自动化与光学监控：基于配方的全自动化、Aeres 控制软件、集群集成与原位光学监控，实现高重复性、高精度的薄膜沉积。 现代薄膜研究与生产设备必须具备高度的重复性、可控性和精确性，而自动化控制是实现这一目标最直接的途径，同时还能显著降低科研设施的运行成本。
现代薄膜研究与生产设备必须具备高度的重复性、可控性和精确性，而自动化控制是实现这一目标最直接的途径，同时还能显著降低科研设施的运行成本。Angstrom Engineering 围绕其沉积平台构建了完整的自动化生态系统：操作人员只需载入配方，系统即可自主运行；软件在后台同时管理多个样品与掩膜、自动维持蒸发源材料余量，并运行先进的速率控制算法。
该自动化体系覆盖 Angstrom 提供的各类主要沉积技术，包括 RF、DC 及脉冲磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发、离子束处理和化学气相沉积。整个生态系统由若干深度集成的功能模块组成——作为系统大脑的 Aeres 控制软件、面向光学薄膜制造的原位光学监控、多模块平台的集群集成、装载锁（Load Lock）、自动基片传输以及机械手掩膜处理——它们共同使设备能够从单次手动实验平滑升级到全自主的多腔体器件制备。
- 基于配方的自主运行带来批次间的高重复性、可控性和精确性，同时降低设施运行成本
- Aeres 并行任务管理使层间切换时间缩短 45%，器件整体制备时间缩短 30%
- 自动整定的 PID 速率控制免去手动调参和模拟试跑，实现低速率稳定性和一致的掺杂比例
- 覆盖 350-2500 nm 的原位光学监控配合 30 片监控片自动换片装置，可在长时间多层膜工艺中精确终止每层的光学厚度
- 装载锁使工艺模块长期保持真空，缩短工艺周期、阻隔大气污染并延长部件寿命
工作原理与工程实现
以下内容整理自 Angstrom Engineering 官方技术资料。
自动化概述
沉积设备的自动化控制同时服务于两个目标：一是锁定批次间（run-to-run）的重复性、可控性和精度，二是通过减少每道工艺所占用的熟练操作人员时间来降低设施运行成本。在 Angstrom 系统上，自动化意味着设备可以调用已存储的配方并自主完成从头到尾的整个流程——在一次作业中处理多个样品和掩膜、跟踪并补充蒸发源材料余量，并在整个沉积过程中运用先进的闭环速率控制算法。 由于 Angstrom 的蒸发与溅射平台共享同一套自动化架构，下文介绍的各项能力——Aeres 软件控制、光学监控、集群调度、装载锁、基片传输和掩膜处理——可以根据工艺需求自由组合与扩展，从单腔科研蒸发镀膜机一直扩展到全自动多模块生产集群。
Aeres 控制软件
Aeres 是 Angstrom Engineering 的配方与自动化软件——其功能强大到足以满足最高级用户和最复杂配方的需求，同时又足够简单，使共享实验室中的每位用户都能轻松上手。它提供交互式、直观的操作界面，系统的所有工艺功能都可通过该界面访问，是协调本页所述全部自动化硬件的核心大脑。 Aeres 的一大核心优势是层间切换时的并行任务管理。它不是按顺序依次执行蒸发源准备、掩膜与样品传输、功率与温度爬升、样品台准备等步骤，而是并行同时执行这些任务。实际效果是：层间切换时间缩短 45%，器件整体制备时间缩短 30%。 配方控制可从简单工艺扩展到高度复杂的工艺流程。用户既可以从内置模板出发，也可以完全自定义序列；配方可以在远程 PC 上编写后传输到系统 PC。配方既可全自主运行，也可在需要人工决策的环节嵌入手动控制步骤；统一的数据管理系统记录全部工艺信息，保证可追溯性。配方要素覆盖完整的工艺范围：沉积前步骤（晶圆准备、蒸发源升温和稳定）、膜层控制（厚度、速率、挡板开合和蒸发源待机）、样品台控制（加热、冷却、旋转、倾角和基片偏压）、气体与压力控制（压力稳定性和精确供气），以及具备完全重复性的端到端自动执行。 在沉积控制方面，Aeres 通过高分辨率控制回路实现低速率稳定性和一致的掺杂比例，并配备可由用户调整、支持自动整定（auto-tuning）的 PID 检测算法。自动整定省去了手动 PID 调参和反复模拟试跑的环节，直接缩短工艺开发周期。 在技术架构上，Aeres 基于 .NET 框架构建，兼容 SECS/GEM 工厂自动化协议，运行于 Windows PC 并支持触摸屏操作。单个控制终端可管理多个腔体，每个腔体运行各自独立的配方。尤为关键的是，安全联锁与真空操作由系统控制器（PLC）独立于 PC 连接执行，即使 PC 离线，完整的安全联锁系统仍持续保护设备。
原位光学监控（In-Situ Optical Monitoring & Control）
Angstrom 的光学监控与控制套件是其多款 PVD 平台上可选的集成模块，使光学薄膜生产从最初的配方开发到最终量产成为一个无缝衔接的过程。系统并非仅依赖石英晶体（QCM）速率监测，而是实时测量生长中膜系的光学性能，并利用这些数据在恰好达到目标光学厚度时精确终止每一层的沉积。 光学发射端采用单色仪，可产生 350 nm 至 2500 nm 范围内的波长，波长选择由 PC 控制，从而可以在设计所关注的波长处实时验证薄膜的光谱行为。接收端配备透射模式光学接收器，并结合可存储 30 片监控片（witness disc）的自动换片装置，在长时间多层膜工艺中持续提供新鲜监控面的数据反馈；同时还提供反射模式光学接收器。该套件还配有用于离子辅助沉积的 End-Hall 离子源和空心阴极电子源，兼容 Angstrom 全部蒸发源和样品台选项，并可与 Essential Macleod 薄膜设计软件捆绑，使镀膜设计直接转化为可执行的工艺配方。 工艺执行由 Aeres 完成：PC/PLC 控制的配方支持单次、批量或全自动生产；先进的数据记录与过程追踪功能记录每一次运行；高分辨率控制带来低速率稳定性和一致的掺杂比例；自动 PID 回路整定、复杂配方的创建与编辑以及实时监控仪表盘进一步完善了整套工具。中央控制站可对多个模块实施相互独立的多腔体控制。
集群集成（Cluster Integration）
针对 Nebula 集群设备等多模块平台，Angstrom Engineering 开发了直接内置于 Aeres 控制软件中的集群专用调度算法。集群系统可以围绕中央传输机械手组合清洗站、基片与掩膜装载锁以及多个沉积腔体（工艺模块），调度引擎统一编排所有模块之间的工作流。 其架构设计刻意保持简洁：用户通过将基片、掩膜以及沉积或清洗工艺指派给特定集群模块来构建序列，序列随后进入全局队列，按照用户指定的顺序依次处理。序列通常调用已存储的配方来执行具体工艺步骤，因此集群级调度与腔体级自动化可以自然地组合叠加。 每个基片和掩膜在装入模块时都会获得唯一标识符，使软件在整个工作流中对每个物件保持完整的可追溯性。用户对序列构建拥有完全的控制权——从简单的两步作业到复杂的多腔体、多掩膜器件工艺流程均可实现——调度功能强大而又极其易用。多种腔体类型可以整合进同一工作流，从而在不破坏真空的前提下，跨清洗、溅射、蒸发等不同模块类型编排多步工艺。
装载锁（Load Locks）
工艺模块是实际进行溅射、电子束蒸发或热蒸发等沉积工艺的真空腔体。相比之下，装载锁是与工艺模块相连的辅助真空腔体，两者之间以闸板阀隔离，装载锁拥有自己独立的高真空抽气和放气控制。样品通过装载锁进出，因此工艺模块本身可以长期保持真空状态。 Angstrom 的装载锁可容纳基片载具、掩膜载具和料盒（cassette）。停放站中的每个载具位置都被分配了特定标识符，这些标识符通过 Aeres 控制软件界面统一管理，系统因此始终掌握每个物件的停放位置。 运行时，自动传输臂响应用户通过 Aeres 下达的指令：选取指定的基片载具（可带或不带掩膜框架），将其送入工艺单元，安放并锁紧在工艺样品台上；工艺完成后取回载具并送回原位——整个过程中闸板阀的隔离作用确保工艺模块始终无需放气。 其收益十分显著：主腔体不再需要反复放气和抽真空循环，工艺时间大幅缩短；工艺模块免受大气污染物侵入；工艺可靠性和重复性提升；系统部件寿命延长；成品取出时也无需暴露正在工作的腔体。Angstrom 提供多种装载锁配置：从单工艺模块系统上的简易装载锁，到双腔系统的掩膜/样品料盒装载锁，再到 Nebula 等多模块集群系统上的多个装载锁模块。
基片自动传输（Substrate Transfer）
基片自动传输是指在无需人工干预的情况下，将基片从停放位置——装载锁或腔体内的停放台——自动移送到沉积模块工艺样品台上的过程。系统的核心是由伺服电机驱动的自动传输臂：带位置反馈的闭环控制器精确控制传输臂的位置、速度和加速度，传输臂自身的位置由接近传感器实时监测。样品台（即基片的最终目标位置）的位置同样由闭环控制器或由 Aeres 控制的 AC 电机精确确定和控制。设计上将定位精度与运动精密性置于优先地位，正是为了防止基片或载具损伤、减少停机时间并最大化产出效率。 在单或双工艺模块系统上，传输序列分三个阶段执行。装载阶段：传输臂从停放位置进入装载锁，依据 Aeres 软件指令生成的位置标识符，从可垂直移动的基片/掩膜料盒中取出基片载具。工艺阶段：传输臂携载具穿过开启的闸板阀进入沉积腔体，将其安装到样品台上，由气动夹具锁紧固定。返回阶段：传输臂退出装载锁，回到初始停放位置。机构中叠加了多重安全策略，确保基片与掩膜的自动传输在每一次运行中都可靠且无损。
掩膜自动处理（Mask Handling）
阴影掩膜（shadow mask）决定材料在样品上的落点：它遮挡选定区域的沉积，使薄膜只在所需图案处生长。构建完整的器件结构通常需要在多次沉积运行中使用多块不同的掩膜，这使得自动掩膜交换成为器件制备设备上价值最高的自动化功能之一。 Angstrom 的掩膜处理系统可实现尽可能小的特征尺寸——小至微米级——同时在批次之间保持出色的对位准确度和精密度。它建立在成熟可靠的自动化机器人处理架构之上，在最大化产能的同时防止基片损伤、错位或丢失。 存储与堆叠由多工位停放系统完成：基片载具和掩膜框架既可存放在独立的停放装载锁中，也可存放在集成于沉积模块内的停放站中。为了将堆叠的掩膜框架与基片载具分离，机械手利用配有锥形分离销的专用停放格。基片载具与掩膜框架上的分离通孔尺寸不同，当堆叠件下降到分离销上时，两个部件即被分开足够的距离，使机器人能够分别取出各自部件。 由于停放站可直接集成在沉积模块内，掩膜可以在工艺进行期间更换，而全程无需将任何部件移出真空环境。整个掩膜处理系统由自动化配方驱动，统一协调基片/掩膜组合，在支持复杂多步沉积序列的同时，全流程保持环境隔离与对位精度。
技术优势
- 基于配方的自主运行带来批次间的高重复性、可控性和精确性，同时降低设施运行成本
- Aeres 并行任务管理使层间切换时间缩短 45%，器件整体制备时间缩短 30%
- 自动整定的 PID 速率控制免去手动调参和模拟试跑，实现低速率稳定性和一致的掺杂比例
- 覆盖 350-2500 nm 的原位光学监控配合 30 片监控片自动换片装置，可在长时间多层膜工艺中精确终止每层的光学厚度
- 装载锁使工艺模块长期保持真空，缩短工艺周期、阻隔大气污染并延长部件寿命
- 伺服电机驱动的基片传输具备位置、速度和加速度闭环控制，有效防止基片和载具损伤
- 微米级自动掩膜处理支持真空内换膜，无需破坏真空即可完成多掩膜器件的完整结构制备
- 集群调度为每个基片/掩膜分配唯一标识符并采用全局作业队列，在清洗、装载锁和沉积模块之间实现简单而强大的排程
- 基于 .NET 构建，兼容 SECS/GEM 协议，支持触摸屏操作，安全联锁由 PLC 独立于 PC 运行
- 单一控制终端可管理多个腔体并为每个腔体运行独立配方，配方还可在远程 PC 上离线编写后导入系统
系统与工艺细节
