微波等離子體化學(xué)氣相沉積制備金剛石厚膜的研究及應(yīng)用進(jìn)展

2022年8月12日，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）在《聯(lián)邦公報(bào)》上發(fā)布了一項(xiàng)臨時(shí)最終規(guī)定，規(guī)定中對(duì)4項(xiàng)“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”實(shí)施最新出口管制，其中包括了金剛石這類超寬禁帶半導(dǎo)體材料。這再次使得金剛石受到廣泛關(guān)注，吸引研究人員解決金剛石制備這項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)難題。

金剛石是由碳原子構(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)材料，原子之間由強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，排列非常致密，原子密度為1.77×10²³cm^-3 。金剛石的結(jié)構(gòu)決定了它優(yōu)異的物理性質(zhì)，如最高熱導(dǎo)率、最高硬度、最寬透過(guò)光譜、高光折射率、強(qiáng)色散、低熱膨脹系數(shù)和低介電損耗等，同時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性好，因此金剛石在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

獲得大尺寸和高質(zhì)量的金剛石材料是其應(yīng)用的基礎(chǔ)。歷經(jīng)多年的發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來(lái)，化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）設(shè)備及工藝獲得突破性進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)了單晶金剛石及高質(zhì)量多晶金剛石厚膜的制備。單晶金剛石生長(zhǎng)可通過(guò)同質(zhì)外延和異質(zhì)外延等2種方法實(shí)現(xiàn)。由于單晶金剛石襯底不易獲得，同質(zhì)外延制備的單晶金剛石尺寸有限，難以滿足工業(yè)應(yīng)用需求。為了實(shí)現(xiàn)金剛石大面積生長(zhǎng)，研究人員通過(guò)拼接法來(lái)增大單晶金剛石的尺寸，但拼接處難以避免存在大量多晶及缺陷；異質(zhì)外延可進(jìn)行金剛石大面積生長(zhǎng)，但缺點(diǎn)是應(yīng)力大、生長(zhǎng)層易脫落、厚膜生長(zhǎng)困難，需要更合適的襯底或過(guò)渡層材料。

隨著金剛石材料的廣泛應(yīng)用，對(duì)大面積金剛石的需求不斷增加。目前CVD單晶金剛石最大直徑約4in（ 1in=2.54cm ），由德國(guó)奧格斯堡大學(xué)使用 915MHz MPCVD裝置制備[2。相較于單晶金剛石，多晶金剛石可以實(shí)現(xiàn)更大直徑。目前主要的金剛石厚膜生長(zhǎng)方法有微波等離子體化學(xué)氣相沉積（microwaveplasmach-emicalvapordeposition，MPCVD）、熱絲化學(xué)氣相沉積（hot filament chemical vapor deposition，HFCVD）、直流電弧等離子體噴射CVD等[3]。HFCVD方法的優(yōu)點(diǎn)是易制備大面積、均勻的金剛石厚膜，缺點(diǎn)是結(jié)晶質(zhì)量差、存在污染；直流電弧等離子體噴射CVD方法的優(yōu)點(diǎn)是沉積速率快，缺點(diǎn)是易引人雜質(zhì)；而MPCVD方法是公認(rèn)的沉積高質(zhì)量金剛石厚膜的最佳技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)CVD金剛石厚膜在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)上的應(yīng)用，需要其在結(jié)晶質(zhì)量、光學(xué)透過(guò)率和熱導(dǎo)率等方面達(dá)到要求，同時(shí)滿足尺寸和強(qiáng)度（厚度）等要求。近年來(lái)，MPCVD技術(shù)在制備大尺寸、高質(zhì)量金剛石厚膜方面取得了很大進(jìn)展，下面對(duì)MPCVD制備金剛石厚膜的原理、設(shè)備、工藝及研究與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1MPCVD的方法原理、設(shè)備及工藝

1.1 MPCVD原理

BUNDY等[4利用高溫高壓（highpressurehightemperature，HPHT）法首次合成金剛石，然而HPHT合成的金剛石主要應(yīng)用于力學(xué)領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用受限，為此需要不斷探索新的方法。20世紀(jì)60年代，原子氫對(duì)石墨刻蝕作用的發(fā)現(xiàn)[5]，推動(dòng)了CVD制備金剛石技術(shù)的發(fā)展，衍生出HFCVD、MPCVD等方法。

目前CVD制備金剛石是利用激發(fā)源（如絲、等離子體等）將 CH₄ 和 H₂ 高度離化為碳、碳?xì)浠鶊F(tuán)和原子氫。碳、碳?xì)浠鶊F(tuán)擴(kuò)散并吸附在襯底表面進(jìn)行形核及生長(zhǎng)，形成石墨、非金剛石相碳和金剛石膜。原子氫對(duì)石墨和非金剛石碳相進(jìn)行刻蝕并在吸附和解吸過(guò)程中產(chǎn)生飽和金剛石的懸鍵，使金剛石膜更加穩(wěn)定。

如圖1所示，MPCVD以微波為激發(fā)源，在真空低壓下氣體被擊穿形成等離子體，使得通入的 H₂ 、 CH₄ 離解為高活性的基團(tuán)，從而在襯底上進(jìn)行擴(kuò)散、沉積形成金剛石膜

1.2 MPCVD設(shè)備

MPCVD設(shè)備介紹分為國(guó)外設(shè)備發(fā)展進(jìn)程和國(guó)內(nèi)設(shè)備發(fā)展進(jìn)程2個(gè)部分。MPCVD設(shè)備起源于日本，于20世紀(jì)七八十年代由日本科學(xué)家YoshihikoKuriyama和原日本電氣公司NipponElectricCompany（現(xiàn)為日立）的研究人員開發(fā)，之后德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和俄羅斯也相繼開始研發(fā)。MPCVD設(shè)備腔室的發(fā)展歷經(jīng)石英管式、石英鐘罩式、圓柱諧振腔式、環(huán)形天線式和橢球諧振腔式，功率從百瓦級(jí)提升到了數(shù)百千瓦級(jí)。MPCVD設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展是由以英國(guó)E6公司、美國(guó)密歇根州立大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所等為代表的國(guó)外公司及研究所開始的，功率逐漸增大，腔型也在逐漸改變。表1展示了早期2.45GHzMPCVD設(shè)備的發(fā)展，功率增大的同時(shí)，穩(wěn)定性不斷提高，腔室污染等問題也得到有效解決。

隨著金剛石膜沉積技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)微波源的不斷探索，更高功率的915MHzMPCVD設(shè)備逐漸發(fā)展起來(lái)。相比于2.45GHz，915MHz微波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此915MHzMPCVD設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更大功率，使得金剛石膜的沉積速率和質(zhì)量都有所提高，并且可制備更大尺寸的金剛石膜。表2列出了 915MHz 頻率主要的MPCVD裝置，功率的增大推動(dòng)了沉積面積的增大。

除上述典型設(shè)備外，俄羅斯科學(xué)院（RAS）應(yīng)用物理研究所還研發(fā)了一種可以產(chǎn)生毫米波的 30GHz/ 10kW 回旋管式MPCVD設(shè)備，并在硅襯底上沉積出了金剛石膜，但由于該設(shè)備昂貴且復(fù)雜，因此并未推廣使用[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子回旋共振MPCVD制備出的金剛石膜效果有限，因此更多地被應(yīng)用于刻蝕領(lǐng)域;微波等離子體射流增強(qiáng)CVD（microwaveplasma jetchemicalvapordeposition，MPJCVD）因?yàn)槲⒉ㄌ炀€材料污染問題，目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段；德國(guó)Rothamp;Rau公司研發(fā)的線形MPCVD設(shè)備，由于功率較低，更多用于低溫沉積和大面積納米金剛石膜的沉積[1o；德國(guó)IPLAS公司研制的IPLAS型MPCVD裝置，可實(shí)現(xiàn)直徑 100mm 的金剛石膜的沉積。目前，橢球諧振腔式MPCVD裝置作為相對(duì)成熟的 915MHz 設(shè)備，在功率和沉積面積上具有優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)CVD技術(shù)發(fā)展較晚，相較于直流電弧等離子體噴射CVD技術(shù)，我國(guó)的MPCVD技術(shù)發(fā)展更晚，在大功率MPCVD設(shè)備上與其他國(guó)家還有較大差距。國(guó)內(nèi)高校及科研機(jī)構(gòu)先后引進(jìn)國(guó)外的2.45GHzMPCVD裝置進(jìn)行多晶金剛石膜的研究，但受功率限制，其沉積速率較低。由于國(guó)內(nèi)對(duì)高質(zhì)量、大面積金剛石膜的迫切需求，我國(guó)的高校及科研單位（北京科技大學(xué)、太原理工大學(xué)、西南科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)等）開始了MPCVD裝置的研發(fā)。其中，北京科技大學(xué)在自制MPCVD設(shè)備上進(jìn)展突出，先后在2008年[1]和2014年研制出了頻率為 2.45GHz 的橢球諧振腔式及環(huán)形天線橢球諧振腔式MPCVD裝置，并使用該裝置沉積出了透過(guò)率 gt;70% 的光學(xué)級(jí)金剛石膜[13]。2015年，北京科技大學(xué)李義鋒研發(fā)出了 915MHz 高功率MPCVD裝置，其制備的多晶金剛石膜的品質(zhì)和透過(guò)率高[14]。2019年，河北省激光研究所通過(guò)自制的 915MHz/75kW 高功率MPCVD裝置相繼沉積出了高質(zhì)量的金剛石膜，大幅縮小了我國(guó)與國(guó)外在高功率MPCVD裝置制備高品質(zhì)多晶金剛石膜方面的差距[15]。2020年5月，西安電子科技大學(xué)蕪湖研究院郝躍團(tuán)隊(duì)自主研制的MPCVD設(shè)備成功通過(guò)驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)2＼～3in多晶金剛石散熱襯底的生長(zhǎng)[1]。

相較于高校及科研單位的研發(fā)進(jìn)展，科技公司在MPCVD設(shè)備方面的進(jìn)步也很迅速。例如，如深圳優(yōu)普萊等離子體技術(shù)有限公司的UP-510系列碟形腔式MPCVD設(shè)備，功率最高 10kW ，鉬基片臺(tái)直徑最大 150mm 成都紐曼和瑞微波技術(shù)有限公司的HMPS-9750SMP-CVD設(shè)備，功率達(dá) 75kW ，功率穩(wěn)定度 ±1% ，沉積直徑100mm ；上海鉑世光半導(dǎo)體科技有限公司的W-380A-10KMPCVD系統(tǒng)，采用 2.45GHz/10kW 的微波源，特殊鋁合金蝶形反應(yīng)腔，樣品臺(tái)尺寸 4in 。

綜上所述，金剛石膜的質(zhì)量、沉積面積和沉積速率與MPCVD設(shè)備功率相關(guān)，國(guó)內(nèi)外都在追求更高功率的設(shè)備，特別是國(guó)外的915MHzMPCVD設(shè)備發(fā)展較早，在設(shè)備研發(fā)技術(shù)上領(lǐng)先國(guó)內(nèi)，加上目前國(guó)際環(huán)境復(fù)雜，我國(guó)必須走上設(shè)備自制的道路。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外設(shè)備在功率上的差距逐漸縮小，但國(guó)內(nèi)設(shè)備性能不穩(wěn)定，無(wú)法穩(wěn)定生產(chǎn)大尺寸（ 100mm 以上）、高質(zhì)量的金剛石厚膜。與HFCVD不同，雖然MPCVD金剛石膜質(zhì)量高，但均勻性差。因此，相較于繼續(xù)追求功率的提升，提高設(shè)備穩(wěn)定性和解決生長(zhǎng)均勻性差的問題對(duì)制備高質(zhì)量、大面積金剛石厚膜更重要。金剛石被稱為第四代半導(dǎo)體材料，作為一種未來(lái)的戰(zhàn)略性材料，其重要性不言而喻。目前，我國(guó)與國(guó)外在制備工藝上的差距是次要的，其主要差距來(lái)源于設(shè)備。因此，在關(guān)注國(guó)內(nèi)金剛石膜應(yīng)用需求的同時(shí)，更應(yīng)關(guān)注國(guó)內(nèi)MPCVD設(shè)備的研發(fā)。

1.3MPCVD制備金剛石厚膜的工藝

為獲得高質(zhì)量大面積的金剛石厚膜，其制備工藝非常重要，每一步對(duì)晶體生長(zhǎng)的速率和質(zhì)量都有著非常大的影響。工藝要點(diǎn)主要包括以下5個(gè)方面。

（1）襯底材料的選擇。金剛石有著高脆性和低熱膨脹系數(shù)的特性，因此對(duì)金剛石膜沉積襯底材料的要求非?？量?，其需要承受金剛石生長(zhǎng)的高溫（一般為 700～1000^°C ），同時(shí)金剛石在襯底表面的附著性要好，襯底與金剛石的晶格匹配要高。目前普遍用作金剛石襯底的材料有硅、鉬、鎢、鈦、鉬、鎳等[17]。

（2）基片臺(tái)尺寸?；_(tái)尺寸影響著金剛石膜生長(zhǎng)時(shí)等離子體的密度及形態(tài)，合適的基片臺(tái)尺寸和結(jié)構(gòu)能夠使等離子體更加穩(wěn)定，溫度分布更加均勻[8]并在此基礎(chǔ)上提升功率，從而提高金剛石的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，隨著基片臺(tái)尺寸的增大，金剛石的沉積速率逐漸下降，生長(zhǎng)的均勻性也逐漸下降[19]。

（3）襯底預(yù)處理和輔助形核。在異質(zhì)外延生長(zhǎng)金剛石中，為了縮短金剛石沉積形核時(shí)間，往往會(huì)對(duì)金剛石襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，最常用的方法是用金剛石微粉在襯底表面進(jìn)行研磨處理或用金剛石微粉的懸浮液進(jìn)行超聲處理，其中金剛石微粉粒度及處理時(shí)間對(duì)金剛石的生長(zhǎng)也有影響[20]。目前普遍認(rèn)為預(yù)處理對(duì)金剛石生長(zhǎng)的影響包括：對(duì)襯底表面造成損傷，提供生長(zhǎng)所需的更高的自由能；在襯底上提供金剛石晶核，縮短形核時(shí)間；上述2種情況都發(fā)生。與異質(zhì)外延不同，同質(zhì)外延預(yù)處理采用一定比例的濃硫酸、濃硝酸混合液進(jìn)行表面處理，再使用乙醇、丙酮和去離子水進(jìn)行超聲清洗[2。目前輔助形核的方法有靜電播種、偏壓增強(qiáng)形核、化學(xué)成核、表面損傷成核、層間驅(qū)動(dòng)成核和混合技術(shù)等[22]

（4）沉積氣體成分和比例。控制 CH₄ 和 H₂ 的比例和流速在合理范圍內(nèi)，對(duì)金剛石生長(zhǎng)速率的提高有著很大的影響。TANG等[23]研究發(fā)現(xiàn)，隨著 CH₄ 濃度的增大，氣氛中碳?xì)浠鶊F(tuán)比例相應(yīng)增加，金剛石膜沉積速率加快，但隨著通入的 CH₄ 濃度繼續(xù)增大，會(huì)形成許多非金剛石石墨相，不利于金剛石的生長(zhǎng)。羅凱等[24]研究發(fā)現(xiàn)， H₂ 主要用于刻蝕生長(zhǎng)中產(chǎn)生的非金剛石相，但其濃度的增大也會(huì)減緩金剛石膜的生長(zhǎng)速率。研究者們?cè)谏L(zhǎng)氣氛中加入 N₂^[25-26] ，發(fā)現(xiàn)金剛石膜的生長(zhǎng)速率及質(zhì)量有了很大的提高，Ar的加人[19.27]對(duì)金剛石生長(zhǎng)的速率和沉積的均勻性都有著提升作用，微量（體積分?jǐn)?shù) lt;1% ） O₂^[7，28] 和 CO₂^129] 的加人能促進(jìn)非金剛石相的刻蝕，提升 CH₄ 的解離能力，使金剛石有著更高的生長(zhǎng)速率和結(jié)晶質(zhì)量。表3給出了不同沉積氣體對(duì)MPCVD金剛石膜的影響。

（5）微波功率對(duì)襯底溫度及等離子形態(tài)的影響。隨著微波功率增大，能量密度變大，溫度也會(huì)相應(yīng)提高，等離子體密度增大，促進(jìn)氣體源的解離，提高粒子活性，進(jìn)而提高沉積速率。CHEIN等[2通過(guò)增大功率，在鉬襯底上實(shí)現(xiàn)了高速率（ 30μm/h ）的金剛石膜生長(zhǎng)；BOLSHAKOV等[在高功率密度下，在PCD基板上實(shí)現(xiàn)了 的金剛石膜的沉積；HEMAWAN等[3]通過(guò)改變腔型結(jié)構(gòu)，在高功率下實(shí)現(xiàn)了良好質(zhì)量的金剛石生長(zhǎng)；張青等22證實(shí)高功率能夠有效激活反應(yīng)基團(tuán)，提高金剛石的生長(zhǎng)速率。因此，微波功率在一定程度上與金剛石膜的沉積速率和質(zhì)量有關(guān)，但影響因素并不單一，而是由諸多因素相互耦合（如氣壓，等離子體能量、狀態(tài)和溫度均勻性等）。

2國(guó)內(nèi)外MPCVD制備金剛石膜的研究進(jìn)展

金剛石膜沉積的研究，始終圍繞著大面積、高質(zhì)量、高速率進(jìn)行。近幾年國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)對(duì)設(shè)備、襯底支架、工藝的改進(jìn)，使金剛石膜的相關(guān)研究進(jìn)一步發(fā)展。

2.1 國(guó)外的發(fā)展

MPCVD制備的金剛石膜質(zhì)量高、可控性好，一直倍受人們青睞，為彌補(bǔ)其沉積速率低的不足，研究人員不斷增大裝置的輸人功率，以此提升沉積速率。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，裝置功率從最初的幾百瓦發(fā)展到現(xiàn)在的接近 100kW ，金剛石膜的沉積面積、沉積速率和質(zhì)量均有了很大的提升。

1983年，KAMO等[31]使用石英管式MPCVD裝置制備金剛石膜，標(biāo)志著人們開始探索沉積速率和沉積面積的提升。圖2a所示為俄羅斯科學(xué)院RALCHENKO等[32]使用 2.45GHz UPSA-100反應(yīng)器在AIN陶瓷襯底上生長(zhǎng)出的直徑為 18mm 的金剛石膜；圖2b所示為俄羅斯科學(xué)院VIKHAREV等制備的厚度為 0.6mm 、直徑為75mm 的金剛石膜，該膜在直徑和厚度上都有提升；2018年，VIKHAREV等[33]又通過(guò)改造設(shè)備在 2.45GHz 三軸對(duì)稱模式圓柱腔內(nèi)硅基板上生長(zhǎng)出直徑為 80mm 金剛石膜。近幾年來(lái)，俄羅斯科學(xué)院通過(guò)控制氣體成分、提高功率和改變襯底支架，使金剛石膜制備的速率、面積、均勻性都有了明顯提升，單晶生長(zhǎng)速率達(dá)到了45μm/h^[19] 。2022年，韓國(guó)聚變能源研究所HONG等[34]提出了一種增大金剛石膜尺寸的新方法，通過(guò)裝置改進(jìn)，采用3個(gè)等離子體源的組合在寬度為 70mm 的硅片上制備出了厚度均勻性為 ±6.25% 的金剛石膜，為進(jìn)一步制備大面積的金剛石厚膜提供了可行性思路。為拓展金剛石膜的應(yīng)用，有研究者探索如何讓金剛石具有一定的三維形狀，2021年皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）工程學(xué)院RIFAI等[35在三維襯底上制備出了金剛石膜，如圖2c所示。

在2.45GHzMPCVD裝置發(fā)展的同時(shí)， 915MHz MPCVD裝置的出現(xiàn)推動(dòng)了設(shè)備功率進(jìn)一步提高，使制備更大尺寸的金剛石厚膜成為可能。圖2d所示為1999年德國(guó)Fraunhofer研究所FUNER等[3使用自制915MHzMPCVD裝置沉積出的直徑 150mm 的金剛石膜。在此之后，英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯的相關(guān)公司及研究機(jī)構(gòu)相繼宣布使用該類型設(shè)備生長(zhǎng)出了金剛石膜。2017年德國(guó)奧格斯堡大學(xué)SCHRECK等[2使用該類裝置沉積出了當(dāng)時(shí)世界上最大的單晶金剛石，如圖2e所示。

單晶金剛石的大面積生長(zhǎng)是當(dāng)下需要突破的方向之一。馬賽克生長(zhǎng)法（也稱為拼接法或平鋪克隆法）是同質(zhì)外延生長(zhǎng)單晶金剛石方法中可有效增加單晶金剛石面積的方法。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）YAMADA等[3采用該方法制備單晶金剛石，2012年制備得到1in的單晶金剛石，2013年制備得到 20mm× 22mm 的單晶金剛石（圖2f）[38]，2014年制備得到2in單晶金剛石[39。異質(zhì)外延被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)單晶金剛石擴(kuò)大尺寸的有效方法，近年來(lái)相繼取得突破，其中日本Orbray采用藍(lán)寶石為襯底、銥作為過(guò)渡層生長(zhǎng)單晶金剛石，成功制備出了2in的晶圓[40]。圖2g所示為美國(guó)DiamondFoundry公司在2023年制備的直徑 100mm 、質(zhì)量110克拉的單晶金剛石晶圓[41]。

2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)關(guān)于MPCVD制備金剛石的研究發(fā)展較晚，經(jīng)過(guò)不斷的研究和發(fā)展，國(guó)內(nèi)基本跟上了國(guó)外的步伐，但在質(zhì)量和商用上仍有差距。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)注重諧振腔的設(shè)計(jì)，以尋求大尺寸商用金剛石的發(fā)展。

2011—2014年，北京科技大學(xué)報(bào)道了自行設(shè)計(jì)的諧振腔（ TM₀₂₁ 模式腔式、圓柱形和橢圓形結(jié)合腔型、環(huán)形石英窗、圓頂形諧振腔）MPCVD裝置進(jìn)行金剛石的沉積[42-44]，其制備出的金剛石膜的質(zhì)量都較高，如圖3a所示；2017年和2019年，北京科技大學(xué)與河北省激光研究所合作使用自制的圓柱形腔式 915MHz/ 75kWMPCVD 制備出大面積高質(zhì)量的金剛石膜，其紅外透過(guò)率超過(guò) 70%^[15，45] ，如圖3b所示；2022年，他們還報(bào)道了一種新的襯底邊緣懸空的沉積方式，制備出了直徑 100mm 且均勻的金剛石膜[4。2012—2013年，太原理工大學(xué)制備出了紅外透過(guò)率達(dá) 70% 的金剛石膜[47-48]；2016年制備出的金剛石膜可見光透射率約為 69% ，紅外透過(guò)率接近 71.4%^[49] ，如圖3c所示。2018年，寧波材料所使用自制的周向同軸模式圓柱腔制備出了高質(zhì)量、高純度的金剛石膜[50；2020年制備出了面積較大的金剛石自支撐膜，其平均透過(guò)率達(dá)到 56.8%^[51] ，如圖3d所示。2019年，鄭州大學(xué)物理學(xué)院研制出了2in光學(xué)級(jí)金剛石晶體，在可見光、中遠(yuǎn)紅外區(qū)均表現(xiàn)出良好的透過(guò)率（約 70% ）[52]，如圖3e所示。

除腔型設(shè)計(jì)外，近年來(lái)，以武漢工程大學(xué)為代表的國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)注重探究和改善制備中的工藝參數(shù)（加入輔助氣體、控制氣體流量、溫度、功率、基片臺(tái)結(jié)構(gòu)、二次形核等），以提高金剛石膜的質(zhì)量和沉積速率[53-58]。由于單晶金剛石近幾年在電子器件上的應(yīng)用需求不斷增多，武漢大學(xué)[59、華中科技大學(xué)[、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[61]等高校開展了單晶金剛石的研究工作，為我國(guó)生長(zhǎng)高質(zhì)量、大尺寸和高速率的單晶金剛石及應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

3金剛石的應(yīng)用進(jìn)展

金剛石具有高的折射率和強(qiáng)的色散性，且在熱性能、機(jī)械性能和光學(xué)性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異。MPCVD方法制備的高品質(zhì)多晶金剛石膜在許多性能上與天然Ⅱa型金剛石接近。

3.1 光學(xué)窗口應(yīng)用

目前制備得到的金剛石光學(xué)窗口已在醫(yī)學(xué)、航天航空、軍事等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。如表4所示，根據(jù)需求不同，金剛石可以應(yīng)用于不同的光學(xué)窗口元件中。由于人工生長(zhǎng)的金剛石膜很難達(dá)到較高的紅外透過(guò)率，人們往往在其表面鍍上 Y₂O₃^[62] ， V₂O₅ YbF₃^[63] 和 ZnS^[64] 以增強(qiáng)金剛石的透過(guò)性，還有的研究者通過(guò)刻蝕出蛾眼等微結(jié)構(gòu)提升透過(guò)率[5]。因?yàn)榻饎偸臒釋?dǎo)率最高，所以單晶金剛石可用來(lái)作為激光器的晶體材料，使激光器擁有更高的輸出功率和更大的損傷閾值。目前，使用金剛石晶體實(shí)現(xiàn)了一階、二階拉曼轉(zhuǎn)換，得到了穩(wěn)定單模輸出的金剛石拉曼激光器；金剛石類的布里淵激光器，成功產(chǎn)生了布里淵激光[]。

英國(guó)E6公司是MPCVD金剛石行業(yè)著名的制備和應(yīng)用公司。截至目前，E6公司生產(chǎn)的金剛石膜已成功地應(yīng)用于商業(yè)和軍事上，其性能接近于單晶金剛石。圖4所示為E6公司使用MPCVD制備的金剛石光學(xué)窗□，其具有從 220nm 到 gt;50μm 的透射光譜，透過(guò)率和熱導(dǎo)率都很高，現(xiàn)已用于導(dǎo)彈窗口、大功率激光器窗口等。同時(shí)，E6公司仍在進(jìn)一步開發(fā)金剛石在航空航天、軍事、激光器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)制備出的金剛石雖然已經(jīng)能夠滿足激光、紅外、微波窗口的應(yīng)用需求，但與國(guó)外的先進(jìn)水平還有一定的差距，尤其是商用的金剛石膜。

3.2 寶石級(jí)應(yīng)用一 一鉆石

人造金剛石在寶石級(jí)上的應(yīng)用，即培育鉆石?！?021年中國(guó)培育鉆石行業(yè)分析報(bào)告一—行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析》的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年培育鉆石產(chǎn)量占據(jù)全球總產(chǎn)量的 50% 以上[，超過(guò)300萬(wàn)克拉，其中河南培育鉆石年產(chǎn)量占我國(guó)總產(chǎn)量的 70% 以上，素有“全球培育鉆石看中國(guó)，中國(guó)培育鉆石看河南”之稱。隨著MPCVD技術(shù)的進(jìn)步，培育鉆石無(wú)論在形狀還是色澤上均能達(dá)到與天然鉆石無(wú)異的水平，甚至在品質(zhì)上有過(guò)之而無(wú)不及，且價(jià)格只有天然鉆石的1/10，因此人造金剛石在寶石行業(yè)的應(yīng)用因價(jià)格和品質(zhì)而備受青睞。目前，國(guó)內(nèi)主要的培育鉆石公司有中南鉆石、黃河旋風(fēng)、鄭州華晶和力量鉆石等，其中中南鉆石毛鉆最大質(zhì)量為62克拉[7。2023年5月8日，中國(guó)超硬材料網(wǎng)報(bào)道了GIA香港實(shí)驗(yàn)室鑒定的34.59克拉CVD培育鉆石（如圖5所示），這是截至目前該實(shí)驗(yàn)室鑒定過(guò)最大的CVD培育鉆石，也是迄今為止全球單顆克拉質(zhì)量最大的CVD培育鉆石，超過(guò)IGI國(guó)際寶石研究院上海實(shí)驗(yàn)室鑒定的32.22克拉。該顆培育鉆石由EtherealGreenDiamond公司生產(chǎn)，經(jīng)鑒定為VS2凈度G色等級(jí)[7]。隨著培育鉆石技術(shù)的成熟，天然鉆石市場(chǎng)將受到很大沖擊，價(jià)格或?qū)⒚媾R大跳水，鉆石走向大眾化，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)“鉆石自由”。

3.3熱管理應(yīng)用

工作溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的影響很大，溫度每升高10% ，半導(dǎo)體器件的可靠性將降低 50% ，因此半導(dǎo)體器件（如芯片）的散熱性能至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體功率器件通常采用 c_u 作為熱沉，有絕緣要求的器件需要采用BeO和AIN陶瓷絕緣片。BeO和AIN的熱導(dǎo)率約為Cu的1/2，僅有 200～300W/（m?K） ，因此尋找合適的替代品是當(dāng)務(wù)之急。金剛石材料的熱導(dǎo)率是自然界中最高的，Cu和Ag僅有它的1/5左右，是最理想的半導(dǎo)體功率器件散熱材料。英國(guó)E6公司已成功地將金剛石熱沉片實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，能夠提供多種導(dǎo)熱系數(shù)的散熱片，如圖6所示。除此以外，其多晶金剛石膜熱導(dǎo)率接近 2200W/（m?K）^[72] ，做到了與單晶金剛石熱導(dǎo)率相近。

目前，人們致力于將金剛石與氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、LED結(jié)合起來(lái)，以提高這些材料的散熱能力。金剛石的散熱方式主要有2種：大面積式的集中散熱和單元式的點(diǎn)散熱。在關(guān)于點(diǎn)散熱的研究中，GaN器件上應(yīng)用金剛石散熱是當(dāng)前研究最多的。界面熱阻問題是金剛石應(yīng)用于GaN器件散熱的研究難題，有研究者在金剛石與GaN之間加SiN充當(dāng)中間過(guò)渡保護(hù)層，在GaN上外延生長(zhǎng)金剛石散熱層[3；研究發(fā)現(xiàn)，帶有勢(shì)壘層的超薄SiN對(duì)GaN基HEMT器件的散熱效果有提升[4；在GaN晶片和金剛石晶片表面沉積Mo/Au雙晶層，可有效平衡GaN和金剛石之間的熱膨脹系數(shù)[75]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，金剛石/GaN界面的邊界熱阻可以通過(guò)鍵合工藝和減小GaN層厚度來(lái)促進(jìn)熱擴(kuò)散[。LED的散熱也屬于點(diǎn)散熱式，通過(guò)將PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量傳遞到金剛石薄膜來(lái)提升LED散熱能力。

GaN與金剛石的結(jié)合是解決GaN器件散熱的熱點(diǎn)問題，目前有3種經(jīng)典結(jié)合方法：GaN與金剛石界面進(jìn)行鍵合、GaN上外延生長(zhǎng)金剛石、金剛石上外延生長(zhǎng)GaN[7]。FRANCIS等[8采用中間過(guò)渡層的方式實(shí)現(xiàn)鍵合，并應(yīng)用于 85GHz 的器件中。DELMAS等[79和CHENG等[8通過(guò)Ti/Au過(guò)渡層實(shí)現(xiàn)室溫壓縮鍵合，鍵合界面展現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性能和低應(yīng)力；通過(guò)表面活化鍵合（surface activatedbonding，SAB）可以提升2～5倍功率密度。山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院HU等[]在金剛石和SiC復(fù)合襯底制備GaN器件，為GaN與金剛石的結(jié)合提供了新思路。大功率激光器、微波組件、相控陣TR組件等主要是集中式散熱，通常采用大尺寸的高質(zhì)量金剛石自支撐膜與組件進(jìn)行加工復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)直接接觸散熱。目前金剛石在集中式的大面積散熱應(yīng)用中已經(jīng)比較成熟。

3.4半導(dǎo)體器件應(yīng)用

金剛石在 227nm 至微波波段可透（除在 3～5μm 處存在本征吸收）[3]。金剛石優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)等特性，使其在半導(dǎo)體器件和探測(cè)器上得到應(yīng)用。例如，在紫外探測(cè)器方面，CVD金剛石成功應(yīng)用于準(zhǔn)分子激光、DNA探測(cè)、星體觀測(cè)、半導(dǎo)體制造等；在粒子輻射探測(cè)器方面，MSM單元探測(cè)器和微條陣列探測(cè)器主要用于對(duì)電子、中子、重離子、 α_a 粒子、低能質(zhì)子、光子等帶電粒子的響應(yīng)，由于金剛石探測(cè)器對(duì)中子束流監(jiān)測(cè)的良好表現(xiàn)，金剛石被應(yīng)用于中子監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[82；單晶金剛石應(yīng)用于高能粒子探測(cè)裝置[2]，如圖7所示。2020年，GUO等[83]用單晶金剛石研制的 α_a 粒子探測(cè)器，其空穴遷移率-壽命乘積是目前世界上最高的，為 5×10^-3cm²/V 同時(shí)，金剛石探測(cè)器有望在高能物理實(shí)驗(yàn)裝置、核輻射探測(cè)器、外太空帶電粒子的測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)等方面上應(yīng)用。

金剛石擁有最大的電子遷移率（ 4500cm²/（V?s） ），5.47eV 的禁帶寬度3，因此被稱為第四代半導(dǎo)體材料。金剛石在半導(dǎo)體上的應(yīng)用是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。金剛石半導(dǎo)體首先要解決摻雜難題，硼摻雜的p型半導(dǎo)體目前較為成熟，n型摻雜相對(duì)困難。目前的研究中，n型摻雜大多集中在N、P、O和S摻雜，摻雜得到的金剛石質(zhì)量不高，其性能無(wú)法滿足需求，從而導(dǎo)致金剛石同質(zhì)結(jié)的二極管難以形成，因此金剛石的n型摻雜仍是當(dāng)前最直接的問題。

目前報(bào)道較多的是異質(zhì)結(jié)肖特基二極管，如圖8所示。金剛石同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)都能應(yīng)用于LED及激光二極管。金剛石二極管的研究熱點(diǎn)主要集中在肖特基二極管，其擁有高的擊穿電壓和低的導(dǎo)通電阻，能夠在高溫下正常工作。西安交通大學(xué)李成明等8致力于研究垂直型金剛石肖特基二極管85]（金屬-本征層-p型垂直金剛石二極管、垂直型金剛石二極管）和橫向型肖特基二極管。除了以上2種，還有準(zhǔn)垂直型金剛石二極管。2022年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào)道了采用選擇性生長(zhǎng)法制備的準(zhǔn)垂直型金剛石肖特基二極管，其擁有良好的高溫性能，為金剛石邏輯電路在高溫下的可行性提供了依據(jù)。因此，金剛石肖特基二極管可以應(yīng)用在特殊環(huán)境下的大功率開關(guān)中[

金剛石在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中也有應(yīng)用，主要是氧終端和氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管。目前，氧終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管面臨的主要問題還是摻雜難度大和載流子被限制在摻雜區(qū)域。氧終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管制成的橫向常開器件，擁有 4MV/cm 的擊穿場(chǎng)[88；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的LIU等[8制備的酮鍵（ C=O ）形式懸浮的氧終端Ⅱa型，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶底 3.23eV 位置，與Au之間的肖特基勢(shì)壘高度為 3.15eV 。氫終端的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，因此對(duì)氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究較多，應(yīng)用于氫終端的金剛石通常具有很高的空穴遷移率，這類晶體管在電流密度和高頻上表現(xiàn)出很高的晶體管性能9，根據(jù)其性能特點(diǎn)，氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管有望應(yīng)用在高功率射頻放大器和GaN/GaAs結(jié)合的互補(bǔ)電路中。

3.5 量子計(jì)算應(yīng)用

由于金剛石存在氮空位（NV）中心，基于金剛石的量子計(jì)算也是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。金剛石NV色心在量子寄存、量子傳感器、量子加速器、精密測(cè)量、生物標(biāo)記、單細(xì)胞尺度的溫度測(cè)量和成像等方面取得的進(jìn)步，為金剛石在光耦合量子信息系統(tǒng)、超微細(xì)極端環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間探測(cè)、集成光電子器件等量子領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在國(guó)內(nèi)，金剛石在量子領(lǐng)域的應(yīng)用在量子操作方面取得了一些成果，電子自旋單次讀出保真度 gt;95%^[91] ；金剛石在納米級(jí)核磁共振（nuclear mag-netic resonance，NMR）和電子自旋共振（electronspinresonance，ESR）技術(shù)上得到了應(yīng)用[2；2019年，我國(guó)發(fā)布了全球第一款金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)[93]。在國(guó)外，2022年日本Adamant并木精密寶石與佐賀大學(xué)對(duì)外宣布量產(chǎn)金剛石厚膜用于量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)[]。我國(guó)在生長(zhǎng)高質(zhì)量金剛石厚膜方面與國(guó)外還有一定的差距，在器件的封裝及半導(dǎo)體的制造方面存在不足。

3.6 光電器件應(yīng)用

金剛石的高熱導(dǎo)率可以解決光電器件散熱性能不佳引發(fā)的功率下降問題；強(qiáng)抗輻射性、高擊穿電場(chǎng)、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可以有效提升光電器件的性能穩(wěn)定性和使用壽命；高載流子遷移率保障了光電器件的高響應(yīng)速率。以上金剛石材料的獨(dú)特性能，使其在光電器件應(yīng)用中受到關(guān)注。以金剛石在光電探測(cè)器的應(yīng)用為例，河南金剛石光電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室單崇新團(tuán)隊(duì)研發(fā)的日盲成像探測(cè)器（圖9）采用2in多晶金剛石晶圓，在光源照射下，相比于黑暗條件下電流增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)，且在 228nm 波長(zhǎng)響應(yīng)率為 45mA/W 響應(yīng)時(shí)間 lt;20s^[95-96] 。該研究結(jié)果表明，金剛石應(yīng)用于光電器件具有可行性。目前限制其進(jìn)一步發(fā)展的原因在于單晶金剛石的尺寸限制了檢測(cè)面積和像素?cái)?shù)量，因此人們更多關(guān)注多晶金剛石，多晶金剛石的優(yōu)點(diǎn)是尺寸大，缺點(diǎn)是質(zhì)量有待提高。

4總結(jié)與展望

金剛石是當(dāng)今世界最值得關(guān)注和研究的材料之一，CVD金剛石歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，目前制備工藝已趨于成熟，設(shè)備也在不斷更迭中發(fā)展優(yōu)化。其中，MPCVD設(shè)備發(fā)展較快，其能量來(lái)源于等離子體，能量密度高且無(wú)污染，因此使用MPCVD制備的金剛石膜是迄今為止CVD金剛石中公認(rèn)質(zhì)量最好的，這也是MP-CVD設(shè)備成為制備高質(zhì)量金剛石膜主流設(shè)備的原因。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的不斷探索和研發(fā)，我國(guó)自制的 2.45GHz 和915MHzMPCVD設(shè)備與國(guó)外的差距正逐漸減小，但在功率的提升、設(shè)備的穩(wěn)定性和腔體的設(shè)計(jì)方面仍需要發(fā)展。

MPCVD制備的金剛石厚膜最有希望應(yīng)用在各個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域（光學(xué)、熱沉、電子）。雖然MPCVD制備的金剛石厚膜已有部分應(yīng)用，但其在生長(zhǎng)速率、大尺寸和均勻性上依然存在提升空間。未來(lái)仍需要加強(qiáng)研究，無(wú)論是從設(shè)備的改進(jìn)還是生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化及創(chuàng)新（氣氛、功率、襯底等），均需要以實(shí)現(xiàn)高生長(zhǎng)速率、高質(zhì)量和低成本為目標(biāo)，致力于滿足商業(yè)化金剛石厚膜的制備需求，從而推動(dòng)金剛石厚膜在熱沉及光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

單晶金剛石在性能上優(yōu)于多晶金剛石，隨著異質(zhì)外延大尺寸單晶金剛石的出現(xiàn)，人們對(duì)金剛石應(yīng)用在只有更多領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣。但只有在技術(shù)上取得突破，同時(shí)降低成本，才能打破現(xiàn)有的應(yīng)用瓶頸，同時(shí)寶石級(jí)金剛石（鉆石）的生長(zhǎng)也能得到更好的發(fā)展。

金剛石厚膜摻雜技術(shù)仍需繼續(xù)發(fā)展，目前限制其應(yīng)用的關(guān)鍵是高質(zhì)量、高載流子濃度、低電阻率的n型摻雜金剛石厚膜的制備存在困難。對(duì)此，需要不斷摸索出更好的摻雜工藝，一旦金剛石的摻雜工藝被突破，將極大地促進(jìn)半導(dǎo)體的發(fā)展。在金剛石量子計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用方面，我國(guó)處于世界領(lǐng)先水平。隨著高質(zhì)量金剛石膜制備難題的解決，金剛石在量子領(lǐng)域的應(yīng)用有望更進(jìn)一步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林曉棋，滿衛(wèi)東，張瑋，等.MPCVD法合成大單晶金剛石的研究進(jìn) 展[J].硬質(zhì)合金，2013，30（5）：288-296. LINXiaoqi，MANWeidong，ZHANGWei，etal.Research progresson synthesisoflarge-scalesinglecrystal diamondbyMPCVD[J].Cemented Carbide，2013，30（5）：288-296.

[2] SCHRECKM，GSELLS，BRESCIAR，etal.Ionbombardmentinduced buriedlateral growth：Thekey mechanism for the synthesis of single crystal diamondwafers[J].ScientificReports，2017，7： 44462.

[3] 呂反修.金剛石膜制備與應(yīng)用：下卷[M].北京：科學(xué)出版社，2014. LYUFanxiu.Preparation and application of diamond film：Volume 2 [M].Beijing：Science Press，2014.

[4] BUNDYFP，HALLHT，STRONGHM，etal.Man-made diamonds[J]. Nature，1955，176（4471）：51-55.

[5] ANGUSJC，WILLHA，STANKO WS.Growthofdiamond seed crystalsby vapor deposition[J].JournalofAppliedPhysics，1968，39（6）： 2915-2922.

[6] GORDON MH，DUTEN X，HASSOUNI K，et al.Energy coupling efficiencyofa hydrogen microwave plasma reactor[J].Journal of AppliedPhysics，2001，89（3）：1544-1549.

[7] VIKHAREV A L，GORBACHEV A M，KOZLOV A V，etal. Microcrystaline diamond growth in presenceof argonin millimeterwave plasma-assisted CVD reactor [J].Diamond and Related Materials， 2008，17（7/8/9/10）： 1055-1061.

[8] YAMAMOTOM，TERAJIT， ITO T.Improvement inthe crystallie quality of homoepitaxial diamond films by oxygen plasma etching of mirror-polished diamond substrates [J].Journal of Crystal Growth，2005， 285（1/2）： 130-136.

[9]LINCR，LIAO WH， WEI D H，et al.Fabrication of highly transparent ultrananocrystaline diamond films from focused microwave plasma jets [J].Surface andCoatings Technology，2013，231： 594-598.

[10]FENDRYCHF，TAYLOR A，PEKSA L，et al.GroWth and characterization of nanodiamond layersprepared using theplasmaenhanced linear antennas microwave CVD system [J]. Jourmal of Physics D： Applied Physics，2010，43（37）： 374018.

[11］劉金龍，安康，陳良賢，等.CVD金剛石自支撐膜的研究進(jìn)展[J].表面 技術(shù)，2018，47（4）： 1-10. LIU Jinlong， AN Kang， CHENLiangxian， et al. Research progressoffreestanding CVD diamond films [J]. Surface Technology，2018，47（4）：1-10.

[12]ASKARI S J， CHEN G C， LU F X. Growth of polycrystalline and nanocrystallne diamond films on pure titanium by microwave plasma assisted CVDprocess [J].Materials ResearchBulletin，2008，43（5）：1086- 1092.

[13]SUJJ，LI YF，LIX L，et al. A novel microwave plasma reactor with a unique structure for chemical vapor deposition of diamond films[J]. Diamond andRelated Materials，2014，42：28-32.

[14］李義鋒.新型高功率MPCVD 裝置研制與金剛石膜高效沉積[D].北 京：北京科技大學(xué)，2015. LI Yifeng.Development of a new high power MPCVD device and efficient deposition of diamond films [D]. Beijing： University of Science and Technology Beijing，2015.

[15］李義鋒，唐偉忠，姜龍，等.915MHz高功率MPCVD裝置制備大面積 高品質(zhì)金剛石膜[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2019，48（7）：1262-1267. LI Yifeng，TANG Weizhong，JIANG Long， et al.Large area high quality diamond films deposition by915MHz high power MPCVD reactor [J]. Journal of Synthetic Crystals，2019，48（7）： 1262-1267.

[16］佚名.微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)簡(jiǎn)介及研發(fā)進(jìn)展[EB/OL]. （2020-07-10）[2023-07-13].htp：//www.xdwh-inst.com/display/349355.ht ml. Anonymous.Introduction and development progress of microwave plasma chemical vapor deposition system[EB/OL]. （2020-07-10）[2023- 07-13]. htp：//www.xdwh-inst.com/display/349355.html.

[17]SHIH H C，SUNG C P，TANG Y S，et al.Microstructure and characterization of diamond film grown on various substrates [J]. Surface and Coatings Technology，1992，52（2）： 105-114.

[18]SEDOVV，MARTYANOVA，ALTAKHOVA，et al.Effect of substrate holder design on stress and uniformity of large-area polycrystalline diamond films grown by microwave plasma-assisted CVD [J]. Coatings， 2020，10（10）： 939.

[19]BOLSHAKOV A P， RALCHENKO V G， YUROV V Y， et al. Enhanced deposition rate of polycrystalline CVD diamondat high microwave power densities[J]. Diamond and Related Materials，2019，97：107466.

[20]MITSUDA Y，KOJIMA Y，YOSHIDA T，et al.The growth of diamond in microwave plasma underlow pressre[J]. Journal of Materials Science，1987，22（5）：1557-1562.

[21］張青，翁俊，劉繁，等.高功率微波等離子體對(duì)單晶金剛石同質(zhì)外延生 長(zhǎng)的影響[J].表面技術(shù)，2022，51（6）：364-373，398. ZHANG Qing，WENG Jun，LIU Fan，etal.Efctof high microwave power plasma on the homogeneous epitaxy growth of single crystal diamond [J].Surface Technology，2022，51（6）：364-373，398.

[22]MANDAL S. Nucleation of diamond films on heterogeneous substrates： A review[J].RSC Advances，2021，11（17）：10159-10182.

[23]TANG CJ，F(xiàn)ERNANDESAJS，JIANGXF，etal.Effect of methane concentrationin hydrogen plasma on hydrogenimpurity incorporation in thick large-grained polycrystalline diamond films[J].Jounal ofCrystal Growth，2015，426：221-227.

[24］羅凱，汪建華，余軍火，等.高功率微波等離子體環(huán)境下甲烷濃度對(duì)金 剛石膜的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2018，69（S2）：505-511. LUO Kai，WANG Jianhua，YU Junhuo，et al. Effect of methane concentration on diamond film in high power microwave plasma environment [J]. CIESC Journal，2018，69（S2）： 505-511.

[25]MULLER-SEBERT W， WORNER E，F(xiàn)UCHS F， et al. Nitrogen induced increaseof growth rate inchemical vapor deposition of diamond[J]. Applied Physics Letters，1996，68（6）： 759-760.

[26]SEDOV V， MARTYANOV A， SAVIN S， et al. CVD synthesis of multilayered polycrystalline diamond films with reduced roughness using timelimited injections of N₂ gas [J].Diamond and Related Materials，2021， 114： 108333.

[27］王蒙，翁俊，劉繁，等.氬氣對(duì)高功率MPCVD制備金剛石膜的影 響[J].化學(xué)工程與裝備，2021（10）：5-6. WANG Meng，WENG Jun，LIU Fan， et al. Effect of argon on diamond filmsprepared by high power MPCVD[J]. Chemical Engineering amp; Equipment，2021（10）： 5-6.

[28]CHEIN T H， WEI J， TZENG Y. Synthesis of diamond in high powerdensitymicrowave methane/hydrogen/oxygen plasmas at elevated substrate temperatures [J]. Diamond and Related Materials，1999，8（8/9）： 1686-1696.

[29]ANDO Y，YOKOTA Y，TACHIBANA T，et al. Large area deposition of lt;100gt;-textured diamond films by a 60-kW microwave plasma CVD reactor[J].DiamondandRelatedMaterials，2002，11（3/4/5/6）：596-600.

[30]HEMAWANK W，GROTJOHNTA，REINHARD D K，et al. Improved microwave plasma cavity reactor for diamond synthesis at high-pressure and high power density[J].Diamond andRelated Materials，20lo，19（12）： 1446-1452.

[31]KAMO M， SATO Y， MATSUMOTO S， et al. Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma [J]. Journal of Crystal Growth，1983， 62（3）： 642-644.

[32]RALCHENKO V G， SAVELIEV A V， POPOVICH A F， et al. CVD diamond coating of AlN ceramic substrates to enhance heat removal [J]. Russian Microelectronics，2006，35（4）： 205-209.

[33]VIKHAREV A L，GORBACHEV A M， LOBAEV M A，et al. Multimode cavity type MPACVD reactor for large area diamond film deposition [J]. Diamond and Related Materials，2018，83： 8-14.

[34]HONG S P，LEE K I， YOU HJ， et al. Scanning deposition method for large-area diamond film synthesis using multiple microwave plasma sources[J].Nanomaterials，2022，12（12）：1959.

[35]RIFAI A， CREEDON D， TRAN N， et al. Highly uniform polycrystalline diamond coatings of three-dimensional structures [J].Surface and Coatings Technology，2021，408：126815.

[36]FUNER M， WILD C，KOIDL P. Simulation and development of optimized microwave plasma reactors for diamond deposition [J]. Surface and Coatings Technology，1999，116： 853-862.

[37]YAMADA H， CHAYAHARA A， UMEZAWA H， et al. Fabrication and fundamental characterizations of tiled clones of single-crystal diamond withl-inch size[J].DiamondandRelated Materials，2012，24：29-33.

[38]YAMADA H， CHAYAHARA A， MOKUNO Y，et al. Uniform growth andrepeatable fabrication of inch-sized wafersof asingle-crystal diamond[J].DiamondandRelatedMaterials，2013，33：27-31.

[39]YAMADA H， CHAYAHARA A，MOKUNO Y， et al. A 2-in. mosaic wafer made of a single-crystal diamond [J].Applied Physics Letters，14， 104（10）： 102110.

[40]佚名.金剛石半導(dǎo)體越來(lái)越近[EB/OL].（2022-04-04）[2024-04-15]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1762216523971146798amp;wfr=spideramp;f o1=pc. Anonymous. Diamond semiconductors are geting closer and closer [EB/OL]. （2022-04-04）[2024-04-15].https：//baijiahao.baidu.com/s？id= 1762216523971146798amp;wfr=spideramp;for-pc.

［41］DT半導(dǎo)體材料.全球首個(gè)！ 100mm 的金剛石晶圓面世[EB/OL]. （2023-1-08）[2024-04-16].https：//www.eet-china.com/mp/a264952.html DT semiconductor material.World's first diamond wafer[EB/OL].（2023- 1-08）[2024-04-16]. https：//www.eet-china.com/mp/a264952.html.

[42]SUJJ，LIYF，DING MH，et al. A dome-shaped cavity type microwave plasma chemical vapor deposition reactor for diamond films deposition [J]. Vacuum，2014，107： 51-55.

[43]LIX J，TANG WZ， YUS W，etal.Designof novel plasmareactorfor diamond film deposition[J]. Diamond and Related Materials，2011，20（4）： 480-484.

[44]LIYF，SUJJ，LIUY Q，et al. Design of a new TM021 mode cavitytype MPCVD reactor for diamond film deposition[J].Diamond and Related Materials，2014，44：88-94.

[45]LIYF，ANXM，LIUXC，et al.A915MHz/75kWcylindrical cavity type microwave plasma chemical vapor deposition reactor with a laddershapedcircumferential antenna developed for growing largearea diamond films[J].Diamond andRelatedMaterials，2017，78：67-72.

[46］張帥，安康，楊志亮，等.新型MPCVD沉積模式制備高均勻性的D100 mm金剛石薄膜[J].真空與低溫，2022，28（5）：549-555. ZHANG Shuai， AN Kang， YANG Zhiliang， et al. 100mm in diameter diamond films with high uniformity prepared by novel deposition mode in MPCVD system [J]. Vacuum and Cryogenics，2022，28（5）： 549-555.

[47］于盛旺，安康，李曉靜，等.高功率MPCVD金剛石膜紅外光學(xué)材料制 備[J].紅外與激光工程，2013，42（4）：971-974. YU Shengwang，AN Kang， LI Xiaojing，et al. Preparationof diamond films as an infrared optical material by high power microwave plasma CVD [J]. Infrared and Laser Enginering，2013，42（4）： 971-974.

[48］于盛旺，劉艷青，唐偉忠，等.高功率MPCVD 金剛石膜透波窗口材料 制備研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2012，41（4）：896-899. YU Shengwang，LIU Yanqing，TANG Weizhong，et al. Synthesis of diamond film as electromagnetic window material by anellipsoidal MPCVD reactorat high input microwavepower levels[J].Journal of Synthetic Crystals，2012，41（4）： 896-899.

[ 49]YU S W， WANG R， ZHENG K， et al. Influence of power density on high purity 63 mm diameter polycrystaline diamond deposition inside a 2.45 GHz MPCVD reactor [J]. Journal of Physics D： Applied Physics，2016， 49（35）： 355202.

[50]LIXJ， ZHOU S，CHENG，et al. Systematic research on the performance ofself-designed microwave plasma reactor for CVD high quality diamond[J].Defence Technology，2018，14（5）：373-379.

[51］楊國(guó)永，熊紹陽(yáng)，魯云祥，等.大尺寸自支撐金剛石膜制備工藝及其紅 外透過(guò)性能研究[J].硬質(zhì)合金，2020，37（5）：350-356. YANG Guoyong，XIONG Shaoyang，LU Yunxiang，et al. Studyoflargeareafre-standingdiamondfilmsanditspropertyofinfrared transmittance[J].CementedCarbide，202o，37（5）：350-356.

[52］佚名.鄭州大學(xué)研制出兩英寸光學(xué)級(jí)金剛石晶體[EB/OL].（2019-09- 26）[2023-07-14]. https：//www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20289/45388/index. html. Anonymous. Zhengzhou University has developed two inch optical grade diamond crystals [EB/OL]. （2019-09-26）[2023-07-14]. https：//www.nsfc. gov.cn/csc/20340/20289/45388/index.html.

[53］梁天，汪建華，翁俊，等.高氣壓對(duì)MPCVD沉積金剛石薄膜的影 響[J].真空與低溫，2018，24（1）：54-59. LIANG Tian，WANG Jianhua，WENG Jun，et al. Influence of high pressure on MPCVD deposition of diamond films [J]. Vacum and Cryogenics，2018，24（1）： 54-59.

[54］丁康俊，馬志斌，宋修曦，等.溫度對(duì) MPCVD 法同質(zhì)外延單晶金剛石 缺陷的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2018，38（2）：8-11，19. DING Kangjun，MA Zhibin， SONG Xiuxi，etal.Effect of tempeature on defectsin homoepitaxial singlecrystal diamond by MPCVD[J]. Diamondamp; Abrasives Engineering，2018，38（2）： 8-11，19.

[55］夏禹豪，李艷春，耿傳文，等.MPCVD中雙基片臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)單晶金剛石 生長(zhǎng)的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2018，38（3）：1-5. XIA Yuhao，LI Yanchun，GENG Chuanwen，et al. Influence of dualsubstrate structure on growth of single crystal diamond by MPCVD [J]. Diamond amp; Abrasives Engineering，2018，38（3）：1-5.

[56］夏禹豪，耿傳文，衡凡，等.MPCVD法中氮?dú)鈱?duì)單晶金剛石生長(zhǎng)機(jī)理 影響的探究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，38（8）：684-688. XIAYuhao，GENG Chuanwen，HENG Fan，etal.Impact of nitrogen concentration on monocrystalline diamond growth in microwave plasma chemical vapor deposition [J].Chinese JournalofVacuum Science and Technology，2018，38（8）： 684-688.

[57］王斌，汪建華，翁俊，等.氣體流動(dòng)方式對(duì) MPCVD金剛石薄膜均勻性 的影響[J].真空與低溫，2020，26（2）：108-113. WANG Bin， WANG Jianhua， WENG Jun， et al. Effect of gas flow mode on uniformity of MPCVD diamond films [J]. Vacuum and Cryogenics， 2020，26（2）： 108-113.

［58］何中文，馬志斌.高等離子體功率密度下MPCVD 法制備多晶金剛石 膜[J].金剛石與磨料磨具工程，2022，42（2）：156-161. HE Zhongwen， MA Zhibin. Preparation of polycrystalline diamond films by MPCVD at high plasma power density [J].Diamondamp; Abrasives Engineering，2022，42（2）： 156-161.

[59]WANG Q J，WU G， LIU S，et al. Simulation-based development of a new cylindrical-cavity microwave-plasma reactor for diamond-film synthesis[J].Crystals，2019，9（6）：320.

[60]YANG B， SHEN Q， GAN Z Y， et al. Analysis of improving the edge qualityandgrowthrate of single-crystal diamond growth usinga substrate holder[J]. CrystEngComm，2019，21（43）： 6574-6584.

[61]BANERJEE A， BERNOULLID，ZHANGHT，et al. Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond [J].Science，2018，360（6386）： 300-302.

[62］陳良賢，劉金龍，馮寅楠，等.金剛石上不同晶體結(jié)構(gòu) Y₂O₃ 膜性質(zhì)與增 透性能研究[J].表面技術(shù)，2019，48（1）：133-140. CHENLiangxian，LIUJinlong，F(xiàn)ENG Yinnan，etal.Propertiesandantireflection performance of Y₂O₃ films with different crystal structures on diamond[J]. Surface Technology，2019，48（1）：133-140.

[63］左楊平，盧文壯，張圣斌，等.面向激光防護(hù)應(yīng)用的金剛石 |V₂O₅| 膜系設(shè) 計(jì)與制備[J].紅外與激光工程，2015，44（8）：2491-2495. ZUO Yangping，LU Wenzhuang， ZHANG Shengbin，et al. Designand fabrication of diamond N₂O₅ films in continuous laser protection[J]. Infrared and Laser Engineering，2015，44（8）： 2491-2495.

[64］呂反修，高旭輝，郭會(huì)斌，等.在預(yù)涂陶瓷過(guò)渡層的多譜段 ZnS 襯底上 沉積金剛石膜的探索研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2004，33（1）：105-108. LYU Fanxiu， GAO Xuhui， GUO Huibin， et al. An exploratory studyon preparation of diamond film coatings on multi-spectra ZnS pre-coated with a ceramic interlayer [J]. Journal of Synthetic Crystals，2004，33（1）： 105-108.

[65］黃亞博，陳良賢，賈鑫，等.CVD金剛石表面增透膜的研究進(jìn)展[J].表 面技術(shù)，2020，49（10）：106-117. HUANG Yabo， CHEN Liangxian，JIA Xin， et al. Research progress of anti-reflection films on CVD diamond surface [J]. Surface Technology， 2020，49（10）： 106-117.

[66］白振旭，楊學(xué)宗，陳暉，等.高功率金剛石激光技術(shù)研究進(jìn)展（特邀）[J]. 紅外與激光工程，2020，49（12）：9-21. BAI Zhenxu， YANG Xuezong， CHEN Hui， et al. Research progressof high-power diamond laser technology（Invited）[J]. Infraredand Laser Enginering，2020，49（12）： 9-21.

[67］王偉華，代兵，王楊，等.金剛石光學(xué)窗口相關(guān)元件的研究進(jìn)展[J].材 料科學(xué)與工藝，2020，28（3）：42-57. WANG Weihua， DAI Bing， WANG Yang，et al. Recent progressof diamond optical window-related components [J].Materials Science and Technology，2020，28（3）： 42-57.

[68]Optics：Enable extreme performance photonics [EB/OL].[2021-07-14]. https：//www.e6.com/en/knowledge-base/brochures.

[69］李鳳鳳，劉永佳，張建華.培育鉆石的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用研究[J].超硬材 料工程，2022，34（4）：51-54. LI Fengfeng， LIU Yongjia， ZHANG Jianhua. Development status and application of diamond cultivation [J]. Superhard Material Engineering， 2022，34（4）： 51-54.

[70］王光祖，位星，張相法，等.飾鉆培育技術(shù)的由來(lái)與興起[J].超硬材料 工程，2022，34（5）：42-47. WANG Guangzu， WEI Xing， ZHANG Xiangfa，et al. Origin adriseof decorative diamond cultivation technology [J]. Superhard Material Engineering，2022，34（5）： 42-47.

[71］佚名.GIA鑒定34.59克拉化學(xué)氣相沉積法（CVD）實(shí)驗(yàn)室培育鉆石 [EB/OL].（2023-05-29）[2023-07-14].https：//baijiahao.baidu.com/s？id= 1767205622858628324amp;wfr=spideramp;for-pc. Anonymous. GIA Identification 34.59 Carat Chemical Vapor Deposition （CVD）Laboratory CultivatedDiamond [EB/OL]. （2023-05-29）[2023- 07-14].https：//aijiahao.baidu.com/s？id=1767205622858628324amp;wfr=

[72]CVD diamond： The element six diamond handbook [EB/OL]. [2021-07- 14]. https：//www.e6.com/zh/products/optics.

［73］楊士奇，任澤陽(yáng)，張金風(fēng)，等.硅基氮化鎵異質(zhì)結(jié)材料與多晶金剛石集 成生長(zhǎng)研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2021，41（1）：18-23. YANG Shiqi， REN Zeyang， ZHANG Jinfeng， et al. Research on growth of poly-crystalline diamond on Si-based GaN heterojunction material [J]. Researchamp;Progress of SSE，2021，41（1）：18-23.

[74]ZHOU Y，ANAYAJ，POMEROY J， et al.Barrier-layer optimization for enhanced GaN-on-diamond device cooling [J].ACS Applied Materials amp; Interfaces，2017，9（39）：34416-34422.

[75]WANGK，RUAN K，HU WB，et al. Room temperature bonding of GaN ondiamond wafers by using Mo/Au nano-layer for high-power semiconductor devices [J].Scripta Materialia，202o，174： 87-90.

[76]ZHAOY，LIC M，LIUJL，etal.The interface and mechanical properties of a CVD single crystal diamond produced by multilayered nitrogen doping epitaxial growth[J].Materials，2019，12（15）： 2492.

[77]LU M C.Development of diamond device-level heat spreader for the advancement of GaN HEMT power and RF electronics [J].IEEE Transactions on Deviceand Materials Reliability，2023，23（4）： 468-485.

[78]FRANCIS D，F(xiàn)AILI F， BABIC D， et al.Formation and characterization of 4-inch GaN-on-diamond substrates[J].Diamond and Related Materials，2010，19（2/3）：229-233.

[79]DELMAS W， JARZEMBSKI A， BAHR M， et al. Thermal transport and mechanical stress mapping of a compression bonded GaN/diamond interface for vertical power devices [J].ACS Applied Materials amp; Interfaces，2024，16（8）： 11003-11012.

[80]CHENG Z，MU F W， YATES L， et al. Interfacial thermal conductance across room-temperature-bonded GaN/diamond interfaces for GaN-ondiamond devices [J].ACS Applied Materials amp; Interfaces，202012（7）： 8376-8384.

[81]HU X F， GE L，LIU Z H， et al. Diamond-SiC composite substrates： A novel strategyas efficient heat sinks for GaN-based devices [J]. Carbon， 2024，218：118755.

[82］劉金龍，朱肖華，郭彥召，等.金剛石探測(cè)器材料研制與中子探測(cè)性能 研究[J].真空電子技術(shù)，2021（5）：46-53，72. LIU Jinlong， ZHU Xiaohua， GUO Yanzhao，et al.Material development and neutron detection performance of diamond detector [J].Vacuum Electronics，2021（5）：46-53，72.

[83]GUO Y Z，LIU JL，LIU JW， et al. Comparison of α_a particle detectors based on single-crystal diamond films grown in two types of gas atmospheres by microwave plasma-assisted chemical vapor deposition [J].International Journal of Minerals，Metallrgy and Materials，2020， 27（5）： 703-712.

[84］李成明，任飛桐，邵思武，等.化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石研究現(xiàn)狀和 發(fā)展趨勢(shì)[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2022，51（5）：759-780. LI Chengming，REN Feitong，SHAO Siwu，etal.Progressofchemical vapor deposition （CVD） diamond[J].Journal of Synthetic Crystals，2022， 51（5）： 759-780.

[85]TARELKIN S， BORMASHOV V， BUGA S， et al. Power diamond vertical Schottky barrier diode with 10A forward current [J].Physica Status Solidi （A），2015，212（11）：2621-2627.

[86]LIU B J， ZHANG S， RALCHENKO V，et al. High temperature operation of logic AND gate basedon diamond Schottky diodesfabricated by selectivegrowthmethod[J].Carbon，2022，197：292-300.

[87]ARAUJO D， SUZUKI M，LLORETF，et al.Diamond for electronics： Materials，processingand devices[J].Materials，2021，14（22）：7081.

[88]PHAMTT.200V，4MV/cm lateral diamond[C]//2017 IEEE International Electron Devices Meeting （IEDM），2017.

[89]LIU K， ZHANG S，LIU B J， et al. Investigating the energetic band diagrams of oxygen-terminated CVD grown E6 electronic grade diamond [J].Carbon，2020，169：440-445.

[90]KAWARADA H. Hydrogen-terminated diamond surfaces and interfaces [J]. Surface Science Reports，1996，26（7）： 205-259.

[91]ZHANG Q， GUO Y H，JI W T，et al. High-fidelity single-shot readoutof singleelectron spin in diamond with spin-to-charge conversion [J]. Nature Communications，2021，12（1）： 1529.

[92]BUCHERD B，AUDE CRAIK D PL，BACKLUND MP，et al. Quantum diamond spectrometer for nanoscale NMR and ESR spectroscopy[J].Nature Protocols，2019，14（9）： 2707-2747.

[93］環(huán)球網(wǎng).全球首款金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)發(fā)布[J].超硬材料工程， 2019，31（4）： 59. World Wide Web. The world's first diamond quantumcomputing teachingmachinewas released[J]. Superhard Material Engineering， 2019，31（4）： 59.

[94］佚名.日本開發(fā)適用量子計(jì)算機(jī)的金剛石晶圓制造技術(shù)[EB/OL]. （2022-05-13）[2023-07-14]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=173267439 8077513655amp;wfr=spideramp;for=pc. Anonymous. Japan develops diamond wafer manufacturing technology suitable for quantum computers[EB/OL]. （2022-05-13）[2023-07-14]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1732674398077513655amp;wfr=spideramp;f or-pc.

[95]ZHANG ZF，LINCN，YANG X，et al. Solar-blind imaging based on 2- inch polycrystalline diamond photodetector linear array[J]. Carbon，2021， 173： 427-432.

[96]ZHANG Z F，LIN C N， YANG X， et al. Wafer-sized polycrystaline diamond photodetector planar arrays for solar-blind imaging [J]. Journal ofMaterials Chemistry C，2022，10（16）： 6488-6496.

作者簡(jiǎn)介

通信作者：何斌，男，1977年生，教授。主要研究方向：金剛石及相關(guān)材料。

E-mail：hebin@sztu.edu.cn

通信作者：韓培剛，男，1964年生，教授。主要研究方向：材料表面技術(shù)與光伏技術(shù)。

E-mail： hanpeigang@sztu.edu.cn

（編輯：趙興昊）

Advances in studies and applications of thick diamond films prepared by microwave plasma chemical vapor deposition

LIU Fucheng， MA Guanjie， HUANG Jiangtao， ZHANG Zongyan， HAN Peigang， HE Bin（SchoolofNewMaterialsandNewEnergy，henzhenTechnologyUniversityhenzhen518118，Guangdong，hina）

AbstractSignificance：With the wide range of important appications of diamond，the demand for large-area diamond has been increasing in recent years. Compared to other chemical vapor deposition （CVD）methods，the microwave plasma chemical vapor deposition （MPCVD） method is recognized as the best technology for depositing highqualitydiamondfilms.TorealizeCVDdiamondthick films foroptical，electrical，andthermalapplications，itisncessaryto meettherequirements inters ofcrystallnequalityoptical transmitance，thermalconductivitysize，thickess， and strength.Therefore，obtaining diamond materials with suficient size and quality is the foundation of their applications.Especiall since this century，MPCVDequipment and processes have made breakthroughs，and the preparations of single crystal diamond and high-quality polycrystallne diamond thick films have been successullyrealized. This paper introduces the principles and process of preparing diamond thick films by MPCVD，and summarizes the research and application progress of MPCVD-prepared diamond films at home and abroad in recent years. Our views on the future development of MPCVD-prepared diamond films are also proposed in this paper. Progres： The MPCVD equipment originatedoverseas，initially developed by Japanese scientist Yoshihiko Kuriyama and researchers from Nippon Electric Companyaroundthe 198Os.Subsequently，countries such as Germany，Britain，the United States，and Rusiaalso engaged in research and development eforts. The evolution of MPCVD chambers has seen a transition from quartz tubesand quartzbelljars tocylindricalresonance chambers，loopantennas，and elipsoidalresonance chambers.Concurrently，power output has escalated from hundreds of wats to thousands andtens ofkilowats.The advancementof MPCVD technology was spearheaded by foreign entities like E6 （UK），Michigan State University（USA），and the Institute of Applied Physics （Russia）， which gradually increased power levels and evolved cavity designs. With progress in diamond film deposition technology and ongoing exploration of microwave sources， higher-power 915 MHz MPCVD systems have been developed. The longer wavelength of 915MHz microwaves enables these devices to achieve higher power levels， which facilitates anincrease in the depositionrateand qualityof diamond films，as wellas the capability to produce larger-sized diamondfilms.Domestic development of MPCVD technology began relatively late， with institutions such as the UniversityofScience and Technology Beijing，Hebei ProvinceLaserResearch Institute，and Xi'an University of Electronic Science and Technology developing 2.45 GHz and 915 MHz MPCVD equipment after the year 2000.Diamonds possessahighrefractive index and significant dispersion，exhibiting superior thermal，mechanical，and optical properties.High-quality polyerystaline diamond films synthesized via the MPCVD method closely resemble natural type IIa diamonds in many aspects.Consequently， MPCVD-prepared diamond films have found extensive applications in optical window materials，thermal management，semiconductordevices，quantum technology，and optoelectronic devices.The third section of the paper provides a detailed account of the progressin applied research within these areas. Conclusions and Prospects： Diamond is a materialofsignificant interest and extensive research in thecontemporary world. Over the decades， CVD diamond technology has matured， with preparation processes becoming wellestablished and the equipment continuously evolving and refining. Among the various CVD techniques，MPCVD equipmenthas seen particularly rapid development.Through persistent exploration，research，and development，the performance gap between domestically produced 2.45GHz and 915 MHz MPCVD equipment in China and their foreign counterparts is narowing，althoughthere is stillroom for improvement in terms of power enhancement，equipment stability， andcavitydesign.MPCVD-method-prepared diamond thick films hold great promise fora variety of high-tech applications，includingoptics，thermal management，and electronics.However，their growthrate，size，anduniformityremain areasthatrequirefurtherattention.Lookingahead，ongoingresearchisessntial inseveralkeyareas：optimizingandenhancingequipment，refining the growth process，and innovating process parameters （such asatmosphere，power，and substrate）to achieve higher growthrates，superiorquality，andreduced costs.These efforts aimto met thedemands of commercialization，thereby facilitating the widespread adoption of diamond thick films in thermal deposition andoptical applications.

Key wordsdiamond thick films; microwave plasma chemical vapor deposition （MPCVD）; CVD equipment