金刚石具有极其优异的物理、化学性能，如禁带宽度为 5.5 eV，比常用的半导体材料 Si 高 5 倍左右，此外其击穿电场高（10 MV/cm）、载流子迁移率高（4500-3800 cm2v-1s-1）、高的热导率（2000Wm-1K-1），约为铜的 5 倍[1-3]、低的介电常数及从电磁光谱的深紫外到远红外区域的宽的光学透明度等优异性能[4]，使其在量子信息[5]、高能物理辐射探测器[6]、高功率微波器件[7]、机械加工等领域具有极大的应用潜力。

微波等离子体化学气相沉积(microwave plasmachemical vapor deposition， MPCVD)作为一种快速生长高质量金刚石的方法，其在制备大尺寸单晶金刚石(Single crystal diamond , SCD )的研究领域中备受关注 [1-3]。目前，如何将单晶金刚石同时扩大和增厚，即实现二维扩大生长仍然是一大难点，虽然已有研究团队采用拼接法得到了 40 mm × 60mm 的长方体单晶[8]，但其成本高、可重复性低及生长周期长。此外，在单晶金刚石同质外延的过程中易出现多晶金刚石边缘，这可能会造成多晶边缘向顶面内部生长，从而导致单晶金刚石顶面面积缩小，针对这个情况，一些科研工作者设计了一种“口袋式”的金刚石衬底支架， 随着 “口袋”深度的增加，有效的抑制了多晶圈的生长，但同时 降 低 了 单 晶 金 刚 石 外 延 生 长 的 速 率 [9,10]。Yamada 等人通过仿真，分析了反应腔室内温度、气体流动及电场强度的分布，发现在又窄又深的样品支架中，样品顶面温度及电磁场分布均匀，这有利于表面平整光滑的 SCD 生长 [11,12]， Mokuno也在对比研究中发现，平整光滑的生长面对单晶金刚石的三维扩大非常关键[13]。显然， SCD 形貌的均匀性调控对于后续长时间的生长和加工处理至关重要。

我们在前期的实验中发现，金刚石种晶凸出约束环的高度大小对其种晶上方各基团浓度的分布有着很大的影响，从而影响种晶表面的生长形貌。当种晶凸出约束环 600 μ m 左右时，种晶的生长表面为中间高四周低的形貌分布，且生长出侧面无多晶外圈的单晶金刚石[15]。同时，在实验中发现约束环径向尺寸的大小，能够有效的改变种晶上方等离子体球的径向尺寸，这会改变等离子体中各种基团浓度的分布，因此本文设计了直径分别为10mm、 12mm、 14mm三种规格的约束环，以此研究约束环径向尺寸的变化对单晶金刚石表面形貌及厚度均匀性的影响。

本文实验选用 HPHT单晶金刚石作为种晶，使用微波频率 2.45 GHz 的 MPCVD 装置，功率输出范围为 250-1200 W，实验用气体是纯度为 99.999%的氢气和甲烷。实验前对单晶金刚石种晶进行预处理准备工作，首先将种晶放入浓硝酸与纯净水比例为 1:3 的混合溶液中进行超声加热清洗 15 分钟，然后将种晶分别置于无水乙醇溶液中超声清洗两次， 每次超声加热清洗 15 分钟。

设置种晶凸出约束环 600 μ m,约束环分别使用直径为 10 mm、 12 mm 及 14 mm 三种尺寸，其结构如图 1 中 a 示意图所示。表 1 为单晶金刚石的沉积参数，同时在实验过程中使用海洋光学公司生产的 Maya2000 型号的光谱仪，探测器的型号为Hamamastu S9840 及 IR-AH 红外测温仪对反应腔中的等离子体及单晶金刚石表面温度进行监控。温度对单晶的外延生长具有很大的影响[14, 15]，生长过程中控制种晶表面温度保持在 900±20 ℃的温度范围内。本文实验所用样品在机械抛光之后，通过超声清洗处理籽晶表面残留的金属屑，之后通过白光干涉显微镜对机械抛光之后的进行表征，其扫描范围为 928 × 696 μm2， 当测量的籽晶表面高度差在 2μ m 左右时再进行生长实验。

试验结束后，通过金相显微镜及 SUPRA OptixTMM-3D 型白光干涉仪对单晶表面形貌及高度进行表征，利用赛默飞世尔公司生产的 DXR 激光共焦显微拉曼光谱仪，对样品质量进行表征，测试时激发光波长为 532 nm。

在其他沉积条件相同的情况下，约束环的尺寸能够明显的改变等离子体形状及基团的分布，这对单晶金刚石的生长具有很大的影响，图 1 为约 束环示意图及不同约束环尺寸下等离子体球的形状照片。 

从图 1 中可以看出，随着约束环直径的增大，等离子体球径向尺寸明显变大， 由于等离子体球为椭球体，所以根据式（1）及式（2）对不同约束环下等离子体功率密度进行估算

式中， V-等离子体球体积（cm3）；a、 b、 c-等离子体球半轴长（cm）；P-微波入射功率（W）；????-功率密度（W/cm3）。

计算得图 1 中 b、 c 及 d 功率密度分别为???????? ≈169.783????/????????3 ，???????? ≈ 138.893 ????/????????3，???????? ≈ 106.723????/????????3，约束环尺寸由 12 mm 增加至 14mm 时，微波功率密度呈现降低趋势。图 2 为不同直径约束环在相同工艺参数下测量等离子体球发射光谱 C2 基团谱线强度径向分布及等离子体中心处 C2/Hα 谱线比值变化趋势。随着约束环尺寸的增大，中心处 C2谱线强度由 124.8 降至 87.1，见图 2（a）， C2基团沿基片台径向分布的不均匀变缓；中心处 C2谱线与 Hα谱线强度比值缓慢下降。由于C2等含 C 基团作为金刚石生长的主要基团，其浓度的降低，也降低了单晶金刚石的生长速率， #1、#2和#3单晶金刚石的沉积速率分别为 10.4 μ m/h、8.5 μ m/h 和 6.4 μ m/h。

图 3 为不同约束环尺寸下生长的三个单晶金刚石样品的表面形貌光学照片。在使用 10 mm 及 12mm 的约束环时，生长面中间出现丘包状生长带及多晶点（见图 3-#1、图 3-#2），当使用直径为 14mm 的约束环时，单晶生长面上的多晶及丘包状缺陷被完全抑制。约束环直径对单晶金刚石表面生长缺陷有较大影响，是因为约束环尺寸对等离子体球的大小及等离子体的功率密度有直接的影响，从而改变等离子体内相关基团浓度分布。在约束环尺寸较小时，在等离子体球中心处 C2 等含碳基团浓度高且在与金刚石种晶表面平行的径向存在显著的不均匀性，易在（100）面二次形核现象，出现多晶点。同时单晶顶面的四个棱边随着生长，（110）、（111）、（113）等晶面会因为生长速度的不同变得更加明显，这些晶面因为缺陷多、杂质注入率高等原因[16]，可能会造成多晶金刚石边缘出现，而导致单晶金刚石生长出现顶面缩小的问题。

图 4（b）、（c）、（d）所示分别为#1、 #2、#3 三个样品生长实验后白光干涉显微镜表征结果。从图中可以看出#1 籽晶的表面形貌可以很清楚的多晶点及单晶中间区域大面积沙丘连接成一片，其表面高度差在 25-27μ m， #2 籽晶的表面形貌可以很清楚的看到大量多晶点，其表面高度差在 26-29 μ m， #3 籽晶生长后，其表面高度差在 14-15 μm，台阶状生长结构较为密集， 表面形貌较为平整。在 14 mm 的约束环结构下生长的单晶金刚石，其表面最均匀且无多晶相的生长，直径为 10 mm 及12mm 的约束环下生长的单晶金刚石，其表面易出现多晶点，且整体形貌高度落差较大。单晶金刚石的整体的均匀性的好坏决定了单晶金刚石能否进行持续性生长，其整体高度差过大易导致单晶金刚石在生长的过程中因应力出现裂纹，而在 10-14mm 的约束环下，随着约束环尺寸增大， C2基团浓度径向分布图由尖锐变得平缓，有效抑制了单晶金刚石表面的形成，且单晶金刚石生长面也最为平缓，因此约束环尺寸在 14mm时进行单晶金刚石沉积实验最佳。 

图 5 为#1、 #2、 #3 三个样品中心处进行了Raman 光谱测试， #1 及#2 样品在 1460 cm-1附近存在特别明显的非金刚石相包[17]，而#3 样品拉曼光谱中位于 1460 cm-1 附近的波包基本消失，单晶质量显著提高。将拉曼结果与 I（C2） /I（Hα） 的比值变化（见图 2(b)）结合发现，随着约束环尺寸的增大, I（C2） /I（Hα） 的比值逐渐降低， 同时单晶金刚石结晶质量显著提高，这与严磊等前期研究发现结果一致 [18]。图 6 为以相同的实验条件，使用直径 14 mm 的约束环对同一 3 mm × 3 mm 的正方形高温高压籽晶的（a）和（b）两个面分别进行生长实验，（a）面经 45 h 的沉积实验，其最大尺寸扩大至 3.89 mm × 3.82 mm。（b）面 50 h 的沉 积实验，其最大尺寸扩大至 4.07 mm × 3.97 mm。

在约束环直径尺寸为 10 mm、 12 mm、 14 mm时，通过 MPCVD 法对相同质量的 HPHT 单晶金刚石进行同质外延生长，并在单晶金刚石生长后进行发射光谱、形貌、白光干涉、 Raman光谱表征，结论如下：当约束环的直径从10 mm增加到14 mm时，单晶金刚石的生长速率由 10.4 μ m/h 减小到6.4 μ m/h，单晶生长面上的多晶及丘包状缺陷被完全抑制，随着约束环直径的增加，单晶金刚石表面C2基团浓度由过饱和状态变的适中，有效降低了生长面非金刚石相的成型，拉曼光谱中位于1460 cm-1 附近的波包基本消失，单晶质量显著提高。单晶金刚石在直径 14 mm 的约束环下实验，对同一 HPHT 籽晶的 A 面及 B 面分别沉积生长 45h 及 50h，单晶 A 面侧向外延至 3.82 mm × 3.89 mm，单晶 B 面侧向外延至 3.97 mm × 4.07 mm。适当的约束环设置有利于单晶金刚石的侧向外延生长。