Geïmplanteerde atomen creëren unieke elektrische ID’s die bonafide apparaten onderscheiden van vervalsingen

Als iemand je een luxe handtas verkoopt uit Parijs, Frankrijk, maar het blijkt een vervalsing te zijn uit Parijs, Texas, kan het nagemaakte artikel je duizend dollar kosten en kan de boef in de gevangenis belanden. Maar als een namaak elektronisch apparaat in een auto wordt geïnstalleerd, kan dit passagiers of de bestuurder het leven kosten.

Zonder nieuwe beveiligingsmaatregelen zijn de onderling verbonden draadloze technologieën, digitale elektronica en micromechanische elektronische systemen waaruit het internet der dingen bestaat, kwetsbaar voor vervalsingen en manipulatie die ertoe kunnen leiden dat hele telecommunicatienetwerken uitvallen. In 2017 bedroeg de verkoop van allerlei soorten namaakproducten – van elektronica tot farmaceutische producten – naar schatting $ 1,2 biljoen wereldwijd.

Om te voorkomen dat nagemaakte computerchips en andere elektronische apparaten de markt overspoelen, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een methode aangetoond waarmee producten elektronisch kunnen worden geverifieerd voordat ze de fabriek verlaten.

De wetenschappers gebruikten een bekende techniek genaamd doping, waarbij kleine clusters van “vreemde” atomen van een ander element dan die in het te labelen apparaat net onder het oppervlak worden geïmplanteerd. De geïmplanteerde atomen veranderen de elektrische eigenschappen van de bovenste laag zonder deze te beschadigen, waardoor een uniek label ontstaat dat door een elektronische scanner kan worden gelezen.

Het gebruik van doping om elektronische tags voor apparaten te maken is geen nieuw idee. De NIST-techniek, die de scherpe punt van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) -sonde gebruikt om atomen te implanteren, is echter eenvoudiger, goedkoper en vereist minder apparatuur dan andere dopingtechnieken die lasers of een ionenbundel gebruiken, zei NIST-onderzoeker Yaw Obeng . Het is ook minder schadelijk dan andere methoden.

“We plakken een sticker op elk apparaat, behalve dat de sticker elektronisch is en er geen twee identiek zijn, omdat in elk geval de hoeveelheid en het patroon van de doteringsatomen anders is”, zei Obeng.

Om de elektronische ID te maken, legden Obeng en zijn collega’s eerst een film van 10 nanometer (miljardste meter) van doteringsmateriaal – in dit geval aluminiumatomen – ongeveer 10 centimeter vierkante siliciumwafels die vervolgens werden gebroken in postzegels. fragmenten zo groot maken dat ze in de AFM passen. Het team gebruikte vervolgens de naaldachtige punt van de AFM-sonde om aluminiumatomen een paar nanometer in de siliciumfragmenten te duwen. De diameter van de geïmplanteerde gebieden was klein, niet groter dan 200 nm.

De geïmplanteerde atomen veranderen de rangschikking van siliciumatomen net onder het oppervlak van de wafer. Deze siliciumatomen, evenals die welke zich in de wafel bevinden, zijn gerangschikt in een herhalend geometrisch patroon dat bekend staat als een rooster. Elk siliciumrooster werkt als een elektrisch circuit met een bepaalde impedantie, het AC (wisselstroom) equivalent van weerstand in een DC (gelijkstroom) circuit.

Toen de geïmplanteerde aluminiumatomen snel werden verwarmd tot ongeveer 600 graden Celsius, kregen een paar van hen genoeg energie om een ​​deel van het silicium in roosters net onder het oppervlak van de wafel te vervangen. De willekeurige substitutie veranderde de impedantie van die roosters.

Elk met doteermiddel gemodificeerd rooster heeft een unieke impedantie, afhankelijk van de hoeveelheid en het type doteermiddel. Als gevolg hiervan kan het rooster dienen als een onderscheidend elektronisch label – een nanometer-schaalversie van een QR-code voor de wafer, zei Obeng. Wanneer een scanner een bundel radiogolven op het apparaat richt, reageren de elektrisch gewijzigde roosters door een unieke radiofrequentie uit te zenden die overeenkomt met hun impedantie. Nagemaakte apparaten konden gemakkelijk worden geïdentificeerd omdat ze niet op dezelfde manier op de scanner zouden reageren.

“Dit onderzoek is van cruciaal belang omdat het een manier biedt om componenten op een veilige, onveranderlijke en goedkope manier op unieke wijze te identificeren”, zegt Jon Boyens, een onderzoeker bij NIST’s Computer Security Division die geen co-auteur van het onderzoek was.

De studie, die Obeng op 16 september presenteerde op de International Conference on IC Design and Technology in Dresden, Duitsland, bouwt voort op eerder werk van hetzelfde team. De nieuwe studie verfijnt de AFM-methode voor het inbrengen van doteringsatomen, zodat de AFM-sonde de atomen nauwkeuriger in de siliciumwafel kan plaatsen. De hogere precisie maakt het gemakkelijker om het elektronische ID-systeem onder reële omstandigheden te testen.

Obeng en zijn medewerkers, waaronder Joseph Kopanski van NIST en Jung-Joon Ahn van NIST en George Washington University in Washington, DC, beschouwen hun techniek als een prototype dat moet worden aangepast voordat het in massaproductie kan worden gebruikt.

Een mogelijkheid is om de scherpe sondes van verschillende AFM’s naast elkaar te gebruiken, zodat het doteringsmateriaal in veel apparaten tegelijk kan worden geïmplanteerd. Een andere strategie zou gebruik maken van hogedrukrollen om snel doteringsatomen die een computerchip of ander apparaat bekleden een paar nanometer in het apparaat te duwen. Een patroon dat op de rollen was gestencild, zou ervoor zorgen dat de doteringsatomen volgens een precieze blauwdruk werden geïmplanteerd. Rollen worden veel gebruikt om papier, textiel en kunststoffen glad te strijken.

Obeng presenteerde het werk op 16 september op de International Conference on IC Design and Technology in Dresden, Duitsland.