JP2010197376A - 形状測定装置，形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄板状の被測定物の厚み分布の測定において，簡易な装置構成により，被測定物の振動の影響を受けずに高精度で厚み分布の測定を行うことができること。
【解決手段】被測定物１の表裏各面について，レーザ光源２の出射光を２分岐したビーム光をさらに２分岐させて参照面及び表裏相対する測定点１ａ，１ｂに反射させ，参照光と物体光とを直交する偏光成分とする非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘを得て，それを複数に分岐させ，分岐光のうちの１つ以上について波長板ａ２６１，ａ２６３，ａ２６４等で直交する偏光成分の位相差に変化を与えて位相シフトを行い，位相シフト後の分岐光における参照光及び物体光の偏光方向を基準とする共通の偏光成分の抽出により干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４を得て，それらの強度から前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出し，その位相差の分布から被測定物１の厚み分布を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は，半導体ウェハ等の被測定物の厚み分布を光干渉計を用いて測定する形状測定装置及びその方法に関するものである。

半導体ウェハなどの薄板状の被測定物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，参照光と物体光とが重畳された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，即ち，表面高さの分布を求めるものである。ここで，２つに分岐された一方の光束を基準となる参照面に反射させた光が参照光であり，もう一方の光束を被測定物の表面に反射させた光が物体光である。なお，半導体ウェハのことを，以下，単にウェハと称する。
より具体的には，光干渉計によるウェハの表面形状測定においては，ウェハの表面に対向配置された光干渉計により，そのウェハの表面上の多数の測定部位に物体光を照射して干渉光を得る。さらに，得られた干渉光の強度信号の位相の検出と，これにより得られる複数の測定部位ごとの位相データに基づく位相接続処理とが行われる。この位相接続処理により得られる位相の分布情報における各位相は，物体光の波長に基づいて表面高さの寸法値に換算できる。このため，位相接続処理により得られる位相の分布情報は，ウェハの表面高さの分布情報，即ち，形状情報と等価である。なお，前記位相接続処理は，アンラップ処理と称される。
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とは異なり，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複数箇所で支持した状態で測定がなされる。

また，特許文献１には，位相接続処理の詳細について示されている。
特許文献１には，セルに収容された流体の特性変化を，そのセルに通過させた物体光と他の参照光とが重畳された干渉光の位相の変化を検出することによって測定する技術について示されている。その際，位相データが所定周期でサンプリングされる。さらに，ある時点でサンプリングされた位相データについて，１つ前の時点の位相データを基準として位相差が−π〜＋πの範囲に収まるように，前記ある時点の位相データに対して２πの整数倍分だけ位相をシフトする位相接続処理が行われる。
同様に，形状測定における位相接続処理においては，隣り合う２つの測定点で得られた２つの位相データの一方の位相の補正処理が行われる。その補正処理は，隣り合う２つの測定点の一方の位相について，他方の位相を基準とした位相差が−π〜＋πの範囲に収まるように，２πの整数倍分だけ補正を行う処理である。この位相接続処理は，隣り合う２つの測定点の表面高さの差が，物体光の４分の１波長分を超えないという前提に基づく処理である。

また，特許文献２には，以下の方法により３つの干渉光を得る２次元情報取得装置について示されている。
即ち，特許文献２に示される装置では，レーザ光を拡大した平行光が参照面と被測定面とに照射され，参照光及び物体光を直交する偏光成分とするセンシング光が得られる。さらに，そのセンシング光が３分岐され，３つの分岐光から，３つの偏光板Ｐ１〜Ｐ３により偏光角度の異なる偏光成分を抽出することにより，参照光及び物体光の各成分の位相差が９０°ずつシフトされた３つの干渉光が得られる。このように，参照光及び物体光についての位相シフトを，抽出対象とする偏光成分の異なる複数の偏光板を用いて光学的に行うことにより，前記位相シフトが行われた複数の干渉光が同時に得られる。そして，それら複数の干渉光の強度から，参照光と物体光との間の位相差を算出でき，その位相差の分布から，被測定物の表面高さの分布を算出できる。
また，特許文献３には，被測定物の表裏各面に対向配置された２つのヘテロダイン干渉計により，被測定物の表裏各面の測定部位について，参照光と物体光との関係を逆とした干渉光のビート信号を検出し，表裏のビート信号の位相差から被測定物の厚みを測定する装置について示されている。

特開２０００−２９２３５１号公報 特開平２−２８７１０７号公報 特開２００８−１８０７０８号公報

ところで，ウェハのような厚みが１ｍｍ未満の薄板状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，例えば，誤差２０ｎｍ以下を満たすような非常に高い測定精度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。
しかしながら，特許文献１に示される技術では，被測定物の一方の面における１箇所の測定部位について得られた１つの干渉光の強度から，直接的にその測定部位についての位相データが導出される。そのため，被測定物の振動や，光源の特性変動，測定部位ごとの光の反射率の違い等の外乱要因により，参照光及び物体光の位相や強度が変動した場合，それがそのまま測定結果の誤差として表れ，高精度での形状測定を行うことができないという問題点があった。
また，特許文献２に示される測定法では，参照面及び被測定物の表面に平行光を照射して得られる干渉光の干渉縞画像が，複数台の２次元のカメラで撮像される。そして，特許文献２の測定法では，複数の干渉縞画像それぞれにおける対応する位置の画素データを用いて位相シフト法の演算が行われる。そのため，特許文献２の測定法では，２次元の広がりを有する物体光及び参照光，並びにそれらの干渉光の複数の撮像画像相互における各画素の対応関係を厳密に合わせることが難しく，その対応関係のズレが測定誤差に大きく影響する。
一方，一般に，２次元の広がりを有する光の波面を高精度で調整することは難しい。従って，特許文献２の測定法は，高い測定精度を確保するための光学機器の位置調整が非常に難しいという問題点があった。
さらに，特許文献２の測定法は，動作周波数が高々２０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度である２次元のカメラを用いるため，複数の干渉縞画像を時間のずれなく同時に撮像することが難しい。被測定物が高速で振動する場合，複数の干渉縞画像の撮像タイミングのズレは，大幅な測定精度の悪化につながる。そのため，特許文献２の測定法は，高速で振動する被測定物の測定には適さないという問題点もあった。例えば，薄板状の半導体ウェハは，その端部が支持された状態では，わずかな空気の流れや周囲の機器が発する振動等によって５０Ｈｚ程度の周波数で振動する。従って，特許文献２の測定法は，薄板状の半導体ウェハの形状測定には適さない。
また，特許文献２の測定法は，被測定物の表面に沿う２次元方向における高さの分布の測定の空間分解能がカメラの解像度に依存し，高い分解能での形状測定を行うことができないという問題点も有している。
また，特許文献３に示される測定法は，ヘテロダイン干渉計に関する多数の光学部品を要するため，測定装置の小型化が難しいという問題点があった。また，特許文献３に示される測定法は，ヘテロダイン干渉計に関する機器について，２種類の測定光の重なり状態等に関する調整が繁雑であり，また，高価であるという問題点があった。例えば，周波数の異なる２つの測定光の重なり状態の調整や，その２つの測定光の光源やビート信号の検波器の調整などは，一般に繁雑である。
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，半導体ウェハなどの薄板状の被測定物の厚み分布の測定において，簡易な装置構成により，被測定物の振動の影響を受けずに高精度で厚み分布の測定を行うことができる形状測定装置及びその方法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に係る形状測定装置は，次の（１）及び（２）に示される各構成要素を備えている。
（１）被測定物の表裏各面それぞれについて設けられ，所定の光源の出射光が２分岐されて前記被測定物の表裏各面の側へ導かれたビーム光を基準となる参照面と前記被測定物における表裏各面の表裏相対する測定部位とに反射させた参照光及び物体光の干渉光の強度を検出する２つのホモダイン干渉計。
（２）前記２つのホモダイン干渉計に対する前記測定対象物の２次元方向の相対位置を変化させつつその２つのホモダイン干渉計により複数箇所の前記測定部位について検出された前記干渉光の強度に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段。
さらに，本発明に係る形状測定装置において，前記２つのホモダイン干渉計それぞれが，次の（１．１）〜（１．５）に示される各構成要素を備えており，また，前記前記厚み分布算出手段が，次の（２．１）及び（２．２）に示される各構成要素を備えている。
（１．１）前記ビーム光を２分岐させて前記参照面と前記測定部位との各々に照射し，前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光を得る非干渉光取得用光学系。
（１．２）前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光を複数に分岐させる非干渉光分岐用光学系。
（１．３）前記非干渉光分岐用光学系により得られた前記非干渉光の複数の分岐光のうちの１つ以上について複屈折素子を通じて直交する偏光成分の位相差に変化を与えることにより，前記非干渉光の複数の分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系。
（１．４）前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の複数の分岐光それぞれからその分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する干渉光抽出用光学系。
（１．５）前記干渉光抽出用光学系により抽出された複数の干渉光それぞれの強度を検出する干渉光強度検出手段。
（２．１）前記被測定物の表裏各面それぞれについて前記干渉光強度検出手段により検出された複数の前記干渉光のそれぞれの強度に基づいて前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出する位相差算出手段。
（２．２）前記被測定物の表裏各面それぞれの複数箇所の前記測定部位について前記位相差算出手段により算出された位相差の分布に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段。

本発明に用いられる前記２つのホモダイン干渉計は，光源や信号処理部などについて，ヘテロダイン干渉計に比べ，ごく簡易で小型の構成により実現できる。
また，ビーム光の強度を検出する光検出器である前記干渉光強度検出手段は，２次元のカメラに比べてはるかに高速で動作可能である。そのため，本発明に係る形状測定装置では，前記被測定物の表裏各面それぞれにおける複数の干渉光の強度を時間のずれなく同時に検出することが容易である。そのため，本発明に係る形状測定装置は，端部が支持された薄板状の半導体ウェハのように高速で振動する前記被測定物の厚み測定にも好適である。
また，本発明に係る形状測定装置では，直交する参照光及び物体光の偏光成分についての位相シフトが，複屈折素子を通じて光学的に行われる。これにより，各測定部位について，１つの前記非干渉光を起源として位相シフトが行われた複数の干渉光が同時に得られる。そして，それら複数の干渉光の強度から参照光と物体光との間の位相差を算出でき，その位相差の分布から，前記被測定物の厚み分布を算出できる。また，その位相差は，１つの前記非干渉光を起源とする複数の干渉光の強度の相対評価により算出できるため，前記ビーム光の光源の特性変動や前記測定部位ごとの表面角度及び光の反射率の違い等の外乱要因の影響を受けにくい。
また，測定部位ごとの面角度の違いやミラーやビームスプリッタなどの光学機器の保持角度の僅かな変化等の外乱により，前記参照光及び前記物体光の光軸の角度やそれらの重なり具合などが変化する。そして，その変化が複数の前記干渉光における前記参照光及び前記物体光の位相差の変化として表れる。そのような状況下で，特許文献３に示されるように，角度が異なる偏光成分の抽出によって複数の干渉光の抽出が行われると，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が，複数の干渉光において逆方向に反映される。そして，それら複数の干渉光の強度の相対評価により位相差の算出が行われると，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が，そのまま位相差算出の誤差となる。
一方，本発明においては，位相差の算出に用いられる複数の干渉光は，前記非干渉光の複数の分岐光それぞれからその分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出して得られた光である。即ち，本発明においては，複数の干渉光を得るために前記非干渉光の分岐光から抽出される偏光成分は，＋４５°又は−４５°のいずれかに統一される。そのため，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が，複数の干渉光において同方向に反映される。そして，それら複数の干渉光の強度の相対評価により位相差の算出が行われると，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が位相差の算出の段階で相殺され，測定誤差を低減できる。
また，本発明によれば，スポット径の小さなビーム光を前記被測定物の表面において密に走査させることにより，前記被測定物の表面に沿う２次元方向における厚み分布の測定の空間分解能を高めることができる。

また，本発明に係る形状測定装置は，より具体的な要件として，次の（ｃ１）〜（ｃ３）に示される各条件を満たすことが考えられる。
（ｃ１）前記非干渉光分岐用光学系が前記非干渉光を２段階の２分岐によって４つの分岐光に分岐させる。
（ｃ２）前記位相シフト用光学系が，前記４つの分岐光のうちの１つの分岐光を基準にして残りの３つの分岐光における前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との位相差に−４分の１波長分，＋４分の１波長分及び＋２分の１波長分の変化を与える。
（ｃ３）前記位相差算出手段が，前記被測定物の表裏各面それぞれについて，−４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第１の分岐光，基準とされた第２の分岐光，＋４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第３分岐光及び＋２分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第４の分岐光それぞれについての前記干渉光の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を，次の（Ａ１）式に適用することにより，前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φを算出する。
Φ＝tan^-1[(Ｉ２−Ｉ４)／(Ｉ３−Ｉ１)] …（Ａ１）
但し，前記干渉光の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差に変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
このように，本発明によれば，ごく簡易な演算により前記位相差Φを算出することができる。
なお，前記干渉光の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４のオフセット及び振幅が等しくなるように調整する方法は，例えば以下のような方法である。
即ち，前記参照面の位置又は前記被測定物もしくはその代替となる校正用の物体の位置に，前記ビーム光の波長の２分の１以上の変位を生じさせる。そして，前記干渉光強度検出手段により得られる複数の前記干渉光それぞれの強度の変動の中心レベル及び変動幅が等しくなるように，前記干渉光強度検出手段の検出ゲインを調整するか，或いは，前記干渉光強度検出手段の検出値に対して補正を加える。

また，前記２つのホモダイン干渉計それぞれにおいて，前記非干渉光から分岐された各分岐光の光路長が等しく設定されていればなお好適である。
これにより，前記非干渉光から分岐された各分岐光の光路における外乱の影響が複数の前記干渉光それぞれに対して同程度に反映される。そのため，それら複数の干渉光の強度の相対評価による位相差の算出段階において，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化の相殺がより効果的となり，位相差算出の誤差をより低減できる。
また，前記２つのホモダイン干渉計それぞれが，次の（１．６）に示される構成要素を備えればなお好適である。
（１．６）前記非干渉光取得用光学系と前記測定部位との間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されて前記測定部位を焦点とする集光レンズ。
これにより，前記測定部位に対する前記ビーム光の照射スポットを小さくでき，そのビーム光を前記被測定物の表面において密に走査させることにより，前記被測定物の表面に沿う２次元方向における厚み分布の測定の空間分解能をより高めることができる。また，前記測定部位ごとの表面角度に若干の違いが存在しても，前記集光レンズの作用により，前記測定部位での反射光である前記物体光の光軸のずれを抑えることができる。その結果，前記物体光の光軸のずれに起因する前記物体光の受光光量の減少及び干渉効率の低下を抑制できる。
また，本発明は，以上に示した本発明に係る形状測定装置が備える各手段を用いた測定を行う形状測定方法として捉えることもできる。

本発明によれば，半導体ウェハなどの薄板状の被測定物の厚み分布の測定において，簡易な装置構成により，被測定物の振動の影響を受けずに高精度で厚み分布の測定を行うことができる。

本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略構成図。 形状測定装置Ｘが備える干渉光測定部Ｙの構成図。 形状測定装置Ｘにおける被測定物の表面の測定点の分布の一例を表す模式図。 被測定物における測定点の分布の他の一例を表す模式図。

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。

以下，図１に示される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，半導体ウェハ等の薄板状の被測定物１の厚み分布を測定する装置である。
図１に示されるように，形状測定装置Ｘは，ホモダイン干渉計である２つの光干渉計ａ２０，ｂ２０を含む干渉光測定部Ｙと，可動支持装置Ｚとを備えている。また，前記干渉光測定部Ｙは，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０に加え，３つの計算機ａ４，ｂ４，５を備えている。
形状測定装置Ｘにおいて，被測定物１は，前記可動支持装置Ｚにより支持される。
以下，便宜上，被測定物１の一方の面（図１，図２における上側の面）をＡ面，そのＡ面と表裏の関係にある他方の面をＢ面と称する。また，被測定物１のＡ面上の厚みの測定部位をＡ面測定点１ａ，そのＡ面測定点１ａと表裏相対するＢ面上の厚みの測定部位をＢ面測定点１ｂと称する。
一方の前記光干渉計ａ２０は前記被測定物１のＡ面側に配置され，他方の前記光干渉計ｂ２０は，前記被測定物１のＢ面側に配置されている。
また，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０及びＢ面側の前記光干渉計ｂ２０それぞれの検出信号を個別に処理する前記計算機ａ４及び前記計算機ｂ４を，それぞれ第１計算機ａ４及び第２計算機と称し，残りの前記計算機５を第３計算機５と称する
３つの前記計算機ａ４，ｂ４，５は，それぞれＣＰＵ，メモリ及び信号入出力インターフェース等を備え，前記ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより，各種の演算，前記信号入出力インターフェースを通じた外部装置との信号の送受信及び前記メモリへのデータの記録等を実行する。

２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０は，基準となる参照面と前記被測定物１の表裏各面の測定点１ａ，１ｂとにビーム光を照射し，その反射光である参照光と物体光とが重畳された干渉光の強度信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４を出力する光学機器である。
また，前記第１計算機ａ４及び前記第２計算機ｂ４は，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０及びＢ面側の前記光干渉計ｂ２０それぞれから出力される前記干渉光の強度信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４に基づいて，前記参照光と前記物体光との位相差Φａ，Φｂを算出する処理を実行する。その詳細については後述する。なお，位相差Φａは，前記Ａ面側測定点１ａに反射した物体光についての位相差であり，位相差Φｂは，前記Ｂ面側測定点１ｂに反射した物体光についての位相差である。
また，前記第３計算機５は，複数箇所の前記Ａ面側測定点１ａ及び前記Ｂ面側測定点１ｂについて算出された位相差Φａ，Φｂの差（Φａ−Φｂ）分布に基づいて，前記被測定物１の厚み分布を算出する処理を実行する。
以下，形状測定装置Ｘが備える各構成要素の詳細について説明する。

前記可動支持装置Ｚは，前記被測定物１を２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０それぞれからの物体光の出射部の間に支持し，その支持位置を２次元方向に移動させる装置である。即ち，前記可動支持装置Ｚは，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０に対する前記被測定物１の２次元方向における相対位置を変化させる装置である。図１に示される例では，前記可動支持装置Ｚは，前記被測定物１を水平方向に移動させる。
図１に示されるように，前記可動支持装置Ｚは，回転軸４１及びこれに連結された支持部４４，回転駆動部４２，直線移動機構４３及び移動制御装置７を備えている。
半導体ウェハ等の円盤状の被測定物１は，そのエッジ部において，円周上の三箇所に配置された前記支持部４４により３点支持される。これら３つの支持部４４は，前記円周の中心に向かって伸びる前記回転軸４１に連結されている。
さらに，前記回転軸４１は，サーボモータ等の前記回転駆動部４２によって回転駆動される。これにより，前記被測定物１は，その中央部を回転中心として回転する。
また，前記直線移動機構４３は，前記回転軸４１及び前記回転駆動部４２を，前記被測定物１の表裏各面に平行な方向，即ち，前記被測定物１の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せる。即ち，前記直線移動機構４３は，円盤状の前記被測定物１をその半径方向に沿って移動させる。
また，前記移動制御装置７は，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３の動きを制御する装置である。さらに，前記移動制御装置７は，前記被測定物１における物体光の照射位置，即ち，随時変化する前記測定点１ａ，１ｂの位置を検出し，その検出結果を前記第３計算機５に伝送する。前記測定点１ａ，１ｂの位置の検出は，例えば，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３に対する動作指令の履歴，即ち，前記被測定物１の移動履歴に基づいて検出される。或いは，前記測定点１ａ，１ｂの位置が，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３各々に設けられた不図示の位置検出センサの検出結果により検出されることも考えられる。

そして，形状測定装置Ｘは，前記回転駆動部４２による前記被測定物１の回転と，前記直線移動機構４３による前記被測定物１の直線方向の移動とを併用することにより，前記被測定物１における前記測定点１ａ，１ｂの位置，即ち，物体光の照射スポットの位置を順次変更しつつ，複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂにおける前記位相差Φａ，Φｂを測定する。
例えば，前記移動制御装置７は，前記被測定物１を一定速度で連続的に回転及び直線移動させつつ，一定周期で，或いは前記測定点１ａ，１ｂの位置が予め定められた位置となるごとに，前記第３計算機５に対してデータ取得指令を送信する。そして，前記第３計算機５が，前記データ取得指令の受信に応じて前記第１計算機ａ４及び前記第２計算機ｂ４に対して前記位相差Φａ，Φｂの算出を要求し，その算出結果を取得する。さらに，前記第３計算機５は，複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂについての前記位相差Φａ，Φｂの差の分布から，前記被測定物１の厚み分布を算出する。
図３は，形状測定装置Ｘにおける前記被測定物１の表面の複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂの分布の一例を表す模式図である。
前記被測定物１を回転及び直線移動させつつ前記位相差Φａ，Φｂの測定を順次行った場合，図３に破線で示されるように，前記測定点１ａ，１ｂの位置は，被測定物１の表面における渦巻き状の軌跡Ｒに沿って順次変化する。複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂ及びそれに対応する前記位相差Φａ，Φｂは，例えば，測定順序に従って割り振られた測定点番号（１，２，３・・・）により識別される。図３には，前記測定番号が（Ｋ−１）番目から（Ｋ＋２）番目に至る前記測定点１ａ，１ｂの軌跡が示されている。
このように，形状測定装置Ｘにおいては，前記被測定物１上の一本の走査線Ｒに沿って，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０それぞれからの物体光が走査される。

次に，図２に示される構成図を参照しつつ，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０を含む前記干渉光測定部Ｙについて説明する。
図２に示されるように，前記干渉光測定部Ｙは，レーザ光源２と，偏光ビームスプリッタ３と，複数のミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２と，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０及びＢ面側の前記光干渉計ｂ２０と，前記第１計算機ａ４及び前記第２計算機ｂ４と，前記第３計算機５とを備えている。

前記レーザ光源２は，ビーム光Ｐ０を出射する光源である。前記ビーム光Ｐ０は単波長光であり，その周波数は特に限定されるものではない。例えば，可視光の前記ビーム光Ｐ０が採用される場合，前記ビーム光Ｐ０の周波数ωが５×１０⁸ＭＨｚ程度であることが考えられる。
前記偏光ビームスプリッタ３は，前記レーザ光源２から出射される前記ビーム光Ｐ０を２分岐させる。そして，前記偏光ビームスプリッタ３により分岐された一方のビーム光Ｐａは，３つのミラーａ１１，ａ１２，ａ１３により，前記被測定物１の前記Ａ面測定点１ａの方向へ導かれる。また，前記偏光ビームスプリッタ３により分岐された他方のビーム光Ｐｂは，２つのミラーｂ１１，ｂ１２により，前記被測定物１の前記Ｂ面測定点１ｂの方向へ導かれる。
なお，前記ビーム光Ｐａ，Ｐｂを前記Ａ面測定点１ａ及び前記Ｂ面測定点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。
前記被測定物１のＡ面側へ導かれた前記ビーム光Ｐａは，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０に入力される。同様に，前記被測定物１Ｂ面側へ導かれた前記ビーム光Ｐｂは，Ｂ面側の前記光干渉計ｂ２０に入力される。

２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０は，ホモダイン干渉計であり，前記レーザ光源２の出射光が２分岐されて前記被測定物１の表裏各面の側へ導かれた前記ビーム光Ｐａ，Ｐｂを，基準となる参照面と前記被測定物１における表裏各面の表裏相対する前記測定点１ａ，１ｂとに反射させた参照光及び物体光の干渉光の強度を検出する。
図２に示されるように，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０及びＢ面側の前記光干渉計ｂ２０は，前記被測定物１における測定対象面が異なるだけで，全く同じ構成を備えている。以下，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０の構成について説明し，それと同じ構成を備えたＢ面側の前記光干渉計ｂ２０の構成については，その説明を省略する。なお，図２において，Ａ面側の前記光干渉計ａ２０の各構成要素に対して符号"ａ・・・"が付され，Ｂ面側の前記光干渉計ｂ２０の各構成要素に対して符号"ｂ・・・"が付されている。そして，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０において，各符号から"ａ"，"ｂ"を除いた残りの部分が同じ符号が付されている構成要素は同じものである。
図２に示されるように，前記光干渉計ａ２０は，２分の１波長板ａ３１，偏光ビームスプリッタａ２１，２つの４分の１波長板ａ２２及びａ２３，参照板ａ２４，集光レンズａ３２，３つの無偏光のビームスプリッタａ２５１，ａ２５２及びａ２５３，２つの４分の１波長板ａ２６１及びａ２６３，２分の１波長板ａ２６４，４つの偏光板ａ２７１，ａ２７２，ａ２７３及びａ２７４，４つの光検出器ａ２８１，ａ２８２，ａ２８３及びａ２８４を備えている。
半導体ウェハのような薄板状の前記被測定物１は，例えば５０Ｈｚ程度の周波数で振動することがある。そして，干渉光の強度の検出結果に，前記被測定物１の振動の影響が反映されないようにするためには，干渉光の強度のサンプリング周波数は，前記被測定物１の表面の変位速度に追随できる程度の周波数である必要である。
前記光検出器ａ２８１，ａ２８２，ａ２８３及びａ２８４は，撮像サイクルが２０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度である２次元の撮像カメラと異なり，１ＭＨｚ以上の高速なサンプリング周波数で光の強度を検出できる。これにより，前記被測定物１の振動の影響を受けずに干渉光の強度検出を行うことができる。

前記２分の１波長板ａ３１は，前記ミラーａ１１〜ａ１３によって前記被測定物１のＡ面測へ導かれた前記ビーム光Ｐａの偏光面の調整を行う光学素子である。
前記偏光ビームスプリッタａ２１は，前記２分の１波長板ａ３１により偏光面が調整された前記ビーム光Ｐａを，偏波方向が直交する２つのビーム光に分岐させ，分岐した一方のビーム光を基準となる参照面に照射し，分岐した他方のビーム光を前記Ａ面側測定点１ａに照射する。なお，前記参照面は，所定位置に保持された前記参照板ａ２４の表面である。
前記参照面に入射したビーム光の反射光である参照光は，入射したビーム光と光軸が一致する状態で前記偏光ビームスプリッタａ２１へ戻る。
前記偏光ビームスプリッタａ２１と前記参照面との間のビーム光の光路には，前記４分の１波長板ａ２３が配置されている。この４分の１波長板ａ２３を往復通過して元のビーム光に対して偏光方向が９０°回転した前記参照光は，前記偏光ビームスプリッタａ２１を通過する。

一方，前記Ａ面側測定点１ａに入射したビーム光の反射光である物体光は，入射したビーム光と光軸が一致する状態で前記偏光ビームスプリッタａ２１へ戻る。
前記偏光ビームスプリッタａ２１と前記Ａ面側測定点１ａとの間のビーム光の光路には，前記４分の１波長板ａ２２が配置されている。この４分の１波長板ａ２２を往復通過して元のビーム光に対して偏光方向が９０°回転した前記物体光は，前記偏光ビームスプリッタａ２１により，前記参照光と光軸が一致する方向へ反射する。これにより，前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光Ｐａｘが得られる。
以上に示したように，前記偏光ビームスプリッタａ２１及び２つの前記４分の１波長板ａ２２，ａ２３は，前記ビーム光Ｐａを２分岐させて前記参照面と前記Ａ面側測定点１ａとの各々に照射し，前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる前記非干渉光Ｐａｘを得る光学系である。以下，これらを非干渉光取得用光学系と称する。

また，前記４分の１波長板ａ２２と前記Ａ面側測定点１ａとの間には，そのＡ面側測定点１ａを焦点とする前記集光レンズａ３２が配置されている。即ち，前記集光レンズａ３２は，前記非干渉光取得用光学系と前記Ａ面側測定点１ａとの間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されている。
これにより，前記測定点１ａごとの表面角度に若干の違いが存在しても，前記集光レンズａ３２の作用により，前記物体光の光軸のずれを抑えることができる。その結果，前記Ａ面側測定点１ａごとの表面角度の違いによって前記物体光の光軸がずれることによる前記物体光の受光光量の減少及び干渉効率の低下を抑制できる。
また，前記Ａ面側測定点１ａに対する前記ビーム光の照射スポットを小さくできる。そのビーム光を前記被測定物１の表面において密に走査させることにより，前記被測定物１の表面に沿う２次元方向における厚み分布の測定の空間分解能をより高めることができる。

また，３つの無偏光の前記ビームスプリッタａ２５１，ａ２５２，ａ２５３は，前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光Ｐａｘを２段階の２分岐によって４つの分岐光Ｐａ１，Ｐａ２，Ｐａ３，Ｐａ４に分岐させる光学系である。以下，３つの無偏光の前記ビームスプリッタａ２５１，ａ２５２，ａ２５３のことを，非干渉光分岐用光学系と称する。
即ち，前記ビームスプリッタａ２５１は，前記非干渉光Ｐａｘの１段階目の２分岐を行う。また，残りの前記ビームスプリッタａ２５２，ａ２５３は，前記非干渉光Ｐａｘによる分岐光それぞれに対して２段階目の２分岐を行う。

また，２つの前記４分の１波長板ａ２６１及びａ２６３と１つの前記２分の１波長板ａ２６４とは，前記非干渉光分岐用光学系により得られた前記非干渉光Ｐａｘに基づく４つの分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４のうちの３つの分岐光Ｐａ１，Ｐａ３，Ｐａ４について，直交する偏光成分の位相差に変化を与える複屈折素子である。ここで，前記４分の１波長板ａ２６１は，前記分岐光Ｐａ１における直交する偏光成分の位相差を−４分の１波長分だけシフトさせる。また，前記４分の１波長板ａ２６３は，前記分岐光Ｐａ３における直交する偏光成分の位相差を＋４分の１波長分だけシフトさせる。また，前記２分の１波長板ａ２６４は，前記分岐光Ｐａ４における直交する偏光成分の位相差を＋２分の１波長分だけシフトさせる。なお，前記分岐光Ｐａ２については位相シフトは行われない。
即ち，３つの波長板ａ２６１，ａ２６３及びａ２６４は，４つの前記分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４のうちの第２の分岐光Ｐａ２を基準にして残りの３つの分岐光Ｐａ１，Ｐａ３，Ｐａ４における前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との位相差に−４分の１波長分，＋４分の１波長分及び＋２分の１波長分の変化を与える。
このように，３つの波長板ａ２６１，ａ２６３及びａ２６４は，前記参照光の成分と前記物体光の成分の位相差にそれぞれ異なる変化を与えることにより，前記非干渉光Ｐａｘに基づく４つの前記分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系である。

また，４つの前記偏光板ａ２７１〜ａ２７４は，前記位相シフト用光学系ａ２６１，ａ２６３，ａ２６４を経た前記非干渉光Ｐａｘに基づく４つの分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４それぞれから，その分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４を抽出する干渉光抽出用光学系である。なお，抽出される偏光成分の角度は，前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準にして＋４５°又は−４５°のいずれかである。
ここで，４つの前記偏光板ａ２７１〜ａ２７４それぞれが通過させる偏光成分の角度は，単に同一に設定されているとうものではなく，前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が＋４５°又は−４５°のいずれかに統一されている。従って，前記偏光板ａ２７１〜ａ２７４それぞれが通過させる偏光成分の角度は，例えば，ミラーによる反射前及び反射後のいずれの前記分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４を通過対象とするかにより９０°ずれた角度となる。
また，４つの前記光検出器ａ２８１〜ａ２８４は，前記干渉光抽出用光学系により抽出された４つの干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４それぞれの強度を検出してその検出信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４を前記第１計算機ａ４へ出力する。
なお，Ｂ面側において，前記非干渉光Ｐａｘ，前記分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４及び前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４それぞれに相当するものが，非干渉光Ｐｂｘ，分岐光Ｐｂ１〜Ｐｂ４及び干渉光Ｑｂ１〜Ｑｂ４である。

そして，前記第１計算機ａ４は，前記被測定物１のＡ面について，−４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第１の分岐光Ｐａ１，基準とされた第２の分岐光Ｐａ２，＋４分の１波長分の位相差の変化が与えられた第３の分岐光Ｐａ３，及び＋２分の１波長分の位相差の変化が与えられた第４の分岐光Ｐａ４それぞれについての前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を次の（Ｂ１）式に適用することにより，前記非干渉光Ｐａｘにおける前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φを算出する。
Φ＝tan^-1[(Ｉ２−Ｉ４)／(Ｉ３−Ｉ１)] …（Ｂ１）
但し，前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
なお，前記第２計算機ｂ４も，前記被測定物１のＢ面について得られた干渉光Ｑｂ１〜Ｑｂ４の検出強度Ｉ１〜Ｉ４に基づいて，前記第１計算機ａ４と同様の処理を行う。
そして，前記第３計算機５は，複数箇所の前記Ａ面側測定点１ａ及び前記Ｂ面側測定点１ｂについて算出されたＡ面側の位相差Φａ及びＢ面側の位相差Φｂの差（Φａ−Φｂ）の分布に基づく位相接続処理を行うことにより，前記被測定物１の厚み分布を算出する。
なお，Ａ面側の前記Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を（Ｂ１）式に適用して得られる位相差Φが，Ａ面側の位相差Φａであり，Ｂ面側の前記Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を（Ｂ１）式に適用して得られる位相差Φが，Ｂ面側の位相差Φｂである。

以下，（Ｂ１）式の導出根拠について説明する。
前記検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４それぞれのオフセットＤ及び振幅Ｈが等しいとすると，前記検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は，次の（Ｂ２）式により表される。

この（Ｂ２）式を変形すると，（Ｂ１）式が導出される。
ところで，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えたときの４つの前記光検出器ａ２８１〜ａ２８４による干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４の実際の検出強度のオフセット及び振幅は，光学系や前記光検出器ａ２８１〜ａ２８４の特性の個体差により一致しない場合がある。
即ち，前記光検出器ａ２８１〜ａ２８４による干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４の実際の検出強度をＩ１’，Ｉ２’，Ｉ３’，Ｉ４’とすると，その検出強度Ｉ１’，Ｉ２’，Ｉ３’，Ｉ４’は，次の（Ｂ３）式により表される。

但し，Ｄ１〜Ｄ４及びＨ１〜Ｈ４は，光学系や前記光検出器ａ２８１〜ａ２８４の特性の個体差により定まる定数である。
そして，（Ｂ３）式の変形によって次の（Ｂ４）式を導くことができる。

従って，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えることによって（Ｂ３）式における定数Ｄ１〜Ｄ４及びＨ１〜Ｈ４を予め特定しておき，次の（Ｂ５）式に基づいて実際の検出強度Ｉ１’，Ｉ２’，Ｉ３’，Ｉ４’から，オフセットＤ（＝０）及び振幅Ｈ（＝１）が一致する前記検出強度Ｉ１〜Ｉ４を導出することができる。

その他，前記光検出器ａ２８１〜ａ２８４が，オフセット及びゲインの調整機能を備えていれば，その調整機能により，実際の検出強度Ｉ１’，Ｉ２’，Ｉ３’，Ｉ４’のオフセット及び振幅が一致するよう調整しておくことも考えられる。
また，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与える方法としては，例えば，前記被測定物１又は前記参照板ａ２４に，前記ビーム光の波長の２分の１以上の変位が生じるように振動を与えること等が考えられる。

以上に示した形状測定装置Ｘにおいて，ホモダイン干渉計である２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０は，光源や信号処理部などについて，ヘテロダイン干渉計に比べ，ごく簡易な構成により実現できる。
また，前記被測定物１が高速で振動する場合であっても，複数の前記光検出器ａ２８１，ａ２８２，ａ２８３及びａ２８４は，前記被測定物１の表面の変位速度よりも十分に高速で動作可能である。そのため，前記形状測定装置Ｘは，端部が支持された薄板状の半導体ウェハのように高速で振動する前記被測定物１の厚み測定にも好適である。また，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０は，スポット径の小さなビーム光を前記被測定物１の表面において密に走査させることにより，前記被測定物１の表面に沿う２次元方向における厚み分布の測定の空間分解能を高めることができる。

また，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０においては，直交する前記参照光及び前記物体光の偏光成分についての位相シフトが，前記波長板ａ２６１，ａ２６３，ａ２６４，ｂ２６１，ｂ２６３，ｂ２６４を通じて光学的に行われる。これにより，各測定部点１ａ，１ｂについて，１つの前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘを起源として位相シフトが行われた複数の干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４が同時に得られる。そして，それら複数の干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４の強度Ｉ１〜Ｉ４から，前記参照光と前記物体光との間の位相差Φａ，Φｂを算出でき，Ａ面側及びＢ面側の位相差Φａ，Φｂの差（Φａ−Φｂ）の分布から，前記被測定物１の厚み分布を算出できる。
また，その位相差Φａ，Φｂは，１つの前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘを起源とする４つの干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４の強度の相対評価により算出されるため，前記レーザ光源２の特性変動や複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂごとの表面角度及び光の反射率の違い等の外乱要因の影響を受けにくい。

また，複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂごとの面角度の違いや，ミラーやビームスプリッタなどの光学機器の保持角度の僅かな変化等の外乱により，前記参照光及び前記物体光の光軸の角度やそれらの重なり具合などが変化する。そして，その変化が４つの前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４における前記参照光及び前記物体光の位相差の変化として表れる。
そのような状況下で，前記光干渉計ａ２０，ｂ２０においては，位相差Φａ，Φｂの算出に用いられる４つの干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４は，前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘの分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４，Ｐｂ１〜Ｐｂ４それぞれから共通の偏光成分を抽出して得られた光である。そのため，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差Φａ，Φｂの変化が，複数の干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４において同方向に反映される。そして，それら複数の干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４の強度の相対評価により位相差の算出が行われると，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差Φａ，Φｂの変化が位相差の算出の段階で相殺され，測定誤差を低減できる。

また，２つの前記光干渉計ａ２０，ｂ２０それぞれにおいて，前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘから分岐された各分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４，Ｐｂ１〜Ｐｂ４の光路長が等しく設定されていれることが望ましい。
これにより，各分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４，Ｐｂ１〜Ｐｂ４の光路における外乱の影響が複数の前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４それぞれに対して同程度に反映される。そのため，それら複数の干渉光Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４の強度の相対評価による位相差の算出段階において，外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化の相殺がより効果的となり，位相差Φａ，Φｂの算出誤差をより低減できる。

以上に示した実施形態では，図３に示されるように，前記測定点１ａ，１ｂの位置は，前記被測定物１の表面における渦巻き状の軌跡Ｒに沿って順次変化する例を示した。
しかしながら，例えば，前記可動支持装置Ｚとして，Ｘ−Ｙプロッタのように前記被測定物１を支持する前記支持部４４を，交差する２直線それぞれに沿って移動させる装置が採用されることも考えられる。この場合，前記測定点１ａ，１ｂの位置を，前記被測定物１の表面において，図４に示されるような軌跡Ｒ’に沿って順次変化させることも考えられる。
また，３つの前記計算機ａ４，ｂ４，５の処理は，１つ又は２つの計算機により実現されてもよい。

また，前述した実施形態では，前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘが，それぞれ４つの分岐光Ｐａ１〜Ｐａ４，Ｐｂ１〜Ｐｂ４に分岐される例を示したが，前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘが３つ以上の分岐光に分岐されれば，同様に前記位相差Φａ，Φｂを算出することができる。
例えば，前記非干渉光Ｐａｘ，Ｐｂｘが前述した実施形態と同様に４分岐された場合，その４つの分岐光のうちの３つの分岐光に基づき得られる３つの干渉光の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を次の（Ｂ６）式に適用することにより，前記位相差Φを算出することができる。但し，前述した実施形態と同様に，前記位相シフト用光学系により，第１の分岐光Ｐａ１，Ｐｂ１に対し，第２の分岐光Ｐａ２，Ｐａ２を基準として−４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられている。また，前記位相シフト用光学系により，第３の分岐光Ｐａ３，Ｐｂ３に対し，第２の分岐光Ｐａ２，Ｐａ２を基準として＋４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられている。
Φ＝tan^-1[(２×Ｉ２−Ｉ３−Ｉ１)／(Ｉ３−Ｉ１)] …（Ｂ６）
但し，前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ３の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
このように，３つの前記干渉光Ｑａ１〜Ｑａ３の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に基づく形状測定を行っても，前述した実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明は，半導体ウェハ等の被測定物についての厚み分布の測定装置に利用可能である。

Ｘ ：本発明の実施形態に係る形状測定装置
Ｙ ：干渉光測定部
Ｚ ：可動支持装置
１ ：被測定物
１ａ：Ａ面測定点
１ｂ：Ｂ面測定点
２ ：レーザ光源
３ ：偏光ビームスプリッタ
ａ４：第１計算機
ｂ４：第２計算機
５ ：第３計算機
７ ：移動制御装置
ａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２：ミラー
ａ２０，ｂ２０：光干渉計
ａ２１，ｂ２１：偏光ビームスプリッタ
ａ２２，ａ２３，ｂ２２，ｂ２３：４分の１波長板
ａ２４，ｂ２４：参照板
ａ３１，ｂ３１：２分の１波長板
ａ３２，ｂ３２：集光レンズ
ａ２５１〜ａ２５２，ｂ２５１〜ｂ２５２：無偏光のビームスプリッタ
ａ２６１，ａ２６３，ｂ２６１，ｂ２６３：４分の１波長板
ａ２６４，ｂ２６４：２分の１波長板
ａ２７１〜ａ２７４，ｂ２７１〜ｂ２７４：偏光板
ａ２８１〜ａ２８４，ｂ２８１〜ｂ２８４：光検出器
Ｐ０ ：ビーム光
Ｐａｘ，Ｐｂｘ：非干渉光
Ｐａ１〜Ｐａ４，Ｐｂ１〜Ｐｂ４：非干渉光の分岐光
Ｑａ１〜Ｑａ４，Ｑｂ１〜Ｑｂ４：干渉光

Claims (5)

1. 被測定物の表裏各面それぞれについて設けられ，所定の光源の出射光が２分岐されて前記被測定物の表裏各面の側へ導かれたビーム光を基準となる参照面と前記被測定物における表裏各面の表裏相対する測定部位とに反射させた参照光及び物体光の干渉光の強度を検出する２つのホモダイン干渉計と，該２つのホモダイン干渉計に対する前記被測定物の２次元方向の相対位置を変化させつつ該２つのホモダイン干渉計により複数箇所の前記測定部位について検出された前記干渉光の強度に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段と，を具備してなる形状測定装置であって，
   前記２つのホモダイン干渉計それぞれが，
   前記ビーム光を２分岐させて前記参照面と前記測定部位との各々に照射し，前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光を得る非干渉光取得用光学系と，
   前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光を３つ以上に分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
   前記非干渉光分岐用光学系により得られた前記非干渉光の３つ以上の分岐光のうちの１つ以上について複屈折素子を通じて直交する偏光成分の位相差に変化を与えることにより，前記非干渉光の３つ以上の分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
   前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の３つ以上の分岐光それぞれから該分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する干渉光抽出用光学系と，
   前記干渉光抽出用光学系により抽出された複数の干渉光それぞれの強度を検出する干渉光強度検出手段と，を具備し，
   前記厚み分布算出手段が，
   前記被測定物の表裏各面それぞれについて前記干渉光強度検出手段により検出された複数の前記干渉光のそれぞれの強度に基づいて前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出する位相差算出手段と，
   前記被測定物の表裏各面それぞれの複数箇所の前記測定部位について前記位相差算出手段により算出された位相差の分布に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段と，
   を具備してなることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記非干渉光分岐用光学系が前記非干渉光を２段階の２分岐によって４つの分岐光に分岐させ，
   前記位相シフト用光学系が，前記４つの分岐光のうちの１つの分岐光を基準にして残りの３つの分岐光における前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との位相差に−４分の１波長分，＋４分の１波長分及び＋２分の１波長分の変化を与え，
   前記位相差算出手段が，
   前記被測定物の表裏各面それぞれについて，−４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第１の分岐光，基準とされた第２の分岐光，＋４分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第３分岐光及び＋２分の１波長分の前記位相差の変化が与えられた第４の分岐光それぞれについての前記干渉光の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を次式に適用することにより，前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φを算出してなる請求項１に記載の形状測定装置。
   Φ＝tan^-1[(Ｉ２−Ｉ４)／(Ｉ３−Ｉ１)]
   但し，前記干渉光の検出強度Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は，前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差に変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
3. 前記２つのホモダイン干渉計それぞれにおいて，前記非干渉光から分岐された各分岐光の光路長が等しく設定されてなる請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置。
4. 前記２つのホモダイン干渉計それぞれが，
   前記非干渉光取得用光学系と前記測定部位との間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されて前記測定部位を焦点とする集光レンズを具備してなる請求項３に記載の形状測定装置。
5. 所定の光源から出射されるビーム光を２分岐させて被測定物の表裏各面の側へ導き，前記被測定物の表裏各面それぞれについて設けられた２つのホモダイン干渉計それぞれにより，前記被測定物の表裏各面の側へ導かれた前記ビーム光を基準となる参照面と前記被測定物における表裏各面の表裏相対する測定部位とに反射させた参照光及び物体光の干渉光の強度を検出し，前記２つのホモダイン干渉計に対する前記被測定物の２次元方向の相対位置を変化させつつ前記２つのホモダイン干渉計により複数箇所の前記測定部位について検出された前記干渉光の強度に基づいて所定の演算手段により前記被測定物の厚み分布を算出する形状測定方法であって，
   前記２つのホモダイン干渉計それぞれが備える所定の光学系により，
   前記ビーム光を２分岐させて前記参照面と前記測定部位との各々に照射し，前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光を得る非干渉光取得工程と，
   前記非干渉光取得工程により得られた前記非干渉光を複数に分岐させる非干渉光分岐工程と，
   前記非干渉光分岐工程により得られた前記非干渉光の３つ以上の分岐光のうちの１つ以上について複屈折素子を通じて直交する偏光成分の位相差に変化を与えることにより，前記非干渉光の３つ以上の分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト工程と，
   前記位相シフト工程を経た前記非干渉光の３つ以上の分岐光それぞれから該分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する干渉光抽出工程と，
   前記干渉光抽出工程により抽出された複数の干渉光それぞれの強度を光検出手段により検出する干渉光強度検出工程と，を実行し，
   前記演算手段により，
   前記被測定物の表裏各面それぞれについて前記干渉光強度検出工程により検出された複数の前記干渉光のそれぞれの強度に基づいて前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出する位相差算出工程と，
   前記被測定物の表裏各面それぞれの複数箇所の前記測定部位について前記位相差算出工程により算出された位相差の分布に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出工程と，を実行してなることを特徴とする形状測定方法。

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