金刚石具有优异的力学、光学、热学和电性能,是一种典型的多功能材料,在航天航空、能源、智能传感器、精加工等众多高新技术领域有着广阔的应用前景。在较低的生产成本下,化学气相沉积法可制备出大尺寸高品质金刚石膜，满足金刚石在高新技术领域的应用要求，微波等离子体化学气相沉积法凭借能量密度大、污染小等优势，成为制备高品质金刚石膜的首选方法。

1/金刚石薄膜的影响因素：

01气压 ：研究表明,在一定范围内提高气压有利于金刚石薄膜的高质量生长,当气压控制在 14~17 kPa时可获得质量较好的金刚石膜。

02衬底温度的影响 ：在 MPCVD法制备金刚石膜的过程中，衬底温度是影响金刚石膜生长质量和生长速率的关键参数。在腔体压强和甲烷体积分数不变的情况下，温度过低时，激化态氢较少，金刚石膜生长速度率慢且不利于金刚石膜相的生长；温度过高时，金刚石膜生长迅速，但晶体质量较差且比较容易石墨化。

03基体温度的影响 ：基体温度的改变可明显影响金刚石的形核速率及质量。研究表明,利用高温形核-低温生长的梯度降温法，能够沉积生长质量良好的金刚石膜。基体表面等离子体能量辐射是基体温度的主要来源，且表现出不同的温度梯度，因此在沉积金刚石薄膜时,为确保其较高质量，一定要控制基体表面温度的均匀性。利用高温形核-低温生长的控温方法，能够在950℃制备力学性能较好的薄膜，且与基体有较好的结合力。

2/MPCVD制备金刚石 

技术原理： 微波等离子化学气相沉淀法是指高纯度氢气在强大的微波作用下产生高能量的等离子火球，高纯度甲烷气体在等离子作用下变成游离的碳原子和氢原子，这些游离的碳原子在强大能量的等离子作用下会逐步按立体排列的方式沉淀到底部的钻石种子上，使钻石种子逐步长厚形成与[天然钻石结构&成分]完全一致的CVD培育钻石。

01多晶金刚石膜的制备：

光学级、电子级多晶金刚石膜的制备要求沉积率理想和缺陷密度极低或光学可控,无电极污染放电的MPCVD必然成了电子级、光学级金刚石膜的理想方法。北京科技大学李成明团队、武汉工程大学汪建华团队和太原理工大学于盛旺团队在MPCVD制备光学级多晶金刚石膜的研究方面均取得了一定的成果，但与同类国际先进水平存在差距。国内上述团队开发的光学级多晶金刚石膜可满足红外/雷达双模制导窗口，高功率CO2激光加工机窗口及高功率微波窗口的基本应用要求。相对于苛刻的光学级、电子级多晶金刚石膜应用制备条件而言，多晶金刚石膜作为半导体功率器件散热的热应用更广，需求更大、更迫切。目前其沉淀的技术水平也较容易实现。当前，制备出的热沉级多晶金刚石膜的尺寸可达8英寸，随着 MPCVD技术的改善升级有望与现存的8英寸半导体晶圆制造线兼容,最终实现多晶金刚石热沉材料在半导产业规模化应用推广。此外,在金刚石半导体器件应用中，可控掺杂技术也至关重要。目前，金刚石的p型掺杂技术相对比较成熟,但暂无理想的方案解决金刚石的n型掺杂问题。

02单晶金刚石的应用与制备：

与多晶金刚石相比,无晶界制约的单晶金刚石 (SCD) 的光学、电学性能更加优异，在量子通信/计算机、辐射探测器、冷阴极场发射显示器、半导体激光器、超级计算机 CPU 芯片多维集成电路及军用大功 率雷达微波行波管支撑杆等前沿科技领域的应用效果突出，而制备出大尺寸高质量SCD是前提。马赛克拼接法作为制备大尺寸SCD 可行性较高的一种方法，已实现大尺寸SCD的制备。在低缺陷密度，高质量SCD创造方面，异质衬底上侧面外延生长 (ELO) 单晶金刚石技术的表现更突出。大尺寸SCD的制备方法除了以上两种方式外，已报道的方法还有重复拼接法和三维生长法，其中 Mokuno等采用三维拼接生长法得到了大尺寸 SCD (12mm x 12mm x 3.7mm)，但因为大量位错缺陷存在于晶体中影响了晶体质量。目前，大尺寸的SCD制备工艺技术依然存在极大的改善空间。

03培育钻石的制造与应用：

高品质培育钻石是目前资本市场和消费市场追逐的热点,而金刚石在半导体、量子计算/通讯、辐射探测等前沿科技领域的应用，作为抢占国际科技竞争 制高点的桥头堡是众多科技团队目前关注的重点，为了满足上述领域的应用需求，开发出可制备大尺寸、高质量和多领域应用的金刚石的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装备是其应用的前提。当前，在金刚石所有的应用领域中培育钻石最受资本青睐，而高品质的培育钻石产品已由实验室走进消费市场。

结论:

01在一定范围内提高气压有利于金刚石膜的高质量生长,当气压控制在14~17kPa时可获得质量较好的金刚石膜。

02基体温度应严格控制,不能过高也不能过低, 否则将影响金刚石膜的质量,利用高温形核-低温生长的控温方法，能够在950℃制备力学性能较好的薄膜,且与基体有较好的结合力。

03金刚石作为新一代半导体材料,在前沿科技发 展中扮演重要角色。从电子级、光学级应用再到量子级应用的高端产品技术开发,还面临着较大的挑战。

04大尺寸高质量SCD关键技术的突破,能够有效缓解当前国内珠宝市场对天然钻石100%依赖进口的问题。

▌文章来源：《超硬材料工程》2023 NO.05 王光祖、王福山