鑽石，因它的稀有與美麗成為珍貴的寶石，在科技工業上更由於其 多種優異的物理及化學特性而令人嚮往。高硬度 (hardness)、強度 (strength) 與低摩耗係數，使鑽石能應用在切削工具 (cutting tool) 以及 其他耐磨耗的器具上；高光學穿透率，因此鑽石非常適合應用在光學視 窗方面，而雷射視窗便是目前在市場上可見的產品。其他有關鑽石的基 本性質與應用領域關係詳見圖 1-2[1]、表 1-1[2]及表 1-2[3][32]。其中值得 注意的是，鑽石的高能量間隙 (band gap)、高電子親和力 (electron affinity) 以及極高的熱傳導係數 (thermal conductivity)，更是令人們將鑽 石視為許多在高功率及高溫度下作業之電子元件的理想材料。
然 而 ， 雖 然 鑽 石 的 電 性 適 合 於 電 子 元 件 應 用 ， 但 在 異 質 基 材 (heterosubstrate) 上沉積高品質 (high quality) 及高方向性的鑽石膜 (highly oriented diamond film) 並不容易。由於目前在微電子元件上應用 最多的基材材料便是矽 (Silicon)，故鑽石在矽基材上沉積這項議題數十 並改善鑽石在矽基材上磊晶 (heteroepitaxy) 成核的限制。尤其自 1991 年 S. Yugo 等 人 年 首 先 提 出 以 偏 壓 輔 助 成 核 法 (Bias Enhanced Nucleation，BEN) 後[5]，偏壓輔助成核法便成為增加在異質基材上鑽石 的成核密度的主流技術，在偏壓時的成核機制也就特別受到專注。不幸
的是，鑽石核種微小，除在觀測上會有極大的困難外，在偏壓成核過程 中是否有暫態的物種產生更是無法藉由目前的分析技術觀察。故鑽石膜 的偏壓成核與初期成長機制仍存在下列幾項問題[4]：
1) 適合的成核位置？
2) 鑽石前驅物種 (precursor) 與化學結構反應？
3) 基材表面結構缺陷 (defects) 的影響？
稍後在 2.4 小節介紹的，便是學者們在試圖合理解釋這些問題的前 提下，所提出的數種鑽石在異質基材上偏壓成核的機制與模型。
而本論文將以不同的偏壓方法，如交流偏壓 (AC bias) 或甚至同時 施加直流與交流偏壓來成核成長鑽石膜，以期能得到更高比例高方向性 的鑽石膜 (Highly oriented diamond，HOD)。此外，更試圖藉文獻中曾 經提出的成核理論以及利用實驗來討論驗證交流偏壓對成核成長高方 向鑽石膜是否有正面的幫助。
表 1-1 鑽石性質與其運用領域[2]
Application area Application examples Physical properties of diamond utilized in the applications Grinding/
Cutting tools Inserts Twist drills Whetstones Industrial knives Circuit-board drills Oil drilling tolls Slitter blades Surgical scalpels Saws
Great hardness Great wear resistance High strength and rigidity Good lubricating properties General chemical inertness
Wear parts Bearings
Jet-nozzle coatings Slurry valves Extrusion dies Abrasive pump seals Computer disk coatings Engine parts
Mechanical implants Ball bearings
Drawing dies Textile machinery
Great hardness Great wear resistance High strength and rigidity Good lubricating properties General chemical inertness
Acoustical coatings Speaker diaphragms High sound propagation speed High stiffness
Low weight Diffusion/
Corrosion protection Crucibles
Ion barriers (sodium) Fiber coating
Reaction vessels
General chemical inertness High strength and rigidity Good temperature resistance Optical coatings Laser protection
Fiber optics X-ray windows Anti reflection UV to IR windows Radomes
Transparency from UV Through visible into IR Good radiation resistance
Photonic devices Radiation detectors
Switches Large band-gap Thermal management Heat-sink diodes
Heat-sink PC boards Thermal printers Target heat-sinks
High thermal conductivity High electrical resistors
Semiconductor devices High-power transistors High-power microwave Photovoltaic elements Resistors
Capacitors
Field-effect transistors UV sensors
Integrated circuit
High dielectric strength High thermal conductivity Good temperature resistance Good radiation resistance High power capacity
High frequency performance Low saturation resistance
表 1-2 鑽石之基本性質[3][32]
熱容量 (Thermal capacity,
J.mol-1K-1) 6.12 6.195
物理特性
硬度 (Vickers hardness, GPa) 50 ~ 100 57 ~ 104 楊氏係數 (Young’s modulus,
GPa) 820 ~ 900 910 ~1250
機械性質
磨耗係數 (Coefficient of
friction, in air) 0.035 ~ 0.3 0.05 ~ 0.15
4500/3800[32] 2200/1600 介電常數 (Dielectric constant,
45MHz ~ 20GHz) 5.6 5.7
介電強度 (Dielectric strength,
V.cm-1) 106 106
電性
能隙 (Band gap, eV) 5.45 5.45
光學特性 折射率 (Refraction index, at 10
μm) 2.34 ~ 2.42 2.40
表 1-3 矽與鑽石一些基本性質的比較[4]
Crystal parameters governing the diamond growth on Silicon substrate.
Si Diamond
Crystalline structure Fd m
3 _ Fd m
3 _
Lattice parameter (nm) 0.543 0.356
Misfit (%) 52.2 -
Thermal expansion coef. (ppm oC) 7.6 0.8 Surface free energy (111) plane (Jm-2) 1.46 5.30
Melting temperature (oC) 1420 4000
圖 1-1 (a) 鑽石 Fd m
3_ 結構, (b) sp3 鍵結示意圖。
[http://phycomp.technion.ac.il/~anastasy/teza/teza/node3.html]
(a) (b)
圖 1-2 鑽石的應用[1]。