脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法、系统及脉冲激光沉积设备与流程

本发明涉及薄膜材料制造技术领域，尤其涉及一种脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法、系统及脉冲激光沉积设备。

背景技术

现有脉冲激光沉积设备(pulsedlaserdeposition，pld)镀膜过程中，当满足预设制备条件(比如腔内真空度、基片加热、通入气体)时，控制激光器发出的脉冲激光束通过距焦镜后汇聚，并经透射窗进入到真空腔内部，脉冲激光束在靶材的中心聚焦以使靶材物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法线方向传输而形成羽毛状的辉羽(plasmaplume)，最终烧蚀物沉积到基板上形成薄膜。

在整个镀膜过程中，实验人员需要实时准确地监测真空腔内脉冲激光能量状态是否达标、脉冲激光是否正对靶材以及透射窗是否有污点等状态数据，以在异常状态时中断镀膜任务并分析异常故障。但在实际镀膜过程中，只能通过人眼初步判断羽辉亮度和手动操作激光能量计测试真空腔外部的脉冲激光强度是否满足制备工艺需求，而无法获直接取到真空腔内脉冲激光的实时能量数据，在长时间镀膜过程中也无法有效监测和分析透射窗污点和脉冲激光脱靶对真空腔内脉冲激光的实时能量数据的影响，影响镀膜过程系统数据的一致性和稳定性，导致无法准确地分析出故障原因。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法、系统及脉冲激光沉积设备，解决现有脉冲激光沉积设备镀膜过程中无法准确实时监测脉冲激光能量状态是否达标、脉冲激光是否正对靶材以及透射窗是否有污点等状态数据而影响镀膜实时过程控制和故障分析的技术问题。

根据本发明的一个实施例，提供一种脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法，包括：在脉冲激光束进行镀膜时，实时采集真空腔内的辉羽图像；分析实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据；将分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据进行匹配；以及根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。

优选的，所述根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，包括：当分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据均匹配时，判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程正常；否则，判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常。

优选的，所述根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，包括：当分析的聚焦光斑亮度数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的激光器工作异常；当分析的辉羽形状数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的透射窗有污点；以及当分析的激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的脉冲激光光路偏离靶材。

优选的，在所述根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常之后，还包括：当根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常时，提示匹配结果中对应的异常数据。

优选的，所述的脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法，还包括：获取分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据的历史数据；以及分析获取的历史数据以判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因。

根据本发明的另一个实施例，还提供一种脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统，包括：图像采集装置，用于在脉冲激光束进行镀膜时实时采集真空腔内的辉羽图像；图像分析装置，用于分析所述图像采集装置实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据；匹配装置，用于将分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据进行匹配；以及判断装置，根据所述匹配装置的匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。

优选的，所述判断装置用于当所述匹配装置将所述图像分析装置分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据均匹配时，判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程正常；否则，判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常。

优选的，所述判断装置进一步包括：第一判定模块，用于当所述匹配装置将所述图像分析装置分析的聚焦光斑亮度数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的激光器工作异常；第二判定模块，用于当所述匹配装置将所述图像分析装置分析的辉羽形状数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的透射窗有污点；以及第三判定模块，用于当所述匹配装置将所述图像分析装置分析的激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的脉冲激光光路偏离靶材。

优选的，所述的脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统，还包括：异常提示装置，用于当所述判断装置根据所述匹配装置的匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常时，提示匹配结果中对应的异常数据；以及故障分析装置，用于获取分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据的历史数据，并分析获取的历史数据以判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因。

根据本发明的又一个实施例，还提供一种脉冲激光沉积设备，包括激光器、透射窗、真空腔和上述的脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统，所述激光器的脉冲激光穿过所述透射窗正对所述真空腔内的靶材，所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统的图像采集装置透过所述真空腔侧面开孔正对所述空腔内的靶材。

本发明提供的脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法、系统及脉冲激光沉积设备，通过实时采集脉冲激光沉积设备真空腔内的辉羽图像，分析辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据，并将分析出的辉羽图像数据与对应预设标准数据进行匹配，最终根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，准确、方便快捷地实现了脉冲激光沉积设备镀膜过程的实时监控控制，提升了脉冲激光沉积设备镀膜的工作效率和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法的流程示意图。

图2为本发明一个实施例中根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常的流程示意图。

图3为本发明另一个实施例中脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法的流程示意图。

图4为本发明又一个实施例中脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法的流程示意图。

图5为本发明一个实施例中脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统的结构示意图。

图6为本发明一个实施例中判断装置的结构示意图。

图7为本发明另一个实施例中脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统的结构示意图。

图8为本发明再一个实施例中脉冲激光沉积设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1为本发明一个实施例中脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法的流程示意图。如图所示，所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法，包括：

步骤s101：在脉冲激光束进行镀膜时，实时采集真空腔内的辉羽图像。

在脉冲激光沉积设备(pulsedlaserdeposition，pld)镀膜过程中，当满足预设制备条件(比如腔内真空度、基片加热、通入气体)时，可控制激光器发出的脉冲激光束通过距焦镜后汇聚，并经透射窗进入到真空腔内部，脉冲激光束在靶材的中心聚焦以使靶材物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法线方向传输而形成羽毛状的辉羽(plasmaplume)，最终烧蚀物沉积到基板上形成薄膜。在本实施例中，在脉冲激光束进行镀膜过程时，通过在真空腔内侧或外侧配置图像采集装置比如摄像头，实时采集并保存真空腔内靶材物质烧灼而形成的辉羽图像。

步骤s102：分析实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据。

在本实施例中，可通过计算机图像分析处理技术分析出实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据。所述聚焦光斑亮度数据高低可对应表示真空腔内脉冲激光的能量强弱，聚焦光斑亮度越高对应表示真空腔内脉冲激光的能量越强。所述辉羽形状数据可表示激光器发出的脉冲激光束在透射窗是否污点，当存在污点时辉羽形状异常。所述激光光斑在靶材上的位置数据可表示冲激光光路正对或偏离靶材的状态。

步骤s103：将分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据进行匹配。

在本实施例中，可通过试验测试在标准参数条件下的镀膜过程，预先通过在真空腔的内侧或外侧配置图像采集装置比如摄像头采集标准镀膜试验下的标准辉羽图像，进而通过计算机图像分析处理技术分析出标准辉羽图像中的标准聚焦光斑亮度数据、标准辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的标准位置数据，以作为后续镀膜过程控制的标准参考数据。

在本实施例中，在分析出辉羽图像的数据后，将分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准聚焦光斑亮度数据、标准辉羽形状数据和标准位置数据逐项进行匹配，当每项的两者数据近似度在预设数值范围内时判定匹配成功，否则判定匹配失败。

步骤s104：根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。

在本实施例中，可进一步根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。具体的，当分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据均匹配时，判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程正常；否则，判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常。

在本实施例的脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法中，通过实时采集脉冲激光沉积设备真空腔内的辉羽图像，分析辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据，并将分析出的辉羽图像数据与对应预设标准数据进行匹配，最终根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，准确、方便快捷地实现了脉冲激光沉积设备镀膜过程的实时监控控制，提升了脉冲激光沉积设备镀膜的工作效率和稳定性。

参见图2，在本发明另一个实施例中，所述根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，包括：

步骤s201：当分析的聚焦光斑亮度数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的激光器工作异常。

步骤s202：当分析的辉羽形状数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的透射窗有污点。

步骤s203：当分析的激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的脉冲激光光路偏离靶材。

在本实施例中，当分析的聚焦光斑亮度数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的激光器工作异常。当分析的辉羽形状数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的透射窗有污点。当分析的激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据不匹配时，判定脉冲激光沉积设备的脉冲激光光路偏离靶材。通过分析匹配辉羽图像数据，准确、方便快捷地判定脉冲激光沉积设备镀膜异常故障原因。

参见图3，在本发明又一个实施例中，所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法，包括：

步骤s301：在脉冲激光束进行镀膜时，实时采集真空腔内的辉羽图像。

步骤s302：分析实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据。

步骤s303：将分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据进行匹配。

步骤s304：根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。

步骤s305：当根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常时，提示匹配结果中对应的异常数据。

在本实施例中，在当根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常时，可进一步通过语音、信号灯、跳出窗口提示等方式提示匹配结果中对应的异常数据，比如激光器工作异常、透射窗有污点和脉冲激光光路偏离靶材灯，及时、方便快捷地实现了故障异常的提醒，便于工作人员根据异常提醒作对应的故障处理。

参见图4，在本发明再一个实施例中，所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制方法，包括：

步骤s401：在脉冲激光束进行镀膜时，实时采集真空腔内的辉羽图像。

步骤s402：分析实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据。

步骤s403：将分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据进行匹配。

步骤s404：根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。

步骤s405：获取分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据的历史数据。

步骤s406：分析获取的历史数据以判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因。

在本实施例中，可进一步获取分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据的历史数据，并分析获取的历史数据以判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因，通过分析辉羽图像的历史数据可准确、方便快捷地判断出脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因，便于工作人员根据异常提醒作对应的故障处理。

基于上述方法实施例，本发明还提供一种脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统。参见图5，所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统100，包括图像采集装置10、图像分析装置20、匹配装置30和判断装置40。

在脉冲激光沉积设备(pulsedlaserdeposition，pld)镀膜过程中，当满足预设制备条件(比如腔内真空度、基片加热、通入气体)时，可控制激光器发出的脉冲激光束通过距焦镜后汇聚，并经透射窗进入到真空腔内部，脉冲激光束在靶材的中心聚焦以使靶材物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法线方向传输而形成羽毛状的辉羽(plasmaplume)，最终烧蚀物沉积到基板上形成薄膜。在本实施例中，在脉冲激光束进行镀膜过程时，通过在真空腔内侧或外侧配置所述图像采集装置10比如摄像头，实时采集并保存真空腔内靶材物质烧灼而形成的辉羽图像。

在本实施例中，所述图像分析装置20可通过计算机图像分析处理技术分析出所述图像采集装置10实时采集的辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据。所述聚焦光斑亮度数据高低可对应表示真空腔内脉冲激光的能量强弱，聚焦光斑亮度越高对应表示真空腔内脉冲激光的能量越强。所述辉羽形状数据可表示激光器发出的脉冲激光束在透射窗是否污点，当存在污点时辉羽形状异常。所述激光光斑在靶材上的位置数据可表示冲激光光路正对或偏离靶材的状态。

在本实施例中，可通过试验测试在标准参数条件下的镀膜过程，预先通过在真空腔的内侧或外侧配置所述图像采集装置10比如摄像头采集标准镀膜试验下的标准辉羽图像，进而所述图像分析装置20通过计算机图像分析处理技术分析出标准辉羽图像中的标准聚焦光斑亮度数据、标准辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的标准位置数据，以作为后续镀膜过程控制的标准参考数据。

在本实施例中，在所述图像分析装置20分析出辉羽图像的数据后，所述匹配装置30将所述图像分析装置20分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准聚焦光斑亮度数据、标准辉羽形状数据和标准位置数据逐项进行匹配，当每项的两者数据近似度在预设数值范围内时判定匹配成功，否则判定匹配失败。

在本实施例中，所述判断装置40可进一步根据所述匹配装置30的匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常。具体的，当所述匹配装置30匹配的所述图像分析装置20分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据均匹配时，所述判断装置40判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程正常；否则，所述判断装置40判定当前脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常。

在本实施例的所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统100中，通过所述图像采集装置10实时采集脉冲激光沉积设备真空腔内的辉羽图像，所述图像分析装置20分析辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据，所述匹配装置30将所述图像分析装置20分析出的辉羽图像数据与对应预设标准数据进行匹配，最终所述判断装置40根据所述匹配装置30的匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，准确、方便快捷地实现了脉冲激光沉积设备镀膜过程的实时监控控制，提升了脉冲激光沉积设备镀膜的工作效率和稳定性。

参见图6，在一些实施例中，所述判断装置40进一步包括第一判定模块401、第二判定模块402和第三判定模块403。在本实施例中，当所述匹配装置30对聚焦光斑亮度数据与对应预设的标准数据不匹配时，所述第一判定模块401判定脉冲激光沉积设备的激光器工作异常。当所述匹配装置30对辉羽形状数据与对应预设的标准数据不匹配时，所述第二判定模块402判定脉冲激光沉积设备的透射窗有污点。当所述匹配装置30对激光光斑在靶材上的位置数据与对应预设的标准数据不匹配时，第三判定模块403判定脉冲激光沉积设备的脉冲激光光路偏离靶材。所述判断装置40通过分析匹配辉羽图像数据，准确、方便快捷地判定脉冲激光沉积设备镀膜异常故障原因。

参见图7，在本发明的又一个实施例中，所述的脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统100包括图像采集装置10、图像分析装置20、匹配装置30、判断装置40、异常提示装置50和故障分析装置60。

在本实施例中，在所述判断装置40当根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程异常时，所述异常提示装置50可进一步通过语音、信号灯、跳出窗口提示等方式提示匹配结果中对应的异常数据，比如激光器工作异常、透射窗有污点和脉冲激光光路偏离靶材灯，及时、方便快捷地实现了故障异常的提醒，便于工作人员根据异常提醒作对应的故障处理。

所述故障分析装置60可进一步获取所述图像分析装置20分析出的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据的历史数据，并分析获取的历史数据以判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因，通过分析辉羽图像的历史数据可准确、方便快捷地判断出脉冲激光沉积设备的镀膜过程中的异常原因，便于工作人员根据异常提醒作对应的故障处理。

图8为本发明再一个实施例中脉冲激光沉积设备的结构示意图。如图所示，所述脉冲激光沉积设备，包括真空腔1、激光器2、透射窗3和上述实施例中的脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统100。

在本实施例中，所述激光器2可产生脉冲激光通过距焦镜后汇聚，脉冲激光穿过所述透射窗3正对所述真空腔内的靶材4，脉冲激光束在所述靶材4的中心聚焦以使所述靶材4物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法线方向传输而形成羽毛状的辉羽5，烧蚀物沉积到基板6上而形成薄膜。

所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统100的图像采集装置透过所述真空腔1侧面开孔正对所述空腔内的靶材4，所述脉冲激光沉积设备的镀膜控制系统100实时采集真空腔1内辉羽5的图像数据，分析辉羽图像中的聚焦光斑亮度数据、辉羽形状数据和激光光斑在靶材上的位置数据，并将分析出的辉羽图像数据与对应预设标准数据进行匹配，最终根据匹配结果判断脉冲激光沉积设备的镀膜过程是否正常，准确、方便快捷地实现了脉冲激光沉积设备镀膜过程的实时监控控制，提升了脉冲激光沉积设备镀膜的工作效率和稳定性。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。