DE102017206385A1

DE102017206385A1 - Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit vor Infrarot-Untersuchungen sowie MEMS-Einheit

Info

Publication number: DE102017206385A1
Application number: DE102017206385.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Willers; Sven Zinober; Ulrich Kunz; Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-10-18
Also published as: US10273145B2; CN108731718B; US20180297835A1; CN108731718A

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit, insbesondere eines MEMS-Sensors, gegen Infrarot-Untersuchungen, wobei für mindestens einen ersten Bereich einer Oberfläche der MEMS-Einheit eine Oberflächenstrukturierung erfolgt, wobei der erste Bereich mehr als 50%, insbesondere mehr als 90%, eines auf ihn einfallendes Infrarot-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus streut.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit, insbesondere eines MEMS-Sensors, vor Infrarot-Untersuchungen sowie MEMS-Einheit und MEMS-Sensor hierzu.
Stand der Technik
Mikrosysteme (engl.: microelectromechanical systems, MEMS) haben in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung zugenommen. MEMS-Sensoren wie z.B. MEMS-basierte Inertialsensoren werden in zahllosen elektronischen Geräten und Systemen eingesetzt.
Die Verwendung von geheimen, nicht auslesbaren oder kopierbaren Schlüsseln ist die Grundlage für Datensicherheit in der vernetzten Welt. Diese Schlüssel werden z.B. für Verschlüsselung von Datenübertragungen oder auch zur Authentifizierung von Netzwerkteilnehmern verwendet. Nachdem zunächst reine Softwareschlüssel in nichtflüchtigen Speicher ggf. in besonders geschützten Speicherbereichen verwendet wurden und immer noch werden, geht der Trend eindeutig in Richtung hardwarebasierter Schlüssel. Die aktuell verbreitetste Methode ist der sog. SRAM-PUF (Physical Unclonable Function) bei der Fertigungstoleranzen in Transistoren zu einem zufälligen jedoch wiederholbaren Einschaltzustand von Speicherzellen nach Anlegen der Betriebsspannung führt. SRAM-PUFs wurden jedoch schon, wenn auch mit erheblichem Aufwand, sowohl ausgelesen als auch kopiert.
Die Anmeldung US2015200775A beschreibt die Verwendung von MEMS-Sensoren für hardwarebasierte Schlüssel. Hierzu werden fertigungsbedingte unterschiedlichste einzigartige elektromechanische Eigenschaften dieser Sensoren wie z.B. Resonanzfrequenzen (Moden), Kapazitäten, interne Hilfssignale von einer Auswerteschaltung erfasst und zu einem Schlüssel zusammengesetzt. Invasive Methoden, d.h. öffnen der Sensoren, führt in der Regel zur Zerstörung des Schlüssels, da sich z.B. die Druckverhältnisse im Innern des Sensors und die mechanischen Spannungen im Sensor ändern.
Mit aktuell aufkommenden modernen Infrarot-Messverfahren, wie IR-Vibrometrie oder IR-Interferometrie besteht die Gefahr, dass Teile des Schlüssels durch das für IR-Licht transparente Silizium nicht-invasiv ausgelesen werden können, wodurch die Sicherheit des Schlüssels deutlich abnimmt.
Offenbarung der Erfindung
Es werden Verfahren vorgeschlagen, mit denen eine MEMS-Einheit, insbesondere ein MEMS-Sensor, gegen infrarotspektroskopische Untersuchungen geschützt wird, indem diese verhindert oder zumindest erschwert werden. Hierzu wird mindestens ein Bereich einer Oberfläche der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors derart strukturiert, das dieser strukturierte Bereich aufgrund seiner optischen Eigenschaften mindestens 50%, insbesondere mindestens 90% eines auf ihn einfallenden bzw. auf ihn eingestrahlten Infrarot-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus streut. Dadurch werden nicht-invasive Untersuchungen interner physikalischer Eigenschaften mittels Infrarot-Untersuchungen verhindert oder erschwert und insbesondere die Sicherheit von aus den Eigenschaften abgeleiteten Geheimnissen oder Schlüssel gewährleistet oder verbessert.
Hauptansatzpunkte sind hierbei, das System für IR-Licht intransparent zu machen, bzw. die Transmission und / oder optische Schärfe soweit zu minimieren, dass ein Auslesen bzw. Auswerten der für eine Ermittlung der benötigten Strukturinformationen nicht mehr oder nicht ohne weiteres möglich ist.
Besonders hoch ist der Schutz, wenn der strukturierte Bereich derartige strukturelle Eigenschaften (z.B. Tiefe und Fläche der Strukturierung) und optische Eigenschaften (z.B. veränderte Materialeigenschaften aufgrund der Strukturierung) aufweist, dass aus jedem Einfallswinkel auf den strukturierten Bereich einfallendes Infrarot-Licht von dem strukturierten Bereich zu mindestens 50%, insbesondere zu mindestens 90%, absorbiert, reflektiert oder diffus gestreut wird.
Um die Einheit bzw. den Sensor weiterhin besonders gut zu schützen, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der strukturierte Bereich in der Einheit bzw. im Sensor derart angeordnet, dass Licht aus jeder Richtung zwischen einer Oberfläche der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors und der Kaverne den mindestens einen Bereich passiert.
Vorzugsweise eignen sich für die Strukturierung Ätzverfahren, z.B. besonders ein KOH-Ätzverfahren, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erreichen, insbesondere, wenn die MEMS-Einheit bzw. der MEMS-Sensor (weitgehend) aus Silizium bestehen. Alternativ können aber auch weitere bekannte Verfahren zur Oberflächenstrukturierung eingesetzt werden.
Die Oberflächenstrukturierung kann dabei zu einer erhöhten Rauigkeit der Oberfläche führen und somit die Transmission infraroten Lichts reduzieren. Auch können Gitterstrukturen auf die Oberfläche aufgebracht, bzw. in die Oberfläche eingebracht werden, welche durch Reflexions- und Streueigenschaften ebenfalls die Transmission infraroten Lichts reduzieren. Die Oberflächenstruktur kann insbesondere auch als Retroreflektor oder Tripelspiegel wirken und so aufgrund sehr hoher Reflexionsanteile die Transmission infraroten Lichts reduzieren.
Bei den derart geschützten MEMS-Einheiten handelt es sich insbesondere um Sensoren mit einer Trägerstruktur, einer Sensorkappe, einer von Trägerstruktur und Sensorkappe begrenzten, evakuierten Kaverne und einer auf der Trägerstruktur aufgebrachten eigentlichen, funktionalen Sensorstruktur.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen wird der Oberflächenbereich vor der Fertigstellung der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors, insbesondere vor einem Bonden von Teilen der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors strukturiert, wobei der strukturierte Bereich nicht von außen zugänglich ist, da z.B. innere, an eine Kaverne der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors angrenzende Oberfläche der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors strukturiert wird. Hierdurch ist der strukturierte Bereich ohne invasiven Eingriff in die Einheit bzw. den Sensor und ohne großen Aufwand nicht zu entfernen.
In alternativen bevorzugten Ausgestaltungen wird der Oberflächenbereich nach der Herstellung der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors dotiert und umfasst somit Teile einer äußeren Oberfläche der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors. Zwar ist hier ein Schutz gegen Entfernung des strukturierten Bereichs oftmals reduziert. Allerdings ist auch hier eine Entfernung aufwendig und führt möglicherweise zu Schäden an der Einheit bzw. am Sensor. Zudem die Oberflächenstrukturierung in diesen Ausgestaltungen einfacher zu bewerkstelligen.
Zeichnung
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt 1 schematisch einen beispielhaften MEMS-Sensor.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Messungen mittels Laser-IR-Vibrometrie an MEMS-Sensoren wurden Transmissionswerte für Infrarot-Frequenzen im Bereich von typischerweise ca. 50% ermittelt. Mit solchen Messungen können Frequenzen in der Sensorstruktur bestimmt werden und damit Rückschlüsse auf die einer PUF zugrundeliegenden physikalischen Eigenschaften des MEMS-Sensors und damit auf die PUF gezogen werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Absicherung von MEMS-Sensoren gegen eine Untersuchung mittels Infrarot-Spektroskopie. Neben MEMS-Sensoren können auch MEMS-Einheiten eingesetzt werden, deren eigentliche funktionale MEMS-Struktur derart auf PUF-Funktionalität optimiert ist, dass die MEMS-Einheit keine (signifikanten) Sensorfunktionen mehr ausführen kann, sondern vorrangig als PUF-Träger dient. Auch solche MEMS-Einheiten sollen gegen Infrarot-Untersuchungen geschützt werden.
1 zeigt einen MEMS-Sensor 1. Der MEMS-Sensor 1 weist einen Trägerwafer 11 auf, dessen Abgrenzung zu den weiteren Schichten 14 durch die Trennlinie 12 verdeutlicht wird. Der MEMS-Sensor 1 weist weitere Schichten 14 auf, welche mit dem Trägerwafer 11 eine Kavität oder Kaverne 15 einschließen. Die Schichten 14 können über ein Bondingverfahren mit den Schichten 11 verbunden sein. Die Schichten 14 werden auch als sogenannte Sensor-Kappe bezeichnet. In der Kavität oder Kaverne 15 wird vorzugsweise ein Vakuum erzeugt. In der Kaverne 15 und auf dem Trägerwafer 11 befindet sich die eigentliche, funktionale SensorStruktur 13 des MEMS-Sensors 1.
Die Schichten 11 und die Schichten 14 sowie die Sensorstruktur 13 bestehen gewöhnlich aus Silizium. Der MEMS-Sensor in 1 weist nun Oberflächenbereiche 16, 17 auf, welcher für welche eine Bearbeitung in Form einer Oberflächenstrukturierung vorgenommen wurde. In 1 erstreckt sich der strukturierte Bereich 16 entlang einer inneren Oberfläche der Schichten 11 und 14, also der Oberfläche hin zur Kavität oder Kaverne 15. Der strukturierte Bereich 17 erstreckt sich entlang einer äußeren Oberfläche der Schichten 11 und 14. Die Oberflächenbereiche 16 und 17 verhindern oder erschweren durch ihre Oberflächenstrukturen eine Untersuchung des MEMS-Sensors mit Infrarotspektroskopischen Methoden, da sie für Infrarotfrequenzen (weitgehend) intransparent ist und daher keine ausreichenden Transmissionswerte für eine spektroskopische Untersuchung erreicht werden. Die Tiefe, die Fläche und die Art der Strukturierung der strukturierten Bereiche 16 und 17 sind dabei so gewählt, dass mindestens 50% eines auf die Bereiche eingestrahlten IR-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus gestreut werden, insbesondere mindestens 90%.
Durch die Lage im Inneren des MEMS-Sensors 1 ist ein Entfernen des strukturierten Bereichs 16 durch einen Angreifer auf die PUF kaum möglich, da dieses den Sensor 1 massiv beschädigen sowie das Vakuum der Kavität bzw. Kaverne 15 zerstören würde. Ein solcher Eingriff in die Sensorstruktur kann auch zur Folge haben, dass sich eingeprägte mechanische Spannungszustände (z.B. aus dem Moldprozess) oder Druckverhältnisse ändern und dadurch die physikalischen Eigenschaften bzw. die genaue Ausprägung der Sensoreigenschaften leicht ändern, welche der PUF zugrunde liegen. So wird die Manipulationssicherheit stark erhöht. Der strukturierte Bereich 17 befindet sich wie beschrieben auf der äußeren Oberfläche des MEMS-Sensors 1. Hier ist ein Schutz gegen ein Entfernen der Oberflächenstrukturen nicht mehr ganz so hoch wie für den Bereich 16. Allerdings ist ein Abschleifen des Bereichs 17 weiterhin aufwendig und kann den MEMS-Sensor 1 beschädigen, so dass ein Angriff auf die PUF des MEMS-Sensors zumindest stark erschwert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015200775 A [0004]

Claims

Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit (1), insbesondere eines MEMS-Sensors, gegen Infrarot-Untersuchungen, wobei für mindestens einen ersten Bereich einer Oberfläche (16, 17) der MEMS-Einheit (1) eine Oberflächenstrukturierung erfolgt, wobei der erste Bereich mehr als 50%, insbesondere mehr als 90%, eines auf ihn einfallendes Infrarot-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus streut.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (17) vor der Fertigstellung der MEMS-Einheit (1), insbesondere vor einem Bonden von Teilen der MEMS-Einheit (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (17) eine innere Oberfläche der MEMS-Einheit (1) ist und an eine Kaverne (15) der MEMS-Einheit (1) angrenzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Bereich (16) die Oberflächenstrukturierung nach der Herstellung der MEMS-Einheit (1) erfolgt und der erste Bereich (16) mindestens Teile einer äußeren Oberfläche der MEMS-Einheit (1) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem Einfallswinkel auf den ersten Bereich einfallendes Infrarot-Licht von dem ersten Bereich zu mindestens 50%, insbesondere zu mindestens 90%, absorbiert, reflektiert oder diffus gestreut wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung durch Ätzen erfolgt, insbesondere durch KOH-Ätzen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung die Rauigkeit des ersten Bereichs (16, 17) erhöht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung des ersten Bereichs Gitterstrukturen umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (16, 17) durch die Oberflächenstrukturierung als Retroreflektor oder Tripelspiegel wirkt.
MEMS-Einheit (1) mit mindestens einem ersten Bereich einer Oberfläche (16, 17) mit eine Oberflächenstrukturierung, wobei der erste Bereich mehr als 50%, insbesondere mehr als 90%, eines eingestrahlten Infrarot-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus streut.
MEMS-Einheit (1) nach Anspruch 10 mit einer Trägerstruktur (11), einer Sensorstruktur (13), einer Kaverne (15) und einer Sensorkappe (14).
MEMS-Einheit (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (16, 17) derart angeordnet ist, dass Licht aus jeder Richtung zwischen einer Oberfläche der MEMS-Einheit (1) und der Kaverne (15) den mindestens einen Bereich (16) passiert.