إزالة طبقات الرقاقة بدقة عالية باستخدام ليزر فمتوثاني أخضر (515 نانومتر)

إلقاء نظرة داخل الرقائق التي تُشغّل عالمنا

تعتمد الحياة الحديثة على رقائق أشباه موصلات صغيرة تُشغّل بهدوء الطائرات والأجهزة الطبية والمصانع والإلكترونيات اليومية. عندما تتعطل هذه الرقائق، أو عندما يلزم نسخ أو التحقق من تصميمات قديمة، يحتاج المهندسون إلى كشف وتوصيف الأسلاك الداخلية دون تدميرها. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لليزر "الأخضر" فائق السرعة أن يقشر طبقات الرقاقة برفق وبمزيد من النظافة والتحكم مقارنة بالطرق القديمة، ما يفتح الباب لعمليات إصلاح أكثر موثوقية، وفحوصات أمنية، وتحقيقات جنائية لمكونات حاسمة.

لماذا يهم فتح الرقائق القديمة

لا تزال أنظمة كثيرة طويلة العمر — من محركات الطائرات إلى معدات المستشفيات — تعتمد على دوائر متكاملة فقدت مخططاتها الأصلية ولم تعد تُنتَج قطع غيارها. للحفاظ على عمل هذه الأنظمة، يتعين على المتخصصين إجراء هندسة عكسية للرقاقات، وإعادة بناء الأسلاك المعدنية المدفونة حتى يتمكنوا من إعادة إنتاج التصميم أو تقييمه. ينشأ نفس الاحتياج في التصنيع المتقدم، حيث يمكن أن تمرّ أخطاء صغيرة أو حتى تلاعب خفي أثناء التصنيع وتسبب أعطابًا أو مخاطر أمنية لاحقًا. جميع هذه المهام تعتمد على مشكلة صعبة واحدة: كشف كل طبقة داخلية من المعدن بنظافة، وعلى مساحات واسعة، دون طمس أو محو الميزات التي تحاول دراستها.

حدود طرق التقشير التقليدية للرقائق

الطرق القديمة لإزالة الطبقات — مثل الصنفرة الميكانيكية، والنقش الكيميائي، وحزم الأيونات المركزة — إما خشنة جدًا أو بطيئة جدًا أو مكلفة للاستخدام الروتيني على رقائق كاملة. يمكن أن تتسبب الطرق الميكانيكية والكيميائية في خدش أو إزالة غير متساوية للمواد بسهولة، بينما تقدم حزم الأيونات المركزة دقة فائقة لكن فقط على مناطق صغيرة وببطء شديد. حتى التصوير بالأشعة السينية غير المدمر عادة ما يفتقر إلى الحدة اللازمة لتتبع خطوط المعادن مجهرية الحجم. أشارت أعمال سابقة باستخدام ليزرات تقاطع فائق في الأشعة تحت الحمراء إلى مسار أفضل: استخدام نبضات ضوئية قصيرة للغاية لتبخير المادة مع تقليل انتشار الحرارة. لكن، لأن مواد الرقاقة تمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء بشكل مختلف، كانت هذه الطريقة غالبًا ما تنتج إزالة غير متكاملة، وبقايا متبقية، وتلفًا جزئيًا في الأسلاك، مما طمس التفاصيل التي كان المهندسون يسعون لرؤيتها.

مشرط ليزر أخضر أكثر حدة

واجه المؤلفون هذا التحدي بالتحول إلى ليزر أخضر ذو نبضات تستمر فمتوثوان — جزء من مليون من مليار من الثانية. عند هذا الطول الموجي الأقصر، يتفاعل طاقة الليزر بشكل أكثر تجانسًا مع المعادن ومواد العزل على حد سواء، مما يؤدي إلى إزالة أنعم وتحكم أدق في العمق. بالعمل على معالج حقيقي يحوي ثلاث طبقات معدنية مكدسة، ضبطوا بعناية إعدادات رئيسية مثل طاقة النبضة، ومعدل التكرار، وسرعة المسح، ومدة النبضة. كما أدركوا أن أجزاء الشريحة لا تبدو متماثلة: بعض المناطق تحتوي على خطوط طاقة عريضة، وأخرى على شبكات مكثفة من الوصلات الصغيرة، وما تزال مناطق أخرى تحتوي على وسادات تلامس كبيرة. من خلال تصنيف الشريحة إلى أربعة أنواع نموذجية من المناطق، تمكنوا من تعديل وصفات المعالجة بحيث تُنظف كل منطقة دون أن تُزال بشكل مفرط.

طريقتان لاستخدام الضوء الأخضر

استكشف الفريق مسارين عمليين رئيسيين. في الأول، أزال شعاع أشعة تحت الحمراء الأقوى بسرعة المواد الخام، ثم قام الليزر الأخضر بتلميع السطوح المكشوفة. حسَّن هذا المزيج النظافة مقارنة بالأشعة تحت الحمراء بمفردها، لكن المرات المتكررة من مرور الأشعة تحت الحمراء كانت تميل إلى التآكل في خطوط المعادن، محدثة تآكلاً طفيفًا. في المسار الثاني، تكفّل الليزر الأخضر بكلتا المهمتين — الإزالة والتلميع — من البداية إلى النهاية. وعلى الرغم من أن هذا تطلب ضبطًا أدق، فإنه أنتج أسطحًا مسطحة بشكل ملحوظ، وبقايا قليلة، وميزات معدنية حادة على مناطق واسعة، لا سيما للطبقة العلوية من الأسلاك ومعظم الطبقة الثانية الواقعة على عمق ميكرومتر واحد تقريبًا. أكدت مجاهر الكونفوكال عالية الدقة، والمجاهر الإلكترونية، وأدوات رسم الخريطة العنصرية أن نهج الأخضر فقط كشف الهندسة والتكوين الحقيقيين للتوصيلات بأدنى قدر من الضرر.

ماذا يعني هذا للرقائق في العالم الحقيقي

تخلص الدراسة إلى أن ليزرات الفمتوثانية الخضراء توفر وسيلة قوية وعملية لـ"فك" رقائق الطبقة تلو الأخرى بدقة عالية. بالمقارنة مع الاعتماد على الأشعة تحت الحمراء وحدها، يقدم النهج الأخضر تعرضًا أنظف وأكثر تجانسًا لطبقات المعادن مع حفاظ أفضل على شكلها — تمامًا ما يلزم لهندسة عكسية موثوقة، وتحليل الأعطال، وتدقيقات الأمن. لا تزال بعض المناطق المعقدة تشكل تحديات، لكن المؤلفين يرون أن ضبطًا أذكى للمعامل، أو تحكمًا مؤتمتًا، أو إقران الليزر بأدوات تشطيب فائقة الدقة قد يدفع الأداء إلى أبعد من ذلك. للمهندسين وخبراء الأمن، تعد هذه التقنية نافذة أسرع وأكثر موثوقية على الأسلاك الخفية لكل من المكونات القديمة بالغة الأهمية وأحدث الميكروإلكترونيات المستقبل.

الاستشهاد: Anaei, M.T.M., Maniscalco, M., Choi, H. et al. High-fidelity chip delayering using green (515 nm) femtosecond lasers. Sci Rep 16, 5495 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35091-7

الكلمات المفتاحية: هندسة عكسية لأشباه الموصلات, إزالة طبقات الرقائق بالليزر, ليزر فمتوثاني أخضر, تحليل فشل الميكروتشيب, تصوير الدوائر المتكاملة