《Diamond and Related Materials》：Plasma etch process optimization for photonic-grade diamond-on-insulator substrates and thickness evaluation using colorimetry
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金刚石（Diamond）量子比特与光子电路集成后，可高保真地初始化、操控、纠缠与读取，是大规模量子系统的重要候选平台。然而，异质外延生长单晶金刚石尺寸有限，且光子级金刚石-on-绝缘体（DOI）在现有制造工艺中的集成仍具挑战。研究人员开发了等离子体刻蚀配方，将
金刚石（Diamond）量子比特与光子电路集成后，可高保真地初始化、操控、纠缠与读取，是大规模量子系统的重要候选平台。然而，异质外延生长单晶金刚石尺寸有限，且光子级金刚石-on-绝缘体（DOI）在现有制造工艺中的集成仍具挑战。研究人员开发了等离子体刻蚀配方，将直接键合（100）单晶金刚石（<50 μm）减薄为大尺寸薄膜DOI，并基于所得DOI制备悬浮光子芯片（chiplet）。该电感耦合反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺在保留键合界面的同时，有效控制微掩膜（micromasking）与表面质量，将键合于SiO2/Si上的10 μm金刚石减薄至≤300 nm，在0.5×0.5 mm2区域内粗糙度<0.5 nm。研究人员采用标准两步光刻制备金刚石光子芯片，无需复杂薄膜转移、欠刻蚀或 pedestal 形成。进一步，研究人员开展金刚石可视性的比色研究，在常用比色空间量化不同厚度下的色差，从而从普通光学显微图像中以约5 nm分辨率自动反演金刚石厚度，与白光干涉（WLI）测量结果吻合良好。该DOI衬底与比色厚度评估方法，为金刚石纳米光子器件的可扩展制造提供了有效工艺平台与可靠验证路径。
研究背景与问题提出
金刚石凭借超宽禁带、超高导热、从紫外到中红外透明、化学稳定等特性，成为量子光子学、极端环境电子与低损耗经典光子的理想材料平台。其体内色心（color centers），如氮-空位（NV）中心与IV族劈裂空位中心（SiV、GeV、SnV等），可提供光学可寻址、长相干、自旋选择性跃迁的固态量子比特。将色心嵌入波导、微盘/微环与光子晶体（PhC）腔中，可增强模式耦合、提高收集效率并进入腔量子电动力学（cavity-QED）区间。然而，从原理验证走向可扩展集成电路，仍受限于材料可得性与加工现实：高质量均匀薄膜单晶金刚石（SCD）难以大尺度获得；异质外延受成核、晶格与热膨胀失配、残余应变、镶嵌结构与高位错密度制约。既有路线依赖体金刚石自由结构加工（准各向同性氧刻蚀、聚焦离子束）或离子切片/智能剥离转移膜，存在通量低、背面粗糙、pedestem形成、厚度均匀性差与释放困难等问题，直接影响散射损耗、腔产率与共振复现性。
研究人员开展的工作与结论
研究人员针对制造瓶颈，从直接键合（100）SCD膜（<50 μm）出发，开发并验证了一套面向光子级DOI的等离子体减薄工艺，并利用比色法建立低成本厚度计量。研究表明：优化后的ICP-RIE在抑制脱键、抑制微掩膜与纳米柱的同时，可得到亚纳米粗糙、均匀薄膜；10 μm键合金刚石可被减薄至≈300 nm，在0.5×0.5 mm2面积内粗糙度<0.5 nm且键合界面完好。基于此DOI，用标准两步光刻即可制备框架支撑的光子芯片，无需复杂转移、欠刻蚀或pedestal。比色研究将光学显微图颜色映射为厚度，分辨率≈5 nm，并与白光干涉（WLI）一致。该工作为可重复、可扩展的金刚石光子器件制造提供了衬底平台与计量路径。
主要关键技术方法
研究人员采用三类关键方法：一是ICP-RIE交替刻蚀与表面清洗的配方优化，以抑制脱键、微掩膜与纳米柱；二是直接键合DOI上的标准两步光刻与框架支撑芯片释放，构建悬浮光子结构；三是针对金刚石/SiO2/Si叠层的交叉比色空间建模，以显微图像颜色距离反演厚度，并以WLI作基准校验。
研究结果
- 1.
引言（Introduction）
通过综述金刚石量子光子瓶颈，明确DOI减薄需兼顾界面保留、均匀性与表面质量，引出本研究工艺与计量目标。
- 2.
等离子体减薄工艺与DOI制备
研究人员优化ICP-RIE，在直接键合（100）SCD上实现大区域减薄：抑制脱键与微掩膜，获得亚纳米粗糙表面；将10 μm金刚石降至≤300 nm，0.5×0.5 mm2内粗糙度<0.5 nm，键合界面保持完整。
- 3.
光子芯片制备
基于DOI采用两步光刻制成悬浮光子芯片（chiplet），避开薄膜转移、欠刻蚀与pedestal工艺，证明该平台可兼容标准微纳加工。
- 4.
比色法厚度评估（Colorimetry-based thickness evaluation）
研究人员分析金刚石可视性在不同比色空间的色差，建立厚度-颜色映射：从常规光学显微图自动反演金刚石膜厚，分辨率≈5 nm，与WLI吻合，可作低成本的工艺监控与大面积均匀性筛查工具。
讨论与结论翻译
讨论指出，该减薄工艺、框架支撑芯片与比色计量共同构成光子级DOI的可制造路线，满足波导与腔器件对表面质量与厚度控制的要求。其意义不限于量子应用，也适用于经典金刚石光子、光电子与高功率/极端环境电子。
研究结论：研究人员发展了直接键合DOI上的等离子体减薄工艺与比色厚度计量，获得亚纳米粗糙、≤300 nm均匀金刚石薄膜，并实现标准工艺兼容的光子芯片制备；该平台与计量方法为可扩展金刚石纳米光子制造提供实用基础。
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