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系統識別號 U0002-2607200922555500
中文論文名稱 以反應離子蝕刻製作鑽石微結構之研究
英文論文名稱 Investigation of Fabricating Micro Structures on Diamond Film by Reactive Ion Etching
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 廖仁誠
研究生英文姓名 Ren-Cheng Liao
學號 696371615
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-07
論文頁數 91頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-左培倫
委員-馬廣仁
委員-陳炤彰
委員-陳盈同
中文關鍵字 化學氣相沉積鑽石膜  反應離子蝕刻  金屬遮罩  微結構 
英文關鍵字 chemical vapor deposition diamond film  reactive ion etching  metal mask  microstructures 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 鑽石擁有多項優異之物理、化學、機械、光學、熱學與電學性質,像是高硬度、高化學惰性、低摩擦係數、寬光學穿透頻率、高熱傳導率與寬電子能隙等;因此鑽石具備解決許多高階工程應用上在材料方面限制的潛力。
本論文使用氧氣電漿反應離子蝕刻(RIE)對化學氣相沉積(CVD)鑽石膜進行微細蝕刻加工,並同時探討鑽石微結構之形成機制及使用金與白金當作為金屬遮罩材料對RIE電漿蝕刻微結構之影響。而場發射掃描式電子顯微鏡(FESEM)、α-step表面形貌儀(α-step profiler)、與拉曼光譜儀(Raman)等分析儀器亦於研究中被用以檢測蝕刻前後鑽石微結構形貌、表面粗糙度及成分分析。本論文探討三種微金屬遮罩之製作方法,有光微影、雷射選擇性移除與熱重融法。研究結果顯示鑽石蝕刻時使用金為微遮罩易形成鑽石之柱狀微結構,而白金遮罩則有利於形成垂直邊壁微結構,兩種金屬遮罩皆可提供選擇性保護鑽石的功用。
英文摘要 Diamond has many excellent physical, chemical, mechanical, optical, thermal, and electrical properties such as high hardness, extreme chemical inertness, low friction coefficient, wide optical transparency bandwidth, high thermal conductivity, and wide band gap. Therefore, diamond can provide potential solutions to many advanced engineering problems.
The reactive ion etching (RIE) method was adopted in this research to etch the CVD diamond using oxygen as the etchant gas. The Au and Pt were used to form micro-mask on CVD diamond film. Three techniques namely photo-lithography, laser selectively removal and reflow method were employed to generate the micro-masks. The etching parameters and the forming mechanism of microstructures were investigated in this study. Field emission scanning electron microscope (FESEM), α-step profiler, and Raman spectrometer were used to observe and analyze the morphology, surface roughness and chemical composition of the obtained microstructures. The results showed that microstructures could successfully produce by the proposed RIE method and the au mask tended to produce pillar-shaped microstructures and Pt mask helped to form vertical sidewall.
論文目次 目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究背景 6
1-3研究動機與目的 8
第二章 文獻回顧 9
2-1鑽石膜成長 9
2-2鑽石材料移除機制 12
2-2-1微裂(Micro-chipping) 12
2-2-2石墨化(Graphitization) 12
2-2-3氣化(Evaporation) 12
2-2-4濺射(Sputtering) 13
2-2-5化學反應(Chemical reaction) 13
2-3鑽石膜平坦化 13
2-3-1機械拋光(Mechanical polishing) 14
2-3-2熱化學拋光(Thermo-chemical polishing) 14
2-3-3化學輔助機械拋光與平坦化(CAMPP) 14
2-3-4雷射拋光(Laser polishing) 14
2-3-5 離子束拋光(Ion beam polishing) 14
2-3-6 複合拋光(Compound Polishing) 15
2-4電漿原理 16
2-5蝕刻原理 21
2-6反應離子蝕刻(Reactive ion etching, RIE) 23
2-7鑽石微結構 24
2-8曝光顯影機制 31
2-9鍍膜機制 32
2-10雷射加工鑽石機制 34
第三章 實驗方法 36
3-1實驗規劃 36
3-2實驗流程 37
3-3實驗步驟 38
3-4實驗設備 45
3-4-1平面硏磨機 45
3-4-2曝光機 45
3-4-3濺鍍機 46
3-4-4反應離子蝕刻系統 46
3-4-5雷射加工機 47
3-4-6高溫爐管 47
3-4-7分析檢測儀器 48
第四章 結果與討論 51
4-1鑽石膜反應離子蝕刻影響 51
4-2不同遮罩材料對蝕刻影響 59
4-2-1鍍金鑽石膜蝕刻影響 59
4-2-2鍍白金鑽石膜蝕刻影響 61
4-3以不同方式製作金屬遮罩的影響 65
4-3-1以微影製程製作金屬遮罩 65
4-3-2以雷射加工製作金屬遮罩 69
4-3-3以熱重融法製作金屬遮罩 73
第五章 結論 85
參考文獻 86

圖目錄
圖1-1-1、鑽石與其他材料之硬度比較 4
圖1-1-2、鑽石與其他材料之熱傳導率比較 4
圖1-1-3、化學氣相沉積鑽石應用 5
圖1-1-4、高頻率表面聲波元件 5
圖1-1-5、全球合成寶石與工業用結晶鑽石產值趨勢 5
圖1-2-1、(a)鑽石的晶胞(b)鑽石晶體結構示意圖 6
圖2-1-1、鑽石膜沉積法示意圖 10
圖2-1-2、化學氣相沉積鑽石膜物理與化學成長過程 11
圖2-1-3、鑽石碳-氫-氧成分相圖 11
圖2-3-1、鑽石膜的理想蝕刻深度 15
圖2-4-1、(A)電漿的電中性(B)電漿放電簡圖 16
圖2-4-2、實驗室與大自然產生的電漿不同密度與溫度比較 17
圖2-4-3、低壓射頻放電中多種電漿密度與能量 18
圖2-4-4、電漿鞘層(a)最初離子位能(b)產生後變化 19
圖2-4-5、射頻電極與電漿鞘層物理模式 20
圖2-5-1、蝕刻原理示意圖(a)物理性蝕刻(b)化學性蝕刻 22
圖2-9-1、高溫快速退火製備金奈米粒子(A)退火前4nm厚島狀金膜(B)退火一分鐘後之金奈米粒子 33
圖2-10-1、準分子雷射在空氣加工鑽石膜(a)經雷射後點周圍影響(b)雷射加工點(b1)圖(b)區域1放大(b2)圖b區域2放大 35
圖2-10-2、準分子雷射在真空加工鑽石膜(a)經雷射後點周圍影響(b)雷射加工點(b1)圖(b)區域1放大(b2)圖b區域2放大 35
圖3-1、實驗規劃流程圖 37
圖3-2、微影製程示意圖 40
圖3-3、雷射加工後蝕刻示意圖 42
圖3-4、金屬鍍層熱重融後蝕刻示意圖 44
圖3-5、曝光機 45
圖3-6、鍍金機 46
圖3-7、(A)RIE反應主機(B)供氣系統(C) RF generator 46
圖3-8、雷射加工機 47
圖3-9、高溫爐管 47
圖3-10、光學顯微鏡 48
圖3-11、表面形貌儀 48
圖3-12、場發射電子顯微鏡 HITACHI S-4160 49
圖3-13、(A)Renishaw Raman光譜儀(B)碳基材拉曼特徵頻譜圖 50
圖4-1-1、鑽石初成膜斷面圖 51
圖4-1-2、鑽石初成膜(A)表面形貌(B)表面粗糙度(C)Raman成分分析 55
圖4-1-3、拋光鑽石膜(A)表面形貌(B)表面粗糙度(C)Raman成分分析 56
圖4-1-4、鑽石初成膜以RIE-O2-50SCCM-180W蝕刻(A) 5分鐘(B) 25分鐘(C) 45分鐘(D) 75分鐘之SEM圖(E)RIE 75分鐘表面粗糙度 57
圖4-1-5、鑽石初成膜以RIE-O2-50SCCM-180W蝕刻 (A) 45分鐘 (B) 75分鐘之Raman成分分析 58
圖4-2-1、鑽石初成膜鍍金後以RIE-O2-50SCCM-180W-25MIN(A)蝕刻前(B)鍍金10秒(C)鍍金20秒(D)鍍金30秒之SEM圖(E)鍍金30秒蝕刻表面粗糙度 62
圖4-2-2、鑽石初成膜鍍白金後以RIE-O2-50SCCM-180W-25MIN(A)蝕刻前(B)鍍白金30秒(C)鍍白金60秒(D)鍍白金90秒之SEM圖(E)鍍白金90秒蝕刻表面粗糙度 63
圖4-2-3、鑽石初成膜濺鍍金屬遮罩後RIE-O2-50SCCM-180W-25min之Raman成分分析(A)濺鍍金30秒(B)濺鍍白金90秒 64
圖4-3-1、鑽石初成膜以微影製作金屬遮罩鍍金180RIE-O2-50SCCM-180W-15MIN (A)表面形貌(B)表面粗糙度(C)Raman成分分析 67
圖4-3-2、鑽石初成膜以微影製程製作金屬遮罩鍍金180秒以RIE-O2-50SCCM-180W之SEM圖(A)(B)蝕刻前後(C)蝕刻前(D)蝕刻15分鐘(E) (F)蝕刻55分鐘 68
圖4-3-3、鑽石初成膜以雷射選擇性移除製作金屬遮罩鍍金180秒以RIE-O2-50SCCM-180W-15MIN (A)表面形貌(B)表面粗糙度(C)Raman成分分析 71
圖4-3-4、鑽石初成膜以雷射選擇性移除製作金屬遮罩鍍金180秒以RIE-O2-50SCCM-180W之SEM圖(A)(B)蝕刻前(C)(D)蝕刻15分鐘(E) (F)蝕刻55分鐘 72
圖4-3-5、鑽石初成膜上濺鍍金薄膜以RIE-O2-50SCCM-25MIN蝕刻前後之SEM圖(A)(B)鍍金10秒(C)(D)鍍金40秒(E)(F)鍍金70秒 79
圖4-3-6、鑽石初成膜上濺鍍金薄膜後經熱重融後內聚形成金粒子遮罩以RIE-O2-50SCCM-25MIN蝕刻前後之SEM圖(A)(B)鍍金10秒(C)(D)鍍金40秒(E)(F)鍍金70秒 80
圖4-3-7、鑽石初成膜上濺鍍金薄膜後濺鍍100秒白金經熱重融後內聚形成網狀複合金屬遮罩以RIE-O2-50SCCM-25MIN蝕刻前後之SEM圖(A)(B)鍍金10秒(C)(D)鍍金40秒(E)(F)鍍金70秒 81
圖4-3-8、鑽石初成膜上濺鍍70秒金薄膜以RIE-O2-50SCCM-25MIN蝕刻前後(A)表面形貌(B)表面粗糙度(C) Raman成分分析 82
圖4-3-9、鑽石初成膜上濺鍍70秒金薄膜後經熱重融後內聚形成金粒子遮罩以RIE-O2-50SCCM-25MIN蝕刻前後之SEM圖(A)表面形貌(B)表面粗糙度(C) Raman成分分析 83
圖4-3-10、鑽石初成膜上濺鍍70秒金薄膜後濺鍍100秒白金經熱重融後內聚形成網狀複合金屬遮罩以RIE-O2-50SCCM-25MIN蝕刻前後 (A)表面形貌(B)表面粗糙度(C) Raman成分分析 84

表目錄
表1-1-1、鑽石與其他材料特性之比較 3
表1-2-1、各種CVD法製作鑽石膜之比較 7
表2-1、射頻與高密度電漿參數比較 20
表2-2、反應離子蝕刻参數與保護遮罩比較表 30
表3-1、無遮罩不同蝕刻時間鑽石膜與RIE的實驗參數 38
表3-2、不同鍍金與鍍白金時間鑽石膜與RIE的實驗參數 38
表3-3、微影製作金屬遮罩與RIE的實驗參數 39
表3-4、雷射選擇性移除製作金屬遮罩與RIE的實驗參數 41
表3-5、金屬鍍層熱重融法製作金屬遮罩與RIE的實驗參數 43

參考文獻 【1】宋健民,鑽石合成,全華科技圖書股份有限公司,第7章,台北市,2000
【2】http://www.cvd-diamond.com/tfdipo/frames_e.htm
【3】K. Miyoshi, Chemical-Vapor-Deposited Diamond Film, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio, NASA/TM 1999-107249, Chapter 9, 1999
【4】http://www.itf.co.kr/tech/sub3.htm
【5】http://www.bccresearch.com/images_trend/AVM008B.gif, Andrew McWilliams, Report ID: AVM008B, 2003
【6】戴达煌、周克崧,金剛石薄膜沉積製備工藝與應用,第一章,北京冶金工業出版社,2001
【7】H. O. Pierson, Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, U.S.A., 1993
【8】A. Feldman, E. N. Farabaugh, L. H. Robins, Ceramic Film and Coatings, Chap12 Chemical Vapor Deposited Diamond, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, U.S.A., 1993
【9】P. W. May, "Diamond thin films: A 21st-century material", Volume 358, pp.473-495, Number 1766/January 15, 2000
【10】A. P. Malshe, "A review of techniques for polishing and planarizing chemical vapor-deposited diamond and substrates", Diamond and Related Materials 8, pp.1198, 1999
【11】C. J. Tang, A. J. Neves, A. J. S. Fernandes, J. Grácio, N. Ali, "A new elegant technique for polishing CVD diamond films", Diamond and Related Materials 12, pp.1411, 2003
【12】F. M. V. Bouwelen, "Diamond polishing from different angles", Diamond and Related Materials 9, p.925, 2000
【13】F. K. Theije, "Oxidative etching of diamond ", Diamond and Related Materials 9, pp.929, 2000
【14】E. Cappelli, "Pulsed laser surface modifications of diamond thin films", Diamond and Related Materials 8, pp.257, 1999
【15】N. Toyoda, N. Hagiwara, "Surface treatment of diamond films with Ar and O2 cluster ion beams", Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research B 148, pp.639, 1999
【16】C. L. Chao, W. H. Fan, W. C. Chou, C. Y. Chien, H. Y. Lin, J. G. Duduch, Research on Quick Polishing of CVD Diamond Film, Key Materials Vols. 364, pp.668-673, 2008
【17】M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, John Wiley & Sons, Inc Publication, 1994
【18】龍柏華,何孝恆,乾蝕刻製程暨機台原理介紹,PIDA,Optolink Selected Article,光連雙月刊,第53期,pp.34-41,2004。
【19】G. S. Sandu, W. K. Chu,”Reactive ion etching of diamond”, Appl. Phys. Letter 55 (5) pp.437, 1989
【20】I. Bello, M. K. Fung, W. J. Zhang, K. H. Lai, Y. M. Wang, Z. F. Zhou, R. K.W. Yu, C. S. Lee, S. T. Lee,” Effects at reactive ion etching of CVD diamond”, Thin Solid Films 368, pp.222-226, 2000
【21】P. W. Leech, G. K. Reeves, A. Holland,” Reactive ion etching of diamond in CF4, O2, O2 and Ar-based mixtures”, Journal of Materials Science 36, pp.3453 – 3459, 2001
【22】T. Misu, M. Goto and T. Arai, "Reactive Ion Etching of Diamond Films Using O2/CF4 Plasma with Narrow Electrode Gap", 1999
【23】C. L. Chao, W. C. Chou, H. C. Lin, R. C. Liao, "Microstructures Research of Plasma Etching CVD Diamond Films", MRS-T, pp.292, 2007
【24】M. D. Stoikou, Phillip John, John I.B. Wilson, "Unusual morphology of CVD diamond surfaces after RIE", Diamond & Related Materials 17, pp.1164–1168, 2008
【25】C. Y. Li, A. Hatta, "Effect of metal coating on the formation of diamond whiskers in O2 RF plasma", Diamond & Related Materials 15, pp.357 – 360, 2006
【26】G. M. R. Sirineni, H. A. Naseem, A. P. Malshe, W. D. Brown, "Reactive ion etching of diamond as a means of enhancing chemically-assisted mechanical polishing efficiency", Diamond and Related Materials 6, pp.952-958, 1997
【27】E. S. Baik, Y. J. Baik, D. Jeon, "Diamond tip fabrication by air-plasma etching of diamond with an oxide mask", Diamond and Related Materials 8, pp.2169–2171, 1999
【28】Y. Ando, Y. Nishibayashi, K. Kobashi, T. Hirao, K. Oura, "Smooth and high-rate reactive ion etching of diamond", Diamond and Related Materials 11, pp.824–827, 2002
【29】G. F. Ding, H. P. Mao, Y. L. Cai, Y. H. Zhang, X. Yao, X. L. Zhao, "Micromachining of CVD diamond by RIE for MEMS applications", Diamond & Related Materials 14, pp.1543 – 1548, 2005
【30】D. S. Hwang, T. Saito, N. Fujimori, "New etching process for device fabrication using diamond", Diamond & Related Materials 13, pp.2207–2210, 2004
【31】J. Enlund, J. Isberg, M. Karlsson, F. Nikolajeff, J. Olsson, D. J. Twitchen, "Anisotropic dry etching of boron doped single crystal CVD diamond", Carbon 43, pp.1839–1842, 2005
【32】H. Uetsuka, T. Yamada, S. Shikata, "ICP etching of polycrystalline diamonds: Fabrication of diamond nano-tips for AFM cantilevers", Diamond & Related Materials 17, pp.728–731, 2008
【33】C. L. Lee, H. W. Choi, E. Gu, M. D. Dawson, H. Murphy, "Fabrication and characterization of diamond micro-optics", Diamond & Related Materials 15, pp.725 – 728, 2006
【34】Y. S. Zou, Y. Yang, W. J. Zhang, Y. M. Chong, B. He, I. Bello, and S. T. Lee, "Fabrication of diamond nanopillars and their arrays", Applied Physics Letters 92, 053105, 2008
【35】T. Yamada, H. Yoshikawa, H. Uetsuka, S. Kumaragurubaran, N. Tokuda, S. I. Shikata, "Cycle of two-step etching process using ICP for diamond MEMS applications", Diamond & Related Materials 16, pp.996–999,2007
【36】Y. Ando, Y. Nishibayashi, A. Sawabe, "‘Nano-rods’ of single crystalline diamond", Diamond and Related Materials 13, pp.633–637, 2004
【37】Y. Nishibayashi, Y. Ando, H. Saito, T. Imai, T. Hirao, K. Oura, "Anisotropic etching of a fine column on a single crystal Diamond", Diamond and Related Materials 10, pp.1732-1735,2001
【38】C. L. Lee, E. Gu, M. D. Dawson, "Micro-cylindrical and micro-ring lenses in CVD diamond", Diamond & Related Materials 16, pp.944–948, 2007
【39】V. S. Pavelyev, S. A. Borodin, N. L. Kazanskiy, G. F. Kostyuk, A. V. Volkov, "Formation of diffractive microrelief on diamond film surface", Optics & Laser Technology 39 ,pp.1234–1238, 2007
【40】J. W. Park, S. S. Lee, B. S. So, Y. H. Jung, N. Kawasegi, N. Morita, D. W. Lee, "Characteristics of mask layer on (1 0 0) silicon induced by tribo-nanolithography with diamond tip cantilevers based on AFM", Journal of Materials Processing Technology 187–188, pp.321–325, 2007
【41】K. Hanada, L. Zhang, M. Mayuzumi, T. Sano, "Fabrication of diamond dies for microforming", Diamond and Related Materials 12, pp.757–761, 2003
【42】崔铮,微奈米加工技術及其應用,高等教育出版社,2005
【43】L. J. Guo, "Recent progress in nanoimprint technology and its applications", J. Phys. D: Appl. Phys. 37, R123–R141, 2004
【44】X. D. Wang, G. D. Hong, J. Zhang, B. L. Lin, H. Q. Gong, W. Y. Wang, "Precise patterning of diamond films for MEMS application", Journal of Materials Processing Technology 127, pp.230–233, 2002
【45】許坤明,國科會補助尖端科技知識及方法科普化材料發展計畫高中職學生微機電製程實驗教材,2005。
【46】王世敏,奈米材料原理與製備,五南圖書出版公司,2004。
【47】陳建人,真空技術與應用,行政院國家科學委員會精密機械發展中心,第十三章,2001。
【48】丁志明、許家維,碳、鎳、白金之薄膜及奈米級薄膜之特性研究,國立成功大學材料科學與工程學系碩士論文,2006。
【49】Y. J. Chen, D. J. Yao, F. G. Tseng, "Construction of Two dimensional Au Sphere Array using Nanosphere Lithography", ISBE, 2008
【50】莊尚餘、陳學禮、鄭旭君、王鉦元、朱鐵吉、林俊宏,金奈米粒子之特殊光學特性與應用之研究,國家奈米元件實驗室,奈米通訊,第十二券,第三期,pp.8-15,2005
【51】http://www.itrc.org.tw/Publication/Newsletter/no88/p10.php,林育全,高能光束加工機制與應用,儀科中心簡訊88期,2008。
【52】石中達,工業用準分子雷射之發展概況,OPTOLINK 10,1997。
【53】J. K. Park, V. M. Ayres, J. Asmussen, K. Mukherjee, "Precision micromachining of CVD diamond films", Diamond and Related Materials 9, pp.1154–1158, 2000
【54】M. S. Dresselhaus, M. A. Pimenta, P. C. Eklund, G. Dresselhaus, Raman Scattering in Fullerenes and Related Carbon-Based Materials, Materials Science, Roberto Merlin (EDS), 2000
【55】J. Filik, "Raman spectroscopy: a simple, non-destructive way to characterize diamond and diamond-like materials", Spectroscopy Europe, vol.17, no.5, 2005
【56】Y. S. Zou, K. L. Ma, Q. Ye, Z. Q. Yao, Y. M. Chong, S. T. Lee, "Fabrication of diamond nanocones and nanowhiskers by bias-assisted plasma etching", Diamond and Related Materials 16, pp.1208-1212, 2007
【57】林夏蓁,以常壓空氣電漿及反應離子蝕刻製作鑽石微結構之研究,淡江大學機械與機電工程研究所碩士學位論文,2007
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