基于光学等离子体发射贝叶斯优化控制组分的氮化物薄膜自主溅射合成
应用物理
2023-08-11 v3 机器学习
摘要
自主实验已成为加速材料发现的高效途径。尽管自主合成仪器在分子与聚合物科学、杂化材料与纳米颗粒的溶液处理中已流行，但用于物理气相沉积的自主工具实例稀少，却对半导体工业十分重要。在此，我们报告一种用于可控组分薄膜溅射沉积的自主工作流的设计与实现，其利用由 Python 高度自动化控制的溅射反应腔、光学发射光谱（OES）与贝叶斯优化算法。我们将由 X 射线荧光测得的薄膜组分建模为在 N 气氛下由元素 Zn 与 Ti 靶共溅射时所监测发射谱线的线性函数。由 OES 提供信息的贝叶斯控制算法，通过最小化期望与实测发射信号间的绝对误差，在溅射功率空间中导航以制备具有用户定义组分的薄膜。我们通过自主制备 ZnTiN 薄膜验证了方法，其相对阳离子组分偏离目标值在 3.5% 以内，即便对 15 nm 薄层亦然，表明所提方法能以最小人为干预可靠合成特定组分薄膜。此外，该方法可扩展至更困难的合成实验，其中等离子体强度非线性依赖于压强，或元素黏附系数强烈依赖于衬底温度。
引用
@article{arxiv.2305.11122,
title = {Autonomous sputter synthesis of thin film nitrides with composition controlled by Bayesian optimization of optical plasma emission},
author = {Davi M. Febba and Kevin R. Talley and Kendal Johnson and Stephen Schaefer and Sage R. Bauers and John S. Mangum and Rebecca W. Smaha and Andriy Zakutayev},
journal= {arXiv preprint arXiv:2305.11122},
year = {2023}
}