使用绿色（515 nm）飞秒激光实现高保真芯片去层

窥探驱动我们世界的芯片内部

现代生活依赖于那些默默为飞机、医疗设备、工厂和日常电子产品供能的微小半导体芯片。当这些芯片发生故障，或需要复制与验证已有设计时，工程师必须揭示并绘制其隐藏的连线而不将其破坏。该研究展示了一种极其快速的“绿色”激光，能够比传统方法更清洁、更可控地剥离芯片层，从而为更可靠的修复、安全检查和关键硬件的取证调查打开了可能性。

为何打开老旧芯片至关重要

许多长期运行的系统——从喷气发动机到医院设备——仍依赖于原始蓝图已丢失且不再生产替代件的集成电路。为保持这些系统运转，专家必须对芯片进行逆向工程，重建其埋藏的金属连线，以便复制或评估设计。同样的需求也出现在尖端制造中，生产过程中的微小错误或隐蔽篡改可能被遗漏，随后导致失效或安全风险。所有这些工作都取决于一个难题：如何在大面积上将每一层内部金属干净地显露出来，而不模糊或抹去你要研究的特征。

传统芯片剥离的局限

旧有的去层方法——如机械抛光、化学蚀刻和聚焦离子束——要么太粗糙，要么太慢，要么成本过高，不适合作为常规整片处理手段。机械和化学方法容易划伤或不均匀去除材料，而聚焦离子束虽有极高精度，但仅能在极小区域以极慢速度工作。即便是非破坏性的X射线成像，通常也缺乏描绘微观金属线所需的清晰度。早期对超快红外激光的研究提示了更好的方向：利用极短的光脉冲以更少的热扩散汽化材料。但由于不同芯片材料对红外光的吸收差异很大，这一方法常导致去层不均、残留碎屑以及对连线的部分损伤，从而模糊了工程师希望观测的细节。

更锋利的绿色激光“手术刀”

作者通过改用波长更短、脉冲仅为飞秒级（十亿分之一秒的百万分之一）的绿色激光来应对这一挑战。在这种更短的波段，激光的能量能更均匀地耦合到金属与绝缘材料中，带来更平滑的去除和对深度的更精细控制。他们在一颗具有三层堆叠金属的真实微处理器上，仔细调整了脉冲能量、重复频率、扫描速度和脉冲持续时间等关键参数。研究者还认识到芯片各处的结构并不相同：有些区域为宽的电源线，有些是密集的微小连线格，有些则是大的接触焊盘。通过将芯片划分为四种典型区域，他们能够为每种区域调整工艺配方，使其在不被过度切削的情况下得到清洁处理。

两种绿色光的使用路线

团队探索了两种主要工作流程。第一种流程中，较强的红外光束先快速去除大块材料，随后用绿色激光抛光暴露的表面。与单用红外相比，这种组合在清洁度上有所改善，但反复的红外照射倾向于侵蚀金属线，产生细微损耗。第二种流程则由绿色激光从头到尾同时承担去除与抛光任务。尽管这需要更精细的参数调校，但其结果是在大面积上获得出人意料的平整、低碎屑表面和清晰的金属特征，尤其适用于顶层布线及位于下一层约一微米深处的大部分区域。高分辨共聚焦显微镜、电子显微镜和元素映射工具均证实，纯绿色方法在最小损伤下揭示了连线的真实几何形状与成分。

这对真实世界芯片意味着什么

研究得出结论：绿色飞秒激光提供了一种强大且实用的方式，能够以高保真逐层“解叠”芯片。与单用红外光相比，绿色方法在更好保护形状的同时，提供了更清洁、更均匀的金属层显露——这正是可信逆向工程、故障分析与安全审计所需要的。某些特别复杂的区域仍然具有挑战性，但作者认为通过更智能的参数调优、自动化控制或将激光与超精细抛光工具配对，性能还可进一步提升。对于工程师和安全专家而言，这项技术为窥见陈旧遗留部件与未来最先进微电子设备的隐藏连线，提供了更快、更可靠的途径。

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

关键词: 半导体逆向工程, 激光芯片去层, 绿色飞秒激光, 微芯片故障分析, 集成电路成像