专利名称：一种在线测量pld薄膜化学计量比及各成分质量的方法
技术领域：
本发明涉及脉冲激光沉积镀膜领域，一种在线测量PLD薄膜化学计量比及各成分质量的方法。
背景技术：
脉冲激光沉积(PLD)制备薄膜，其过程通常是一束脉冲激光聚焦后投射到靶材上，激光的高能量密度将使靶材上被辐照区域的组分材料瞬间烧蚀，随后烧蚀物将择优沿着靶的法线方向传输，在靶材表面形成等离子体羽。烧蚀物在空间向基底方向输运，并在基底表面凝聚、形核、生长、最后得到所需要的薄膜。在整个生长过程中，通常可在腔体内充入一定压强的某种气体，比如沉积氧化物时一般充入一定量的氧气。PLD过程各个阶段的持续时间从皮秒到微秒不等。PLD的主要优势之一是薄膜的化学计量比和靶材材料的基本一致。但是，有多种因素会对薄膜的化学计量比有影响，例如:环境气体种类、压强、激光脉冲能量、靶材表面条件和烧蚀特性等。这些使靶材到薄膜的化学计量比的转移变得更加复杂，不能保证薄膜按照化学计量比生长。确定薄膜真实的化学计量比对形成高质量薄膜，具有重要意义。我们采用激光诱导击穿光谱(LIBS)手段测量薄膜成分化学计量比，用石英晶体微天平(QCM)测量薄膜总沉积量以及厚度，将二者的结果结合，得到薄膜中各种成分的含量。激光诱导击穿光谱(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,LIBS)可用来对未知成分的样品进行定性和定量元素分析，能用来测定激光烧蚀产生物质的化学成分。当高能量脉冲激光束聚焦在靶材表面，极度预热靶材一小块体积，导致受辐照区域上方产生瞬态等离子体。等离子体羽发出的光和光强度依赖于被溅射出来的元素种类及其含量，用光谱仪分析发射的光谱，可得到定性或定量的分析结果。LIBS可原位同时分析多种元素，对被溅射出来的物质(也就是即将成膜的物质)进行实时快速测量，得到它们含量的百分比。对LIBS数据进行分析有多种方法。其中自由定标法不需要通过对标准样品进行实验测量得出定标曲线，而是直接根据得到的谱线的相对强度计算出分析组分的浓度。优点:无需定标物，程序简化，成本较低；全元素测量；真正实现远程在线实时分析。缺点:不考虑自吸收效应，对测量结果会有影响；需对所有的谱线进行分析，工作量相对较大。石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance, QCM or QMB)是以石英晶体为换能元件，利用石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。借助检测石英晶体固有频率的变化，实现对薄膜厚度和淀积速率的监控，测量精度可以达纳克量级。QCM具有结构简单、成本低、分辨率高、灵敏度高、特异性好、可实时在线监测等优点，被广泛应用于物理、生物、化学、医学等各个领域。QCM用于监测薄膜的生长有很好的确定的空间位置和时间分辨率。它能在低热通量区域提供材料获得和损失的有价值数据。

发明内容
本发明的目的是:为了解决上述现有技术中的技术问题，提供了一种在线测量PLD薄膜化学计量比及各成分质量的方法，本发明基于脉冲激光沉积镀膜技术、激光诱导击穿光谱技术、石英晶体微天平测膜厚技术，用LIBS诊断成膜物种的种类以及各物种百分t匕，用QCM推算出总成膜质量JfLIBS和QCM 二者的测量结果相结合，得出各成分质量。本发明能够在脉冲激光沉积镀膜过程中，实时原位在线测量薄膜化学计量比，不会对镀膜过程有干扰，并且方法简单，易于实现。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:提供了一种在线测量PLD薄膜化学计量比及各成分质量的方法，包括以下步骤:
步骤1:依镀膜需要，选择合适的靶材7、基底9和环境气体；
步骤2:将靶材7放在可旋转靶台6上，将基底9放在可旋转基底台8上；
步骤3:调节可旋转靶台6、可旋转基底台8、第一聚焦透镜10、第二聚焦透镜19的位置，使靶材7面对基底9，石英晶体21与靶材7成0°至90°角，但不能影响PLD镀膜过程，光纤15平行于靶材7，且采集光谱最佳位置在距离靶材7 f 2mm处，最远测量距离依等离子体长度而定，靶材7位于第一聚焦透镜10的焦点处、光纤15位于第二聚焦透镜19的焦点处；
步骤4:用真空泵组11将真空室I抽成真空状态，再用真空规14测量真空度，直至气压小于10_3mbar ;依镀膜需要从进气口 16充入相应气体；
步骤5:依镀膜厚度的需要，计算机18通过光纤光谱仪2自带控制软件设置激光脉冲数，调节激光器Q延迟时间，设置脉冲激光器4和光纤光谱仪2的时序，开始镀膜并采集LIBS光谱；· 步骤6:在脉冲激光器4开始工作的同时，计算机18实时显示并记录石英晶体21共振频率随脉冲激光沉积镀膜·时间的变化；
步骤7:用自由定标法分析LIBS信号，计算出薄膜中各个成分化学计量比；
测得的粒子的特征谱线强度可表示为:
权利要求
1.一种在线测量PLD薄膜化学计量比及各成分质量的方法，包括以下步骤: 步骤1:依镀膜需要，选择合适的靶材(7)、基底(9)和环境气体；步骤2:将靶材(7 )放在可旋转靶台(6 )上，将基底(9 )放在可旋转基底台(8 )上；步骤3:调节可旋转靶台(6)、可旋转基底台(8)、第一聚焦透镜(10)、第二聚焦透镜(19 )的位置，使靶材(7 )面对基底(9 )，石英晶体(21)与靶材(7 )成O °至90 °角，光纤(15 )平行于靶材(7 )，且采集光谱最佳位置在距离靶材(7 ) f 2mm处，靶材(7 )位于第一聚焦透镜(10)的焦点处、光纤(15)位于第二聚焦透镜(19)的焦点处； 步骤4:用真空泵组(11)将真空室(I)抽成真空状态，再用真空规(14)测量真空度，直至气压小于10_3mbar ;依镀膜需要从进气口( 16)充入相应气体； 步骤5:依镀膜厚度的需要，计算机(18)通过光纤光谱仪(2)自带控制软件设置激光脉冲数，调节激光器Q延迟时间，设置脉冲激光器(4)和光纤光谱仪(2)的时序，开始镀膜并采集LIBS光谱； 步骤6:在脉冲激光器(4)开始工作的同时，计算机(18)实时显示并记录石英晶体(21)共振频率随脉冲激光沉积镀膜时间的变化； 步骤7:用自由定标法分析LIBS信号，计算出薄膜中各个成分化学计量比； 测得的粒子的特征谱线强度可表示为:
全文摘要
本发明涉及脉冲激光沉积镀膜领域，公开了一种在线测量PLD薄膜化学计量比及各成分质量的方法。首先，在脉冲沉积镀膜过程中，用激光诱导击穿光谱(LIBS)测量沉积的薄膜中各个成分化学计量比；然后，用石英晶体微天平(QCM)测量薄膜总沉积量；最后，将LIBS的结果和QCM的结果相结合，得到薄膜中各成分的质量。本发明基于PLD技术、LIBS技术、QCM测膜厚技术，将LIBS和QCM相结合，弥补了LIBS定量分析比较困难，QCM不能进行物质分辨的不足。本发明能够在脉冲激光沉积镀膜过程中，实时原位在线测量薄膜化学计量比，不会对镀膜过程有干扰，并且方法简单，易于实现。
文档编号G01B7/06GK103196772SQ20131011372
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者丁洪斌, 吴兴伟, 李聪, 张辰飞 申请人:大连理工大学