被称作“终极半导体材料”的金刚石是目前最具发展前途的半导体材料。然而,由于金刚石尺寸及价格的限制使其很难快速推动金刚石半导体研发的进程,大尺寸、高质量单晶金刚石的获取最大的难点就是多晶的抑制,而通过大量反复的实验测试,即使是找到了较好的生长工艺但由于重复性及内部机理不明等问题依然难以产业化。另外,在在线监测手段不成熟的情况下,如何以低研发成本实现金刚石生长工艺的优化是推动半导体金刚石发展的另一重点。在此背景下,针对以上问题,本文通过联合微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）腔体中多物理场作用下的自洽模型和金刚石的生长模型,并结合生长实验结果对大尺寸单晶金刚石的生长进行了系统研究。现将本文取得的主要创新性成果总结如下:（1）MPCVD腔体内多物理场作用下的自洽模型研究:为了抑制衬底表面多晶,首先在纯氢气氛围下建立了腔体的自洽模型,计算了不同工艺参数下的衬底温度,与实验结果吻合较好。通过模型的成功建立,可有效弥补红外测温的不稳定且无法实现大范围测温的问题,为大尺寸金刚石的生长提供了可靠的分析手段。（2）适合金刚石高速、高质量生长的衬底托研究:仿真结合实验系统研究了金刚石表面多晶的生长机理,使用衬底托改善了衬底表面的等离子体分布均匀性从而有效抑制了衬底表面多晶的生成,但生长速率大幅降低。结合生长模型发现使用衬底托后衬底表面的等离子体密度大幅降低。设计并优化了新衬底托,获得了金刚石始终保持高速、高质量生长的工艺突破。（3）衬底表面形貌均匀性的研究:经过三步重复生长,生长后的金刚石体积扩大了7.12倍。经过对金刚石表面形貌的分析后发现,随着金刚石的侧向生长,必然会导致其表面温度梯度的增加,影响衬底表面形貌的均匀性。提出通过空气层控制整体衬底托的导热率,调节衬底温度分布的不均匀性,以此来实现衬底温度的可控性。（4）多片大尺寸衬底高质量且高均匀性生长的研究:为提高生长效率,开展了多片大尺寸衬底的同时生长研究。通过三维模型预测了衬底表面形貌,结合预测结果修改了衬底托和腔体结构,成功将每片衬底的尺寸扩大到接近9 mm,同时每片衬底均呈现了高均匀性的生长形貌。