基底温度对薄膜性能有何影响？优化密度、结晶度和应力

在薄膜沉积过程中提高基底温度是改善薄膜质量的主要方法。 较高的温度为沉积原子提供了更多的动能，使它们能够排列成更致密、更有序的结构，缺陷更少。这直接提高了薄膜的结构、光学和电学性能。

核心原理很简单：较高的基底温度会增加沉积原子的表面迁移率。这使得它们能够在表面移动，找到更稳定的能量位置，形成更高质量的薄膜，但这种益处必须与热限制和诱导应力相平衡。

核心机制：增强原子迁移率

基底温度如此具有影响力的根本原因在于它影响了原子到达表面时的能量。

当原子或分子在沉积过程中到达基底时，它们被称为吸附原子。

表面迁移率是这些吸附原子在锁定到最终位置之前在表面扩散或移动的能力。

较高的基底温度直接转化为较高的热能，从而驱动这种运动。

具有许多缺陷的粗糙、多孔薄膜处于高能、不稳定的状态。致密、有序的晶体薄膜则处于低得多的能量、稳定的状态。

通过提高表面迁移率，可以为吸附原子提供逃离非理想位置并沉降到这些首选低能位点所需的能量。这个过程有效地在生长过程中对薄膜进行“自退火”。

原子迁移率的提高带来了最终薄膜的几项可测量且非常理想的改进。

通过更大的迁移率，吸附原子可以更有效地填充微观空隙和间隙。这种迁移导致薄膜在物理上更致密、孔隙率更低。

许多薄膜缺陷是原子“卡”在错误位置的结果。较高的温度有助于补偿悬挂键和其他结构缺陷。

这种局部态密度的降低形成了更有序，通常也更结晶的结构。

薄膜-基底界面处增强的表面迁移率促进了更好的化学键合和机械互锁，从而显著提高了附着力。

此外，原子能够正确排列的特性鼓励形成更大、更均匀的晶粒。

结构上的改进不仅仅是机械性的。具有更少缺陷和更有序结构的薄膜通常会表现出更高的电子迁移率和不同的光学特性（如折射率或透明度）。

尽管温度较高通常是有益的，但它并非万能的解决方案，并伴随着关键的限制。

当基底和新沉积的薄膜在沉积后冷却时，它们会收缩。如果薄膜和基底具有不同的热膨胀系数，一个收缩的程度会大于另一个。

这种不匹配会在薄膜中产生显著的机械应力，这种应力可能大到足以引起开裂、剥落或翘曲。

基底的选择通常对最高工艺温度设置了硬性限制。

例如，柔性电子设备所用的聚合物基底具有较低的熔点或玻璃化转变温度。同样，一些化合物半导体如 GaAs 如果加热过度可能会降解或分解。

最佳基底温度是所涉及材料和所需结果的函数。

最终，控制基底温度就是有意识地管理可用于沉积原子以构建所需薄膜结构的所有能量。