Построение технологических окон с дефокусированным разрешением при наносекундном лазерном облучении окисленного кремния

Разработана дефокусно-зависимая, количественно подтвержденная методика облучения термически окисленного кремния (SiO₂) волоконным лазером с наносекундной длительностью импульсов. Систематическое изменение дефокуса пучка позволило установить корреляцию между пиковой осевой плотностью мощности I и диаметром пятна d с различными морфологическими состояниями поверхности структуры пленки SiO₂ толщиной 150 нм на поверхности кремниевой пластины, ориентированной в кристаллографической плоскости (111). В контролируемых экспериментах сканирования (длина волны λ = 1062 нм, ширина импульса τ ≈ 120 нс, частота повторения импульсов 50 кГц, скорость сканирования 100 мм·с^–1) наблюдалась непрерывная последовательность морфологических превращений: сморщивание, пузырение и предплавление, — обусловленных термомеханическими напряжениями и межфазной адгезией. Параметры поверхности определялись методом двумерного преобразования Фурье (длина волны складок 8–10 мкм) и автоматической сегментацией изображений (распределения размеров пузырей 1–3 мкм). При точечном воздействии установлена энергия начала пузырения 0,09 Дж, соответствующая флюенсу одного импульса 0,17 Дж·см^–2. С использованием логистической регрессии с 95 %-ными бутстреп-доверительными интервалами (B = 2000) определен переход от стадии сморщивания к предплавлению и построена статистически ограниченная фазовая диаграмма в координатах (I, d). Контрольные эксперименты показали, что динамическое сканирование и наличие оксидной пленки являются необходимыми условиями: при точечном облучении SiO₂/Si формируются неглубокие скользящие линии ⟨110⟩ вследствие релаксации подложки, а поверхность чистого Si остается неизменной при тех же параметрах. Травление в плавиковой кислоте подтвердило, что наблюдаемые пузыри представляют собой истинные межфазные деламинации. Предложенный подход распространяет классическую механику вспучивания–деламинации на режим циклического наносекундного нагрева и формирует основу для прогнозируемой высокоточной подплавляющей лазерной микрофабрикации диэлектрическо-полупроводниковых структур.

1. Otobe T., Gushiken E. Influence of point defects on laser-induced excitation in silicon // Physical Review Applied. 2024. V. 22. N 6. P. 064096. https://doi.org/10.1103/physrevapplied.22.064096

2. Kim W.J., Park K.-R., Ryu S.O., Kim B.S., Kwon J., Kim W.-B. Fundamental origin of Si surface defects caused by laser irradiation and prevention of suboxide formation through high density ultrathin SiO2 // Applied Surface Science. 2024. V. 662. P. 159997. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.159997

3. Zhou J.K., Su X.L., Zhang B.K., Zeng Y.H., Liu W., Ye J.C., et al. Ultrafast laser-annealing of hydrogenated amorphous silicon in tunnel oxide passivated contacts for high-efficiency n-type silicon solar cells // Materials Today Energy. 2024. V. 42. P. 101559. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2024.101559

4. Bonse J., Höhm S., Kirner S.V., Rosenfeld A., Krüger J. Laser-induced periodic surface structures — a scientific evergreen // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. N 3. P. 9000615. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2016.2614183

5. Namdari N., Mohammadian B., Jafari P., Mohammadi R., Sojoudi H., Ghasemi H., Rizvi R. Advanced functional surfaces through controlled damage and instabilities // Materials Horizons. 2020. V. 7. N. 2. P. 366–396. https://doi.org/10.1039/C9MH01516G

6. Wu Y., Xiang X., Yu J., Yuan X., Shen H., Zheng W., Zu X. Review: Research progress on nanosecond laser irradiation damage of optical films // Nuclear Analysis. 2022. V. 1. N 4. P. 100045. https://doi.org/10.1016/j.nucana.2022.100045

7. Grigoriev F.V., Sulimov V.B., Tikhonravov A.V. Laser-induced thermal stresses in dense and porous Silicon Dioxide films // Coatings. 2021. V. 11. N 4. P. 394. https://doi.org/10.3390/coatings11040394

8. Flores-Johnson E.A., Shen L., Annabattula R.K., Onck P.R., Shen Y.G., Chen Z. The effect of interface adhesion on buckling and cracking of hard thin films // Applied Physics Letters. 2014. V. 105. N 16. P. 161912. https://doi.org/10.1063/1.4900443

9. McDonald J.P., Mistry V.R., Ray K.E., Yalisove S.M., Nees J.A., Moody N.R. Femtosecond-laser-induced delamination and blister formation in thermal oxide films on silicon (100) // Applied Physics Letters. 2006. V. 88. N 15. P. 153121, https://doi.org/10.1063/1.2193777

10. Tsibidis G.D., Stratakis E., Aifantis K.E. Thermoplastic deformation of silicon surfaces induced by ultrashort pulsed lasers in submelting conditions // Journal of Applied Physics. 2012. V. 111. N 5. P. 053502. https://doi.org/10.1063/1.3688020

11. Sopeña P., Wang A., Mouskeftaras A., Grojo D. Transmission laser welding of similar and dissimilar semiconductor materials // Laser and Photonics Reviews. 2022. V. 16. N 11. P. 2200208. https://doi.org/10.1002/lpor.202200208

12. Huang C., Luo Z.A., Zhou H.Y., Yang J.S., Zhang Z.C., Fan M.R., et al. Effect of laser defocus on microstructural and mechanical properties of 316L stainless steel manufactured by laser powder bed fusion // Journal of Materials Research and Technology. 2025. V. 38. P. 3114–3130. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.08.099

13. Журба Д.В., Журба В.М., Вейко В.П., Панькин Д.В., Жуков М.В., Пуйша А.Э. Исследование фазовых превращений окалины углеродистой стали при лазерной очистке наносекундными импульсами в режиме испарения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т 25. № 2. С. 179–189. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2025-25-2-179-189

14. Matei A.T., Visan A.I., Negut I. Laser-fabricated micro/ nanostructures: mechanisms, fabrication techniques, and applications // Micromachines. 2025. V. 16. N 5. P. 573. https://doi.org/10.3390/mi16050573

15. Martan J., Cibulka O., Semmar N. Nanosecond pulse laser melting investigation by IR radiometry and reflection-based methods // Applied Surface Science. 2006. V. 253. N 3. P. 1170–1177. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.01.077

16. Скворцов А.М., Хуинь Конг Ту, Халецкий Р.А. Механизм микроструктурирования системы SiO2/Si при облучении сканирующим пучком импульсного волоконного лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 3 (85). С. 137–143.

17. Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. 1979. V. 9. N 1. P. 62–66. https://doi.org/10.1109/tsmc.1979.4310076

18. Born M., Wolf E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. Cambridge University Press, 1999. 985 p.

19. Sasaki S., Izumi T., Hara T. Delamination of Si by high dose H-ion implantation through thin SiO2 film (ESR characterization) // Materials Science and Engineering: B. 2002. V. 91-92. P. 160–163. https://doi.org/10.1016/s0921-5107(01)00984-9

20. Song J., Jiang H., Liu Z.J., Khang D.Y., Huang Y., Rogers J.A., et al. Buckling of a stiff thin film on a compliant substrate in large deformation // International Journal of Solids and Structures. 2008. V. 45. N 10. P. 3107–3121. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2008.01.023

21. Sakurai H., Konishi K., Tamaru H., Yumoto J., Kuwata-Gonokami M. Direct correlation of local fluence to single-pulse ultrashort laser ablated morphology // Communications Materials. 2021. V. 2. N 1. P. 38. https://doi.org/10.1038/s43246-021-00138-x

22. Velli M.-C., Tsibidis G.D., Mimidis A., Skoulas E., Pantazis Y., Stratakis E. Predictive modeling approaches in laser-based material processing // Journal of Applied Physics. 2020. V. 128. N 18. P. 183102. https://doi.org/10.1063/5.0018235

23. De Baere D., Van Cauwenbergh P., Bayat M., Mohanty S., Thorborg J., Thijs L., et al. Thermo-mechanical modelling of stress relief heat treatments after laser-based powder bed fusion // Additive Manufacturing. 2021. V. 38. P. 101818. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101818

24. Yu H.-H., Hutchinson J.W. Influence of substrate compliance on buckling delamination of thin films // International Journal of Fracture. 2002. V. 113. N 1. P. 39–55. https://doi.org/10.1023/A:1013790232359

25. Son Y.-I., Shin J. Numerical study on the laser annealing of silicon used in advanced V-NAND device // Materials. 2022. V. 15. N 12. P. 4201. https://doi.org/10.3390/ma15124201

26. Kan Z., Zhu Q., Ren H., Shen M. Femtosecond laser-induced thermal transport in silicon with liquid cooling bath // Materials. 2019. V. 12. N 13. P. 2043. https://doi.org/10.3390/ma12132043