深刻蚀与室温键合实现单晶金刚石异质集成新突破

单晶金刚石兼具超宽禁带、高热导率和高硬度等优异特性，同时能够容纳氮-空位（NV）色心，为室温下实现稳定的自旋—光子接口提供了材料基础，因此在量子传感、量子通信、量子信息以及集成光子学等领域受到广泛关注。尤其是NV色心金刚石，其性能不仅取决于材料本身，也对器件加工和异质集成过程提出了较高要求。

然而，金刚石硬度高、化学惰性强，要从商业化金刚石膜中加工出具有精确几何结构、较深刻蚀深度和高质量侧壁的微结构并不容易。传统金属硬掩膜虽然具有较高选择比，但长时间等离子体刻蚀过程中容易产生金属溅射、再沉积和微掩膜效应，从而影响表面质量，甚至对NV色心量子应用造成不利影响。

近期，法国雷恩大学、法国国立应用科学学院（INSA Rennes）等研究团队开展研究，提出了一种结合高选择比深刻蚀与室温键合的金刚石—二氧化硅异质结构制备方法，实现了16 μm厚NV掺杂单晶金刚石膜的完全穿透刻蚀，并进一步将其转移、集成至SiO₂基底，为金刚石量子光子学与量子传感器件的异质集成提供了新的技术路径。

相关成果以“Scalable fabrication of diamond-on-silica heterostructures via high-selectivity deep ICP-RIE and room-temperature bonding”为题，发表于《Diamond & Related Materials》。

论文的整体思路可以概括为“先深刻蚀、再转移、后室温键合”。研究团队以16 μm厚、含NV色心的单晶金刚石膜为对象，首先采用仅2 μm厚的SiO₂介质硬掩膜，并结合多步氧基ICP-RIE工艺，实现对金刚石膜的完全穿透刻蚀；随后利用刻蚀后残留的SiO₂层作为天然键合界面，将加工后的金刚石微结构转移至SiO₂基底，并通过氧等离子体活化和硅酸钠中间层，在室温下完成永久键合。

关键结果：深刻蚀与量子性能实现兼顾

实验表明，该工艺能够实现超过16 μm的金刚石深刻蚀，金刚石与SiO₂的选择比达到15∶1，侧壁角约21.6°，刻蚀侧壁均方根粗糙度约3.1 nm，并且几乎没有明显的微掩膜现象。同时，刻蚀后残留的SiO₂层无需去除，反而可直接用于后续异质集成，从而将加工与键合两个步骤有效衔接起来。

更重要的是，研究团队进一步验证了这种集成方式对NV色心性能的影响。键合后的异质结构在可见光范围内没有检测到来自硅酸钠键合层或界面缺陷的额外寄生荧光，NV色心的光致发光光谱基本保持不变；ODMR测试得到的退相干时间T₂*为1.07±0.03 μs，与原始金刚石样品约1 μs的水平一致，说明刻蚀、室温键合及后续处理没有明显损害NV色心的光学和量子特性。

从“加工金刚石”走向“集成金刚石”

这项工作的价值并不只是实现了一种金刚石深刻蚀工艺，更在于建立了一条从商业化金刚石膜到金刚石—二氧化硅异质结构的完整加工路线。通过“深刻蚀—转移—室温键合”，一块商业金刚石膜可以被划分为多个独立微结构并进一步集成到不同基底，有望降低单器件材料成本，并为NV量子传感器、光纤端部磁力计、辐射探测器以及集成金刚石光子器件提供基础。

论文进一步指出，金刚石约2.4的可见光折射率与SiO₂约1.45的低折射率形成良好组合，未来若进一步将金刚石层减薄至亚微米尺度并进行光子结构加工，有望构建紧凑型金刚石光子电路和高Q值谐振器，为金刚石量子器件从材料优势走向异质集成提供新的技术路径。

图文导读

图1. 金刚石图案化与刻蚀工艺的示意图。（i）金刚石衬底上沉积有SiO₂层，并涂覆了旋涂光刻胶，固定在硅载体晶圆上。（ii）利用光刻技术在光刻胶上形成图案。（iii）通过使用CHF₃等离子体的ICP-RIE将图案转移到SiO₂层中。(iv) 采用SF6+O2等离子体进行简短清洗。 (v) 采用O2等离子体通过ICP-RIE将图案转移至金刚石衬底。 (vi) 最终的金刚石样品位于硅载体上，表面仍保留有剩余的SiO2硬掩模

图2. 蚀刻金刚石膜的表征。（a）蚀刻工艺后金刚石膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b、c）蚀刻膜中某些感兴趣区域的扫描电子显微镜（SEM）图像，观察角度为35◦。图（b）中叠加了侧壁角度。

图3. 室温硅酸钠键合。（a）室温硅酸钠键合流程示意图。（i-ii）使用真空工具将膜片转移到PDMS印模上。（iii）通过暴露于O₂等离子体来活化金刚石膜的二氧化硅表面。(iv)通过O₂等离子体处理活化宿主基底的二氧化硅表面。(v) 在宿主基底上旋涂硅酸钠溶液后，将金刚石膜与活化后的基底接触。（vi）将组装好的样品在室温下置于干燥器中保存四天。（b）已粘接金刚石膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）粘接界面的横截面SEM图像。（d）已粘接金刚石膜的光学显微镜图像。