全称:Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,微波等离子体化学气相沉积
核心定位:无电极等离子体 CVD,当前制备高质量单晶金刚石、金刚石薄膜的主流技术
真空腔体中通入工艺气体(生长金刚石一般是 CH₄甲烷 + H₂氢气); 微波源(常用 2.45 GHz)通过波导耦合进谐振腔,激发气体形成高密度等离子体; 甲烷被解离为甲基自由基等活性碳基团,原子氢刻蚀石墨相、保留金刚石相;活性碳基团在加热的金刚石籽晶 / 衬底表面外延生长金刚石晶体。
微波源:磁控管 / 速调管、环行器、调谐器、波导
真空系统:机械泵 + 分子泵,维持腔体真空
气路系统:MFC 质量流量控制器,精确控制甲烷、氢气、掺杂气体(硼、氮等)
谐振腔体(核心):钟罩式、椭球腔、圆柱腔等
衬底台 + 水冷 / 测温:钼衬底托,红外测温监测籽晶温度
冷却与电控系统:水冷机、PLC 自动控制、安全联锁
无内置电极、无灯丝,从根源避免金属污染,晶体纯度极高,适合半导体、光学、量子级金刚石
等离子体密度高,原子氢充足,抑制石墨杂相,结晶缺陷少
参数独立可调:功率、气压、温度、气体比例,可实现可控掺杂(硼掺杂 p 型导电金刚石、氮色心 NV 金刚石用于量子)
可生长单晶、多晶金刚石膜;宝石级培育钻石大多采用 MPCVD 工艺
短板:
大面积均匀生长难度高;生长速率低于直流电弧喷射 CVD;高功率下石英窗口易被氢等离子体刻蚀损耗中国物理学...
培育钻石:宝石级单晶 CVD 钻石
半导体:金刚石晶圆、功率器件散热衬底(超高热导率)
光学窗口:红外 / 高功率激光窗口、X 射线窗口
刀具与耐磨涂层:金刚石涂层刀具、拉丝模
量子技术:NV 色心单晶金刚石(量子传感、量子计算)
电化学电极:硼掺杂金刚石 BDD 电极(废水处理、电化学分析)
MPCVD:微波等离子,高纯单晶金刚石、光学 / 半导体 / 量子;生长速率中等
HPHT:高温高压法,培育钻石;金属触媒会引入杂质
HFCVD 热丝 CVD:钨丝加热产生等离子,多晶膜为主;灯丝易挥发引入金属污染