摘要
金刚石具有优异的物理、化学性质，在自然界已知材料中，金刚石具有最高的硬度和弹性模量、极低的摩擦系数、良好的化学稳定性等，使得金刚石成为一种优异的多功能材料。金刚石优异的性能使其在诸多领域都具有广泛的应用前景。 实验室采用微波频率2.45GHz、最大功率10kW的环形天线式MPCVD装置，外延生长高质量单晶金刚石。通过对装置微波电磁场及等离子体模拟，进而通过调整功率和气压探究外延高质量单晶金刚石的生长条件；对单晶金刚石籽晶衬底进行预处理和筛选，利用H-O等离子体对籽晶进行刻蚀处理。实验结果表明：纯氢等离子体的刻蚀能力有限，氢氧刻蚀2h后外延生长过程中不仅能消除表面缺陷和损伤，还能有效提高单晶金刚石的生长质量和表面平整度；过度的氢氧刻蚀会破坏籽晶自身的晶体结构，同时由于高密度的刻蚀坑，可能导致生长缺陷的产生，从而更加容易形成非金刚石相。最后探究辅助气体O2浓度对单晶金刚石生长的影响，当氧气通入量为0.6%时，可以改善单晶金刚石表面形貌、生长速率和质量。 利用实验室自主研发的915MHz-MPCVD装置，在15-37kW的高功率微波馈入条件下，利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征。将微波功率从28kW提高到37kW，肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显，但等离子体的能量分布范围有一定的扩大，这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更为均匀。在较高的微波功率下，分布于基片台不同区域的单晶金刚石均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及对钼、石英复合基片台的改进，分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强，并且基片温度更加均匀，提高了单晶金刚石的生长速率和质量。在高功率等离子体环境中，通过大幅度的提高微波功率，可以有效的活化含碳基团，在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团。在微波功率为37kW，甲烷浓度为5%的情况下，将基片温度控制在950℃，可以有效的抑制多晶杂质的生成，实现了57片单晶金刚石的批量生长。
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