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研究生： 魏崇祐
Wei, Chung-Yu
論文名稱： 單晶鑽⽯以鑽⽯研磨盤、膠體矽與芬頓反應 之拋光技術探討
Polishing of Single-Crystal Diamond by Diamond Disk, Colloidal Silica and Fenton Reaction Processes
指導教授： 曾永華
Tzeng, Yonhua
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 奈米積體電路工程碩士博士學位學程
MS Degree/Ph.D. Program on Nano-Integrated-Circuit Engineering
論文出版年： 2025
畢業學年度： 113
語文別： 中文
論文頁數： 87
中文關鍵詞： 單晶鑽⽯ 、化學機械拋光 、芬頓反應 、膠體⼆氧化矽 、表⾯粗糙度 、拉曼光譜
外文關鍵詞： Single-crystal diamond, chemical mechanical polishing, Fenton reaction, colloidal silica, diamond disk, surface roughness, Raman Spectroscopy
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    • 本研究探討以三種方法對單晶鑽石基板進行拋光的性能表現，包括使用鑽石拋光盤進行拋光、採用膠體二氧化矽（colloidal silica）的拋光以及結合芬頓反應的拋光。研究目標為降低表面粗糙度，同時盡量減少次表層損傷。為了評估拋光前後的表面品質，本研究使用原子力顯微鏡（AFM）、掃描式電子顯微鏡（SEM）與拉曼光譜等技術進行分析。實驗結果顯示，加入芬頓反應的CMP方法能提供最佳的平滑效果，是一種高效率且低損傷的鑽石表面拋光方式，因此具有應用潛力。

    This study investigates the polishing performance of single-crystal diamond substrates using three methods: mechanical polishing with a diamond disk, chemical mechanical polishing (CMP) with colloidal silica, and CMP enhanced with a Fenton reaction. The goal is to reduce surface roughness while minimizing subsurface damage. Surface characterization techniques such as atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), and Raman Spectroscopy were employed to evaluate surface quality before and after polishing. The results show that the Fenton-assisted CMP provides superior smoothing effects, offering an efficient and damage-reducing alternative for diamond surface finishing.

    摘要 i 致謝 xi 目錄 xii 表目錄 xvi 圖目錄 xvii 第一章 緒論 0 1.1 前言 0 1.2 單晶鑽石的特性與應用領域 1 1.3 單晶鑽石表面加工挑戰 2 1.4 研究目的與論文架構說明 4 第二章 文獻回顧 5 2.1 鑽石拋光技術的分類與發展 5 2.1.1 機械拋光（Mechanical Polishing） 5 2.1.2 化學拋光（Chemical Polishing） 5 2.1.3 化學機械拋光（CMP） 6 2.2 常見拋光材料與配方比較 6 2.2.1 鑽石磨料（Diamond Abrasives） 6 2.2.2 膠體二氧化矽（Colloidal Silica） 6 2.2.3 Fenton系統與TiO₂/UV系統 7 2.2.4 氧化劑的標準電極電位與選擇依據 7 2.3 單晶鑽石不同晶面拋光差異探討 9 2.3.1 (100)面特性與拋光文獻回顧 9 2.3.2 (111)面特性與拋光文獻回顧 9 2.4 鑽石基板於元件封裝與散熱應用之文獻 10 2.5 鑽石拋光 10 第三章 實驗流程與儀器設備介紹 18 3.1 實驗材料 18 3.1.2 拋光液配方材料 19 3.2 實驗設計與流程 22 3.2.1 機械拋光製程 23 3.2.2 化學拋光製程 23 3.2.3 化學機械拋光（CMP）製程 24 3.3製程設備 24 3.3.1 拋光機(Polish Machine) 24 3.3.2 冷箱埋 26 3.3.3 烘箱 28 3.4實驗結果分析儀器 29 3.4.1 表面粗糙度分析（AFM、白光干涉儀） 29 3.4.2 表面形貌觀察（OM、SEM） 31 3.4.3 表面成分分析（XPS） 33 3.4.4 拉曼光譜儀（Raman Spectroscopy） 34 3.4.5 表面輪廓儀（Surface Profiler） 36 3.4.6 白光干涉儀（White Light Interferometer） 38 3.5基板清理步驟 39 3.5.1 樣品前處理與清洗流程 39 3.5.2 一般基板清洗程序 39 3.5.3 單晶鑽石基板清洗程序 39 第四章 實驗結果與討論 41 4.1 (100) 面拋光結果比較 42 4.2(111) 面拋光與 CMP 效果分析 45 4.2.1(Fenton 系統化學機制說明） 49 4.2.2拋光前後之元素與鍵結變化觀察 52 4.3單晶鑽石化學機械拋光機制示意圖 53 4.3.1 Adsorbed：表面吸附階段 53 4.3.2 Oxidized：表面氧化階段 54 4.3.3 Removed：材料移除階段 54 4.3.4 Smooth：表面平坦階段 54 4.4 拋光範圍視覺化確認結果 54 4.4.1拉曼特徵光譜 57 4.5 EDS元素分析與表面雜質變化 58 第五章 結論與未來展望 61 5.1 結論 61 5.1.1 實驗成果回顧 61 5.1.2 拋光製程最佳化之建議 62 5.1.3 實務應用潛力與價值 62 5.2 未來研究方向 63 5.2.1 拋光效率與製程自動化改進 63 5.2.2 元件封裝與散熱測試驗證 63 5.2.3 表面功能化與異質結合研究 63 參考文獻 64

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