緑色（515 nm）フェムト秒レーザーを用いた高忠実度チップデレイヤリング

私たちの世界を動かすチップの中を覗く

現代の生活は、航空機、医療機器、工場、日常の電子機器を静かに駆動する小さな半導体チップに依存しています。これらのチップが故障したり、過去の設計を複製・検証する必要が生じたとき、エンジニアは損傷を与えずに内部の配線を露出・マッピングする必要があります。本研究は、極めて短時間の「緑色」レーザーを用いることで、従来法よりはるかに清潔かつ制御された形でチップの層を慎重に剥がせることを示し、信頼性の高い修復、セキュリティ検査、重要ハードウェアの鑑識調査の可能性を広げます。

古いチップを開くことが重要な理由

ジェットエンジンから病院機器に至るまで、多くの長期稼働システムは設計図が失われ、交換部品が既に製造されていない集積回路に依存しています。これらのシステムを稼働させ続けるため、専門家はチップをリバースエンジニアリングし、埋め込まれた金属配線を再構築して設計を再現・評価する必要があります。同じニーズは最先端の製造現場でも生じます。生産中の些細なミスや潜在的な改ざんが見逃されると、後に故障やセキュリティリスクを引き起こす可能性があります。これらすべての作業は一つの困難な問題にかかっています：研究対象の特徴をぼかしたり消したりすることなく、大面積にわたって各内部金属層をきれいに露出させることです。

従来のチップ剥離の限界

機械的研磨、化学エッチング、集束イオンビームのような従来の層剥離法は、粗雑すぎる、遅すぎる、またはコストが高すぎるため、チップ全体に日常的に適用するには適していません。機械的・化学的方法は簡単に材料を抉ったり不均一に除去したりし、集束イオンビームは極めて高精度ですが極小領域に対してしか実用的ではなく処理速度も遅いです。非破壊のX線イメージングでさえ、微細な金属線を追跡するのに必要な鮮明さを欠くことがよくあります。過去の近赤外の超高速レーザーを用いた研究は有望性を示しました：極めて短い光パルスで材料を蒸発させ、熱の広がりを抑えるという考えです。しかし、異なるチップ材料が赤外光を吸収する程度は大きく異なるため、この方法は斑状の除去、残留デブリ、配線の部分的損傷を招き、エンジニアが見たい細部をぼかしてしまうことがありました。

より鋭い緑色レーザーのメス

著者らはこの課題に対し、波長の短い緑色レーザーとフェムト秒単位のパルスを採用しました。この短い波長では、レーザーのエネルギーが金属と絶縁体の双方により均一に結合し、より滑らかな除去と深さ制御の向上が得られます。三層の金属層を持つ実際のマイクロプロセッサ上で、パルスエネルギー、繰り返し率、走査速度、パルス持続時間といった主要な設定を慎重に調整しました。また、チップの部位ごとに見た目や構造が異なることにも着目しました：広い電源ラインがある領域、微細な接続が密集したグリッド領域、大きな接点パッドがある領域などです。チップを典型的な4種類の領域に分類することで、各領域が過剰切削されることなく適切にクリーニングされるよう処方を調整できました。

緑色レーザーを使う二つの方法

チームは主に二つのワークフローを検討しました。第一は、より強力な赤外ビームでまず大量の材料を素早く除去し、その後に緑色レーザーで露出面を磨く方法です。この組み合わせは赤外単独よりも清浄性を改善しましたが、繰り返しの赤外パスが金属線を侵食し、微妙に侵されてしまう傾向がありました。第二のワークフローでは、緑色レーザーが除去と仕上げを最初から最後まで担います。こちらはより綿密な調整が必要でしたが、特に最上層の配線とその下およそ1マイクロメートルにある第二層の多くにおいて、極めて平坦でデブリの少ない面と鮮明な金属特徴を広い領域で実現しました。高分解能共焦点顕微鏡、電子顕微鏡、元素マッピング装置はいずれも、緑色レーザー単独法が配線の真の形状と組成を最小限の損傷で露出することを確認しました。

実世界のチップへの意義

研究は、緑色フェムト秒レーザーが高忠実度でチップを層ごとに「アンスタック」する強力かつ実用的な手段を提供することを結論づけています。赤外単独に比べ、緑色アプローチは金属層の露出をより清潔かつ均一に行い、形状をよりよく保持します。これは信頼できるリバースエンジニアリング、故障解析、セキュリティ監査にまさに必要とされる特性です。特に複雑な領域はいまだ課題を残しますが、著者らはより賢明なパラメータ調整、自動制御、あるいは超微細仕上げツールとの併用が性能をさらに押し上げると論じています。エンジニアやセキュリティ専門家にとって、この技術は既存のレガシー部品と次世代の高性能マイクロエレクトロニクスの隠れた配線をより速く、より確実に覗き見るための窓を約束します。

引用: 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

キーワード: 半導体リバースエンジニアリング, レーザーチップデレイヤリング, 緑色フェムト秒レーザー, マイクロチップ故障解析, 集積回路イメージング