פירוק שכבות באמינות גבוהה של שבבים באמצעות לייזרים פמטו‑שנייה ירוקים (515 ננומטר)

מציצים אל תוך השבבים שמנהלים את עולמנו

החיים המודרניים נשענים על שבבים סמיקונדקטוריים זעירים שמפעילים בשקט מטוסים, מכשירים רפואיים, מפעלים ואלקטרוניקה יומיומית. כאשר שבבים אלה מתקלקלים, או כשעיצובים ישנים צריכים להיות מועתקים ומאומתים, מהנדסים נדרשים לחשוף ולמפות את החיווט המוסתר שלהם בלי להרוס אותו. המחקר הזה מראה כיצד לייזר "ירוק" מהיר מאוד יכול לפתוח בעדינות את שכבות השבב בניקיון ובשליטה טובים בהרבה משיטות ישנות, ולפתוח דלת לתיקונים אמינים יותר, בדיקות אבטחה וחקירות פליליות של חומרה קריטית.

מדוע חשוב לפתוח שבבים ישנים

מערכות רבות בעלות אורך חיים ארוך — ממנועי טורבו‑מנועים ועד ציוד בתי חולים — עדיין תלויות במעגלים משולבים שלגביהם נעלמו התכניות המקוריות והחלפים אינם מיוצרים יותר. כדי לשמור על הפעלת מערכות אלה, מומחים נדרשים לבצע הנדסה לאחור של השבבים, לשחזר את חיווט המתכת הקבור כדי שיוכלו לשעתק או להעריך את העיצוב. הצורך דומה גם בייצור חדשני, שבו שגיאות זעירות או אפילו זיהום מכוון בזמן הייצור עלולות לחלוף דרך הבדיקות ולגרום לתקלות או לסיכוני אבטחה מאוחר יותר. כל המשימות האלה מסתכמות בבעיה קשה אחת: לחשוף כל שכבת מתכת פנימית בניקיון, על פני אזורים נרחבים, מבלי לטשטש או למחוק את התכונות שאותן רוצים לחקור.

מגבלות שיטות הפירוק המסורתיות

שיטות ישנות להסרת שכבות — כמו שיוף מכני, חמצון כימי ופעמוני יונים ממוקדים — או גסות מדי, או איטיות מדי, או יקרות מדי לשימוש שגרתי על שבב שלם. שיטות מכניות וכימיות עלולות לגרום לחיתוכים או הסרה לא אחידה של חומר, בעוד שפעמוני יונים ממוקדים מספקים דיוק יוצא דופן רק על אזורים זעירים ובקצב זוחל. גם הדמיה לא‑הרסנית באמצעות קרני רנטגן לרוב חסרה בחדות הנדרשת למעקב אחר קווי מתכת מיקרוסקופיים. עבודות מוקדמות עם לייזרים אינפרא‑אדומים מהירים מאוד רמזו על נתיב טוב יותר: שימוש בפולסים אור קצרים מאוד כדי לאדות חומר עם פחות התפשטות חום. אבל משום שלחומרים שבשבב יש סופגות שונות לאור אינפרא‑אדום, הגישה הזו ייצרה לעיתים הסרה לא אחידה, שאריות ופגיעה חלקית בחיווט, שטישטשו את הפרטים שהמהנדסים ניסו לראות.

סקלפל ירוק חד יותר

המחברים התמודדו עם האתגר על‑ידי מעבר ללייזר ירוק עם פולסים שאורכם זמן פמטו‑שנייה — מיליוןית של מיליארדית השנייה. בצבע הקצר יותר הזה, האנרגיה של הלייזר נקלטת באופן יותר אחיד במתכות ובחומרים מבודדים כאחד, מה שמאפשר הסרה חלקה יותר ושליטה עדינה יותר על העומק. בעבודה על מעבד אמיתי עם שלוש שכבות מתכת מונחתות, כיוונו בזהירות הגדרות מרכזיות כגון אנרגיית פולס, קצב חזרה, מהירות סריקה ומשך הפולס. הם גם זיהו שלא כל חלקי השבב זהים: חלקים מחזיקים קווי כוח רחבים, אחרים רשתות צפופות של חיבורים זעירים, ועוד אחרים כרויות מגע גדולות. על‑ידי קטלוג השבב לארבעה סוגי אזורים טיפוסיים, יכלו להתאים את המתכונים שלהם כך שכל אזור ינוקה מבלי להיחתך יתר על המידה.

שתי דרכים להשתמש באור הירוק

הצוות חקר שתי זרימות עבודה עיקריות. בראשונה, קרן אינפרא‑אדומה חזקה יותר הסירה במהירות חומר חיצוני, ולייזר הירוק אז אשפר את פני השטח החשופים. שילוב זה שיפר את הניקיון בהשוואה לאינפרא‑אדום בלבד, אך המעברים החוזרים של האינפרא‑אדום נטו לאכול את קווי המתכת, ולשחוק אותם בעדינות. בזרימת העבודה השנייה, הלייזר הירוק טיפל גם בהסרה וגם ביילוף מתחילת התהליך ועד סופו. למרות שזה דרש כוונון מדוקדק יותר, הוא הניב משטחים שטוחים להפליא, עם שאריות מועטות ותכונות מתכת חדות על פני אזורים נרחבים, במיוחד בשכבת החיווט העליונה וברוב השכבה השנייה שנמצאת כמאיקרומטר אחד מתחתיה. מיקרוסקופים קונפוקליים ברזולוציה גבוהה, מיקרוסקופים אלקטרוניים וכלי מיפוי אלמנטרי אישרו כי הגישה הירוקה־בלבד חשפה את הגיאומטריה וההרכב האמיתי של החיווט עם נזק מינימלי.

מה משמעות הדבר עבור שבבים בעולם האמיתי

המחקר מסיק שלייזרים ירוקים בפמטו‑שנייה מציעים דרך חזקה ומעשית ל"להסיר" שבבים שכבה אחר שכבה בנאמנות גבוהה. בהשוואה לשימוש באינפרא‑אדום בלבד, הגישה הירוקה מספקת חשיפה נקייה ואחידה יותר של שכבות המתכת תוך שמירה טובה יותר על צורתן — בדיוק מה שנדרש להנדסה לאחור מהימנה, ניתוח תקלות ובדיקות אבטחה. ישנם אזורים מסוימים מאוד מורכבים שעדיין מהווים אתגר, אך המחברים טוענים שכיוונון פרמטרים חכם יותר, בקרה אוטומטית או שילוב הלייזר עם כלי גימור על‑זעירים יכולים לדחוף את הביצועים עוד יותר. עבור מהנדסים ומומחי אבטחה, הטכנולוגיה הזו מבטיחה חלון מהיר ואמין יותר אל החיווט החבוי הן ברכיבים מורשתיים מזדקנים והן באלקטרוניקה המתקדמת של מחר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: הנדסה לאחור של מוליכים למחצה, פירוק שכבות שבבים בלייזר, לייזר פמטו‑שנייה ירוק, ניתוח תקלות במיקרושבבים, הדמיה של מעגלים משולבים