DE102017206386A1 - Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit vor Infrarot-Untersuchungen sowie MEMS-Einheit - Google Patents
Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit vor Infrarot-Untersuchungen sowie MEMS-Einheit Download PDFInfo
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Abstract
Vorgestellt wird ein Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit, insbesondere eines MEMS-Sensors, gegen Infrarot-Untersuchungen, wobei mindestens ein Bereich der MEMS-Einheit dotiert wird und wobei der mindestens eine dotierte 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 der MEMS-Einheit derart dotiert, das der dotierte 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 mindestens eine dotierte Bereich derartige strukturelle Eigenschaften (z.B. Ausdehnung des Dotierungsprofils und Dotierdichte) und optische Eigenschaften (z.B. veränderte Materialeigenschaften aufgrund der Dotierung) aufweist, dass aus jedem Einfallswinkel auf den mindestens einen Bereich einfallendes Infrarot-Licht von dem mindestens einen 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 mindestens eine 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.
- Besteht die MEMS-Einheit bzw. der MEMS-Sensor (weitgehend) aus Silizium, so eignen sich für die Dotierung beispielsweise Bor und Phosphor, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erreichen. Mit einer Ionenimplantierung können besonders hohe Dichten erreicht werden. Alternativ können aber auch weitere Dotierverfahren wie beispielsweise Abscheidungsverfahren angewendet werden.
- 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 mindestens eine Bereich vor der Fertigstellung der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors, insbesondere vor einem Bonden von Teilen der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors dotiert, wobei der Bereich nicht von außen zugänglich ist, da z.B. ein an eine Kaverne im Innern der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors angrenzender Bereich der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors dotiert wird. Hierdurch ist der dotierte Bereich ohne invasiven Eingriff in den Sensor und ohne großen Aufwand nicht zu entfernen.
- In alternativen bevorzugten Ausgestaltungen wird der mindestens eine Bereich nach der Herstellung der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors dotiert. Dabei kann insbesondere der mindestens eine Bereich mindestens Teile einer äußeren Oberfläche der MEMS-Einheit bzw. des MEMS-Sensors umfassen. Zwar ist hier ein Schutz gegen Entfernung des dotierten Bereichs oftmals reduziert. Allerdings ist auch hier eine Entfernung aufwendig und führt möglicherweise zu Schäden an der Einheit bzw. am Sensor. Zudem ist das Dotieren 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 aber einen Bereich 16 auf, welcher dotiert ist, z.B. mit Phosphor oder Bor. In1 erstreckt sich der Bereich bis zu einer inneren Oberfläche der Schichten 11 und 14, also zur Fläche hin zur Kavität oder Kaverne 15. Dieser dotierte Bereich verhindert oder erschwert eine Untersuchung des MEMS-Sensors mit Infrarotspektroskopischen Methoden, da er für Infrarotfrequenzen (weitgehend) intransparent ist und daher keine ausreichenden Transmissionswerte für eine spektroskopische Untersuchung erreicht werden. Die Ausdehnung bzw. Schichtdicke des dotierten Bereichs und die Dotierdichte bzw. das Dotierprofil sollten dabei so gewählt werden, dass mindestens 50% eines auf den Bereich 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 dotierten 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. Aus diesen Gründen ist es in einer alternativen Ausgestaltung mit einem im Innern der Schichten 11 oder 14 liegenden dotierten Bereichs ebenfalls bevorzugt, dass dieser sich nahe der Oberfläche zur Kaverne befindet. - In alternativen Ausgestaltungen kann der mindestens eine Bereich mit entsprechenden optischen Eigenschaften auch an anderen Stellen des MEMS-Sensors vorgesehen werden. So kann sich z.B. auch eine Dotierung eines Bereichs eignen, welcher Teile der äußeren Oberfläche des MEMS-Sensors einschließt, z.B. durch Ionenimplantierung. Hier ist ein Schutz gegen ein Entfernen des dotierten Bereichs nicht mehr ganz so hoch wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Allerdings ist ein Abschleifen des Bereichs weiterhin aufwendig und kann den MEMS-Sensor beschädigen, so dass ein Angriff auf die PUF des MEMS-Sensors zumindest stark erschwert wird.
- Alternativ kann es auch bereits ausreichend sein, den mindestens einen Bereich nur in oder auf dem Trägerwafer oder nur in oder auf der Sensorkappe vorzusehen.
- Neben Ionenimplantierung können sich auch Abscheidungsverfahren sowie weitere bekannte Dotierverfahren eignen, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erreichen. Die Stärke der Absorption hängt dabei von der Größe des dotierten Bereichs und von dem Dotierprofil, insbesondere der Dichte und Verteilung, ab.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 2015200775 A [0004]
Claims (11)
- Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit (1), insbesondere eines MEMS-Sensors, gegen Infrarot-Untersuchungen, wobei mindestens ein Bereich (16) der MEMS-Einheit (1) dotiert wird, wobei der mindestens eine dotierte 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 der mindestens eine Bereich (16) vor der Fertigstellung der MEMS-Einheit (1), insbesondere vor einem Bonden von Teilen der MEMS-Einheit (1) dotiert wird. - Verfahren nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ein an eine Kaverne (15) im Innern der MEMS-Einheit (1) angrenzender Bereich der MEMS-Einheit (1) dotiert wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (16) nach der Herstellung der MEMS-Einheit (1) dotiert wird, insbesondere, dass der mindestens eine 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 mindestens einen Bereich einfallendes Infrarot-Licht von dem mindestens einen Bereich zu mindestens 50%, insbesondere zu mindestens 90%, absorbiert, reflektiert oder diffus gestreut wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (16) Siliziumschichten umfasst, welche insbesondere mit Bor oder Phosphor dotiert werden.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (16) mittels Ionenimplantierung oder mittels Abscheidungsverfahren dotiert wird.
- MEMS-Einheit (1), insbesondere MEMS-Sensor, mit mindestens einem dotierten Bereich (16), welcher mehr als 50%, insbesondere mehr als 90%, eines eingestrahlten Infrarot-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus streut.
- MEMS-Einheit (1) nach
Anspruch 8 mit einer Trägerstruktur (11), einer Sensorstruktur (13), einer Kaverne (15) und einer Sensorkappe (14). - MEMS-Einheit (1) nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (16) 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. - MEMS-Einheit (1) nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich in die Sensorkappe (14) liegt.
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