随着化学气相沉积(CVD)合成单晶钻石技术的不断发展,钻石在高新技术领域的应用范围越来越广。尽管各机构在CVD钻石的生长速率上都逐渐提高,但钻石合成过程中存在的边部多晶现象仍难以避免。边部多晶大大限制了CVD钻石的尺寸,降低了生长质量。此外,因生长过程中存在的应力问题,CVD钻石在边缘扩张或者“马赛克”拼接过程中容易出现破裂的情况。因此,抑制钻石生长过程中的边部多晶问题,减弱钻石边缘扩张中的应力影响,保持其结晶的完整性,是攻克CVD法合成大尺寸、高质量单晶钻石的重大难题。      目前,国外一些机构已经实现了CVD单晶钻石的工业生产,但技术仍处于高度保密状态。为了打破技术壁垒,掌握CVD钻石的合成技术,本文采用了工业通用型MPCVD(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)合成设备,对CVD钻石的合成工艺进行了研究。

    首先,以CH_4-H_2体系为基础,系统研究气体比例、生长温度以及气体压强等实验参数对CVD法合成单晶钻石生长质量的影响。结果表明,甲烷浓度和生长温度会对CVD钻石表面生长基团的过饱和度和扩散速率造成影响,从而影响CVD钻石的生长速率和表面形貌。在相对较低的甲烷浓度和适中的生长温度下,CVD钻石一般以“阶梯流”模式生长,其生长质量较好,杂质含量较低。在CH_4/H_2比例为3%,生长温度1000℃条件下以“阶梯流”模式生长的CVD钻石样品,其拉曼位移和XRD摇摆曲线半高宽分别低至3.9 cm~(-1)和41.76 arc sec,表明结晶质量良好。而过高的甲烷浓度和温度会引起CVD钻石向三维堆积生长转变,严重影响其生长质量。在较高的气体压强下,生长体系中活性氢原子的刻蚀能力更强,在保证生长质量的前提下,它能够容纳更高的甲烷浓度,实现更快的生长速率。然后,对生长过程四个方面的工艺进行了探索和改进,即种晶的选取、基座形态的改良、氮气的添加以及种晶边部形态的改变。

    结果表明:

    (1)天然钻石种晶一般内部晶体缺陷较多,晶格常数变化较大,内应力及结晶质量差异较大,而HPHT及CVD种晶的晶体结构更佳,其结晶质量和应力特征的个体差异较小,更适合作为CVD法外延生长钻石的种晶。

    (2)采用具有圆形槽孔的半封闭式基座能够有效控制CVD钻石边缘的过度生长,抑制多晶钻石的形成,从而提高其生长质量及表面平整度。对于厚度为1 mm的种晶,当槽孔深度d=1 mm或者d=1.5 mm,时,生长CVD钻石中心及边缘区域的结晶质量较好,杂质含量相对较低,应力较小。

    (3)氮气的添加能够明显提高CVD钻石的生长速率,但会引起杂质含量的提高。当氮气流量较低时(≤0.6 sccm),氮元素的添加对CVD钻石的结晶质量影响不大。其中,在0.3 sccm氮气流量下,生长CVD钻石的表面平整,杂质含量相对较低,结晶质量较好,其拉曼位移和XRD摇摆曲线半高宽分别为4 cm~(-1)和35.1 arc sec。

    (4)在CH_4-H_2-N_2生长体系中,CVD钻石的(100)边缘容易聚集氮原子而形成N-V缺陷,其外延生长较强,但结晶质量较差,杂质含量较高。通过在种晶边缘加工一定角度的斜边,改变其原有的边部形态,CVD钻石(100)边缘的生长质量能够得到本质提高,这也为种晶的拼接和生长创造了有利条件。最后,采用半封闭式基座,在0.3 sccm的氮气流量下,本文以周期性重复生长的方式获得了尺寸为7.1 mm×7 mm×2.2 mm,重1.626 ct的CVD单晶钻石。在高分辨率拉曼光谱仪下,CVD块体的拉曼位移半高宽可低至2.2 cm~(-1),而其种晶则为2.7 cm~(-1)。CVD大单晶的生长结果表明,随着生长周期的推进,钻石中会逐渐积累杂质缺陷,因此需要在不同的生长周期中,对CVD钻石的生长参数进行适当调整,这样才能够得到质量较优,缺陷较少的大尺寸CVD单晶钻石。