KR20060004956A

KR20060004956A - 초음파를 이용한 스퍼터링 타겟 두께를 비접촉식으로측정하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20060004956A
Application number: KR1020057020172A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 레이보비크
Original assignee: 토소우 에스엠디, 인크
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2006-01-16
Also published as: US7334479B2; WO2004097401A1; US20060266121A1

Abstract

본호는 변화하는 형상의 스퍼터 타겟의 두께를 초음파적으로 측정하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 액침 버블러(32)와 변환기(36)는 타겟의 전면(24)과 전면/결합면(26) 계면에 펄스들을 제공한다. 상기 펄스들은 전기적 신호로 변환되는 반사된 에코들을 발생시킨다. 전기 신호가 발생할 때의 시간적 차이를 측정함으로써 타겟의 두께는 타겟의 두께가 사용에 적합한가를 대략적으로 확인할 수 있다. 상기 시스템은 스퍼터 트랙(15), 시편(20), 척(28), 노즐(34), 칼럼(60), 개구(62), 입구(70), 케이블(58), 게이지(59), 터렛(90), 포지션(92), 원격 PC 콘트롤러(110), 전선(112), 및 후부(84)를 포함한다.

두께 측정, 초음파, 스퍼터링 타겟, 버블러, 초음파 변환기

Description

초음파를 이용한 스퍼터링 타겟 두께를 비접촉식으로 측정하기 위한 시스템 및 방법{Systems and methods for non-contact measuring sputtering target thickness using ultrasonics}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2003년 4월 24일자로 출원된 미국 가 특허출원 제 60/465,190호의 이익을 청구한다.

본 발명은 액침(immersion) 버블러 기술과 데이타 획득 오버 샘플링(over-sampling)을 이용하여 배킹 판(backing plate)에 접착된 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정에 관한 것이다.

집적 회로와 다른 전자, 광전자, 마이크로파, 및 MEM 장치들의 제조시에, 원하는 전자 구조 또는 장치들을 제조하기 위하여 다중 증착 및 에칭 처리들이 순차적으로 수행된다. 제조상 최근의 경향은 장치의 성능 및 신뢰도를 개선시킴과 동시에 제조 비용을 절감하고 있다. 궁극적인 목적은 개선된 성능(속도 및 용량)과 제조 공정의 개선된 비용 효율을 조합하는 방법으로 장치를 제조하는 것이다. 제조 비용은 많은 방법으로, 특히 공정상 사용되는 소비재의 비용을 절감함으로써 제어하에서 유지할 수 있다. 그러한 소비재 중 하나가 스퍼터링 타겟이다. 스퍼터 링 타겟의 비용은 스퍼터 침식(sputter erosion) 공정의 일부가 아닌 고가의 타겟 물질의 일부를 덜 비싼 상업적으로 이용가능한 "배킹(backing)" 물질로 대체함으로써 실질적으로 절감될 수 있다. 비용 절감에 덧붙여 "배킹" 물질은 타겟의 개선된 기계적, 열적, 및 심지어 전기적 특성을 제공한다. 이는 기계적으로 연질 물질로 만들어진 타겟에 있어서 특히 중요하다. 이 타겟들은 스퍼터 관련 열 적재 사이클 동안 타겟에 가해지는 열적-기계적 응력에 의해 변형될 수 있다. 대조적으로, "배킹" 물질로 만들어진 배킹 판은 여분의 기계적 강성(stiffness)과 개선된 열전도성을 제공한다.

배킹 물질은 다수의 방법으로 타겟에 부착될 수 있다. 그러나, 단지 세 가지 기술, 즉, 기계식, 확산, 또는 땜납 접합은 타겟 대 배킹 판 결합을 위해서 실용적으로 중요하다. 세 가지 기술 모두는 접합 공정을 완성하기 위하여 높은 또는 상승된 압력과 높은 또는 상승된 온도를 필요로 한다. 이들 기술의 단점은 접합 계면의 미리 설계된 형상, 예를 들어, 편평한 타겟을 위한 평탄도를 유지하는 것이 현저히 어렵다는 것이다. 많은 경우에, 다른 타겟과 "배킹" 물질이 사용될 경우, 다른 물질들간의 열팽창 계수의 불일치는 접합 계면을 최초 미리 정해진 형상으로부터 편향되게 한다. 따라서 보통 접합 공정 후의 기계적 평탄화는 항상 접합 계면을 만족할만한 정도로 평탄하게 할 수 있는 것은 아니다. 따라서, 많은 경우에 접합 계면의 편향의 부분 보정만이 이루어질 수 있고 스퍼터 표면 기계가공 후에 타겟의 전체에서 타겟 두께 변화를 초래한다. 두께 변화는 차례로, 면밀한 모니터링과 측정이 필요하다. 타겟의 최소 두께를 결정하는데의 실패는 타겟이 접합 계 면을 통해 배킹 판로 스퍼터될 때 스퍼터된 필름의 오염을 초래하여 타겟의 비극적인 성능을 초래할 수 있다.

접합과 관련된 편향을 보상하기 위해 미리 접합된 표면의 형상을 변경하기 위한 설계 수단을 사용하는 시도는 복합적인 결과를 나타낸다. 다른 한편, 예를 들어 유한 요소 분석을 사용한 모델링은, 분석중에 전형적으로 고려되지 않는 많은 조절되지 않은 변수로 인해 접합 계면 편향에 대해 만족스러운 예측을 제공하지 못한다.

따라서, 전면과 접합 계면 사이에서 타겟의 실질적 두께를 측정할 필요가 남는다. 접합된 어셈블리들의 두께 측정을 위한 종래 기술은 초음파 NDT이다. 다수의 이동식 및 고정식 두께 측정 기구 또는 게이지는 많은 NDT 장비 제조자들로부터 이용가능하다. 대표적인 초음파 두께 게이지는 맥동기(pulser), 리시버, 및 시그널 프로세서를 차례로 포함하는 게이지 내부 마이크로콘트롤러에 의해 제어되는 전자 블록에 전기적으로 연결된 초음파 압전식(piezoelectric) 변환기를 포함한다.

맥동기로부터의 짧은 전기 펄스에 의해 여자될 때에, 변환기는 고 주파수 기계적 진동 또는 음파의 파열(burst)을 일으킨다. 이러한 음의 파열 또는 펄스는 시편이 변환기에 초음파적으로 결합된다면 경우 시편을 통하여 전파된다. 접합 계면에 도달했을 때, 사운드 펄스는 에코의 형태로 변환기로 되돌아 온다. 상기 변환기는 에코를 다시 전기 신호로 변환한다. 상기 전기 신호는 시편의 두께를 계산하는 게이지에 의해 처리된다. 두께가 계산되었을 때, 이는 표시되고 만일 게이지가 직렬, USB, 또는 다른 형태의 포트를 구비한 경우 원격 콘트롤러로 전송된다.

전형적인 초음파 두께 게이지는 접합 계면과 같은 반사 표면으로부터 수직 입사로 되돌아오는 에코의 반사를 정밀하게 시간 측정함으로써 펄스/에코 모드에서 작동한다. 상기 게이지가 테스트 물질에서 음속으로 조정된다면, 그때 두께는 하기할 관계식을 사용하는 게이지 프로세서에 의해 수행되는 내부 계산에 의해 결정된다(참조 1):

두께 = V(t-t₀)/2

여기서, V - 물질에서의 음속

t - 음파의 측정된 전이 시간(transit time)

t₀ - 영점 오프셋 인자(변환기 내부 딜레이, 케이블 딜레이, 및 다른 고정된 딜레이들의 보정을 위한)

대표적인 게이지는 세 가지 모드로 두께를 측정할 수 있다. 모드 1은 변환기가 시편의 표면에 직접 결합될 때 접촉 변환기로 사용된다. 이 모드에서, 상기 전이 시간은 메인 뱅(bang) MB 펄스와 제 1 복귀 에코 사이에서 측정된다. 이 방법은 가장 간단하며 시편이 비교적 두껍고, 두께 데이타 포인트만이 수집하기 위해 요구될 때에 수동 두께 측정을 위해 빈번하게 사용된다. 모드 2와 3은 개선된 측정 정밀도가 필요할 경우 어떤, 그러나 적합하게는 작거나 또는 보통 두께의 시편을 위한 딜레이 라인, 또는 액침, 변환기로 사용된다. 모드 2에서, 전이 시간은 전면과 제 1 후면(또는 접합 계면) 에코 사이에서 측정되는 반면에, 모드 3에서 전이 시간은 보통 전면 에코에 뒤따르는 두개의 연속하는 에코들 사이에서 측정된다. 모드 2는 구리, 코발트, 탄탈륨 또는 WTi와 같은 더 높은 소리 감쇠를 갖는 물질에 적합한 반면, 모드 3(세 모드 중 가장 정확한)은 알루미늄, 티타늄, 또는 텅스텐과 같은 낮은 감쇠 물질에 적합하다는 것을 아는 것이 중요하다.

변환기(딜레이 라인을 갖거나 또는 갖지 않음)가 타겟 표면에 직접 연결된 경우, 모드 1, 2, 또는 3의 실시는 타겟 커플링을 위하여 단지 물 한 방울만이 사용될 수 있기 때문에 내 스크래치성 물질에 제한된다. 실시에 있어 빈번하게 보이듯이, 얇은 층의 물은 타겟 표면, 특히 알루미늄 또는 구리와 같은 연질 물질을 스크래칭으로부터 적절한 보호성을 제공하지 못한다. 직접 접촉 커플링의 또 다른 단점은 조작자의 실제 경험에 의지하는 수동 조작이다. 직접 접촉 커플링의 또 다른 단점은 최소 두께를 갖는 타겟의 영역을 찾을 시에 때때로 어려움이있다. 그러나, 직접 접촉 커플링은 하나의 중요한 이점, 즉, 나머지 부분의 일부가 기계가공 공구의 척(chuck)에 부착되었을 때 제 위치에서 사용하기 위한 적합한 기술로 만들어지는 소형화와 이동성을 갖는다. 이는 테스트를 단순화하고 전체 테스트 시간을 감소한다.

비접촉 액침 모드 2 및 3은 스크래치가 없고, 정확하며, 자동화된 테스트 방법을 제공하는 접촉 방법의 한계를 극복하기 위해 설계되었다. 액침 두께 측정은 두 가지 방식으로 행해질 수 있다. 이는 타겟과 변환기 사이에서 커플링 워터의 고정 칼럼이 형성되는 탈이온화된(DI)물을 갖는 탱크에 침지시킴으로써 행해질 수 있다. 이 기술의 장점은 종래 C-스캔 기술과 장비를 이용할 수 있다는 것이다. 이 기술의 단점은 테스트를 완성하기 위하여 몇 가지 단계가 요구되기 때문에 상대 적으로 비용이 높다는 것이다. 단계들은 기계가공 공구로부터 상기 타겟을 제거하는 단계와 테스트를 위하여 C-스캔 탱크 안에 배치시키는 단계를 포함하고, 그 다음에 기계가공을 완성하기 위해 타겟을 기계가공 공구로 재위치시키는 단계를 포함한다. 후 테스트 기계가공은, 연장된 타겟 표면의 연장된 노출에 의해 초래되는 유수 산화(hydro-oxidation)를 물에서 제거하기 위해 적어도 재다듬질(refinishing) 작업이 또한 요구된다. 알루미늄과 구리고 만들어진 타겟은 유수 산화되기 가장 쉬운 물질중 하나이다.

액침 테스트를 이용하는 다른 방법은 버블러 기술이다. 버블러 기술은 상술된 모든 방법들에 비해 타겟 두께 측정을 위한 명백한 장점을 제공할 수 있다. 이 경우에 사운드 빔(sound beam)은 타겟 표면에 충돌하는 유동하는 물의 칼럼을 통하여 전파된다. 결과적으로, 물 노출과 연속적인 유수 산화는 물 접촉 면적과 노출 시간의 사이즈를 줄임으로써 대폭 최소화될 수 있다. 이는 물 접촉 면적의 직경을 감소시키고 이 면적을 타겟 표면 전역에 걸쳐 연속적인 이동 접촉시킴으로써 달성된다. 그러나, 종종 종래 버블러 기술에 의해 부과되는 제한이 있다. 이 제한은 공간적인 분석의 결여이다. 예를 들어 금속 롤링 밀 등에 사용되는 종래 컨베이어에 기초한 버블러 기술은 컨베이어 속도 및 데이타 획득율에 의해 보통 미리 규정된 특정한 거리를 둔 간격에서 두께 데이타를 취득한다. 고속 컨베이어 적용에 두께 데이타가 샘플로 되는 다수의 위치는 임의의 최소 두께의 위치를 잃는 위험을 내포하는 길이 간격에 의해 분리될 수 있다. 이는 스퍼터링 타겟의 적용에 절대적으로 받아들여질 수 없다. 최소 두께를 갖는 타겟의 이 영역은 최소 두께가 타겟의 통과/실패의 척도를 지배하는 가장 결정적으로 조절되는 타겟의 기하학적 파라메터 중 하나이기 때문에 항상 검출되어야 한다. 종래 버블러 기술은 테스트 원격 조작을 간섭할 수 있는 또 다른 결점을 갖는다. 이러한 부가적인 결점은 일련의 공기 방울 물 공급 흐름에서 형성될 때 특히 작은 버블러 구멍에 의한 물 흐름에서 때때로의 중단으로 인해 데이타 획득 공정을 방해할 가능성이 있다.

따라서, 기계가공 공구 내측의 제 위치에서 수행되는 초음파 타겟 두께 측정 기술에는 정밀도, 저비용, 비접촉, 자동화에 대한 기술의 필요성이 있다.

이러한 필요성과 다른 것들은 타겟 표면상의 다수의 위치에서 수직 입사로 음파에너지를 회전하는 스퍼터링 타겟을 연속적으로 조사하는 단계와, 음파 에너지에 의해 유도되고 데이타 획득 주파수가 타겟의 회전 속도와 일치하지않는 타겟의 양 표면으로부터 반사되는 에코를 검출하는 단계와, 두개의 연속하는 에코들 사이의 소리 전이 시간을 측정하여 원점 오프셋 인자를 위해 보정된 타겟 물질의 공지된 음속에 사운드 펄스의 측정된 전이 시간의 절반을 곱함으로써 두께를 계산하는 단계와, 두께 데이타의 모든 값을 계산되는 즉시 원격 콘트롤러로 전송하는 단계와, 두께 데이타 포인트의 모든 값들을 두께 값들의 통계적으로 대표적인 그룹중의 하나의 연속적인 파일을 형성하기 위해 통합하는 단계와, 이 두께 값들의 통계적으로 대표적인 그룹의 파일을 타겟의 최소 두께 값을 추출하기 위해 분석하는 단계들을 포함하는 버블러에 기초한, 자동화된, 비접촉식 초음파 두께 측정 방법에 의해 해결된다.

종래 기술과 달리, 본 발명의 방법은 항상 타겟의 최소 두께를 찾고 측정할 수 있는 타겟 두께 측정 기술을 제공한다. 이는 다수의 연속적인 회전에 의해 형성되는 일정한 반경의 동일한 원주 통로를 따라 다수의 위치에 의해 한정된 타겟의 동일한 영역으로부터 샘플링을 곱하고 반복함으로써 타겟 두께 데이타의 오버 샘플링에 의해 달성된다. 상기 오버 샘플링은 고정 버블러와 타겟 RPM과 일치하지않는 데이타 획득 주파수를 이용하여 1회전 이상 동안 회전하는 타겟의 동일한 영역에 조사함으로써 달성된다. 연속하는 회전에 대한 모든 경우 데이타가 수집되는 다수의 위치는 스스로 반복하지 않는다. 각각의 다수의 위치로부터의 모든 두께 데이타 포인트를 하나의 연속하는 파일로의 통합은 특정 원주 경로에 대한 거의 모든 가능한 위치의 통계적으로 대표적인 수치를 제공한다. 이는 타겟의 최소 두께를 찾고 측정할 수 있는 가능성을 증가시킨다.

본 발명의 다른 목적은 자동화된 비접촉 인시튜(in-situ) 타겟 두께 측정을 위한 장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는 외부 형상과 이 형상과 정합하는 치수 및 면적이 기계가공 공구의 절단 공구 홀더의 치수를 갖는 에워싸인 액침 버블러와, 물 추출 노즐을 갖는 버블러 몸체와, 그 개구로부터의 거리에서 축방향으로 노즐과 대칭인 버블러 내부에 장착된 변환기와, 변환기를 차례로 원거리에서 콘트롤러에 연결되는 두께 게이지와 연결하는 전선과, 하나는 온/오프 작동을 위해 그리고 두 번째는 정밀한 물 흐름 도관을 위해 직렬로 연결된 최소 두 개의 밸브를 사용하는 DI 워터 소스에 버블러를 연결하는 물공급 라인으로 구성된다.

상술한 바와 같이, 본 방법은 음파 에너지가 빔 진입 위치에서 양 표면의 접선과 거의 직각으로 향하는 빔으로 한정되는 경우에 어떠한 편평한, 중공 캐소드 또는 다른 형태의 스퍼터링 타겟의 두께를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 방법은 또한 비행기 엔진과 같이 타겟이 없는 용도에, 또는 형상이 변하는 타겟(도 3 내지 5)을 위해서도 사용될 수 있다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 형상들과 장점들은 본 발명에 따른 시스템과 방법의 다양하고 전형적인 실시예에 하기 설명에 기술되거나 또는 이로부터 명백하다.

본 발명의 상기 시스템과 방법의 다양한 예시적인 실시예들이 다음 도면들을 참조하여 자세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 방법과 장치의 개략도.

도 2는 본 발명의 방법과 장치의 상세한 개략도.

도 3, 도 3a, 도 4, 및 도 5는 본 발명의 시스템들과 장치들에 따라 측정될 수 있는 장치의 예들의 다른 개략도.

도 1 및 도 2에서는, 본 발명의 방법을 도시하는 개략도들을 볼 수 있다. 이 방법에 따라서, 편평한 전면(24)과 평탄하지 않으나 매끄러운 접합된 표면(26)을 갖는 접합된 타겟 어셈블리의 테스트 타겟 시편(20)은 기계가공 공구의 척(chuck)(28)에 장착된다. 상기 기계가공 공구는 상기 시편(20)을 축방향으로 대칭으로 회전시킨다. 평탄면을 갖는 초음파 변환기(transducer)(36)는 버블러 (bubbler)(32)내측에 설치된다. 상기 초음파 변환기(36)는 노즐 개구로부터 일정 거리에서 노즐(34)과 축 방향으로 대칭적으로 위치한다. 상기 버블러(32)는 시편(20)의 전면(24) 근처에, 적합하게는 스퍼터링 공정 중에 가장 심하게 소모되는 타겟의 특정 단면 또는 영역에서 기술적으로 공지된 스퍼터 트랙(sputter track)(15) 주위에 위치한다. 상기 변환기(36)는 변환기(36)의 표면과 상기 전면(24)을 연결하는 탈이온화된 물(de-ionized water)(DI)의 칼럼들(76과 60)을 통하여 전파하는 단일, 단시간, 메가헤르쯔 주파수 범위의 초음파 펄스(38)로 테스트 시편(20)의 전면(24)을 조사한다(도 1 및 도 2). 에코(44)의 형태인 초음파 펄스(38)의 일부는 상기 전면(24)으로부터 상기 변환기(36)로 반사된다. 상기 펄스(38)의 다른 부분(40)은 매끄러운 접합된 면(26)의 접선과 거의 수직한 입사각으로 상기 시편(20)의 몸체를 통하여 전파되고, 에코(50)의 형태로 변환기로 다시 반사된다. 따라서, 상기 변환기(36)는 에코(44와 50)를 수신하고, 이를 전기 신호들(52와 56)으로 변환하여, 이들을 처리하기 위하여 케이블(58)을 따라 게이지(59)로 보낸다. 시간차(61)를 측정함으로써 게이지는 발생하는 제 1 에코(44)로부터의 신호(52)와 대비하여 발생하는 제 2 에코(50)로부터의 신호(56)를 얻을 수 있고, 누구라도 시편(20)의 두께를 측정할 수 있다. 비록 도 1의 타켓 시편(20)이 전체적으로 편평한 전면(24)을 포함하지만, 배킹면(backing surface)에 접합된 볼록 또는 오목한 전면을 갖는 U형 중공 캐소드 스퍼터 타겟과 같은 다른 형상을 갖는 시편의 두께는 또한 전면과 전면/결합면의 계면으로부터 상술된 변환기로의 에코를 반사함으로써 상술된 시스템과 방법들을 이용하여 측정될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 유동 DI 수주(60)는 초음파 펄스(38)용 경로를 제공하기 위해 사용되고, 에코들(44와 50)을 발생시킨다. 개구(62)를 갖는 상기 노즐(34)은 직경이 4.75mm(0.187인치) 범위의 DI 워터의 칼럼(60)을 발생시킨다. 상기 개구(62)는 가장 적합하게는 시편(20)의 표면(24)으로부터 0.5mm - 1.00mm(0.020인치 - 0.040인치)의 거리에 위치한다. 상기 DI 워터는 직경이 4mm(0.157인치)의 입구(70)를 통하여 버블러(32)에 공급된다. 입구(70)는 상기 변환기(36)의 표면 뒤에 위치한다. 변환기(36)와 개구(62)사이에서 상기 버블러 내측의 수주(76)의 길이는 25.4mm(1.00인치)의 범위에서 가장 적합하게 선택된다. 이 길이는 에코들(44와 50)의 도달 전에 전면으로부터의 제 2 에코(46)의 탐지를 방지한다. 상기 노즐(34)은 버블러가 사용되지 않을 경우에 부유 먼지나 절삭액 등에 의해 오염 또는 손상으로부터 내부의 변환기(30)와 버블러(32)를 보호하기 위해 사용되는 제거 가능한 덮개(도시 생략)를 구비한다. 상기 버블러(32)의 후부(84)는 변환기 전기 커넥터(86)을 보호하기 위해 영구적으로 밀봉되었다.

상기 버블러(32)는 최초에는 절삭 공구를 위해 설계된 위치(92)에서 터릿(turret)(90)상에 장착된다. 버블러(32)에 물을 공급하기 위하여, 플라스틱 클리어 호스(94)가 입구(70)에 연결된다. 호스(94)는 두개의 밸브들(96, 98)과 직렬로 연결된다. 밸브(98)는 온/오프 작동을 위해 사용되는 반면에 밸브(96)는 물 흐름의 미세조정을 위해 사용된다. 물 흐름의 조정은 고립되거나 에어 버블이 없이 적합하게 연속적인 층류(laminar flow)를 호스(94), 및 칼럼(76과 60)을 포함한 물공급 시스템 전부에 형성하기 위하여 필요하다.

여기서 적합한 변환기(36)는 Krautkramer-AGFA Co에 의해 113-126-340이라는 명칭으로 판매한다. 이는 6.35mm(0.250인치)의 소자 크기와 10MHz 피크 주파수를 갖는 IPS형 액침(immersion) 비초점(non-focused) 변환기이다. 상기 변환기(36)는 Panametrics에 의해 25DL이라는 명칭으로 판매하는 적합한 두께 게이지(59)에 전기적으로 연결된다. 연속적인 두께 데이타 출력을 갖는 상기 게이지(59)는 전선(112)에 의해 RS-232 포트를 통해 원격 PC 콘트롤러(110)에 연결된다. 콘트롤러(110)은 데이타 획득 이벤트를 시작하고, 시편(20)의 여러 번의 연속하는 회전 동안 일련의 연속하는 두께 데이타 포인트를 수집하며, 마지막으로 데이타 획득을 정지하기 위해 종래 방법으로 프로그램된다. 더욱이, 콘트롤러(110)은 최소 두께 값을 찾기 위해 통계적으로 데이타를 처리하도록 프로그램된다. 이는 또한필요한 경우 최소값을 표시하고 데이타베이스로 전송하도록 프로그램된다.

상기 방법은 다음과 같이 작동한다. 먼저, 덮개가 제거된 상기 버블러(32)는 측정 위치로 이동된다. 재위치 설정은 수동 또는 자동으로 행해진다. 만일 CNC가 사용된다면, 상기 터렛(90)상에 장착된 버블러(32)는 미리 프로그램된 X-Y 좌표로 프로그램적으로 이동된다. 이 X-Y 좌표는 가장 깊은 스퍼터 침식(스퍼터 트랙 영역)(15)의 반지름을 갖는 타겟 위치와 일치하게 선택된다. 상기 X-Y 위치 설정은 버블러 노즐 개구(62)를 적합하게는 0.5mm - 1.00mm(0.020 - 0.040인치) 범위의 간극을 갖는 타겟 표면(24)에 가깝게 가져오는 Z 축을 따른 위치설정에 뒤따른다. 다음 단계 동안, 상기 타겟(20)은 적합하게는 1-100 RPM 범위의 회전 속도로 회전한다. 다음에, 물공급 밸브(98)가 개방된다. 물의 흐름은 난류 (turbulence)와 에어 버블 형성을 제거하기 위해 밸브(96)에 의해 조절된다. 다음 단계 동안, PC 콘트롤러(110)은 데이타 획득 시작 명령을 게이지(59)에 전송한다. 게이지 취득 속도(또는 빈도)는 적합하게는 초당 1-50 취득의 범위에서 세팅된다. 상기 게이지는 공지된 물질 음속과 두께 범위를 이용하여 테스트하기 전에 미리 프로그램되고 조정되어야 한다는데 주의해야 한다. 상기 프로그램은 게이지(59) 메모리에 내부적으로 또는 콘트롤러(110) 메모리에 원격적으로 저장될 수 있고, 테스트를 위해 호출될 수 있어야 한다. 타겟 두께는 타겟 표면상의 모든 위치에 대해 모든 데이타 획득 동안 결정된다. 상기 두께 값은 저장과 처리를 위해 자동적으로 원격 콘트롤러(110)로 전송된다. 미리 프로그램된 수의 두께 데이타 포인트가 적합하게는 100 - 10,000 두께 데이타 포인트 범위에서 수집된 때, 상기 콘트롤러(110)는 상기 게이지(59)에 데이타 획득을 정지하는 명령을 전송한다. 다음 단계 동안, 콘트롤러(110)는 최소 두께 값 또는 관심있는 다른 값들에 대한 수집된 데이타를 평가한다. 데이타 획득 주파수는 실질적으로 타겟 RPM과 다르게 선택되어야 한다는 것은 강조되어야 한다. 이 경우에, 두께 데이타가 수집되는 곳으로부터 타겟표면상의 다수의 지점은 실질적으로 타겟의 모든 연속적인 회전에 따라 다르다. 모든 연속적인 회전에 대한 모든 이들 위치의 합은 스퍼터 트랙 영역상에 투사되는 연속하는 영역을 구성하는 다수의 반복적으로 겹쳐지는 위치들에 의해 형성된 표면 링을 나타내는 자료를 만든다.

물론, 상술된 본 발명의 대표적인 실시예들이 매끄러운 접합 표면(26)에 접착된 비교적 편평한 시편(20)의 두께를 측정하는 것을 포함하지만, 상술된 측정 시 스템과 방법은 또한 U-형 중공 캐소드 스퍼터 타겟 또는 도 3 내지 도 5에 도시되는 바와 같은 다른 형상의 시편들과 같은 평탄하지 않은 시편의 두께를 예를 들어, 장식을 위해 명백한 바와 같이 결정하는데 사용될 수 있다.

도 3 을 참조하면, 미국 특허 제 6,419,806호 (Holcomb 등)에 개시된 바와 같은 중공 캐소드 타겟이 도시된다. 이 특허의 전체 기술이 본 명세서에서 참조로 통합되었다. 타겟 어셈블리(300)는 타겟(302)과 둘러싸는 배킹 판(304)의 실질적으로 "U"형 횡단면 조합을 포함한다. 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 스퍼터링은 여기서 "U" 또는 포트와 같은 타겟의 중심(C)을 향해 도시된 타겟(302)의 표면 내부로부터 발생할 것이다. 플랜지(306)는 스퍼터링 장비의 캐소드로의 삽입을 용이하게 하기 위하여 배킹 판의 주위를 따라서 원주방향으로 배치된다.

버블러(32)와 관련 수주(60)가 개략적으로 도시된다. 적합하게는, 상기 버블러의 위치는 변화하는 회전 속도로 그 주위를 회전하는 타겟 어셈블리에 대해 고정된다. 반대로, 상기 버블러 자체는 로봇 또는 다른 프로그램할 수 있는 이동 전달 메카니즘을 통해 고정된 타겟에 대해 움직일 수 있다.

도 3a는 버블러(32)가 배킹 판 요소에 인접한 어셈블리의 외측을 따라 위치된 것을 제외하고 도 3과 유사한 실시예를 도시한다. 여기서, 배킹 판 두께는 측정될 수 있고 전체 어셈블리 두께로부터 감산하여 타겟의 두께를 결정할 수 있다. 도시된 이 실시예에서, 상기 어셈블리(300)은 맨드릴(mandrel) 등에 의해 변화하는 속도로 구동될 수 있다.

도 4는 배킹 판(404)에 접합된 타겟(402)을 포함하는 오목한 타겟 어셈블리 (400)를 도시한다. 도 1및 도 2에 도시된 형태의 버블러(32)는 일정한 치수만큼 타겟 표면으로부터 이격된 오목한 타겟 표면을 따라 이동한다.

도 5는 엔진 블록 등으로써 사용될 수 있는 타원형 하우징(500)의 두께를 측정하는 버블러(32)를 도시한다. 버블러(32)는 하우징의 외측면(504)을 가로질러 이동하고 외측면(504)과 내측면(506)사이의 두께를 측정한다.

도시된 모든 실시예에서, 타겟 자체 및/또는 버블러 모두는 다른 것에 대해 이동할 수 있다. 대부분의 경우에, 상기 타겟은 1-5의 실시예에서 선택된 바와 같이 버블러에 대해 회전한다. 타겟의 속도와 데이타 획득 주파수는 비동기성이다. 다른말로, 데이타 획득 과정의 말기에서, 타겟 표면을 따르는 따른 측정점은 그 사이에서 일정한 간격 또는 거리에 의해 특정되지 않는다. 따라서, 다수의 측정은 타겟 표면을 따라서 유사-랜덤(pseudo-random) 데이타 수집 위치에서 발생한다. 본 발명의 상기 방법은 1회전 동안 일어나지 않는 인접한 측정 위치들 사이에서 매우 짧은 간격의 두께 측정을 허용한다. 예를 들어, 세개의 인접한 측정위치 - 선택된 하나, 선택된 하나의 좌측 및 선택된 하나의 우측을 위한 두께 데이타는 세개의 다른 회전 동안 수집될 수 있다.

실제적인 문제에서, 상기 타겟의 회전 속도는 현재 대부분의 상업적으로 이용가능한 버블러들이 고정된 데이타 획득 주파수를 갖기 때문에 측정 시간 주기 동안 변한다. 숙련된 자들은 데이타 획득 주파수가 본 명세서에서 여기서 사용되는 타겟 스피드와 데이타 획득 주파수 사이에서 비동기적 관계를 제공하기 위하여 또한 이론적으로 타겟 회전 속도에 대해 변한다 해도 평가할 것이다.

비록 본 명세서에 설명된 방법과 이 방법을 수행하기 위한 장치의 형태가 본 발명의 적합한 실시예를 구성하지만, 본 발명은 정확히 이 방법과 장치의 형태에 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 정의된 발명의 범주로부터 벗어나지 않는 범위내에서 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 버블러는 음파가 전파되어 타겟에 충돌하는 적합한 수단으로 도시된다. 다른 수단들은 본 기술분야의 숙련자들에 의해 선택될 수 있다.

Claims

전면과 전면/결합면 계면을 갖는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법으로서,

a) 타겟을 회전 홀더에 고정시키고 상기 타겟을 회전시키는 단계와,

b) 순차적으로 전면의 다수 위치에서 접선에 수직으로 입사하는 다수 위치에서 음파 에너지의 펄스를 조사하는 단계와,

c) 음파 에너지의 상기 펄스에 의해 유도된 연속적인 에코들을 탐지하는 단계와,

d) 상기 전면 에코와 상기 전면/결합면 계면의 에코를 상응하는 전기 신호로 변환하는 단계와,

e) 상기 상응하는 전기 신호에 기초한 전면 에코와 전면/결합면 계면 에코 사이의 음파 경로의 전이시간을 결정하는 단계와,

f) 상기 타겟 물질의 알려진 음속을 측정된 전이시간의 절반에 곱함으로써 제로 오프셋 인자를 위해 보정된, 상기 타겟의 두께 데이타를 결정하는 단계와,

g) 상기 결정된 두께 데이타를 전기적으로 원격 콘트롤러로 전송하는 단계와,

h) 타겟의 다수의 위치에 대한 두께 데이타를 수집하는 단계와,

i) 상기 수집된 데이타를 분석하고 상기 타겟의 최소 두께 값을 추출하는 단계를 포함하며,

상기 최소한 펄스 중 하나는 전면을 통하여 전면/결합면 계면으로 전파되고,

상기 에코들은 상기 전면과 전면/결합면 계면으로부터 각각 반사되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터 타겟이 접착에 의하여 배킹 판(backing plate)에 부착된 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터 타겟이 배킹 판에 접착되어 타겟 어셈블리를 형성하는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터 타겟이 회전하는 기계가공 공구 척(chuck) 또는 다른 시편 홀더에 부착되어 존재하고 전체 두께 측정 공정 동안 축방향으로 대칭 회전되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 접착면/전면 계면을 가로질러 전파되는 상기 음파 에너지는 상기 전면/결합면 계면에 거의 수직으로 입사되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 음파 에너지는 타겟의 전면에 대해 축방향으로 대칭적으로 대향된 액침 버블러에 둘러싸인 초음파 변환기에 의해 펄스로 발생되는 스 퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)는 타겟의 전면에 대해 비난류(non-turbulent)의 공기방울 없는 물줄기의 칼럼에 의해 회전 타겟과 초음파 변환기를 결합하는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)는 액침 버블러에 의해 발생된 수주(water column)를 관통하는 음파 에너지로 타겟을 조사하는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 전면에 실질적으로 수직 입사하는 위치에서 상기 타겟에 음파 에너지를 충돌하게 하는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)는 단주기의, MHz 주파수의 초음파 펄스 형태로 상기 타겟에 음파 에너지를 충돌하게 하는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 에코들은 상기 회전 타겟의 RPM(분당 회전수)과 실질적으로 일치하지않는 데이타 획득 주파수로 검출되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초 음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 검출된 에코는 상기 변환기의 표면에 대해 수직 입사되는 위치에서 반향되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 에코는 회전하의 타겟의 1회전 이상 동안 다수의 위치로부터 검출되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 다수의 위치로부터 보내진 상기 계산된 두께 데이타는 상기 타겟의 1 회전 이상 동안 수집되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 수집된 두께 데이타에 기초하여 최소한 100회의 측정 계산이 수행되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 두께 데이타의 모든 데이타 포인트는 하나의 연속하는 파일로 통합되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟을 펄스화된 음파 에너지로 조사하는 단계는 가장 깊은 스퍼터 침식의 영역으로 돌출된 부분을 갖는 링을 둘러싸는 타겟 전면상의 다수의 모든 가능한 위치로 이루어진 일정 반경의 원주의 경로를 따라서 부가적으로 발생되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 다수의 모든 가능한 위치는 음파 에너지의 고정된 소스에 대해 상기 타겟의 1 회전 이상에 의해 형성되는 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터 타겟은 볼록 또는 오목한 전면을 갖는 중공 캐소드 스퍼터 타겟인 스퍼터링 타겟의 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
연속적으로 스퍼터링 타겟에 음파 에너지를 조사하고 상기 음파 에너지에 유도된 에코를 검출하는 변환기와,

상기 변환기를 둘러싸고, 축방향으로 설치되며, 상기 타겟의 표면에 수직 입사되는 위치에서 버블러의 노즐과 대칭인 밀봉된 액침 버블러와,

전기적으로 상기 변환기에 연결되고 두 연속하는 에코들 사이의 소리 전이 시간을 측정하도록 프로그램되고, 그리고 알려진 음속, 전이 시간, 및 제로 오프셋 인자에 기초하여 상기 시편의 두께를 계산하도록 프로그램된 두께 게이지와,

전기적으로 두께 게이지에 연결되고 , a) 데이타 획득을 시작하기 위한 트리거 명령(trigger command)을 전송하고, b) 두께 데이타 수집이 완료되는 즉시 두께의 값을 수용 및 계산하고, c) 각 계산된 두께 값을 하나의 연속하는 파일로 통합 하고, d) 데이타 획득을 중지하기 위한 트리거 명령을 전송하고, e) 상기 데이타를 분석하여, 최소 타겟 두께 값을 결정하고 표시하도록 프로그램된 콘트롤러를 포함하는 어셈블리에 결합된 스퍼터링 타겟의 두께 측정 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 버블러는 타겟 전면에 물리적으로 접촉하지 않도록 상기 타겟 전면으로부터 물리적으로 이격된 스퍼터링 타겟의 두께 측정 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 버블러는 상기 변환기로 및 변환기로부터의 음파 에너지의 완전한 투과성 전달을 제공하는 개구(opening)를 갖는 노즐을 포함하는 어셈블리에 결합된 스퍼터링 타겟의 두께를 측정하는 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 변환기는 상기 타겟의 전면 및 상기 타겟의 전면/결합면 계면으로부터의 연속하는 에코들 각각의 수용에 앞서 간섭 에코의 수용을 막기 위해 노즐 개구로부터 거리를 두고 상기 버블러 내부에 위치하는 어셈블리에 결합된 스퍼터링 타겟의 두께를 측정하는 장치.
스퍼터 타겟 어셈블리의 구성 요소의 비접촉 초음파 두께 측정 방법으로서,

a) 상기 어셈블리를 설치 부재 상에 고정시키는 단계와,

b) 상기 구성 요소의 표면에 인접한 버블러 어셈블리를 제공하는 단계와,

c) 상기 버블러 어셈블리에 대한 상기 스퍼터 타겟 어셈블리의 거동을 제공 하고 데이타 획득 주파수에 대한 상기 거동을 비동기적으로 연관시키는 단계와,

d) 순차적으로 상기 구성 요소의 표면에 상기 버블러 어셈블리를 관통하는 음파 에너지의 펄스를 조사하는 단계와,

e) 상기 음파 에너지의 펄스에 의해 유도된 연속하는 에코들을 검출하는 단계와,

f) 상기 연속하는 에코들 사이의 시간 간격을 결정함으로서 상기 구성 요소의 두께를 결정하는 단계를 포함하며,

상기 버블러 어셈블리는 상기 표면에 데이타 획득 주파수에서 음파 에너지로 조사하기 위한 음파 에너지 방출 수단을 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 구성 요소는 타겟을 포함하고, 상기 타겟 어셈블리는 부가적으로 상기 타겟에 부착된 배킹 판을 포함하고, 상기 타겟은 전면 및 상기 배킹 판에 부착된 후면을 포함하고, 상기 단계 d)는 상기 타겟의 상기 전면에 조사되고 상기 연속하는 에코들은 순차적으로 상기 전면으로부터의 에코들과 상기 후면으로부터의 에코들을 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 25 항에 있어서, 상기 단계 c)는 고정된 위치의 버블러 어셈블리 주위로 상기 타겟 어셈블리를 회전시키는 단계를 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 26 항에 있어서, 상기 데이타 획득 주파수는 고정된 동일한 간격을 포함 하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 27 항에 있어서, 상기 타겟 어셈블리는 실질적으로 "U"형 횡단면을 갖는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 26 항에 있어서, 상기 단계 c)는 상기 측정 동안 상기 타겟 어셈블리의 회전 속도를 변동시키는 단계를 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
스퍼터 타겟 어셈블리의 구성 요소의 비접촉 초음파 두께 측정 방법으로서,

a) 상기 어셈블리를 설치 부재상에 위치시키는 단계와,

b) 상기 표면에 음파 에너지를 데이타 획득 주파수에서 조사하기 위해 상기 구성 요소의 표면에 인접한 음파 에너지 조사 소스를 제공하는 단계와,

c) 상기 음파 에너지 조사 소스에 대한 상기 스퍼터 타겟 어셈블리의 거동을 제공하고 상기 데이타 획득 주파수에 대한 상기 거동을 비동기적으로 연관시키는 단계와,

d) 순차적으로 상기 구성 요소의 표면에 상기 음파 에너지 조사 소스로부터의 음파 에너지의 펄스를 조사하는 단계와,

e) 상기 음파 에너지의 펄스에 의해 유도된 연속하는 에코들을 검출하는 단계와,

f) 상기 연속하는 에코들 사이의 시간 간격을 결정함으로써 상기 요소의 두 께를 결정하는 단계를 포함하는 비접촉 초음파 두께측정 방법.
제 30 항에 있어서, 상기 구성 요소는 타겟을 포함하고, 상기 타겟 어셈블리는 부가적으로 상기 타겟에 부착된 배킹 판을 포함하고, 상기 타겟은 전면 및 상기 배킹 판에 부착된 후면을 포함하고, 상기 단계 d)는 상기 타겟의 상기 전면에 조사되고 상기 연속하는 에코들은 순차적으로 상기 전면으로부터의 에코들과 상기 후면으로부터의 에코들을 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 31 항에 있어서, 단계 c)는 상기 음파 에너지 조사의 고정 위치 소스 주위에 상기 타겟 어셈블리를 회전시키는 단계를 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 32 항에 있어서, 상기 데이타 획득 주파수는 고정된 동일한 간격을 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 33 항에 있어서, 상기 타겟 어셈블리는 실질적으로 "U"형 횡단면을 갖는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.
제 32 항에 있어서, 상기 단계 c)는 상기 측정 동안 상기 타겟 어셈블리의 회전 속도를 변동시키는 단계를 포함하는 비접촉 초음파 두께 측정 방법.