TWI409354B - 即時監視與控制濺鍍靶材侵蝕 - Google Patents

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Description

即時監視與控制濺鍍靶材侵蝕
本發明係有關一種在即時監視及控制物理汽相沈積製程中所使用的濺鍍靶材組合件的表面區域侵蝕之方法及設備。本發明尤其有關一種精確地監視並量測濺鍍靶材的表面上之厚度變化以控制物理汽相沈積製程之方法。
於形成積體電路、平板顯示器、噴墨列印頭、及資料儲存裝置時，濺鍍靶材是在物理汽相沈積(PVD)製程中所使用的材料來源。通常係由高純度的極先進之工程材料(例如，鉭、鈦、銅、鋁、金等的材料)製成濺鍍靶材。視最終應用而定，係經由一些不同的能量密集製程來製造該等靶材。在PVD製程期間，利用該等靶材在一特定基材上沈積一金屬薄膜。因此，在一典型的PVD製程中，係以在一輝光放電電漿中之離子的轟擊而濺鍍該靶材，且該等被濺鍍的微粒在該基材上凝結(condensed)成為薄膜。磁控系統將高沈積速率及均勻性提供給被沈積的薄膜。由於該靶材上的電漿之不均勻分佈，所以自該靶材脫離且沈積在該基材上的材料在該靶材上產生了侵蝕圖案。該等圖案是不均勻的，且可能導致無法接受的薄膜形成、以及對該濺鍍靶材的非最佳使用，而且最終將造成在此項技術中被稱為靶材的“擊穿”(“punch－through”)之嚴重缺陷。如第1(a)及(b)圖所示，接近使用期限的一典型的200毫米濺鍍靶材呈現可見的不均勻之侵蝕圖案。
在過去已提出了一些用來監視靶材的侵蝕並控制PVD製程之方法。一種此類方法包括用來目視檢查靶材的狀態的真空室之初期開孔。當然，在進行沈積製程時，無法此用此種人工監視操作，這是因為此種方式將造成大量的能量流失以及冗長的設備停工時間。
最近，已經開發出在原位監視的系統。Mohnke等人(德國專利216,258 A1)揭示了一種將靶材上的表面聲波之傳播用來量測並控制陰極濺鍍製程之系統。尤其係採用被安裝在陰極濺鍍靶材表面上的兩個換能器，以傳播及接收表面聲波。與該系統有關的一個缺點在於：雖然係將該等換能器配置在侵蝕區以外的靶材之表面上，但是仍然有部分的靶材材料未被利用到。另一缺點在於：延遲線的諧振頻率是與溫度有關的。因此，靶材的表面溫度是侵蝕的敏感指標，而侵蝕又與高的溫度係數及諧振頻率有關。相關技術的系統之進一步的缺點在於：聲波的振幅大幅衰減，而使侵蝕的量測變得困難。此外，靶材表面上的溫度及壓力場對表面聲波的速度有不利的影響，因而又降低了預測行進距離及侵蝕狀態的準確性。
Hori(日本專利63[1998]－290,270 A)揭示了一種量測濺鍍系統中之目標厚度之方法，該方法包含下列步驟：將一超音波振盪器連接到該濺鍍系統中之靶材的背面；自該超音波振盪器將超音波輻射到該靶材；以及偵測該靶材的諧振。在另一濺鍍系統中，Kishimoto等人(日本專利6[1994－41,744])揭示了一種超音波發射器及接收器、以及一種用來對該接收器的輸出進行算術處理的控制器。作出一種量測在靶材的被侵蝕區及未被侵蝕區之間來回進行的超音波的傳播時間之配置，且使用一控制器檢查最短與最長傳播時間之間的比率，而量測發生靶材侵蝕的程度。然而，在該等後兩種系統中，超音波發射器係沿著靶材的厚度方向傳播超音波。因此，許多發射器必須量測靶材上的一些被審慎考慮的點。另一缺點在於：操作員必須經由嘗試錯誤法而預先決定侵蝕及非侵蝕區的位置。
為了符合在原位監視PVD靶材的要求，本發明之一目的在於提供一種用來即時監視靶材表面的新穎之方法及設備。
本發明之另一目的在於提供一種用在整個薄膜沈積週期中監視靶材的侵蝕之嵌入式音波裝置。
本發明之又一目的在於提供一種用來在整個靶材上且貫穿整個靶材傳播超音波之超音波裝置。
本發明之再一目的在於提供兩種或更多種用來產生超音波信號並以一種非侵入方式偵測濺鍍靶材組合件中之超音波信號之音波裝置。
對此項技術具有一般知識者在參閱本說明書、圖式、以及本說明書之後的申請專利範圍之後，將可易於了解本發明之其他目的及優點。
本發明之方法及裝置可達到前文所述之目的。根據本發明的一觀點，提供了一種即時監視濺鍍靶材的表面區域侵蝕並控制物理汽相沈積製程之方法。該方法包含下列步驟：提供一濺鍍靶材組合件，該濺鍍靶材組合件包含一背板(backing plate)及一濺鍍靶材，該濺鍍靶材具有一將被濺鍍而使薄膜沈積在基材上之表面區域；在濺鍍靶材的實質上整個表面之上發射並傳播多種模式的超音波；接收該等超音波，並處理所接收到的信號，以便即時監視並決定該濺鍍靶材的不同位置上之侵蝕深度；以及在到達該濺鍍靶材的預定侵蝕量時，藉由更換該濺鍍靶材來控制物理汽相沈積製程。
根據本發明的另一觀點，提供了一種即時監視物理汽相沈積製程中之濺鍍靶材的表面區域侵蝕之設備。該設備包含：一濺鍍靶材組合件，該濺鍍靶材組合件包含一背板及一濺鍍靶材，該濺鍍靶材具有一將被濺鍍而使薄膜沈積在基材上之表面區域；通過該背板的背面而被配置之至少一換能器，用以在濺鍍靶材的實質上整個表面之上發射、傳播、及接收超音波；一脈波產生器/接收器，用以提供電壓並接收來自至少一換能器的電壓；一振盪器或一數位化電路/裝置，用以記錄所發射的及接收的超音波信號；以及一程式邏輯裝置，用以在物理汽相沈積製程期間即時監視並決定該濺鍍靶材表面的不同位置上之侵蝕深度。
本發明係部分地根據對PVD製程中所使用的濺鍍靶材的表面侵蝕之即時監視。熟悉此項技術者當可了解，本說明書中使用的“即時”(“real－time”)意指在進行特定製程時對表面侵蝕的實行中之或同時之監視。即時方法及設備的開發係在濺鍍設備的正常操作期間於原位取得資料，且該方法及設備並不會干擾到該濺鍍設備的正常操作。
如第2圖所示，提供了一種濺鍍靶材組合件20。該組合件包含一背板22以及一濺鍍靶材24，該濺鍍靶材24具有一將被濺鍍而使一薄膜層沈積於一基材上之表面。如圖所示，於電漿被施加於濺鍍靶材24的該表面之PVD製程期間，產生了侵蝕圖案。為了監視濺鍍靶材24的侵蝕，一音波裝置26被嵌入背板22的背部。係將該音波裝置用來傳播超音波通過該濺鍍靶材並接收該超音波，以便在不中斷該PVD製程的情形下監視濺鍍靶材24的侵蝕狀態。這是一種“脈波回波”(“pulse and echo”)配置，其中，音波裝置26發出超音波，且該等超音波被另一點上的一類似裝置(圖中未顯示出)所接收。該裝置又在電性上被連接到一脈波產生器/接收器、一示波器(或一數位化電路)、以及諸如一可程式邏輯控制器等的電腦(圖中未示出)，該電腦分析並解譯所接收的資料，且決定濺鍍靶材24的表面的各位置上之侵蝕深度。因此，操作人員具有監視音波裝置26的剩餘使用時間之能力。
依據本發明的另一實施例，且如第3圖所示，兩個音波裝置32被嵌入濺鍍靶材組合件30的背板34之背部。該等音波裝置可以是諸如KB Aerotech公司所製造的2.25 MHz(百萬赫茲)換能器等的壓電元件。該等換能器係以一種“一發一收法”(“pitch and catch”)之佈置方式而被配置在該濺鍍靶材的周圍，其中，該等換能器中之一換能器產生超音波，且該等超音波被另一換能器所接收。該等換能器最好是在範圍自大約0度至180度間之一角度下(且最好是在被設定為大約67.5度之角度下)被配置在背板34的周圍。如第4圖所示，一脈波產生器/接收器40被用來將一暫態電壓傳送到音波裝置/換能器32。該脈波產生器/接收器可以是Panametrics公司所供應的一5077PR儀器，且該脈波產生器/接收器可產生並傳送至少100伏特。一應力場傳播通過濺鍍靶材組合件30，且被傳播的波被該等音波裝置32中之一音波裝置接收，且該音波裝置將所接收到的波轉換為暫態電壓波形。該電壓波形被傳送到脈波產生器/接收器40，脈波產生器/接收器40又將該電壓傳送到一被用來顯示電子信號的波形之示波器(或一數位化電路)42。所使用之該示波器(或數位化電路)可以是Tektronix公司所製造的一TDS3052 500kMHz儀器。音波自然頻率的分佈被傳送到一程式邏輯裝置或電腦，用以即時決定該靶材的不同位置上之侵蝕深度。
在另一實施例中，且如第5圖所示，在與靶材板的平面之垂直線呈一範圍自5至45度間之角度下將背板34鑽孔。該等音波裝置被放置在該孔中之一些位置上。當將與傳播波相關聯的雜訊位準減少大約3－50%時，信號傳輸將被增強。當然，可將一些音波裝置(32)用於該程序。
於PVD製程期間，可將音波監視技術配合信號處理技術用來監視濺鍍靶材的不均勻形狀之侵蝕圖案。因此，可以一種不中斷之方式作出對濺鍍靶材的預期使用時間之預測。
實施該程序，以便取得被嵌入的壓電換能器所激發的該濺鍍靶材之暫態回應。將各種信號處理技術應用於該等波形，以便決定特別靶材的侵蝕狀態。該分析中採用的信號處理方法包括：(i)以時間－頻率分析為基礎的多模導波(multimode guide wave)之分散曲線發展(也被稱為重指定頻譜圖；(ii)以交互相關(cross－correlation)為基礎之索引提取(也被稱為時域分析)；以及(iii)交叉頻譜密度估計(也被稱為頻域信號處理)。在PVD製程中加入該音波監視系統，用以在不斷PVD週期之情形下即時監視濺鍍靶材的使用期間結束偵測。
脈波產生器/接收器40產生並偵測被接合的濺鍍靶材中之導引板波。取得並處理波形，以便識別侵蝕程度。利用時間－頻率分析法建立該背板及該濺鍍靶材組合件之分散曲線。比較不同侵蝕程度的被接合的濺鍍靶材之分散曲線，並應用時域中之交互相關技術，以便識別該等侵蝕圖案的嚴重程度。也計算出交互相關的頻譜密度估計值。
現在將參照下文中例子而進一步詳細說明用來即時監視濺鍍靶材並控制PVD製程的音波監視及信號處理技術，然而，不應將該例子詮釋為對本發明的限制。
例子
如第4圖所示而準備儀器。脈波產生器/接收器40產生中心頻率為500kHz的100伏特之方波，並將該方波傳送到發射音波裝置32，且提供一同步脈波，用以觸發數位示波器42。發射音波裝置32所激發的的傳播音場與該被接合的濺鍍靶材之表面變化相互作用，而造成具有某些分散特性的導波。接收音波裝置32取得沿著該被接合的濺鍍靶材傳播的該等導波。所取得的信號被該示波器儲存為數位波形，且被傳送到電腦44，以供信號處理。
請參照第2圖，該被接合的濺鍍靶材組合件包含以銅材料製造的一背板22、由鎢/鈦構成的一濺鍍靶材24、以及介於以上兩者之間的一接合薄層(例如，銲料)。該背板的厚度為6.80毫米，該濺鍍靶材板的厚度為6.60毫米，且介於以上兩板之間銲料接合層之厚度為0.51毫米。
在沈積製程期間，該濺鍍靶材有可能在電漿因被施加在該背板下面上的磁場而與該靶材相互作用之區域中最快速地被侵蝕，而在該濺鍍靶材的表面上產生了溝槽。識別出三種不同的侵蝕溝槽，這三種侵蝕溝槽在本說明書中被命名為內、外、及中央侵蝕區。第6圖中示出該侵蝕輪廓。自內侵蝕區及外侵蝕區到該濺鍍靶材的中心之距離分別為63.50毫米以及114.30毫米。在整個濺鍍製程中，與該內及外侵蝕區相比，該中央侵蝕區是最淺的侵蝕區。該濺鍍靶材的外侵蝕區由於受到最強的磁控效應，所以該外侵蝕區最迅速地被侵蝕。當該外侵蝕區的深度接近為安全性而設定的該濺鍍靶材厚度之某一極限時，即以一新的濺鍍靶材替換該濺鍍靶材。因此，該外侵蝕溝槽的深度之遞增量對於該濺鍍靶材的使用期限終止之預測是很重要的。
製造工廠所界定的一濺鍍靶材之標稱使用期限不是該靶材的實際使用期限，但在基於可靠的濺鍍之習知經驗值卻是實際使用期限。被測試的鎢/鈦靶材之基於可靠的濺鍍之標稱使用期限是214千瓦－小時(kW－hrs)。在原位音波監視中觀測到的該靶材之實際使用期限是277千瓦－小時。因此，該靶材的使用期限比標稱使用期限長63千瓦－小時，亦即，可利用該靶材的33%之額外厚度。
在即時監視期間，在濺鍍製程進行時，該接收音波裝置取得該被接合的濺鍍靶材中由該發射音波裝置所產生的導引音波。記錄在不同侵蝕程度下的三個侵蝕溝槽之關鍵厚度變化。在整個原位測試期間總共取得了與具有不同侵蝕程度的濺鍍靶材對應之二十九組波形。下表中列出被指定為新的板、被輕度侵蝕的板(標稱使用期限的33.33%)、以及被深度侵蝕的板(標稱使用期限的130.48%)的被接合濺鍍靶材的波形之三種典型例子。
第7圖示出在相同的傳播距離d＝109毫米時(a)只在背板、(b)在新的板或目標板、(c)在被輕度侵蝕的板(標稱使用期限的33.33%)、以及(d)在被深度侵蝕的板(標稱使用期限的 130.48%)中得到的暫態波形。係在250 MHz的頻率及平均512次下將這些波形取樣，以便得到高信號雜訊比(SNR)。
可觀測到：該等四個暫態波形具有類似的到達時間，該到達時間是自發射埠至接收埠的時間，大約為24微秒。然而，在相同的波部分之內，在背板情形中之振幅位準遠大於新的及被侵蝕的接合濺鍍靶材之振幅位準。雖然不希望被陣和特定的理論所約束，但是我們相信該現象是由於：與只在背板中傳播相比時，有應變能(strain energy)洩漏到了該靶材組合件中之該等被接合的層。需要進一步的信號處理，以便自該等暫態波形提取用來識別侵蝕程度狀態的特徵。
該等三種信號處理方法包括前文所述的(i)以時間－頻率分析為基礎的多模導波之分散曲線發展；(ii)以交互相關為基礎之索引提取；以及(iii)交叉頻譜密度估計。
方法1.時間－頻率分析
多模的彈性波在一波導中傳播，且每一波模具有一被稱為分散關係(dispersion relation)的特有之速度－頻率關係。一波導的彈性模數(elastic moduli)、材料密度、及幾何尺寸決定了導波的分散關係。由板狀波導構成的一多層系統也具有該分散特徵，且對應的分散曲線係取決於每一層的材料特性及厚度。當缺陷(例如，侵蝕或裂痕)出現在波導結構的表面或內部時，分散曲線以模態轉移或轉換之形式顯示對應的改變。信號處理方法(例如，時間－頻率分析等的方法)被用來決定一結構的分散關係。
超音波是頻率及振幅隨著時間而變的非固定信號。可以係為時頻域中之時間及頻率函數的一個三維能量分佈表面來代表這些信號。該表面對時頻域的投影被稱為信號的時間－頻率表示法(TFRs)。對所取得的波形採用一被稱為重指定頻譜圖之特定TFR。係將基於修正式移動視窗法MMWM)的重指定頻譜圖技術視為短時間傅立葉變換(STFT)的改進，係將該重指定頻譜圖定義為：
其中h(t)是一視窗函數。STFT頻譜圖(亦即，信號的能量分佈)是視窗傅立業變換的平方模數，且係在時頻域中繪製該STFT頻譜圖。然而，該STFT可極精確地找出一信號在時頻域中之能量分佈。使用重指定技術而改善了時間與頻率解析度之間的取捨關係。在重指定理論中，頻譜圖或能量分佈係自其原始座標(t,f)移至能量分佈大幅減少的被重指定位置之新座標。因此，由於提供了輪廓鮮明的時間及頻譜解析度，而得到更佳的視覺效果。係將一頻譜圖的被重指定之新座標及定義為：
其中Sh (x,t,f)是使用視窗函數h(t)時的信號x之STFT定義；ST h (x,t,f)及SD h (x,t,f)是分別以t．h(t)及)為其視窗函數之STFT。係以可自市場上購得的一MATLAB程式來實施該重指定頻譜圖。
係在各種侵蝕程度之下對該背板及該被接合的濺鍍靶材的所取得之暫態波形採用該重指定頻譜圖技術，以便決定對應的分散關係。第8(a)圖示出該背板的重指定頻譜圖、以及重疊的厚度為6.80毫米的一銅板之分析分散曲線。係以實線(對稱模式)及虛線(反對稱模式)繪製該等分析分散曲線。係將一套裝軟體(AGU－Vallen Dispersion Curves)用來計算該厚度為6.80毫米的銅板之分析分散曲線。我們觀測到：該重指定頻譜圖提供了該背板的某些區域內的的分析與實驗分散曲線之同時顯示以及分析與實驗分散曲線間之簡易視覺模式內插。在40微秒之前，顯示出：該實驗程序在1 MHz－1.4 MHz的高頻範圍中之對稱模式S3 、S4 以及0.4 MHz－0.8 MHz的中頻範圍中之對稱模式S1 、S2 之第一到達部分(25微秒－40微秒時間間隔)上提供了良好的匹配。
在該相同的時間範圍內，在0 MHz－0.2 MHz的低頻範圍中之對稱模式S0 中，因該模式中之低能量密度，而比其他的對稱模式有較低的曲線匹配度。在45微秒之後，難以識別個別的模式，這是因為對稱模式及反對稱模式間之間隔緊密，且相互重疊。此外，自該背板的邊界之反射開始與無反射的波前相互作用並混合。
第8(b)圖示出在新的板與厚度為6.80毫米的一銅板之分析分散曲線重疊的情形下之重指定頻譜圖。因為邊界狀況及波導材料改變了，所以目前的分散曲線只與該銅板所產生的分析分散曲線稍微相似。在40微秒之前，第一到達的波封包(wave packet)不再與該等分析分散彎曲的曲線部分匹配。例如，在1.6 MHz－1.8 MHz 的高頻範圍以及0.2 MHz－0.4 MHz的低頻範圍中之模式都不匹配。此外，係向前平移了0.6 MHz以及0.8 MHz－1.2 MHz的頻率範圍中之模式。我們相信：在鎢/鈦中之傳輸速度比銅中之傳輸速度快許多，且在導波傳播期間對材料特性的改變較敏感之這些模式行進通過鎢/鈦層之容易程度將高於行進通過銅層。因此，在特定頻率範圍內，這些敏感的模式係向前移動或較早到達。
第8(c)圖示出已用掉了33%的標稱使用期限的被輕度侵蝕的板之重指定頻譜圖。我們觀測到：與沒有侵蝕的板相比時，這些敏感模式的前緣係向後移動。例如，在40微秒之前，0.8 MHz－1.4 MHz的頻率範圍中之該等向前平移模式此時向後平移了幾微秒。當侵蝕程度深到標稱使用期限的130%時，如第8(d)圖所示，大部分的向前平移模式消失了，這是因為鎢/鈦層中之這些敏感模式的較佳傳播路徑變得較薄且較窄，而且也因為已用掉了額外的鎢/鈦材料。因此，分散曲線中之某些敏感模式持續地向後移動，直到該等敏感模式在侵蝕分佈更寬且更深時消失為止。藉由圖形，可得到時頻域中之重指定頻譜圖所詮釋的模式移動的一致性改變，然後可有效地監視濺鍍靶材的侵蝕程度狀態及實際使用期限(請參閱第8(b)－(d)圖)。
方法2.以交互相關為基礎之索引提取
濺鍍靶材上的侵蝕圖案之進展持續地影響到導波的分散特性，因而將造成波形的變異。當用掉了更多的鎢/鈦材料時，波形變異的程度將增加。可將所取得波形的相似性用來作為一識別侵蝕程度的特徵。選擇交互相關技術以實現對用來識別侵蝕程度狀態的相似性特徵之提取，這是因為可將該技術用來作為兩個相關信號間之相似性量測。係將對實驗波形採用的交互相關技術定義為：
其中x(n)代表在新的板上取得的暫態波形(參考波形)，且y(n)代表在具有侵蝕程度的被接合的濺鍍靶材上取得的暫態波形。Rx y (m)是在x(n)固定且y(n)向左移動m階時的x(n)與y(n)間之交叉相關序列。在第零時間移動時的Rx y (m)之歸一化值指示了x(n)與y(n)間之相似程度。當蝕刻深度接近濺鍍靶材的厚度時，我們預期看到相似程度將減少。換言之，被深度侵蝕的狀況中之波形與被輕度侵蝕的狀況中之參考波形較不相似。
按照交互相關分析的實際使用期限之遞增次序而將整個二十九組所取得的波形組織成五群。第9圖中總結了將該方法應用於這五群波形之結果。在沒有侵蝕時，在第零時間移動時的歸一化交互相關是參考波形本身的自動相關之結果，亦即為一。在侵蝕圖案出現之後，在第零時間移動時的交互相關之歸一化值隨著侵蝕的進一步進行而減少。可決定被輕度侵蝕的群比被深度侵蝕的群有較高的歸一化交互相關值。第2群(具有標稱使用期限的30%－45%之輕度侵蝕)的平均歸一化交互相關值大約是無侵蝕情形的75%；而在第5群(具有標稱使用期限的120%－130%之深度侵蝕)中，平均值下降到大約為無侵蝕情形的7%。
可顯示：當用掉更多的濺鍍靶材使用期限時，第零時間移動時的平均歸一化交互相關值呈現清楚的單調遞減趨勢。因此，利用對實驗波形的交互相關技術之分析，而得到了用來識別濺鍍靶材的侵蝕程度及實際使用期限之一定量指標。請注意，在各群(請參照第9圖中之第1及3群)內，一些歸一化交叉相關值可能擾亂該遞減趨勢，但是該等值無法改變整個濺鍍製程中之主要單調趨勢。
方法3.交叉頻譜密度估計
於計算信號的功率頻譜密度時，經常使用頻譜密度估計。以MATLAB程式實施的交叉頻譜密度(CSD)估計之基本演算法為：步驟1.將由一視窗向量指定的一視窗函數應用於每一連續的去趨勢資料(detrended data)部分x及y。
步驟2.對具有數目為n點的每一資料部分執行快速傅立葉變換(FFT)。
步驟3.調整被變換的y部分與被變換的x部分的共軛之乘積的比例，以便形成每一部分的週期頻譜圖(periodogram)。
步驟4.平均該等連續重疊部分的週期頻譜圖，以便形成x及y部分的交叉頻譜密度Px y 。
該交互相關技術提供了一種良好的定量識別，用以在時域中監視濺鍍靶材的侵蝕程度及實際使用期限；然後，預期頻域中之交互相關的對應的頻譜密度估計將在侵蝕程度增加時顯示類似的遞減順序。與交互相關類似，x部分代表在新的板上取得的暫態波形(參考波形)；且y部分代表在具有各種侵蝕程度的被接合的濺鍍靶材上取得的暫態波形。係對5群的所取得之波形執行交叉頻譜密度(CSD)估計。第10圖中示出該等CSD結果。A、B、及C的長方形區域係對應於利用被接合的濺鍍靶材上的換能器所激發之頻帶。在區域A(0.4 MHz－0.6 MHz)內，我們觀測到：該等五群的CSD估計完全沒有清楚的順序；在區域B(0.8 MHz－0.9 MHz)內，除了第2群及第3群之間發生的輕度混亂之外，CSD估計示出一良好的順序；在區域C(1.2 MHz－1.4 MHz)內，當在整個沈積製程中用掉更多的靶材時，將顯示預期的遞減順序。請注意，與低頻範圍相比時，高頻範圍中之該CSD估計呈現了與侵蝕程度對應的更清楚之順序；換言之，高頻區域(1 MHz－1.4 MHz)對濺鍍靶材的厚度變化更為敏感。對此種現象的一種可能之解釋為：比較像淺凹痕或刻痕的淺侵蝕溝槽較易與等同於高頻模式的相容短波長相互作用。此外，當侵蝕增加時，相容長波長或低頻模式將主要與深侵蝕相互作用。因此，在金屬濺鍍製程中，高頻模式遞減了對侵蝕之主要相互作用，且記錄了完整的侵蝕程序。
該等結果顯示：可將音波監視技術以及信號處理方法用來監視PVD製程期間的濺鍍靶材上之不均勻形狀的侵蝕圖案。因此，可以不中斷狀態之方式自動地作出對濺鍍靶材的預期使用期限之預測，因而與習知的人工監視方法相比時，可將製造的停工時間及能源浪費最小化。
對所取得的波形採用三種信號處理方法，以便提取用來識別濺鍍靶材的侵蝕程度狀態及實際使用期限之特徵。重指定頻譜圖的時間－頻率分析(方法1)解譯背板中之間隔緊密的多模導波，並可決定具有各種侵蝕程度的被接合的濺鍍靶材之分散關係。當侵蝕圖案加深時，已說明可將時間－頻率分析有效地用來以視覺找出某些範圍內的不同的敏感模式之改變。涉及這些敏感模式的第一到達波部分之這些改變顯示了侵蝕程度的遞增順序之一致性趨勢。交互相關技術(方法2)提供了一種用來偵測侵蝕進展的定量指標，其方式為提取第零時間移動時的新的濺鍍靶材與被侵蝕的濺鍍靶材間之歸一化交互相關值。此外，交叉頻譜密度估計(方法3)顯示了清楚的順序，而指示了沿著1 MHz－1.4 MHz的頻率範圍內的侵蝕圖案之擴大而遞減之交叉頻譜密度。時間－頻率分析及SD估計的結果都指示了濺鍍靶材在高於嵌入式換能器的激發頻率(500 kHz)的1 MHz－1.4 MHz頻率範圍內的侵蝕圖案及實際使用期限進展之清楚趨勢；然後，可對該被接合的濺鍍靶材測試具有位於1 MHz－1.4 MHz頻率範圍內的中心頻率之一對寬頻換能器，以便得到清楚趨勢的結果。
雖然已參照本發明的特定實施例而詳細說明了本發明，但是熟悉此項技術者當可了解：可在不脫離最後的申請專利範圍之範圍下，作出並等效地使用各種改變及修改。
20,30．．．濺鍍靶材組合件
22,34．．．背板
24．．．濺鍍靶材
26,32．．．音波裝置
40．．．脈波產生器/接收器
42．．．示波器
44．．．電腦
若參照前文中對本發明的較佳實施例之詳細說明，並配合各附圖，將可易於了解本發明之目的及優點，在該等附圖中，相同的代表表示相同的特徵：第1(a)圖顯示出在PVD製程之後(亦即，接近使用期限)而在濺鍍靶材的表面上具有可見的侵蝕圖案之一200毫米習知濺鍍靶材；第1(b)圖顯示出第1(a)圖所示靶材的示意圖；第2圖係一原位監視系統之剖面示意圖；第3圖係一具有被插入背板的一些換能器的濺鍍靶材組合件之示意圖；第4圖顯示出包含脈波產生器/接收器、示波器(或數位化電路/裝置)、以及控制器之即時監視系統；第5圖顯示出一靶材組合件，該靶材組合件具有被插入背板的一些音波裝置，且該等音波裝置與該靶材組合件的平面之垂直線呈現一範圍自5至45度間之角度；第6圖顯示出一濺鍍靶材的侵蝕輪廓；第7圖顯示出(a)只在背板、(b)在新的板、(c)在被輕度侵蝕的板(標稱使用期限的33.33%)、以及(d)在被深度侵蝕的板(標稱使用期限的130.48%)中取得的波形；第8圖顯示出具有重疊的分析曲線的(a)只在背板、(b)在新的板、(c)在被輕度侵蝕的板(標稱使用期限的33.33%)、以及(d)在被深度侵蝕的板(標稱使用期限的130.48%)中之波形的重指定頻譜圖；第9圖係歸一化交互相關值與對應的整個PVD製程中之耗用程度間之圖形；以及第10圖顯示出所取得的波形之交叉頻譜密度估計。
30．．．濺鍍靶材組合件
32．．．音波裝置
40．．．脈波產生器/接收器
42．．．示波器
44．．．電腦

Claims (16)

  1. 一種即時監視濺鍍靶材的表面區域侵蝕並控制物理汽相沈積製程之方法，包括下列步驟：提供一濺鍍靶材組合件，該濺鍍靶材組合件包含一背板及一濺鍍靶材，該濺鍍靶材具有一將被濺鍍而使薄膜沈積在基材上之表面區域；在該濺鍍靶材的整個表面之上發射並傳播多種模式的超音波；接收該等超音波，並處理所接收到的信號，以便即時監視並決定該濺鍍靶材的不同位置上之侵蝕深度；以及在到達該濺鍍靶材的預定侵蝕量時，藉由更換該濺鍍靶材來控制物理汽相沈積製程。
  2. 如申請專利範圍第1項之監視方法，其中，藉由選自包含時域分析、頻域信號處理、以及時間-頻率信號處理之群組中的信號處理方法來決定該濺鍍靶材上的侵蝕深度。
  3. 如申請專利範圍第1項之監視方法，其中，當在操作期間已到達預定的侵蝕量時，控制器決定侵蝕深度，並發出警示聲。
  4. 如申請專利範圍第1項之監視方法，其中，一脈波產生器/接收器被用來產生及接收該等超音波。
  5. 如申請專利範圍第1項之監視方法，其中，在雙模式下使用單一換能器來發射及接收該信號。
  6. 如申請專利範圍第5項之監視方法，其中，該 換能器為一壓電元件。
  7. 如申請專利範圍第1項之監視方法，其中，使用至少兩個換能器，其中，一換能器發射並傳播該等超音波，而另一換能器則接收該等超音波。
  8. 如申請專利範圍第7項之監視方法，其中，該等換能器為壓電元件。
  9. 一種即時監視物理汽相沈積製程中之濺鍍靶材的表面區域侵蝕之設備，包括：一濺鍍靶材組合件，該濺鍍靶材組合件包含一背板及一濺鍍靶材，該濺鍍靶材具有一將被濺鍍而使薄膜沈積在基材上之表面區域；通過該背板的背面而被配置之至少一換能器，用以在該濺鍍靶材的整個表面之上發射、傳播、及接收超音波；一脈波產生器/接收器，用以提供電壓並接收來自該至少一換能器的電壓；一振盪器，用以記錄所發射及接收的超音波信號；以及一程式邏輯裝置，用以在物理汽相沈積製程期間即時監視並決定該濺鍍靶材表面的不同位置上之侵蝕深度。
  10. 如申請專利範圍第9項之監視設備，其中，該至少一換能器為一雙模式壓電元件。
  11. 如申請專利範圍第9項之監視設備，另包含：配置在該背板的周圍上不同位置處的兩個換能器，其中，一第一換能器發射超音波信號，且一第二換能器接收 該信號。
  12. 如申請專利範圍第11項之監視設備，其中，該等壓電元件係以在該背板的周圍分開約67.5度角之方式來予以配置。
  13. 如申請專利範圍第9項之監視設備，其中，藉由選自包含時域分析、頻域信號處理、以及時間-頻率信號處理之群組中的信號處理方法來決定該濺鍍靶材上的侵蝕深度。
  14. 如申請專利範圍第11項之監視設備，其中，以一角度該等兩個換能器中之每一個換能器係配置於該背板內，以增強信號傳輸並減少雜訊位準。
  15. 如申請專利範圍第14項之監視設備，其中，該雜訊位準的信號強度減少3%至50%。
  16. 如申請專利範圍第9項之監視設備，其中，當在操作期間已到達預定的侵蝕量時，該程式邏輯裝置決定侵蝕深度，並發出警示聲。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101020069B1 (ko) * 2008-06-30 2011-03-11 케이엔디티앤아이 주식회사 자왜효과를 이용한 구조건전성평가용 비접촉 초음파장치
WO2012101744A1 (ja) * 2011-01-24 2012-08-02 三菱電機株式会社 配管長測定システム及び配管長算出装置
US10804083B2 (en) * 2014-07-09 2020-10-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Cathode assembly, physical vapor deposition system, and method for physical vapor deposition
US9791415B2 (en) * 2015-06-25 2017-10-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method for monitoring usage of a physical vapor deposition (PVD) target with an ultrasonic transducer
EP3335036B1 (en) * 2015-08-12 2020-07-29 Triad National Security, LLC Detection and monitoring of changes in metallic structures using acoustic signals
US10996203B2 (en) 2015-08-12 2021-05-04 Triad National Security, Llc Detection, monitoring, and determination of location of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
US10585069B2 (en) 2015-08-12 2020-03-10 Chevron U.S.A. Inc. Detection, monitoring, and determination of location of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
US11525811B2 (en) * 2018-12-28 2022-12-13 Industrial Technology Research Institute Detection system and detection method
CN115572955B (zh) * 2020-12-14 2024-04-26 上海超导科技股份有限公司 靶材凹坑测试装置及其反馈控制走靶方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200415251A (en) * 2002-12-26 2004-08-16 Samsung Electronics Co Ltd Target for sputtering, sputtering device, and sputtering method

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE216258C (zh)
US4305294A (en) * 1980-01-10 1981-12-15 Rockwell International Corporation Ultrasonic apparatus and method for measuring wall thickness
GB2121964A (en) * 1982-06-16 1984-01-04 Secr Defence Ultrasonic testing using mode conversion
JPS63290270A (ja) 1987-05-20 1988-11-28 Toshiba Corp スパッタリング装置におけるタ−ゲットの厚さ測定方法
JP2878409B2 (ja) * 1989-09-04 1999-04-05 株式会社リコー ３次元物体撮像方式
JP2668066B2 (ja) * 1989-12-08 1997-10-27 三井造船株式会社 超音波映像装置用送受波アレイ
DE4022461A1 (de) * 1990-07-14 1992-01-23 Leybold Ag Zerstaeubungskathode
JPH0641744A (ja) 1992-05-26 1994-02-15 Hitachi Ltd スパッタ装置
JPH0688231A (ja) * 1992-09-04 1994-03-29 Nippon Steel Corp スパッタリング装置
US5469742A (en) * 1993-03-09 1995-11-28 Lee; Yong J. Acoustic temperature and film thickness monitor and method
JP3325751B2 (ja) * 1995-07-21 2002-09-17 日立建機株式会社 圧電素子およびその製造方法
JP3360578B2 (ja) * 1997-09-25 2002-12-24 日本鋼管株式会社 鋼板の超音波探傷方法
JP3468678B2 (ja) * 1998-01-20 2003-11-17 松下電器産業株式会社 超音波探触子
JP2000129434A (ja) * 1998-10-26 2000-05-09 Sumitomo Chem Co Ltd スパッタリング用ターゲットの検査方法
US6363787B1 (en) * 1999-12-13 2002-04-02 Bechtel Bwxt Idaho Llc Apparatus and method for measuring the thickness of a coating
JP3913463B2 (ja) * 1999-12-27 2007-05-09 セイコーインスツル株式会社 脈検出装置、及びその製造方法
JP2003014708A (ja) * 2001-07-05 2003-01-15 Mitsubishi Electric Corp 板の非破壊検査装置
JP3704070B2 (ja) 2001-08-17 2005-10-05 三菱電機株式会社 超音波探傷装置
AU2003278808A1 (en) 2002-09-12 2004-04-30 Honeywell International Inc. Sensor system and methods used to detect material wear and surface deterioration
JP2004180974A (ja) * 2002-12-04 2004-07-02 Mie Tlo Co Ltd 超音波診断支援システム
US6811657B2 (en) 2003-01-27 2004-11-02 Micron Technology, Inc. Device for measuring the profile of a metal film sputter deposition target, and system and method employing same
KR20060004956A (ko) * 2003-04-24 2006-01-16 토소우 에스엠디, 인크 초음파를 이용한 스퍼터링 타겟 두께를 비접촉식으로측정하기 위한 시스템 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200415251A (en) * 2002-12-26 2004-08-16 Samsung Electronics Co Ltd Target for sputtering, sputtering device, and sputtering method

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