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Goos-Hanchen-Shift Photonic Sensor for Nanometer-Scale Delayering and Tamper Detection in Semiconductor Packages

Dieses Papier schlägt einen ko-verpackten photonischen Sensor vor, der die Goos-Hänchen-Verschiebung eines reflektierten optischen Strahls nutzt, um nanometergroßes Delayering und lokales Bohren in Halbleitergehäusen schnell und empfindlich zu detektieren, wobei er im Vergleich zu herkömmlichen Totalreflexionsmethoden eine signifikant höhere Empfindlichkeit und räumliche Kodierung bietet.

Ursprüngliche Autoren: Mia Mohammad Shoaib Hasan, Mohamed Elkabbash

Veröffentlicht 2026-08-13

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Mia Mohammad Shoaib Hasan, Mohamed Elkabbash

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine geheime Schatzkiste zu schützen, aber das Schloss ist so komplex, dass ein Dieb es knacken könnte, ohne dass Sie jemals ein Klicken hören. In der Welt der Computerchips sind diese „Schätze“ die sensiblen Daten im Inneren eines Halbleitergehäuses. Um sie zu stehlen, könnte ein Hacker versuchen, die schützende Hülle des Chips Schicht für Schicht langsam abzutragen – ein Prozess, der als „Delayering“ bezeichnet wird. Traditionelle Sicherheitssysteme sind wie ein Metallgeflecht, das um die Truhe gewickelt ist; wenn das Geflecht durchtrennt wird, geht ein Alarm los. Aber geschickte Diebe haben gelernt, das Geflecht durchzuschneiden und es so perfekt wieder zusammenzuweben, dass der Alarm niemals auslöst.

Um dies zu lösen, blicken Wissenschaftler auf das Licht selbst. Zwei Schlüsselideen machen diesen neuen Ansatz möglich. Erstens gibt es die „Totalreflexion“, die auftritt, wenn Licht in einem steilen Winkel auf eine Oberfläche trifft und vollständig zurückspringt, wie ein Stein, der über einen Teich hüpft. Zweitens gibt es ein eigenartiges Phänomen namens „Goos–Hänchen-Verschiebung“. Wenn Licht von einer Oberfläche abprallt, springt es nicht einfach gerade zurück; es gleitet tatsächlich ein winziges Stück seitlich entlang der Oberfläche, bevor es zurückkehrt. Dieses seitliche Gleiten ist normalerweise mit bloßem Auge nicht sichtbar, aber wenn man es mit extremer Präzision messen kann, wird es zu einem supersensiblen Lineal. Wenn sich die Oberfläche, von der das Licht abprallt, auch nur minimal verändert – etwa wenn eine Materialschicht abgeschabt wird – ändert sich die Größe dieses seitlichen Gleitens auf eine vorhersehbare Weise. Diese Arbeit untersucht, wie wir dieses winzige, unsichtbare Gleiten nutzen können, um Diebe bei der Tat zu schnappen, während sie die „Haut“ eines Chips Schicht für Schicht, mikroskopisch genau, abziehen.

Die Forscher MIA MOHAMMAD SHOAIB HASAN und MOHAMED ELKABBASH schlagen einen neuen Typ von Sicherheitssensor vor, der wie ein hochtechnologischer „Rutsch-Detektor“ für Computerchips wirkt. Anstatt ein Metallgeflecht zu verwenden, das getäuscht werden kann, nutzen sie einen Laserstrahl und die Goos–Hänchen-Verschiebung, um die Dicke der Chipverpackung zu überwachen. Sie entwarfen ein System, bei dem ein Laserstrahl in einem spitzen Winkel auf die Chipoberfläche geschossen wird. Normalerweise würde der Strahl direkt zurückspringen. Sie fügten jedoch eine spezielle Schicht mit hohem Brechungsindex hinzu, die es dem Licht ermöglicht, leicht in das Material zu „tunneln“, bevor es reflektiert wird. Dies erzeugt eine spezifische Menge an seitlichem Gleiten oder Verschiebung des reflektierten Strahls.

Das Team nutzte Computersimulationen, um zu testen, wie dieser Sensor reagiert, wenn ein Angreifer versucht, das Material zu bohren oder abzukratzen. Sie fanden heraus, dass mit abnehmender Materialdicke das seitliche Gleiten des Lichtstrahls in einer sehr geraden, vorhersehbaren Linie anwächst. In ihren Simulationen verschob sich der Strahl für jeden einzelnen Nanometer entferntem Material um 5,3 Nanometer. Um dies in Perspektive zu setzen: Dies ist fast dreimal empfindlicher als ältere Methoden, die nur auf einem einfachen Abprallen basieren. Das bedeutet, dass der Sensor in der Lage ist, einen Dieb zu entdecken, der eine Materialschicht entfernt, die unglaublich dünn ist – bis hinunter zu etwa 28 Nanometern – lange bevor der Dieb tatsächlich die empfindlichen Schaltkreise im Inneren erreichen kann.

Die Arbeit befasst sich auch mit einer großen Sorge: Was ist, wenn sich die Umgebung verändert? Wenn der Chip heiß wird oder sich die Farbe des Lasers leicht verschiebt, könnte der Sensor dann verwirrt werden und „Dieb!“ schreien, obwohl niemand da ist? Die Autoren simulierten diese Bedingungen und testeten, was passiert, wenn sich die Temperatur drastisch ändert oder die Wellenlänge des Lasers driftet. Sie fanden heraus, dass ihr Sensor sehr robust ist. Selbst bei großen Änderungen der Temperatur oder der Lichtfarbe bleibt die Beziehung zwischen der Materialdicke und dem seitlichen Gleiten des Strahls stabil. Dies liegt daran, dass sie einen spezifischen „Off-Resonanz“-Bereich verwenden, in dem die Physik einfach und zuverlässig ist und das chaotische, sprunghafte Verhalten vermeidet, das auftritt, wenn Dinge perfekt auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind.

Schließlich prüften die Forscher, ob dieser Sensor auch einen Dieb erfassen könnte, der versucht, hinterhältig zu sein, indem er nur ein winziges Loch an einer Stelle bohrt, anstatt die gesamte Oberfläche abzutragen. Die Simulationen zeigten, dass der Sensor immer noch funktioniert. Selbst ein schmales Bohrloch erzeugt eine Änderung im seitlichen Gleiten des Lichts, und je breiter das Bohrloch, desto größer ist die Veränderung. Dies deutet darauf hin, dass der Sensor sowohl langsames, gleichmäßiges Abschaben als auch plötzliche, lokalisierte Bohrangriffe erkennen kann.

Kurz gesagt legt diese Arbeit nahe, eine winzige, seltsame Eigenart der Lichtphysik in einen leistungsstarken Schutzschild für Computerchips zu verwandeln. Durch die Messung der exakten Menge, um die ein Laserstrahl seitlich gleitet, kann dieser Sensor die Entfernung von nanometerdünnen Materialschichten mit hoher Geschwindigkeit und hoher Sensitivität erkennen. Er bietet eine Möglichkeit, Manipulationen zu entdecken, die viel schwerer vorzutäuschen sind als aktuelle elektronische Alarme, und kann Angreifer potenziell stoppen, bevor sie jemals die Geheimnisse im Inneren des Chips sehen können.

Technische Zusammenfassung: Goos–Hänchen-Verschiebung-basierter photonischer Sensor zur Delayering-Erkennung im Nanometerbereich und zum Schutz vor Manipulationen

Problemstellung
Physische Manipulationen von Halbleitergehäusen stellen eine kritische Bedrohung für die Systemintegrität dar, da sie Angreifer dazu befähigen, interne Schaltkreise freizulegen, Signale abzugreifen oder den Betrieb des Geräts zu modifizieren. Aktuelle hochmoderne Anti-Tamper-Lösungen, primär elektronische aktive Meshes, stehen vor Einschränkungen: Sie sind anfällig für raffinierte, durch FIB-gestützte Entfernung oder Bypass-Strategien, bieten nur Schutz auf Die-Ebene und adressieren nicht die vergrößerte Angriffsfläche, die durch fortschrittliche Verpackungstechnologien (z. B. Chiplets, Interposer) entsteht. Darüber hinaus können indirekte thermische oder elektrische Signatursensoren durch die Reproduktion von Umweltbedingungen überlistet werden. Es mangelt an Schutzmethoden, die eine schnelle Detektion von Schichtabtrag (Delayering) im Nanometerbereich ermöglichen können, der eine optische Signatur erzeugt, die für einen Angreifer schwer zu emulieren ist.

Methodik
Die Autoren schlagen einen im Paket integrierten (co-packaged) photonischen Sensor vor, der auf der Goos–Hänchen-Verschiebung (GH-Verschiebung) basiert – der lateralen Verschiebung eines endlichen optischen Strahls bei Totalreflexion (TIR). Die Sensorarchitektur integriert einen Laser oder VCSEL sowie einen Detektor direkt auf dem Package.

Mechanismus: Ein Gauß-Strahl wird in einem flachen Winkel in eine hochbrechende Sensorschicht eingekoppelt. Der Sensor nutzt die frustrierte Totalreflexion (FTIR), um den Strahl in diese hochbrechende Schicht zu koppeln.
Physik: Der Strahl besteht aus transversalen Wellenvektorkomponenten ( $k_{\parallel}$ ), die eine dickenabhängige Ausbreitungsphase erfahren. Bei der Rekombination führt dieser Phasengradient zu einer lateralen Verschiebung ( $D_{GH} \approx -\partial\phi/\partial k_{\parallel}$ ).
Detektionslogik: Progressives Delayering (Materialentfernung) oder lokales Bohren verändert den komplexen Reflexionskoeffizienten der Mehrschichtstruktur. Dies modifiziert die GH-Verschiebung, wodurch sich der Schwerpunkt des Strahls und die transversale Intensitätsverteilung ändern. Diese Änderungen werden durch ein CMOS-Photodetektor-Array gemessen, um eine Zeroisierung oder Abschaltung auszulösen.
Simulation: Die Studie verwendet die Finite-Elemente-Methode (FEM-Analyse mittels COMSOL Multiphysics), um die Wechselwirkung eines Gauß-Strahls (Einfallswinkel 65°) mit den Sensorschichten zu modellieren, wobei die Dicke von 20 nm bis 820 nm variiert wird.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

Erhöhte Sensitivität durch FTIR: Die Arbeit zeigt, dass die Verwendung einer FTIR-basierten Struktur mit einer hochbrechenden Sensorschicht herkömmliche Strukturen mit niedrigem Brechungsindex deutlich übertrifft.
- Niedrigbrechende TIR: Weist eine Delayering-Sensitivität von 1,8 nm Strahlverschiebung pro Nanometer entferntem Material auf.
- Hochbrechende FTIR: Erreicht eine Sensitivität von 5,3 nm Strahlverschiebung pro Nanometer entferntem Material (fast das Dreifache).
- Detektionsgrenzen: Basierend auf einer Benchmark-Positionierungsgenauigkeit des Strahls von 150 nm reduziert der FTIR-Sensor die minimal detektierbare Delayering-Tiefe von ~83 nm (niedrigbrechend) auf **28 nm**.
Linearer Arbeitsbereich: Der Sensor zeigt eine annähernd lineare Antwort für Sensorschichtdicken unterhalb von 250 nm. In diesem Bereich ist der Zusammenhang zwischen der Strahlverschiebung und der verbleibenden Schichtdicke direkt invertierbar, was eine einfache Kalibrierung ohne komplexe nichtlineare Korrekturen ermöglicht.
Robustheit gegenüber Umgebungsvariationen: Die Autoren bewerten die Stabilität des Sensors gegenüber Variationen, die in anderen Systemen typischerweise Fehlalarme verursachen:
- Brechungsindex: Die Studie simulierte eine totale Brechungsindexvariation von $\Delta n = 0,01$ für beide dielektrischen Schichten. Für die hochbrechende Schicht ( $Al_2O_3$ ) entspricht diese Indexänderung einer hypothetischen Temperaturschwankung von etwa 364 °C basierend auf deren thermooptischem Koeffizienten. Für die niedrigbrechende Schicht ( $SiO_2$ ) entspricht dieselbe $\Delta n = 0,01$ einer hypothetischen Temperaturänderung von etwa 900 °C. In beiden Fällen war die Änderung der GH-Verschiebungsantwort vernachlässigbar.
- Wellenlänge: Variationen von 1540–1560 nm (was einem VCSEL-Drift von 25–85 °C entspricht) zeigen im linearen Bereich nahezu deckungsgleiche GH-Verschiebungs-Kurven.
- Einfallswinkel: Variationen von ±1° um den nominalen Winkel von 65° führen zu keiner signifikanten Änderung der Kalibrierung, sofern das System abseits der Resonanz (fernab des Fabry–Pérot-Peaks nahe 600 nm) arbeitet.
Lokale Angriffserkennung: Der Sensor ist nicht auf gleichmäßiges Delayering beschränkt. Numerische Ergebnisse deuten darauf hin, dass lokales Bohren eine monotone GH-Verschiebungsänderung erzeugt, die sowohl mit der Bohrtiefe als auch mit der Bohrbreite zunimmt. Breitere Bohrungen werden in geringerer Tiefe detektiert, da ein größerer Anteil des Strahls gestört wird.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper postuliert, dass diese GH-Verschiebungs-Auslesung einen schnellen, räumlich kodierten und schwer zu emulierenden Ansatz für die Manipulationserkennung in Halbleitergehäusen bietet.

Schwierigkeit der Emulation: Im Gegensatz zu skalaren elektronischen Sensoren kann ein Angreifer das Signal nicht einfach vortäuschen. Um nach einem Delayering eine unmanipulierte Antwort zu emulieren, müsste ein Angreifer das gesamte räumliche Intensitätsprofil des reflektierten Strahls präzise rekonstruieren (überschüssiges Licht dämpfen und spezifische fehlende Lichtverteilungen einspeisen) – eine Aufgabe, die wesentlich komplexer ist als das Umgehen einer einzelnen elektrischen Spur.
Sicherheitsarchitektur: Der Ansatz bietet kontinuierliche Sicherheit vom Gehäuserand bis zu den geschützten Dies. Die Autoren schlagen vor, dass die Kombination dieses verteilten Package-Level-Sensors mit lokalisierten Die-Level-Optiksensoren die Erkennung bis auf FIB-Skala mit Feature-Größen von wenigen Zehner Nanometern ausweiten könnte.
Leistung: Das System bietet eine Detektionslatenz, die potenziell in der Größenordnung von 10 ns liegt (begrenzt durch die Ausleseelektronik), was die Zeit bis zur Detektion im Vergleich zu aktuellen Methoden erheblich verkürzt.

Die Arbeit stellt fest, dass FTIR-basierte GH-Verschiebungen die Delayering-Sensitivität erhöhen können, ohne die Robustheit gegenüber Umgebungseinflüssen oder mechanischen Störungen zu beeinträchtigen, und adressiert damit eine kritische Lücke in der physischen Sicherheit fortschrittlicher Halbleiterverpackungen.

Technische Zusammenfassung: Goos–Hänchen-Verschiebung-basierter photonischer Sensor zur Delayering-Erkennung im Nanometerbereich und zum Schutz vor Manipulationen

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