DE112011103162B4

DE112011103162B4 - Produkt, das eine physische, nicht klonbare Funktion verkörpert

Info

Publication number: DE112011103162B4
Application number: DE112011103162.9T
Authority: DE
Inventors: Heiko Wolf; Tamas Visegrady
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: DE112011103162T5; GB201303961D0; JP2013539874A; GB2497032A; JP5782519B2; GB2497032B; WO2012038842A1; CN103124979B; CN103124979A

Abstract

Der Erfindung bezieht sich auf Produkte, die eine PUF verkörpern. Ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Produkts wird offenbart, das sich auf ein Material stützt, das eine Oberfläche mit „deterministischen” Unebenheiten aufweist. Das Verfahren verwendet des Weiteren Teilchen, die so dimensioniert sind, dass sie durch die Unebenheiten der Oberfläche gefangen werden können. Im Allgemeinen ermöglicht das Verfahren Teilchen (20), sich zufällig auf Unebenheiten (14) der Materialoberfläche (12) abzuscheiden und daran gefangen zu werden, um eine Struktur zu erzielen, die die PUF ausbildet. Die resultierende PUF ist leichter auslesbar gestaltet, da die allgemeine Struktur und die Position der Teilchen bekannt sind. Lediglich die Füllhöhe (einer bestimmten Art) der Teilchen ist zufällig.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der physischen, nicht klonbaren Funktionen und auf Verfahren zum Fertigen von Produkten und/oder Richten von Anforderungen an Produkte, die solche Funktionen verkörpern, sowie die mit diesem Verfahren hergestellten Produkte.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einer physischen, nicht klonbaren Funktion (auch als physisch nicht klonbare Funktion oder kurz PUF (Physically Unclonable Function) bezeichnet) handelt es sich um eine Funktion, die in einer physischen Struktur verkörpert ist, die leicht auszuwerten, jedoch nur schwierig vollständig zu beschreiben ist, siehe z. B. eine gute Einführung bei Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Physically_unclonable_function). Das Konzept wurde bereits in den frühen 90er Jahren angewandt, siehe z. B. EP 0583709 (A1) . Üblicherweise weist die Struktur, die die PUF enthält, Zufallskomponenten auf, die während der Fertigung der Struktur eingebracht werden und die nicht vollständig gesteuert werden können. Wenn ein physischer Impuls (die Anforderung (Chalienge)) auf die Struktur, die die PUF verkörpert, angelegt wird, wird folglich ein Ergebnis erzielt (die Antwort (Response)), das aufgrund der Zufallskomponenten nicht vollständig vorhergesagt werden kann. Dieses Ergebnis ist jedoch (idealerweise unendlich) reproduzierbar. Daher bilden eine bestimmte Anforderung und ihre Antwort gemeinsam ein eindeutiges Anforderung-Antwort-Paar. Beispielsweise kann an eine rissige oder raue Oberfläche eine Anforderung durch einen einfallenden Lichtstrahl gerichtet werden, der eine eindeutige Streuungsstruktur erzeugt. Zwei PUFs, die in dem im Wesentlichen selben Prozess gefertigt werden, besitzen unterschiedliche Anforderung-Antwort-Verhalten. Dies resultiert aus einer komplexen Wechselwirkung der Anforderung mit den Zufallskomponenten der Struktur. Es wird angenommen, dass es in der Praxis nicht möglich ist, diese Wechselwirkung genau nachzubilden. Daher gelten PUFs als nicht klonbar.
Es können verschiedene Zufallsquellen verwendet werden. Insofern kann zwischen PUFs, in die die Zufälligkeit von außen eingebracht wird, und PUFs, die die intrinsische Zufälligkeit eines physischen Systems verwenden, unterschieden werden.
Beispielsweise weisen mikroelektronische Halbleiter-Chips eine intrinsische Zufälligkeit in ihren genauen elektronischen Eigenschaften aufgrund geringfügiger Abweichungen in ihrem Fertigungsprozess auf, z. B. nutzen Silicium-PUFs intrinsische Zufallsschwankungen von Verzögerungen durch Leitungen und Logikgatter aus. Vorteile bestehen in den Möglichkeiten zur Abwärtsskalierung und IC-Integration. Als problematischer erweisen sich die typische Langzeit-Drift und die Reproduzierbarkeit des Lesens.
Beispiele für PUFs, die extrinsische Zufälligkeit verwenden, sind die optischen PUFs und Beschichtungs-PUFs. Eine optische PUF kann zum Beispiel aus einem transparenten Material erzielt werden, das mit lichtstreunenden Teilchen dotiert wird. Eine zufällige und eindeutige Streuungsstruktur wird erzeugt, wenn das Material angestrahlt wird, siehe z. B. R. Pappu, B. Recht, J. Taylor, and N. Gershenfeld. Physical One-Way functions. Science, 297(5589): 2026–2030, Sep 2002. http://dx.doi.org/10.1126/science.1074376.
Beschichtungs-PUFs sind ebenfalls bekannt; sie können z. B. in der obersten Schicht einer IC erstellt werden, indem ein Zwischenraum, der durch die Kammstruktur definiert wird, mit einem opaken Material gefüllt wird, das zufällig mit dielektrischen Teilchen dotiert wird, siehe z. B. B. Skoric, S. Maubach, T. Kevenaar, and P. Tuyls. Information-theoretic analysis of capacitive physical unclonable functions. J. Appl. Phys., 100(2): 024902, Jul 2006. http://dx.doi.org/10.1063/1.2209532.
Im Allgemeinen ermöglichen extrinsische PUFs hohe Reproduzierbarkeit und einfaches Lesen, das Einbringen von Markierungen ist jedoch häufig schwierig, und die Größenskalierbarkeit ist begrenzt.
In jedem der obigen Fälle wird eine intrinsische oder extrinsische Zufälligkeit ausgenutzt, um PUFs mit einem jeweiligen eindeutigen Anforderung-Antwort-Paar zu erzeugen. Solche Funktionen sind zum Beispiel zur Verwendung in Fälschungssicherungs- und Verschlüsselungsanwendungen von Bedeutung. Leider kann sich die Zufallskomponente einer PUF im Laufe der Zeit verändern oder verschlechtern.
Allgemeiner ausgedrückt, das Auslesen der PUF wird aufgrund einer Verschlechterung oder Veränderung im Laufe der Zeit und/oder aufgrund einer intrinsischen Schwierigkeit erschwert.
Die EP 2226745 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschaffen eines beliebigen Schlüssels, der in einem Gerät zur eindeutigen Produktidentifikation anwendbar ist. Die Vorrichtung umfasst eine Gleitbahn eines kontinuierlichen Streifens, die entlang des Streifens aufgebaut ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Bohrungsstation zum Herstellen einer Vielzahl von Löchern in dem Streifen. Die Vielzahl der Löcher bildet den beliebigen Schlüssel aus.
Die EP 2230793 A2 offenbart ein Verfahren, wobei Non-Linear Cellular Networks (CNNs) als physikalische unklonbare Funktionen (PUFs) angewandt werden. Die WO 2008/001243 A2 offenbart ein Gerät und ein Verfahren zum Erzeugen einer beliebigen Zahl.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines Produkts bereit, das eine physische, nicht klonbare Funktion oder PUF verkörpert, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Materials mit einer Oberfläche, die deterministische Unebenheiten aufweist, und von Teilchen, die an den Unebenheiten gefangen werden können; und Befähigen von Teilchen, sich zufällig auf der Oberfläche abzuscheiden und an den Unebenheiten gefangen zu werden, um die PUF zu erzielen.
Bei sonstigen Ausführungsformen kann das Verfahren eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

– Das Bereitstellen weist das Bereitstellen der Teilchen als kolloidale Suspension in einer Flüssigkeit auf, wobei es sich bei der Flüssigkeit bevorzugt um Wasser handelt; und das Befähigen der Teilchen, sich zufällig abzuscheiden, weist das Aufbringen der Flüssigkeit auf die Oberfläche auf, die Unebenheit aufweist;
– die bereitgestellte(n) Oberflächenunebenheiten des Materials, die Teilchen und die Flüssigkeit werden so gewählt, dass die Teilchen Kapillarkräften an der Oberfläche unterliegen, wobei sich die charakteristischen Abmessungen sowohl der Teilchen als auch der Unebenheiten bevorzugt in der Größenordnung von Mikrometern befinden;
– das Befähigen der Teilchen, sich zufällig abzuscheiden, weist auf: Aufbringen der Flüssigkeit auf die Oberfläche, indem eine Schicht der Flüssigkeit mit einer Abdeckung gegen die Unebenheiten aufweisende Oberfläche gehalten wird, wobei ein Meniskus der Flüssigkeit zwischen der Oberfläche und einer Kante der Abdeckung definiert wird; und Verschieben der Abdeckung oder der Oberfläche entsprechend einer Verdunstungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auf der Höhe des definierten Meniskus, wobei die Flüssigkeit bevorzugt erwärmt wird;
– die bereitgestellte Flüssigkeit weist des Weiteren Tenside auf, die sich auf einen Kontaktwinkel auswirken, der durch den Meniskus an der Oberfläche ausgebildet wird;
– das Bereitstellen weist das Bereitstellen von Teilchen verschiedener Arten auf, und Teilchen verschiedener Arten weisen bevorzugt verschiedene jeweilige Farben auf;
– das Bereitstellen weist das Bereitstellen eines Materials auf, das vorverarbeitete Oberflächenunebenheiten aufweist;
– die bereitgestellten deterministischen Oberflächenunebenheiten bilden ein 2D-Array aus;
– die bereitgestellten deterministischen Oberflächenunebenheiten bilden ein Array offener Ecken aus;
– bei den bereitgestellten Teilchen handelt es sich um Kügelchen, die jeweils einen fluoreszierenden Farbstoff aufweisen, und wobei es sich bei den Teilchen bevorzugt um Polystyrolkügelchen handelt;
– das Verfahren der Erfindung weist des Weiteren vorhergehende Schritte zum Formen eines Vorpolymers in einer Form und Polymerisieren des Vorpolymers auf, um das Material mit den Oberflächenunebenheiten auszubilden, wobei es sich bei dem Material bevorzugt um PDMS handelt;
– das Verfahren der Erfindung weist des Weiteren einen Schritt zum Fixieren der abgeschiedenen Teilchen auf; und
– die Oberfläche des bereitgestellten Materials weist einen Satz von Unebenheiten auf, die so konzipiert sind, dass eine Unebenheit des Satzes, in der ein Teilchen gefangen ist, bei einer Anstrahlung eine Streuungsstruktur erzeugt, die sich wesentlich von einer Streuungsstruktur unterscheidet, die durch eine Unebenheit des Satzes erzeugt wird, in der kein Teilchen gefangen ist. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren gemäß einem weiteren Aspekt auf ein Produkt, das eine PUF verkörpert, wobei das Produkt gemäß Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung erzielt wird.

Gemäß einem abschließenden Aspekt bezieht sich die Erfindung außerdem auf ein Verfahren zum Durchführen einer Anforderung-Antwort-Auswertung eines Produkts gemäß der Erfindung, das die Schritte aufweist: Bereitstellen des Produkts gemäß der Erfindung; Stimulieren der Oberfläche des Produkts mit Teilchen, die in den deterministischen Unebenheiten der Oberfläche abgeschieden werden, um eine Antwort zu erzielen; und Lesen der Antwort entsprechend den deterministischen Unebenheiten.
Produkte und Verfahren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, werden nun mithilfe von nicht beschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Fertigen eines Produkts, das eine PUF verkörpert, in einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung;
2 ist eine Ansicht einer Versuchsanordnung zum Realisieren sowohl des Verfahrens von z. B. 1 und einer Anforderung-Antwort-Auswertung einer PUF, die dementsprechend erzielt worden ist, in einer Ausführungsform;
3 ist eine mikroskopische hoch Kontrast Aufnahme von Polystyrolteilchen mit einer Größe von ~1 μm, die in Wasser suspendiert sind und die auf einer PDMS-Fläche abgeschieden werden, gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine optische hoch Kontrast Hellfeldmikroskopaufnahme, die fluoreszierende Polystyrolkugeln, die in einem Ecken-Array abgeschieden und gefangen sind, gemäß einer Ausführungsform darstellt;
5 ist eine symbolische Repräsentation eines Negativs einer Graustufenversion einer Fluoreszenzmikroskopaufnahme (Kanalüberlagerung), die für die abgeschiedenen Polystyrolkugeln von 4 erstellt wurde, wobie verschiedene Helligkeitswerte durch verschiedene Symbolen repräsentiert sind;
6 stellt eine PUF schematisch dar, wie sie in Ausführungsformen erzielt wird, an die durch einen Strahl einfallenden Lichts eine Anforderung gerichtet wird und die eine eindeutige Streuungsstruktur erzeugt; und
7 veranschaulicht Schritte zum Formen eines Vorpolymers und dessen Polymerisieren, um ein Material mit einer geeigneten Oberfläche zum Realisieren des Verfahrens von 1 oder 2 auszubilden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zur Einführung in die folgende Beschreibung wird zunächst auf allgemeine Aspekte der Erfindung hingewiesen, die sich auf Produkte beziehen, die eine PUF verkörpern.
Ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Produkts stützt sich in erster Linie auf ein Material, das eine Oberfläche mit „deterministischen” Unebenheiten aufweist, d. h. die ursächlich durch vorhergehende Ereignisse oder Naturgesetz bedingt sind. Des Verfahren verwendet des Weiteren Teilchen, die so gestaltet sind, dass sie an Unebenheiten der Oberfläche gefangen werden können. Im Allgemeinen ermöglicht das Verfahren Teilchen, sich zufällig auf Unebenheiten der Materialoberfläche abzuscheiden und daran gefangen zu werden, um eine strukturierte Materialoberfläche zu erzielen, die die PUF ausbildet. Wie ersichtlich ist, wird die resultierende PUF aufgrund der vorhandenen (Teil-)Kenntnisse über die Oberfläche, das heißt, der deterministischen Aspekte davon, leichter auszulesen. Beispielsweise kann die allgemeine Struktur und die Position der Teilchen im Voraus bekannt sein und nur die Füllhöhe (einer bestimmten Art) der Teilchen zufällig sein.
Ein Beispiel für ein solches Verfahren wird in 1 veranschaulicht. Das Verfahren weist zunächst das Bereitstellen eines Materials 10 wie zum Beispiel Polydimethylsiloxan (PDMS) auf, wobei eine Oberfläche 12 deterministische Unebenheiten 14 aufweist. Des Weiteren werden Teilchen 20 wie zum Beispiel Polystyrol(PS)-Kügelchen bereitgestellt, z. B. als kolloidale Suspension. Solche Teilchen werden so gewählt, dass sie an den Unebenheiten gefangen werden können. Üblicherweise liegen ihre charakteristischen Abmessungen unter oder in der Größenordnung derjenigen der Unebenheiten, wie in der vergrößerten Ansicht von 1 veranschaulicht. Den Teilchen wird dann ermöglicht, sich zufällig an einigen der Unebenheiten 14 der Oberfläche 12 abzuscheiden S40 und daran gefangen zu werden S50. Die Struktur der abgeschiedenen Teilchen, die dementsprechend erzielt wird, bildet die PUF aus. Wie angemerkt, ist diese Struktur teilweise deterministisch, wohingegen die Besetzungswahrscheinlichkeit durch die Teilchen eine Zufallskomponente behält.
Wie oben ebenfalls erläutert, werden die Teilchen bevorzugt als kolloidale Suspension in einer Flüssigkeit 30, z. B. Wasser, bereitgestellt. Auf diese Weise wird den Teilchen leicht ermöglicht, sich zufällig auf der Oberfläche abzuscheiden, indem die Flüssigkeit darauf aufgebracht wird S20. Die Zufallsverteilung von Teilchen in der Flüssigkeit gewährleistet in fine eine zufällig Füllung. Weniger zweckmäßige Varianten können in mechanischem Verteilen bestehen, z. B. in Sputtern von Teilchen auf die Oberflächenunebenheiten.
Die Teilchen und die Flüssigkeit werden bevorzugt so gewählt, dass die Teilchen während der Abscheidung auf der Oberfläche Kapillarkräften unterliegen (wie durch F_c in 1 gekennzeichnet). In dieser Hinsicht liegen die charakteristischen Abmessungen der Teilchen und Unebenheiten üblicherweise in der Größenordnung von Mikrometern. Dementsprechend kann das Fangen der Teilchen an den Unebenheiten teilweise durch Kapillarkräfte unterstützt werden. Bei Varianten werden die Teilchen über ihre Bewegungsgrößen gefangen. Bei sonstigen Varianten ermöglichen es die jeweiligen Formen der Unebenheiten bzw. der Teilchen, dass die Teilchen an den Unebenheiten gefangen werden. Die Teilchen können tatsächlich etwas größer als die fraglichen Unebenheiten, z. B. Löcher in der Oberfläche, sein, sofern sie verformbar sind und über eine ausreichende Bewegungsgröße verfügen, wenn sie eine Unebenheit erreichen, oder sofern eine ausreichend große Kraft darauf ausgeübt wird, z. B. Kapillarkräfte. Das letztere Szenario wird bevorzugt und wird im Folgenden angenommen.
In dieser Hinsicht besteht eine Möglichkeit, einen Abscheideprozess mit Unterstützung durch die Kapillarität zu erzielen, darin, die Flüssigkeit 30 auf die Oberfläche 12 aufzubringen, indem eine Schicht 30 der Flüssigkeit mit einer Abdeckung 40 gegen die Oberfläche gehalten wird. Es bildet sich entsprechend ein Meniskus 32 zwischen der Oberfläche 12 und einer Kante 41 der Abdeckung 40 aus. Bei dem Meniskus handelt es sich um eine Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche, an der die Flüssigkeit wahrscheinlich mit einer Geschwindigkeit, die durch die Geometrie und die thermodynamischen Bedingungen des Versuchs bestimmt wird, verdunstet (Schritt S30), was wiederum dazu führt, dass sich der Meniskus zurückzieht. Wie in der vergrößerten Ansicht in 1 veranschaulicht, übt dieser Meniskus 32 des Weiteren beim Zurückziehen Druck auf Teilchen in der Nähe der Grenzfläche aus (siehe z. B. Malaquin et al., Langmuir 2007, 23, 11513), wodurch verursacht wird, dass die Teilchen an Unebenheiten gefangen werden.
Interessanterweise sind sowohl die Kapillarkräfte als auch die Einschließungskräfte, die sich ergeben, sobald die Teilchen gefangen sind, stark und weisen eine kurze Reichweite auf. Dementsprechend führen sie zu einer hochgenauen Struktur von abgeschiedenen Teilchen, zumindest in einen Rahmen wie demjenigen von 1. Kapillarkräfte wirken während eines kurzen Zeitraums, d. h. entsprechend dem kapillaren Zusammenbruch des Meniskus beim Zurückziehen, wie in der vergrößerten Ansicht von 1 dargestellt.
Bessere Leistungen können des Weiteren erzielt werden, indem der Kontaktwinkel des Meniskus an der Oberfläche in geeigneter Weise angepasst wird, z. B. durch Wählen einer geeigneten Flüssigkeit und/oder von geeigneten Tensiden. Bei einem Tensid handelt es sich um ein oberflächenaktives Molekül. Bei niedrigen Konzentrationen befinden sich Tensidmoleküle wahrscheinlich an der Luft-Wasser-Grenzfläche, wo sie die Oberflächenspannung verringern. Wenn sie die kritische Mizellbildungskonzentration (critical micelle concentration, CMC) erreichen, beginnen sie zusätzlich, Mizellen auszubilden. Ein Tensidmolekül weist üblicherweise eine hydrophile Kopfgruppe und eine hydrophobe Schwanzgruppe (eine lange Alkylkette) auf. Die hydrophile Kopfgruppe kann kationisch, anionisch oder nichtionisch sein. Ob ein ionisches (und mit welcher Ladung versehenes) oder ein nichtionisches Tensid zu verwenden ist oder nicht, kann von dem kolloidalen System abhängen. Tenside sollten bevorzugt so gewählt werden, dass sie keine Agglomeration und Ausfällung der kolloidalen Teilchen bewirken. Bisweilen sind Mischungen von Tensiden vorteilhaft. Geeignete Konzentrationen liegen überwiegend im mM-Bereich, können jedoch erheblich variieren. Mithilfe von Tensiden kann der Kontaktwinkel in Richtung kleinerer Werte angepasst werden, sodass die Projektion des Meniskus auf die Oberfläche so groß wie möglich ist und eine entsprechende Kraft eine vertikale, abwärts gerichtete Komponente aufweist, wie veranschaulicht.
Die relativen Abmessungen von Teilchen und Unebenheiten, die Konzentration von Teilchen in der Flüssigkeit, die Art der Teilchen und der Flüssigkeit können durch einen Prozess des Ausprobierens angepasst werden. Geeignete Beispiele werden im Folgenden genannt.
Gemäß diesem Prinzip kann die gesamte Oberfläche 12 durch Verschieben der Abdeckung (Schritt S20) oder der Oberfläche entsprechend der Verdunstungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auf der Höhe des Meniskus 32 strukturiert werden. Diesbezüglich stellt 3 eine mikroskopische Aufnahme von Teilchen dar, die auf einer strukturierten PDMS-Oberfläche abgeschieden werden. Hier handelt es sich bei den Teilchen um PS-Teilchen mit einer Größe von ~1 μm, die in Wasser suspendiert sind. Die Teilchen 20, die bereits auf dem Array 16 abgeschieden sind, sind auf der linken Seite des Meniskus 32 zu erkennen. Auf der rechten Seite sind die Teilchen noch in Wasser 30 suspendiert.
Es ist zu beachten, dass der Prozess durch Erwärmen der Flüssigkeit während des Vorgangs unterstützt werden kann, um den Prozess zu beschleunigen.
Zweckmäßigerweise werden Teilchen unterschiedlicher Arten verwendet, um verschiedene Zufallsachsen zu ermöglichen, die später in einem Anforderungsschritt genutzt werden können. Die Teilchen können zum Beispiel unterschiedliche Farben aufweisen. Auf diese Weise füllen Teilchen einer bestimmten Farbe die Unebenheiten zufällig (die Unebenheiten sind nicht farbselektiv).
2 stellt ein Werkzeug zur Anordnung von Teilchen mit Unterstützung durch die Kapillarität dar, das das Realisieren von Verfahren wie oben beschrieben ermöglicht. Dieses Werkzeug beinhaltet:

– einen Schrittmotor 61 zum Antreiben eines motorisierten Verschiebetisches 62;
– auf dem Tisch 62 befindet sich ein Wärmetauscher 63 mit einem Flüssigkeitseinlass 63' und -auslass 63'', um den Prozess durch Wärme zu unterstützen;
– des Weiteren wird ein Peltier-Element 64 bereitgestellt, d. h. eine Festkörper-Wärmepumpe, die Wärme von einer Seite der Einheit auf die andere überträgt;
– das zu strukturierende Material 10 wird auf dem Peltier-Element platziert, darauf wird eine kolloidale Suspension 20, 30 platziert, die durch eine Abdeckung 40 (d. h. lediglich eine einschließende Schiene) aufgebracht und dort gehalten wird, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein (nicht dargestellter) geführter Schienenhalter ermöglicht ein Verschieben der Abdeckung.
– Des Weiteren kann ein Lichtmikroskop 65 zum Überwachen des Prozesses sowie eine Kamera 66 (zum Messen des Kontaktwinkels) bereitgestellt werden.

Bei einer spezifischen Ausführungsform wird die PUF durch Kapillarabscheidung von fluoreszierenden Kügelchen mit einer Größe von ~1 μm in ein Array 16 von Unebenheiten gefertigt, bei denen es sich um oben offene Ecken 17 handelt, wie in 4 dargestellt. Es können sonstige Arten von Arrays/Unebenheiten für die Kapillarabscheidung verwendet werden, ähnlich wie Kristallgitter. Das Ecken-Array weist ein bestimmtes Rastermaß und eine bestimmte Struktur auf, z. B. ein quadratisches Gitter mit einem Translationsvektor a, wobei |a| ≈ 10 μm gilt. |a| kann jedoch so angepasst werden, dass die nachfolgende Streuungsstruktur optimiert wird (z. B. Übersprechen beim Lesen so weit wie möglich verringert wird). Das für die Anordnung mithilfe von Kapillarkräften verwendete Kolloid enthält eine Mischung aus Kügelchen verschiedener (fluoreszierender) Farben. Die Abscheidung von Kügelchen in Unebenheiten kann so konzipiert werden, dass eine hohe Ausbeute erzielt wird. Sie ist jedoch in Bezug auf die Farbe der Kügelchen nicht selektiv. Folglich resultiert die Abscheidung in einer zufälligen Platzierung verschiedenfarbiger Kügelchen auf der Vorlage, wie in 5 dargestellt. Das resultierende Kügelchen-Array ist nicht klonbar, da die Kügelchen zu klein sind, um in einer großen Anzahl und in vertretbarer Zeit „manuell” platziert zu werden.
Der Anforderungsschritt wird z. B. durch UV/V-Bestrahlung des Kügelchen-Arrays durchgeführt, wobei jedes Kügelchen durch Abstrahlung seiner jeweiligen Fluoreszenzfarbe antwortet, wie in 6 veranschaulicht. Eine solche Analysetechnik ist per se bekannt: Im Wesentlichen wird die strukturierte Oberfläche angestrahlt (Schritt S100), um eine Streuungsstruktur zu erzielen, wobei letztere durch eine beliebige geeignete Kamera erfasst werden kann (Schritt S110). Die erzielte Struktur von farbigen Punkten ist im Wesentlichen nicht klonbar. Diese PUF ist leicht auslesbar (Schritte S120), da die Struktur und die Position der Kügelchen bekannt sind. Lediglich die Farbe des Kügelchens ist in diesem Fall zufällig (bei Annahme einer Füllwahrscheinlichkeit von ~1). Da die Kügelchenpositionen durch die Vorlage festgelegt werden, können nun in geeigneter Weise feste Strukturen in den Anforderungsschritt eingefügt werden, wie zum Beispiel ein Koordinierungsgitter oder Ausrichtungsmerkmale, um die automatische Erkennung zu unterstützen, Schritt 120. Mit anderen Worten, die „festen Strukturen” spiegeln die deterministische Natur der Unebenheiten wider. Allgemeiner ausgedrückt, die strukturierte Oberfläche des Produkts wird so stimuliert, dass eine eindeutige Antwort erzielt wird, die wiederum gelesen werden kann, entsprechend dem zuvor erläuterten Anforderung-Antwort-Prinzip. Im vorliegenden Fall kann das Auslesen der Antwort durch die vorhandene Teilkenntnis der Oberfläche, d. h. aufgrund der deterministischen Aspekte davon, erleichtert werden. Wie gesagt, können die festen Strukturen in zweckmäßiger Weise genutzt werden, zum Beispiel als Koordinierungsgitter oder Ausrichtungselemente, um die automatische Erkennung zu unterstützen, wodurch die Interpretation der Antwort erleichtert wird. Es können zum Beispiel Strukturen wie Ausrichtungsmerkmale, wie sie aus Standardlithografieanwendungen bekannt sind, verwendet werden. Auch miniaturisierte Logos und Codes (z. B. Feldnummern, Koordinaten, ...) sind möglich. Dies wäre zum Beispiel bei PUFs auf der Grundlage von Glas, die sich auf Risse in der Oberfläche stützen, nicht möglich. Ein Anforderung-Antwort-Auswertungsprozess auf der Grundlage von z. B. Lichtstreuung ist ansonsten per se allgemein bekannt.
Bei einer Variante könnten PUFs auch erzeugt werden, indem eine zufällige Abscheidung von Kügelchen auf einer Oberfläche, deren Unebenheiten nicht oder weniger deterministisch als in den obigen Beispielen sind, auf der Grundlage von vordefinierten Strukturen wie zum Beispiel Arrays ermöglicht wird. Beispielsweise können die Merkmale der Oberfläche (z. B. Fehler) bis zu einem gewissen Grad ermittelt werden, z. B. statistisch. Die Anforderung/Antwort ist in solchen Fällen jedoch wahrscheinlich problematischer. Hier würden die Kügelchen bei einer geringen Kügelchendichte/-konzentration eine geringe Anzahl von Antworten erzeugen (für die eine größere Fläche und/oder eine längere Auslesezeit erforderlich wären), wohingegen sie bei hohen Konzentrationen zu nahe aneinander abgeschieden werden können, wodurch das Auslesen schwieriger oder sogar unmöglich wird (Übersprechen). Es ist folglich ersichtlich, dass eine geeignete Oberfläche in angemessener Weise vordefinierte Unebenheiten aufweisen sollte. Eine zweckmäßige Lösung besteht darin, sich auf eine vorverarbeitete Oberfläche oder auf eine Oberfläche zu stützen, die bevorzugte Stellen bietet, was zu einer vorgegebenen Struktur von abgeschiedenen Teilchen führt (d. h. es werden Ordnungsparameter bereitgestellt, die über die bloße zufällig Position von Fangstellen hinausgehen).
Beim Ausführen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Allgemeinen die folgenden Vorteile angestrebt:

– Optisches Lesen und Abtasten ist im Wesentlichen deterministisch im Gegensatz zu mit Halbleitern in Zusammenhang stehenden PUFs, die statistisch sind.
– Die Verschlechterung im Lauf der Zeit wird als gering angenommen, es tritt im Wesentlichen keine Drift wie bei mit Halbleitern in Zusammenhang stehenden PUFs auf.
– Im Übrigen kann das Lesen durch einen Fehlerkorrekturcode verbessert werden, der auf weniger, jedoch zuverlässig rekonstruierbare Kern-Bits komprimiert.

Als zusätzliches Sicherheitsmerkmal kann die Struktur der Anordnungsstellen so konzipiert werden, dass bei Anstrahlung von einer Lichtquelle, z. B. einem Laser, eine charakteristische Beugungsstruktur erzeugt wird. Eine Anordnungsstelle kann zum Beispiel so konzipiert werden, dass Leerstellen und gefüllte Stellen eine andere Struktur erzeugen. Dies kann wiederum verwendet werden, um zu überprüfen, ob Kügelchen angeordnet worden sind und das Kontrollbild nicht nur durch fluoreszierende Farbe erzeugt wird. Des Weiteren können die Teilchen mit Quantenpunkten modifiziert werden, die ein eindeutiges Spektrum (Fingerabdruck) abstrahlen.
Bevorzugt werden fluoreszierende (rote, grüne und blaue) Polystyrol(PS)-Kügelchen mit einem Durchmesser von 1 μm in Ecken mit einer Länge von 2 μm, einer Breite von 1 μm und einer Höhe von ~1 μm durch Anordnung mithilfe von Kapillarkräften angeordnet, wie zuvor erläutert. Die Eckenstruktur legt die Position der Kügelchen fest, der Anordnungsprozess ist jedoch in Bezug auf die Farben der Kügelchen nicht selektiv. Auf diese Weise kann eine zufällige Farbstruktur erzeugt werden.
Die Eckenstruktur kann aus einer strukturierten Siliciummatrize aus Polydimethylsiloxan (PDMS) oder aus einem Polymerfotolack (durch Nanoprägelithografie) geformt werden, wie in 7 veranschaulicht. Es kann zum Beispiel ein PDMS-Vorpolymer 10' in einer Form 5 geformt werden (Schritt S10 bis S12), bevor eine Polymerisation (S12) und eine Extraktion davon (S14) durchgeführt werden. Eine solche Formungstechnik ist per se bekannt. Die polymerisierte Form stellt ein geeignetes Material zum Fertigen einer PUF, wie oben beschrieben, bereit. Eine Eckenstruktur kann im Übrigen mithilfe eines beliebigen Materials (Polymer, Glas, Halbleiter, Metall, Metalloxid) ausgebildet werden, das gegenüber einer beliebigen Art von Lithografie- oder Formungsverfahren empfänglich ist. Anschließend kann eine Oberflächenbehandlung eines solchen Materials angewendet werden, um die erforderlichen Benetzungseigenschaften für die Anordnung mithilfe von Kapillarkräften zu erzielen.
Nach der Kapillarabscheidung befindet sich Idealerweise ein einziges PS-Kügelchen in jeder der Ecken, 4. Unter einem Fluoreszenzmikroskop können fluoreszierende Farben 20', 20'', 20''' der Kügelchen beobachtet werden (wie in 5 veranschaulicht, in der ein Negativ eines Graustufenbildes dargestellt wird). Im Übrigen führt die Verwendung von drei Farben (RGB-fluoreszierend) und nur 100 Anordnungsstellen bereits zu 5,15378 10⁴⁷ alternativen Anordnungen (wenn ein Teilchen je Stelle angenommen wird). Wenn man sich stattdessen auf eine einzige Teilchenart beschränkt, den Abscheideprozess jedoch so gestaltet, dass eine Füllwahrscheinlichkeit von 0,5 erreicht wird, ergeben sich 1,26765 10³⁰ alternative Anordnungen.
Auf die Schritte der Teilchenabscheidung können beliebige geeignete Schritte zum Fixieren der Teilchen folgen (z. B. Aufbringen einer zusätzlichen, optisch inaktiven Schicht).
Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Produkt, das eine PUF verkörpert, wobei das Produkt gemäß einem der oben erörterten Verfahren erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung ist zwar mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, für Fachleute ist jedoch ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und gleichartige Elemente ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können zahlreiche Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die besondere offenbarte Ausführungsform beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Beispielsweise kann der Prozess dynamisch (oder räumlich) moduliert werden, indem die Zusammensetzung im Laufe der Zeit oder ihre Konzentration verändert werden oder indem deterministische Aspekte der Oberfläche 12 entlang des Materials moduliert werden. Es können zum Beispiel einige isolierte Unebenheiten bereitgestellt werden, oder das Array kann sich entlang der Oberfläche verändern (wobei ein Teil quadratisch, ein weiterer rechteckig ist usw.). Dies kann hilfreich sein, um bestimmte Markierungen oder Kennungen bereitzustellen. Beispielsweise können spezifische Unebenheiten vorverarbeitet werden, bei denen es sich um die Signatur eines bestimmten Unternehmens, eine bestimme Klasse von Produkten davon usw. handelt.

Claims

Verfahren (S20 bis S40) zum Fertigen eines Produkts (15), das eine physische, nicht klonbare Funktion oder PUF verkörpert, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines Materials (10) mit einer Oberfläche (12), die deterministische Unebenheiten (14) aufweist, und von Teilchen (20), die an den Unebenheiten gefangen werden können; und – Befähigen von Teilchen, sich zufällig auf der Oberfläche abzuscheiden (S40) und an den Unebenheiten (14) gefangen zu werden (S50), um die PUF zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: – das Bereitstellen ein Bereitstellen der Teilchen als kolloidale Suspension in einer Flüssigkeit (30) aufweist, wobei es sich bei der Flüssigkeit bevorzugt um Wasser handelt; und – das Befähigen der Teilchen, sich zufällig abzuscheiden, ein Aufbringen (S20) der Flüssigkeit auf die Unebenheiten aufweisende Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die bereitgestellte(n) Oberflächenunebenheiten des Materials, die Teilchen und die Flüssigkeit so gewählt werden, dass die Teilchen Kapillarkräften (F_C) an der Oberfläche unterliegen, wobei sich die charakteristischen Abmessungen sowohl der Teilchen als auch der Unebenheiten bevorzugt in der Größenordnung von Mikrometern befinden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Befähigen der Teilchen, sich zufällig abzuscheiden, des Weiteren aufweist: – Aufbringen der Flüssigkeit auf die Oberfläche (12), indem eine Schicht (30) der Flüssigkeit mit einer Abdeckung (40) gegen die Unebenheiten aufweisende Oberfläche gehalten wird, wobei ein Meniskus (32) der Flüssigkeit zwischen der Oberfläche (12) und einer Kante (41) der Abdeckung definiert wird; und – Verschieben (S20) der Abdeckung oder der Oberfläche entsprechend einer Verdunstungsgeschwindigkeit (S30) der Flüssigkeit auf der Höhe des definierten Meniskus, wobei die Flüssigkeit bevorzugt erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die bereitgestellte Flüssigkeit des Weiteren Tenside aufweist, die sich auf einen Kontaktwinkel auswirken, der durch den Meniskus an der Oberfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bereitstellen ein Bereitstellen von Teilchen verschiedener Arten aufweist, und wobei Teilchen verschiedener Arten bevorzugt verschiedene jeweilige Farben aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bereitstellen ein Bereitstellen (S10 bis S14) eines Materials (10) aufweist, das vorverarbeitete Oberflächenunebenheiten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die bereitgestellten deterministischen Oberflächenunebenheiten ein 2D-Array (16) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die bereitgestellten deterministischen Oberflächenunebenheiten ein Array (16) offener Ecken (17) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, wobei es sich bei den bereitgestellten Teilchen um Kügelchen (17) handelt, die jeweils einen fluoreszierenden Farbstoff aufweisen, und wobei es sich bei den Teilchen bevorzugt um Polystyrolkügelchen handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das des Weiteren vorhergehende Schritte zum Formen (S10 bis S14) eines Vorpolymers (10') in einer Form (5) und Polymerisieren (S12) des Vorpolymers aufweist, um das Material (10) mit den Oberflächenunebenheiten auszubilden, wobei es sich bei dem Material bevorzugt um PDMS handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das des Weiteren einen Schritt zum Fixieren der abgeschiedenen Teilchen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Oberfläche des bereitgestellten Materials einen Satz von Unebenheiten aufweist, die so konzipiert sind, dass eine Unebenheit des Satzes, in der ein Teilchen gefangen ist, bei einer Anstrahlung eine Streuungsstruktur erzeugt, die sich wesentlich von einer Streuungsstruktur unterscheidet, die durch eine Unebenheit des Satzes erzeugt wird, in der kein Teilchen gefangen ist.
Produkt, das eine PUF verkörpert, wobei das Produkt nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 13 erzielt wird.
Verfahren zum Durchführen einer Anforderung-Antwort-Auswertung eines Produkts nach Anspruch 14, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen des Produkts nach Anspruch 14; – Stimulieren (S100) der Oberfläche des Produkts mit Teilchen, die in den deterministischen Unebenheiten der Oberfläche abgeschieden werden, um eine Antwort zu erzielen (S110); und – Lesen (S120) der Antwort entsprechend den deterministischen Unebenheiten.