真空镀膜在半导体与光学器件制造中应用广泛，镀后膜厚均匀性直接决定镀层寿命与器件性能。实际溅射中，单阴极靶材在基片上方形成的沉积速率场天然不均匀：正对靶心处速率高、边缘处低，若基片静止便会沉积出中间厚、边缘薄的膜层。更麻烦的是，真空镀膜是强非线性、强时变的工艺，等离子体、温度、气流等多物理场相互耦合，带来持续动态扰动。传统 PID 控制依赖固定参数，在这种非稳态工况下很难自适应，常常出现超调、振荡和较大稳态误差，膜厚均匀性随之恶化。费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文给出一套数据驱动的解决办法：把多尺度卷积神经网络（MS-CNN）与模糊 PID 融合。MS-CNN 从原位时序膜厚信号中提取局部纳米级波动、中期周期特性和全局均匀性趋势，输出贴合实时工况的目标厚度基准；模糊 PID 再依据目标值与实测值的误差及变化率，在线调整比例、积分、微分参数，动态调制公转速率与沉积时间。整条链路构成"感知—决策—执行"闭环，把均匀性控制转化为对目标厚度值的实时精准跟踪。

实验方法

MSCNN 膜厚校正模型工作流程图

先把均匀性问题落到可计算的模型上。基片随机位置膜厚由 T(r)=A·V(r)·τ(ω,r) 描述，其中 V(r) 是靶上方沉积速率空间分布，τ 为某点在空间的停留时长，ω 为公转转速。把转速调整为 xω 后，膜厚随停留时间同步缩放，说明靠动态调转速就能改变厚度累积过程，这正是均匀性可控的理论支点。

双输入三输出的二维控制器

畸变校正依靠一个并行一维卷积网络：三条支路分别用 3×1、5×1、7×1 的卷积核提取不同尺度特征，每层后接 ReLU 与批归一化；各支路特征经一维全局平均池化压缩、拼接，再由 XGBoost 输出目标厚度值。训练以多监测点原位时序厚度为样本，用带正则项的梯度提升目标函数逐步逼近真实厚度，兼顾精度与泛化。控制器端设计一个双输入三输出的二维模糊 PID：输入是厚度误差 e 及其变化率 e c，输出是 ΔK p、ΔK i、ΔK d 三个修正量，模糊子集取七档；计算得到的厚度与目标基准比较得误差，再经变频器与 PLC 转化为对转速、沉积时间的直接调控，并按误差大小切换 β₁、β₂ 调整因子，保证基片各位置获得匹配的厚度补偿。进一步把实际厚度归一到标准区间，使不同量纲的工艺参数可被统一调控。

实验在一台磁控溅射镀膜机上进行，铝靶（99.99%）溅射于二氧化硅基片，功率 600 W，氩气气氛，本底真空优于 5×10⁻³ Pa，工作气压 0.5 Pa。膜厚由原位光谱椭偏仪以 1 Hz 对基片 5 个预设点循环监测，PLC 同步记录工艺参数；公转半径固定 50 mm，靶基距 100 mm。膜厚分布的空间信息即来源于椭偏仪对 5 个位置的循环测量。

实验结果

膜厚变化情况

膜厚分布曲线上，传统 PID 呈现典型"微笑曲线"：边缘归一化厚度约 0.7、中心约 0.9，均匀性差；本文方法让曲线在整个基片范围平坦，归一化厚度稳定在常数附近、误差小于 ±0.5。

膜厚均匀性控制阶跃响应：（a）普通 PID 控制方法（b）双输入三输出的二维控制方法

阶跃响应对比更直观：普通 PID 超调 17%、调节时间 28.5 s，且在 100% 目标均匀度时波动明显；本文方法无超调，调节时间压缩到 25.5 s，稳态波动小于目标值 ±1.5%，还能吸收微弧放电、气体分子碰撞引起的纳米级瞬时畸变。

目标均匀度控制性能指标

在 100%、85%、65%、45% 四档目标均匀度下，本文方法的稳定时间较普通 PID 缩短 31%–40%（p<0.05，显著性成立），均匀性偏差峰值降低 4%–7.4%，稳态均匀性误差下降 66.7%–80%。几何参数改变会放大沉积速率分布的非线性，传统 PID 的固定补偿模式将更吃力，而本文方法的数据驱动特征提取使其在不同几何条件下仍能保持相对稳定的性能优势。无论超高精度还是普通工业级需求，三项指标全面占优。

MS-CNN 与模糊 PID 的协同，让系统从被动反馈升级为主动适应：MS-CNN 提供前瞻性的厚度设定值，模糊 PID 完成非线性时变过程的精准补偿。该方法在高真空、非稳态沉积等复杂工况下适应性与有效性突出，为高精度真空镀膜提供了一套数据驱动、自适应强的智能控制方案。后续可结合多传感器融合、模型在线更新与强化学习，进一步增强系统在多变工况下的鲁棒性与实时性。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

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原文参考：《基于MS-CNN的真空镀膜机膜厚均匀性自动化控制方法》