金剛石被廣泛提議用于未來的量子和電子技術。金剛石中的色心具有卓越的相干性和強大的自旋光子界面。這使得量子網絡演示和量子傳感應用，特別是核磁共振（NMR）光譜學、磁測量學和電測量學取得了最新進展。這些技術的進一步發展需要異質材料平臺來擴展片上功能，包括非線性光子學、微流體學、聲學、電子學、探測器和光源。此外，金剛石在電力電子學的一些應用中具有同類最佳的性能，這些技術同樣可以從異質集成中獲益。

       然而，由于異質外延生長的技術難度，直接合成基于單晶金剛石的異質結構具有挑戰性。另一種方法是利用范德華力或環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，多材料異質結構通常是通過晶圓鍵合產生的，晶圓鍵合是現代電子技術的基礎制造工藝。通過對不同材料的薄膜進行化學鍵合，晶圓鍵合允許在直接生長過程不足的情況下結合高質量的晶體材料。

       接下來將介紹基于表面等離子活化技術的金剛石異質結構合成方法，在這種方法中，金剛石膜被直接連接到技術相關的材料上，包括硅、熔融石英、熱氧化物、藍寶石和鈮酸鋰（LiNbO3），并能夠預先存在芯片上的結構。粘合膜可獲得原子級光滑表面、精確厚度、原始材料質量和均勻界面，同時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損耗的特點，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在量子和電子應用方面的潛力。

       具體內容

       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行膜合成開始，然后是同質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基底進行圖案化，以確定單個膜的形狀。目標膜通過電化學（EC）蝕刻選擇性地去除sp2 碳，留下一個小的系鏈連接到金剛石基底上進行確定性操作。在這里，將膜尺寸限制為200μm x 200μm 的正方形。通過延長EC蝕刻時間并略微修改工藝流程的圖案化步驟，可以生成更大、更復雜的膜形狀。

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，利用模板化區域控制聚二甲基硅氧烷（PDMS）印記來轉移和操作膜，從而提高了工藝產量和可擴展性。轉移過程如上圖所示。PDMS 印章有兩種不同的圖案，可實現較小接觸面積（PDMS1-stamp）和較大接觸面積（PDMS2-stamp）進而實現粘附強度。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翻轉并隨后放置。在這兩種情況下，粘附區域的突出部分比stamp的其余部分高50μm，確保僅接觸目標膜。這種方法可以在EC蝕刻后進行多次膜轉移，將來可以自動將整個金剛石基材的轉移變成一個步驟。

       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晶質量，還使通過可控摻雜進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) 反應離子蝕刻 (RIE) 實現的。為了保護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 的溫度范圍內會軟化，并在后續階段降低粘度。這一附加步驟將薄膜再次翻轉，使生長面朝上暴露在目標基底上，從而消除了生長面形態對粘合的限制，并實現了對近表面和δ摻雜色心的精確深度控制。為防止抗蝕劑過熱和交聯，開發了一種多周期蝕刻配方，每周期等離子體持續時間較短，≤15 秒。蝕刻中間晶圓的示意圖如上圖 b 所示。利用這種方法，實現了從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，并可根據應用需求進行修改。

       利用下游O2等離子灰化技術對金剛石膜和目標基底進行表面活化，以實現后續接合（圖b）。對于藍寶石和鈮酸鋰等惰性基底，目標基底要經過高功率灰化配方（氣體流量200sccm，射頻功率600W，持續150秒），并延長工藝持續時間。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25秒），后者不會蝕刻或粗化金剛石表面。下游O2等離子體可對膜和載體材料表面進行清潔和氧終止，無需進行濕處理。為防止功能化在高溫下降解，所有灰化配方均在室溫下進行。

       接下來，將膜鍵合到目標基底上，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。目標基片真空固定在溫控臺上。通過透明中間晶圓的光學通道進行對準，將膜移動到目標位置并使其與目標基底接觸，這與膜尺度干涉條紋/圖案的出現相吻合。通過這種方法，實現了30μm和0.1°的對準精度。我們通過多個步驟提高平臺溫度，依次加熱異質結構。在達到抗蝕劑軟化點后，將中間晶片滑開，留下粘合結構。未來使用專用晶圓鍵合設備將大大提升所有轉移步驟的精度和公差。

       最后，為確保膜與目標晶片之間牢固的共價鍵合界面，我們在550°氬氣環境下對異質結構進行退火處理，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的轉移，則最終產品為干凈的直接鍵合膜。圖d左側顯示的是帶有預定義標記的膜-熱氧化物異質結構的顯微照片，顯示出很高的對準精度。圖d 右側顯示的是與熔融石英溝槽粘合的膜，強調了我們將膜與結構材料粘合的能力。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%。

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