Implanterede atomer skaber unikke elektriske ID'er, der adskiller bona fide-enheder fra forfalskninger

Hvis nogen sælger dig en luksushåndtaske fra Paris, Frankrig, men det viser sig at være en forfalskning fra Paris, Texas, den forfalskede vare kan koste dig tusinde dollars, og skurken kan ende i fængsel. Men hvis en forfalsket elektronisk enhed bliver installeret i en bil, det kan koste passagerer eller chaufføren livet.

Uden nye sikkerhedsforanstaltninger, de indbyrdes forbundne trådløse teknologier, digital elektronik og mikromekaniske elektroniske systemer, der udgør tingenes internet, er sårbare over for forfalskninger og manipulation, der kan få hele telekommunikationsnetværk til at svigte. I 2017 salget af forfalskede produkter af alle slags – fra elektronik til lægemidler – beløb sig til anslået 1,2 billioner dollars på verdensplan.

For at forhindre forfalskede computerchips og andre elektroniske enheder i at oversvømme markedet, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret en metode, der elektronisk kunne autentificere produkter, inden de forlader fabrikken.

Forskerne brugte en velkendt teknik kaldet doping, hvor små klynger af "fremmede" atomer af et andet grundstof end dem i den enhed, der skal mærkes, implanteres lige under overfladen. De implanterede atomer ændrer de elektriske egenskaber af det øverste lag uden at skade det, skabe en unik etiket, der kan læses af en elektronisk scanner.

At bruge doping til at skabe elektroniske tags til enheder er ikke en ny idé. Imidlertid, NIST teknikken, som bruger den skarpe spids af et atomkraftmikroskop (AFM) sonde til at implantere atomer, er enklere, billigere og kræver mindre udstyr end andre dopingteknikker ved hjælp af lasere eller en stråle af ioner, sagde NIST-forsker Yaw Obeng. Det er også mindre skadeligt end andre metoder.

"Vi sætter et klistermærke på hver enhed, bortset fra at klistermærket er elektronisk, og ikke to er identiske, fordi mængden og mønsteret af dopingatomerne i hvert tilfælde er forskelligt, " sagde Obeng.

For at oprette det elektroniske ID, Obeng og hans kolleger deponerede først en 10 nanometer (milliardtedel af en meter) film af doteringsmateriale - i dette tilfælde aluminiumatomer - omkring 10 centimeter kvadratiske siliciumwafers, der derefter blev brækket i frimærkestørrelsesfragmenter, så de kunne passer ind i AFM. Holdet brugte derefter den nålelignende spids af AFM-sonden til at skubbe aluminiumsatomer et par nanometer ind i siliciumfragmenterne. Diameteren af ​​de implanterede områder var lille, ikke større end 200 nm.

De implanterede atomer ændrer arrangementet af siliciumatomer lige under overfladen af ​​waferen. Disse siliciumatomer, såvel som dem, der findes i hele vaflen, er arrangeret i et gentaget geometrisk mønster kendt som et gitter. Hvert siliciumgitter fungerer som et elektrisk kredsløb med en vis impedans, AC (vekselstrøm) ækvivalent af modstand i et DC (jævnstrøm) kredsløb.

Da de implanterede aluminiumsatomer hurtigt blev opvarmet til omkring 600 grader Celsius, nogle få af dem fik energi nok til at erstatte noget af silicium i gitter lige under waferens overflade. Den tilfældige substitution ændrede impedansen af ​​disse gitter.

Hvert dopantmodificeret gitter har en unik impedans afhængig af mængden og typen af ​​dopingmiddel. Som resultat, gitteret kan tjene som en karakteristisk elektronisk etiket - en nanometerskala version af en QR-kode til waferen, sagde Obeng. Når en scanner retter en stråle af radiobølger mod enheden, de elektrisk ændrede gitter reagerer ved at udsende en unik radiofrekvens svarende til deres impedans. Forfalskede enheder kunne let identificeres, fordi de ikke ville reagere på scanneren på samme måde.

"Denne forskning er nøglen, fordi den tilbyder et middel til unikt at identificere komponenter ved hjælp af en sikker, uforanderlige og billige midler, sagde Jon Boyens, en forsker ved NIST's Computer Security Division, som ikke var medforfatter til undersøgelsen.

Studiet, som Obeng præsenterede den 16. september på den internationale konference om IC-design og -teknologi i Dresden, Tyskland, bygger på tidligere arbejde af samme team. Den nye undersøgelse forfiner AFM-metoden til at indsætte dopantatomer, så AFM-sonden mere præcist kan placere atomerne i siliciumwaferen. Den højere præcision vil gøre det lettere at teste det elektroniske ID-system under virkelige forhold.

Obeng og hans samarbejdspartnere, som omfatter Joseph Kopanski fra NIST og Jung-Joon Ahn fra NIST og George Washington University i Washington, D.C., betragte deres teknik som en prototype, der skal modificeres, før den kan bruges i masseproduktion.

En mulighed er at bruge de skarpe prober fra flere AFM'er, der arbejder side om side, så dopingmaterialet kan implanteres i mange enheder på én gang. En anden strategi ville anvende højtryksruller til hurtigt at skubbe dopingatomer, der overtrækker en computerchip eller anden enhed, nogle få nanometer ind i enheden. Et mønster stencileret på rullerne ville sikre, at dopingatomerne blev implanteret i henhold til en præcis plan. Ruller er meget brugt til at glatte papir, tekstiler og plastik.

Obeng præsenterede arbejdet den 16. september på den internationale konference om IC-design og -teknologi i Dresden, Tyskland.