降低鑽石表面粗糙度的方式

鑽石具有需多優異的物理、化學性質，但現今半導體元件尺寸已達奈 米等級，鑽石膜表面粗糙度若無法降低，便無法將之導入半導體相關製程，

而限制了鑽石於元件上之應用。有鑑於此，有許多研磨拋光鑽石表面的方 式持續發展中[50]，但這些方式耗時且花費貴，因此，直接由 CVD 的過程 中，降低鑽石之表面粗糙度將是十分可行的方向。常見的方式有:

(1) 氫電漿蝕刻

具有(001)優選取向的鑽石薄膜相較於(111)或是隨機取向的鑽石膜，較 易形成表面平整、缺陷少的高品質鑽石膜[51]。Jiang 等人利用電漿中形成 的氫離子撞擊、修飾成長出之鑽石表面，發現鑽石的表面形貌、結晶性、

性質都會有所改變[52]。而根據氫離子對於非(001)優選取向的晶粒的蝕刻 效應大於具(001)優選取向的晶粒[53]， Su 等人利用在成長階段施以負偏壓 之氫氣處理，可以大幅改變鑽石表面形貌並將表面粗糙度由 345 nm 降至 74 nm，如圖 2.24[54]，此外， Küttel 等人的研究也顯示，在(111)面鑽石上 進行氫電漿處理可以提升薄膜的平整度[55]。

(2) 二階段成長

Norgard 等人根據鑽石成長模型與鑽石成長方向參數α，以電腦模擬鑽

石以不同α值

圖 2.24 氫離子蝕刻對於鑽石表面形貌與粗糙度影響之 SEM 影像，(a)無氫 處理，(b)施以- 250 V 負偏壓氫處理[54]。

成長的二階段成長模式，如圖 2.25 所示[56]。其結果顯示若 要以二階段方式成長低表面粗糙度的(100)鑽石薄膜，第一階段必須提高甲 烷濃度與/或降低基板溫度(提高α值)，使鑽石沿<100>成長快速，並成長 較長時間，以建立具有很強<100>織構程度的鑽石膜。此時鑽石膜表面形貌 為較粗糙的角錐形貌，所以第二階段再降低甲烷濃度或提高基板溫度(α值 減小)，使鑽石薄膜表面呈現出方形之(100)面。結果顯示二階段的方式可明 顯減少鑽石薄膜表面粗糙度，如圖 2.26[56]所示，第二階段之後所量測到

之表面粗糙度明顯下降。Seo 等人同樣利用二階段成長模式，在總製程時 間4 小時內，藉由第二階段提高微波電漿功率(由 500 W 增加至 800 W)，

使鑽石膜表面粗糙度下降。而其表面粗糙度與第一階段製程時間的長短有 關，如圖2.27 所示，第一階段時間約占總製程時間的 80 %時，可得到較低 表面粗糙度之薄膜，但藉由觀察其鑽石膜之SEM 圖，似乎含有大量非鑽石 成分[57]。

圖2.25 ，

(B)α=1.5[56]。

以電腦模擬鑽石以不同α值成長的二階段成長模式：(A)α=2.85

2.26 以二階段成長方式降低鑽石膜之表面粗糙度[56]。

圖2.27 Seo 等人以二階段方式成長鑽石之結果：(A)鑽石膜表面粗糙度及 薄膜品質與第一階段時間長短之關係，(B)以不同第一階段時間成 長之鑽石膜表面形貌對照圖，(a)第一階段 1 h，(b)第一階段 3 h，

(c)第一階段成長 4 h[57]。

(3) 成長奈米鑽石

目前在各種異質基板上所能成長之鑽石薄膜依然是以多晶薄膜為主，

其表面形貌具有明顯的晶面(facet)菱線與菱角，造成鑽石膜表面粗糙不平。

而奈米鑽石因為晶粒遠小於多晶鑽石薄膜，表面粗糙度大幅下降，且不太 隨厚度的增加而上升。一般來說，通入大量(比例 > 90 %)的氬氣，主要的 反應物種會由甲基轉變為 C₂ 自由基，導致形成的鑽石尺寸為奈米等級。

Zhou[58]等人改變氬氣在反應物種中的比例( 2 - 99 %)，以微波電漿化學沉

積法成長鑽石，當氬氣比例達90 %以上時，鑽石的表面形貌由微米尺寸的 多晶鑽石轉為奈米鑽石，如圖 2.28 所示。此外，實驗顯示成長出的鑽石膜 其表面粗糙度隨氬氣比例升高而降低，大量的氬氣通入可將表面粗糙度在 相同厚度下，由425 nm 降至 18 nm，如圖 2.29(A)所示。而由圖 2.29(B)之 拉曼圖譜可知，在氬氣比例低於40 %時，非鑽石相比例並不高，鑽石 1332 cm^-1 的峰值也沒有明顯變寬，顯示了少量的氬氣對於多晶鑽石膜的品質影 響並不明顯。奈米鑽石雖然可大幅降低表面粗糙度，但大量的晶界對於鑽 石膜的熱傳導性較為不利，因此，若要維持鑽石膜品質並降低微米尺寸多 晶鑽石膜的表面粗糙度，通入少量的氬氣或許是一有效方式。

(a) (b)

圖2.28 通入 2 % Ar 與 99 % Ar 所成長出之鑽石膜表面形貌：(a) 2 %，(b) 99 % [58]。

圖2.29 以 MPCVD 方式成長鑽石過程中，改變氬氣在反應物種中的比例之 結果，(A)鑽石膜表面粗糙度與氬氣比例之關係，(B)不同氬氣比例 所成長出之鑽石拉曼圖譜[58]。