基本簡介
本研究是以化學氣相沉積法成長碳化矽鬚晶，利用三氯一甲基矽烷為反應源，使用H2當載流氣體，並另通以H2主氣流以稀釋MTS至適當的濃度，於低壓及高溫下使MTS分解產生碳及矽，並藉由VLS機構成長碳化矽鬚晶。其目的在探討不同的金屬雜質特性及其在製程中的特性變化對後續鬚晶凝核與成長特性的影響，並對VLS機構中的液滴表面張力效應，以及表面張力在決定鬚晶直徑扮演的角色深入解析。以期能建立一通用且普遍的鬚晶凝核與成長模式，並瞭解成長高品質鬚晶的製程條件範圍。本研究所獲得的結論概述如下：無論是添加不同厚度的鎳鍍層或直接以鎳箔為基板皆能以VLS機構為鬚晶成長機構成功成長出碳化矽鬚晶。由於不同厚度的鎳鍍層在石墨基板上凝縮分裂過程的差異，使石墨基板上獨立的鎳球顆粒數隨著鍍層厚度之增加而減少，而直徑則呈現相反趨勢。鬚晶在石墨基板上的凝核過程是屬於單一凝核現象，因此鬚晶的凝核密度、長度與長短軸比皆隨鎳鍍層厚度之增加而降低，但鬚晶直徑則隨鍍層厚度的增加而上升。
由於鎳箔在加熱過程不若鎳鍍層會發生凝縮分裂，而是維持整體微組織完整性。但金屬液滴則以鎳箔的晶界熔融逐步由晶界向晶粒內部深入，當局部區域達到所需的過飽和度即能析出鬚晶，其凝核現象是以多重凝核方式從單一液滴析出大量的鬚晶。鬚晶的凝核與成長特性及所成長鬚晶之品質雖深受金屬雜質液滴的提供方式及液滴特性的影響，但亦可經由適當的金屬雜質特性與製程參數的選擇而獲得預期的結果。
基於對碳化矽鬚晶成長動力學的探討，乃提出孕育期、暫態成長期及穩定成長期的三階段鬚晶成長理論，並修正前人有關鬚晶成長的二階段成長理論。以鍍鎳石墨基板進行一系列不同時間的氣相反應，發現必須至少讓反應進行3分鐘後才有明顯數量的鬚晶出現，及至約8分鐘的反應時間後，才能完成孕育期階段。且鬚晶從液滴中凝核析出所需孕育期和液滴大小有關，由於液滴體積效應與液滴曲率效應的相互作用下，鬚晶的孕育期與液滴大小的關係，在本研究所採用的反應條件下會出現一最短孕育期所對應的液滴直徑在約2μm處。
在本研究中亦提出有關碳化矽鬚晶直徑大小的主要決定因素，可歸納為VLS機構和VS機構共同運作的結果。前者決定液滴的固液界面面積，並進而決定鬚晶析出時的直徑；而後者則決定於氣相沉積的成長動力。液滴的固液界面面積主要是由液滴體積和界面氣液固三相表面張力的平衡狀況所決定。至於在本研究所採用的條件下，其氣相沉積的成長動力由Arrhenius關係式可求得活化能值約為180kJ/mol。經由本研究之結果，亦一併對文獻所報導有關鬚晶直徑與液滴直徑呈比例關係的合理性及其與製程條件的相依性予以修正，並指出鬚晶直徑與液滴直徑成比例的關係僅發生在三階段成長中的穩定成長期。
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