一种薄膜沉积工艺控制系统及方法与流程

本发明涉及薄膜制造技术领域，尤其涉及一种薄膜沉积工艺控制系统及方法。

背景技术：

现有脉冲激光沉积系统(pulsedlaserdeposition，pld)在制造薄膜时，目前的监控参数一般只有激光能量、腔体气压，然而由于制备薄膜过程中激光窗口容易被所镀材料污染，从而可能大大降低实际打在靶材上的激光能量。另外，由于激光光斑大小只有2-4mm²左右，靶材在使用以后，表面形貌可能发生变化从而改变镀膜速率或者镀膜材料分布。这些不易监控的细节带来了在脉冲激光沉积制备材料时的一个很显著的问题就是材料制备的可控性和可重复性。另外在大面积的薄膜制备时，需要知道脉冲激光沉积时很多点的镀膜速率分布从而控制镀膜扫描速率，对单点的薄膜生长速度的监控也是远远不够的。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种薄膜沉积工艺控制系统及方法，解决现有脉冲激光沉积系统制备大面积薄膜时薄可控性和重复性不佳的技术问题。

根据本发明的实施例，提供一种可以通过测试薄膜沉积速率来监视薄膜工艺的控制系统和方法，用于薄膜沉积装置对薄膜沉积速率进行测试以及工艺控制，所述薄膜沉积装置包括激光器、真空腔，靶材模块以及基片加热组件，所述测试系统包括：厚度测试模块以及与所述厚度测试模块信号连接的计算机设备；

所述厚度测试模块包括设置在所述真空腔内的晶振测试组件以及与所述晶振测试组件传动连接的水平驱动装置，所述水平驱动装置用于驱动所述晶振测试组件在所述真空腔内预设的测试网格中水平移动，所述晶振测试组件用于测试所述测试网格中每个网格点的薄膜生长厚度，所述测试网格位于薄膜生长平面上；

所述计算机设备根据所述晶振测试组件获取的薄膜生长厚度计算所述测试网格中每个网格点的薄膜生长速率，并根据所述每个网格点的薄膜生长速率模拟生成薄膜生长速率分布图。

优选的，所述厚度测试模块为阵列式厚度测试模块，所述晶振测试组件包括：设置在所述水平驱动装置末端的晶振固定台、设置在所述晶振固定台内的冷却装置以及晶振单元组。所述水平驱动装置用于驱动所述晶振固定台在水平方向上来回移动，调节所述晶振固定台平移到薄膜生长平面上，晶振单元组用于能够和薄膜生长平面上的网格点重合，所述冷却装置用于对所述晶振单元组冷却，增长了所述晶振单元组的使用寿命。

优选的，所述水平驱动装置包括：水平驱动电机以及设置在所述水平驱动电机上的水平连接杆，所述水平连接杆末端固定连接在所述晶振固定台一侧上，所述水平连接杆内一端设置所述冷却装置。所述水平驱动电机用于驱动所述水平连接杆向水平方向平移，而所述晶振固定台固定设置在所述水平连接杆末端上，当所述水平驱动电机在驱动所述水平连接杆时，所述晶振固定台也会随着所述水平连接杆的平移而向水平方向进行移动。

优选的，所述晶振单元组包括多个并列设置在所述晶振固定台底部的多个晶振单元。

优选的，所述多个晶振单元为并列固定设置在所述晶振固定台底部的六个晶振单元。

优选的，所述晶振固定台底部与水平面保持平行，且与所述薄膜长生平面处在同一平面上。

优选的，所述基片加热组件包括：贯穿设置在所述真空腔的垂直运动机构以及设置在所述垂直运动机构下的基片加热台模块，所述基片加热台模块设置在所述真空腔内。所述基片加热台模块用于对薄膜基片加热，所述垂直运动机构用于控制所述基片加热台模块上下移动，使得薄膜基片能够处在网格点上。

优选的，所述靶材模块还包括：靶材切换装置，用于标准靶材以及镀膜靶材之间的切换。

根据本发明的一个实施例，还提供了一种薄膜沉积工艺控制系统的方法，所述方法包括步骤：

s100：根据预设的测试条件准备靶材材料；

s101：水平移动设置在真空腔内的厚度测试模块，使得所述厚度测试模块停在薄膜生长平面的测试网格第n列的位置上，其中，所述n≥1，；

s102：打开激光器，溅射制备薄膜，在预设的发射时间截止后，停止发射激光，通过晶振测试结果，计算出所述薄膜在第n列生长平面网格点位置的生长速率；

s103：重复所述步骤s101及所述步骤s102，获取所有网格点位置的生长速率；

s104：通过所述计算机设备模拟得到二维空间的镀膜速率分布图，根据所述镀膜速率分部图，判断是否异常。

优选的，还包括校准所述厚度测试模块。

优选的，所述预设的测试网格为6×6网格，所述所述测试网格从第一列到第六列进行测试。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：通过所述的厚度测试模块用于测试薄膜的厚度，所述的计算机设备用于计算薄膜生长平面不同网格点上的薄膜沉积速率并且存储以供分析，在生长薄膜之前，通过厚度测试模块上测试一段时间薄膜的生长厚度，从而测试出整个晶振平面的厚度分布，计算出薄膜单位时间整个薄膜生长平面上生长速率分布数据，为大面积薄膜沉积的可控性和重复性提供保障。

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薄膜生长速率测试系统结构示意图；

图2为本发明一个实施例中厚度测试模块结构示意图；

图3为本发明一个实施例中薄膜生长平面网格点结构示意图；

图4为本发明另一个实施例中薄膜生长速率测试方法的流程示意图；

图5为本发明另一个实施例中薄膜沉积方法流程示意图。

图中10、激光器；20、真空腔；30、抽真空设备；40、薄膜长生平面；50、厚度测试模块；51、晶振单元组；52、水平连接杆；53、水平驱动电机；54、冷却装置；55、晶振固定台；56、水平驱动装置；60、气体通入设备；70、计算机；80、基片加热组件81、晶片加热台；82、垂直驱动电机；83、垂直连接杆；84、垂直运动机构；90、靶材模块。

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作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。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

图1为本发明一个实施例中薄膜沉积速率测试系统结构示意图。如图1所示，提供一种薄膜沉积工艺控制系统及方法，用于薄膜沉积装置对薄膜沉积速率进行测试及工艺控制，所述薄膜沉积装置包括激光器10、真空腔20，靶材模块90以及基片加热组件80，所述测试系统包括：厚度测试模块50以及与所述厚度测试模块50信号连接的计算机设备70；所述厚度测试模块50包括设置在所述真空腔20内的晶振测试组件以及与所述晶振测试组件传动连接的水平驱动装置56，所述水平驱动装置56用于驱动所述晶振测试组件在所述真空腔20内预设的测试网格中水平移动，所述晶振测试组件用于测试所述测试网格中每个网格点的薄膜生长厚度，所述测试网格位于薄膜生长平面40上；所述计算机设备70根据所述晶振测试组件获取的薄膜生长厚度计算所述测试网格中每个网格点的薄膜生长速率，并根据所述每个网格点的薄膜生长速率模拟生成薄膜生长速率分布图。

进一步的，所述靶材模块90为多个，提高了靶材的切换效率。所述厚度测试模块为阵列式厚度测试模块。所述激光器10用于发射激光，所述真空腔20外还设有抽真空设备30及气氛气体通入设备60。而所述真空腔20能通过所述抽真空设备30将里面的空气抽出，保证所述真空腔20内保持真空状态，避免所述真空腔20内发生杂质，影响了薄膜的生长效率。所述激光器10设置在所述真空腔20外部，其产生的脉冲激光可穿过所述真空腔20的石英玻璃窗口，从而以度角度入射到所述靶材上。通过所述抽真空设备30用于对所述真空腔20进行抽真空处理，所述气氛气体通入设备60用于向所述真空腔20内通入气氛气体，以提供标准的薄膜沉积环境。抽真空，通常为一级机械泵和二级分子泵组合，为薄膜制备提供干净的生长环境。通气氛，气氛的种类为氧气、氩气、氮气等，根据实际的情况决定。激光器10预热，准备溅射。初始化位置，通过垂直运动机构84控制电机将基片加热台81模块向上移动，远离薄膜生长平面40，厚度测试模块50处于薄膜生长平面40的左侧。通过所述的厚度测试模块50用于测试薄膜的厚度，所述的计算机设备70用于计算薄膜生长平面40不同网格点上的薄膜沉积速率并且存储以供分析，在生长薄膜之前，通过厚度测试模块50上测试一段时间薄膜的生长速率，从而测试出整个晶振平面的厚度分布，计算出薄膜单位时间整个薄膜生长平面40上生长速率分布数据，为大面积薄膜沉积的可控性和重复性提供保障。

进一步的，所述计算机设备70为专用计算机，所述专用计算机还用于调节激光器10生长能量密度、气氛和靶材表面形貌等薄膜生长条件以及故障排除提供数据依据。

在本发明实施例中，如图2-3所示，所述晶振测试组件包括：设置在所述真空腔20外侧的水平驱动装置56、设置在所述水平驱动装置56末端的晶振固定台55、设置在所述晶振固定台55内的冷却装置54以及晶振单元组51。所述水平驱动装置56用于驱动所述晶振固定台55在水平方向上来回移动，调节所述晶振固定台55平移到薄膜生长平面40上，晶振单元组51用于能够和薄膜生长平面40上的网格点重合。具体的，通过所述水平驱动装置56将所述晶振固定台55移动到所述薄膜生长平面40上，使得设置在所述晶振固定台55下的晶振单元组51能与所述薄膜生长平面40上网格点重合。在所述基片加热组件80的加热下，同时让所述激光器10上溅射的激光到所述靶材模块90上，通过所述晶振单元组51与所述靶材对应设置，由脉冲激光沉积生长薄膜。但由于在所述基片加热台81模块的加热及所述晶振单元组51工作时间过长，所述晶振单元组51在工作过程中会产生大量的热量，因此，通过所述冷却装置54能对所述晶振单元组51冷却，增长了所述晶振单元组51的使用寿命。

在本发明实施例中，所述水平驱动装置56包括：水平驱动电机53以及设置在所述水平驱动电机53上的水平连接杆52，所述水平连接杆52末端固定连接在所述晶振固定台55一侧上，所述水平连接杆52内一端设置所述冷却装置54。所述水平驱动电机53用于驱动所述水平连接杆52向水平方向平移，而所述晶振固定台55固定设置在所述水平连接杆52末端上，当所述水平驱动电机53在驱动所述水平连接杆52时，所述晶振固定台55也会随着所述水平连接杆52的平移而向水平方向进行移动。由于所述晶振固定台55设置在所述水平连接杆52末端上，所述晶振固定台55本身有一定的重量，所以所述水平连接杆52在对所述晶振固定台55进行平移时还能起到支撑的效果。

在本发明实施例中，所述晶振单元组51包括多个并列设置在所述晶振固定台55底部的多个晶振单元；所述多个晶振单元为并列固定设置在所述晶振固定台55底部的六个晶振单元。由于网格点上是6×6的网格点，每一列是6个点，所述六个晶振单元能与所述网格点对应设置，提高了薄膜生长的效率，以及便于针对性的测量薄膜的厚度。

进一步的，所述加热装置为设置在所述晶振固定台内的水冷管，所述水冷管用于对所述晶振单元组进行降温，使得所述晶振单元组在工作时产生的热量能及时散发出去，提高了所述晶振单元组的使用时间和测试精度。

在本发明实施例中，所述晶振固定台55底部与水平面保持平行，且与所述薄膜长生平面处在同一平面上。由于所述晶振固定台55底部与水平面平行，使得设置在所述晶振固定台55底部的晶振单元组51也与水平面处在同一平面上。而所述晶振固定台55底部还与所述薄膜生长平面40处在同一平面上，当所述晶振固定台55在所述水平驱动电机53的驱动下平移时，所述晶振固定台55智能在所述薄膜生长平面40上来回移动；同时，在所述晶振固定台55底部的晶振单元组51与所述薄膜生长平面40也处在同一平面上，提高了所述薄膜生长平面40上薄膜沉积的效率。

进一步的，所述基片加热组件80包括：贯穿设置在所述真空腔20的垂直运动机构84以及设置在所述垂直运动机构84下的基片加热台81模块，所述基片加热台81模块设置在所述真空腔20内。所述基片加热台81模块用于对薄膜基片加热，所述垂直运动机构84用于控制所述基片加热台81模块上下移动，使得薄膜基片能够处在网格点上。所述基片加热台81模块与所述靶材模块90对应设置，并且所述基片加热台81模块在加热完成后还能通过所述垂直运动机构84将其向上移动，便于所述晶振固定台55能平移到所述薄膜生长平面40上。

进一步的，所述垂直运动机构84包括：垂直驱动电机82以及设置在所述垂直驱动电机82下的垂直连接杆83，所述垂直连接杆83末端固定设置所述基片加热台81模块，所述垂直驱动电机82能驱动所述垂直连接杆83上下移动，从而使得所述基片加热台81模块也能随之上下移动。

进一步的，所述基片加热台81模块为一设置在所述垂直连接杆83下的基片加热台81，所述基片加热台81下设置薄膜基片。

在本发明实施例中，所述靶材模块90还包括：靶材切换装置(图中未标出)，用于标准靶材以及镀膜靶材之间的切换。通过所述靶材切换装置进行靶材的切换能使得靶材的更换效率更高，同时便于在标准靶材及镀膜靶材使用后得到不同薄膜生长的效率，将得到的薄膜生长效率进行比较，选择出薄膜生长最佳的靶材作为生产使用。

根据本发明的另一个实施例，如图4所示，还提供了一种薄膜沉积工艺控制系统的方法，所述方法包括步骤：

s100：根据预设的测试条件准备靶材材料。

具体的，靶材材料根据制备的薄膜种类决定，根据情况，可以放置一个或多个靶材，靶材可以通过切换装置切换。

s101：水平移动设置在真空腔内的厚度测试模块，使得所述厚度测试模块停在薄膜生长平面的测试网格第n列的位置上，其中，所述n≥1。

具体的，当所述垂直运动机构84将所述基片加热台81远离薄膜生长平面40，通过水平驱动电机53推动水平连接杆52前后移动，在所述水平连接杆52移动的过程中能将所述厚度测试模块50运动至所述薄膜生长平面40网格点上，使得所述厚度测试模块50停在所述薄膜生长平面40网格点第一列位置上。例如，当n＝2时，所述厚度测试模块通过在所述水平驱动电机的驱动下移动到所述网格点的第二列上。

s102：打开激光器，溅射制备薄膜，在预设的发射时间截止后，停止发射激光，通过晶振测试结果，计算出所述薄膜在第n列生长平面网格点位置的生长速率。

具体的，通过打开所述激光器10，使得所述激光器10上溅射的激光到靶材上，经过所述激光器10溅射激光一段时间后，关闭所述激光器10，使得激光发射停止。通过所述厚度测试模块50上的晶振测试的结果，再由连接的计算机计算出薄膜在第一列生长平面网格点位置的生长速率。例如，当n＝2时，所述厚度测试模块停在所述薄膜生长平面网格第二列位置上，同时在所述网格点的第二列进行薄膜生长速率测试，当n＝3，n＝4等，均通过上述方法进行薄膜厚度测试，此处不再进行重复描述。

s103：重复所述步骤s101及所述步骤s102，获取所有网格点位置的生长速率。

具体的，通过驱动电机，水平移动厚度测试模块50，使得所述厚度测试模块50停在薄膜生长平面40网格点第一列的位置上。通过计算机模拟得到二维空间的镀膜速率分布图，判断和以前的镀膜分布图比较是否有异常，如有异常，系统给出警告提示。重复上述的步骤，依次测试出第二列、第三列到第n列生长平面网格点上薄膜的生长速率。例如，重复上述的步骤，依次测试出第二列、第三列、第四列、第五列、第六列生长平面网格点上薄膜的生长速率。

s104：通过所述计算机设备模拟得到二维空间的镀膜速率分布图，根据所述镀膜速率分部图，判断是否异常。

具体的，通过所述计算机计算出薄膜在第一列生长平面网格点位置的生长速率，之后通过计算机模拟得到二维空间的镀膜速率分布图，在计算机中的以前的镀膜分布图，通过现在计算机模拟得到二维空间的镀膜速率分布图与以前的镀膜分布图进行比较，通过判断和以前的镀膜分布图比较是否有异常，如有异常，系统给出警告提示；如无异常，进行下一步工作。所述系统给出警告提示例如，警示音、警示灯、停机等。

具体实施时，在制备薄膜之前进行常规准备；装上脉冲激光溅射靶材，靶材材料根据制备的薄膜种类决定，根据情况，可以放置一个或多个靶材，靶材可以通过切换装置切换；通过将靶材切换到标样靶材或者镀膜靶材，当切换到标准靶材时用于校准晶振，校准间隔根据具体情况而定，而切换到镀膜靶材用于测试镀膜的生长效率。抽真空，通常为一级机械泵和二级分子泵组合，为薄膜制备提供干净的生长环境。通气氛，气氛的种类为氧气、氩气、氮气等，根据实际的情况决定。激光器10预热，准备溅射。打开水冷设备，为晶振测试单元提供冷却作用。初始化位置，通过垂直运动机构84控制电机将基片加热台81向上移动，远离薄膜生长平面40，厚度测试模块50处于薄膜生长平面40的左侧。

通过水平驱动电机53推动水平连接杆52前后移动，在所述水平连接杆52移动的过程中能将所述厚度测试模块50运动至所述薄膜生长平面40上，使得所述厚度测试模块50停在所述薄膜生长平面40网格点第一列位置上，通过从所述网格点第一列开始进行薄膜生长。通过打开所述激光器10，使得所述激光器10上溅射的激光到靶材上，经过所述激光器10溅射激光一段时间后，关闭所述激光器10，使得激光发射停止。通过所述厚度测试模块50上的晶振测试的结果，在由连接的计算机计算出薄膜在第一列生长平面网格点位置的生长速率。

通过所述计算机计算出薄膜在第一列生长平面网格点位置的生长速率，之后通过计算机模拟得到二维空间的镀膜速率分布图，在计算机中的以前的镀膜分布图，通过现在计算机模拟得到二维空间的镀膜速率分布图与以前的镀膜分布图进行比较，通过判断和以前的镀膜分布图比较是否有异常，分析计算机模拟得到的镀膜速率分布，通过判断工艺监控和控制是否有异常。其中一种判断方法，如果镀膜速率中心对称，但是每个点的数值和以前的数值差异比较大，则判断是能量引起的偏差，需要校准能量；如果镀膜速率分布不是中心对称，镀膜速率最大点偏离中心，则判断可能是靶材表面形貌发生了变化，需要更换靶材或者对靶材表面打磨。如有异常，系统给出警告提示；其中一种校准方法，如果镀膜速率中心对称，但是每个点的数值和以前的数值差异比较大，则判断是能量引起的偏差，需要校准能量；如果镀膜速率分布不是中心对称，镀膜速率最大点偏离中心，则判断可能是靶材表面形貌发生了变化，需要更换靶材或者对靶材表面打磨。如无异常，进行下一步工作。所述系统给出警告提示例如，警示音、警示灯、停机等。

在本发明实施例中，还包括校准所述厚度测试模块，切换到标准靶材用于校准晶振，校准间隔时间视具体情况而定，校准步骤和s101～s102一致，切换到镀膜靶材用于测试镀膜的生长速率。

在本发明实施例中，所述预设的测试网格为6×6网格，所述所述测试网格从第一列到第六列进行测试。具体的，2×2，3×3等的网格，上述的网格点测试均是从第一列到最后一列测试结果，通过将测试的结果通过所述计算机分析通过所述计算机计算出薄膜在第一列生长平面网格点位置的生长速率，之后通过计算机模拟得到二维空间的镀膜速率分布图，在计算机中的以前的镀膜分布图。

根据本发明的另一个实施例，如图5所示，还提供了一种薄膜沉积工艺监视和控制方法，所述方法包括步骤：

s200：测试结束后，通过水平驱动将厚度测试模块50移动到最左侧。

具体的，此次生长速率测试结束，判断和以前的镀膜分布图比较是否有异常，,如果有异常，需要记录和处理(调节激光器能量、清洗激光窗口、打磨靶材、更换靶材，校准晶振等)，如果没有异常，靶材切换回镀膜使用的靶材，如若使用的是镀膜靶材，则不需要切换靶材，可以直接使用。同时通过水平驱动电机53将所述厚度测试模块50移动到最左侧，所述最左侧为所述厚度测试模块50原始位置。

s201：通过垂直驱动将基片加热平台移动到薄膜生长平面40上，加热到指定温度，生长薄膜。

具体实施时，测试结束后，通过水平驱动将厚度测试模块50移动到最左侧；由垂直驱动机构将所述基片加热平台移动到所述薄膜生长平面40上进行加热，通过一段时间加热到指定温度，使得在所述薄膜生长平面40的网格点上生长薄膜。

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。