TL;DR： 研究团队开发了一套等离子体刻蚀工艺，将直接键合的单晶金刚石薄膜从 10 微米减薄到 300 纳米以下，制造出光子级金刚石-绝缘体（DOI）基板。同时提出了一种基于比色法的厚度评估方法，仅需普通光学显微镜就能以 5 纳米精度测量金刚石薄膜厚度。
论文信息
- 标题： Plasma Etch Process Optimization for Photonic-Grade Diamond-on-Insulator Substrates and Thickness Evaluation using Colorimetry
- 作者： Tianyin Chen, Alessio Miranda, Leyla Rami, Ryoichi Ishihara, Salahuddin Nur
- 发表日期： 2026 年 6 月 18 日
- arXiv ID： 2606.20412v1
- 领域： 光学 (physics.optics) / 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
- 链接： arXiv 页面 ｜ PDF
- 发表期刊： Journal of Materials Processing Technology
研究背景与动机
金刚石（Diamond）——这种我们熟知的宝石——在量子科技领域正扮演着越来越重要的角色。金刚石不仅仅是一种装饰品，它拥有自然界中最极端的物理性能组合：超宽的带隙（约 5.47 eV）、极高的热导率（约 2200 W·m⁻¹·K⁻¹，在天然材料中名列前茅）、卓越的机械硬度、从紫外到中红外的光学透明度，以及出色的化学稳定性。这些特性使金刚石成为量子计算、量子通信和量子传感领域的理想材料平台。
更令人兴奋的是，金刚石内部存在一种被称为"色心"（Color Center）的点缺陷——最著名的是氮-空位（NV）中心和第 IV 族分裂空位中心（如 SiV、GeV、SnV）。这些色心就像是嵌入在金刚石晶格中的"人造原子"，可以被光学手段精确操控。它们提供了可光学寻址的电子自旋，具有长相干时间和自旋选择性光学跃迁。换言之，这些色心是构建量子比特（qubit）的理想载体。
要将这些色心真正用于实际的量子系统，需要将它们嵌入纳米光子结构中——如波导、微盘/环形谐振器和光子晶体（PhC）腔。这些结构能够增强色心的光发射、提高收集效率，并实现腔量子电动力学（cavity-QED）增强。近期的进展令人瞩目：薄膜金刚石光子晶体腔已经实现了创纪录的可见光波段品质因子 Q 约 1.6 到 1.8 乘以 10 的 5 次方，第 IV 族色心在纳米结构中展现了强腔增强发射和大 β 因子。
然而，从单个器件演示走向可扩展的集成光路，最大的瓶颈在于材料和基板。高质量、均匀的单晶金刚石（SCD）薄膜在大规模制备方面仍然极其困难。商业高纯度 SCD 通常只以小片形式提供（毫米到厘米级），而通过异质外延生长实现晶圆级 SCD 仍然面临诸多挑战——包括成核问题、晶格和热膨胀失配、残余应变、马赛克结构和高位错密度。
在这种背景下，金刚石-绝缘体（Diamond-on-Insulator, DOI）平台应运而生。DOI 的概念直接类比于微电子和硅光子学中革命性的绝缘体上硅（SOI）平台：在低折射率衬底（通常是 SiO2/Si）上键合一层薄的光子级 SCD 膜。金刚石（折射率 n 约 2.4）与 SiO2（n 约 1.45）之间的强折射率对比，能够在金刚石层中实现紧密的光学限制，支撑紧凑的波导和高品质因子腔。
但制造 DOI 基板面临一个核心难题：如何将键合的金刚石膜减薄到光子级（几百纳米）的同时，保持表面质量和键合界面完好？这就像在不破坏地基的前提下，将一栋十层楼削薄成一张纸——工艺难度可想而知。
现有的薄膜金刚石制备方法主要包括离子切片（ion-slicing）、外延过生长和智能切割等技术。这些方法虽然能产生高质量膜层，但通常需要许多苛刻且昂贵的步骤——离子注入形成埋层损伤、过生长、膜层剥离、转印和复杂的键合。因此，产生的膜层面积仍然有限（小于等于 250 微米），难以满足大规模光子回路和 3D 集成的需求。
本文的核心贡献就是解决这个制造瓶颈。研究团队来自代尔夫特理工大学（TU Delft）的量子计算机工程系和 QuTech 研究所，他们开发了一套优化的等离子体刻蚀工艺，能够将直接键合的 SCD 膜从微米级减薄到纳米级，同时保持亚纳米表面粗糙度和完好的键合界面。
核心发现
成功制备光子级 DOI 基板。 研究团队将一片 10 微米厚的金刚石板键合到 SiO2/Si 衬底上，通过优化的 ICP-RIE 循环刻蚀工艺将其减薄到约 300 纳米。减薄后的 DOI 基板在 0.5 乘 0.5 平方毫米的面积上实现了均匀的薄膜厚度，表面粗糙度低于 0.5 纳米，键合界面完好无损。
循环刻蚀工艺的创新。 传统的方法要么使用纯氧气等离子体（高速率但容易产生微掩蔽和纳米柱），要么使用 Ar/Cl2 等离子体（表面光滑但去除速率太低）。研究团队创新性地将两者结合：每 4 分钟 Ar/Cl2（清洁/平滑，速率约 10 nm/min）加上 4 分钟 Ar/O2（主要去除，速率约 50-55 nm/min）。这种循环策略同时解决了速率和质量的矛盾。
防止键合脱开的热力学机制发现。 初始的高功率刻蚀条件会导致 DOI 键合脱开。研究团队通过系统的对照实验发现，主要原因是等离子体引起的热机械应力——金刚石（热膨胀系数约 1.0 到 1.1 ppm/K）与硅（约 2.6 ppm/K）之间的热膨胀失配导致界面应力。通过使用石英载体（热膨胀系数约 0.5 到 0.55 ppm/K，更接近金刚石）验证了这一假设。
比色法厚度评估技术。 研究团队开发了一种基于比色学的金刚石薄膜厚度评估方法。通过分析金刚色在 SiO2 上不同厚度对应的颜色差异，建立了从标准光学显微镜图像到金刚石膜厚度的可靠映射，精度达到 5 纳米。这为没有昂贵计量设备的实验室提供了一种低成本的厚度测量方案。
独立光子芯片的制备验证。 在制造的 DOI 基板上，研究团队使用标准的两步光刻工艺成功制备了独立式金刚石光子芯片（chiplet），无需复杂的薄膜转移、底部刻蚀或基座形成步骤。这验证了 DOI 基板在实际器件制造中的可用性。
与现有技术的对比优势。 与现有的薄膜金刚石方法相比，本文的方法具有以下独特优势：真正的 DOI 基板（而非独立膜层）、更大的光子级键合面积（500 乘 500 平方微米）、无金属中间层、保留了埋层界面、工艺简单且可扩展。
技术方法详解
理解这项工作需要掌握几个关键的技术概念。让我们用类比和比喻来逐一解释。
ICP-RIE 刻蚀：微观世界的"雕刻刀"
ICP-RIE（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching，电感耦合等离子体反应离子刻蚀）是半导体制造中最常用的干法刻蚀技术之一。它的原理可以用一个"微观雕刻"的比喻来理解：
想象你有一块金刚石，需要用一把"无形的刀"把它削薄。这把"刀"就是等离子体——一种由电离气体组成的高温物质态。在 ICP-RIE 系统中，氧气或氩气/氯气被电离成等离子体，其中的活性离子在电场加速下轰击金刚石表面，将碳原子"敲"出来。
ICP-RIE 的独特之处在于它将等离子体密度和离子轰击能量解耦——就像一个可以独立调节"刀刃锋利度"和"切割力度"的雕刻刀。ICP 线圈功率控制等离子体密度（即有多少"刀刃"在工作），而 RF 偏压功率控制离子轰击能量（即每个"刀刃"的力度）。这种解耦使得刻蚀速率、各向异性和表面修饰可以独立调节。
氧气等离子体刻蚀金刚石的化学过程相对简单：氧原子与金刚石表面的碳原子反应，生成 CO 或 CO2 气体，从而实现材料去除。这个过程的速率可以通过调节等离子体功率、气体流量和腔室压力来控制。然而，纯氧气刻蚀有一个严重的问题——它容易产生微掩蔽效应，导致表面质量下降。
Ar/Cl2 等离子体的刻蚀机制则不同。氯气本身不直接与碳反应，但氩离子的物理轰击可以打破金刚石表面的 C-C 键，使氯原子能够与碳形成挥发性的 CCl4。更重要的是，Ar/Cl2 等离子体对金刚石表面有平滑作用——它可以优先去除表面的凸起部分，将粗糙度从 0.53 纳米降至 0.19 纳米。这就像用砂纸打磨木头表面——不是为了削去大量材料，而是为了让表面更光滑。
为什么直接键合的 DOI 如此容易脱开？
在最初的实验中，研究团队直接将文献中的刻蚀配方应用于 DOI 样品，结果金刚石与 SiO2 之间的键合界面在刻蚀过程中脱开了。这就像在一块三明治上用力切——面包层之间的酱料层被震裂了。
研究团队考虑了两种可能的脱开机制：
机制一：侧向侵蚀。 Ar/Cl2 等离子体可能具有各向同性成分，从金刚石边缘侧向侵蚀埋层 SiO2。但对于 4 乘 4 平方毫米的键合金刚石板，在工艺时间尺度内完全去除金刚石下方的氧化物在物理上不太可能。
机制二：热机械应力。 这是更可能的原因。高功率等离子体会导致硅载体强烈加热，而金刚石层的加热程度不同。由于金刚石（热膨胀系数约 1.0 到 1.1 ppm/K）和硅（约 2.6 ppm/K）的热膨胀系数差异，在快速升温/冷却过程中会在界面产生应力，导致局部键合失效。这就像一块玻璃和一块金属粘在一起，突然加热时，金属膨胀得比玻璃快，粘合处就会被撕裂。
为了验证这个假设，研究团队设计了一个精妙的对照实验：使用石英（热膨胀系数约 0.5 ppm/K，与金刚石非常接近）作为载体。在相同的高功率刻蚀条件下，石英载体上的 DOI 样品保持了完好的键合界面，而硅载体上的样品则脱开了。这就像是用一块热膨胀特性与金刚石接近的材料来"缓冲"热冲击。
微掩蔽问题：纳米柱的"罪魁祸首"
解决了键合脱开问题后，下一个挑战是微掩蔽（micromasking）。在氧气等离子体刻蚀过程中，表面上的微小颗粒（来自抛光残留、处理污染或载体材料的再沉积）会局部遮挡金刚石，导致被遮挡的区域比周围刻蚀得慢，最终形成纳米柱状结构。这就像在一块被酸蚀的金属板上放了几粒沙子——沙子下面的金属不会被腐蚀，最终留下突起的"柱子"。
SEM 图像显示了大量密集的纳米柱结构，高度达到 1 微米以上。这些纳米柱对光子器件来说是灾难性的——它们会散射光波，增加传播损耗，降低腔的品质因子。
解决微掩蔽的方法有两个：
方法一：使用石英顶罩。 在 DOI 样品上方放置一个带有激光切割开口的石英罩，限制等离子体对周围载体表面的直接轰击，减少再沉积驱动的微掩蔽。这就像给雕刻对象盖上一个保护罩，只暴露需要刻蚀的区域。
方法二：循环清洁。 在长时间刻蚀过程中定期插入 Ar/Cl2 清洁步骤，去除新积累的颗粒，防止它们发展成大的表面缺陷。Ar/Cl2 等离子体能够平滑金刚石表面——文献报道可以在 10 分钟内将表面粗糙度从 0.53 纳米降至 0.19 纳米。
最终优化的循环刻蚀配方
经过系统性的配方开发，研究团队确定了最终的刻蚀参数：
一个完整的循环由两个步骤组成。第一步是 Ar/Cl2 清洁/平滑步骤：ICP 功率 100W，RF 功率 250W，气体流量为 Ar 15 sccm 和 Cl2 7 sccm，腔室压力 0.01 mbar，载体温度 20 摄氏度，金刚石刻蚀速率约 10 nm/min，持续 4 分钟。第二步是 Ar/O2 主要去除步骤：ICP 功率 200W，RF 功率 300W，气体流量为 Ar 50 sccm 和 O2 13 sccm，腔室压力 0.01 mbar，载体温度 20 摄氏度，金刚石刻蚀速率约 50 到 55 nm/min，持续 4 分钟。
通过重复执行这个循环，成功将 10 微米的键合金刚石板减薄到约 300 纳米。
这个配方的精妙之处在于"张弛有度"：Ar/O2 步骤是"张"——高功率、高效率地去除金刚石材料；Ar/Cl2 步骤是"弛"——低功率地清洁表面、消除微掩蔽。两者交替进行，既保证了整体刻蚀效率，又维护了表面质量。
比色法厚度评估：用"颜色"测量"厚度"
在金刚石薄膜减薄过程中，一个关键问题是如何实时监测薄膜厚度。传统的方法（如白光干涉仪 WLI、原子力显微镜 AFM）虽然精确，但设备昂贵、操作复杂，不适合大面积快速检测。
研究团队发现了一个优雅的替代方案：利用金刚石薄膜在 SiO2 衬底上产生的颜色变化来推断厚度。这个原理与肥皂泡呈现彩色的原因相同——薄膜干涉。当光照射到金刚色/SiO2 界面时，一部分光在金刚石上表面反射，另一部分穿透金刚石后在 SiO2 界面反射。两束反射光之间的光程差取决于金刚石薄膜的厚度，不同厚度对应不同的干涉颜色。
通过建立金刚石厚度与颜色之间的精确映射关系，研究团队实现了仅用普通光学显微镜就能以 5 纳米精度测量金刚石薄膜厚度的方法。具体来说，他们在 CIELAB 等标准色彩空间中分析了不同金刚石/SiO2 厚度组合的颜色差异，建立了色彩距离与厚度的对应关系。验证结果表明，比色法测得的厚度与白光干涉仪的测量结果高度一致。
这个方法的价值在于它极大地降低了厚度计量的门槛——任何拥有标准光学显微镜和相机的实验室都可以使用，无需昂贵的专用设备。这对于金刚石光子器件的工业化生产具有重要意义。
实验结果分析
DOI 基板的表征
减薄后的 DOI 基板经过了全面的表征：
SEM 成像在 300 倍放大下显示，表面几乎没有可见的污染颗粒，即使在非超净环境下操作也是如此。拉曼光谱确认目标区域存在单晶金刚石，特征拉曼峰清晰可见。AFM 形貌测量表明表面粗糙度 Rq 小于 0.5 纳米，达到了光子级要求。白光干涉仪测量显示目标薄膜区域厚度约 300 纳米，水平和垂直方向的厚度剖面显示良好的均匀性。光学显微镜图像中颜色对比清晰对应厚度变化，紫色区域为目标约 300 纳米区域。
厚度均匀性
在 0.5 乘 0.5 平方毫米的目标区域内，薄膜厚度变化小于 0.08 nm/um。这意味着在 500 微米的距离上，厚度变化仅约 40 纳米。对于纳米光子器件来说，这种均匀性已经足够——典型的光子晶体腔对厚度变化的容忍度在几十纳米量级。
光子芯片的制备验证
研究团队在 DOI 基板上成功制备了独立式金刚石光子芯片。工艺流程包括：电子束光刻定义图案、通过 SiN 硬掩模转移图案、HF 湿法刻蚀去除 SiO2 牺牲层以释放独立金刚石结构。整个工艺使用标准的两步光刻流程，无需复杂的薄膜转移、底部刻蚀或基座形成步骤。
与现有技术的全面对比
本文方法与其他代表性薄膜金刚石方法的对比显示了其独特优势。在面积方面，本文实现了 500 乘 500 平方微米的光子级区域，与高/Loncar 组的 200 乘 200 平方微米和 Maletinsky 组的毫米级各有优劣。在粗糙度方面，本文的 0.5 纳米虽然不如 Maletinsky 组的 0.2 纳米和 IonQ 的 0.3 纳米，但对于光子应用已经足够。在厚度方面，本文的 300 纳米比其他方法的 70 到 160 纳米要厚，但工艺简单性是其最大优势。最关键的区别在于：本文方法产生的是真正的 DOI 基板，无金属中间层，保留了埋层界面，工艺简单可扩展。
与现有工作对比
与离子切片/智能切割方法的对比。 这些方法通过离子注入在金刚石内部形成埋层损伤层，然后通过退火或化学刻蚀实现膜层剥离和转移。虽然可以产生高质量膜层，但需要许多苛刻且昂贵的步骤，而且膜层面积通常限制在 250 微米以内。本文的直接键合+刻蚀减薄方法更加简单直接。
与自由站立膜层方法的对比。 自由站立的金刚石膜层（如 IonQ 平台使用的热压键合膜转移）不是真正的 DOI 基板，与全金刚石光子学和后续 3D 集成步骤的兼容性和可扩展性有限。本文方法产生的是真正的 DOI 基板，更适合工业化生产。
与高/Loncar 组工作的对比。 该组也制造了 DOI 基板，但使用了 Cr/Au 金属框架来支撑薄膜区域。金属层的引入可能带来吸收、应力和污染等问题，影响量子比特的相干性和光子损耗。本文方法无需金属中间层。
刻蚀工艺的创新。 本文的循环 Ar/Cl2 + Ar/O2 刻蚀策略在保持键合界面完好的同时实现了高质量减薄，这在直接键合的 DOI 基板上是首次实现。此前的循环刻蚀方法仅用于自由站立膜层的制备。
潜在应用与影响
大规模集成量子系统。 DOI 基板为金刚石量子光子学提供了一个可扩展的平台。类似于 SOI 在硅光子学中的革命性作用，DOI 可以支撑密集集成的波导、光子晶体腔、耦合器和更复杂的光子回路。结合金刚石色心量子比特，这为实现模块化量子处理器和量子网络节点奠定了基础。
3D 集成量子处理器。 本文提到的 DOI 平台特别适合 3D 集成——垂直堆叠金刚石量子比特层、光子层和低温 CMOS 控制电子层。这种 3D 集成架构被认为是实现模块化量子处理器和网络节点的有前途的路线。
比色法厚度评估的工业价值。 5 纳米精度的比色法厚度评估方法为金刚石光子器件的工业化生产提供了关键的质量控制手段。它可以在不需要昂贵计量设备的情况下，快速、大面积地检查薄膜厚度和均匀性，大幅缩短工艺开发周期。
经典金刚石光子学。 虽然本文的主要动机是推进量子纳米光子学，但 DOI 平台和计量方法同样适用于经典金刚石光子学、光电子学和高功率/极端环境金刚石电子学。
量子传感和量子通信。 金刚石色心在量子传感（如磁场、温度、应变传感）和量子通信（如量子中继器）中有重要应用。DOI 基板的可扩展制造将推动这些应用从实验室走向实际部署。
局限性与未来方向
薄膜厚度仍有优化空间。 当前实现的 DOI 膜厚约 300 纳米，而其他方法已经实现了 70 到 160 纳米的更薄膜层。更薄的膜层对单模波导和更高品质因子的光子晶体腔更有利。未来可以通过优化刻蚀配方和更精确的终点检测来实现更薄的光子级 DOI。
膜厚均匀性需进一步提升。 虽然在 0.5 乘 0.5 平方毫米区域内实现了较好的均匀性，但对于更大面积的集成光路来说，可能需要更好的厚度均匀性控制。这可能需要更复杂的掩模设计和刻蚀工艺。
键合面积的扩展。 当前的光子级区域为 0.5 乘 0.5 平方毫米，虽然比许多文献报道的要大，但对于大规模集成光路来说仍然有限。扩展到更大的键合面积需要解决更大范围的厚度均匀性和键合质量控制问题。
刻蚀速率与表面质量的平衡。 当前的循环刻蚀配方中，Ar/O2 步骤的刻蚀速率约 50 到 55 nm/min，这意味着从 10 微米减薄到 300 纳米需要约 3 小时的刻蚀时间。提高刻蚀速率可以缩短生产周期，但需要在不牺牲表面质量的前提下实现。
比色法的适用范围。 比色法厚度评估依赖于金刚石/SiO2 体系的光学特性，对于其他材料体系可能需要重新建立颜色-厚度映射。此外，比色法的精度可能受到光学显微镜分辨率和照明条件的限制。
与量子器件的集成验证。 本文验证了光子芯片的制备，但尚未在 DOI 基板上实现完整的量子器件（如含色心的光子晶体腔）并测试其量子性能。这是下一步需要验证的关键步骤。
总结
这项工作在金刚石量子光子学的制造工艺方面取得了重要突破。通过系统性的等离子体刻蚀配方优化，研究团队解决了直接键合 DOI 基板在减薄过程中的两大核心挑战：键合脱开和微掩蔽。最终实现的循环 Ar/Cl2 + Ar/O2 刻蚀工艺，在保持键合界面完好的前提下，将 10 微米金刚石板减薄到 300 纳米，表面粗糙度低于 0.5 纳米，均匀性达到 0.08 nm/um。
比色法厚度评估技术的引入，为金刚石薄膜的工业化生产提供了低成本、高效率的质量控制手段。仅需普通光学显微镜就能以 5 纳米精度测量膜厚，这在金刚石光子学领域是一个重要的实用化贡献。
从更宏观的视角来看，DOI 平台之于金刚石光子学，正如 SOI 之于硅光子学——它提供了一个标准化的、可扩展的基板架构，使得复杂的光子回路可以像集成电路一样批量制造。虽然距离真正的大规模集成金刚石量子系统还有很长的路要走，但本文的工作为这条道路铺下了一块坚实的基石。
对于量子计算、量子通信和量子传感领域的研究者和工程师来说，这项工作提供了一个切实可行的制造方案——不需要昂贵的离子注入设备、不需要复杂的膜层转移工艺，只需要标准的 ICP-RIE 刻蚀系统和键合设备，就能制备光子级 DOI 基板。这种"工艺民主化"对于推动金刚石量子技术从实验室走向产业化具有重要意义。
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