4-1 前言
許多文獻研究指出，在成長鑽石的過程中可添加一些額外氣體來促進成長。氮氣是 導致奈米晶鑽石(Nano-crystalline diamond )的主要成長關鍵[49]，同時也能促使鑽石成長 擁有較高的成長速率[50,51]。然而，值得注意的是氮氣的加入卻會降低鑽石薄膜的品質
[52]。過去的研究也有利用添加氣體意圖探討改變過後的鑽石成長現象[25]，不過所得的現 象並不明顯。
這個章節主要分為兩個步驟的成長來進行結果與討論。首先在一次成長的過程中，
所使用的為一般的載台(如圖 4-1)，並通入不同濃度的氮氣來觀察平板鑽石的變化。而在 二次成長的過程中，使用所設計的圓錐狀載台(如圖 4-2)。並使用不同濃度的氮氣來進行 分析與討論。而在二次成長中使用圓錐狀載台的原因在於，電漿球會吸附在圓錐狀載台 的頂端(如圖 4-2)。在相同的製程條件下，其電漿球的密度將有效的被提昇。藉此增加沉 積的速度以及反應的現象。
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圖4-1 一次成長時所使用的一般載台。
圖4-2 圓錐狀holder 示意圖。
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Holder 一般holder
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圖4-3 氮氣對板狀鑽石尺寸的影響之SEM 圖。(a)顯示擁有局部的方向性，叢聚的大 小約為4μm。(b)放大倍率為 15000 倍並標示板狀鑽石尺寸及厚度。
(a)
(b)
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圖4-4 一次成長，不同氮氣濃度SEM 之圖像。(a)與(b)為使用氮氣 4sccm，(c)與(d)使 用氮氣5sccm。
4-2-3 結論
在一次成長的情況下觀察到，少量的氮氣有助於平板鑽石的邊緣變為較為平滑的狀 態。也有些許規則性的排列，但是板狀鑽石皆呈現大量的叢聚。使得排列的現象就變得 不明顯。在過量的氮氣之下，對於平板鑽石的成長並沒有幫助，反而皆形成奈米晶鑽石 的形貌。
(b)
(a) (c)
(d)
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4-3 二次成長之實驗結果與討論
這個章節將使用所設計的圓錐狀載台來進行第二次的平板鑽石的成長。沉積過程如 下，將一次成長所形成的鑽石直接放置在圓錐狀載台上，再進行第二次的成長。而在第 二次的成長過程中亦加入氮氣。圓錐狀載台的設計概念在於希望能夠將電漿球的功率與 溫度集中，而成長出形狀及尺寸都較為完美的平板鑽石。圖4-9 顯示為兩種 holder 分別 在電漿球內的狀況。
4-3-1 氮氣對平板狀鑽石尺寸的影響
首先，表4-3 為二次成長的參數設計表。由圖 4-5 可以清楚的看出板狀鑽石皆呈現 叢聚的情況，並在大部分叢聚的頂端出現一(100)面向的方塊。不過，板狀鑽石的外貌也 由鋸齒狀改變為平滑狀。其長度約為500-700nm，厚度約為 20-100nm。
圖4-9 不同holder 在反應室內的狀況。(a)為一般 holder。(b)為圓錐狀 holder。
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圖4-5 使用二次成長所形成的平板鑽石之SEM 圖。(a)平板鑽石皆呈現叢聚現象。叢 聚大小約為5μm。(b)平板鑽石顯得雜亂無章，較大尺寸約為 500-700nm。
(a)
(b)
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4-3-2 氮氣濃度對板狀鑽石的影響
由前一章節可以清楚的看到，進行二次成長時使用圓錐狀載台並通入氮氣的確對於 平板狀鑽石外型以及尺寸有增加成長的效果。這個章節進一步改變氮氣的流量來分析其 對於板狀鑽石尺寸的差別。表4-4 分別為(a)氮氣 1sccm，N2/CH4為0.14 、(b)氮氣 3sccm，
N2/CH4為0.43 以及(c)氮氣 5sccm，N2/CH4為0.71 三組參數設計表。由圖 4-6，4-7，4-8 發現，微量的氮氣有助於板狀鑽石的成長，然而過量的氮氣反而抑止了板狀鑽石的成 長，使其變成奈米狀結晶性鑽石。而經由二次成長所形成的(100)的方塊也隨者氮氣的增 加而隨之消失。
4-3-3 結論
在這個章節使用二次成長的方式來討論氮氣對於平板鑽石的成長影響。經由實驗結 果顯示：在二次成長下，電漿密度較高的情況下，平板鑽石的邊緣所呈現的直邊形狀更 為明顯。然而這樣的成長條件也有利於(100)面向的方塊成長。然而，平板鑽石的排列皆 呈現雜亂的叢聚，並無規則性可言。
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表4-4 使用二次成長並通入不同流量氮氣之沉積參數。
(a) (b) (c)
Heating Bias Growth Heating Bias Growth Heating Bias Growth
Power (W) 800 800 800
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圖4-6 使用二次成長，通入氮氣為1sccm 之 SEM 圖。(a)有特殊夾角的大(100)方塊，
長約為1μm，寬約為 0.6μm 。(b)有特殊夾角的小(100)方塊。長約為 0.8μm，寬約為 0.5-0.8μm。
(a)
(b)
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圖4-7 使用二次成長，通入氮氣為3sccm 之 SEM 圖。(a)標示地區為類似蝕刻的情況 發生。方塊的長約為300nm，寬約為 200nm。(b)不同拍攝範圍中，類似蝕刻的現象依然
存在。
(a)
(b)
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圖4-8 使用二次成長，通入氮氣為5sccm 之 SEM 圖。(a)圖中標示處仍然可以看出叢 聚。(b)僅存的方塊大小約為 200nm×180nm。
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