。当例如半导体晶圆等板状体的被测量物WA被载放到工作台4上，并从输入部6接收到指示测量开始的指令时，运算控制部4a开始测量被测量物WA的厚度。
首先，运算控制部4a的光源控制部422驱动光源部1，使单波长激光光源11发出规定的激光。通过该大阪城公园11发出规定的激光，并在上述光学系统的作用下，A面测量光和B面测量光分别从光源部1的输出端子15和输出端子17射出。
从该光源部1的输出端子15射出的A面测量光在偏振保持光纤中传输，并射入A面干涉部2A。在该A面干涉部2A中，上述射入的A面测量光在上述光学系统的作用下，在第一测量位置的部位MP生成A面参照干涉光和A面测量干涉光，并分别从输出端子234A和输出端子226A射出。从A面干涉部2A的输出端子234A和输出端子226A分别射出的A面参照干涉光和A面测量干涉光在各光纤中传输，并射入A面相位检波部3Aa。在该A面相位检波部3Aa中，通过对上述A面参照干涉光和A面测量干涉光进行相位检波，以A面参照干涉光为基准，检测出A面参照干涉光与A面测量干涉光的相位差作为第1相位△ΦA，该第1相位△ΦA从A面相位检波部3Aa输出到运算控制部4。
另一方面，同样，从光源部1的输出端子17射出的B面测量光在偏振保持光纤中传输，并射入B面干涉部2B。在该B面干涉部2B中，上述射入的B面测量光在上述光学系统的作用下，在第二测量位置的部位MP生成B面参照干涉光和B面测量干涉光，并分别从输出端子234B和输出端子226B射出。从B面干涉部2B的输出端子234B和输出端子226B分别射出的B面参照干涉光和B面测量干涉光在各光纤中传输，并射入B面相位检波部3Ba。在该B面相位检波部3Ba中，通过对上述B面参照干涉光和B面测量干涉光进行相位检波，以B面参照干涉光为基准，检测出B面参照干涉光与B面测量干涉光的相位差作为第2相位△ΦB，该第2相位△ΦB从B面相位检波部3Ba输出到运算控制部4。
这些光源部1、A面干涉部2A、A面相位检波部3Aa、B面干涉部2B和B面相位检波部3Ba在进行上述动作时，运算控制部4a的工作台控制部421控制控制台5，使被测量物WA在与其厚度方向正交的水平方向上移动。更具体而言，例如在本实施方式中，工作台控制部421控制工作台5的旋转控制部52，使被测量物WA旋转，并控制工作台5的直线驱动部53，使被测量物WA在直线方向上移动。在这样工作台控制部421控制工作台5的期间，运算控制部4a在每当第1测量位置和第2测量位置的部位MP的位置达到预先设定的规定位置时，从A面相位检波部3Aa和B面相位检波部3Ba获取各第1相位△ΦA、第2相位△ΦB。通过这一动作，如图6所示，以使多个第1测量位置和第2位置的轨迹呈螺旋的方式依次变更被测量物WA上的第1测量位置和第2测量位置，并获取被测量物WA的各部位MP的各第1相位△ΦA、第2相位△ΦB的数据。
然后，当获取到这些各第1相位△ΦA、第2相位△ΦB的数据时，运算控制部4a的厚度计算部41a根据上述计算式，求出第1测量位置和第2测量位置的各部位MP上的被测量物WA的各厚度变化量△D，并输出到输出部7。输出部7将这些第1测量位置和第2测量位置的各部位MP上的被测量物WA的各厚度变化量△D作为被测量物WA的表面形状进行显示。
通过进行这样的动作，本实施方式的形状测量装置S及安装在其上的形状测量方法在进行光外差干涉时，将第1A面测量光和第2B面测量光设为同一频率，并且将第1B面测量光和第2A面测量光设为同一频率，因此，在基于第1相位△ΦA和第2相位△ΦB求出被测量物WA的厚度变化量△D时，能够使上述第1相位△ΦA和第2相位△ΦB各自包含的各杂讯成分相互抵消。其结果是，上述形状测量装置S和形状测量方法能够进一步降低杂讯。
下面，对上述形状测量装置S和形状测量方法的作用效果进行更详细的说明。
首先，将理想信号(去除了杂讯成分的信号)的振幅和角频率分别设为S和△ω，将上述杂讯成分的振幅和角频率分别设为N和ωn，将想要求出的相位设为φ，并将时间设为t，则测量干涉光的光强度信号Is和参照干涉光的光强度信号Ir分别可以用下面的式1和式2来表达。
式1：Is＝S·sin(△ω·t+φ)+N·sin(ωn·t)
式2：Ir＝S·sin(△ω·t)+N·sin(ωn·t)
因此，若利用单相锁相放大器进行相位检波，则经过低通滤波后生下的直流成分DC变成下式3。
式3：DC＝S2/2cosφ-N2/2cos(2ωn·t)
在不包含杂讯成分的理想信号的情况下，上述式3中的第1项与相位φ一一对应，因此能够高精度地检测出相位φ。然而，如上述式3所示，低通滤波器无法去除的第2项的杂讯成分会被误检测，从而导致无法高精度地检测相位φ。
因此，在本实施方式中，如上所述，A面干涉部2A和B面干涉部2B在进行上述光外差干涉时，将第1A面测量光和第2B面测量光设为同一频率，并且将第1B面测量光和第2A面测量光设为同一频率。即，A面干涉部2A中的光调制器214A的第1频率fA1和B面干涉部2B中的光调制器215B的第2频率fB2被设定为同一频率f1(fA1＝fB2＝f1)，A面干涉部2A中的光调制器215A的第2频率fA2和B面干涉部2B中的光调制器214B的第1频率fB1被设定为同一频率f1(fA2＝fB1＝f2)。
在这种情况下，依赖于厚度变化而被检波得到的A面测量干涉光的光强度信号IsA、A面参照干涉光的光强度信号IrA、B面测量干涉光的光强度信号IsB和B面参照干涉光的光强度信号IrB分别用下面的式4、式5、式6和式7来表示。
式4：IsA∝S·sin(2π·(f1-f2)·t+φA)
式5：IrA∝S·sin(2π·(f1-f2)·t)
式6：IsB∝S·sin(2π·(f1-f2)·t-φB)
式7：IrB∝S·sin(2π·(f1--f2)·t)
这里，符号∝表示左边和右边成正比关系。φA是A面干涉部2A所得到的伴随厚度变化的相位，φB是B面干涉部2B所得到的伴随厚度变化的相位。
如上述式4～式7所示，相位φB增大减小的方向与相位φA增大减小的方向相反。因此，包含杂讯成分且被单相锁相放大器32Aa、32Ba进行相位检波而得到的相位在杂讯成分的相位记为φn的情况下，在A面相位检波部3Aa用△ΦA＝φA+φn表示，在B面相位检波部3Ba用△ΦB＝-φB+φn表示。相位φA、φB是依赖厚度变化增大减小的相位成分，上述式1和式2中表示的杂讯成分式与干涉光内在的光调制部214A、215A、214B、215B的频率f1、f2无关的成分。因此，φn的符号不反转。
因此，如上所述，若根据第1相位△ΦA与第2相位△ΦB的差分求出被测量物WA的厚度变化量△D，则杂讯成分的相位φn如φA+φn-(-φB+φn)＝φA+φB这样被抵消，从而能够去除杂讯成分。
图7表示了本实施方式的形状测量装置S和比较例的形状测量装置Sr测量被测量物WA的厚度变化量的测量结果的一例。比较例的形状测量装置Sr(未图示)除了在进行上述光外差干涉时将第1A面测量光和第1B面测量光设为同一频率、将第2A面测量光和第2B面测量光设为同一频率这一点(fA1＝fB1、fA2＝fB2)之外，与本实施方式的形状测量装置S相同。该图7所示的例子中，由于相同被测量物WA的测量部位是固定的，将成对的A面干涉部2A和B面干涉部2B的位移变化量相加后求出的厚度变化量等于零。因此，形状测量装置S、Sr检测出的变化量就是杂讯。图7示出了将上述厚度变化量进行傅里叶变换后的频谱。图7的横轴为频率，纵轴为加上上述位移变化量后的厚度变化量。由图7可知，比较例的形状测量装置Sr在约120Hz和约240Hz处出现波峰，说明其包含杂讯，而本实施方式的形状测量装置S并无这些波峰或者减小了这些波峰，从而去除了杂讯。
由于能够这样去除杂讯成分，因此本实施方式中的形状测量装置S和形状测量方法能够进一步降低杂讯。例如，本实施方式的形状测量装置S和形状测量方法能够实现纳米级或亚纳米级的精密测量。这样的形状测量装置S和形状测量方法适合在半导体晶圆的制造工厂等中用于制造工序过程中或制造后的产品检查等用途。
在上述说明中，厚度计算部41通过减法运算求出被测量物WA的厚度变化量△D，但也可以他通过加法运算求出被测量物WA的厚度变化量△D。在这种情况下，形状测量装置S用A面相位检波部3Ab、B面相位检波部3Bb和运算控制部4b分别来代替A面相位检波部3Aa、B面相位检波部3Ba和运算控制部4a，且运算控制部4b用厚度计算部41b来代替厚度计算部41a。
图8是表示变形方式的A面相位检波部(B面相位检波部)的结构的图。其中，A面相位检波部3Ab和B面相位检波部3Bb的结构相同，因此，下面主要对A面相位检波部3Ab进行说明，并且在A面相位检波部3Ab的结构所标注的参考标号后面，用括号标记了对上述A面相位检波部3Ab的结构所对应的B面相位检波部3Bb的结构所标注的参考标号，通过将“A面”改为“B面”，即可得到B面相位检波部3Bb的结构的说明。因此，图8中主要示出的是A面相位检波部3Ab的结构，B面相位检波部3Bb的结构通过在括号内标注该结构的参考标号而示于图8。
如图8所示，该A面相位检波部3Ab(3Bb)具备A面检测部31A(31B)和A面检波部32Ab(32Bb)。该变形方式的A面相位检波部3Ab(3Bb)中的A面检测部31A(31B)与上述A面相位检波部3Aa(3Ba)中的A面检测部31A(31B)相同，因此省略其说明。
A面检波部32Ab(32Bb)是检测A面参照干涉光与A面测量干涉光的相位差(进行相位检波)的装置，在该变形方式中，将测量信号与参照信号的相位差表示为θ时，通过对上述测量信号和上述参照信号进行相位检波，输出cosθ和sinθ这2个输出信号的双相锁相放大器32Ab(32Bb)。作为该A面检波部32Ab(32Bb)的一例的双相锁相放大器32Ab(32Bb)具备乘法部321A(321B)、324A(324B)、LPF部322A(322B)、325A(325B)和移相部323A(323B)。乘法部324A(324B)与乘法部321A(321B)相同，是将输入彼此相乘的装置。该变形方式中，参照光接收部311A(311B)检测出的A面参照干涉光的光强度信号经由移相部323A(323B)输入乘法部321A(321B)，且测量光接收部312A(312B)检测出的A面测量干涉光的光强度信号也输入乘法部321A(321B)，乘法部321A(321B)将这些经由上述移相部323A(323B)输入的A面参照干涉光的光强度信号与A面测量干涉光的光强度信号相乘，并将相乘结果输出到LPF部322A(322B)。而向乘法部324A(324B)则输入参照光接收部311A(311B)检测出的A面参照干涉光的光强度信号和测量光接收部312A(312B)检测出的A面测量干涉光的光强度信号，乘法部324A(324B)将这些A面参照干涉光的光强度信号与A面测量干涉光的光强度信号相乘，并将相乘结果输出到LPF部325A(325B)。LPF部322A(322B)是将乘法部321A(321B)计算出的相乘结果中包含的交流成分截止，将上述相乘结果的直流成分作为输出信号输出到运算控制部4的装置。LPF部325A(325B)是将乘法部324A(324B)计算出的相乘结果中包含的交流成分截止，将上述相乘结果的直流成分作为输出信号输出到运算控制部4的装置。移相部323A(323B)是使输入信号的相位偏移90度的装置。因此，LPF部325A(325B)输出sin θ的输出信号，LPF部322A(322B)输出c os θ的输出信号。
厚度计算部41b基于A面相位检波部3Ab中的双相锁相放大器32Ab和B面相位检波部3Bb中的双相锁相放大器32Bb的各输出信号，求出被测量物WA的厚度变化量ΔD。更具体而言，厚度计算部41b将作为上述第1相位基于从A面相位检波部3Ab中的双相锁相放大器32Ab输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位，与作为上述第2相位基于从B面相位检波部3Bb中的双相锁相放大器32Bb输出的cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位相加，或者将作为上述第1相位基于从A面相位检波部3Ab中的双相锁相放大器32Ab输出的cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位，与作为上述第2相位基于从B面相位检波部3Bb中的双相锁相放大器32Bb输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位相加，从而求出被测量物WA的厚度变化量△D。
在上述变形方式中，厚度计算部41b使用基于sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位作为上述第1相位，使用基于cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位作为上述第2相位，因此通过将它们相加能够求出被测量物WA的厚度变化量△D。或者，厚度计算部41b使用基于cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位作为上述第1相位，使用基于sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位作为上述第2相位，因此通过将它们相加能够求出被测量物WA的厚度变化量△D。
即，通常是根据双相锁相放大器输出的sinθ的输出信号和cosθ的输出信号，利用θ＝tan-12(sinθ/cosθ)求出相位θ。因此，若将sinθ的输出信号和cosθ的输出信号互换，即θ＝-θ’，则可得到下式8。
式8：(cosθ’/sinθ’)＝(sin(θ’-90)/cos(θ’-90))＝tan(θ’-90)＝-tanθ’＝tan(-θ’)＝tanθ
通过这样得到反相后的θ，因此如上所述，通过相加可以求出被测量物WA的厚度变化量△D。
另外，A面相位检波部3Ab具备分别输出其sinθ的输出信号和cosθ的输出信号的第1A输出端子和第2A输出端子，B面相位检波部3Bb具备分别输出其sinθ的输出信号和cosθ的输出信号的第1B输出端子和第2B输出端子，运算控制部4具备用于分别供A面相位检波部3Ab的sinθ的输出信号和cosθ的输出信号输入的第1A输入端子和第2A输入端子、以及用于分别供B面相位检波部3Bb的si n θ的输出信号和c os θ的输出信号输入的第1B输入端子和第2B输入端子，厚度计算部41b在通过将基于从上述第2A输入端子输入的信号除以从上述第1A输入端子输入的信号得到的除法结果而求出的相位、与基于从上述第2B输入端子输入的信号除以从上述第1B输入端子输入的信号得到的除法结果而求出的相位相加，来求出被测量物WA的厚度变化量△D的情况下，可以将第1A输入端子和第2A输入端子分别与第2A输出端子和第1A输出端子连接，并且将第1B输入端子和第2B输入端子分别与第1B输出端子和第2B输出端子连接，或者可以将第1A输入端子和第2A输入端子分别与第1B输入端子和第2B输入端子分别与第2B输出端子和第1B输出端子连接。通常情况是cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号求出ta n θ从而求出相位θ，为此是将各输出端子与各输入端子连接，而通过上述那样将连接方式的其中一方对换，则厚度计算部41b可以将作为上述第1相位的基于A面相位检波部3Ab中的双相锁相放大器32Ab输出的s i n θ的输出信号除以c osθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位和作为上述第2相位的基于B面相位检波部3Bb中的双相锁相放大器32Bb输出的c os θ的输出信号除以s inθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位相加，或者将作为上述第1相位的基于A面相位检波部3Ab中的双相锁相放大器32Ab输出的c osθ的输出信号除以s i nθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位和作为上述第2相位的基于B面相位检波部3Bb中的双相锁相放大器32Bb输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的相位相加，求出被测量物WA的厚度变化量△D。
上述说明书公开了上述设置。以下是本实施方式的主要设置的概述。
一实施方式的形状测量装置，包括：光源部，生成测量光；分光部，将所述光源部生成的测量光分为A面测量光和B面测量光；A面干涉部，将所述分光部分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；B面干涉部，将所述分光部分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及形状测量部，基于对所述A面干涉部所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对所述B面干涉部生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，所述A面干涉部和所述B面干涉部在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。较为理想的是，在上述形状测量装置中，还具备使上述被测量物沿着与上述被测量物的厚度方向正交的水平方向移动的移动部，上述形状测量部通过利用上述移动部使上述被测量物沿着上述水平方向移动来多次改变上述第1测量位置和第2测量位置的部位而得到多个第1测量位置和第2测量位置的部位，同时求出上述多个第1测量位置和第2测量位置的部位各自的上述被测量物的各厚度变化量。较为理想的是，上述形状测量装置中，上述A面干涉部具备：将被上述分光部分出的A面测量光分成上述第1A面测量光和上述第2A面测量光的第1A面分光部；以第1频率对上述第1A面分光部分出的第1A面测量光进行调制的第1A面光调制部；以不同于上述第1频率的第2频率对上述第1A面分光部分出的第2A面测量光进行调制以实现光外差干涉的第2A面光调制部；将上述第1A面光调制部调制后的第1A面测量光分为第1-1A面调制测量光和第1-2A面调制测量光的第2A面分光部；将上述第2A面光调制部调制后的第2A面测量光分为第2-1A面调制测量光和第2-2A面调制测量光的第3A面分光部；使上述第2A面分光部分出的上述第1-1A面调制测量光照射到上述第1测量位置的部位发生反射而得到的照射后A面测量光与上述第3A面分光部分出的上述第2-1A面调制测量光发生干涉，从而生成上述A面测量干涉光的第1A面干涉部；使上述第2A面分光部分出的上述第1-2A面调制测量光和第3A面分光部分出的上述第2-2A面调制测量光发生干涉，从而生成上述A面参照干涉光的第2A面干涉部，上述B面干涉部具备：将被上述分光部分出的B面测量光分成上述第1B面测量光和上述第2B面测量光的第1B面分光部；以第1频率对上述第1B面分光部分出的第1B面测量光进行调制的第1B面光调制部；以不同于上述第1频率的第2频率对上述第1B面分光部分出的第2B面测量光进行调制以实现光外差干涉的第2B面光调制部；将上述第1B面光调制部调制后的第1B面测量光分为第1-1B面调制测量光和第1-2B面调制测量光的第2B面分光部；将上述第2B面光调制部调制后的第2B面测量光分为第2-1B面调制测量光和第2-2B面调制测量光的第3B面分光部；使上述第2B面分光部分出的上述第1-1B面调制测量光照射到上述第2测量位置的部位发生反射而得到的照射后B面测量光与上述第3B面分光部分出的上述第2-1B面调制测量光发生干涉，从而生成上述B面测量干涉光的第1B面干涉部；使上述第2B面分光部分出的上述第1-2B面调制测量光和第3B面分光部分出的上述第2-2B面调制测量光发生干涉，从而生成上述B面参照干涉光的第2B面干涉部。
这样的形状测量装置中，在进行上述光外差干涉时，将上述第1A面测量光和上述第2B面测量光设为同一频率，并且将上述第1B面测量光和上述第2A面测量光设为同一频率，因此，在基于上述第1相位和上述第2相位来求出上述被测量物的厚度变化量时，能够使上述第1相位和第2相位各自包含的各杂讯成分相互抵消。其结果是，上述形状测量方法能够进一步降低杂讯。
另一实施方式的上述形状测量装置中，所述形状测量部基于所述第1相位与所述第2相位之差来求出所述被测量物的厚度变化量。
这样的形状测量装置基于上述第1相位和上述第2相位之差来求出上述被测量物的厚度变化量，因此可以使用具备1个乘法器和1个低通滤波器并用上述低通滤波器的输出信号电平来表示相位的单相锁相放大器。
另一实施方式的上述形状测量装置中，所述形状测量部包括：A面检测部，检测所述A面干涉部的所述A面测量干涉光和所述A面参照干涉光各自的各光强度信号；B面检测部，检测所述B面干涉部的所述B面测量干涉光和所述B面参照干涉光各自的各光强度信号；A面锁相放大器和B面锁相放大器，在将测量信号与参照信号的相位差表示为θ时，通过对所述测量信号和所述参照信号进行相位检波而输出cosθ和sin θ这2个输出信号；以及厚度计算部，基于所述A面锁相放大器和所述B面锁相放大器的各输出信号来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，所述A面锁相放大器被输入所述A面检测部检测出的所述A面测量干涉光的光强度信号和所述A面参照干涉光的光强度信号来作为所述测量信号和所述参照信号，所述B面锁相放大器被输入所述B面检测部检测出的所述B面测量干涉光的光强度信号和所述B面参照干涉光的光强度信号来作为所述测量信号和所述参照信号，所述厚度计算部，将基于所述A面锁相放大器输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第1相位的相位、与基于所述B面锁相放大器输出的cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第2相位的相位相加，或者，将基于所述A面锁相放大器输出的cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第1相位的相位、与基于所述B面锁相放大器输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第2相位的相位相加，从而求出所述被测量物的厚度变化量。
这样的形状测量装置中，使用双相锁相放大器，将测量信号与参照信号的相位差表示为θ时，通过对上述测量信号和上述参照信号进行相位检波，输出cosθ和sinθ这2个输出信号，通过使用该双相锁相放大器，能够以上述相加来求出被测量物的厚度变化量。
另一个实施方式的上述形状测量装置中，所述光源部是稳频气体激光器或半导体激光器。
由此，可以提供使用稳频氦氖激光器或半导体激光器的形状测量装置。尤其是本发明的形状测量装置将上述第1A面测量光和上述第2B面测量光设为同一频率，并且将上述第1B面测量光和上述第2A面测量光设为同一频率，因此，在基于上述第1相位和上述第2相位来求出上述被测量物的厚度变化量时，不仅能够使上述第1相位和第2相位各自包含的各杂讯成分相互抵消，还能去除激光的频率漂移，因此即使在使用激光的频率稳定性比稳频气体激光器要低的半导体激光器的情况下，也能够制造出与使用稳频气体激光器时大致相同性能的形状测量装置。通过使用半导体激光器，形状测量装置能够实现低价格、紧凑结构和长寿命。
另一个实施方式的上述形状测量方法，包括：分光工序，将测量光分为A面测量光和B面测量光；A面干涉工序，将所述分光工序中分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的第1照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的第1照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；B面干涉工序，将所述分光工序中分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的第1照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的第1照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及形状测量工序，基于对在所述A面干涉工序生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对在所述B面干涉工序生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，所述A面干涉工序和所述B面干涉工序，在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。
这样的形状测量方法在进行上述光外差干涉时，将上述第1A面测量光和上述第2B面测量光设为同一频率，并且将上述第1B面测量光和上述第2A面测量光设为同一频率，因此，在基于上述第1相位和上述第2相位来求出上述被测量物的厚度变化量时，能够使上述第1相位和第2相位各自包含的各杂讯成分相互抵消。其结果是，上述形状测量方法能够进一步降低杂讯。
本发明是以2018年3月23日提交的日本发明申请特愿2018-56565为基础的申请，其内容包含在本发明内。
为了表达本发明，以上一边参考附图一边通过实施方式对本发明进行了适当且充分的说明，然而应当认为本领域技术人员能够容易地对上述实施方式进行变更及/或改良。因此，只要在不脱离本发明的权利要求记载的范围的程度内，本领域技术人员所实施的变更实施方式或改良实施方式被解释为包含在该权利要求的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种形状测量装置，其特征在于包括：
光源部，生成测量光；
分光部，将所述光源部生成的测量光分为A面测量光和B面测量光；
A面干涉部，将所述分光部分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；
B面干涉部，将所述分光部分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及
形状测量部，基于对所述A面干涉部所生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对所述B面干涉部生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，
所述A面干涉部和所述B面干涉部在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。
2.如权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于：
所述形状测量部基于所述第1相位与所述第2相位之差来求出所述被测量物的厚度变化量。
3.如权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于：
所述形状测量部包括：
A面检测部，检测所述A面干涉部的所述A面测量干涉光的光强度信号和所述A面参照干涉光的光强度信号；
B面检测部，检测所述B面干涉部的所述B面测量干涉光的光强度信号和所述B面参照干涉光的光强度信号；
A面锁相放大器和B面锁相放大器，在将测量信号与参照信号的相位差表示为θ时，通过对所述测量信号和所述参照信号进行相位检波而输出cosθ和sinθ这2个输出信号；以及
厚度计算部，基于所述A面锁相放大器和所述B面锁相放大器的各输出信号来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，
所述A面锁相放大器被输入所述A面检测部检测出的所述A面测量干涉光的光强度信号和所述A面参照干涉光的光强度信号来作为所述测量信号和所述参照信号，
所述B面锁相放大器被输入所述B面检测部检测出的所述B面测量干涉光的光强度信号和所述B面参照干涉光的光强度信号来作为所述测量信号和所述参照信号，
所述厚度计算部，将基于所述A面锁相放大器输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第1相位的相位、与基于所述B面锁相放大器输出的cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第2相位的相位相加，或者，将基于所述A面锁相放大器输出的cosθ的输出信号除以sinθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第1相位的相位、与基于所述B面锁相放大器输出的sinθ的输出信号除以cosθ的输出信号得到的除法结果而求出的作为所述第2相位的相位相加，从而求出所述被测量物的厚度变化量。
4.如权利要求1至3的任一项所述的形状测量装置，其特征在于：
所述光源部是稳频气体激光器或半导体激光器。
5.一种形状测量方法，其特征在于包括：
分光工序，将测量光分为A面测量光和B面测量光；
A面干涉工序，将所述分光工序中分出的A面测量光进一步分为第1A面测量光和第2A面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到被测量物的一个面上的第1测量位置的部位并反射后的第1照射后A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1A面测量光中照射到所述第1测量位置的部位之前的第1照射前A面测量光与所述第2A面测量光干涉，从而生成A面参照干涉光；
B面干涉工序，将所述分光工序中分出的B面测量光进一步分为第1B面测量光和第2B面测量光，并利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到被测量物的另一个面上的与所述第1测量位置的部位相对向的第2测量位置的部位并反射后的第1照射后B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面测量干涉光，并且，利用光外差干涉，使所述第1B面测量光中照射到所述第2测量位置的部位之前的第1照射前B面测量光与所述第2B面测量光干涉，从而生成B面参照干涉光；以及
形状测量工序，基于对在所述A面干涉工序生成的A面测量干涉光和A面参照干涉光进行相位检波而得到的第1相位、以及对在所述B面干涉工序生成的B面测量干涉光和B面参照干涉光进行相位检波而得到的第2相位，来求出所述被测量物的厚度变化量，其中，
所述A面干涉工序和所述B面干涉工序，在进行所述光外差干涉时，将所述第1A面测量光和所述第2B面测量光设为同一频率，且将所述第1B面测量光和所述第2A面测量光设为同一频率。
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