淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-3007200708034400
中文論文名稱 以常壓空氣電漿及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/Nano-Structures on CVD Diamond Film by Air Plasma and 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 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 林夏蓁
研究生英文姓名 Hsia-Chen Lin
學號 694341578
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-30
論文頁數 60頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-宋健民
委員-左培倫
委員-馬廣仁
委員-陳大同
中文關鍵字 CVD鑽石膜  反應離子蝕刻  空氣電漿  微結構 
英文關鍵字 Chemical vapor deposition  reactive ion etching  air plasma  microstructure 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於鑽石具有極佳的化學與物理特性使其成為重要的工程材料之ㄧ,其中尤以CVD鑽石膜極具應用之潛力。本論文分別以反應離子蝕刻(RIE)及常壓空氣電漿(APAP)對CVD鑽石膜表面進行處理,並對加工後的表面微結構進行分析探討。由於鑽石具有高化學穩定性、高熱傳導係數、低熱膨脹係數與高熔點且耐高溫之特性,具有開發製作微模具之潛力,但因鑽石膜表面粗糙度較高,不適合直接作為高表面精度要求的相關應用,本論文採用RIE及APAP處理鑽石膜表面所產生的微結構,經實驗證實有助於結合熱化學拋光法來快速改善鑽石膜的表面粗糙度。本論文中分別以表面粗度儀(α-step)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡(OM)與拉曼頻譜儀(RAMAN)來檢測CVD鑽石膜之表面形貌變化與成分分析,並進行相關微結構形成之機制探討。此外,研究結果發現若於鑽石膜表面鍍金後再利用RIE處理,鑽石晶面上也會被蝕刻出類似微柱狀物之結構,且鍍金時間越久該結構越明顯。論文中並以鑽石微結構對高分子材料PMMA進行熱壓印研究,證實所產生的微結構也可應用於奈米壓印上。
英文摘要 Diamond has many outstanding physical and chemical properties such as extreme hardness, low friction coefficient, high thermal conductivity, high mechanical strength, and high optical transparency. Therefore, several potential applications can be anticipated in electronics, optics, protective corrosion resistant coatings. In recent years, using chemical vapor deposition (CVD) methods to synthesize polycrystalline diamond is a mature and popular technology. This study not only indicated the producing mechanism of these microstructures on CVD diamond grains by atmospheric pressure air plasma (APAP) and reactive ion etching, but also used these microstructures applying to the thermal-chemical polishing and nano-imprint process. Scanning electron microscope, micro-Raman spectroscopy and α-step were used to study the surface morphology and component analysis, respectively. From the results showed that the microstructures could be successfully combined the thermal-chemical polishing method and these microstructures had a potential to apply in nano-imprint process.
論文目次 中文摘要 I
Abstract: II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究背景 4
1-3研究動機與目的 7
第二章 文獻回顧 8
2-1 加工機制 8
2-1-1微裂(Micro-chipping) 8
2-1-2石墨化(Graphitization) 9
2-1-3氣化(Evaporation) 9
2-1-4濺射(Sputtering) 9
2-1-5化學反應(Chemical reaction) 10
2-2 拋光方法 10
2-2-1 機械拋光 (Mechanical polishing) 10
2-2-2 化學輔助機械拋光與平坦化 (CAMPP) 11
2-2-3 熱化學拋光 (Thermochemical polishing) 12
2-2-4 雷射表面改善 (Laser surface modifications) 13
2-2-5 離子束拋光 (Ion beam polishing) 15
2-2-6 反應式離子蝕刻法(Reactive ion etching) 16
2-3 鑽石微結構 18
2-4 奈米壓印 19
第三章 實驗原理 21
3-1實驗原理 21
3-1-1電漿原理 21
3-1-2熱拋原理 23
第四章 實驗規劃與設備 28
4-1 實驗規劃 28
4-2 實驗流程 29
4-3 實驗步驟 30
4-4 實驗設備 31
4-4-1 鍍金機 32
4-4-2 電漿設備 32
4-4-3 平面拋光 33
4-4-4 分析檢測儀器 34
第五章 研究結果與討論 37
5-1 微結構之分析 37
5-1-1 RIE蝕刻 37
5-1-2 表層鍍金+RIE蝕刻 40
5-1-2 APAP蝕刻 47
5-1-3 APAP複合RIE電漿蝕刻 49
5-2 微結構之應用 51
5-2-1 熱化學拋光 51
5-2-2 熱壓印 54
第六章 結論 56
參考文獻 57

圖目錄
圖 1.1 陣列式雷射用鑽石散熱片 2
圖 1.2 高頻率表面聲波元件 2
圖 1.3 (a)鑽石的晶胞 (b)鑽石晶體結構 4
圖 1.4 CVD鑽石膜之成長示意圖 5
圖 2.1 CAMPP示意圖 12
圖 2.2 熱化學拋光原理示意圖 13
圖 2.3 雷射拋光示意圖 14
圖 2.4 反應離子刻蝕反應腔剖面示意圖 17
圖 2.5 NIL與SFIL之壓印方式 19
圖 3.1 常壓大氣電漿示意圖 23
圖 3.2 化學勢能圖 25
圖 3.3 原子由格隙位置1移動至2須克服活化能Q 26
圖 4.1 流程圖 30
圖 4.2 鍍金機 32
圖 4.3 RIE反應主機及RF generator 32
圖 4.4 供氣設備 33
圖 4.5 常壓大氣電漿設備 33
圖 4.6 半圓式紅外線加熱器 34
圖 4.7 場發射電子顯微鏡 HITACHI S-4160型 34
圖 4.8 α-Step表面粗度儀 35
圖 4.9 Renishaw 公司出品的RAMAN檢測儀器 36
圖 5.1 (a)鑽石膜初成膜RIE O2 50 sccm蝕刻(b)5分鐘 (c)15分鐘 (d)30分鐘之SEM表面形貌圖 38
圖 5.2 鍍金時間 (a)10s (c)20s (d)30s RIE-O2 50 sccm 200W蝕刻5分鐘之SEM表面形貌圖 41
圖 5.3 晶粒頂部凹陷之示意圖 42
圖 5.4 (a)初成膜鑽石膜,鍍金(b)10s (c)20s (d)30s 後RIE-O2 50sccm 5min 200W之錶面粗糙度分析 42
圖 5.5 (a)鍍金10秒 (b)鍍金20秒 (c)鍍金30秒 RIE-O2 50 sccm 200W蝕刻5分鐘後SEM表面形貌圖 43
圖 5.6 鑽石膜表面針狀物TEM圖 44
圖 5.7 (a)鍍金10秒 (b)鍍金20秒 (c)鍍金30秒,RIE-O2 50 sccm 200W蝕刻15分鐘後SEM表面形貌圖 45
圖 5.8 微結構頂部蝕刻示意圖 45
圖 5.9 鍍金(b)10s (c)20s (d)30s RIE-O2 (15min,50sccm,200W) 之面粗糙度分析 46
圖 5.10 (a)鍍金10秒 (b)鍍金20秒 (c)鍍金30秒 RIE-O2 50 sccm 200W蝕刻25分鐘後SEM表面形貌圖 47
圖 5.11 鍍金(b)10s (c)20s (d)30s RIE-O2 (25min,50sccm,200W) 之面粗糙度分析 47
圖 5.12 APAP (a) 30s (b)60s (c)180s (d)180s SEM表面形貌圖 48
圖 5.13 APAP30s + RIE-O2 50 sccm (a)5分鐘 (b)15分鐘 (c)30分鐘 49
圖 5.14 APAP60s + RIE-O2 50 sccm (a)5分鐘 (b)15分鐘 (c)30分鐘 49
圖 5.15 APAP180s + RIE-O2 50 sccm (a)5分鐘 (b)15分鐘 (c)30分鐘 50
圖 5.16 CVD鑽石膜初成膜OM圖 51
圖 5.17 CVD鑽石膜RIE-O2 5min 熱拋120min SEM圖 51
圖 5.18 CVD鑽石膜RIE-O2 15min 熱拋120min SEM圖 52
圖 5.19 CVD鑽石膜RIE-O2 25min 熱拋120min SEM圖 52
圖 5.20 RIE-O2-50sccm 5min 熱拋120imn+45min EDX圖 52
圖 5.21 鑽石膜表面反應離子蝕刻示意圖 53
圖 5.22 RIE+平面拋光示意圖 53
圖 5.23 PMMA熱壓OM圖 左圖 PMMA 右圖鑽石膜母膜 54
圖 5.24 PMMA熱壓SEM圖 54
圖 5.25 CVD鑽石膜熱壓後表面SEM圖 55

表目錄
表 1-1 鑽石與其他材料特性比較表 3
表 1-2 各種鑽石膜CVD方法之比較 6
表 3-1 碳與鐵之擴散資料 26
表 4-1 鍍膜RIE在不同的氣體下的實驗參數 30
表 4-2 實驗參數表 30
表 4-3 鑽石薄膜平面拋光實驗 31
表 4-4 熱壓參數表 31
表 5-1 RIE-氧氣蝕刻5分鐘、15分鐘、30分鐘RAMAN頻譜分析比較表 39
表 5.2 APAP與RIE之RAMAN頻譜分析比較表 49

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