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掺杂的智能应用:植入的原子创造出独特的电子ID,区分真假设备

1289    2021-10-01    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:中国测试新闻中心

如果有人卖给你一个来自法国巴黎的豪华手提包,但其实是来自德克萨斯州巴黎的赝品,结果是这个赝品可能会花掉你1000美元,且这个骗子可能锒铛入狱。但一旦汽车上安装了假冒电子设备,乘客或司机可能会因此丧命。

如果没有新的安全措施,构成物联网的互联无线技术、数字电子和微机械电子系统很容易被伪造和篡改,从而导致整个通信网络出现故障。2017年,从电子产品到药品,全球各类假冒产品的销售额估计达1.2万亿美元。

为了防止假冒电脑芯片和假冒电子设备充斥市场, NIST的研究人员展示了一种可以在产品出厂前对其进行电子认证的方法。

为检测系统中是否存在伪造组件,需要提供一种方法使得在整个供应链中这些组件实现唯一识别和验证。为此,NIST研究人员研发了一种新的低成本工艺,通过改变硅的电子结构来创建独特的、不可复制的ID标签。这些标签可以在制造过程中嵌入到设备,任何接收设备的人都可以轻松地对其进行身份验证,确保关键系统组件的供应链安全。

科学家们采用了一种被称为掺杂的通用技术,将不同元素的“外来”原子团植入设备表层下方。注入的原子改变了最顶层的电特性,且不会对其造成伤害,从而形成了一个独特的标签,该电子标签可以通过电子扫描仪读取。

使用掺杂技术为设备制作电子标签并不是第一次出现。然而,NIST研究人员Yaw Obeng说,与其他使用激光或离子束的掺杂技术相比,NIST技术使用原子力显微镜(AFM)探针的尖端植入原子,更简单,成本更低,所需设备更少,破坏性也比其他方法小。

Obeng说:“我们在每台设备上都贴上了标签,但是电子标签,他们没有哪两个是完全相同的,因为在每种情况下,掺杂原子的数量和模式都是不同的。”

为了创建电子ID,Obeng和他的同事们首先放置一层10nm的掺杂材料薄膜——一般情况下是铝原子——约10cm2的硅片,然后将其分解成邮票大小的硅碎片,以便适应AFM。研究小组随后使用AFM探针的针状尖端将铝原子推入硅碎片中几纳米。植入区的直径很小,不超过200nm。

注入的原子改变了硅片表层下方硅原子的排列。这些硅原子,以及那些驻留在整个硅片上的硅原子,以硅晶格重复几何图案排列。每个硅晶格就像一个具有特定阻抗的电路,交流阻抗相当于直流电路中的电阻。

当植入的铝原子被迅速加热到大约600℃时,其中一些原子获得了足够的能量来取代硅片表层下方晶格中的一些硅。随机替换改变了这些晶格的阻抗。

Obeng说:“根据掺杂剂的数量和类型,每个掺杂剂修饰硅晶格具有唯一的阻抗。因此,硅晶格可以作为一个独特的电子标签——纳米级的晶圆二维码。当扫描器将一束无线电波指向设备时,硅晶格通过发射与其阻抗相对应的唯一射频响应。假冒设备很容易识别,因为它们不会以相同的方式响应扫描仪。”

NIST计算机安全部门的研究员Jon Boyens说:“这项研究非常关键,因为它提供了一种通过安全、稳定和低成本的方式实现组件唯一识别。”Jon Boyens不是该研究的合著者。

Obeng于9月16日在德国Dresden举行的国际集成电路设计与技术会议上介绍了这项研究成果,该研究是在同一团队早期工作的基础上进行的。新的研究改进了插入掺杂原子的AFM方法,因此AFM探针可以更精确地将原子放置在硅片中,使得在现实环境中测试电子ID变得更容易。

Obeng和他的合作者,包括Joseph Kopanski(NIST)、Jung Joon Ahn(NIST&华盛顿大学),认为他们的研究目前只是雏形,在大规模生产使用之前还需要进一步完善。

为了实现将掺杂材料一次植入多个设备,一种方法是使用几个原子力显微镜的探针并排工作。另一种方法是使用高压滚转机将涂覆在计算机芯片或其他设备上的掺杂原子快速推入设备几纳米内。印刷在滚筒上的图案将确保掺杂原子按照精确设计方案完成植入。滚转机广泛用于使纸张、纺织品和塑料的打磨工艺。



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