單晶金剛石兼具超寬禁帶、高熱導率和高硬度等優異特性，同時能夠容納氮-空位（NV）色心，為室溫下實現穩定的自旋—光子接口提供了材料基礎，因此在量子傳感、量子通信、量子信息以及集成光子學等領域受到廣泛關注。尤其是NV色心金剛石，其性能不僅取決于材料本身，也對器件加工和異質集成過程提出了較高要求。
然而，金剛石硬度高、化學惰性強，要從商業化金剛石膜中加工出具有精確幾何結構、較深刻蝕深度和高質量側壁的微結構并不容易。傳統金屬硬掩膜雖然具有較高選擇比，但長時間等離子體刻蝕過程中容易產生金屬濺射、再沉積和微掩膜效應，從而影響表面質量，甚至對NV色心量子應用造成不利影響。
近期，法國雷恩大學、法國國立應用科學學院（INSA Rennes）等研究團隊開展研究，提出了一種結合高選擇比深刻蝕與室溫鍵合的金剛石—二氧化硅異質結構制備方法，實現了16 μm厚NV摻雜單晶金剛石膜的完全穿透刻蝕，并進一步將其轉移、集成至SiO?基底，為金剛石量子光子學與量子傳感器件的異質集成提供了新的技術路徑。
相關成果以“Scalable fabrication of diamond-on-silica heterostructures via high-selectivity deep ICP-RIE and room-temperature bonding”為題，發表于《Diamond & Related Materials》。
論文的整體思路可以概括為“先深刻蝕、再轉移、后室溫鍵合”。研究團隊以16 μm厚、含NV色心的單晶金剛石膜為對象，首先采用僅2 μm厚的SiO?介質硬掩膜，并結合多步氧基ICP-RIE工藝，實現對金剛石膜的完全穿透刻蝕；隨后利用刻蝕后殘留的SiO?層作為天然鍵合界面，將加工后的金剛石微結構轉移至SiO?基底，并通過氧等離子體活化和硅酸鈉中間層，在室溫下完成永久鍵合。
實驗表明，該工藝能夠實現超過16 μm的金剛石深刻蝕，金剛石與SiO?的選擇比達到15∶1，側壁角約21.6°，刻蝕側壁均方根粗糙度約3.1 nm，并且幾乎沒有明顯的微掩膜現象。同時，刻蝕后殘留的SiO?層無需去除，反而可直接用于后續異質集成，從而將加工與鍵合兩個步驟有效銜接起來。
更重要的是，研究團隊進一步驗證了這種集成方式對NV色心性能的影響。鍵合后的異質結構在可見光范圍內沒有檢測到來自硅酸鈉鍵合層或界面缺陷的額外寄生熒光，NV色心的光致發光光譜基本保持不變；ODMR測試得到的退相干時間T?*為1.07±0.03 μs，與原始金剛石樣品約1 μs的水平一致，說明刻蝕、室溫鍵合及后續處理沒有明顯損害NV色心的光學和量子特性。
這項工作的價值并不只是實現了一種金剛石深刻蝕工藝，更在于建立了一條從商業化金剛石膜到金剛石—二氧化硅異質結構的完整加工路線。通過“深刻蝕—轉移—室溫鍵合”，一塊商業金剛石膜可以被劃分為多個獨立微結構并進一步集成到不同基底，有望降低單器件材料成本，并為NV量子傳感器、光纖端部磁力計、輻射探測器以及集成金剛石光子器件提供基礎。
論文進一步指出，金剛石約2.4的可見光折射率與SiO?約1.45的低折射率形成良好組合，未來若進一步將金剛石層減薄至亞微米尺度并進行光子結構加工，有望構建緊湊型金剛石光子電路和高Q值諧振器，為金剛石量子器件從材料優勢走向異質集成提供新的技術路徑。
圖文導讀
圖1. 金剛石圖案化與刻蝕工藝的示意圖。（i）金剛石襯底上沉積有SiO?層，并涂覆了旋涂光刻膠，固定在硅載體晶圓上。（ii）利用光刻技術在光刻膠上形成圖案。（iii）通過使用CHF?等離子體的ICP-RIE將圖案轉移到SiO?層中。(iv) 采用SF6+O2等離子體進行簡短清洗。 (v) 采用O2等離子體通過ICP-RIE將圖案轉移至金剛石襯底。 (vi) 最終的金剛石樣品位于硅載體上，表面仍保留有剩余的SiO2硬掩模
圖2. 蝕刻金剛石膜的表征。（a）蝕刻工藝后金剛石膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（b、c）蝕刻膜中某些感興趣區域的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，觀察角度為35?。圖（b）中疊加了側壁角度。
圖3. 室溫硅酸鈉鍵合。（a）室溫硅酸鈉鍵合流程示意圖。（i-ii）使用真空工具將膜片轉移到PDMS印模上。（iii）通過暴露于O?等離子體來活化金剛石膜的二氧化硅表面。(iv)通過O?等離子體處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鈉溶液后，將金剛石膜與活化后的基底接觸。（vi）將組裝好的樣品在室溫下置于干燥器中保存四天。（b）已粘接金剛石膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（c）粘接界面的橫截面SEM圖像。（d）已粘接金剛石膜的光學顯微鏡圖像。
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