金剛石被廣泛提議用于未來的量子和電子技術(shù)。金剛石中的色心具有卓越的相干性和強(qiáng)大的自旋光子界面。這使得量子網(wǎng)絡(luò)演示和量子傳感應(yīng)用，特別是核磁共振（NMR）光譜學(xué)、磁測量學(xué)和電測量學(xué)取得了最新進(jìn)展。這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需要異質(zhì)材料平臺(tái)來擴(kuò)展片上功能，包括非線性光子學(xué)、微流體學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)、探測器和光源。此外，金剛石在電力電子學(xué)的一些應(yīng)用中具有同類最佳的性能，這些技術(shù)同樣可以從異質(zhì)集成中獲益。

       然而，由于異質(zhì)外延生長的技術(shù)難度，直接合成基于單晶金剛石的異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。另一種方法是利用范德華力或環(huán)氧樹脂和硅倍半氧烷（HSQ）等中間鍵合層來整合薄膜金剛石。雖然前景廣闊，但仍然缺少一種真正通用的方法，即在不引入缺陷、退相干源或多余材料的情況下，適用于制造和集成過程。作為參考，多材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)通常是通過晶圓鍵合產(chǎn)生的，晶圓鍵合是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)制造工藝。通過對(duì)不同材料的薄膜進(jìn)行化學(xué)鍵合，晶圓鍵合允許在直接生長過程不足的情況下結(jié)合高質(zhì)量的晶體材料。

       接下來將介紹基于表面等離子活化技術(shù)的金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)合成方法，在這種方法中，金剛石膜被直接連接到技術(shù)相關(guān)的材料上，包括硅、熔融石英、熱氧化物、藍(lán)寶石和鈮酸鋰（LiNbO3），并能夠預(yù)先存在芯片上的結(jié)構(gòu)。粘合膜可獲得原子級(jí)光滑表面、精確厚度、原始材料質(zhì)量和均勻界面，同時(shí)保持色彩中心的自旋一致性。此外，還展示了所制造的納米光子空腔具有低光學(xué)損耗的特點(diǎn)，而且含有氮空位（NV-）中心的膜可直接與微流控流道集成，用于量子生物傳感和成像，從而凸顯了這種材料平臺(tái)在量子和電子應(yīng)用方面的潛力。

       具體內(nèi)容

       全鍵合過程的流程圖如下圖所示。制造過程從通過智能切割進(jìn)行膜合成開始，然后是同質(zhì)外延金剛石生長和原位或原位色心形成。然后通過光刻或電子束光刻對(duì)基底進(jìn)行圖案化，以確定單個(gè)膜的形狀。目標(biāo)膜通過電化學(xué)（EC）蝕刻選擇性地去除sp2 碳，留下一個(gè)小的系鏈連接到金剛石基底上進(jìn)行確定性操作。在這里，將膜尺寸限制為200μm x 200μm 的正方形。通過延長EC蝕刻時(shí)間并略微修改工藝流程的圖案化步驟，可以生成更大、更復(fù)雜的膜形狀。

金剛石膜的等離子體激活鍵合示意圖。 圖源：論文

       在EC刻蝕之后，利用模板化區(qū)域控制聚二甲基硅氧烷（PDMS）印記來轉(zhuǎn)移和操作膜，從而提高了工藝產(chǎn)量和可擴(kuò)展性。轉(zhuǎn)移過程如上圖所示。PDMS 印章有兩種不同的圖案，可實(shí)現(xiàn)較小接觸面積（PDMS1-stamp）和較大接觸面積（PDMS2-stamp）進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粘附強(qiáng)度。PDMS1-stamp用于斷開金剛石系鏈并拾取薄膜，而 PDMS2-stamp用于將金剛石膜從PDMS1-stamp翻轉(zhuǎn)并隨后放置。在這兩種情況下，粘附區(qū)域的突出部分比stamp的其余部分高50μm，確保僅接觸目標(biāo)膜。這種方法可以在EC蝕刻后進(jìn)行多次膜轉(zhuǎn)移，將來可以自動(dòng)將整個(gè)金剛石基材的轉(zhuǎn)移變成一個(gè)步驟。

       接下來，去除因He+植入而受損的底層鉆石層。這不僅提高了整體結(jié)晶質(zhì)量，還使通過可控?fù)诫s進(jìn)行同位素純化的最終膜與低成本的IIa型金剛石基底完全脫鉤。這種減薄是通過電感耦合等離子體 (ICP) 反應(yīng)離子蝕刻 (RIE) 實(shí)現(xiàn)的。為了保護(hù)最終粘合的基底不被蝕刻，我們將膜放在中間熔融石英載體晶片上進(jìn)行減薄。中間晶片上涂有光致抗蝕劑（AZ1505）或電子束抗蝕劑（PMMA），這種抗蝕劑在100至130°C 的溫度范圍內(nèi)會(huì)軟化，并在后續(xù)階段降低粘度。這一附加步驟將薄膜再次翻轉(zhuǎn)，使生長面朝上暴露在目標(biāo)基底上，從而消除了生長面形態(tài)對(duì)粘合的限制，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)近表面和δ摻雜色心的精確深度控制。為防止抗蝕劑過熱和交聯(lián)，開發(fā)了一種多周期蝕刻配方，每周期等離子體持續(xù)時(shí)間較短，≤15 秒。蝕刻中間晶圓的示意圖如上圖 b 所示。利用這種方法，實(shí)現(xiàn)了從10納米到 500納米的精確厚度控制。最大厚度由同向外延生長步驟決定，并可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行修改。

       利用下游O2等離子灰化技術(shù)對(duì)金剛石膜和目標(biāo)基底進(jìn)行表面活化，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)接合（圖b）。對(duì)于藍(lán)寶石和鈮酸鋰等惰性基底，目標(biāo)基底要經(jīng)過高功率灰化配方（氣體流量200sccm，射頻功率600W，持續(xù)150秒），并延長工藝持續(xù)時(shí)間。膜要么接受這種高功率配方，要么接受O2除渣清潔（氣體流量100sccm，射頻功率200W，持續(xù)25秒），后者不會(huì)蝕刻或粗化金剛石表面。下游O2等離子體可對(duì)膜和載體材料表面進(jìn)行清潔和氧終止，無需進(jìn)行濕處理。為防止功能化在高溫下降解，所有灰化配方均在室溫下進(jìn)行。

       接下來，將膜鍵合到目標(biāo)基底上，如圖c所示。通過芯片大小的平整PDMS stamp，將圖案化的中間晶片安裝到微定位器控制的玻璃載玻片上。目標(biāo)基片真空固定在溫控臺(tái)上。通過透明中間晶圓的光學(xué)通道進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，將膜移動(dòng)到目標(biāo)位置并使其與目標(biāo)基底接觸，這與膜尺度干涉條紋/圖案的出現(xiàn)相吻合。通過這種方法，實(shí)現(xiàn)了30μm和0.1°的對(duì)準(zhǔn)精度。我們通過多個(gè)步驟提高平臺(tái)溫度，依次加熱異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在達(dá)到抗蝕劑軟化點(diǎn)后，將中間晶片滑開，留下粘合結(jié)構(gòu)。未來使用專用晶圓鍵合設(shè)備將大大提升所有轉(zhuǎn)移步驟的精度和公差。

       最后，為確保膜與目標(biāo)晶片之間牢固的共價(jià)鍵合界面，我們?cè)?50°氬氣環(huán)境下對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，以盡量減少不必要的氧化。這種退火還能去除聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）殘留物，如果采用基于PMMA的轉(zhuǎn)移，則最終產(chǎn)品為干凈的直接鍵合膜。圖d左側(cè)顯示的是帶有預(yù)定義標(biāo)記的膜-熱氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯微照片，顯示出很高的對(duì)準(zhǔn)精度。圖d 右側(cè)顯示的是與熔融石英溝槽粘合的膜，強(qiáng)調(diào)了我們將膜與結(jié)構(gòu)材料粘合的能力。由于等離子灰化室的條件不一致以及傳輸站的接近角控制不佳，整體工藝成品率超過95%。

       以上內(nèi)容整理自芝加哥大學(xué)最新研究（https://doi.org/10.1038/s41467-024-53150-3）