直流電弧等離子體噴射法生長大尺寸金剛石單晶

呂反修，黑立富，李成明，唐偉忠，李國華，郭 輝，孫振路

（1．北京科技大學，北京市海淀區學院路30號，北京 100083；2．河北普萊斯曼金剛石科技有限公司，石家莊 510081）

1 引言

CVD（化學氣相沉積）金剛石大單晶生長是CVD金剛石膜研究領域在近年來所取得的重大技術進展之一［1，2］。在眾多高新技術領域都有極佳的應用前景，除和HPHT單晶一樣可用作超精密切削工具外，還可用于金剛石高溫半導體器件［3，4］，量子計算機［5］，高性能輻射（粒子）探測器［6，7］，光學窗口［8］，高壓物理實驗壓砧［9，10］，以及金剛石首飾（鉆戒）［11］。

迄今為止已經發表的關于CVD金剛石單晶外延生長的研究論文絕大多數都是采用微波等離子體CVD方法在高腔壓下（10～30kPa）下進行的，這是因為微波等離子體球在高壓下急劇收縮，致使功率密度大幅度升高，從而能夠提供金剛石單晶外延生長所需要的高原子氫濃度［1，2］。

文獻中也有個別關于采用熱絲CVD（HFCVD）方法生長金剛石單晶的報道，但基本上都是（100）取向的金剛石大晶粒的生長（晶粒尺寸大于50微米），與采用大尺寸金剛石單晶晶種的外延生長不可相提并論［12－13］。最近Shinya Ohmagari等［14］報道的采用CVD金剛石單晶晶種的HFCVD金剛石單晶外延生長盡管可以算得上是單晶同質外延生長，但生長速率很低（僅為1．7微米／小時），質量很差［（包含許多多晶晶粒（hillocks）］，沒有什么意義。這是因為熱燈絲的溫度太低（1700℃～2200℃），根本無法提供足夠的原子氫濃度。

眾所周知，直流電弧等離子體噴射（DC Arc Plasma Jet）電弧放電溫度極高（高達25000K），氫的離解非常充分。采用具有我國獨立知識產權的旋轉電弧和氣體循環高功率等離子體炬的DC Arc Plasma Jet［15－16］，已能制備直徑150mm 的光學級金剛石自支撐膜和直徑100mm的金剛石球罩［17］，其質量可與微波等離子體CVD相比擬。因此我們完全有理由相信，DC Arc Plasma Jet也有可能和微波等離子體CVD一樣成為一種制備大尺寸、高質量金剛石單晶的有效技術方法。

微波等離子體CVD雖然具有無電極放電和非常穩定的優點，但由于高壓下等離子體球急劇收縮（6千瓦級微波等離子體球在32kPa時尺寸僅為Φ（2～3）cm［18］，因此，批量制備大尺寸金剛石單晶受到嚴重限制，制備成本一直居高不下。

與此相比，DC Arc Plasma Jet能夠在較低壓力下在大面積襯底范圍提供高濃度原子氫，因此有可能提供一條低成本制備大尺寸高質量金剛石單晶的技術途徑。為此，筆者在數年前就已開始進行DC Arc Plasma Jet金剛石單晶外延生長的研究［19－21］。而本文的目的則是對業已取得的結果，目前存在的問題，以及對未來的展望作一簡要綜述。

2 旋轉電弧氣體循環DC Arc Plasma Jet金剛石單晶外延生長

旋轉電弧氣體循環 DC Arc Plasma Jet［16－17］是國內外迄今為止應用最為成功的直流電弧等離子體噴射金剛石膜制備裝置。僅僅在石家莊的河北普萊斯曼金剛石科技有限公司就有50多臺30千瓦級設備在進行金剛石自支撐膜的工業化生產，年生產能力超過500萬立方毫米，產品包括工具級、熱沉級和光學級等不同質量級別的金剛石自支撐膜。目前河北普萊斯曼金剛石科技有限公司已經成為全球主要的金剛石自支撐膜供應商之一。因此，我們首先采用了30千瓦這一通用級別的設備進行金剛石大尺寸單晶生長的研究設備（見圖1），均勻沉積面積為Φ65mm。

圖1 左：用于金剛石單晶外延生長研究的30千瓦研究型DC Arc Plasma Jet；右：河北普萊斯曼金剛石科技有限公司生產型30千瓦級DC Arc Plasma Jet生產車間一瞥Fig．1 Left：the research type 30kW DC Arc Plasma Jet used for epitaxial growth of large size single crystal diamond；Right：aglance of one of the workshops of the 30kW commercial type DC Arc Plasma Jet in Hebei Plasma Diamond Technology Ltd．

圖2所示為使用圖1所示設備生長大尺寸金剛石單晶的典型照片。襯底為6mm×6mm×1．2mm HPHT單晶，用Fe－Ni合金焊料，采用原位焊接方式釬焊在直徑為65mm，高度40mm的Mo樣品臺上。工藝參數為：H2－8L／min，Ar－ 3L／min，CH4－50mL／min，Ts－ 1001℃～1009℃，P－4kPa，陽極噴口與單晶襯底距離－3cm，生長時間：46小時。圖2左為數碼相機照片，可見中心的單晶生長區域非常干凈、平整，完全沒有出現非外延生長的多晶晶粒，而四周卻被一圈多晶晶粒所包圍。圖2右為光學顯微鏡照片，可見清晰的生長臺階，屬典型的臺階式外延生長（step－flow growth）。單晶外延層厚度為500微米，生長速率為11微米／小時。

圖2 采用圖1所示DC Arc Plasma Jet生長的金剛石單晶。左：數碼相機照片；右：光學顯微鏡照片Fig．2 Single crystal diamond grown by the DC Arc Plasma Jet as shown in Fig．1Left：photograph taken by digital camera；Right：photograph taken by optical microscope

鑒于在長時間生長后易于出現非外延生長金剛石多晶晶粒，以及包圍單晶生長區域的多晶層會妨礙單晶的生長，因此需要采用多次反復生長－研磨拋光－生長來獲得大厚度的單晶。圖3所示即為經過3次生長－研磨拋光－生長后獲得的大尺寸金剛石單晶，左為生長狀態，右為與襯底分離、拋光后的照片，尺寸為7．5mm×7．5mm×1．05mm。圖4左為圖3所示單晶的UV－VIS譜與 HPHT襯底（晶種）的對比，HPHT晶種在整個紫外區域透過率為零，而CVD金剛石單晶片在紫外區域仍有相當高的透過率，其吸收邊為220nm。從位于270nm的吸收峰估計單晶中氮含量［22］約7．6×10－6。圖4右所示的搖擺曲線半高寬僅為10弧秒。與微波等離子體CVD法生長的高質量金剛石單晶沒有什么區別。Raman譜金剛石特征峰半高寬小于2cm－1，也與微波等離子體CVD大致相當。

圖3 大尺寸金剛石單晶生長狀態（左）和與襯底分離、拋光后的照片Fig．3 Photograph of growing status of large size single crystal diamond（left）and the detached and polished CVD large size diamond plate（right）

圖4 圖3所示金剛石大尺寸單晶片的UV－VIS譜及X－射線金剛石（400）衍射峰單晶搖擺曲線Fig．4 UV－VIS spectra（left）and the X－Ray rocking curve of the（400）diamond peak（right）for the single crystal diamond plate as shown in Fig．3

我們的前期研究結果表明，采用具有我國特色和獨立知識產權的旋轉電弧、氣體循環DC Arc Plasma Jet［15－16］完全可以制備可與微波等離子體CVD相比擬的大尺寸、高質量金剛石單晶。但與微波等離子體CVD不同的是：（1）由于高溫等離子體氣流的強烈熱沖擊，晶種必須焊接（釬焊）在Mo樣品臺上；（2）氣體組成體系不同；DC Arc Plasma Jet使用 Ar－H2－CH4體系，而微波等離子體則采用H2－CH4體系；（3）與微波等離子體CVD相比，單晶平界面外延生長（step－flow growth）的工藝窗口比較狹窄。腔壓和甲烷濃度范圍均比微波低很多，前者合適的甲烷濃度僅為0．5%～0．8%，而后者則為2%～10%；前者合適的腔壓范圍僅為3～5kPa，而后者高達10～30kPa。我們推測腔壓較低是因為氣體循環流量非常大，真空泵系統（由兩臺羅茨泵和一臺干泵組成）負荷過重，在高腔壓下發熱嚴重，無法承受。而較低甲烷濃度很可能與在DC Arc Plasma Jet情況下，甲烷的離解比微波更為充分之故［19］。

3 直噴式 DC Arc Plasma Jet金剛石單晶外延生長

為了擴大 DC Arc Plasma Jet金剛石單晶平界面外延生長工藝參數窗口，我們嘗試采用了專門設計的20千瓦級氣體不循環，即直噴式（blow down type）DC Arc Plasma Jet系統（見圖5）。

圖5 （a）20千瓦級直噴式DC Arc Plasma Jet；（b）電弧狀態，襯底直徑 Φ45mm；（c）圖3所示氣體循環、旋轉電弧 DC Arc Plasma Jet電弧狀態，襯底直徑 Φ65mmFig．5 （a）20kW blow down type DC Arc Plasma Jet；（b）plasma state，the size of the substrate is 45mm；（c）plasma state for gas recycling and rotating arc root DC Arc Plasma Jet as shown in Fig．1，the substrate size is 65mm

由于氣體不再循環使用，真空泵的負荷大大減輕，因此使用圖5所示的直噴式 DC Arc Plasma Jet就能輕而易舉地把工作壓力（腔壓）從3～5kPa升高到10kPa左右。但甲烷濃度的升高卻很有限，金剛石單晶平界面外延生長最高甲烷濃度僅為1．5%左右，這是因為隨著甲烷濃度的升高，等離子體炬放電通道，特別是陰極和陽極噴口區域積碳的趨勢明顯增加，這些區域（特別是陽極噴口）的積碳會引起局部燒蝕（因電弧停轉所引起），以及電弧放電的不穩定性。與氣體循環DC Arc Plasma Jet相比，直噴式JET還多了兩個重要的工藝控制參數：H2／Ar比和襯底－陽極噴口距離。這兩個參數在氣體循環模式下是相對固定的，而在直噴式JET操作模式下卻允許在很大范圍內變化，并對金剛石單晶外延生長產生非常顯著的影響。大致趨勢為：隨著腔壓的升高，平界面外延生長速率增加，單晶質量改善；隨著甲烷濃度的增加，平界面外延生長速率隨之增加，過高的甲烷濃度則會導致多晶的出現，以及單晶質量的下降；H2／Ar比的影響較為復雜，隨著H2／Ar比的升高，生長速率先升高然后再降低，在50%附近存在一個極大值；隨著襯底－陽極噴口距離的減小，外延生長速率及單晶質量均上升。為節省篇幅，不再贅述，請參考文獻［19，23］。

采用直噴式不僅擴大了DC Arc Plasma Jet金剛石單晶外延生長的工藝參數范圍，而且由于氣流中雜質含量的降低（氣體不循環）和功率密度的增加（襯底面積更小），金剛石單晶平界面外延生長速率和晶體質量都得到了比較顯著的改善。圖6所示為采用直噴式 DC Arc Plasma Jet制備的5mm×5mm×1．0mm高質量金剛石單晶數碼相機照片。圖6左為生長狀態，基本上屬于臺階式平界面生長（step－flow growth），但混合了部分二維生長（金字塔）模式；右為分離、拋光后的金剛石單晶片。工藝參數為：腔壓－8．5kPa；H2／Ar－ 7／6；甲烷濃度－1．0%；溫度：1000℃；襯底／陽極噴口距離－35mm。反復生長－研磨拋光－生長三次，累計生長時間46小時，生長速率約25微米／小時。

圖7（a）為圖6所示單晶片的UV－VIS透射譜，可見在整個紫外和可見光譜區域透過率都非常之高，在300nm位置透過率高達55%左右，幾乎看不出270nm處的N2吸收峰，從此峰的微小吸收估算的N2雜質僅為1．1×10－6左右。圖7（b）為X－射線金剛石（400）衍射峰單晶搖擺曲線，其半高寬僅為0．010°，圖7（c）為單晶片的Raman譜，金剛石特征峰半高寬 僅 為 1．82cm－1，比 HPHT 晶 種 還 低 （2．06cm－1）。這些數據表明圖6所示的金剛石單晶片其晶體質量非常高，與高質量天然IIa型金剛石單晶沒有任何區別。值得指出的是，即使采用圖1所示的氣體循環式DC Arc Plasma Jet也很容易從氣體循環模式轉變為直噴式工作，僅僅只需關閉循環氣閥門，完全打開排氣泵閥門而已［16］。

圖6 直噴式DC Arc Plasma Jet大尺寸金剛石單晶：左：生長狀態，右：分離、拋光后的單晶片Fig．6 Digital camera photos of the large size single crystal diamond by the blow down type DC Arc Plasma Jet Left：growing status；Right：detached and polished diamond plate

圖7 直噴式DC Arc Plasma Jet金剛石單晶的 UV－VIS譜（a），X－射線搖擺曲線（b）及 Raman譜（c）Fig．7 UV－VIS spectra（a），X－Ray rocking curve（b）and Raman spectra（c）of the single crystal diamond plate

4 金剛石單晶探測器

圖8所示為采用DC Arc Plasma Jet制備的單晶片與南京大學合作研制的金剛石單晶粒子探測器，單晶片尺寸為6mm×6mm×0．3mm，其設計為典型的三明治結構。圖8左為尚未封裝的金剛石單晶探測器，可見金剛石單晶表面鍍金及飛金絲引線；圖8右為已經封裝的金剛石探測器，其中最右面的兩只為多晶金剛石膜（DC Arc Plasma Jet光學級金剛石膜）探測器，以茲比較。

圖9為金剛石單晶探測器（左）和多晶探測器的I－V特性曲線對比，限于測試儀器量程，最高外加電壓僅為200V（低于金剛石的全耗盡電壓），此時金剛石單晶探測器的暗電流僅為0．37nA；而多晶探測器的暗電流卻高達2．56nA。充分說明了單晶金剛石探測器的優越性。

圖8所示的金剛石單晶探測器已成功用于與歐洲粒子研究中心（CERN）在強子對撞機前沖量能器升級的預研合作［24］中。圖10所示為通過CERN安排的在俄羅斯杜布納核子研究中心進行的強中子流輻照試驗結果：（a）為試驗大廳，可見金剛石探測器輸送裝置；（b）中子流強度隨輻照時間的變化曲線，中子流功率為1．7MW，第一階段輻照了7小時，第二階段連續輻照了11天，累計輻照積分通量超過2×1017／cm2，已經超過了CERN對強子對撞機前沖量能器升級對于中子累計輻照通量的要求。圖10（c）為金剛石單晶探測器在強中子流輻照下信號強度的衰減曲線，在累計積分強度超過2×1017／cm2后剩余信號強度仍然高達10%左右，而如圖10（d）所示，CERN的RD42項目組采用元素六（DDL）提供的光學級多晶金剛石膜探測器于2012年在同一地點，完全相同條件下進行相同劑量的中子輻照后其剩余信號強度僅僅為2%［25］。這一結果再次表明了單晶金剛石探測器相對于金剛石多晶探測器的優越性。這是因為金剛石單晶沒有晶界，晶體結構十分完整，晶體缺陷遠比多晶要少得多的緣故。CERN已經同意將金剛石單晶探測器作為強子對撞機前沖量能器的升級備選方案之一，如有幸選中，將需要進一步研制由15000片1cm2的金剛石單晶片組成的11層圓柱形探測器陣列［26］。

圖8 采用DC Arc Plasma Jet金剛石單晶片研制的粒子探測器左：未封裝；右；已封裝（其中最右面的2只為金剛石多晶膜探測器，用作比較對照）Fig．8 Single crystal diamond particle detector by DC Arc Plasma Jet Left：unpackaged；Right：packaged（the right two detectors were made of polycrystalline diamond film for comparison）

圖9 金剛石單晶探測器和多晶探測器的I－V特性曲線：左：單晶探測器；右：多晶探測器Fig．9 Characteristic I－V curves for the single crystal（left）and polycrystalline（right）diamond detector

圖10 （a）杜布納核子研究中心試驗大廳；（b）中子流波形曲線；（c）單晶探測器信號強度衰減曲線；（d）元素六多晶探測器信號衰減曲線Fig．10 （a）The experimental hall in Dubnanuclear center；（b）Energy spectrum of the neutron beam；（c）Decaying of the signal intensity of the single crystal detectors；（d）Decaying data from polycrystalline diamond detector of Element 6

5 大尺寸金剛石單晶工業化生產前景：現狀、問題與展望

毫無疑問，大尺寸金剛石單晶的低成本工業化生產才是本文研究的最大驅動力。圖11所示為一次生長兩片6mm×6mm金剛石單晶的數碼相機照片，采用的是圖1所示的30千瓦級研究型DC Arc Plasma Jet（氣體循環），Mo樣品臺直徑為Φ65mm，足以容納50多片單晶同時生長。充分顯示了金剛石大尺寸單晶工業化低成本生產的良好前景。

欲實現上述工業化前景，必須首先解決大厚度（厚度超過4mm）金剛石單晶生長，及其生長工藝的重復性問題。遺憾的是，這一問題至今仍然沒有完全解決。

圖11 一次生長兩片6mm×6mm金剛石大單晶：Mo樣品臺直徑Φ65mm，可容許50片以上單晶同時生長Fig．11 Two 6mm×6mm large size diamond single crystal grown in one run：the Mo holder was 65mm in diameter，which is big enough for more than 50pieces to grow simultaneously

前面我們曾經提到在DC Arc Plasma Jet生長金剛石單晶時，由于高溫高焓等離子體射流的強烈熱沖擊，單晶晶種必須釬焊在Mo樣品臺上（原位焊接）。但與微波等離子體CVD可以緩慢降溫不同，電弧放電在電流降低到一定程度時便無法維持，只能突然中斷，這樣一來將在單晶生長結束后的冷卻過程中造成巨大的熱應力，甚至有可能造成單晶（連帶晶種）的斷裂。同時，我們在前面也曾經提到，由于在金剛石單晶層厚度增加時，容易在單晶生長表面出現非外延生長的多晶晶粒，以及在晶種周邊生長的多晶層可能影響單晶層的繼續生長，必須采用多次反復外延生長－研磨加工－外延生長的笨辦法來獲得大厚度金剛石單晶。由于每一次生長都要重新釬焊，加上單晶平界面生長速率不高（僅比10微米／小時多一點），因此重復性比較低，如果貿然進行批量生長，可能會面臨很大的風險，僅僅是考慮一次數十粒HPHT大尺寸金剛石單晶晶種的價值，就足以讓人望而止步了。

為了減小在試驗階段可能面臨大量昂貴單晶晶種的損失，我們曾采用同樣尺寸和形狀的金剛石多晶片替代（模擬）金剛石單晶片，進行大批量金剛石單晶生長的模擬實驗。如圖12左所示，我們把2片6mm×6mm×1．0mm CVD單晶晶種（編號22s和44s）和46片同樣尺寸的CVD多晶金剛石自支撐膜“模擬晶種”一起釬焊在Φ65mm的Mo樣品臺上，經過28小時外延生長后（生長層厚度接近500微米），發現絕大部分晶種（包括兩片單晶晶種）都已斷裂。此次試驗充分暴露了釬焊層與金剛石晶種之間因熱膨脹系數的巨大差異所引起的大應力及其破壞性后果。此后，資助單位再也不愿意支持大批量單晶同時生長的工藝性試驗。

目前我們正沿著兩個方向企圖解決問題，其一是尋找與金剛石熱膨脹系數更接近的釬焊合金并優化釬焊工藝以盡可能減小應力，其二則是大幅度提高金剛石單晶平界面外延生長速率，以盡可能減少得到大厚度單晶所需反復外延生長－研磨加工－外延生長的次數。

目前我們已經找到一些原用于航空航天的金基與鈀基釬焊合金，它們不僅熱膨脹系數較低，而且具有良好的塑性，以及對Mo和金剛石的良好浸潤性能，遠遠優于我們此前使用的鐵鎳合金。

圖12 大批量單晶生長“模擬試驗”：左：晶種在Mo樣品臺上的分布情況；右：生長28小時后Fig．12 "Simulation growth"of large number diamond single crystals：Left：distribution of the diamond seeds on the Mo sample holder；right：after growth for 28hours

大幅度提高金剛石單晶平界面外延生長速率則比較困難。采用圖5所示的直噴式DC Arc Plasma Jet雖然可以同時提高平界面外延生長速率和單晶晶體質量，但卻遇到等離子體炬放電通道的（特別是陽極噴口區域）積碳和局部燒蝕（因積碳阻礙電弧旋轉所引起）而導致單晶外延生長不得不提早終止的難題。陽極噴口直徑越小，覆蓋晶種生長表面等離子體功率密度就越大，單晶外延生長速率也就越高。但陽極噴口越小，電弧轉動就越困難（使電弧轉動的力矩變小了），只要電弧一旦停止轉動，或轉動速度變慢，就有可能導致陽極噴口燒損（局部熔化），同時由于散熱面積減小，冷卻更加困難，情況變得更加糟糕。

最近，我們采用一種特殊設計的石墨陽極組件，初步顯示了解決上述難題的前景。圖13所示為石墨陽極組件工作狀態，該石墨陽極組件由內外石墨套筒組成，內套筒懸掛在外套筒內，充當等離子體炬的陽極噴口，而外套筒則通過螺紋與紫銅制成的陽極套筒主體連接。這樣的設計讓導電的石墨內套筒成為一個發熱體，工作時溫度非常之高，估計內套筒內壁溫度至少在1500℃以上（圖13左）。石墨的熔點高達3000℃以上，根本不會像紫銅那樣出現燒蝕（局部熔化、蒸發），而且因溫度過高，在內套筒接近陽極噴口表面也不會發生任何碳的沉積，因此可以同時解決積碳和陽極噴口燒蝕的問題。圖13右為采用石墨陽極等離子體炬生長28小時所獲得的3．5mm×3，5mm單晶照片，外延生長表面十分干凈、平整，屬典型的平界面臺階式生長（ste－flow growth），單晶層厚度達1．1mm，生長速率高達39微米／小時，是氣體循環式DC arc Plasma Jet的3倍多。但是，如圖14所示，在陽極環套筒上部區域仍然長滿了金剛石多晶膜，僅僅只有在接近石墨陽極噴口位置才什么也沒有長，這個區域正好是電弧弧根旋轉移動的區域，也是石墨陽極溫度最高的區域。在石墨陽極內套筒最上方（接近紫銅陽極主體），溫度最低，金剛石膜生長最快，但金剛石膜厚度達到一定程度后會脫落，最終導致金剛石單晶生長中斷。

圖13 左：石墨“熱陽極”等離子體炬工作狀態，電弧弧根做好轉向右側；右：生長28小時后獲得的金剛石單晶Fig．13 Left：plasma state of the"hot graphite anode"，please note that the arc root just rotated to the right hand side；Right：single crystal diamond after 28hgrowth

圖14 中斷生長后的石墨內套筒Fig．14 The graphite inner sleeve after single crystal diamond growth

目前實驗研究仍在繼續進行之中，一旦問題得到解決，DC Arc Plasma Jet金剛石大尺寸單晶工業化生產就有可能提到議事日程之上。

6 結束語

高密度等離子體可能提供的高原子氫濃度是CVD大尺寸、高質量金剛石單晶外延生長的必要條件。DC Arc Plasma Jet能夠在較大襯底面積上提供高原子氫濃度，因此不僅應該像微波等離子體CVD一樣適合金剛石單晶生長，而且很可能具有更好的工業化應用前景。

本文首先采用氣體循環式30千瓦級研究型DC Arc Plasma Jet驗證了其在大尺寸、高質量金剛石單晶外延生長方面的潛力，繼而采用直噴式（氣體不循環）的20千瓦級設備制備了質量更高的大尺寸金剛石單晶，其UV－VIS透過特性、X－射線單晶搖擺曲線半高寬、金剛石Raman特征峰半高寬等均與高質量天然IIa型金剛石單晶相同，與微波等離子體CVD沒有什么區別。

DC Arc Plasma Jet生長的高質量單晶片已經用于抗輻射高能粒子探測器的研制。所研制的粒子探測器，在200V偏壓下，暗電流僅為0．37nA。已在俄羅斯的杜布納核子研究中心進行了長達11天又7個小時的高能中子束輻照損傷試驗，累計中子輻照通量超過2×1017／cm2，殘余信號強度約為10%，優于RD42項目組采用元素六（DDL）光學級多晶金剛石膜探測器在同樣條件下的試驗結果。初步顯示了在強子對撞機前沖量能器升級換代中的潛在應用前景。

與微波等離子體 CVD相比，DC Arc Plasma Jet除都能產生高密度等離子體（高濃度原子氫）外，其不同之處主要有：（1）金剛石單晶晶種必須釬焊在Mo樣品臺上，而微波沒有這個必要；（2）金剛石單晶平界面外延生長工藝參數窗口比較狹窄（直噴式JET雖然比氣體循環式寬一些，但仍比微波窄）；（3）H2／Ar在DC Arc Plasma Jet情況下是一個對金剛石單晶生長的重要工藝參數，而微波沒有這樣一個參數；（4）襯底－陽極噴口距離也是一個對于DC Arc Plasma Jet重要，而微波沒有的工藝參數。

大尺寸、高質量金剛石單晶的低成本工業化生產是本文研究的最大驅動力。目前在研究中遇到了重復性較差以及大量昂貴單晶晶種損失的巨大風險。正企圖通過降低單晶應力與大幅度增加單晶平界面外延生長速率兩條技術路線加以解決。目前通過釬焊料的選擇和等離子體炬深度改進（石墨陽極炬）已經取得一些進展。試驗仍在繼續進行之中。

參考文獻：

［1］ F．Silva，J．Achard．Brinza，X．Bonnin，K．Hassouni，A．Anthonis，K．De Corte，J．Barjon．High quality，large surface area，homoepitaxial MPACVD diamond growth ［J］．Diamond＆ Related Materials 18（2009）683–697．

［2］ Qi Liang，Chih－shiue Yan，Ho－kwang Mao et al．Recent advances in high－growth rate single－crystal CVD diamond［J］．Diamond ＆ Related Materials 18（2009）698–703．

［3］ A．K．Ratnikova，M．P．Dukhnovsky，Yu．Yu．Fedorov et al．Homoepitaxial single crystal diamond grown on natural diamond seeds（type IIa）with boron－implanted layer demonstrating the highest mobility of 1150cm2／V s at 300Kfor ion－implanted diamond［J］．Diamond ＆ Related Materials 20 （2011）1243－1245．

［4］ J．Achard，F．Silva．I．Brinza et al．Thick boron doped diamond single crystals for high power electronics［J］．Diamond ＆Related Materials 20（2011）145–152．

［5］ I．Friel，S．L．Clewes，H．K．Dhillon，N．Perkins，D．J．Twitchen，G．A．Scarsbrook．Control of surface and bulk crystalline quality in single crystal diamond grown by chemical vapour deposition ［J］．Diamond ＆ Related Materials 18（2009）808–815．

［6］ G．T．Betzel，S．P．Lansley，D．McKay，J．Meyer．Reproducibility of CVD diamond detectors for radio therapy dosimetry［J］．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A691（2012）34–38．

［7］ D．Asner，M．Barbero，V．Bellini et al．Diamond pixel modules［J］．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 636（2011）S125–S129．

［8］ D．K．Reinhard，D．T．Tran，T．Schuelke1，M．F．Becker1，T．A．Grotjohn，and J．Asmussen．SiO2Antireflection Layers for Single－Crystal Diamond［J］．Diamond ＆ Related Materials 25（2012）84–86．

［9］ 肖萬生，翁克難，劉景，等．高溫高壓微束衍射實驗進展及其地學應用［J］．地學前緣，2005，12（1）：102－114．

［10］ I．N．Gonchareko．Neutron Diffraction Experiments in Diamond and Sapphire Anvil Cells［J］．High Pressure Research，2004，24（1）：193－204．

［11］ 沈才卿．CVD高仿鉆石流入中國－需精密儀器才能鑒定［J］．財富珠寶，2012，25－26：1－2．

［12］ Ko Yamazaki，Kazuyuki Furuichi，Iori Tsumura，Yoshiki

Takagi．The large－sized diamond single－crystal synthesis by hot filament CVD ［J］．Journal of Crystal Growth 310（2008）1019–1022．

［13］ J．Hirmke，S．Schwarz，C．Rottmair，S．M．Rosiwal，R．F．Singer．Diamond single crystal growth in hot filament CVD［J］．Diamond ＆ Related Materials 15（2006）536–541．

［14］ Shinya Ohmagari，Hideaki Yamada，Hitoshi Umezawa，Akiyoshi Chayahara，Tokuyuki Teraji，Shin－ichi Shikata．Characterization of free－standing single－crystal diamond prepared by hot－filament chemical vapor deposition［J］．Diamond ＆ Related Materials，2014（48）：19－23．

［15］ F．X．Lu，G．F．Zhong，J．G．Sun et al．A New Type of DC Arc Plasma Torch for Low Cost Large Area Diamond Deposition［J］．Diamond and related Materials，7／6，1998：737－741 280．

［16］ F．X．Lu，W．Z．Tang，G．F．Zhong，T．B．Huang et al．E－conomical Deposition of Large Area High Quality Diamond Film by High Power DC Arc Plasma Jet Operating in Gas Recycling Mode［J］．Diamond and Related Materials，9 （9 –10），（2000）1655．

［17］ 化稱意．金剛石整流罩的制備及其紅外增透效應的研究［D］．北京科技大學，2017．5．

［18］ J．Lu，Y．Gu，T．A．Grotjohn，T．Schuelke，and J．Asmussen．Experimentally Defining the Safe and Efficient，High Pressure Microwave Plasma Assisted CVD Operating Regime for Single Crystal Diamond Synthesis［J］．Diamond ＆ Related Materials，37（2013）17–28．

［19］ J．Liu，L．F．Hei，J．H．Song，C．M．Li，W．Z．Tang，G．C．Chen，F．X．Lu．High－rate homoepitaxial growth of CVD single crystal diamond by dc arc plasma jet at blow－down （open cycle）mode［J］．Diamond ＆ Related Materials 46（2014）42–51．

［20］ L．F．Hei，J．Liu，C．M．Li，J．H．Song，W．Z．Tang，F．X．Lu．Fabrication and Characterizations of Large Homoepitaxial Single Crystal Diamond Grown by DC Arc Plasma Jet CVD［J］．Diamond ＆ Related Materials，Diamond ＆ Related Materials 30（2012）77–84．

［21］ L．F．Hei，J．Liu，F．X．Lu，C．M．Li，G．C．Chen，J．H．Song．Effect of growth parameters on single crystal diamond deposition by dc arc plasma jet CVD ［J］．Advanced materials Rsearch，490－495（2012）3094－3099．

［22］ F．D．Weerdt，C．T．Collins．Determination of the C Defect Concentration in HPHT annealed Type IaA Diamonds from UV－VIS absorption Spectra［J］．Diamond ＆ Related Materials，Diamond ＆ Related Materials 17（2008）171–173．

［23］ 劉杰．直噴式 DC Arc Plasma Jet金剛石大單晶高速外延生長研究［D］．北京科技大學博士論文，2015．

［24］ 新型金剛石結構高能粒子探測器的合作研究，科技部國際合作項目，承擔單位：南京大學與北京科技大學，2014－2016．

［25］ 新型金剛石結構高能粒子探測器合作研究課題組與CERN前沖量能器項目組華裔成員學術交流［私人通訊］．2014，南京大學．

［26］ J．Turner．Upgrade Plans for ATLAS Forward Calorimetry for the HL－LHC［J］．Physics Procedia，2012，37：301－308．