金刚石具有优异的光学、声学、热学、力学和电学等性质,且应用面十分广泛,是21世纪最具发展前景的材料之一。庞大的市场需求和前景促进了人工合成金刚石方面的蓬勃发展,微波等离子体化学气相沉积（microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD）法从出现到现在一直是公认的人工合成高质量金刚石的最佳方法。对MPCVD方法而言,其技术的核心在于稳定激发高能量密度的等离子体球,高能量密度则是金刚石高质量沉积的关键,通过提高微波功率,即可有效实现上述条件要求。本文在实验室自制10k W高功率环形天线式MPCVD装置上,主要做了关于宝石级单晶金刚石的制备和批量化沉积高质量单晶金刚石的研究两个方面的研究,主要工作如下:1.在实验室自制的MPCVD设备上对宝石级单晶金刚石的制备工艺进行了研究。探讨了真空度与金刚石质量的关系,发现等级越高的单晶金刚石对设备的真空性能越高;确定了预处理的工艺,第一步对籽晶生长面进行抛光,第二步需要用油浴法对籽晶进行加热酸处理,这样可以除去籽晶表面的金属和有机残留物,最后分别用丙酮、无水乙醇、去离子水对籽晶进行超声清洗,以保证籽晶表面的洁净度,然后将籽晶放入腔体中进行氢氧等离子体刻蚀。获得了沉积高质量单晶金刚石的工艺参数即:甲烷浓度在8%沉积温度在900℃～1000℃为沉积宝石级单晶金刚石的最佳工艺参数。2.通过计算机模拟技术对10k W装置在高微波功率下微波电场的强度和分布进行了研究。分析结果表明,在TM₀₁和TM₀₂两模式叠加形成的交变电场下,强电磁场稳定存在于基底正上方直径约60mm的区域,且随着微波功率的升高,电场强度逐渐从1.0×10⁵ V·m^-1增强到1.6×10⁵ V·m^-1,强场区分布范围也相应扩大从30mm增大到了60mm。同时通过计算机模拟对MPCVD设备的腔体内的等离子体分布状态进行了模拟研究,模拟结果表明等离子体密度较强区域集中在直径约60mm的范围更加适合单晶金刚石的批量化生长。实验结果发现可以用来沉积单晶金刚石的面积略小于等离子体球的实际尺寸,原因是等离子体球边缘的能量密度较低,不足以充分离解气源分子,从而导致无法沉积单晶金刚石。本研究在功率为6k W,气压为11k Pa的条件下,批量生长了15颗单晶金刚石。3.使用10k W装置在高功率条件下对单晶金刚石的批量化生长。实验发现批量化生长单晶金刚石中存在的问题主要有:金刚石基片滑动、金刚石内部有大量热应力的存在以及单晶金刚石抛光时裂角等问题,通过对基片台上刻上对应的浅槽的方法解决了金刚石基片滑动的问题;利用高温退火能够释放单晶金刚石基片中的部分热应力,有效在甲烷浓度在8%,沉积温度在950℃的工艺条件下,对抛光裂角的单晶金刚石进行了基片修复。