用于预测多元拼合靶材制备的薄膜成分的预测方法

摘要

本发明属于脉冲激光沉积薄膜领域，具体涉及用于预测多元拼合靶材制备的薄膜成分的预测方法，具体包括如下步骤：根据薄膜脉冲激光沉积物化模型，推导薄膜产物各成分的摩尔比x1随激光能量、基板和靶材的距离以及多元拼合靶材中各单元靶材的圆心角之比x2的理论公式；固定基板和靶材的距离，简化上述理论公式，得到以激光能量和x2为变量的工程公式；根据工程公式方程，在确定激光能量和x2情况下，预测薄膜产物的成分。本发明方法可以用于特定沉积参数下薄膜成分的预测或生产特定成分薄膜时沉积参数的选择。本发明预测方法，对于任意体系的薄膜均可使用，仅需要少量实验数据就能得到可靠性高的工程公式，因而可以大大降低生产时间、成本。

权利要求

1.一种用于预测多元拼合靶材制备薄膜的薄膜成分的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据薄膜脉冲激光沉积物化模型，推导薄膜产物各成分的的摩尔比x1随激光能量、基板和靶材的距离以及多元拼合靶材中各单元靶材的圆心角之比x2的理论公式；

(2)固定基板和靶材的距离，简化上述理论公式，得到以激光能量和x2为变量的工程公式；然后进行系统实验，选取一系列实验结果，代入到工程公式内，计算方程参数值，由此确定x1随激光能量和x2变化的工程公式；

(3)根据工程公式，在沉积参数确定的情况下，预测薄膜产物的成分，或者根据所需要生产的薄膜成分，代入工程公式方程来确定合适地沉积参数；所述沉积参数为激光能量和x2；

所述多元拼合靶材为二元拼合靶材Ax2B，x2＝θA/θB，θA为A单元靶材的圆心角，θB为B单元靶材的圆心角，θA+θB＝360°；

所述二元拼合靶材的理论公式为：

式(1)中dA、dB为激光烧蚀深度，对于固定波长激光器，dA、dB为激光能量的函数：式(2)中D为常数，I0为激光能量密度，bA、bB为单元靶材的光吸收系数；

式(1)中c(x,y,z,t)表示在一个脉冲周期T内，t时刻坐标为(x,y,z)位置的等离子体羽辉中某元素原/离子密度，方程式为：式(3)、(4)中τ为脉冲持续时间，C、s为常数，X(t)，Y(t)，Z(t)为等离子羽辉边界，N为脉冲结束时羽辉中某一元素原/离子的总数，由下式给出：式(5)中，D、s为常数，λ为激光波长，ρ为单元靶材密度，M为相对摩尔质量，NA为阿伏伽德罗常量；

固定基板与靶材的相对位置，所述工程公式为：

式(7)中C1、C2、C3为常数。

2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述二元拼合靶材为BX2C靶材，固定激光能量值，所述工程公式进一步被简化为：x1＝Cx2       (8)

式(8)中，C为常数。

说明书

用于预测多元拼合靶材制备的薄膜成分的预测方法

技术领域

[0001] 本发明属于脉冲激光沉积薄膜领域，具体涉及一种用于预测多元拼合靶材制备的薄膜成分的预测方法。

背景技术

[0002] 脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)技术能够实现薄膜的可控生长(尤其是膜厚与表面粗糙度)。使用拼合靶材能够制备A-B体系任意组成AxB的薄膜。然而，目前使用拼合靶材的脉冲激光沉积方法制备AxB薄膜，薄膜成分受激光能量、单元靶材吸光系数、基板与靶材相对位置、拼合靶材各单元靶材圆心角之比等因素的影响。在实际生产过程中，可控参数多，需要进行大量系统的实验才能够得到所需组成薄膜的制备工艺条件，而且薄膜表面质量无法保证。在此前提下，迫切需要构建相应的预测模型，快捷地预测薄膜成分。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种用于预测多元拼合靶材制备的薄膜成分的预测方法。该方法采用理论推导结合系统实验的方法得出薄膜成分与脉冲激光沉积参数之间的工程公式，该工程公式可以为拼合靶材的脉冲激光沉积过程提供技术指导，利用工程公式，在特定的沉积参数下，可以对产物薄膜的组分进行预测；也可以针对所需产物薄膜的组分要求对沉积参数进行选择。

[0004] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 一种用于预测多元拼合靶材制备薄膜的薄膜成分的预测方法，包括如下步骤：

[0006] (1)根据薄膜脉冲激光沉积物化模型，推导薄膜产物各成分的的摩尔比x1随激光能量、基板和靶材的距离以及多元拼合靶材中各单元靶材的圆心角之比x2的理论公式；

[0007] (2)固定基板和靶材的距离，简化上述理论公式，得到以激光能量和x2为变量的工程公式；然后进行系统实验，选取一系列实验结果，代入到工程公式内，计算方程参数值，由此确定x1随激光能量和x2变化的工程公式方程；

[0008] (3)根据工程公式方程，在沉积参数确定的情况下，预测薄膜产物的成分，或者根据所需要生产的薄膜成分，代入工程公式方程来确定合适地沉积参数；所述沉积参数为激光能量和x2。

[0009] 按上述方案，所述多元拼合靶材为二元拼合靶材为Ax2B，x2＝θA/θB，θA为A单元靶材的圆心角，θB为B单元靶材的圆心角，θA+θB＝360°。

[0010] 按上述方案，所述二元拼合靶材的理论公式为：

[0011]

[0012] 式(1)中dA、dB为激光烧蚀深度，对于固定波长激光器，dA、dB为激光能量的函数：

[0013]

[0014] 式(2)中D为常数，I0为激光能量密度，bA、bB为单元靶材的光吸收系数；

[0015] 式(1)中c(x,y,z,t)表示在一个脉冲周期T内，t时刻坐标为(x,y,z)位置的等离子体羽辉中某元素原/离子密度，方程式为：

[0016]  t≤τ    (3)

[0017]  τ

[0018] 式(3)、(4)中τ为脉冲持续时间，C、s为常数，X(t)，Y(t)，Z(t)为等离子羽辉边界，N为脉冲结束时羽辉中某一元素原/离子的总数，由下式给出：

[0019]

[0020] 是(5)中，D、s为常数，λ为激光波长，ρ为靶材密度，M为相对摩尔质量，NA为阿伏伽德罗常量。

[0021] 上述理论公式简化后可以如下式所示：

[0022]

[0023] 按上述方案，固定基板与靶材的相对位置，所述工程公式为：

[0024]

[0025] 式(7)中C1、C2、C3为常数。

[0026] 按上述方案，所述二元拼合靶材为BX2C靶材，固定激光能量值，所述工程公式进一步被简化为：

[0027] x1＝Cx2    (8)

[0028] 式(8)中，C为常数。

[0029] 本发明，根据薄膜脉冲激光沉积物化模型，推导得到薄膜产物成分摩尔比x1随激光能量、基板和靶材的距离以及多元拼合靶材中单元靶材A和B的圆心角之比x2的理论公式；固定基板和靶材的距离，对理论公式进行简化，以激光能量和X2为变量，通过系统实验结果计算方程参数，由此得到x1的工程公式。进一步地，对于特定拼合靶材，在基板位置以及激光能量密度固定的前提下，x1仅是θA/θB的函数。因此，可以根据单元靶材圆心中计量比角比值(θA/θB)预测薄膜成分，也可根据需要的薄膜成分x1选择合适的θA/θB，综上所述，本发明方法可以用于特定参数水平下薄膜成分的预测或者生产特定成分的薄膜时沉积参数的选取。

[0030] 本发明预测方法，结合计算机技术能够大大提高成分预测以及参数设计的精度；在计算机技术的支撑下，综合考虑激光能量、基板靶材相对位置、单元靶材圆心角之比三种可控变量，通过系统实验结合计算机计算技术，可以得到更完整的工程曲线，由于可控参数增多，该工程曲线的精确度更高，因此能够在保证薄膜成分的前提下进一步选择沉积参数控制薄膜的表面状态及性能。

[0031] 本发明所述的薄膜成分预测方法能够推广到三元乃至更多元的拼合靶材制备薄膜体系中。

[0032] 本发明的优点是：本发明所述预测方法，对于任意体系的薄膜均可使用，在生产中仅需要少量实验数据就能得到可靠性高的工程公式，因而可以大大降低生产时间、成本。

附图说明

[0033] 图1是本发明实施流程。

[0034] 图2是本发明对应的制备方法示意图。

[0035] 图3是本发明实施例中对BxC薄膜成分预测值与实际值的比较结果。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0037] 参照图1所示，本发明提供了一种用于预测多元拼合靶材制备薄膜的薄膜成分的预测方法，包括如下步骤：

[0038] (1)根据薄膜脉冲激光沉积物化模型，推导薄膜产物各成分的的摩尔比x1随激光能量、基板和靶材的距离以及多元拼合靶材中各单元靶材的圆心角之比x2的理论公式；

[0039] (2)固定基板和靶材的距离，简化上述理论公式，得到以激光能量和x2为变量的工程公式；然后进行系统实验，选取一系列实验结果，代入到工程公式内，计算方程参数值，由此确定x1随激光能量和x2变化的工程公式方程；

[0040] (3)根据工程公式方程，在沉积参数确定的情况下，预测薄膜产物的成分，或者根据所需要生产的薄膜成分，代入工程公式方程来确定合适地沉积参数；所述沉积参数为激光能量和x2。

[0041] 所述多元拼合靶材为二元拼合靶材为Ax2B，x2＝θA/θB，θA为A单元靶材的圆心角，θB为B单元靶材的圆心角。

[0042] 所述二元拼合靶材的理论公式为：

[0043]

[0044] 式(1)中dA、dB为激光烧蚀深度，对于固定波长激光器，dA、dB为激光能量的函数：

[0045]

[0046] 式(2)中D为常数，I0为激光能量密度，bA、bB为单元靶材的光吸收系数；

[0047] 式(1)中c(x,y,z,t)表示在一个脉冲周期T内，t时刻坐标为(x,y,z)位置的等离子体羽辉中某元素原/离子密度，方程式为：

[0048]  t≤τ    (3)

[0049]  τ

[0050] 式(3)、(4)中τ为脉冲持续时间，C、s为常数，X(t)，Y(t)，Z(t)为等离子羽辉边界，N为脉冲结束时羽辉中某一元素原/离子的总数，由下式给出：

[0051]

[0052] 是(5)中，D、s为常数，λ为激光波长，ρ为靶材密度，M为相对摩尔质量，NA为阿伏伽德罗常量。

[0053] 上述理论公式简化后可以如下式所示：

[0054]

[0055] 固定基板与靶材的相对位置，所述工程公式为：

[0056]

[0057] 式(7)中C1、C2、C3为常数。

[0058] 实施例1

[0059] 采用本发明方法预测Bx1C薄膜成分，具体包括如下步骤：

[0060] (1)选用二元拼合靶材为BX2C靶材，x2＝θA/θB，θA为硼单元靶材的圆心角，θB为碳单元靶材的圆心角，根据薄膜脉冲激光沉积物化模型，推导Bx1C薄膜产物的硼碳摩尔比x1随激光能量、基板和靶材的距离以及x2的理论公式：(推导公式同上)

[0061]

[0062] (2)如图2所示，固定基板与靶材的相对位置，拼合靶材和基片的垂直距离设为50mm，简化上述理论公式，得到工程公式为：

[0063]

[0064] 固定激光能量值，所述工程公式进一步被简化为：

[0065] x1＝Cx2    (8)

[0066] 式(8)中，C为常数。

[0067] (3)固定激光能量值为120mJ，选择硼碳靶材圆心角比x2的值为1，采用拼合靶材脉冲激光沉积制备Bx1C薄膜，测量薄膜成分并利用式8计算得到C＝0.956。

[0068] (4)实验验证：固定基板与靶材的相对位置，靶基距设为50mm，固定激光能量值为120mJ，改变硼碳靶材圆心角比x2取值，制备一系列Bx1C薄膜并测量薄膜成分(即得到薄膜成分实验值)，将实验值、工程公式计算值、理论公式计算值绘制成图，比较预测值与理论计算值与实验值的吻合程度，结果见图3，由图3知，在误差允许范围内，工程公式预测的精度较高。

[0069] 综上所述，本发明在固定沉积参数(基板与靶材的相对位置，激光能量)的条件下，可以根据单元靶材圆心角比值(θA/θB)预测薄膜成分，也可根据需要的薄膜成分x1选择合适的θA/θB，综上所述，本发明方法可以用于特定参数水平下薄膜成分的预测或者生产特定成分的薄膜时沉积参数的选取。

[0070] 本发明预测方法，结合计算机技术能够大大提高成分预测以及参数设计的精度；在计算机技术的支撑下，综合考虑激光能量、基板靶材相对位置、单元靶材圆心角之比三种可控变量，通过系统实验结合计算机计算技术，可以得到更完整的工程曲线，由于可控参数增多，该工程曲线的精确度更高，因此能够在保证薄膜成分的前提下进一步选择沉积参数控制薄膜的表面状态及性能。

[0071] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。