WO2010087337A1

WO2010087337A1 - 形状測定装置

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Publication number: WO2010087337A1
Application number: PCT/JP2010/050972
Authority: WO
Inventors: 将人甘中; 高橋　英二; 梶田　昌和
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2010-08-05
Also published as: KR20110111453A; DE112010000808B4; US8670128B2; KR101235384B1; DE112010000808T5; US20110279822A1

Abstract

　本発明にかかる形状測定装置Ｘは、光源Ｙからの基幹光を二分岐し、各分岐光を被測定物１の表裏各面にそれぞれ導光し、被測定物１の表裏それぞれにおいて、その分岐光を用いて光へテロダイン干渉を行う。ここで、形状測定装置Ｘでは、被測定物１の表裏それぞれにおいて、前記分岐光がさらに主光と副光とに分岐され、前記副光が被測定物１への照射前後における各主光とそれぞれ干渉が行われ、これら干渉後の信号が位相検波され、被測定物１の表裏それぞれにおいて前記位相検波によって得られた位相の差が検出される。そして、形状測定装置Ｘでは、前記光へテロダイン干渉を行うための光変調は、前記各分岐光を被測定物１の表裏へそれぞれ導光後の前記光へテロダイン干渉を行う前に行われる。さらに、形状測定装置Ｘでは、前記各分岐光を被測定物１の表裏へそれぞれ導光後であって前記位相検波前の測定光学系が一体に保持される。

Description

形状測定装置

　本発明は、半導体ウェハ等の被測定物の形状を光干渉法により非接触で測定する形状測定装置に関するものである。

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

　ところで、ウェハのような薄板状（例えば、厚みが１ｍｍ未満）の被測定物をそのエッジ部のみで支持した場合、わずかな風圧や他の機械の振動等によってウェハが振動する。この振動は、非常に高い測定精度（例えば、誤差２０ｎｍ以下）が要求されるウェハの形状測定においては、無視できない振幅の振動となる。このようなウェハの振動を防止するため、特許文献１には、透明な剛体をウェハに近接して配置することにより、ウェハの振動を抑制する方法が示されている。しかし、この方法では、透明な剛体を光路に挿入することによって干渉光に乱れが生じるおそれがあるという問題点があった。また、特許文献２には、周波数がわずかに異なる２種類の測定光を２分岐させて被測定物の表裏各面のヘテロダイン干渉計へ導き、表裏のヘテロダイン干渉計において物体光と参照光との関係を反対にして被測定物の厚みを測定する形状測定装置が示されている。この特許文献２に示される技術によれば、表裏のヘテロダイン干渉計の検出信号の差分をとることにより、振動によって生じる被測定物の変位の影響が除去され、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。さらに、この特許文献２には、表裏のヘテロダイン干渉計へ入射する直前の２種類の測定光の分岐光を干渉させ、その干渉光の強度信号を前記ヘテロダイン干渉計の検出信号に対する参照信号として用いることについて示されている。これにより、光源から２つのヘテロダイン干渉計へ至る光路において生じる２種類の測定光の位相の揺らぎに起因する測定誤差を解消することができる。

　しかしながら、特許文献２に示される技術によっても、光源から２つのヘテロダイン干渉計へ至る光路で生じる２種類の測定光の位相の揺らぎが高速である場合には、位相検波の回路がその変化の速さに十分に追従することができない。例えば、２種類の測定光が光源から２つのヘテロダイン干渉計まで光ファイバにより伝送された場合、周囲の環境によって光ファイバが高速に振動し、２種類の測定光の位相が高速で揺らぐ場合がある。そうすると、特許文献２に示される技術において、前記参照信号を用いて２種類の測定光の位相の揺らぎを解消する処理が十分に機能しない。このように特許文献２に示される技術によっても、２種類の測定光の位相の揺らぎに起因する測定誤差が十分に解消されない状況が生じ得てしまう。

特開２００２－５６４０号公報特開２００８－１８０７０８号公報

　本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、被測定物の振動および光源から干渉計に至る測定光の伝送媒体に生じる振動の影響を受けずに、被測定物の厚みを簡易に高精度で測定することができる形状測定装置を提供することである。そして、本発明の他の目的は、被測定物の表面形状をより高い精度で測定することができる形状測定装置を提供することである。

　本発明にかかる形状測定装置は、被測定物の表裏各面を走査して該被測定物の厚み分布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、この形状測定装置では、所定の光源から出射される基幹光が二分岐され、これら二分岐された各分岐光が前記被測定物の表裏各面にそれぞれ導かれ、前記被測定物の表裏それぞれにおいて、その分岐光を用いて光へテロダイン干渉が行われる。ここで、この形状測定装置では、前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記分岐光がさらに主光と副光とに分岐され、前記副光が前記被測定物への照射前後における各主光とそれぞれ干渉が行われ、これら干渉後の信号が位相検波され、前記被測定物の表裏それぞれにおいて前記位相検波によって得られた位相の差が検出される。そして、この形状測定装置では、前記光へテロダイン干渉を行うための光変調は、前記各分岐光を前記被測定物の表裏へそれぞれ導光後の前記光へテロダイン干渉を行う前に行われる。さらに、この形状測定装置では、前記各分岐光を前記被測定物の表裏へそれぞれ導光後であって前記位相検波前の測定光学系が一体に保持される。このため、このような形状測定装置は、被測定物の振動および光源から干渉計に至る測定光の伝送媒体の振動の影響を受けずに、被測定物の厚みを簡易に高精度で測定することができる。

　また、本発明にかかる形状測定装置は、光へテロダイン干渉を行う一面側測定部および他面側測定部によって被測定物の厚さを測定するものであって、さらに前記面側測定部が前記被測定物に複数の測定光を照射することで、被測定物１における表面形状を測定するものである。このため、このような形状測定装置は、被測定物の表面形状をより高い精度で測定することができる。

　上記ならびにその他の本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

本発明の第１実施形態にかかる形状測定装置の構成図である。図１に示す形状測定装置が備える測定光学ユニットの一例の概略構成図である。図１に示す形状測定装置を用いた被測定物の厚み分布測定方法の一例を表す模式図である。図１に示す形状測定装置を用いて被測定物の厚み分布測定を行う場合の測定部位の軌跡の一例を表す模式図である。従来の形状測定装置における測定値の時系列変化の一例を表すグラフである。図１に示す形状測定装置における測定値の時系列変化の一例を表すグラフである。第２実施形態にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。図７に示す形状測定装置における光源部の構成を示す図である。図７に示す形状測定装置における第１態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。図７に示す形状測定装置における第２態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。図７に示す形状測定装置における他面側測定部の構成を示す図である。図７に示す形状測定装置におけるステージの構成を示す図である。図７に示す形状測定装置における第１態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。図７に示す形状測定装置における第２態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。図７に示す形状測定装置における他方面側位相検波部の構成を示す図である。曲率の算出方法を説明するための図である。図７に示す形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合における測定箇所を説明するための図である。図７に示す形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合において、各測定箇所における複数の箇所と測定結果とを説明するための図である。エッジロールオフを説明するための図である。測定箇所における複数の箇所について、第１ないし第３の態様を説明するための図である。

　以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。なお、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。

（第１実施形態）
　以下、図１に示される構成図を参照しながら、本発明の第１実施形態にかかる形状測定装置Ｘについて説明する。この形状測定装置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に示されるように、形状測定装置Ｘは、光源ユニットＹと、被測定物１の表裏各面に対向配置される２つの測定光学ユニットＺ（ａＺ、ｂＺ）と、その測定光学ユニットＺ（ａＺ、ｂＺ）ごとに設けられる２つの位相検波回路Ｗ（ａＷ、ｂＷ）と、計算機６とを備えている。

　ここで、説明の便宜上、被測定物１の一方の面（図１に示す例では上側の面（上面））を「Ａ面」と呼称することとし、このＡ面と表裏の関係にある他方の面（図１に示す例では下側の面（下面））を「Ｂ面」と呼称することとする。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と呼称することとし、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と呼称することとする。また、前記Ａ面に対向配置された前記測定光学ユニットＺをＡ面側測定光学ユニットａＺ、前記Ｂ面に対向配置された前記測定光学ユニットＺをＢ面側測定光学ユニットｂＺと称する。また、Ａ面側測定光学ユニットａＺに対して設けられた前記位相検波回路ＷをＡ面側位相検波回路ａＷ、Ｂ面側測定光学ユニットｂＺに対して設けられた前記位相検波回路ＷをＢ面側位相検波回路ｂＷと称する。

　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および前記Ｂ面測定部位１ｂの位置を変更しつつ測定値を得る。

　前記光源ユニットＹは、所定の可干渉光であるビーム光Ｐ０を出射する単波長レーザ光源２と、アイソレータ２ｘと、無偏光のビームスプリッタ３と、２つの波長板２ｙと、２つの光ファイバ接続端子１１とを備えている。前記単波長レーザ光源２は、周波数ω０の単波長レーザ光を出力するレーザ光源である。例えば、前記短波長レーザ光源２として、波長６３３ｎｍのレーザ光を出力するヘリウムネオンレーザ等を採用することが考えられる。以下、便宜上、前記短波長レーザ光源２の出射光を基幹光Ｐ０と称する。前記ビームスプリッタ３は、前記単波長レーザ光源２から出射される前記基幹光Ｐ０を二分岐させる前記第１の光分岐手段の一例である。

　また、前記形状測定装置Ｘは、前記ビームスプリッタ３による分岐光それぞれを前記被測定物１における前記Ａ面側測定部位１ａおよび前記Ｂ面側測定部位１ｂそれぞれの方向へ導く入力側の光ファイバａ１０、ｂ１０を備えている。より具体的には、一方の前記光ファイバａ１０は、前記分岐光の一方を前記被測定物１のＡ面に対向配置された前記Ａ面側測定光学ユニットａＺまで導光する。また、他方の前記光ファイバｂ１０は、前記分岐光の他方を前記被測定物１のＢ面に対向配置された前記Ｂ面側測定光学ユニットｂＺまで導光する。前記光ファイバａ１０、ｂ１０は、偏波保持光ファイバである。これにより、前記光ファイバａ１０、ｂ１０により伝送される前記分岐光の偏波面が、途中で乱れないよう一定に維持される。なお、前記光ファイバａ１０、ｂ１０に代えて、ミラー等の導光手段が設けられることも考えられる。但し、その場合、前記基幹光Ｐ０の分岐光の光路調整に手間を要する。

　前記光ファイバ接続端子１１は、前記光ファイバａ１０、ｂ１０それぞれの一端が接続される端子である。また、前記波長板２ｙは、前記ビームスプリッタ３と前記光ファイバａ１０、ｂ１０の光の導入口との間に配置され、前記光ファイバａ１０、ｂ１０に入力される前記分岐光の偏波面（偏波方向）を調整する光学素子である。また、前記アイソレータ２ｘは、前記単波長レーザ光源２と前記ビームスプリッタ３との間に配置され、前記ビームスプリッタ３や前記光ファイバａ１０、ｂ１０の入口等からの反射光が前記単波長レーザ光源２に戻ることを防止する光学素子である。前記アイソレータ２ｘにより、前記単波長レーザ光源２に前記反射光が戻って前記単波長レーザ光源２の出射光が不安定になることを防止できる。

　また、図１に示されるように、前記測定光学ユニットＺは、入力側の光ファイバ接続端子１２と、一次側の無偏光のビームスプリッタ１３と、２つの音響光学素子１５、１６と、ヘテロダイン干渉計２０と、参照用干渉計３０と、出力側の２つの光ファイバ接続端子２６、３６とを備えている。前記光ファイバ接続端子１２は、前記光源ユニットＹと接続される前記光ファイバａ１０、ｂ１０の一端が接続される端子である。前記光ファイバ接続端子１２を通じて、前記光源ユニットＹにおける前記基幹光Ｐ０の分岐光が前記測定光学ユニットＺに導入される。

　前記ビームスプリッタ１３は、前記光ファイバａ１０、ｂ１０によって前記被測定物１の表裏それぞれにおける前記測定部位１ａ、１ｂの方向へ導かれた前記基幹光Ｐ０の分岐光それぞれをさらに二分岐させる前記第２の光分岐手段の一例である。また、前記音響光学素子１５、１６は、前記被測定物１の表裏それぞれにおける前記ビームスプリッタ１３による分岐光の各々に周波数変調を施してそれぞれ周波数の異なる２つの測定光Ｐ１、Ｐ２を生成する光変調手段の一例である。例えば、２つの前記音響光学素子１５、１６の一方の変調周波数が８０ＭＨｚ、他方の変調周波数が８１ＭＨｚ程度であることが考えられる。２種類の前記測定光Ｐ１、Ｐ２は、それぞれ単波長のビーム光である。前記測定光Ｐ１、Ｐ２それぞれの周波数（ω、ω＋Δω）は、特に限定されるものではないが、例えば、両ビーム光の周波数の差Δωは、数十ｋＨｚないし数メガＨｚ程度である。

　また、前記ヘテロダイン干渉計２０は、前記被測定物１の表裏それぞれにおいて、一方の前記測定光Ｐ１を前記測定部位１ａまたは１ｂに照射させ、その測定部位で反射した前記測定光Ｐ１である物体光と、他方の前記測定光Ｐ２である参照光とを干渉させる干渉計である。前記ヘテロダイン干渉計２０は、２つの前記測定光学ユニットＺそれぞれに１つずつ設けられている。前記ヘテロダイン干渉計２０は、図１に示されるように、偏光ビームスプリッタ２１と、１／４波長板２２と、無偏光のビームスプリッタ２４と、偏光板２５とを備えている。前記偏光ビームスプリッタ２１は、一方の前記測定光Ｐ１を前記測定部位１ａまたは１ｂの方向へ通過させるとともに、前記測定部位１ａまたは１ｂで反射した前記測定光Ｐ１である物体光を所定の方向へ反射する。前記１／４波長板２２は、前記偏光ビームスプリッタ２１と前記測定部位１ａまたは１ｂとの間に配置されている。この１／４波長板２２の存在により、前記偏光ビームスプリッタ２１から前記測定部位１ａまたは１ｂへ向かう前記測定光Ｐ１の偏光の状態（Ｐ偏光かＳ偏光か）と、前記測定部位１ａまたは１ｂに反射して前記偏光ビームスプリッタ２１に入射する前記測定光Ｐ１である物体光の偏光の状態とが入れ替わる。また、前記測定光学ユニットＺは、前記被測定物１の表面に対向配置された集光レンズ２３も備えている。この集光レンズ２３は、前記測定光Ｐ１を前記測定部位１ａまたは１ｂに集光させるとともに、前記測定部位１ａまたは１ｂで反射した物体光を往路の光軸に沿って前記偏光ビームスプリッタ２１へ入射させる。前記ビームスプリッタ２４は、一方の前記測定光Ｐ１の前記測定部位１ａまたは１ｂでの反射光である物体光と、他方の前記測定光Ｐ２である参照光との光軸を一致させて同一方向へ導く光学素子である。また、前記偏光板２５は、前記ビームスプリッタ２４により光軸が一致した前記物体光および前記参照光を入力し、それらの同一方向の偏光成分を抽出することによって前記物体光および前記参照光の干渉光Ｐｓを出力する光学素子である。以下、前記ヘテロダイン干渉計２０により得られる前記物体光および前記参照光の干渉光Ｐｓのことを測定干渉光Ｐｓと称する。なお、前記ヘテロダイン干渉計２０には、必要に応じて、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２の一方または両方の光路を変向させるミラー等の変向素子も設けられる。

　また、前記参照用干渉計３０は、前記被測定物１の表裏それぞれにおいて、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２それぞれを前記ヘテロダイン干渉計２０に入力される主光とそれ以外の副光とに二分岐させるとともに、それら２つの前記副光を干渉させる干渉計である。前記参照用干渉計３０は、図１に示されるように、３つの無偏光のビームスプリッタ３１、３２、３４と、偏光板３５とを備えている。前記ビームスプリッタ３１、３２は、前記被測定物の表裏それぞれにおいて、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２それぞれを前記ヘテロダイン干渉計２０に入力される主光とそれ以外の副光とに二分岐させる第３の光分岐手段の一例である。また、前記ビームスプリッタ３４は、前記ビームスプリッタ３１、３２による２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２の分岐光である２つの前記副光の光軸を一致させて同一方向へ導く光学素子である。前記偏光板３５は、前記ビームスプリッタ３４により光軸が一致した２つの前記副光を入力し、それらの同一方向の偏光成分を抽出することによって２つの前記副光の干渉光Ｐｒを出力する光学素子である。前記ビームスプリッタ３４および前記偏光板３５が、前記被測定物１の表裏それぞれにおいて２つの前記副光を干渉させる副光干渉手段の一例である。以下、前記参照用干渉計３０により得られる２つの前記副光の干渉光Ｐｒのことを参照干渉光Ｐｒと称する。なお、前記参照用干渉計３０には、必要に応じて、２つの前記副光の一方または両方の光路を変向させるミラー等の光学素子も設けられている。図１に示される前記参照用干渉計３０は、前記測定光Ｐ２の分岐光を変向させるミラー３３を備えている。

　出力側の一方の前記光ファイバ接続端子２６は、前記測定干渉光Ｐｓを後述する測定用光検出器ｂ２８へ伝送するための光ファイバａ２７またはｂ２７の一端が接続される端子である。なお、一方の前記光ファイバａ２７は、前記被測定物１のＡ面側における前記測定干渉光Ｐｓを伝送するものであり、他方の前記光ファイバｂ２７は、前記被測定物１のＢ面側における前記測定干渉光Ｐｓを伝送するものである。また、出力側の他方の前記光ファイバ接続端子３６は、前記参照干渉光Ｐｒを後述する参照用光検出器ｂ３８へ伝送するための光ファイバａ３７またはｂ３７の一端が接続される端子である。なお、一方の前記光ファイバａ３７は、前記被測定物１のＡ面側における前記参照干渉光Ｐｒを伝送するものであり、他方の前記光ファイバｂ３７は、前記被測定物１のＢ面側における前記参照干渉光Ｐｒを伝送するものである。前記測定干渉光Ｐｓおよび前記参照干渉光Ｐｒは、その伝送経路において特に波面の保持の必要がないため、出力側の前記光ファイバａ２７、ａ３７、ｂ２７、ｂ３７は、一般的なマルチモードの光ファイバが採用される。ここで、前記光ファイバａ２７、ａ３７、ｂ２７、ｂ３７としてシングルモードの光ファイバが採用されてもよい。一般に、マルチモードの光ファイバは、シングルモードの光ファイバよりもファイバのコア径が大きく、伝播光の光軸調整が容易であるとともに、より大きな光量の光を伝播できる。そのため、光軸調整および伝播光の光量の優位性の面から、出力側の前記光ファイバａ２７、ａ３７、ｂ２７、ｂ３７としてマルチモードの光ファイバを用いることが好適である。

　また、前記位相検波回路Ｗは、図１に示されるように、測定用光検出器２８、参照用光検出器３８、測定系および参照系それぞれの信号増幅用のアンプ２９、３９、位相検波器４およびシールド板８を備えている。前記測定用光検出器２８は、前記ヘテロダイン干渉計２０により得られる前記測定干渉光Ｐｓを受光してその強度信号Ｓｉｇ１またはＳｉｇ２を出力する光電変換素子である。なお、前記強度信号Ｓｉｇ１は、前記被測定物１のＡ面側において得られた信号、前記強度信号Ｓｉｇ２は、前記被測定物１のＢ面側において得られた信号である。以下、前記強度信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２のことを、測定ビート信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２と称する。また、前記参照用光検出器３８は、前記参照用干渉計３０により得られる前記参照干渉光Ｐｒを受光してその強度信号Ｒｅｆ１またはＲｅｆ２を出力する光電変換素子である。なお、前記強度信号Ｒｅｆ１は、前記被測定物１のＡ面側において得られた信号、前記強度信号Ｒｅｆ２は、前記被測定物１のＢ面側において得られた信号である。以下、前記強度信号Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２のことを、参照ビート信号Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２と称する。

　前記位相検波器４は、前記測定用光検出器２８の出力信号である前記測定ビート信号Ｓｉｇ１またはＳｉｇ２と、前記参照用光検出器３８の出力信号である前記参照ビート信号Ｒｅｆ１またはＲｅｆ２とからなる２つのビート信号の位相検波を行うことにより、その２つのビート信号の位相差ΔΦ１またはΔΦ２を検出する電子部品である。即ち、前記Ａ面側位相検波回路ａＷにおける前記位相検波器４は、前記測定ビート信号Ｓｉｇ１と前記参照ビート信号Ｒｅｆ１との間の位相差ΔΦ１を検出する。また、前記Ｂ面側位相検波回路ｂＷにおける前記位相検波器４は、前記測定ビート信号Ｓｉｇ２と前記参照ビート信号Ｒｅｆ２との間の位相差ΔΦ２を検出する。前記被測定物１の表裏それぞれについて得られた前記２つのビート信号の位相差の差分（ΔΦ１－ΔΦ２）は、前記被測定物１の厚みを表す測定値となる。また、Ａ面側およびＢ面側の２つの前記位相検波器４は、前記計算機６から出力される同期信号に同期して２つのビート信号の位相検波を同時に行う。これにより、前記２つのビート信号の位相差の差分（ΔΦ１－ΔΦ２）は、前記被測定物１の振動の影響を受けることなく、前記被測定物１の厚みを表す。前記位相検波器４は、例えば、ロックインアンプ等を採用できる。なお、前記位相検波器４が、前記位相情報検出手段の一例である。

　前記シールド板８は、前記測定用光検出器２８から前記位相検波器４に至るまでの信号伝送経路と、前記参照用光検出器３８から前記位相検波器４に至るまでの信号伝送経路との間に配置された金属製の板である。装置をコンパクト化するために前記測定用光検出器２８、前記参照用光検出器３８および前記位相検波器４を近接して配置すると、一方のビート信号の伝送経路から発生する電磁波の不要輻射が他方のビート信号に対するノイズとして干渉し、測定精度を悪化させる。サブナノメートルオーダーの形状測定の精度を実現するためには、前記不要輻射による相互干渉のノイズ成分を信号成分の０．５％未満に抑える必要がある。前記シールド板８の存在により、前記不要輻射に起因する測定精度の悪化を防止できる。また、前記不要輻射による相互干渉の抑制のために、２つの前記ビート信号の伝送経路の間隔が２０ｍｍ程度以上であることが望ましい。

　また、前記計算機６は、前記被測定物１の表裏それぞれについて得られた前記２つのビート信号の位相差の差分（ΔΦ１－ΔΦ２）に応じた前記被測定物１の厚みの測定値を算出する厚み算出処理を実行する。より具体的には、前記計算機６は、前記２つのビート信号の位相差ΔΦ１、ΔΦ２を次の式Ｆ１に代入することにより、前記被測定物１の厚みの測定値Ｄsを算出する。
Ｄｓ＝（ΔΦ１－ΔΦ２）×（λ／２）／（２π）　　　・・・（Ｆ１）

なお、式Ｆ１式において、λは、前記測定光Ｐ１の波長である。また、式Ｆ１は、前記測定光Ｐ２の波長が前記測定光Ｐ１の波長と等しいとの近似に基づく式である。さらに、式Ｆ１式は、Ａ面側およびＢ面側の前記測定光学ユニットＺにおいて、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２のいずれを物体光または参照光とするかの関係が同じ場合、すなわち、Ａ面側およびＢ面側で物体光の周波数と参照光の周波数との関係が同じ場合の式である。一方、Ａ面側およびＢ面側の前記測定光学ユニットＺにおいて、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２のいずれを物体光または参照光とするかの条件が逆である場合、すなわち、Ａ面側およびＢ面側で物体光の周波数と参照光の周波数との関係が逆である場合の前記被測定物１の厚みの測定値Ｄｓの算出式は、次の式Ｆ２式となる。
Ｄｓ＝（ΔΦ１＋ΔΦ２）×（λ／２）／（２π）　　　・・・（Ｆ２）

　次に、図２を参照しつつ、前記測定光学ユニットＺの構造の具体例について説明する。図２は、前記測定光学ユニットＺの一例の概略構成図である。図２（Ａ）は、前記測定光学ユニットＺの側面図である。図２（Ｂ）は、側面図（Ａ）の視野方向に対して９０°異なる方向から見た前記光学系保持具７０の側面図である。なお、図２において、図１に示される各構成要素と同じ構成要素については同じ符号が付されている。前記測定光学ユニットに含まれる各種光学素子は、前記被測定物１の表裏それぞれにおいて、所定の光学系保持具７０により一体に保持されている。以下、前記測定光学ユニットに含まれる機器、すなわち、前記光ファイバ接続端子１２、２６、３６、前記ビームスプリッタ１３、前記音響光学素子１５、１６、前記ヘテロダイン干渉計２０と前記参照用干渉計３０とを構成する機器、および前記集光レンズ２３を測定光学系と総称する。前記光学系保持具７０は、表裏各々において前記測定光学系の一部または全部を分担して保持する板状の保持部７１を有する剛体である。前記板状の保持部７１には、前記測定光学系を伝播するビーム光を通過させる貫通孔７１ｈが形成されている。例えば、前記板状の保持部７１には、前記測定光学系のうち前記集光レンズ２３を除く残りの光学素子が保持される。

　図２に示されるように、前記光学系保持具７０は、前記測定光学系を、前記板状の保持部７１の両側に渡って三次元的に保持する。これにより、前記測定光学系を保持する前記板状の保持部７１を小さくでき、その小さな板状の保持部７１は、比較的薄い軽量な部材が採用されても、十分な剛性を確保できる。そのため、小型でごく簡易な構造の前記光学系保持具７０により、前記板状の保持部７１の変形（撓み）に起因する２種類の前記測定光Ｐ１、Ｐ２の位相のずれの発生を防止できる。例えば、前記光学系保持具７０は、１５０ｍｍ×９０ｍｍ×１００ｍｍ程度の大きさで、前記測定光学系を一体に保持できる。なお、図２（Ａ）において、前記測定光学系を前記板状の保持部７１に対して固定する支持部材の記載は省略されている。

　また、前記板状の保持部７１は、その縁部が他の部材に固定されることによって補強された部材である。図２に示される例では、前記板状の保持部７１は、矩形状の板材であり、その三辺の縁部が屈曲状に連結された３つの補強板７２～７４に固定されることによって補強されている。また、図２に示される例では、１つの前記補強板７４にも、前記被測定物１の方向へ通ずる貫通穴７４ｈが形成されており、その貫通孔７４ｈが前記測定光Ｐ１の光路となっている。また、前記補強板７４には、前記集光レンズ２３が保持されている。前記光学系保持具７０は、例えば、ステンレスや鉄、アルミニウム等の金属製の部材により構成される。

　次に、図３を参照しつつ、前記形状測定装置Ｘにより前記被測定物１の表面を走査する機構について説明する。図３に示されるように、前記形状測定装置Ｘは、前記被測定物１を移動可能に支持する可動支持装置４０を備えている。前記形状測定装置Ｘは、前記被測定物１の振動の影響を受けることなく、前記被測定物１の特定の部位の厚みを高精度かつ高速で測定できる。そして、前記形状測定装置Ｘは、前記被測定物１をその中央部や端部等で支持し、前記被測定物１をその厚み方向に直交する平面内（被測定物１の表裏各面に平行な面内）で移動させつつ前記被測定物１に対する物体光の走査を行う可動支持装置４０を備えている。

　図３に示される前記可動支持装置４０は、半導体ウェハ等の円盤状の前記被測定物１を、その縁部（エッジ部）において、円周上の三箇所に配置された支持部４４により３点支持する。これら３つの支持部４４は、前記円周の中心に向かって伸びる回転軸４１に連結されている。さらに、その支持軸４１は、サーボモータ等の回転駆動部４２によって回転駆動される。これにより、前記被測定物１は、その中央部を回転中心として回転される。また、前記支持軸４１および前記回転駆動部４２は、直線移動機構４３により、前記被測定物１の表裏各面に平行な方向（厚み方向に直交する方向）に所定の移動範囲内で直線移動される。すなわち、前記直線移動機構４３は、前記被測定物１をその半径方向に沿って移動させる。また、前記支持軸４１、前記回転駆動部４２および前記直線移動機構４３を備えた前記可動支持装置４０は、前記Ａ面側の前記ヘテロダイン干渉計２０による前記測定光Ｐ１の照射位置と前記Ｂ面側の前記ヘテロダイン干渉計２０による前記測定光Ｐ１の照射位置との間に前記被測定物１を支持する。

　そして、前記回転駆動部４２による前記被測定物１の回転と、前記直線移動機構４３による前記被測定物１の直線方向の移動とを併用することにより、前記被測定物１における前記測定部位１ａ、１ｂの位置を順次変更しつつ前記形状測定装置Ｘによる厚み測定を実行する。例えば、前記被測定物１を一定速度で連続的に回転および直線移動させつつ、一定周期で、あるいは測定点１ａ、１ｂの位置が予め定められた位置となるごとに、前記計算機６が、前記Ａ面側および前記Ｂ面側の前記位相差ΔΦ１、ΔΦ２のデータを前記位相検波器４から取得する。さらに、前記計算機６が、それら２つの位相差ΔΦ１、ΔΦ２を前記式Ｆ１に代入することにより、前記被測定物１の厚みＤｓを算出する。

　図４は、前記被測定物１における前記測定部位１ａ、１ｂの分布の一例を表す模式図である。前記被測定物１を回転および直線移動させつつ干渉光の位相検出を順次行った場合、図４に示されるように、前記測定部位１ａ、１ｂの位置は、前記被測定物１の表面における渦巻き状の線（波線）に沿って順次変化する。そして、前記可動支持装置４０により前記被測定物１の保持位置を二次元方向に移動させつつ厚み測定を順次行い、その測定データを所定の記憶部に記憶させれば、前記被測定物１の厚み分布データが得られる。ここで、円盤状の前記被測定物１の厚みが薄い場合、その被測定物１は、図３に示されるように一部で支持されると、わずかな風圧や床の振動によって厚み方向に振動する。しかしながら、前記形状測定装置Ｘは、前記被測定物１がそのように振動しても、その振動の影響を受けずに高精度で前記被測定物１の厚み分布を測定できる。なお、前記被測定物１をその表面に平行な面内で位置決めする機構は、図３に示される機構の他、いわゆるＸ－Ｙプロッタのように、前記被測定物１の支持部を交差する２直線それぞれに沿って移動させる機構であってもよい。

　図５は、従来の形状測定装置の測定値の時系列変化の一例を表すグラフであり、図６は、前記形状測定装置Ｘの測定値の時系列変化の一例を表すグラフである。ここで、従来の形状測定装置は、周波数がわずかに異なる２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２を光源の位置から光ファイバを用いて前記Ａ面側および前記Ｂ面側それぞれの前記参照用干渉計３０および前記ヘテロダイン干渉計２０の位置まで伝送することによって前記被測定物１の厚み測定を行う装置である。なお、前記従来の形状測定装置および前記形状測定装置Ｘにおいて、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２または前記基幹光Ｐ０の分岐光を光源の位置から前記被測定物１の両面へ伝送する光ファイバに対し、特に振動防止用の措置は、施されていない。

　図５に示されるように、前記従来の形状測定装置は、２つの前記測定光Ｐ１、Ｐ２の伝送経路の振動等のノイズに起因して、厚みの測定値が大きく変動する。一方、前記形状測定装置Ｘは、前記光ファイバａ１０、ｂ１０に対して特に信号防止対策が取られていないにもかかわらず、安定した厚みの測定値が得られる。したがって、前記形状測定装置Ｘによれば、前記被測定物１の振動および前記単波長レーザ光源２から前記測定光学ユニットＺに至る前記基幹光Ｐ０の分岐光の伝送媒体の振動の影響を受けずに、前記被測定物１の厚みを簡易に高精度で測定できる。

　次に、別の実施形態について説明する。

（第２実施形態）
　上述の第１実施形態にかかる形状測定装置Ｘは、被測定物１の厚さを高精度で測定するものあるが、第２実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、被測定物１における厚さと表面形状とを高精度で測定するものである。まず、この表面形状の高精度測定の必要性について説明する。

　近年、集積回路は、素子の集積化が進んでいる。この集積回路を半導体ウェハに製造するプロセス条件であるプロセス・ルールは、通常、ゲート配線の線幅または間隔における最小加工寸法によって規定される。このプロセス・ルールが半分になれば、理論上、同じ面積に４倍のトランジスタや配線を配置することができるため、同じトランジスタ数では１／４の面積となる。この結果、１枚の半導体ウェハから製造することができるダイが４倍になるだけでなく、通常、歩留まりも改善されるため、さらに多くのダイが製造可能となる。この最小加工寸法は、高密度な集積回路を製造するために、２００７年の時点の最先端では、４５ｎｍに達している。

　このようなサブミクロンメートルオーダ（１μｍ以下）のプロセス・ルールでは、半導体ウェハに高い平坦度が要求され、半導体ウェハの表面形状（表面の高さ変化）が無視できない。このため、半導体ウェハの表面形状を高精度に、例えば、サブナノメートルオーダ（１ｎｍ以下）で測定する形状測定装置が望まれている。このような形状測定装置の１つとして、光ヘテロダイン干渉法によって被測定物の表面形状を測定する装置が知られている。この光ヘテロダイン干渉法は、周波数の異なる２つのレーザ光を干渉させてそれらの差の周波数を持つビート信号を生成し、この生成したビート信号の位相変化を検波するものであり、このビート信号の位相変化は、前記２つのレーザ光の間における光路長の差に対応する。このような光ヘテロダイン干渉法を用いた形状測定装置は、例えば、上述した特許文献２に開示されている。

　ところで、この特許文献２に記載の形状測定装置は、原理的には面の表面形状を測定することが可能であるが、その測定結果には、半導体ウェハの振動も含んだ面形状データとなってしまい、ナノメートルオーダレベルでの正確な面の表面形状を測定することができない。

　特に、半導体ウェハでは、その表面形状の平坦度（厚さ分布および表面形状）は、その外縁部にエッジロールオフ（Edge　Roll-off）と呼ばれる形状が存在するため、一般に、中心部よりも外縁部の方が劣る。半導体ウェハにおけるダイの製造可能領域を外縁部へ広げるために、このエッジロールオフの評価が重要である。このエッジロールオフを評価するためにも、半導体ウェハにおける表面形状をより高い精度で測定することが望まれる。

　第２実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、このような事情の下に開発された装置であり、被測定物（測定対象物）の表面形状をより高い精度で測定することができる装置である。

　第１実施形態にかかる形状測定装置Ｘは、測定光を生成する光源部と、前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差に基づいて前記測定対象物の厚さを求める演算部とを備え、さらに、前記一面側測定光を前記一面側測定部へ導光する一面側導光部と、前記他面側測定光を前記他面側測定部へ導光する他面側導光部とを備え、前記光へテロダイン干渉を行うために、第１および第２一面側測定光を周波数変調する一面側光変調器を前記一面側測定部内に持ち、前記光へテロダイン干渉を行うために、第１および第２他面側測定光を周波数変調する他面側光変調器を前記他面側測定部内に持ち、そして、一面側測定部の測定光学系が一体に保持され、他面側測定部の測定光学系が一体に保持されるものである。

　一方、第２実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、測定光を生成する光源部と、前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記測定対象物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記測定対象物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差に基づいて前記測定対象物の厚さを求める演算部とを備え、前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記測定対象物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記測定対象物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記測定対象物における表面形状をさらに求めるものである。

　このような第２実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、より具体的には、以下のような装置である。

　図７は、第２実施形態にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。第２実施形態にかかる形状測定装置Ｓは、光ヘテロダイン干渉法を利用することによって例えば半導体ウェハ等の薄板状の被測定物（測定対象物）１における表面形状をナノメートルレベルやサブナノメートルレベル（１ｎｍ以下の厚さ方向の分解能）で測定する装置である。形状測定装置Ｓは、例えば、図７に示すように、光源部１０１と、一面側測定部１０２（１０２Ａ、１０２Ｂ）と、他面側測定部１０３と、ステージ１０４と、一面側位相検波部１０５（１０５Ａ、１０５Ｂ）と、他方面側位相検波部１０６と、演算制御部１０７と、入力部８と、出力部９とを備えて構成され、ステージ１０４によって被測定物１を水平方向に移動させながら被測定物１の表面形状を測定するものである。

　以下、形状測定装置Ｓの各部について説明するが、ここで、各部で多用される光部品（光学素子）について、纏めて説明する。

　光分岐部（optical　branching　device、無偏光ビームスプリッタ）は、入射光を光パワーの点で２つの光に分配してそれぞれ射出する光部品である。光分岐部は、例えば、ハーフミラー（半透鏡）等の微少光学素子形光分岐結合器や、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や、光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光分岐部は、通常、入力端子と出力端子とを入れ替えて（逆に）使用すると、入射した２つの光を合わせて射出する光結合部として機能する。光分岐部としてハーフミラーが用いられる場合、通常、この分配された一方の光は、ハーフミラーを通過してそのままの方向で射出され、この分配された他方の光は、ハーフミラーで反射されてこの方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。

　偏光ビームスプリッタ（polarization　beam　splitter）は、入射光から互いに直交するＳ偏光とＰ偏光とを取り出してそれぞれ射出する光部品であり、通常、この取り出された一方の光（Ｓ偏光またはＰ偏光）は、そのままの方向で射出され、この取り出された他方の光（Ｐ偏光またはＳ偏光）は、この方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。

　偏光子（polarizer）は、入射光から所定の偏光面を持つ直線偏光を取り出して射出する光部品であり、例えば、偏光フィルタである。

　波長板（wave　plate、（位相板（phase　plate））は、入射光における２つの偏光成分の間に所定の位相差（したがって光路差）を与えて射出する光部品であり、例えば、前記１／４波長板や、入射光における２つの偏光成分の間にλ／２の光路差を与える１／２波長板等である。波長板を構成する例えば複屈折性の白雲母板等の結晶板における厚さをｄとし、前記結晶板における２つの偏光成分に対する屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の波長をλとする場合に、この波長板による位相差は、（２π／λ）（ｎ１－ｎ２）ｄで与えられる。

　反射鏡（ミラー、reflection　mirror）は、入射光をその入射角に応じた反射角で所定の反射率で反射することによって光の進行方向を変更する光部品であり、例えば、ガラス部材の表面に金属薄膜や誘電体多層膜を蒸着したものである。反射鏡は、光のロスを低減するために、全反射する全反射鏡が好ましい。

　入力端子は、光部品へ光を入射するための端子であり、また、出力端子は、光部品から光を射出するための端子である。各部間の接続には、例えばミラーやレンズ等の光学部品から構成される導光手段が用いられてもよいが、本実施形態では、各部間の接続には、後述するように、偏波保持光ファイバやマルチモード光ファイバ等の光ファイバが用いられることから、これら入力端子および出力端子には、光ファイバを接続するためのコネクタが用いられる。

　以下、形状測定装置Ｓの各部について説明する。まず、光源部１０１について説明する。図８は、第２実施形態の形状測定装置における光源部の構成を示す図である。光源部１０１は、所定の可干渉光であって、被測定物１の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するための測定光を生成する装置である。測定光は、予め設定された所定の波長λ（周波数ω）を持つ単波長光であって、予め設定された所定の偏光面を持つ偏光である。測定光は、測定対象物を両面から光ヘテロダイン干渉法によって測定するために、２つの一面側測定光（第Ａ測定光）および他面側測定光（第Ｂ測定光）を備えている。このような光源部１０１は、例えば、図８に示すように、単波長レーザ光源１０１ａと、光アイソレータ１０１ｂと、光分岐部１０１ｃと、偏光子１０１ｄ、１０１ｆと、出力端子１０１ｅ、１０１ｇとを備えて構成される。

　単波長レーザ光源１０１ａは、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長レーザ光を発生する装置であり、種々のレーザ装置を用いることができるが、例えば、所定の光パワーで波長約６３２．８ｎｍのレーザ光を出力することができるヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ－Ｎｅレーザ装置）等である。単波長レーザ光源１０１ａは、波長ロッカ等を備えた周波数安定化レーザ装置が好ましい。光アイソレータ１０１ｂは、その入力端子からその出力端子へ一方向のみに光を透過させる光部品である。光アイソレータ１０１ｂは、単波長レーザ光源１０１ａのレーザ発振を安定させるために、形状測定装置Ｓ内における各光部品（光学素子）の接続部等で生じる反射光（戻り光）が単波長レーザ光源１０１ａに入射することを防止するものである。

　このような光源部１０１では、単波長レーザ光源１０１ａから射出されたレーザ光は、光アイソレータ１０１ｂを介して光分岐部１０１ｃに入射され、第１レーザ光および第２レーザ光の２つに分配される。第１レーザ光は、偏光子１０１ｄに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の一面側測定光となって、出力端子１０１ｅから射出される。この一面側測定光は、一面側測定部１０２に入射される。一方、第２レーザ光は、偏光子１０１ｆに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の他面側測定光となって、出力端子１０１ｇから射出される。この他面側測定光は、他面側測定部１０３に入射される。

　ここで、説明の便宜上、被測定物１の一方面（図７に示す例では上側の面（上面））を「Ａ面」と呼称することとし、被測定物１の、Ａ面と表裏の関係にある他方面（図７に示す例では下側の面（下面））を「Ｂ面」と呼称することとする。本実施形態では、前記一面側測定光は、被測定物１のＡ面の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられ、前記他面側測定光は、被測定物１のＢ面の表面形状を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられる。

　光源部１０１と一面側測定部１０２との接続、および、光源部１０１と他面側測定部１０３との接続には、光源部１０１および一面側測定部１０２間の光路長と、光源部１０１および他面側測定部１０３間の光路長との調整を容易にする観点から、本実施形態では、それぞれ、光をその偏波面を保持しながら導光する偏波保持光ファイバが用いられる。偏波保持光ファイバは、例えば、ＰＡＮＤＡファイバや楕円コア光ファイバ等である。光源部１０１の出力端子１０１ｅから射出した一面側測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、一面側測定部１０２へ入射し、光源部１０１の出力端子１０１ｇから射出した他面側測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、他面側測定部１０３へ入射する。

　次に、一面側測定部１０２について説明する。図９は、第２実施形態の形状測定装置における第１態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。図１０は、第２実施形態の形状測定装置における第２態様にかかる一面側測定部の構成を示す図である。

　一面側測定部（第Ａ測定部）１０２は、光源部１０１からの一面側測定光が入射され、一面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって被測定物１におけるＡ面の表面形状の情報を含むビート光信号を得る装置である。

　より具体的には、一面側測定部１０２は、被測定物１のＡ面に対向配置され、光源部１０１からの一面側測定光を第１一面側測定光（第Ａ１測定光）と第２一面側測定光（第Ａ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における被測定物１のＡ面に照射されて反射された照射後一面側測定光（第Ａ照射後測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光（第Ａ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における被測定物１のＡ面に照射される前の照射前一面側測定光（第Ａ照射前測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光（第Ａ照射前干渉光）を生成する測定光学系であって、被測定物１におけるＡ面の表面形状を測定するべく複数の照射後一面側干渉光を生成するために、被測定物１のＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得る測定光学系である。このような構成の一面側測定部１０２では、照射前一面側干渉光を基準に、複数の照射後一面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。

　さらに、より具体的には、一面側測定部１０２は、被測定物１のＡ面に対向配置され、一面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２一面側測定光を生成し、この２つの第１一面側測定光と第２一面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、一面側測定光から第１および第２一面側測定光が生成されてから第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１一面側測定光が被測定物１のＡ面に照射され反射される第１一面側光路および第１一面側測定光が被測定物１のＡ面に照射されない第２一面側光路の各光路を含み、そして、被測定物１におけるＡ面の表面形状を測定するために、第１一面側測定光が被測定物１のＡ面に照射される前に第１一面側測定光がさらに複数に分配され、そのそれぞれが被測定物１のＡ面に照射され反射され、この第１一面側測定光の複数の分配に対応して、第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉される前に、第２一面側測定光もさらに複数に分配され、そのそれぞれが被測定物１のＡ面で反射された複数の第１一面側測定光とそれぞれ干渉する測定光学系である。

　このような一面側測定部１０２として、例えば、図９に示す構成の第１態様にかかる一面側測定部１０２Ａや図１０に示す構成の第２態様にかかる一面側測定部１０２Ｂが挙げられる。

　この第１態様にかかる一面側測定部１０２Ａは、図９に示すように、入力端子１０２ａと、光分岐部１０２ｂ、１０２ｄ、１０２ｉ、１０２ｍ、１０２ｐと、偏光ビームスプリッタ１０２ｆと、光波長シフタ１０２ｃ、１０２ｌと、反射鏡１０２ｋ、１０２ｏと、回折格子１０２ｅ、１０２ｎと、１／４波長板１０２ｇと、レンズ１０２ｈと、出力端子１０２ｊ（１０２ｊ－１～１０２ｊ－３）、１０２ｑとを備えて構成される。

　光波長シフタ１０２ｃ、１０２ｌは、入射光の波長をシフトして（入射光の周波数を変化させて）入射光の波長（周波数）と異なる波長（周波数）の光を生成する光部品であり、例えば、音響光学効果を利用することによって入射光の波長をシフトする音響光学変調器（acoustooptic　modulator）等が用いられる。回折格子１０２ｅ、１０２ｎは、入射光を回折する光部品である。回折格子１０２ｅ、１０２ｎは、本実施形態では、入射光が格子に入射されるとこの格子を透過して回折光が射出される透過型の回折格子である。レンズ１０２ｈは、一面側測定部１０２Ａの被測定物１に対する対物レンズであり、非球面の集光レンズである。

　このような構成の一面側測定部１０２Ａでは、光源部１０１から偏波保持光ファイバを介して入力端子１０２ａに入射された一面側測定光は、光分岐部１０２ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第１一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部１０２ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２一面側測定光は、第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１一面側測定光は、光波長シフタ１０２ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２一面側測定光は、反射鏡１０２ｋを介して光波長シフタ１０２ｌに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。周波数変更後（波長シフト後）における第１一面側測定光の周波数ωＡ１と第２一面側測定光の周波数ωＡ２との周波数差△ωＡは、特に限定されないが、光ヘテロダインによって干渉させる観点から、例えば、数十ｋＨｚ～数ＭＨｚ程度の値である。後述の第２態様の一面側測定部１０２Ｂおよび他面側測定部１０３も同様である。

　なお、本実施形態では、第１一面側測定光および第２一面側測定光のそれぞれを波長シフタ１０２ｃ、１０２ｃｌによってそれぞれ波長シフトしたが、光ヘテロダインによって干渉させるために、第１一面側測定光の周波数ωＡ１と第２一面側測定光の周波数ωＡ２との間に、所定の周波数差△ωＡが有ればよいので、一方のみであってもよい。後述の第２態様の一面側測定部１０２Ｂおよび他面側測定部１０３も同様である。

　また、光分岐部１０２ｂから射出された第２一面側測定光は、本実施形態では光分岐部１０２ｂによって第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡１０２ｋによってその進行方向が直角に曲げられ、第１一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡１０２ｋは、光分岐部１０２ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。

　波長シフタ１０２ｃから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部１０２ｄに入射され、第１１一面側測定光（第Ａ１１測定光）および第１２一面側測定光（第Ａ１２測定光）の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ１０２ｌから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第２一面側測定光）は、光分岐部１０２ｍに入射され、第２１一面側測定光（第Ａ２１測定光）および第２２一面側測定光（第Ａ２２測定光）の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。

　第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部１０２ｐに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡１０２ｏを介して光分岐部１０２ｐに入射される。そして、この光分岐部１０２ｐに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部１０２ｐで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前一面側干渉光として出力端子１０２ｑから射出される。ここでは、光分岐部１０２ｐは、光結合部として機能している。この出力端子１０２ｑから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一面側位相検波部１０５に入射される。

　また、被測定物１のＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の測定光、本実施形態では第１１一面側測定光を照射するために、第１１一面側測定光は、回折格子１０２ｅに入射され、回折され、複数に分配される。そして、これに対応して第２１一面側測定光も、回折格子１０２ｎに入射され、回折され、複数に分配される。前記複数の箇所Ｐは、任意の個数でよいが、本実施形態では、被測定物１の表面形状として測定箇所の曲率を求めることから、３箇所以上である。前記複数の箇所Ｐの個数が多いほど、求められる曲率の精度が向上し、好ましいが、その情報処理（演算処理）の処理量（演算量）が増すことから、例えば、本実施形態では、前記複数の箇所Ｐの個数は、３箇所である。このため、回折格子１０２ｅによって回折された回折光のうちの３つの回折光が、被測定物１のＡ面における３箇所に同時に照射される第１１一面側測定光として用いられ、これに対応して回折格子１０２ｎによって回折された回折光のうちの３つの回折光が、後述のように光分岐部１０２ｉで合わせられて光へテロダイン干渉を行う第２１一面側測定光として用いられる。そして、このように用いられる３つの回折光は、光パワーの点で相対的により強くまた対称性を有することから、例えば、０次回折光、＋１次回折光および－１次回折光が用いられる。

　回折格子１０２ｅで回折された複数（ここでは３個）の第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１０２ｆを介して１／４波長板１０２ｇに入射され、レンズ１０２ｈで集光され、被測定物１のＡ面に、１つの測定箇所ＭＰにおいて複数の箇所Ｐに照射される。そして、この被測定物１のＡ面における前記複数の箇所Ｐのそれぞれで反射された複数の第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ１０２ｈに入射され、そして、１／４波長板１０２ｇに入射される。したがって、この１／４波長板１０２ｇの存在によって、偏光ビームスプリッタ１０２ｆから被測定物１のＡ面に照射される複数の第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、被測定物１のＡ面で反射して偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射される複数の第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、回折格子１０２ｅから偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射された複数の第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１０２ｆを被測定物１のＡ面に向かって通過する一方、被測定物１のＡ面からレンズ１０２ｈおよび１／４波長板１０２ｇを介して偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射した複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が被測定物１のＡ面から偏光ビームスプリッタ１０２ｆへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。

　偏光ビームスプリッタ１０２ｆから射出された複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、光分岐部１０２ｉに入射される。光分岐部１０２ｉには、回折格子１０２ｎで回折され分配された複数の第２１一面側測定光も、入射される。そして、この光分岐部１０２ｉに入射された複数の第１１一面側測定光と複数の第２１一面側測定光とは、光分岐部１０２ｉで各光のそれぞれが合わされて光ヘテロダイン干渉をそれぞれ行い、その複数のビート光信号が複数の照射後一面側干渉光として各出力端子１０２ｊ（１０２ｊ－１～１０２ｊ－３）から射出される。ここでは、光分岐部１０２ｉは、光結合部として機能している。これら各出力端子１０２ｊ（１０２ｊ－１～１０２ｊ－３）から射出されたビート光信号の複数の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部１０５に入射される。

　本実施形態では、一面側測定部１０２Ａと一面側位相検波部１０５とは、シングルモード光ファイバであってもよいが、光軸調整および伝播光の光量における優位性の観点から、複数の伝搬モードを持つマルチモード光ファイバによって接続されている。したがって、本実施形態では、一面側測定部１０５Ａから射出した照射前一面側干渉光は、マルチモード光ファイバによって導光され、一面側位相検波部１０５へ入射し、一面側測定部１０５Ａから射出した複数の照射後一面側干渉光は、複数のマルチモード光ファイバによってそれぞれ導光され、一面側位相検波部１０５へ入射する。なお、後述の一面側測定部１０２Ｂと一面側位相検波部１０５との接続および他面側測定部１０３と他方面側位相検波部１０６との接続も同様である。

　このような構成の一面側測定部１０２Ａは、回折格子１０２ｅを用いることによって１つの光学素子で第１一面側測定光を複数に分けることができ、そして、回折格子１０２ｎを用いることによって１つの光学素子で第２一面側測定光を複数に分けることができ、一面側測定光の１つの発光で前記複数の箇所Ｐを同時に測定することができる。また、複数の第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）と複数の第２１一面側測定光との光ヘテロダイン干渉も１つの光分岐部１０２ｉで行うことができる。したがって、一面側測定部１０２Ａを構成する光部品の個数を低減することができ、装置の小型化および低廉化を実現しやすい。

　また、この第２態様にかかる一面側測定部１０２Ｂは、図１０に示すように、入力端子１０２ａと、光分岐部１０２ｂ、１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃ、１０２０ｍ、１０２０ｎ、１０２０ｏ、１０２０ｐ、１０２０ｑ、１０２０ｒ、１０２０ｕと、偏光ビームスプリッタ１０２ｆと、光波長シフタ１０２ｃ、１０２ｌと、反射鏡１０２ｋ、１０２０ｄ、１０２０ｅ、１０２０ｆ、１０２０ｇ、１０２０ｊ、１０２０ｋ、１０２０ｌ、１０２０ｓ、１０２０ｔと、１／４波長板１０２ｇと、レンズ１０２ｈと、出力端子１０２ｊ（１０２ｊ－１～１０２ｊ－３）、１０２ｑとを備えて構成される。

　このような構成の一面側測定部１０２Ｂでは、光源部１０１から偏波保持光ファイバを介して入力端子１０２ａに入射された一面側測定光は、光分岐部１０２ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第２一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部１０２ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第１一面側測定光は、第２一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第２一面側測定光は、光波長シフタ１０２ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第１一面側測定光は、反射鏡１０２ｋを介して光波長シフタ１０２ｌに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。

　また、光分岐部１０２ｂから射出された第１一面側測定光は、本実施形態では光分岐部１０２ｂによって第２一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡１０２ｋによってその進行方向が直角に曲げられ、第２一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡１０２ｋは、光分岐部１０２ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。

　波長シフタ１０２ｌから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部１０２０ａに入射され、第１１一面側測定光および第１２一面側測定光の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ１０２ｃから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第２一面側測定光）は、光分岐部１０２０ｐに入射され、第２１一面側測定光および第２２一面側測定光の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。

　第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部１０２０ｕに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡１０２０ｔを介して光分岐部１０２０ｕに入射される。そして、この光分岐部１０２０ｕに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部１０２０ｕで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前一面側干渉光として出力端子１０２ｑから射出される。ここでは、光分岐部１０２ｐは、光結合部として機能している。この出力端子１０２ｑから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一面側位相検波部１０５に入射される。

　また、被測定物１のＡ面に対し１つの測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐに複数の測定光、本実施形態では第１１一面側測定光を照射するために、第１１一面側測定光は、複数の光分岐部１０２０に順次に入射され、各光分岐部で順次に分配され、複数に分配される。これに対応して第２１一面側測定光も、複数の光分岐部１０２０に順次に入射され、各光分岐部で順次に分配され、複数に分配される。本実施形態では、一面側測定部１０２Ａの説明で上述したように、前記複数の箇所Ｐの個数は、３箇所である。このため、より具体的には、第１１一面側測定光は、２個の光分岐部１０２０ｂおよび光分岐部１０２０ｃに順次に入射され、各光分岐部１０２０ｂ、１０２０ｃで順次に分配され、３つに分配される。これに対応して第２１一面側測定光も、２個の光分岐部１０２０ｑおよび光分岐部１０２０ｒに順次に入射され、各光分岐部１０２０ｑ、１０２０ｒで順次に分配され、３つに分配される。

　光分岐部１０２０ｂで分配された一方の第１１一面側測定光は、第１番目の第１１一面側測定光として、反射鏡１０２０ｅを介して偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射される。光分岐部１０２０ｂで分配された他方の第１１一面側測定光は、光分岐部１０２０ｃに入射され、さらに分配される。この光分岐部１０２０ｃで分配された一方の第１１一面側測定光は、第２番目の第１１一面側測定光として、反射鏡１０２０ｆを介して偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射される。そして、この光分岐部１０２０ｃで分配された他方の第１１一面側測定光は、第３番目の第１１一面側測定光として、反射鏡１０２０ｄおよび反射鏡１０２０ｇを介して偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射される。

　ここで、この光分岐部１０２０ｂで分配された他方の第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部１０２０ｂで分配された一方の第１１一面側測定光は、前記他方の第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。この光分岐部１０２０ｃで分配された他方の第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部１０２０ｃで分配された一方の第１１一面側測定光は、前記他方の第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。そして、反射鏡１０２０ｄ、１０２０ｅ、１０２０ｆ、１０２０ｇは、それぞれ、入射光の進行方向に対し略直交する方向で射出する。したがって、反射鏡１０２０ｅ、１０２０ｆ、１０２０ｇから偏光ビームスプリッタ１０２ｆへ向かう第１番目ないし第３番目の各第１１一面側測定光は、互いに略同じ方向に向かって進行している。

　また、光分岐部１０２０ｑで分配された一方の第２１一面側測定光は、第１番目の第２１一面側測定光として、光分岐部１０２０ｏに入射される。光分岐部１０２０ｑで分配された他方の第２１一面側測定光は、光分岐部１０２０ｒに入射され、さらに分配される。この光分岐部１０２０ｒで分配された一方の第２１一面側測定光は、第２番目の第２１一面側測定光として、光分岐部１０２０ｎに入射される。そして、この光分岐部１０２０ｒで分配された他方の第２１一面側測定光は、第３番目の第２１一面側測定光として、反射鏡１０２０ｓを介して光分岐部１０２０ｍに入射される。

　ここで、この光分岐部１０２０ｑで分配された他方の第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部１０２０ｑで分配された一方の第２１一面側測定光は、前記他方の第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。この光分岐部１０２０ｒで分配された他方の第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、光分岐部１０２０ｒで分配された一方の第２１一面側測定光は、前記他方の第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。そして、反射鏡１０２０ｓは、入射光の進行方向に対し直交する方向で射出する。したがって、光分岐部１０２０ｑ、光分岐部１０２０ｒ、反射鏡１０２０ｓから光分岐部１０２０ｏ、光分岐部１０２０ｎ、光分岐部１０２０ｍへ向かう第１番目ないし第３番目の各第２１一面側測定光は、互いに略同じ方向に向かって進行している。

　そして、反射鏡１０２０ｅ、１０２０ｆ、１０２０ｇから偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射された第１番目ないし第３番目の各第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１０２ｆを介して１／４波長板１０２ｇに入射され、レンズ１０２ｈで集光され、被測定物１のＡ面に１つの測定箇所ＭＰにおいて複数の箇所Ｐ（ここでは３箇所）で照射される。この被測定物１のＡ面における前記複数の箇所Ｐのそれぞれで反射された複数（ここでは３箇所）の第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ１０２ｈに入射され、そして、１／４波長板１０２ｇを介して偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射される。これら偏光ビームスプリッタ１０２ｆに入射された各第１１一面側測定光（各照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が被測定物１のＡ面から偏光ビームスプリッタ１０２ｆへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。

　偏光ビームスプリッタ１０２ｆから射出された各第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、反射鏡１０２０ｊ、反射鏡１０２０ｋ、反射鏡１０２０ｌでそれぞれ反射され、その進行方向が略直角に曲げられ、光分岐部１０２０ｍ、光分岐部１０２０ｎ、光分岐部１０２０ｏにそれぞれ入射される。これら光分岐部１０２０ｍ、光分岐部１０２０ｎ、光分岐部１０２０ｏのそれぞれには、上述したように、反射鏡１０２０ｓ、光分岐部１０２０ｒ、光分岐部１０２０ｑからの各第２１一面側測定光も、入射されている。そして、これら光分岐部１０２０ｍ、光分岐部１０２０ｎ、光分岐部１０２０ｏのそれぞれに入射された各第１１一面側測定光と各第２１一面側測定光とは、これら光分岐部１０２０ｍ、光分岐部１０２０ｎ、光分岐部１０２０ｏのそれぞれで各光のそれぞれが合わされて光ヘテロダイン干渉をそれぞれ行い、その複数（ここでは３個）のビート光信号が各照射後一面側干渉光として各出力端子１０２ｊ（１０２ｊ－１～１０２ｊ－３）から射出される。ここでは、光分岐部１０２０ｍ、光分岐部１０２０ｎ、光分岐部１０２０ｏは、光結合部として機能している。これら各出力端子１０２ｊ（１０２ｊ－１～１０２ｊ－３）から射出されたビート光信号の複数の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部１０５に入射される。

　このような構成の一面側測定部１０２Ｂでは、１または複数、図１０に示す例では２個の光分岐部１０２０ｂ、１０２０ｃによって第１一面側測定光が複数に分けられ、１または複数、図１０に示す例では２個の光分岐部１０２０ｑ、１０２０ｒによって第２一面側測定光が複数に分けられ、一面側測定光の１回の発光で前記複数の箇所Ｐが同時に測定される。このように光分岐部を用いるので、このような構成の一面側測定部１０２Ｂは、その光学設計や調整において、高い自由度を持ち、その制約が低減される。図９に示す構成の一面側測定部１０２Ａと比較すると、この一面側測定部１０２Ａでは、回折格子１０２ｅ、１０２ｎおよびレンズ１０２ｈのパラメータによって、各光学素子間の距離や複数の箇所における各距離が略一意に決まり、その光学設計や調整において、その自由度が比較的少ないが、この図１０に示す構成の一面側測定部１０２Ｂでは、各光学素子の光軸を個別に調整することができるため、その光学設計や調整において、その制約が比較的少なく、高い自由度を有している。

　次に、他面側測定部１０３について説明する。図１１は、第２実施形態の形状測定装置における第２測定部の構成を示す図である。

　他面側測定部（第Ｂ測定部）１０３は、光源部１０１からの他面側測定光が入射され、他面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって被測定物１におけるＢ面の表面形状の情報を含むビート光信号を得る装置である。

　より具体的には、他面側測定部１０３は、被測定物１のＢ面に対向配置され、光源部１０１からの他面側測定光（第Ｂ測定光）を第１他面側測定光（第Ｂ１測定光）と第２他面側測定光（第Ｂ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における被測定物１のＢ面に照射されて反射された照射後他面側測定光（第Ｂ照射後測定光）と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光（第Ｂ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における被測定物１のＢ面に照射される前の照射前他面側測定光（第Ｂ照射前測定光）と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光（第Ｂ照射前干渉光）を生成する測定光学系である。このような構成の他面側測定部１０３では、照射前他面側干渉光を基準に、複数の照射後他面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。

　さらに、より具体的には、他面側測定部１０３は、被測定物１のＢ面に対向配置され、他面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２他面側測定光を生成し、この２つの第１他面側測定光と第２他面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、他面側測定光から第１および第２他面側測定光が生成されてから第１他面側測定光と第２他面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１他面側測定光が被測定物１のＢ面に照射され反射される第１他面側光路および第１他面側測定光が被測定物１のＢ面に照射されない第２他面側光路を含む測定光学系である。

　このような他面側測定部１０３は、例えば、図１１に示すように、入力端子１０３ａと、光分岐部１０３ｂ、１０３ｄ、１０３ｈ、１０３ｌ、１０３ｎと、偏光ビームスプリッタ１０３ｅと、光波長シフタ１０３ｃ、１０３ｋと、反射鏡１０３ｊ、１０３ｍと、１／４波長板１０３ｆと、レンズ１０３ｇと、出力端子１０３ｉ、１０３ｏとを備えて構成される。

　このような構成の他面側測定部１０３では、光源部１０１から偏波保持光ファイバを介して入力端子１０３ａに入射された他面側測定光は、光分岐部１０３ｂに入射され、第１他面側測定光および第２他面側測定光の２つに分配される。第１他面側測定光は、そのままの方向（光分岐部１０３ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２他面側測定光は、第１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１他面側測定光は、光波長シフタ１０３ｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２他面側測定光は、反射鏡１０３ｊを介して光波長シフタ１０３ｋに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。

　また、光分岐部１０３ｂから射出された第２他面側測定光は、本実施形態では光分岐部１０３ｂによって第１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡１０３ｊによってその進行方向が直角に曲げられ、第１他面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡１０３ｊは、光分岐部１０３ｂから射出された第１他面側測定光の進行方向と第２他面側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。

　波長シフタ１０３ｃから射出された第１他面側測定光（波長シフト後の第１他面側測定光）は、光分岐部１０３ｄに入射され、第１１他面側測定光（第Ｂ１１測定光）および第１２他面側測定光（第Ｂ１２測定光）の２つに分配される。この第１１他面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２他面側測定光は、第１１他面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ１０３ｋから射出された第２他面側測定光（波長シフト後の第２他面側測定光）は、光分岐部１０２ｌに入射され、第Ｂ２１測定光および第Ｂ２２測定光の２つに分配される。この第Ｂ２１測定光は、そのままの方向で進行する一方、第Ｂ２２測定光は、第Ｂ２１測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。

　第１２他面側測定光は、照射前他面側測定光であり、光分岐部１０３ｎに入射され、第Ｂ２２測定光は、反射鏡１０３ｍを介して光分岐部１０３ｎに入射される。そして、この光分岐部１０３ｎに入射された第１２他面側測定光と第Ｂ２２測定光とは、光分岐部１０３ｎで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射前他面側干渉光として出力端子１０３ｏから射出される。ここでは、光分岐部１０３ｎは、光結合部として機能している。この出力端子１０３ｏから射出されたビート光信号の照射前他面側干渉光は、他方面側位相検波部１０６に入射される。

　第１１他面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１０３ｅを介して１／４波長板１０３ｆに入射され、レンズ１０３ｇで集光され、被測定物１のＢ面に照射される。そして、この被測定物１のＢ面で反射された第１１他面側測定光は、照射後他面側測定光として、再び、レンズ１０３ｇに入射され、そして、１／４波長板１０３ｆに入射される。したがって、この１／４波長板１０３ｆの存在によって、偏光ビームスプリッタ１０３ｅから被測定物１のＢ面に照射される第１１他面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、被測定物１のＢ面で反射して偏光ビームスプリッタ１０３ｅに入射される第１１他面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、光分岐部１０３ｄから偏光ビームスプリッタ１０３ｅに入射された第１１他面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１０３ｅを被測定物１のＢ面に向かって通過する一方、被測定物１のＢ面からレンズ１０３ｇおよび１／４波長板１０３ｆを介して偏光ビームスプリッタ１０３ｅに入射した第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）が被測定物１のＢ面から偏光ビームスプリッタ１０３ｅへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。

　偏光ビームスプリッタ１０３ｅから射出された第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）は、光分岐部１０３ｈに入射される。光分岐部１０３ｈには、光分岐部１０３ｌで分配された第Ｂ２１測定光も、入射される。そして、この光分岐部１０３ｈに入射された第１１他面側測定光（照射後他面側測定光）と第Ｂ２１測定光とは、光分岐部１０３ｈで各光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が照射後他面側干渉光として出力端子１０３ｉから射出される。ここでは、光分岐部１０３ｈは、光結合部として機能している。この出力端子１０３ｉから射出されたビート光信号の照射後他面側干渉光は、他方面側位相検波部１０６に入射される。

　そして、一面側測定部１０２と他面側測定部１０３とは、被測定物１のＡ面における測定箇所（測定位置）とそのＢ面における測定箇所（測定位置）とが表裏関係で以て同じ位置となるように、配置される。すなわち、被測定物１の厚さ方向をＺ軸とし、前記厚さ方向に直交する水平面内における互いに直交する２方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする直交ＸＹＺ座標系を設定する場合に、複数の第１１一面側測定光が被測定物１のＡ面に照射される複数の箇所のうちのいずれかの箇所（例えば、複数の箇所における中央の箇所等）のＸ座標値およびＹ座標値が、第１１他面側測定光が被測定物１のＢ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値と一致するように、正対配置される。

　次に、ステージ１０４について説明する。図１２は、第２実施形態の形状測定装置におけるステージの構成を示す図である。ステージ１０４は、演算制御部１０７の制御に従って、被測定物１の厚さ方向に直交する水平方向に被測定物１を移動する装置である。ステージ１０４は、上述のようにＸＹＺ座標系を設定した場合に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に被測定物１を移動することができるＸＹステージであってもよいが、本実施形態では、被測定物１が半導体ウェハである場合に、一般に、半導体ウェハが円盤状の形状であることから、ステージ１０４は、被測定物１を回転移動することができるとともに、前記回転の径方向にも移動することができる装置である。このため、測定箇所における測定値は、円柱座標系ＲθＺで表現されることが好ましい。

　このようなステージ１０４は、より具体的には、例えば、図１２に示すように、被測定物１の振動による影響を受けることなく、被測定物１の測定箇所ＭＰにおける厚さ等の表面形状を高精度にかつ高速に測定することができるように、中央部材から径方向に延びる３個のアーム部材を備え、前記アーム部材の先端で、半導体ウェハ等の円盤状の被測定物１をその縁部（エッジ領域）において円周上の３箇所で３点支持する支持部１０４ｄと、前記支持部１０４ｄの中央部材に連結される回転軸１０４ａと、回転軸１０４ａを回転駆動する回転駆動部１０４ｂと、回転駆動部１０４ｂを所定の移動範囲内で直線移動する直線駆動部１０４ｃとを備えている。これら回転駆動部１０４ｂや直線駆動部１０４ｃは、例えばサーボモータ等のアクチュエータや減速ギヤ等の駆動機構を備えて構成される。

　このような構成のステージ１０４では、被測定物１が支持部１０４ｄにおける３個のアーム部材の各先端に載せられて支持部１０４ｄによって３点支持される。そして、このように被測定物１がステージ１０４に載置された場合に、被測定物１のＡ面およびＢ面が一面側測定部１０２および他面側測定部１０３によって測定することができるように、ステージ１０４が一面側測定部１０２および他面側測定部１０３の配置位置に対して配設される。

　そして、このような構成のステージ１０４では、演算制御部１０７の制御に従って回転駆動部１０４ｂが回転することで、回転軸１０４ａを介して支持部１０４ｄが回転し、被測定物１が回転軸１０４ａ（支持部１０４ｄの中央部材）を中心に回転する。そして、演算制御部１０７の制御に従って回転駆動部１０４ｂが回転駆動部１０４ｂを直線移動することで、被測定物１が径方向に沿って移動する。このような回転駆動部１０４ｂによる被測定物１の回転移動と、直線駆動部１０４ｃによる被測定物１の直線方向の移動とを併用することによって、ステージ１０４の移動範囲内において被測定物１の所望の測定箇所ＭＰを測定することができる。ここで、１個の測定箇所ＭＰには、上述したように、一面側測定部１０２によって複数の箇所Ｐで第１１一面側測定光が照射される。

　次に、一面側位相検波部（第Ａ位相検波部）１０５について説明する。図１３は、第２実施形態の形状測定装置における第１態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。図１４は、第２実施形態の形状測定装置における第２態様の一面側位相検波部の構成を示す図である。

　一面側位相検波部１０５は、一面側測定部１０２（１０２Ａ、１０２Ｂ）によって得られた複数の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡを検出するための装置である。本実施形態では、３箇所の測定箇所ＭＰＡ１、ＭＰＡ２、ＭＰＡ３について、３個の照射後一面側干渉光が得られることから、３個の位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３が検出される。

　このような一面側位相検波部１０５として、例えば、図１３に示す構成の第１態様にかかる一面側位相検波部１０５Ａや図１４に示す構成の第２態様にかかる一面側位相検波１０５Ｂが挙げられる。

　この第１態様にかかる一面側位相検波部１０５Ａは、図１３に示すように、光電変換部１０５ａ（１０５ａ－１、１０５ａ－２、１０５ａ－３）、１０５ｂと、位相検波器１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅとを備えて構成される。

　光電変換部１０５ａ、１０５ｂは、例えばフォトダイオード等の、入射光の光量に応じた信号レベルの電気信号に変換して該電気信号を出力する光電変換素子を備えて構成される。光電変換部１０５ａは、前記複数の箇所（測定箇所ＭＰ）の個数に応じて用意され、一面側測定部１０２からの複数の照射後一面側干渉光をそれぞれ受光して、その各光量に応じた信号レベルの各電気信号を各一面側測定ビート信号（第Ａ測定ビート信号）ＳｉｇＡとして出力するものである。本実施形態では、前記複数の箇所は、３個であることから、３個の光電変換部１０５ａ－１、１０５ａ－２、１０５ａ－３が用意される。各光電変換部１０５ａ－１、１０５ａ－２、１０５ａ－３のそれぞれは、一面側測定部１０２の出力端子１０２ｊ－１、１０２ｊ－１０２、１０２ｊ－３からそれぞれ射出された３個の照射後一面側干渉光を各マルチモード光ファイバおよび図略の各入力端子を介してそれぞれ受光し、これら各照射後一面側干渉光の各光量に応じて各一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－１、ＳｉｇＡ－２、ＳｉｇＡ－３をそれぞれ出力する。そして、光電変換部１０５ｂは、一面側測定部１０２からの照射前一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側参照ビート信号（第Ａ参照ビート信号）ＲｅｆＡとして出力するものである。

　位相検波器１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅは、入力信号間の位相を検出する装置である。位相検波器１０５ｃは、光電変換部１０５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部１０５ａ－２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－２とが入力され、これら一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－２との間における位相差△ΦＡａ２－ｒを検出する。位相検波器１０５ｄは、光電変換部１０５ａ－１から一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ－１と光電変換部１０５ａ－２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－２とが入力され、一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ－１と一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－２との間における位相差△ΦＡａ１－ａ２を検出する。位相検波器１０５ｅは、光電変換部１０５ａ－２から一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ－２と光電変換部１０５ａ－３から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－３とが入力され、一面側信号ビート信号ＳｉｇＡ－２と一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－３との間における位相差△ΦＡａ３－ａ２を検出する。これら位相差△ΦＡａ２－ｒ、位相差△ΦＡａ１－ａ２および位相差△ΦＡａ３－ａ２から、演算処理によって、一面側測定部１０２によって得られた複数の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３を検出することができる。この演算処理は、一面側位相検波部１０５Ａによって実行されてもよく、また、演算制御部１０７によって実行されてもよい。

　このような演算処理を不要とするために、第２態様にかかる一面側位相検波部１０５Ｂは、図１４に示すように、光電変換部１０５ａ（１０５ａ－１、１０５ａ－２、１０５ａ－３）、１０５ｂと、位相検波器１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅとを備え、位相検波器１０５ｃは、光電変換部１０５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部１０５ａ－２から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－２とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－２と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ２を検出する。位相検波器１０５ｄは、光電変換部１０５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部１０５ａ－１から第Ａ測定ビート信号ＳｉｇＡ－１とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－１と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ１を検出する。位相検波器１０５ｅは、光電変換部１０５ｂから一面側参照ビート信号ＲｅｆＡと光電変換部１０５ａ－３から一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－３とが入力され、一面側測定ビート信号ＳｉｇＡ－３と一面側参照ビート信号ＲｅｆＡとの間における位相差△ΦＡ３を検出する。

　次に、他方面側位相検波部（第Ｂ位相検波部）１０６について説明する。図１５は、第２実施形態の形状測定装置における他方面側位相検波部の構成を示す図である。

　他方面側位相検波部１０６は、他面側測定部１０３によって得られた照射後他面側干渉光と照射前他面側干渉光との間における各位相差△ΦＢを検出するための装置である。より具体的には、このような他方面側位相検波部１０６は、例えば、図１５に示すように、光電変換部１０６ａ、１０６ｂと、位相検波器１０６ｃとを備えて構成される。

　光電変換部１０６ａは、例えばフォトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、他面側測定部１０３からの照射後他面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を他面側測定ビート信号（第Ｂ測定ビート信号）ＳｉｇＢとして出力するものである。光電変換部１０６ｂは、例えばフォトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、他面側測定部１０３からの照射前他面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を他面側参照ビート信号（第Ｂ参照ビート信号）ＲｅｆＢとして出力するものである。

　位相検波器１０６ｃは、入力信号間の位相を検出する装置であり、光電変換部１０６ｂから他面側参照ビート信号ＲｅｆＢと光電変換部１０６ａから他面側測定ビート信号ＳｉｇＢとが入力され、これら他面側参照ビート信号ＲｅｆＢと他面側測定ビート信号ＳｉｇＢとの間における位相差△ΦＢを検出する。

　演算制御部１０７は、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや被測定物１の表面形状を一面側位相検波部１０５および他方面側位相検波部１０６の各出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read　Only　Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically　Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部１０７は、機能的に、曲率算出部１０７１と、形状算出部１０７２と、ステージ制御部１０７３と、光源制御部１０７４と、厚さ算出部１０７５とを備えている。

　ステージ制御部１０７３は、被測定物１における複数の測定箇所ＭＰを測定するために、被測定物１が厚さ方向に直交する水平方向に移動するように、ステージ１０４における回転駆動部１０４ｂおよび直線駆動部１０４ｃの各動作を制御するものである。光源制御部１０７４は、光源部１０１の動作を制御するものである。

　厚さ算出部１０７５は、一面側測定部１０２によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部１０５で位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部１０３によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部１０６で位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から被測定物１におけるＡ面からＢ面までの距離を被測定物１の厚さとして求めるものである。より具体的には、厚さ算出部１０７５は、一面側測定部１０２によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部１０５で位相検波することによって得られた一面側位相差△ΦＡと、他面側測定部１０３によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部１０６で位相検波することによって得られた他方面側位相差△ΦＢとの差分（△ΦＡ－△ΦＢ）から被測定物１におけるＡ面からＢ面までの距離を被測定物１の厚さとして求める。この差分（△ΦＡ－△ΦＢ）は、被測定物１の厚さに関する値であり、一面側測定光の波長および他面側測定光の波長とが等しいとの近似の下に、一面側測定光の波長をλとする場合に、被測定物１の厚さＤは、例えば、Ｄ＝（△ΦＡ＋△ΦＢ）×（λ／２）／（２π）によって求められる。前記式の符号（△ΦＡと△ΦＢとの間の符号）は、光学系によって正負いずれもとることができ、通常、一面側測定部１０２および他面側測定部１０３を対称に作った（構成した）場合には、正（＋）となる。なお、本実施形態では、一面側と他面側との測定光は、同じ光源からの光を分岐したものであり、一面側と他面側との測定光の波長は、一致している。

　そして、演算制御部１０７は、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのそれぞれについて、予め設定された基準面から被測定物１の一方面（Ａ面）までの距離ｄ（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）を求めることによって、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐでの被測定物１の表面形状を求めるものである。本実施形態では、被測定物１の表面形状として例えば曲率や前記曲率に基づく円弧が曲率算出部１０７１や形状算出部１０７２によって求める。

　曲率算出部１０７１は、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのそれぞれについて、予め設定された基準面から被測定物１の一方面（Ａ面）までの距離ｄ（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）に基づいて、前記複数の箇所Ｐにおける曲率、すなわち、前記測定箇所ＭＰでの曲率を求めるものである。本実施形態では、前記複数の箇所Ｐは、３箇所であるので、曲率算出部１０７１は、図１６に示すように、曲率ＣＦを、ＣＦ＝（２ｄｂ－ｄａ－ｄｃ）／（ｗ^２）によって求める。ここで、ｄａは、第１番目の箇所Ｐａにおける前記予め設定された基準面から被測定物１の一方面までの距離であり、ｄｂは、第２番目の箇所Ｐｂにおける前記予め設定された基準面から被測定物１の一方面までの距離であり、ｄｃは、第３番目の箇所Ｐｃにおける前記予め設定された基準面から被測定物１の一方面までの距離である。この距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃは、実際の距離をそのままに表す絶対値ではなく前記基準面からの相対値であり、この距離ｄａは、ｄａ＝（△ΦＡ１／（２π）＋ｎ１）×（λ／２）＋Ｎ１によって求められ、距離ｄｂは、ｄｂ＝（△ΦＡ２／（２π）＋ｎ２）×（λ／２）＋Ｎ２によって求められ、距離ｄｃは、ｄｃ＝（△ΦＡ３／（２π）＋ｎ３）×（λ／２）＋Ｎ３によって求められる。このように前記予め設定された基準面から被測定物１の一方面までの距離でｄは、例えば、ｄ＝（△ΦＡ／（２π）＋ｎ）×（λ／２）＋Ｎによって求められる。なお、前記基準面は、一面側測定部１０２から照射される測定光の光軸に対し水平な水平面であり、前記光軸に沿った任意の位置に設定される。前記定数Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は、前記基準面に対する初期値であり、例えば被測定物１の測定の度に事前に測定され、当該形状測定装置Ｓに記憶される。また、数値ｎ、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、連続測定の場合に前記初期値に対する変化分を位相の整数倍で表すものである。そして、ｗは、隣接する測定光照射位置間の距離（面方向）である。曲率ＣＦの逆数が曲率半径ＣＦＲである。

　形状算出部１０７２は、曲率算出部１０７１によって求められた、複数の測定箇所ＭＰでの各曲率によって得られる各円弧を連結することによって、被測定物１における表面の高さ分布を表面形状として求めるものである。例えば、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐのうちの中央位置に在る箇所Ｐから曲率算出部１０７１で求められた曲率ＣＦに対応する曲率半径ＣＦＲで、前記中央位置の箇所Ｐを含む円弧が、前記測定箇所ＭＰでの円弧として求められ、各測定箇所ＭＰでの各円弧が連結される。

　入力部８は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや測定対象物の属性情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。出力部９は、入力部８で受け付けたコマンドやデータおよび測定結果等を出力するための装置であり、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。これら入力部８および出力部９は、演算制御部１０７に接続される。

　次に、本実施形態における形状測定装置Ｓの動作について説明する。図１７は、第２実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合における測定箇所を説明するための図である。図１７における○は、測定箇所ＭＰを示し、その破線は、各測定箇所ＭＰの軌跡を示す。図１８は、第２実施形態の形状測定装置を用いて測定対象物の表面形状を測定する場合において、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐと測定結果とを説明するための図である。図１８（Ａ）は、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを説明するための図であり、図１８（Ｂ）は、各測定箇所ＭＰにおける測定結果を示す図である。図１８（Ａ）における●は、測定箇所における複数の箇所Ｐを示し、その円弧状の破線は、各測定箇所ＭＰの軌跡を示す。図１８（Ｂ）の横軸は、被測定物１における周方向の位置座標を表し、その縦軸は、面高さを表す。図１８（Ｂ）における●は、測定結果を示す。また、図１８における直線上の実線および破線は、図１８（Ａ）と図１８（Ｂ）との対応関係を表すものである。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐは、説明の便宜上、３個として説明を行う。

　図略の電源スイッチがオンされると、形状測定装置Ｓが起動され、演算制御部１０７によって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の被測定物１がステージ１０４に載置され、入力部８から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部１０７は、被測定物１の表面形状の測定を開始する。

　まず、演算制御部１０７の光源制御部１０７４は、光源部１０１を駆動し、単波長レーザ光源１０１ａに所定のレーザ光を発光させる。この単波長レーザ光源１０１ａによる所定のレーザ光の発光により、上述した光学系の作用によって、一面側測定光および他面側測定光が光源部１０１の出力端子１０１ｅおよび出力端子１０１ｇからそれぞれ射出される。

　続いて、この光源部１０１の出力端子１０１ｅから射出された一面側測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、一面側測定部１０２に入射される。この一面側測定部１０２では、この入射された一面側測定光から上述した光学系の作用によって照射前一面側干渉光および３個の照射後一面側干渉光とが生成され、出力端子１０２ｑおよび３個の出力端子１０２ｊ－１～１０２ｊ－３からそれぞれ射出される。続いて、この一面側測定部１０２の出力端子１０２ｑおよび３個の出力端子１０２ｊ－１～１０２ｊ－３からそれぞれ射出された照射前一面側干渉光および３個の照射後一面側干渉光とは、各マルチモード光ファイバを伝播し、一面側位相検波部１０５に入射される。この一面側位相検波部１０５では、これら照射前一面側干渉光と３個の照射後一面側干渉光との位相検波によって、これら３個の照射後一面側干渉光のそれぞれについて、照射前一面側干渉光との間における各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３に関連あるいは表すデータが生成される。

　一方、この光源部１０１の出力端子１０１ｇから射出された他面側測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、他面側測定部１０３に入射される。この他面側測定部１０３では、この入射された他面側測定光から上述した光学系の作用によって照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光とが生成され、出力端子１０３ｏおよび出力端子１０３ｉからそれぞれ射出される。続いて、この他面側測定部１０３の出力端子１０３ｏおよび出力端子１０３ｉからそれぞれ射出された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光とは、各マルチモード光ファイバを伝播し、他方面側位相検波部１０６に入射される。この他方面側位相検波部１０６では、これら照射前他面側干渉光と照射後他面側干渉光との位相検波によって、照射後他面側干渉光について、照射前他面側干渉光との間における各位相差△ΦＢを表すデータが生成される。

　これら一面側測定部１０２および一面側位相検波部１０５と他面側測定部１０３および他方面側位相検波部１０６とがこのような動作を行っている際に、演算制御部１０７のステージ制御部１０７３は、ステージ１０４を制御することによって、被測定物１をその厚さ方向に直交する水平方向に移動させる。

　より具体的には、例えば、本実施形態では、ステージ制御部１０７は、ステージ１０４の回転駆動部１０４ｂを制御することによって被測定物１を回転させつつ、ステージ１０４の直線駆動部１０４ｃを制御することによって被測定物１を直線方向に移動させる。このようなステージ制御部１０７３によるステージ１０４の制御を行っている間に、演算制御部１０７は、測定箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、一面側位相検波部１０５および他方面側位相検波部１０６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、図１７に示すように、複数の測定箇所ＭＰの各位置の軌跡が螺旋を描くように、被測定物１における測定箇所ＭＰの位置を順次に変更しつつ被測定物１における各測定箇所ＭＰでの各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得される。また例えば、ステージ制御部１０７は、ステージ１０４の回転駆動部１０４ｂを制御することによって被測定物１を回転させつつ、この間に、演算制御部１０７は、測定箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、一面側位相検波部１０５および他方面側位相検波部１０６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。続いて、被測定物１が１回転したところで、ステージ１０４の直線駆動部１０４ｃを制御することによって被測定物１を直線方向に所定の距離だけ移動させる。そして、この直線方向に所定の距離だけ移動したところで、上述と同様に、演算制御部１０７は、被測定物１を回転させつつ、この間に、所定の位置での各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、半径の異なる円周上の各位置での各測定箇所ＭＰで各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得される。

　ここで、上述の形状測定装置Ｓにおいて、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとが２つ以上重なるように、被測定物１を水平方向に移動するように、演算制御部１０７のステージ制御部１０７３は、ステージ１０４を制御し、そして、一面側位相検波部１０５および他方面側位相検波部１０６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得してもよい。

　また、上述の形状測定装置Ｓにおいて、複数の箇所Ｐが、移動方向に沿って並び、この移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所Ｐの間隔が等しくなるように、演算制御部１０７のステージ制御部１０７３は、ステージ１０４を制御し、そして、一面側位相検波部１０５および他方面側位相検波部１０６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得してもよい。

　例えば、ステージ制御部１０７３は、各測定箇所ＭＰの各位置の軌跡が螺旋を描く場合では、被測定物１が周方向に一定の角速度で回転するように回転駆動部１０４ｂを制御しつつ、被測定物１が直線方向に一定の速度で移動するように直線駆動部１０４ｃを制御する。この場合でも、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとが２つ以上重なるように、周方向に回転させつつ、直線方向に移動するようにステージ１０４が制御される。あるいは、ステージ制御部１０７３は、各測定箇所ＭＰの各位置が円周上に並ぶ場合では、被測定物１が周方向に一定の角速度で回転するように回転駆動部１０４ｂを制御し、１回転したところで、被測定物１が直線方向に所定の距離だけ移動するように直線駆動部１０４ｃを制御する。そして、演算制御部１０７は、一定の周期で、一面側位相検波部１０５および他方面側位相検波部１０６から各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータを取得する。

　このようなステージ制御部１０７３によるステージ１０４の制御および演算制御部１０７のデータ取得のタイミングの制御を行うことにより、例えば、移動前における複数の箇所Ｐと移動後における複数の箇所Ｐとを２つ重ね、かつ、移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所Ｐの間隔を等しくすると（曲線（円弧）ＡＲ上での距離を等しくすると）、各測定箇所ＰＭでの複数の箇所Ｐは、図１８（Ａ）に示す位置となる。図１８（Ａ）に示す例では、第１番目の測定箇所ＭＰ１では、曲線（円弧）ＡＲ上の３個の箇所Ｐ－１１、Ｐ－１２、Ｐ－１３で前記各位相差のデータが取得され、第２番目の測定箇所ＭＰ２では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ－２１、Ｐ－２２、Ｐ－２３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ－２２が箇所Ｐ－１１に重なり、箇所Ｐ－２３が箇所Ｐ－１２に重なる。そして、第３番目の測定箇所ＭＰ３では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ－３１、Ｐ－３２、Ｐ－３３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ－３２が箇所Ｐ－２１に重なり、箇所Ｐ－３３が箇所Ｐ－２２および箇所Ｐ－１１に重なる。また、第４番目の測定箇所ＭＰ４では、曲線ＡＲ上の３個の箇所Ｐ－４１、Ｐ－４２、Ｐ－４３で前記各位相差のデータが取得される。ここで、箇所Ｐ－４２が箇所Ｐ－３１に重なり、箇所Ｐ－４３が箇所Ｐ－３２および箇所Ｐ－２１に重なる。

　続いて、これら各位相差△ΦＡ１、△ΦＡ２、△ΦＡ３；△ΦＢのデータが取得されると、演算制御部１０７の厚さ算出部１０７５は、上述した演算式によって、測定箇所ＭＰにおける厚さＤ、例えば箇所Ｐｂの厚さＤを求め、測定箇所ＭＰにおける被測定物１の厚さＤを求める。

　続いて、演算制御部１０７の曲率算出部１０７１は、測定箇所ＭＰにおける３個の箇所Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃのそれぞれについての被測定物１の距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃに基づいて、上述した演算式によって、測定箇所ＭＰにおける曲率ＣＦを求める。

　続いて、演算制御部の形状算出部１０７２は、曲率算出部１０７１によって求められた、複数の測定箇所ＭＰでの各曲率ＣＦによって得られる各円弧を連結することによって、被測定物１における表面の高さ分布を求める。例えば、実線の曲線で図１８（Ｂ）に示すように、４個の第１ないし第４測定箇所ＭＰ１～ＭＰ４での各曲率ＣＦ１～ＣＦ４によって得られる各円弧を連結することによって、被測定物１における表面の高さ分布が求められる。

　続いて、演算制御部１０７は、これら求めた厚さ分布、曲率および表面の高さ分布を被測定物１の表面形状として出力部９に出力し、出力部９は、これら厚さ分布、曲率および表面の高さ分布を被測定物１の表面形状として表示する。

　このように動作することによって、本実施形態における形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、被測定物１の一方面に対し測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐで光ヘテロダイン干渉法によって被測定物１の一方面から他方面までの距離が測定され、被測定物１の厚さと面の表面形状が１回の測定で求めることができ、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、被測定物１の厚さと表面形状とをより高い精度で測定することができる。例えば、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、ナノメートルレベルの精密な測定が可能となる。このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、製造工程中や製造後における製品検査等の用途で半導体ウェハの製造工場等で好適に使用することができる。

　また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、ステージ１０４によって被測定物１が水平方向に移動され、被測定物１の厚みが走査される。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、前記走査の範囲について、被測定物１の厚さ分布をより高い精度で測定することができる。

　また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、被測定物１の表面における曲率ＣＦを被測定物１の表面形状として測定することができる。

　また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、複数の曲率ＣＦによって得られる複数の円弧が連結される。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、被測定物１における表面の高さ分布を被測定物１の表面形状として測定することができ、被測定物１における表面の形状を再現することができる。

　また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重ねられる。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、連続的に被測定物１の表面形状を容易に測定することができる。

　また、上述の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法では、移動方向に沿って並ぶ２つの箇所Ｐの間隔が等しい。このため、このような構成の形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、ステージ１０４の制御が容易となり、また、一定の間隔で、被測定物１の表面形状を測定することができる。

　また、上述の形状測定装置Ｓでは、一面側光変調器および他面側光変調器が光源部１０１内に設けられるのではなく、一面側測定部１０２は、その内部に、より具体的には、筐体内部に一面側光変調器の一例としての波長シフタ１０２ｃ、１０２ｌを備え、他面側測定部１０３は、その内部に、より具体的には、筐体内部に他面側光変調器の一例としての波長シフタ１０３ｃ、１０３ｋを備えている。このため、このような構成の形状測定装置Ｓは、光源部１０１から一面側測定部１０２に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無く、そして、光源部１０１から他面側測定部１０３に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無い。したがって、形状測定装置Ｓは、被測定物１の表面形状をより高い精度で測定することができる。

　なお、上述の第２実施形態において、形状測定装置Ｓは、エッジロールオフを表す指標を演算制御部１０７によって求めてもよい。図１９は、エッジロールオフを説明するための図である。図１９（Ａ）は、ウェハ（Wafer）の表面プロファイル（Surface　Profile）を示す模式図であり、図１９（Ｂ）は、前記ウェハの縦断面模式図である。図１９（Ａ）の横軸は、ウェハにおけるエッジからの距離であり、その縦軸は、高さである。

　半導体ウェハには、図１９に示すように、最も外側にＣｈａｍｆｅｒと呼ばれる面取部があり、例えば、３００ｍｍウェハでは、物理的な先端から約０．３ｍｍ～０．５ｍｍの領域が前記面取部に当たる。エッジロールオフ（Edge　Roll-off）は、前記面取部より内部の数ｍｍまでに至る領域である。このエッジロールオフは、様々な要因によって生じるが、その大きな要因は、半導体ウェハの研磨工程にある。このエッジロールオフは、通常、図１９に示すように、「ダレた形状」を呈するが、条件によっては、ダレではなく、「盛り上がった形状」を呈する場合もある。

　このエッジロールオフの評価方法として、例えば、Ｋｉｍｕｒａらが提案しているＲＯＡ（Roll-off　Amount；ＲＯＡ）という評価値がある。この評価値は、図１９（Ａ）に示すように、半導体ウェハが平坦であると考えられる、半導体ウェハの物理的な先端から約３～６ｍｍの位置（Reference　area）における半導体ウェハの形状から基準平面を求め、１ｍｍの位置の半導体ウェハの形状と前記基準面との距離として定義される。この評価値ＲＯＡは、半導体ウェハの外縁部がどの程度ダレているか、あるいは盛り上がっているかを表す指標である。

　このようなエッジロールオフの指標である評価値ＲＯＡを求めるために、測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐが径方向に沿って並ぶように一面側測定部１０２が構成され、演算制御部１０７が、機能的に、形状算出部１０７２によって求められた被測定物１における表面の高さ分布を用いて、評価値ＲＯＡを求める評価値算出部をさらに備えるように形状測定装置Ｓが構成されてもよい。この評価値算出部をさらに備えることで、形状測定装置Ｓは、エッジロールオフの評価値ＲＯＡを求めることができる。したがって、このエッジロールオフの評価値ＲＯＡを参照することによって、所定のプロセス・ルールに適合したダイを製造することができる領域を半導体ウェハに適切に設定することができる。

　また、上述の第２実施形態では、形状測定装置Ｓは、Ａ面のみ複数の箇所Ｐで測定するように構成されたが、Ｂ面もＡ面における複数の箇所Ｐの各位置に正対する各位置の複数の箇所Ｑで測定するように、構成されてもよい。この場合では、他面側測定部１０３も一面側測定部１０２と同様に構成され、演算制御部１０７は、Ａ面とＢ面において互いに正対する位置における位相差のデータ同士で、被測定物１の表面形状を求める。

　また、上述の第２実施形態では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐは、３個であったが、これに限定されるものではない。図２０は、測定箇所における複数の箇所について、第１ないし第３の態様を説明するための図である。図２０（Ａ）は、第１態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示し、図２０（Ｂ）は、第２態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示し、図２０（Ｃ）は、第３態様での測定箇所ＭＰにおける複数の箇所Ｐを示す。図２０において、●は、箇所Ｐを表す。

　第１態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図２０（Ａ）に示すように、上述した第２実施形態と同様に３個である。隣接する２つの箇所Ｐ間の距離は、例えば、５００μｍ等である。

　また、第２態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図２０（Ｂ）に示すように、十字を形成するように配列された５個である。このような第２態様では、例えば、図９に示す第１態様の一面側測定部１０２Ａにおいて、回折格子１０２ｅおよび回折格子１０２ｎのそれぞれを、回折方向が互いに直交する２個の回折格子に代え、さらに、この２個の回折格子によって２次元アレイ状にそれぞれ回折された第１１一面側測定光および第２１一面側測定光（照射後一面側干渉光）のうち、十字を形成するような配列で５個の照射後一面側干渉光を、５個の出力端子１０２ｊで受光するように、形状測定装置Ｓが構成される。

　そして、第３態様では、測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐの個数は、図２０（Ｃ）に示すように、２次元アレイ状に配列された３行×３列の９個である。このような第３態様では、例えば、図９に示す第１態様の一面側測定部１０２Ａにおいて、回折格子１０２ｅおよび回折格子１０２ｎのそれぞれを、回折方向が互いに直交する２個の回折格子に代え、さらに、この２個の回折格子によって２次元アレイ状にそれぞれ回折された第１１一面側測定光および第２１一面側測定光（照射後一面側干渉光）のうち、３行×３列の２次元アレイ状を形成するような配列で９個の照射後一面側干渉光を、９個の出力端子１０２ｊで受光するように、形状測定装置Ｓが構成される。

　このような測定箇所ＭＰでの複数の箇所Ｐが、前記第２態様や前記第３態様のように２次元配列される場合では、被測定物１における表面形状を、１つの測定箇所ＭＰにおいて２次元的に測定することが可能となる。

　なお、上述の第２実施形態の形状測定装置Ｓにおける表面形状を測定する技術に関する構成は、上述の第１実施形態における形状測定装置Ｘに組み込まれ、第１実施形態の形状測定装置Ｘに実装することもできる。

　本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。

　一態様にかかる形状測定装置は、被測定物の表裏各面を走査してその被測定物の厚み分布を非接触で測定するために用いられる測定装置であり、次の（１）～（１１）に示される各構成要素を備える。

（１）所定の光源から出射される基幹光を二分岐させる第１の光分岐手段。
（２）前記第１の光分岐手段による分岐光それぞれを前記被測定物の表裏各面の表裏相対する測定部位それぞれの方向へ導く導光手段。
（３）前記被測定物の表裏それぞれにおける前記測定部位の方向へ導かれた前記基幹光の分岐光それぞれをさらに二分岐させる第２の光分岐手段。
（４）前記被測定物の表裏それぞれにおける前記第２の光分岐手段による分岐光の一方又は両方に周波数変調を施してそれぞれ周波数の異なる２つの測定光を生成する光変調手段。
（５）前記被測定物の表裏それぞれにおいて、一方の前記測定光を前記測定部位に照射させ、その測定部位で反射した一方の前記測定光である物体光と他方の前記測定光である参照光とを干渉させる２つのヘテロダイン干渉計。
（６）前記被測定物の表裏それぞれにおいて、２つの前記測定光それぞれを前記ヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに二分岐させる第３の光分岐手段。
（７）前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記第３の光分岐手段により分岐された２つの前記副光を干渉させる副光干渉手段。
（８）前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記第２の光分岐手段、前記光変調手段、前記ヘテロダイン干渉計、前記第３の光分岐手段および前記副光干渉手段を含む測定光学系を一体に保持する測定光学系保持手段。
（９）２つの前記ヘテロダイン干渉計により得られる干渉光それぞれを受光してその強度信号を出力する測定用光強度検出手段。
（１０）前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力する参照用光強度検出手段。
（１１）前記被測定物の表裏それぞれにおける前記測定用光強度検出手段の出力信号および前記参照用光強度検出手段の出力信号からなる２つのビート信号の位相検波によりそれら２つのビート信号の位相差を検出する位相情報検出手段。

　このような構成要素を備える上述の形状測定装置では、周知のヘテロダイン干渉計の原理により、表裏の前記ヘテロダイン干渉計各々に対応する前記測定用光強度検出手段の検出信号（ビート信号）の位相は、前記被測定物の表裏相対する前記測定部位の高さに応じて定まる。また、前記被測定物の表裏の前記測定部位各々について前記位相情報検出手段により検出される前記２つのビート信号の位相差は、前記ヘテロダイン干渉計から前記測定部位までの距離、すなわち、前記測定部位の高さを表す。したがって、前記被測定物の表裏各々についての前記位相情報検出手段の検出結果の差分から、前記被測定物の厚みの測定値を得ることができる。さらに、上述の形状測定装置では、前記光源から出射される１つの前記基幹光に基づく分岐光が、前記被測定物の表裏各面の測定部位の近傍へ導かれた後に、前記光変調手段によって前記ヘテロダイン干渉計に入力される２種類の測定光へ変換される。そのため、前記光源から表裏の前記ヘテロダイン干渉計に至る前記分岐光の光路において、２種類の測定光の位相の揺らぎは発生し得ない。また、前記光変調手段により生成される２種類の測定光を伝送する前記測定光学系が、前記被測定物の表裏において一体に保持される。そのため、前記測定光学系において生じ得る２種類の測定光の位相の揺らぎは、ごく小さく抑制される。また、以上のようにして得られる前記被測定物の厚みの測定値は、前記被測定物の振動による変位量の成分が前記被測定物の表裏両側について相殺された測定値となる。したがって、上述の形状測定装置は、前記被測定物の振動の影響を受けずに前記被測定物の厚みを測定できる。また、前記測定光学系において、２種類の前記測定光に多少の位相の揺らぎが生じた場合でも、その位相の揺らぎは、前記２つのビート信号各々においてほぼ同等に生じる。そのため、２種類の前記測定光に多少の位相の揺らぎが生じた場合でも、その位相の揺らぎは前記２つのビート信号の位相差にはほとんど反映されない。したがって、上述の形状測定装置は、非常に高精度での形状測定が可能となる。

　また、他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記測定光学系保持手段が、表裏各々において前記測定光学系を分担して保持する板状の保持部を有する剛体であり、前記板状の保持部に前記測定光学系を伝播する光を通過させる貫通孔が形成されたものであれば好適である。この場合、前記測定光学系保持手段は、前記測定光学系を、前記板状の保持部の両側に渡って三次元的に保持する。これにより、前記測定光学系を保持する前記板状の保持部を小さくでき、その小さな板状の保持部は、比較的薄い軽量な部材が採用されても、十分な剛性を確保できる。そのため、小型でごく簡易な構造の前記測定光学系保持手段により、前記板状の保持部の変形（撓み）に起因する２種類の前記測定光の位相のずれの発生を防止できる。例えば、前記板状の保持部は、その縁部が他の部材に固定されることによって補強された部材であることが考えられる。

　ところで、装置をコンパクト化するために前記測定用光強度検出手段から前記位相検波手段に至るまでの信号伝送経路と、前記参照用光強度検出手段から前記位相検波手段に至るまでの信号伝送経路とを近接させると、一方のビート信号の伝送経路から発生する電磁波の不要輻射が他方のビート信号に対するノイズとなり、測定精度を悪化させる。そこで、他の一態様では、これら上述の形状測定装置が、さらに次の（１２）に示される構成要素を備えればより一層好適である。

（１２）前記測定用光強度検出手段から前記位相情報検出手段に至るまでの信号伝送経路と前記参照用光強度検出手段から前記位相情報検出手段に至るまでの信号伝送経路との間に配置された金属製のシールド板。

このような構成要素をさらに備える形状測定装置は、前記不要輻射による測定精度の悪化を防止することができる。

　そして、他の一態様にかかる形状測定装置は、測定光を生成する光源部と、前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における被測定物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記被測定物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記被測定物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記被測定物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記被測定物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記被測定物の厚さとして求める演算部とを備え、前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記被測定物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記被測定物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記被測定物における表面形状をさらに求める。

　このような構成の形状測定装置では、被測定物の一方面に対し複数の箇所で光ヘテロダイン干渉法によって被測定物が測定され、これによって被測定物の厚さと例えば高さ分布等の面の表面形状が１回の測定で求めることができ、上記構成の形状測定装置および形状測定方法は、被測定物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。

　また、他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記被測定物の厚さ方向に直交する水平方向に前記被測定物を移動する移動部をさらに備え、前記演算部は、前記移動部によって前記被測定物を前記水平方向に移動させながら、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記被測定物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記被測定物の表面形状を求めることで、前記複数の箇所での前記被測定物における表面形状を複数求めるものである。

　この構成によれば、移動部によって被測定物が水平方向に移動され、前記被測定物が走査される。このため、このような構成の形状測定装置は、前記走査の範囲について、被測定物の厚さおよび表面形状をより高い精度で測定することができる。

　また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記複数の箇所は、３箇所以上であり、前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについての前記予め設定された基準面から前記被測定物の前記一方面までの距離に基づいて前記複数の箇所における曲率を求めるものである。

　このような構成の形状測定装置は、被測定物の表面における曲率を被測定物の表面形状として測定することができる。

　また、他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記演算部は、前記曲率を複数求め、前記求めた複数の曲率によって得られる複数の円弧を連結することによって、前記被測定物における表面の高さ分布を求めるものである。

　この構成によれば、複数の曲率によって得られる複数の円弧が連結される。このため、このような構成の形状測定装置は、被測定物における表面形状を再現することができる。

　また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記移動部は、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、前記被測定物を前記水平方向に移動するものである。

　この構成によれば、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、被測定物が水平方向に移動される。このため、このような構成の形状測定装置は、連続的に被測定物の表面形状を容易に測定することができる。

　また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記複数の箇所は、移動方向に沿って並んでおり、前記移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所の間隔が等しい。

　この構成によれば、移動方向に沿って並ぶ２つの箇所の間隔が等しい。このため、このような構成の形状測定装置は、移動部の制御が容易となり、また、一定の間隔で、被測定物の表面形状を測定することができる。

　また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける第１一面側回折格子と、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける第２一面側回折格子とを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側回折格子で分けられた複数の第１一面側測定光における前記被測定物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側回折格子で分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成するものである。

　このような構成の形状測定装置は、第１一面側回折格子を用いることによって１つの光学素子で第１一面側測定光を複数に分けることができ、そして、第２一面側回折格子を用いることによって１つの光学素子で第２一面側測定光を複数に分けることができ、複数の箇所を同時に測定することができる。

　また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける１または複数の第１一面側ビームスプリッタと、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける１または複数の第２一面側ビームスプリッタとを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第１一面側測定光における前記被測定物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成するものである。

　この構成によれば、１または複数の第１一面側ビームスプリッタによって第１一面側測定光が複数に分けられ、１または複数の第２一面側ビームスプリッタによって第２一面側測定光が複数に分けられ、複数の箇所が同時に測定される。このようにビームスプリッタを用いるので、このような構成の形状測定装置は、一面側測定部の光学設計や調整において、高い自由度を持ち、その制約が低減される。

　また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光と第２一面側測定光との間に周波数差を生じさせる一面側光変調器を備え、前記他面側測定部は、前記分けられた第１他面側測定光と第２他面側測定光との間に周波数差を生じさせる他面側光変調器を備えるものである。

　この構成によれば、一面側測定部内に一面側光変調器が備えられ、他面側測定部内に他面側光変調器が備えられる。このため、このような構成の形状測定装置は、光源部から一面側測定部に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無く、そして、光源部から他面側測定部に至る光路において、光ヘテロダイン干渉を行う光に位相の揺らぎが発生することが無い。

　この出願は、２００９年２月２日に出願された日本国特許出願特願２００９－２１２９０および２０１０年１月１５に出願された日本国特許出願特願２０１０－６６５３を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

　本発明は、半導体ウェハ等の被測定物の形状を測定する形状測定装置に利用可能である。

Claims

　被測定物の表裏各面を走査して該被測定物の厚み分布を非接触で測定するために用いられる形状測定装置であって、
　所定の光源から出射される基幹光を二分岐させる第１の光分岐手段と、
　前記第１の光分岐手段による分岐光それぞれを前記被測定物の表裏各面の表裏相対する測定部位それぞれの方向へ導く導光手段と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおける前記測定部位の方向へ導かれた前記基幹光の分岐光それぞれをさらに二分岐させる第２の光分岐手段と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおける前記第２の光分岐手段による分岐光の一方または両方に周波数変調を施してそれぞれ周波数の異なる２つの測定光を生成する光変調手段と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおいて、一方の前記測定光を前記測定部位に照射させ、該測定部位で反射した一方の前記測定光である物体光と他方の前記測定光である参照光とを干渉させる２つのヘテロダイン干渉計と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおいて、２つの前記測定光それぞれを前記ヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに二分岐させる第３の光分岐手段と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記第３の光分岐手段により分岐された２つの前記副光を干渉させる副光干渉手段と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記第２の光分岐手段、前記光変調手段、前記ヘテロダイン干渉計、前記第３の光分岐手段および前記副光干渉手段を含む測定光学系を一に保持する測定光学系保持手段と、
　２つの前記ヘテロダイン干渉計により得られる干渉光それぞれを受光してその強度信号を出力する測定用光強度検出手段と、前記被測定物の表裏それぞれにおいて、前記副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力する参照用光強度検出手段と、
　前記被測定物の表裏それぞれにおける前記測定用光強度検出手段の出力信号および前記参照用光強度検出手段の出力信号からなる２つのビート信号の位相検波により該２つのビート信号の位相差を検出する位相情報検出手段と、を具備してなること
　を特徴とする形状測定装置。
　前記測定光学系保持手段が、表裏各々において前記測定光学系を分担して保持する板状の保持部を有する剛体であり、前記板状の保持部に前記測定光学系を伝播する光を通過させる貫通孔が形成されてなること
　を特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
　前記測定用光強度検出手段から前記位相情報検出手段に至るまでの信号伝送経路と前記参照用光強度検出手段から前記位相情報検出手段に至るまでの信号伝送経路との間に配置された金属製のシールド板を具備してなること
　を特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定装置。
　測定光を生成する光源部と、
　前記光源部で生成された測定光を一面側測定光と他面側測定光とに分ける光分岐部と、
　前記光分岐部で分けられた一面側測定光を第１一面側測定光と第２一面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における被測定物の一方面に照射されて反射された照射後一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における前記被測定物の一方面に照射される前の照射前一面側測定光と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光を生成する一面側測定部と、
　前記光分岐部で分けられた他面側測定光を第１他面側測定光と第２他面側測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記被測定物の他方面に照射されて反射された照射後他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射後他面側干渉光を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１他面側測定光における前記被測定物の他方面に照射される前の照射前他面側測定光と前記分けられた第２他面側測定光とを干渉させた照射前他面側干渉光を生成する他面側測定部と、
　一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相と、他面側測定部によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を位相検波することによって得られた他方面側位相との位相差から前記被測定物における前記一方面から前記他方面までの距離を前記被測定物の厚さとして求める演算部とを備え、
　前記一面側測定部は、複数の照射後一面側干渉光を生成するために、前記被測定物の一方面に対し複数の箇所に複数の第１一面側測定光を照射して反射させ複数の照射後一面側測定光を得、
　前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記被測定物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記複数の箇所での前記被測定物における表面形状をさらに求めること
　を特徴とする形状測定装置。
　前記被測定物の厚さ方向に直交する水平方向に前記被測定物を移動する移動部をさらに備え、
　前記演算部は、前記移動部によって前記被測定物を前記水平方向に移動させながら、前記複数の箇所のそれぞれについて、前記一面側測定部によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を位相検波することによって得られた一面側位相に基づいて予め設定された基準面から前記被測定物の前記一方面までの距離を求めることによって、前記被測定物の表面形状を求めることで、前記複数の箇所での前記被測定物における表面形状を複数求めること
　を特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
　前記複数の箇所は、３箇所以上であり、
　前記演算部は、前記複数の箇所のそれぞれについての前記予め設定された基準面から前記被測定物の前記一方面までの距離に基づいて前記複数の箇所における曲率を求めること
　を特徴とする請求項４または請求項５に記載の形状測定装置。
　前記演算部は、前記曲率を複数求め、前記求めた複数の曲率によって得られる複数の円弧を連結することによって、前記被測定物における表面の高さ分布を求めること
　を特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
　前記移動部は、移動前における複数の箇所と移動後における複数の箇所とが２つ以上重なるように、前記被測定物を前記水平方向に移動すること
　を特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の形状測定装置。
　前記複数の箇所は、移動方向に沿って並んでおり、前記移動方向に沿って互いに隣接する２つの箇所の間隔が等しいこと
　を特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の形状測定装置。
　前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける第１一面側回折格子と、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける第２一面側回折格子とを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側回折格子で分けられた複数の第１一面側測定光における前記被測定物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側回折格子で分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成すること
　を特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の形状測定装置。
　前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光を複数に分ける１または複数の第１一面側ビームスプリッタと、前記分けられた第２一面側測定光を複数に分ける１または複数の第２一面側ビームスプリッタとを備え、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第１一面側測定光における前記被測定物の一方面に照射されて反射された複数の照射後一面側測定光と前記第２一面側ビームスプリッタで分けられた複数の第２一面側測定光とを干渉させることで、前記複数の照射後一面側干渉光を生成すること
　を特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の形状測定装置。
　前記一面側測定部は、前記分けられた第１一面側測定光と第２一面側測定光との間に周波数差を生じさせる一面側光変調器を備え、
　前記他面側測定部は、前記分けられた第１他面側測定光と第２他面側測定光との間に周波数差を生じさせる他面側光変調器を備えること
　を特徴とする請求項４ないし請求項１１のいずれか１項に記載の形状測定装置。