(57)【要約】【課題】本発明は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定し得る表面形状測定装置および該方法を提供する。【解決手段】本発明の表面形状測定装置ＳＡは、１つの測定箇所ＭＰに対し測定対象物Ｏｂの３つ以上、例えば３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３に測定光ＭＬをそれぞれ照射するべく、測定光生成部１Ａで生成された測定光ＭＬを測定部２Ａで３つに分け、この分けられた３つの測定光ＭＬ１〜ＭＬ３を測定対象物Ｏｂの前記３つの測定点Ｐ１〜Ｐ３にそれぞれ照射し、それら３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３に対応する３つの反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬにおいて、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いるように、一対の反射光ＲＬ１、ＲＬ２および一対の反射光ＲＬ２、ＲＬ３を光干渉させ、この光干渉によって得られた第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２に基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を求めるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する光源部と、
測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、前記光源部から放射された光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割部と、
前記光分割部で分けられた前記複数の測定光を前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ照射させ前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉部と、
前記複数の光干渉部から出力される複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出部とを備え、
前記複数の光干渉部における少なくとも１組の光干渉部は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させること
を特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記光源部、前記光分割部および前記光干渉部は、光ホモダイン干渉計を構成し、
前記検出部は、前記互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させた複数の光干渉部から出力される複数の干渉光に基づいて前記複数の干渉光における各位相間の位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを備えること
を特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記光分割部は、前記光源部から放射された光を３つに分ける光分岐部を備え、
前記１組の光干渉部は、前記光分岐部で分けられた第１の光における反射光と前記光分岐部で分けられた第２の光における反射光とを光干渉させる第１光干渉部と、前記光分岐部で分けられた第２の光における反射光と前記光分岐部で分けられた第３の光における反射光とを光干渉させる第２光干渉部とを備えること
を特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記１組の光干渉部は、基材に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子であること
を特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記光分割部の光分岐部は、回折格子であること
を特徴とする請求項３または請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記光分割部の光分岐部は、光導波路型光分岐器であること
を特徴とする請求項３または請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記光源部、前記光分割部および前記光干渉部は、光ヘテロダイン干渉計を構成し、
前記検出部は、前記互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させた複数の光干渉部から出力される複数の干渉光をそれぞれ位相検波し、前記複数の干渉光における各位相間の位相差を検出する検波部と、前記検波部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを備えること
を特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
前記光源部から放射された光を２つに分ける第１光分岐部と、
前記第１光分岐部で分けられた２つの光の周波数を互いに異なる周波数に変調する光変調部とをさらに備え、
前記光分割部は、前記光変調部で変調された２つの光の一方をさらに２つに分ける第２光分岐部を備え、
前記１組の光干渉部は、前記光変調部で変調された他方の光における反射光と前記第２分岐部で分けられた一方の光における反射光とを光ヘテロダイン干渉させる第１光干渉部と、前記光変調部で変調された他方の光における反射光と前記第２分岐部で分けられた他方の光における反射光とを光ヘテロダイン干渉させる第２光干渉部とを備え、
前記検出部の検波部は、前記第１および第２光干渉部から出力される第１および第２干渉光をそれぞれ位相検波し、前記第１および第２干渉光における各位相間の位相差を検出すること
を特徴とする請求項７に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
前記光変調部で変調された他方の光と前記第２分岐部で分けられた一方の光とを光ヘテロダイン干渉させる第１参照光干渉部と、
前記光変調部で変調された他方の光と前記第２分岐部で分けられた他方の光とを光ヘテロダイン干渉させる第２参照光干渉部とをさらに備え、
前記検出部の検波部は、前記第１および第２参照光干渉部から出力される第１および第２参照干渉光をそれぞれ位相検波し、前記第１および第２参照干渉光における各位相間の位相差を補正値として検出し、前記第１および第２干渉光における各位相間の位相差を前記補正値で補正し、
前記検出部の演算部は、前記検波部で検出され補正された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算すること
を特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
前記１組の光干渉部は、基材に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子であること
を特徴とする請求項８または請求項９に記載の表面形状測定装置。
【請求項１１】
前記光分割部で分けられた各測定光を案内して前記複数の測定点にそれぞれ照射する３つ以上の複数の導光部を備え、
前記光源部、前記光分割部、前記導光部、及び、前記検出部は、光ヘテロダイン干渉計を構成すべく、
前記光源部が、周期的に周波数が変化する光を放射し、
前記一組の光干渉部において光干渉させる各反射光を得るための一組の導光部は、これら一組の導光部のうちの前記一組の光干渉部における互いに共通な反射光が得られる測定点に測定光を照射する特定の導光部と、前記一組の導光部のうちの前記一組の光干渉部における互いに共通な反射光以外の反射光が得られる測定点に測定光を照射する少なくとも２つの他の導光部との間の光路差がそれぞれ所定の光路差となる光路長をそれぞれ有し、
前記検出部が、前記互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させた複数の光干渉部から出力される複数の干渉光をそれぞれ位相検波し、前記複数の干渉光における各位相間の位相差を検出する検波部と、前記検波部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを有すること
を特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項１２】
前記所定の光路差は、前記特定の導光部から得られた反射光と前記他の導光部から得られた反射光とを光干渉させるためにこれら一対の反射光と対応する測定光間に設けられる周波数の差に基づくものであること
を特徴とする請求項１１に記載の表面形状測定装置。
【請求項１３】
前記測定点は、測定対象物の表面において一列に３つ以上並び、
前記複数の光干渉部が、前記一列に並ぶ各測定点でそれぞれ反射される複数の反射光における一対の反射光を光干渉させ、
前記各導光部では、前記一列の一端に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部から前記一列の他端側に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部に向けて光路長が順に前記所定の光路差だけ長くなること
を特徴とする請求項１１又は１２に記載の表面形状測定装置。
【請求項１４】
前記測定点は、測定対象物の表面において一列に３つ以上並び、
前記複数の光干渉部が、前記一列に並ぶ各測定点でそれぞれ反射される複数の反射光における一対の反射光を光干渉させ、
前記各導光部では、前記一列の一端に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部から前記一列の他端側に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部に向けて奇数番目又は偶数番目の導光部の光路長がそれぞれ同じであること
を特徴とする請求項１１又は１２に記載の表面形状測定装置。
【請求項１５】
前記他の導光部は、前記一組の導光部のうちの特定の導光部以外の全ての導光部であること
を特徴とする請求項１１又は１２に記載の表面形状測定装置。
【請求項１６】
前記光分割部と前記複数の導光部とは、基材に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子であること
を特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項１７】
前記光分割部の上流で前記光源部から放射された光の一部を参照光として分岐する参照光分岐部と、
前記１組の光干渉部から出力される各干渉光と前記参照光とをそれぞれ混合させる参照光混合部とをさらに備え、
前記検出部は、前記参照光混合部から出力される複数の参照光混合信号を位相検波して各位相間の位相差を検出する検波部と、
前記検波部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを有すること
を特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項１８】
測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、光源部で放射された光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割工程と、
前記光分割工程で分けられた前記複数の測定光を前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ照射させ前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉工程と、
前記複数の光干渉工程で得られた複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出工程とを備え、
前記複数の光干渉工程における少なくとも１組の光干渉工程は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させること
を特徴とする表面形状測定方法。
【請求項１９】
光ヘテロダイン干渉法を利用して測定対象物の表面形状を測定する方法であって、
測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、光源部で放射された周期的に周波数が変化する光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割工程と、
前記光分割工程で分けられた前記複数の測定光をそれぞれ案内して、前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ測定光を同時に照射する３つ以上の導光・照射工程と、
前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉工程と、
前記複数の光干渉工程で得られる複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出工程とを備え、
前記複数の光干渉工程における少なくとも１組の光干渉工程は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させ、
前記一組の光干渉工程において光干渉させる各反射光を得るための一組の導光・照射工程    は、これら一組の導光・照射工程のうちの前記一組の光干渉工程における互いに共通な反射光が得られる測定点に測定光を照射する特定の導光・照射工程と、前記一組の導光・照射工程のうちの前記一組の光干渉工程における互いに共通な反射光以外の反射光が得られる測定点に測定光を照射する少なくとも２つの他の導光・照射工程との間の光路差がそれぞれ所定の光路差となるように測定光をそれぞれ案内すること
を特徴とする表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高さ方向の変化である測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置および表面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の測定方法には、例えば、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、ＡＦＭ）による方法と、干渉計による方法と、レーザ変位計による方法と、光切断法による方法とが知られている。
【０００３】
このＡＦＭによる方法は、例えば、非特許文献１に開示されており、カンチレバの先端に取り付けられた探針を測定対象物の表面に接触させてトレースし、または、前記探針を前記測定対象物の表面と一定間隔に保ってトレースし、その際の前記カンチレバの上下方向の変位を測定することで、前記測定対象物の表面形状を求めるものである。
【０００４】
また、この干渉計による方法は、例えば、特許文献１や非特許文献２に開示されており、光源から射出された光を分割手段によって例えば２つの光に分割し、それぞれ別々の光路を通った後に、これら２つの光を合波手段によって再び重ね合わせ、光路差によって発生する干渉縞を検出手段によって検出し、これを解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。このような干渉計による方法には、フィゾー干渉計、マイケルソン干渉計および斜入射干渉計等を用いた方法が知られている。
【０００５】
また、このレーザ変位計による方法は、例えば、非特許文献３に開示されており、発光素子によって測定対象物へ光を照射し、その反射光を光位置検出素子（ＳＰＤ）で検出し、測定対象物の上下方向の変位に応じて光位置検出素子で検出される反射光の検出位置も変位することから、前記反射光の検出位置を解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。
【０００６】
また、この光切断法による方法は、例えば、非特許文献４に開示されており、光源から射出された扇形のシート光を測定対象物に照射し、このシート光を撮影手段によって撮影し、この得られた画像中におけるシート光による輝線を解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。
【０００７】
前記ＡＦＭによる方法は、１００μｍ以下の測定範囲で基本的にどのような表面でも測定することが可能であるが、測定に時間がかかってしまう。この点、前記干渉計による方法、レーザ変位計による方法および光切断法による方法は、数ｍｓで測定でき、比較的短時間で測定可能である。しかしながら、前記レーザ変位計による方法は、１〜１０μｍ程度の測定範囲であり、また、前記光切断法による方法は、数μｍ以上の測定範囲であり、これらの測定範囲は、比較的大きく、ｎｍオーダでの表面形状の測定に向いていない。
【０００８】
この点、前記干渉計による方法は、数ｍｓで測定でき、比較的短時間で測定可能であって、その原理から測定範囲が波長の長さ程度、すなわち数百ｎｍの範囲であり、ｎｍオーダで測定可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２３２６６７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社、“原子間力顕微鏡（ＡＦＭ／コンタクトモードＡＦＭ）”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年５月６日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｉｎｔ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｓｐｍ／ｔｅｃ＿ｍｏｄｅ／ｂ＿２＿ａｆｍ．ｈｔｍ＞
【非特許文献２】フジノン株式会社、“レーザー干渉計活用ガイド”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年２月１９日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｊｉｎｏｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｌａｓｅｒ／ｋｉｓｏｔｉｓｉｋｉ２．ｈｔｍ＞
【非特許文献３】株式会社キーエンス“変位センサ・変位計”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年５月６日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓｏｒ．ｃｏ．ｊｐ／ｈｅｎｎｉ／ｊｉｔｅｎ／ｌａｓｅｒ０２．ｈｔｍ＞
【非特許文献４】オプトウエア株式会社、“高速光切断法プロファイル計測システム”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年２月１９日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｏｗａｒｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｄｅｎｓｅｎ．ｐｄｆ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記干渉計による方法は、前記ＡＦＭによる方法や前記レーザ変位計による方法も含めて、センシング部と測定対象物との間の距離を１点で測定し、前記測定対象物の面方向で走査することで、高さ方向（厚さ方向）の変化である前記測定対象物の表面形状（凹凸形状）を測定するものである。このため、前記測定対象物を載置するステージにおける上下動による振動、センシング部等における保持ゆらぎによる振動および測定対象物自体の振動等の振動が測定結果に含まれてしまい、正確に測定することが難しい。前記特許文献１には、検査精度の向上を目的とする光へテロダイン干渉測定方法およびその測定装置が提案されているが、測定光学系と検査テーブルとの間の距離が完全に一定であることが必要であり、前記特許文献１に開示の光へテロダイン干渉測定方法およびその測定装置は、上述の問題点を解消していない。
【００１２】
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、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる表面形状測定装置および表面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】
【００１３】
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表面形状測定装置は、光を放射する光源部と、測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、前記光源部から放射された光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割部と、前記光分割部で分けられた前記複数の測定光を前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ照射させ前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉部と、前記複数の光干渉部から出力される複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出部とを備え、前記複数の光干渉部における少なくとも１組の光干渉部は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させることを特徴とする。そして、本発明の他の一態様にかかる表面形状測定方法は、測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、光源部で放射された光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割工程と、前記光分割工程で分けられた前記複数の測定光を前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ照射させ前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉工程と、前記複数の光干渉工程で得られた複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出工程とを備え、前記複数の光干渉工程における少なくとも１組の光干渉工程は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の表面形状測定装置および表面形状測定方法は、光干渉計による方法であるので、比較的短時間であってｎｍオーダで、測定対象物の表面形状を測定することができる。そして、このような構成の表面形状測定装置および表面形状測定方法では、測定対象物における３つ以上の複数の測定点で反射された複数の反射光を光干渉させる際に、互いに共通な反射光を用いて光干渉させる場合を含むので、測定対象物の表面における勾配情報を表す位相情報を持った干渉光が得られる。このため、例えば、測定対象物を載置するステージにおける上下動による振動、測定光学系における保持ゆらぎによる振動および測定対象物自体の振動等の振動が測定結果に及ぼす影響を相殺して略消去することができる。したがって、このような構成の表面形状測定装置および表面形状測定方法は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００１５】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光源部、前記光分割部および前記光干渉部は、光ホモダイン干渉計を構成し、前記検出部は、前記互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させた複数の光干渉部から出力される複数の干渉光に基づいて前記複数の干渉光における各位相間の位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成の表面形状測定装置は、光ホモダイン干渉計を備えるので、より簡素に当該表面形状測定装置を製作することができる。
【００１７】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光分割部は、前記光源部から放射された光を３つに分ける光分岐部を備え、前記１組の光干渉部は、前記光分岐部で分けられた第１の光における反射光と前記光分岐部で分けられた第２の光における反射光とを光干渉させる第１光干渉部と、前記光分岐部で分けられた第２の光における反射光と前記光分岐部で分けられた第３の光における反射光とを光干渉させる第２光干渉部とを備えることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の表面形状測定装置は、１個の光分岐部で前記光源部から放射された光を３つに分けるので、より簡素に当該表面形状測定装置を製作することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記１組の光干渉部は、基材に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子であることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の表面形状測定装置は、光導波路型光学素子で前記１組の光干渉部を構成するので、空気のゆらぎを除去できて温度のゆらぎも低減することができ、干渉光をより安定的に得ることができる。また、このような構成の表面形状測定装置は、光導波路型光学素子で前記１組の光干渉部を構成するので、前記１組の光干渉部を複数の光学素子を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。
【００２１】
また、他の一態様では、これら上述の表面形状測定装置において、前記光分割部の光分岐部は、回折格子であることを特徴とする。また、他の一態様では、これら上述の表面形状測定装置において、前記光分割部の光分岐部は、光導波路型光分岐器であることを特徴とする。
【００２２】
このような構成の表面形状測定装置は、回折格子や光導波路型光分岐器で前記光分割部の光分岐部を構成するので、前記光分割部の光分岐部を複数の光学素子を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。
【００２３】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光源部、前記光分割部および前記光干渉部は、光ヘテロダイン干渉計を構成し、前記検出部は、前記互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させた複数の光干渉部から出力される複数の干渉光をそれぞれ位相検波し、前記複数の干渉光における各位相間の位相差を検出する検波部と、前記検波部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを備えることを特徴とする。
【００２４】
このような構成の表面形状測定装置は、光ヘテロダイン干渉計を備えるので、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００２５】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光源部から放射された光を２つに分ける第１光分岐部と、前記第１光分岐部で分けられた２つの光の周波数を互いに異なる周波数に変調する光変調部とをさらに備え、前記光分割部は、前記光変調部で変調された２つの光の一方をさらに２つに分ける第２光分岐部を備え、前記１組の光干渉部は、前記光変調部で変調された他方の光における反射光と前記第２分岐部で分けられた一方の光における反射光とを光ヘテロダイン干渉させる第１光干渉部と、前記光変調部で変調された他方の光における反射光と前記第２分岐部で分けられた他方の光における反射光とを光ヘテロダイン干渉させる第２光干渉部とを備え、前記検出部の検波部は、前記第１および第２光干渉部から出力される第１および第２干渉光をそれぞれ位相検波し、前記第１および第２干渉光における各位相間の位相差を検出することを特徴とする。
【００２６】
このような構成では、１つの測定箇所における測定点が３つの光へテロダイン干渉計型の表面形状測定装置が提供される。
【００２７】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光変調部で変調された他方の光と前記第２分岐部で分けられた一方の光とを光ヘテロダイン干渉させる第１参照光干渉部と、前記光変調部で変調された他方の光と前記第２分岐部で分けられた他方の光とを光ヘテロダイン干渉させる第２参照光干渉部とをさらに備え、前記検出部の検波部は、前記第１および第２参照光干渉部から出力される第１および第２参照干渉光をそれぞれ位相検波し、前記第１および第２参照干渉光における各位相間の位相差を補正値として検出し、前記第１および第２干渉光における各位相間の位相差を前記補正値で補正し、前記検出部の演算部は、前記検波部で検出され補正された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算することを特徴とする。
【００２８】
光源部から放射された光を測定対象物の表面まで導光する間において生じる位相ゆらぎが測定結果に大きく影響を及ぼす。このような構成の表面形状測定装置では、第１および第２参照光干渉部によって測定対象物の表面に作用しない干渉光が得られ、この得られた干渉光を用いて補正しつつ測定対象物の表面形状が演算される。このため、このような構成の表面形状測定装置は、前記位相ゆらぎが測定結果に及ぼす影響を消去することができ、さらにより高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００２９】
また、他の一態様では、これら上述の表面形状測定装置において、前記１組の光干渉部は、基材に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子であることを特徴とする。
【００３０】
このような構成の表面形状測定装置は、光導波路型光学素子で前記１組の光干渉部を構成するので、空気のゆらぎを除去できて温度のゆらぎも低減することができ、干渉光をより安定的に得ることができる。また、このような構成の表面形状測定装置は、光導波路型光学素子で前記１組の光干渉部を構成するので、前記１組の光干渉部を複数の光学素子を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。
【００３１】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置は、前記光分割部で分けられた各測定光を案内して前記複数の測定点にそれぞれ照射する３つ以上の複数の導光部を備え、前記光源部、前記光分割部、前記導光部、及び、前記検出部は、光ヘテロダイン干渉計を構成すべく、前記光源部が、周期的に周波数が変化する光を放射し、前記一組の光干渉部において光干渉させる各反射光を得るための一組の導光部は、これら一組の導光部のうちの前記一組の光干渉部における互いに共通な反射光が得られる測定点に測定光を照射する特定の導光部と、前記一組の導光部のうちの前記一組の光干渉部における互いに共通な反射光以外の反射光が得られる測定点に測定光を照射する少なくとも２つの他の導光部との間の光路差がそれぞれ所定の光路差となる光路長をそれぞれ有し、前記検出部が、前記互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させた複数の光干渉部から出力される複数の干渉光をそれぞれ位相検波し、前記複数の干渉光における各位相間の位相差を検出する検波部と、前記検波部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを有することを特徴とする。そして、本発明の他の一態様にかかる表面形状測定方法は、光ヘテロダイン干渉法を利用して測定対象物の表面形状を測定する方法であって、測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、光源部で放射された周期的に周波数が変化する光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割工程と、前記光分割工程で分けられた前記複数の測定光をそれぞれ案内して、前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ測定光を同時に照射する３つ以上の導光・照射工程と、前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉工程と、前記複数の光干渉工程で得られる複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出工程とを備え、前記複数の光干渉工程における少なくとも１組の光干渉工程は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させ、前記一組の光干渉工程において光干渉させる各反射光を得るための一組の導光・照射工程    は、これら一組の導光・照射工程のうちの前記一組の光干渉工程における互いに共通な反射光が得られる測定点に測定光を照射する特定の導光・照射工程と、前記一組の導光・照射工程のうちの前記一組の光干渉工程における互いに共通な反射光以外の反射光が得られる測定点に測定光を照射する少なくとも２つの他の導光・照射工程との間の光路差がそれぞれ所定の光路差となるように測定光をそれぞれ案内することを特徴とする。
【００３２】
このような構成の表面形状測定装置及び表面形状測定方法は、光へテロダイン法を用いた光干渉計による方法であるので、比較的短時間であってｎｍオーダで、測定対象物の表面形状を測定することができる。そして、このような構成の表面形状測定装置および表面形状測定方法では、測定対象物における３つ以上の複数の測定点で反射された複数の反射光を光干渉させる際に、互いに共通な反射光を用いて光干渉させる場合を含むので、測定対象物の表面における勾配情報を表す位相情報を持った干渉光が得られる。このため、例えば、測定対象物を載置するステージにおける上下動による振動、測定光学系における保持ゆらぎによる振動および測定対象物自体の振動等の振動が測定結果に及ぼす影響を相殺して略消去することができる。従って、このような構成の表面形状測定装置および表面形状測定方法は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００３３】
しかも、周期的に周波数が変化する光を複数の測定光に分け、これら測定光間に光路差を設けて複数の測定点にそれぞれ照射することにより照射時において各測定光間に周波数差を生じさせ、その反射光同士を光干渉させるいわゆる自己遅延型の光ヘテロダイン干渉方式を用いているため、光源の小型化等を図ると共に光源の選択の自由度を向上させることが可能となる。即ち、通常の光ヘテロダイン干渉方式（周波数が一定の光を２つの測定光に分け、一方の測定光を周波数変調して２つの測定光間に僅かな周波数差を設ける方式）では、光源として例えば、ガスレーザー等の発振周波数が極めて安定したレーザー発振器と光変調素子とを用いなければならないため、光源の選択の自由度が小さく且つ小型化が困難であるが、本発明のようないわゆる自己遅延型の光へテロダイン干渉方式では、例えば、半導体レーザ等を用いることが可能となるため、光源の小型化、光源寿命の向上等を図ることが可能となる。
【００３４】
尚、前記所定の光路差は、具体的には、前記特定の導光部から得られた反射光と前記他の導光部から得られた反射光とを光干渉させるためにこれら一対の反射光と対応する測定光間に設けられる周波数の差に基づくものである。これにより、反射光同士を光干渉させて生じたビートから測定対象物の表面形状に関する情報を好適に抽出することができる。
【００３５】
また、他の一態様では、前記測定点が測定対象物の表面において一列に３つ以上並び、上述の表面形状測定装置では、前記複数の光干渉部が、前記一列に並ぶ各測定点でそれぞれ反射される複数の反射光における一対の反射光を光干渉させ、前記各導光部では、前記一列の一端に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部から前記一列の他端側に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部に向けて光路長が順に前記所定の光路差だけ長くなることを特徴とする。尚、測定点が並ぶ列は直線に沿って並ぶ列に限定されず、曲線等に沿って並ぶ列であってもよい。
【００３６】
このような構成の表面形状測定装置では、前記列方向に並ぶ測定点間の勾配をそれぞれ一度に測定することができるため、測定点の並ぶ方向に沿った表面形状を一度に測定することができる。その結果、測定対象物の表面形状の測定時間を短縮することが可能となる。
【００３７】
また、他の一態様では、前記測定点が測定対象物の表面において一列に３つ以上並び、上述の表面形状測定装置では、前記複数の光干渉部が、前記一列に並ぶ各測定点でそれぞれ反射される複数の反射光における一対の反射光を光干渉させ、前記各導光部では、前記一列の一端に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部から前記一列の他端側に位置する測定点に前記測定光を照射する導光部に向けて奇数番目又は偶数番目の導光部の光路長がそれぞれ同じであることを特徴とする。
【００３８】
このような構成の表面形状測定装置では、光へテロダイン干渉させる光同士の周波数差を測定対象物における測定点の並ぶ方向において変化させることが可能となる。例えば、奇数番目の導光部の光路長が全て同じである場合に、偶数番目の導光部の光路長を全て同じにすれば、互いに隣り合う測定点に測定光を照射する導光部間の光路差を全て同じにすることができ、これにより、互いに隣り合う測定点に照射される測定光間の周波数差が一定となる。一方、特定の偶数番目の導光部の光路長だけを、これを除く他の偶数番目の導光部の光路長と異なる大きさとすれば、この特定の偶数番目の導光部が測定光を照射する測定点とその隣の測定点とに照射される測定光間の周波数差を、他の隣り合う測定点に照射される測定光間の周波数差と異なる値にすることができる。
【００３９】
また、他の一態様の上述の表面形状測定装置では、前記他の導光部は、前記一組の導光部のうちの特定の導光部以外の全ての導光部であることを特徴とする。
【００４０】
このような構成の表面形状測定装置では、特定の導光部からの測定光が照射される測定点を基準にして、この測定点と他の導光部からの測定光が照射される各測定点との間の勾配を一度に測定することができる。これにより、例えば、特定の導光部からの測定光が照射される測定点を中心にしてそれを囲むように他の導光部からの測定光が照射されるようにすれば、中心の測定点とその周りを囲む各測定点との間の勾配をそれぞれ一度に測定することができ、これにより、測定対象物の表面方向における所定範囲の表面形状を一度に測定することが可能となる。
【００４１】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光分割部と前記複数の導光部とは、基材に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子であることを特徴とする。
【００４２】
このような構成の表面形状測定装置は、共通の基材に光導波路部材を配設したいわゆる光導波路型光学素子によって前記１組の光干渉部を構成するので、空気のゆらぎを除去できて温度のゆらぎも低減することができ、干渉光をより安定的に得ることができる。しかも、分割後の測定光を複数の光ファイバで導光する場合に比べて、表面形状の測定結果が振動等によるノイズの影響を受け難くなる。
【００４３】
また、このような構成の表面形状測定装置は、光導波路型光学素子で前記１組の光干渉部を構成するので、前記１組の光干渉部を複数の光学素子を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。
【００４４】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光分割部の上流で前記光源部から放射された光の一部を参照光として分岐する参照光分岐部と、前記１組の光干渉部から出力される各干渉光と前記参照光とをそれぞれ混合させる参照光混合部とをさらに備え、前記検出部は、前記参照光混合部から出力される複数の参照光混合信号を位相検波して各位相間の位相差を検出する検波部と、前記検波部で検出された前記位相差に基づいて前記測定対象物の表面形状を演算する演算部とを有することを特徴とする。
【００４５】
光源部から放射される光には、周期的に周波数を変更することに起因する出力強度変化が含まれ、この出力強度変化は、測定結果に大きく影響を及ぼす。このような構成の表面形状測定装置では、参照光混合部によって干渉光と参照光とを混合することにより光源が放射する光に含まれる出力強度変化が検出され、これを用いて干渉光を補正しつつ測定対象物の表面形状が演算される。このため、このような構成の表面形状測定装置は、前記出力強度変化が測定結果に及ぼす影響を消去することができ、より高精度に測定対象物の表面形状を測定することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明にかかる表面形状測定装置および表面形状測定方法は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す表面形状測定装置における測定部の構成を示す図である。
【図３】図１に示す表面形状測定装置における測定部の他の構成を示す図である。
【図４】第２実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図５】図４に示す表面形状測定装置における測定光生成部の構成を示す図である。
【図６】図４に示す表面形状測定装置における測定部の構成を示す図である。
【図７】１つの測定箇所における複数の測定点の態様を説明するための図である。
【図８】第３実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図９】図８に示す表面形状測定装置における測定部の構成を示す図である。
【図１０】（Ａ）は光源への注入電流の時間変化を示し、（Ｂ）は図１０（Ａ）の注入電流に対する光源の発振周波数の時間変化を示す図である。
【図１１】自己遅延型光ヘテロダイン干渉において光干渉する２つの光の周波数差を説明するための図である。
【図１２】図８に示す表面形状測定装置における測定部の他の構成を示す図である。
【図１３】第４実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示す表面形状測定装置における測定部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
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。
【００４９】
実施形態にかかる表面形状測定装置は、光を放射する光源部と、測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、前記光源部から放射された光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割部と、前記光分割部で分けられた前記複数の測定光を前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ照射させ前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉部と、前記複数の光干渉部から出力される複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出部とを備え、前記複数の光干渉部における少なくとも１組の光干渉部は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させるものである。そして、この表面形状測定装置に実装される表面形状測定方法は、測定対象物における３つ以上の複数の測定点に測定光をそれぞれ照射するべく、光源部で放射された光を３つ以上の複数の測定光に分ける光分割工程と、前記光分割工程で分けられた前記複数の測定光を前記測定対象物における前記複数の測定点にそれぞれ照射させ前記複数の測定点でそれぞれ反射された複数の反射光における一対の反射光を光干渉させる複数の光干渉工程と、前記複数の光干渉工程で得られた複数の干渉光に基づいて前記測定対象物の表面形状を求める検出工程とを備え、前記複数の光干渉工程における少なくとも１組の光干渉工程は、互いに共通な反射光を用いて前記光干渉させるものである。以下、このような表面形状測定装置および該方法をより具体的に説明する。
【００５０】
（第１実施形態）
第１実施形態における表面形状測定装置は、前記光源部、前記光分割部および前記光干渉部が光ホモダイン干渉計を構成しているものである。
【００５１】
図１は、第１実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。図２は、図１に示す表面形状測定装置における測定部の構成を示す図である。図３は、図１に示す表面形状測定装置における測定部の他の構成を示す図である。
【００５２】
第１実施形態の表面形状測定装置ＳＡは、測定対象物Ｏｂにおける高さ方向（厚さ方向）の変化である表面形状を測定する装置であり、例えば、図１に示すように、測定光生成部１Ａと、測定部２Ａと、位相差検出部３Ａと、ステージ（載置台）４と、演算制御部５と、入力部６と、出力部７とを備えて構成され、ステージ４によって測定対象物Ｏｂを水平方向に移動させることによって測定対象物Ｏｂの表面を走査し、所定範囲に亘る測定対象物Ｏｂの表面形状を測定するものである。
【００５３】
測定光生成部１Ａは、所定の可干渉光であって、測定対象物Ｏｂの表面形状を光ホモダイン干渉法によって測定するための測定光ＭＬを生成する装置である。測定光ＭＬは、予め設定された所定の波長λ（周波数ｆ）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。このような測定光生成部１Ａは、例えば、図１に示すように、光源部１Ａａと、光アイソレータ１Ａｂと、偏光子１Ａｃと、出力端子１Ａｄとを備えて構成される。
【００５４】
光源部１Ａａは、光Ｌを放射する装置であり、例えば、単波長レーザを備えて構成される。この単波長レーザは、予め設定された所定の波長λ０（周波数ｆ０）を持つ単波長レーザ光Ｌ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Ｌ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１Ａｂ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１Ａｂは、光源部１Ａａにおける前記単波長レーザのレーザ発振を安定させるために、表面形状測定装置ＳＡ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）が前記単波長レーザに入射することを防止するものである。偏光子（polarizer）１Ａｃ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（光学素子）であり、例えば、偏光フィルタである。出力端子１Ａｄは、光部品から光を射出するための端子である。これに対し、後述の入力端子２Ａａ（２Ｂａ）は、光部品へ光を入射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個別の光部品（光学素子）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、シングルモード光ファイバおよび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。
【００５５】
このような構成の測定光生成部１Ａでは、光源部１Ａａの単波長レーザから射出されたレーザ光Ｌは、光アイソレータ１Ａｂを介して偏光子１Ａｃに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光（ｓ偏光のレーザ光またはｐ偏光のレーザ光）の測定光ＭＬとなって、出力端子１Ａｄから射出される。この測定光ＭＬは、測定部２Ａに入射される。
【００５６】
測定光生成部１Ａと測定部２Ａとの接続には、本実施形態では、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や単一モードで光を導光するシングルモード光ファイバ等の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。測定光生成部１Ａの出力端子１Ａｄから射出した測定光ＭＬは、この光ファイバによって導光され、測定部２Ａへ入射する。
【００５７】
測定部２Ａは、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬが入射され、測定光ＭＬを用いた光ホモダイン干渉法によって測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号を得る装置である。このような測定部２Ａは、１つの測定箇所ＭＰに対する１回の測定光ＭＬの照射による測定において、測定対象物Ｏｂにおける３つ以上の複数の測定点Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎ）に測定光ＭＬ（ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎ）をそれぞれ照射するべく、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬを３つ以上の複数の測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎに分ける光分割部と、この光分割部で分けられた複数の測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎを測定対象物Ｏｂにおける複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎにそれぞれ照射させこれら複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎでそれぞれ反射された複数の反射光ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３、・・・、ＲＬｎ）における一対の反射光ＲＬを光干渉させる複数の光干渉部とを備え、これら複数の光干渉部における少なくとも１組の光干渉部は、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光干渉させるように構成されている。
【００５８】
より具体的には、測定部２Ａは、例えば、図２に示すように、入力端子２Ａａと、入力側導波路２Ａｂと、回折格子２Ａｃと、対物レンズ２Ａｄと、ハーフミラ２Ａｅと、集光レンズ２Ａｆと、出力側導波路２Ａｇと、出力端子２Ａｈとを備えて構成され、これら入力側導波路２Ａｂおよび出力側導波路２Ａｇは、基材２Ａｉに屈折率の異なる光導波路を形成することによって設けられている。
【００５９】
基材２Ａｉは、所定の屈折率を持つ材料から形成された板状の部材（基板）であり、外周面の所定の各位置に入力端子２Ａａおよび出力端子２Ａｈが配設されている。図２に示す例では、基材２Ａｉは、略直方体形状であり、その上面上に入力端子２Ａａおよび出力端子２Ａｈが配設されている。この入力端子２Ａａには、測定光生成部１Ａから延びる前記光ファイバが接続される。
【００６０】
そして、基材２Ａｉには、基材２Ａｉにおける入力端子２Ａａが配設されている位置から延びる入力側導波路２Ａｂが、基材２Ａｉにおける前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）に大きくすることによって形成されている。この入力側導波路２Ａｂは、入力端子２Ａａを介してその一方端（入射端）から入射された、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬを導光するものであり、その他方端（射出端）には、回折格子２Ａｃが配設されている。入力側導波路２Ａｂは、図２に示す例では、基材２Ａｉの上面における入力端子２Ａａが配設されている位置から、基材２Ａｉの一方側面に沿って下面に向い、所定の位置で略弧によって約９０度曲がって前記下面に沿うように延びる略Ｌ字形状である。
【００６１】
回折格子２Ａｃは、入射光を回折する光部品であり、その射出側には、順に、対物レンズ２Ａｄおよびハーフミラ２Ａｅが配設されている。回折格子２Ａｃ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。ハーフミラ２Ａｅ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り、この分配された一方の光は、ハーフミラ２Ａｅ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２Ａｅで反射されて前記方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００６２】
これら入力側導波路２Ａｂ、回折格子２Ａｃおよび対物レンズ２Ａｄは、互いにその光軸が一致するように配置されており、ハーフミラ２Ａｅは、この光軸に対し鏡面が４５度の角度で交差するように配設されている。
【００６３】
このような構成の入力端子２Ａａ、入力側導波路２Ａｂ、回折格子２Ａｃ、対物レンズ２Ａｄおよびハーフミラ２Ａｅでは、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬは、前記光ファイバから入力端子２Ａａを介して入力側導波路２Ａｂに入射される。この入力側導波路２Ａｂに入射された測定光ＭＬは、入力側導波路２Ａｂ内を伝播し、入力側導波路２Ａｂによって導光され、回折格子２Ａｃに入射される。この回折格子２Ａｃに入射された測定光は、回折格子２Ａｃによって回折され、複数の回折光（測定光ＭＬ）に分けられ、対物レンズ２Ａｄに入射される。本実施形態では、１つの測定箇所ＭＰに対する１回の測定光ＭＬの照射による測定において、測定対象物Ｏｂにおける３つの測定点Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）に測定光ＭＬをそれぞれ照射するべく、これら複数の回折光のうちの３つの回折光が測定光ＭＬ（ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３）として利用される。このように用いられる３つの回折光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３には、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。対物レンズ２Ａｄに入射した３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、そのレンズ作用を受け、ハーフミラ２Ａｅに入射し、このハーフミラ２Ａｅで反射され、その光路が９０度折り曲げられて射出される。ここで、対物レンズ２Ａｄは、ハーフミラ２Ａｅで光路が９０度折り曲げられて射出された３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３が互いに平行な平行光となるようなレンズ作用を持つように構成される。
【００６４】
そして、ハーフミラ２Ａｅから射出された３つの平行な測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、測定部２Ａから射出され、測定対象物Ｏｂの表面での１つの測定箇所ＭＰにおける３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれ照射され、反射される。この測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、測定部２Ａに入射され、ハーフミラ２Ａｅを介して集光レンズ２Ａｆに入射される。
【００６５】
集光レンズ２Ａｆは、その光軸が前記入力側導波路２Ａｂ、回折格子２Ａｃおよび対物レンズの光軸と直交するように、かつ、ハーフミラ２Ａｅの鏡面と−４５度（１３５度、鏡面を基準に反時計回り方向を正方向とした場合）の角度で交差するように配設されている。集光レンズ２Ａｆは、前記３つの反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、反射光ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の個数に対応した個数のレンズを備えて構成され、その射出側には、出力側導波路２Ａｇが、基材２Ａｉの前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）に大きくすることによって形成されている。
【００６６】
出力側導波路２Ａｇは、集光レンズ２Ａｆから入射された各反射光ＲＬ（図２に示す例では、ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）をそれぞれ導光し、複数の反射光ＲＬにおける一対の反射光ＲＬを光干渉させ、複数の干渉光ＩＬを導光するものである。ここで、本実施形態では、複数の干渉光ＩＬのうちの少なくとも１組の干渉光ＩＬは、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光干渉させることによって生成されている。より具体的には、出力側導波路２Ａｇは、大略、基材２Ａｉの他方側面に沿って形成されており、集光レンズ２Ａｆにおける、３つの反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３に対応した３つレンズの射出側からそれぞれ延びる３つの導波路部２Ａｇ−１、２Ａｇ−２、２Ａｇ−３と、中央の導波路部２Ａｇ−２を２つに分岐する分岐部２Ａｇ−４と、分岐部２Ａｇ−４で分岐した一方の導波路部と前記導波路部２Ａｇ−１とを合流する合流部２Ａｇ−５と、分岐部２Ａｇ−４で分岐した他方の導波路部と前記導波路部２Ａｇ−３とを合流する合流部２Ａｇ−６と、合流部２Ａｇ−５から延びて出力端子２Ａｈに至る導波路部２Ａｇ−７と、合流部２Ａｇ−６から延びて出力端子２Ａｈに至る導波路部２Ａｇ−８とを備えて構成されている。
【００６７】
このような構成のハーフミラ２Ａｅ、集光レンズ２Ａｆ、出力側導波路２Ａｇおよび出力端子２Ａｈでは、図２に示す例では、測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、測定部２Ａに入射され、ハーフミラ２Ａｅを介して集光レンズ２Ａｆの前記各レンズにそれぞれ入射される。集光レンズ２Ａｆの前記各レンズは、各反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３をそれぞれ導波路部２Ａｇにおける３つの導波路部２Ａｇ−１、２Ａｇ−２、２Ａｇ−３へ入射させる。すなわち、集光レンズ２Ａｆの前記各レンズは、出力側導波路２Ａｇにおける３つの導波路部２Ａｇ−１、２Ａｇ−２、２Ａｇ−３に対する導波路カップリング用である。中央の導波路部２Ａｇ−２に入射された反射光ＲＬ２は、導波路部２Ａｇ−２内を伝播し、導波路部２Ａｇ−２によって導光され、分岐部２Ａｇ−４で分配される。分岐部２Ａｇ−４で分配された一方の反射光ＲＬ２（ＲＬ２−１）は、合流部２Ａｇ−５に導光され、その他方の反射光ＲＬ２（ＲＬ２−２）は、合流部２Ａｇ−６に導光される。また、導波路部２Ａｇ−１に入射された反射光ＲＬ１は、導波路部２Ａｇ−１内を伝播し、導波路部２Ａｇ−１によって導光され、合流部２Ａｇ−５に導光される。そして、導波路部２Ａｇ−３に入射された反射光ＲＬ３は、導波路部２Ａｇ−３内を伝播し、導波路部２Ａｇ−３によって導光され、合流部２Ａｇ−６に導光される。合流部２Ａｇ−５では、上述のように導光された反射光ＲＬ２と反射光ＲＬ１とが合波され、光ホモダイン干渉されて第１干渉光ＩＬ１（＝ＲＬ１＋ＲＬ２）が生成される。この第１干渉光ＩＬ１は、合流部２Ａｇ−５から導波路部２Ａｇ−７に導光され、導波路部２Ａｇ−７内を伝播し、導波路部２Ａｇ−７によって導光され、出力端子２Ａｈに入射される。そして、合流部２Ａｇ−６では、上述のように導光された反射光ＲＬ２と反射光ＲＬ３とが合波され、光ホモダイン干渉されて第２干渉光ＩＬ２（＝ＲＬ２＋ＲＬ３）が生成される。この第２干渉光ＩＬ２は、合流部２Ａｇ−６から導波路部２Ａｇ−８に導光され、導波路部２Ａｇ−８内を伝播し、導波路部２Ａｇ−８によって導光され、出力端子２Ａｈに入射される。これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号である。そして、これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、出力端子２Ａｈを介して測定部２Ａから位相検波部３Ａへ入射される。
【００６８】
また、測定部２Ａに代え、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬが入射され、測定光ＭＬを用いた光ホモダイン干渉法によって測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号を得る装置である測定部２Ｂが用いられてもよい。
【００６９】
より具体的には、測定部２Ｂは、例えば、図３に示すように、入力端子２Ｂａと、入力側導波路２Ｂｂと、対物レンズ２Ｂｃと、ハーフミラ２Ａｅと、集光レンズ２Ｂｅと、出力側導波路２Ｂｆと、出力端子２Ｂｇとを備えて構成され、これら入力側導波路２Ｂｂおよび出力側導波路２Ｂｆは、基材２Ｂｈに屈折率の異なる光導波路を形成することによって設けられている。
【００７０】
基材２Ｂｈは、基材２Ａｉと同様であり、所定の屈折率を持つ材料から形成された略直方体形状の板状の部材（基板）であり、外周面、例えばその上面上の所定の各位置に入力端子２Ｂａおよび出力端子２Ａｇが配設されている。この入力端子２Ｂａには、測定光生成部１Ａから延びる前記光ファイバが接続される。
【００７１】
そして、基材２Ｂｈには、基材２Ｂｈにおける入力端子２Ｂａが配設されている位置から延びる入力側導波路２Ｂｂが、基材２Ｂｈにおける前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）に大きくすることによって形成されている。この入力側導波路２Ｂｈは、入力端子２Ｂａを介してその一方端から入射された、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬを導光するとともに、１つの測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐのそれぞれに測定光ＭＬをそれぞれ照射するべく、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬを複数の測定光ＭＬに分岐するものであり、その他方端には、集光レンズ２Ｂｃが配設されている。より具体的には、入力側導波路２Ｂｂは、図３に示す例では、基材２Ｂｈの上面における入力端子２Ｂａが配設されている位置から、基材２Ｂｈの一方側面に沿って下面に向い、所定の位置で略弧によって約９０度曲がるように延びる形状である導波路部２Ｂｂ−１と、導波路部２Ｂｂ−１を３つに分岐する分岐部２Ｂｂ−２と、分岐部２Ｂｂ−２で分岐した３つの導波路部２Ｂｂ−３、２Ｂｂ−４、２Ｂｂ−５とを備えて構成されている。これら３つの導波路部２Ｂｂ−３、２Ｂｂ−４、２Ｂｂ−５は、射出端で各光軸が互いに平行となるように、かつ、前記下面に沿って分岐部２Ｂｂ−２から集光レンズ２Ｂｃに至るように延びる形状である。分岐部２Ｂｂ−２で両側にそれぞれ分岐した導波路部２Ｂｂ−３および導波路部２Ｂｂ−５は、導波路部２Ｂｂ−３および導波路部２Ｂｂ−５の延びる方向（基材２Ｂｈの面）に対して直交する方向（基材２Ｂｈの面の法線方向）から平面視した場合に、中央の導波路部２Ｂｂ−４を対称軸とした線対称となるように形成されている。そして、その中央の導波路部２Ｂｂ−４は、分岐部２Ｂｂ−２から集光レンズ２Ｂｃに至るまでの光学的距離（光路長）がこれら導波路部２Ｂｂ−３〜２Ｂｂ−５において互いに等しくなるように、基材２Ｂｈの面内において導波路部２Ｂｂ−３および導波路部２Ｂｂ−５の延びる方向に対して直交する方向に湾曲（屈曲）する光路冗長部ＣＶ１を有している。
【００７２】
対物レンズ２Ｂｃは、入力側導波路２Ｂｂで導光され分岐された複数の測定光ＭＬのそれぞれにレンズ作用を与えるべく、複数の測定光ＭＬの個数に対応した個数のレンズを備えて構成され、その射出側には、ハーフミラ２Ｂｄが配設されている。図３に示す例では、対物レンズ２Ｂｃは、入力側導波路２Ｂｂの分岐部２Ｂｂ−２で分岐され、前記３つの導波路部２Ｂｂ−３〜２Ｂｂ−５から射出された各測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＲＬ３のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、３つのレンズを備えて構成されている。対物レンズ２Ｂｃの各レンズは、入力側導波路２Ｂｂから射出された各測定光ＭＬを集光し、これら集光した各測定光ＭＬをハーフミラ２Ｂｄに入射させる。
【００７３】
ハーフミラ２Ｂｄは、ハーブミラ２Ａｅと同様であり、分配された一方の光は、ハーフミラ２Ｂｄを通過してそのままの方向で射出され、分配された他方の光は、ハーフミラ２Ｂｄで反射されて前記方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００７４】
これら入力側導波路２Ｂｂおよび対物レンズ２Ｂｃは、互いにその光軸が一致するように配置されている。すなわち、入力側導波路２Ｂｂにおける各導波路部２Ｂｂ−３〜２Ｂｂ−５の各光軸は、それぞれ、対物レンズ２Ｂｃにおける各レンズの各光軸と一致している。そして、ハーフミラ２Ｂｄは、この光軸に対し鏡面が４５度の角度で交差するように配設されている。
【００７５】
このような構成の入力端子２Ｂａ、入力側導波路２Ｂｂ、対物レンズ２Ｂｃおよびハーフミラ２Ｂｄでは、測定光生成部１Ａからの測定光ＭＬは、前記光ファイバから入力端子２Ｂａを介して入力側導波路２Ｂｂに入射される。この入力側導波路２Ｂｂに入射された測定光ＭＬは、入力側導波路２Ｂｂ内を伝播し、入力側導波路２Ａｂによって導光されるとともに複数に分割され、対物レンズ２Ｂｃに入射される。より具体的には、この入力側導波路２Ｂｂに入射された測定光ＭＬは、導波路部２Ｂｂ−１によって導光され、分岐部２Ｂｂ−２で複数に、図３に示す例では、１つの測定箇所ＭＰに対する１回の測定光ＭＬの照射による測定において、測定対象物Ｏｂにおける３つの測定点Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）に測定光ＭＬをそれぞれ照射するべく、３つに分岐され、これら３つに分岐された各測定光は、導波路部２Ｂｂ−３〜２Ｂｂ−５のそれぞれによって導光され、対物レンズ２Ｂｃの前記各レンズにそれぞれ入射される。ここで、上述したように、両側に位置する導波路部２Ｂｂ−３と導波路部２Ｂｂ−５とは、中央に位置する導波路部２Ｂｂ−４を対象中心として互いに線対称であって、この中央の導波路部２Ｂｂ−４は、光路冗長部ＣＶＩを有し、これら導波路部２Ｂｂ−３〜２Ｂｂ−５のそれぞれは、互いに光路長が等しいので、これら導波路部２Ｂｂ−３〜２Ｂｂ−５のそれぞれを伝播した３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、互いに同位相で対物レンズ２Ｂｃの各レンズに入射される。対物レンズ２Ｂｃに入射した３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、そのレンズ作用を受けて集光し、互いに平行光となってハーフミラ２Ｂｄに入射し、このハーフミラ２Ｂｄで反射され、その光路が９０度折り曲げられて射出される。
【００７６】
そして、ハーフミラ２Ｂｄから射出された３つの平行な測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、測定部２Ｂから射出され、測定対象物Ｏｂの表面での１つの測定箇所ＭＰにおける３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれ照射され、反射される。この測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、測定部２Ｂに入射され、ハーフミラ２Ｂｄを介して集光レンズ２Ｂｅに入射される。
【００７７】
集光レンズ２Ｂｅは、集光レンズ２Ａｆと同様に構成されており、そして、出力側導波路２Ｂｆも出力側導波路２Ａｇと同様に構成されている。
【００７８】
したがって、このような構成のハーフミラ２Ｂｄ、集光レンズ２Ｂｅ、出力側導波路２Ｂｆおよび出力端子２Ｂｇでは、図３に示す例では、測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、測定部２Ｂに入射され、ハーフミラ２Ｂｄを介して集光レンズ２Ｂｅの前記各レンズにそれぞれ入射される。集光レンズ２Ｂｅの前記各レンズは、導波路カップリング用であり、各反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３をそれぞれ導波路部２Ｂｆにおける３つの導波路部２Ｂｆ−１、２Ｂｆ−２、２Ｂｆ−３へ入射させる。中央の導波路部２Ｂｆ−２に入射された反射光ＲＬ２は、導波路部２Ｂｆ−２内を伝播し、導波路部２Ｂｆ−２によって導光され、分岐部２Ｂｆ−４で分配される。分岐部２Ｂｆ−４で分配された一方の反射光ＲＬ２（ＲＬ２−１）は、合流部２Ｂｆ−５に導光され、その他方の反射光ＲＬ２（ＲＬ２−２）は、合流部２Ｂｆ−６に導光される。また、導波路部２Ｂｆ−１に入射された反射光ＲＬ１は、導波路部２Ｂｆ−１内を伝播し、導波路部２Ｂｆ−１によって導光され、合流部２Ｂｆ−５に導光される。そして、導波路部２Ｂｆ−３に入射された反射光ＲＬ３は、導波路部２Ｂｆ−３内を伝播し、導波路部２Ｂｆ−３によって導光され、合流部２Ｂｆ−６に導光される。合流部２Ｂｆ−５では、上述のように導光された反射光ＲＬ２と反射光ＲＬ１とが合波され、光ホモダイン干渉されて第１干渉光ＩＬ１（＝ＲＬ１＋ＲＬ２）が生成される。この第１干渉光ＩＬ１は、合流部２Ｂｆ−５から導波路部２Ｂｆ−７に導光され、導波路部２Ｂｆ−７内を伝播し、導波路部２Ｂｆ−７によって導光され、出力端子２Ｂｇに入射される。そして、合流部２Ｂｆ−６では、上述のように導光された反射光ＲＬ２と反射光ＲＬ３とが合波され、光ホモダイン干渉されて第２干渉光ＩＬ２（＝ＲＬ２＋ＲＬ３）が生成される。この第２干渉光ＩＬ２は、合流部２Ｂｆ−６から導波路部２Ｂｆ−８に導光され、導波路部２Ｂｆ−８内を伝播し、導波路部２Ｂｆ−８によって導光され、出力端子２Ｂｇに入射される。これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号である。そして、これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、出力端子２Ｂｇを介して測定部２Ｂから位相検波部３Ａへ入射される。
【００７９】
図１に戻って、本実施形態では、測定部２Ａ（２Ｂ）と位相差検出部３Ａ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。すなわち、本実施形態では、測定部２Ａ（２Ｂ）から射出された複数の干渉光ＩＬ、図２および図３に示す例では第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、マルチモード光ファイバによって導光され、位相差検出部３Ａへ入射する。
【００８０】
位相差検出部３Ａは、測定部２Ａ（２Ｂ）から射出した複数の干渉光ＩＬであって、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光ホモダイン干渉することによって得られた組の干渉光ＩＬに基づいて、これら組における複数の干渉光ＩＬ間における位相差△Φを検出するものである。そして、位相差検出部３Ａは、この検出した位相差△Φを演算制御部５へ出力する。より具体的には、位相差検出部３Ａは、図１に示すように、光電変換部３Ａａ（３Ａａ１、３Ａａ２）と、位相差検出器３Ａｂとを備えて構成される。
【００８１】
光電変換部３Ａａは、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。光電変換部３Ａａは、測定部２Ａ（２Ｂ）によって得られる干渉光ＩＬの個数に応じて用意され、測定部２Ａ（２Ｂ）からの複数の干渉光ＩＬ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干渉信号Ｓｉｇとして出力するものである。本実施形態では、前記干渉光ＩＬは、２つであることから、２個の光電変換部３Ａａ１、３Ａａ２が用意される。各光電変換部３Ａａ１、３Ａａ２のそれぞれは、測定部２Ａ（２Ｂ）の出力端子２Ａｈ（２Ｂｇ）から射出された２つの第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２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、これら各干渉光ＩＬ１、ＩＬ２の各光量に応じて第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２をそれぞれ位相差検出器３Ａｂへ出力する。
【００８２】
位相差検出器３Ａｂは、光電変換部３Ａａから複数の干渉信号Ｓｉｇが入力され、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光ホモダイン干渉することによって得られた組の干渉光ＩＬに関し、複数の干渉信号Ｓｉｇ間の位相差△Φを検出する装置である。図１に示す例では、位相差検出器３Ａｂは、光電変換部３Ａａ１、３Ａａ２から第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２が入力され、これら第１干渉信号Ｓｉｇ１と第２干渉信号Ｓｉｇ２との間における位相差△Φを検出する。そして、位相差検出器３Ａｂは、この検出した位相差△Φを演算制御部５へ出力する。
【００８３】
ステージ４は、演算制御部５の制御に従って、測定対象物Ｏｂの厚さ方向（高さ方向）に直交する水平方向に測定対象物Ｏｂを移動する装置である。ステージ４は、いわゆるＸ軸方向およびＹ軸方向に測定対象物Ｏｂを移動することができるＸＹステージであってもよく、また、ステージ４は、測定対象物Ｏｂを回転移動することができるとともに、前記回転における径方向にも移動することができる回転ステージであってもよい。測定対象物Ｏｂは、表面を有する任意の部材であってよく、例えば、アルミ板材、鉄材および鋼材等の金属材料や半導体ウェハ等である。前記ＸＹステージは、例えば、矩形形状の板状部材の測定に好適であり、前記回転ステージは、例えば、円形形状の板状部材に好適である。
【００８４】
演算制御部５は、表面形状測定装置ＳＡの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、表面形状測定装置ＳＡ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測定対象物Ｏｂの表面形状を位相差検出部３Ａの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５は、機能的に、形状算出部５１と、ステージ制御部５２と、光源制御部５３とを備えている。
【００８５】
ステージ制御部５２は、測定対象物Ｏｂの表面を走査するべく、測定対象物Ｏｂにおける複数の測定箇所ＭＰ（１つの測定箇所ＭＰに対し少なくとも３つ以上の測定点Ｐｎ）を測定するために、測定対象物Ｏｂ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４の動作を制御するものである。ここで、測定対象物Ｏｂの水平方向の移動は、後述するように、各測定箇所ＭＰの各測定結果を順次に連結することによって測定対象物Ｏｂの表面形状を求めていることから、一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐにおける測定点Ｐと、走査によってこの一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐの次に測定される測定箇所ＭＰｎｅｘｔにおける測定点Ｐとは、少なくとも１つの測定点Ｐで重複するように、ステージ制御部５２は、ステージ４の動作を制御する。例えば、ステージ制御部５２は、一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐにおける測定点Ｐ３と、走査によってこの一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐの次に測定される測定箇所ＭＰｎｅｘｔにおける測定点Ｐ１とが互いに重複するように、ステージ４の動作を制御する。光源制御部５３は、光源部１Ａの動作を制御するものである。
【００８６】
形状算出部５１は、測定部２Ａ（２Ｂ）によって生成された複数の干渉光ＩＬを位相差検出部３Ａで検出した位相差△Φに基づいて、測定対象物Ｏｂの表面形状を求めるものである。干渉光ＩＬは、２つの測定点Ｐ間における高さ方向（厚さ方向）の差の情報を含む。すなわち、２つの測定点Ｐ間における高さ方向に差があると、測定部２Ａ（２Ｂ）と測定対象物Ｏｂとの間における距離（光路長）がそれぞれ異なることとなり、同一位相の各測定光がこのような互いに距離の異なる光路をそれぞれ伝播して再び干渉すると、その干渉光ＩＬには、各光路間の距離の差（２×（高さ方向の差））に応じた各測定光の位相差に関する成分が含まれる。したがって、この干渉光ＩＬを光電変換することによって得られた干渉信号Ｓｉｇは、２つの測定点Ｐ間における高さ方向（厚さ方向）の差の情報を含んでいる。このため、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光ホモダイン干渉することによって得られた組の各干渉光に対応する各干渉信号Ｓｉｇは、互いに共通な反射光ＲＬに対応する測定点Ｐ、および、これと光ホモダイン干渉させられた各反射光ＲＬに対応する各測定点における勾配情報を含む。図１に示す例では、第１干渉光ＩＬ１は、測定点Ｐ１と測定点Ｐ２との間における高さ方向の差Ｈ１の情報を含み、第２干渉光ＩＬ２は、測定点Ｐ２と測定点Ｐ３との間における高さ方向の差Ｈ２の情報を含む。そして、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光ホモダイン干渉することによって得られた組の第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２に対応する第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２は、互いに共通な反射光ＲＬ２に対応する測定点Ｐ２、および、これと光ホモダイン干渉させられた各反射光ＲＬ１、ＲＬ３に対応する各測定点Ｐ１、Ｐ３における勾配情報を含む。このように本実施形態では、１つの測定箇所ＭＰにおける３つの各測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３について、その勾配情報が得られる。このため、より具体的には、形状算出部５１は、測定箇所ＭＰ（図１に示す例では３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）における勾配Ｇｒを、Ｇｒ＝（△Φ×（λ／２）／（２π））／（２つの測定点Ｐ間の距離）によって求める。そして、形状算出部５１は、走査することによって得られた各測定箇所ＭＰｎの各勾配Ｇｒを走査順に従って順次に連結することによって、測定対象物Ｏｂの表面形状を求める。
【００８７】
入力部６は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや測定対象物Ｏｂ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）、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６および出力部７は、演算制御部５に接続される。
【００８８】
次に、本実施形態における表面形状測定装置ＳＡの動作について説明する。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎは、説明の便宜上、図１に示す場合を例として、３個である場合について説明を行う。
【００８９】
図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置ＳＡが起動され、演算制御部５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測定対象物Ｏｂ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５は、測定対象物Ｏｂの表面形状の測定を開始する。
【００９０】
まず、演算制御部５の光源制御部５３は、測定光生成部１Ａを駆動し、単波長レーザ光源１Ａａに所定のレーザ光を発光させる。この単波長レーザ光源１Ａａ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、測定光ＭＬが測定光生成部１Ａの出力端子１Ａｄから射出される。
【００９１】
続いて、この測定光生成部１Ａの出力端子１Ａｄから射出された測定光ＭＬは、前記光ファイバを伝播し、測定部２Ａ（２Ｂ）に入射される。この測定部２Ａ（２Ｂ）では、この入射された測定光ＭＬから上述した光学系の作用によって第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２が生成され、出力端子２Ａｈ（２Ｂｇ）から射出される。続いて、この測定部２Ａ（２Ｂ）の出力端子２Ａｈ（２Ｂｇ）から射出された第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、前記マルチモード光ファイバを伝播し、位相差検出部３Ａに入射される。この位相差検出部３Ａでは、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光ホモダイン干渉することによって得られた組について、これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２に基づいて第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２間の位相差△Φが検出される。
【００９２】
そして、この測定部２Ａ（２Ｂ）および位相差検出部３Ａがこのような動作を行っている際に、演算制御部５のステージ制御部５２は、ステージ４を制御することによって、測定対象物Ｏｂをその高さ方向に直交する水平方向に移動させる。例えば、演算制御部５のステージ制御部５２は、測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎ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つの測定点Ｐｎ−１、Ｐｎの間隔が等しくなるように、かつ、上述したように、一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐにおける測定点Ｐ３と、走査（移動）によってこの一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐの次に測定される測定箇所ＭＰｎｅｘｔにおける測定点Ｐ１とが重複するように、ステージ４を移動させる。
【００９３】
続いて、これら各測定箇所ＭＰｍの各位相差△Φｍが取得されると、演算制御部５の形状算出部５１は、上述したように、各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを求め、走査順に従ってこれら各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを連結することによって、測定対象物Ｏｂの表面形状を求める。
【００９４】
続いて、演算制御部５は、この求めた測定対象物Ｏｂの表面形状を出力部７に出力し、出力部７は、測定対象物Ｏｂの表面形状を表示する。
【００９５】
このように動作することによって本実施形態における表面形状測定装置ＳＡおよびこれに実装された表面形状測定方法では、光ホモダイン干渉計による方法であるので、比較的短時間であってｎｍオーダで、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。そして、このような構成の表面形状測定装置ＳＡおよび表面形状測定方法では、測定対象物Ｏｂにおける３つ以上の複数の測定点Ｐ、図１に示す例では１つの測定箇所ＭＰにおける３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で反射された３つの反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３を光ホモダイン干渉させる際に、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光干渉させる場合を含むので、測定対象物Ｏｂの表面における勾配情報を表す位相情報を持った第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２が得られる。このため、例えば、測定対象物Ｏｂを載置するステージ４における上下動による振動、測定光学系における保持ゆらぎによる振動および測定対象物Ｏｂ自体の振動等の振動が測定結果に及ぼす影響を相殺して略消去することができる。したがって、このような構成の表面形状測定装置ＳＡおよび表面形状測定方法は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。
【００９６】
また、上述の本実施形態における表面形状測定装置ＳＡは、測定光生成部１Ａおよび測定部２Ａ（２Ｂ）は、光ホモダイン干渉計を構成し、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光ホモダイン干渉させることで得られた第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２に基づいてこれら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２間の位相差△Φを検出する位相差検出部３Ａと、位相差検出部３Ａから出力される第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２間の位相差△Φに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を演算する演算制御部５とを備えている。このため、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＡは、光ホモダイン干渉計を備えるので、より簡素に当該表面形状測定装置ＳＡを製作することができる。
【００９７】
また、上述の本実施形態における表面形状測定装置ＳＡでは、測定部２Ａ（２Ｂ）は、光源部１Ａから射出された測定光ＭＬを例えば回折格子２Ａｃや分岐部２Ｂｂ−２の１つの光分岐手段で３つに分け、この分けられた第１の測定光ＭＬ１における反射光ＲＬ１とこの分けられた第２の測定光ＭＬ２における反射光ＲＬ２とを光ホモダイン干渉させ、この分けられた第２の測定光ＭＬ２における反射光ＲＬ２とこの分けられた第３の測定光ＭＬ３における反射光ＲＬ３とを光ホモダイン干渉させる。このため、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＡは、測定部２Ａ（２Ｂ）における１つの光分岐手段で光源部１Ａから放射された光を３つに分けるので、より簡素に当該表面形状測定装置ＳＡを製作することができる。そして、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＡは、前記光分岐手段を回折格子２Ａｃや光導波路型光分岐器である光分岐部２Ｂｂ−２で構成するので、前記光分岐手段を複数の光部品（光学素子）を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。このため、本実施形態における表面形状測定装置ＳＡでは、携帯型とすることも可能となる。
【００９８】
また、上述の本実施形態における表面形状測定装置ＳＡでは、測定部２Ａ（２Ｂ）は、基材２Ａｉ（２Ｂｈ）に屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子を含む。このため、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＡは、光導波路型光学素子を備えて測定部２Ａ（２Ｂ）を構成するので、空気のゆらぎを除去できて温度のゆらぎも低減することができ、干渉光ＩＬをより安定的に得ることができる。また、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＡは、光導波路型光学素子を備えて測定部２Ａ（２Ｂ）を構成するので、複数の光部品（光学素子）を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。このため、この点からも本実施形態における表面形状測定装置ＳＡでは、携帯型とすることも可能となる。
【００９９】
次に、別の実施形態について説明する。
【０１００】
（第２実施形態）
第１実施形態における表面形状測定装置ＳＡは、光ホモダイン干渉によって干渉光ＩＬを生成し、この干渉光ＩＬに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を測定する装置であるが、第２実施形態における表面形状測定装置ＳＢは、光ヘテロダイン干渉によって干渉光ＩＬを生成し、この干渉光ＩＬに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を測定する装置である。
【０１０１】
図４は、第２実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。図５は、図４に示す表面形状測定装置における測定光生成部の構成を示す図である。図６は、図４に示す表面形状測定装置における測定部の構成を示す図である。
【０１０２】
第２実施形態の表面形状測定装置ＳＢは、測定対象物Ｏｂにおける高さ方向（厚さ方向）の変化である表面形状を測定する装置であり、例えば、図４に示すように、測定光生成部１Ｂと、測定部２Ｃと、位相検波部３Ｂと、ステージ（載置台）４と、演算制御部５と、入力部６と、出力部７とを備えて構成され、ステージ４によって測定対象物Ｏｂを水平方向に移動させることによって測定対象物Ｏｂの表面を走査し、所定範囲に亘る測定対象物Ｏｂの表面形状を測定するものである。
【０１０３】
測定光生成部１Ｂは、所定の可干渉光であって、測定対象物Ｏｂ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ＭＬを生成する装置である。測定光ＭＬは、予め設定された所定の波長λ（周波数ｆ）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ＭＬは、測定対象物Ｏｂ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、互いに波長（周波数）の異なる２つの第１および第２測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２を備えている。このような測定光生成部１Ｂは、例えば、図５に示すように、光源部１Ｂａと、光アイソレータ１Ｂｂと、光分岐部１Ｂｃと、偏光子１Ｂｄ、１Ｂｇと、光波長シフタ１Ｂｅ、１Ｂｈ、２出力端子１Ｂｆ、１Ｂｉとを備えて構成される。
【０１０４】
光源部１Ｂａは、光Ｌを放射する装置であり、例えば、第１実施形態の光源部１Ａａと同様な単波長レーザを備えて構成される。光アイソレータ１Ｂｂは、第１実施形態の光アイソレータ１Ａｂと同様な光部品である。光分岐部１Ｂｃ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り、例えば、ハーフミラ（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１Ｂｃは、本実施形態では、ハーフミラが用いられている。偏光子１Ｂｄ、１Ｂｇは、第１実施形態の偏光子１Ａｃと同様な光部品である。光波長シフタ１Ｂｅ、１Ｂｈ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（acoustoopticmodulator）等が用いられる。出力端子１Ｂｆ、１Ｂｉは、光部品から光を射出するための端子であり、例えば、第１実施形態の出力端子１Ａｄと同様な、光ファイバを接続するためのコネクタである。
【０１０５】
光分岐部１Ｂｃで分岐される一方の光に関し、これら光源部１Ｂａ、光アイソレータ１Ｂｂ、光分岐部１Ｂｃ、偏光子１Ｂｄ、波長シフタ１Ｂｅおよび出力端子１Ｂｆは、互いに光軸を一致させて、光の伝播方向に従ってこの順で配設されるとともに、光分岐部１Ｂｃで分岐される他方の光に関し、これら光源部１Ｂａ、光アイソレータ１Ｂｂ、光分岐部１Ｂｃ、偏光子１Ｂｇ、波長シフタ１Ｂｈおよび出力端子１Ｂｉは、互いに光軸を一致させて、光の伝播方向に従ってこの順で配設される。
【０１０６】
このような測定光生成部１Ｂでは、光源部１Ｂａの単波長レーザから射出されたレーザ光Ｌは、光アイソレータ１Ｂｂを介して光分岐部１Ｂｃに入射され、第１および第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の２つに分配される。第１レーザ光Ｌ１は、偏光子１Ｂｄに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光（ｓ偏光のレーザ光またはｐ偏光のレーザ光）となって、波長シフタ１Ｂｅに入射される。この所定の偏光面を持つレーザ光は、光波長シフタ１Ｂｅによってその波長（周波数）がシフト（変更）され、所定の周波数ｆ１を持つ測定光ＭＬｆ１となって出力端子１Ｂｅから射出される。この測定光ＭＬｆ１は、測定部２Ｃに入射される。一方、第２レーザ光Ｌは、偏光子１Ｂｇに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光（ｓ偏光のレーザ光またはｐ偏光のレーザ光）となって、波長シフタ１Ｂｈに入射される。この所定の偏光面を持つレーザ光は、光波長シフタ１Ｂｈによってその波長（周波数）がシフト（変更）され、所定の周波数ｆ２（≠ｆ１）を持つ測定光ＭＬｆ２となって出力端子１Ｂｉから射出される。この測定光ＭＬｆ２は、測定部２Ｃに入射される。周波数変更後（波長シフト後）における測定光ＭＬｆ１の周波数ｆ１と測定光ＭＬｆ２の周波数ｆ２との周波数差△ｆは、特に限定されないが、光ヘテロダイン干渉法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。
【０１０７】
なお、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１から生成された所定の偏光面を持つ前記レーザ光および第２レーザ光Ｌ２から生成された所定の偏光面を持つ前記レーザ光のそれぞれを波長シフタ１Ｂｅ、１Ｂｈ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、測定光ＭＬｆ１の周波数ｆ１と測定光ＭＬｆ２の周波数ｆ２との間に、所定の周波数差△ｆが有ればよいので、測定光生成部１Ｂは、一方の前記レーザ光のみを波長シフトする構成であってもよい。
【０１０８】
測定光生成部１Ｂと測定部２Ｃとの接続には、第１実施形態における測定光生成部１Ａと測定部２Ａとの接続と同様に、光ファイバが用いられる。測定光生成部１Ｂの各出力端子１Ｂｆ、１Ｂｉから射出した測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２は、２本の光ファイバによってそれぞれ導光され、測定部２Ｃへ入射する。
【０１０９】
測定部２Ｃは、測定光生成部１Ｂからの各測定光ＭＬ（ＭＬｆ１、ＭＬｆ２）が入射され、これら測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号を得る装置である。このような測定部２Ｃは、１つの測定箇所ＭＰに対する１回の測定光ＭＬ（ＭＬｆ１、ＭＬｆ２）の照射による測定において、測定対象物Ｏｂにおける３つ以上の複数の測定点Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎ）に測定光ＭＬ（ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎ）をそれぞれ照射するべく、測定光生成部１Ｂからの測定光ＭＬを３つ以上の複数の測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎに分ける光分割部と、この光分割部で分けられた複数の測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎを測定対象物Ｏｂにおける複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎにそれぞれ照射させこれら複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎでそれぞれ反射された複数の反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３、・・・、ＲＬｎ）における一対の反射光ＲＬを光干渉させる複数の光干渉部とを備え、これら複数の光干渉部における少なくとも１組の光干渉部は、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光干渉させるように構成されている。
【０１１０】
ここで、本実施形態では、光干渉は、光ヘテロダイン干渉であるので、前記一対の反射光ＲＬは、互いに周波数の異なる２つの測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２が測定対象物Ｏｂの表面で反射した光である必要があり、さらに、本実施形態では、前記組の中では、互いに共通な反射光ＲＬが用いられる。したがって、この互いに共通な反射光ＲＬを測定光ＭＬｆ１が測定対象物Ｏｂの表面で反射した光とすると、これと光ヘテロダイン干渉する反射光ＲＬは、測定光ＭＬｆ２が測定対象物Ｏｂの表面で反射した光となる。このため、光分割部は、前記互いに共通な反射光ＲＬを得るための測定光ＭＬｆ１ではなく、測定光ＭＬｆ２を複数の測定光ＭＬｆ２に分割することになる。また、この互いに共通な反射光ＲＬを測定光ＭＬｆ２が測定対象物Ｏｂの表面で反射した光とすると、これと光ヘテロダイン干渉する反射光ＲＬは、測定光ＭＬｆ１が測定対象物Ｏｂの表面で反射した光となる。このため、光分割部は、前記互いに共通な反射光ＲＬを得るための測定光ＭＬｆ２ではなく、測定光ＭＬｆ１を複数の測定光ＭＬｆ１に分割することになる。
【０１１１】
より具体的には、測定部２Ｃは、例えば、図６に示すように、光分岐部２Ｃａと、入力端子２Ｃｂと、入力側導波路２Ｃｃと、対物レンズ２Ｃｄと、ハーフミラ２Ｃｆと、集光レンズ２Ｃｇ、２Ｃｊと、出力側導波路２Ｃｈと、出力端子２Ｃｉと、参照側導波路２Ｃｋと、参照出力端子２Ｃｌとを備えて構成され、これら入力側導波路２Ｃｃ、出力側導波路２Ｃｈおよび参照側導波路２Ｃｋは、基材２Ｃｍに屈折率の異なる光導波路を形成することによって設けられている。
【０１１２】
光分岐部２Ｃａは、１つの測定箇所ＭＰに対する１回の測定光ＭＬ（ＭＬｆ１、ＭＬｆ２）の照射による測定において、測定対象物Ｏｂにおける３つ以上の複数の測定点Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎ）に測定光ＭＬ（ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎ）をそれぞれ照射するべく、測定光生成部１Ｂからの測定光ＭＬを３つ以上の複数の測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３、・・・、ＭＬｎに分配する光学素子である。そして、本実施形態では、上述したように、光干渉が光へテロダイン干渉であることから、光分岐部２Ｃａは、前記互いに共通な反射光ＲＬを得るための測定光ＭＬｆ２（または測定光ＭＬｆ１）ではなく、測定光ＭＬｆ１（または測定光ＭＬｆ２）を複数の測定光ＭＬｆ１に分配するものである。光分岐部２Ｃａは、光導波路を形成することで基材２Ｃｍに設けられてもよいが、本実施形態では、個別の光学素子、例えば、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器が用いられている。図６に示す例では、光分岐部２Ｃａは、測定光ＭＬｆ１を導光する光ファイバにおける射出端部分に設けられた、前記光ファイバを溶融ファイバによって２つに分ける光ファイバ分岐部２Ｃａ−１と、光ファイバ分岐部２Ｃａ−１で分岐した２つの光ファイバ２Ｃａ−２、２Ｃａ−３ａと、測定光ＭＬｆ１を導光する光ファイバにおける射出端部分に設けられた光ファイバ２Ｃａ−４とを備えて構成され、これら光ファイバ２Ｃａ−２〜２Ｃａ−４では、前記互いに共通な反射光ＲＬを得るための測定光ＭＬｆ２を導光する光ファイバ２Ｃａ−４が中央に位置し、測定光ＭＬｆ１を導光する２つの光ファイバ２Ｃａ−２、２Ｃａ−３が光ファイバ２Ｃａ−４の両側に位置するように、入力端子２Ｃｂに接続される。なお、光ファイバ分岐部２Ｃａ−１と光ファイバ２Ｃａ−２、２Ｃａ−３とは、例えば、測定光ＭＬｆ２を導光する光ファイバにおける射出端部分に接続される光ファイバ形光分岐結合器であってもよく、また例えば、測定光ＭＬｆ２を導光する光ファイバにおける前記射出端部分そのものを光ファイバ形光分岐結合器に加工したものであってもよい。そして、光ファイバ２Ｃａ−４は、例えば、測定光ＭＬｆ２を導光する光ファイバにおける射出端部分に接続される光ファイバであってもよく、また例えば、測定光ＭＬｆ２を導光する光ファイバにおける射出端部分そのものであってもよい。
【０１１３】
基材２Ｃｍは、所定の屈折率を持つ材料から形成された板状の部材（基板）であり、外周面の所定の各位置に入力端子２Ｃｂ、出力端子２Ｃｉおよび参照出力端子２Ｃｌが配設されている。図６に示す例では、基材２Ｃｍは、略直方体形状であり、その上面上に入力端子２Ｃｂ、出力端子２Ｃｉおよび参照出力端子２Ｃｌが配設されている。この入力端子２Ｃｂには、上述のように、光分岐部２Ｃａにおける各光ファイバ２Ｃａ−２〜２Ｃａ−４がそれぞれ接続される。
【０１１４】
そして、基材２Ｃｍには、基材２Ｃｍにおける入力端子２Ｃｂが配設されている位置から延びる入力側導波路２Ｃｃが、基材２Ｃｍにおける前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）に大きくすることによって形成されている。この入力側導波路２Ｃｃは、入力端子２Ｃｂを介してその一方端から入射された、測定光生成部１Ｂからの測定光ＭＬ（ＭＬｆ１、ＭＬｆ２）を導光するものであり、その他方端には、対物レンズ２Ｃｄが配設されている。入力側導波路２Ｃｃは、図６に示す例では、基材２Ｃｍの上面における入力端子２Ｃｂが配設されている位置から、基材２Ｃｍの一方側面に沿って下面に向い、所定の位置で略弧によって約９０度曲がって前記下面に沿うように延びる略Ｌ字形状である。そして、入力側導波路２Ｃｃは、光分岐部２Ｃａから射出される測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２の個数に応じた個数を備えている。図６に示す例では、配列順に、光分岐部２Ｃａの光ファイバ２Ｃａ−２で導光される測定光ＭＬｆ１、光分岐部２Ｃａの光ファイバ２Ｃａ−４で導光される測定光ＭＬｆ２および光分岐部２Ｃａの光ファイバ２Ｃａ−３で導光される測定光ＭＬｆ１の３つであることから、入力側導波路２Ｃｃは、３つの導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３を備えて構成されている。光分岐部２Ｃａの光ファイバ２Ｃａ−２は、入力端子２Ｃｂを介して導波路部２Ｃｃ−１に接続され、光分岐部２Ｃａの光ファイバ２Ｃａ−４は、入力端子２Ｃｂを介して導波路部２Ｃｃ−２に接続され、そして、光分岐部２Ｃａの光ファイバ２Ｃａ−３は、入力端子２Ｃｂを介して導波路部２Ｃｃ−３に接続される。これら入力側導波路２Ｃｃにおける３つの導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３は、前記約９０度曲がる部分では平行ではないが、大略、互いに平行に並設されている。そして、これら３つの導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３は、入力端子２Ｃｂに接続される入射端から対物レンズ２Ｃｄに接続される射出端に至るまでの光学的距離（光路長）が互いに等しくなるように、前記約９０度に曲がる部分において内側に位置する導波路部２Ｃｃ−１および導波路部２Ｃｃ−２には、基材２Ｃｍの面内において入力側導波路２Ｃｃの延びる方向に対して直交する方向に湾曲（屈曲）する光路冗長部ＣＶ２−１、ＣＶ２−２がそれぞれ設けられている。そして、最内側の導波路部２Ｃｃ−１に設けられる光路冗長部ＣＶ２−１は、中央の導波路部２Ｃｃ−２に設けられる光路冗長部ＣＶ−１よりも光学的距離（光路長）が長い。
【０１１５】
対物レンズ２Ｃｄは、入力側導波路２Ｃｃで導光された複数の測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、複数の測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２の個数に対応した個数のレンズを備えて構成され、その射出側には、ハーフミラ２Ｃｆが配設されている。図６に示す例では、対物レンズ２Ｃｄは、入力側導波路２Ｃｃにおける３つの導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３から射出された各測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２、ＭＬｆ１のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、３つのレンズを備えて構成されている。対物レンズ２Ｃｄの各レンズは、入力側導波路２Ｃｃにおける３つの導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３から射出された各測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２、ＭＬｆ１２を集光し、これら集光した各測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２、ＭＬｆ１をハーフミラ２Ｃｆに入射させる。
【０１１６】
ハーフミラ２Ｃｆ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り、この分配された一方の光は、ハーフミラ２Ｃｆ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２Ｃｆで反射されて前記方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【０１１７】
これら入力側導波路２Ｃｃおよび対物レンズ２Ｃｄは、互いにその光軸が一致するように配置されており、ハーフミラ２Ｃｆは、この光軸に対し鏡面が４５度の角度で交差するように配設されている。
【０１１８】
このような構成の光分岐部２Ｃａ、入力端子２Ｃｂ、入力側導波路２Ｃｃ、対物レンズ２Ｃｄおよびハーフミラ２Ｃｆでは、測定光生成部１Ｂからの測定光ＭＬ（ＭＬｆ１、ＭＬｆ２）は、光分岐部２Ｃａの光ファイバ分岐部２Ｃａ−１で一方の測定光ＭＬｆ１が分配され、光分岐部２Ｃａにおける３つの光ファイバ２Ｃａ−２〜２Ｃａ−４から入力端子２Ｃｂを介して入力側導波路２Ｃｃにおける３つの導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３にそれぞれ入射される。この入力側導波路２Ｃｃにおける各導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３に入射された測定光ＭＬ１（ＭＬｆ１）、ＭＬ２（ＭＬｆ２）、ＭＬ３（ＭＬｆ１）は、各導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３内をそれぞれ伝播し、各導波路部２Ｃｃ−１〜２Ｃｃ−３によってそれぞれ導光され、対物レンズ２Ｃｄの各レンズにそれぞれ入射される。対物レンズ２Ｃｄに入射した３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、そのレンズ作用を受け、ハーフミラ２Ｃｆに入射される。このハーフミラ２Ｃｆでは、これら３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、２つに分配され、この分配された一方の光は、ハーフミラ２Ｃｆ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２Ｃｆで反射され、その光路が９０度折り曲げられて射出される。ここで、対物レンズ２Ｃｄは、ハーフミラ２Ｃｆを通過してそのままの方向で射出された３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３が互いに平行な平行光となるとともに、ハーフミラ２Ｃｆで光路が９０度折り曲げられて射出された３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３が互いに平行な平行光となるようなレンズ作用を持つように構成される。
【０１１９】
ハーフミラ２Ｃｆを通過してそのままの方向で射出された、３つの平行な測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、集光レンズ２Ｃｊに入射される。
【０１２０】
そして、ハーフミラ２Ｃｆで反射されハーフミラ２Ｃｆから射出された３つの平行な測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、測定部２Ｃから射出され、測定対象物Ｏｂの表面での１つの測定箇所ＭＰにおける３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれ照射され、反射される。この測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、測定部２Ｃに入射され、ハーフミラ２Ｃｆを介して集光レンズ２Ｃｇに入射される。反射光ＲＬ１は、測定光ＭＬｆ１が測定点Ｐ１で反射した光であり、周波数ｆ１である。反射光ＲＬ２は、測定光ＭＬｆ２が測定点Ｐ２で反射した光であり、周波数ｆ２である。そして、反射光ＲＬ３は、測定光ＭＬｆ１が測定点Ｐ３で反射した光であり、周波数ｆ１である。
【０１２１】
集光レンズ２Ｃｇは、第１実施形態における集光レンズ２Ａｆや集光レンズ２Ｂｅと同様であり、その光軸が前記入力側導波路２Ｃｃおよび対物レンズＣｄの光軸と直交するように、かつ、ハーフミラ２Ｃｆの鏡面と−４５度（１３５度）の角度で交差するように配設されている。集光レンズ２Ｃｇは、複数の反射光ＲＬ（図６に示す例では３つの反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、反射光ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の個数に対応した個数のレンズ（この例では３つのレンズ）を備えて構成され、その射出側には、出力側導波路２Ｃｈが、基材２Ｃｍの前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）に大きくすることによって形成されている。
【０１２２】
出力側導波路２Ｃｈは、第１実施形態における出力側導波路２Ａｇや出力側導波路２Ｂｆと同様であり、集光レンズ２Ｃｇから入射された各反射光ＲＬ（図６に示す例では、ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）をそれぞれ導光し、複数の反射光ＲＬにおける一対の反射光ＲＬを光干渉させ、複数の干渉光ＩＬを導光するものである。ここで、本実施形態では、複数の干渉光ＩＬのうちの少なくとも１組の干渉光ＩＬは、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光干渉させることによって生成されている。より具体的には、出力側導波路２Ｃｈは、第１実施形態における出力側導波路２Ａｇや出力側導波路２Ｂｆと同様であり、３つの導波路部２Ｃｈ−１、２Ｃｈ−２、２Ｃｈ−３と、分岐部２Ｃｈ−４と、合流部２Ｃｈ−５、２Ｃｈ−６と、導波路部２Ｃｈ−７、導波路部２Ｃｈ−８とを備えて構成されている。
【０１２３】
このような構成のハーフミラ２Ｃｆ、集光レンズ２Ｃｇ、出力側導波路２Ｃｈおよび出力端子２Ｃｉでは、図６に示す例では、測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、測定部２Ｃに入射され、ハーフミラ２Ｃｆを介して集光レンズ２Ｃｇの前記各レンズにそれぞれ入射される。集光レンズ２Ｃｇの前記各レンズは、各反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３をそれぞれ導波路部２Ｃｈにおける３つの導波路部２Ｃｈ−１、２Ｃｈ−２、２Ｃｈ−３へ入射させる。すなわち、集光レンズ２Ｃｇの前記各レンズは、出力側導波路２Ｃｈにおける３つの導波路部２Ｃｈ−１、２Ｃｈ−２、２Ｃｈ−３に対する導波路カップリング用である。中央の導波路部２Ｃｈ−２に入射された反射光ＲＬ２は、導波路部２Ｃｈ−２内を伝播し、導波路部２Ｃｈ−２によって導光され、分岐部２Ｃｈ−４で分配される。分岐部２Ｃｈ−４で分配された一方の反射光ＲＬ２（ＲＬ２−１）は、合流部２Ｃｈ−５に導光され、その他方の反射光ＲＬ２（ＲＬ２−２）は、合流部２Ｃｈ−６に導光される。また、導波路部２Ｃｈ−１に入射された反射光ＲＬ１は、導波路部２Ｃｈ−１内を伝播し、導波路部２Ｃｈ−１によって導光され、合流部２Ｃｈ−５に導光される。そして、導波路部２Ｃｈ−３に入射された反射光ＲＬ３は、導波路部２Ｃｈ−３内を伝播し、導波路部２Ｃｈ−３によって導光され、合流部２Ｃｈ−６に導光される。合流部２Ｃｈ−５では、上述のように導光された反射光ＲＬ２（周波数ｆ２）と反射光ＲＬ１（周波数ｆ１）とが合波され、光ヘテロダイン干渉されて第１干渉光ＩＬ１（＝ＲＬ１＋ＲＬ２）が生成される。この第１干渉光ＩＬ１は、合流部２Ｃｈ−５から導波路部２Ｃｈ−７に導光され、導波路部２Ｃｈ−７内を伝播し、導波路部２Ｃｈ−７によって導光され、出力端子２Ｃｉに入射される。そして、合流部２Ｃｈ−６では、上述のように導光された反射光ＲＬ２（周波数ｆ２）と反射光ＲＬ３（周波数ｆ１）とが合波され、光ヘテロダイン干渉されて第２干渉光ＩＬ２（＝ＲＬ２＋ＲＬ３）が生成される。この第２干渉光ＩＬ２は、合流部２Ｃｈ−６から導波路部２Ｃｈ−８に導光され、導波路部２Ｃｈ−８内を伝播し、導波路部２Ｃｈ−８によって導光され、出力端子２Ｃｉに入射される。これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号である。そして、これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、出力端子２Ｃｉを介して測定部２Ｃから位相検波部３Ｂへ入射される。
【０１２４】
集光レンズ２Ｃｊは、その光軸が前記入力側導波路２Ｃｃおよび対物レンズＣｄの光軸と一致するように配設されている。集光レンズ２Ｃｊは、ハーフミラ２Ｃｆをそのまま通過した複数の測定光ＭＬ（図６に示す例では、３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３）のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、測定光ＭＬ（ＭＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の個数に対応した個数のレンズ（この例では３つのレンズ）を備えて構成され、その射出側には、参照側導波路２Ｃｋが、基材２Ｃｍの前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）に大きくすることによって形成されている。ハーフミラ２Ｃｆをそのまま通過した前記３つの測定光ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３は、参照光ＭＬｒｅｆ１、ＭＬｒｅｆ２、ＭＬｒｅｆ３とされる。
【０１２５】
参照側導波路２Ｃｋは、集光レンズ２Ｃｊから入射された各参照光ＭＬｒｅｆ（図６に示す例では、ＭＬｒｅｆ１、ＭＬｒｅｆ２、ＭＬｒｅｆ３）をそれぞれ導光し、前記複数の干渉光ＩＬに対応するように、複数の参照光ＭＬｒｅｆにおける一対の参照光ＭＬｒｅｆを光干渉させ、複数の参照干渉光ＩＬｒｅｆを導光するものである。ここで、本実施形態では、複数の干渉光ＩＬのうちの少なくとも１組の干渉光ＩＬは、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光干渉させることによって生成されているので、これに対応するように、複数の参照干渉光ＩＬｒｅｆのうちの少なくとも１組の参照干渉光ＩＬｒｅｆは、互いに共通な参照光ＲＬｒｅｆを用いて光干渉させることによって生成されている。より具体的には、参照側導波路２Ｃｋは、大略、基材２Ｃｍの前記下面に沿うように延び、所定の位置で略弧によって約９０度曲がって他方側面に沿って前記上面にまで延びる略Ｌ字形状であり、集光レンズ２Ｃｊにおける、３つの参照光ＭＬｒｅｆ１、ＭＬｒｅｆ２、ＭＬｒｅｆ３に対応した３つレンズの射出側からそれぞれ延びる３つの導波路部２Ｃｋ−１、２Ｃｋ−２、２Ｃｋ−３と、中央の導波路部２Ｃｋ−２を２つに分岐する分岐部２Ｃｋ−４と、分岐部２Ｃｋ−４で分岐した一方の導波路部と前記導波路部２Ｃｋ−１とを合流する合流部２Ｃｋ−５と、分岐部２Ｃｋ−４で分岐した他方の導波路部と前記導波路部２Ｃｋ−３とを合流する合流部２Ｃｋ−６と、合流部２Ｃｋ−５から延びて参照出力端子２Ｃｌに至る導波路部２Ｃｋ−７と、合流部２Ｃｋ−６から延びて出力端子２Ｃｌに至る導波路部２Ｃｋ−８とを備えて構成されている。
【０１２６】
このような構成のハーフミラ２Ｃｆ、集光レンズ２Ｃｊ、参照側導波路２Ｃｋおよび参照出力端子２Ｃｌでは、ハーフミラ２Ｃｆをそのまま通過した複数の参照光ＭＬｒｅｆ（図６に示す例ではＭＬｒｅｆ１、ＭＬｒｅｆ２、ＭＬｒｅｆ３）は、集光レンズ２Ｃｊの前記各レンズにそれぞれ入射される。図６に示す例では、集光レンズ２Ｃｊの前記各レンズは、各参照光ＭＬｒｅｆ１、ＭＬｒｅｆ２、ＭＬｒｅｆ３をそれぞれ導波路部２Ｃｋにおける３つの導波路部２Ｃｋ−１、２Ｃｋ−２、２Ｃｋ−３へ入射させる。すなわち、集光レンズ２Ｃｊの前記各レンズは、参照側導波路２Ｃｋにおける３つの導波路部２Ｃｋ−１、２Ｃｋ−２、２Ｃｋ−３に対する導波路カップリング用である。中央の導波路部２Ｃｋ−２に入射された参照光ＭＬｒｅｆ２は、導波路部２Ｃｋ−２内を伝播し、導波路部２Ｃｋ−２によって導光され、分岐部２Ｃｋ−４で分配される。分岐部２Ｃｋ−４で分配された一方の参照光ＭＬｒｅｆ２（ＭＬｒｅｆ２−１）は、合流部２Ｃｋ−５に導光され、その他方の参照光ＭＬｒｅｆ２（ＭＬｒｅｆ２−２）は、合流部２Ｃｋ−６に導光される。また、導波路部２Ｃｋ−１に入射された参照光ＭＬｒｅｆ１は、導波路部２Ｃｋ−１内を伝播し、導波路部２Ｃｋ−１によって導光され、合流部２Ｃｋ−５に導光される。そして、導波路部２Ｃｋ−３に入射された参照光ＭＬｒｅｆ３は、導波路部２Ｃｋ−３内を伝播し、導波路部２Ｃｋ−３によって導光され、合流部２Ｃｋ−６に導光される。合流部２Ｃｋ−５では、上述のように導光された参照光ＭＬｒｅｆ２（周波数ｆ２）と参照光ＭＬｒｅｆ１（周波数ｆ１）とが合波され、光ヘテロダイン干渉されて第１参照干渉光ＩＬｒｅｆ１（＝ＭＬｒｅｆ１＋ＭＬｒｅｆ２）が生成される。この第１参照干渉光ＩＬｒｅｆ１は、合流部２Ｃｋ−５から導波路部２Ｃｋ−７に導光され、導波路部２Ｃｋ−７内を伝播し、導波路部２Ｃｋ−７によって導光され、参照出力端子２Ｃｌに入射される。そして、合流部２Ｃｋ−６では、上述のように導光された参照光ＭＬｒｅｆ２（周波数ｆ２）と参照光ＭＬｒｅｆ３（周波数ｆ１）とが合波され、光ヘテロダイン干渉されて第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ２（＝ＭＬｒｅｆ２＋ＭＬｒｅｆ３）が生成される。この第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ２は、合流部２Ｃｋ−６から導波路部２Ｃｋ−８に導光され、導波路部２Ｃｋ−８内を伝播し、導波路部２Ｃｋ−８によって導光され、参照出力端子２Ｃｌに入射される。これら第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２は、前記第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２からノイズを除去するべく、前記第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２を補正するための光信号である。そして、これら第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２は、参照出力端子２Ｃｌを介して測定部２Ｃから位相検波部３Ｂへ入射される。
【０１２７】
図４に戻って、第１実施形態と同様に、測定部２Ｃと位相検波部３Ｂ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、マルチモード光ファイバによって接続されている。すなわち、本実施形態では、測定部２Ｃから射出された複数の干渉光ＩＬおよびこれに対応する複数の参照干渉光ＩＬｒｅｆ、図４および図６に示す例では第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２ならびに第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２は、マルチモード光ファイバによって導光され、位相検波部３Ｂへ入射する。
【０１２８】
位相検波部３Ｂは、測定部２Ｃから射出した複数の干渉光ＩＬおよび複数の参照干渉光ＩＬｒｅｆを位相検波し、複数の参照干渉光ＩＬｒｅｆを用いることによってノイズを除去しつつ、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光間における位相差△Φを検出するものである。そして、位相検波器３Ｂは、この検出した位相差△Φを演算制御部５へ出力する。より具体的には、位相検波部３Ｂは、図４に示すように、干渉光用の光電変換部３Ｂａ（３Ｂａ１、３Ｂａ２）と、参照干渉光用の光電変換部３Ｂｂ（３Ｂｂ１、３Ｂｂ２）と、干渉光用の位相検波器３Ｂｃと、参照干渉光用の位相検波器３Ｂｄと、補正部３Ｂｅとを備えて構成される。
【０１２９】
光電変換部３Ｂａ、３Ｂｂは、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。光電変換部３Ｂａは、測定部２Ｃによって得られる干渉光ＩＬの個数に応じて用意され、測定部２Ｃからの複数の干渉光ＩＬ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干渉信号Ｓｉｇとして出力するものである。本実施形態では、前記干渉光ＩＬは、２つであることから、２個の光電変換部３Ｂａ１、３Ｂａ２が用意される。各光電変換部３Ｂａ１、３Ｂａ２のそれぞれは、測定部２Ｃの出力端子２Ｃｉから射出された２つの第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２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、これら各干渉光ＩＬ１、ＩＬ２の各光量に応じて第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２をそれぞれ位相検波器３Ｂｃへ出力する。同様に、光電変換部３Ｂｂは、測定部２Ｃによって得られる参照干渉光ＩＬｒｅｆの個数に応じて用意され、測定部２Ｃからの複数の参照干渉光ＩＬｒｅｆ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参照干渉信号Ｒｅｆとして出力するものである。本実施形態では、前記参照干渉光ＩＬｒｅｆは、２つであることから、２個の光電変換部３Ｂｂ１、３Ｂｂ２が用意される。各光電変換部３Ｂｂ１、３Ｂｂ２のそれぞれは、測定部２Ｃの参照出力端子２Ｃｌから射出された２つの第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２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、これら各参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２の各光量に応じて第１および第２参照干渉信号Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２をそれぞれ位相検波器３Ｂｄへ出力する。
【０１３０】
位相検波器３Ｂｃは、光電変換部３Ｂａから複数の干渉信号Ｓｉｇが入力され、互いに共通な反射光ＲＬを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光ＩＬに関し、複数の干渉信号Ｓｉｇ間の位相差△Φｓを検出する装置である。図４に示す例では、位相検波器３Ｂｃは、光電変換部３Ｂａ１、３Ｂａ２から第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２が入力され、これら第１干渉信号Ｓｉｇ１と第２干渉信号Ｓｉｇ２との間における位相差△Φｓを検出する。そして、位相検波器３Ｂｃは、この検出した位相差△Φｓを補正部３Ｂｅへ出力する。
【０１３１】
位相検波器３Ｂｄは、光電変換部３Ｂｂから複数の参照干渉信号Ｒｅｆが入力され、前記互いに共通な参照光ＭＬｒｅｆを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の参照干渉光ＩＬｒｅｆに関し、複数の参照干渉信号Ｒｅｆ間の位相差△Φｒを検出する装置である。この前記互いに共通な参照光ＭＬｒｅｆは、前記互いに共通な反射光ＲＬを得るために用いられた測定光ＭＬに対応する参照光ＭＬｒｅｆである。図４に示す例では、位相検波器３Ｂｄは、光電変換部３Ｂｂ１、３Ｂｂ２から第１および第２参照干渉信号Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２が入力され、これら第１参照干渉信号Ｒｅｆ１と第２参照干渉信号Ｒｅｆ２との間における位相差△Φｒを検出する。そして、位相検波器３Ｂｄは、この検出した位相差△Φｒを補正部３Ｂｅへ出力する。
【０１３２】
補正部３Ｂｅは、前記互いに共通な反射光ＲＬを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光間における位相差△Φｓにおけるノイズを除去するべく、前記組の干渉光に対応する複数の参照干渉光の間における位相差△Φｒを用いることによって、前記組の干渉光における位相差△Φｓを補正するものである。補正部３Ｂｅは、例えば、前記組の干渉光間における位相差△Φｓと、前記組の干渉光に対応する複数の参照干渉光の間における位相差△Φｒとの差を求めることによって、前記補正を行う。
【０１３３】
そして、ステージ４、演算制御部５、入力部６および出力部７は、それぞれ、第１実施形態の表面形状測定装置ＳＡにおけるステージ４、演算制御部５、入力部６および出力部７と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３４】
次に、本実施形態における表面形状測定装置ＳＢの動作について説明する。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎは、説明の便宜上、図４に示す場合を例として、３個である場合について説明を行う。
【０１３５】
図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置ＳＢが起動され、演算制御部５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測定対象物Ｏｂ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５は、測定対象物Ｏｂの表面形状の測定を開始する。
【０１３６】
まず、演算制御部５の光源制御部５３は、測定光生成部１Ｂを駆動し、単波長レーザ光源１Ｂａに所定のレーザ光を発光させる。この単波長レーザ光源１Ａａ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、各測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２が測定光生成部１Ｂの各出力端子１Ｂｆ、１Ｂｉからそれぞれ射出される。
【０１３７】
続いて、この測定光生成部１Ｂの各出力端子１Ｂｆ、１Ｂｉからそれぞれ射出された各測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２は、前記各光ファイバをそれぞれ伝播し、測定部２Ｃに入射される。この測定部２Ｃでは、この入射された各測定光ＭＬｆ１、ＭＬｆ２から上述した光学系の作用によって第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２ならびに第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２がそれぞれ生成され、第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、出力端子２Ｃｉから射出され、第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２は、出力端子２Ｃｌから射出される。続いて、この測定部２Ｃの出力端子２Ｃｉから射出された第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２は、前記マルチモード光ファイバを伝播し、位相検波部３Ｂに入射される。そして、この測定部２Ｃの出力端子２Ｃｌから射出された第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２は、前記マルチモード光ファイバを伝播し、位相検波部３Ｂに入射される。この位相検波部３Ｂでは、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組について、これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２の位相検波によって、第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２間の位相差△Φｓが検出されるとともに、これら第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２の位相検波によって、第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２間の位相差△Φｒが検出される。そして、位相検波部３Ｂは、これら位相差△Φｓと位相差△Φｒとの差が求められる。例えば、位相検波部３Ｂは、位相差△Φｓから位相差△Φｒを減算する。
【０１３８】
そして、この測定部２Ｃおよび位相検波部３Ｂがこのような動作を行っている際に、演算制御部５のステージ制御部５２は、ステージ４を制御することによって、測定対象物Ｏｂをその高さ方向に直交する水平方向に移動させる。例えば、演算制御部５のステージ制御部５２は、測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎ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つの測定点Ｐｎ−１、Ｐｎの間隔が等しくなるように、かつ、上述したように、一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐにおける測定点Ｐ３と、走査（移動）によってこの一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐの次に測定される測定箇所ＭＰｎｅｘｔにおける測定点Ｐ１とが重複するように、ステージ４を移動させる。
【０１３９】
続いて、これら各測定箇所ＭＰｍの各位相差△Φｍが取得されると、演算制御部５の形状算出部５１は、上述したように、各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを求め、走査順に従ってこれら各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを連結することによって、測定対象物Ｏｂの表面形状を求める。
【０１４０】
続いて、演算制御部５は、この求めた測定対象物Ｏｂの表面形状を出力部７に出力し、出力部７は、測定対象物Ｏｂの表面形状を表示する。
【０１４１】
このように動作することによって本実施形態における表面形状測定装置ＳＢおよびこれに実装された表面形状測定方法では、光ヘテロダイン干渉計による方法であるので、比較的短時間であってｎｍオーダで、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。そして、このような構成の表面形状測定装置ＳＢおよび表面形状測定方法では、測定対象物Ｏｂにおける３つ以上の複数の測定点Ｐ、図４に示す例では１つの測定箇所ＭＰにおける３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で反射された３つの反射光ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３を光ヘテロダイン干渉させる際に、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光干渉させる場合を含むので、測定対象物Ｏｂの表面における勾配情報を表す位相情報を持った第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２が得られる。このため、例えば、測定対象物Ｏｂを載置するステージ４における上下動による振動、測定光学系における保持ゆらぎによる振動および測定対象物Ｏｂ自体の振動等の振動が測定結果に及ぼす影響を相殺して略消去することができる。したがって、このような構成の表面形状測定装置ＳＢおよび表面形状測定方法は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。
【０１４２】
また、上述の本実施形態における表面形状測定装置ＳＢでは、測定光生成部１Ｂおよび測定部２Ｃは、光ヘテロダイン干渉計を構成し、互いに共通な反射光ＲＬ２を用いて光ヘテロダイン干渉させることで得られた第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２をそれぞれ位相検波し、これら第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２間の位相差△Φｓを検出する位相検波部３Ｂと、位相検波部３Ｂから出力される第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２間の位相差△Φｓに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を演算する演算制御部５とを備えている。このため、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＢは、光ヘテロダイン干渉計を備えるので、より高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【０１４３】
そして、上述の本実施形態における表面形状測定装置ＳＢでは、測定部２Ｃは、さらに、前記第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２に対応する第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２を生成し、位相検波部３Ｂは、さらに、第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２をそれぞれ位相検波し、これら第１および第２参照干渉光ＩＬｒｅｆ１、ＩＬｒｅｆ２間の位相差△Φｒを補正値として検出し、そして、第１および第２干渉光ＩＬ１、ＩＬ２における各位相間の位相差△Φｓを前記補正値△Φｒで補正している。そして、演算制御部５の形状算出部５１は、この位相検波部３Ｂで検出され補正された位相差（｜△Φｓ−△Φｒ｜）に基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を求めている。光源部１Ｂａから放射された光Ｌを測定対象物Ｏｂの表面まで導光する間において生じる位相ゆらぎが測定結果に大きく影響を及ぼすが、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＢは、前記位相ゆらぎが測定結果に及ぼす影響を消去することができ、さらにより高精度に、測定対象物の表面形状を測定することができる。
【０１４４】
また、上述の本実施形態のおける表面形状測定装置ＳＢでは、測定部２Ｃは、基材２Ｃｍに屈折率の異なる光導波路を形成した光導波路型光学素子を含む。このため、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＢは、光導波路型光学素子を備えて測定部２Ｃを構成するので、空気のゆらぎを除去できて温度のゆらぎも低減することができ、干渉光をより安定的に得ることができる。また、このような本実施形態の表面形状測定装置ＳＢは、複数の光学素子を組み合わせて構成する場合に較べて、光路をより厳密に製作することができ、組立後の光路調整が不要となり、また小型化が可能となる。このため、本実施形態における表面形状測定装置ＳＡでは、携帯型とすることも可能となる。
【０１４５】
図７は、１つの測定箇所における複数の測定点の態様を説明するための図である。図７（Ａ）は、その第１態様を説明するための図であり、図７（Ｂ）は、その第２態様を説明するための図であり、そして、図７（Ｃ）は、その第３態様を説明するための図である。
【０１４６】
なお、上述の第１および第２実施形態では、１つの測定箇所ＭＰにおける複数の測定点が３つである場合について説明したが、１つの測定箇所ＭＰにおける複数の測定点は、３つ以上であれば、任意の個数でよく、例えば、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、５つであってもよく、また例えば、図７（Ｃ）に示すように、９つであってもよい。
【０１４７】
図７（Ａ）に示す第１態様では、１つの測定箇所ＭＰにおいて、５つの測定点Ｐ１〜Ｐ５は、直線状に並び、このような５つの測定点Ｐ１〜Ｐ５は、例えば、回折格子を用いることによって実現することが可能である。このような場合では、例えば、測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ１、Ｐ２の反射光ＲＬ１、ＲＬ２および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ２、Ｐ３の反射光ＲＬ２、ＲＬ３をそれぞれ一対とし、測定点Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ３、Ｐ４の反射光ＲＬ３、ＲＬ４および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ４、Ｐ５の反射光ＲＬ４、ＲＬ５をそれぞれ一対として光干渉が行われる。このように中央に位置する測定点Ｐの反射光を互いに共通な反射光とし、この共通な反射光とこの測定点Ｐに隣接して一方側に位置する測定点Ｐの反射光とで光干渉が行われるとともに、この共通な反射光とこの測定点Ｐに隣接して他方側に位置する測定点Ｐの反射光とで光干渉が行われる。
【０１４８】
図７（Ｂ）に示す第２態様では、１つの測定箇所ＭＰにおいて、５つの測定点Ｐ１〜Ｐ５は、測定点Ｐ３を中心に＋字状に並び（直線状に並ぶ測定点Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５と直線状に並ぶ測定点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とを直交させて並び）、このような５つの測定点Ｐ１〜Ｐ５は、例えば、互いに回折方向を直交させて順に配置された２つの回折格子を用いることによって実現することが可能である。このような場合では、例えば、測定点Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ１、Ｐ３の反射光ＲＬ１、ＲＬ３および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ３、Ｐ５の反射光ＲＬ３、ＲＬ５をそれぞれ一対とし、測定点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ２、Ｐ３の反射光ＲＬ２、ＲＬ３および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ３、Ｐ４の反射光ＲＬ３、ＲＬ５をそれぞれ一対として上述と同様に光干渉が行われる。
【０１４９】
図７（Ｃ）に示す第３態様では、１つの測定箇所ＭＰにおいて、９つの測定点Ｐ１〜Ｐ９は、測定点Ｐ５を中心に２次元アレイ状に並び（直線状に並ぶ測定点Ｐ１〜Ｐ３と直線状に並ぶＰ４〜Ｐ６と直線状に並ぶ測定点Ｐ７〜Ｐ９とを順に並列させて並び）、このような９つの測定点Ｐ１〜Ｐ９は、例えば、互いに回折方向を直交させて順に配置された２つの回折格子を用いることによって実現することが可能である。このような場合では、例えば、測定点Ｐ１〜Ｐ３を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ１、Ｐ２の反射光ＲＬ１、ＲＬ２および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ２、Ｐ３の反射光ＲＬ２、ＲＬ３をそれぞれ一対とし、測定点Ｐ４〜Ｐ６を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ４、Ｐ５の反射光ＲＬ４、ＲＬ５および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ５、Ｐ６の反射光ＲＬ５、ＲＬ６をそれぞれ一対とし、測定点Ｐ７〜Ｐ９を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ７、Ｐ８の反射光ＲＬ７、ＲＬ８および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ８、Ｐ９の反射光ＲＬ８、ＲＬ９をそれぞれ一対とし、そして、測定点Ｐ２、Ｐ５、Ｐ８を１組として位置的に互いに隣接する測定点Ｐ２、Ｐ５の反射光ＲＬ２、ＲＬ５および位置的に互いに隣接する測定点Ｐ５、Ｐ８の反射光ＲＬ５、ＲＬ８をそれぞれ一対として上述と同様に光干渉が行われる。
【０１５０】
（第３実施形態）
第２実施形態における表面形状測定装置ＳＢは、光へテロダイン干渉によって干渉光ＩＬを生成し、この干渉光ＩＬに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を測定する装置であるが、第３実施形態における表面形状測定装置ＳＣは、いわゆる自己遅延型光ヘテロダイン干渉によって干渉光ＩＬを生成し、この干渉光ＩＬに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を測定する装置である。即ち、第２実施形態における表面形状測定装置ＳＢでは、光源部１Ｂａから射出されたレーザ光Ｌを第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とに分配し、一方のレーザ光（第２レーザ光Ｌ２）の波長（周波数）をシフトすることにより第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２との間に周波数差Δｆを生じさせて光干渉させるのに対し、第３実施形態における表面形状測定装置ＳＣでは、光源部１Ｃａから射出された周波数が周期的にシフト（変調）するレーザ光Ｌｓを複数のレーザ光Ｌｓ１、Ｌｓ２、Ｌｓ３、…、Ｌｓｎに分配し、これら分配されたレーザ光Ｌｓ１、Ｌｓ２、Ｌｓ３、…、Ｌｓｎを互いに異なる光路長を有する導波路部によって案内することにより、レーザ光Ｌｓ間に所定の周波数差Δｆｓを生じさせて光干渉させる。
【０１５１】
図８は、第３実施形態における表面形状測定装置ＳＣの構成を示す図である。図９は、図８に示す表面形状測定装置ＳＣにおける測定部２Ｄの構成を示す図である。
【０１５２】
第３実施形態の表面形状測定装置ＳＣは、測定対象物Ｏｂにおける高さ方向（厚さ方向）の変化である表面形状を測定する装置であり、例えば、図８に示すように、測定光生成部１Ｃと、測定部２Ｄと、位相検波部３Ｃと、ステージ（載置台）４と、演算制御部５と、入力部６と、出力部７とを備えて構成され、ステージ４によって測定対象物Ｏｂを水平方向に移動させることによって測定対象物Ｏｂの表面を走査し、所定範囲に亘る測定対象物Ｏｂの表面形状を測定するものである。
【０１５３】
測定光生成部１Ｃは、所定の可干渉光であって、測定対象物Ｏｂ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ＭＬを生成する装置である。測定光ＭＬは、周期的に周波数がシフトする光（図１０（Ｂ）参照）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。このような測定光生成部１Ｃは、例えば、図８に示すように、光源部１Ｃａと、光アイソレータ１Ｃｂと、偏光子１Ｃｃと、出力端子１Ｃｄとを備えて構成される。
【０１５４】
光源部１Ｃａは、光Ｌｓを放射する装置であり、例えば、半導体レーザを備えて構成される。この半導体レーザは、発振周波数が注入電流に僅かに依存し、局所的な部分においてはこの間に線形性を持つ。この光源部１Ｃａには、注入電流用電源（図示省略）が接続されている。本実施形態の光源部１Ｃａでは、注入電流用電源を制御することにより、発振周波数の時間変化がグラフにおいて鋸刃状となるような発振周波数の変調を行う（図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）参照）。このとき、半導体レーザにおいて注入電流に対して発振周波数が線形依存する領域（変調振幅Δｉ[Ａ]）を用い、この領域における半導体レーザの注入電流に対する発振周波数の変化率をβ[Ｈｚ／Ａ]とし、変調周波数をｆｍ[Ｈｚ]とする。光アイソレータ１Ｃｂは、第１実施形態の光アイソレータ１Ａｂと同様な光部品である。偏光子１Ｃｃは、第１実施形態の偏光子１Ａｃと同様な光部品である。出力端子１Ｃｄは、光部品から光を射出するための端子であり、例えば、第１実施形態の出力端子１Ａｄと同様な、光ファイバを接続するためのコネクタである。
【０１５５】
これら光源部１Ｃａ、光アイソレータ１Ｃｂ、偏光子１Ｃｃ、および出力端子１Ｃｄは、互いに光軸を一致させて、光の伝播方向に従ってこの順で配設される。
【０１５６】
このような測定光生成部１Ｃでは、光源部１Ｃａの半導体レーザから射出された周期的に周波数がシフトする（発振周波数の時間変化がグラフにおいて鋸刃状となる（図１０（Ｂ）参照））レーザ光Ｌｓは、光アイソレータ１Ｃｂを介して偏光子１Ｃｃに入射され、所定の偏光面を持つレーザ光（ｓ偏光のレーザ光またはｐ偏光のレーザ光）の測定光ＭＬｓとなって、出力端子１Ｃｄから射出される。この測定光ＭＬｓは、測定部２Ｄに入射される。
【０１５７】
測定光生成部１Ｃと測定部２Ｄとの接続には、第１実施形態における測定光生成部１Ａと測定部２Ａとの接続と同様に、光ファイバが用いられる。
【０１５８】
測定部２Ｄは、測定光生成部１Ｃからの測定光ＭＬｓが入射され、測定光ＭＬｓを用いた自己遅延型光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号を得る装置である。このような測定部２Ｄは、１つの測定箇所ＭＰに対する１回の測定光ＭＬｓ（ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３、・・・、ＭＬｓｎ）の照射による測定において、測定対象物Ｏｂの表面において３つ以上の複数の測定点Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎ）に測定光ＭＬ（ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３、・・・、ＭＬｓｎ）をそれぞれ照射するべく、測定光生成部１Ｃからの測定光ＭＬｓを３つ以上の複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３、・・・、ＭＬｓｎに分ける光分割部と、この光分割部で分けられた複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３、・・・、ＭＬｓｎをそれぞれ案内して、測定対象物Ｏｂにおける複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎに測定光をそれぞれ照射する３つ以上の複数の導光部と、測定対象物Ｏｂにおける複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎでそれぞれ反射された複数の反射光ＲＬｓ（ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３、・・・、ＲＬｓｎ）における一対の反射光ＲＬｓを光干渉させる複数の光干渉部とを備え、これら複数の光干渉部における少なくとも１組の光干渉部は、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光干渉させるように構成されている。また、前記の１組の光干渉部において干渉させる各反射光ＲＬｓを得るための１組の導光部は、これら１組の導光部のうちの前記１組の光干渉部における互いに共通な反射光ＲＬｓが得られる測定点Ｐに測定光ＭＬｓを照射する特定の導光部と、前記１組の導光部のうちの前記１組の光干渉部における互いに共通な反射光ＲＬｓ以外の反射光ＲＬｓが得られる測定点Ｐに測定光ＭＬｓを照射する少なくとも２つの他の導光部との間の光路差Δｄがそれぞれ所定の光路差となる光路長をそれぞれ有する。
【０１５９】
より具体的に、測定部２Ｄは、例えば、図９に示すように、入力端子２Ｄａと、入力側導波路２Ｄｂと、対物レンズ２Ｄｃと、ハーフミラ２Ｄｄと、集光レンズ２Ｄｅと、出力側導波路２Ｄｆと、出力端子２Ｄｇとを備えて構成され、これら入力側導波路２Ｄｂおよび出力側導波路２Ｄｆは、基材２Ｄｈに当該基材２Ｄｈと屈折率の異なる光導波路を形成することによって設けられている。
【０１６０】
基材２Ｄｈは、所定の屈折率を持つ材料から形成された板状の部材（基板）であり、外周面の所定の各位置に入力端子２Ｄａおよび出力端子２Ｄｇが配設されている。図９に示す例では、基材２Ｄｈは、略直方体形状であり、その上面上に入力端子２Ｄａおよび出力端子２Ｄｇが配設されている。この入力端子２Ｄａには、上述のように、測定光生成部１Ｃから延びる前記光ファイバが接続される。
【０１６１】
そして、基材２Ｄｈには、基材２Ｄｈにおける入力端子２Ｄａが配設されている位置から延びる入力側導波路２Ｄｂが、基材２Ｄｈにおける前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）大きくすることによって形成されている。この入力側導波路２Ｄｂは、入力端子２Ｄａを介してその一方端から入射された測定光生成部１Ｃからの測定光ＭＬｓを分岐させ、その他方端に配設されている対物レンズ２Ｄｃまで案内する。
【０１６２】
詳しくは、入力側導波路２Ｄｂは、光分岐部２Ｄｂ−１、２Ｄｂ−２と、導波路部２Ｄｂ−３、２Ｄｂ−４、２Ｄｂ−５とを備えて構成されている。
【０１６３】
光分岐部２Ｄｂ−１、２Ｄｂ−２は、入力端子２Ｄａを介して入力側導波路２Ｄｂ内に入射した測定光生成部１Ｃからの測定光ＭＬｓを複数の測定光ＭＬｓ（図９に示す例では、ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３）に分配し、分配した複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３をそれぞれ複数の導波路部２Ｄｂ−３、２Ｄｂ−４、２Ｄｂ−５に入射させる。図９に示す例では、２つの光分岐部２Ｄｂ−１、２Ｄｂ−２が測定光ＭＬｓを３つの測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３に分岐し、これら３つの測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３をそれぞれ３つの導波路部２Ｄｂ−３、２Ｄｂ−４、２Ｄｂ−５に入射させる。各導波路部２Ｄｂ−３、２Ｄｂ−４、２Ｄｂ−５は、各光分岐部２Ｄｂ−１、２Ｄｂ−２の上流側の入力側導波路２Ｄｂの部位と共同して、入力側導波路部（導光部）２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５を構成する。各入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５は、隣り合う測定点Ｐｎ、Ｐｎ＋１に測定光ＭＬｓを照射する一対の入力側導波路部間の光路差が所定の光路差Δｄとなる光路長をそれぞれ有している。本実施形態の各入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５では、測定対象物Ｏｂの表面において一列に並ぶ測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎの一端に位置する測定点Ｐ１に向けて測定光ＭＬｓ１を導波する入力側導波路部２Ｄｂ−１３から前記一列の他端側に位置する測定点Ｐｎに測定光ＭＬｓを照射する入力側導波路部に向けて光路長が順に長くなっている。このように、複数の入力側導波路部の光路長が順に長くなるように構成されることで、列方向に並ぶ測定点Ｐｎ、Ｐｎ＋１間の勾配をそれぞれ一度に測定することができるため、測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎの並ぶ方向に沿った測定対象物Ｏｂの表面形状を一度に測定することができる。図９に示す例では、測定光ＭＬｓ１を導波する入力側導波路部２Ｄｂ−１３よりも測定光ＭＬｓ２を導波する入力側導波路部２Ｄｂ−１４の法が光路長がΔｄだけ長く、測定光ＭＬｓ２を導波する入力側導波路部２Ｄｂ−１４よりも測定光ＭＬｓ３を導波する入力側導波路部２Ｄｂ−１５の法が光路長がΔｄだけ長くなるように構成されている。即ち、互いに隣り合う測定点Ｐ１、Ｐ２に照射される測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２を導波する入射側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４が、これら入射側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４間の光路差が所定の光路差Δｄとなる光路長をそれぞれ有し、且つ、互いに隣り合う測定点Ｐ２、Ｐ３に照射される測定光ＭＬｓ２、ＭＬｓ３を導波する入射側導波路部２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５が、これら入射側導波路部２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５間の光路差が前記所定の光路差Δｄとなる光路長をそれぞれ有する。具体的には、各入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５は、基材２Ｄｈにおいて、共通の面（図９においては紙面）に沿って配設されている。そして、入力側導波路２Ｄｂ−１４は、前記共通の面に沿って湾曲するように延びる光路冗長部ＤＶ−１が形成されることで入力側導波路２Ｄｂ−１３よりも光路長がΔｄだけ長くなり、入力側導波路２Ｄｂ−１５は、前記共通の面に沿って光路冗長部ＤＶ−１よりもさらに大きく湾曲するように延びる光路冗長部ＤＶ−２が形成されることで入力側導波路２Ｄｂ−１４よりも光路長がΔｄだけ長くなっている。
【０１６４】
入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４間、及び、入力側導波路部２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５間の光路差は、隣り合う測定点Ｐ１、Ｐ２又はＰ２、Ｐ３で反射された反射光ＲＬｓ１、ＲＬｓ２又はＲＬｓ２、ＲＬｓ３同士を出力側導波路２Ｄｆで光干渉させるためにこれら一対の反射光ＲＬｓ１、ＲＬｓ２又はＲＬｓ２、ＲＬｓ３と対応する測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２又はＭＬｓ２、ＭＬｓ３間に設けられる周波数の差Δｆｓに基づくものである。具体的に、光路差Δｄは、以下の式（１）によって規定される。
【０１６５】
Δｆｓ＝α・（Δｄ／Ｃ）＝β・Δｉ・ｆｍ・（Δｄ／Ｃ）  [Ｈｚ]  ・・・（１）
ここで、Ｃは測定光ＭＬの進行速度であり、半導体レーザが線形依存する領域におけるΔｉは変調振幅（図１０（Ａ）参照）であり、βは半導体レーザの注入電流Δｉに対する発振周波数の変化率（図１０（Ｂ）参照）であり、αは時間あたりの測定光周波数の変化率であって、
α＝β・Δｉ・ｆｍ  [Ｈｚ／秒]  ・・・（２）
を満たす値である。また、測定光ＭＬｓの周波数差Δｆｓは、後述する位相検波部３Ｃや演算制御部５における演算等で扱い易い値に設定される。
【０１６６】
一対の入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、又は、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５間にこのような光路差Δｄを設けることで、各入射側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５に導波された測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、又はＭＬｓ２、ＭＬｓ３間には僅かな周波数差Δｆｓが生じ（例えば、図１１参照）、これにより、測定対象物Ｏｂの測定箇所ＭＰで反射された反射光ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、又はＲＬｓ２、ＲＬｓ３同士を光へテロダイン干渉（自己遅延型光へテロダイン干渉）させることが可能となる。
【０１６７】
尚、各入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５は、前記一列に並ぶ測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎの一端に位置する測定点Ｐ１に向けて測定光ＭＬｓ１を導波する入力側導波路部２Ｄｂ−１３から前記一列の他端側に位置する測定点Ｐｎに向けて測定光ＭＬｓを導波する入力側導波路部に向けて光路長が順に長くなる構成に限定されない。例えば、各入力側導波路部は、特定の入力側導波路部の光路長を基準として、この特定の入力側導波路部の光路長とこれ以外の他の入力側導波路部の光路長との光路差がそれぞれ上記の周波数の差Δｆｓとなるように構成されてもよい。図１２に示す例では、測定部２Ｅに３つの入力側導波路部２Ｅｂ−１３、２Ｅｂ−１４、２Ｅｂ−１５が設けられ、２番目（中央）の入力側導波路部（特定の入力側導波路部）２Ｅｂ−１４に光路冗長部ＥＶを設けることによって、隣り合う測定点Ｐｎ、Ｐｎ＋１に向けて測定光ＭＬｓを導波する一対の入力側導波路部２Ｅｂ−１３、２Ｅｂ−１４、又は２Ｅｂ−１４、２Ｅｂ−１５間に所定の光路差Δｄを生じさせている。このように構成することで、測定点Ｐ１と測定点Ｐ２とに測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２を照射する入力側導波路部２Ｅｂ−１３、２Ｅｂ−１４間の光路差Δｄと、測定点Ｐ２と測定点Ｐ３とに測定光ＭＬｓ２、ＭＬｓ３を照射する入力側導波路部２Ｅｂ−１４、２Ｅｂ−１５間の光路差Δｄとを容易且つ確実に一致させることができ、これにより、測定対象物Ｏｂの表面形状をより精度よく測定することができる。
【０１６８】
また、各入力側導波路部は、一列に並ぶ測定点の一端に位置する測定点に向けて測定光を導波する導光部から前記一列の他端側に位置する測定点に向けて測定光を導波する入力側導波部に向けて奇数番目（又は偶数番目）の入力側導波部の光路長がそれぞれ同じになるように構成されてもよい。図７（Ａ）に示す例において、測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に照射する測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３を導光する入力側導波路部を１組とし、測定点Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に照射する測定光ＭＬｓ３、ＭＬｓ４、ＭＬｓ５を導光する入力側導波路部を別の１組とする。そして、前記１組の入力側導波路部の測定光ＭＬｓ２を導光する入力側導波路部（特定の入力側導波路部）の光路長と、測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ３を導光する入力側導波路部（他の入力側導波路部）の光路長との光路差がそれぞれ上述の光路差Δｄとなるように構成すると共に、前記別の１組の入力側導波路部の測定光ＭＬｓ４を導光する入力側導波路部（特定の入力側導波路部）の光路長と、測定光ＭＬｓ３、ＭＬｓ５を導光する入力側導波路部（他の入力側導波路部）の光路長との光路差がそれぞれ上述の光路差Δｄとなるように構成してもよい。
【０１６９】
この場合、測定点Ｐの数をさらに増やし、奇数番目の測定点Ｐ（２ｎ＋１）に照射する測定光ＭＬｓ（２ｎ＋１）を導光する入力側導波路部の光路長を全て同じ第１光路長にし、例えば特定の偶数番目の測定点Ｐ６を除く偶数番目の測定点Ｐ（２（ｎ＋１））に照射する測定光ＭＬｓ（２（ｎ＋１））を導光する入力側導波路部の光路長を第１光路長と異なる第２光路長とし、測定点Ｐ６に測定光ＭＬｓ６を照射する入力側導波路部の光路長だけを第１光路長及び第２光路長と異なる第３光路長とすれば、測定点Ｐ６に照射する測定光ＭＬｓ６を導光する入力側導波路部とその隣の測定点Ｐ５、Ｐ７に照射する測定光ＭＬｓ５、ＭＬｓ７を導光する入力側導波路部との間の光路差Δｄ１を、他の隣り合う測定点Ｐｎ、Ｐｎ＋１に照射する測定光ＭＬｓｎ、ＭＬｓｎ＋１を導光する入力側導波路部間の各光路差Δｄ２と異なる値にすることができる。即ち、このような構成の表面形状測定装置では、光へテロダイン干渉させる光同士の周波数差を測定対象物Ｏｂにおける測定点Ｐの並ぶ方向において変化させることが可能となる。
【０１７０】
また、図７（Ｂ）に示す例において、測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に照射する測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３、ＭＬｓ４、ＭＬｓ５を導光する入力側導波路部を１組とし、測定光ＭＬｓ３を導光する入力側導波路部（特定の入力側導波路部）の光路長と、測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ４、ＭＬｓ５を導光する入力側導波路部（他の入力側導波路部）の光路長との光路差がそれぞれ上述の光路差Δｄとなるように構成してもよい。このように、特定の入力側導波路部からの測定光ＭＬｓ３が照射される測定点Ｐ３を中心にしてそれを囲むように他の入力側導波路部からの測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ４、ＭＬｓ５が照射されるようにすれば、中心の測定点Ｐ３とその周りを囲む各測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ５との間の勾配をそれぞれ一度に測定することができ、これにより、測定対象物Ｏｂの表面方向における所定範囲の表面形状を一度に測定することが可能となる。
【０１７１】
対物レンズ２Ｄｃは、入力側導波路２Ｄｂで導光された複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３の個数に対応した個数のレンズを備えて構成され、その射出側には、ハーフミラ２Ｄｄが配設されている。図９に示す例では、対物レンズ２Ｄｃは、入力側導波路２Ｄｂにおける３つの導波路部２Ｄｂ−３〜２Ｄｂ−５から射出された各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、３つのレンズを備えて構成されている。対物レンズ２Ｄｃの各レンズは、入力側導波路２Ｄｂにおける３つの導波路部２Ｄｂ−３〜２Ｄｂ−５から射出された各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３を集光し、これら集光した各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３をハーフミラ２Ｄｄに入射させる。
【０１７２】
ハーフミラ２Ｄｄ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り、この分配された一方の光は、ハーフミラ２Ｄｄ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２Ｄｄで反射されて前記方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【０１７３】
これら入力側導波路２Ｄｂおよび対物レンズ２Ｄｃは、互いにその光軸が一致するように配置されており、ハーフミラ２Ｄｄは、この光軸に対し鏡面が４５度の角度で交差するように配設されている。
【０１７４】
このような構成の入力端子２Ｄａ、入力側導波路２Ｄｂ、対物レンズ２Ｄｃおよびハーフミラ２Ｄｄでは、測定光生成部１Ｃからの測定光ＭＬｓは、入力端子２Ｄａを介して入力側導波路２Ｄｂに入射し、光分岐部２Ｄｂ−１で分配され、一方の測定光ＭＬｓ３は、導波路部２Ｄｂ−５内を伝播し、当該導波路部２Ｄｂ−５によって導光され、対物レンズ２Ｄｃの対応するレンズに入射される。また、光分岐部２Ｄｂ−１で分配された他方の測定光ＭＬｓは、光分岐部２Ｄｂ−２で分配され、一方の測定光ＭＬｓ２は、導波路部２Ｄｂ−４内を伝播し、当該導波路部２Ｄｂ−４によって導光され、対物レンズ２Ｄｃの対応するレンズに入射される。また、光分岐部２Ｄｂ−２で分配された他方の測定光ＭＬｓ１は、導波路部２Ｄｂ−３内を伝播し、当該導波路部２Ｄｂ−３によって導光され、対物レンズ２Ｄｃの対応するレンズに入射される。
【０１７５】
このとき、各導波路部２Ｄｂ−３〜２Ｄｂ−５では、互いに光路長が異なるため、対物レンズ２Ｄｃに入射した各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、又は、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３間には所定の周波数差Δｆｓが生じている。
【０１７６】
ハーフミラ２Ｄｄを通過してそのままの方向で射出された、３つの平行な測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３は、集光レンズ２Ｄｅに入射される。
【０１７７】
そして、ハーフミラ２Ｄｄで反射されハーフミラ２Ｄｄから射出された３つの平行な測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３は、測定部２Ｄから射出され、測定対象物Ｏｂの表面での１つの測定箇所ＭＰにおける３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれ照射され、反射される。この測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬｓ（ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３）は、測定部２Ｄに入射され、ハーフミラ２Ｄｄを介して集光レンズ２Ｄｅに入射される。反射光ＲＬｓ１は、測定光ＭＬｓ１が測定点Ｐ１で反射した光である。反射光ＲＬｓ２は、測定光ＭＬｓ２が測定点Ｐ２で反射した光である。そして、反射光ＲＬｓ３は、測定光ＭＬｓ３が測定点Ｐ３で反射した光である。
【０１７８】
集光レンズ２Ｄｅは、第１実施形態における集光レンズ２Ａｆや集光レンズ２Ｂｅと同様であり、その光軸が前記入力側導波路２Ｄｂおよび対物レンズ２Ｄｃの光軸と直交するように、かつ、ハーフミラ２Ｄｄの鏡面と−４５度（１３５度）の角度で交差するように配設されている。集光レンズ２Ｄｅは、複数の反射光ＲＬｓ（図９に示す例では３つの反射光ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３）のそれぞれにレンズ作用を与えるべく、反射光ＲＬｓ（ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３）の個数に対応した個数のレンズ（この例では３つのレンズ）を備えて構成され、その射出側には、出力側導波路２Ｄｆが、基材２Ｄｈの前記所定の屈折率よりも極僅かだけ（例えば０．３〜３％程度）大きくすることによって形成されている。
【０１７９】
出力側導波路２Ｄｆは、第１実施形態における出力側導波路２Ａｇや出力側導波路２Ｂｆと同様であり、集光レンズ２Ｄｅから入射された各反射光ＲＬｓ（図９に示す例では、ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３）をそれぞれ導光し、複数の反射光ＲＬｓにおける一対の反射光ＲＬｓを光干渉させ、複数の干渉光ＩＬｓを導光するものである。ここで、本実施形態では、複数の干渉光ＩＬｓのうちの少なくとも１組の干渉光ＩＬｓは、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光干渉させることによって生成されている。より具体的には、出力側導波路２Ｄｆは、第１実施形態における出力側導波路２Ａｇや出力側導波路２Ｂｆと同様であり、３つの導波路部２Ｄｆ−１、２Ｄｆ−２、２Ｄｆ−３と、１つの分岐部２Ｄｆ−４と、２つの合流部２Ｄｆ−５、２Ｄｆ−６と、２つの導波路部２Ｄｆ−７、２Ｄｆ−８とを備えて構成されている。
【０１８０】
このような構成のハーフミラ２Ｄｄ、集光レンズ２Ｄｅ、出力側導波路２Ｄｆおよび出力端子２Ｄｇでは、図９に示す例では、測定対象物Ｏｂの表面における３つの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でそれぞれ反射された３つの反射光（反射光の正反射成分）ＲＬｓ（ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３）は、測定部２Ｄに入射され、ハーフミラ２Ｄｄを介して集光レンズ２Ｄｅの前記各レンズにそれぞれ入射される。集光レンズ２Ｄｅの前記各レンズは、各反射光ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３をそれぞれ出力側導波路２Ｄｆにおける３つの導波路部２Ｄｆ−１、２Ｄｆ−２、２Ｄｆ−３へ入射させる。すなわち、集光レンズ２Ｄｅの前記各レンズは、出力側導波路２Ｄｆにおける３つの導波路部２Ｄｆ−１、２Ｄｆ−２、２Ｄｆ−３に対する導波路カップリング用である。中央の導波路部２Ｄｆ−２に入射された反射光ＲＬｓ２は、導波路部２Ｄｆ−２内を伝播し、導波路部２Ｄｆ−２によって導光され、分岐部２Ｄｆ−４で分配される。分岐部２Ｄｆ−４で分配された一方の反射光ＲＬｓ２（ＲＬｓ２−１）は、合流部２Ｄｆ−５に導光され、その他方の反射光ＲＬｓ２（ＲＬｓ２−２）は、合流部２Ｄｆ−６に導光される。また、導波路部２Ｄｆ−１に入射された反射光ＲＬｓ１は、導波路部２Ｄｆ−１内を伝播し、導波路部２Ｄｆ−１によって導光され、合流部２Ｄｆ−５に導光される。そして、導波路部２Ｄｆ−３に入射された反射光ＲＬｓ３は、導波路部２Ｄｆ−３内を伝播し、導波路部２Ｄｆ−３によって導光され、合流部２Ｄｆ−６に導光される。合流部２Ｄｆ−５では、上述のように導光された反射光ＲＬｓ２と反射光ＲＬ１とが合波され、光ヘテロダイン干渉されて第１干渉光ＩＬｓ１（＝ＲＬｓ１＋ＲＬｓ２）が生成される。この第１干渉光ＩＬｓ１は、合流部２Ｄｆ−５から導波路部２Ｄｆ−７に導光され、導波路部２Ｄｆ−７内を伝播し、導波路部２Ｄｆ−７によって導光され、出力端子２Ｄｇに入射される。そして、合流部２Ｄｆ−６では、上述のように導光された反射光ＲＬｓ２と反射光ＲＬｓ３とが合波され、光ヘテロダイン干渉されて第２干渉光ＩＬｓ２（＝ＲＬｓ２＋ＲＬｓ３）が生成される。この第２干渉光ＩＬｓ２は、合流部２Ｄｆ−６から導波路部２Ｄｆ−８に導光され、導波路部２Ｄｆ−８内を伝播し、導波路部２Ｄｆ−８によって導光され、出力端子２Ｄｇに入射される。これら第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、測定対象物Ｏｂにおける表面形状の情報を含む光信号である。そして、これら第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、出力端子２Ｄｇを介して測定部２Ｄから位相検波部３Ｃへ入射される。
【０１８１】
図８に戻って、第１実施形態と同様に、測定部２Ｄと位相検波部３Ｃ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、マルチモード光ファイバによって接続されている。すなわち、本実施形態では、測定部２Ｄから射出された複数の干渉光ＩＬｓ、図８および図９に示す例では第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、マルチモード光ファイバによって導光され、位相検波部３Ｃへ入射する。
【０１８２】
位相検波部３Ｃは、測定部２Ｄから射出した複数の干渉光ＩＬｓを位相検波し、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光間における位相差△Φを検出するものである。そして、位相検波部３Ｃは、この検出した位相差△Φを演算制御部５へ出力する。より具体的には、位相検波部３Ｃは、図８に示すように、干渉光用の光電変換部３Ｃａ（３Ｃａ１、３Ｃａ２）と、干渉信号用の位相検波器３Ｃｂと、を備えて構成される。
【０１８３】
光電変換部３Ｃａは、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。光電変換部３Ｃａは、測定部２Ｄによって得られる干渉光ＩＬｓの個数に応じて用意され、測定部２Ｄからの複数の干渉光ＩＬｓ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干渉信号Ｓｉｇとして出力するものである。本実施形態では、前記干渉光ＩＬｓは、２つであることから、２個の光電変換部３Ｃａ１、３Ｃａ２が用意される。各光電変換部３Ｃａ１、３Ｃａ２のそれぞれは、測定部２Ｄの出力端子２Ｄｇから射出された２つの第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２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、これら各干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２の各光量に応じて第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２をそれぞれ位相検波器３Ｃｂへ出力する。
【０１８４】
位相検波器３Ｃｂは、光電変換部３Ｃａから複数の干渉信号Ｓｉｇが入力され、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光ＩＬｓに関し、複数の干渉信号Ｓｉｇ間の位相差△Φｓを検出する装置である。図８に示す例では、位相検波器３Ｃｂは、光電変換部３Ｃａ１、３Ｃａ２から第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２が入力され、これら第１干渉信号Ｓｉｇ１と第２干渉信号Ｓｉｇ２との間における位相差△Φｓを検出する。そして、位相検波器３Ｃｂは、この検出した位相差△Φｓを演算部制御部５へ出力する。
【０１８５】
そして、ステージ４、演算制御部５、入力部６および出力部７は、それぞれ、第１実施形態の表面形状測定装置ＳＡにおけるステージ４、演算制御部５、入力部６および出力部７と同様であるので、その説明を省略する。
【０１８６】
次に、本実施形態における表面形状測定装置ＳＣの動作について説明する。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎは、説明の便宜上、図８に示す場合を例として、３個である場合について説明を行う。
【０１８７】
図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置ＳＣが起動され、演算制御部５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測定対象物Ｏｂ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５は、測定対象物Ｏｂの表面形状の測定を開始する。
【０１８８】
このとき、演算制御部５の光源制御部５３は、測定光生成部１Ｃを駆動し、半導体レーザ光源１Ｃａに周期的に周波数がシフトするレーザ光を発光させる。この半導体レーザ光源１Ｃａ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、測定光ＭＬｓが測定光生成部１Ｃの出力端子１Ｃｄから射出される。
【０１８９】
続いて、この測定光生成部１Ｃの出力端子１Ｃｄから射出された測定光ＭＬｓは、前記光ファイバを伝播し、測定部２Ｄに入射される。この測定部２Ｄでは、入力側導波路２Ｄｂにおいて、この入射された測定光ＭＬｓを光分岐部２Ｄｂ−１、２Ｄｂ−２で複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３に分岐し、この分岐した各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３を互いに光路長の異なる導波路部２Ｄｂ−３、２Ｄｂ−４、２Ｄｂ−５でそれぞれ伝播させ、導波路部２Ｄｂ−３、２Ｄｂ−４、２Ｄｂ−５によって対物レンズ２Ｄｃに入射させ、各測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に照射する。各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３から上述した光学系の作用によって第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２がそれぞれ生成され、第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、出力端子２Ｄｇから射出される。続いて、この測定部２Ｄの出力端子２Ｄｇから射出された第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、前記マルチモード光ファイバを伝播し、位相検波部３Ｃに入射される。この位相検波部３Ｃでは、互いに共通な反射光ＲＬｓ２を用いて自己遅延型光ヘテロダイン干渉することによって得られた組について、これら第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２の位相検波によって、第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２間の位相差△Φｓが検出される。
【０１９０】
そして、この測定部２Ｄおよび位相検波部３Ｃがこのような動作を行っている際に、演算制御部５のステージ制御部５２は、ステージ４を制御することによって、測定対象物Ｏｂをその高さ方向に直交する水平方向に移動させる。例えば、演算制御部５のステージ制御部５２は、測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎが移動方向に沿って一列に並び、この移動方向に沿って互いに隣接する２つの測定点Ｐｎ−１、Ｐｎの間隔が等しくなるように、かつ、上述したように、一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐにおける測定点Ｐ３と、走査（移動）によってこの一の測定箇所ＭＰｔｅｍｐの次に測定される測定箇所ＭＰｎｅｘｔにおける測定点Ｐ１とが重複するように、ステージ４を移動させる。
【０１９１】
続いて、これら各測定箇所ＭＰｍの各位相差△Φｍが取得されると、演算制御部５の形状算出部５１は、上述したように、各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを求め、走査順に従ってこれら各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを連結することによって、測定対象物Ｏｂの表面形状を求める。
【０１９２】
続いて、演算制御部５は、この求めた測定対象物Ｏｂの表面形状を出力部７に出力し、出力部７は、測定対象物Ｏｂの表面形状を表示する。
【０１９３】
このように動作することによって本実施形態における表面形状測定装置ＳＣおよびこれに実装された表面形状測定方法では、光へテロダイン法を用いた光干渉計による方法であるので、比較的短時間であってｎｍオーダで、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。そして、このような構成の表面形状測定装置ＳＣおよび表面形状測定方法では、測定対象物Ｏｂにおける３つ以上の複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎで反射された複数の反射光ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３を光干渉させる際に、互いに共通な反射光ＲＬｓ２を用いて光干渉させる場合を含むので、測定対象物Ｏｂの表面における勾配情報を表す位相情報を持った干渉光が得られる。このため、例えば、測定対象物Ｏｂを載置するステージ４における上下動による振動、測定光学系における保持ゆらぎによる振動および測定対象物自体の振動等の振動が測定結果に及ぼす影響を相殺して略消去することができる。従って、このような構成の表面形状測定装置ＳＣおよび表面形状測定方法は、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。
【０１９４】
しかも、周期的に周波数が変化する測定光ＭＬｓを複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３、…、ＭＬｓｎに分け、これら測定光ＭＬｓ間に光路差Δｄを設けて複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…、Ｐｎにそれぞれ照射することにより照射時において各測定光ＭＬｓ間に周波数差Δｆｓを生じさせ、その反射光ＲＬｓ同士を光干渉させるいわゆる自己遅延型の光ヘテロダイン干渉方式を用いているため、光源部１Ｃａの小型化等を図ると共に光源部１Ｃａの選択の自由度を向上させることが可能となる。即ち、第２実施形態のような通常の光ヘテロダイン干渉方式（周波数が一定の光を２つの測定光に分け、一方の測定光を周波数変調して２つの測定光間に僅かな周波数差を設ける方式）では、光源として例えば、ガスレーザー等の発振周波数が極めて安定したレーザー発振器と光変調素子とを用いなければならないため、光源の選択の自由度が小さく且つ小型化が困難であるが、本発明のようないわゆる自己遅延型の光へテロダイン干渉方式では、例えば、半導体レーザ等を用いることが可能となるため、光源部１Ｃａの小型化、安定性、光源寿命の向上等を図ることが可能となる。
【０１９５】
（第４実施形態）
第４実施形態における表面形状測定装置ＳＤは、第３実施形態における表面形状測定装置ＳＣと同様に、自己遅延型光ヘテロダイン干渉によって干渉光ＩＬを生成し、この干渉光ＩＬに基づいて測定対象物Ｏｂの表面形状を測定する装置であるが、光源から出射された測定光ＭＬｓの一部を参照光として干渉光と混合することにより測定精度をより向上させた装置である。
【０１９６】
図１３は、第４実施形態における表面形状測定装置ＳＤの構成を示す図である。図１４は、図１３に示す表面形状測定装置ＳＤにおける測定部２Ｄの構成を示す図である。
【０１９７】
第４実施形態の表面形状測定装置ＳＤは、測定対象物Ｏｂにおける高さ方向（厚さ方向）の変化である表面形状を測定する装置であり、例えば、図１３に示すように、測定光生成部１Ｄと、測定部２Ｆと、位相検波部３Ｄと、ステージ（載置台）４と、演算制御部５と、入力部６と、出力部７とを備えて構成され、ステージ４によって測定対象物Ｏｂを水平方向に移動させることによって測定対象物Ｏｂの表面を走査し、所定範囲に亘る測定対象物Ｏｂの表面形状を測定するものである。
【０１９８】
測定光生成部１Ｄは、第３実施形態の測定光生成部１Ｃと同様に、光源部１Ｄａと、光アイソレータ１Ｄｂと、偏光子１Ｄｃと、出力端子１Ｄｄとを備えて構成される。光源部１Ｄａは、第３実施形態の光源部１Ｃａと同様な周期的に周波数がシフトする光を発する部品である。光アイソレータ１Ｄｂは、第３実施形態の光アイソレータ１Ｃｂと同様な光部品である。偏光子１Ｄｃは、第３実施形態の偏光子１Ｃｃと同様な光部品である。出力端子１Ｄｄは、第３実施形態の出力端子１Ｃｄと同様な、光ファイバを接続するためのコネクタである。
【０１９９】
測定光生成部１Ｄと測定部２Ｆとの接続には、第３実施形態における測定光生成部１Ｃと測定部２Ｄとの接続と同様に、光ファイバが用いられる。この光ファイバの測定部２Ｆとの接続部位の上流側には、参照光分岐部Ｃｒｅｆが設けられている。この参照光分岐部Ｃｒｅｆは、光ファイバによって測定部２Ｆに入射される測定光ＭＬｓ１の一部を参照光として分岐し、マルチモード光ファイバを通じて位相検波部３Ｄに入射させる。本実施形態の参照光分岐部Ｃｒｅｆには、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器が用いられている。図１４に示す例では、参照光分岐部Ｃｒｅｆは、測定光ＭＬｓを導光する光ファイバにおける射出端部分に前記光ファイバを溶融ファイバによって２つに分ける光ファイバ分岐部Ｃｒｅｆ−１を設け、この光ファイバ分岐部Ｃｒｅｆ−１に２つの光ファイバＣｒｅｆ−２、Ｃｒｅｆ−３が接続されている。この一方の光ファイバＣｒｅｆ−２の他端は測定部２Ｆに接続され、他方の光ファイバＣｒｅｆ−３の他端は位相検波部３Ｄに接続されている。尚、光ファイバ分岐部Ｃｒｅｆ−１は、例えば、測定光ＭＬｓを導光する光ファイバにおける射出端部分に接続される光ファイバ形光分岐結合器であってもよく、また例えば、測定光ＭＬｓを導光する光ファイバにおける前記射出端部分そのものを光ファイバ形光分岐結合器に加工したものであってもよい。
【０２００】
測定部２Ｆは、第３実施形態の測定部２Ｄと同様の光部品である。図１４に示す例では、測定部２Ｆは、入力端子２Ｆａと、入力側導波路２Ｆｂと、対物レンズ２Ｆｃと、ハーフミラ２Ｆｄと、集光レンズ２Ｆｅと、出力側導波路２Ｆｆと、出力端子２Ｆｇとを備えて構成され、これら入力側導波路２Ｆｂおよび出力側導波路２Ｆｆは、基材２Ｆｈに当該基材２Ｆｈと屈折率の異なる光導波路を形成することによって設けられている。
【０２０１】
そして、入力側導波路２Ｆｂは、第３実施形態の入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５と同様の光導波路である入力側導波路部２Ｆｂ−１３、２Ｆｂ−１４、２Ｆｂ−１５を構成している。また、各入力側導波路部２Ｆｂ−１３、２Ｆｂ−１４、２Ｆｂ−１５は、第３実施形態の入力側導波路部２Ｄｂ−１３、２Ｄｂ−１４、２Ｄｂ−１５と同様に、各導波路部２Ｆｂ−３、２Ｆｂ−４、２Ｆｂ−５と、これら各導波路部２Ｆｂ−３、２Ｆｂ−４、２Ｆｂ−５の上流側の入力側導波路２Ｆｂの部位とにより構成される。
【０２０２】
また、出力側導波路２Ｆｆは、第３実施形態における出力側導波路２Ｄｆと同様であり、集光レンズ２Ｆｅから入射された各反射光ＲＬｓ（図１４に示す例では、ＲＬｓ１、ＲＬｓ２、ＲＬｓ３）をそれぞれ導光し、複数の反射光ＲＬｓにおける一対の反射光ＲＬｓを光干渉させ、複数の干渉光ＩＬｓを導光するものである。ここで、本実施形態では、複数の干渉光ＩＬｓのうちの少なくとも１組の干渉光ＩＬｓは、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光干渉させることによって生成されている。より具体的には、出力側導波路２Ｆｆは、第３実施形態における出力側導波路２Ｄｆと同様であり、３つの導波路部２Ｆｆ−１、２Ｆｆ−２、２Ｆｆ−３と、１つの分岐部２Ｆｆ−４と、２つの合流部２Ｆｆ−５、２Ｆｆ−６と、２つの導波路部２Ｆｆ−７、２Ｆｆ−８とを備えて構成されている。
【０２０３】
位相検波部３Ｄは、測定部２Ｆから射出した複数の干渉光ＩＬｓを参照光ＭＬｓｒｅｆを用いて補正しつつ位相検波し、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光間における位相差△Φを検出するものである。そして、位相検波部３Ｄは、この検出した位相差△Φを演算制御部５へ出力する。より具体的には、位相検波部３Ｄは、図１３に示すように、干渉光用の光電変換部３Ｄａ（３Ｄａ１、３Ｄａ２）と、参照光用の光電変換部３Ｄａ３と、干渉信号と参照信号とをミキシング（混合）するミキシング部３Ｄｂ（３Ｄｂ１、３Ｄｂ２）と、ミキシング後の干渉信号用の位相検波器３Ｄｃと、を備えて構成される。
【０２０４】
光電変換部３Ｄａは、第３実施形態の光電変換部３Ｃａと同様に、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。具体的に、光電変換部３Ｄａ３は、測定光生成部１Ｄから測定部２Ｆへ導光される測定光ＭＬｓから分岐された参照光ＭＬｓｒｅｆを受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を参照信号Ｒｅｆ３として出力するものである。また、各光電変換部３Ｄａ１、３Ｄａ２のそれぞれは、測定部２Ｆの出力端子２Ｆｇから射出された２つの第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２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、これら各干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２の各光量に応じて第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２をそれぞれ位相検波器３Ｄｃへ向けて出力する。
【０２０５】
ミキシング部３Ｄｂ（３Ｄｂ１、３Ｄｂ２）は、参照信号Ｒｅｆ３と各干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２とを混合する。具体的に、ミキシング部３Ｄｂ１は、第１干渉信号Ｓｉｇ１と参照信号Ｒｅｆ３とを混合（除算）し、この混合後の第１干渉信号Ｓｉｇ１を出力する。また、ミキシング部３Ｄｂ２は、第２干渉信号Ｓｉｇ２と参照信号Ｒｅｆ３とを混合（除算）し、この混合後の第２干渉信号Ｓｉｇ２を出力する。
【０２０６】
位相検波器３Ｄｃは、光電変換部３Ｄａからの複数の干渉信号Ｓｉｇであって、参照信号と混合された後の複数の干渉信号Ｓｉｇが入力され、互いに共通な反射光ＲＬｓを用いて光ヘテロダイン干渉することによって得られた組の干渉光ＩＬｓに関し、複数の干渉信号Ｓｉｇ間の位相差△Φｓを検出する装置である。図１３に示す例では、位相検波器３Ｄｃは、各ミキシング部３Ｄｂ１、３Ｄｂ２で参照信号が混合された後の第１および第２干渉信号Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２が入力され、これら第１干渉信号Ｓｉｇ１と第２干渉信号Ｓｉｇ２との間における位相差△Φｓを検出する。そして、位相検波器３Ｄｃは、この検出した位相差△Φｓを演算部制御部５へ出力する。
【０２０７】
そして、ステージ４、演算制御部５、入力部６および出力部７は、それぞれ、第１実施形態の表面形状測定装置ＳＡにおけるステージ４、演算制御部５、入力部６および出力部７と同様であるので、その説明を省略する。
【０２０８】
次に、本実施形態における表面形状測定装置ＳＤの動作について説明する。なお、以下の説明において、各測定箇所ＭＰにおける複数の測定点Ｐｎは、説明の便宜上、図１３に示す場合を例として、３個である場合について説明を行う。
【０２０９】
図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置ＳＤが起動され、演算制御部５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測定対象物Ｏｂ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５は、測定対象物Ｏｂの表面形状の測定を開始する。
【０２１０】
このとき、演算制御部５の光源制御部５３は、測定光生成部１Ｄを駆動し、半導体レーザ光源１Ｄａに周期的に周波数がシフトするレーザ光を発光させる。この半導体レーザ光源１Ｄａ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、測定光ＭＬｓが測定光生成部１Ｄの出力端子１Ｄｄから射出される。
【０２１１】
続いて、この測定光生成部１Ｄの出力端子１Ｄｄから射出された測定光ＭＬｓは、前記光ファイバを伝播し、測定部２Ｄに入射される。このとき、測定光ＭＬｓの一部が参照光ＭＬｓｒｅｆとして参照光分岐部Ｃｒｅｆで分岐され、位相検波部３Ｄに入射される。この測定部２Ｆでは、第３実施形態同様に、入射された測定光ＭＬｓを複数の測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３に分岐して各測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に照射する。続いて、測定部２Ｆは、各測定光ＭＬｓ１、ＭＬｓ２、ＭＬｓ３から上述した光学系の作用によって第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２がそれぞれ生成され、第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、出力端子２Ｆｇから射出される。この測定部２Ｆの出力端子２Ｆｇから射出された第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２は、前記マルチモード光ファイバを伝播し、位相検波部３Ｄに入射される。
【０２１２】
位相検波部３Ｄでは、互いに共通な反射光ＲＬｓ２を用いて自己遅延型光ヘテロダイン干渉することによって得られた組について、ミキシング部３Ｄｂにおいて参照信号Ｒｅｆ３がそれぞれ混合され、これら混合後の第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２の位相検波によって、第１および第２干渉光ＩＬｓ１、ＩＬｓ２間の位相差△Φｓが検出される。
【０２１３】
そして、この測定部２Ｆおよび位相検波部３Ｄがこのような動作を行っている際に、演算制御部５のステージ制御部５２は、ステージ４を制御することによって、測定対象物Ｏｂをその高さ方向に直交する水平方向に移動させる。
【０２１４】
続いて、これら各測定箇所ＭＰｍの各位相差△Φｍが取得されると、演算制御部５の形状算出部５１は、上述したように、各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを求め、走査順に従ってこれら各測定箇所ＭＰｍにおける勾配Ｇｒｍを連結することによって、測定対象物Ｏｂの表面形状を求める。
【０２１５】
続いて、演算制御部５は、この求めた測定対象物Ｏｂの表面形状を出力部７に出力し、出力部７は、測定対象物Ｏｂの表面形状を表示する。
【０２１６】
このように動作することによって本実施形態における表面形状測定装置ＳＤおよびこれに実装された表面形状測定方法では、第３実施形態同様に、比較的短時間であってｎｍオーダで、より高精度に、測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することができる。また、このような構成の表面形状測定装置ＳＤおよび表面形状測定方法では、自己遅延型の光ヘテロダイン干渉方式を用いているため、第３実施形態同様に、光源部１Ｄａの小型化、安定性、光源寿命の向上等を図ると共に光源部１Ｄａの選択の自由度を向上させることが可能となる。
【０２１７】
さらに、このような構成の表面形状測定装置ＳＤおよび表面形状測定方法では、参照光ＭＬｓｒｅｆを干渉光ＩＬｓと混合することで、測定光生成部１Ｄが射出する測定光ＭＬｓに含まれる光源部１Ｄａの出力強度変化を検出することができ、これを用いて干渉光ＩＬｓを補正しつつ測定対象物Ｏｂの表面形状を演算することにより、前記出力強度変化が測定結果に及ぼす影響を消去することができる。その結果、このような構成の表面形状測定装置ＳＤは、参照光ＭＬｓｒｅｆを用いない表面形状測定装置に比べて、より高精度に測定対象物Ｏｂの表面形状を測定することが可能となる。
【０２１８】
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】
【０２１９】
ＳＡ、ＳＢ  表面形状測定装置
１Ａ、１Ｂ  測定光生成部
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ  測定部
３Ａ  位相差検出部
３Ｂ  位相検波部
４  ステージ
５  演算制御部
５１  形状算出部
【図１】
2012018156.tif 000003
【図２】
2012018156.tif 000004
【図３】
2012018156.tif 000005
【図４】
2012018156.tif 000006
【図５】
2012018156.tif 000007
【図６】
2012018156.tif 000008
【図７】
2012018156.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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