摘要: 微波等离子体法(MPCVD)是目前CVD合成钻石较为优选技术，具有能量输入稳定、工艺可控性高、生长质量好等显著优势，该技术可生长晶体颗粒大、净度高和颜色好的优质宝石级金刚石，快速发展为宝石级合成金刚石商业化生产应用的主流技术之一，成为反哺并提升整体MPCVD法制备高质量工业应用领域合成金刚石的重要动力^1-3。MPCVD法在合成宝石级金刚石领域的应用重点关注晶体大小、晶体净度、晶体颜色和生长速度四个方面的表现。本文对近三年来MPCVD法的生长机制、方法及相关结果的进展进行了综述。为了获得尽可能大的晶体，目前的重点是关注籽晶筛选处理和生长方法的选择¹，包括优选具有易加工、外延能力强的(100)晶向的Ⅱa型HPHT基板或者CVD基板作为生长籽晶；利用金刚石的自然表面特性，在三个维度上培养大尺寸单晶金刚石的三维生长法、通过多次连续生长循环获得大厚度晶体的重复生长方法，以及通过拼接多个抛光的籽晶基板⁴，实现大面积单晶金刚石生长的马赛克生长法^{1, 5}。技术上，可通过优化甲烷浓度、氢气浓度等生长参数，提高气源纯度和生长系统的真空度，可减少非金刚石相的产生¹。通过多次生长循环，每次生长后去除多晶金刚石，然后继续生长单晶金刚石，可以有效避免多晶相的形成和裂纹的产生，从而提高晶体的净度；此外，在每次循环生长之间以及生长后，对晶体进行机械抛光，去除表面缺陷和多晶相，可显著提高晶体的净度和光学质量^{1, 5}；在颜色研发方向，通过降低生长速度和降低氮浓度，或者通过生长后处理(如高温退火)，可以减少氮相关的光吸收缺陷所导致的光吸收，从而获得趋于无色的晶体^{4, 6}。CVD法合成宝石级彩色金刚石主要是通过掺入NV色心，退火辐照后获得红色、粉红色和黄色^4-8；另外通过硼掺杂直接获得蓝色，也可在生长后通过高能电子辐照处理，改变金刚石晶格缺陷获得浅蓝色金刚石^{4, 6}。生长速度与晶体质量的平衡，是合成金刚石晶体生产成本的重要指标，目前主要是通过调节生长温度区间、适当的功率密度和压力等生长参数，同时协调籽晶布置与气流分布，可实现较高的生长速度和生长质量的平衡^{1, 4}；通过优化甲烷浓度，可以实现高速度沉积碳相金刚石；氢气的浓度也对金刚石生长速率和晶体质量有显著影响；通过对上述一系列生长参数的调节，影响等离子体状态、解离、活化和活性基团的分布，从而有效控制生长表面的物理和化学反应，在提高晶体生长速度的同时保障晶体生长质量^{1, 4, 9}。有研究人员开发出一种基于等离子体诊断技术，利用等离子体成像和光谱分析对微波等离子体进行定量诊断、选择工艺参数，对不同的单晶金刚石生长进行有效的等离子体控制和工艺优化¹⁰。提高晶体生长体积和生长速度，保证净度质量，实现无色或者可控的彩色，仍然是降低晶体生产成本、提高晶体价值的关键，推动了MPCVD技术整体发展，并将有助于进一步扩大工业领域应用的研究和实现。