鑽石成長

Van der Drift 於 1967 年提出了進化選擇機制（the evolutionary selection mechanism）[21]。 此機制解釋了鑽石在氣相沈積（vapor deposition）成長 過程中，一部份的晶體顆粒會長得比較快，並且吞噬鄰近長得比較慢的鑽 石顆粒，最後影響鑽石膜的成長方向（growth orientation）（或又稱為織構

（texture））的現象。

以斷面的二維空間為例，如圖 2.5 所示，假設沿著基材面的方向，表 面擴散（surface diffusion）方式完全不受限制，虛線代表晶粒之間的晶界

（Intercrystal boundaries），實線代表鑽石膜晶粒的最外層邊界（the crystal front），剛開始時基材上等距離散佈著任意方向的立方鑽石核種晶粒，假設 x 代表相鄰的鑽石核種晶粒開始接合在一起（coalescence of adjacent nuclei）

所需的最短時間，圖中分別顯示t=x，t=5x 及 t=25x 三個不同時間的鑽石膜 晶粒最外層邊界的位置與形狀。 可以看出，只有成長最快速方向的晶粒最 後會留存下來，通常這些晶粒的方向幾乎垂直基材表面方向，於是形成柱 狀鑽石晶粒結構（columnar structure or fiber structure），在 Yarbrough 等人的 實驗中可以觀察到與進化選擇機制相當吻合的結果。 selection mechanism）。

K. V. Ravi 在低壓、高成長速率的鑽石厚膜（thick diamond films）

或鑽石板膜（thick diamond slabs）成長過程中，發現鑽石晶粒彼此間的 成長的速率並不相同，彼此間有生存競爭（competition）的關係存在，

因此會影響到鑽石最後的膜面品質或形貌的穩定性（morphological stability）。 他觀察到由高成長速率所得到的鑽石膜面通常是比較差 的，即形貌不穩定性（morphological instability），其可能的機制是：

(1）假設鑽石膜在最初期是形貌穩定的（morphological stability），鑽石膜 面均勻（uniform）、無空孔缺陷（void-free）與緻密（dense films）。

（2）隨著鑽石膜逐漸成長，鑽石膜最上層形貌慢慢開始出現不穩定，有些 鑽石相（non-diamond phases）(例如類鑽探膜)。

鑽石膜的織構（texture）和形貌（morphology）與鑽石膜的成長條件如 氣氛、壓力、溫度等有密切關係。C. Wild 等人根據實驗觀察 {100} Si 基材 上柱狀結構（strongly fiber-texture）鑽石膜、{100} Si 基材上異質磊晶織構

（heteroepitaxial texture ） 鑽 石 膜 、{100} 鑽 石 基 材 上 同 質 磊 晶 織 構

（homoepitaxial texture）鑽石膜在不同面方向成長速度的比值的結果，定義 了鑽石成長方向參數，以描述氣相化學沈積鑽石的外型。

此鑽石成長方向參數（the growth parameter α）的定義為：

度或甲烷（CH₄）的濃度可以影響最後鑽石成長的方向。

雖然，現在已經有人在鑽石[23-25]、C-BN、SiC 與 Si 基材上分別成長 出方向性不錯的鑽石膜，但是在其他材料的基材上欲成長方向性不錯的鑽

（Equilibrium Shape），一種是成長過後穩定的形狀（Growth Shape）。

如果我們忽略掉晶體內的應變能（Strain Energy），則晶體的形狀是由 表面自由能（Surface Free Energy）所決定，使晶體能夠在最低總自由能下 的平衡狀態存在。公式如下[26]：

∫A γdA＝a minimum

其中γ為表面自由能（Surface Free Energy），A 為面積。

當表面自由能具等向性（Isotropic）時，則晶體的平衡狀態下的形狀為圓球 散傳送到基材表面。 有些反應物會吸附（Adsorption）於基材表面，同時