第二章 文獻回顧
2.4 提高鑽石孕核的方法
早期在成長鑽石膜時，常常會遇到一個相當棘手的問題，就是鑽石膜 成核的密度太低。當基材未作過任何前處理時，不管使用何種製程，成核 密度都很難超過105 cm-2，主要的原因應該是基材的晶格常數與鑽石的不匹 配（mismatch 或 misfit）以及鑽石具有極高的表面自由能（surface free energy）
所導致。有人嘗試使用不同的基材去成長鑽石膜，但成核密度一樣很低，
有人嘗試將基材做些前處理，結果發現可以大幅提高成核密度，於是有三 種方法，最常被用來提高鑽石的成核密度，如下所示：
2.4.1 基材刮痕法（substrate scratching method）
有人用鑽石粉末或其他材質的粉末（像是C-BN，SiC，Al2O3等等）在
2.4.2 碳化法（carburization）
這個方法是在1993 年由 Stoner 等人所提出，目的是為了在矽基材上成 長一碳化層或是碳化矽，取代價格昂貴的單晶β-SiC 基材，在加偏壓步驟之 前先作碳化這一步驟，可以得到方向性不錯的鑽石膜。
在1989 年時，William 和 Glass[43]使用 XTEM 發現在矽基材上成長鑽 石膜時會有碳化矽層的存在，於是在1990 年有人嘗試直接用碳化矽基材去 成長鑽石膜，但結果不甚理想。
到了1992 年，Stoner 等人[8]用微波電漿氣相沈積法（CVD）及偏壓輔 助成核法（bias-enhanced nucleation, BEN）成長鑽石膜，在使用 SEM、
HRTEM、XPS 和 Raman Spectroscopy 等分析儀器分析實驗結果時，發現在 加偏壓的過程中，會先在矽基材表面形成一層β-SiC，然後才會有鑽石孕核 步驟才能提高鑽石的成核密度。1993 年，Csencsits 等人[44]認為在鑽石與 基材之間會生成非晶碳層（amorphous carbon）。清大工科所陳志堅學長[40]
於1994 年實驗所得到的結果發現碳化矽層會在碳化一段時間之後消失，表 示碳化後產生碳化矽層的這種現象似乎不是一定可以觀察到，所以碳化矽 中間層在碳化過程中究竟扮演何種角色，是個值得探討的問題。
2.4.3 偏壓輔助成核法（bias-enhanced nucleation, BEN）
早期研究鑽石薄膜的生長時，提高鑽石的成核密度多會使用刮痕法 (scratching)或植晶法(seeding)來提升鑽石的成核密度。但是這些方法會嚴重 損傷基材的表面或造成基材表面的汙染，因此進行方向性鑽石薄膜的生長 時 較 少 被 使 用 。Yugo 等 人 [7] 於 1991 年 時 ， 利 用 偏 壓 輔 助 成 核 法
（bias-enhanced nucleation, BEN）進行鑽石的成核與成長，結果成功的將成 核密度提升到 108~1011 cm-2。雖然偏壓輔助成核法，因加速電子或離子撞
3. 在相同的偏壓值下，負偏壓的成核密度高於正偏壓的 2 個數量級。
一般的實驗結果顯示，在長鑽石膜時加負偏壓時，對於成核密度的影 響比加正偏壓的效果來得好。在1990 年時，Yugo 等人的實驗就發現在不同 甲烷濃度下，使用正負偏壓，然後去量測其鑽石膜的成核密度，結果發現 負偏壓的成核密度高過正偏壓約為兩個數量級，因此一般大部分的研究都 以加負偏壓為主。
圖 2-5 (a)負偏壓：吸引帶正電的碳離子或離子團向基材加速。(b) 正偏壓：吸引帶負電的電子向基材表面加速並轟擊吸附在基材表面 的碳原子或含碳分子[10]。