纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件及其制备方法

技术领域

本发明属于基于PUF的安全领域，尤其涉及一种PUF器件及其制备方法。

背景技术

当前世界，无论消费品还是专业技术都存在假冒情况，为了打击日益猖獗的假冒行为，物理不可克隆函数(PUF)被引进到防伪技术中。PUF器件的制备过程包含了不确定的随机过程，因此即使PUF制造过程中的秘密被泄露，该器件也具备对克隆攻击的免疫能力，而且PUF器件具有足够大的编码容量，能够保证其复杂性，不会轻易被强行逆向破解，此外，PUF依赖于其物理特性的内在无序性，不需要额外的防篡改机制，基于上述的无可比拟的优势，目前PUF成为实现加密、识别和认证功能的首选器件。

现有的PUF器件主要分为四种类型：集成电路PUF器件、基于新兴技术的PUF器件、化学合成的PUF器件和生物PUF器件。集成电路PUF器件主要利用电路门和线时间延迟的内在变化或者本地不匹配作为其器件随机性的来源，该种PUF器件具有CMOS兼容性，便于片上集成，但该种器件复杂度相对较低，误码率较大，容易受到建模攻击；基于新兴技术的PUF器件，如基于相变存储器、界面磁各向异性、碳纳米管场效应晶体管、微纳米忆阻器等技术的PUF器件，虽然复杂程度较高，但其成本和制造难度也随着复杂程度呈指数级增长；化学合成PUF虽然可以提供大的编码容量，小的足迹和低的生产成本，可以通过测量容易检测的特征，如散射散斑图像、指纹样纹理、荧光或激光表面增强拉曼效应、二维材料不可预测的缺陷和模式生成识别码，通过添加多种标记剂或者结合多种检测方法，很容易降低化学PUF的复杂性，但该种PUF器件在环境变化如温度、应力、光照下的物理稳定性相对较低，分子重定向和分解都将导致信号波动，进而降低器件的保真度和重复性，因此化学PUF器件不能频繁进行认证和在恶劣环境下的长期使用；生物PUF器件虽然在生物相容性和可重构性方面具有优势，但在细胞培养和样品制备方面效率低，而且不稳定。

因此，亟需一种全新构造的PUF器件，该器件能够利用简单的制造方法，形成随机性较高的PUF器件。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件及其制备方法，该器件能够通过简单的工艺制备，且制备的PUF器件其随机性很强，使该器件具备天然的不可复制性，提高其应用的可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件，所述器件包括：衬底、纳米金属结构和负性光刻胶模板；所述负性光刻胶模板为由多个环形轮廓单元组成的阵列，所述环形轮廓带有缺口，负性光刻胶模板位于衬底表面；所述纳米金属结构随机分布于负性光刻胶模板的部分环形轮廓单元内部。

优选的，所述衬底为硅片、玻璃片、石英片和石英玻璃片中的任意一种。

优选的，所述衬底厚度大于200μm。

优选的，所述纳米金属结构其材料为金或者银。

优选的，所述负性光刻胶模板其材料为负性紫外光刻胶或电子束曝光抗蚀剂。

优选的，所述环形轮廓单元形状为圆环或方环。

优选的，所述PUF器件应用于信息安全领域。

一种纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：制作负性光刻胶模板；

S1.1：在衬底上涂覆一层负性光刻胶；

S1.2：用电子束曝光写出排成阵列的带有缺口的环形轮廓单元；

S1.3：进行显影，带有缺口的环形轮廓单元处的负性光刻胶阵列留在衬底上，形成负性光刻胶模板；

S2：进行纳米金属结构沉积；

S2.1：将纳米金属蒸发沉积在上述形成负性光刻胶模板的衬底上，形成纳米金属薄膜；

S2.2：在纳米金属薄膜上沉积一层粘合剂，并在紫外线照射下固化；

S2.3：将固化的粘合剂进行剥离，负性光刻胶模板中纳米金属薄膜随机剥离或者保留，保留的纳米金属结构随机分布在负性光刻胶模板的部分环形轮廓单元内部，形成PUF器件。

本发明的有益效果是：纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件及其制备方法，该器件在制备过程中剥离粘合剂时，与衬底附着能力强的纳米金属结构留在了衬底上，与衬底附着能力弱的纳米金属结构随着粘合剂被剥离，从而形成有纳米金属结构的开口环形轮廓单元与无纳米金属结构的开口环形轮廓单元随机排列的阵列，即为本发明公开的纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件，因此，本发明通过简单的工艺，制备的PUF器件具有很强的随机性，使其具备天然的不可复制性，应用可靠性及安全性能较高，可广泛应用于信息安全领域。

附图说明

图1为本发明的纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件结构示意图；

图2为本发明的纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件制备的过程示意图，图中(a)为衬底示意图；(b)为衬底上涂覆了负性光刻胶的示意图；(c)为在衬底上进行显影处理后，形成的负性光刻胶模板的示意图；(d)为沉积了金属薄膜的示意图；(e)为沉积一层粘合剂的示意图；(f)为剥离粘合剂后，形成的PUF器件示意图；

图3为本发明实施例1制备的PUF器件的扫描电子显微镜照片；

图4为本发明实施例1制备的PUF器件中单个带纳米金属结构的圆环轮廓单元的扫描电子显微镜照片；

图5为本发明实施例1制备的PUF器件的暗场光学显微镜照片；

图6为本发明实施例1制备的PUF器件的二维码提取流程图；

图7为本发明实施例1制备的PUF器件的二维码提取过程示意图；

图中：1.衬底 2.纳米金属结构 3.负性光刻胶模板。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示的纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件，该器件包括：衬底1、纳米金属结构2和负性光刻胶模板3；负性光刻胶模板3为由多个环形轮廓单元组成的阵列，所述环形轮廓带有缺口，负性光刻胶模板3位于衬底1表面，所述纳米金属结构2随机分布于负性光刻胶模板3的部分环形轮廓单元内部。

上述衬底1为硅片、玻璃片、石英片和石英玻璃片中的任意一种。

上述衬底1厚度大于200μm。

上述纳米金属结构2的材料为金或者银。

上述负性光刻胶模板3为负性紫外光刻胶或电子束曝光抗蚀剂。

上述环形轮廓单元形状为圆环或方环。

上述PUF器件应用于信息安全领域。

上述纳米金属结构随机断裂构造的PUF器件的制备方法，如图2所示，该方法包括：

S1：制作负性光刻胶模板；

S1.1：在图2(a)所示的衬底1上涂覆一层负性光刻胶，如图2(b)所示；

S1.2：用电子束曝光写出排成阵列的带有缺口的环形轮廓单元；

S1.3：进行显影，带有缺口的环形轮廓单元处的负性光刻胶阵列留在衬底上，形成负性光刻胶模板3，如图2(c)所示；

S2：进行纳米金属沉积；

S2.1：将纳米金属蒸发沉积在上述形成负性光刻胶模板3的衬底1上，形成金属薄膜，如图2(d)所示；

S2.2：在纳米金属薄膜上沉积一层粘合剂，并在紫外线照射下固化，如图2(e)所示；

S2.3：将固化的粘合剂进行剥离，负性光刻胶模板3中纳米金属结构2随机剥离或者保留，保留的纳米金属结构2随机分布在负性光刻胶模板3的部分环形轮廓单元内部，形成PUF器件，如图2(f)所示。

实施例1

本实施例包括下属步骤：

清洗Si/SiO

在Si/SiO

用电子束曝光直写出阵列PUF中的每一个带缺口的圆环形状的轮廓单元，每个轮廓单元的圆环直径为200nm，圆环单元阵列X和Y方向的周期均为800nm，圆环缺口尺寸为50nm；

进行显影，圆环形状轮廓单元阵列显影后，轮廓单元的负性光刻胶阵列留在衬底表面；

将30nm的金属层蒸发沉积在衬底上，金属薄膜沉积后，金属薄膜位于负性光刻胶模板的圆环轮廓单元内，圆环轮廓单元外以及圆环轮廓上，负性光刻胶模板的圆环轮廓缺口部分内的金属连接了轮廓内外两部分，为连接部分；

之后在样品上沉积一层紫外固化粘合剂，然后在紫外线照射下固化；

将固化的粘合剂剥离，在此过程中，粘合剂将负性光刻胶模板圆环轮廓顶部和外部的金属薄膜完全剥离，对于圆环轮廓单元内部的金属薄膜，如果在剥离过程中连接部分断裂，则内部的金属薄膜就会与外部断开，此时在负性光刻胶模板圆环轮廓单元内部留下金属薄膜，如果没有断裂，则会随着圆环轮廓外部金属一起剥离，此时在负性光刻胶模板圆环轮廓单元内部没有金属薄膜。

通过以上步骤制备的PUF器件的扫描电子显微镜照片如图3所示，其中单个带纳米金属结构的开口圆环轮廓单元的扫描电子显微镜照片如图4所示，PUF器件在暗场光学显微镜下拍摄的暗场光学照片如图5所示，其中负性光刻胶模板圆环轮廓中有纳米金属结构的单元在暗场照片中成为一个亮点，相反，仅有负性光刻胶模板圆环轮廓的单元成为一个暗点，给亮点单元赋值“1”，给暗点单元赋值“0”。

将PUF的暗场光学显微照片导入计算机中，通过Python程序将暗场照片转换成包含亮点和暗点分布的灰度图像。然后将灰度图像每个像素的灰度值与预设的阈值比较进行二值化处理，得到与PUF对应的二维码，其具体操作流程如图6所示，其过程示意图如图7所示。