DE102017206388A1

DE102017206388A1 - Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit vor Infrarot-Untersuchungen sowie MEMS-Einheit

Info

Publication number: DE102017206388A1
Application number: DE102017206388.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kunz; Sven Zinober; Michael CURCIC; Oliver Willers
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: US10759657B2; CN108726472A; US20180299589A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit gegen Infrarot-Untersuchungen, wobei mindestens eine Schicht in die Struktur der MEMS-Einheit eingebaut wird oder mindestens eine Schicht auf eine Oberfläche der MEMS-Einheit aufgebracht wird. Dabei wird durch die mindestens eine Schicht mehr als 50%, insbesondere mehr als 90%, eines auf sie einfallenden 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 in die Struktur der MEMS-Einheit mindestens eine Schicht eingebaut oder auf eine Oberfläche der MEMS-Einheit mindestens eine Schicht aufgebracht, welche aufgrund ihrer optischen Eigenschaften mindestens 50%, insbesondere mindestens 90% eines auf sie einfallenden bzw. auf sie 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 die mindestens eine Schicht derartige strukturelle Eigenschaften (insbesondere Schichtdicke) und optische Eigenschaften (insbesondere Materialeigenschaften) aufweist, dass aus jedem Einfallswinkel auf die mindestens eine Schicht einfallendes Infrarot-Licht von der mindestens einen Schicht 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 die mindestens eine Schicht 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 die mindestens eine Schicht passiert.
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 die mindestens eine Schicht bei einer Herstellung der Einheit bzw. des Sensors eingebracht oder auf inneren Oberflächen zur Kaverne hin aufgebracht. Hierdurch sind die Schichten ohne invasiven Eingriff in die Einheit bzw. den Sensor und ohne großen Aufwand nicht zu entfernen.
In alternativen bevorzugten Ausgestaltungen wird die mindestens eine Schicht auf einer äußeren Oberfläche der Einheit bzw. des Sensors nach dessen Herstellung aufgebracht. Zwar ist hier ein Schutz gegen Entfernung der Schicht oftmals reduziert. Allerdings ist auch hier eine Entfernung aufwendig und führt möglicherweise zu Schäden an der Einheit bzw. am Sensor. Zudem ist das Aufbringen der Schicht in diesen Ausgestaltungen einfacher zu bewerkstelligen.
Als Ausgestaltung der mindestens einen Schicht eignen sich insbesondere metallische Lagen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften im Infrarot-Bereich. Auch kann als weitere Schicht ein zusätzlicher Wafer herangezogen werden, z.B. durch Bondingverfahren, wie sie z.B. auch bei der Sensorherstellung eingesetzt werden.
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-Einheit 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.
Während die Schichten 11 und die Schichten 14 sowie die Sensorstruktur 13 gewöhnlich aus Silizium bestehen, weist der MEMS-Sensor in 1 eine metallische Schicht 16 bzw. metallische Lagen 16 auf, welche sich auf der inneren Oberfläche der Schichten 11 und 14, also der Fläche zur Kavität oder Kaverne 15 befindet bzw. befinden. Diese metallische Schicht verhindert oder erschwert eine Untersuchung des MEMS-Sensors mit Infrarotspektroskopischen Methoden, da sie für Infrarotfrequenzen (weitgehend) intransparent sind und daher keine ausreichenden Transmissionswerte für eine spektroskopische Untersuchung erreicht werden. Die Schichtdicke und das verwendete Material sollte dabei so gewählt werden, dass mindestens 50% des auf die Schicht eingestrahlten IR-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus gestreut werden, insbesondere mindestens 90%. Durch die Lage im Inneren des MEMS-Sensors 1 ist ein Entfernen der Schichten 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 einer eingebrachten, also vergrabenen Schicht ebenfalls bevorzugt, dass diese nahe der Oberfläche zur Kaverne eingebracht wird.
In alternativen Ausgestaltungen kann die mindestens eine Schicht mit entsprechenden optischen Eigenschaften auch an anderen Stellen des MEMS-Sensors eingebracht (insbesondere vergraben) oder aufgebracht werden. So können sich z.B. auch metallische Schichten auf der äußeren Oberfläche des MEMS-Sensors eignen. Hier ist ein Schutz gegen ein Entfernen der Schichten nicht mehr ganz so hoch wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Allerdings ist ein Abschleifen der Schichten 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, die mindestens eine Schicht nur in oder auf dem Trägerwafer oder nur in oder auf der Sensorkappe vorzusehen.
Neben metallischen Schichten eignen sich grundsätzlich auch andere Schichten mit den genannten optischen Eigenschaften. Die Schichten können dabei auf verschiedene Weisen aufgebracht werden. Neben Abscheide- bzw. Ablationsverfahren können Schichten auch durch Bonding aufgebracht werden. So kann beispielsweise mittels Bondingverfahren mindestens ein zusätzlicher Wafer auf einer Oberfläche der übrigen Wafer-Schichten angebracht werden.
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

US 2015200775 A [0004]

Claims

Verfahren zum Schutz einer MEMS-Einheit (1), insbesondere eines MEMS-Sensors, gegen Infrarot-Untersuchungen, wobei mindestens eine Schicht (16) in die Struktur der MEMS-Einheit (1) eingebaut wird oder mindestens eine Schicht (16) auf eine Oberfläche der MEMS-Einheit (1) aufgebracht wird, wobei die mindestens eine Schicht (16) mehr als 50%, insbesondere mehr als 90%, eines auf sie einfallendes Infrarot-Lichts absorbiert, reflektiert oder diffus streut.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16) bei der Herstellung der MEMS-Einheit (1) eingebaut oder aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16) auf einer Innenfläche der MEMS-Einheit (1) zu einer Kaverne (15) aufgebracht oder nahe der Innenfläche zur Kaverne (15) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht nach der Herstellung der MEMS-Einheit (1) auf eine äußere Oberfläche der MEMS-Einheit (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine Schicht ein weiterer Wafer in die Struktur der MEMS-Einheit (1) eingebaut oder auf der Oberfläche der MEMS-Einheit (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine Schicht eine metallische Schicht in die Struktur der MEMS-Einheit (1) eingebaut oder auf der Oberfläche der MEMS-Einheit (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem Einfallswinkel auf die mindestens eine Schicht einfallendes Infrarot-Licht von der mindestens einen Schicht zu mindestens 50%, insbesondere zu mindestens 90%, absorbiert, reflektiert oder diffus gestreut wird.
MEMS-Einheit (1), insbesondere MEMS-Sensor, mit mindestens einer eingebauten oder einer aufgebrachten Schicht (16), welche 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 die mindestens eine Schicht (16) derart angeordnet ist, dass Licht aus jeder Richtung zwischen einer Oberfläche der MEMS-Einheit (1) und der Kaverne (15) die mindestens eine Schicht (16) passiert.