鑽石膜的側向成長

Tokuda 等人利用低甲烷濃度(0.0025%)下，在(111)單晶鑽石基板成 長出高低差為奈米級的鑽石膜，他們指出由於低濃度的甲烷可以在 (111)單晶鑽石基板上存在的 step，如圖 2.25(A)進行側向成長，進而 降低鑽石膜的高低差，圖 2.25(C-1)，然而將甲烷濃度提升至 0.05%時 則會造成 2D 成核(2D， nucleation)，如圖 2.25(B)，形成三角錐(hillock) 的島狀鑽石，如圖 2.25(C-2) [45-46]。圖 2.25(D)可知島狀鑽石具有

<-1-12>方向的 step，且沿著<-110>延伸，Tokuda 等人計算 step 的高 度，發現 step 高度為 2.1 nm 幾乎接近(111)面的平面間距 2.06nm，如 圖 2.26(A)所示，之後更進一步以[-1-12]方向建立島狀鑽石的成長模 型，如圖 2.26(B)所示。Tokuda 等人推測氫原子在電漿扮演著抑制二 次成核的角色，在極低甲烷濃度下才有機會成長出高低差為原子級的 利用 SiO2當作 mask 進行側向成長(Epitaxial Lateral Overgrowth，ELO)，

36

並成長出粗糙度約為 5 nm 的氮化鎵磊晶薄膜 [48]，亦有研究指出 SiO2、SixNy具有阻擋穿透式差排(threading dislocation，TD)的功用，

如圖 2.27(A)所示 [49]，利用此特性，有相關研究利用雙層 SixNy mask 增進氮化鎵的薄膜品質，並發現利用雙層 mask 可抑制氮化鎵薄膜成 長至特定厚度後所發生的脆裂行為，如圖 2.27(B)所示 [50]，在磊晶 過程中利用 mask 的技術不僅可以增加薄膜平整性亦能提升薄膜品 質。

在鑽石(100)面上已有研究是利用銥當作 mask 進行 ELO 成長，並 探討鑽石利用 ELO 成長的情形，以及鑽石膜的受力行為，如圖 2.28 所示 [51]，在銥顆粒之間側向成長的鑽石膜品質與基板一致，在銥 顆粒上之鑽石薄膜品質較差且受到張應力。直至今日，在(111)單晶鑽 石成長上並無任何研究利用 ELO 的方式進行磊晶鑽石膜。

37

圖 2.25 Tokuda 等人利用低濃度甲烷在(111)單晶鑽石上進行側向成 長 (A)為製程之單晶鑽石基板，存在 step，(B)進行側向成長後，出現 2D 成核，(C)左圖是以 0.0025%甲烷成長出平整的鑽石膜，又圖為 0.05% 甲烷成長出的島狀鑽石，(D)島狀鑽石之 AFM 圖，具有{-1-12}

面的 step，往<-110>方向延伸 [45-46]。

38

圖 2.26 以[-1-12]方向為島狀鑽石示意圖 (A) 島狀鑽石之 AFM 橫截 面示意圖，(B)以[-1-12]方向建立島狀鑽石成長模型。

圖 2.27 以 SiO2 為 mask 成長氮化鎵磊晶膜 (A) SiO2 mask 阻擋 TD 之示意圖，(B)比較無 mask 與雙層 mask 成長氮化鎵製特定厚度後之

裂痕情形。

39

圖 2.28 以銥為 mask 在(100)單晶鑽石進行 ELO 之拉曼比較圖。

2.4.5 (111)面同質磊晶鑽石膜的脆裂

在同質磊晶鑽石膜的製程中要如何降低雜質汙染來提高鑽石膜 品質一直是 CVD 製程的課題，尤其在幾乎純氫氣環境中進行成長的 鑽石膜，氫原子的擴散是首要了解的問題，Sakaguchi [37]等人利用二 次離子質譜儀(SIMS)分別對(111)和(100)之 CVD 鑽石膜進行氫原子的 縱深分析，圖 2.29 為分別對不同製程溫度的磊晶膜進行縱深分析。

圖 2.30(A)為鑽石膜在(100)面上之成長，氫原子的濃度與基材都位於 同一個級數，表示鑽石膜在(100)面上的成長並沒有氫原子擴散的影 響。與圖 2.30(B)相比，相較於基材的氫原子濃度，(111)面的氫原子 濃度隨著製程溫度的上升會使得氫原子濃度提高約兩個級數，表示氫

40 號只來自鑽石表面時，利用 secular equation [57]得到拉曼訊號位移與

41 之(111)鑽石都是在張應力(tensile stress)狀態。

42

圖 2.29 不同溫度下連續磊晶(111)鑽石膜之示意圖 Condition1~3 分別為 600℃、850℃、920℃ [37]。

圖 2.30 分別對不同溫度連續成長之鑽石膜進行 SIMS 縱深分析 (A) (100)面鑽石膜，(B) (111)面鑽石膜 [37]。

43

圖 2.31 利用 HFCVD 成長(111)面鑽石膜產生的矽原子污染 [53]。

44

圖 2.32 (111)鑽石膜之裂痕行為 (A)掃描式電子顯微鏡截面觀察，(B) 反射式光學顯微鏡觀察，(C) 穿透式光學顯微鏡觀察 [55]。

45

圖 2.33 Mermoux 等人利用微米拉曼對不同的試片進行觀察 (a)由 Tsukuba 所提供的最佳試片，(b) LEPES 未經摻雜的鑽石膜，(c) IMOMEC 提供經過磷摻雜鑽石膜，(d) NIMS 提供經磷摻雜鑽石膜，

(e) LEPES 經磷摻雜的鑽石膜 [56]。

46

圖 2.34 拉曼縱深分析(111) CVD 鑽石膜(厚度約 10μm) (A) 二維的拉 曼光譜圖，(B)一維的拉曼光譜圖 [56]。

47