Высокоточное поэтапное вскрытие микросхем с помощью зелёных (515 нм) фемтосекундных лазеров

Взгляд внутрь микросхем, которые управляют нашим миром

Современная жизнь опирается на крошечные полупроводниковые микросхемы, которые незаметно питают самолёты, медицинское оборудование, заводы и повседневную электронику. Когда эти чипы выходят из строя или когда нужно скопировать и проверить старые разработки, инженерам необходимо вскрыть и отобразить их скрытую разводку без разрушения. В этом исследовании показано, как чрезвычайно быстрый «зелёный» лазер может аккуратно снимать слои микросхем с гораздо большей чистотой и управляемостью по сравнению с прежними методами, что открывает путь к более надёжному ремонту, проверкам безопасности и судебно‑техническим исследованиям критичного оборудования.

Почему важно вскрывать старые чипы

Многие длительно эксплуатируемые системы — от авиационных двигателей до больничного оборудования — всё ещё зависят от интегральных схем, чьи оригинальные чертежи утрачены, а запасных частей уже не выпускают. Чтобы поддерживать работу таких систем, специалистам приходится заниматься обратным проектированием чипов, восстанавливая их скрытую металлическую разводку для воспроизведения или оценки конструкции. Аналогичная потребность возникает в передовых производствах, где крошечные ошибки или даже скрытая подмена компонентов на этапе изготовления могут незаметно привести к отказам или угрозам безопасности. Все эти задачи сводятся к одной сложной проблеме: открывать каждый внутренний металлический слой чисто, на больших площадях, не размывая и не стирая те детали, которые нужно изучать.

Пределы традиционных методов снятия слоёв

Старые подходы к удалению слоёв — такие как механическая полировка, химическое травление и сфокусированные ионные пучки — либо слишком грубы, либо слишком медленны, либо слишком дороги для рутинного применения на целых чипах. Механические и химические методы легко могут выдолбить или неравномерно снять материал, тогда как сфокусированные ионные пучки обеспечивают исключительную точность лишь на крошечных областях и очень медленно. Даже неразрушающая рентгеновская томография обычно не даёт той резкости, которая нужна для отслеживания микроскопических металлических линий. Ранние работы с ультрабыстрыми инфракрасными лазерами намекали на лучший путь: использовать чрезвычайно короткие световые импульсы для испарения материала с меньшим тепловым распространением. Но поскольку разные материалы чипа по‑разному поглощают инфракрасный свет, этот подход часто приводил к неравномерному снятию, оставшемуся мусору и частично повреждённой проводке, что размывало те самые детали, которые инженеры пытались увидеть.

Более точный «зелёный» лазерный скальпель

Авторы решили эту проблему, перейдя на зелёный лазер с импульсами длительностью всего фемтосекунд — миллионных долей миллиардной секунды. На этой более короткой длине волны энергия лазера равномернее взаимодействует с металлами и диэлектриками, что приводит к более гладкому снятию и тонкому контролю глубины. Работая с реальным микропроцессором с тремя сложенными металлическими слоями, они тщательно настроили ключевые параметры: энергию импульса, частоту повторения, скорость сканирования и длительность импульса. Они также учли, что разные участки чипа выглядят по‑разному: где‑то проложены широкие силовые линии, где‑то плотные сетки мелких соединений, а где‑то крупные контактные площадки. Разбив чип на четыре типичных типа областей, они настроили режимы обработки так, чтобы каждая зона очищалась без излишнего снятия материала.

Два подхода применения зелёного света

Команда изучила два основных рабочего процесса. В первом более мощный инфракрасный пучок быстро удалял основной объём материала, а затем зелёный лазер полировал обнажённые поверхности. Такое сочетание действительно улучшало чистоту по сравнению с одним инфракрасным лазером, но повторные проходы инфракрасного пучка имели тенденцию подъедать металлические линии, слегка их эродируя. Во втором рабочем процессе зелёный лазер выполнял и удаление, и полировку от начала до конца. Хотя это требовало более тщательной настройки, такой подход давал исключительно плоские поверхности с минимальным количеством мусора и чёткими металлическими элементами на больших площадях, особенно для верхнего силового слоя и значительной части второго слоя, находящегося примерно в одном микрометре ниже. Высокоточные конфокальные микроскопы, электронные микроскопы и методы элементного картирования подтвердили, что режим только с зелёным лазером выявляет истинную геометрию и состав разводки с минимальным повреждением.

Что это значит для реальных микросхем

Авторы делают вывод, что зелёные фемтосекундные лазеры представляют собой мощный и практичный способ «разбиения» микросхем по слоям с высокой верностью. По сравнению с использованием только инфракрасного света зелёный подход обеспечивает более чистое и равномерное обнажение металлических слоёв при лучшей сохранности их формы — ровно то, что требуется для надёжного обратного проектирования, анализа отказов и проверок безопасности. Некоторые особенно сложные области по‑прежнему представляют трудности, но исследователи утверждают, что более интеллектуальная настройка параметров, автоматизированное управление или сочетание лазера с ультратонкими отделочными инструментами могли бы ещё больше повысить эффективность. Для инженеров и специалистов по безопасности эта технология обещает более быстрый и надёжный доступ к скрытой разводке как устаревших компонентов, так и самых современных микросхем будущего.

Цитирование: 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

Ключевые слова: обратное проектирование полупроводников, поэтапное вскрытие микросхем лазером, зелёный фемтосекундный лазер, анализ отказов микрочипов, визуализация интегральных схем