JP3421309B2 - 表面形状測定方法及び表面形状測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光の干渉
を利用し、波長を単位として高精度、長ストロークの測
定を行うことができる物体の表面形状測定方法及び表面
形状測定器に係り、特に、半導体ＩＣやＬＳＩ製造プロ
セスにおけるウエハ表面の段差測定、Ｘ線露光において
マスクとウエハとの位置合わせをする場合のマスク・ウ
エハ間のギャップ測定、あるいはレンズ、ミラー、光デ
ィスクなどの光学素子の表面の面荒さや面形状の測定に
適用して好適な表面形状測定方法及び表面形状測定器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の表面形状を測定する装置として
は、表面形状を原子レベルで測定する装置からμｍオー
ダーの段差を測定する装置まで、用途によって種種の測
定器がある。これらの測定器の中で、半導体ＩＣやＬＳ
Ｉ製造プロセスにおいて、パタン加工されたウエハ面の
段差の測定や、Ｘ線露光でのマスクとウエハとの位置合
わせをする場合のマスク・ウエハ間のギャップ測定、あ
るいはレンズ、ミラー、光ディスクなどの光学素子の表
面の面荒さや面形状の測定などにはμｍオーダーの比較
的長い測定可能範囲と、ｎｍオーダーの高分解能が要求
される。

【０００３】従来、物体の表面形状を測定する装置とし
て、図４に示すようなパタン加工されたウエハ面の段差
測定装置がある（特願平１１−１１０４７５号参照）。

【０００４】図４において、１、２はレーザー光源、３
は１／２波長板、４、７、１２、１４はミラー、５、２
１は偏光ビームスプリッター、６、１３は無偏光ビーム
スプリッター、８、９は音響光学素子、１０、１１は平
行プリズム、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４はレーザービー
ム、１５は投影光学系、１６は縮小光学系、１７、１８
はウエハ面ビームスポット、１９はウエハ、２０はウエ
ハステージ、２２、２３は２分割ディテクタ、Ｉ１、Ｉ
２、Ｉ３、Ｉ４はビート信号、２４はビート信号処理制
御部である。

【０００５】レーザー光源１、２はそれぞれ波長がλ１
（周波数：ｆ１）、λ２（周波数：ｆ２）の水平偏光
（Ｐ波）のレーザー光を発生する。レーザー光源１から
発生したレーザー光は、１／２波長板３により垂直偏光
（Ｓ波）となり、ミラー４を介して偏光ビームスプリッ
ター５によりレーザー光源２から発生したレーザー光と
合成される。この合成光は、偏光面が互いに垂直で周波
数が異なる２波長直交偏光光である。この２波長直交偏
光光は、無偏光ビームスプリッター６により２つのレー
ザー光に分岐され、一つはミラー７を介して音響光学素
子８に入射する。音響光学素子８の駆動周波数をｆ１１
とすると、音響光学素子８から出射するレーザー光の周
波数はそれぞれ（ｆ１＋ｆ１１）、（ｆ２＋ｆ１１）に
周波数シフトされた２波長直交偏光光となる。一方、分
岐された他の一方は、音響光学素子９に入射する。音響
光学素子９の駆動周波数をｆ２２とすると、音響光学素
子９から出射するレーザー光の周波数はそれぞれ（ｆ１
＋ｆ２２）、（ｆ２＋ｆ２２）に周波数シフトされた２
波長直交偏光光となる。

【０００６】これらの２波長直交偏光光は、平行プリズ
ム１０、１１によりそれぞれ２つの平行なレーザービー
ムＬ１とＬ２、Ｌ３とＬ４に分割され、Ｌ１とＬ２はミ
ラー１２を介して無偏光ビームスプリッター１３に入射
する。Ｌ３とＬ４は、無偏光ビームスプリッター１３、
ミラー１４を介して、Ｌ３は投影光学系１５によりビー
ムを絞らないで、また、Ｌ４は縮小光学系１６によりレ
ーザー光のビームが絞られ、それぞれウエハステージ２
０上に設置されたウエハ１９にビームスポット１７、１
８として入射する。このレーザー光は、ウエハ１９面で
反射され、再度、投影光学系１５、縮小光学系１６、ミ
ラー１４を介して無偏光ビームスプリッター１３に入射
する。

【０００７】このとき、無偏光ビームスプリッター１３
により、周波数ｆ１１で周波数シフトされた２波長直交
偏光光Ｌ１、Ｌ２と周波数ｆ２２で周波数シフトされた
ウエハ１９側からの反射光Ｌ３、Ｌ４とは、それぞれ、
Ｌ１とＬ４、Ｌ２とＬ３で光ヘテロダイン干渉光を生成
し、さらに偏光ビームスプリッター２１により水平偏光
の光ヘテロダイン干渉光と垂直偏光の光ヘテロダイン干
渉光に分離される。

【０００８】垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光は、波長
がλ１（周波数：ｆ１）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の垂直偏光の
光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の垂直偏光の光ヘ
テロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ
２２により検出してビート信号Ｉ１、Ｉ２としてビート
信号処理制御部２４に送られる。また、水平偏光の光ヘ
テロダイン干渉光は、波長がλ２（周波数：ｆ２）のレ
ーザー光を基に生成された光ヘテロダイン干渉光であ
り、Ｌ２とＬ３の水平偏光の光ヘテロダイン干渉光と、
Ｌ１とＬ４の垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光は、それ
ぞれ独立に２分割ディテクタ２３により検出してビート
信号Ｉ３、Ｉ４としてビート信号処理制御部２４に送ら
れる。

【０００９】Ｌ２、Ｌ３の垂直偏光光は、波長がλ１
（周波数：ｆ１）のレーザー光の周波数が（ｆ１＋ｆ１
１）、（ｆ１＋ｆ２２）にシフトしたレーザー光であ
り、振幅強度をそれぞれＥ１、Ｅ２とすると、式
（１）、（２）のように表される。

【００１０】 Ｅ１(ｔ)＝Ａ１exp｛ｉ(２π(ｆ１＋ｆ１１)ｔ＋φ１)｝ …(１) Ｅ２(ｔ)＝Ａ２exp｛ｉ(２π(ｆ１＋ｆ２２)ｔ＋φ２)｝ …(２) ここで、Ａ１、Ａ２は振幅、φ１、φ２は初期位相であ
る。光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ１は、 Ｉ１(ｔ)＝｜Ｅ１(ｔ)＋Ｅ２(ｔ)｜^２ ＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２Ａ１Ａ２cos(２πｆ０ｔ＋△φ１２) …(３) で表され、ｆ０＝｜ｆ１１−ｆ２２｜、△φ１２＝φ１
−φ２である。

【００１１】同様に、Ｌ１、Ｌ４の垂直偏光光の光ヘテ
ロダイン干渉ビート信号Ｉ２は、 Ｉ２(ｔ)＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２Ａ１Ａ２cos(２πｆ０ｔ＋△φ１２＋２πＤ１ ／λ１) …(４) となり、Ｄ１は波長λ１のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。

【００１２】一方、Ｌ２、Ｌ３の水平偏光光は、波長が
λ２(周波数：ｆ２)のレーザー光の周波数が(ｆ２＋ｆ
１１)、(ｆ２＋ｆ２２)にシフトしたレーザー光であ
り、同様に振幅強度をそれぞれＥ３、Ｅ４とすると、式
(５)、(６)のように表される。

【００１３】 Ｅ３(ｔ)＝Ａ３exp｛ｉ(２π(ｆ２＋ｆ２２)ｔ＋φ３)｝ …(５) Ｅ４(ｔ)＝Ａ４exp｛ｉ(２π(ｆ２＋ｆ２２)ｔ＋φ４)｝ …(６) ここで、Ａ３、Ａ４は振幅、φ３、φ４は初期位相であ
る。同様に、光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ３は、 Ｉ３(ｔ)＝｜Ｅ３(ｔ)＋Ｅ４(ｔ)｜^２ ＝Ａ３^２＋Ａ４^２＋２Ａ３Ａ４cos(２πｆ０ｔ＋△φ３４) …(７) で表され、△φ３４＝φ３−φ４である。

【００１４】同様に、Ｌ１、Ｌ４の水平偏光光の光ヘテ
ロダイン干渉ビート信号Ｉ４は、 Ｉ４(ｔ)＝Ａ３^２＋Ａ４^２＋２Ａ３Ａ４cos(２πｆ０ｔ＋△φ３４＋２πＤ２ ／λ２) …(８) となり、Ｄ２は波長λ２のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。

【００１５】レーザー光Ｌ３、Ｌ４がウエハ１９面上の
平坦面に入射した場合は、光学系内で生じる光路長差は
一定値となり、ビート信号Ｉ１(ｔ)とＩ２(ｔ)の位相差
φ１０＝２πＤ１／λ１、Ｉ３(ｔ)とＩ４(ｔ)の位相差
φ２０＝２πＤ２／λ２は固定値となる。

【００１６】図５は、図４の投影光学系１５から出射し
たレーザービームＬ３のビームスポット１７が、ウエハ
１９面上の段差パタン近傍付近に、図４の縮小光学系１
６により絞られたレーザービームＬ４のビームスポット
１８がウエハ１９面上の段差パタンの下部に入射した場
合の段差パタン部の拡大図を示す。

【００１７】この場合、測定したいパタンＡの段差部に
対し、レファレンス(参照光)であるレーザー光Ｌ３のビ
ームスポット１７の中にパタンＢが置かれている例を示
している。ビームスポット１７からの反射光の位相差は
ビームスポット１７内の段差状態の平均化された値とな
って検出されるため、ビームスポット１８が段差の上部
と下部に入射する場合に生じる光学系内の光路長差から
段差が検出できる。パタンの段差部の大きさをＤとする
と、パタン上部からの反射光とパタン下部からの反射光
には２Ｄの光路長差が生じる。

【００１８】ビート信号は、前述の固定値φ１０、φ２
０を考慮して式(４)、(８)は、(９)、(１０)のように表
される。

【００１９】 Ｉ２(ｔ)＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２Ａ１Ａ２cos｛２πｆ０ｔ＋△φ１２＋φ１０ ＋２π(２Ｄ)／λ１｝ …(９) Ｉ４(ｔ)＝Ａ３^２＋Ａ４^２＋２Ａ３Ａ４cos｛２πｆ０ｔ＋△φ３４＋φ２０ ＋２π(２Ｄ)／λ２｝ …(１０) 図４のビート信号処理制御部２４では、ビート信号Ｉ１
(ｔ)とＩ２(ｔ)との位相差Φ２１、Ｉ３(ｔ)とＩ４(ｔ)
との位相差Φ４３を算出する。

【００２０】 Φ２１＝φ１０＋２π(２Ｄ)／λ１ …(１１) Φ４３＝φ２０＋２π(２Ｄ)／λ２ …(１２) さらに、位相差Φ２１と位相差Φ４３との差を演算する
ことによりウエハ１９面上の段差を求めることができ
る。

【００２１】 △Φ＝Φ４３−Φ２１ ＝(φ２０−φ１０)＋２π(２Ｄ)／λ２−２π(２Ｄ)／λ１ ＝(φ２０−φ１０)＋２π(２Ｄ)／｛(λ１・λ２)／(λ１−λ２)｝ …( １３) 式(１３)から明らかなように、(φ２０−φ１０)は固定
値であるから位相差信号｛△Φ−(φ２０−φ１０)｝
は、段差Ｄ＝(λ１・λ２)／｛２(λ１−λ２)｝を周期
として位相変化する。したがって、波長λ１とλ２を選
択することにより、段差測定範囲が決定される。例え
ば、ＬＳＩのプロセスウエハでは、段差の測定範囲とし
ては最大１０μｍ程度あれば十分であり、λ１＝６９０
ｎｍ、λ２＝６７０ｎｍを選択すると、位相差信号｛△
Φ−(φ２０−φ１０)｝の周期は、約１１．６μｍとな
る。位相差検出分解能を０．５°とすれば、約１６ｎｍ
の段差検出分解能が得られる。

【００２２】ここで、２Ｄの値がそれぞれのレーザー波
長λ１、λ２について、何波長分あるかを求める。それ
ぞれＮ１、Ｎ２波長分以上であるとすると、Ｎ１、Ｎ２
は、式(１３)から求めることができる。

【００２３】Ｎ１は、｛△Φ−(φ２０−φ１０)｝
｛(λ１・λ２)／(λ１−λ２)｝／(２π・λ１)の整数
部(小数点以下切り捨て)、Ｎ２は、｛△Φ−(φ２０−
φ１０)｝｛(λ１・λ２)／(λ１−λ２)｝／(２π・λ
２)の整数部(小数点以下切り捨て)となる。したがっ
て、２Ｄは、次のようにも表される。

【００２４】 ２Ｄ＝｛Ｎ１＋(Φ２１−φ１０)／２π｝λ１ …(１４) ２Ｄ＝｛Ｎ２＋(Φ４３−φ２０)／２π｝λ２ …(１５) この式より、例えば前記の例と同様に、位相差検出分解
能を０．５°とすると、段差の検出分解能としては、λ
１／７２０、またはλ２／７２０が得られる。Ｎ１、Ｎ
２の値は、２波長による測定によって求められる値であ
る。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の段差測定装置では、試料であるウエハ１９面上の
パタン形状を測定するためには、図６に示すようにビー
ムスポット１８をウエハ１９面上の段差の上下で測定す
る必要がある。図６（ａ）のように集光されたビームの
焦点深度が段差に対して十分大きい場合は問題とならな
いが、図６（ｂ）のようにビームスポット１８の大きさ
を小さく絞って細かいパタンの段差を測定しようとする
場合、焦点深度が段差よりも小さくなると反射光の強度
が弱くなり、光ヘテロダイン干渉光の強度が劣化する。
さらに、焦点がぼけることによる光路長変化から位相ず
れが生じてしまう。したがって、焦点深度よりも大きな
段差を測定できないという課題を有していた。すなわ
ち、ビーム径を絞って細かいパタンの段差を測定しよう
とする場合、測定可能な段差に制約があるという課題が
あった。

【００２６】本発明は、従来技術の以上のような課題に
鑑み創案されたもので、ウエハ表面、あるいは光学素子
などの段差形状、さらに表面の面荒さや面形状などの表
面形状を、非接触、かつ被測定物の段差について制約を
受けないで、ビーム径を絞った状態で焦点深度が小さく
ても位相ずれの影響がなく、高精度に計測できる表面形
状測定方法及び表面形状測定器を提供するものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の表面形状測定方法は、偏光面が互いに垂直
で、周波数が異なる２周波光を発生させ、前記２周波光
を第１の２周波光、第２の２周波光の２つに分割し、前
記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも一
方の周波数をシフトさせ、前記第１の２周波光を２つに
分割して第３の２周波光、第４の２周波光を生成し、前
記第２の２周波光を２つに分割して第５の２周波光、第
６の２周波光を生成し、前記第５の２周波光、前記第６
の２周波光のいずれか一方の２周波光を光学素子により
集光して集光ビームを形成し、前記集光ビームと、前記
第５の２周波光、前記第６の２周波光の他方の集光させ
ないビームを被測定物体上に入射させ、前記集光ビーム
が前記被測定物体上で焦点が合うように前記被測定物体
の位置を制御し、前記第３の２周波光、前記第４の２周
波光と、前記被測定物体によって反射された前記集光ビ
ーム、前記集光させないビームをそれぞれ合成し、前記
第３の２周波光と前記第５の２周波光の合成によって得
られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第１、
第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３のビ
ート信号を求め、前記第４の２周波光と前記第６の２周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を、
偏光面の異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分
離し、第２、第４のビート信号を求め、前記第１のビー
ト信号と前記第２のビート信号の位相差、及び前記第３
のビート信号と前記第４のビート信号の位相差に基づい
て、前記被測定物体の表面形状を算出することを特徴と
する。

【００２８】また、本発明の表面形状測定方法は、前記
集光ビームの被測定物体上でのビームスポット領域を、
前記集光させないビームの被測定物体上でのビームスポ
ット領域内に含まれるようにしたことを特徴とする。

【００２９】また、本発明の表面形状測定方法は、偏光
面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を発生さ
せ、前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割し、前記第１の２周波光、前記第２の２周波
光の少なくとも一方の周波数をシフトさせ、前記第１の
２周波光を２つに分割して第３の２周波光、第４の２周
波光を生成し、前記第２の２周波光を２つに分割して第
５の２周波光、第６の２周波光を生成し、前記第５の２
周波光、前記第６の２周波光のいずれか一方の２周波光
を光学素子により集光して集光ビームを形成し、前記集
光ビームを被測定物体上に入射させ、前記第５の２周波
光、前記第６の他方の集光させないビームを前記被測定
物体上に入射させないで、ミラーにより反射させ、前記
集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合うように前記
被測定物体の位置を制御し、前記第３の２周波光、前記
第４の２周波光と、前記被測定物体によって反射された
前記集光ビーム、前記ミラーにより反射させた前記集光
させないビームをそれぞれ合成し、前記第３の２周波光
と前記第５の２周波光の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光を、偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロ
ダイン干渉光に分離し、第１、第３のビート信号を求
め、前記第４の２周波光と前記第６の２周波光の合成に
よって得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異な
る第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、
第４のビート信号を求め、前記第１のビート信号と前記
第２のビート信号の位相差、及び前記第３のビート信号
と前記第４のビート信号の位相差に基づいて、前記被測
定物体の表面形状を算出することを特徴とする。

【００３０】また、本発明の表面形状測定方法は、偏光
面が互いに垂直で、周波数が異なる前記２周波光のいず
れか一方の偏光面の光を用い、前記第１のビート信号と
前記第２のビート信号の位相差、あるいは前記第３のビ
ート信号と前記第４のビート信号の位相差から、前記被
測定物体の表面形状を算出することを特徴とする。

【００３１】また、本発明の表面形状測定方法は、前記
第１の２周波光、前記第２の２周波光の両方についてそ
れぞれ異なる周波数で周波数シフトさせることを特徴と
する。

【００３２】また、本発明の表面形状測定器は、偏光面
が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を発生させる
２周波光発生手段と、前記２周波光を第１の２周波光、
第２の２周波光の２つに分割する第１の２周波光分割手
段と、前記第１の２周波光、前記第２の少なくとも一方
の周波数をシフトさせる周波数シフト手段と、被測定物
体を載せるための試料台と、前記第１の２周波光を、第
３の２周波光、第４の２周波光の２つに分割する第２の
２周波光分割手段と、前記第２の２周波光を、第５の２
周波光、第６の２周波光の２つに分割する第３の２周波
光分割手段と、前記第５の２周波光、前記第６の２周波
光のいずれか一方の２周波光を集光させて被測定物体上
に入射させる集光ビーム入射手段と、前記集光ビームが
前記被測定物体上で焦点が合う位置を検出する焦点検出
光学系手段と、前記集光ビームが前記被測定物体上で焦
点が合うように前記被測定物体をのせた試料台の位置を
制御する焦点合わせ手段と、前記第５の２周波光、前記
第６の２周波光の他方を集光させないで被測定物体上に
入射させるビーム入射手段と、前記第３の２周波光、第
４の２周波光と、前記被測定物体によって反射された前
記集光ビームと前記集光させないビームの２周波光をそ
れぞれ合成する光合成手段と、前記第３の２周波光と前
記第５の２周波光の合成により得られた光ヘテロダイン
干渉光を、偏光面の異なる第１の光ヘテロダイン干渉
光、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、前記第４の
２周波光と前記第６の２周波光の合成により得られた光
ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第２の光ヘテロ
ダイン干渉光、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離する
干渉光分離手段と、前記第１の光ヘテロダイン干渉光、
前記第３の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独立に第
１のビート信号、第３のビート信号を検出し、前記第２
の光ヘテロダイン干渉光、前記第４の光ヘテロダイン干
渉光からそれぞれ独立に第２のビート信号、第４のビー
ト信号を検出する信号検出手段と、前記第１のビート信
号と前記第２のビート信号の位相差、及び前記第３のビ
ート信号と前記第４のビート信号の位相差に基づいて、
前記被測定物体の表面形状を算出する信号処理制御手段
とを有することを特徴とする。

【００３３】また、本発明の表面形状測定器は、前記集
光ビームの前記被測定物体上でのビームスポット領域
を、前記集光させないで前記被測定物体上に入射させる
ビームスポット領域内に含まれるようにした集光ビーム
入射手段を有することを特徴とする。また、本発明の表
面形状測定器は、前記２周波光発生手段、前記第１の２
周波光分割手段、前記第２の２周波光分割手段、前記第
３の２周波光分割手段、前記周波数シフト手段、前記集
光ビーム入射手段、前記ビーム入射手段、前記光合成手
段、前記干渉光分離手段、及び前記信号検出手段が、同
一の光学系ステージ上に配置され、この光学ステージは
前記被測定物体の表面に対して平行な方向に移動可能な
ものであることを特徴とする。

【００３４】また、本発明の表面形状測定器は、偏光面
が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を発生させる
２周波光発生手段と、前記２周波光を第１の２周波光、
第２の２周波光の２つに分割する第１の２周波光分割手
段と、前記第１の２周波光、前記第２の少なくとも一方
の周波数をシフトさせる周波数シフト手段と、被測定物
体を載せるための試料台と、前記第１の２周波光を、第
３の２周波光、第４の２周波光の２つに分割する第２の
２周波光分割手段と、前記第２の２周波光を、第５の２
周波光、第６の２周波光の２つに分割する第３の２周波
光分割手段と、前記第５の２周波光、前記第６の２周波
光のいずれか一方の２周波光を集光させて被測定物体上
に入射させる集光ビーム入射手段と、前記集光ビームが
前記被測定物体上で焦点が合う位置を検出する焦点検出
光学系手段と、前記集光ビームが前記被測定物体上で焦
点が合うように前記被測定物体をのせた試料台の位置を
制御する焦点合わせ手段と、前記第５の２周波光、前記
第６の２周波光の他方の集光させない２周波光を、前記
被測定物体上に入射させないで前記第３の２周波光、あ
るいは前記第４の２周波光と合成させるために反射させ
る反射光学手段と、前記第３の２周波光、前記第４の２
周波光と、前記被測定物体によって反射された前記集光
ビームと前記反射光学手段により反射された前記集光さ
せないビームの２周波光をそれぞれ合成する光合成手段
と、前記第３の２周波光と前記第５の２周波光の合成に
より得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる
第１の光ヘテロダイン干渉光、第３の光ヘテロダイン干
渉光に分離し、前記第４の２周波光と前記第６の２周波
光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光
面の異なる第２の光ヘテロダイン干渉光、第４の光ヘテ
ロダイン干渉光に分離する干渉光分離手段と、前記第１
の光ヘテロダイン干渉光、前記第３の光ヘテロダイン干
渉光からそれぞれ独立に第１のビート信号、第３のビー
ト信号を検出し、前記第２の光ヘテロダイン干渉光、前
記第４の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独立に第２
のビート信号、第４のビート信号を検出する信号検出手
段と、前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の
位相差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビート
信号の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状を
算出する信号処理制御手段とを有することを特徴とす
る。

【００３５】また、本発明の表面形状測定器は、前記２
周波光発生手段から発生する偏光面が互いに垂直で、周
波数が異なる２周波光のいずれか一方の偏光面の光を用
い、前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の位
相差、あるいは前記第３のビート信号と前記第４のビー
ト信号の位相差から前記被測定物体の表面形状を算出す
る信号処理制御手段を有することを特徴とする。

【００３６】また、本発明の表面形状測定器は、前記第
１の２周波光、前記第２の２周波光の両方についてそれ
ぞれ異なる周波数で周波数シフトさせる周波数シフト手
段を有することを特徴とする。

【００３７】また、本発明の表面形状測定器は、前記試
料台は、前記被測定物体の表面に対して平行な方向に移
動可能なものであることを特徴とする。

【００３８】

【００３９】本発明では、２波長のレーザー光からな
り、集光させたレーザービームと集光させないレーザー
ビームの２本のビーム、あるいは集光させたレーザービ
ームのみを、直接、測定対象に入射させる。集光させな
いレーザービームを測定対象に入射させる場合は、測定
対象上の広い領域を照射するため、測定対象上のパタン
形状による制約を受けない。また、集光させたレーザー
ビームは、測定したい箇所の近傍に入射させる。なお、
集光ビームについては、測定対象上で焦点が合うように
測定対象物をのせた試料台を制御する。測定対象からの
２つあるいは１つの反射光と２波長のレーザー光からな
る参照光２本とを光ヘテロダイン干渉させ、位相差信号
によりウエハ表面、あるいは光学素子などの段差形状、
表面の面荒さや面形状などの表面形状を、非接触で直接
計測でき、しかもビームスポットの大きさによる焦点深
度の違いから生ずる測定可能なパタンの段差の制約を受
けることがなく、高精度の表面形状測定を実現すること
が可能となる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明す
る図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、そ
の繰り返しの説明は省略する。

【００４１】実施の形態１ 図１は、本発明による表面形状測定器の実施の形態１、
すなわち、半導体ＩＣやＬＳＩ製造プロセスにおいてパ
タン加工されたウエハ面の段差測定装置の概略構成を示
す図である。

【００４２】図１において、１、２はレーザー光源、３
は１／２波長板、４、７、１２はミラー、５、２１は偏
光ビームスプリッター、６、１３は無偏光ビームスプリ
ッター、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４はレーザービーム、
８、９は音響光学素子、１０、１１は平行プリズム、１
４はミラー、１５は投影光学系、１６は縮小光学系、１
７、１８はウエハ面ビームスポット、１９はウエハ、２
０はウエハｘｙステージ、２２、２３は２分割ディテク
タ、２４はビート信号処理制御部、３０はウエハｚステ
ージ、３１はダイクロイックミラー、３２は焦点検出光
学系、３３はｚ軸ステージ信号処理制御系である。

【００４３】レーザー光源１、２から発したレーザー光
は、光路中でダイクロイックミラー３１を透過すること
以外は、光電検出器２２、２３でビート信号として検出
され、ビート信号処理制御部２４でウエハ１９面上の段
差として計測される検出原理については図４の装置とほ
ぼ同じである。

【００４４】ここで、焦点検出光学系３２から発生した
レーザー光は、ダイクロイックミラー３１により反射さ
れ、縮小光学系１６を通ってウエハ１９に入射し、ウエ
ハ１９からの反射光は、縮小光学系１６を通って逆にダ
イクロイックミラー３１を介して焦点検出光学系３２に
もどる。焦点検出光学系３２では、ウエハ１９のｚ方向
の変化に対するもどってきた反射光のビーム位置、ビー
ム径の大きさ、あるいは光強度などの変動を検出し、ｚ
軸ステージ信号処理制御系３３に送られる。ｚ軸ステー
ジ信号処理制御系３３では、焦点検出光学系３２の検出
信号に基づきウエハｚステージ３０を制御して、縮小光
学系１６からのレーザービームがウエハ１９面上で焦点
合わせされるように設定する。

【００４５】図２は、焦点深度の小さい縮小光学系１６
について、段差の上下で焦点合わせして計測した場合の
概略図を示す。図２（ａ）は、段差上部のＡ点でビーム
が焦点合わせされた様子を示す。ウエハ１９はビームＬ
４の焦点深度内のＺ＝ａの位置に設定されている。各波
長についての位相差をφ２１ａ、φ４３ａとすると、Ａ
点での合成波長の位相差は、 △φａ＝φ４３ａ−φ２１ａ …(１６) となる。図２（ｂ）は、段差下部のＢ点でビームが焦点
合わせされた様子を示す。このとき、ウエハ１９は、ウ
エハｘｙステージ２０により集光ビームＬ４が段差下部
のＢ点の位置に設定されるように平行移動されている。
また、ウエハ１９はビームＬ４の焦点深度内のＺ＝ｂの
位置に設定されている。各波長についての位相差をφ２
１ｂ、φ４３ｂとすると、Ｂ点での合成波長の位相差
は、 △φｂ＝φ４３ｂ−φ２１ｂ …(１７) となる。したがって、式(１６)、(１７)よりＡ点とＢ点
との段差△Φａｂは、 △Φａｂ＝△φａ−△φｂ＝(φ４３ａ−φ２１ａ)−(φ４３ｂ−φ２１ｂ) …(１８) となる。ここで、焦点深度内では位相差の変動がないこ
とから、φ２１ａ＝φ２１ｂとなる。

【００４６】すなわち、式(１８)は、以下のようにな
る。

【００４７】 △Φａｂ＝△φａ−△φｂ＝φ４３ａ−φ４３ｂ …(１９) 段差に対して、焦点深度が小さい集光ビームの場合にお
いても、各点で焦点合わせを行うことにより、段差計測
が可能である。式(１９)は合成波長の位相差であり、式
(１４)、(１５)を基に、各波長について計算すれば高精
度で段差測定ができる。

【００４８】すなわち、本実施の形態１の表面形状測定
方法は、偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波
光を発生させ、前記２周波光を無偏光ビームスプリッタ
ー６で第１の２周波光、第２の２周波光の２つに分割
し、前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の両方の
（少なくとも一方でよい）周波数を音響光学素子８、９
シフトさせ、前記第１の２周波光を平行プリズム１０で
２つに分割して第３の２周波光Ｌ１、第４の２周波光Ｌ
２を生成し、前記第２の２周波光を平行プリズム１１で
２つに分割して第５の２周波光Ｌ３、第６の２周波光Ｌ
４を生成し、前記第５の２周波光、前記第６の２周波光
のいずれか一方の２周波光Ｌ４を縮小光学系１６により
集光して集光ビームを形成し、前記集光ビームと、第５
の２周波光Ｌ３、第６の２周波光Ｌ４の他方の集光させ
ないビームを被測定物体であるウエハ１９上に入射さ
せ、前記集光ビームがウエハ１９上で焦点が合うように
ウエハ１９の位置を焦点検出光学系３２、ｚ軸ステージ
信号処理制御系３３により制御し、第３の２周波光Ｌ
１、第４の２周波光Ｌ２と、ウエハ１９によって反射さ
れた前記集光ビーム、前記集光させないビームを無偏光
ビームスプリッター１３でそれぞれ合成し、第３の２周
波光Ｌ１と第５の２周波光Ｌ３の合成によって得られた
光ヘテロダイン干渉光を、偏光ビームスプリッター２１
で偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロダイン干渉光に
分離し、２分割ディテクタ２２で第１、第３のビート信
号を求め、第４の２周波光Ｌ２と第６の２周波光Ｌ４の
合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光ビ
ームスプリッター２１で偏光面の異なる第２、第４の光
ヘテロダイン干渉光に分離し、２分割ディテクタ２３で
第２、第４のビート信号を求め、ビート信号処理制御部
２４で前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の
位相差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビート
信号の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状を
算出する。

【００４９】また、本実施の形態１の表面形状測定器
は、偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を
発生させる２周波光発生手段（レーザー光源１、２、１
／２波長板３、ミラー４、偏光ビームスプリッター５）
と、前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割する第１の２周波光分割手段（無偏光ビーム
スプリッター６）と、前記第１の２周波光、前記第２の
少なくとも一方の周波数をシフトさせる周波数シフト手
段（音響光学素子８、９）と、被測定物体であるウエハ
１９を載せるための試料台（ウエハｘｙステージ２０、
ウエハｚステージ３０）と、前記第１の２周波光を、第
３の２周波光Ｌ１、第４の２周波光Ｌ２の２つに分割す
る第２の２周波光分割手段（平行プリズム１０）と、前
記第２の２周波光を、第５の２周波光Ｌ３、第６の２周
波光Ｌ４の２つに分割する第３の２周波光分割手段（平
行プリズム１１）と、第５の２周波光Ｌ３、第６の２周
波光Ｌ４のいずれか一方の２周波光を集光させてウエハ
１９上に入射させる集光ビーム入射手段（縮小光学系１
６）と、前記集光ビームがウエハ１９上で焦点が合う位
置を検出する焦点検出光学系手段（焦点検出光学系３
２）と、前記集光ビームがウエハ１９上で焦点が合うよ
うにウエハ１９をのせた試料台（ウエハｘｙステージ２
０、ウエハｚステージ３０）の位置を制御する焦点合わ
せ手段（ｚ軸ステージ信号処理制御系３３と、第５の２
周波光Ｌ３、第６の２周波光Ｌ４の他方を集光させない
でウエハ１９上に入射させるビーム入射手段（投影光学
系１５）と、第３の２周波光Ｌ１、第４の２周波光Ｌ２
と、ウエハ１９によって反射された前記集光ビームと前
記集光させないビームの２周波光をそれぞれ合成する光
合成手段（無偏光ビームスプリッター１３）と、第３の
２周波光Ｌ１と第５の２周波光Ｌ３の合成により得られ
た光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第１の光ヘ
テロダイン干渉光、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、前記第４の２周波光と前記第６の２周波光の合成に
より得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる
第２の光ヘテロダイン干渉光、第４の光ヘテロダイン干
渉光に分離する干渉光分離手段（偏光ビームスプリッタ
ー２１）と、前記第１の光ヘテロダイン干渉光、前記第
３の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独立に第１のビ
ート信号、第３のビート信号を検出し、前記第２の光ヘ
テロダイン干渉光、前記第４の光ヘテロダイン干渉光か
らそれぞれ独立に第２のビート信号、第４のビート信号
を検出する信号検出手段（２分割ディテクタ２２、２
３）と、前記第１のビート信号と前記第２のビート信号
の位相差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビー
ト信号の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状
を算出する信号処理制御手段（ビート信号処理制御部２
４）とを有する。

【００５０】なお、試料台（ウエハｘｙステージ２０）
は、ウエハ１９の表面に対して平行な方向に移動可能に
なっている。また、前記２周波光発生手段、前記第１の
２周波光分割手段、前記第２の２周波光分割手段、前記
第３の２周波光分割手段、前記周波数シフト手段、前記
集光ビーム入射手段、前記ビーム入射手段、前記光合成
手段、前記干渉光分離手段、及び前記信号検出手段が、
同一の光学系ステージ（図示省略）上に配置され、この
光学ステージはウエハ１９の表面に対して平行な方向に
移動可能なものである。

【００５１】本実施の形態では、２波長のレーザー光か
らなり、集光させたレーザービームと集光させないレー
ザービームの２本のビームを、直接、測定対象に入射さ
せる。集光させないレーザービームは、測定対象である
ウエハ１９上の広い領域を照射するため、ウエハ１９上
のパタン形状による制約を受けない。また、集光させた
レーザービームは、測定したい箇所の近傍に入射させ
る。なお、集光ビームについては、ウエハ１９上で焦点
が合うようにウエハ１９をのせた試料台（ウエハｚステ
ージ３０）を制御する。ウエハ１９からの２つの反射光
Ｌ３、Ｌ４と２波長のレーザー光からなる参照光２本Ｌ
１、Ｌ２とを光ヘテロダイン干渉させ、位相差信号によ
りウエハ１９表面（あるいは光学素子などの段差形状、
表面の面荒さや面形状など）の表面形状を、非接触で直
接計測でき、しかもビームスポットの大きさによる焦点
深度の違いから生ずる測定可能なパタンの段差の制約を
受けることがなく、高精度の表面形状測定を実現するこ
とが可能となる。

【００５２】実施の形態２ 図３は、本発明による表面形状測定器の実施の形態２、
すなわち、半導体ＩＣやＬＳＩ製造プロセスにおいてパ
タン加工されたウエハ面の段差測定装置の概略構成を示
す図である。

【００５３】図３において、３４はミラーである。

【００５４】本実施の形態２では、図３に示すように、
前記集光させないレーザービームの２周波光Ｌ３をウエ
ハ１９上に入射させないで、ミラー３４を挿入して、該
ミラー３４に反射させて第３の２周波光Ｌ１、あるいは
第４の２周波光Ｌ２と合成させ、光ヘテロダイン干渉さ
せてビート信号を生成しても、実施の形態１と同様の効
果が得られる。

【００５５】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。

【００５６】例えば、偏光面が互いに垂直で、周波数が
異なる前記２周波光のいずれか一方の偏光面の光を用
い、前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の位
相差、あるいは前記第３のビート信号と前記第４のビー
ト信号の位相差から、前記被測定物体の表面形状を算出
してもよい。すなわち、本発明において、測定しようと
するウエハ１９面上の段差が波長λ１（またはλ２）の
１／２よりも小さい場合には、Ｎ１＝０（またはＮ２＝
０）となる。したがって、式(１４)または式(１５)は、
それぞれ偏光面の異なるいずれか一方の光学系から得ら
れるビート信号の位相差から計算できる。

【００５７】また、図示は省略するが、前記集光ビーム
のウエハ１９上でのビームスポット領域を、前記集光さ
せないビームのウエハ１９上でのビームスポット領域内
に含まれるようにしてもよい。これにより、寸法の小さ
い試料でも高精度に測定することが可能である。

【００５８】また、実施の形態１、２において、２つの
音響光学素子を用いて周波数シフトさせる方法を示した
が、いずれか一つを用いて片側のレーザー光のみを周波
数シフトさせる方法を用いても同様の効果が得られる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ウエハ表面の段差形状、表面の面荒さや面形状などの表
面形状を、非接触で直接計測でき、集光ビームのビーム
径が小さく、焦点深度が小さい場合においても段差測定
が可能であり、パタンの寸法、段差の深さに対して制約
を受けずに、高精度の表面形状測定ができるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の表面形状測定器の概略
構成図である。

【図２】焦点深度の小さい縮小光学系について、段差の
上下で焦点合わせして計測した場合の概略図である。

【図３】本発明の実施の形態２の表面形状測定器の概略
構成図である。

【図４】従来の段差測定器の概略構成図である。

【図５】従来の段差測定器における段差パタン部の拡大
図である。

【図６】従来の段差測定器において焦点深度が異なるビ
ームによる測定概略図である。

【符号の説明】

１、２…レーザー光源、３…１／２波長板、４、７、１
２…ミラー、５、２１…偏光ビームスプリッター、６、
１３…無偏光ビームスプリッター、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、
Ｌ４…レーザービーム、８、９…音響光学素子、１０、
１１…平行プリズム、１４…ミラー、１５…投影光学
系、１６…縮小光学系、１７、１８…ウエハ面ビームス
ポット、１９…ウエハ、２０…ウエハｘｙステージ、２
２、２３…２分割ディテクタ、２４…ビート信号処理制
御部、３０…ウエハｚステージ、３１…ダイクロイック
ミラー、３２…焦点検出光学系、３３…ｚ軸ステージ信
号処理制御系、３４…ミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉原 秀雄 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ 株式会社内 (72)発明者 三好 一功 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ 株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−274513（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−337405（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 H01L 21/027

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させ、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割し、 前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも
   一方の周波数をシフトさせ、 前記第１の２周波光を２つに分割して第３の２周波光、
   第４の２周波光を生成し、 前記第２の２周波光を２つに分割して第５の２周波光、
   第６の２周波光を生成し、 前記第５の２周波光、前記第６の２周波光のいずれか一
   方の２周波光を光学素子により集光して集光ビームを形
   成し、 前記集光ビームと、前記第５の２周波光、前記第６の２
   周波光の他方の集光させないビームを被測定物体上に入
   射させ、 前記集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合うように
   前記被測定物体の位置を制御し、 前記第３の２周波光、前記第４の２周波光と、前記被測
   定物体によって反射された前記集光ビーム、前記集光さ
   せないビームをそれぞれ合成し、 前記第３の２周波光と前記第５の２周波光の合成によっ
   て得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第
   １、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３
   のビート信号を求め、 前記第４の２周波光と前記第６の２周波光の合成によっ
   て得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第
   ２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、第４
   のビート信号を求め、 前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の位相
   差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビート信号
   の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状を算出
   することを特徴とする表面形状測定方法。
2. 【請求項２】前記集光ビームの被測定物体上でのビーム
   スポット領域を、前記集光させないビームの被測定物体
   上でのビームスポット領域内に含まれるようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の表面形状測定方法。
3. 【請求項３】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させ、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割し、 前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも
   一方の周波数をシフトさせ、 前記第１の２周波光を２つに分割して第３の２周波光、
   第４の２周波光を生成し、 前記第２の２周波光を２つに分割して第５の２周波光、
   第６の２周波光を生成し、 前記第５の２周波光、前記第６の２周波光のいずれか一
   方の２周波光を光学素子により集光して集光ビームを形
   成し、 前記集光ビームを被測定物体上に入射させ、前記第５の
   ２周波光、前記第６の他方の集光させないビームを前記
   被測定物体上に入射させないで、ミラーにより反射さ
   せ、 前記集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合うように
   前記被測定物体の位置を制御し、 前記第３の２周波光、前記第４の２周波光と、前記被測
   定物体によって反射された前記集光ビーム、前記ミラー
   により反射させた前記集光させないビームをそれぞれ合
   成し、 前記第３の２周波光と前記第５の２周波光の合成によっ
   て得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第
   １、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３
   のビート信号を求め、 前記第４の２周波光と前記第６の２周波光の合成によっ
   て得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第
   ２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、第４
   のビート信号を求め、 前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の位相
   差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビート信号
   の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状を算出
   することを特徴とする表面形状測定方法。
4. 【請求項４】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる前
   記２周波光のいずれか一方の偏光面の光を用い、前記第
   １のビート信号と前記第２のビート信号の位相差、ある
   いは前記第３のビート信号と前記第４のビート信号の位
   相差から、前記被測定物体の表面形状を算出することを
   特徴とする請求項１または３記載の表面形状測定方法。
5. 【請求項５】前記第１の２周波光、前記第２の２周波光
   の両方についてそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさ
   せることを特徴とする請求項１または３記載の表面形状
   測定方法。
6. 【請求項６】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させる２周波光発生手段と、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割する第１の２周波光分割手段と、 前記第１の２周波光、前記第２の少なくとも一方の周波
   数をシフトさせる周波数シフト手段と、 被測定物体を載せるための試料台と、 前記第１の２周波光を、第３の２周波光、第４の２周波
   光の２つに分割する第２の２周波光分割手段と、 前記第２の２周波光を、第５の２周波光、第６の２周波
   光の２つに分割する第３の２周波光分割手段と、 前記第５の２周波光、前記第６の２周波光のいずれか一
   方の２周波光を集光させて被測定物体上に入射させる集
   光ビーム入射手段と、 前記集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合う位置を
   検出する焦点検出光学系手段と、 前記集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合うように
   前記被測定物体をのせた試料台の位置を制御する焦点合
   わせ手段と、 前記第５の２周波光、前記第６の２周波光の他方を集光
   させないで被測定物体上に入射させるビーム入射手段
   と、 前記第３の２周波光、第４の２周波光と、前記被測定物
   体によって反射された前記集光ビームと前記集光させな
   いビームの２周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、 前記第３の２周波光と前記第５の２周波光の合成により
   得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第１
   の光ヘテロダイン干渉光、第３の光ヘテロダイン干渉光
   に分離し、前記第４の２周波光と前記第６の２周波光の
   合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の
   異なる第２の光ヘテロダイン干渉光、第４の光ヘテロダ
   イン干渉光に分離する干渉光分離手段と、 前記第１の光ヘテロダイン干渉光、前記第３の光ヘテロ
   ダイン干渉光からそれぞれ独立に第１のビート信号、第
   ３のビート信号を検出し、前記第２の光ヘテロダイン干
   渉光、前記第４の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独
   立に第２のビート信号、第４のビート信号を検出する信
   号検出手段と、 前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の位相
   差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビート信号
   の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状を算出
   する信号処理制御手段とを有することを特徴とする表面
   形状測定器。
7. 【請求項７】前記集光ビームの前記被測定物体上でのビ
   ームスポット領域を、前記集光させないで前記被測定物
   体上に入射させるビームスポット領域内に含まれるよう
   にした集光ビーム入射手段を有することを特徴とする請
   求項６記載の表面形状測定器。
8. 【請求項８】前記２周波光発生手段、前記第１の２周波
   光分割手段、前記第２の２周波光分割手段、前記第３の
   ２周波光分割手段、前記周波数シフト手段、前記集光ビ
   ーム入射手段、前記ビーム入射手段、前記光合成手段、
   前記干渉光分離手段、及び前記信号検出手段が、同一の
   光学系ステージ上に配置され、この光学ステージは前記
   被測定物体の表面に対して平行な方向に移動可能なもの
   であることを特徴とする請求項６記載の表面形状測定
   器。
9. 【請求項９】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させる２周波光発生手段と、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割する第１の２周波光分割手段と、 前記第１の２周波光、前記第２の少なくとも一方の周波
   数をシフトさせる周波数シフト手段と、 被測定物体を載せるための試料台と、 前記第１の２周波光を、第３の２周波光、第４の２周波
   光の２つに分割する第２の２周波光分割手段と、 前記第２の２周波光を、第５の２周波光、第６の２周波
   光の２つに分割する第３の２周波光分割手段と、 前記第５の２周波光、前記第６の２周波光のいずれか一
   方の２周波光を集光させて被測定物体上に入射させる集
   光ビーム入射手段と、 前記集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合う位置を
   検出する焦点検出光学系手段と、 前記集光ビームが前記被測定物体上で焦点が合うように
   前記被測定物体をのせた試料台の位置を制御する焦点合
   わせ手段と、 前記第５の２周波光、前記第６の２周波光の他方の集光
   させない２周波光を、前記被測定物体上に入射させない
   で前記第３の２周波光、あるいは前記第４の２周波光と
   合成させるために反射させる反射光学手段と、 前記第３の２周波光、前記第４の２周波光と、前記被測
   定物体によって反射された前記集光ビームと前記反射光
   学手段により反射された前記集光させないビームの２周
   波光をそれぞれ合成する光合成手段と、 前記第３の２周波光と前記第５の２周波光の合成により
   得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第１
   の光ヘテロダイン干渉光、第３の光ヘテロダイン干渉光
   に分離し、前記第４の２周波光と前記第６の２周波光の
   合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の
   異なる第２の光ヘテロダイン干渉光、第４の光ヘテロダ
   イン干渉光に分離する干渉光分離手段と、 前記第１の光ヘテロダイン干渉光、前記第３の光ヘテロ
   ダイン干渉光からそれぞれ独立に第１のビート信号、第
   ３のビート信号を検出し、前記第２の光ヘテロダイン干
   渉光、前記第４の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独
   立に第２のビート信号、第４のビート信号を検出する信
   号検出手段と、 前記第１のビート信号と前記第２のビート信号の位相
   差、及び前記第３のビート信号と前記第４のビート信号
   の位相差に基づいて、前記被測定物体の表面形状を算出
   する信号処理制御手段とを有することを特徴とする表面
   形状測定器。
10. 【請求項１０】前記２周波光発生手段から発生する偏光
    面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光のいずれか
    一方の偏光面の光を用い、前記第１のビート信号と前記
    第２のビート信号の位相差、あるいは前記第３のビート
    信号と前記第４のビート信号の位相差から前記被測定物
    体の表面形状を算出する信号処理制御手段を有すること
    を特徴とする請求項６または９記載の表面形状測定器。
11. 【請求項１１】前記第１の２周波光、前記第２の２周波
    光の両方についてそれぞれ異なる周波数で周波数シフト
    させる周波数シフト手段を有することを特徴とする請求
    項６または９記載の表面形状測定器。
12. 【請求項１２】前記試料台は、前記被測定物体の表面に
    対して平行な方向に移動可能なものであることを特徴と
    する請求項６または９記載の表面形状測定器。