金刚石被广泛提议用于未来的量子和电子技术。金刚石中的色心具有卓越的相干性和强大的自旋光子界面。这使得量子网络演示和量子传感应用，特别是核磁共振（NMR）光谱学、磁测量学和电测量学取得了最新进展。这些技术的进一步发展需要异质材料平台来扩展片上功能，包括非线性光子学、微流体学、声学、电子学、探测器和光源。此外，金刚石在电力电子学的一些应用中具有同类最佳的性能，这些技术同样可以从异质集成中获益。
然而，由于异质外延生长的技术难度，直接合成基于单晶金刚石的异质结构具有挑战性。另一种方法是利用范德华力或环氧树脂和硅倍半氧烷（HSQ）等中间键合层来整合薄膜金刚石。虽然前景广阔，但仍然缺少一种真正通用的方法，即在不引入缺陷、退相干源或多余材料的情况下，适用于制造和集成过程。作为参考，多材料异质结构通常是通过晶圆键合产生的，晶圆键合是现代电子技术的基础制造工艺。通过对不同材料的薄膜进行化学键合，晶圆键合允许在直接生长过程不足的情况下结合高质量的晶体材料。
接下来将介绍基于表面等离子活化技术的金刚石异质结构合成方法，在这种方法中，金刚石膜被直接连接到技术相关的材料上，包括硅、熔融石英、热氧化物、蓝宝石和铌酸锂（LiNbO3），并能够预先存在芯片上的结构。粘合膜可获得原子级光滑表面、精确厚度、原始材料质量和均匀界面，同时保持色彩中心的自旋一致性。此外，还展示了所制造的纳米光子空腔具有低光学损耗的特点，而且含有氮空位（NV-）中心的膜可直接与微流控流道集成，用于量子生物传感和成像，从而凸显了这种材料平台在量子和电子应用方面的潜力。
具体内容
全键合过程的流程图如下图所示。制造过程从通过智能切割进行膜合成开始，然后是同质外延金刚石生长和原位或原位色心形成。然后通过光刻或电子束光刻对基底进行图案化，以确定单个膜的形状。目标膜通过电化学（EC）蚀刻选择性地去除sp2 碳，留下一个小的系链连接到金刚石基底上进行确定性操作。在这里，将膜尺寸限制为200μm x 200μm 的正方形。通过延长EC蚀刻时间并略微修改工艺流程的图案化步骤，可以生成更大、更复杂的膜形状。
金刚石膜的等离子体激活键合示意图。 图源：论文
在EC刻蚀之后，利用模板化区域控制聚二甲基硅氧烷（PDMS）印记来转移和操作膜，从而提高了工艺产量和可扩展性。转移过程如上图所示。PDMS 印章有两种不同的图案，可实现较小接触面积（PDMS1-stamp）和较大接触面积（PDMS2-stamp）进而实现粘附强度。PDMS1-stamp用于断开金刚石系链并拾取薄膜，而 PDMS2-stamp用于将金刚石膜从PDMS1-stamp翻转并随后放置。在这两种情况下，粘附区域的突出部分比stamp的其余部分高50μm，确保仅接触目标膜。这种方法可以在EC蚀刻后进行多次膜转移，将来可以自动将整个金刚石基材的转移变成一个步骤。
接下来，去除因He+植入而受损的底层钻石层。这不仅提高了整体结晶质量，还使通过可控掺杂进行同位素纯化的最终膜与低成本的IIa型金刚石基底完全脱钩。这种减薄是通过电感耦合等离子体 (ICP) 反应离子蚀刻 (RIE) 实现的。为了保护最终粘合的基底不被蚀刻，我们将膜放在中间熔融石英载体晶片上进行减薄。中间晶片上涂有光致抗蚀剂（AZ1505）或电子束抗蚀剂（PMMA），这种抗蚀剂在100至130°C 的温度范围内会软化，并在后续阶段降低粘度。这一附加步骤将薄膜再次翻转，使生长面朝上暴露在目标基底上，从而消除了生长面形态对粘合的限制，并实现了对近表面和δ掺杂色心的精确深度控制。为防止抗蚀剂过热和交联，开发了一种多周期蚀刻配方，每周期等离子体持续时间较短，≤15 秒。蚀刻中间晶圆的示意图如上图 b 所示。利用这种方法，实现了从10纳米到 500纳米的精确厚度控制。最大厚度由同向外延生长步骤决定，并可根据应用需求进行修改。
利用下游O2等离子灰化技术对金刚石膜和目标基底进行表面活化，以实现后续接合（图b）。对于蓝宝石和铌酸锂等惰性基底，目标基底要经过高功率灰化配方（气体流量200sccm，射频功率600W，持续150秒），并延长工艺持续时间。膜要么接受这种高功率配方，要么接受O2除渣清洁（气体流量100sccm，射频功率200W，持续25秒），后者不会蚀刻或粗化金刚石表面。下游O2等离子体可对膜和载体材料表面进行清洁和氧终止，无需进行湿处理。为防止功能化在高温下降解，所有灰化配方均在室温下进行。
接下来，将膜键合到目标基底上，如图c所示。通过芯片大小的平整PDMS stamp，将图案化的中间晶片安装到微定位器控制的玻璃载玻片上。目标基片真空固定在温控台上。通过透明中间晶圆的光学通道进行对准，将膜移动到目标位置并使其与目标基底接触，这与膜尺度干涉条纹/图案的出现相吻合。通过这种方法，实现了30μm和0.1°的对准精度。我们通过多个步骤提高平台温度，依次加热异质结构。在达到抗蚀剂软化点后，将中间晶片滑开，留下粘合结构。未来使用专用晶圆键合设备将大大提升所有转移步骤的精度和公差。
最后，为确保膜与目标晶片之间牢固的共价键合界面，我们在550°氩气环境下对异质结构进行退火处理，以尽量减少不必要的氧化。这种退火还能去除聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）残留物，如果采用基于PMMA的转移，则最终产品为干净的直接键合膜。图d左侧显示的是带有预定义标记的膜-热氧化物异质结构的显微照片，显示出很高的对准精度。图d 右侧显示的是与熔融石英沟槽粘合的膜，强调了我们将膜与结构材料粘合的能力。由于等离子灰化室的条件不一致以及传输站的接近角控制不佳，整体工艺成品率超过95%。
以上内容整理自芝加哥大学最新研究（https://doi.org/10.1038/s41467-024-53150-3）
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