以微波電漿化學氣相沉積法合成高品質高成長速率鑽石膜的製程開發

Abstract

本研究為改善鑽石的晶體品質以及成長速率，利用微波電漿化學氣相沉積法，以氫氣、甲烷、氮氣為反應氣體，矽晶片為基材，並以特別設計的鉬支架為試片基座來開發成長鑽石薄膜的製程。首先在矽基材上，使用兩組不同製程參數作兩階段前處理，以利形成鑽石晶種，並以圓柱狀鉬為陽極，載台為陰極。其中第一階段的目的在於加熱試片並減低矽基材上的蝕刻效果，而第二階段是藉由偏壓以加強成核。接著移除陽極，利用相同的MPCVD系統，並以火山口形狀載台來集中電漿。最後以SEM、Raman，以及XRD來分析各製程步驟處理後的試片結構。從實驗結果可得以下結論。 由各個沉積參數對鑽石品質以及鑽石成長速率的影響來看，結果顯示在適當的CH4/H2比例( 7/500 sccm/sccm)、適當的壓力(80 Torr)，以及少量的N2 (1 sccm)可以得到最好的鑽石品質(ID/IG = 1.78)以及最高的鑽石成長速率(~ 2.1 □m/hr)。石墨的成長速率近似於石墨被氫電漿蝕刻的速率時，即為最好的CH4/H2流量比。N2可以提升鑽石的成長速率，此現象符合文獻中的結果。以1000 W微波功率的條件下，本實驗所得到的鑽石成長速率較文獻中的成長速率(0.5 □m/hr)高上許多。由SEM以及XRD分析結果顯示此鑽石膜的(1 0 0)面優選晶面。 實驗中，利用光學高溫計測得火山口形狀載台頂部的溫度為950℃ ~ 1000℃。換句話說，較高的溫度有利於降低鑽石形成的活化能，並可提升適當的CH4/H2流量比，也因此能提升成長速率。