JP4897586B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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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（相対的な表面高さの分布）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，ウェハ等の被測定物の表面ほぼ全体の形状（相対的な厚みの分布）を連続的に（支持位置の変更なしに）測定するためには，その被測定物をエッジ部のみ或いはごく狭い１箇所の部分のみ（例えば，中央部のみ）で支持した状態で形状測定を行う必要がある。一方，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或いは中央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（１０ｎｍ程度））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。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。
特開２００２−５６４０号公報
特開２００３−３２９４２２号公報
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。
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。例えば，測定対象物の一方の面から他方の面へ波長６３３ｎｍの観測光（干渉光）を長さ１ｍの光ファイバによって伝送する場合，その光ファイバの温度が０．１Ｋ変化するだけで，光伝播媒体の屈折率変化により，その観測光の位相が，主面側から裏面側へ伝送される間に約半波長分（約３００ｎｍ）変化することになり，これが大きな測定誤差の原因となる。
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。
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。例えば，測定対象物の一方の面から他方の面へ波長６３３ｎｍの観測光（干渉光）を長さ１ｍの光ファイバによって伝送する場合，その光ファイバの温度が０．１Ｋ変化するだけで，光伝播媒体の屈折率変化により，その観測光の位相が，主面側から裏面側へ伝送される間に約半波長分（約３００ｎｍ）変化することになり，これが大きな測定誤差の原因となる。
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）〜（５）に示す各構成要素を備えた形状測定装置である。
（１）半導体レーザに対する注入電流を一定周期で所定の電流値範囲において線形変化させる注入電流変調手段。
（２）前記半導体レーザから出射される測定光を分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位である主面の測定部位及び裏面の測定部位の各方向へ導く導光手段。
（３）前記主面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を第１の物体光及び第１の参照光に２分岐させて前記第１の物体光を前記主面の測定部位に照射させるとともに，前記第１の参照光を第１の参照面に照射させ，前記主面の測定部位に反射した前記第１の物体光と前記第１の参照面に反射した前記第１の参照光とを干渉させ，その干渉光のビート信号を出力する主面側の干渉計。
（４）前記裏面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を第２の物体光及び第２の参照光に２分岐させて前記第２の物体光を前記裏面の測定部位に照射させるとともに，前記第２の参照光を第２の参照面に照射させ，前記裏面の測定部位に反射した前記第２の物体光と前記第２の参照面に反射した前記第２の参照光とを干渉させ，その干渉光のビート信号を出力する裏面側の干渉計。
（５）前記主面側の干渉計及び前記裏面側の干渉計のそれぞれから出力される２つのビート信号に基づいて該２つのビート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測定値として出力する位相検波手段。
但し，前記第１の物体光の光路長Ｌ1wに対する前記第１の参照光の光路長Ｍ1wの差が，前記第２の物体光の光路長Ｌ2wに対する前記第２の参照光の光路長Ｍ2wの差に対して絶対値が略等しく正負が逆である。即ち，本発明に係る形状測定装置は，（Ｌ1w−Ｍ1w）≒−（Ｌ2w−Ｍ2w）かつ｜Ｌ1w−Ｍ1w｜＞０となるように，前記参照面が形成された参照板及び前記被測定物，並びに前記測定光を分岐，導光する光学機器のそれぞれを支持する支持手段を備えている。なお，各光路長Ｌ1w，Ｍ1w，Ｌ2w，Ｍ2wの関係は，前記被測定物の表面形状（相対的な厚みの分布）及び前記被測定物の振動に起因する光路長Ｌ1w，Ｌ2wの変動分は無視したものである。
（１）半導体レーザに対する注入電流を一定周期で所定の電流値範囲において線形変化させる注入電流変調手段。
（２）前記半導体レーザから出射される測定光を分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位である主面の測定部位及び裏面の測定部位の各方向へ導く導光手段。
（３）前記主面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を第１の物体光及び第１の参照光に２分岐させて前記第１の物体光を前記主面の測定部位に照射させるとともに，前記第１の参照光を第１の参照面に照射させ，前記主面の測定部位に反射した前記第１の物体光と前記第１の参照面に反射した前記第１の参照光とを干渉させ，その干渉光のビート信号を出力する主面側の干渉計。
（４）前記裏面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を第２の物体光及び第２の参照光に２分岐させて前記第２の物体光を前記裏面の測定部位に照射させるとともに，前記第２の参照光を第２の参照面に照射させ，前記裏面の測定部位に反射した前記第２の物体光と前記第２の参照面に反射した前記第２の参照光とを干渉させ，その干渉光のビート信号を出力する裏面側の干渉計。
（５）前記主面側の干渉計及び前記裏面側の干渉計のそれぞれから出力される２つのビート信号に基づいて該２つのビート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測定値として出力する位相検波手段。
但し，前記第１の物体光の光路長Ｌ1wに対する前記第１の参照光の光路長Ｍ1wの差が，前記第２の物体光の光路長Ｌ2wに対する前記第２の参照光の光路長Ｍ2wの差に対して絶対値が略等しく正負が逆である。即ち，本発明に係る形状測定装置は，（Ｌ1w−Ｍ1w）≒−（Ｌ2w−Ｍ2w）かつ｜Ｌ1w−Ｍ1w｜＞０となるように，前記参照面が形成された参照板及び前記被測定物，並びに前記測定光を分岐，導光する光学機器のそれぞれを支持する支持手段を備えている。なお，各光路長Ｌ1w，Ｍ1w，Ｌ2w，Ｍ2wの関係は，前記被測定物の表面形状（相対的な厚みの分布）及び前記被測定物の振動に起因する光路長Ｌ1w，Ｌ2wの変動分は無視したものである。
本発明に係る形状測定装置において，前記注入電流変調手段は，レベル（電流値）がノコギリ波状に変化する電流を前記半導体レーザに対して注入（供給）する（後に説明する図２参照）。その電流値の変化範囲を前記半導体レーザに応じた特定の範囲に設定すると，その注入電流の線形変化（一定の変化率での変化）に同期して，前記半導体レーザの発振周波数（出力光の周波数）もほぼ線形に変化する（後に説明する図３参照）。そのため，前記第１及び第２の物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wに対する前記第１及び第２の参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wに差を設ければ，それらが重なって干渉光を形成する段階において，物体光と参照光との間でわずかな周波数差が生じる。従って，その干渉光のビート信号は，周知のヘテロダイン干渉計の出力信号（ビート信号）と同様に取り扱うことができる。即ち，周知のヘテロダイン干渉計の原理により，前記主面側の干渉計のビート信号は，前記被測定物における前記主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。同様に，前記裏面の測定部位の表面位置（高さ）に応じて，前記裏面側の干渉計のビート信号の位相が定まる。
ここで，前記主面側の干渉計のビート信号の位相には，前記主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，前記裏面側の干渉計のビート信号の位相には，前記裏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，前記主面側の干渉計と前記裏面側の干渉計とでは，物体光の光路長と参照光の光路長との大小関係が逆になっている。
このため，前記位相検波手段により検出される位相差は，後述するように前記被測定物の振動による変位量ΔＮの成分が相殺され，前記主面の測定部位自体の形状の成分及び前記裏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主面の測定部位及び前記裏面の測定部位の位置の厚みに相当する測定値となる。
しかも，本発明においては，観測光（干渉光）を主面側から裏面側へ伝送する必要がないため，観測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）によって生じる観測光の揺らぎが測定精度の悪化を招くという問題も生じない。
ここで，前記主面側の干渉計のビート信号の位相には，前記主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，前記裏面側の干渉計のビート信号の位相には，前記裏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，前記主面側の干渉計と前記裏面側の干渉計とでは，物体光の光路長と参照光の光路長との大小関係が逆になっている。
このため，前記位相検波手段により検出される位相差は，後述するように前記被測定物の振動による変位量ΔＮの成分が相殺され，前記主面の測定部位自体の形状の成分及び前記裏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主面の測定部位及び前記裏面の測定部位の位置の厚みに相当する測定値となる。
しかも，本発明においては，観測光（干渉光）を主面側から裏面側へ伝送する必要がないため，観測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）によって生じる観測光の揺らぎが測定精度の悪化を招くという問題も生じない。
ところで，前記測定光について，前記半導体レーザから前記導光手段により前記主面及び前記裏面のそれぞれへ導かれる経路において揺らぎが生じた場合，その揺らぎの影響が前記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り得る。
そこで，本発明に係る形状測定装置が，さらに次の（６）〜（１１）に示す各構成要素を備えることが考えられる。
（６）前記主面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を前記主面側の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主面側の主副分光手段。
（７）前記主面側の主副分光手段により分岐された前記副光を受光してその強度信号を出力する主面側の副光強度検出手段。
（８）前記主面側の干渉計から出力されるビート信号を，前記主面側の副光強度検出手段により検出された前記副光の強度信号に基づいて補正する主面側のビート信号補正手段。
（９）前記裏面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を前記裏面側の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裏面側の主副分光手段。
（１０）前記裏面側の主副分光手段により分岐された前記副光を受光してその強度信号を出力する裏面側の副光強度検出手段。
（１１）前記裏面側の干渉計から出力されるビート信号を，前記裏面側の副光強度検出手段により検出された前記副光の強度信号に基づいて補正する裏面側のビート信号補正手段。
但し，この場合，前記位相検波手段が，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段による補正後の２つのビート信号の位相差を検出する。
前記（６）〜（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，前記測定光について，前記主面及び前記裏面のそれぞれへ導かれる経路において揺らぎが生じた場合，その揺らぎの成分が，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段によって除去（補正）される。従って，その補正後のビート信号に基づいて前記第１の位相検波手段により検出される位相差は，前記揺らぎの影響が除去された測定値となる。
なお，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段の具体例としては，前記ビート信号を前記副光の強度信号により除算するものが考えられる。
そこで，本発明に係る形状測定装置が，さらに次の（６）〜（１１）に示す各構成要素を備えることが考えられる。
（６）前記主面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を前記主面側の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主面側の主副分光手段。
（７）前記主面側の主副分光手段により分岐された前記副光を受光してその強度信号を出力する主面側の副光強度検出手段。
（８）前記主面側の干渉計から出力されるビート信号を，前記主面側の副光強度検出手段により検出された前記副光の強度信号に基づいて補正する主面側のビート信号補正手段。
（９）前記裏面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を前記裏面側の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裏面側の主副分光手段。
（１０）前記裏面側の主副分光手段により分岐された前記副光を受光してその強度信号を出力する裏面側の副光強度検出手段。
（１１）前記裏面側の干渉計から出力されるビート信号を，前記裏面側の副光強度検出手段により検出された前記副光の強度信号に基づいて補正する裏面側のビート信号補正手段。
但し，この場合，前記位相検波手段が，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段による補正後の２つのビート信号の位相差を検出する。
前記（６）〜（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，前記測定光について，前記主面及び前記裏面のそれぞれへ導かれる経路において揺らぎが生じた場合，その揺らぎの成分が，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段によって除去（補正）される。従って，その補正後のビート信号に基づいて前記第１の位相検波手段により検出される位相差は，前記揺らぎの影響が除去された測定値となる。
なお，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段の具体例としては，前記ビート信号を前記副光の強度信号により除算するものが考えられる。
また，本発明に係る形状測定装置が，さらに，次の（１２）に示される構成要素を備えることも考えられる。
（１２）複数箇所の前記主面の測定部位及び前記裏面の測定部位について前記位相検波手段により得られた前記測定値に基づいて，前記被測定物の厚み分布（基準位置の厚みに対する相対的な厚みの分布）を算出してその算出値を出力する厚み分布算出手段。
なお，本発明に係る形状測定装置が，前記厚み分布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測定値を出力することも考えられる。
（１２）複数箇所の前記主面の測定部位及び前記裏面の測定部位について前記位相検波手段により得られた前記測定値に基づいて，前記被測定物の厚み分布（基準位置の厚みに対する相対的な厚みの分布）を算出してその算出値を出力する厚み分布算出手段。
なお，本発明に係る形状測定装置が，前記厚み分布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測定値を出力することも考えられる。
本発明によれば，前記主面の測定部位自体の形状の成分及び前記裏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，ヘテロダイン干渉計とみなせる前記主面側の干渉計と前記裏面側の干渉計とにおいて，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（観測光）を被測定物の主面から裏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。
また，本発明においては，光源から被測定物の近傍（主面側及び裏面側）まで導く測定光が，一般的なヘテロダイン干渉計のように周波数の異なる２つの測定光（物体光と参照光）ではなく１つの単波長光である。そのため，本発明においては，測定光を被測定物の近傍まで導く過程において物体光と参照光とに位相のずれが生じて測定精度の悪化を招くこともない。
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。
また，本発明においては，光源から被測定物の近傍（主面側及び裏面側）まで導く測定光が，一般的なヘテロダイン干渉計のように周波数の異なる２つの測定光（物体光と参照光）ではなく１つの単波長光である。そのため，本発明においては，測定光を被測定物の近傍まで導く過程において物体光と参照光とに位相のずれが生じて測定精度の悪化を招くこともない。
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の主要部の構成図，図２は形状測定装置Ｘにおける電流変調電源の半導体レーザに対する注入電流の変化を表すグラフ，図３は形状測定装置Ｘにおける半導体レーザの発振周波数の変化を表すグラフ，図４は形状測定装置Ｘにおいて干渉光を構成する物体光及び参照光の周波数の変化を表すグラフ，図５は形状測定装置Ｘによるウェーハの形状測定の状況を模式的に表した図，図６は形状測定装置Ｘに採用し得る斜入射式の干渉計の一例を表す構成図である。
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，半導体レーザ２と，ビームスプリッタ３（以下，ＢＳ３と記載する）と，複数のミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２と，Ａ面側干渉計ａ２０及びＢ面側干渉計ｂ２０と，Ａ面側補正信号検出器ａ３０及びＢ面側補正信号検出器ｂ３０と，Ａ面側除算器ａ４及びＢ面側除算気ｂ４と，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（前記主面に相当），これと表裏の関係にある他方の面をＢ面（前記裏面に相当）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（前記主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（前記裏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複数の測定部位についての測定値を得る。
ここに，図１は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの主要部の構成図，図２は形状測定装置Ｘにおける電流変調電源の半導体レーザに対する注入電流の変化を表すグラフ，図３は形状測定装置Ｘにおける半導体レーザの発振周波数の変化を表すグラフ，図４は形状測定装置Ｘにおいて干渉光を構成する物体光及び参照光の周波数の変化を表すグラフ，図５は形状測定装置Ｘによるウェーハの形状測定の状況を模式的に表した図，図６は形状測定装置Ｘに採用し得る斜入射式の干渉計の一例を表す構成図である。
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，半導体レーザ２と，ビームスプリッタ３（以下，ＢＳ３と記載する）と，複数のミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２と，Ａ面側干渉計ａ２０及びＢ面側干渉計ｂ２０と，Ａ面側補正信号検出器ａ３０及びＢ面側補正信号検出器ｂ３０と，Ａ面側除算器ａ４及びＢ面側除算気ｂ４と，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（前記主面に相当），これと表裏の関係にある他方の面をＢ面（前記裏面に相当）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（前記主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（前記裏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複数の測定部位についての測定値を得る。
前記半導体レーザ２は，所定の周波数（波長）の単波長ビーム光を測定光として出射するレーザ光源である。前記測定光の周波数は，特に限定されるものではないが，例えば，５×１０8ＭＨｚ程度（可視光のレーザ光源を採用した場合の例）である。
図２に示すグラフは，前記電流変調電源１０の前記半導体レーザ２に対する注入電流Ｉ(ｔ)（供給電流）の変化を表す。また，図３に示すグラフは，前記半導体レーザ２の発振周波数の変化を表す。
図２に示すように，前記電流変調電源１０は，前記半導体レーザ２に対する注入電流（供給電流）を一定周期（１／ｆm(秒)）で予め定められた電流値範囲ＩL〜ＩHにおいて線形変化（一定の変化率で変化）させる電源である（前記注入電流変調手段の一例）。即ち，前記電流変調電源１０は，レベル（電流値）がノコギリ波状に変化する電流を前記半導体レーザ２に対して注入（供給）する。その電流値の変化範囲ＩL〜ＩHを前記半導体レーザ２に応じた特定の範囲に設定すると，図３に示すように，その注入電流Ｉ(ｔ)の線形変化に応じて，前記半導体レーザ２の発振周波数ｆ(ｔ)（出力光の周波数）も線形変化するため，注入電流Ｉ(ｔ)と同様に発振周波数ｆ(ｔ)がノコギリ状に変化する。
なお，前記半導体レーザ２において，注入電流Ｉ(ｔ)の線形変化に応じてその発振周波数ｆ(ｔ)が線形変化する電流値の範囲ＩL〜ＩHは，採用する半導体レーザの種類ごとに実験的に求める。
図２に示すグラフは，前記電流変調電源１０の前記半導体レーザ２に対する注入電流Ｉ(ｔ)（供給電流）の変化を表す。また，図３に示すグラフは，前記半導体レーザ２の発振周波数の変化を表す。
図２に示すように，前記電流変調電源１０は，前記半導体レーザ２に対する注入電流（供給電流）を一定周期（１／ｆm(秒)）で予め定められた電流値範囲ＩL〜ＩHにおいて線形変化（一定の変化率で変化）させる電源である（前記注入電流変調手段の一例）。即ち，前記電流変調電源１０は，レベル（電流値）がノコギリ波状に変化する電流を前記半導体レーザ２に対して注入（供給）する。その電流値の変化範囲ＩL〜ＩHを前記半導体レーザ２に応じた特定の範囲に設定すると，図３に示すように，その注入電流Ｉ(ｔ)の線形変化に応じて，前記半導体レーザ２の発振周波数ｆ(ｔ)（出力光の周波数）も線形変化するため，注入電流Ｉ(ｔ)と同様に発振周波数ｆ(ｔ)がノコギリ状に変化する。
なお，前記半導体レーザ２において，注入電流Ｉ(ｔ)の線形変化に応じてその発振周波数ｆ(ｔ)が線形変化する電流値の範囲ＩL〜ＩHは，採用する半導体レーザの種類ごとに実験的に求める。
前記ＢＳ３は，半導体レーザ２から出射される測定光を２分岐させる。以下，前記ＢＳ３により２分岐された各測定光を第１測定光Ｐ１及び第２測定光Ｐ２という。そして，前記ＢＳ３により分岐された一方の前記第１測定光Ｐ１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，ＢＳ３により分岐された他方の前記第２測定光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ＢＳ３及び各ミラーａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２が，前記導光手段の一例である。
ここで，前記第１測定光Ｐ１及び前記第２測定光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。
ここで，前記第１測定光Ｐ１及び前記第２測定光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面側干渉計ａ２０（前記主面側の干渉計の一例）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面側偏光板という）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測定光Ｐ１を２分岐させ，その一方を物体光（以下，第１物体光という）として前記Ａ面測定部位１ａに対してほぼ垂直に照射させるとともに，他方を参照光（以下，第１参照光という）として前記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。このとき，前記第１測定光Ｐ１は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に対して４５°斜め偏光状態で入射し，そのＡ面側ＰＢＳ（ａ２１）によって前記Ａ面測定部位１ａに向かうＰ偏光（前記第１物体光）と，前記Ａ面参照板ａ２４に向かうＳ偏光（前記第１参照光）とに分岐される。
ここで，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側へ出射される前記第１物体光の偏光の状態が変化し（Ｐ偏光から円偏光へ），また，前記Ａ面測定部位１ａに反射して前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に入射される前記第１物体光の偏光の状態が変化する（円偏光からＳ偏光へ）。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側へ出射される前記第１参照光の偏光の状態が変化し（Ｓ偏光から円偏光へ），また，前記Ａ面測参照板ａ２４に反射して前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に入射される前記第１参照光の偏光の状態が変化する（円偏光からＰ偏光へ）。
これにより，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，前記Ａ面測定部位１ａに反射した前記第１物体光と，前記Ａ面側参照板ａ２４に反射した前記第１参照光との両方を重ねて前記Ａ面側第１光検出器ａ２６の方向へ導く。
前記Ａ面側偏光板ａ２５は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）と前記Ａ面側第１光検出器ａ２６との間において，所定方向（物体光及び参照光それぞれ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物体光と前記第１参照光とを干渉させ，その干渉光（以下，Ａ面干渉光という）を前記Ａ面側第１光検出器ａ２６に入射させる。
前記Ａ面側第１光検出器ａ２６は，前記Ａ面干渉光を受光して光電変換を行うことにより，前記Ａ面干渉光の強度信号（電気信号）であるＡ面側ビート信号Ｓｉｇ１を出力する。
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測定光Ｐ１を２分岐させ，その一方を物体光（以下，第１物体光という）として前記Ａ面測定部位１ａに対してほぼ垂直に照射させるとともに，他方を参照光（以下，第１参照光という）として前記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。このとき，前記第１測定光Ｐ１は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に対して４５°斜め偏光状態で入射し，そのＡ面側ＰＢＳ（ａ２１）によって前記Ａ面測定部位１ａに向かうＰ偏光（前記第１物体光）と，前記Ａ面参照板ａ２４に向かうＳ偏光（前記第１参照光）とに分岐される。
ここで，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側へ出射される前記第１物体光の偏光の状態が変化し（Ｐ偏光から円偏光へ），また，前記Ａ面測定部位１ａに反射して前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に入射される前記第１物体光の偏光の状態が変化する（円偏光からＳ偏光へ）。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側へ出射される前記第１参照光の偏光の状態が変化し（Ｓ偏光から円偏光へ），また，前記Ａ面測参照板ａ２４に反射して前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）に入射される前記第１参照光の偏光の状態が変化する（円偏光からＰ偏光へ）。
これにより，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）は，前記Ａ面測定部位１ａに反射した前記第１物体光と，前記Ａ面側参照板ａ２４に反射した前記第１参照光との両方を重ねて前記Ａ面側第１光検出器ａ２６の方向へ導く。
前記Ａ面側偏光板ａ２５は，前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）と前記Ａ面側第１光検出器ａ２６との間において，所定方向（物体光及び参照光それぞれ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物体光と前記第１参照光とを干渉させ，その干渉光（以下，Ａ面干渉光という）を前記Ａ面側第１光検出器ａ２６に入射させる。
前記Ａ面側第１光検出器ａ２６は，前記Ａ面干渉光を受光して光電変換を行うことにより，前記Ａ面干渉光の強度信号（電気信号）であるＡ面側ビート信号Ｓｉｇ１を出力する。
また，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０（前記裏面側の干渉計の一例）も，前記Ａ面側干渉計ａ２０と同様に，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面側偏光板という）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及びｂ１２によって前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれた第２測定光Ｐ２を２分岐させ，その一方を物体光（以下，第２物体光という）として前記Ｂ面測定部位１ｂに対してほぼ垂直に照射させるとともに，他方を参照光（以下，第２参照光という）として前記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。このとき，前記第２測定光Ｐ２は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に対して４５°斜め偏光状態で入射し，そのＢ面側ＰＢＳ（ｂ２１）によって前記Ｂ面測定部位１ｂに向かうＰ偏光（前記第２物体光）と，前記Ｂ面参照板ｂ２４に向かうＳ偏光（前記第２参照光）とに分岐される。
ここで，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側へ出射される前記第２物体光の偏光の状態が変化し（Ｐ偏光から円偏光へ），また，前記Ｂ面測定部位１ｂに反射して前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に入射される前記第２物体光の偏光の状態が変化する（円偏光からＳ偏光へ）。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側へ出射される前記第１参照光の偏光の状態が変化し（Ｓ偏光から円偏光へ），また，前記Ｂ面測参照板ｂ２４に反射して前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に入射される前記第２参照光の偏光の状態が変化する（円偏光からＰ偏光へ）。
これにより，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，前記Ｂ面測定部位１ｂに反射した前記第２物体光と，前記Ｂ面側参照板ｂ２４に反射した前記第２参照光との両方を重ねて前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６の方向へ導く。
前記Ｂ面側偏光板ｂ２５は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）と前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６との間において，所定方向（物体光及び参照光それぞれ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物体光と前記第２参照光とを干渉させ，その干渉光（以下，Ｂ面干渉光という）を前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６に入射させる。
前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６は，前記Ｂ面干渉光を受光して光電変換を行うことにより，前記Ｂ面干渉光の強度信号（電気信号）であるＢ面側ビート信号Ｓｉｇ２を出力する。
前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，ミラーｂ１１及びｂ１２によって前記Ｂ面測定部位１ｂの方向へ導かれた第２測定光Ｐ２を２分岐させ，その一方を物体光（以下，第２物体光という）として前記Ｂ面測定部位１ｂに対してほぼ垂直に照射させるとともに，他方を参照光（以下，第２参照光という）として前記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。このとき，前記第２測定光Ｐ２は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に対して４５°斜め偏光状態で入射し，そのＢ面側ＰＢＳ（ｂ２１）によって前記Ｂ面測定部位１ｂに向かうＰ偏光（前記第２物体光）と，前記Ｂ面参照板ｂ２４に向かうＳ偏光（前記第２参照光）とに分岐される。
ここで，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側へ出射される前記第２物体光の偏光の状態が変化し（Ｐ偏光から円偏光へ），また，前記Ｂ面測定部位１ｂに反射して前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に入射される前記第２物体光の偏光の状態が変化する（円偏光からＳ偏光へ）。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側へ出射される前記第１参照光の偏光の状態が変化し（Ｓ偏光から円偏光へ），また，前記Ｂ面測参照板ｂ２４に反射して前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）に入射される前記第２参照光の偏光の状態が変化する（円偏光からＰ偏光へ）。
これにより，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）は，前記Ｂ面測定部位１ｂに反射した前記第２物体光と，前記Ｂ面側参照板ｂ２４に反射した前記第２参照光との両方を重ねて前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６の方向へ導く。
前記Ｂ面側偏光板ｂ２５は，前記Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）と前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６との間において，所定方向（物体光及び参照光それぞれ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物体光と前記第２参照光とを干渉させ，その干渉光（以下，Ｂ面干渉光という）を前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６に入射させる。
前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６は，前記Ｂ面干渉光を受光して光電変換を行うことにより，前記Ｂ面干渉光の強度信号（電気信号）であるＢ面側ビート信号Ｓｉｇ２を出力する。
また，形状測定装置Ｘにおいて，前記Ａ面側干渉計ａ２０における前記第１物体光の光路長Ｌ1wに対する前記第１参照光の光路長Ｍ1wの差は，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０における前記第２物体光の光路長Ｌ2wに対する前記第２参照光の光路長Ｍ2wの差に対し，絶対値が等しく，かつ，正負が逆である。即ち，形状測定装置Ｘは，（Ｌ1w−Ｍ1w）＝−（Ｌ2w−Ｍ2w）かつ｜Ｌ1w−Ｍ1w｜＞０となるように，各参照板ａ２４，ｂ２４及び前記被測定物１，並びに前記測定光Ｐ１，Ｐ２を分岐，導光する各ＰＢＳａ２１，ｂ２１のそれぞれを支持する不図示の支持機構を備えている。なお，各光路長Ｌ1w，Ｍ1w，Ｌ2w，Ｍ2wの関係は，前記被測定物１の表面形状（相対的な厚みの分布）及び前記被測定物１の振動に起因する物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wの変動分は無視したものである。
図４は，干渉光を構成する物体光及び参照光の周波数の変化を表すグラフである。
前述したように，前記半導体レーザ２の発振周波数，即ち測定光Ｐ１，Ｐ２の周波数ｆ(ｔ)は，図３に示したように周期的に線形変化する。そのため，各物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wに対する各参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wに差を設ければ，図４に示すように，物体光及び参照光が重なって干渉光を形成する段階（前記Ａ面側第１光検出器ａ２６及び前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６それぞれに入射される段階）において，物体光の周波数ｆb(ｔ)と参照光の周波数ｆr(ｔ)とにわずかな周波数差Δｆが生じる。従って，その干渉光のビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２は，周知のヘテロダイン干渉計の出力信号（ビート信号）と同様に取り扱うことができる。即ち，周知のヘテロダイン干渉計の原理により，前記Ａ面側干渉計ａ２０のビート信号Ｓｉｇ１は，前記被測定物１における前記Ａ面側測定部位１ａの表面高さに応じてその位相が定まる。同様に，前記Ｂ面測定部位１ｂの表面高さに応じて，前記裏面側干渉計ｂ２０のビート信号Ｓｉｇ２の位相が定まる。
例えば，物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wに対する参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wの差は，その光路長の差によって生じる物体光の周波数ｆb(ｔ)と参照光の周波数ｆr(ｔ)との差Δｆが数十ｋＨｚ程度となるように設定する。
図４は，干渉光を構成する物体光及び参照光の周波数の変化を表すグラフである。
前述したように，前記半導体レーザ２の発振周波数，即ち測定光Ｐ１，Ｐ２の周波数ｆ(ｔ)は，図３に示したように周期的に線形変化する。そのため，各物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wに対する各参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wに差を設ければ，図４に示すように，物体光及び参照光が重なって干渉光を形成する段階（前記Ａ面側第１光検出器ａ２６及び前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６それぞれに入射される段階）において，物体光の周波数ｆb(ｔ)と参照光の周波数ｆr(ｔ)とにわずかな周波数差Δｆが生じる。従って，その干渉光のビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２は，周知のヘテロダイン干渉計の出力信号（ビート信号）と同様に取り扱うことができる。即ち，周知のヘテロダイン干渉計の原理により，前記Ａ面側干渉計ａ２０のビート信号Ｓｉｇ１は，前記被測定物１における前記Ａ面側測定部位１ａの表面高さに応じてその位相が定まる。同様に，前記Ｂ面測定部位１ｂの表面高さに応じて，前記裏面側干渉計ｂ２０のビート信号Ｓｉｇ２の位相が定まる。
例えば，物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wに対する参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wの差は，その光路長の差によって生じる物体光の周波数ｆb(ｔ)と参照光の周波数ｆr(ｔ)との差Δｆが数十ｋＨｚ程度となるように設定する。
ところで，周知のヘテロダイン干渉計の原理により，前記Ａ面側ビート信号Ｓｉｇ１の位相には，前記Ａ面側測定部位１ａ自体の形状（凹凸）の成分と，その被測定物１の振動による変位量（ΔＮ）の成分とが反映される。同様に，前記裏面側ビート信号Ｓｉｇ２の位相には，前記裏面測定部位１ｂ自体の形状（凹凸）の成分と，その被測定物１の振動による変位量（−ΔＮ）の成分とが反映される。
また，前述したように，前記Ａ面側干渉計ａ２０と前記Ｂ面側干渉計ｂ２０とでは，物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wと参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wの関係が逆になっている。
このため，両ビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差は，前記被測定物１の振動による変位量の成分が相殺され，前記Ａ面測定部位１ａ自体の形状の成分及び前記Ｂ面測定部位１ｂ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の位置の厚みに相当する測定値となる。
しかも，本発明においては，観測光（干渉光）をＡ面側からＢ面側へ伝送する必要がないため，観測光をＡ面側からＢ面側へ導く光の伝送経路の状態（温度や湿度等）によって生じる観測光の揺らぎが測定精度の悪化を招くという問題も生じない。
なお，光路長Ｌ1w，Ｌ2w，Ｍ1w，Ｍ2wを定める光学機器は，位相検波器５により，被測定物１の両面それぞれで生じる周波数差Δｆを検波できる程度の精度で位置決めされていればよく，その位置決めの要求精度は位相検波器５の特性等により異なる。
また，前述したように，前記Ａ面側干渉計ａ２０と前記Ｂ面側干渉計ｂ２０とでは，物体光の光路長Ｌ1w，Ｌ2wと参照光の光路長Ｍ1w，Ｍ2wの関係が逆になっている。
このため，両ビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差は，前記被測定物１の振動による変位量の成分が相殺され，前記Ａ面測定部位１ａ自体の形状の成分及び前記Ｂ面測定部位１ｂ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の位置の厚みに相当する測定値となる。
しかも，本発明においては，観測光（干渉光）をＡ面側からＢ面側へ伝送する必要がないため，観測光をＡ面側からＢ面側へ導く光の伝送経路の状態（温度や湿度等）によって生じる観測光の揺らぎが測定精度の悪化を招くという問題も生じない。
なお，光路長Ｌ1w，Ｌ2w，Ｍ1w，Ｍ2wを定める光学機器は，位相検波器５により，被測定物１の両面それぞれで生じる周波数差Δｆを検波できる程度の精度で位置決めされていればよく，その位置決めの要求精度は位相検波器５の特性等により異なる。
以上より，形状測定装置Ｘにおいて，前記位相検波器５（前記位相検波手段の一例）により，前記Ａ面側干渉計ａ２０及び前記Ｂ面側干渉計ｂ２０のそれぞれから出力される２つのビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差ΔΦ’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ことが考えられる。これにより，被測定物１の振動の影響を受けずに，被測定物１の厚みを簡易に高精度で測定できる。
しかしながら，２つのビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差ΔΦ’を前記位相検波器５によって直接的に検出した場合，前記半導体レーザ２に対する注入電流の変調によって測定光の強度も周期的に変化し，その変化が測定誤差となり得る。さらに，測定光Ｐ１，Ｐ２が前記半導体レーザ２から被測定物１のＡ面及びＢ面のそれぞれへ導かれる経路においてその測定光Ｐ１，Ｐ２に揺らぎが生じると，その揺らぎの影響が前記位相検波器５により検出される位相差ΔΦ’に反映され，それも測定誤差となり得る。
そこで，形状測定装置Ｘは，前記注入電流の変調及び測定光Ｐ１，Ｐ２に生じ得る揺らぎに起因する強度変化の影響を除去するため，前記Ａ面側補正信号検出器ａ３０，前記Ａ面側除算器ａ４，前記Ｂ面側補正信号検出器ｂ３０及び前記Ｂ面側除算器ｂ４を備えている。
しかしながら，２つのビート信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の位相差ΔΦ’を前記位相検波器５によって直接的に検出した場合，前記半導体レーザ２に対する注入電流の変調によって測定光の強度も周期的に変化し，その変化が測定誤差となり得る。さらに，測定光Ｐ１，Ｐ２が前記半導体レーザ２から被測定物１のＡ面及びＢ面のそれぞれへ導かれる経路においてその測定光Ｐ１，Ｐ２に揺らぎが生じると，その揺らぎの影響が前記位相検波器５により検出される位相差ΔΦ’に反映され，それも測定誤差となり得る。
そこで，形状測定装置Ｘは，前記注入電流の変調及び測定光Ｐ１，Ｐ２に生じ得る揺らぎに起因する強度変化の影響を除去するため，前記Ａ面側補正信号検出器ａ３０，前記Ａ面側除算器ａ４，前記Ｂ面側補正信号検出器ｂ３０及び前記Ｂ面側除算器ｂ４を備えている。
前記Ａ面側補正信号検出器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）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の方向へ導かれた前記第１測定光Ｐ１を，前記Ａ面側干渉計ａ２０に入力される直前の位置において，そのＡ面側干渉計ａ２０に入力される測定光（以下，主光という）と，それ以外の測定光（以下，副光という）とに分岐させる（前記主面側の主副分光手段の一例）。
前記Ａ面側第２光検出器ａ３３は，前記Ａ面側ＢＳ（ａ３１）により分岐された前記副光（前記第１測定光Ｐ１の一部）を受光して光電変換を行うことにより，その副光の強度信号Ｒｅｆ１（以下，Ａ面側補正用信号という）を出力する（前記主面側の副光強度検出手段の一例）。
そして，前記Ａ面側除算器ａ４は，前記Ａ面側干渉計ａ２０から出力される前記Ａ面側ビート信号Ｓｉｇ１を前記Ａ面側補正用信号Ｒｅｆ１によって除算することにより，前記Ａ面側ビート信号Ｓｉｇ１を補正したビート信号Ｓｉｇ１’（以下，Ａ面側補正後ビート信号という）を出力する（前記主面側のビート信号補正手段の一例）。
前記Ａ面側ＢＳ（ａ３１）は，前記Ａ面測定部位１ａの方向へ導かれた前記第１測定光Ｐ１を，前記Ａ面側干渉計ａ２０に入力される直前の位置において，そのＡ面側干渉計ａ２０に入力される測定光（以下，主光という）と，それ以外の測定光（以下，副光という）とに分岐させる（前記主面側の主副分光手段の一例）。
前記Ａ面側第２光検出器ａ３３は，前記Ａ面側ＢＳ（ａ３１）により分岐された前記副光（前記第１測定光Ｐ１の一部）を受光して光電変換を行うことにより，その副光の強度信号Ｒｅｆ１（以下，Ａ面側補正用信号という）を出力する（前記主面側の副光強度検出手段の一例）。
そして，前記Ａ面側除算器ａ４は，前記Ａ面側干渉計ａ２０から出力される前記Ａ面側ビート信号Ｓｉｇ１を前記Ａ面側補正用信号Ｒｅｆ１によって除算することにより，前記Ａ面側ビート信号Ｓｉｇ１を補正したビート信号Ｓｉｇ１’（以下，Ａ面側補正後ビート信号という）を出力する（前記主面側のビート信号補正手段の一例）。
また，前記Ｂ面側補正信号検出器ｂ３０及び前記Ｂ面側除算器ｂ４は，被測定物１のＢ面側において，前記Ａ面側補正信号検出器ａ３０及び前記Ａ面側除算器ａ４と同様の構成を備えるものである。
即ち，前記Ｂ面側補正信号検出器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）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の方向へ導かれた前記第２測定光Ｐ２を，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０に入力される直前の位置において，そのＢ面側干渉計ｂ２０に入力される測定光（前記主光）と，それ以外の測定光（前記副光）とに分岐させる（前記裏面側の主副分光手段の一例）。
前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３は，前記Ｂ面側ＢＳ（ｂ３１）により分岐された前記副光（前記第２測定光Ｐ２の一部）を受光して光電変換を行うことにより，その副光の強度信号Ｒｅｆ２（以下，Ｂ面側補正用信号という）を出力する（前記裏面側の副光強度検出手段の一例）。
さらに，前記Ｂ面側除算器ｂ４は，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０から出力される前記Ｂ面側ビート信号Ｓｉｇ２を前記Ｂ面側補正用信号Ｒｅｆ２によって除算することにより，前記Ｂ面側ビート信号Ｓｉｇ２を補正したビート信号Ｓｉｇ２’（以下，Ｂ面側補正後ビート信号という）を出力する（前記裏面側のビート信号補正手段の一例）。
以上のようにして補正された前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’及び前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’は，前記半導体レーザ２に対する注入電流の変調に起因する測定光Ｐ，Ｐ２の強度変化の影響が除去されている。さらに，前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’及び前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’は，測定光Ｐ１，Ｐ２が前記Ａ面及び前記Ｂ面それぞれへ導かれる経路においてそのその測定光Ｐ１，Ｐ２に揺らぎが生じた場合でも，その揺らぎの成分が除去（補正）された信号となる。
即ち，前記Ｂ面側補正信号検出器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）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の方向へ導かれた前記第２測定光Ｐ２を，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０に入力される直前の位置において，そのＢ面側干渉計ｂ２０に入力される測定光（前記主光）と，それ以外の測定光（前記副光）とに分岐させる（前記裏面側の主副分光手段の一例）。
前記Ｂ面側第２光検出器ｂ３３は，前記Ｂ面側ＢＳ（ｂ３１）により分岐された前記副光（前記第２測定光Ｐ２の一部）を受光して光電変換を行うことにより，その副光の強度信号Ｒｅｆ２（以下，Ｂ面側補正用信号という）を出力する（前記裏面側の副光強度検出手段の一例）。
さらに，前記Ｂ面側除算器ｂ４は，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０から出力される前記Ｂ面側ビート信号Ｓｉｇ２を前記Ｂ面側補正用信号Ｒｅｆ２によって除算することにより，前記Ｂ面側ビート信号Ｓｉｇ２を補正したビート信号Ｓｉｇ２’（以下，Ｂ面側補正後ビート信号という）を出力する（前記裏面側のビート信号補正手段の一例）。
以上のようにして補正された前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’及び前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’は，前記半導体レーザ２に対する注入電流の変調に起因する測定光Ｐ，Ｐ２の強度変化の影響が除去されている。さらに，前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’及び前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’は，測定光Ｐ１，Ｐ２が前記Ａ面及び前記Ｂ面それぞれへ導かれる経路においてそのその測定光Ｐ１，Ｐ２に揺らぎが生じた場合でも，その揺らぎの成分が除去（補正）された信号となる。
そして，前記位相検波器５（前記位相検波手段に相当）は，前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’及び前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’の位相差ΔΦを検出し，その検出信号（電気信号）を出力するものである。例えば，前記位相検波器５として，ロックインアンプを採用することができる。ここで，前記位相検波器５の出力信号の値（位相差ΔΦ）は，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である。
ところで，図２に示すように，前記半導体レーザ２に対する注入電流が周期的に不連続（非線形）に変化するため（図２におけるＱ１の部分），図４に示すように，物体光の周波数ｆb(ｔ)及び参照光の周波数ｆr(ｔ)の大小関係が逆転する期間（図４に示すＱ２の期間）が周期的に生じる。
そこで，前記位相検波器５は，例えば，前記電流変調電源１０から注入電流変調の同期信号を入力し，その同期信号に基づいて補正後のビート信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’の検波タイミングを制御すること等により，前記周波数の逆転期間Ｑ２を除いたタイミングで位相差検出を行う。なお，前記周波数の逆転期間Ｑ２が全期間に占める比率はごく小さいため，前記周波数の逆転期間Ｑ２を含めてビート信号の位相差検出を行っても，ヘテロダイン干渉計の原理に基づく形状測定への影響は小さい。
ところで，図２に示すように，前記半導体レーザ２に対する注入電流が周期的に不連続（非線形）に変化するため（図２におけるＱ１の部分），図４に示すように，物体光の周波数ｆb(ｔ)及び参照光の周波数ｆr(ｔ)の大小関係が逆転する期間（図４に示すＱ２の期間）が周期的に生じる。
そこで，前記位相検波器５は，例えば，前記電流変調電源１０から注入電流変調の同期信号を入力し，その同期信号に基づいて補正後のビート信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’の検波タイミングを制御すること等により，前記周波数の逆転期間Ｑ２を除いたタイミングで位相差検出を行う。なお，前記周波数の逆転期間Ｑ２が全期間に占める比率はごく小さいため，前記周波数の逆転期間Ｑ２を含めてビート信号の位相差検出を行っても，ヘテロダイン干渉計の原理に基づく形状測定への影響は小さい。
また，前記計算機６は，不図示のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，位相差ΔΦ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，前記位相検波器５から出力される測定値である位相差ΔΦ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）。
複数箇所の前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂについて前記位相検波器５から出力される測定値である位相差ΔΦに基づいて，被測定物１の形状（厚み分布）を算出し，その算出値を出力する（前記厚み分布算出手段の一例）。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。
形状測定装置Ｘにおいては，前記計算機６は，前記位相検波器５から出力される測定値である位相差ΔΦ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）。
複数箇所の前記Ａ面測定部位１ａ及び前記Ｂ面測定部位１ｂについて前記位相検波器５から出力される測定値である位相差ΔΦに基づいて，被測定物１の形状（厚み分布）を算出し，その算出値を出力する（前記厚み分布算出手段の一例）。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。
Ｌ１：Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）から基準となるＡ面測定部位１ａまでの物体光の光路長。
Ｌ２：Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）から基準となるＢ面測定部位１ｂまでの物体光の光路長。
Ｍ１：Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）からＡ面側参照板ａ２４表面までの参照光の光路長。
Ｍ２：Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）からＢ面側参照板ｂ２４表面までの参照光の光路長。
Δｄ：Ａ面側における物体光の光路長Ｌ１に対する参照光の光路長Ｍ１の差
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。
Ｃ ：測定光Ｐ１，Ｐ２の進行速度[m/s]
ｆm：半導体レーザに対する注入電流の変調周波数[Hz]
Δｉ：半導体レーザに対する注入電流の変調幅（変化範囲）[A]
β ：半導体レーザにおける注入電流の変化に対する発振周波数の変化率[Hz/A]
α ：測定光Ｐ１，Ｐ２の単位時間当たりの周波数の変化率[Hz/s]
Δｆ：干渉光における物体光と参照光の周波数差[Hz]
ω(ｔ)：測定光Ｐ１，Ｐ２の角周波数。
Δω：物体光と参照光の光路長差Δｄにより生じる測定光の角周波数の差。
λ ：物体光及び参照光の波長。なお，Δω／ωの値はごく小さいので，物体光及び参照光それぞれの波長は等しいと近似する。
なお，ｔは時間，ｉは自然数の変数を表す。また，光路長Ｌ１，Ｌ２，Ｍ１，Ｍ２それぞれの２倍の長さが，前述した光路長Ｌ1w，Ｌ2w，Ｍ1w，Ｍ2wそれぞれに相当する。
まず，数式で用いられる符号について説明する。
Ｌ１：Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）から基準となるＡ面測定部位１ａまでの物体光の光路長。
Ｌ２：Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）から基準となるＢ面測定部位１ｂまでの物体光の光路長。
Ｍ１：Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１）からＡ面側参照板ａ２４表面までの参照光の光路長。
Ｍ２：Ｂ面側ＰＢＳ（ｂ２１）からＢ面側参照板ｂ２４表面までの参照光の光路長。
Δｄ：Ａ面側における物体光の光路長Ｌ１に対する参照光の光路長Ｍ１の差
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。
Ｃ ：測定光Ｐ１，Ｐ２の進行速度[m/s]
ｆm：半導体レーザに対する注入電流の変調周波数[Hz]
Δｉ：半導体レーザに対する注入電流の変調幅（変化範囲）[A]
β ：半導体レーザにおける注入電流の変化に対する発振周波数の変化率[Hz/A]
α ：測定光Ｐ１，Ｐ２の単位時間当たりの周波数の変化率[Hz/s]
Δｆ：干渉光における物体光と参照光の周波数差[Hz]
ω(ｔ)：測定光Ｐ１，Ｐ２の角周波数。
Δω：物体光と参照光の光路長差Δｄにより生じる測定光の角周波数の差。
λ ：物体光及び参照光の波長。なお，Δω／ωの値はごく小さいので，物体光及び参照光それぞれの波長は等しいと近似する。
なお，ｔは時間，ｉは自然数の変数を表す。また，光路長Ｌ１，Ｌ２，Ｍ１，Ｍ２それぞれの２倍の長さが，前述した光路長Ｌ1w，Ｌ2w，Ｍ1w，Ｍ2wそれぞれに相当する。
まず，測定光Ｐ１，Ｐ２の単位時間当たりの周波数の変化率αは，次の（１）式により表される。
また，物体光と参照光の周波数差Δｆは，（１）式に基づく次の（２）式により表される。
また，形状測定装置Ｘにおいては，前述したとおり，Ａ面側とＢ面側とで物体光及び参照光の光路長の関係が逆になっているので，次の（３）式の関係が成立する。
そして，（２）式と（３）式とに基づいて，次の（４）式が成立する。
また，前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’の強度Ｉ１は，次の（５）式により表される。
同様に，前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’の強度Ｉ２は，次の（６）式により表される。
なお，前記Ａ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ１’及び前記Ｂ面側補正後ビート信号Ｓｉｇ２’のそれぞれは，前記半導体レーザ２から被測定物１のＡ面及びＢ面までの光路において測定光Ｐ１，Ｐ２にほとんど揺らぎが生じない状況において，前記半導体レーザ２に対する注入電流の変調による測定光Ｐ１，Ｐ２の強度変化がないと仮定したときの前記Ａ面側ビート信号Ｓｉｇ１及び前記Ｂ面側ビート信号Ｓｉｇ２それぞれに相当する。
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，干渉計における物体光及び参照光の光路長の関係が逆になっているため，この（５）式及び（６）式において，変位量ΔＮの項の符号が同じとなっている。
前記（５）式及び（６）式（最終行に記載の式）において，"４π／λ"以降の項が，角周波数差Δωの周期変化の位相を決定する。そして，補正後のビート信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’の位相差ΔΦは，次の（７）式により表される。
この（７）式において，被測定物１の厚みを表す（ΔＬ１−ΔＬ２）の項のみが変動量であり，位相差ΔΦ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。
前記（７）式において，ΔΦ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又は不変量とみなせる量である。そのため，計算機６によって測定値ΔΦを前記（７）に適用する（ΔΦ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。
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，干渉計における物体光及び参照光の光路長の関係が逆になっているため，この（５）式及び（６）式において，変位量ΔＮの項の符号が同じとなっている。
前記（５）式及び（６）式（最終行に記載の式）において，"４π／λ"以降の項が，角周波数差Δωの周期変化の位相を決定する。そして，補正後のビート信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’の位相差ΔΦは，次の（７）式により表される。
前記（７）式において，ΔΦ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又は不変量とみなせる量である。そのため，計算機６によって測定値ΔΦを前記（７）に適用する（ΔΦ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。
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ΔΦ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，観測光（干渉光）を被測定物１のＡ面（主面）からＢ面（裏面）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。
なお，被測定物１の振動により生じる変位ΔＮは，測定光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。
なお，被測定物１の振動により生じる変位ΔＮは，測定光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。
図５は，形状測定装置Ｘと被測定物の一例であるウェーハ１の移動機構（不図示）とを組み合わせて，ウェーハ１の表面ほぼ全域の表面形状（厚み分布）を測定する状況を模式的に表した図である。
図５に示す例では，形状測定装置Ｘを固定し，ウェーハ１の中心部１ｘを例えば吸引式支持機構等の支持部により支持する。さらに，その支持部をウェーハ１の表面にほぼ直交する回転軸Ｒ１を中心に回転させる回転機構及びその支持部を前記回転軸Ｒ１に直行する方向Ｒ２（即ち，前記回転軸Ｒ１の方向から見てウェーハ１の半径方向）に直線移動させる直線移動機構により，測定部位１ａ，１ｂの位置をウェーハ１の表面ほぼ全域に渡って変化させる。
そして，形状測定装置Ｘは，測定部位の位置が移動されるごとに，前記位相検波器５によって位相差ΔΦを検出するとともに，前記計算機６により，（７）式に基づいて各測定部位の厚みを算出し，最初の測定部位の厚みに対するその他の測定部位それぞれの厚みの差をその記憶部に記録する。このようにして記録された厚みの相対値（差）の分布がウェーハ１の厚さ形状を表す。
なお，図５に示す例の他，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）移動機構は，例えば，被測定物１を二次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させる機構なども考えられる。
図５に示す例では，形状測定装置Ｘを固定し，ウェーハ１の中心部１ｘを例えば吸引式支持機構等の支持部により支持する。さらに，その支持部をウェーハ１の表面にほぼ直交する回転軸Ｒ１を中心に回転させる回転機構及びその支持部を前記回転軸Ｒ１に直行する方向Ｒ２（即ち，前記回転軸Ｒ１の方向から見てウェーハ１の半径方向）に直線移動させる直線移動機構により，測定部位１ａ，１ｂの位置をウェーハ１の表面ほぼ全域に渡って変化させる。
そして，形状測定装置Ｘは，測定部位の位置が移動されるごとに，前記位相検波器５によって位相差ΔΦを検出するとともに，前記計算機６により，（７）式に基づいて各測定部位の厚みを算出し，最初の測定部位の厚みに対するその他の測定部位それぞれの厚みの差をその記憶部に記録する。このようにして記録された厚みの相対値（差）の分布がウェーハ１の厚さ形状を表す。
なお，図５に示す例の他，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）移動機構は，例えば，被測定物１を二次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させる機構なども考えられる。
ところで，図１に示した形状測定装置ＸにおけるＡ面側干渉計ａ２０及びＢ面側干渉計ｂ２０は，被測定物１の表面（Ａ面，Ｂ面）に対してほぼ垂直に物体光を入射させるものである。
これに対し，形状測定装置Ｘが，図１に示すＡ面側干渉計ａ２０及びＢ面側干渉計ｂ２０の代わりに，図６に示すような斜入射式の干渉計（Ａ面側干渉計ａ２０’及びＢ面側干渉計ｂ２０’）を備えることも考えられる。なお，図６において，図１に示す構成要素と同じものについては同じ符号を付している。
図６に示すＡ面側干渉計ａ２０’（前記主面側の干渉計の一例）は，２つの偏光ビームスプリッタａ２１１，ａ２１２，前記Ａ面側参照板ａ２４，前記Ａ面側偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６を備えている。
一方の前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１１）は，前記第１測定光Ｐ１を２分岐させ，その一方を前記第１物体光として前記Ａ面測定部位１ａに対して斜め入射させるとともに，他方を前記第１参照光として前記Ａ面側参照板ａ２４の表面に照射させる。
また，他方の前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１２）は，前記Ａ面測定部位１ａに正反射した前記第１物体光と，前記Ａ面側参照板ａ２４に反射した前記第１参照光との両方を重ねて，前記Ａ面側偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６の方向へ導く。
また，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０’も，Ａ面側における前記偏光ビームスプリッタａ２１１，ａ２１２，前記Ａ面側参照板ａ２４，前記Ａ面側偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６のそれぞれに相当する２偏光ビームスプリッタｂ２１１，ｂ２１２，前記Ｂ面側参照板ｂ２４，前記Ｂ面側偏光板ｂ２５及び前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６を備える。
図６に示す斜入射方式の干渉計ａ２０’，ｂ２０’は，図１に示した垂直入射方式の干渉計ａ２０，ｂ２０に対し，偏光ビームスプリッタの数が増えるものの，物体光及び参照光の偏光方向を調整するための波長板（前記４分の１波長板ａ２２，ａ２３，ｂ２２，ｂ２３）が不要となる。
なお，いずれの干渉計ａ２０，ｂ２０，ａ２０’，ｂ２０’においても，測定光の分岐及び物体光と参照光との重ね合わせを行う光学機器として，偏光ビームスプリッタを採用しているため，測定光のほぼ全てを無駄なく観測光（干渉光）として位相検波器へ導くことができる。
これに対し，形状測定装置Ｘが，図１に示すＡ面側干渉計ａ２０及びＢ面側干渉計ｂ２０の代わりに，図６に示すような斜入射式の干渉計（Ａ面側干渉計ａ２０’及びＢ面側干渉計ｂ２０’）を備えることも考えられる。なお，図６において，図１に示す構成要素と同じものについては同じ符号を付している。
図６に示すＡ面側干渉計ａ２０’（前記主面側の干渉計の一例）は，２つの偏光ビームスプリッタａ２１１，ａ２１２，前記Ａ面側参照板ａ２４，前記Ａ面側偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６を備えている。
一方の前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１１）は，前記第１測定光Ｐ１を２分岐させ，その一方を前記第１物体光として前記Ａ面測定部位１ａに対して斜め入射させるとともに，他方を前記第１参照光として前記Ａ面側参照板ａ２４の表面に照射させる。
また，他方の前記Ａ面側ＰＢＳ（ａ２１２）は，前記Ａ面測定部位１ａに正反射した前記第１物体光と，前記Ａ面側参照板ａ２４に反射した前記第１参照光との両方を重ねて，前記Ａ面側偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６の方向へ導く。
また，前記Ｂ面側干渉計ｂ２０’も，Ａ面側における前記偏光ビームスプリッタａ２１１，ａ２１２，前記Ａ面側参照板ａ２４，前記Ａ面側偏光板ａ２５及び前記Ａ面側第１光検出器ａ２６のそれぞれに相当する２偏光ビームスプリッタｂ２１１，ｂ２１２，前記Ｂ面側参照板ｂ２４，前記Ｂ面側偏光板ｂ２５及び前記Ｂ面側第１光検出器ｂ２６を備える。
図６に示す斜入射方式の干渉計ａ２０’，ｂ２０’は，図１に示した垂直入射方式の干渉計ａ２０，ｂ２０に対し，偏光ビームスプリッタの数が増えるものの，物体光及び参照光の偏光方向を調整するための波長板（前記４分の１波長板ａ２２，ａ２３，ｂ２２，ｂ２３）が不要となる。
なお，いずれの干渉計ａ２０，ｂ２０，ａ２０’，ｂ２０’においても，測定光の分岐及び物体光と参照光との重ね合わせを行う光学機器として，偏光ビームスプリッタを採用しているため，測定光のほぼ全てを無駄なく観測光（干渉光）として位相検波器へ導くことができる。
また，，図１に示した形状測定装置Ｘにおける測定光Ｐ１，Ｐ２は，比較的スポット径の小さなビーム光である場合（測定部位が小さな点である場合）の例を示した。これに対し，本発明の実施形態において，レンズ等の光学機器により比較的スポット径の大きな平行光を測定光Ｐ１，Ｐ２とし，１回の測定によって被測定物１の一定範囲を占める面の形状（厚み）を測定することも可能である。
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。
Ｘ ：本発明の実施形態に係る形状測定装置
１ ：被測定物（ウェーハ）
１ａ：Ａ面測定部位
１ｂ：Ｂ面測定部位
２ ：半導体レーザ
３ ：ビームスプリッタ
５ ：位相検波器
６ ：計算機
１０：電流変調電源
ａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２：ミラー
ａ４，ｂ４：除算器
ａ２０，ｂ２０，ａ２０’，ｂ２０’：干渉計
ａ３０，ｂ３０：補正信号検出器
Ｐ１：第１測定光
Ｐ２：第２測定光
１ ：被測定物（ウェーハ）
１ａ：Ａ面測定部位
１ｂ：Ｂ面測定部位
２ ：半導体レーザ
３ ：ビームスプリッタ
５ ：位相検波器
６ ：計算機
１０：電流変調電源
ａ１１〜ａ１３，ｂ１１，ｂ１２：ミラー
ａ４，ｂ４：除算器
ａ２０，ｂ２０，ａ２０’，ｂ２０’：干渉計
ａ３０，ｂ３０：補正信号検出器
Ｐ１：第１測定光
Ｐ２：第２測定光
Claims (4)
- 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，
半導体レーザに対する注入電流を一定周期で所定の電流値範囲において線形変化させる注入電流変調手段と，
前記半導体レーザから出射される測定光を分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位である主面の測定部位及び裏面の測定部位の各方向へ導く導光手段と，
前記主面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を第１の物体光及び第１の参照光に２分岐させて前記第１の物体光を前記主面の測定部位に照射させるとともに，前記第１の参照光を第１の参照面に照射させ，前記主面の測定部位に反射した前記第１の物体光と前記第１の参照面に反射した前記第１の参照光とを干渉させ，その干渉光のビート信号を出力する主面側の干渉計と，
前記裏面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を第２の物体光及び第２の参照光に２分岐させて前記第２の物体光を前記裏面の測定部位に照射させるとともに，前記第２の参照光を第２の参照面に照射させ，前記裏面の測定部位に反射した前記第２の物体光と前記第２の参照面に反射した前記第２の参照光とを干渉させ，その干渉光のビート信号を出力する裏面側の干渉計と，
前記主面側の干渉計及び前記裏面側の干渉計のそれぞれから出力される２つのビート信号に基づいて該２つのビート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測定値として出力する位相検波手段と，
前記第１の物体光の光路長をＬ1w，前記第１の参照光の光路長をＭ1w，前記第２の物体光の光路長をＬ2w，前記第２の参照光の光路長をＭ2wで表したときに，
（Ｌ1w−Ｍ1w）≒−（Ｌ2w−Ｍ2w）かつ｜Ｌ1w−Ｍ1w｜＞０
となるように，前記第１の参照面が形成された第１の参照板，前記第２の参照面が形成された第２の参照板，及び前記被測定物，並びに，前記主面側の干渉計及び前記裏面側の干渉計のそれぞれを支持する支持手段と，を具備することを特徴とする形状測定装置。 - 前記主面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を前記主面側の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主面側の主副分光手段と，
前記主面側の主副分光手段により分岐された前記副光を受光してその強度信号を出力する主面側の副光強度検出手段と，
前記主面側の干渉計から出力されるビート信号を，前記主面側の副光強度検出手段により検出された前記副光の強度信号に基づいて補正する主面側のビート信号補正手段と，
前記裏面の測定部位の方向へ導かれた前記測定光を前記裏面側の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裏面側の主副分光手段と，
前記裏面側の主副分光手段により分岐された前記副光を受光してその強度信号を出力する裏面側の副光強度検出手段と，
前記裏面側の干渉計から出力されるビート信号を，前記裏面側の副光強度検出手段により検出された前記副光の強度信号に基づいて補正する裏面側のビート信号補正手段と，を具備し，
前記位相検波手段が，前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段による補正後の２つのビート信号の位相差を検出してなる請求項１に記載の形状測定装置。 - 前記主面側のビート信号補正手段及び前記裏面側のビート信号補正手段が，前記ビート信号を前記副光の強度信号により除算するものである請求項２に記載の形状測定装置。
- 複数箇所の前記主面の測定部位及び前記裏面の測定部位について前記位相検波手段により得られた前記測定値に基づいて，前記被測定物の厚み分布を算出してその算出値を出力する厚み分布算出手段を具備してなる請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
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