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系統識別號 U0002-2306200502230600
中文論文名稱 反應離子蝕刻加工化學氣相沈積鑽石薄膜之研究
英文論文名稱 Investigation of RIE Method to Etch the CVD Diamond Film
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 黃帥文
研究生英文姓名 Shuai-Wen Huang
學號 692340382
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-20
論文頁數 71頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-馬廣仁
委員-廖運炫
委員-左培倫
委員-劉道恕
委員-趙崇禮
中文關鍵字 CVD鑽石薄膜(CVD diamond film)  反應離子蝕刻(Reactive Ion Etching)  RAMAN 
英文關鍵字 CVD diamond film  Reactive Ion Etching  RAMAN 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 鑽石具有高硬度、高熱導係數、透光範圍廣和耐腐蝕等特性,使其成為工程上最重要的材料之一,但是天然鑽石取得不易、價格昂貴等因素限制其應用廣度。目前使用化學氣相沈積法(CVD)製造多晶鑽石薄膜,其多方面特性與天然單晶鑽石近似,若能將CVD鑽石薄膜表面粗糙度有效平坦化,將使鑽石薄膜發揮極大潛力。本研究以反應離子蝕刻(RIE)加工鑽石薄膜,蝕刻氣體為O2、CF4、SF6,三種氣體依不同比例混合加工,也利用PLASMA在大氣中、室溫下預處理鑽石薄膜表面後,再做RIE蝕刻。使用SEM、α-STEP、EDAX與RAMAN等儀器分析薄膜表面型態及組成元素分析。
研究結果顯示CVD鑽石薄膜經由RIE處理後,表面有明顯改質的現象,將部分鑽石結構轉換為其他碳的同素異形體(類鑽、石墨、非晶碳...等),或是其他揮發性產物,達成材料移除目的。
英文摘要 Diamond, having many advanced physical and mechanical properties, is one of the most important materials used in the mechanical, telecommunication and optoelectronic industry. However, diamond has the highest hardness number of the known materials and is extremely difficult to be machined. In the present study, The microwave CVD method was employed to produce diamond films. The underlying material removal mechanisms, microstructure of the machined surface and related machining conditions were investigation. Plasmas based on pure O2 have produced moderately high yet erratic rates of reactive ion etching of diamond although accompanied by an increase in roughness of the surface. The etching of diamond in SF6 and CF4 plasmas has produced a rounding of the peaks on the surface of the diamond but without a decrease in overall roughness. The experiment has directly compared reactive ion etching of CVD grown diamond in a range of plasmas of potentially reactive plasmas (O2, CF4/ O2, SF6/ O2). The diamond structures of the protruded grains were transformed by the RIE into graphite, amorphous diamond and amorphous carbon.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 4
1-3 研究動機與目的 4
第二章 文獻回顧 6
2-1 拋光機制 6
2-1-1石墨化(Graphitization) 6
2-1-2微裂(Micro-chipping) 7
2-1-3氣化(Evaporation) 7
2-1-4濺射(Sputtering) 8
2-1-5化學反應(Chemical reaction) 8
2-2拋光方法 9
2-2-1機械式拋光(Mechanical polishing) 9
2-2-2化學輔助機械式拋光與平坦化(CAMPP) 10
2-2-3熱化學式拋光(Thermochemical polishing) 10
2-2-4雷射表面改善(Laser surface modifications) 10
2-2-5離子束拋光(Ion beam polishing) 11
2-2-6 反應式離子蝕刻法(Reactive ion etch) 12
第三章 實驗原理 16
3-1電漿生成原理 16
3-2 蝕刻原理 19
3-2-1 乾蝕刻原理 19
3-2-2 RIE蝕刻原理 22
第四章 實驗方法與設備 24
4-1 實驗規劃 24
4-2 實驗流程 25
4-3 實驗設備 25
4-3-1 RIE加工系統 25
4-3-2 PLASMA表面處理系統 26
4-3-3分析檢測儀器 27
第五章 實驗結果與討論 29
5-1 RIE實驗結果及分析 32
5-2 PLASMA預處理後RIE實驗結果及分析 42
5-3 ICP實驗結果及分析 58
第六章 結論 64
參考文獻 66

圖目錄
圖 1.1.1 使用於X光微影之鑽石幕罩 2
圖 1.1.2 用於生產次微米電路之X光視窗 3
圖 1.1.3 鑽石表面聲波濾波器 3
圖 1.1.4 超硬工具的鍍膜 3
圖 1.2.1 為工業化國家工業鑽石用量之成長趨勢 4
圖 2.2.4.1 雷射拋光示意圖 11
圖 2.2.6.1 反應離子蝕刻反應腔剖面試意圖 13
圖 3.1.1 不同氣體壓力下之電漿中氣體溫度和電子溫度 17
圖 3.1.2 對低壓氣體進行輝光放電的電壓-電流關係圖 18
圖 3.1.3 電將中正離子撞擊陰極釋放一次電子示意圖 18
圖 4.3.1.1 RIE反應主機及RF Generator 25
圖 4.3.1.2 供氣設備 26
圖 4.3.2.1 PLASMA處裡系統 26
圖 4.3.2.2 工作中的PLASMA系統 26
圖 4.3.3.1 掃描式電子顯微鏡HITACHI S3000N型 27
圖 4.3.3.2 α-STEP 27
圖 4.3.3.3 Rinshow公司出品的RAMAN檢測儀器 28
圖 5.1 鑽石薄膜表面初成模形貌、表面粗糙度及RAMAN光譜分析 30
圖 5.2 鑽石薄膜表面黏附之EDAX圖 31
圖 5.3 RIE 02 50 sccm蝕刻5分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 34
圖 5.4 RIE 02 50 sccm,CF4 10 sccm蝕刻5分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 34
圖 5.5 RIE 02 50 sccm,SF6 10 sccm蝕刻5分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 35
圖 5.6 02 50 sccm蝕刻15分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 36
圖 5.7 RIE 02 50 sccm,CF4 10 sccm蝕刻15分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 37
圖 5.8 RIE 02 50 sccm,SF6 10 sccm蝕刻5分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 37
圖 5.9 RIE 02蝕刻25分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 39
圖 5.10 RIE 02 50 sccm,CF4 10 sccm蝕刻25分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 40
圖 5.11 RIE 02 50 sccm,SF6 10 sccm蝕刻25分鐘後表面形貌及RAMAN光譜分析 41
圖 5.12 鑽石薄膜經由PLASMA預處理後的表面形貌 43
圖 5.13 鑽石薄膜表面顆粒狀物體的EDAX分析 44
圖 5.14 PLASMA預處理後,鑽石薄膜表面之RAMAN光譜分析 44
圖 5.15 02 RIE 處理PLASMA 30秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 46
圖 5.16 02 RIE 處理PLASMA 60秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 47
圖 5.17 02 RIE 處理PLASMA 180秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 48
圖 5.18 02 RIE 處理PLASMA 30、60、180秒之RAMAN光譜分析 49
圖 5.19 CF4/O2 RIE 處理PLASMA 30秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 50
圖 5.20 CF4/O2 RIE 處理PLASMA 60秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 51
圖 5.21 CF4/O2 RIE 處理PLASMA 180秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 52
圖 5.22 CF4/O2 RIE 處理PLASMA 30、60、180之RAMAN光譜分析 53
圖 5.23 SF6/O2 RIE 處理PLASMA 30秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 54
圖 5.24 SF6/O2 RIE 處理PLASMA 60秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 55
圖 5.25 SF6/O2 RIE 處理PLASMA 180秒與未PLASMA試片25分鐘功率200 W 56
圖 5.26 SF6/O2 RIE 處理PLASMA 30、60、180秒之RAMAN光譜分析 57
圖 5.27 O2 50 sccm,CF4 12.5 sccm,時間5分鐘,功率200 W在不同壓力下的蝕刻結果 59
圖 5.28 O2 50 sccm,SF6 12.5 sccm,時間5分鐘,功率200 W在不同壓力下的蝕刻結果 60
圖 5.29 時間5分鐘,功率200 W,壓力3.8 mTorr,在不同流量下的蝕刻結果 62
圖 5.30 時間5分鐘,功率200 W,壓力3.8 mTorr,在不同流量下的蝕刻結果 63

表目錄
表 1.1 鑽石之物理特性 2
表 1.2 CVD鑽石各項應用與表面粗操度之關係 5
表 2.1 各式鑽石拋光方式比較 15
表 4.1.1 實驗參數設定 24
表 5.1 第一部分RIE在不同蝕刻時間下的實驗參數 32
表 5.2 PLASMA預處理之加工參數 45
表 5.3 ICP蝕刻鑽石薄膜支實驗參數 58
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