(57)【要約】  物理的気相成長法におけるスパッタリング・ターゲット２４の表面領域エロージョンをリアルタイムに監視し、制御する方法及び装置。この装置は、バッキング・プレート３４、及び、基板に薄膜を被着させるためにスパッタリングされる表面領域を有するスパッタリング・ターゲット２４を有するスパッタリング・ターゲット組立体３０と、スパッタリング・ターゲットの全表面にわたって、複数モードで超音波を送信し、伝播させ、受信するための、バッキング・プレートの背面に配設された少なくとも１つの変換器３２と、少なくとも１つの変換器に電圧を提供し、少なくとも１つの変換器から受信するためのパルサ／受信器４０と、超音波信号を記録するためのオシロスコープ４２と、異なる位置でのエロージョン深さを決定し、所定量のエロージョンに達するとスパッタリング・ターゲットを交換するためのプログラム論理デバイス４４とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアルタイムにスパッタリング・ターゲットの表面領域エロージョンを監視して、物理的気相成長法を制御する、監視方法において、
バッキング・プレート、及び、基板に薄膜を被着させるためにスパッタリングされる表面領域を有するスパッタリング・ターゲットを有するスパッタリング・ターゲット組立体を準備する段階と、
前記スパッタリング・ターゲットの実質的に全表面にわたって、複数のモードで超音波を送信して伝播させる段階と、
前記スパッタリング・ターゲットの異なる位置でのエロージョンの深さをリアルタイムに監視および決定するために、前記超音波を受信し、受信信号を処理する段階と、
前記スパッタリング・ターゲットが所定量のエロージョンに達すると、前記スパッタリング・ターゲットを交換することによって、物理的気相成長法を制御する段階とを含む監視方法。
【請求項２】
前記スパッタリング・ターゲットのエロージョンの深さを、時間領域解析、周波数領域信号処理、及び時間−周波数信号処理からなる群から選択される信号処理方法によって決定する請求項１に記載された監視方法。
【請求項３】
コントローラが、エロージョンの深さを決定し、動作中に所定量のエロージョンに達すると、警報を発する請求項１に記載された監視方法。
【請求項４】
パルサ／受信器を、超音波の発生および受信に利用する請求項１に記載された監視方法。
【請求項５】
単一の変換器を、信号を送受信するためにデュアル・モードで使用する請求項１に記載された監視方法。
【請求項６】
前記変換器が圧電素子である請求項５に記載された監視方法。
【請求項７】
少なくとも２つの変換器を使用して、１つの変換器により超音波を送信および伝播させ、他の変換器により超音波を受信する請求項１に記載された監視方法。
【請求項８】
前記変換器が圧電素子である請求項７に記載された監視方法。
【請求項９】
物理的気相成長法処理の間、スパッタリング・ターゲットの表面領域エロージョンをリアルタイムに監視する装置において、
バッキング・プレート、及び、基板に薄膜を被着させるためにスパッタリングされる表面領域を有するスパッタリング・ターゲットを有するスパッタリング・ターゲット組立体と、
前記スパッタリング・ターゲットの実質的な全表面にわたって、超音波を送信、伝播、および受信するために、前記バッキング・プレートの背面に配設された少なくとも１つの変換器と、
前記少なくとも１つの変換器に電圧を供給し、前記少なくとも１つの変換器から電圧を受信するためのパルサ／受信器と、
送受信される超音波信号を記録するためのオシレータと、
物理的気相成長法処理中に、前記スパッタリング・ターゲットの表面の異なる位置でのエロージョン深さをリアルタイムに監視および決定するためのプログラム論理デバイスとを具備する監視装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの変換器が、デュアル・モード圧電素子である請求項９に記載された監視装置。
【請求項１１】
前記バッキング・プレートの周縁部の異なる位置に配設された２つの変換器をさらに備え、第１の変換器が超音波信号を送出し、第２の変換器が前記超音波信号を受信するようになっている請求項９に記載された監視装置。
【請求項１２】
圧電素子が、前記バッキング・プレートの前記周縁部で約６７．５°離れて配設される請求項１１に記載された監視装置。
【請求項１３】
前記スパッタリング・ターゲットのエロージョンの深さが、時間領域解析、周波数領域信号処理、及び時間−周波数信号処理からなる群から選択される信号処理方法によって決定される請求項９に記載された監視装置。
【請求項１４】
前記２つの変換器のそれぞれが、信号伝達を増強し、かつ、ノイズ・レベルを減少させる角度で前記バッキング・プレートに配設される請求項１１に記載された監視装置。
【請求項１５】
前記ノイズ・レベルが、信号強度の約３％〜５０％に減少される請求項１４に記載された監視装置。
【請求項１６】
前記プログラム論理デバイスが、エロージョンの深さを決定し、動作中に所定量のエロージョンに達すると、警報を発するようになっている請求項９に記載された監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理的気相成長法において利用されるスパッタリング・ターゲット組立体の表面領域のエロージョンをリアルタイムに監視し、制御する方法及び装置に関するものである。とりわけ、本発明は、物理的気相成長法を制御するために、スパッタリング・ターゲット表面の厚さ変動を正確に監視し、測定する方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
集積回路、フラット・パネル・ディスプレイ、インクジェット・プリント・ヘッド、及びデータ記憶デバイスの製造において、物理的気相成長（ＰＶＤ）法の材料源としてスパッタリング・ターゲットが利用される。スパッタリング・ターゲットは、一般に、高純度の先進の工業材料（例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなど）により作られる。ターゲットは、最終的な用途に応じて、多数の様々なエネルギー集約プロセスによって生産される。ＰＶＤ処理の間、特定の基板に金属薄膜を被着させるためにターゲットが使用される。その結果、典型的なＰＶＤ処理では、ターゲットは、グロー放電プラズマ内に発生したイオンの衝当によってスパッタリングされ、スパッタリング粒子は、基板上で濃縮されて薄膜材料になる。マグネトロン・システムにより、被着速度が大きくなり、均一な被着膜が提供される。ターゲットから分離されて基板に被着される材料は、ターゲット上のプラズマの不均一な分布によって、ターゲットにエロージョンパターンを形成する。そのパターンは不均一であり、許容できない膜形成、ターゲットの最適状態にない使用、及び、当技術分野でターゲットの「パンチスルー（ｐｕｎｃｈ−ｔｈｒｏｕｇｈ）」として知られるターゲットの最終的且つ致命的な破損をもたらす場合がある。図１ａ及び図１ｂに示すように、寿命の終りに近い典型的な２００ｎｍスパッタリング・ターゲットは、目に見える不均一なパターンを示す。
【０００３】
ターゲットのエロージョンを監視し、ＰＶＤ処理法を制御するための、多数の方法が、長年提案されてきた。そのうちの１つの方法は、ターゲットの状態を目視で検査するために、真空チャンバに原始的な開口を設けることである。当然、この手作業による監視方法は、かなりのエネルギー損失および長時間の機器停止を要するため、被着工程中に行なうことができない。
【０００４】
最近になって、その場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）監視システムが開発された。モンケ（Ｍｏｈｎｋｅ）他（ドイツ民主共和国出願公開第２１６２５８号Ａ１）（特許文献１）は、ターゲット上での表面音響波の伝播を利用して、カソード・スパッタリング・プロセスを測定および制御するシステムを開示している。特に、カソード・スパッタリング・ターゲットの表面に設置された２つの変換器を使用して、表面音響波が伝播され受信される。このシステムの欠点の１つは、変換器が、エロージョンゾーンの外側ではあるが、ターゲットの表面に配設され、ターゲット材料の一部が使用されないままになることである。別の欠点は、遅延線の共振周波数が、温度によって変わることである。その結果、ターゲットの表面温度が、感度の高いエロージョン表示となり、そのエロージョン表示は、大きな温度係数および共振周波数に依存する。これに関する技術システムのさらなる欠点は、波の振幅が大幅に減衰するので、それによりエロージョン測定が難しいことである。さらに、ターゲット表面の温度及び圧力場は、表面音響波の速度に有害な影響を及ぼし、それが、移動距離及びエロージョン状態を予測する際の精度を減少させる。
【０００５】
堀（特開昭６３［１９９８］−２９０２７０号）（特許文献２）は、スパッタリング・システムのターゲットの裏側に超音波発振器を取り付け、この超音波発振器からターゲットへ超音波を放射し、ターゲットの共振を検出することによって、スパッタリング・システムのターゲットの厚さを測定する方法を開示している。別のスパッタリング・システムでは、岸本他（特開平６［１９９４］−４１７４４号）（特許文献３）は、超音波送信器及び受信器並びに受信器の出力の算術処理用コントローラを開示する。エロージョン領域と非エロージョン領域の両方のターゲットを通って往復する超音波の伝播速度を測定するための機構が設けられ、生じたターゲットエロージョンの範囲が、コントローラを使用して最小伝播時間と最大伝播時間の比を調べることによって測定される。しかし、後者の２つのシステムでは、超音波送信器は、ターゲットの厚さ方向に波を伝播させるため、ターゲット上の離散的な地点を測定するためには、多数の送信器が必要になる。別の欠点は、操作者が、エロージョン領域と非エロージョン領域の位置を試行錯誤によって予め決めなければならないことである。
【特許文献１】ドイツ民主共和国出願公開（Ａ１）第２１６２５８号明細書
【特許文献２】特開昭６３−２９０２７０号公報
【特許文献３】特開平６−４１７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＰＶＤターゲットのその場監視についての要求に対処するために、ターゲットの表面をリアルタイムに監視する新規な方法及び装置を提供することが、本発明の目的である。
【０００７】
膜被着サイクルの全工程にわたってターゲットのエロージョンを監視する、埋め込まれた音響デバイスを提供することが、本発明の別の目的である。
【０００８】
ターゲットの全域にわたって、かつ、全ターゲットの隅々に波を伝播させる超音波デバイスを使用することが、本発明の別の目的である。
【０００９】
非侵襲的方法で、スパッタリング・ターゲット組立体内で超音波信号を発生させ、検出する２つ以上の音響デバイスを提供することが、本発明のさらなる目的である。
【００１０】
本発明の他の目的及び利点は、明細書、図面、及び特許請求の範囲によって、当業者に明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は、本発明の方法及び装置によって達成される。本発明の一観点によれば、スパッタリング・ターゲットの表面領域エロージョンをリアルタイムに監視し、物理的気相成長法を制御する方法が提供される。この方法は、バッキング・プレート（支持板）、及び、基板に薄膜を被着させるためにスパッタリングされる表面領域を有するスパッタリング・ターゲットを含むスパッタリング・ターゲット組立体を準備する段階と、スパッタリング・ターゲットの実質的な全表面にわたって、複数のモードで超音波を送信し、伝播させる段階と、スパッタリング・ターゲットの異なる位置でのエロージョンの深さをリアルタイムに監視し決定するために、超音波を受信し、受信信号を処理する段階と、スパッタリング・ターゲットのエロージョンが所定量に達すると、スパッタリング・ターゲットを交換することによって、物理的気相成長法を制御する段階とを含む。
【００１２】
本発明の別の観点によれば、物理的気相成長法におけるスパッタリング・ターゲット表面領域のエロージョンをリアルタイムに監視する装置が提供される。この装置は、バッキング・プレート（支持板）、及び、基板に薄膜を被着させるためにスパッタリングされる表面領域を有するスパッタリング・ターゲットを含むスパッタリング・ターゲット組立体と、スパッタリング・ターゲットの実質的な全表面にわたって、超音波を送信し、伝播させ、受信するための、バッキング・プレートの背面に配設された少なくとも１つの変換器と、その少なくとも１つの変換器に電圧を提供し、少なくとも１つの変換器から受信するためのパルサ／受信器と、送受信される超音波信号を記録するためのオシレータ（発振器）又はデジタル化回路／デバイスと、物理的気相成長処理中に、スパッタリング・ターゲット表面の異なる位置におけるエロージョンの深さをリアルタイムに監視し決定するためのプログラム論理（ロジック）デバイスとを含む。
【００１３】
本発明の目的及び利点は、添付図面に関連した、本発明の好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面では、同じ符号は、同じ構成を示す。
【実施例】
【００１４】
本発明は、一部は、ＰＶＤ法で利用されるスパッタリング・ターゲットの表面エロージョンをリアルタイムに監視することに基づいている。本明細書で使用される「リアルタイム」とは、特定のプロセスが実行される際の、表面エロージョンの能動的な又は同時の監視を意味することが当業者によって認識されるであろう。リアルタイムの方法及び装置の開発は、スパッタリング機器の通常の動作中にその場でデータを取得するが、そのことは、通常動作に干渉しない。
【００１５】
図２に示すように、スパッタリング・ターゲット組立体２０が設けられる。組立体は、バッキング・プレート２２、及び、基板上に薄膜層を被着させるためにスパッタリングされる表面を有するスパッタリング・ターゲット２４を含む。図２に示すように、エロージョンパターンは、プラズマがスパッタリング・ターゲット２４の表面に衝突するＰＶＤ処理の間に生じる。スパッタリング・ターゲット２４のエロージョンを監視するために、音響デバイス２６が、バッキング・プレート２２の背面に埋め込まれる。音響デバイスを使用して、スパッタリング・ターゲットを通して超音波を伝播させ、超音波を受信し、それにより、ＰＶＤ処理を妨げることなく、スパッタリング・ターゲット２４のエロージョン状態が監視される。これは、「パルス及びエコー（ｐｕｌｓｅ  ａｎｄ  ｅｃｈｏ）」機構であり、超音波が、音響デバイス２６によって送出され、別の地点の同様のデバイス（図示せず）によって受信される。このデバイスは、次に、パルサ−受信器、オシロスコープ（又はデジタル化回路）、及び、プログラム可能なロジック・コントローラなどのコンピュータに電気接続される。コンピュータは、受信されたデータを解析および解釈し、スパッタリング・ターゲット２４の表面の種々のその場におけるエロージョンの深さを決定する。そのため、オペレータは、スパッタリング・ターゲット２６の残りの寿命を監視することができる。
【００１６】
本発明の別の実施例によれば、また、図３に示すように、２つの音響デバイス３２は、スパッタリング・ターゲット組立体３０のバッキング・プレート３４の背面を通して埋め込まれる。音響デバイスは、ＫＢエアロテック（Ａｅｒｏｔｅｃｈ）によって製造された２．２５ＭＨｚ変換器などの圧電素子にできる。変換器は、スパッタリング・ターゲットの周縁部に「ピッチ及びキャッチ（ｐｉｔｃｈ  ａｎｄ  ｃａｔｃｈ）」配置で配設され、変換器のうちの１つの変換器によって超音波が発信され、他の変換器によって受信される。好ましくは、変換器は、バッキング・プレート３４の周縁部に約０〜１８０°の範囲の角度で、好ましくは、約６７．５°離れて配設される。図４に示すとおり、パルサ／受信器４０を使用して、音響デバイス／変換器３２に過渡的電圧が送出される。パルサ／受信器は、パナメトリックス（Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ）によって提供された５０７７ＰＲ機であり、少なくとも１００ボルトを発生し送出することができる。応力場は、ターゲット組立体３０を通して伝播し、伝播した波は、音響デバイス３２の一方によって受信され、音響デバイス３２の一方は、伝播した波を過渡的な電圧波形に変換する。電圧波形は、パルサ／受信器４０に送信され、パルサ／受信器４０は、次に、電子信号の波形を表示するのに利用されるオシロスコープ（又はデジタル化回路）４２に電圧を送信する。利用されるオシロスコープ（又はデジタル化回路）は、テクトロニクス（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ）によって製造されるＴＤＳ３０５２・５００ｋＭＨｚ機器であることができる。音響固有周波数の分布は、ターゲットの異なる位置でのエロージョン深さをリアルタイムに決定するために使用されるプログラム論理デバイス又はコンピュータに送られる。
【００１７】
さらに別の実施例では、また、図５に示すとおり、バッキング・プレート３４は、ターゲット・プレートの平面の垂線に対して５〜４５°の範囲の角度で穿孔される。音響デバイスは、複数の位置でバッキング・プレート３４内に配置される。伝播波に関連するノイズ・レベルが、約３〜５０％だけ減少するように、信号伝達が増強される。当然、複数の音響デバイス３２が、プロセスにおいて使用できる。
【００１８】
信号処理技術と組合せた音響監視技術が、ＰＶＤ処理の間に不均一に形成されたスパッタリング・ターゲットのエロージョンパターンの監視に利用できる。その結果、スパッタリング・ターゲットの寿命の期待値の予測が、途切れることなく行われることができる。
【００１９】
埋め込まれた圧電変換器によって励起されたスパッタリング・ターゲットの過渡的応答を収集するプロセスが実行される。特定のターゲットのエロージョン状態を決定するために、種々の信号処理技術が波形に適用される。解析に使用される信号処理方法は、（ｉ）マルチモード・ガイド波の分散曲線作成（ｄｉｓｐｅｅｒｓｉｏｎ  ｃｕｒｖｅｓ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）に基づく時間−周波数解析（再割り当てスペクトログラム（ｒｅａｓｓｉｇｎｅｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ）とも呼ばれる）、（ｉｉ）指標抽出（ｉｎｄｅｖ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）に基づく相互相関（時間領域解析とも呼ばれる）、及び、（ｉｉｉ）相互スペクトル密度推定（ｃｒｏｓｓ−ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）（周波数領域信号処理とも呼ばれる）を含む。この音響監視システムは、ＰＶＤサイクルを妨げることなく、スパッタリング・ターゲット組立体の寿命の終りの検出をリアルタイムに監視するために、ＰＶＤ処理法に組み込まれる。
【００２０】
パルサ／受信器４０は、接合されたスパッタリング・ターゲット内に誘導される板波を発生させ、検出する。エロージョンの程度を知るために、波形が、収集され、処理される。バッキング・プレート及びスパッタリング・ターゲット組立体の分散曲線は、時間−周波数解析を利用することによって作成される。異なるエロージョンの程度の接合されたスパッタリング・ターゲットの分散曲線との比較が行われ、時間領域における相互相関技術を適用して、エロージョンパターンの深さの程度が識別される。相関のスペクトル密度推定も計算される。
【００２１】
リアルタイムに、スパッタリング・ターゲットを監視し、ＰＶＤ処理を制御するために利用される音響監視及び信号処理技法は、以下の実施例を参照して詳細にさらに述べられる。しかし、これは、本発明を制限するものと考えられるべきでない。
【００２２】
「実施例」
機器は、図４に示すように構成された。パルサ／受信器３４は、５００ｋＨｚの中心周波数で１００ボルトの矩形パルスを発生させ、送信用音響デバイス３２に送出し、また、デジタル・オシロスコープ４２をトリガーするために同期化パルスを供給した。送信用音響デバイス３２によって励起された伝播音響場は、接合されたスパッタリング・ターゲットの表面変動と相互作用し、一定の分散特性を有する誘導波を生じさせた。接合されたスパッタリング・ターゲットに沿って伝播する誘導波は、受信用音響デバイス３２によって収集された。収集された信号は、オシロスコープによってデジタル波形として保管され、信号処理のためにコンピュータ４４に送信された。
【００２３】
図２を参照すると、接合されたスパッタリング・ターゲット組立体は、銅材料から製造されたバッキング・プレート２２、タングステン／チタンのスパッタリング・ターゲット２４、及び両者の間の薄い接合層（たとえば、はんだ）を含んだ。バッキング・プレートの厚さは、６．８０ｍｍであり、スパッタリング・ターゲット・プレートは６．６０ｍｍであり、両者の間のはんだ接合層は０．５１ｍｍの厚さであった。
【００２４】
被着工程の間、磁界がバッキング・プレートの下面に印加される結果、スパッタリング・ターゲットは、プラズマがターゲットと相互作用する領域において最も速くエロージョンを受ける傾向があり、スパッタリング・ターゲットの表面に溝が形成される。本明細書では、内側、外側、及び中央エロージョンゾーンと名付けられた、３つの異なるエロージョン溝が識別された。エロージョンのプロファイルは、図６に示される。内側エロージョン及び外側エロージョンゾーンからスパッタリング・ターゲットの中心までの距離は、それぞれ、６３．５０ｍｍ及び１１４．３０ｍｍであった。中央エロージョンゾーンは、スパッタリング・プロセス全体を通して、内側及び外側エロージョンゾーンと比較して最も浅いエロージョン領域であった。スパッタリング・ターゲットは、最も強いマグネトロン作用のために、外側エロージョンゾーンにおいて最も急速にエロージョンを受けた。外側エロージョンの深さが、安全のための一定の余裕を除いてスパッタリング・ターゲット厚さに近づくと、スパッタリング・ターゲットは、新規のスパッタリング・ターゲットに交換される。そのため、外側エロージョン溝の深さの増加は、スパッタリング・ターゲットの寿命の終りを予測する際に重要である。
【００２５】
製造の際に規定されるスパッタリング・ターゲットの公称寿命は、ターゲットの実際の寿命ではなく、信頼性のあるスパッタリングを行なえるための従来の経験値である。信頼性のあるスパッタリングについての試験によるタングステン／チタン・ターゲットの公称寿命は、２１４ｋＷ−ｈｒｓであった。現場での音響監視において観測されたターゲットの実際の寿命は、２７７ｋＷ−ｈｒｓであった。そのため、ターゲットの実際の寿命は、公称寿命より６３ｋＷ−ｈｒｓ長かった。すなわち、利用可能な厚さ３３％の割り増しのターゲット材料が存在する。
【００２６】
リアルタイム監視中、接合されたスパッタリング・ターゲット内で送信用音響デバイスによって放出された誘導音響波は、スパッタリング・プロセスが進行している際に、受信用音響デバイスにより収集された。異なるエロージョンの程度の３つのエロージョン溝の臨界厚さ変動が記録された。種々のエロージョンの程度を有するスパッタリング・ターゲットに対応する全部で２９の波形の組が、その場での試験全体を通して収集された。新規プレート、エロージョンの軽いプレート（公称寿命の３３．３３％）、及びエロージョンの深いプレート（公称寿命の１３０．４８％）として指定された、接合されたスパッタリング・ターゲットについての３つの典型的な波形の事例が、表にされ、以下の表に示されている。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
同じ伝播距離ｄ＝１０９ｍｍに関して、（ａ）バッキング・プレートだけ、（ｂ）新しいターゲット・プレート、（ｃ）エロージョンの軽いプレート（公称寿命の３３．３３％）、及び（ｄ）エロージョンの深いプレート（公称寿命の１３０．４８％）から収集された過渡的波形が、図７に示される。これらの波形は、２５０ＭＨｚでサンプリングされ、大きな信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を得るために５１２回の平均が取られた。４つの過渡的波形が同じ到達時間を有し、送信用ポートから受信用ポートまで約２４μｓであることが観測される。しかし、同じ波形部分では、バッキング・プレートの場合の振幅の大きさは、新規の及びエロージョンを受けた接合されたスパッタリング・ターゲットの振幅の大きさよりもずっと大きい。任意特定の理論によって拘束されたくはないが、この現象は、バッキング・プレートだけの中での伝播と比較して、このターゲット組立体内の接合された層への歪エネルギーの漏れによると思われる。過渡的波形からエロージョンの程度状態を識別する特徴部を抽出するには、さらなる信号処理が必要とされた。
【００２９】
３つの信号処理方法は、上述した（ｉ）マルチモード・ガイド波の分散曲線作成に基づく時間−周波数解析、（ｉｉ）指標抽出に基づく相互相関、及び、（ｉｉｉ）相互スペクトル密度推定を含むものである。
【００３０】
方法１．時間−周波数解析
弾性波の多くのモードは、導波路内を伝播し、各波モードは、分散関係として知られる固有の速度−周波数関係を有する。導波路の弾性率、材料密度、及び幾何形状寸法により、誘導波の分散関係が左右される。プレート状の導波路でできた多層システムも分散特徴を有し、対応する分散曲線は、材料特性及び各層の厚さに依存する。欠陥部（例えば、エロージョン又は亀裂）が導波路構造の表面又は内部に存在すると、分散曲線は、モード・シフト又はモード変換の形態として、対応する変化を示す。信号処理方法（たとえば、時間−周波数解析など）を利用して、構造の分散関係が決定された。
【００３１】
超音波は、非定常的な周波数信号であり、振幅が、時間と共に変動する。これらの信号は、時間−周波数領域で時間及び周波数の関数としてエネルギー分布の３次元表面によって表示できる。時間−周波数領域への表面の射影は、信号の時間−周波数表示（ＴＦＲ）と呼ばれる。収集された波形に関して、特異なＴＦＲ、再割り当てスペクトログラムが使用された。修正移動窓法（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｍｏｖｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ  ｍｅｔｈｏｄ）（ＭＭＷＭ）に基づく再割り当てスペクトログラム技術は、
【数１】
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として定義される短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）の改良と考えられた。
【００３２】
ここで、ｈ（ｔ）は、窓関数である。ＳＴＦＴスペクトログラム（すなわち、信号のエネルギー分布）は、窓フーリエ変換の絶対値の２乗（ｓｑｕａｒｅｄ  ｍｏｄｕｌｕｓ）であり、時間−周波数領域にプロットされる。しかし、ＳＴＦＴは、時間−周波数領域内で信号のエネルギー分布をそれほど的確に局在化することができない。時間分解能と周波数分解能との間の変換関係は、再割り当て技術を利用することによって改善された。再割り当て理論では、スペクトログラム又はエネルギー分布は、元の座標（ｔ，ｆ）から、エネルギーの広がりが大幅に低減される新しい座標の再割り当て位置に移動する。その結果、高い時間及びスペクトル分解能が提供され、それによって、改善された視覚化が得られた。スペクトログラムについて再割り当てされた新しい座標
【数２】
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及び
【数３】
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は、
【数４】
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として定義された。ここで、Ｓｈ（ｘ，ｔ，ｆ）は、窓関数ｈ（ｔ）を使用した信号ｘのＳＴＦＴ定義であり、ＳＴｈ（ｘ，ｔ，ｆ）及びＳＤｈ（ｘ，ｔ，ｆ）は、それぞれ、窓関数としてｔ・ｈ（ｔ）及び
【数５】
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を有するＳＴＦＴである。再割り当てスペクトログラムは、市販のＭＡＴＬＡＢプログラムにより実施された。
【００３３】
再割り当てスペクトログラム技術が、エロージョンの程度が種々なバッキング・プレート及び接合されたスパッタリング・ターゲットについて収集された過渡的波形に対して使用され、対応する分散関係が決定された。６．８０ｍｍ厚さの銅プレートの解析分散曲線を重ね合わせたバッキング・プレートの再割り当てスペクトログラムが、図８ａに示される。解析分散曲線は、実線（対称モード）及び破線（非対称モード）でプロットされる。ソフトウェア・パッケージ（ＡＧＵ−バレン分散曲線（Ｖａｌｌｅｎ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｃｕｒｖｅ））を利用して、６．８０ｍｍ厚さの銅プレートの解析的な分散曲線が計算された。再割り当てスペクトログラムが同時処理を行うこと、および一定の領域内においてバッキング・プレートの解析分散曲線と実験分散曲線との間の可視容易なモード補間を提供することが観測された。４０μｓ以前では、１ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚの高周波数範囲内の対称モードＳ３、Ｓ４、及び、０．４ＭＨｚ〜０．８ＭＨｚの中間周波数範囲内の対称モードＳ１、Ｓ２の最初の到来領域（２５μｓ〜４０μｓの時間の間）において、実験手法が良好な一致を示すことが分かる。
【００３４】
同じ時間範囲内では、０ＭＨｚ〜０．２ＭＨｚの低周波数範囲内の対称モードＳ０は、このモードではエネルギー密度が低いため、他の対称モードに比較して曲線一致度が低い。４５μｓを超えると、対称モード及び非対称モードが、間隔が密接し、重なるため、個々のモードを識別することが難しい。さらに、バッキング・プレートの境界からの反射が、反射の無い波面に干渉し、混合し始める。
【００３５】
図８ｂは、新規プレートの場合の６．８０ｍｍ厚さの銅プレートの解析分散曲線を重ね合わせた再割り当てスペクトログラムを示す。境界条件及び導波路材料が変わるため、現在の分散曲線は、解析的に作成された銅プレートの分散曲線にわずかしか似ていない。４０μｓ以前では、最初に到来する波束は、解析分散曲線の湾曲領域にもはや一致しない。例えば、１．６ＭＨｚ〜１．８ＭＨｚの高周波数範囲と０．２ＭＨｚ〜０．４ＭＨｚの低周波数範囲の両方のモードが抜けている。さらに、０．６ＭＨｚのモードと０．８ＭＨｚ〜１．２ＭＨｚの周波数範囲のモードは、前方に移っている。タングステン／チタンでの伝達速度が、銅での伝達速度よりもずっと速いので、これらのモード（誘導波伝播中に、材料特性の変化に対する感度が高い）が、銅層に比べて、タングステン／チタン層を通って移動すると思われる。したがって、これらの感度の高いモードは、前方に移動するか、又は、特定の周波数範囲において速く到達する。
【００３６】
図８ｃは、公称寿命の３３％を消費した軽いエロージョンのプレートの再割り当てスペクトログラムを示す。これらの感度の高いモードの前縁は、エロージョンの無いモードと比較して、後方にシフトすることが観測された。例えば、４０μｓ以前では、０．８ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚの周波数範囲の前方モードは、数マイクロ秒後方に移っている。エロージョンが、公称寿命の１３０％まで深くなると、タングステン／チタン層内のこれらの感度の高いモードについての好ましい伝播経路が、薄くかつ狭くなると共に、さらなるタングステン／チタン材料が消費されるため、前方モードのほとんどが、図８ｄに示すように消えた。その結果、いくつかの感度の高いモードは、分散曲線内で、エロージョンが広くかつ深く広がるにつれて、消えるまで連続して後方に移動する。可視化によって、時間−周波数領域における再割り当てスペクトログラムによって解釈されるモード・シフトの一貫した変化が得られ、その後、スパッタリング・ターゲットの、エロージョンの状態及び実際の寿命が、有効に監視できる（図８ｂ〜図８ｄを参照されたい）。
【００３７】
方法２．指標抽出に基づく相互相関
スパッタリング・ターゲットでのエロージョンパターンの進行は、誘導波の分散特性に連続して影響を及ぼし、その結果、波形状の変動がもたらされる。波形状の変動の程度は、タングステン／チタン材料が消費されるにつれて増加する。収集される波形の類似性は、エロージョンの程度を識別するための指標として使用できる。相互相関技術が、エロージョンの程度を識別する類似性特徴の抽出を達成するために選択された。それは、この技術が、２つの相関する信号間の類似性の尺度として使用できるからである。実験波形に関して使用される相互相関技術は、
【数６】
2009503248.tif 000009
として定義される。
【００３８】
ここで、ｘ（ｎ）は、新規プレートについて収集される過渡的波形（参照波形）を表し、ｙ（ｎ）は、エロージョンの程度を有する接合されたスパッタリング・ターゲットについての過渡的波形を表す。Ｒｘｙ（ｍ）は、ｘ（ｎ）が固定され、ｙ（ｎ）が、ｍステップだけ左にシフトされた状態の、ｍ時点におけるｘ（ｎ）とｙ（ｎ）との間の相互相関数列である。ゼロ番目の時間シフトにおけるＲｘｙ（ｍ）の正規化された値は、ｘ（ｎ）とｙ（ｎ）との間の類似性の程度を示す。エロージョン深さが、スパッタリング・ターゲットの厚さに近づくにしたがって、類似性の程度が減少することが予想される。換言すれば、エロージョンの深い場合の波形は、エロージョンの軽い場合の波形に比べて、参照波形に似ていない。
【００３９】
収集された全２９組の波形の組は、相互相関解析のために、実際の寿命について増加順に５つのグループに編成された。この方法を５つのグループの波形に適用した結果は、図９に要約される。エロージョンが無い場合、ゼロ番目の時間シフトにおける正規化された相互相関は、参照波形自体の自己相関（１である）の結果である。エロージョンパターンが現れた後、ゼロ番目の時間シフトにおける相互相関の正規化された値は、さらなるエロージョンの進行に従って減少する。エロージョンの軽いグループは、エロージョンの深いグループに比較して、正規化された高い相互相関値を有すると判断された。グループ２（公称寿命の３０％〜４５％による軽いエロージョン）の正規化された平均相互相関値は、エロージョン無しの場合の約７５％であり、一方、グループ５（公称寿命の１２０％〜１３０％による深いエロージョン）では、平均値は、エロージョン無しの場合のほぼ７％まで下がる。
【００４０】
ゼロ番目の時間シフトにおける相互相関の正規化された平均値は、スパッタリング・ターゲットの寿命がより多く消費されるにつれて、明らかに単調減少傾向を示すことが明示される。こうして、実験波形に関する相互相関技術の解析によって、スパッタリング・ターゲットのエロージョンの程度と実際の寿命を識別するための定量的指標が得られる。正規化された相互相関の値は、グループ内で減少傾向が乱れる場合がある（図９のグループ１及び３を参照されたい）が、スパッタリング・プロセスを通して実際に主要な単調傾向で変化することが注目された。
【００４１】
方法３．相互スペクトル密度推定
スペクトル密度推定は、信号のパワー・スペクトル密度の計算において一般に使用される。ＭＡＴＬＡＢプログラムによって実施される相互スペクトル密度（ＣＳＤ）推定の基本アルゴリズムは、以下の通りである。
ステップ１．それぞれの連続するトレンド除去（ｄｅｔｒｅｎｄｅｄ）データ領域ｘ及びｙに対して、窓ベクトルによって指定された窓関数を適用する。
ステップ２．ｎ点の数を有するそれぞれのデータ領域にＦＦＴ変換を実行する。
ステップ３．変換されたｙ領域と変換されたｘ領域の共役との積をスケーリングすることによって、それぞれの領域のペリオドグラムを形成する。
ステップ４．Ｐｘｙ、ｘ領域とｙ領域の相互スペクトル密度を形成するために、連続する重なり領域（オーバラップ・セクション）のペリオドグラムを平均化する。
【００４２】
相互相関技術は、時間領域において、スパッタリング・ターゲットのエロージョンの程度と実際の寿命を監視する際の、良好な定量的識別を提供する。その後、周波数領域における相互相関の対応するスペクトル密度推定は、エロージョンの程度が増加すると、同じ順序で減少することが予想される。相互相関と同様に、ｘ領域は、新規プレートについて収集された過渡的波形（参照波形）を表し、ｙ領域は、種々のエロージョンの程度を有する接合されたスパッタリング・ターゲットについての過渡的波形を表す。相互スペクトル密度（ＣＳＤ）推定は、収集された波形の５つのグループに関して実施された。ＣＳＤの結果は、図１０に示される。Ａ、Ｂ、及びＣの矩形領域は、接合されたスパッタリング・ターゲットについての変換器による励起された周波数帯域に相当する。領域Ａ（０．４ＭＨｚ〜０．６ＭＨｚ）では、５つのグループのＣＳＤ推定が明確な順序を全く持たず、領域Ｂ（０．８ＭＨｚ〜０．９ＭＨｚ）では、ＣＳＤ推定が、グループ２とグループ３との間で小さな混乱が生じることを除いて良好な順序を示し、領域Ｃ（１．２ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚ）では、被着工程全体を通してターゲットがより多く消費されるにしたがって、予想される減少の順序が示されることが観察される。ＣＳＤ推定は、低周波数範囲ではなく、高周波数範囲において、エロージョンの程度に対して明確な順序を示すことに留意されたい。換言すれば、高周波数領域（１ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚ）は、スパッタリング・ターゲットの厚さ変動に対して感度がより高い。この現象について考えられる１つの説明は、浅いエロージョン溝（軽微な窪み又はノッチのようなもの）は、高周波数モードに匹敵する短い適合性のある波長と相互作用する傾向があることである。さらに、エロージョンが増加するにつれて、長い適合性のある波長又は低周波数モードが起こって、深いエロージョンと主に相互作用することになる。結果として、高周波数モードは、金属スパッタリングのプロセスにおいてエロージョンとの主な相互作用が小さく、完全なエロージョンのプロセスを記録する。
【００４３】
この結果により、信号処理方法と組合せた音響監視技術が、ＰＶＤ中に、スパッタリング・ターゲットの不均一な形状のエロージョンパターンを監視するのに利用できることが示される。その結果、スパッタリング・ターゲットの期待寿命の自動予測が、途切れの無い状態で行われることができ、従来の手作業による監視アプローチと比較して、製造休止時間及びエネルギー浪費を最小にする。
【００４４】
スパッタリング・ターゲットのエロージョンの程度及び実際の寿命の状態を識別する特徴を抽出するために、収集された波形に関して３つの信号処理方法が使用された。再割り当てスペクトログラムの時間−周波数解析（方法１）は、バッキング・プレートにおける密接した間隔のマルチモード誘導波を解釈し、接合されたスパッタリング・ターゲットと種々のエロージョンの程度との分散関係の判定を可能にする。エロージョンパターンが深くなるにつれて、時間−周波数解析を有効に使用して、一定の範囲での感度の高い異なるモードの変化を視覚的に局在化できることが示される。これらの感度の高いモードの最初の到来波部分に含まれるこれらの変化は、エロージョンの程度の増大順序の一貫した傾向を示す。相互相関技術（方法２）は、新規スパッタリング・ターゲットとエロージョンされたスパッタリング・ターゲットとの間で、ゼロ番目の時間シフトにおける正規化された相互相関値を抽出することによって、エロージョン進行を検出するための定量的指標を提供する。さらに、相互スペクトル密度推定（方法３）は、１ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚの周波数範囲内のエロージョンパターンの強調表現（ｅｘａｇｇｅｒａｔｉｏｎ）にしたがって減少する相互スペクトル密度を指示する明確な順序を示す。時間−周波数解析及びＣＳＤ推定の結果は全て、埋め込まれた変換器の励起周波数（５００ｋＨｚ）よりも高い、１ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚの周波数範囲において、スパッタリング・ターゲットのエロージョンパターンの進行および実際の寿命の明確な傾向を指示し、その後、中心周波数が１ＭＨｚ〜１．４ＭＨｚの周波数範囲にある一対の広帯域変換器が、接合されたスパッタリング・ターゲットに関する明確な傾向の結果を得るために試験できる。
【００４５】
本発明が、特定の実施例を参照して詳細に述べられたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変更及び修正を行うことができ、また、均等物を使用できることが当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１ａ】スパッタリング・ターゲットの表面上に目に見えるエロージョンパターンを有する、ＰＶＤ処理後の（すなわち、寿命の終り段階に近い）２００ｍｍの従来のスパッタリング・ターゲットを示す図。
【図１ｂ】図１ａに示すターゲットをグラフ表現した図。
【図２】その場での監視システムの断面略図。
【図３】変換器がバッキング・プレートに挿入された、スパッタリング・ターゲット組立体の略図。
【図４】パルサ／受信器、オシロスコープ（又は、デジタル化回路／デバイス）、及びコントローラを含むリアルタイム監視システムを示す図。
【図５】ターゲット・プレート平面の垂線に対して５〜４５°の範囲の角度で、バッキング・プレート内に挿入された音響デバイスを有するターゲット組立体を示す図。
【図６】スパッタリング・ターゲットのエロージョンプロファイルを示す図。
【図７ａ】バッキング・プレートだけにおける収集波形。
【図７ｂ】新規プレートにおける収集波形。
【図７ｃ】エロージョンの軽いプレート（公称寿命の３３．３３％）における収集波形。
【図７ｄ】エロージョンの深いプレート（公称寿命の１３０．４８％）における収集波形。
【図８ａ】解析曲線を重ね合わせた、バッキング・プレートだけにおける波形の再割り当てスペクトログラムを示す図。
【図８ｂ】解析曲線を重ね合わせた、新規プレートにおける波形の再割り当てスペクトログラムを示す図。
【図８ｃ】解析曲線を重ね合わせた、エロージョンの軽いプレート（公称寿命の３３．３３％）における波形の再割り当てスペクトログラムを示す図。
【図８ｄ】解析曲線を重ね合わせた、エロージョンの深いプレート（公称寿命の１３０．４８％）における波形の再割り当てスペクトログラムを示す図。
【図９】ＰＶＤ法全体を通した、正規化された相互相関値対消費のグラフ図。
【図１０】収集波形の相互スペクトル密度推定を示す図。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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