(57)【要約】【課題】本発明は、よりノイズを低減できる形状測定装置および形状測定方法を提供する。【解決手段】本発明の形状測定装置Ｓは、第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とを光へテロダイン干渉を行うＡ面干渉部２Ａによって得られるＡ面参照干渉光およびＡ面測定干渉光、ならびに、第１Ｂ面測定光と第２Ｂ面測定光とを光へテロダイン干渉を行うＢ面干渉部２Ｂによって得られるＢ面参照干渉光およびＢ面測定干渉光、に基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量を測定する装置であって、Ａ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂは、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にする。【選択図】図１
2019168339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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Ａ面測定光とＢ面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Ａ面測定光を第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ａ面測定光における、被測定物の一方面での第１測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面測定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、前記第１Ａ面測定光における、前記第１測定位置の箇所に照射される前の照射前Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面参照干渉光を生成するＡ面干渉部と、
前記光分岐部で分けられたＢ面測定光を第１Ｂ面測定光と第２Ｂ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ｂ面測定光における、前記被測定物の他方面での、前記第１測定位置の箇所に対向する第２測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面測定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、前記第１Ｂ面測定光における、前記第２測定位置の箇所に照射される前の照射前Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面参照干渉光を生成するＢ面干渉部と、
前記Ａ面干渉部によって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第１位相、および、前記Ｂ面干渉部によって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める形状測定部とを備え、
前記Ａ面干渉部および前記Ｂ面干渉部は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にする、
形状測定装置。
【請求項２】
前記形状測定部は、前記第１位相と前記第２位相との差に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める、
請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記形状測定部は、前記Ａ面干渉部における前記Ａ面測定干渉光および前記Ａ面参照干渉光それぞれの各光強度信号を検出するＡ面検出部と、前記Ｂ面干渉部における前記Ｂ面測定干渉光および前記Ｂ面参照干渉光それぞれの各光強度信号を検出するＢ面検出部と、測定信号と参照信号との位相差をθとした場合に前記測定信号および前記参照信号を位相検波することによってｃｏｓθおよびｓｉｎθの２つの出力信号を出力するＡ面ロックインアンプおよびＢ面ロックインアンプと、前記Ａ面ロックインアンプおよび前記Ｂ面ロックインアンプの各出力信号に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める厚さ演算部とを備え、
前記Ａ面ロックインアンプには、前記Ａ面検出部で検出した前記Ａ面測定干渉光の光強度信号および前記Ａ面参照干渉光の光強度信号が前記測定信号および前記参照信号として入力され、
前記Ｂ面ロックインアンプには、前記Ｂ面検出部で検出した前記Ｂ面測定干渉光の光強度信号および前記Ｂ面参照干渉光の光強度信号が前記測定信号および前記参照信号として入力され、
前記厚さ演算部は、前記第１位相として前記Ａ面ロックインアンプから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相として前記Ｂ面ロックインアンプから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、あるいは、前記第１位相として前記Ａ面ロックインアンプから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相として前記Ｂ面ロックインアンプから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、前記被測定物の厚さ変化量を求める、
請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記光源部は、周波数安定化ガスレーザまたは半導体レーザである、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
測定光をＡ面測定光とＢ面測定光とに分ける光分岐工程と、
前記光分岐工程で分けられたＡ面測定光を第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ａ面測定光における、被測定物の一方面での第１測定位置の箇所に照射されて反射された第１照射後Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面測定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、前記第１Ａ面測定光における、前記第１測定位置の箇所に照射される前の第１照射前Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面参照干渉光を生成するＡ面干渉工程と、
前記光分岐工程で分けられたＢ面測定光を第１Ｂ面測定光と第２Ｂ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ｂ面測定光における、前記被測定物の他方面での、前記第１測定位置の箇所に対向する第２測定位置の箇所に照射されて反射された第１照射後Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面測定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、前記第１Ｂ面測定光における、前記第２測定位置の箇所に照射される前の第１照射前Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面参照干渉光を生成するＢ面干渉工程と、
前記Ａ面干渉工程によって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第１位相、および、前記Ｂ面干渉工程によって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める形状測定工程とを備え、
前記Ａ面干渉工程および前記Ｂ面干渉工程は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にする、
形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体ウェハ等の被測定物の厚さ変化量を光へテロダイン干渉法によって測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、２０１５年の時点の最先端では、１４ｎｍに達している。
【０００３】
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、例えば表面の高さ変化等の、半導体ウェハの形状が無視できない。このため、半導体ウェハの形状を高精度に、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形状を測定する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。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し、したがって、被測定物の厚さ変化に関係する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７５４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、光ヘテロダイン干渉法では、周波数の異なる２つのレーザ光が必要となる。このため、同一の光軸から、周波数の異なる２つのレーザ光を出力するゼーマンレーザや、周波数安定化レーザを用い、このようなレーザから出力されるレーザ光を音響光学変調器（ＡＯＭ，ａｃｏｕｓｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等で周波数を変調することによって、前記周波数の異なる２つのレーザ光を生成する方法が用いられる。このような方法では、ゼーマン効果を得るために磁場を生成する回路、周波数を安定化させるための回路、および、ポンピングのための回路等それ自体に生じするノイズやそれに外部から侵入するノイズ等が、前記周波数の異なる２つのレーザ光の周波数成分に含まれてしまう場合があり、この結果、測定値にノイズが混入してしまう場合がある。
【０００６】
また、光ヘテロダイン干渉法では、位相の検出に、いわゆるロックインアンプが使用されるが、前記ノイズは、このロックインアンプを構成するローパスフィルタでも除去できない周波数となる場合がある。
【０００７】
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、よりノイズを低減できる形状測定装置および形状測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明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Ａ面測定光とＢ面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Ａ面測定光を第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ａ面測定光における、被測定物の一方面での第１測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面測定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、前記第１Ａ面測定光における、前記第１測定位置の箇所に照射される前の照射前Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面参照干渉光を生成するＡ面干渉部と、前記光分岐部で分けられたＢ面測定光を第１Ｂ面測定光と第２Ｂ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ｂ面測定光における、前記被測定物の他方面での、前記第１測定位置の箇所に対向する第２測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面測定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、前記第１Ｂ面測定光における、前記第２測定位置の箇所に照射される前の照射前Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面参照干渉光を生成するＢ面干渉部と、前記Ａ面干渉部によって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第１位相、および、前記Ｂ面干渉部によって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める形状測定部とを備え、前記Ａ面干渉部および前記Ｂ面干渉部は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にする。好ましくは、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、前記形状測定部は、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ることによって前記第１および第２測定位置の箇所を複数に変えながら、前記複数の第１および第２測定位置の箇所それぞれでの前記被測定物の各厚さ変化量を求める。好ましくは、上述の形状測定装置において、前記Ａ面干渉部は、前記光分岐部で分けられたＡ面測定光を前記第１Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とに分ける第１Ａ面光分岐部と、前記第１Ａ面光分岐部で分けられた第１Ａ面測定光を第１周波数で変調する第１Ａ面光変調部と、前記第１Ａ面光分岐部で分けられた第２Ａ面測定光を光へテロダイン干渉するように前記第１周波数と異なる第２周波数で変調する第２Ａ面光変調部と、前記第１Ａ面光変調部で変調された第１Ａ面測定光を第１−１Ａ面変調測定光と第１−２Ａ面変調測定光とに分ける第２Ａ面光分岐部と、前記第２Ａ面光変調部で変調された第２Ａ面測定光を第２−１Ａ面変調測定光と第２−２Ａ面変調測定光とに分ける第３Ａ面光分岐部と、前記第２Ａ面光分岐部で分けられた前記第１−１Ａ面変調測定光を前記第１測定位置の箇所に照射して反射で得られた照射後Ａ面測定光と、前記第３Ａ面光分岐部で分けられた前記第２−１Ａ面変調測定光とを干渉させることによって前記Ａ面測定干渉光を生成する第１Ａ面干渉部と、前記第２Ａ面光分岐部で分けられた前記第１−２Ａ面変調測定光と、第３Ａ面光分岐部で分けられた前記第２−２Ａ面変調測定光とを干渉させることによって前記Ａ面参照干渉光を生成する第２Ａ面干渉部とを備え、前記Ｂ面干渉部は、前記光分岐部で分けられたＢ面測定光を前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とに分ける第１Ｂ面光分岐部と、前記第１Ｂ面光分岐部で分けられた第１Ｂ面測定光を第１周波数で変調する第１Ｂ面光変調部と、前記第１Ｂ面光分岐部で分けられた第２Ｂ面測定光を光へテロダイン干渉するように前記第１周波数と異なる第２周波数で変調する第２Ｂ面光変調部と、前記第１Ｂ面光変調部で変調された第１Ｂ面測定光を第１−１Ｂ面変調測定光と第１−２Ｂ面変調測定光とに分ける第２Ｂ面光分岐部と、前記第２Ｂ面光変調部で変調された第２Ｂ面測定光を第２−１Ｂ面変調測定光と第２−２Ｂ面変調測定光とに分ける第３Ｂ面光分岐部と、前記第２Ｂ面光分岐部で分けられた前記第１−１Ｂ面変調測定光を前記第２測定位置の箇所に照射して反射で得られた照射後Ｂ面測定光と、前記第３Ｂ面光分岐部で分けられた前記第２−１Ｂ面変調測定光とを干渉させることによって前記Ｂ面測定干渉光を生成する第１Ｂ面干渉部と、前記第２Ｂ面光分岐部で分けられた前記第１−２Ｂ面変調測定光と、第３ＡＢ光分岐部で分けられた前記第２−２Ｂ面変調測定光とを干渉させることによって前記Ｂ面参照干渉光を生成する第２Ｂ面干渉部とを備える。
【０００９】
このような形状測定装置は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にするので、前記第１位相および前記第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める際に、前記第１および第２位相それぞれに含まれる各ノイズ成分を互いに相殺することができる。この結果、上記形状測定装置は、よりノイズを低減できる。
【００１０】
他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記形状測定部は、前記第１位相と前記第２位相との差に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める。
【００１１】
このような形状測定装置は、前記第１位相と前記第２位相との差に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求めるので、１つの乗算器と１つのローパスフィルタとを備え、前記ローパスフィルタの出力信号レベルで位相を表す単相ロックインアンプを使用できる。
【００１２】
他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記形状測定部は、前記Ａ面干渉部における前記Ａ面測定干渉光および前記Ａ面参照干渉光それぞれの各光強度信号を検出するＡ面検出部と、前記Ｂ面干渉部における前記Ｂ面測定干渉光および前記Ｂ面参照干渉光それぞれの各光強度信号を検出するＢ面検出部と、測定信号と参照信号との位相差をθとした場合に前記測定信号および前記参照信号を位相検波することによってｃｏｓθおよびｓｉｎθの２つの出力信号を出力するＡ面ロックインアンプおよびＢ面ロックインアンプと、前記Ａ面ロックインアンプおよび前記Ｂ面ロックインアンプの各出力信号に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める厚さ演算部とを備え、前記Ａ面ロックインアンプには、前記Ａ面検出部で検出した前記Ａ面測定干渉光の光強度信号および前記Ａ面参照干渉光の光強度信号が前記測定信号および前記参照信号として入力され、前記Ｂ面ロックインアンプには、前記Ｂ面検出部で検出した前記Ｂ面測定干渉光の光強度信号および前記Ｂ面参照干渉光の光強度信号が前記測定信号および前記参照信号として入力され、前記厚さ演算部は、前記第１位相として前記Ａ面ロックインアンプから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相として前記Ｂ面ロックインアンプから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、あるいは、前記第１位相として前記Ａ面ロックインアンプから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相として前記Ｂ面ロックインアンプから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、前記被測定物の厚さ変化量を求める。
【００１３】
このような形状測定装置は、測定信号と参照信号との位相差をφとした場合に前記測定信号および前記参照信号を位相検波することによってｃｏｓθおよびｓｉｎθの２つの出力信号を出力するいわゆる２位相ロックインアンプを使用することで、前記加算で前記被測定物の厚さ変化量を求めることができる。
【００１４】
他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記光源部は、周波数安定化ガスレーザまたは半導体レーザである。
【００１５】
これによれば、周波数安定化ヘリウムネオンレーザまたは半導体レーザを用いた形状測定装置が提供できる。特に、本発明にかかる形状測定装置は、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にするので、前記第１位相および前記第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める際に、前記第１および第２位相それぞれに含まれる各ノイズ成分を互いに相殺することができるだけでなく、レーザ光の周波数揺らぎも除去できるため、周波数安定化ガスレーザに較べてレーザ光における周波数の安定化の低い半導体レーザでも周波数安定化ガスレーザを用いた場合と略同性能の形状測定装置を製造できる。半導体レーザを使用することにより、形状測定装置は、低価格化、コンパクト化、長寿命化できる。
【００１６】
本発明の他の一態様にかかる形状測定方法は、測定光をＡ面測定光とＢ面測定光とに分ける光分岐工程と、前記光分岐工程で分けられたＡ面測定光を第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ａ面測定光における、被測定物の一方面での第１測定位置の箇所に照射されて反射された第１照射後Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面測定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、前記第１Ａ面測定光における、前記第１測定位置の箇所に照射される前の第１照射前Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面参照干渉光を生成するＡ面干渉工程と、前記光分岐工程で分けられたＢ面測定光を第１Ｂ面測定光と第２Ｂ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ｂ面測定光における、前記被測定物の他方面での、前記第１測定位置の箇所に対向する第２測定位置の箇所に照射されて反射された第１照射後Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面測定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、前記第１Ｂ面測定光における、前記第２測定位置の箇所に照射される前の第１照射前Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面参照干渉光を生成するＢ面干渉工程と、前記Ａ面干渉工程によって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第１位相、および、前記Ｂ面干渉工程によって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める形状測定工程とを備え、前記Ａ面干渉工程および前記Ｂ面干渉工程は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にする。
【００１７】
このような形状測定方法は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にするので、前記第１位相および前記第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める際に、前記第１および第２位相それぞれに含まれる各ノイズ成分を互いに相殺することができる。この結果、上記形状測定方法は、よりノイズを低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる形状測定装置および形状測定方法は、よりノイズを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】前記形状測定装置における光源部の構成を示す図である。
【図３】前記形状測定装置におけるＡ面干渉部（Ｂ面干渉部）の構成を示す図である。
【図４】前記形状測定装置におけるＡ面位相検波部（Ｂ面位相検波部）の構成を示す図である。
【図５】前記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６】前記形状測定装置を用いて被測定物の厚さ変化量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】測定結果の一例を示す図である。
【図８】変形形態にかかるＡ面位相検波部（Ｂ面位相検波部）の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の１または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。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。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。
【００２１】
実施形態における形状測定装置は、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ＷＡにおける厚さ変化量を例えば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）で非接触で測定する装置である。このような形状測定装置は、本実施形態では、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Ａ面測定光とＢ面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Ａ面測定光を第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ａ面測定光における、被測定物の一方面での第１測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面測定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、前記第１Ａ面測定光における、前記第１測定位置の箇所に照射される前の照射前Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面参照干渉光を生成するＡ面干渉部と、前記光分岐部で分けられたＢ面測定光を第１Ｂ面測定光と第２Ｂ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ｂ面測定光における、前記被測定物の他方面での、前記第１測定位置の箇所に対向する第２測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面測定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、前記第１Ｂ面測定光における、前記第２測定位置の箇所に照射される前の照射前Ｂ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを干渉させたＢ面参照干渉光を生成するＢ面干渉部と、前記Ａ面干渉部によって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第１位相、および、前記Ｂ面干渉部によって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光を位相検波することによって得られた第２位相に基づいて前記被測定物の厚さ変化量を求める形状測定部とを備える。そして、本実施形態では、前記Ａ面干渉部および前記Ｂ面干渉部は、前記光へテロダイン干渉する際に、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、前記第１Ｂ面測定光と前記第２Ａ測定光とを同一周波数にする。以下、より具体的に形状測定装置について説明する。
【００２２】
図１は、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。形状測定装置Ｓは、例えば、図１に示すように、光源部１と、Ａ面干渉部２Ａと、Ｂ面干渉部２Ｂと、Ａ面位相検波部３Ａ（３Ａａ）と、Ｂ面位相検波部３Ｂ（３Ｂａ）と、演算制御部４（４ａ）と、ステージ５と、入力部６と、出力部７とを備え、ステージ５によって被測定物ＷＡを水平方向に移動させながら被測定物ＷＡの厚さ変化量を測定するものである。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｂｅｅｍ  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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、入射光における２つの偏光成分の間にλ／４の光路差を与える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。λは、ここでは、入射光の波長である。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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１について説明する。図２は、前記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１は、所定の可干渉光であって、被測定物ＷＡの厚さ変化量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。前記測定光は、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。前記測定光は、被測定物ＷＡ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Ａ面測定光およびＢ面測定光を備える。なお、説明の便宜上、被測定物ＷＡの一方面（一方主面）は、Ａ面と呼称され、このＡ面と表裏関係にある被測定物ＷＡの他方面（他方主面）は、Ｂ面と呼称される。このような光源部１は、例えば、図２に示すように、単波長レーザ光源１１と、光アイソレータ１２と、光分岐部１３と、偏光子１４、１６と、出力端子１５、１７とを備えて構成される。
【００３１】
単波長レーザ光源１１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ガスレーザ（Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ）等である。単波長レーザ光源１１は、波長ロッカ等を備えた、いわゆる周波数安定化ガスレーザが好ましい。単波長レーザ光源１１は、半導体レーザであっても良い。
【００３２】
光アイソレータ１２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１２は、単波長レーザ光源１１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１１に入射することを防止するものである。
【００３３】
このような光源部１では、単波長レーザ光源１１から射出されたレーザ光は、光アイソレータ１２を介して光分岐部１３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１４に入射され、所定の偏光面を持つレーザ光のＡ面測定光となって、出力端子１５から射出される。このＡ面測定光は、Ａ面干渉部２Ａに入射される。一方、第２レーザ光は、偏光子１６に入射され、所定の偏光面を持つレーザ光のＢ面測定光となって、出力端子１７から射出される。このＢ面測定光は、Ｂ面干渉部２Ｂに入射される。本実施形態では、前記Ａ面測定光は、被測定物ＷＡのＡ面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Ｂ面測定光は、被測定物ＷＡのＢ面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。
【００３４】
光源部１とＡ面干渉部２Ａとの接続、および、光源部１とＢ面干渉部２Ｂとの接続には、光源部１およびＡ面干渉部２Ａ間の光路長と、光源部１およびＢ面干渉部２Ｂ間の光路長との調整を容易にできる観点から、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１の出力端子１５から射出したＡ面測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、Ａ面干渉部２Ａへ入射し、光源部１の出力端子１７から射出したＢ面測定光は、偏波保持光ファイバによって導光され、Ｂ面干渉部２Ｂへ入射する。
【００３５】
次に、Ａ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂについて説明する。図３は、前記形状測定装置におけるＡ面干渉部（Ｂ面干渉部）の構成を示す図である。なお、Ａ面干渉部２ＡとＢ面干渉部２Ｂとは、同一の構成であるため、以下、主に、Ａ面干渉部２Ａについて説明し、Ａ面干渉部２Ａの構成に付された参照符号の後に、前記Ａ面干渉部２Ａの構成に対応するＢ面干渉部２Ｂの構成に付された参照符号を、括弧書きで記載するとともに「Ａ面」を「Ｂ面」に読み替えることで、Ｂ面干渉部２Ｂの構成の説明とする。このため、図３には、主にＡ面干渉部２Ａの構成が示され、Ｂ面干渉部２Ｂの構成は、当該構成に付せられた参照符号を括弧書きで図示することで図３に示されている。
【００３６】
Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）は、光源部１からのＡ面測定光が入射され、Ａ面測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によってＡ面における被測定物ＷＡの厚さ変化量に関する情報を含むビート光信号を得る装置である。
【００３７】
より具体的には、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）は、被測定物ＷＡのＡ面に対向配置され、光源部１からのＡ面測定光を第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記第１Ａ面測定光における、被測定物ＷＡのＡ面での第１測定位置の箇所に照射されて反射された照射後Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面測定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、前記第１Ａ面測定光における、前記第１測定位置の箇所に照射される前の照射前Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とを干渉させたＡ面参照干渉光を生成する測定光学系である。このような構成のＡ面干渉部２Ａ（２Ｂ）では、Ａ面参照干渉光を基準に、Ａ面測定干渉光における位相を表す情報が得られる。
【００３８】
言い換えれば、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）は、被測定物ＷＡのＡ面に対向配置され、Ａ面測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１Ａ面測定光および第２Ａ面測定光を生成し、この２つの第１Ａ面測定光と第２Ａ面測定光とを干渉（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、前記Ａ面測定光から前記第１Ａ面測定光および第２Ａ面測定光が生成されてから、前記第１Ａ面測定光と前記第２Ａ面測定光とが干渉されるまでの間に、第１Ａ面測定光が被測定物ＷＡのＡ面に照射され反射される第１Ａ面光路および第１Ａ面測定光が被測定物ＷＡのＡ面に照射されない第２Ａ面光路の各光路を含む測定光学系である。
【００３９】
このようなＡ面干渉部２Ａ（２Ｂ）は、例えば、図３に示すように、入力端子２１１Ａ（２１１Ｂ）と、光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）、２１６Ａ（２１６Ｂ）、２１７Ａ（２１７Ｂ）、２２４Ａ（２２４Ｂ）、２３２Ａ（２３２Ｂ）と、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２Ｂ）と、光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）、２１５Ａ（２１５Ｂ）と、反射鏡２１３Ａ（２１３Ｂ）、２３１Ａ（２３１Ｂ）と、１／４波長板２２２Ａ（２２２Ｂ）と、レンズ２２３Ａ（２２３Ｂ）と、偏光子２２５Ａ（２２５Ｂ）、２３３Ａ（２３３Ｂ）と、出力端子２２６Ａ（２２６Ｂ）、２３４Ａ（２３４Ｂ）とを備える。これら光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）、２１５Ａ（２１５Ｂ）、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）、１／４波長板２２２Ａ（２２２Ｂ）、レンズ２２３Ａ（２２３Ｂ）、光分岐部２２４Ａ（２２４Ｂ）、偏光子２２５Ａ（２２５Ｂ）および出力端子２２６Ａ（２２６Ｂ）は、Ａ面測定干渉光を生成する測定干渉計を構成し、これら光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）、２１５Ａ（２１５Ｂ）、光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）、２１６Ａ（２１６Ｂ）、２１７Ａ（２１７Ｂ）、２３２Ａ（２３２Ｂ）、反射鏡２３１Ａ（２３１Ｂ）、偏光子２３３Ａ（２３３Ｂ）および出力端子２３４Ａ（２３４Ｂ）は、Ａ面参照干渉光を生成する参照干渉計を構成する。
【００４０】
光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）、２１５Ａ（２１５Ｂ）は、入射光を所定の周波数で変調する光部品であり、例えば、音響光学効果を利用することによって入射光を変調する音響光学変調器（ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＡＯＭ）等が用いられる。レンズ２２３Ａ（２２３Ｂ）は、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）の被測定物ＷＡに対する対物レンズであり、例えば、非球面の集光レンズ等である。
【００４１】
このＡ側測定部２Ａ（２Ｂ）では、光源部１から偏波保持光ファイバを介して入力端子２１１Ａ（２１１Ｂ）に入射されたＡ面測定光は、光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）に入射され、第１Ａ面測定光および第２Ａ面測定光の２つに分配される。第１Ａ面測定光は、そのままの方向（光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）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２Ａ面測定光は、第１Ａ面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。光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）から射出された第１Ａ面測定光は、光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）に入射され、その波長（周波数）が所定の第１周波数ｆＡ１で変調される。光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）から射出された第２Ａ面測定光は、反射鏡２１３Ａ（２１３Ｂ）を介して光変調部２１５Ａ（２１５Ｂ）に入射され、その波長（周波数）が光へテロダイン干渉するように前記第１周波数と異なる所定の第２周波数ｆＡ２で変調される。変調後における第１Ａ面測定光の周波数ｆＡ１と第２Ａ面測定光の周波数ｆＡ２との周波数差△ｆＡ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。
【００４２】
なお、本実施形態では、第１Ａ面測定光および第２Ａ面測定光のそれぞれを光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）、２１５Ａ（２１５Ｂ）によってそれぞれ変調したが、光ヘテロダインによって干渉させるために、第１Ａ面測定光の周波数ｆＡ１と第２Ａ面測定光の周波数ｆＡ２との間に、所定の周波数差△ｆＡが有ればよいので、一方のみであってもよい。
【００４３】
光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）から射出された第２Ａ面測定光は、本実施形態では光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）によって第１Ａ面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２１３Ａ（２１３Ｂ）によってその進行方向が直角に曲げられ、第１Ａ面側定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡２１３Ａ（２１３Ｂ）は、光分岐部２１２Ａ（２１２Ｂ）から射出された第１Ａ面測定光の進行方向と第２Ａ面測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【００４４】
光変調部２１４Ａ（２１４Ｂ）から射出された変調後の第１Ａ面測定光（第１Ａ面変調測定光）は、光分岐部２１６Ａ（２１６Ｂ）に入射され、光分岐部２１６Ａ（２１６Ｂ）によって第１−１Ａ面変調測定光および第１−２Ａ面変調測定光の２つに分配される。この第１−１Ａ面変調測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１−２Ａ面変調測定光は、第１−１Ａ面変調測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。光変調部２１５Ａ（２１５Ｂ）から射出された変調後の第２Ａ面測定光（第２Ａ面変調測定光）は、光分岐部２１７Ａ（２１７Ｂ）に入射され、光分岐部２１７Ａ（２１７Ｂ）によって第２−１Ａ面変調測定光および第２−２Ａ面変調測定光の２つに分配される。この第２−１Ａ面変調測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２−２Ａ面変調測定光は、第２−１Ａ面変調測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【００４５】
光分岐部２１６Ａ（２１６Ｂ）から射出された第１−１Ａ面変調測定光は、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）に入射され、光分岐部２１６Ａ（２１６Ｂ）から射出された第１−２Ａ面変調測定光は、照射前Ａ面測定光として、光分岐部２３２Ａ（２３２Ｂ）に入射される。光分岐部２１７Ａ（２１７Ｂ）から射出された第２−１Ａ面変調測定光は、光分岐部２２４Ａ（２２４Ｂ）に入射され、光分岐部２１７Ａ（２１７Ｂ）から射出された第２−２Ａ面変調測定光は、反射鏡２３１Ａ（２３１Ｂ）を介して光分岐部２３２Ａ（２３２Ｂ）に入射される。前記反射鏡２３１Ａ（２３１Ｂ）は、前記第２−２Ａ面変調測定光の進行方向を直角に曲げている。
【００４６】
そして、この光分岐部２３２Ａ（２３２Ｂ）に入射された照射前Ａ面測定光（第１−２Ａ面変調測定光）と第２−２Ａ面変調測定光とは、光分岐部２３２Ａ（２３２Ｂ）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Ａ面参照干渉光として偏光子２３３Ａ（２３３Ｂ）を介して出力端子２３４Ａ（２３４Ｂ）に入射される。ここでは、光分岐部２３２Ａ（２３２Ｂ）は、光結合部（干渉部）として機能している。偏光子２３３Ａ（２３３Ｂ）は、同一方向の偏光成分を抽出することによって、第１−２Ａ面変調測定光と第２−２Ａ面変調測定光との干渉光（Ａ面参照干渉光）を射出する。この出力端子２３４Ａ（２３４Ｂ）から射出されるビート光信号のＡ面参照干渉光は、Ａ面位相検波部３Ａａに入射される。Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）は、例えばシングルモード光ファイバやマルチモード光ファイバ等の光ファイバによってＡ面位相検波部３Ａａ（３Ｂａ）に接続される。
【００４７】
一方、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）に入射された第１−１Ａ面変調測定光は、１／４波長板２２２Ａ（２２２Ｂ）に入射され、レンズ２２３Ａ（２２３Ｂ）で集光され、被測定物ＷＡのＡ面での第１測定位置の箇所ＭＰに照射される。そして、この被測定物ＷＡのＡ面での第１測定位置の箇所ＭＰで反射された第１−１Ａ面変調測定光は、照射後Ａ面測定光として、再び、レンズ２２３Ａ（２２３Ｂ）および１／４波長板２２２Ａ（２２２Ｂ）を介して偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）に入射される。この１／４波長板２２２Ａ（２２２Ｂ）の存在によって、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）から被測定物ＷＡのＡ面に照射される第１−１Ａ面変調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ＷＡのＡ面で反射して偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）に入射される照射後Ａ面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、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）に入射された第１−１Ａ面変調測定光は、偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）を被測定物ＷＡのＡ面に向かって通過する一方、被測定物ＷＡのＡ面からレンズ２２３Ａ（２２３Ｂ）および１／４波長板２２２Ａ（２２２Ｂ）を介して偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）に入射した照射後Ａ面測定光は、所定の方向、本実施形態では、前記照射後Ａ面測定光が被測定物ＷＡのＡ面から偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）へ向かう方向に対し直交する方向に反射される。この偏光ビームスプリッタ２２１Ａ（２２１Ｂ）から射出された照射後Ａ面測定光は、光分岐部２２４Ａ（２２４Ｂ）に入射される。
【００４８】
そして、この光分岐部２２４Ａ（２２４Ｂ）に入射された照射後Ａ面測定光と第２−１Ａ面変調測定光とは、光分岐部２２４Ａ（２２４Ｂ）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Ａ面測定干渉光として偏光子２２５Ａ（２２５Ｂ）を介して出力端子２２６Ａ（２２６Ｂ）に入射される。ここでは、光分岐部２２４Ａ（２２４Ｂ）は、光結合部（干渉部）として機能している。偏光子２２５Ａ（２２５Ｂ）は、同一方向の偏光成分を抽出することによって、照射後Ａ面測定光と第２−１Ａ面変調測定光との干渉光（Ａ面測定干渉光）を射出する。この出力端子２２６Ａ（２２６Ｂ）から射出されるビート光信号のＡ面測定干渉光は、Ａ面位相検波部３Ａａに入射される。Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）は、例えばシングルモード光ファイバ等の光ファイバによってＡ面位相検波部３Ａａ（３Ｂａ）に接続される。
【００４９】
このような構成のＡ面干渉部２ＡとＢ面干渉部２Ｂとは、被測定物ＷＡのＡ面での第１測定位置の箇所とＢ面での第２測定位置の箇所とが互いに対向するように（すなわち表裏関係で以て同じ位置になるように）配置される。あるいは、Ａ面干渉部２Ａから射出される第１−１Ａ面変調測定光が被測定物ＷＡのＡ面での第１測定位置の箇所に照射し、その反射光（照射後Ａ面測定光）が入射するように、例えば光ファイバ等の導光部材によって導光され、Ｂ面干渉部２Ｂから射出される第１−１Ｂ面変調測定光が被測定物ＷＡのＢ面での、前記第１測定位置の箇所に対向する第２測定位置の箇所に照射し、その反射光（照射後Ｂ面測定光）が入射するように、例えば光ファイバ等の導光部材によって導光されても良い。
【００５０】
そして、本実施形態では、Ａ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂは、前記光へテロダイン干渉する際に、第１Ａ面測定光と第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、第１Ｂ面測定光と第２Ａ測定光とを同一周波数にする。より具体的には、例えば、Ａ面干渉部２Ａにおける光変調器２１４Ａの第１周波数ｆＡ１とＢ面干渉部２Ｂにおける光変調器２１５Ｂの第２周波数ｆＢ２が同一周波数（例えば８１ＭＨｚ等）に設定され（ｆＡ１＝ｆＢ２＝ｆ１＝８０ＭＨｚ）、Ａ面干渉部２Ａにおける光変調器２１５Ａの第２周波数ｆＡ２とＢ面干渉部２Ｂにおける光変調器２１４Ｂの第１周波数ｆＢ１が同一周波数（例えば８１ＭＨｚ等）に設定される（ｆＡ２＝ｆＢ１＝ｆ２＝８０ＭＨｚ）。
【００５１】
次に、Ａ面位相検波部３Ａ（３Ａａ）およびＢ面位相検波部３Ｂ（３Ｂａ）について説明する。図４は、前記形状測定装置におけるＡ面位相検波部（Ｂ面位相検波部）の構成を示す図である。
【００５２】
Ａ面位相検波部３Ａ（３Ｂ）は、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）によって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光を位相検波する装置である。より具体的には、本実施形態では、Ａ面位相検波部３Ａ（３Ｂ）は、例えば、図４に示すように、Ａ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）と、Ａ面検波部３２Ａａ（３２Ｂａ）とを備えるＡ位相検波部３Ａａ（３Ｂａ）である。なお、Ａ面位相検波部３ＡａとＢ面位相検波部３Ｂａとは、同一の構成であるため、以下、主に、Ａ面位相検波部３Ａａについて説明し、Ａ面位相検波部３Ａａの構成に付された参照符号の後に、前記Ａ面位相検波部３Ａａの構成に対応するＢ面位相検波部３Ｂａの構成に付された参照符号を、括弧書きで記載するとともに「Ａ面」を「Ｂ面」に読み替えることで、Ｂ面位相検波部３Ｂａの構成の説明とする。このため、図４には、主にＡ面位相検波部３Ａａの構成が示され、Ｂ面位相検波部３Ｂａの構成は、当該構成に付せられた参照符号を括弧書きで図示することで図４に示されている。
【００５３】
Ａ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）は、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）におけるＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光それぞれの各光強度信号を検出する装置である。Ａ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）は、これら各光強度信号をＡ面検波部３２Ａａ（３２Ｂａ）へ出力する。より具体的には、Ａ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）は、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）から入射されたＡ面参照干渉光を受光し、この受光したＡ面参照干渉光を光電変換することによってその光強度信号を出力する参照受光部３１１Ａ（３１１Ｂ）と、Ａ面干渉部２Ａ（２Ｂ）から入射されたＡ面測定干渉光を受光し、この受光したＡ面測定干渉光を光電変換することによってその光強度信号を出力する測定受光部３１２Ａ（３１２Ｂ）とを備える。これら参照受光部３１１Ａ（３１１Ｂ）および測定受光部３１２Ａ（３１２Ｂ）は、それぞれ、例えばホトダイオード等の、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。
【００５４】
Ａ面検波部３２Ａａ（３２Ｂａ）は、Ａ面参照干渉光とＡ面測定干渉光との位相差を検出（位相検波）する装置であり、例えば、単相ロックインアンプ３２Ａａ（３２Ｂａ）である。このＡ面検波部３２Ａａ（３２Ｂａ）の一例としての単相ロックインアンプ３２Ａａ（３２Ｂａ）は、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）と、ローパスフィルタ部（ＬＰＦ部）３２２Ａ（３２２Ｂ）とを備える。乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）は、入力同士を乗算する装置である。本実施形態では、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）には、参照受光部３１１Ａ（３１１Ｂ）で検出されたＡ面参照干渉光の光強度信号と、測定受光部３１２Ａ（３１２Ｂ）で検出されたＡ面測定干渉光の光強度信号とが入力され、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）は、これらＡ面参照干渉光の光強度信号とＡ面測定干渉光の光強度信号とを乗算し、その乗算結果をＬＰＦ部３２２Ａ（３２２Ｂ）へ出力する。ＬＰＦ部３２２Ａ（３２２Ｂ）は、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）で演算された乗算結果に含まれる交流成分をカットし、前記乗算結果の直流成分を出力信号として演算制御部４へ出力する装置である。このような単相ロックインアンプ３２Ａａ（３２Ｂａ）は、Ａ面参照干渉光を基準に、Ａ面参照干渉光とＡ面測定干渉光との位相差を検出（位相検波）して出力する。
【００５５】
そして、Ａ面位相検波部３Ａａは、この位相検波によって得られた位相（前記乗算結果の直流成分、第１位相）を演算制御部４へ出力し、Ｂ位相検波部３Ｂａは、この位相検波によって得られた位相（前記乗算結果の直流成分、第２位相）を演算制御部４へ出力する。
【００５６】
次に、ステージ５について説明する。図５は、前記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５は、演算制御部４の制御に従って、被測定物ＷＡの厚さ方向に直交する水平方向に被測定物ＷＡを移動する装置である。ステージ５は、被測定物ＷＡ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、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に被測定物ＷＡ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ＷＡ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５は、被測定物ＷＡを回転移動するとともに、前記回転の径方向にも移動する装置である。このため、第１および第２測定位置の箇所ＭＰ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。
【００５７】
このようなステージ５は、より具体的には、例えば、図５に示すように、被測定物ＷＡの振動による影響を受けることなく、被測定物ＷＡにおける第１および第２測定位置の箇所ＭＰにおける厚さ変化量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ＷＡ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５４と、前記支持部５４の中央部材に連結される回転軸５１と、回転軸５１を回転駆動する回転駆動部５２と、回転駆動部５２を所定の移動範囲内で直線移動する直線駆動部５３とを備えている。これら回転駆動部５２や直線駆動部５３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。
【００５８】
このような構成のステージ５では、被測定物ＷＡが支持部５４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５４によって３点支持される。そして、このように被測定物ＷＡがステージ５に載置された場合に、被測定物ＷＡのＡ面およびＢ面がＡ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂによって測定することができるように、ステージ５がＡ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂの配置位置に対して配設される。
【００５９】
そして、このような構成のステージ５では、演算制御部４の制御に従って回転駆動部５２が回転することで、回転軸５１を介して支持部５４が回転し、被測定物ＷＡが回転軸５１（支持部５４の中央部材）を中心に回転する。そして、演算制御部４の制御に従って直線駆動部５３が回転駆動部５２を直線移動することで、被測定物ＷＡが径方向に沿って移動する。このような回転駆動部５２による被測定物ＷＡの回転移動と、直線駆動部５３による被測定物ＷＡの直線方向の移動とを併用することによって、ステージ５の移動範囲内において被測定物ＷＡの所望の箇所ＭＰを測定することができる。
【００６０】
図１に戻って、入力部６は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや被測定物ＷＡ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７は、入力部６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）および有機ＥＬ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６および出力部７それぞれは、演算制御部４に接続される。
【００６１】
演算制御部４は、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御し、被測定物ＷＡの厚さ変化量を求める回路である。より具体的には、演算制御部４は、本実施形態では、機能的に、厚さ演算部４１（４１ａ）と、制御部４２とを備える演算制御部４ａであり、前記制御部４２は、機能的に、ステージ制御部４２１と、光源制御部４２２とを備える。この演算制御部４ａは、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、Ａ面干渉部２Ａによって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光をＡ面位相検波部３Ａａで位相検波することによって得られた第１位相、および、Ｂ面干渉部２Ｂによって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光をＢ面位相検波部３Ｂａで位相検波することによって得られた第２位相に基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量を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制御処理や演算処理を行う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。なお、演算制御部４は、必要に応じて比較的大容量のデータを記憶するハードディスク装置を備えても良い。
【００６２】
厚さ演算部４１は、Ａ面干渉部２Ａによって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光をＡ面位相検波部３Ａａで位相検波することによって得られた第１位相、および、Ｂ面干渉部２Ｂによって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光をＢ面位相検波部３Ｂａで位相検波することによって得られた第２位相に基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量を求めるものである。より具体的には、本実施形態では、厚さ演算部４１は、Ａ面干渉部２Ａによって生成されたＡ面測定干渉光およびＡ面参照干渉光をＡ面位相検波部３Ａａで位相検波することによって得られた第１位相△ΦＡと、Ｂ面干渉部２Ｂによって生成されたＢ面測定干渉光およびＢ面参照干渉光をＢ面位相検波部３Ｂａで位相検波することによって得られた第２位相△ΦＢとの差分（△ΦＡ−△ΦＢ）から被測定物ＷＡにおけるＡ面からＢ面までの距離変化量を被測定物ＷＡの厚さ変化量として求める厚さ演算部４１ａである。この差分（△ΦＡ−△ΦＢ）は、被測定物ＷＡの厚さに関する値であり、Ａ面測定光の波長およびＢ面測定光の波長とが等しいとの近似の下に、Ａ面測定光の波長をλとする場合に、被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄは、例えば、△Ｄ＝（△ΦＡ−△ΦＢ）×（λ／２）／（２π）によって求められる。なお、本実施形態では、Ａ面測定光とＢ面測定光は、同じ光源からの光を分岐したものであり、Ａ面測定光とＢ面測定光の波長は、一致している。
【００６３】
制御部４２は、形状測定装置Ｓの各部を当該機能に応じて制御し、形状測定装置Ｓの全体制御を司るものである。ステージ制御部４２１は、被測定物ＷＡにおける複数の箇所ＭＰを測定するために、被測定物ＷＡ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５における回転駆動部５２および直線駆動部５３の各動作を制御するものである。光源制御部４２２は、光源部１の動作を制御するものである。
【００６４】
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６は、前記形状測定装置を用いて被測定物の厚さ変化量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は、測定結果の一例を示す図である。
【００６５】
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４ａによって必要な各部の初期化が行われ、前記所定のプログラムの実行によって、演算制御部４ａには、厚さ演算部４１ａおよび制御部４２が機能的に構成され、制御部４２には、ステージ制御部４２１および光源制御部４２２が機能的に構成される。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の被測定物ＷＡがステージ４に載置され、入力部６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４ａは、被測定物ＷＡの厚さの測定を開始する。
【００６６】
まず、演算制御部４ａの光源制御部４２２は、光源部１を駆動し、単波長レーザ光源１１に所定のレーザ光を発光させる。この単波長レーザ光源１１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、Ａ面測定光およびＢ面測定光が光源部１の出力端子１５および出力端子１７からそれぞれ射出される。
【００６７】
この光源部１の出力端子１５から射出されたＡ面測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、Ａ面干渉部２Ａに入射される。このＡ面干渉部２Ａでは、この入射されたＡ面測定光から上述した光学系の作用によって第１測定位置の箇所ＭＰでのＡ面参照干渉光およびＡ面測定干渉光が生成され、出力端子２３４Ａおよび出力端子２２６Ａそれぞれから射出される。このＡ面干渉部２Ａの出力端子２３４Ａおよび出力端子２２６Ａそれぞれから射出されたＡ面参照干渉光およびＡ面測定干渉光は、各光ファイバを伝播し、Ａ面位相検波部３Ａａに入射される。このＡ面位相検波部３Ａａでは、これらＡ面参照干渉光およびＡ面測定干渉光の位相検波によって、Ａ面参照干渉光を基準に、Ａ面参照干渉光とＡ面測定干渉光との位相差が第１位相△ΦＡとして検出され、前記第１位相△ΦＡがＡ面位相検波部３Ａａから演算制御部４へ出力される。
【００６８】
一方、同様に、光源部１の出力端子１７から射出されたＢ面測定光は、偏波保持光ファイバを伝播し、Ｂ面干渉部２Ｂに入射される。このＢ面干渉部２Ｂでは、この入射されたＢ面測定光から上述した光学系の作用によって第２測定位置の箇所ＭＰでのＢ面参照干渉光およびＢ面測定干渉光が生成され、出力端子２３４Ｂおよび出力端子２２６Ｂそれぞれから射出される。このＢ面干渉部２Ｂの出力端子２３４Ｂおよび出力端子２２６Ｂそれぞれから射出されたＢ面参照干渉光およびＢ面測定干渉光は、各光ファイバを伝播し、Ｂ面位相検波部３Ｂａに入射される。このＡ面位相検波部３Ｂａでは、これらＢ面参照干渉光およびＢ面測定干渉光の位相検波によって、Ｂ面参照干渉光を基準に、Ｂ面参照干渉光とＢ面測定干渉光との位相差が第２位相△ΦＢとして検出され、前記第２位相△ΦＢがＢ面位相検波部３Ｂａから演算制御部４へ出力される。
【００６９】
これら光源部１、Ａ面干渉部２Ａ、Ａ面位相検波部３Ａａ、Ｂ面干渉部２ＢおよびＢ面位相検波部３Ｂａがこのような動作を行っている際に、演算制御部４ａのステージ制御部４２１は、ステージ５を制御することによって、被測定物ＷＡ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４２１は、ステージ５の回転駆動部５２を制御することによって被測定物ＷＡを回転させつつ、ステージ５の直線駆動部５３を制御することによって被測定物ＷＡを直線方向に移動させる。このようなステージ制御部４２１によるステージ５の制御を行っている間に、演算制御部４ａは、第１および第２測定位置の箇所ＭＰの位置が予め設定された所定の位置になるごとに、Ａ面位相検波部３ＡａおよびＢ面位相検波部３Ｂａから各第１および第２位相△ΦＡ、△ΦＢのデータを取得する。このような動作によって、図６に示すように、複数の第１および第２測定位置の軌跡が螺旋を描くように、被測定物ＷＡにおける第１および第２測定位置を順次に変更しつつ被測定物ＷＡにおける各箇所ＭＰでの各第１および第２位相△ΦＡ、△ΦＢのデータが取得される。
【００７０】
そして、これら各第１および第２位相△ΦＡ、△ΦＢの各データが取得されると、演算制御部４ａの厚さ演算部４１ａは、上述した演算式によって、第１および第２測定位置の各箇所ＭＰでの被測定物ＷＡの各厚さ変化量△Ｄを求め、出力部７へ出力する。出力部７は、これら第１および第２測定位置の各箇所ＭＰでの被測定物ＷＡの各厚さ変化量△Ｄを被測定物ＷＡの表面形状として表示する。
【００７１】
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およびこれに実装された形状測定方法は、光へテロダイン干渉する際に、第１Ａ面測定光と第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、第１Ｂ面測定光と第２Ａ測定光とを同一周波数にするので、第１位相△ΦＡおよび第２位相△ΦＢに基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求める際に、前記第１および第２位相△ΦＡ、△ΦＢそれぞれに含まれる各ノイズ成分を互いに相殺することができる。この結果、上記形状測定装置Ｓおよび形状測定方法は、よりノイズを低減できる。
【００７２】
上記形状測定装置Ｓおよび形状測定方法の作用効果について、以下に、より詳しく説明する。
【００７３】
まず、理想的な信号（ノイズ成分を除去した信号）の振幅および角周波数それぞれをＳおよび△ωとし、前記ノイズ成分の振幅および角周波数それぞれをＮおよびωｎとし、求めたい位相をφとし、時間をｔとすると、測定干渉光の光強度信号Ｉｓおよび参照干渉光の光強度信号Ｉｒそれぞれは、次式１および式２のように表すことができる。
式１；Ｉｓ＝Ｓ・ｓｉｎ（△ω・ｔ＋φ）＋Ｎ・ｓｉｎ（ωｎ・ｔ）
式２；Ｉｒ＝Ｓ・ｓｉｎ（△ω・ｔ）＋Ｎ・ｓｉｎ（ωｎ・ｔ）
【００７４】
したがって、単相ロックインアンプで位相検波されると、ローパスフィルタ後に残る直流成分ＤＣは、次式３になる。
式３；ＤＣ＝Ｓ２／２ｃｏｓφ−Ｎ２／２ｃｏｓ（２ωｎ・ｔ）
【００７５】
ノイズ成分を含まない理想的な信号の場合、上記式３の第１項が位相φと１対１で対応するため、位相φを精度良く検出できる。しかしながら、上記式３に示すように、ローパスフィルタでは除去できない第２項のノイズ成分が誤検出されてしまい、位相φを精度良く検出できない。
【００７６】
そこで、本実施形態では、上述のように、Ａ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂは、前記光へテロダイン干渉する際に、第１Ａ面測定光と第２Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、第１Ｂ面測定光と第２Ａ測定光とを同一周波数にしている。すなわち、Ａ面干渉部２Ａにおける光変調器２１４Ａの第１周波数ｆＡ１とＢ面干渉部２Ｂにおける光変調器２１５Ｂの第２周波数ｆＢ２が同一周波数ｆ１に設定され（ｆＡ１＝ｆＢ２＝ｆ１）、Ａ面干渉部２Ａにおける光変調器２１５Ａの第２周波数ｆＡ２とＢ面干渉部２Ｂにおける光変調器２１４Ｂの第１周波数ｆＢ１が同一周波数ｆ２に設定されている（ｆＡ２＝ｆＢ１＝ｆ２）。
【００７７】
この場合、厚さ変化に依存して検波されるＡ面測定干渉光の光強度信号ＩｓＡ、Ａ面参照干渉光の光強度信号ＩｒＡ、Ｂ面測定干渉光の光強度信号ＩｓＢおよびＢ面参照干渉光の光強度信号ＩｒＢそれぞれは、次式４、式５、式６および式７で表される。
式４；ＩｓＡ∝Ｓ・ｓｉｎ（２π・（ｆ１−ｆ２）・ｔ＋φＡ）
式５；ＩｒＡ∝Ｓ・ｓｉｎ（２π・（ｆ１−ｆ２）・ｔ）
式６；ＩｓＢ∝Ｓ・ｓｉｎ（２π・（ｆ１−ｆ２）・ｔ−φＢ）
式７；ＩｒＢ∝Ｓ・ｓｉｎ（２π・（ｆ１−ｆ２）・ｔ）
ここで、記号∝は、左辺と右辺が比例関係であることを表す。φＡは、Ａ面干渉部２Ａで得られる厚さ変化に伴う位相であり、φＢは、Ｂ面干渉部２Ｂで得られる厚さ変化に伴う位相である。
【００７８】
上記式４ないし式７で示すように、位相φＢの増減方向は、位相φＡの増減方向と反転する。したがって、ノイズ成分を含んで単相ロックインアンプ３２Ａａ、３２Ｂａで位相検波される位相は、ノイズ成分の位相をφｎとした場合、Ａ面位相検波部３Ａａでは、△ΦＡ＝φＡ＋φｎで表され、Ｂ面位相検波部３Ｂａでは、△ΦＢ＝−φＢ＋φｎで表される。位相φＡ、φＢは、厚さ変化に依存して増減する位相成分であり、上述の式１および式２で表されるノイズ成分は、干渉光に内在する光変調部２１４Ａ、２１５Ａ；２１４Ｂ、２１５Ｂの周波数ｆ１、ｆ２に無関係な成分である。このため、φｎの符号は、反転しない。
【００７９】
したがって、上述のように、第１位相△ΦＡと第２位相△ΦＢとの差分から被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めると、ノイズ成分の位相φｎは、φＡ＋φｎ−（−φＢ＋φｎ）＝φＡ＋φＢのように相殺され、ノイズ成分を除去できる。
【００８０】
このような本実施形態における形状測定装置Ｓおよび比較例の形状測定装置Ｓａで被測定物ＷＡの厚さの変化量を測定した測定結果の一例が図７に示されている。比較例の形状測定装置Ｓｒ（不図示）は、前記光へテロダイン干渉する際に、第１Ａ面測定光と第１Ｂ面測定光とを同一周波数にするとともに、第２Ａ面測定光と第２Ｂ測定光とを同一周波数にする点（ｆＡ１＝ｆＢ１、ｆＡ２＝ｆＢ２）を除き、本実施形態における形状測定装置Ｓと同様である。この図７に示す例では、同じ被測定物ＷＡの測定箇所が固定されたため、対となるＡ面干渉部２ＡおよびＢ面干渉部２Ｂの変位変化量を加算して求めた厚さの変化量は、０に等しくなる。このため、形状家測定装置Ｓ、Ｓｒで検出される変化量は、ノイズである。図７は、前記厚さの変化量をフーリエ変換したスペクトルのグラフが示されている。図７の横軸は、周波数であり、その縦軸は、前記変位変化量を加算した厚さの変化量である。図７から分かるように、比較例の形状測定装置Ｓｒでは、約１２０Ｈｚと約２４０Ｈｚにピークが見られ、ノイズが含まれているが、本実施形態における形状測定装置Ｓでは、これらピークが低減あるいは無く、ノイズが除去されている。
【００８１】
このようにノイズ成分を除去できるので、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は、よりノイズを低減できる。例えば、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、ナノメートルレベルやサブナノメールレベルの精密な測定が可能となる。このような形状測定装置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できる。
【００８２】
なお、上述では、厚さ演算部４１は、減算によって被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めたが、加算によって被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めても良い。この場合では、形状測定装置Ｓは、Ａ面位相検波部３Ａａ、Ｂ面位相検波部３Ｂａおよび演算制御部４ａそれぞれに代え、Ａ面位相検波部３Ａｂ、Ｂ面位相検波部３Ｂｂおよび演算制御部４ｂを備えて構成され、演算制御部４ｂは、厚さ演算部４１ａに代え、厚さ演算部４１ｂを備えて構成される。
【００８３】
図８は、変形形態にかかるＡ面位相検波部（Ｂ面位相検波部）の構成を示す図である。なお、Ａ面位相検波部３ＡｂとＢ面位相検波部３Ｂｂとは、同一の構成であるため、以下、主に、Ａ面位相検波部３Ａｂについて説明し、Ａ面位相検波部３Ａｂの構成に付された参照符号の後に、前記Ａ面位相検波部３Ａｂの構成に対応するＢ面位相検波部３Ｂｂの構成に付された参照符号を、括弧書きで記載するとともに「Ａ面」を「Ｂ面」に読み替えることで、Ｂ面位相検波部３Ｂｂの構成の説明とする。このため、図８には、主にＡ面位相検波部３Ａｂの構成が示され、Ｂ面位相検波部３Ｂｂの構成は、当該構成に付せられた参照符号を括弧書きで図示することで図８に示されている。
【００８４】
このＡ面位相検波部３Ａｂ（３Ｂｂ）は、図８に示すように、Ａ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）と、Ａ面検波部３２Ａｂ（３２Ｂｂ）とを備える。この変形形態のＡ面位相検波部３Ａｂ（３Ｂｂ）におけるＡ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）は、上述のＡ面位相検波部３Ａａ（３Ｂａ）におけるＡ面検出部３１Ａ（３１Ｂ）と同様であるので、その説明を省略する。
【００８５】
Ａ面検波部３２Ａｂ（３２Ｂｂ）は、Ａ面参照干渉光とＡ面測定干渉光との位相差を検出（位相検波）する装置であり、この変形形態では、測定信号と参照信号との位相差をθとした場合に前記測定信号および前記参照信号を位相検波することによってｃｏｓθおよびｓｉｎθの２つの出力信号を出力する２位相ロックインアンプ３２Ａｂ（３２Ｂｂ）である。このＡ面検波部３２Ａｂ（３２Ｂｂ）の一例としての２位相ロックインアンプ３２Ａｂ（３２Ｂｂ）は、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）、３２４Ａ（３２４Ｂ）と、ＬＰＦ部３２２Ａ（３２２Ｂ）、３２５Ａ（３２５Ｂ）と、移相部３２３Ａ（３２３Ｂ）とを備える。乗算部３２４Ａ（３２４Ｂ）は、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）と同様に、入力同士を乗算する装置である。この変形形態では、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）には、参照受光部３１１Ａ（３１１Ｂ）で検出されたＡ面参照干渉光の光強度信号が移相部３２３Ａ（３２３Ｂ）を介して入力されるとともに、測定受光部３１２Ａ（３１２Ｂ）で検出されたＡ面測定干渉光の光強度信号とが入力され、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）は、これら前記移相部３２３Ａ（３２３Ｂ）を介したＡ面参照干渉光の光強度信号とＡ面測定干渉光の光強度信号とを乗算し、その乗算結果をＬＰＦ部３２２Ａ（３２２Ｂ）へ出力する。乗算部３２４Ａ（３２４Ｂ）には、参照受光部３１１Ａ（３１１Ｂ）で検出されたＡ面参照干渉光の光強度信号と、測定受光部３１２Ａ（３１２Ｂ）で検出されたＡ面測定干渉光の光強度信号とが入力され、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）は、これらＡ面参照干渉光の光強度信号とＡ面測定干渉光の光強度信号とを乗算し、その乗算結果をＬＰＦ部３２５Ａ（３２５Ｂ）へ出力する。ＬＰＦ部３２２Ａ（３２２Ｂ）は、乗算部３２１Ａ（３２１Ｂ）で演算された乗算結果に含まれる交流成分をカットし、前記乗算結果の直流成分を出力信号として演算制御部４へ出力する装置である。ＬＰＦ部３２５Ａ（３２５Ｂ）は、乗算部３２４Ａ（３２４Ｂ）で演算された乗算結果に含まれる交流成分をカットし、前記乗算結果の直流成分を出力信号として演算制御部４へ出力する装置である。そして、移相部３２３Ａ（３２３Ｂ）は、入力信号の位相を９０度シフトする装置である。このため、ＬＰＦ部３２５Ａ（３２５Ｂ）は、ｓｉｎθの出力信号を出力し、ＬＰＦ部３２２Ａ（３２２Ｂ）は、ｃｏｓθの出力信号を出力する。
【００８６】
厚さ演算部４１ｂは、Ａ面移相検波部３Ａｂにおける２位相ロックインアンプ３２ＡｂおよびＢ面移相検波部３Ｂｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ｂｂの各出力信号に基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めるものである。より具体的には、厚さ演算部４１ｂは、前記第１位相としてＡ面移相検波部３Ａｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ａｂから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相としてＢ面移相検波部３Ｂｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ｂｂから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、あるいは、前記第１位相としてＡ面移相検波部３Ａｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ａｂから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相として前記Ｂ面移相検波部３Ｂｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ｂｂから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求める。
【００８７】
このような変形形態では、厚さ演算部４１ｂは、前記第１位相としてｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相としてｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相を用いるので、それらの加算に基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めることができる。あるいは、厚さ演算部４１ｂは、前記第１位相としてｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相としてｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相を用いるので、それらの加算に基づいて被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めることができる。
【００８８】
すなわち、通常、２位相ロックインアンプから出力されるｓｉｎθの出力信号とｃｏｓθの出力信号とから、θ＝ｔａｎ−１２（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）によって位相θが求められる。このため、ｓｉｎθの出力信号およびｃｏｓθの出力信号を互いに入れ換え、θ＝−θ’とすると、次式８となる。
式８；（ｃｏｓθ’／ｓｉｎθ’）＝（ｓｉｎ(θ’−９０)／ｃｏｓ(θ’−９０）)＝ｔａｎ(θ’−９０）＝−ｔａｎθ’＝ｔａｎ(−θ’)＝ｔａｎθ
【００８９】
このように位相を逆転したθが得られるので、上述のように、加算によって、被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄが求められる。
【００９０】
なお、Ａ面位相検波部３Ａｂがそのｓｉｎθの出力信号およびｃｏｓθの出力信号それぞれを出力する第１Ａおよび第２Ａ出力端子を備え、Ｂ面位相検波部３Ｂｂがそのｓｉｎθの出力信号およびｃｏｓθの出力信号それぞれを出力する第１Ｂおよび第２Ｂ出力端子を備え、演算制御部４がＡ面位相検波部３Ａｂにおけるそのｓｉｎθの出力信号およびｃｏｓθの出力信号それぞれを入力するための第１Ａおよび第２Ａ入力端子、ならびに、Ｂ面位相検波部３Ｂｂにおけるそのｓｉｎθの出力信号およびｃｏｓθの出力信号それぞれを入力するための第１Ｂおよび第２Ｂ入力端子を備え、厚さ演算部４１ｂが前記第２Ａ入力端子から入力された信号を前記第１Ａ入力端子から入力された信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２Ｂ入力端子から入力された信号を前記第１Ｂ入力端子から入力された信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めるものである場合、第１Ａおよび第２Ａ入力端子それぞれに第２Ａおよび第１Ａ出力端子それぞれを接続するとともに第１Ｂおよび第２Ｂ入力端子それぞれに第１Ｂおよび第２Ｂ出力端子それぞれを接続しても良く、あるいは、第１Ａおよび第２Ａ入力端子それぞれに第１Ａおよび第２Ａ出力端子それぞれを接続するとともに第１Ｂおよび第２Ｂ入力端子それぞれに第２Ｂおよび第１Ｂ出力端子それぞれを接続しても良い。通常、ｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算することでｔａｎθを求めて位相θを求めるように各出力端子と各入力端子とを接続するところ、上述のように接続態様の一方を入れ換えることで、厚さ演算部４１ｂは、前記第１位相としてＡ面移相検波部３Ａｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ａｂから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相としてＢ面移相検波部３Ｂｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ｂｂから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、あるいは、前記第１位相としてＡ面移相検波部３Ａｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ａｂから出力されたｃｏｓθの出力信号をｓｉｎθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相と、前記第２位相として前記Ｂ面移相検波部３Ｂｂにおける２位相ロックインアンプ３２Ｂｂから出力されたｓｉｎθの出力信号をｃｏｓθの出力信号で除算した除算結果に基づいて求めた位相との加算に基づいて、被測定物ＷＡの厚さ変化量△Ｄを求めることができる。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
Ｓ  形状測定部
１  光源部
２Ａ  Ａ面干渉部
２Ｂ  Ｂ面干渉部
３Ａ、３Ａａ、３Ａｂ  Ａ面位相検波部
３Ｂ、３Ｂａ、３Ｂｂ  Ｂ面位相検波部
４、４ａ、４ｂ  演算処理部
４１、４１ａ、４１ｂ  厚さ演算部
【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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【図８】
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