港大團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)靜電捕獲術(shù)，實(shí)現(xiàn)納米金剛石晶圓級(jí)規(guī)模化集成

在一塊 8 英寸晶圓上，如何將上億顆只有百納米大小的納米金剛石精準(zhǔn)放進(jìn)對(duì)應(yīng)的小孔里？這項(xiàng)聽起來像不可能完成的任務(wù)，現(xiàn)在只需要 5 分鐘就能實(shí)現(xiàn)。

近期，香港大學(xué)副教授褚智勤團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院等團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種基于靜電捕獲的方法，首次實(shí)現(xiàn)了在 8 英寸晶圓上陣列化排布單個(gè)納米金剛石，良率達(dá) 82.5%。這種方法操作簡(jiǎn)便，單次操作僅需 5 分鐘，且與成熟的 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝線兼容。

這項(xiàng)看似復(fù)雜的晶圓級(jí)集成技術(shù)，用一個(gè)通俗的類比就能輕松理解：想要在 8 英寸晶圓上，精準(zhǔn)擺放上億顆“芝麻”（25×25 陣列，150 納米的納米金剛石），每顆芝麻需要精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)放置在單獨(dú)的小孔里。

傳統(tǒng)方法要么用鑷子一顆顆夾（原子力顯微鏡），速度過慢；要么隨機(jī)把“芝麻”撒上去（自組裝），成功率低；要么使用“精密雕刻刀”（電子束光刻）做模具，成本昂貴。

新方法的巧妙之處在于，在小孔襯底底部鋪上“靜電地毯”（帶正電），側(cè)壁則貼上“靜電墻紙”（帶負(fù)電），這樣形成了“漏斗”狀的靜電場(chǎng)。當(dāng)?shù)谷霂ж?fù)電的納米金剛石溶液，這些芝麻被慢慢“吸”到孔洞底正中間位置。更關(guān)鍵的是，一個(gè)孔精準(zhǔn)只進(jìn)一個(gè)顆粒。

圖丨褚智勤教授團(tuán)隊(duì)（來源：受訪者）

該研究不僅展示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還通過系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究揭示了納米金剛石沉積數(shù)量主要取決于孔洞陷阱直徑的物理機(jī)制，為未來進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)控陣列精度提供了理論指導(dǎo)。

該技術(shù)有望推動(dòng)納米金剛石量子技術(shù)在生物成像、磁場(chǎng)探測(cè)、量子通信等領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用和普及，并向?qū)嵱没孔釉O(shè)備陣列制造邁出核心的一步。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)已申請(qǐng)專利并成立初創(chuàng)公司 DiamNEX，致力于將技術(shù)落地為產(chǎn)品。

靜電梯度“漏斗”：微米級(jí)孔洞如何實(shí)現(xiàn)納米級(jí)自組裝？

傳統(tǒng)光學(xué)捕獲中依賴光場(chǎng)梯度力，想要將納米金剛石顆粒放置在特定位置，通常需要預(yù)先挖掘一個(gè)尺寸與之相近的孔洞。盡管電子束刻蝕（EBL）可實(shí)現(xiàn)高精度，并能夠按需刻蝕孔洞。但是這種方法成本過高，并且由于單次曝光面積過小，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

為此，研究人員嘗試了一種簡(jiǎn)單而反常規(guī)的方法：用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝制備帶有微米級(jí)圓孔的掩膜板，掩模材料采用常規(guī)的光刻膠，涂覆和去除非常方便。

這種方法不僅成本低，并且在紫外燈或大面積光源照射下，只需要使用普通的光刻膠即可實(shí)現(xiàn)大面積曝光。但問題在于，這種方法的精度僅能達(dá)到微米級(jí)，而且孔洞的面積可能是納米金剛石顆粒的數(shù)十倍。

團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步提出：或許可嘗試將金剛石納米顆粒放置到孔洞的中間位置。“實(shí)際上這只是一種猜想，我們一開始并沒有抱很大希望，只是隨意倒了些包括金剛石顆粒的溶液進(jìn)去。神奇的是，結(jié)果真的看到一些顆粒位于孔洞中間。”褚智勤對(duì) DeepTech 表示。

研究團(tuán)隊(duì)的第一反應(yīng)是：顆粒出現(xiàn)在正中間的位置這一現(xiàn)象過于反常，他們甚至懷疑是實(shí)驗(yàn)過程中某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。

一種常規(guī)的思路是，如果用了帶負(fù)電荷的金剛石納米顆粒，在襯底使用正電荷則能增強(qiáng)二者的吸附概率。但問題是，為什么顆粒出現(xiàn)的位置不是邊緣或者其他位置？這其中究竟有怎樣的機(jī)制？

于是，他們將目光聚焦在光刻膠側(cè)壁。研究人員測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，除了顆粒和襯底，側(cè)壁也帶有電荷。在電磁學(xué)領(lǐng)域，如果一個(gè)帶電顆粒被困住，通常會(huì)處于勢(shì)阱中。基于此研究人員推測(cè)，金剛石納米顆粒停留在孔洞正中間的原因可能也是類似的機(jī)制。

（來源：Nature Communications）

通過調(diào)節(jié)側(cè)壁和襯底的電荷情況，相當(dāng)于給它設(shè)置了勢(shì)壘，從兩個(gè)維度調(diào)整形成了一種類似“漏斗”的電勢(shì)場(chǎng)梯度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了納米金剛石顆粒的運(yùn)動(dòng)限制——更傾向于向電勢(shì)最低的孔底中心移動(dòng)并被牢牢捕獲。研究人員基于這種假設(shè)構(gòu)建了模型，對(duì)相關(guān)機(jī)制進(jìn)行解釋并得到了驗(yàn)證。

通過理論模擬研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，有效捕獲區(qū)域的寬度和孔洞直徑呈線性關(guān)系：直徑 3 微米的孔洞在不同深度下的捕獲寬度，可以穩(wěn)定在 0.4 微米范圍內(nèi)且單顆粒狀態(tài)能夠穩(wěn)定持續(xù)數(shù)小時(shí)。

這一理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，即改變孔洞深度對(duì)單顆粒捕獲影響不大，而隨著孔洞直徑增加，捕獲顆粒數(shù)量則呈遞增趨勢(shì)。

為每顆納米金剛石賦“身份”：實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)單顆粒精準(zhǔn)陣列

建立理論基礎(chǔ)后，研究團(tuán)隊(duì)再回過頭來將實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化，并對(duì)技術(shù)的可重復(fù)性和規(guī)模化潛力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們對(duì) 25×25 陣列進(jìn)行了五次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不僅結(jié)果高度吻合，統(tǒng)計(jì)分析也表明，絕大多數(shù)被捕獲的納米金剛石集中在距離孔洞中心 500 納米范圍內(nèi)。

去除模板后，在 25×25 陣列點(diǎn)位中，82.5% 的點(diǎn)位含有單顆納米金剛石，相較于現(xiàn)有的其他方法，單顆粒產(chǎn)率結(jié)合 8 英寸晶圓的加工面積具有顯著優(yōu)勢(shì)。

該方法不僅適用于納米金剛石，研究人員還在硅波導(dǎo)、氮化鎵微柱、金質(zhì)天線三種異質(zhì)平臺(tái)成功集成，驗(yàn)證了技術(shù)的普適性。從理論來看，該技術(shù)有望擴(kuò)展至 12 英寸商用硅晶圓。

圖丨靜電捕獲法具有高度可重復(fù)性（來源：Nature Communications）

與常規(guī)的納米顆粒，比如硅球或聚合物小球具有均一性質(zhì)不同，每個(gè)金剛石納米顆粒表面化學(xué)形貌都有細(xì)微差別。此前，領(lǐng)域內(nèi)并沒有通用性和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)室中納米金剛石顆粒的分布不盡相同。

褚智勤表示：“我們的研究對(duì)每個(gè)納米金剛石顆粒進(jìn)行了明確的標(biāo)注，為它們裝上了‘身份證’，相當(dāng)于將金剛石納米顆粒從完全無序的石器時(shí)代，躍遷到有通用標(biāo)準(zhǔn)、有秩序的工業(yè)時(shí)代。與此同時(shí)，這種標(biāo)準(zhǔn)化也為后續(xù)集成到芯片級(jí)量子探測(cè)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。”

相關(guān)論文以《基于靜電捕獲技術(shù)的單顆納米金剛石晶圓級(jí)集成》（Wafer-scale integration of single nanodiamonds via electrostatic-trapping）為題發(fā)表在 Nature Communications[1]。香港大學(xué)博士后景紀(jì)祥和博士生王奕程是論文共同第一作者，褚智勤教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

量子探測(cè)系統(tǒng)是一種復(fù)雜的桌面系統(tǒng)，就像是在一個(gè)房間中的各種各樣的光學(xué)器件、激光器和光纖，其面臨可擴(kuò)展性和魯棒性差的挑戰(zhàn)。該技術(shù)提供了一種新的解決方案：通過在襯底上周期性排列金剛石量子色心，有望極大提升基于金剛石色心的量子計(jì)算的可擴(kuò)展性。

金剛石納米顆粒是典型的納米尺度量子探測(cè)器。目前，量子探測(cè)器正朝著片上集成方向發(fā)展，并且硅光子學(xué)兼容 CMOS 工藝已經(jīng)較成熟。

“我們期待最終能夠在片上系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)量子探測(cè)，將原本桌面的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒?jí)的小型化量子探測(cè)，那將是巨大的飛躍。”褚智勤指出，未來芯片級(jí)量子探測(cè)系統(tǒng)有望集成至便攜設(shè)備（例如手機(jī)），實(shí)現(xiàn)血糖、微量物質(zhì)等高靈敏度檢測(cè)。

（來源：Nature Communications）

這項(xiàng)研究解決了納米金剛石顆粒規(guī)模化排布的問題。現(xiàn)階段，研究團(tuán)隊(duì)正致力于將金剛石納米顆粒引入到硅光子學(xué)平臺(tái)，希望通過工藝的調(diào)整和優(yōu)化，在不影響三維襯底的前提下，將這些顆粒放到集成光路的特定位置（節(jié)點(diǎn)），目前已實(shí)現(xiàn)初步結(jié)果。

在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，目前該技術(shù)在短期內(nèi)可轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單形態(tài)的產(chǎn)品，并計(jì)劃讓科研用戶和相關(guān)企業(yè)進(jìn)行測(cè)試，再將初代產(chǎn)品迭代，逐步發(fā)展為成熟的產(chǎn)品形態(tài)。未來，研究人員將繼續(xù)探索如何調(diào)控每個(gè)納米金剛石的品質(zhì)，包括其色心數(shù)目、位置、品質(zhì)等，希望推動(dòng)這一技術(shù)早日實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地。

1.https://doi.org/10.1038/s41467-026-69590-y

2.https://www.diamnex.com/

排版：胡莉花