MPCVD设备厂家浅谈CVD单晶金刚石的制备流程及必要条件

CVD（化学气相沉积）金刚石的制备过程具有明确的工艺参数：通常在 700～1200℃ 的温度区间、低于 1atm（标准大气压，1atm=1.01325×10⁵Pa） 的负压环境下，以 H₂/CH₄混合气体（或其他含碳气体） 为反应气氛，通过沉积作用形成金刚石材料。

与传统高温高压（HPHT）法制备的金刚石相比，CVD 法具有显著优势：所需设备结构更简单，且能实现更大尺寸金刚石的沉积。正是这些核心优势，使得 CVD 法成为当前制备 DEF 级单晶金刚石（高纯度、高光学质量级别）的首选技术路径。

一、CVD 单晶金刚石的主流制备流程（以 MPCVD 法为例）

微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是当前 CVD 法制备单晶金刚石的主流技术，其核心原理是利用微波能量激发反应气体形成等离子体，再通过等离子体与基片的作用实现单晶金刚石的沉积。整个合成过程可清晰划分为三大核心阶段，具体流程如下：

1. 碳原子分解阶段

在高温（700～1200℃）、低压（＜1atm）的工艺条件下，微波设备产生的交变电磁场会对通入反应腔体的 H₂/CH₄混合气体 进行能量激发，使气体分子发生解离，最终形成包含活性碳原子的 碳基等离子体活性基团，为后续沉积提供核心 “原料”。

2. 活性碳运输与表面反应阶段

解离后的反应气体转化为对应化学基团后，会在反应腔体内部完成流动、扩散与运输，并与其他化学基团发生一系列气相化学反应。在腔体内部 温度梯度与浓度梯度 的双重诱导下，等离子体中的活性碳基团会定向输运至衬底（基片）表面，并优先聚集在成核能较低的区域。

随后，衬底表面会同步发生多步关键反应：包括活性基团的吸附与脱附、物质迁移，以及最终的冷却沉积，在此过程中，新生成的化学基团与气体解离产生的基团会持续参与反应，为晶体生长奠定基础。

3. 晶体生长阶段

当衬底表面聚集的碳团簇尺寸达到 成核临界尺寸 时，会形成稳定的金刚石晶核；此后，晶核会持续吸附周围的碳原子与活性基团，逐步完成晶体生长。随着技术的发展，CVD 技术下金刚石晶体的生长速率越来越快，合成周期也越来越短—— 以 MPCVD 设备为例，制备 1 克拉（约 0.2 克）的金刚石，目前技术可以做到平均生长周期15天就可生长一炉，不过具体根据生长工艺而定。

二、CVD 法沉积单晶金刚石的必要条件

要顺利完成 CVD 单晶金刚石的沉积，需严格满足以下四项核心条件，缺一不可：

气体活化条件：反应气体（H₂/CH₄或其他含碳气体）必须吸收足够能量，达到离解活化状态，才能形成具备反应活性的基团；

含碳基团生成条件：需确保含碳气体在能量激发下有效解离，生成可参与沉积的含碳活性基团，这是晶体生长的核心物质基础；

衬底预处理条件：在沉积过程开始前，必须对单晶金刚石衬底进行预处理（如表面清洁、晶格匹配调整等），以保障晶核的稳定形成与定向生长；

能量阈值条件：输入反应系统的能量需达到特定数值，为衬底表面的物质吸附 / 脱附、迁移及冷却沉积等过程提供充足驱动力，确保碳原子能稳定沉积于金刚石晶体结构中。