(57)【要約】      （修正有）【課題】干渉計における位相シフトを複数の偏光板を用いて光学的に行う場合に生じる位相シフトの誤差の影響を受けない形状測定の結果を簡易に得る。【解決手段】装置校正用工程において，物体光及び参照光の光路長を一定にし，物体光及び参照光各々を遮断したときの４つの光検出器の検出強度が一致するよう干渉光抽出用の４つの偏光板の保持角度を調節し（Ｓ１２），その後，物体光又は参照光の光路長に変動を与えつつ，４つの干渉光の強度の時系列変化の振幅が一致するよう光強度の線形補正のゲインを設定する（Ｓ１３）とともに，４つの干渉光それぞれの強度の時系列変化から得られるリサージュ波形に基づいて，３つの非基準の干渉光の位相シフトの誤差を算出し（Ｓ１４），被測定物について得られた干渉光の強度及び前記位相シフトの誤差とに基づいて，前記被測定物についての物体光と参照光との位相差を算出する（Ｓ１７）。【選択図】図４
2011013212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
４つの前記偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
前記光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
を備えた干渉計を用いて被測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で前記物体光及び前記参照光の光路長を一定に保持した状態で前記物体光を遮断したときの前記参照光の検出強度と前記参照光を遮断したときの前記物体光の検出強度とが一致するよう前記偏光板の保持角度を調節する偏光板保持角度調節工程と，
前記偏光板保持角度調節工程の後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えて前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度の時系列変化の振幅が一致するよう前記光強度補正手段に対する補正のゲインを設定するゲイン設定工程と，
前記ゲイン設定工程の後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えて前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出工程と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出工程の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出工程と，
を有してなることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記位相シフト用光学系が前記基準の干渉光の元となる１つの前記非干渉光に対し，前記非基準の干渉光の元となる３つの前記非干渉光の位相差をそれぞれ−９０°，＋９０°及び＋１８０°にするものであり，
前記位相差算出工程が，前記測定用干渉光強度検出工程により得られた前記基準の干渉光の強度Ｉ２'及び３つの前記非基準の干渉光の強度Ｉ１'，Ｉ３'，Ｉ４'と前記位相シフト誤差算出工程により得られた３つの前記非基準の干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを次の（Ａ１）式に適用することにより前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差φを算出する工程である請求項１に記載の形状測定方法。
【数１】
2011013212.tif 000017
【請求項３】
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
該位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
４つの前記偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
該光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
を備えた干渉計を用いて被測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で，前記物体光の光路長を一定に保持しつつ前記参照光のみを遮断して前記光強度補正手段により得られる４つの前記物体光の強度が一致するよう前記光強度補正手段に対して補正のゲインを設定するゲイン設定工程と，
前記ゲイン設定工程の後に，前記第１の配置状態の下で，前記参照光の光路長を一定に保持しつつ前記物体光のみを遮断して前記光強度補正手段により得られる４つの前記参照光の強度を前記光強度補正手段のオフセット補正値として設定するオフセット補正値設定工程と，
前記オフセット補正値設定工程の後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えて前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出工程と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出工程の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出工程と，
を有してなることを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
前記位相シフト用光学系が前記基準の干渉光の元となる１つの前記非干渉光に対し，前記非基準の干渉光の元となる３つの前記非干渉光の位相差をそれぞれ−９０°，＋９０°及び＋１８０°にするものであり，
前記位相差算出工程が，前記測定用干渉光強度検出工程により得られた前記基準の干渉光の強度Ｉ２"及び３つの前記非基準の干渉光の強度Ｉ１"，Ｉ３"，Ｉ４"と前記位相シフト誤差算出工程により得られた３つの前記非基準の干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを次の（Ａ２）式に適用することにより前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差φを算出する工程である請求項３に記載の形状測定方法。
【数２】
2011013212.tif 000018
【請求項５】
光干渉法により被測定物の表面形状を測定する形状測定装置であって，
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
前記４つの偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
前記光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
前記偏光板を角度可変に保持する偏光板保持手段と，
前記物体光及び前記参照光の各々を遮断する光遮断手段と，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えられたときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度の時系列変化の振幅を一致させるような前記光強度補正手段に対する補正のゲインを設定するゲイン設定手段と，
前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動が与えられているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出手段と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出手段の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出手段と，
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
前記位相シフト用光学系が前記基準の干渉光の元となる１つの前記非干渉光に対し，前記非基準の干渉光の元となる３つの前記非干渉光の位相差をそれぞれ−９０°，＋９０°及び＋１８０°にするものであり，
前記位相差算出手段が，前記基準の干渉光の強度Ｉ２'及び３つの前記非基準の干渉光の強度Ｉ１'，Ｉ３'，Ｉ４'と３つの前記非基準の干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを次の（Ａ１）式に適用することにより前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差φを算出してなる請求項５に記載の形状測定装置。
【数３】
2011013212.tif 000019
【請求項７】
前記第１の配置状態の下で前記物体光及び前記参照光の光路長を一定に保持した状態における４つの前記光強度検出手段各々の検出強度について，前記光遮断手段により前記物体光を遮断したときの前記参照光の検出強度と前記光遮断手段により前記参照光を遮断したときの前記物体光の検出強度とが一致するよう前記偏光板保持手段による前記偏光板の保持角度各々を調節する偏光板保持角度調節手段を具備してなる請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項８】
光干渉法により被測定物の表面形状を測定する形状測定装置であって，
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
４つの前記偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
前記物体光及び前記参照光の各々を遮断する光遮断手段と，
前記光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で，前記物体光の光路長が一定に保持されて前記光遮断手段により前記参照光が遮断されているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記物体光の強度が一致するよう前記光強度補正手段に対して補正のゲインを設定するゲイン設定手段と，
前記第１の配置状態の下で前記参照光の光路長が一定に保持されて前記光遮断手段により前記物体光が遮断されているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記参照光の強度を前記光強度補正手段のオフセット補正値として設定するオフセット補正値設定手段と，
前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動が与えられているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出手段と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出手段の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出手段と，
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項９】
前記位相シフト用光学系が前記基準の干渉光の元となる１つの前記非干渉光に対し，前記非基準の干渉光の元となる３つの前記非干渉光の位相差をそれぞれ−９０°，＋９０°及び＋１８０°にするものであり，
前記位相差算出手段が，前記基準の干渉光の強度Ｉ２"及び３つの前記非基準の干渉光の強度Ｉ１"，Ｉ３"，Ｉ４"と３つの前記非基準の干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを次の（Ａ１）式に適用することにより前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差φを算出してなる請求項８に記載の形状測定装置。
【数４】
2011013212.tif 000020
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，干渉計を用いて被測定物の表面形状を測定する形状測定方法及び形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハなどの被測定物の形状測定において，干渉計を用いた非接触型の形状測定装置が普及している。これは，波長が同一の参照光と物体光とが重畳された干渉光の強度から，被測定物の表面形状，即ち，表面高さの分布（或いは，表面の位置の分布）を求めるものである。ここで，２つに分岐された一方の光束を被測定物の表面に反射させた光が物体光であり，もう一方の光束を基準となる参照面に反射させるなどして前記被測定物に照射されない光が参照光である。
より具体的には，干渉計による被測定物の表面形状測定においては，被測定物の表面に対向配置された干渉計により，その被測定物の表面上の多数の測定部位に反射させた物体光を参照光と干渉させた干渉光の強度を検出する。その際，測定部位ごとに，参照光の光路長を変化させること等によって物体光と参照光との位相の差を所定量ずつシフトさせた複数種類の干渉光の強度を検出する。そして，測定部位ごとに，得られた複数種類の干渉光の強度からその測定部位における物体光と参照光との位相差を算出し，複数の測定部位ごとの位相差のデータに基づく位相接続処理が行われる。この位相接続処理により得られる測定部位ごとの位相データは，物体光の波長に基づいて表面高さの寸法値に換算できる。このため，位相接続処理により得られる位相データの分布情報は，被測定物の表面高さの分布情報，即ち，形状情報と等価である。なお，前記位相接続処理は，アンラップ処理と称される。
これにより，非接触で被測定物の表面形状を測定できるので，触針式の形状計で測定する場合とは異なり，被測定物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。
【０００３】
また，特許文献１には，位相接続処理の詳細について示されている。
特許文献１には，セルに収容された流体の特性変化を，そのセルに通過させた物体光と他の参照光とが重畳された干渉光の位相の変化を検出することによって測定する技術について示されている。その際，位相データが所定周期でサンプリングされる。さらに，ある時点でサンプリングされた位相データについて，１つ前の時点の位相データを基準として位相差が−π〜＋πの範囲に収まるように，前記ある時点の位相データに対して２πの整数倍分だけ位相をシフトする位相接続処理が行われる。
同様に，形状測定における位相接続処理においては，隣り合う２つの測定点で得られた２つの位相データの一方の位相の補正処理が行われる。その補正処理は，隣り合う２つの測定点の一方の位相について，他方の位相を基準とした位相差が−π〜＋πの範囲に収まるように，２πの整数倍分だけ補正を行う処理である。この位相接続処理は，隣り合う２つの測定点の表面高さの差が，物体光の４分の１波長分を超えないという前提に基づく処理である。
【０００４】
また，特許文献２には，以下の方法により３つの干渉光を得る２次元情報取得装置について示されている。
即ち，特許文献２に示される装置では，レーザ光を拡大した平行光が参照面と被測定面とに照射され，参照光及び物体光を直交する偏光成分とするセンシング光（非干渉光）が得られる。さらに，そのセンシング光が３分岐され，３つの分岐光から，３つの偏光板Ｐ１〜Ｐ３により偏光角度の異なる偏光成分を抽出することにより，参照光及び物体光の各成分の位相差が９０°ずつシフトされた３つの干渉光が得られる。このように，参照光及び物体光についての位相シフトを，抽出対象とする偏光成分の異なる複数の偏光板を用いて光学的に行うことにより，前記位相シフトが行われた複数の干渉光が同時に得られる。そして，それら複数の干渉光の強度から，参照光と物体光との間の位相差を算出でき，その位相差の分布から，被測定物の表面高さの分布を算出できる。
特許文献２に示される技術は，ホモダイン干渉計を用いた位相シフト法による形状測定において，位相シフトを偏光板を用いて光学的に行う技術である。
特許文献２に示される技術によれば，機械的に参照面の位置を順次移動させることによって参照光と物体光との位相差を変化させる一般的な位相シフト法による形状測定よりも高速な測定が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２９２３５１号公報
【特許文献２】特開平２−２８７１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，特許文献２に示される形状測定方法では，以下に示される理由に起因する測定誤差が生じ得るという問題点があった。
以下，特許文献２に示される形状測定方法において，４つに分岐されて作られるセンシング光（非干渉光）の光路から干渉光の強度の検出器の出力ラインに至る４つの光及び信号の経路のことをチャンネルと称する。また，４つのチャンネルのうち，物体光と参照光との位相差の算出の対象となる１つのチャンネルを基準チャンネル，その他の３つのチャンネルを非基準チャンネルと称する。
干渉計で得られる干渉光の強度は，物体光の強度，参照光の強度及び物体光と参照光との位相差により定まる。従って，特許文献２に示されるホモダイン干渉計においては，チャンネルごとに成立する物体光，参照光及び干渉光各々の強度と前記位相差との関係式を４つ含む連立方程式が成立する。
また，特許文献２に示されるホモダイン干渉計を特別な校正工程を経ずに用いた場合，各チャンネルにおける物体光の強度と参照光の強度とは必ずしも一致しない。同様に，チャンネル相互間での物体光の強度及びチャンネル相互間での参照光の強度も必ずしも一致しない。さらに，前記基準チャンネルの干渉光の前記位相差と３つの前記非基準チャンネルの干渉光の前記位相差各々との間で，予め想定した位相シフト量（例えば，−９０°，＋９０°，＋１８０°）に対して前記非基準チャンネルごとに異なる未知の誤差が加わった差が生じている。
従って，前記特許文献２に示されるホモダイン干渉計を特別な校正工程を経ずに用いた場合，前記連立方程式には，測定対象である前記位相差を含む１２個の未知のパラメータが含まれることになる。
例えば，前記基準チャンネルの非干渉光Ｐ２に対して３つの前記非基準チャンネルの非干渉光Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４それぞれに−９０°，＋９０°，＋１８０°の位相シフトを行ったつもりであっても，前記基準チャンネルの干渉光に対する３つの前記非基準チャンネルの干渉光の実際の位相差はそれぞれ個別の誤差ε1，ε3，ε4を含む（−９０°＋ε1），（＋９０°＋ε3），（＋１８０°＋ε4）となってしまうことになる。このような位相シフトの誤差は，高精度で被測定物の表面形状測定を行いたい場合に無視できない誤差となる。
また，前記誤差ε1，ε3，ε4を無視できる程度まで小さくすることは，装置の複雑化及び高コスト化，並びに装置の校正作業の煩雑化を招くため現実的でない。
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，干渉計を用いた位相シフト法による形状測定において，位相シフトを複数の偏光板を用いて光学的に行う場合に生じる位相シフトの誤差の影響を受けない測定結果を簡易に得ることができる形状測定方法及び形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための第１の発明に係る形状測定方法は，
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
４つの前記偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
前記光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
を備えた干渉計を用いて被測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で前記物体光及び前記参照光の光路長を一定に保持した状態で前記物体光を遮断したときの前記参照光の検出強度と前記参照光を遮断したときの前記物体光の検出強度とが一致するよう前記偏光板の保持角度を調節する偏光板保持角度調節工程と，
前記偏光板保持角度調節工程の後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えて前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度の時系列変化の振幅が一致するよう前記光強度補正手段に対する補正のゲインを設定するゲイン設定工程と，
前記ゲイン設定工程の後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えて前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出工程と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出工程の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出工程と，
を有してなることを特徴とする形状測定方法である。
なお，前記校正用物体は，前記被測定物であってもそれ以外の物体であってもよい。
【０００８】
また，前記第１の発明における前記位相シフト用光学系及び前記位相差算出工程のより具体的な内容の一例は以下の通りである。
例えば，前記位相シフト用光学系が，前記基準の干渉光の元となる１つの前記非干渉光に対し，前記非基準の干渉光の元となる３つの前記非干渉光の位相差をそれぞれ−９０°（−π／２），＋９０°（＋π／２）及び＋１８０°（＋π）にするものである。
そして，前記位相差算出工程が，前記測定用干渉光強度検出工程により得られた前記基準の干渉光の強度Ｉ２'及び３つの前記非基準の干渉光の強度Ｉ１'，Ｉ３'，Ｉ４'と前記位相シフト誤差算出工程により得られた３つの前記非基準の干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを次の（Ａ１）式に適用することにより前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差φを算出する工程である。
【数１】
2011013212.tif 000003
【０００９】
以下，前記非干渉光分岐用光学系により４つに分岐されて作られる前記非干渉光の光路から前記光強度検出手段の出力ラインに至る４つの光及び信号の経路のことをチャンネルと称する。また，４つのチャンネルのうち，物体光と参照光との位相差の算出の対象となる１つのチャンネルを基準チャンネル，その他の３つのチャンネルを非基準チャンネルと称する。
本発明で用いられる干渉計においても，特許文献２に示されるホモダイン干渉計と同様に，チャンネルごとに成立する物体光，参照光及び干渉光各々の強度と前記位相差との関係式を４つ含む連立方程式が成立する。
また，本発明で用いられる干渉計も，特許文献２に示されるホモダイン干渉計と同様に，特別な校正工程を経ずに用いた場合，前記連立方程式には，測定対象である前記位相差を含む１２個の未知のパラメータが含まれることになる。
そのような前記干渉計において，前記偏光板保持角度調節工程（ｂ１）により，４つのチャンネル各々における物体光の強度と参照光の強度とが一致する。さらに，前記ゲイン設定工程により，前記光強度補正手段により補正（線形補正）された干渉光の強度Ｉ１'〜Ｉ４'は，４つのチャンネル相互間における物体光の強度及び参照光の強度が一致しているとみなせる測定値となる。
従って，後述するように，前記光強度補正手段により得られる補正された４つのチャンネル各々の干渉光の強度Ｉ１'〜Ｉ４'と，前記物体光及び前記参照光の強度に相当する各チャンネルに共通の１つの変数と，算出対象となる未知の前記位相差φと，前記非基準チャンネルごとに異なる未知の３つの位相シフト量の誤差ε1，ε3，ε4とを含む４つの式からなる連立方程式が成立する。そして，前記位相シフト誤差算出工程において，前記連立方程式から前記１つの変数を除去して導出される式に，補正された４つのチャンネル各々の干渉光の強度Ｉ１'〜Ｉ４'を適用することにより，前記非基準チャンネル各々における位相シフト量の誤差ε1，ε3，ε4を算出することができる。
その結果，前記位相差算出工程において，前記位相シフト量の誤差ε1，ε3，ε4の影響を受けない前記位相差φを算出することができる。しかも，前記の工程は，前記被測定物の形状測定の前に１回行えばよく，その実行内容も簡易である。
【００１０】
また，前記目的を達成するための第２の発明に係る形状測定方法は，
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
該位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
４つの前記偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
該光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
を備えた干渉計を用いて被測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で，前記物体光の光路長を一定に保持しつつ前記参照光のみを遮断して前記光強度補正手段により得られる４つの前記物体光の強度が一致するよう前記光強度補正手段に対して補正のゲインを設定するゲイン設定工程と，
前記ゲイン設定工程の後に，前記第１の配置状態の下で，前記参照光の光路長を一定に保持しつつ前記物体光のみを遮断して前記光強度補正手段により得られる４つの前記参照光の強度を前記光強度補正手段のオフセット補正値として設定するオフセット補正値設定工程と，
前記オフセット補正値設定工程の後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えて前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出工程と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出工程の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出工程と，
を有してなることを特徴とする形状測定方法である。
【００１１】
また，前記第２の発明における前記位相シフト用光学系及び前記位相差算出工程のより具体的な内容の一例は以下の通りである。
例えば，前記位相シフト用光学系が前記基準の干渉光の元となる１つの前記非干渉光に対し，前記非基準の干渉光の元となる３つの前記非干渉光の位相差をそれぞれ−９０°（−π／２），＋９０°（＋π／２）及び＋１８０°（＋π）にするものである。
そして，前記位相差算出工程が，前記測定用干渉光強度検出工程により得られた前記基準の干渉光の強度Ｉ２"及び３つの前記非基準の干渉光の強度Ｉ１"，Ｉ３"，Ｉ４"と前記位相シフト誤差算出工程により得られた３つの前記非基準の干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4と前記オフセット補正値設定工程で設定された前記オフセット補正値ａr1，ａr2，ａr3，ａr4とを次の（Ａ２）式に適用することにより前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差φを算出する工程である。
【数２】
2011013212.tif 000004
【００１２】
本発明に用いられる前記干渉計において，前記線形補正ゲイン設定工程により，前記光強度補正手段により補正された干渉光の強度における物体光の強度の成分は，４つのチャンネル相互間において一致しているとみなせる状態となる。さらに，前記オフセット補正値設定工程により，各チャンネルにおける参照光の強度ａr1〜ａr4が既知となるとともに，前記光強度補正手段により補正された干渉光の強度は，参照光の強度に相当するオフセット成分が除去された測定値となる。
従って，後述するように，前記光強度補正手段により得られる補正された４つのチャンネル各々の干渉光の強度Ｉ１"〜Ｉ４"と，前記物体光強度に相当する各チャンネルに共通の１つの変数と，算出対象となる未知の前記位相差φと，前記非基準チャンネルごとに異なる未知の３つの位相シフト量の誤差ε1，ε3，ε4と，前記オフセット補正値設定工程により既知となった各チャンネルにおける前記参照光の強度ａr1〜ａr4とを含む４つの式からなる連立方程式が成立する。そして，前記位相シフト誤差算出工程において，前記連立方程式から前記１つの変数を除去して導出される式に，補正された４つのチャンネル各々の干渉光の強度Ｉ１"〜Ｉ４"を適用することにより，前記非基準チャンネル各々における位相シフト量の誤差ε1，ε3，ε4を算出することができる。
その結果，前記位相差算出工程において，前記位相シフト量の誤差ε1，ε3，ε4の影響を受けない前記位相差φを算出することができる。しかも，前記各工程は，前記被測定物の形状測定の前に１回行えばよく，その実行内容も簡易である。
【００１３】
また，前記目的を達成するための本発明は，前記第１の発明及び前記第２の発明各々の形状測定方法を実現する形状測定装置として捉えることもできる。
即ち，  前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
前記４つの偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
前記光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
前記偏光板を角度可変に保持する偏光板保持手段と，
前記物体光及び前記参照光の各々を遮断する光遮断手段と，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動を与えられたときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度の時系列変化の振幅を一致させるような前記光強度補正手段に対する補正のゲインを設定するゲイン設定手段と，
前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動が与えられているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出手段と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出手段の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出手段と，
を具備してなることを特徴とする形状測定装置である。
以上に示した第１の発明に係る形状測定装置を用いれば，前記第１の発明に係る形状測定方法を容易に実現できる。
【００１４】
また，第２の発明に係る形状測定装置は，
光干渉法により被測定物の表面形状を測定する形状測定装置であって，
所定の測定位置に配置された物体に反射させた物体光とそれ以外の参照光とが偏光成分として含まれる非干渉光を４分岐させる非干渉光分岐用光学系と，
前記非干渉光の４つの分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と，
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の４つの分岐光それぞれから前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する４つの偏光板と，
４つの前記偏光板を経た光それぞれの強度を検出する光強度検出手段と，
前記物体光及び前記参照光の各々を遮断する光遮断手段と，
前記光強度検出手段により得られる４つの光強度各々に独立して補正を加える光強度補正手段と，
前記測定位置に校正用物体が配置された第１の配置状態の下で，前記物体光の光路長が一定に保持されて前記光遮断手段により前記参照光が遮断されているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記物体光の強度が一致するよう前記光強度補正手段に対して補正のゲインを設定するゲイン設定手段と，
前記第１の配置状態の下で前記参照光の光路長が一定に保持されて前記光遮断手段により前記物体光が遮断されているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記参照光の強度を前記光強度補正手段のオフセット補正値として設定するオフセット補正値設定手段と，
前記第１の配置状態の下で前記物体光又は前記参照光の光路長に時系列の変動が与えられているときに前記光強度補正手段により得られる４つの前記干渉光それぞれの強度情報に基づいて，前記位相シフト用光学系による位相シフトの誤差を算出する位相シフト誤差算出手段と，
前記測定位置に前記被測定物が配置された第２の配置状態の下で前記光強度補正手段により得られる前記干渉光の強度と前記位相シフト誤差算出手段の算出結果とに基づいて，前記被測定物についての前記物体光と前記参照光との位相差を算出する位相差算出手段と，
を具備してなることを特徴とする形状測定装置である。
以上に示した第２の発明に係る形状測定装置を用いれば，前記第２の発明に係る形状測定方法を容易に実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば，干渉計を用いた位相シフト法による形状測定において，位相シフトを複数の偏光板を用いて光学的に行う場合に生じる位相シフトの誤差の影響を受けない測定結果を簡易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略構成図。
【図２】形状測定装置Ｘが備える干渉光測定部Ｙの構成図。
【図３】形状測定装置Ｘにおける被測定物の表面の測定点の分布の一例を表す模式図。
【図４】形状測定装置Ｘを用いて実行される第１実施例に係る形状測定方法の手順を表すフローチャート。
【図５】形状測定装置Ｘを用いて実行される第２実施例に係る形状測定方法の手順を表すフローチャート。
【図６】形状測定装置Ｘによる干渉光の測定値に基づくリサージュ波形の一例を表す図。
【図７】２つの測定値のリサージュ波形と位相差との関係の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
以下，図１に示される構成図を参照しながら，本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘについて説明する。
形状測定装置Ｘは，半導体ウェハ等の薄板状の被測定物１の表裏各面の高さを測定してその差分を算出することによって前記被測定物１の厚み分布を測定する装置である。
図１に示されるように，形状測定装置Ｘは，ホモダイン干渉計である２つの光干渉計２０を含む干渉光測定部Ｙと，可動支持装置Ｚとを備えている。また，前記干渉光測定部Ｙは，２つの前記光干渉計２０に加え，２つの位相差演算計算機４及び１つの形状演算計算機５を備えている。
形状測定装置Ｘにおいて，被測定物１は，前記可動支持装置Ｚにより支持される。
以下，便宜上，被測定物１の一方の面（図１，図２における上側の面）をＡ面，そのＡ面と表裏の関係にある他方の面をＢ面と称する。また，被測定物１のＡ面上の厚みの測定部位をＡ面測定点１ａ，そのＡ面測定点１ａと表裏相対するＢ面上の厚みの測定部位をＢ面測定点１ｂと称する。
一方の前記光干渉計ａ２０は前記被測定物１のＡ面側に配置され，他方の前記光干渉計ｂ２０は，前記被測定物１のＢ面側に配置されている。
前記位相差演算計算機４及び前記形状演算計算機５は，それぞれＣＰＵ，メモリ及び信号入出力インターフェース等を備え，前記ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより，各種の演算，前記信号入出力インターフェースを通じた外部装置との信号の送受信及び前記メモリへのデータの記録等を実行する。
【００１９】
２つの前記光干渉計２０は，それぞれ基準となる参照面と前記被測定物１の表裏各面の測定点１ａ，１ｂとにビーム光を照射し，その反射光である参照光と物体光とが重畳された干渉光の強度信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４を出力するホモダイン干渉計である。
また，前記位相差演算計算機４は，前記光干渉計２０から出力される前記干渉光の強度信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４に基づいて，前記参照光と前記物体光との位相差φを算出する処理を実行する。その詳細については後述する。以下，便宜上，Ａ面側及びＢ面側それぞれについて算出される前記位相差φを区別する場合，それぞれ位相差φａ，位相差φｂと称する。
また，前記形状演算要計算機５は，複数箇所の前記Ａ面側測定点１ａ及び前記Ｂ面側測定点１ｂについて算出された位相差φａ，φｂの差（φａ−φｂ）の分布に基づいて，前記被測定物１の厚み分布を算出する処理を実行する。
以下，形状測定装置Ｘが備える各構成要素の詳細について説明する。
【００２０】
前記可動支持装置Ｚは，前記被測定物１を２つの前記光干渉計２０それぞれからの物体光の出射部の間に支持し，その支持位置を２次元方向に移動させる装置である。即ち，前記可動支持装置Ｚは，２つの前記光干渉計２０に対する前記被測定物１の２次元方向における相対位置を変化させる装置である。図１に示される例では，前記可動支持装置Ｚは，前記被測定物１を水平方向に移動させる。
図１に示されるように，前記可動支持装置Ｚは，回転軸４１及びこれに連結された支持部４４，回転駆動部４２，直線移動機構４３及び移動制御装置７を備えている。
半導体ウェハ等の円盤状の被測定物１は，そのエッジ部において，円周上の三箇所に配置された前記支持部４４により３点支持される。これら３つの支持部４４は，前記円周の中心に向かって伸びる前記回転軸４１に連結されている。
さらに，前記回転軸４１は，サーボモータ等の前記回転駆動部４２によって回転駆動される。これにより，前記被測定物１は，その中央部を回転中心として回転する。
また，前記直線移動機構４３は，前記回転軸４１及び前記回転駆動部４２を，前記被測定物１の表裏各面に平行な方向，即ち，前記被測定物１の厚み方向に直交する方向に所定の移動範囲内で直線移動させる。即ち，前記直線移動機構４３は，円盤状の前記被測定物１をその半径方向に沿って移動させる。
また，前記移動制御装置７は，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３の動きを制御する装置である。さらに，前記移動制御装置７は，前記被測定物１における物体光の照射位置，即ち，随時変化する前記測定点１ａ，１ｂの位置を検出し，その検出結果を前記第３計算機５に伝送する。前記測定点１ａ，１ｂの位置の検出は，例えば，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３に対する動作指令の履歴，即ち，前記被測定物１の移動履歴に基づいて検出される。或いは，前記測定点１ａ，１ｂの位置が，前記回転駆動部４２及び前記直線移動機構４３各々に設けられた不図示の位置検出センサの検出結果により検出されることも考えられる。
【００２１】
そして，形状測定装置Ｘは，前記回転駆動部４２による前記被測定物１の回転と，前記直線移動機構４３による前記被測定物１の直線方向の移動とを併用することにより，前記被測定物１における前記測定点１ａ，１ｂの位置，即ち，物体光の照射スポットの位置を順次変更しつつ，複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂにおける前記位相差φａ，φｂを測定する。
例えば，前記移動制御装置７は，前記被測定物１を一定速度で連続的に回転及び直線移動させつつ，一定周期で，或いは前記測定点１ａ，１ｂの位置が予め定められた位置となるごとに，前記形状演算計算機５に対してデータ取得指令を送信する。そして，前記形状演算計算機５が，前記データ取得指令の受信に応じて前記位相差演算計算機４に対して前記位相差φａ，φｂの算出を要求し，その算出結果を取得する。さらに，前記形状演算計算機５は，複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂについての前記位相差φａ，φｂの差の分布から，前記被測定物１の厚み分布を算出する。
図３は，形状測定装置Ｘにおける前記被測定物１の表面の複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂの分布の一例を表す模式図である。
前記被測定物１を回転及び直線移動させつつ前記位相差φａ，φｂの測定を順次行った場合，図３に破線で示されるように，前記測定点１ａ，１ｂの位置は，被測定物１の表面における渦巻き状の軌跡Ｒに沿って順次変化する。複数箇所の前記測定点１ａ，１ｂ及びそれに対応する前記位相差φａ，φｂは，例えば，測定順序に従って割り振られた測定点番号（１，２，３・・・）により識別される。図３には，前記測定番号が（Ｋ−１）番目から（Ｋ＋２）番目に至る前記測定点１ａ，１ｂの軌跡が示されている。
このように，形状測定装置Ｘにおいては，前記被測定物１上の一本の走査線Ｒに沿って，２つの前記光干渉計２０それぞれからの物体光が走査される。
【００２２】
次に，図２に示される構成図を参照しつつ，２つの前記光干渉計２０を含む前記干渉光測定部Ｙについて説明する。
図２に示されるように，前記干渉光測定部Ｙは，レーザ光源２と，偏光ビームスプリッタ３と，複数のミラー１１と，Ａ面側及びＢ面側それぞれに設けられた２つの前記光干渉計２０と，前記位相差演算計算機４及び前記形状演算計算機５とを備えている。
【００２３】
前記レーザ光源２は，ビーム光Ｐ０を出射する光源である。前記ビーム光Ｐ０は単波長光であり，その周波数は特に限定されるものではない。例えば，可視光の前記ビーム光Ｐ０が採用される場合，前記ビーム光Ｐ０の周波数ωが５×１０8ＭＨｚ程度（波長λ≒０．６μｍ）であることが考えられる。
前記偏光ビームスプリッタ３は，前記レーザ光源２から出射される前記ビーム光Ｐ０を２分岐させる。そして，前記偏光ビームスプリッタ３により得られた分岐光である各ビーム光Ｐｉは，前記ミラー１１により，前記被測定物１の前記Ａ面測定点１ａの方向及び前記Ｂ面測定点１ｂの各方向へ導かれる。
なお，前記ビーム光Ｐｉを前記Ａ面測定点１ａ及び前記Ｂ面測定点１ｂのそれぞれへ導く光学機器としては，ミラーの他，光ファイバ等も考えられる。
前記被測定物１のＡ面側，Ｂ面側各々へ導かれた前記ビーム光Ｐｉは，２つの前記光干渉計２０各々に入力される
【００２４】
前記光干渉計２０は，ホモダイン干渉計であり，前記被測定物１の表裏各面の側へ導かれた前記ビーム光Ｐｉを，基準となる参照面と前記被測定物１における表裏各面の表裏相対する前記測定点１ａ，１ｂ各々とに反射させた参照光Ｐｒ及び物体光Ｐｓの干渉光の強度を検出する。
図２に示されるように，２つの前記光干渉計２０は，前記被測定物１における測定対象面が異なるだけで，全く同じ構成を備えている。
図２に示されるように，前記光干渉計２０は，２分の１波長板３１，偏光ビームスプリッタ２１，２つの４分の１波長板２２及び２３，参照板２４，集光レンズ３２，３つの無偏光のビームスプリッタ２５１，２５２及び２５３，２つの４分の１波長板２６１及び２６３，２分の１波長板２６４，４つの偏光板２７１，２７２，２７３及び２７４，４つの光検出器２８１，２８２，２８３及び２８４，４つのアンプ６３を備えている。
さらに，前記干渉計２０は，４つの偏光板保持機構６１と，２つの光遮断機構６２と，４つのアンプ６３とを備えている。
【００２５】
前記２分の１波長板３１は，前記ミラー１１によって前記被測定物１の表面近くまで導かれた前記ビーム光Ｐｉの偏光面の調整を行う光学素子である。
前記偏光ビームスプリッタ２１は，前記２分の１波長板３１により偏光面が調整された前記ビーム光Ｐｉを，偏波方向が直交する２つのビーム光に分岐させ，分岐した一方のビーム光を基準となる参照面に照射し，分岐した他方のビーム光を前記測定点１ａ，１ｂに照射する。なお，前記参照面は，所定位置に保持された前記参照板２４の表面である。
前記参照面に入射したビーム光の反射光である参照光Ｐｒは，入射したビーム光と光軸が一致する状態で前記偏光ビームスプリッタ２１へ戻る。
前記偏光ビームスプリッタ２１と前記参照面との間のビーム光の光路には，前記４分の１波長板２３が配置されている。この４分の１波長板２３を往復通過して元のビーム光に対して偏光方向が９０°回転した前記参照光Ｐｒは，前記偏光ビームスプリッタ２１を通過する。
【００２６】
一方，前記測定点１ａ，１ｂに入射したビーム光の反射光である物体光Ｐｓは，入射したビーム光と光軸が一致する状態で前記偏光ビームスプリッタ２１へ戻る。
前記偏光ビームスプリッタ２１と前記測定点１ａ，１ｂとの間のビーム光の光路には，前記４分の１波長板２２が配置されている。この４分の１波長板２２を往復通過して元のビーム光に対して偏光方向が９０°回転した前記物体光Ｐｓは，前記偏光ビームスプリッタ２１により，前記参照光Ｐｒと光軸が一致する方向へ反射する。これにより，前記参照光Ｐｒと前記物体光Ｐｓとが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光Ｐｘが得られる。
以上に示したように，前記偏光ビームスプリッタ２１及び２つの前記４分の１波長板２２，２３は，前記ビーム光Ｐｉを２分岐させて前記参照面と前記測定点１ａ，１ｂとの各々に照射し，前記参照光Ｐｒと前記物体光Ｐｓとが相互に直交する偏光成分として含まれる前記非干渉光Ｐｘを得る光学系である。以下，これらを非干渉光取得用光学系と称する。
【００２７】
また，前記４分の１波長板２２と前記測定点１ａ，１ｂとの間には，その測定点１ａ，１ｂを焦点とする前記集光レンズ３２が配置されている。即ち，前記集光レンズ３２は，前記非干渉光取得用光学系と前記測定点１ａ，１ｂとの間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光Ｐｓの光路に配置されている。
これにより，前記測定点１ａ，１ｂごとの表面角度に若干の違いが存在しても，前記集光レンズ３２の作用により，前記物体光の光軸のずれを抑えることができる。その結果，前記測定点１ａ，１ｂごとの表面角度の違いによって前記物体光Ｐｓの光軸がずれることによる前記物体光Ｐｓの受光光量の減少及び干渉効率の低下を抑制できる。
また，前記測定点１ａ，１ｂに対する前記ビーム光の照射スポットを小さくできる。そのビーム光を前記被測定物１の表面において密に走査させることにより，前記被測定物１の表面に沿う２次元方向における厚み分布の測定の空間分解能をより高めることができる。
【００２８】
また，３つの無偏光の前記ビームスプリッタ２５１，２５２，２５３は，前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光Ｐｘを２段階の２分岐によって４つの非干渉光Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に分岐させる光学系である。以下，３つの無偏光の前記ビームスプリッタ２５１，２５２，２５３のことを，非干渉光分岐用光学系と称する。
即ち，前記ビームスプリッタ２５１は，元の前記非干渉光Ｐｘの１段階目の２分岐を行う。また，残りの前記ビームスプリッタ２５２，２５３は，前記非干渉光Ｐｘによる分岐光それぞれに対して２段階目の２分岐を行う。
【００２９】
また，２つの前記４分の１波長板２６１及び２６３と１つの前記２分の１波長板２６４とは，前記非干渉光分岐用光学系により得られた４つの非干渉光Ｐ１〜Ｐ４のうちの３つの非干渉光Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４について，直交する偏光成分の位相差に変化を与える複屈折素子である。ここで，前記４分の１波長板２６１は，前記非干渉光Ｐ１における直交する偏光成分の位相差を−π／２（−９０°）だけシフトさせる。また，前記４分の１波長板２６３は，前記非干渉光Ｐ３における直交する偏光成分の位相差を＋π／２（＋９０°）だけシフトさせる。また，前記２分の１波長板２６４は，前記分岐光Ｐ４における直交する偏光成分の位相差をπ（＋１８０°）だけシフトさせる。なお，前記分岐光Ｐ２については位相シフトは行われない。
即ち，３つの波長板２６１，２６３及び２６４は，４つの前記非干渉光Ｐ１〜Ｐ４のうちの第２の非干渉光Ｐ２を基準にして残りの３つの非干渉光Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４における前記参照光Ｐｒの偏光成分と前記物体光Ｐｓの偏光成分との位相差に−π／２（−９０°），＋π／２（＋９０°）及びπ（＋１８０°）の変化を与える。
このように，３つの波長板２６１，２６３及び２６４は，前記参照光Ｐｒの成分と前記物体光Ｐｓの成分の位相差にそれぞれ異なる変化を与えることにより，４つの前記非干渉光Ｐ１〜Ｐ４それぞれにおける前記参照光Ｐｒの偏光成分と前記物体光Ｐｓの偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系である。
【００３０】
また，４つの前記偏光板２７１〜２７４は，前記位相シフト用光学系２６１，２６３，２６４を経た４つの前記非干渉光Ｐ１〜Ｐ４それぞれから，前記参照光Ｐｒ及び前記物体光Ｐｓの偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光Ｐｒと前記物体光Ｐｓとの干渉光Ｑ１〜Ｑ４を抽出する干渉光抽出用光学系である。なお，抽出される偏光成分の角度は，前記参照光Ｐｒ及び前記物体光Ｐｓの偏光方向を基準にして＋４５°又は−４５°のいずれかである。
ここで，４つの前記偏光板２７１〜２７４それぞれが通過させる偏光成分の角度は，前記参照光Ｐｒ及び前記物体光Ｐｓの偏光方向を基準とする角度が＋４５°又は−４５°のいずれかに統一されていることが望ましい。
また，４つの前記光検出器２８１〜２８４は，前記干渉光抽出用光学系により抽出された４つの干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの強度を検出してその検出信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４を出力する光強度検出手段の一例である。
また，４つの前記アンプ６３は，４つの前記光検出器２８１〜２８４各々の検出信号を独立して増幅し，増幅後の検出信号を前記位相差演算計算機４へ出力する。即ち，前記アンプ６３は，前記光検出器２８１〜２８４により得られる４つの光の強度信号各々に対し，それぞれ個別に設定される増幅ゲインに応じて線形補正を加えるものであり，前記光強度補正手段の一例である。なお，前記増幅ゲインは，線形補正のゲインである。
また，後述するように，前記アンプ６３から出力される４つの光の強度信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は，前記位相差演算計算機４により，４つの光の強度信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４について個別に設定されるオフセット補正値を加算することによってオフセット補正が加えられる場合もある。この場合，４つの前記アンプ６３及び前記位相差演算計算機４が，前記光検出器２８１〜２８４により得られる４つの光強度各々に独立して線形補正及びオフセット補正を加える前記光強度補正手段の一例となる。
【００３１】
また，４つの前記偏光板保持機構６１は，４つの前記偏光板２７１〜２７４各々をその保持角度を可変に保持する。より具体的には，前記偏光板保持機構６１は，前記偏光板２７１〜２７４を前記非干渉光Ｐ１〜Ｐ４の光軸に対して直交するように保持しつつ，その光軸を回転中心として前記偏光板２７１〜２７４各々を回転可能に保持する。
前記偏光板保持機構６１は，手動式の保持角度調節機構を備えたものや，所定のコントローラからの制御指令に応じて前記偏光板２７１〜２７４の保持角度を変化させる自動式の保持角度調節機構を備えたものなどが考えられる。
例えば，前記手動式の保持角度調節機構は，オペレータによるビス等に対する調節操作に応じて前記偏光板２７１〜２７４の保持角度を変化させるものが考えられる。また，前記自動式の保持角度調節機構は，所定のコントローラからの制御指令に応じて前記偏光板２７１〜２７４の保持角度を変化させるピエゾ素子等の駆動源を備えたものが考えられる。また，そのコントローラは，前記位相演算計算機４又は前記形状演算計算機５により実現されることが考えられる。
【００３２】
また，２つの前記光遮断機構６２は，前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの各々を個別に遮断する光遮断手段の一例である。前記光遮断機構６２は，例えば，光を遮断する遮光部材と，その遮光部材を前記物体光Ｐｓ又は前記参照光Ｐｒの光路上の位置とその光路から退避する位置とに移動させる移動機構とを備えている。また，その移動機構は，オペレータの操作に応じて移動する手動式の移動機構と，所定のコントローラからの制御指令に応じて自動的に移動する自動式の移動機構とが考えられる。また，そのコントローラは，前記位相演算計算機４又は前記形状演算計算機５により実現されることが考えられる。
【００３３】
以下，前記非干渉光分岐用光学系２５１〜２５３により前記非干渉光Ｐｘが４つに分岐されて作られる前記非干渉光Ｐ１〜Ｐ４の光路から前記光検出器２８１〜２８４の出力ラインに至る４つの光及び信号の経路のことをチャンネルと称する。また，４つのチャンネルのうち，前記物体光Ｐｓと前記参照光Ｐｒとの位相差φの算出の対象となる前記第２の干渉光Ｑ２のチャンネルを基準チャンネル，その他の３つのチャンネルを非基準チャンネルと称する。
【００３４】
前記光干渉計２０は，前記４分の１波長板２６１，２６３及び前記２分の１波長板２６４による位相シフト量の誤差を考慮しない場合，各チャンネルの前記物体光Ｐｓの強度ａs1〜ａs4，各チャンネルの前記参照光Ｐｓの強度ａr1〜ａr4，各チャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の強度Ｉ01〜Ｉ04，及び前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの位相差φとの関係式を４つ含む連立方程式である次の（Ｂ１）式が成立する。なお，Ｉ01〜Ｉ04は，前記アンプ６３により増幅される前の前記光検出器２８１〜２８４の検出値に相当する。
【数３】
2011013212.tif 000005
また，（Ｂ１）式において，各チャンネルの前記物体光Ｐｓの強度ａs1〜ａs4及び各チャンネルの前記参照光Ｐｓの強度ａr1〜ａr4の全てが等しい場合には，（Ｂ１）式は，次の（Ｂ２）式に変形できる。
【数４】
2011013212.tif 000006
実際に（Ｂ２）式が成立するのであれば，前記光検出器２８１〜２８４により検出される各チャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の強度Ｉ01〜Ｉ04から，高精度で前記位相差φを算出できる。
【００３５】
しかしながら，実際には，前記非基準チャンネルにおける前記４分の１波長板２６１，２６３及び前記２分の１波長板２６４による位相シフト量には，チャンネルごとに個別の位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4が含まれる。その位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4を考慮すると，（Ｂ１）式に代えて，次の（Ｂ１'）式が成立する。
【数５】
2011013212.tif 000007
即ち，前記光干渉計２０を特別な校正工程を経ずに用いた場合には，測定対象である前記位相差φを含む１２個の未知のパラメータを含む（Ｂ１'）式に基づいて前記位相差φを算出しなければならない。そうすると，多くの仮定や近似の下で前記位相差φを算出しなければならなくなり，算出される前記位相差φの精度が低くなる。
そこで，前記形状測定装置Ｘを用いた形状測定では，高精度の前記位相差φを得るための比較的簡易な装置校正工程を経た上で，前記被測定物１の形状測定を行う。
【００３６】
以下，図４に示されるフローチャートを参照しつつ，前記形状測定装置Ｘを用いて実行される第１実施例に係る形状測定方法について説明する。なお，以下に示されるＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，…は，形状測定における各工程の識別符号を表す。
以下に示すように，前記形状測定装置Ｘを用いた第１実施例に係る形状測定方法では，まず，高精度の前記位相差φを得るための装置校正工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）を実行し，その後，前記被測定物１についての形状測定工程（Ｓ１５〜Ｓ１９）を実行する。
前記装置校正工程では，まず，所定の校正用の物体を測定位置に配置して保持させる（Ｓ１１）。前記形状測定装置Ｘにおける測定位置は，２つの前記光干渉計２０の間の空間である。前記校正用の物体は，最初の形状測定の対象である前記被測定物１であっても，それ以外に用意された物体であってもよい。
また，前記校正用の物体の前記測定位置への配置は，例えば，オペレータの操作又は前記被測定物１を搬送するマニピュレータを備えた搬送装置等により，前記校正用の物体を前記可動支持装置Ｚに支持させることによって行われる。
以下，前記校正用の物体が前記測定位置に配置された状態のことを第１の配置状態と称する。
【００３７】
次に，前記第１の配置状態の下で前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの光路長を一定に保持した状態において，以下に示す偏光板保持角度調節工程を実行する（Ｓ１２）。ここで，前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの光路長を一定に保持した状態とは，前記参照板２４及び前記校正用の物体が振動しないように保持された状態である。その状態において，前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの光路長に影響を与える他の光学機器の位置も固定されていることはいうまでもない。
前記偏光板保持角度調節工程は，４つの前記光検出器２８１〜２８４各々について，前記物体光Ｐｓを遮断したときの前記参照光Ｐｒの検出強度と前記参照光Ｐｒを遮断したときの前記物体光Ｐｓの検出強度とが一致するように４つの前記偏光板２７１〜２７４の保持角度各々を調節する工程である。
前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒ各々の遮断は，２つの前記光遮断機構６２を通じて行われる。また，４つの前記偏光板２７１〜２７４の保持角度の調節は，前記保持角度調節機構６１を通じて行われる。
以下の説明において，前記物体光Ｐｓを遮断したときの前記参照光Ｐｒの検出強度と前記参照光Ｐｒを遮断したときの前記物体光Ｐｓの検出強度との差のことを二光間強度差と称する。
ステップＳ１２の前記偏光板保持角度調節工程を実行することにより，前述した（Ｂ１'）式において，ａs1＝ａr1，ａs2＝ａr2，ａs3＝ａr3，ａs4＝ａr4となる。この場合，（Ｂ１'）式におけるＩ１〜Ｉ４は，前記偏光板保持角度調節工程を経た後の４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値である。
【００３８】
例えば，前記位相差演算計算機４が，４つの前記光検出器２８１〜２８４各々の検出強度に基づいて前記二光間強度差を算出しつつ，その二光間強度差が０又は０と近似できる程度の値となるように，４つの自動式の前記保持角度調節機構６１に対して前記偏光板２７１〜２７４の保持角度の変更指令を出力する。
或いは，前記位相差演算計算機４が，４つの前記光検出器２８１〜２８４各々について前記二光間強度差を逐次算出してその算出結果を所定の表示装置に表示させる。そして，オペレータが，表示された前記二光間強度差を確認しつつ，その二光間強度差が０又は０と近似できる程度の値となるように，４つの手動式の前記保持角度調節機構６１に対して前記偏光板２７１〜２７４の保持角度を変更する調節操作を行う。
ステップ１２において，前記位相差演算計算機４は，例えば，前記増幅ゲイン０ｄＢ（１倍）に設定された前記アンプ６３の出力信号の値を，前記偏光板保持角度調節工程において比較される２つの光の検出強度として用いればよい。
なお，前記偏光板保持角度調節工程においては，前記物体光Ｐｓを遮断したときの前記参照光Ｐｒの検出強度と前記参照光Ｐｒを遮断したときの前記物体光Ｐｓの検出強度とが一致しているか否かの相対的な比較が必要であるだけで，両検出強度の絶対値の大小は特に問題ではない。そのため，前記アンプ６３に設定されている前記増幅ゲインが０ｄＢではない場合でも，前記偏光板保持角度調節工程において比較される２つの光の検出強度は，前記光検出器２８１〜２８４の検出信号が前記アンプ６３により増幅された後の信号の値を用いればよい。
【００３９】
さらに，前記偏光板保持角度調節工程の実行後に，前記第１の配置状態の下で前記物体光Ｐｓ又は前記参照光Ｐｒの光路長に前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの波長λ以上の振幅の変動を与えつつ，以下に示す線形補正ゲイン設定工程を実行する（Ｓ１３）。
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ１３）は，前記アンプ６３により得られる４つの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの強度Ｉ１〜Ｉ４の時系列変化の振幅が一致するように，前記アンプ６３に対する前記増幅ゲイン，即ち，線形補正のゲインを設定する工程である。
前記物体光Ｐｓ又は前記参照光Ｐｒの光路長に前記波長λ以上の振幅の変動を与える方法としては，例えば，前記校正用の物体又は前記参照板２４に（λ／２）以上の振幅の振動を与えることが考えられる。また，前記校正用の物体又は前記参照板２４を振動させる方法としては，例えば，弾性を有する前記校正用の物体に衝撃を与える方法や，前記校正用の物体又は前記参照板２４の支持部に所定の駆動源により振動を与えること等が考えられる。但し，前記校正用の物体又は前記参照板２４の振動の振幅が大きすぎると，その傾きによって前記物体光Ｐｓ又は前記参照光Ｐｒの光量が変動してしまう。そのため，前記校正用の物体又は前記参照板２４の振動の振幅は，５μｍ程度以下に抑える必要がある。
【００４０】
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ１３）においては，例えば，前記位相差演算計算機４が，前記第１の配置状態の下で４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値の時系列変化をメモリに記録しつつその振幅を算出する。さらに，前記位相差演算計算機４が，４つのチャンネル相互間の前記振幅の差が０又は０と近似できる程度となるように，４つの前記アンプ６３各々に対して前記増幅ゲインを自動設定する。
或いは，前記位相差演算計算機４が，４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値の時系列変化をメモリに記録しつつその振幅を算出してその算出結果を所定の表示装置に表示させる。そして，オペレータが，表示された４つのチャンネルの前記振幅を確認しつつ，その振幅の差が０又は０と近似できる程度となるように，４つの前記アンプ６３各々に対して手動で前記増幅ゲインを設定する。
前記偏光板保持角度調節工程（Ｓ１２）及び前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ１３）を実行することにより，前述した（Ｂ１'）式において，ａs1＝ａr1＝ａs2＝ａr2＝ａs3＝ａr3＝ａs4＝ａr4となる。
従って，前記偏光板保持角度調節工程及び前記線形補正ゲイン設定工程が実行された後の４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値をＩ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'とすると，次の（Ｃ１）式が成立する。なお，（Ｃ１）式において，ｋは定数（ｋ＝２×ａr1）である。
【数６】
2011013212.tif 000008
ここで，所定の変数φ’を次の（Ｃ２）式により定義する。
【数７】
2011013212.tif 000009
また，（Ｃ１）式が成立する場合，その（Ｃ１）式から導き出される次の（Ｃ３）式が成立する。
【数８】
2011013212.tif 000010
そして，（Ｃ３）式から前記位相差φを求める逆関数を導くことにより，次の（Ｃ４）式が得られる。
【数９】
2011013212.tif 000011
即ち，前記偏光板保持角度調節工程（Ｓ１２）及び前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ１３）が実行された後の４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力値である前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の測定値をＩ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'とすると，前記（Ｃ２）式及び前記（Ｃ４）式が成立する。
【００４１】
さらに，前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ１３）の実行後に，前記位相差演算計算機４が，前記位相シフト用光学系２６１，２６３，２６４による位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4を算出して所定のメモリに記憶させる位相シフト誤差算出工程を実行する（Ｓ１４）。
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ１３）において，各チャンネルの振幅が揃うように前記アンプ６３の前記増幅ゲインが設定された状態で，前記第１の配置状態の下で４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値の時系列変化がメモリに記録されている。
前記位相シフト誤差算出工程（Ｓ１４）においては，まず，前記位相差演算計算機４は，ステップＳ１３で得られた前記増幅ゲイン調節後の前記アンプ６３を通じて得られた４つのチャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の検出強度の時系列変化に基づくリサージュ波形の情報を算出する。
このステップＳ１４において処理の対象となる前記リサージュ波形は，前記基準チャンネルの干渉光Ｑ２の強度Ｉ２'の時系列変化と，２つの前記非基準チャンネルの干渉光Ｑ１，Ｑ３の強度Ｉ１'，Ｉ３'各々の時系列変化との関係，及び前記非基準チャンネルの干渉光Ｑ３とＱ４の強度Ｉ３'とＩ４'の時系列変化の関係それぞれを表すリサージュ波形である。
図６には，ステップＳ１４で観測される前記リサージュ波形の一例が示されている。
図６に示されるように，前記強度Ｉ２'及び前記強度Ｉ１'に基づくリサージュ波形ｇ１は，前記強度Ｉ２'及び前記強度Ｉ３'に基づくリサージュ波形ｇ３，及び前記強度Ｉ３'及び前記強度Ｉ４'に基づくリサージュ波形ｇ４は，それぞれ楕円形状である。
但し，前記位相シフトの誤差ε1＝０である場合は，前記リサージュ波形ｇ１は円形となる。同様に，前記位相シフトの誤差ε3＝０である場合は，前記リサージュ波形ｇ３は円形となる。さらに，前記位相シフトの誤差ε3，ε4の差が０（ε4−ε3＝０）である場合は，前記リサージュ波形ｇ４は円形となる。
【００４２】
図７は，２つの測定値のリサージュ波形と位相差との関係の説明図である。
Ｘ軸方向の測定値をＩｘ，Ｙ軸方向の測定値をＩｙとしたリサージュ波形において，そのリサージュ波形のＹ軸方向の幅をＷb，そのリサージュ波形の中心位置（Ｉxo，Ｉyo）のＸ軸座標ＩxoにおけるＹ軸方向の幅をＷaとする。そうすると，測定値Ｉｘの位相と測定値Ｉｙの位相との差Δφは，ｓｉｎ-1(Ｗa／Ｗb)となる。
そこで，前記位相差演算計算機４は，ステップＳ１４において，前記リサージュ波形ｇ１，ｇ３，ｇ４それぞれについての前記幅(Ｗa，Ｗb)である(Ｗa1，Ｗb1)，(Ｗa3，Ｗb3)及び(Ｗa4，Ｗb4)それぞれを算出する。
さらに，前記位相差演算計算機４は，−π／２，＋π／２及び＋πの位相シフトが行われる各チャンネルにおける前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4を，ε1＝ｓｉｎ-1(Ｗa１／Ｗb１)＋（π／２），ε3＝ｓｉｎ-1(Ｗa３／Ｗb３)−（π／２），ε4＝ｓｉｎ-1(Ｗa４／Ｗb４)−（π／２）の各計算式に基づき算出し，算出結果をメモリに記憶させる。
以上に示した装置校正工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）を実行することにより，前記（Ｃ２）式及び前記（Ｃ４）式が成立するとともに，前記（Ｃ４）式における前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4が全て既知となる。
従って，装置校正工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）を実行した後に，被測定物１について４つのチャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の強度Ｉ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'を測定すれば，その測定値Ｉ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'と前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを前記（Ｃ２）式及び前記（Ｃ４）式からなる前記（Ａ１）式に適用することにより，前記物体光Ｐｓと前記参照光Ｐｒとの間の前記位相差φを算出することができる。その位相差φは，前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4が除かれたものである。
【００４３】
そして，以上に示した前記装置校正工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）の実行後，前記被測定物１についての形状測定工程（Ｓ１５〜Ｓ１９）を実行する。
前記形状測定工程では，まず，ステップＳ１１と同様に，前記被測定物１を測定位置に配置して保持させ，前記可動支持装置Ｚにより前記被測定物１の２次元方向の支持位置の移動を開始させる（Ｓ１５）。なお，ステップＳ１で前記測定位置に配置された前記校正用の物体が前記被測定物１である場合には，前記校正用の物体から最初の測定対象となる前記被測定物１への入れ替え工程はスキップされる。
以下，前記被測定物１が前記測定位置に配置された状態のことを第２の配置状態と称する。
【００４４】
次に，前記位相差演算計算機４が，前記第２の配置状態の下で前記アンプ６３により得られる４つのチャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの強度Ｉ１'〜Ｉ４'を検出してその検出結果を所定のメモリに記録する測定用干渉光強度検出工程を実行する（Ｓ１６）。
さらに，前記位相差演算計算機４が，前記測定用干渉光強度検出工程（Ｓ１６）で得られた４つの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの強度Ｉ１'〜Ｉ４'と，前記位相シフト誤差算出工程（Ｓ１４）で得られた３つの前記非基準チャンネルの干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4とを，前記（Ｃ２）式及び（Ｃ４）式からなる前記（Ａ１）式に適用することにより，前記物体光Ｐｓと前記参照光Ｐｒとの間の前記位相差φを算出する位相差算出工程を実行する（Ｓ１７）。このステップＳ１７で算出された前記位相差φは，前記形状演算計算機５へ伝送される。
そして，前記位相差演算計算機４は，前記被測定物１における予定された全ての測定点１ａ，１ｂについてステップＳ１６及びＳ１７の処理を繰り返す。例えば，前記形状演算計算機５が，全ての測定点１ａ，１ｂについての測定が終了したか否かを判別する（Ｓ１８）。
そして，全ての測定点１ａ，１ｂについての測定処理（Ｓ１６，Ｓ１７）が終了すると，前記形状演算計算機５が，全ての測定点１ａ，１ｂについて得られたＡ面側及びＢ面側各々の前記測定点１ａ，１ｂの前記位相差φａ，φｂの差（φａ−φｂ）の分布に基づいて，前記被測定物１の厚み分布を算出する形状算出処理を実行する（Ｓ１９）。
また，前記被測定物１を入れ替えて前記形状測定工程（Ｓ１５〜Ｓ１９）が実行される場合には，２回目以降の前記形状測定工程（Ｓ１５〜Ｓ１９）の前には，前記装置校正工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）が実行される必要はない。
以上に示した図４の第１実施例に係る形状測定方法により，位相シフトを複数の前記偏光板２６１，２６３，２６４を用いて光学的に行う場合に生じる位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4の影響を受けない測定結果φを簡易に得ることができる。
【００４５】
以下，図５に示されるフローチャートを参照しつつ，前記形状測定装置Ｘを用いて実行される第２実施例に係る形状測定方法について説明する。なお，以下に示されるＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，…は，形状測定における各工程の識別符号を表す。
以下に示すように，前記形状測定装置Ｘを用いた第２実施例に係る形状測定方法においても，まず，高精度の前記位相差φを得るための装置校正工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）を実行し，その後，前記被測定物１についての形状測定工程（Ｓ２５〜Ｓ２９）を実行する。
本第２実施例に係る形状測定方法では，後述するように，４つの前記アンプ６３及び前記位相差演算計算機４が，前記光検出器２８１〜２８４により得られる４つの光強度の信号各々に独立して前記増幅ゲインに基づく線形補正，及びオフセット補正値に基づくオフセット補正を加える光強度補正手段として機能する。
前記装置校正工程では，まず，前記ステップＳ１１と同様に，前記校正用の物体を測定位置に配置して保持させる（Ｓ２１）。これにより，前記第１の配置状態となる。
【００４６】
次に，前記第１の配置状態の下で前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの光路長を一定に保持した状態において，以下に示す線形補正ゲイン設定工程を実行する（Ｓ２２）。
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ２２）は，前記参照光Ｐｒのみを遮断して４つの前記アンプ６３により得られる４つの前記物体光Ｐｓの強度が一致するように，４つの前記アンプ６３に対して線形補正のゲインである前記増幅ゲインを設定する工程である。前記参照光Ｐｒの遮断は，前記参照光Ｐｒ側の前記光遮断機構６２を通じて行われる。
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ２２）においては，例えば，前記位相差演算計算機４が，前記第１の配置状態の下で前記参照光Ｐｒが遮断された状態において，４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値を比較しつつ，それらの差が０又は０と近似できる程度となるように，４つの前記アンプ６３各々に対して前記増幅ゲインを自動設定する。
或いは，前記位相差演算計算機４が，４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値の差を算出してその算出結果を所定の表示装置に表示させる。そして，オペレータが，表示された４つのチャンネル各々の前記アンプ６３の出力信号の値の差を確認しつつ，それらの差が０又は０と近似できる程度となるように，４つの前記アンプ６３各々に対して手動で前記増幅ゲインを設定する。
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ２２）を実行することにより，前記増幅ゲイン調節後の前記アンプ６３による各チャンネルの出力信号の値をＩ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'とすると，前述した（Ｂ１'）式において，ａs1＝ａs2＝ａs3＝ａs4＝ａsとした次の（Ｄ１）式が成立する。
【数１０】
2011013212.tif 000012
【００４７】
次に，前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ２２）の実行後，前記第１の配置状態の下で，以下に示すオフセット補正値設定工程を実行する（Ｓ２３）。
前記オフセット補正値設定工程（Ｓ２３）は，前記参照光Ｐｒの光路長を一定に保持しつつ前記物体光Ｐｓのみを遮断して，前記アンプ６３により得られる４つの前記参照光Ｐｒの強度ａr1〜ａr4を，前記位相差演算計算機４における前記オフセット補正値として設定する工程である。ここで，前記位相差演算計算機４は，前記強度ａr1〜ａr4を４つの前記アンプ６３の出力値から減算するオフセット補正を行う。これらオフセット補正値である強度ａr1〜ａr4は，前記位相差演算計算機４のメモリに記憶される。
前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ２２）及び前記オフセット補正値設定工程（Ｓ２３）を実行することにより，前記アンプ６３及び前記位相差演算計算機４による線形補正及びオフセット補正がなされた各チャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の強度の測定値をＩ１"，Ｉ２"，Ｉ３"，Ｉ４"とすると，前述した（Ｄ１）式における４つの式の左辺及び右辺各々から前記オフセット補正値ａr1〜ａr4を減算した次の（Ｄ２）式が成立する。
【数１１】
2011013212.tif 000013
ここで，所定の変数Ｚを次の（Ｄ３）式により定義する。
【数１２】
2011013212.tif 000014
また，（Ｄ２）式が成立する場合，（Ｄ２）式から導き出される次の（Ｄ４）式が成立する。
【数１３】
2011013212.tif 000015
そして，（Ｄ４）式から前記位相差φを求める逆関数を導くことにより，次の（Ｄ５）式が得られる。
【数１４】
2011013212.tif 000016
即ち，前記線形補正ゲイン設定工程（Ｓ２２）及び前記オフセット補正値設定工程（Ｓ２３）が実行された後に，４つのチャンネル各々の前記アンプ６３及び前記位相差演算計算機４により得られる線形補正及びオフセット補正の後の前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の測定値をＩ１"，Ｉ２"，Ｉ３"，Ｉ４"とすると，前記（Ｄ３）式及び前記（Ｄ５）式が成立する。
【００４８】
さらに，前記オフセット補正値設定工程（Ｓ２３）の実行後に，前記位相差演算計算機４が，前記位相シフト用光学系２６１，２６３，２６４による位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4を算出して所定のメモリに記憶させる位相シフト誤差算出工程を実行する（Ｓ２４）。
前記位相シフト誤差算出工程（Ｓ２４）では，前記位相差演算計算機４が，以下に示す各処理を実行する。
まず，前記位相差演算計算機４は，前記ステップＳ１３と同様に，前記第１の配置状態の下で，前記物体光Ｐｓ又は前記参照光Ｐｒの光路長に前記物体光Ｐｓ及び前記参照光Ｐｒの波長λ以上の振幅の変動を与えつつ，前記アンプ６３の線形補正及び前記位相差演算計算機４のオフセット補正により得られる補正後の４つの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの強度の時系列変化を，前記位相差演算計算機４のメモリに記憶させる。
さらに，前記位相差演算計算機４は，前記ステップＳ１４と同様に，前記メモリに記憶させた前記基準チャンネルの干渉光Ｑ２及び３つの前記非基準チャンネルの干渉光Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４の強度の時系列変化とから得られるリサージュ波形の情報を算出する。これにより，３つの前記非基準チャンネルの測定値に対応する３つの前記リサージュ波形それぞれについて前記幅(Ｗa1，Ｗb2)，(Ｗa3，Ｗb3)，(Ｗa4，Ｗb4)が算出される。
さらに，前記位相差演算計算機４は，−π／２，＋π／２及び＋π２の位相シフトが行われる各チャンネルにおける前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4を，ε1＝ｓｉｎ-1(Ｗa／Ｗb)＋（π／２），ε3＝ｓｉｎ-1(Ｗa／Ｗb)−（π／２），ε4＝[ｓｉｎ-1(Ｗa／Ｗb)＋ε３]−（π／２）の各計算式に基づき算出し，算出結果をメモリに記憶させる。
以上に示した装置校正工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）を実行することにより，前記（Ｄ３）式及び前記（Ｄ５）式が成立するとともに，前記（Ｄ５）式における前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4が全て既知となる。
従って，装置校正工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）を実行した後に，被測定物１について４つのチャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４の強度Ｉ１"，Ｉ２"，Ｉ３"，Ｉ４"を測定すれば，その測定値Ｉ１"，Ｉ２"，Ｉ３"，Ｉ４"と前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4と，前記オフセット補正値である各チャンネルの前記参照光Ｐｒの強度ａr1〜ａr4を前記（Ｄ３）式及び（Ｄ５）式からなる前記（Ａ２）式に適用することにより，前記物体光Ｐｓと前記参照光Ｐｒとの間の前記位相差φを算出することができる。その位相差φは，前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4が除かれたものである。
【００４９】
そして，以上に示した前記装置校正工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）の実行後，前記被測定物１についての形状測定工程（Ｓ２５〜Ｓ２９）を実行する。
前記形状測定工程では，まず，ステップＳ１５と同様に，前記被測定物１を測定位置に配置して保持させ，前記可動支持装置Ｚにより前記被測定物１の２次元方向の支持位置の移動を開始させる（Ｓ２５）。これにより，前記第２の配置状態となる。
なお，ステップＳ１で前記測定位置に配置された前記校正用の物体が前記被測定物１である場合には，前記校正用の物体から最初の測定対象となる前記被測定物１への入れ替え工程はスキップされる。
【００５０】
次に，前記位相差演算計算機４が，前記第２の配置状態の下で前記アンプ６３の線形補正及び当該位相差演算計算機４のオフセット補正により得られる４つのチャンネルの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの強度Ｉ１"〜Ｉ４"を検出してその検出結果を所定のメモリに記録する測定用干渉光強度検出工程を実行する（Ｓ２６）。
さらに，前記位相差演算計算機４が，前記測定用干渉光強度検出工程（Ｓ２６）で得られた４つの前記干渉光Ｑ１〜Ｑ４それぞれの補正後の強度Ｉ１"〜Ｉ"と，前記位相シフト誤差算出工程（Ｓ２４）で得られた３つの前記非基準チャンネルの干渉光それぞれについての前記位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4と，前記オフセット補正値ａr1〜ａr4とを，前記（Ｄ３）式及び（Ｄ５）式からなる前記（Ａ２）式に適用することにより，前記物体光Ｐｓと前記参照光Ｐｒとの間の前記位相差φを算出する位相差算出工程を実行する（Ｓ２７）。このステップＳ２７で算出された前記位相差φは，前記形状演算計算機５へ伝送される。
そして，前記位相差演算計算機４は，前記被測定物１における予定された全ての測定点１ａ，１ｂについてステップＳ２６及びＳ２７の処理を繰り返す。例えば，前記形状演算計算機５が，全ての測定点１ａ，１ｂについての測定が終了したか否かを判別する（Ｓ２８）。
そして，全ての測定点１ａ，１ｂについての測定処理（Ｓ２６，Ｓ２７）が終了すると，前記形状演算計算機５が，全ての測定点１ａ，１ｂについて得られたＡ面側の及びＢ面側各々の前記測定点１ａ，１ｂの前記位相差φａ，φｂの差（φａ−φｂ）の分布に基づいて，前記被測定物１の厚み分布を算出する形状算出処理を実行する（Ｓ２９）。
本第２実施例に係る形状測定方法においても，前記装置校正工程Ｓ２１〜Ｓ２４は，１つ又は複数の前記被測定物１の形状測定の前に１回行えばよい。
以上に示した図５の第２実施例に係る形状測定方法によっても，位相シフトを複数の前記偏光板２６１，２６３，２６４を用いて光学的に行う場合に生じる位相シフトの誤差ε1，ε3，ε4の影響を受けない測定結果φを簡易に得ることができる。
【００５１】
以上に示した実施形態では，前記光干渉計２０が２つ設けられた形状測定装置Ｘを示したが，１つの前記光干渉計２０を備えた形状測定装置により，前記被測定物１の一方の面の表面形状（高さ分布）を測定することも考えられる。
また，光の強度の前記オフセット補正の機能は，前記位相差演算計算機４ではなく，前記アンプ６３が備えることも考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は，ホモダイン干渉計を用いて被測定物の表面形状を測定する形状測定方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
Ｘ  ：本発明の実施形態に係る形状測定装置
Ｙ  ：干渉光測定部
Ｚ  ：可動支持装置
１  ：被測定物
１ａ，１ｂ：測定点
２  ：レーザ光源
３  ：偏光ビームスプリッタ
４  ：位相差演算計算機
５  ：形状計算計算機
７  ：移動制御装置
１１：ミラー
２０：光干渉計
２１：偏光ビームスプリッタ
２２，２３：４分の１波長板
２４：参照板
３１：２分の１波長板
３２：集光レンズ
６１：偏光板保持機構
６２：光遮断機構
６３：アンプ
２５１，２５２：無偏光のビームスプリッタ
２６１，２６３：４分の１波長板
２６４：２分の１波長板
２７１〜２７４：偏光板
２８１〜２８４：光検出器
Ｐ０，Ｐｉ：ビーム光
Ｐｘ，Ｐ１〜Ｐ４：非干渉光
Ｑ１〜Ｑ４：干渉光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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