第五章 高方向性鑽石膜之成長
5.3 實驗結果與討論
5.3.2 取掉上電極製程之分析結果
(a) 載台高度設定的影響：
取掉上電極過程，必須重新設定載台的高度，刻度數值 60.0 為前製程 偏壓階段的高度，載台高度數值愈小，表示高度的提升，基材愈接近電漿 球中心距離的位置，電漿溫度也愈高[74]，如圖5-4 所示。分別以甲烷濃度
(a) (b)
2%，在不同的載台高度 40.0、50.0、60.0 的條件下作鑽石膜的成長。所得 到之SEM 分析圖如圖 5-3 所示，很明顯地看到在載台高度 60.0 的條件下，
鑽石顆粒為花椰菜之形貌，在鑽石晶面與晶界間有許多二次成核晶粒的產 生，使的鑽石晶行顯得較為紊亂。在載台高度40.0 的條件下，鑽石顆粒有 晶形出現，但因溫度過高造成(100)晶面快速成長，使得晶形較為不完整。
在載台高度50.0 的條件下，鑽石顆粒具有較完整的<100>的晶形出現，製程 溫度促使(100)晶面成長速率較緩慢，使(100)晶面可以較完整地呈現出來。
作拉曼光譜的分析，結果如圖5-5 所示，三個條件下，波數在 1332 cm-1之 D-peak 的半高寬值(FWHM)差不多，而在 1580~1650 cm-1的波數區段皆有 一強度較高的G-band 訊號峰值，意味各膜層表面皆存在大量的 sp2石墨結 構成份。將載台高度50.0 及 60.0 的拉曼譜峰值作比較，可以發現載台高度 50.0 的條件下之 G-band 訊號值峰較小，表示此條件下所形成之鑽石膜層 sp2 成份含量最少。
由 SEM 表面形貌及拉曼光譜分析，可推測載台高度愈高，基材愈接近 電漿中心位置(stage height: 40.0)，其表面上方的電漿溫度較高，使得甲烷直 接裂解產生C2H2•活性基，此活性基易於生成 sp2石墨結構物質[42]，其由於 高溫電漿使得氫原子及碳氫活性基大量產生，造成彼此之間的碰撞機率而 形成C=C 及二次成核，造成所沉積之膜層表面成份的 sp2數量較多，如圖 5-6 所示。但若載台高度過低(stage height: 60.0)，由於基材表面上方之電漿 溫度較低，雖減緩了C2H2•活性基的產生，但由於基材溫度高低受到電漿溫
散作用，直接沉積至膜層之鑽石核種上，尺寸較大的核種會吸引周圍小顆 粒進行粗化作用，達到穩定的尺寸，尺寸較小的核種則可能被電漿中的氫 原子蝕刻而脫附回到電漿裡，因此造成沉積膜層呈現花椰菜之形貌。
圖 5-3 取掉上電極製程，在不同載台高度的條件下之 SEM 分析圖，(a)(b) Stage height: 40.0，(c)(d) Stage height: 50.0，(e)(f) Stage height: 60.0。
(c) (a)
(e)
(b)
(d)
(f)
圖 5-4 基材與電漿中心距離的變化 z (cm)造成電漿溫度於載台表面變化之 分佈變化相對關係[76]。(a) 載台於一般正常位置向電漿中心拉遠，
(b) 載台於一般正常位置，(c) 載台於一般正常位置向電漿中心靠
圖5-5 取掉上電極製程，在不同載台的高度下之拉曼光譜分析圖。
圖5-6 當 C-H 解離過快形成之 C2H2參與鑽石合成反應形成sp2石墨結構之 過程[42]。
(b) 甲烷濃度高低之影響：
密度最高，使得電漿中之氫原子在(111)面的蝕刻率大於(100)面的蝕刻率，
沉基的碳氫物種不斷地擴散至(111)面填補缺陷，加速了(111)晶面的生長速 率，使得(111)晶面之面積愈來愈小，形成有(100)晶面取向之鑽石膜層[76]。 在甲烷濃度1.0 %的條件下，其晶粒間的高低角度差的現象，可能因為電漿 中大量的氫原子蝕刻速率大於沉積之碳氫物種的擴散速率，造成表面被蝕 刻得有許多晶面存在，使得沉積膜層的鑽石顆粒間會有高低角度之差異。(見 圖5-9 之 tilt 30°之 SEM 分析圖)
表5-1 取掉上電極製程，以不同甲烷濃度作鑽石成長之實驗參數
CH4/H2 (%) 1.0 1.5 2.0
Power (W) 800
Pressure (torr) 20 Bias voltage (V) ╳ Flow rate (sccm) 300
Duration (min) 60
Substrate temp. (°C) 723 697 683
圖 5-7 取掉上電極製程，在不同甲烷濃度的條件下之 SEM 分析圖，(a)(b) CH4/H2 2.0 %，(c)(d) CH4/H2 1.5 %，(e)(f) CH4/H2 1.0 %。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
圖5-8 取掉上電極製程，在不同甲烷濃度下之拉曼光譜分析圖。
圖5-9 有明顯高低差異之(100) textured 鑽石膜層。
5.3.3 以偏壓階段 30 sec、1 min 及 3 min 所製備的碳化矽層作鑽石膜成長