JP4861281B2 - ヘテロダイン干渉測定方法，ヘテロダイン干渉装置，厚み測定装置，厚み測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は，ヘテロダイン干渉法により被測定物の特性を測定するヘテロダイン干渉測定方法，その実行に用いるヘテロダイン干渉装置及びそのヘテロダイン干渉装置により被測定物の厚みを測定する厚み測定装置及びその方法に関するものである。
被測定物の特性，例えば，表面形状（表面変位の分布）や励起光の照射（加熱）によって生じる屈折率変化などを被接触かつ高精度で測定する手法として，ヘテロダイン干渉法に基づく測定が広く採用されている。
ヘテロダイン干渉法は，僅かに周波数が異なる２つのレーザ光（測定光）の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに，他方を参照光として所定の基準面に反射させ，物体光と参照光との干渉光のビート信号であるビート信号に基づいて，物体光と参照光との位相差（以下，目的位相差という）を測定する手法である。通常，ヘテロダイン干渉法では，偏波面が相互に直交する２つのレーザ光が用いられる。前記目的位相差は，参照光の光路長と物体光の光路長との差を表すため，被測定物の表面形状（表面高さ分布）や，励起光の照射（加熱）による測定部位の屈折率の変化量等を高い精度で表す測定値となる。
また，ヘテロダイン干渉法では，物体光と参照光とに分かれる前に，２つのレーザ光の組を分岐させ，その一方の組を物体光及び参照光の組としてその干渉光のビート信号（以下，検出ビート信号という）を検出するとともに，その他方の組を干渉させた干渉光のビート信号（以下，参照ビート信号という）を検出し，それら２つのビート信号に基づいて，前記目的位相差が算出される。
ヘテロダイン干渉法は，僅かに周波数が異なる２つのレーザ光（測定光）の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに，他方を参照光として所定の基準面に反射させ，物体光と参照光との干渉光のビート信号であるビート信号に基づいて，物体光と参照光との位相差（以下，目的位相差という）を測定する手法である。通常，ヘテロダイン干渉法では，偏波面が相互に直交する２つのレーザ光が用いられる。前記目的位相差は，参照光の光路長と物体光の光路長との差を表すため，被測定物の表面形状（表面高さ分布）や，励起光の照射（加熱）による測定部位の屈折率の変化量等を高い精度で表す測定値となる。
また，ヘテロダイン干渉法では，物体光と参照光とに分かれる前に，２つのレーザ光の組を分岐させ，その一方の組を物体光及び参照光の組としてその干渉光のビート信号（以下，検出ビート信号という）を検出するとともに，その他方の組を干渉させた干渉光のビート信号（以下，参照ビート信号という）を検出し，それら２つのビート信号に基づいて，前記目的位相差が算出される。
ところで，光源から出射された周波数の異なる２つの測定光（レーザ光）を，前記参照ビート信号の検出位置から前記検出ビート信号の検出位置まで個別の経路で伝播させると，両検出位置の間で２つの測定光の伝播経路に予期せぬ変動（温度変動や光伝送媒体の位置ずれ等）が生じ，それが２つの測定光における予期せぬ位相差となって測定誤差が生じる。
一方，前記２つの測定光（レーザ光）を，前記参照ビート信号の検出位置から前記検出ビート信号の検出位置まで１本の光ファイバ（偏波面保持ファイバ）により導光した場合，その間における２つの測定光の光路長をほぼ等しくできる。しかしながら，その場合でも，光ファイバが直交方位における屈折率の差を有するため，光ファイバの位置ずれや温度変化等によって２つのレーザ光に位相差が生じ，それが測定誤差となる。
そこで，非特許文献１には，前記２つの測定光を，光源に近い位置から被測定物の測定部位に近い位置まで１本の光ファイバ（偏波面保持ファイバ）により導き，その光ファイバの後段（光進行方向における上流側）のレーザ光に基づいて，前記参照ビート信号及び前記検出ビート信号を検出するとともに，その参照ビート信号と検出ビート信号との位相差に基づいて前記目的位相差を測定（算出）する技術が示されている。これにより，前記参照ビート信号の検出位置に至るまでに生じた前記２つの測定光の位相差が相殺され，測定精度が高まる。
一方，前記２つの測定光（レーザ光）を，前記参照ビート信号の検出位置から前記検出ビート信号の検出位置まで１本の光ファイバ（偏波面保持ファイバ）により導光した場合，その間における２つの測定光の光路長をほぼ等しくできる。しかしながら，その場合でも，光ファイバが直交方位における屈折率の差を有するため，光ファイバの位置ずれや温度変化等によって２つのレーザ光に位相差が生じ，それが測定誤差となる。
そこで，非特許文献１には，前記２つの測定光を，光源に近い位置から被測定物の測定部位に近い位置まで１本の光ファイバ（偏波面保持ファイバ）により導き，その光ファイバの後段（光進行方向における上流側）のレーザ光に基づいて，前記参照ビート信号及び前記検出ビート信号を検出するとともに，その参照ビート信号と検出ビート信号との位相差に基づいて前記目的位相差を測定（算出）する技術が示されている。これにより，前記参照ビート信号の検出位置に至るまでに生じた前記２つの測定光の位相差が相殺され，測定精度が高まる。
B.A.W.H. Knarren et al., "Validation of a single fibre-fed heterodyne laser interferometer with nanometre uncertainty", Precision Engineering 29(2005) PP.229-236
しかしながら，非特許文献１に示されるように，周波数が異なる２つの測定光を同じ経路で伝播させると，その２つの測定信号それぞれに互いの信号成分が混入する現象（いわゆるクロストークと呼ばれる現象）が生じ，また，そのクロストークに起因するノイズ成分は，前記検出ビート信号と前記参照ビート信号との位相差を検出してもその検出結果になお残存し，これが測定誤差の原因となるという問題点があった。
また，クロストークは，前記２つの測定光の光源としてゼーマンレーザが採用され，２つの測定光の分離が完全でない場合にも生じる。このため，２つの測定光を個別の経路で導光することにより，どの導光経路におけるクロストークの発生を防止しても，光源からの出射時点で既に生じているクロストーク成分による測定誤差を回避できないという問題点もあった。
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，周波数の異なる２つの測定光を用いるヘテロダイン干渉法により被測定物に反射させる物体光と基準面に反射させる参照光との位相差を測定するにあたり，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度での位相差測定を行うことができるヘテロダイン干渉測定方法，その実行に用いるヘテロダイン干渉装置及びそのヘテロダイン干渉装置により被測定物の厚みを測定する厚み測定装置並びに厚み測定方法を提供することにある。
また，クロストークは，前記２つの測定光の光源としてゼーマンレーザが採用され，２つの測定光の分離が完全でない場合にも生じる。このため，２つの測定光を個別の経路で導光することにより，どの導光経路におけるクロストークの発生を防止しても，光源からの出射時点で既に生じているクロストーク成分による測定誤差を回避できないという問題点もあった。
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，周波数の異なる２つの測定光を用いるヘテロダイン干渉法により被測定物に反射させる物体光と基準面に反射させる参照光との位相差を測定するにあたり，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度での位相差測定を行うことができるヘテロダイン干渉測定方法，その実行に用いるヘテロダイン干渉装置及びそのヘテロダイン干渉装置により被測定物の厚みを測定する厚み測定装置並びに厚み測定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ヘテロダイン干渉装置は，周波数の異なる２つの測定光が入力され，その２つの測定光の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに他方を参照光として所定の基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるものであり，次の（１−１）〜（１−９）に示す各構成要素を備えている。（１−１）入力された前記２つの測定光の組を第１の主測定光の組及び第１の副測定光の組に分岐させ，その第１の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第１のビート信号を検出する第１の干渉計。
（１−２）前記第１の主測定光の組を前記第１の干渉計から前記測定部位の方へ前記２つの測定光それぞれについて個別の経路で導く導光手段。
（１−３）前記導光手段により前記測定部位の方へ導かれた前記第１の主測定光の組を第２の主測定光の組及び第２の副測定光の組に分岐させ，その第２の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第２のビート信号を検出する第２の干渉計。（１−４）前記第２の主測定光の組における測定光の一方を物体光として前記測定部位に反射させるとともに他方を参照光として前記基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第３のビート信号を検出する第３の干渉計。
（１−５）前記物体光又は前記参照光の光路長を少なくとも３段階以上調節する光路長調節手段。
（１−６）前記第１のビート信号と前記第３のビート信号の位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出手段。
（１−７）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である第２の位相差を検出する第２の位相差検出手段。
（１−８）前記光路長調節手段により前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号と前記第３のビート信号と前記第１の位相差とに基づいて，前記第２のビート信号及び前記第３のビート信号に含まれる前記２つの測定光のクロストークに起因するノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出するクロストーク係数算出手段。
（１−９）前記第１の位相差と前記第２の位相差と前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数とに基づいて前記物体光と前記参照光との位相差を算出する目的位相差算出手段。
（１−２）前記第１の主測定光の組を前記第１の干渉計から前記測定部位の方へ前記２つの測定光それぞれについて個別の経路で導く導光手段。
（１−３）前記導光手段により前記測定部位の方へ導かれた前記第１の主測定光の組を第２の主測定光の組及び第２の副測定光の組に分岐させ，その第２の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第２のビート信号を検出する第２の干渉計。（１−４）前記第２の主測定光の組における測定光の一方を物体光として前記測定部位に反射させるとともに他方を参照光として前記基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第３のビート信号を検出する第３の干渉計。
（１−５）前記物体光又は前記参照光の光路長を少なくとも３段階以上調節する光路長調節手段。
（１−６）前記第１のビート信号と前記第３のビート信号の位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出手段。
（１−７）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である第２の位相差を検出する第２の位相差検出手段。
（１−８）前記光路長調節手段により前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号と前記第３のビート信号と前記第１の位相差とに基づいて，前記第２のビート信号及び前記第３のビート信号に含まれる前記２つの測定光のクロストークに起因するノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出するクロストーク係数算出手段。
（１−９）前記第１の位相差と前記第２の位相差と前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数とに基づいて前記物体光と前記参照光との位相差を算出する目的位相差算出手段。
以上に示した構成を備えたヘテロダイン干渉装置により前記被測定物を測定すれば，その測定値である前記第１のビート信号のレベル，前記第３のビート信号のレベル，前記第１の位相差及び前記第２の位相差に基づく演算を行うことにより，前記２つの測定光の伝播経路のずれに起因する誤差成分と，前記２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度で目的とする位相差（前記物体光と前記参照光との位相差）を算出することができる。
前記導光手段における伝播経路において，２つの測定光（前記第１の主測定光の組）にクロストークが生じない，或いは無視できる程度のクロストークしか生じないとすると，前記第１の干渉計の位置と前記第３の干渉計の位置とで，２つの測定光におけるクロストークに起因する誤差成分は変化しない（同じである）とみなせる。従って，前記物体光又は前記参照光の光路長を変化させた複数の状態において検出された前記第１のビート信号と前記第３のビート信号と前記第１の位相差とに基づいて，その光路長の変化にかかわらず変化しない信号成分に関する係数（大きさ及び位相に関する係数）を求めれば，その係数は，クロストークに起因する誤差成分に関する係数（以下，クロストーク係数という）となる。
また，前記２つの測定光が光源付近から前記測定部位の付近まで伝播する間に生じるその２つの測定光の位相差，即ち，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分は，前記第１の位相差及び前記第２の位相差の両方に等しく含まれる。そのため，前記第１の位相差と前記第２の位相差との差に基づいて前記目的位相差を算出すれば，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分を除去できる。
従って，前記クロストーク係数算出手段により，クロストークに起因する誤差成分に関する係数を予め算出しておき，さらに，前記目的位相差算出手段により，前記第１の位相差と前記第２の位相差との差分に基づき算出される前記物体光と前記参照光との位相差（クロストークに起因する誤差を含む位相差）から，前記クロストーク係数に基づく誤差成分を除去すれば，測定対象である本来の位相差を高精度で算出（測定）することができる。
例えば，前記クロストーク係数算出手段が，前記光路長調節手段により前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号を参照信号とした，前記第３のビート信号についての位相検波信号におけるＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とで描かれるリサージュ曲線を，円若しくは楕円で近似したときのその円又は楕円の中心座標を算出し，その中心座標に基づいて前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出することが考えられる。
また，前記導光手段が，前記第１の主測定光の組における２つの測定光を個別に伝播させる２本の光ファイバを有するものであれば，複数のミラーを配置する場合に比べて取り扱い（装置のセッティング等）が容易となる。
前記導光手段における伝播経路において，２つの測定光（前記第１の主測定光の組）にクロストークが生じない，或いは無視できる程度のクロストークしか生じないとすると，前記第１の干渉計の位置と前記第３の干渉計の位置とで，２つの測定光におけるクロストークに起因する誤差成分は変化しない（同じである）とみなせる。従って，前記物体光又は前記参照光の光路長を変化させた複数の状態において検出された前記第１のビート信号と前記第３のビート信号と前記第１の位相差とに基づいて，その光路長の変化にかかわらず変化しない信号成分に関する係数（大きさ及び位相に関する係数）を求めれば，その係数は，クロストークに起因する誤差成分に関する係数（以下，クロストーク係数という）となる。
また，前記２つの測定光が光源付近から前記測定部位の付近まで伝播する間に生じるその２つの測定光の位相差，即ち，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分は，前記第１の位相差及び前記第２の位相差の両方に等しく含まれる。そのため，前記第１の位相差と前記第２の位相差との差に基づいて前記目的位相差を算出すれば，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分を除去できる。
従って，前記クロストーク係数算出手段により，クロストークに起因する誤差成分に関する係数を予め算出しておき，さらに，前記目的位相差算出手段により，前記第１の位相差と前記第２の位相差との差分に基づき算出される前記物体光と前記参照光との位相差（クロストークに起因する誤差を含む位相差）から，前記クロストーク係数に基づく誤差成分を除去すれば，測定対象である本来の位相差を高精度で算出（測定）することができる。
例えば，前記クロストーク係数算出手段が，前記光路長調節手段により前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号を参照信号とした，前記第３のビート信号についての位相検波信号におけるＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とで描かれるリサージュ曲線を，円若しくは楕円で近似したときのその円又は楕円の中心座標を算出し，その中心座標に基づいて前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出することが考えられる。
また，前記導光手段が，前記第１の主測定光の組における２つの測定光を個別に伝播させる２本の光ファイバを有するものであれば，複数のミラーを配置する場合に比べて取り扱い（装置のセッティング等）が容易となる。
また，本発明は，以上に示した本発明に係るヘテロダイン干渉装置を用いたヘテロダイン干渉測定方法として捉えることもできる。
即ち，本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法は，周波数の異なる２つの測定光の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに他方を参照光として所定の基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光との干渉光のビート信号に基づいて，前記物体光と前記参照光との位相差を測定する方法であり，次に（２−１）〜（２−６）に示す各工程を実行する方法である。
（２−１）所定の第１の干渉計により，前記２つの測定光の組を第１の主測定光の組及び第１の副測定光の組に分岐させ，その第１の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第１のビート信号を検出する第１のビート信号検出工程。
（２−２）所定の導光手段を通じて前記第１の干渉計から前記測定部位の方へ前記２つの測定光それぞれについて個別の経路で導かれた前記第１の主測定光の組を，所定の第２の干渉計により，第２の主測定光の組及び第２の副測定光の組に分岐させ，その第２の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第２のビート信号を検出する第２のビート信号検出工程。
（２−３）所定の第３の干渉計により，前記第２の主測定光の組における測定光の一方を物体光として前記測定部位に反射させるとともに他方を参照光として前記基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第３のビート信号を検出する第３のビート信号検出工程。
（２−４）所定の第１の位相差検出手段により前記第１のビート信号と前記第３のビート信号の位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出工程。
（２−５）前記物体光又は前記参照光の光路長が少なくとも３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号に対する前記第３のビート信号の比と前記第１の位相差とに基づいて，前記第２のビート信号及び前記第３のビート信号に含まれる前記２つの測定光のクロストークに起因するノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出し，その算出結果を所定の記憶手段に記録するクロストーク係数算出工程。
（２−６）所定の演算手段により，前記第１の位相差と前記第２の位相差と前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数とに基づいて前記物体光と前記参照光との位相差を算出する目的位相差算出工程。
また，より具体的には，前記クロストーク係数算出工程において，次に示す処理を実行することが考えられる。
即ち，前記クロストーク係数算出工程において，前記演算手段により，前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号を参照信号とした，前記第３のビート信号についての位相検波信号におけるＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とで描かれるリサージュ曲線を，円若しくは楕円で近似したときのその円又は楕円の中心座標を算出し，その中心座標に基づいて前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出する。
以上に示した本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法によれば，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度での位相差測定（前記目的位相差の測定）を行うことができる。
即ち，本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法は，周波数の異なる２つの測定光の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに他方を参照光として所定の基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光との干渉光のビート信号に基づいて，前記物体光と前記参照光との位相差を測定する方法であり，次に（２−１）〜（２−６）に示す各工程を実行する方法である。
（２−１）所定の第１の干渉計により，前記２つの測定光の組を第１の主測定光の組及び第１の副測定光の組に分岐させ，その第１の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第１のビート信号を検出する第１のビート信号検出工程。
（２−２）所定の導光手段を通じて前記第１の干渉計から前記測定部位の方へ前記２つの測定光それぞれについて個別の経路で導かれた前記第１の主測定光の組を，所定の第２の干渉計により，第２の主測定光の組及び第２の副測定光の組に分岐させ，その第２の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第２のビート信号を検出する第２のビート信号検出工程。
（２−３）所定の第３の干渉計により，前記第２の主測定光の組における測定光の一方を物体光として前記測定部位に反射させるとともに他方を参照光として前記基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第３のビート信号を検出する第３のビート信号検出工程。
（２−４）所定の第１の位相差検出手段により前記第１のビート信号と前記第３のビート信号の位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出工程。
（２−５）前記物体光又は前記参照光の光路長が少なくとも３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号に対する前記第３のビート信号の比と前記第１の位相差とに基づいて，前記第２のビート信号及び前記第３のビート信号に含まれる前記２つの測定光のクロストークに起因するノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出し，その算出結果を所定の記憶手段に記録するクロストーク係数算出工程。
（２−６）所定の演算手段により，前記第１の位相差と前記第２の位相差と前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数とに基づいて前記物体光と前記参照光との位相差を算出する目的位相差算出工程。
また，より具体的には，前記クロストーク係数算出工程において，次に示す処理を実行することが考えられる。
即ち，前記クロストーク係数算出工程において，前記演算手段により，前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号を参照信号とした，前記第３のビート信号についての位相検波信号におけるＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とで描かれるリサージュ曲線を，円若しくは楕円で近似したときのその円又は楕円の中心座標を算出し，その中心座標に基づいて前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出する。
以上に示した本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法によれば，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度での位相差測定（前記目的位相差の測定）を行うことができる。
また，本発明は，前述の本発明に係るヘテロダイン干渉装置を備えた厚み測定装置として捉えることもできる。
即ち，本発明に係る厚み測定装置は，被測定物の厚みを測定する装置であり，次の（３−１）〜（３−３）に示す各構成要素を備えるものである。
（３−１）所定の光源から出射された周波数の異なる２つの測定光それぞれを分岐させる基幹光分岐手段。
（３−２）前記基幹光分岐手段により分岐された前記２つの測定光の組がそれぞれ入力され，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それぞれについて設けられた前記本発明に係るヘテロダイン干渉装置。なお，当該ヘテロダイン干渉計は，前記（１−１）〜（１−９）の各構成要素を備えたものである。
（３−３）前記おもて面及び前記うら面の測定部位それぞれについて前記ヘテロダイン干渉装置により算出された前記目的位相差の和に基づいて前記被測定物の厚みを算出する厚み算出手段。
本発明に係る厚み測定装置は，被測定物のおもて面及びうら面について，測定光の光源として同じ光源を用いるものである。
本発明に係る厚み測定装置によって被測定物のおもて面及びうら面について算出される前記目的位相差それぞれには，そのおもて面及びうら面の測定部位それぞれにおける突出方向の変位量が同じ方向の位相差（前記物体光の光路長が短くなる方向の位相差）として反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和は，被測定物の厚みを表す。
また，本発明に係る厚み測定装置においては，前記被測定物が，例えば薄板状の半導体ウェハ等のように空気の流れや測定装置の振動等によって振動する場合，その振動による測定部位の変位量の成分は，前記おもて面及びうら面それぞれの前記目的位相差に同じ量だけ逆方向に反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和において，被測定物の振動の影響は除かれている。
従って，本発明に係る厚み測定装置によれば，２つの測定光の前記おもて面及びうら面それぞれへの伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分と，被測定物の振動に起因する誤差成分とを除去して高精度での被測定物の厚み測定を行うことができる。
即ち，本発明に係る厚み測定装置は，被測定物の厚みを測定する装置であり，次の（３−１）〜（３−３）に示す各構成要素を備えるものである。
（３−１）所定の光源から出射された周波数の異なる２つの測定光それぞれを分岐させる基幹光分岐手段。
（３−２）前記基幹光分岐手段により分岐された前記２つの測定光の組がそれぞれ入力され，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それぞれについて設けられた前記本発明に係るヘテロダイン干渉装置。なお，当該ヘテロダイン干渉計は，前記（１−１）〜（１−９）の各構成要素を備えたものである。
（３−３）前記おもて面及び前記うら面の測定部位それぞれについて前記ヘテロダイン干渉装置により算出された前記目的位相差の和に基づいて前記被測定物の厚みを算出する厚み算出手段。
本発明に係る厚み測定装置は，被測定物のおもて面及びうら面について，測定光の光源として同じ光源を用いるものである。
本発明に係る厚み測定装置によって被測定物のおもて面及びうら面について算出される前記目的位相差それぞれには，そのおもて面及びうら面の測定部位それぞれにおける突出方向の変位量が同じ方向の位相差（前記物体光の光路長が短くなる方向の位相差）として反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和は，被測定物の厚みを表す。
また，本発明に係る厚み測定装置においては，前記被測定物が，例えば薄板状の半導体ウェハ等のように空気の流れや測定装置の振動等によって振動する場合，その振動による測定部位の変位量の成分は，前記おもて面及びうら面それぞれの前記目的位相差に同じ量だけ逆方向に反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和において，被測定物の振動の影響は除かれている。
従って，本発明に係る厚み測定装置によれば，２つの測定光の前記おもて面及びうら面それぞれへの伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分と，被測定物の振動に起因する誤差成分とを除去して高精度での被測定物の厚み測定を行うことができる。
また，本発明は，前述の本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法に基づく厚み測定方法として捉えることもできる。
即ち，本発明に係る厚み測定方法は，被測定物の厚みを測定する方法であり，所定の光分岐手段により周波数の異なる２つの測定光それぞれを分岐させ，分岐後の前記２つの測定光の組それぞれを入力光として，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それぞれについて，前記本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法による測定を実行し，さらに，前記おもて面及び前記うら面の測定部位それぞれについて前記ヘテロダイン干渉測定方法の実行により算出された前記目的位相差の和に基づいて，前記被測定物の厚みを算出する厚み算出工程を実行する方法である。
本発明に係る厚み測定方法の実行によっても，前述の本発明に係る厚み測定装置と同様の作用効果が得られる。
即ち，本発明に係る厚み測定方法は，被測定物の厚みを測定する方法であり，所定の光分岐手段により周波数の異なる２つの測定光それぞれを分岐させ，分岐後の前記２つの測定光の組それぞれを入力光として，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それぞれについて，前記本発明に係るヘテロダイン干渉測定方法による測定を実行し，さらに，前記おもて面及び前記うら面の測定部位それぞれについて前記ヘテロダイン干渉測定方法の実行により算出された前記目的位相差の和に基づいて，前記被測定物の厚みを算出する厚み算出工程を実行する方法である。
本発明に係る厚み測定方法の実行によっても，前述の本発明に係る厚み測定装置と同様の作用効果が得られる。
本発明によれば，周波数の異なる２つの測定光を用いるヘテロダイン干渉法により被測定物に反射させる物体光と基準面に反射させる参照光との位相差を測定するにあたり，２つの測定光の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度での位相差測定を行うことができる。また，本発明を被測定物の厚み測定に適用することにより，２つの測定光の前記おもて面及びうら面それぞれへの伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光のクロストークに起因する誤差成分と，被測定物の振動に起因する誤差成分とを除去して高精度での被測定物の厚み測定を行うことができる。
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ヘテロダイン干渉装置Ａの構成図，図２はヘテロダイン干渉装置Ａにおいてクロストークノイズ成分の係数算出の際に特定されるリサージュ曲線及びその座標系の説明に関する図，図３はヘテロダイン干渉装置Ａによる位相差測定処理の手順の一例を表すフローチャート，図４は本発明の実施形態に係る厚み測定装置Ｂの構成図である。
ここに，図１は本発明の実施形態に係るヘテロダイン干渉装置Ａの構成図，図２はヘテロダイン干渉装置Ａにおいてクロストークノイズ成分の係数算出の際に特定されるリサージュ曲線及びその座標系の説明に関する図，図３はヘテロダイン干渉装置Ａによる位相差測定処理の手順の一例を表すフローチャート，図４は本発明の実施形態に係る厚み測定装置Ｂの構成図である。
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ヘテロダイン干渉装置Ａについて説明する。
ヘテロダイン干渉装置Ａは，二偏波光源２から出射されるわずかに周波数の異なる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２（レーザビーム光）が入力され，それら２つの測定光の一方（図１では，Ｐ１）を物体光として被測定物１の測定部位１ａに反射させるとともに，他方（図１ではＰ２）を参照光として所定の基準板２４の表面（基準面）に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともに，その干渉光のビート信号に基づいて，前記物体光と前記参照光との位相差Δθ（以下，目的位相差Δθという）を測定するものである。
図１に示すように，ヘテロダイン干渉装置Ａは，二偏波光源２と，第１の干渉計Ｑ１と，２本の光ファイバ２０と，第２の干渉計Ｑ２と，第３の干渉計Ｑ３と，２つの位相検波器（第１位相検波器４及び第２位相検波器５）と，計算機６とを備えている。
ヘテロダイン干渉装置Ａは，二偏波光源２から出射されるわずかに周波数の異なる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２（レーザビーム光）が入力され，それら２つの測定光の一方（図１では，Ｐ１）を物体光として被測定物１の測定部位１ａに反射させるとともに，他方（図１ではＰ２）を参照光として所定の基準板２４の表面（基準面）に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともに，その干渉光のビート信号に基づいて，前記物体光と前記参照光との位相差Δθ（以下，目的位相差Δθという）を測定するものである。
図１に示すように，ヘテロダイン干渉装置Ａは，二偏波光源２と，第１の干渉計Ｑ１と，２本の光ファイバ２０と，第２の干渉計Ｑ２と，第３の干渉計Ｑ３と，２つの位相検波器（第１位相検波器４及び第２位相検波器５）と，計算機６とを備えている。
前記二偏波光源２は，周波数がわずかに異なる２つのレーザビーム光である測定光Ｐ１，Ｐ２を同軸で出射するレーザ光源である。この二偏波光源２は，一般に，ゼーマンレーザと称される。以下，一方の測定光を第１測定光Ｐ１，他方の測定光を第２測定光Ｐ２という。なお，図１においては，便宜上，両測定光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，実際は，両測定光Ｐ１，Ｐ２は同じ軸（同じ光路）に沿って出射される。第１測定光Ｐ１及び第２測定光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，一方の測定光の周波数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，両測定光の周波数の差Δｆは数十ｋＨｚ程度である。また，二偏波光源２が出射する第１測定光Ｐ１及び第２測定光Ｐ２は，それぞれ偏波面の方向が異なる。ここでは，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の偏波面は直交しているものとする。これら第１測定光Ｐ１及び第２測定光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。
また，前記第１の干渉計Ｑ１は，前記二偏波光源２の近くに配置され，ビームスプリッタ３と，偏光板１２と，光検出器１３（以下，第１の光検出器１３という）とを備える干渉計である。
前記第１の干渉計Ｑ１には，前記二偏波光源２から２つの測定光Ｐ１，Ｐ２が入力され，その２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組を前記ビームスプリッタ１１によって２分岐させる。以下，２分岐させた一方の測定光の組を第１の主測定光の組，他方の測定光の組を第１の副測定光の組と称する。なお，前記第１の主測定光の組は，測定部位１ａの方向へ導かれる測定光であり，前記第１の副測定光の組は，当該第１の干渉計Ｑ１において干渉させるための測定光である。
さらに，前記第１の干渉計Ｑ１において，前記偏光板１２が，前記第１の副測定光の組のうち，所定方向（両測定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，前記第１の副測定光の組を干渉させる。さらに，前記第１の光検出器１３が，その第１の副測定光の組の干渉光（以下，第１の干渉光という）を受光して光電変換を行うことにより，前記第１の干渉光のビート信号（以下，第１のビート信号Ｓｇ１という）を検出する。この第１の光検出器１３の検出信号Ｓｇ１は，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へ伝送される。
前記第１の干渉計Ｑ１には，前記二偏波光源２から２つの測定光Ｐ１，Ｐ２が入力され，その２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組を前記ビームスプリッタ１１によって２分岐させる。以下，２分岐させた一方の測定光の組を第１の主測定光の組，他方の測定光の組を第１の副測定光の組と称する。なお，前記第１の主測定光の組は，測定部位１ａの方向へ導かれる測定光であり，前記第１の副測定光の組は，当該第１の干渉計Ｑ１において干渉させるための測定光である。
さらに，前記第１の干渉計Ｑ１において，前記偏光板１２が，前記第１の副測定光の組のうち，所定方向（両測定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，前記第１の副測定光の組を干渉させる。さらに，前記第１の光検出器１３が，その第１の副測定光の組の干渉光（以下，第１の干渉光という）を受光して光電変換を行うことにより，前記第１の干渉光のビート信号（以下，第１のビート信号Ｓｇ１という）を検出する。この第１の光検出器１３の検出信号Ｓｇ１は，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へ伝送される。
２本の前記光ファイバ２０は，前記第１の主測定光の組（前記ビームスプリッタ１１による分岐光の組の一方）における２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を個別に伝播させ，それら測定光Ｐ１，Ｐ２を前記第１の干渉計Ｑ１から測定部位１ａの付近に配置された前記第１の干渉計Ｑ２へ導く導光手段の一例である。
前記第２の干渉計Ｑ２は，測定部位１ａの近くに配置され，ビームスプリッタ３１と，偏光板３２と，光検出器３３（以下，第２の光検出器３３という）とを備える干渉計である。
前記第２の干渉計Ｑ２には，前記光ファイバ２０を通じて伝播されてきた２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組（前記第１の主測定光の組）が入力され，その２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組を前記ビームスプリッタ３１によって２分岐させる。以下，２分岐させた一方の測定光の組を第２の主測定光の組，他方の測定光の組を第２の副測定光の組と称する。なお，前記第２の主測定光の組は，測定部位１ａの方向へ導かれる測定光であり，前記第２の副測定光の組は，当該第２の干渉計Ｑ２において干渉させるための測定光である。
さらに，前記第２の干渉計Ｑ２において，前記偏光板３２が，前記第２の副測定光の組のうち，所定方向（両測定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，前記第２の副測定光の組を干渉させる。さらに，前記第２の光検出器３３が，その第２の副測定光の組の干渉光（以下，第２の干渉光という）を受光して光電変換を行うことにより，前記第２の干渉光のビート信号（以下，第２のビート信号Ｓｇ２という）を検出する。この第２の光検出器３３の検出信号Ｓｇ２は，前記第２位相検波器５へ伝送される。
前記第２の干渉計Ｑ２は，測定部位１ａの近くに配置され，ビームスプリッタ３１と，偏光板３２と，光検出器３３（以下，第２の光検出器３３という）とを備える干渉計である。
前記第２の干渉計Ｑ２には，前記光ファイバ２０を通じて伝播されてきた２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組（前記第１の主測定光の組）が入力され，その２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組を前記ビームスプリッタ３１によって２分岐させる。以下，２分岐させた一方の測定光の組を第２の主測定光の組，他方の測定光の組を第２の副測定光の組と称する。なお，前記第２の主測定光の組は，測定部位１ａの方向へ導かれる測定光であり，前記第２の副測定光の組は，当該第２の干渉計Ｑ２において干渉させるための測定光である。
さらに，前記第２の干渉計Ｑ２において，前記偏光板３２が，前記第２の副測定光の組のうち，所定方向（両測定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，前記第２の副測定光の組を干渉させる。さらに，前記第２の光検出器３３が，その第２の副測定光の組の干渉光（以下，第２の干渉光という）を受光して光電変換を行うことにより，前記第２の干渉光のビート信号（以下，第２のビート信号Ｓｇ２という）を検出する。この第２の光検出器３３の検出信号Ｓｇ２は，前記第２位相検波器５へ伝送される。
前記第３の干渉計Ｑ３は，前記第２の干渉計Ｑ２と測定部位１ａとの間に配置され，偏光ビームスプリッタ（以下，ＰＢＳと記載する）２１と，４分の１波長板２２，２３と，基準板２４と，偏光板２５と，光検出器２６（以下，第３の光検出器２６という）とを備える干渉計である。
前記第３の干渉計Ｑ３において，前記ＰＢＳ２１には，前記第２の干渉計Ｑ２を通じて伝播されてきた２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組（前記第２の主測定光の組）が入力される。
前記ＰＢＳ２１は，一方の測定光Ｐ１を測定部位１ａ方向へ導くことによってその測定光Ｐ１を物体光として測定部位１ａに反射させるとともに，他方の測定光Ｐ２を前記基準板２４の方向へ導くことによってその測定光Ｐ２を参照光として前記基準板２４の表面（基準面）に反射させる。
ここで，前記ＰＢＳ２１と測定部位１ａとの間に配置された４分の１波長板２２の存在により，物体光が前記ＰＢＳ２１から前記測定部位１ａ側へ出射されるときと前記測定部位１ａ側から入射されるときとで偏光の状態（Ｐ偏光かＳ偏光か）が入れ替わる。同様に，前記ＰＢＳ２１と前記基準面との間に配置された４分の１波長板２３の存在により，参照光が前記ＰＢＳ２１から前記基準面側へ出射されるときと前記基準面側から入射されるときとで偏光の状態（Ｐ偏光かＳ偏光か）が入れ替わる。さらに，前記ＰＢＳ２１は，前記測定部位１ａ及び前記基準面それぞれからの反射してきた前記物体光及び前記参照光を同じ方向（前記偏光板３２の方向）へ導く。
また，前記偏光板２５は，前記物体光及び前記参照光の組のうち，所定方向（両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，前記物体光と前記参照光とを干渉させる。さらに，前記第３の光検出器２６が，前記物体光及び前記参照光の干渉光（以下，第３の干渉光という）を受光して光電変換を行うことにより，前記第３の干渉光のビート信号（以下，第３のビート信号Ｓｇ３という）を検出する。この第３の光検出器２６の検出信号Ｓｇ３は，前記第１位相検波器４及び前記計算機６へ伝送される。
前記第３の干渉計Ｑ３において，前記ＰＢＳ２１には，前記第２の干渉計Ｑ２を通じて伝播されてきた２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組（前記第２の主測定光の組）が入力される。
前記ＰＢＳ２１は，一方の測定光Ｐ１を測定部位１ａ方向へ導くことによってその測定光Ｐ１を物体光として測定部位１ａに反射させるとともに，他方の測定光Ｐ２を前記基準板２４の方向へ導くことによってその測定光Ｐ２を参照光として前記基準板２４の表面（基準面）に反射させる。
ここで，前記ＰＢＳ２１と測定部位１ａとの間に配置された４分の１波長板２２の存在により，物体光が前記ＰＢＳ２１から前記測定部位１ａ側へ出射されるときと前記測定部位１ａ側から入射されるときとで偏光の状態（Ｐ偏光かＳ偏光か）が入れ替わる。同様に，前記ＰＢＳ２１と前記基準面との間に配置された４分の１波長板２３の存在により，参照光が前記ＰＢＳ２１から前記基準面側へ出射されるときと前記基準面側から入射されるときとで偏光の状態（Ｐ偏光かＳ偏光か）が入れ替わる。さらに，前記ＰＢＳ２１は，前記測定部位１ａ及び前記基準面それぞれからの反射してきた前記物体光及び前記参照光を同じ方向（前記偏光板３２の方向）へ導く。
また，前記偏光板２５は，前記物体光及び前記参照光の組のうち，所定方向（両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，前記物体光と前記参照光とを干渉させる。さらに，前記第３の光検出器２６が，前記物体光及び前記参照光の干渉光（以下，第３の干渉光という）を受光して光電変換を行うことにより，前記第３の干渉光のビート信号（以下，第３のビート信号Ｓｇ３という）を検出する。この第３の光検出器２６の検出信号Ｓｇ３は，前記第１位相検波器４及び前記計算機６へ伝送される。
また，前記第３の干渉計Ｑ３は，前記基準板２４を支持するとともに，その支持位置を前記参照光の光軸方向において任意に調節することにより，前記参照光の光路長を任意に（少なくとも３段階以上）調節する位置調節機構（不図示）を備えている。
前記第１位相検波器４は，前記第１のビート信号Ｓｇ１と前記第３のビート信号Ｓｇ３の位相差（以下，第１の位相差Δθ1と称する）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（前記第１の位相差検出手段の一例）。
また，前記第２位相検波器５は，前記第１のビート信号Ｓｇ１と前記第２のビート信号Ｓｇ２の位相差（以下，第２の位相差Δθ2と称する）を検出検出し，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（前記第２の位相差検出手段の一例）。例えば，前記第１位相検波器４及び前記第２位相検波器５として，ロックインアンプを採用することができる。
また，前記計算機６は，不図示のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び各種の信号を入力する信号入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や制御を行うコンピュータである。例えば，この計算機６は，前記第１のビート信号Ｓｇ１の信号レベルＬ１，前記第３のビート信号Ｓｇ３の信号レベルＬ３，前記第１の位相差Δθ１及び前記第２の位相差Δθ２に基づいて各種の演算を実行することにより，前記目的位相差Δθ（前記物体光と前記参照光との位相差）を算出する。
また，前記計算機６は，前記位置調節機構（不図示）を制御することにより，前記参照光の光路長を調節する。
なお，以下に示す前記計算機６による処理は，その計算機６が備えるＣＰＵが所定のプログラムを実行することにいよって実現される。
前記第１位相検波器４は，前記第１のビート信号Ｓｇ１と前記第３のビート信号Ｓｇ３の位相差（以下，第１の位相差Δθ1と称する）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（前記第１の位相差検出手段の一例）。
また，前記第２位相検波器５は，前記第１のビート信号Ｓｇ１と前記第２のビート信号Ｓｇ２の位相差（以下，第２の位相差Δθ2と称する）を検出検出し，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（前記第２の位相差検出手段の一例）。例えば，前記第１位相検波器４及び前記第２位相検波器５として，ロックインアンプを採用することができる。
また，前記計算機６は，不図示のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び各種の信号を入力する信号入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や制御を行うコンピュータである。例えば，この計算機６は，前記第１のビート信号Ｓｇ１の信号レベルＬ１，前記第３のビート信号Ｓｇ３の信号レベルＬ３，前記第１の位相差Δθ１及び前記第２の位相差Δθ２に基づいて各種の演算を実行することにより，前記目的位相差Δθ（前記物体光と前記参照光との位相差）を算出する。
また，前記計算機６は，前記位置調節機構（不図示）を制御することにより，前記参照光の光路長を調節する。
なお，以下に示す前記計算機６による処理は，その計算機６が備えるＣＰＵが所定のプログラムを実行することにいよって実現される。
以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａにより，被測定物１の測定が実行されると，以下に示すステップＳ１１〜Ｓ１３の処理が自動的に実行される。
（Ｓ１１）：前記第１の干渉計Ｑ１において，前記ビームスプリッタ１１によって２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組を第１の前記主測定光の組及び前記第１の副測定光の組に分岐させ，さらに，前記偏光板１２によって前記第１の副測定光の組を干渉させるとともに，その干渉光のビート信号である前記第１のビート信号Ｓｇ１を前記第１の光検出器１３によって検出する処理（前記第１のビート信号検出工程の一例）。
（Ｓ１２）：前記第２の干渉計Ｑ２において，前記光ファイバ２０を通じて前記第１の干渉計Ｑ１から測定部位１ａの付近へ導かれた前記第１の主測定光の組を，前記ビームスプリッタ３１によって前記第２の主測定光の組及び前記第２の副測定光の組に分岐させ，さらに，前記偏光板３２によって前記第２の副測定光の組を干渉させるとともに，その干渉光のビート信号である前記第２のビート信号Ｓｇ２を前記第２の光検出器３３によって検出する処理（前記第２のビート信号検出工程の一例）。
（Ｓ１３）：前記第３の干渉計Ｑ３において，前記第２の主測定光の組における測定光の一方Ｐ１を物体光として測定部位１ａに反射させるとともに，他方Ｐ２を参照光として前記基準面に反射させ，さらに，前記偏光板２５によって前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともに，その干渉光のビート信号である第３のビート信号Ｓｇ３を前記第３の光検出器２６によって検出する処理（前記第３のビート信号検出工程の一例）。
（Ｓ１１）：前記第１の干渉計Ｑ１において，前記ビームスプリッタ１１によって２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の組を第１の前記主測定光の組及び前記第１の副測定光の組に分岐させ，さらに，前記偏光板１２によって前記第１の副測定光の組を干渉させるとともに，その干渉光のビート信号である前記第１のビート信号Ｓｇ１を前記第１の光検出器１３によって検出する処理（前記第１のビート信号検出工程の一例）。
（Ｓ１２）：前記第２の干渉計Ｑ２において，前記光ファイバ２０を通じて前記第１の干渉計Ｑ１から測定部位１ａの付近へ導かれた前記第１の主測定光の組を，前記ビームスプリッタ３１によって前記第２の主測定光の組及び前記第２の副測定光の組に分岐させ，さらに，前記偏光板３２によって前記第２の副測定光の組を干渉させるとともに，その干渉光のビート信号である前記第２のビート信号Ｓｇ２を前記第２の光検出器３３によって検出する処理（前記第２のビート信号検出工程の一例）。
（Ｓ１３）：前記第３の干渉計Ｑ３において，前記第２の主測定光の組における測定光の一方Ｐ１を物体光として測定部位１ａに反射させるとともに，他方Ｐ２を参照光として前記基準面に反射させ，さらに，前記偏光板２５によって前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともに，その干渉光のビート信号である第３のビート信号Ｓｇ３を前記第３の光検出器２６によって検出する処理（前記第３のビート信号検出工程の一例）。
次に，ヘテロダイン干渉装置Ａによる前記目的位相差の測定原理について説明する。
２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれの周波数をｆ及び（ｆ＋Δｆ），時間をｔ，一方の測定光Ｐ１の初期位相をφs，２つの測定光Ｐ１及びＰ２の初期位相差をΔφ0，２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれのノイズを除く本来の電界強度振幅をａs及びａrとすると，クロストークノイズ成分を考慮しない（含まない）２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれの電界強度Ｅs0及びＥr0は，次の（１）式及び（２）式により表される。
また，電界強度がＥs0及びＥr0で表される２つの測定光の干渉光（重ね合わせた光）を受光する光検出器で検出される強度Ｉ0は，次の（３）式により表される。なお，一般的な光検出器では，高周波数で変化する光の電界強度をそのまま検出することができず，（３）式に示されるように，その電界強度の２乗値の時間平均値となる光強度Ｉ0が検出される。
この（３）式において，第１項はオフセット成分であり，第２項がビート信号の成分を表す。
２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれの周波数をｆ及び（ｆ＋Δｆ），時間をｔ，一方の測定光Ｐ１の初期位相をφs，２つの測定光Ｐ１及びＰ２の初期位相差をΔφ0，２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれのノイズを除く本来の電界強度振幅をａs及びａrとすると，クロストークノイズ成分を考慮しない（含まない）２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれの電界強度Ｅs0及びＥr0は，次の（１）式及び（２）式により表される。
一方，２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれのクロストークノイズ成分の電界強度振幅をａs0及びａr0とすると，クロストークノイズ成分を含む２つの測定光Ｐ１及びＰ２それぞれの電界強度Ｅs及びＥrは，次の（４）式及び（５）式により表される。
これら（４）式及び（５）式により表される測定光Ｐ１，Ｐ２の干渉光（重ね合わせた光）の電界強度におけるビート信号成分Ｉbx（オフセット成分を除いたもの）は，次の（６）式により表される。
この（６）式における第１項は（３）式の第２項と同じであり，クロストークノイズ成分を除く本来の信号成分である。また，（６）式における第２項〜第４項は，クロストークノイズ成分である。ここで，振幅ａs及びａrは同程度の大きさであり，クロストークノイズ成分の振幅ａs0及びａr0は，振幅ａs及びａrに比べて１０％程度以下と期待できる。従って，（６）式において，第１項に対し，第２項及び第３項は１０％程度以下の大きさ，第４項は１％程度以下の大きさとなる。また，（６）式の第２項及び第３項におけるΔφ1，Δφ2は，同じ光路を通る２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の干渉により生じるものであるため時間的に安定している。よって，（６）式において，第４項を無視し，また，正弦波と正弦波との和は正弦波であることを考慮して第２項と第３項とを併せると，クロストークノイズ成分を含むビート信号のレベル（強度）Ｉbcrossは，次の（７）式により表される。
なお，（７）式において，Ｉbはクロストークノイズ成分を含まない（ゼロである）ビート信号の振幅，Ｉcはクロストークノイズ成分のビート信号の振幅，Δφはクロストークノイズ成分を含まない本来の２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の位相差， Δφcは２つの測定光Ｐ１，Ｐ２におけるクロストークノイズ成分の位相差である。
ところで，所定の変数ｘ，ｒ，ａが存在し，変数ｒが１に比べて十分小さい（例えば，ｒ≦０．１）場合，それら変数を含む近似式である次の（８）式が成立する。この（８）式の詳細については後述する。
また，前述したように，クロストークノイズ成分の大きさがそれ以外の信号成分の大きさに対して１０％程度以下である，即ち，（Ｉc／Ｉb≦０．１）であると期待されるので，この（８）式が成立することを前提に（７）式を変形すると，次の（９）式を導くことができる。
この（９）式におけるコサイン（余弦）関数内部の第３項が，クロストークノイズ成分を含む部分である。
ここで，前記光ファイバ２０による伝播経路（前記第１の干渉計Ｑ１から前記第２の干渉計Ｑ２までの光路）において生じる２つの測定光Ｐ１及びＰ２の位相差をΔψとすると，（Δφ＝Δφ0＋Δψ）と表すことができる。
そして，前記目的位相差（前記物体光の光路長と前記参照光の光路長との差に起因する前記物体光及び前記参照光の位相差）をΔθとすると，前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１（前記第１の干渉光のビート信号の強度），前記第２のビート信号Ｓｇ２のレベルＬ２（前記第２の干渉光のビート信号の強度）及び前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３（前記第３の干渉光のビート信号の強度）は，それぞれ次の（１０）式〜（１２）式により表される。
なお，（８）式において，Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3は，それぞれ第１〜第３のビート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ３の振幅である。
ここで，前記光ファイバ２０による伝播経路（前記第１の干渉計Ｑ１から前記第２の干渉計Ｑ２までの光路）において生じる２つの測定光Ｐ１及びＰ２の位相差をΔψとすると，（Δφ＝Δφ0＋Δψ）と表すことができる。
そして，前記目的位相差（前記物体光の光路長と前記参照光の光路長との差に起因する前記物体光及び前記参照光の位相差）をΔθとすると，前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１（前記第１の干渉光のビート信号の強度），前記第２のビート信号Ｓｇ２のレベルＬ２（前記第２の干渉光のビート信号の強度）及び前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３（前記第３の干渉光のビート信号の強度）は，それぞれ次の（１０）式〜（１２）式により表される。
また，（１０）式〜（１２）式より，前記第１の位相差Δθ1及び前記第２の位相差Δθ2は，それぞれ次の（１３）式及び（１４）式により表される。
また，（１３）式及び（１４）式より，，前記第１の位相差Δθ1及び前記第２の位相差θ2の差（Δθ1−Δθ2）は，次の（１５）式により表すことができる。
これら（１０）式〜（１２）式において，（Ｉc／Ｉb）及び（Δφc−Δφ0）は，それぞれクロストークノイズ成分の振幅及び位相を表すパラメータである。
次に，図２を参照しつつ，クロストークノイズ成分の振幅及び位相について説明する。
図２は，前記クロストークノイズ成分の係数（前記クロストーク係数Ｒct，αct）算出の際に特定されるリサージュ曲線Ｃr及びその座標系の説明（一点鎖線の枠内）に関する図である。
なお，図２に示すリサージュ曲線は，図１に示す第１位相検波器４の検波信号に基づくリサージュ曲線の一例，即ち，第１位相検波器４の検波信号（第１ビート信号Ｓｇ１を参照信号とした第３ビート信号Ｓｇ３についての位相検波信号）のＣＯＳ（余弦）成分の信号値及びＳＩＮ（正弦）成分の信号値を，２次元座標における直交する座標軸（Ｘ軸及びＹ軸）それぞれの座標値とすることにより描かれる曲線の一例である。
前記第１の干渉計Ｑ１から前記第３の干渉計Ｑ３に至る２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の伝播経路において，それら測定光Ｐ１，Ｐ２にクロストークが生じない，或いは無視できる程度のクロストークしか生じないとすると，前記第１の干渉計Ｑ１の位置と前記第３の干渉計Ｑ２の位置とで，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２における前記クロストークノイズ成分は変化しない（同じである）とみなせる。
また，図２の一点鎖線の枠内に示すように，前記参照光の光路長を複数段階に変化させた各状態において，前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１，前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３及び前記第１の位相差Δθ1を測定した場合を考える。この場合，その測定により得られた前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１に対する前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３の比（Ｌ３／Ｌ１）を，二次元座標（Ｘ−Ｙ座標）における原点を基点とするベクトルの大きさＲとし，同測定により得られた前記第１の位相差Δθ1を，前記ベクトルのＸ軸に対する角度αとすると，その（Ｌ３／Ｌ１）及びΔθ１に基づき特定されるリサージュ曲線Ｃrは，図２に示すグラフのように概ね円又は楕円状となる。
図２は，前記クロストークノイズ成分の係数（前記クロストーク係数Ｒct，αct）算出の際に特定されるリサージュ曲線Ｃr及びその座標系の説明（一点鎖線の枠内）に関する図である。
なお，図２に示すリサージュ曲線は，図１に示す第１位相検波器４の検波信号に基づくリサージュ曲線の一例，即ち，第１位相検波器４の検波信号（第１ビート信号Ｓｇ１を参照信号とした第３ビート信号Ｓｇ３についての位相検波信号）のＣＯＳ（余弦）成分の信号値及びＳＩＮ（正弦）成分の信号値を，２次元座標における直交する座標軸（Ｘ軸及びＹ軸）それぞれの座標値とすることにより描かれる曲線の一例である。
前記第１の干渉計Ｑ１から前記第３の干渉計Ｑ３に至る２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の伝播経路において，それら測定光Ｐ１，Ｐ２にクロストークが生じない，或いは無視できる程度のクロストークしか生じないとすると，前記第１の干渉計Ｑ１の位置と前記第３の干渉計Ｑ２の位置とで，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２における前記クロストークノイズ成分は変化しない（同じである）とみなせる。
また，図２の一点鎖線の枠内に示すように，前記参照光の光路長を複数段階に変化させた各状態において，前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１，前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３及び前記第１の位相差Δθ1を測定した場合を考える。この場合，その測定により得られた前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１に対する前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３の比（Ｌ３／Ｌ１）を，二次元座標（Ｘ−Ｙ座標）における原点を基点とするベクトルの大きさＲとし，同測定により得られた前記第１の位相差Δθ1を，前記ベクトルのＸ軸に対する角度αとすると，その（Ｌ３／Ｌ１）及びΔθ１に基づき特定されるリサージュ曲線Ｃrは，図２に示すグラフのように概ね円又は楕円状となる。
そして，前記リサージュ曲線Ｃrを円又は楕円で近似したときに，原点からその円又は楕円の中心Ｏctまでのベクトルの大きさＲct及びＸ軸に対する角度αctは，前記参照光の光路長の変化にかかわらず変化しない信号成分の大きさ及び位相，即ち，前記クロストークノイズ成分の大きさ及び位相を表すパラメータ（係数）となる。即ち，原点からその円又は楕円の中心Ｏctまでのベクトルの大きさＲct及びＸ軸に対する角度αctは，それぞれ前述した（１０）式〜（１２）式における（Ｉc／Ｉb）及び（Δφc−Δφ0）を表し，次の（１６）式及び（１７）式が成立する。
従って，前記計算機６により，前記中心ＯctまでのベクトルにおけるＲct及びαctを算出することによって（Ｉc／Ｉb）及び（Δφc−Δφ0）が既知となる。また，それらが既知となれば，それと前記第２位相検波器５によって検出される前記第２の位相差Δθ2とを（１４）式に適用することにより， Δψ（光ファイバ２０による伝播経路で生じる位相差）を算出することができる。さらに，そのようにして算出したΔψと，測定値であるＬ１とＬ３とΔθ1とに基づき算出した（Ｉc／Ｉb）［＝Ｒct］及び（Δφc−Δφ0）［＝αct］と，前記第１位相検波器４及び前記第２位相検波器５によって検出される位相差Δθ1及びΔθ2とを（１５）式に適用することにより，前記目的位相差Δθを算出することができる。このようにして算出される目的位相差Δθは，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分Δψと，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークに起因する誤差成分とが除去された精度の高い測定値である。
ここで，前述した（８）式が成立することについて簡単に説明する。
所定の変数ｘ，ａ，ｒを含む三角関数である（８）式の左辺は，次の（１８）式のように変形できる。
また，変数ｒが１に比べて十分に小さく（例えば，ｒ≦０．１），１＋ｒ・ｃｏｓ(ａ)≒１とみなせるとき，（１８）式におけるｄも十分に小さいので，ｓｉｎ(ｄ)≒ｄとみなせることから，次の（１９）式及び（２０）式が成立するとみなせる。
従って，変数ｒが１に比べて十分小さい（例えば，ｒ≦０．１）場合，これら（１９）式及び（２０）式に基づけば，（１８）式を前述した（８）式に変形することができる。
所定の変数ｘ，ａ，ｒを含む三角関数である（８）式の左辺は，次の（１８）式のように変形できる。
次に，図３に示すフローチャートを参照しつつ，ヘテロダイン干渉装置Ａによる位相差測定処理の手順の一例について説明する。なお，以下に示すＳ１，Ｓ２は，前記計算機６により実行される処理の手順（ステップ）の識別符号を表す。
まず，前記計算機６は，前記位置調節機構（不図示）を通じて，前記参照光の光路長を所定長さに設定（調節）する（Ｓ１）。
さらに，前記計算機６は，ステップＳ１において前記参照光の光路長を設定するごとに，当該ヘテロダイン干渉装置Ａによる被測定物１の測定（前述のステップＳ１１〜Ｓ１３の処理）を実行させるとともに，前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１（前記第１の干渉光の強度），前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３（前記第３の干渉光の強度）及び前記第１の位相差Δθ1の入力（測定）及びその測定値の記憶部への記録を行う（Ｓ２）。
さらに，前記計算機６は，ステップＳ１における前記参照光の光路長の調節範囲が，測定光Ｐ１，Ｐ２の波長λと概ね等しい範囲に至ったか否かを判別する（Ｓ３）。
このように，前記計算機６は，前記参照光の光路長を，その調節範囲が概ね測定光Ｐ１，Ｐ２の波長λとほぼ等しい範囲となるまで予め定められた長さずつ変化させ（Ｓ１），前記参照光の光路長が少なくとも３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１，前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３及び前記第１の位相差Δθ1をその記憶部に記録する（Ｓ２）。例えば，前記測定光Ｐ１，Ｐ２の波長λが０．６３μｍ程度である場合，前記計算機６は，前記参照光の光路長を初期状態から０．０２６μｍずつ変化させ（即ち，前記基準板２４を初期位置からその半分の０．０１３μｍずつ移動させる），２４通り（２４段階）の前記参照光の光路長それぞれについて測定値Ｌ１，Ｌ３，Δθ1を記録する。なお，その際の前記物体光の光路長は固定されている。
まず，前記計算機６は，前記位置調節機構（不図示）を通じて，前記参照光の光路長を所定長さに設定（調節）する（Ｓ１）。
さらに，前記計算機６は，ステップＳ１において前記参照光の光路長を設定するごとに，当該ヘテロダイン干渉装置Ａによる被測定物１の測定（前述のステップＳ１１〜Ｓ１３の処理）を実行させるとともに，前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１（前記第１の干渉光の強度），前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３（前記第３の干渉光の強度）及び前記第１の位相差Δθ1の入力（測定）及びその測定値の記憶部への記録を行う（Ｓ２）。
さらに，前記計算機６は，ステップＳ１における前記参照光の光路長の調節範囲が，測定光Ｐ１，Ｐ２の波長λと概ね等しい範囲に至ったか否かを判別する（Ｓ３）。
このように，前記計算機６は，前記参照光の光路長を，その調節範囲が概ね測定光Ｐ１，Ｐ２の波長λとほぼ等しい範囲となるまで予め定められた長さずつ変化させ（Ｓ１），前記参照光の光路長が少なくとも３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号Ｓｇ１のレベルＬ１，前記第３のビート信号Ｓｇ３のレベルＬ３及び前記第１の位相差Δθ1をその記憶部に記録する（Ｓ２）。例えば，前記測定光Ｐ１，Ｐ２の波長λが０．６３μｍ程度である場合，前記計算機６は，前記参照光の光路長を初期状態から０．０２６μｍずつ変化させ（即ち，前記基準板２４を初期位置からその半分の０．０１３μｍずつ移動させる），２４通り（２４段階）の前記参照光の光路長それぞれについて測定値Ｌ１，Ｌ３，Δθ1を記録する。なお，その際の前記物体光の光路長は固定されている。
次に，前記計算機６は，ステップＳ１〜Ｓ３の処理によって検出及び記録された３通り以上の前記参照光の光路長それぞれについての前記第１のビート信号のレベルＬ１，前記第３のビート信号のレベルＬ３及び前記第１の位相差Δθ1に基づいて，前記第２のビート信号Ｓｇ２及び前記第３のビート信号Ｓｇ２に含まれる前記２つの測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークに起因するノイズ成分（以下，クロストークノイズ成分という）の大きさ及び位相に関する係数である前記クロストーク係数Ｒct，αctを算出し，その算出結果を記憶部に記録する（Ｓ４，前記クロストーク係数算出手段の一例）。
このステップＳ４において，前記計算機６は，まず，ステップＳ１〜Ｓ３の処理によって検出及び記録された３通り以上の前記参照光の光路長それぞれについての前記第１位相検波器４の検波信号に基づくリサージュ曲線Ｃr（図２参照）を，周知のフィッティング処理によって円若しくは楕円で近似する。このようにリサージュ曲線Ｃrを円若しくは楕円で近似するためには，少なくとも前記物体光に対する前記測定光の光路長の差を少なくとも３通り（３段階）以上に変化させた各状態で測定値Ｌ１，Ｌ３，Δθ1を得る必要があるが，近似精度を高めるためには，３通りよりも多くの状態での測定値を得ておくことが望ましい。なお，図２には，２４通りの測定値に基づくリサージュ曲線Ｃrが示されている。
さらに，前記計算機６は，前記フィッティング処理により得られた円又は楕円の中心Ｏct（図２参照）の座標を算出する。
さらに，前記計算機６は，前記円又は楕円の中心Ｏctの座標に基づいて，前記クロストーク係数Ｒct，αctを算出する。なお，図２に示したように，前記クロストーク係数Ｒct，αctは，原点から前記リサージュ曲線Ｃrを近似する円又は楕円の中心Ｏctまでのベクトルの大きさ（Ｒct）及びＸ軸に対する角度（αct）である。
なお，以上に示したステップＳ１〜Ｓ４の処理は，被測定物１を測定する処理ではなく，当該ヘテロダイン干渉装置Ａが用いる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の特性を測定する処理であるため，被測定物１それぞれについて実施する必要はない。例えば，１日に複数の被測定物１を測定する場合，ステップＳ１〜Ｓ４の処理をその日に１回だけ行う程度でよい。
このステップＳ４において，前記計算機６は，まず，ステップＳ１〜Ｓ３の処理によって検出及び記録された３通り以上の前記参照光の光路長それぞれについての前記第１位相検波器４の検波信号に基づくリサージュ曲線Ｃr（図２参照）を，周知のフィッティング処理によって円若しくは楕円で近似する。このようにリサージュ曲線Ｃrを円若しくは楕円で近似するためには，少なくとも前記物体光に対する前記測定光の光路長の差を少なくとも３通り（３段階）以上に変化させた各状態で測定値Ｌ１，Ｌ３，Δθ1を得る必要があるが，近似精度を高めるためには，３通りよりも多くの状態での測定値を得ておくことが望ましい。なお，図２には，２４通りの測定値に基づくリサージュ曲線Ｃrが示されている。
さらに，前記計算機６は，前記フィッティング処理により得られた円又は楕円の中心Ｏct（図２参照）の座標を算出する。
さらに，前記計算機６は，前記円又は楕円の中心Ｏctの座標に基づいて，前記クロストーク係数Ｒct，αctを算出する。なお，図２に示したように，前記クロストーク係数Ｒct，αctは，原点から前記リサージュ曲線Ｃrを近似する円又は楕円の中心Ｏctまでのベクトルの大きさ（Ｒct）及びＸ軸に対する角度（αct）である。
なお，以上に示したステップＳ１〜Ｓ４の処理は，被測定物１を測定する処理ではなく，当該ヘテロダイン干渉装置Ａが用いる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の特性を測定する処理であるため，被測定物１それぞれについて実施する必要はない。例えば，１日に複数の被測定物１を測定する場合，ステップＳ１〜Ｓ４の処理をその日に１回だけ行う程度でよい。
次に，前記計算機６は，前記位置調節機構（不図示）を通じて，前記参照光の光路長を所定長さに設定（調節）する（Ｓ５）。
次に，被測定物１の測定条件の設定を行う（Ｓ６）。例えば，被測定物１の表面形状（表面変位の分布）を測定する場合，このステップＳ６において，前記計算機６が不図示のＸ−Ｙステージを制御することにより，前記第３の干渉計Ｑ３に対する被測定物１の位置決め（測定部位１ａの位置決め）を行う。また，測定部位１ａの励起による屈折率変化を測定する場合，このステップＳ６において，前記計算機６が，不図示の光源を制御することにより，測定部位１ａに対して励起光を照射する制御を行う。
そして，ステップＳ６で設定された条件下において，前記計算機６は，当該ヘテロダイン干渉装置Ａによる被測定物１の測定（前述のステップＳ１１〜Ｓ１３の処理）を実行させるとともに，前記第１の位相差Δθ1及び前記第２の位相差Δθ2の入力（測定）及びその測定値の記憶部への記録を行う（Ｓ７）。
次に，被測定物１の測定条件の設定を行う（Ｓ６）。例えば，被測定物１の表面形状（表面変位の分布）を測定する場合，このステップＳ６において，前記計算機６が不図示のＸ−Ｙステージを制御することにより，前記第３の干渉計Ｑ３に対する被測定物１の位置決め（測定部位１ａの位置決め）を行う。また，測定部位１ａの励起による屈折率変化を測定する場合，このステップＳ６において，前記計算機６が，不図示の光源を制御することにより，測定部位１ａに対して励起光を照射する制御を行う。
そして，ステップＳ６で設定された条件下において，前記計算機６は，当該ヘテロダイン干渉装置Ａによる被測定物１の測定（前述のステップＳ１１〜Ｓ１３の処理）を実行させるとともに，前記第１の位相差Δθ1及び前記第２の位相差Δθ2の入力（測定）及びその測定値の記憶部への記録を行う（Ｓ７）。
次に，前記計算機６は，ステップＳ４で算出した前記クロストーク係数Ｒct［＝Ｉc／Ｉb］，αct［＝Δφc−Δφ0］と，ステップＳ８で検出された前記第１の位相差Δθ1及び前記第２の位相差Δθ2とに基づいて，（１４）式及び（１５）式に基づく計算を実行することにより，前記目的位相差Δθを算出し，その算出結果を記憶部に記録する（Ｓ８，前記目的位相差算出手段の一例）。
そして，前記計算機６は，所定の測定終了条件が成立したと判別（Ｓ９）するまで，ステップＳ６〜Ｓ８の処理を繰り返す。
ヘテロダイン干渉装置Ａを用いて以上の処理を実行することにより，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分Δψと，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度で前記目的位相差Δθの測定を行うことができる。
そして，前記計算機６は，所定の測定終了条件が成立したと判別（Ｓ９）するまで，ステップＳ６〜Ｓ８の処理を繰り返す。
ヘテロダイン干渉装置Ａを用いて以上の処理を実行することにより，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の伝播経路の状態変動に起因する誤差成分Δψと，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークに起因する誤差成分とを除去して高精度で前記目的位相差Δθの測定を行うことができる。
次に，図４を参照しつつ，以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａを備えた本発明の実施形態に係る厚み測定装置Ｂについて説明する。なお，図４において，図１に示したヘテロダイン干渉装置Ａと同じ構成要素については同じ符号が付されている。
薄板状の半導体ウェハのように厚みが薄い（例えば，厚みが１ｍｍ未満）被測定物１は，そのエッジ部のみで支持された場合，わずかな風圧や他の機械の振動等によってが振動する。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等においては，無視できない振幅の振動となる。本発明の実施形態に係る厚み測定装置Ｂは，例えば，薄板状の半導体ウェハ等，厚みが非常に薄い（例えば，厚みが１ｍｍ未満）ために測定中に振動が生じる被測定物１の厚みを高精度で測定したい場合に好適な装置である。
薄板状の半導体ウェハのように厚みが薄い（例えば，厚みが１ｍｍ未満）被測定物１は，そのエッジ部のみで支持された場合，わずかな風圧や他の機械の振動等によってが振動する。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等においては，無視できない振幅の振動となる。本発明の実施形態に係る厚み測定装置Ｂは，例えば，薄板状の半導体ウェハ等，厚みが非常に薄い（例えば，厚みが１ｍｍ未満）ために測定中に振動が生じる被測定物１の厚みを高精度で測定したい場合に好適な装置である。
図４に示すように，厚み測定装置Ｂは，ビームスプリッタ３と，被測定物１の一方の面（以下，おもて面という）について設けられたおもて側ヘテロダイン干渉装置Ａａと，被測定物１の他方の面（以下，うら面という）について設けられたうら側ヘテロダイン干渉装置Ａｂとを備えている。
前記ビームスプリッタ３は，前記二偏波光源２から出射された前記２つの測定光Ｐ１，Ｐ２（わずかに周波数の異なる２つの測定光）それぞれを分岐させるものである（前記基幹光分岐手段の一例）。
前記おもて側ヘテロダイン干渉装置Ａａは，前記ビームスプリッタ３により分岐された２つの測定光Ｐ１及びＰ２の組の一方が入力され，被測定物１の表裏相対する部位の一方であるおもて面の測定部位１ａについて，前記目的位相差Δθを測定する装置である。同様に，前記うら側ヘテロダイン干渉装置Ａｂは，前記ビームスプリッタ３により分岐された２つの測定光Ｐ１及びＰ２の組の残りの一方が入力され，被測定物１の前記おもて面の測定部位１ａに対して表裏相対する部位であるうら面の測定部位１ｂについて，前記目的位相差Δθを測定する装置である。これら２つのヘテロダイン干渉装置Ａａ，Ａｂは，それぞれ前記ヘテロダイン干渉装置Ａと同じ構成を備えている。但し，計算機６’は，２つのヘテロダイン干渉装置Ａａ，Ａｂについて共用され，前記おもて面の測定部位１ａ及び前記うら面の測定部位１ｂそれぞれについての前記目的位相差Δθの測定に関わる演算及び制御（前記計算機６が実行する処理）を実行する。以下，各信号及び測定値を表す符号に添字”a”を付したものは前記おもて側ヘテロダイン干渉装置Ａａにおける信号及び測定値を，添字”b”を付したものは前記うら側ヘテロダイン干渉装置Ａｂにおける信号及び測定値を表す。
前記ビームスプリッタ３は，前記二偏波光源２から出射された前記２つの測定光Ｐ１，Ｐ２（わずかに周波数の異なる２つの測定光）それぞれを分岐させるものである（前記基幹光分岐手段の一例）。
前記おもて側ヘテロダイン干渉装置Ａａは，前記ビームスプリッタ３により分岐された２つの測定光Ｐ１及びＰ２の組の一方が入力され，被測定物１の表裏相対する部位の一方であるおもて面の測定部位１ａについて，前記目的位相差Δθを測定する装置である。同様に，前記うら側ヘテロダイン干渉装置Ａｂは，前記ビームスプリッタ３により分岐された２つの測定光Ｐ１及びＰ２の組の残りの一方が入力され，被測定物１の前記おもて面の測定部位１ａに対して表裏相対する部位であるうら面の測定部位１ｂについて，前記目的位相差Δθを測定する装置である。これら２つのヘテロダイン干渉装置Ａａ，Ａｂは，それぞれ前記ヘテロダイン干渉装置Ａと同じ構成を備えている。但し，計算機６’は，２つのヘテロダイン干渉装置Ａａ，Ａｂについて共用され，前記おもて面の測定部位１ａ及び前記うら面の測定部位１ｂそれぞれについての前記目的位相差Δθの測定に関わる演算及び制御（前記計算機６が実行する処理）を実行する。以下，各信号及び測定値を表す符号に添字”a”を付したものは前記おもて側ヘテロダイン干渉装置Ａａにおける信号及び測定値を，添字”b”を付したものは前記うら側ヘテロダイン干渉装置Ａｂにおける信号及び測定値を表す。
また，前記計算機６’は，前記おもて面及び前記うら面の測定部位１ａ，１ｂそれぞれについて，２つのヘテロダイン干渉装置Ａａ，Ａｂの測定結果に基づき算出した前記目的位相差の和（Δθa＋Δθb）に基づいて，被測定物１の厚み（測定部位１ａ及び１ｂの表面間の距離）を算出し，その算出結果をその記憶部に記録する処理を実行する（前記厚み算出手段の一例）。
当該厚み測定装置Ｂは，被測定物１のおもて面及びうら面について，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の光源として同じ光源２（前記二偏波光源）を用いるものである。
前記計算機６’によって被測定物１のおもて面及びうら面について算出される前記目的位相差Δθa及びΔθbそれぞれには，そのおもて面及びうら面の測定部位１ａ，１ｂそれぞれにおける突出方向の変位量が同じ方向の位相差（前記物体光の光路長が短くなる方向の位相差）として反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和（Δθa＋Δθb）は，被測定物１の厚みを表す。ここで，（Δθa＋Δθb）そのものを被測定物１の厚みの指標値として算出することの他，（Δθa＋Δθb）を予め定められた換算式に基づいて他の厚みの指標値に換算することも考えられる。
なお，（Δθa＋Δθb）は，被測定物１の厚みの絶対値を特定できる測定値ではなく，測定部位１ａ，１ｂを変化させたときの相対的な厚み（厚み分布）を特定できる測定値である。このような測定値を算出することは，半導体ウェーハのように厚み分布の均一性を高精度で評価することが重要となる測定対象において有効である。
また，厚み測定装置Ｂにおいては，被測定物１が振動する場合，その振動による測定部位の変位量の成分は，前記おもて面及びうら面それぞれの前記目的位相差Δθa，Δθbに同じ量だけ逆方向に反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和（Δθa＋Δθb）において，被測定物１の振動の影響は除かれている。
従って，厚み測定装置Ｂによれば，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の前記おもて面及びうら面それぞれへの伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークに起因する誤差成分と，被測定物１の振動に起因する誤差成分とを除去して高精度での被測定物１の厚み測定を行うことができる。
当該厚み測定装置Ｂは，被測定物１のおもて面及びうら面について，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の光源として同じ光源２（前記二偏波光源）を用いるものである。
前記計算機６’によって被測定物１のおもて面及びうら面について算出される前記目的位相差Δθa及びΔθbそれぞれには，そのおもて面及びうら面の測定部位１ａ，１ｂそれぞれにおける突出方向の変位量が同じ方向の位相差（前記物体光の光路長が短くなる方向の位相差）として反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和（Δθa＋Δθb）は，被測定物１の厚みを表す。ここで，（Δθa＋Δθb）そのものを被測定物１の厚みの指標値として算出することの他，（Δθa＋Δθb）を予め定められた換算式に基づいて他の厚みの指標値に換算することも考えられる。
なお，（Δθa＋Δθb）は，被測定物１の厚みの絶対値を特定できる測定値ではなく，測定部位１ａ，１ｂを変化させたときの相対的な厚み（厚み分布）を特定できる測定値である。このような測定値を算出することは，半導体ウェーハのように厚み分布の均一性を高精度で評価することが重要となる測定対象において有効である。
また，厚み測定装置Ｂにおいては，被測定物１が振動する場合，その振動による測定部位の変位量の成分は，前記おもて面及びうら面それぞれの前記目的位相差Δθa，Δθbに同じ量だけ逆方向に反映される。そのため，前記おもて面及びうら面それぞれについて算出される前記目的位相差の和（Δθa＋Δθb）において，被測定物１の振動の影響は除かれている。
従って，厚み測定装置Ｂによれば，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２の前記おもて面及びうら面それぞれへの伝播経路の状態変動に起因する誤差成分と，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークに起因する誤差成分と，被測定物１の振動に起因する誤差成分とを除去して高精度での被測定物１の厚み測定を行うことができる。
以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａ，Ａａ，Ａｂでは，ゼーマンレーザを光源として周波数の異なる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を得る構成を示したが，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２は，１つの測定光を出射する光源と，出射された測定光を２分岐させるビームスプリッタと，２分岐された一方の測定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。
また，１つの半導体レーザに対する注入電流を周期的に線形変化（ノコギリ状に変化）させることにより，その半導体レーザの出力光の周波数を線形変化させるとともに，その出力光をビームスプリッタ等によって２分岐させ，分岐後の一方の測定光を遅延させることにより，周波数のわずかに異なる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を得る光源も考えられる。
また，以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａ，Ａａ，Ａｂにおいて，ミラー等によって前記第１の主測定光の組を前記第１の干渉計Ｑ１から測定部位１ａの付近へ導くことも考えられる。但し，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を重ねて（同一光路で）導光する距離を長くすると両測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークの影響が大きくなる。そのため，ミラー等により導光する場合であっても，前記第１の主測定光の組における２つの測定光を前記第１の干渉計Ｑ１から前記第２の干渉計Ｑ２まで個別の経路（同軸ではない光路）で導くことが望ましい。
また，１つの半導体レーザに対する注入電流を周期的に線形変化（ノコギリ状に変化）させることにより，その半導体レーザの出力光の周波数を線形変化させるとともに，その出力光をビームスプリッタ等によって２分岐させ，分岐後の一方の測定光を遅延させることにより，周波数のわずかに異なる２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を得る光源も考えられる。
また，以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａ，Ａａ，Ａｂにおいて，ミラー等によって前記第１の主測定光の組を前記第１の干渉計Ｑ１から測定部位１ａの付近へ導くことも考えられる。但し，２つの測定光Ｐ１，Ｐ２を重ねて（同一光路で）導光する距離を長くすると両測定光Ｐ１，Ｐ２のクロストークの影響が大きくなる。そのため，ミラー等により導光する場合であっても，前記第１の主測定光の組における２つの測定光を前記第１の干渉計Ｑ１から前記第２の干渉計Ｑ２まで個別の経路（同軸ではない光路）で導くことが望ましい。
また，以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａ，Ａａ，Ａｂは，測定光Ｐ１，Ｐ２の分岐手段としてビームスプリッタ１１，３１を備えているが，これらの代わりに偏光ビームスプリッタによって測定光Ｐ１，Ｐ２を分岐させることも考えられる。但し，偏光ビームスプリッタを用いる場合，分岐後の測定光の偏光を制御する偏光板が必要となる場合がある。
また，以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａ，Ａａ，Ａｂは，前記物体光と前記参照光との光路長の差を任意に（３段階以上）設定するために，前記基準板２４の位置を調節する機構を備えるものであった。しかしながら，その代わりに，被測定物１を支持するとともに，その支持位置を前記物体光の光軸方向において任意に調節することにより，前記物体光の光路長を任意に（少なくとも３段階以上）調節する位置調節機構（不図示）を設けることも考えられる。
また，以上に示したヘテロダイン干渉装置Ａ，Ａａ，Ａｂは，前記物体光と前記参照光との光路長の差を任意に（３段階以上）設定するために，前記基準板２４の位置を調節する機構を備えるものであった。しかしながら，その代わりに，被測定物１を支持するとともに，その支持位置を前記物体光の光軸方向において任意に調節することにより，前記物体光の光路長を任意に（少なくとも３段階以上）調節する位置調節機構（不図示）を設けることも考えられる。
本発明は，ヘテロダイン干渉装置及びそれを備えた厚み測定装置に利用可能である。
Ａ，Ａａ，Ａｂ：本発明の実施形態に係るヘテロダイン干渉装置
Ｂ ：本発明の実施形態に係る厚み測定装置
Ｑ１：第１の干渉計
Ｑ２：第２の干渉計
Ｑ３：第３の干渉計
１ ：被測定物
１ａ，１ｂ：測定部位
２ ：二偏波光源
３，１１，３１：ビームスプリッタ
４ ：第１位相検波器
５ ：第２位相検波器
６，６’：計算機
２０：光ファイバ
Ｐ１，Ｐ２：測定光
Ｃr：リサージュ曲線
Ｓ１，Ｓ２，…：処理手順（ステップ）
Ｂ ：本発明の実施形態に係る厚み測定装置
Ｑ１：第１の干渉計
Ｑ２：第２の干渉計
Ｑ３：第３の干渉計
１ ：被測定物
１ａ，１ｂ：測定部位
２ ：二偏波光源
３，１１，３１：ビームスプリッタ
４ ：第１位相検波器
５ ：第２位相検波器
６，６’：計算機
２０：光ファイバ
Ｐ１，Ｐ２：測定光
Ｃr：リサージュ曲線
Ｓ１，Ｓ２，…：処理手順（ステップ）
Claims (5)
- 周波数の異なる２つの測定光が入力され，該２つの測定光の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに他方を参照光として所定の基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるヘテロダイン干渉装置であって，
入力された前記２つの測定光の組を第１の主測定光の組及び第１の副測定光の組に分岐させ，該第１の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第１のビート信号を検出する第１の干渉計と，
前記第１の主測定光の組を，前記第１の干渉計から前記測定部位の方へ前記２つの測定光それぞれについて個別の経路で導く導光手段と，
前記導光手段により前記測定部位の方へ導かれた前記第１の主測定光の組を第２の主測定光の組及び第２の副測定光の組に分岐させ，該第２の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第２のビート信号を検出する第２の干渉計と，
前記第２の主測定光の組における測定光の一方を物体光として前記測定部位に反射させるとともに他方を参照光として前記基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第３のビート信号を検出する第３の干渉計と，
前記物体光又は前記参照光の光路長を少なくとも３段階以上調節する光路長調節手段と，
前記第１のビート信号と前記第３のビート信号の位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出手段と，
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である第２の位相差を検出する第２の位相差検出手段と，
前記光路長調節手段により前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号と前記第３のビート信号と前記第１の位相差とに基づいて，前記第２のビート信号及び前記第３のビート信号に含まれる前記２つの測定光のクロストークに起因するノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出するクロストーク係数算出手段と，
前記第１の位相差と前記第２の位相差と前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数とに基づいて前記物体光と前記参照光との位相差を算出する目的位相差算出手段と，を具備し、
前記クロストーク係数算出手段は，
前記光路長調節手段により前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号を参照信号とした前記第３のビート信号についての位相検波信号におけるＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とで描かれるリサージュ曲線を，円若しくは楕円で近似したときの該円又は楕円の中心座標を算出し，該中心座標に基づいて前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出してなることを特徴とするヘテロダイン干渉装置。 - 前記導光手段が，前記第１の主測定光の組における２つの測定光を個別に伝播させる２本の光ファイバを有してなる請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置。
- 周波数の異なる２つの測定光の一方を物体光として被測定物の測定部位に反射させるとともに他方を参照光として所定の基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光との干渉光のビート信号に基づいて，前記物体光と前記参照光との位相差を測定するヘテロダイン干渉測定方法であって，
所定の第１の干渉計により，前記２つの測定光の組を第１の主測定光の組及び第１の副測定光の組に分岐させ，該第１の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第１のビート信号を検出する第１のビート信号検出工程と，
所定の導光手段を通じて前記第１の干渉計から前記測定部位の方へ前記２つの測定光それぞれについて個別の経路で導かれた前記第１の主測定光の組を，所定の第２の干渉計により，第２の主測定光の組及び第２の副測定光の組に分岐させ，該第２の副測定光の組を干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第２のビート信号を検出する第２のビート信号検出工程と，
所定の第３の干渉計により，前記第２の主測定光の組における測定光の一方を物体光として前記測定部位に反射させるとともに他方を参照光として前記基準面に反射させ，前記物体光と前記参照光とを干渉させるとともにその干渉光のビート信号である第３のビート信号を検出する第３のビート信号検出工程と，
所定の第１の位相差検出手段により前記第１のビート信号と前記第３のビート信号の位相差である第１の位相差を検出する第１の位相差検出工程と，
前記物体光又は前記参照光の光路長が少なくとも３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号に対する前記第３のビート信号の比と前記第１の位相差とに基づいて，前記第２のビート信号及び前記第３のビート信号に含まれる前記２つの測定光のクロストークに起因するノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出し，その算出結果を所定の記憶手段に記録するクロストーク係数算出工程と，
所定の演算手段により，前記第１の位相差と前記第２の位相差と前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数とに基づいて前記物体光と前記参照光との位相差を算出する目的位相差算出工程と，を備え、
前記クロストーク係数算出工程において，
前記演算手段により，前記物体光又は前記参照光の光路長が３段階以上調節された各状態において検出された前記第１のビート信号を参照信号とした，前記第３のビート信号についての位相検波信号におけるＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とで描かれるリサージュ曲線を，円若しくは楕円で近似したときの該円又は楕円の中心座標を算出し，該中心座標に基づいて前記ノイズ成分の大きさ及び位相に関する係数を算出してなることを特徴とするヘテロダイン干渉測定方法。 - 被測定物の厚みを測定する厚み測定装置であって，
周波数の異なる２つの測定光それぞれを分岐させる基幹光分岐手段と，
前記基幹光分岐手段により分岐された前記２つの測定光の組がそれぞれ入力され，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それぞれについて設けられた請求項１または２に記載のヘテロダイン干渉装置と，
前記おもて面及び前記うら面の測定部位それぞれについて前記ヘテロダイン干渉装置により算出された前記目的位相差の和に基づいて前記被測定物の厚みを算出する厚み算出手段と，
を具備してなることを特徴とする厚み測定装置。 - 被測定物の厚みを測定する厚み測定方法であって，
所定の光分岐手段により周波数の異なる２つの測定光それぞれを分岐させ，分岐後の前記２つの測定光の組それぞれを入力光として，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それぞれについて請求項３に記載のヘテロダイン干渉測定方法による測定を実行し，前記おもて面及び前記うら面の測定部位それぞれについて前記ヘテロダイン干渉測定方法の実行により算出された前記目的位相差の和に基づいて前記被測定物の厚みを算出する厚み算出工程を実行してなることを特徴とする厚み測定方法。
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