JP2008180708A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の振動の影響を受けず，また，干渉光の乱れや揺らぎを生じさせることなく，被測定物の厚みを簡易に高精度で測定できること。
【解決手段】周波数がわずかに異なる第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２のそれぞれを分岐させておもて面の測定部位１ａ及びうら面の測定部位１ｂへ導き，第１ビーム光Ｐ１を物体光とし，第２ビーム光Ｐ２を参照光とするおもて面側のヘテロダイン干渉計ａ２０と，第２ビーム光Ｐ２を物体光とし，第１ビーム光Ｐ１を参照光とする（おもて面とは物体光と参照光とが逆の関係である）うら面側のヘテロダイン干渉計ｂ２０と，両ヘテロダイン干渉計ａ２０，ｂ２０それぞれから出力される強度信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差φsを検出し，その検出信号を被測定物１の厚みに相当する測定値として出力する第１位相検波器４とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，半導体ウェハ等の被測定物の厚みを非接触で測定する形状測定装置に関するものである。

薄板状の半導体ウェハ（被測定物の一例，以下，ウェハという）の形状測定において，干渉計を用いた非接触型の形状測定装置が普及している。これは，２つに分岐された一方の光線を被測定物の表面に反射させた反射光である測定光と，もう一方の光線を所定の参照面に反射させた反射光である参照光とを含む干渉光を受光し，その干渉光により形成される干渉画像から被測定物の表面形状（表面高さの分布）を求めるものである。これにより，非接触でウェハの表面形状を測定できるので，触針式の形状計で測定する場合のように，ウェハ表面に傷等を生じさせることなくその表面形状を測定できる。ウェハの形状測定では，その表面全体に渡る形状を測定する必要があるため，一般に，ウェハ周辺のエッジ部を支持（通常は３点支持）した状態で測定がなされる。

ところで，ウェハのような薄板状（例えば，厚みが１ｍｍ未満）の被測定物をそのエッジ部のみで支持した場合，わずかな風圧や他の機械の振動等によってウェハが振動する。この振動は，非常に高い測定精度（例えば，誤差２０ｎｍ以下）が要求されるウェハの形状測定においては，無視できない振幅の振動となる。このようなウェハの振動を防止するため，特許文献１には，透明な剛体をウェハに近接して配置することにより，ウェハの振動を抑制する方法が示されている。しかし，この方法では，透明な剛体を光路に挿入することによって干渉光に乱れが生じるおそれがあるという問題点があった。
また，特許文献２には，光をウェハ１の主面及び主面側の参照面のそれぞれに照射するよう分光するとともに，それらの反射光である測定光及び参照光による干渉光を，プリズム等によりウェハの裏面側へ導き，その干渉光に含まれる測定光及び参照光それぞれを，再度ウェハの裏面及び裏面側の参照面それぞれへ分光し，それらの反射光による干渉光を，干渉画像を検出するための受光器に出射する形状測定装置が示されている。
特許文献２に示される発明によれば，振動によって生じる被測定物の変位分が主面側と裏面側とで相殺され，被測定物の振動の影響を受けずに高精度な厚み測定が可能となる。また，光路に光学系以外のものが挿入されないので，干渉光に乱れを生じさせることもない。
特開２００２−５６４０号公報 特開２００３−３２９４２２号公報

しかしながら，特許文献２に示される発明においても，より高い測定精度が要求された場合に，干渉光を主面側から裏面側へ導く光の伝送経路（空気，プリズム，光ファイバなど）において，測定光及び参照光それぞれの経路のずれが生じないよう光学機器を高精度で調整することが手間であるという課題が生じ得る。
また，干渉光を主面側から裏面側へ導く光の伝送経路の状態（温度や湿度等）によって測定光及び参照光の位相の揺らぎが生じる場合があり，より高い測定精度が要求された場合に，そのような位相の揺らぎが測定誤差として無視できなくなるという課題も生じ得る。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，被測定物の振動の影響を受けず，また，干渉光の乱れや揺らぎを生じさせることなく，被測定物の厚みを簡易に高精度で測定できる形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は，例えば薄板状の半導体ウェハ等の被測定物の厚みを非接触で測定するために用いられ，以下の（１）〜（４）に示す各構成要素を備えた形状測定装置である。
（１）所定の光源から出射されるそれぞれ周波数が異なる第１の測定光及び第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おもて面の測定部位及びうら面の測定部位の各方向へ導く導光手段。
（２）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。
（３）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。
（４）前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記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。

周知のヘテロダイン干渉計の原理により，前記おもて面側のヘテロダイン干渉計の出力信号は，前記被測定物における前記おもて面の測定部位の表面位置（高さ）に応じてその位相が定まるが，その信号の位相には，前記おもて面の測定部位自体の形状の成分と，その被測定物の振動による変位量の成分とが反映される。
同様に，前記うら面側のヘテロダイン干渉計の出力信号の位相には，前記うら面の測定部位自体の形状の成分と，その被測定物の振動による変位量の成分とが反映される。
また，前記おもて面側のヘテロダイン干渉計と前記うら面側のヘテロダイン干渉計とでは，前記第１の測定光及び前記第２の測定光のいずれを参照光又は物体光とするかの対応関係が逆になっている。即ち，被測定物の一方の面（おもて面）において物体光となっている前記第１の測定光が，他方の面（うら面）において参照光となっており，前記一方の面において参照光となっている前記第２の測定光が，前記他方の面において物体光となっている。
このため，前記第１の位相検波手段により検出される位相差は，後述する（１）式〜（３）式に示されるように前記被測定物の振動による変位量の成分が相殺され，前記おもて面の測定部位自体の形状の成分及び前記うら面の測定部位自体の形状の成分のみが反映された変位量，即ち，前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みに相当する測定値となる。

ところで，前記第１の測定光及び前記第２の測定光について，光源から前記導光手段により前記おもて面及び前記うら面のそれぞれへ導かれる経路において位相の揺らぎが生じた場合，その揺らぎの影響が前記第１の位相検波手段により検出される位相差に反映され，それが測定誤差となる。
そこで，本発明に係る形状測定装置が，さらに次の（５）〜（１１）に示す各構成要素を備えることが考えられる。
（５）前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光及び前記第２の測定光を前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるおもて面側の主副分光手段。
（６）前記おもて面側の主副分光手段により分岐された前記副光（即ち，分岐された前記第１の測定光及び前記第２の測定光）を干渉させるおもて面側の副光干渉手段。
（７）前記おもて面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するおもて面側の副光強度検出手段。
（８）前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光及び前記第２の測定光を前記うら面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるうら面側の主副分光手段。
（９）前記うら面側の主副分光手段により分岐された前記副光を干渉させるうら面側の副光干渉手段。
（１０）前記うら面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するうら面側の副光強度検出手段。
（１１）前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段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の補正用の第２の測定値として出力する第２の位相検波手段。
前記（５）〜（１１）に示される各構成要素をさらに備えた形状測定装置においては，前記第１の測定光及び前記第２の測定光について，前記おもて面及び前記うら面のそれぞれへ導かれる経路において位相の揺らぎが生じた場合，その揺らぎの成分の合計が，前記第２の位相検波手段により検出される位相差に反映される。従って，前記第１の位相検波手段により検出される位相差から，前記第２の位相検波手段により検出される位相差を差し引いて得られる位相差は，前記位相の揺らぎの影響が除去された測定値となる。

また，本発明に係る形状測定装置が，さらに，次の（１２）又は（１３）に示される構成要素のいずれかを備えることも考えられる。
（１２）前記第１の位相検波手段から出力される前記第１の測定値に基づいて，前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第１の厚み算出手段。
（１３）前記第１の位相検波手段から出力される前記第１の測定値と前記第２の位相検波手段から出力される前記第２の測定値との差に基づいて，前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第２の厚み算出手段。
なお，本発明に係る形状測定装置が，前記第１の厚み算出手段又は前記第２の厚み算出手段を備える外部装置と接続され，本発明に係る形状測定装置がその外部装置に対して前記第１の測定値や前記第２の測定値を出力することも考えられる。

また，後に説明する図８に示されるように，ロックインアンプ等からなる前記第１の位相検波手段や前記第２の位相検波手段は，入力信号（前記強度信号）の振幅が大きく変化すると，それに応じて検出値（位相差）が大きく変化してしまう特性を有する場合がある。
そこで，本発明に係る形状測定装置が，前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから前記第１の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第１の振幅補正手段を具備することが考えられる。
同様に，本発明に係る形状測定装置が，前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段のそれぞれから前記第２の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第２の振幅補正手段を具備することも考えられる。
これにより，前記強度信号の振幅が，被測定物の表面状態のばらつきや光源による測定光の出力のばらつき等，被測定物の厚み以外の要因によって大きくばらついた場合でも，そのばらつきが測定誤差となることを防止でき，安定した精度での厚み測定が可能となる。

ところで，周波数がわずかに異なる前記第１の測定光及び前記第２の測定光は，同じ光路で導光された後に偏光ビームスプリッタ等の分光手段を通じて再び周波数成分が異なる光（前記第１の測定光及び前記第２の測定光）に分光されると，分光後の光それぞれに，他方の光の成分がノイズとして混入してしまう場合がある。このようなノイズの混入が生じると測定精度が悪化する。
そこで，２つの測定光の光路を重ねることによるノイズ混入の影響を無視できない場合には，前記導光手段が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光を，前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで相互に重ならない光路で導くものであることが考えられる。
さらに，前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記おもて面の測定部位及び前記第１の参照面それぞれに照射させるものであり，前記うら面側のヘテロダイン干渉計が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記第２の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させるものであることが考えられる。
これにより，前記第１の測定光及び前記第２の測定光が導光経路において混合されず，ノイズ混入による測定精度の悪化を防止できる。

一方，２つの測定光を異なる光路で導くと，光路を形成する媒体（空気や光ファイバ等）の揺らぎ（気圧，温度，湿度等の変動）の差によって両光路の屈折率に差が生じ，２つの測定光について見かけ上の光路長の変化に差が生じる場合がある。この場合，前記揺らぎに起因するノイズによって測定精度が悪化する。
そこで，前記揺らぎの影響を無視できない場合には，前記導光手段が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光を，前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで同じ光路で導くものであることが考えられる。 同様に，本発明に係る形状測定装置が，厚み補正用の前記第２の測定値を出力する前記第２の位相検波手段を備える場合には，前記導光手段が，少なくとも前記おもて面側の主副分光手段から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導くとともに，少なくとも前記うら面側の主副分光手段から前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導くものであることが考えられる。
さらに，前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が，前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを分光させて前記おもて面の測定部位及び前記第１の参照面それぞれに照射させるものであり，前記うら面側のヘテロダイン干渉計が，前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを分光させて前記第２の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させるものであることが考えられる。
これにより，前記第１の測定光及び前記第２の測定光の導光経路において前記揺らぎが生じても，その揺らぎは２つの測定光に等しく影響するので，前記揺らぎに起因する測定精度の悪化を防止できる。
なお，本発明に係る形状測定装置が，厚み補正用の前記第２の測定値を出力する前記第２の位相検波手段を備える場合，前記主副分光手段に至るまでの２つの測定光に揺らぎのばらつきが生じても，そのばらつきは前記第２の測定値によって補正できる。
そして，２つの測定光の光路を重ねることによるノイズが測定精度に与える影響と，前記揺らぎによるノイズが測定精度に与える影響とのいずれが大きいかは測定環境等の条件によって異なるので，２つの測定光の導光手法は状況に応じて適宜選択すればよい。

本発明によれば，前記おもて面の測定部位自体の形状の成分及び前記うら面の測定部位自体の形状の成分のみが反映された前記被測定物の厚みに相当する測定値が得られる。即ち，前記おもて面側と前記うら面側とにおいて，ヘテロダイン干渉計における物体光と参照光との対応関係が逆になっているため，その測定値において，被測定物の振動による変位量の成分は相殺されている。しかも，本発明に係る形状測定装置は，干渉光を被測定物のおもて面からうら面へ伝播させないため，その伝播経路における光路調整（光学機器の調整）を必要とせず，また，その伝播経路において干渉光の揺らぎが生じることもない。さらに，光路に光学系以外のものが挿入されないので，干渉光に乱れを生じさせることもない。
以上より，本発明に係る形状測定装置を用いれば，被測定物の振動の影響を受けず，また，干渉光の乱れや揺らぎを生じさせることなく，被測定物の厚みを簡易に高精度で測定できる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの構成図，図２は形状測定装置Ｘに適用可能な二偏波光源の実施例を表す概略構成図，図３は形状測定装置Ｘに適用可能な干渉計の第１実施例を表す概略構成図，図４は形状測定装置Ｘに適用可能な干渉計の第２実施例を表す概略構成図，図５は形状測定装置Ｘに適用可能なヘテロダイン干渉計の第３実施例を表す概略構成図，図６は形状測定装置Ｘに適用可能なヘテロダイン干渉計の第４実施例を表す概略構成図，図７は形状測定装置Ｘに適用可能な信号処理部の実施例を表す概略構成図，図８は検波器における入力信号の振幅（信号強度）と出力信号の値（位相差）との関係の一例を表すグラフ，図９は形状測定装置Ｘを用いた被測定物の厚み分布測定方法の一例を表す模式図，図１０は形状測定装置Ｘを用いて被測定物の厚み分布測定を行った場合の測定部位の分布の一例を表す模式図である。
以下，図１に示す構成図を参照しながら，本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘについて説明する。
形状測定装置Ｘは，例えば半導体ウェハなどの薄板状の被測定物１の厚みを非接触で測定するために用いられる測定装置である。
図１に示すように，形状測定装置Ｘは，二偏波光源２と，偏光ビームスプリッタ３（以下，ＰＢＳ３と記載する）と，複数のミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２と，Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０及びＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０と，Ａ面側補正用干渉計ａ３０及びＢ面側補正用干渉計ｂ３０と，第１位相検波器４と，第２位相検波器５と，計算機６とを備えている。
以下，便宜上，被測定物１の一方の面（図１における上側の面）をＡ面（前記おもて面に相当），これと表裏の関係にある他方の面をＢ面（前記うら面に相当）という。また，被測定物１の厚みの測定位置におけるＡ面側の表面部分をＡ面測定部位１ａ（前記おもて面の測定部位に相当），そのＡ面測定部位１ａと表裏相対するＢ面の表面部分をＢ面測定部位１ｂ（前記うら面の測定部位に相当）という。
なお，図１には示されていないが，形状測定装置Ｘは，被測定物１の周辺のエッジ部を支持（例えば３点支持）する支持部と，その支持部を２次元方向（被測定物１の両測定面に平行な２次元方向）に移動させることにより被測定物１を２次元方向に移動させる移動機構とを備えている。そして，形状測定装置Ｘは，その移動機構により被測定物１を移動させることにより，被測定物１における前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂの位置を変更しつつ測定値を得る。

前記二偏波光源２は，周波数がわずかに異なる２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２を出射するレーザ光の光源である。なお，図１に示される前記二偏波光源２は，例えば，周波数がわずかに異なる２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２を同軸或いはほぼ同軸（２つの光束の一部が重なる状態）で出射するゼーマンレーザ等である。以下，一方のビーム光を第１ビーム光Ｐ１，他方のビーム光を第２ビーム光Ｐ２という。
なお，図１においては，便宜上，両ビーム光Ｐ１，Ｐ２が異なる軸に沿って出射されているように記載されているが，本実施形態においては，両ビーム光Ｐ１，Ｐ２は同じ軸（同じ光路）又は一部重なる光路に沿って出射されるものとする。第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２は，単波長光であり，それぞれの周波数は，特に限定されるものではないが，例えば，一方のビーム光の周波数ωは５×１０⁸ＭＨｚ程度（可視光のレーザ光源を採用した場合の例）であり，両ビーム光の周波数の差は数十ｋＨｚ程度である。また，二偏波光源２が出射する第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２は，それぞれ偏波面の方向が異なる。ここでは，２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２の偏波面は直交しているものとする。これら第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２が，それぞれ周波数が異なる前記第１の測定光及び前記第２の測定光の一例である。
なお，２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２は，１つのビーム光を出射する光源と，出射されたビーム光を２分岐させるビームスプリッタと，２分岐された一方のビーム光の周波数を変換する音響光学素子等により生成されることも考えられる。

前記ＰＢＳ３は，二偏波光源２から出射される第１ビーム光Ｐ１（周波数：ω）及び第２ビーム光（周波数：ω＋Δω）のそれぞれを２分岐させる。そして，ＰＢＳ３により分岐された一方の第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２は，３つのミラーａ１１，ａ１２，ａ１３により，被測定物１の前記Ａ面測定部位１ａの方向へ導かれる。また，ＰＢＳ３により分岐された他方の第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２は，２つのミラーｂ１１，ｂ１２により，被測定物１の前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれる。なお，前記ＰＢＳ３及び各ミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２が，前記導光手段の一例である。
図１に示す例では，２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２が同じ光路で導かれるので，両ビーム光の導光経路において揺らぎが生じても，その揺らぎは２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２に等しく影響するので，揺らぎに起因する測定精度の悪化を防止できる。
なお，第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２を前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂのそれぞれへ導く光学機器としては，ミラーの他，光ファイバ等も考えられる。

前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０（前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に相当）は，図１に示すように，偏光ビームスプリッタａ２１（以下，Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）という），２つの４分の１波長板ａ２２及びａ２３，Ａ面側参照板ａ２４，偏光板ａ２５（以下，Ａ面側第１偏光板ａ２５という）及び光検出器ａ２６（以下，Ａ面側第１光検出器ａ２６という）を備えている。一方の４分の１波長板ａ２２は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）と前記Ａ面測定部位１ａとの間に配置され，他方の４分の１波長板ａ２３は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）と前記Ａ面側参照板ａ２４との間に配置されている。

前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，ミラーａ１１〜ａ１３によって前記Ａ面測定部位１ａの方向へ導かれた第１ビーム光Ｐ１を透過させることにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ａ面測定部位１ａに照射させるとともに，同じく前記Ａ面測定部位１ａの方向へ導かれた第２ビーム光Ｐ２を反射することにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ａ面側参照板ａ２４の表面（前記第１の参照面に相当）に照射させる。図１に示す例では，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２は，それぞれ前記Ａ面測定部位１ａの表面及び前記Ａ面側参照板ａ２４の表面に対して垂直入射される。
さらに，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光と，前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光との両方を，前記Ａ面側第１偏光板ａ２５の方向（同じ方向）へ導く。
なお，４分の１波長板ａ２２の存在により，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）から前記Ａ面測定部位１ａ側へ出射される第１ビーム光Ｐ１の偏光の状態（Ｐ偏光かＳ偏光か）と，前記Ａ面測定部位１ａに反射して前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に入射される第１ビーム光Ｐ１の偏光の状態とが入れ替わる。同様に，４分の１波長板ａ２３の存在により，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）から前記Ａ面測参照板ａ２４側へ出射される第２ビーム光Ｐ２の偏光の状態と，前記Ａ面測参照板ａ２４に反射して前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に入射される第２ビーム光Ｐ２の偏光の状態とが入れ替わる。
前記Ａ面側第１偏光板ａ２５は，所定方向（両ビーム光の偏波面の方向の中間方向）の偏波面の光のみを透過させることにより，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光と，前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光とを干渉させる。その干渉光（以下，Ａ面測定干渉光という）は，前記Ａ面側第１光検出器ａ２６に入力（入射）される。
前記Ａ面側第１光検出器ａ２６は，前記Ａ面測定干渉光を受光して光電変換を行うことにより，前記Ａ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ１（電気信号）を出力する。

一方，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０は，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０と同様の構成を備えるが，両者は，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２のいずれを参照光（参照板への照射光）又は物体光（測定部位への照射光）とするかの対応関係が逆になっている。
即ち，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０（前記うら面側のヘテロダイン干渉計に相当）は，図１に示すように，偏光ビームスプリッタｂ２１（以下，Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）という），２つの４分の１波長板ｂ２２及びｂ２３，Ｂ面側参照板ｂ２４，偏光板ｂ２５（以下，Ｂ面側第１偏光板ｂ２５という）及び光検出器ｂ２６（以下，Ｂ面側第１光検出器ｂ２６という）を備えている。一方の４分の１波長板ｂ２２は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）と前記Ｂ面測定部位１ｂとの間に配置され，他方の４分の１波長板ｂ２３は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）と前記Ｂ面側参照板ｂ２４との間に配置されている。

前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，ミラーｂ１１〜ｂ１２によって前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれた第２ビーム光Ｐ２を透過させることにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ｂ面測定部位１ｂに照射させるとともに，同じく前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれた第１ビーム光Ｐ１を反射することにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面（前記第２の参照面に相当）に照射させる。図１に示す例では，前記第２ビーム光Ｐ２及び前記第１ビーム光Ｐ１は，それぞれ前記Ｂ面測定部位１ｂの表面及び前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面に対して垂直入射される。
さらに，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光と，前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光との両方を，前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５の方向（同じ方向）へ導く。
なお，４分の１波長板ｂ２２の存在により，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）から前記Ｂ面測定部位１ｂ側へ出射される第２ビーム光Ｐ２の偏光の状態（Ｓ偏光かＰ偏光か）と，前記Ｂ面測定部位１ｂに反射して前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に入射される第２ビーム光Ｐ２の偏光の状態とが入れ替わる。同様に，４分の１波長板ｂ２３の存在により，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）から前記Ｂ面測参照板ｂ２４側へ出射される第１ビーム光Ｐ１の偏光の状態と，前記Ｂ面測参照板ｂ２４に反射して前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に入射される第１ビーム光Ｐ１の偏光の状態とが入れ替わる。
前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５は，所定方向（両ビーム光の偏波面の方向の中間方向）の偏波面の光のみを透過させることにより，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光と，前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光とを干渉させる。その干渉光（以下，Ｂ面測定干渉光という）は，前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６に入力（入射）される。
前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６は，前記Ｂ面測定干渉光を受光して光電変換を行うことにより，前記Ｂ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ２（電気信号）を出力する。

前記第１位相検波器４（前記第１の位相検波手段に相当）は，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０及び前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０のそれぞれから出力される強度信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差ΔΦsを検出し，その検出値を電気信号（検出信号）として出力するものである。例えば，前記第１位相検波器４として，ロックインアンプを採用することができる。ここで，前記第１位相検波器４の出力信号の値（位相差ΔΦs）は，後述するように，被測定物１における前記Ａ面測定部位１ａの表面位置と前記Ｂ面測定部位１ｂの表面位置との差，即ち，被測定物１における両測定部位１ａ，１ｂの位置の厚みに相当する測定値（前記第１の測定値に相当）である。

周知のヘテロダイン干渉計の原理により，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０の出力信号Ｓｉｇ１の位相は，前記Ａ面測定部位１ａの表面位置（高さ）に応じて定まるが，出力信号Ｓｉｇ１の位相には，前記Ａ面測定部位１ａ自体の形状（凹凸）の成分と，前記被測定物１の振動による変位量の成分との両方が反映される。
同様に，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０の出力信号Ｓｉｇ２の位相は，前記Ｂ面測定部位１ｂの表面位置（高さ）に応じて定まるが，出力信号Ｓｉｇ２の位相には，前記Ｂ面測定部位１ｂ自体の形状（凹凸）の成分と，前記被測定物１の振動による変位量の成分との両方が反映される。
また，前述したように，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０と前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０とでは，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２のいずれを参照光又は物体光とするかの対応関係が逆になっている。
このため，前記第１位相検波器４により検出される位相差ΔΦsは，被測定物１の振動による変位量の成分がＡ面側とＢ面側とで相殺され，前記Ａ面測定部位１ａ自体の形状（凹凸）の成分及び前記Ｂ面測定部位１ｂ自体の形状（凹凸）の成分のみが反映された変位量，即ち，被測定物１における前記Ａ面測定部位１ａ及びＢ面測定部位１ｂの位置の厚みに相当する測定値となる。

一方，前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０は，図１に示すように，ビームスプリッタａ３１（以下，Ａ面側ＢＳ（ａ３１）という），偏光板ａ３２（以下，Ａ面側第２偏光板ａ３２という）及び光検出器ａ３３（以下，Ａ面側第２光検出器ａ３３という）を備えている。
前記Ａ面側ＢＳ（ａ３１）は，前記Ａ面測定部位１ａの方向へ導かれた第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２を，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０に入力される直前の位置において，そのＡ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０に入力されるビーム光（以下，主光という）と，それ以外のビーム光（以下，副光という）とに分岐させる（前記おもて面側の主副分光手段の一例）。
前記Ａ面側第２偏光板ａ３２は，所定方向（両ビーム光の偏波面の方向の中間方向）の偏波面の光のみを透過させることにより，前記Ａ面側ＢＳ（ａ３１）により分岐された前記副光（即ち，分岐された第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２）を干渉させる（前記おもて面側の副光干渉手段の一例）。
前記Ａ面側第２光検出器ａ３３は，前記Ａ面側第２偏光板ａ３２により得られる干渉光を受光して光電変換を行うことにより，その干渉光の強度信号Ｒｅｆ１（電気信号）を出力する（前記おもて面側の副光強度検出手段の一例）。

また，前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０は，被測定物１のＢ面側において，前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０と同様の構成を備えるものである。
即ち，前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０は，図１に示すように，ビームスプリッタｂ３１（以下，Ｂ面側ＢＳ（ｂ３１）という），偏光板ｂ３２（以下，Ｂ面側第２偏光板ｂ３２という）及び光検出器ｂ３３（以下，Ｂ面側第２光検出器ｂ３３という）を備えている。
前記Ｂ面側ＢＳ（ｂ３１）は，前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれた第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２を，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０に入力される直前の位置において，そのＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０に入力されるビーム光（主光）と，それ以外のビーム光（副光）とに分岐させる（前記うら面側の主副分光手段の一例）。
前記Ｂ面側第２偏光板ｂ３２は，所定方向（両ビーム光の偏波面の方向の中間方向）の偏波面の光のみを透過させることにより，前記Ｂ面側ＢＳ（ｂ３１）により分岐された前記副光（即ち，分岐された第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２）を干渉させる（前記うら面側の副光干渉手段の一例）。
前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３は，前記Ｂ面側第２偏光板ｂ３２により得られる干渉光を受光して光電変換を行うことにより，その干渉光の強度信号Ｒｅｆ２（電気信号）を出力する（前記うら面側の副光強度検出手段の一例）。

また，前記第２位相検波器５（前記第２の位相検波手段に相当）は，前記Ａ面側第２光検出器ａ３３及び前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３のそれぞれから出力される強度信号Ｒｅｆ１，Ｒｅｆ２の位相差ΔΦrを検出し，その検出値を電気信号（検出信号）として出力するものであり，例えば，ロックインアンプを採用することができる。ここで，前記第２位相検波器５の出力信号の値（位相差ΔΦr）は，後述するように，前記被測定物１の厚みの補正用の測定値（前記第２の測定値に相当）である。
前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２について，前記二偏波光源２から前記ＰＢＳ３及びミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２によりＡ面測定部位１ａ及びＢ面測定部位１ｂのそれぞれへ導かれる経路において位相の揺らぎが生じた場合，その揺らぎの影響が前記第１位相検波器４により検出される位相差ΔΦsに反映され，それが測定誤差となる。
しかしながら，そのような位相の揺らぎの成分のＡ面側及びＢ面側の合計は，前記第２位相検波器５により検出される位相差ΔΦrに反映される。従って，前記第１位相検波器４により検出される位相差ΔΦsから，前記第２位相検波器５により検出される位相差ΔΦrを差し引く補正を行うことにより得られる位相差（ΔΦs−ΔΦr）は，２つのヘテロダイン干渉計ａ２０，ｂ２０に至るまでの両ビーム光Ｐ１，Ｐ２の位相の揺らぎの影響が除去された測定値となる。

前記計算機６は，不図示のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，位相差ΔΦs，ΔΦrの信号を入力する信号入力インターフェース等を備え，所定のプログラムを実行することにより各種の演算を行うものである。
形状測定装置Ｘにおいては，前記計算機６は，前記第１位相検波器４から出力される測定値である位相差ΔΦsと，前記第２位相検波器５から出力される測定値である位相差ΔΦrとの差に基づいて，被測定物１における前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂの位置の厚みを算出し，その算出値を出力する（前記第２の厚み算出手段の一例）。なお，算出値の出力とは，例えば，前記計算機６が備える記憶部（ハードディスク等）へ書き込むこと，所定の通信インターフェースを通じて外部装置へ送信すること，又は液晶表示装置等の所定の表示部に算出値の情報を表示させること等を意味する。

次に，数式を用いて，形状測定装置Ｘの測定原理について説明する。
まず，数式で用いられる符号について説明する。
ω：第１ビーム光Ｌ１の周波数。
ω＋Δω：第２ビーム光Ｌ２の周波数。
λ：第１ビーム光Ｌ１の波長。なお，Δω／ωの値はごく小さいので，λは第２ビーム光Ｌ２の波長と等しいと近似できる。
Ｌ１：Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）からＡ面測定部位１ａまでの光路長。
Ｌ２：Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）からＢ面測定部位１ｂまでの光路長。
Ｍ１：Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）からＡ面側参照板ａ２４表面までの光路長。
Ｍ２：Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）からＢ面側参照板ｂ２４表面までの光路長。
ΔＬ１：Ａ面測定部位１ａの形状に基づく表面変位量（表面高さ）。
ΔＬ２：Ｂ面測定部位１ｂの形状に基づく表面変位量（表面高さ）。
ΔＮ：被測定物１の振動による変位量。
なお，ｔは時間，ｉは自然数の変数を表す。

形状測定装置Ｘは，測定前に，前記二偏波光源２から前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０及び前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０のそれぞれに至る過程において，ビーム光Ｐ１，Ｐ２（即ち，両ヘテロダイン干渉計ａ２０，ｂ２０への入力光）に位相の揺らぎの差が生じない状態（以下，入力光に位相揺らぎの差がない状態という），或いはそう近似できる程度の状態に設定されているものとする。
前記入力光に位相揺らぎの差がない状態或いはそう近似できる程度の状態とする方法としては，例えば，前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれる両ビーム光Ｐ１，Ｐ２の光路を極力同一の光路とすることや，その光路の周囲を覆う断熱材を設けることにより両ビーム光Ｐ１，Ｐ２の光路の温度を極力一定に保持すること等が考えられる。また，両ビーム光Ｐ１，Ｐ２をＡ面測定部位１ａ及びＢ面測定部位１ｂへ導くミラーや光ファイバ等の導光手段を，固定された堅牢な（高強度の）支持部材に固着させること等も有効である。
まず，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０の出力信号Ｓｉｇ１の強度Ｉ１は，次の（１）式により表される。

また，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０の出力信号Ｓｉｇ２の強度Ｉ２は，次の（２）式により表される。

ここで，被測定物１の振動に起因する変位量ΔＮは，前記Ａ面側と前記Ｂ面側とで正負が逆となって影響し，さらに，前記Ａ面側と前記Ｂ面側とで，ヘテロダイン干渉計における物体光と参照光との対応関係が逆になっているため，この（１）式及び（２）式において，変位量ΔＮの符号は同じとなる。
前記（１）式及び（２）式（最終行に記載の式）において，"４π／λ"以降の項が，各周波数Δωの周期変化の位相を決定する。そして，前記入力光に位相揺らぎの差がない状態における前記第１位相検波器４により検出される出力信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差Φs’は，次の（３）式により表される。

前記（３）式において，Ａ面側及びＢ面側の相殺効果により，被測定物１の振動に起因する変位量ΔＮが除去（相殺）されていることがわかる。

また，前記（３）式において，ΔΦs’は測定値であり，その他における（ΔＬ１−ΔＬ２）以外の数値は既知の不変量である。そのため，前記入力光に位相揺らぎの差がない状態，或いはそう近似できる程度の状態であれば，計算機６によって測定値ΔΦsを前記（３）に適用する（ΔΦs’の部分に代入する）計算を行うことにより，被測定物１の厚み（ΔＬ１−ΔＬ２）を算出できる。
なお，（ΔＬ１−ΔＬ２）は，被測定物１の厚みの絶対値を表すものでなく，他の測定部位の厚みに対する相対値を評価する指標（相対的な厚みを表す値）であるが，半導体ウェハ等の被測定物の形状測定においては，相対的な厚みを表す値の分布を得ることに重要な意味がある。

ところで，被測定物１の振動により生じる変位ΔＮは，ビーム光Ｐ１，Ｐ２の波長λに比べて十分に大きいため，もし，変位ΔＮの影響が除去されないとすると，被測定物１の厚みを実質的に測定できない状態となる。
例えば，位相検波器により，前記Ａ面側第１光検出器ａ２６の検出信号Ｓｉｇ１と，前記Ａ面側第２光検出器ａ３３の検出信号Ｒｅｆ１との位相差ΔΦaを検出した場合，各測定部位における位相差ΔΦaの分布において，いわゆる位相とびが多数回生じるため，被測定物１の厚み分布を表す連続した値の分布を正確に求めることが困難となる。

以上に示したように，形状測定装置Ｘにおいては，その測定値Φsにおいて，被測定物１の振動による変位量ΔＮの成分が相殺され，Ａ面測定部位１ａ自体の形状の成分及びＢ面測定部位１ｂ自体の形状の成分のみが反映された被測定物１の厚みに相当する測定値が得られる。しかも，形状測定装置Ｘは，干渉光を被測定物１のＡ面（おもて面）からＢ面（うら面）へ伝播させないため，その伝播経路における光路調整（光学機器の調整）を必要とせず，また，その伝播経路において干渉光の揺らぎが生じることもない。さらに，光路に光学系以外のものが挿入されないので，干渉光に乱れを生じさせることもない。

ところで，両ヘテロダイン干渉計ａ２０，ｂ２０への入力されるビーム光Ｐ１，Ｐ２は，前記二偏波光源２から前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０及び前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０のそれぞれに至る過程において，温度や湿度の変化等により位相の揺らぎが生じた場合，その揺らぎの影響が測定値ΔΦs（位相差）に反映され，それが測定誤差となる。
これに対し，位相差ΔΦsから補正用の位相差ΔΦrを差し引いて得られる位相差（ΔΦs−ΔΦr）は，２つのヘテロダイン干渉計ａ２０，ｂ２０に至るまでの両ビーム光Ｐ１，Ｐ２の位相の揺らぎの影響が除去された測定値となる。
そこで，計算機６が，前記（３）式におけるΔΦs’を，（ΔΦs−ΔΦr）に置き換えた式に基づいて被測定物１の厚み（ΔＬ１−ΔＬ２）を算出すれば，その算出値は，両ビーム光Ｐ１，Ｐ２の位相の揺らぎの影響を受けない値となる。

以上に示した実施形態では，計算機６が，測定値Φsと測定値Φrとの差に基づいて，被測定物１の厚み（ΔＬ１−ΔＬ２）を算出する例を示したが，前記入力光に位相揺らぎの差がない状態或いはそう近似できる程度の状態である場合には，図１に示す構成から前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０及び前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０を除いた形状測定装置（以下，形状測定装置Ｘ’という）とすることも考えられる。
そして，前記形状測定装置Ｘ’における計算機６は，前記第１位相検波器４から出力される測定値である位相差ΔΦsに基づいて，被測定物１における前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂの位置の厚みを算出し，その算出値を出力する（前記第１の厚み算出手段の一例）。この場合，計算機６は，前記（３）式におけるΦs’をΦsに置き換えた式に基づいて被測定物１の厚み（ΔＬ１−ΔＬ２）を算出する。
また，前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０及び前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０を備える形状測定装置Ｘにおいては，前記ビームスプリッタａ３１，ｂ３１に至るまでの２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２に生じた揺らぎのばらつきは，補正用の位相差ΔΦrによって補正できる。従って，両ビーム光Ｐ１，Ｐ２を被測定物１のＡ面測及びＢ面側へ導くミラーや光ファイバ等の導光手段は，少なくともＡ面側の前記ビームスプリッタａ３１から前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０に至るまでの両ビームＰ１，Ｐ２の分岐光（主光）を同じ光路で導き，また，少なくともＢ面側の前記ビームスプリッタｂ３１から前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０に至るまでの両ビームＰ１，Ｐ２の分岐光（主光）を同じ光路で導くものであればよい。

また，前記形状測定装置Ｘにおいて，図１に示したヘテロダイン干渉計ａ２０，ｂ２０は，被測定物１の表面（Ａ面，Ｂ面）に対して略垂直に測定光を入射させるものであるが，光学系を組みかえることにより，測定光を被測定物１の表面（Ａ面，Ｂ面）に対して斜めに入射させ，その反射光により干渉光を得るタイプの干渉計を採用してもよい。
また，図１には示されていないが，前記形状測定装置Ｘは，被測定物１を移動可能に支持する（被測定物１を移動させて位置決めする）移動機構を備えている。前記形状測定装置Ｘは，前記移動機構によって被測定物１を移動させることにより，被測定物１の複数の測定部位について厚み測定を行う。前記移動機構は，例えば，被測定物１を一次元方向（直線方向）又は二次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させる機構や，被測定物１を回転させる機構等である。
これにより，前記形状測定装置Ｘは，被測定物１の厚み分布（表面形状）を測定することができる。

次に，図２及び図３に示す概略構成図を参照しつつ，前記形状測定装置Ｘ，Ｘ’に適用可能な二偏波光源の実施例（以下，二偏波光源２’という）及びヘテロダイン干渉計の第１実施例（以下，Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−１及びＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−１という），並びに補正用干渉計の第１実施例（以下，Ａ面側補正用干渉計ａ３０−１，Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０−１という）について説明する。ここで，図２は前記二偏波光源２’の概略構成図，図３は干渉計ａ２０−１，ｂ２０−１，ａ３０−１，ｂ３０−１の概略構成図を表す。なお，これ以降に参照する図２〜図７において，前記形状測定装置Ｘが備える構成要素と同じ構成要素については，同じ符号が付されている。
以下，前記二偏波光源２’及び各干渉計ａ２０−１，ｂ２０−１，ａ３０−１，ｂ３０−１について，図１に示した二偏波光源２及び各干渉計ａ２０，ｂ２０，ａ３０，ｂ３０と異なる点についてのみ説明する。

図２に示すように，二偏波光源２’は，単波長レーザ光源ｃ１と，ビームスプリッタｃ２と，複数のミラーｃ３，ｃ４，ｃ６と，光周波数シフターｃ５とを備えている。
前記単波長レーザ光源ｃ１は，周波数ωの単波長レーザ光を出力するレーザ光源である。例えば，前記短波長レーザ光源ｃ１として，波長６３３ｎｍのレーザ光を出力するヘリウムネオンレーザ等を採用することが考えられる。
前記単波長レーザ光源ｃ１の出射光は，前記ビームスプリッタｃ２により２分岐され，その一方の分岐光がそのままミラーｃ３，ｃ４により導光されて前記第１ビーム光Ｐ１として前記ＰＢＳ３（偏光ビームスプリッタ）へ導かれる。なお，このＰＢＳ３は，無偏光のビームスプリッタであってもよい。
また，前記ビームスプリッタｃ２により２分岐された他方の分岐光は，前記光周波数シフターｃ５によってΔωだけ周波数シフト（周波数ωから周波数ω＋Δωへの周波数変換）が施され，その後，ミラーｃ６により導光されて前記第２ビーム光Ｐ２として前記ＰＢＳ３（偏光ビームスプリッタ）へ導かれる。前記光周波数シフターｃ５は，例えば，音響光学素子（ＡＯＭ）等である。
また，前記ミラーｃ４及び前記ミラーｃ６は，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２それぞれを，相互に重ならない光路で前記ＰＢＳ３へ入射させる。
これにより，前記ＰＢＳ３及びその分岐光（前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２の分岐光）は，Ａ面側の前記ミラーａ１１，ａ１２，ａ１３及びＢ面側の前記ミラーｂ１１，ｂ１２により，前記ＰＢＳ３から前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−１及び前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−１に至るまで相互に重ならない光路で導く。
なお，図２には，前記ビームスプリッタｃ２により２分岐された一方の分岐光についてのみ，前記光周波数シフターｃ５によって周波数シフトを行う例を示したが，前記ビームスプリッタｃ２により２分岐された２つの分岐光それぞれを，周波数のシフト量の異なる（シフト量の差がΔωである）周波数シフターによって周波数シフトを行うことも考えられる。
また，２つのビーム光Ｐ１，Ｐ２を同軸で出射するゼーマンレーザの出力光を，偏光ビームスプリッタによって第１ビーム光Ｐ１と第２ビーム光Ｐ２とに分離し，分離後の第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２を異なる光路（重ならない光路）で前記ＰＢＳ３（偏光ビームスプリッタ）に入射させることも考えられる。

また，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−１（前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に相当）は，図３に示すように，図１に示した前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０が備える全ての構成要素に加え，ミラーａ２７及びビームスプリッタａ２８を備えている。
前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，前記ミラーａ１１〜ａ１３（図１参照）によって前記第２ビーム光Ｐ２とは異なる光路で導かれた前記第１ビーム光Ｐ１を透過させることにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ａ面測定部位１ａに照射させるとともに，前記第２ビーム光Ｐ２を反射することにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ａ面側参照板ａ２４の表面（第１の参照面）に照射させる。図３に示す例では，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２は，それぞれ前記Ａ面測定部位１ａの表面及び前記Ａ面側参照板ａ２４の表面に対して垂直入射される。
さらに，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光を前記ビームスプリッタａ２８の方向へ反射するとともに，前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光を前記ミラーａ２７の方向へ透過させる。さらに，前記ミラーａ２７が，前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光を前記ビームスプリッタａ２８の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタａ２８を透過した前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光と，前記ビームスプリッタａ２８に反射した前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ａ面側第１偏光板ａ２５を通過することによって相互に干渉する。その干渉光（前記Ａ面測定干渉光）は，前記Ａ面側第１光検出器ａ２６に入力（入射）され，前記Ａ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ１が得られる。

同様に，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−１（前記うら面側のヘテロダイン干渉計に相当）は，図３に示すように，図１に示した前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０が備える全ての構成要素に加え，ミラーｂ２７及びビームスプリッタｂ２８を備えている。
前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，前記ミラーｂ１１，ｂ１２によって前記第１ビーム光Ｐ１とは異なる光路で導かれた前記第２ビーム光Ｐ２を透過させることにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ｂ面測定部位１ｂに照射させるとともに，前記第１ビーム光Ｐ１を反射することにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面（第２の参照面）に照射させる。図３に示す例では，前記第２ビーム光Ｐ２及び前記第１ビーム光Ｐ１は，それぞれ前記Ｂ面測定部位１ｂの表面及び前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面に対して垂直入射される。
さらに，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光を前記ビームスプリッタｂ２８の方向へ反射するとともに，前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光を前記ミラーｂ２７の方向へ透過させる。さらに，前記ミラーｂ２７が，前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光を前記ビームスプリッタｂ２８の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタｂ２８を透過した前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光と，前記ビームスプリッタｂ２８に反射した前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５を通過することによって相互に干渉する。その干渉光（前記Ｂ面測定干渉光）は，前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６に入力（入射）され，前記Ｂ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ２が得られる。

一方，前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０−１は，図３に示すように，前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０が備える全ての構成要素に加え，ミラーａ３４及びビームスプリッタａ３５を備えている。
前記Ａ面側ＢＳ（ａ３１）は，それぞれ異なる光路で導かれた第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２を，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−１に入力される直前の位置において，そのＡ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−１に入力される前記主光と，それ以外の前記副光とに分岐させ，前記第１ビーム光Ｐ１の副光を前記ミラーａ３４の方向へ導くとともに，それとは異なる光路（重ならない光路）で前記第２ビーム光Ｐ２の副光を前記ビームスプリッタａ３５の方向へ導く。
さらに，前記ミラーａ３４が，前記第１ビーム光Ｐ１の副光を前記ビームスプリッタａ３５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタａ３５を透過した前記第２ビーム光Ｐ２の副光と，前記ビームスプリッタａ３５に反射した前記第１ビーム光Ｐ１の副光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ａ面側第２偏光板ａ３２を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は，前記Ａ面側第２光検出器ａ３３に入力（入射）され，その干渉光の強度信号Ｒｅｆ１が得られる。

同様に，前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０−１は，図３に示すように，前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０が備える全ての構成要素に加え，ミラーｂ３４及びビームスプリッタｂ３５を備えている。
前記Ｂ面側ＢＳ（ａ３１）は，それぞれ異なる光路で導かれた第２ビーム光Ｐ２及び第１ビーム光Ｐ１を，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−１に入力される直前の位置において，そのＢ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−１に入力される前記主光と，それ以外の前記副光とに分岐させ，前記第２ビーム光Ｐ２の副光を前記ミラーｂ３４の方向へ導くとともに，それとは異なる光路（重ならない光路）で前記第１ビーム光Ｐ１の副光を前記ビームスプリッタｂ３５の方向へ導く。
さらに，前記ミラーｂ３４が，前記第２ビーム光Ｐ２の副光を前記ビームスプリッタｂ３５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタｂ３５を透過した前記第１ビーム光Ｐ１の副光と，前記ビームスプリッタｂ３５に反射した前記第２ビーム光Ｐ２の副光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ｂ面側第２偏光板ｂ３２を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は，前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３に入力（入射）され，その干渉光の強度信号Ｒｅｆ２が得られる。
そして，前記第１位相検波器４，前記第２位相検波器５及び前記計算機６は，以上のようにして得られた信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２，Ｒｅｆ１，Ｒｅｆ２に基づいて，前述したのと同じ処理を実行することによって被測定物１の厚み（ΔＬ１−ΔＬ２）を算出する。
前記形状測定装置Ｘが，図２及び図３に示した光学系を備えることにより，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ１が導光経路において混合されず，ノイズ混入による測定精度の悪化を防止できる。
なお，図３に示される干渉計ａ２０−１，ｂ２０−１，ａ３０−１，ｂ３０−１は，２つの測定光（第１ビーム光Ｐ１及び第２ビーム光Ｐ２）の光路（導光経路）の間隔が比較的狭い場合に好適である。

次に，図４に示す概略構成図を参照しつつ，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を個別に（非同軸で）出射する前記二偏波光源２’と併せて採用され得るヘテロダイン干渉計の第２実施例（以下，Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２及びＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２という）及び補正用干渉計の第２実施例（以下，Ａ面側補正用干渉計ａ３０−２及びＢ面側補正用干渉計ｂ３０−２という）について説明する。
図３に示した干渉計ａ２０−１，ｂ２０−１，ａ３０−１，ｂ３０−１においては，１つの偏光ビームスプリッタａ２１もしくはｂ２１，又は１つのビームスプリッタａ３１もしくはｂ３１が，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２の両方を２分岐させたが，この第２実施例における干渉計ａ２０−２，ｂ２０−２，ａ３０−２，ｂ３０−２では，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ２が個別の光学系によって分岐される。

即ち，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２（前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に相当）は，図４に示すように，前記Ａ面側第１偏光板ａ２５，前記Ａ面側第１光検出器ａ２６及び前記４分の１波長板ａ２２に加え，偏光ビームスプリッタａ２１’及びミラーａ２４’を備えている。
前記ミラーａ２４’は，前記ミラーａ１１〜ａ１３（図１参照）によって前記第１ビーム光Ｐ１とは異なる光路で導かれた前記第２ビーム光Ｐ２を，前記偏光ビームスプリッタａ２１’の方向へ反射する。このミラーａ２４’の表面は，当該Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２における参照面である。
また，前記偏光ビームスプリッタａ２１’は，前記第２ビーム光Ｐ２とは異なる光路で導かれた前記第１ビーム光Ｐ１を透過させることにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ａ面測定部位１ａに照射させる。図４に示す例では，前記第１ビーム光Ｐ１は，前記Ａ面測定部位１ａの表面に対して垂直入射され，前記第２ビーム光Ｐ２は，前記ミラーａ２４’の表面（参照面）に対して斜め入射される。
さらに，前記偏光ビームスプリッタａ２１’は，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光を前記Ａ面側第１偏光板ａ２５の方向へ反射するとともに，前記ミラーａ２４’の表面（参照面）からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光を前記Ａ面側第１偏光板ａ２５方向へ透過させる。これにより，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光と，前記ミラーａ２４’の表面（参照面）からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ａ面側第１偏光板ａ２５を通過することによって相互に干渉する。その干渉光（前記Ａ面測定干渉光）は，前記Ａ面側第１光検出器ａ２６に入力（入射）され，前記Ａ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ１が得られる。

同様に，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２（前記うら面側のヘテロダイン干渉計に相当）は，図４に示すように，前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５，前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６及び前記４分の１波長板ｂ２２に加え，偏光ビームスプリッタｂ２１’及びミラーｂ２４’を備えている。
前記ミラーｂ２４’は，前記ミラーｂ１１，ｂ１２（図１参照）によって前記第２ビーム光Ｐ２とは異なる光路で導かれた前記第１ビーム光Ｐ１を，前記偏光ビームスプリッタｂ２１’の方向へ反射する。このミラーｂ２４’の表面は，当該Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２における参照面である。
また，前記偏光ビームスプリッタｂ２１’は，前記第１ビーム光Ｐ１とは異なる光路で導かれた前記第２ビーム光Ｐ２を透過させることにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ｂ面測定部位１ｂに照射させる。図４に示す例では，前記第２ビーム光Ｐ２は，前記Ｂ面測定部位１ｂの表面に対して垂直入射され，前記第１ビーム光Ｐ１は，前記ミラーｂ２４’の表面（参照面）に対して斜め入射される。
さらに，前記偏光ビームスプリッタｂ２１’は，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光を前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５の方向へ反射するとともに，前記ミラーｂ２４’の表面（参照面）からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光を前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５方向へ透過させる。これにより，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光と，前記ミラーｂ２４’の表面（参照面）からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５を通過することによって相互に干渉する。その干渉光（前記Ｂ面測定干渉光）は，前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６に入力（入射）され，前記Ｂ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ２が得られる。

一方，前記Ａ面側補正用干渉計ａ３０−２は，図４に示すように，前記Ａ面側第２偏光板ａ３２及び前記Ａ面側第２光検出器ａ３３に加え，３つのビームスプリッタａ３１’，ａ３１”，ａ３５とミラーａ３４とを備えている。
前記ビームスプリッタａ３１’は，前記第２ビーム光Ｐ２とは異なる光路で導かれた前記第１ビーム光Ｐ１を，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２に入力される直前の位置において，そのＡ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２に入力される前記主光と，それ以外の前記副光とに分岐させ，前記第１ビーム光Ｐ１の副光を前記ビームスプリッタａ３５の方向へ導く。
また，前記ビームスプリッタａ３１”は，前記第１ビーム光Ｐ１とは異なる光路で導かれた前記第２ビーム光Ｐ２を，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２に入力される直前の位置において，そのＡ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２に入力される前記主光と，それ以外の前記副光とに分岐させ，前記第２ビーム光Ｐ２の副光を前記ミラーａ３４の方向へ導く。
さらに，前記ミラーａ３４が，前記第２ビーム光Ｐ２の副光を前記ビームスプリッタａ３５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタａ３５を透過した前記第１ビーム光Ｐ１の副光と，前記ビームスプリッタａ３５に反射した前記第２ビーム光Ｐ２の副光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ａ面側第２偏光板ａ３２を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は，前記Ａ面側第２光検出器ａ３３に入力（入射）され，その干渉光の強度信号Ｒｅｆ１が得られる。

同様に，前記Ｂ面側補正用干渉計ｂ３０−２は，図４に示すように，前記Ｂ面側第２偏光板ｂ３２及び前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３に加え，３つのビームスプリッタｂ３１’，ｂ３１”，ｂ３５とミラーｂ３４とを備えている。
前記ビームスプリッタｂ３１’は，前記第１ビーム光Ｐ１とは異なる光路で導かれた前記第２ビーム光Ｐ２を，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２に入力される直前の位置において，そのＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２に入力される前記主光と，それ以外の前記副光とに分岐させ，前記第２ビーム光Ｐ２の副光を前記ビームスプリッタｂ３５の方向へ導く。
また，前記ビームスプリッタｂ３１”は，前記第２ビーム光Ｐ２とは異なる光路で導かれた前記第１ビーム光Ｐ１を，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２に入力される直前の位置において，そのＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２に入力される前記主光と，それ以外の前記副光とに分岐させ，前記第１ビーム光Ｐ１の副光を前記ミラーｂ３４の方向へ導く。
さらに，前記ミラーｂ３４が，前記第１ビーム光Ｐ１の副光を前記ビームスプリッタｂ３５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタｂ３５を透過した前記第２ビーム光Ｐ２の副光と，前記ビームスプリッタｂ３５に反射した前記第１ビーム光Ｐ１の副光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ｂ面側第２偏光板ｂ３２を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は，前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３に入力（入射）され，その干渉光の強度信号Ｒｅｆ２が得られる。
前記形状測定装置Ｘが，図４に示した光学系を備えることによっても，前記第１ビーム光Ｐ１及び前記第２ビーム光Ｐ１が導光経路において混合されず，ノイズ混入による測定精度の悪化を防止できる。

ところで，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２及び前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２においては，測定部位からの測定光の反射光を極力減衰させずに偏光板ａ２５，ｂ２５の方向へ偏向する手段として，偏向ビームスプリッタａ２１’，ｂ２１’及び４分の１波長板ａ２２，ｂ２２が採用されている。
しかしながら，測定部位からの測定光の反射光の強度が十分に高い場合には，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−２及び前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−２の構成から，４分の１波長板ａ２２，ｂ２２が除かれ，さらに，偏向ビームスプリッタａ２１’，ｂ２１’が通常のビームスプリッタに置き換えられた構成を有するヘテロダイン干渉計が採用されてもよい。

次に，図５及び図６に示す概略構成図を参照しつつ，前記形状測定装置Ｘ，Ｘ’に適用可能なヘテロダイン干渉計の第３実施例（図５参照：以下，Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−３及びＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−３という）及び第４実施例（図６参照：以下，Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−４及びＢ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−４という）について説明する。
これら第３実施例及び第４実施例におけるヘテロダイン干渉計ａ２０−３，ｂ２０−３，ａ２０−４，ｂ２０−４は，測定光（ビーム光）を被測定物１の表面に斜めに入射させるものである。

図５に示すように，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−３は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）と，前記Ａ面側参照板ａ２４と，ビームスプリッタａ２８と，前記Ａ面側第１偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６とを備えている。
前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−３においては，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）が，それを透過した前記第１ビーム光Ｐ１が前記Ａ面側測定部位１ａの表面（平面）に対して斜めに入射するよう配置されている。
そして，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，前記第２ビーム光Ｐ２とは異なる光路で導かれた前記第１ビーム光Ｐ１を透過させることにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ａ面測定部位１ａに照射させる（斜め入射させる）とともに，前記第２ビーム光Ｐ２を反射することにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ａ面側参照板ａ２４の表面（第１の参照面）に照射させる（斜め入射させる）。
また，前記ビームスプリッタａ２８は，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光（正反射光）を前記Ａ面側第１偏光板ａ２５の方向へ透過させるとともに，前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光（正反射光）を前記Ａ面側第１偏光板ａ２５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタａ２８を透過した前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光と，前記ビームスプリッタａ２８に反射した前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ａ面側第１偏光板ａ２５を通過することによって相互に干渉する。その干渉光（前記Ａ面測定干渉光）は，前記Ａ面側第１光検出器ａ２６に入力（入射）され，前記Ａ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ１が得られる。

同様に，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−３は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）と，前記Ｂ面側参照板ｂ２４と，ビームスプリッタｂ２８と，前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５及び前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６とを備えている。
前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−３においては，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）が，それを透過した前記第２ビーム光Ｐ２が前記Ｂ面側測定部位１ｂの表面（平面）に対して斜めに入射するよう配置されている。
そして，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，前記第１ビーム光Ｐ１とは異なる光路で導かれた前記第２ビーム光Ｐ２を透過させることにより，その第２ビーム光Ｐ２を前記Ｂ面測定部位１ｂに照射させる（斜め入射させる）とともに，前記第１ビーム光Ｐ１を反射することにより，その第１ビーム光Ｐ１を前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面（第２の参照面）に照射させる（斜め入射させる）。
また，前記ビームスプリッタｂ２８は，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光（正反射光）を前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５の方向へ透過させるとともに，前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光（正反射光）を前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタｂ２８を透過した前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光と，前記ビームスプリッタｂ２８に反射した前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光とが，同じ光路に沿って（光軸が重なった状態で）進行しつつ前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５を通過することによって相互に干渉する。その干渉光（前記Ｂ面測定干渉光）は，前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６に入力（入射）され，前記Ｂ面測定干渉光の強度信号Ｓｉｇ２が得られる。
図５に示すように，測定光を被測定物１に対して斜め入射させるヘテロダイン干渉計が採用された形状測定装置も，本発明の実施形態の一例である。

また，図６に示すように，第４実施例における前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−４及び前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−４は，それぞれ前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−３及び前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−３の構成において，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）及び前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）が，それぞれミラーａ２７’，ｂ２７’に置き換えられた構成を有している。
そして，前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０−４においては，前記第１ビーム光Ｐ１がそのまま前記Ａ面測定部位１ａに斜め入射する。
また，前記ミラーａ２７’が，前記第２ビーム光Ｐ２を反射して前記Ａ面側参照板ａ２４の表面（第１の参照面）に斜め入射させる。
そして，前記ビームスプリッタａ２８が，前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光（正反射光）を前記Ａ面側第１偏光板ａ２５の方向へ透過させるとともに，前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光（正反射光）を前記Ａ面側第１偏光板ａ２５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタａ２８を透過した前記Ａ面測定部位１ａからの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光と，前記ビームスプリッタａ２８に反射した前記Ａ面側参照板ａ２４の表面からの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光とが相互に干渉する。
同様に，前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０−４においては，前記第２ビーム光Ｐ２がそのまま前記Ｂ面測定部位１ｂに斜め入射する。
また，前記ミラーｂ２７’が，前記第１ビーム光Ｐ１を反射して前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面（第２の参照面）に斜め入射させる。
そして，前記ビームスプリッタｂ２８が，前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光（正反射光）を前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５の方向へ透過させるとともに，前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光（正反射光）を前記Ｂ面側第１偏光板ｂ２５の方向へ反射する。これにより，前記ビームスプリッタｂ２８を透過した前記Ｂ面測定部位１ｂからの前記第２ビーム光Ｐ２の反射光と，前記ビームスプリッタｂ２８に反射した前記Ｂ面側参照板ｂ２４の表面からの前記第１ビーム光Ｐ１の反射光とが相互に干渉する。
図６に示すようなヘテロダイン干渉計が採用された形状測定装置も，本発明の実施形態の一例である。

次に，位相検波器の特性及びその特性に対応した前記形状測定装置Ｘの応用例について説明する。
図８は，ロックインアンプ等からなる前記第１位相検波器４及び前記第２位相検波器５における入力信号の振幅（信号強度）と出力信号の値（前記位相差ΔΦs，ΔΦr）との関係の一例を表すグラフである。
図８に示されるように，ロックインアンプ等からなる前記第１位相検波器４及び前記第２位相検波器５は，入力信号の振幅（強度）が大きく変化すると，それに応じて出力値（位相差）が大きく変化してしまう特性を有する場合がある。そのため，干渉光の強度信号強Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２，Ｒｅｆ１，Ｒｅｆ２の振幅が，被測定物１の表面状態のばらつきや光源出力のばらつき等，被測定物１の厚み以外の要因によって大きくばらつくと，そのばらつきが測定誤差となってしまう。以下，その測定誤差を防止するための構成について説明する。

図７は，前記形状測定装置Ｘへの採用に好適な信号処理部（光検出器ａ２６，ａ３３，ｂ２６，ｂ３３から計算機６に至る信号の処理部）の実施例を表す概略構成図である。
図７に示す実施例においては，前記信号処理部が，前記光検出器ａ２６，ａ３３，ｂ２６，ｂ３３の検出信号（干渉光の強度信号）の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する振幅補正回路４ａ，５ａ，４ｂ，５ｂを備えている。これら振幅補正回路４ａ，５ａ，４ｂ，５ｂは，出力信号の振幅をフィードバックして入力信号に対する増幅ゲインを自動調節するいわゆる自動ゲインコントローラである。
そして，前記第１位相検波器４は，前記振幅補正回路４ａ，４ｂによって振幅が調節された後の干渉光の強度信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’を入力し，干渉光の位相差ΔΦsを検出する。
同様に，前記第２位相検波器５は，前記振幅補正回路５ａ，５ｂによって振幅が調節された後の干渉光の強度信号Ｒｅｆ１’，Ｒｅｆ２’を入力し，干渉光の位相差ΔΦrを検出する。
前記形状測定装置Ｘが，図７に示す構成を備えることにより，干渉光の強度信号強Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２，Ｒｅｆ１，Ｒｅｆ２の振幅が，被測定物１の表面状態のばらつきや光源出力のばらつき等，被測定物１の厚み以外の要因によって大きくばらついた場合でも，そのばらつきが測定誤差となることを防止でき，安定した精度での厚み測定が可能となる。

次に，図９に示す模式図を参照しつつ，前記形状測定装置Ｘを用いた被測定物１の厚み分布測定方法の一例について説明する。
以上に示したように，前記形状測定装置Ｘは，被測定物１の振動の影響を受けることなく，被測定物１の特定の部位の厚みを高精度かつ高速で測定できる。そこで，被測定物１をその中央部や端部等で支持し，被測定物１をその厚み方向に直交する平面内（被測定物１の表裏各面に平行な面内）で移動させつつ前記形状測定装置Ｘにより厚み測定を行えば，被測定物１の厚み分布を高精度で容易に測定できる。図９は，そのような厚み分布測定方法の一例を表すものである。

図９に示す厚み分布測定方法においては，半導体ウェハ等の円盤状の被測定物１が，その中央部において支持軸４１の先端部により真空吸引されて支持される。
さらに，その支持軸４１は，ステッピングモータ等の回転駆動部４２によって回転駆動される。これにより，被測定物１は，その中央部を回転中心として回転される。
また，前記支持軸４１及び前記回転駆動部４２は，直線移動機構４３により，被測定物１の表裏各面に平行な方向（厚み方向に直交する方向）に所定の移動範囲内で直線移動される。即ち，前記直線移動機構４３は，被測定物１をその半径方向に沿って移動させる。
また，前記支持軸４１，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３を備えた被測定物支持機構は，前記形状測定装置Ｘにおける前記Ａ面側ヘテロダイン干渉計ａ２０（或いは，ａ２０−１〜ａ２０−４のいずれか）による測定光（前記第１ビーム光Ｐ１）の照射位置と前記Ｂ面側ヘテロダイン干渉計ｂ２０（或いは，ｂ２０−１〜ｂ２０−４のいずれか）による測定光（前記第２ビーム光Ｐ２）ｎｏ照射位置との間に被測定物１を支持する。

そして，前記回転駆動部４２による被測定物１の回転と，前記直線移動機構４３による被測定物１の直線方向の移動とを併用することにより，被測定物１における測定部位１ａ，１ｂの位置を順次変更しつつ前記形状測定装置Ｘによる厚み測定を実行する。
例えば，１回の測定ごとに，被測定物１を一定角度ずつ回転させるとともに，一定長さだけ直線移動させた場合，図１０に示すように，測定部位１ａ，１ｂは，被測定物１の表面における渦巻き線（波線）に沿って順次変化する。
そして，前記被測定物支持機構４１〜４３により前記被測定物１の保持位置を二次元方向に移動させつつ前記形状測定装置Ｘによる厚み測定を順次行い，その測定データを所定の記憶部に記憶させれば，被測定物１の厚み分布データが得られる。その際，被測定物１を一定速度で連続的に回転及び直線移動させつつ，前記形状測定装置Ｘによって周期的に厚み測定（測定データの記録）を実行すれば，厚み分布測定を高速で実行できる。もちろん，前記被測定物支持機構４１〜４３によって被測定物１の保持位置を順次位置決め（停止）するごとに前記形状測定装置Ｘによる厚み測定（測定データの記録）を行ってもよい。
ここで，円盤状の被測定物１の厚みが薄い場合，その被測定物１は，図９に示すように一部で支持されると，わずかな風圧や床の振動によって厚み方向（図９においては上下方向）に振動する。しかしながら，前記形状測定装置Ｘは，被測定物１がそのように振動しても，その振動の影響を受けずに高精度で被測定物１の厚み分布を測定できる。
なお，被測定物１をその表面に平行な面内（厚み方向に直交する面内）で位置決めする機構は，図９に示す機構の他，いわゆるＸ−Ｙプロッタのように，被測定物１の支持部（前記支持軸４１）を交差する２直線それぞれに沿って移動させる機構であってもよい。
また，図９に示す例は，被測定物１がその中央部で支持される例であるが，被測定部１がその端部において複数の支持部によって支持され（例えば，３つの支持部により３点支持され），その複数の支持部が，所定の回転機構や直線移動機構等によって移動される実施例も考えられる。これにより，被測定物１の中央部を含む測定部位について厚み分布測定を行うことが可能となる。

本発明は，半導体ウェハ等の被測定物についての形状測定装置に利用可能である。

本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの構成図。 形状測定装置Ｘに適用可能な二偏波光源の実施例を表す概略構成図。 形状測定装置Ｘに適用可能な干渉計の第１実施例を表す概略構成図。 形状測定装置Ｘに適用可能な干渉計の第２実施例を表す概略構成図。 形状測定装置Ｘに適用可能なヘテロダイン干渉計の第３実施例を表す概略構成図。 形状測定装置Ｘに適用可能なヘテロダイン干渉計の第４実施例を表す概略構成図。 形状測定装置Ｘに適用可能な信号処理部の実施例を表す概略構成図。 検波器における入力信号の振幅（信号強度）と出力信号の値（位相差）との関係の一例を表すグラフ。 形状測定装置Ｘを用いた被測定物の厚み分布測定方法の一例を表す模式図。 形状測定装置Ｘを用いて被測定物の厚み分布測定を行った場合の測定部位の分布の一例を表す模式図。

符号の説明

Ｘ ：本発明の実施形態に係る形状測定装置
１ ：被測定物
１ａ：Ａ面測定部位
１ｂ：Ｂ面測定部位
２，２’：二偏波光源
３ ：偏光ビームスプリッタ
４ ：第１位相検波器
５ ：第２位相検波器
６ ：計算機
ａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２：ミラー
ａ２０，ａ２０−１〜ａ２０−４：Ａ面側ヘテロダイン干渉計
ａ３０，ａ３０−１，ａ３０−２：Ａ面側補正用干渉計
ｂ２０，ｂ２０−１〜ｂ２０−４：Ｂ面側ヘテロダイン干渉計
ｂ３０，ｂ３０−１，ｂ３０−２：Ｂ面側補正用干渉計
Ｐ１ ：第１ビーム光
Ｐ２ ：第２ビーム光

Claims (9)

1. 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，
   所定の光源から出射されるそれぞれ周波数が異なる第１の測定光及び第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おもて面の測定部位及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及び前記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，
   を具備してなることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光及び前記第２の測定光を前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるおもて面側の主副分光手段と，
   前記おもて面側の主副分光手段により分岐された前記副光を干渉させるおもて面側の副光干渉手段と，
   前記おもて面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するおもて面側の副光強度検出手段と，
   前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第１の測定光及び前記第２の測定光を前記うら面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるうら面側の主副分光手段と，
   前記うら面側の主副分光手段により分岐された前記副光を干渉させるうら面側の副光干渉手段と，
   前記うら面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するうら面側の副光強度検出手段と，
   前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段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の補正用の第２の測定値として出力する第２の位相検波手段と，
   を具備してなる請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記第１の位相検波手段から出力される前記第１の測定値に基づいて，前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第１の厚み算出手段を具備してなる請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから前記第１の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第１の振幅補正手段を具備してなる請求項１又は３のいずれかに記載の形状測定装置。
5. 前記第１の位相検波手段から出力される前記第１の測定値と前記第２の位相検波手段から出力される前記第２の測定値との差に基づいて，前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第２の厚み算出手段を具備してなる請求項２に記載の形状測定装置。
6. 前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段のそれぞれから前記第２の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第２の振幅補正手段を具備してなる請求項２又は５のいずれかに記載の形状測定装置。
7. 前記導光手段が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光を，前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで相互に重ならない光路で導いてなり，
   前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記おもて面の測定部位及び前記第１の参照面それぞれに照射させ，
   前記うら面側のヘテロダイン干渉計が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記第２の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させてなる請求項１〜６のいずれかに記載の形状測定装置。
8. 前記導光手段が，前記第１の測定光及び前記第２の測定光を，前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで同じ光路で導いてなり，
   前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が，前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを分光させて前記おもて面の測定部位及び前記第１の参照面それぞれに照射させ，
   前記うら面側のヘテロダイン干渉計が，前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを分光させて前記第２の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させてなる請求項１〜６のいずれかに記載の形状測定装置。
9. 前記導光手段が，少なくとも前記おもて面側の主副分光手段から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導くとともに，少なくとも前記うら面側の主副分光手段から前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導いてなり，
   前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が，前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを分光させて前記おもて面の測定部位及び前記第１の参照面それぞれに照射させ，
   前記うら面側のヘテロダイン干渉計が，前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第１の測定光及び前記第２の測定光それぞれを分光させて前記第２の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させてなる請求項２，５又は６のいずれかに記載の形状測定装置。

Images