CVD法合成钻石工艺

CVD法合成钻石工艺主要分二大类型：金刚石薄膜和单晶钻石。合成金刚石薄膜是指在较低的温度和压力下合成多晶金刚石薄膜的技术，原则上不用钻石作籽晶。早在20世纪50年代和60年代，美国和前苏联的科学家们已先后在低压条件下实现了金刚石多晶薄膜的化学气相沉淀开发研究，虽然当时的沉淀速率非常低，但无疑是奠基性的创举。

进入上世纪80年代以来，科学家们又成功地发展了多种CVD金刚石多晶薄膜的制备方法：如热丝CVD方法、微波等离子体CVD方法、直流等离子体CVD方法、激光等离子体CVD方法、等离子增强PECVD方法等。随着合成技术的日趋成熟，金刚石薄膜的生长速率、沉积面积和结构性质已经逐步达到了可应用的程度。各种合成方法之间既有共同之处又各具不同的特点。按照等离子体的产生原理，所有的金刚石薄膜合成方法可分为4类，即热解CVD方法、直流等离子体CVD方法、射频等离子体CVD方法和微波等离子体CVD方法。

化学气相沉淀法是以低分子碳氢化合物（CH4、C2H2、C6H6等）为原料所产生的气体与氢气混合（有的还加入氧气），在一定的条件下使碳氢化合物离解，在等离子态时，氢离子相互结合成氢气可以被抽真空设备抽走，剩下的碳离子带正电荷，因此在需生长金刚石薄膜或钻石的衬底上通负电，在电场的引导下，带正电荷的碳离子就会向通负电的衬底移动，最后沉淀在衬底上，并按照金刚石晶格生长规律在金刚石或非金刚石（Si、SiO2、Al2O3、SiC、Cu等）衬底上生长出多晶金刚石薄膜层。以金刚石为衬底生长金刚石的CVD方法也叫做外延生长法，它按照金刚石籽晶的晶面参数不断地堆积生长，故生长单晶钻石必须用CVD外延生长法。

对于生长单晶钻石的CVD化学气相沉淀法，最常用的方法是微波等离子体法。颜慰萱教授在 “化学气相沉淀法（CVD法）合成单晶钻石综述”中也有论述，即：高温（大致800到1000℃）低压（大致0.1大气压）条件下的合成方法。用泵将含碳气体——甲烷（CH4）和氢气通过一个管子输送到抽真空的反应舱内，靠微波将气体加热，同时也将舱内的一个基片加热。微波产生等离子体，碳以气体化合物的状态分解成单独游离的碳原子状态，经过扩散和对流，最后以钻石形式沉淀在加热的基片上。氢原子对抑制石墨的形成有重要作用。
所谓等离子体简单说就是气体在电场作用下电离成正离子及负离子，通常成对出现，保持电中性。这种状态被称为除气、液、固态外物质的第四态。如CH化合物电离成C和H等离子体。

当基片是硅或金属材料而不是钻石时，因钻石晶粒取向各异，所产生的钻石薄膜是多晶质的；若基片是钻石单晶体，就能以它为基础、以同一结晶方向生长出单晶体钻石。基片起到了籽晶的作用。用作基片的钻石既可以是天然钻石，也可以是高压高温合成的钻石或CVD合成钻石。基片切成薄板状，其顶、底面大致平行于钻石的立方体面（100面）。此外，适当掺杂硼、氮等可使合成钻石呈现蓝色、褐色等不同的颜色。