摘要：金刚石色心量子比特与光子电路集成后，可被高保真度地初始化、操控、纠缠和单独读取，这使得该框架成为实现大规模模块化量子计算机、量子网络和分布式量子传感系统的理想方案。然而，异质外延生长单晶金刚石以及光子级金刚石绝缘体上（DOI）衬底的尺寸限制，为其与现有制造工艺的集成带来了挑战。在本工作中，我们开发了一种等离子体刻蚀配方，用于高效刻蚀直接键合的（100）单晶金刚石薄膜（<50 µm），以制备大面积、薄膜DOI衬底，并展示了使用该配方制备的DOI衬底制造自支撑光子芯片的工艺。该等离子体刻蚀配方在电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP RIE）系统上经过优化，能够保持金刚石键合完好，提供足够的微掩模和表面质量控制，并实现薄膜DOI衬底的制造。使用该配方，我们将键合在SiO₂/Si衬底上的10 µm金刚石板减薄，并制备了光子级（厚度≤300 nm）DOI衬底。我们在0.5×0.5 mm²区域内实现了厚度均匀约300 nm的DOI薄膜，表面粗糙度低于0.5 nm，同时保持键合界面完好。我们使用该DOI衬底通过标准两步光刻工艺制造了金刚石光子芯片，无需任何复杂的薄膜转移、金刚石下刻蚀步骤或形成基底结构。我们还对SiO₂上金刚石层的可见性进行了色度学研究，并在常见色度空间中量化了不同厚度下的色差。最后，该分析被用于从标准光学显微镜图像中自动外推金刚石厚度，分辨率为5 nm，与白光干涉仪（WLI）厚度测量结果吻合良好。这种大面积、薄型金刚石绝缘体上（DOI）衬底，结合色度学厚度评估技术，为金刚石纳米光子器件的可规模化制造提供了有效的制造平台和可靠的厚度验证方法，从而为实现大规模集成量子系统开辟了道路。

关键词：等离子体刻蚀，金刚石绝缘体上，防解键合，表面质量控制，厚度验证，自支撑金刚石芯片，色度学

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金刚石已成为量子技术[1-6]和极端环境器件的主要材料平台之一。其广泛的应用源于超宽禁带（约5.47 eV）、优异的热导率（约2200 W·m⁻¹·K⁻¹，天然材料中最高之一）、高机械刚度、从紫外到中红外的光学透明度以及化学稳定性[2,7-13]等特性的结合。在传统器件领域，这些特性支撑了低损耗光子学（包括拉曼激光和非线性光学）、光电子器件以及具有高击穿场和高效散热能力的极端环境电子学[7-15]。除了体材料特性外，金刚石还拥有类原子点缺陷或色心，包括氮空位（NV）中心和IV族分裂空位中心（如SiV、GeV和SnV）。这些缺陷提供了具有长相干时间和自旋选择性光学跃迁的光学可寻址电子自旋[5,6,16-19]。因此，金刚石色心已成为量子计算、量子通信网络和分布式量子传感系统中有吸引力的构建模块。它们已经实现了基于金刚石的单光子源[3,16,20,21]、量子传感系统[16,22-25]、长寿命量子存储器[26-28]以及包括自旋-光子纠缠和多节点量子网络在内的里程碑式演示[1,6,28-30]。

实现基于这些固态量子比特的实际系统需要高效的自旋-光子接口和低损耗片上路由[16-18,31-34]。将色心嵌入纳米光子结构（如波导、微盘/环和光子晶体腔）中，可增强发射进入有用光学模式，提高收集效率，并实现腔QED机制，其中Purcell增强加速了相干光子产生并可提高纠缠率[6,16-18,32,35-37]。近期进展突显了这一机遇：薄膜金刚石PhC腔已展示了创纪录的可见光波长品质因子Q≈1.6–1.8×10⁵，IV族中心如SnV⁻在纳米结构中表现出强腔增强发射和大β因子[6,16,18,35-40]。

然而，从一次性金刚石器件向可规模化集成电路的转变仍受限于材料、衬底可用性和加工现实。高质量、均匀的薄单晶金刚石（SCD）层在大规模上仍难以实现。商用高纯度SCD通常仅以小板（毫米-厘米级）形式提供，而通过直接异质外延实现晶圆级SCD仍因成核、晶格和热膨胀失配、残余应变、镶嵌性和高密度位错而具有挑战性[16,31,36,37,39-47]。因此，高性能SCD纳米光子学的大部分工作要么依赖于从体金刚石直接加工自支撑结构（使用倾斜/准各向同性刻蚀或聚焦离子束方法），要么依赖于制造和转移通过离子切片、过度生长或类似智能切割方法从体材料衍生的薄膜。这些途径实现了最先进的原理验证器件，包括高Q腔、波导和谐振器。然而，它们在吞吐量、设计灵活性、表面损伤、薄膜面积、表面质量和厚度均匀性的可变性、背面粗糙度和基底形成方面仍受限制。这些参数直接影响光学散射损耗、腔良率、共振可重复性、与色心跃迁的光谱匹配，并最终影响金刚石量子光子电路的可扩展性[16,31,37,41,42,48-51]。

在传统的体金刚石自支撑制造路线中，如准各向同性氧刻蚀，底切由晶面依赖的刻蚀轮廓和图案化结构的局部几何形状决定[41,52,53]。因此，准各向同性刻蚀可以自然地形成基底支撑的悬空器件，如报道的单片金刚石微盘，其中沙漏形基底保留在释放的盘下方[52]。对于更复杂的布局，如交叉波导或交叉波导结构[54]，这种几何依赖的底切可能使完全释放更加困难，因为不同的臂和连接区域可能提供不同的刻蚀访问路径，并可能留下残余支撑区域，除非释放经过精心设计。相比之下，DOI工艺使用埋入的SiO₂作为牺牲层，在需要时能够更直接地释放框架支撑的金刚石光子芯片，用于拾取放置型异构集成。

在本工作中，我们通过开发和验证从直接键合（100）SCD薄膜（<50 µm）开始的光子级DOI的等离子体刻蚀工艺来解决制造瓶颈。我们优化了一种ICP-RIE配方，交替进行刻蚀和表面清洁步骤，以（i）在强力减薄过程中抑制解键合，（ii）最小化微掩模和纳米柱形成，以及（iii）提供适用于纳米光子学的光滑均匀薄膜。使用该工艺，我们将键合在SiO₂/Si上的10 µm金刚石板减薄至约300 nm，同时在0.5×0.5 mm²区域内保持亚纳米粗糙度并保持键合界面完好，满足集成金刚石波导和腔的实际目标。

此外，为支持减薄过程中的快速简便计量，我们开发了一种针对金刚石/SiO₂/Si堆叠的基于色度学的厚度评估方法。通过分析标准色空间中不同金刚石/SiO₂厚度组合的色距，我们建立了从光学显微照片到金刚石薄膜厚度的稳健映射，分辨率约为5 nm。该映射通过白光干涉仪（WLI）进行了验证。该方法提供了一种低成本、基于显微镜的计量工具，用于跟踪减薄过程，缩短等离子体刻蚀优化周期，并在无需专用厚度计量仪器的情况下实现大面积均匀性检查。

综合而言，优化的等离子体减薄工艺、框架支撑光子芯片演示和色度学厚度评估为光子级DOI衬底提供了一条实用途径，具备可重复金刚石光子器件制造所需的表面质量和厚度控制。虽然主要动机是推动金刚石量子纳米光子学向可扩展、异构集成并最终三维集成系统发展，但相同的DOI平台和计量学也与经典金刚石光子学、光电子学以及高功率或极端环境金刚石电子学相关。因此，该加工方法不仅限于量子应用，并为制造薄型、器件就绪单晶DOI衬底提供了广泛适用的途径。

为实现大规模集成金刚石光子电路，需要合适的衬底架构。领先的单片候选方案是金刚石绝缘体上（DOI）平台，由薄型光子级SCD薄膜键合到低折射率衬底（通常是硅操作晶圆上的二氧化硅SiO₂）组成[16,37,47,51]。该架构类似于改变了微电子学和硅光子学的绝缘体上硅（SOI）平台[56-58]。在DOI中，金刚石（n≈2.4）与SiO₂（nSiO₂≈1.45）之间的强垂直折射率对比度使金刚石层中能够实现紧密的光学限制，支持紧凑波导和高Q腔。这代表了从单个色心或释放器件的原理验证实验向工程化、可扩展和集成金刚石量子光子系统转变。类似于硅光子学中的SOI[57,59-62]，DOI可以避免复杂的金刚石底切步骤[16,41,48,52,53,63-65]，并实现高折射率对比度波导、1D/2D PhC腔、耦合器及更复杂光子电路的平面加工。它还提供了与探测器、电极和异构材料密集集成的自然途径。近期类薄膜DOI平台已展示了高Q腔和均匀器件阵列[16,37,51]，前提是金刚石薄膜具备：（i）适用于单模导波的数百纳米厚度，（ii）低表面粗糙度，通常在器件区域低于约1 nm以抑制光学散射，以及（iii）低总厚度变化（TTV）以保持芯片上的光谱均匀性。

在非金刚石衬底上外延生长SCD仍然极具挑战性。尽管已在专用晶体模板（最值得注意的是基于Ir的缓冲堆叠）上展示了异质外延金刚石，但这些方法需要复杂的晶格和热膨胀管理，并且仍然存在镶嵌性、残余应变和位错问题。相比之下，据目前文献所知，在低折射率氧化物衬底（如SiO₂）上直接生长或沉积光子级SCD薄膜尚未实现。报道的在SiO₂或熔融石英上的金刚石生长通常产生微晶、纳米晶或多晶金刚石，而非光子级SCD[16,41,45-47,53,66,67]。因此，键合现有SCD板仍然是迄今为止将金刚石附着到低折射率氧化物材料并实现DOI衬底的最实用途径[16,37,41,42,47,51,53]。在可用的键合方法中，亲水直接键合特别有吸引力，因为它能够在低温和大气条件下将（100）SCD板直接键合到等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长的SiO₂/Si衬底上，如我们先前工作所证明[47]。然而，迄今为止，制造大面积、光子级厚度接近或低于300 nm的DOI衬底仍然具有挑战性[16,37,41,42,47,51,53]。

几个团队已探索了使用类似智能切割技术的工艺来制造光子级SCD薄膜或膜[16,41,43,49-51,68]。这些方法可以产生高质量薄膜，但通常需要许多要求苛刻且昂贵的步骤，包括离子注入以创建埋入损伤层、SCD过度生长、薄膜剥离、转移打印和复杂薄膜键合。因此，所生产的薄膜迄今为止在面积（≤250 µm）和大规模光子电路及3D集成片上量子系统的可扩展性方面仍然有限[16,37,50,51]。直到最近，才报道了使用离子注入、薄膜剥离、高质量过度生长和带金属焊盘的倒装芯片键合等工艺步骤实现了500×500 µm²的薄膜面积[40]。然而，该工艺为光子结构生产自支撑薄膜而非传统DOI衬底，这限制了其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[40]。

因此，核心的材料加工挑战是将直接键合或转移的SCD薄膜减薄和平坦化为光子级DOI薄膜，同时保持表面和界面质量。干法刻蚀对于此步骤不可或缺[53]，但金刚石的氧基电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）对来自颗粒或再沉积的微掩模敏感，可能产生纳米柱和凹坑，并可能引入降低光学性能的粗糙度[53,69-73]。将高效材料移除与平滑或清洁步骤（如循环O₂和Ar/Cl₂等离子体）相结合的工艺窗口可以减轻这些影响，并实现适用于高精细光学和腔QED的亚纳米粗糙度[53,69-74]。与表面质量并行，键合界面对于DOI可靠性、热预算和3D集成至关重要。金刚石与SiO₂/Si的亲水直接键合具有吸引力，因为它避免了可能引入对量子比特相干性和光子损耗有害的吸收、应力或污染的金属或聚合物中间层[16,47,51]。近期工作已展示了低温下（100）金刚石与沉积SiO₂的直接键合，界面化学和键合前表面制备（包括等离子体/食人鱼活化和粗糙度控制）与键合良率和剪切强度直接相关[47]。

表1比较了本工作与近期薄膜金刚石方法。与自支撑薄膜或多步转移薄膜方案不同，我们的工艺专门针对SiO₂/Si上的真正直接键合DOI平台。关键区别在于一种与载板兼容的途径，结合了亚毫米级光子级DOI面积、深减薄至约300 nm、埋入金刚石-氧化物界面的保持以及无金属或中间键合层。因此，所得平台更接近实用DOI衬底而非释放薄膜演示器。为验证所制造DOI层的可用性，我们进一步制造了框架支撑的金刚石光子芯片，其中波导保留在周围机械框架内。这种几何形状为大规模金刚石量子光子系统提供了异构集成的实用构建模块。

表1：代表性薄膜金刚石和金刚石绝缘体上（DOI）方法的简要比较。

DOI - 金刚石绝缘体上，NR - 未报道。* 并非真正的DOI堆叠。

展望未来，垂直堆叠金刚石量子比特层、光子学和低温CMOS控制电子学的3D集成被认为是实现模块化量子处理器和网络节点的有前景途径[33]。DOI基础层非常适合此类堆叠，因为它提供了平面光子基础，可与超导、非线性或压电薄膜共同集成，用于频率转换和声子介导接口，正如近期在混合薄膜金刚石平台中所探索的。

ICP-RIE是最广泛使用的减薄和结构化单晶金刚石的方法之一，因为它解耦了等离子体密度和离子轰击能量，允许独立调整刻蚀速率、各向异性和表面改性[71,75]。基于富氧等离子体的早期研究确立了金刚石在ICP条件下可以高速率刻蚀，而后期工作表明，如果表面存在颗粒或再沉积材料，长时间的氧基刻蚀往往会促进微掩模、纳米柱形成和表面粗糙化[71,76-78]。氯基等离子体，特别是Ar/Cl₂，随后被引入作为互补途径，因为它们可以平滑金刚石表面并减少长时间O₂刻蚀中经常观察到的择优粗糙化[69,72,75,79]。因此，近期工作已收敛于循环工艺，交替进行富氧刻蚀步骤和氯基清洁/平滑步骤，以结合可接受的去除速率与减少的微掩模和改善的表面质量[72,75]。

对于直接键合DOI衬底[47]，这些一般性考虑变得更加严格。除了保持合理的刻蚀速率和光滑的金刚石表面外，工艺还必须保持埋入键合界面，避免暴露或损坏下方的氧化物/支撑堆叠。当直接键合金刚石板从数十微米范围减薄到光子级DOI所需的数百纳米范围时，这一点尤为重要。在本工作中，工艺流程因此结合了载板晶圆工程、气体化学优化、顶面掩蔽和循环刻蚀。整体路线从直接键合DOI堆叠开始，然后逐步修改载板/支撑设计和等离子体条件以抑制解键合和微掩模，最后应用循环减薄以获得0.5×0.5 mm²区域上约300 nm的金刚石薄膜。

图1：(a) 金刚石减薄过程示意图。从商用金刚石板和硅晶圆开始，我们将两者直接键合形成初始DOI衬底。然后通过反应离子刻蚀减薄金刚石板厚度，得到薄且光滑的DOI衬底。(b) 优化的ICP-RIE载板晶圆和掩模概念。金刚石绝缘体上样品为待刻蚀样品，石英掩模施加在样品顶部以最小化微掩模。刻蚀过程中DOI衬底安装在双层载板晶圆堆叠上。(c) 装载在RIE工具（Oxford Instruments Plasmalab System 100）中的DOI样品进行刻蚀。

如图1所示，商用单晶金刚石板首先直接键合到SiO₂/Si载板上[47]，形成初始DOI结构。键合样品随后使用基于石英的载板/掩模组件安装用于ICP-RIE减薄，该组件旨在最小化金刚石表面的再沉积。在最终工艺流程中，使用顶面石英掩模来限制周围载板晶圆的等离子体暴露，从而降低源自载板侵蚀或再沉积的微掩模的可能性。薄金刚石层的厚度演变通过Dektak触针式轮廓仪、WLI和拉曼光谱进行评估，而表面质量通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）进行跟踪。厚度计量与表面质量检查之间的这种分离在配方开发过程中被证明是有用的。

表2：与DOI减薄和表面质量控制相关的代表性文献ICP-RIE途径。

该文献表格旨在说明配方开发的逻辑依据，而非提供详尽的配方目录。

表2中总结的文献趋势直接激发了本工作中使用的配方策略。富氧ICP-RIE提供了所需的材料移除速率，但长时间的氧基刻蚀容易发生粗糙化和与微掩模相关的缺陷形成。相比之下，Ar/Cl₂不太适合作为唯一的高速率刻蚀，但对于清洁和光滑化很有价值[69,72]。因此，工艺开发专注于将这种已建立的循环逻辑从自支撑薄膜制造转化为直接键合DOI衬底，其中保持键合界面成为同样重要的约束。

在本节中，我们描述了用于减薄键合在SiO₂/Si衬底上的SCD的干法刻蚀配方的开发。如图1(a)所示，我们从商用SCD板（50-500 µm厚）和硅晶圆开始。首先在硅晶圆上沉积300 nm SiO₂层，作为DOI平台的埋入氧化物层。在对金刚石和SiO₂/Si晶圆进行表面处理后，将两者直接键合[47]。已形成DOI衬底的键合板堆叠随后通过反应离子刻蚀减薄以减少金刚石厚度。我们的目标是制造厚度可控在亚微米范围、表面粗糙度低于0.5 nm的DOI衬底，同时不影响刻蚀速率或金刚石表面质量。

我们工艺的关键部分是干法刻蚀，包括准备载板晶圆和优化刻蚀化学。用于装入刻蚀腔室的载板晶圆概念如图1(b)所示。我们尽可能选择石英作为掩模和载板晶圆材料，因为在氧等离子体基刻蚀过程中，与其他常用材料相比，石英显示出最少的材料再沉积[69]。这在长时间刻蚀运行中变得尤为重要，其中再沉积和颗粒积累可能导致严重的微掩模。

4.1. 初始刻蚀配方和挑战

我们首先测试了改编自Ruf等人报道的用于在微米薄刻蚀金刚石薄膜中产生光学相干NV中心的工艺的刻蚀顺序[69]。相应参数在表3中列为"初始DOI刻蚀"。在我们的情况下，起始衬底是直接键合到Si操作晶圆上300 nm PECVD SiO₂层的4 mm×4 mm单晶金刚石板。在参考工艺中，Ar/Cl₂等离子体主要用作表面清洁步骤以去除颗粒和抑制微掩模，而O₂等离子体提供主要的金刚石移除步骤。然而，当这些相对高功率的等离子体条件应用于直接键合DOI样品时，在Ar/Cl₂和O₂步骤中都发生了解键合。解键合通过刻蚀后干涉条纹的出现从光学上识别，与金刚石-氧化物键合界面处形成气隙一致。

表3：用于刻蚀配方优化的DOI衬底及相应的等离子体刻蚀参数。

对于观察到的解键合，考虑了两种可能的机制。第一种是埋入SiO₂层的横向攻击或欠刻蚀。由于Ar/Cl₂等离子体可能具有各向同性成分，且刻蚀过程中周围载板表面的部分可能暴露，埋入氧化物原则上可以从金刚石边缘受到攻击。然而，对于4 mm×4 mm键合金刚石板，仅通过横向刻蚀在工艺时间尺度内完全移除金刚石下方的氧化物是不太可能的。此外，在O₂刻蚀步骤中也观察到解键合，其中SiO₂的化学移除预计不是主导过程。因此，我们认为氧化物欠刻蚀本身不足以解释观察到的失效。

第二种且更合理的机制是等离子体诱导的热机械应力。在高功率等离子体条件下，Si操作晶圆可能经历比键合金刚石层更强的加热和更大的热机械响应。这种失配可以产生界面应力并触发局部键合失效，特别是当埋入氧化物仅300 nm厚且因此无法实质性地适应金刚石与Si载板之间的膨胀差异时。代表性的室温热膨胀系数约为金刚石1.0–1.1 ppm K⁻¹和单晶硅2.6 ppm K⁻¹，后者在升高温度时进一步增加[9,80,81]。这种差异为快速加热和冷却过程中的等离子体诱导界面应力提供了可信途径。

为区分这些机制，我们制备了具有三种受控变化的DOI样品：SiO₂厚度、SiO₂沉积方法和载板衬底材料。增加SiO₂厚度降低了埋入氧化物被边缘横向攻击完全移除的可能性，并且对于后期释放自支撑光子结构也是有利的。我们比较了PECVD和热生长SiO₂，因为厚PECVD氧化物可能引入较高的表面粗糙度，这可能使直接键合复杂化，而热生长SiO₂可以提供具有高表面质量的微米级氧化物厚度。最后，引入熔融石英作为替代载板衬底以测试热冲击假说。其热膨胀系数约为0.5–0.55 ppm K⁻¹，比硅更接近金刚石[9,80,81]，使石英成为测试热冲击假说的有用平台。

4.2. 使用键合到厚PECVD/热氧化物的金刚石进行低功率刻蚀

为降低等离子体加工过程中氧化物完全损失的风险，我们使用PECVD将SiO₂厚度从300 nm增加到2.5 µm（Rq=4.44 nm）。使用这种厚氧化物DOI衬底，我们测试了降低ICP/RF功率（从而降低热负载）的改良刻蚀条件，如表3所示。

厚DOI温和刻蚀步骤1是初始氧基金刚石刻蚀的低功率版本。加工15分钟后，金刚石板保持键合，确认降低等离子体负载可以减轻在初始高功率条件下观察到的解键合。然而，降低功率也降低了材料移除速率，使得该条件本身不足以用于实际DOI减薄。因此，我们测试了富氧Ar/O₂化学，在表3中称为厚DOI温和刻蚀步骤2，其中将Ar添加到O₂等离子体中以增加有效移除速率，同时避免原始高功率O₂条件。金刚石在刻蚀15分钟后保持键合。相同的Ar/O₂配方随后被长时间应用于键合到Si上2.5 µm热生长SiO₂（Rq=0.2 nm）的金刚石板，即使在刻蚀60分钟后键合界面仍保持完好。这些结果表明，当等离子体条件适中时，基于Si的DOI载板可以承受长时间的减薄。

尽管键合保持完好，但长时间Ar/O₂刻蚀后的表面质量不适用于光子级DOI。因此使用光学显微镜和SEM检查来识别粗糙化的来源。如图2a所示，顶视图光学显微镜图像显示高密度表面缺陷。将样品架倾斜15°后，SEM检查（图2b,c）显示出密集的柱状形貌。这些特征是微掩模驱动粗糙化的典型表现，其中局部颗粒、残留物或再沉积材料在氧基刻蚀过程中部分屏蔽金刚石，导致纳米柱或凹坑的形成[69,70]。这一观察对工艺开发很重要：降低等离子体功率可以保持直接键合DOI界面，但仅降低功率不能提供光子应用所需的表面质量。

图2：使用初始DOI刻蚀配方长时间刻蚀后观察到的表面损伤，无石英掩模。(a) 表面光学显微镜图像。(b) 长时间刻蚀后金刚石表面的顶视图SEM图像，显示与微掩模相关的纳米柱状结构。(c) 高度为1.04 µm的纳米柱，60k倍率成像。样品载板倾斜15°。

4.3. 键合到石英载板的金刚石的高功率刻蚀

在硅基载板上的温和刻蚀实验表明，一旦等离子体负载降低，键合界面可以保持，表明埋入氧化物的完全欠刻蚀不太可能是解键合的主导原因。为直接测试热机械失配的作用，我们通过将金刚石键合到熔融石英载板上的300 nm PECVD SiO₂层制备了额外的DOI衬底。选择熔融石英是因为其热膨胀系数比硅更接近金刚石，使其成为测试热冲击假说的有用诊断衬底[81,82]。

成功键合后，使用表3中列出的原始高功率参考条件（即导致硅基载板解键合的相同条件）刻蚀石英基DOI衬底。在15分钟O₂刻蚀和随后的20分钟Ar/Cl₂步骤后，样品保持键合。这一结果强烈支持热膨胀失配是观察到的金刚石键合到SiO₂/Si解键合的主要原因。同时，石英实验也表明，仅键合存活不足以用于光子级DOI减薄：刻蚀后仍观察到严重的微掩模。因此，石英载板在诊断意义上解决了解键合问题，但本身并未提供在传统Si平台上进行DOI减薄的制造途径。

4.4. 颗粒诱导微掩模的起源和工艺影响

解决解键合问题后，微掩模诱导的表面退化成为实现光子级DOI减薄的剩余关键限制。相关的颗粒可能来自两个途径。首先，它们可能由于生长、抛光、处理、清洁残留物或外部污染而已经存在于金刚石表面上。其次，它们可能在等离子体加工过程中当周围载板晶圆或掩模堆叠的暴露区域被刻蚀并再沉积到金刚石表面时产生。在氧基金刚石刻蚀过程中，这种局部微掩模部分保护了下方的金刚石并演变为纳米柱或凹坑，如刻蚀金刚石薄膜中也有报道[69,70]。

这些观察导致了两个工艺变化。首先，引入了带激光切割开口的熔融石英顶面掩模，以限制周围载板表面的直接等离子体暴露并减少再沉积驱动的微掩模。其次，Ar/Cl₂清洁步骤被循环纳入而非仅用作刻蚀前步骤。这样，新积累的颗粒可以在长时间刻蚀过程中发展成大表面缺陷之前被去除。加上清洁、键合、安装和刻蚀之间处理时间的减少，这些变化定义了可制造DOI减薄途径的工艺要求：配方必须在材料移除过程中保持键合界面同时反复刷新金刚石表面。

5.1. 刻蚀参数

上述配方开发研究表明，成功的DOI减薄工艺必须同时满足三个要求：键合界面必须在等离子体暴露中存活，载板诱导的再沉积必须最小化，并且在长时间刻蚀运行中金刚石表面必须反复清洁。因此，本工作中开发的最终配方结合了适中的等离子体条件、载板/掩模工程和循环刻蚀。与初始高功率参考工艺相比，主要移除步骤使用Ar/O₂等离子体而非纯O₂，而Ar/Cl₂等离子体保留作为专用清洁和光滑化步骤。此外，载板和掩模配置设计为限制周围晶圆表面的不必要暴露，从而减少再沉积驱动的微掩模。

表4：本工作中开发的优化循环刻蚀配方。一个完整循环由4分钟Ar/Cl₂和随后4分钟Ar/O₂组成。

Ar/Cl₂步骤主要用于清洁/光滑化，而Ar/O₂步骤提供主要的材料移除。

优化循环配方汇总于表4。一个完整循环由4分钟Ar/Cl₂步骤和4分钟Ar/O₂步骤组成。Ar/Cl₂步骤主要去除表面颗粒并光滑金刚石表面，在所选条件下刻蚀速率约为10 nm/min。Ar/O₂步骤提供主要的金刚石移除，刻蚀速率约为50–55 nm/min。两个步骤均在0.01 mbar腔室压力和20 °C载板温度下进行。重复执行此4分钟+4分钟循环实现了直接键合金刚石板从10–20 µm范围稳定减薄到光子级范围。在本文报道的DOI演示中，10 µm键合金刚石板在0.5×0.5 mm²区域上被减薄至约300 nm，同时保持埋入金刚石-氧化物界面。这种优化配方完成了刻蚀开发的主线。先前的实验表明，高功率参考配方可触发Si基DOI上的解键合，降低等离子体负载可保持键合但本身不抑制微掩模，石英支撑证实了热冲击的作用同时也突显了改善颗粒控制的必要性。最终的循环Ar/Cl₂+Ar/O₂工艺共同解决了这些问题，因此用于本工作其余部分呈现的DOI衬底。

5.2. 光子级DOI衬底

使用优化循环配方，我们实现了直接键合DOI衬底到光子级厚度范围的受控减薄。图3总结了所得薄膜的表征。所制造的DOI包含0.5 mm×0.5 mm区域，目标厚度约为300 nm。我们使用图3a左上角的颗粒来定位目标区域。如图3b所示，橙色方块标记达到目标约300 nm厚度的区域（通过WLI测量验证，如图3f所示，两条代表性线——水平（线1）和垂直（线2）的一维厚度轮廓数据详见图3g和h），而周围键合金刚石保留较厚，最高约1 µm。这种空间厚度分布源于刻蚀过程中掩模定义的等离子体暴露和起始金刚石板的初始厚度变化。目标薄膜区域大体上没有可见污染物和微掩模诱导结构，由图3a中的SEM图像确认。表面表征显示Rq<0.5 nm的粗糙度，如图3d所示，表明循环清洁/刻蚀策略可以在深减薄过程中保持光子级表面质量。我们观察到0.5×0.5 mm²光子级DOI区域上约50–70 nm的厚度变化，这源于石英掩模相关的刻蚀不均匀性和起始金刚石板的初始厚度变化。重要的是，埋入金刚石-氧化物界面在减薄后保持完好，确认优化工艺可以结合强力材料移除与键合保持和表面质量控制。

图3：所制造DOI薄膜的整体表征。(a) ×300放大倍数的SEM图像。样品表面没有太多可见污染物，尽管我们没有保持整个刻蚀/处理/检查非常清洁。右上角的大颗粒用作定位目标区域的标记，例如子图(e)红圈中的黑点。(b) 整个DOI衬底的光学显微镜图像，橙色方块表示目标0.5 mm×0.5 mm区域。(c) 目标区域的拉曼光谱，确认SCD的存在。(d) 代表性AFM形貌，显示Rq<0.5 nm的粗糙度。(e) 放大的光学显微镜图像，颜色对比度对应厚度变化，紫色区域为目标区域。(f) 目标薄膜的WLI图像。沿水平线（(g)中的线1）和垂直线（(h)中的线2）提取厚度轮廓，两者均显示平均厚度约300 nm。

5.3. 刻蚀工艺优化总结

配方开发研究得出三个主要结论。首先，在直接键合SiO₂/Si DOI上使用原始高功率参考配方观察到的解键合主要与热机械冲击相关，而非埋入氧化物的完全欠刻蚀。这一结论得到了厚氧化物硅基样品在温和刻蚀期间存活以及键合到石英的金刚石成功进行高功率刻蚀的支持。其次，仅保持键合界面不足以用于光子级DOI制造：长时间的富氧刻蚀可能产生严重的微掩模、纳米柱和不可接受的粗糙化，除非颗粒产生和再沉积得到积极控制。第三，实用的DOI减薄工艺必须结合适中的等离子体条件、载板/掩模工程和循环表面清洁。

综合而言，这些发现定义了本工作中使用的优化工艺：石英辅助的载板/掩模配置结合4分钟Ar/Cl₂+4分钟Ar/O₂循环ICP-RIE配方。Ar/Cl₂步骤通过去除颗粒和光滑金刚石反复刷新表面，而Ar/O₂步骤提供高效减薄所需的刻蚀速率。通过这种组合策略，10–20 µm范围的键合SCD板可以减薄到光子级范围。在所演示的工艺中，10 µm键合板在0.5×0.5 mm²区域上被减薄至约300 nm DOI薄膜，同时保持埋入界面和亚纳米表面粗糙度。因此，这种优化循环配方为以下章节中呈现的光子级DOI衬底、芯片制造和厚度验证结果提供了工艺基础。

6. 用于从DOI衬底制造光子芯片的金刚石各向异性刻蚀配方优化

器件制造在前节获得的光子级DOI衬底上进行，该衬底由键合到SiO₂/Si载板晶圆上的亚微米厚金刚石层组成。主要制造步骤如图4示意所示。衬底（步骤1）首先在丙酮和异丙醇（IPA）中冲洗清洁。在步骤（2）中，通过PECVD沉积SiN硬掩模，然后旋涂AR-P-6200.09（CSAR62）电子束光刻胶。芯片图案通过电子束光刻和光刻胶显影在CSAR62中定义，随后使用CHF₃/O₂基RIE转移到SiN硬掩模中（步骤3）[69,83]。然后在步骤（4）中使用氧基各向异性干法刻蚀将图案转移到金刚石层中。最后，在步骤（5）中，使用室温缓冲氧化物刻蚀剂（BOE，7:1 v/v 40 wt% NH₄F和49 wt% HF的混合物）去除SiN掩模并底切埋入SiO₂。样品随后使用临界点干燥（CPD）进行干燥，从而从DOI衬底释放自支撑金刚石结构。

图4：基于DOI的制造工艺。样品从前一阶段制备，亚微米薄金刚石通过化学键直接键合到SiO₂/Si衬底上。图案通过电子束光刻定义，并通过SiN硬掩模转移。最后使用HF底切实现自支撑结构。更多细节见正文。

6.1. DOI衬底上的各向异性金刚石刻蚀

为将图案从SiN硬掩模转移到金刚石衬底，需要高精度、自上而下的各向异性金刚石刻蚀工艺。对于基于DOI衬底的光子器件制造，必须满足两个额外要求。首先，必须解决金刚石刻蚀过程中的微掩模问题以确保光滑器件表面。其次，在整个ICP-RIE工艺过程中必须保持高质量的键合界面，这也有利于后续基于HF的底切步骤。

我们首先评估了第4节开发的循环金刚石减薄配方，该配方提供了高效的各向异性金刚石刻蚀，同时保持良好的表面质量并保持键合界面。然而，该配方针对使用石英掩模的各向异性金刚石刻蚀进行了优化，不直接兼容使用SiN硬掩模的图案转移。使用SiN硬掩模将导致含Ar原子刻蚀过程中SiN材料再沉积引起的微掩模。因此，必须单独开发专用的各向异性金刚石刻蚀配方，用于从SiN硬掩模到金刚石衬底的图案转移。

作为替代起点，我们研究了基于纯氧等离子体的刻蚀工艺[6]，其刻蚀参数在表3“初始DOI刻蚀1”中列出。该刻蚀工艺展示了高度各向异性的金刚石刻蚀、无微掩模以及我们目标200-300 nm器件厚度范围内的光滑侧壁。然而，第4节中描述的热冲击问题再次出现，即使刻蚀持续时间仅为几十秒。

基于这两种工艺的经验，我们开发了一种新的循环金刚石刻蚀配方，专门针对使用SiN硬掩模的自上而下图案转移。该配方设计用于减轻热冲击和微掩模，具有几个关键特征。首先，设计了一种循环刻蚀方法，不含重Ar离子并降低等离子体功率。刻蚀循环包括在Oxford Instruments Plasmalab System 100 RIE系统上使用RF功率300 W和ICP功率200 W的15秒O₂刻蚀步骤（50 sccm O₂，10 µbar腔室压力）。刻蚀步骤后跟5分钟冷却步骤。其次，载板晶圆台温度从20 °C降低到0 °C，以补偿高功率等离子体引起的加热。第三，氦背冷却流量从5 sccm增加到10 sccm，以改善DOI衬底与载板晶圆台之间的热接触。

6.2. 来自DOI衬底的光子芯片

使用优化刻蚀配方和工艺流程，我们制造了自支撑金刚石光子芯片，由保留在周围支撑框架内的波导组成，如图5a,b所示。框架在释放和处理过程中提供机械稳健性，而内部波导结构构成用于异构集成的光子元件。芯片的悬浮通过暗场显微镜和拾取放置操作得到确认，如图5c,d所示。在该测试中，金刚石芯片通过范德华力用探针拾取，展示了与后续转移到光子集成电路受体上进行混合光子集成的兼容性[34,84]。

图5：制造芯片的SEM和显微镜检查。(a) 制造芯片阵列的放大视图。(b) 单个芯片的放大图像。连接结构和波导制造成功，并由支撑框架连接。光滑的顶面表明整个制造工艺后粗糙度低。左上角插图显示十字结构下方无柱状结构。(c) 芯片的暗场光学显微镜图像，以及(d) 芯片通过范德华力被探针拾取，表明底切成功。

波导横截面的更高放大倍数SEM图像（图5b插图）确认波导完全释放，结构下方无残余支撑基底。这是基于DOI的释放工艺的重要实际优势。

在此，我们展示了光子级DOI衬底的完整堆叠制造流程。使用该平台，我们制造了自支撑金刚石光子芯片，而相同的DOI方法也实现了直接由氧化物层支持的复杂非悬空金刚石光子电路。

7. SiO₂上金刚石层的对比度和厚度评估

在可见光照明下，DOI堆叠由于金刚石和SiO₂层中的薄膜干涉而表现出厚度依赖的颜色。该效应可用作减薄过程中金刚石厚度的简单快速光学指示器，类似于广泛用于SiO₂/Si衬底上石墨烯和其他薄层系统的光学对比度方法[85-87]。我们将DOI系统建模为由空气、金刚石、SiO₂和Si组成的四层堆叠，如图6a示意所示。折射率分别表示为n0=1（空气），n1=2.41（金刚石）[88]，n2=1.46（SiO₂）[89,90]和n3=4（Si）[91]。金刚石厚度d1从0到1200 nm变化，而SiO₂厚度d2从0到600 nm变化。对于此一阶对比度模型，折射率在λ=550 nm处取值，并在可见光范围内视为常数。该近似捕获了光学显微镜绿色通道附近主要干涉驱动的厚度依赖性；通过在可见光谱范围内使用波长依赖的光学常数扩展相同的传递矩阵计算，可以获得全彩色渲染。

图6：(a) SiO₂/Si衬底上金刚石的三层结构示意图，(b) SiO₂/Si衬底的双层结构示意图。

在正入射下，DOI堆叠的强度反射率从菲涅耳系数和金刚石及SiO₂层中的相位累积计算。遵循用于薄膜可见度计算的多层干涉形式[87]，空气/金刚石/SiO₂/Si堆叠的反射率表示为：

其中φᵢ = (2π/λ) nᵢ dᵢ 是层i中波长λ的相位累积。

为进行比较，裸SiO₂/Si衬底的反射率（如图6b示意所示）通过将金刚石层厚度设为零获得。相应的表达式为：

其中

金刚石薄膜相对于参考区域的光学对比度随后可定义为反射强度的相对变化：

其中Rref可以是裸SiO₂/Si衬底的反射率RSub，或具有已知参考厚度的金刚石区域的反射率。该对比度定义为识别具有高光学可见度的厚度范围以及为基于显微镜的厚度评估选择合适SiO₂厚度提供了直接途径。在以下分析中，我们使用该干涉模型计算DOI堆叠的预期颜色和对比度演变，然后将计算趋势与光学显微照片和白光干涉仪测量相关联。

7.1. 单波长下金刚石的对比度

如上述反射率表达式所示，DOI堆叠的光学对比度取决于组成层的厚度和折射率以及照明波长。在图7a中，SiO₂厚度从0到600 nm变化，同时计算300 nm和305 nm厚度金刚石层之间的对比度。在这种情况下，对比度表现出明显的调制，最大值之间的间隔更宽。在图7b中观察到类似趋势，其中300 nm金刚石层放置在厚度相差5 nm的SiO₂层上。

图7：对比度：(a) SiO₂厚度从0到600 nm变化的SiO₂/Si上305 nm和300 nm厚金刚石层之间，(b) 在SiO₂厚度相差5 nm的不同SiO₂/Si衬底上的300 nm厚金刚石层，(c) 在300 nm SiO₂/Si衬底上厚度相差5 nm的金刚石层，金刚石厚度从0到1 µm变化，(d) 在305 nm和300 nm SiO₂/Si衬底上相同厚度的金刚石层，金刚石厚度从0到1 µm变化。

图7c显示了在可见光范围（380–780 nm）和金刚石厚度0到1200 nm内，放置在300 nm SiO₂/Si衬底上的厚度为d的金刚石层与厚5 nm的层之间的计算对比度。对于固定波长，对比度呈现一系列最大值。这些最大值在金刚石厚度上近似周期性，其间距随波长增加，正如金刚石薄膜中相位累积所预期。当氧化物厚度变化时获得类似行为。图7d显示了两个其他方面相同的DOI堆叠之间的对比度，其中SiO₂厚度分别为300 nm和305 nm。所得图案与图7c定性相似，表明金刚石或氧化物厚度的微小变化都可产生可测量的光学对比度变化。

图7中的最大值确定了厚度和波长组合，其中金刚石或SiO₂厚度的微小变化产生最大的光学响应。因此，这些条件为选择用于厚度评估的氧化物厚度和照明波长提供了有用指导。从物理上讲，最大值源于金刚石和SiO₂层中的耦合薄膜干涉。SiO₂层在DOI堆叠中由较高折射率介质包围，而金刚石层在空气/金刚石和金刚石/SiO₂界面处由较低折射率介质包围。所得的相位条件充当耦合的法布里-珀罗型共振，增强了反射率对小厚度变化的灵敏度。

图8显示了在单色蓝光（λ=435.8 nm）、绿光（λ=546.1 nm）和红光（λ=700 nm）照明下，对比度随金刚石和SiO₂厚度的变化。在图8a-c中，对比度在相差5 nm的金刚石层之间计算。可以看到两组对比度最大值，对应于与金刚石和SiO₂层相关的干涉条件。这些特征之间的间距随波长增加。在图8d-f中观察到类似的重叠最大值图案，其中比较的系统在SiO₂厚度上相差5 nm，而金刚石厚度保持不变。这些计算表明，金刚石和氧化物厚度变化都可以通过光学检测，但灵敏度强烈依赖于波长和DOI厚度图中的局部位置。

图8：单色光下SiO₂衬底上厚度相差5 nm的金刚石层对比度：(a) 蓝光，(b) 绿光，(c) 红光；单色光下SiO₂厚度相差5 nm的衬底上金刚石对比度：(d) 蓝光，(e) 绿光，(f) 红光。

7.2. 可见光谱中金刚石的对比度

单波长分析直接适用于滤波或单色照明。然而，在标准白光条件下获取的光学显微镜图像包含整个可见光谱的贡献。为描述DOI堆叠的感知颜色，我们使用色度学CIE 1931 XYZ空间[92]并计算XYZ三刺激值为：

其中x(λ)、y(λ)和z(λ)为文献[92]中列出的CIE 1931色匹配函数，R(λ)为计算得到的DOI堆叠反射率，S(λ)为照明光源的光谱功率分布。对于此处使用的显微镜照明，光源近似为CIE标准光源A，对应于色温约2856 K的钨丝光源。前置因子P考虑整体强度归一化。

计算得到的XYZ值可使用标准色彩空间变换转换为RGB，然后进行显示器特定校正，如sRGB或AdobeRGB的伽马校正。该过程从计算得到的反射光谱产生DOI堆叠的模拟颜色图。图9显示了金刚石厚度0至1200 nm、SiO₂厚度0至600 nm的此类颜色图，在sRGB色彩空间中显示，亮度为100%或P=1。改变P会改变计算得到的亮度从而改变显示亮度；在没有裁剪或显示非线性的情况下，色度保持不变。颜色图显示DOI堆叠提供强烈的厚度依赖颜色对比度，特别是对于较薄的金刚石和SiO₂层。虽然由于薄膜干涉的周期性，颜色响应不是全局一对一的，但当与适当校准相结合时，足够不同的颜色区域可用于快速厚度估算。

图9：假设亮度为100%时SiO₂/Si衬底上金刚石的颜色图。

为进行两种颜色之间的定量比较，将XYZ值转换为CIE 1976 L*a*b*色彩空间是有用的，该空间比RGB或XYZ在感知上更均匀[92,93]。CIELAB坐标从以下获得：

其中Xn、Yn和Zn为参考白点的三刺激值。对于标准光源A和CIE 1931 2°标准观察者，这些值为Xn=109.850，Yn=100，Zn=35.585。函数f(t)定义为：

在该空间中，L*表示感知亮度，从0（黑色）到100（白色），而a*表示绿-红轴，b*表示蓝-黄轴。与基于RGB的色彩空间不同，一旦指定了光源和参考白点，CIELAB是与设备无关的。因此，它更适合比较由不同DOI厚度产生的颜色。

总色差（TCD），此处使用CIE76色差度量∆E*ab表示，量化了CIE L*a*b*色彩空间中两种反射颜色之间的感知距离。TCD随后使用CIE76欧几里得距离计算：

该度量提供了两种DOI堆叠之间感知颜色分离的简单定量测量。图10a显示了金刚石厚度相差5 nm的两个系统之间的总色差，而图10b显示了SiO₂厚度相差5 nm的相应结果。图10a中的TCD图遵循图9中可见的主要颜色变化，确认CIELAB距离是识别具有高光学灵敏度厚度区域的有用度量。图10b显示了与氧化物层干涉相关的额外调制特征。对这些次级特征的完整定量解释超出了本工作范围；此处TCD分析主要用于作为选择为基于显微镜的厚度评估提供强颜色灵敏度的DOI厚度范围的实用指南。

图10：总色差（TCD）：(a) 厚度相差5 nm的金刚石层，(b) 相同厚度金刚石层放置在厚度相差5 nm的SiO₂衬底上。

7.3. SiO₂上金刚石层厚度评估算法

基于上述考虑，我们提出了一种使用色度学分析从DOI衬底外推金刚石层厚度的简单算法。该算法由两部分组成：第一部分用于在已知厚度的样品上校准亮度，第二部分用于使用先前校准的亮度外推被测DOI上金刚石的厚度。

图11：用于从图像外推金刚石厚度的色度学算法示意图：(a) 算法的第一部分，通过最小化图像颜色与相同系统计算颜色之间的TCD，外推已知厚度参考样品图像的亮度；(b) 算法的第二部分，通过最小化图像颜色与使用(a)中计算亮度所得计算颜色之间的TCD，外推图像中选定点处金刚石的厚度。

参照图11，算法的第一部分从获取衬底（其厚度至少大致已知）的图像开始。理想情况下，这应该是放置（键合）金刚石层的同一衬底。该图像用于估计系统的亮度。图像使用已知光源拍摄，例如标准显微镜中使用的白炽灯光源A，且不使用任何光学滤光片。白平衡调整后，使用文献[92,94]中的关系将该图像的RGB值转换为XYZ坐标。这些变换还考虑了与显示器sRGB或Adobe RGB色彩空间相关的伽马校正。XYZ坐标随后使用方程(8)转换为CIE LAB（L*a*b*）坐标。由于参考系统的厚度已知，LAB坐标也可以从理论上计算。这是通过扫描方程(7)中的亮度参数P，并在需要时围绕其已知值变化厚度来实现的。然后从最小化测量和计算颜色之间的总色差（TCD）的条件获得光源亮度以及同时的参考厚度。

在算法的第二部分中，在与第一部分相同的光学条件下获取被测DOI样品的图像。以相同方式调整白平衡，并从感兴趣点提取RGB值。这些值转换为XYZ坐标，使用算法第一部分获得的亮度参数P进行校准，然后转换为CIE LAB坐标（L*a*b*）。接下来，计算系统在一系列金刚石厚度上的反射率。计算得到的反射光谱转换为XYZ坐标，然后转换为LAB坐标。最小化计算坐标与实验外推坐标之间TCD的金刚石厚度被认为是金刚石层的有效厚度。

图12显示了标称金刚石/SiO₂厚度为300 nm/300 nm的DOI样品厚度外推的具体示例。参考样品（图12a）是无金刚石且已知SiO₂厚度为300 nm的SiO₂/Si衬底。带金刚石的DOI衬底如图12b所示，红点表示感兴趣点。图像使用相机（Olympus SC30）拍摄，连接到光学显微镜（Olympus BX51），配备5X物镜（Olympus MPLFLN 5X），数值孔径0.15，视场2.65 mm。两幅图像的曝光时间保持相同。由于大视场和低数值孔径，入射光可近似为垂直入射，角度扩散可忽略。

图12：该方法的应用示例：(a) 已知厚度样品（无金刚石的295 nm厚SiO₂，5X物镜，卤素灯）的图像，以及框架中最小化TCD的计算图像，对应相同厚度和84%亮度；(b) 在相同条件下拍摄的待外推金刚石厚度样品（位于红点）的图像，以及框架中模拟颜色：SiO₂/Dia=295 nm/290 nm，SiO₂/Dia=295 nm/300 nm（三者中颜色最接近的），以及SiO₂/Dia=295 nm/310 nm。

在图12的框架中，我们显示了通过最小化TCD获得的颜色。在这种情况下，我们变化了亮度并在小范围内变化了厚度。在此情况下，最小TCD在亮度84%和SiO₂厚度295 nm处获得，相当接近标称厚度300 nm。使用该亮度和SiO₂厚度执行算法第二部分，我们类似地发现感兴趣点处金刚石的厚度为304 nm。通过将我们的分析外推厚度与WLI测量的相应厚度进行比较，我们评估我们的方法在±3 nm范围内估计正确厚度。考虑到该方法的简单性，这非常值得注意，它可以提供金刚石厚度的良好初始估计[95]。为直观比较相似金刚石厚度之间的颜色差异，我们在图12b底部添加了三个框架。这些框架从左到右显示了同一衬底上厚度为290 nm、300 nm和310 nm金刚石的计算颜色。与图像中金刚石颜色最接近的颜色对应于300 nm，这也是最接近外推金刚石厚度的值。该过程也可以自动化以在完整感兴趣区域上产生厚度图[96]。

值得注意的是，这是一个简单模型，不能完全期望图像与仿真完美匹配。几个因素不完全可控。首先，光源校准和白平衡可能无法由所选光源理想描述[85,97]。所研究材料的折射率也可能与文献值不同。此外，数字显微镜硬件和软件应用的颜色变换可能无法由所选色彩空间完美描述。其次，物镜的有限数值孔径意味着入射光并非完全垂直于样品，如仿真中假设的那样[98]。这些入射角通常遵循高斯分布[93,97,99]，空气中的最大入射角θ_max=arcsin(NA)。相应的光路产生不同相位，从而改变材料的反射率。然而，对于较薄膜[93]和本工作中使用的低数值孔径，该效应预计较低或减小。

8. 总结与结论

在本工作中，我们开发了一种从直接键合到SiO₂/Si上的单晶金刚石生产光子级DOI衬底的实用途径。主要挑战不仅是去除数微米的金刚石，而且在不破坏键合界面或损伤低损耗纳米光子学所需表面的情况下进行。通过比较不同等离子体条件和载板配置，我们发现高功率刻蚀主要通过热机械应力触发解键合，而长时间的富氧刻蚀可导致严重的微掩模和纳米柱形成。这些限制通过将石英辅助的载板/掩模配置与由Ar/Cl₂清洁/光滑化和Ar/O₂金刚石移除组成的循环ICP-RIE工艺相结合而克服。使用该工艺，10 µm直接键合金刚石板在0.5×0.5 mm²区域上被减薄至约300 nm DOI薄膜，同时保持完整的埋入界面和亚纳米表面粗糙度。

所制造的DOI薄膜进一步用于演示自支撑框架支撑的金刚石光子芯片，表明该衬底与标准光刻、干法刻蚀、氧化物释放和拾取放置处理兼容。同时，我们开发了一种基于金刚石/SiO₂/Si堆叠中薄膜干涉的色度学厚度评估方法，能够从标准光学显微镜图像中快速估算厚度，分辨率约5 nm，与WLI测量结果吻合良好。优化减薄工艺、芯片演示和简单光学计量的结合形成了一个紧凑的制造平台，用于可规模化的金刚石纳米光子学。该方法提供了从键合金刚石板到器件就绪DOI衬底的直接途径，并可支持金刚石量子光子电路、异构芯片和更广泛的金刚石基光子和电子系统的可规模化集成。

a、Department of Quantum Computer Engineering, Faculty of Electrical Engineering Mathematics and Computer Science„ Delft University of Technology, Delft, The Netherlands

b、QuTech, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands