На правах рукописи

Фесенко Максим Владимирович

Исследование процессов, разработка и создание

аппаратуры для стирания информации с носителей на

основе микросхем с энергонезависимой памятью

Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства

полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Специальность 05.11.14 – Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена в ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга»

Научные руководители: Доктор физико-математических наук, профессор А.Ю. Митягин Кандидат технических наук, доцент Б.В. Хлопов

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор, академик Армянской академии наук А.С. Багдасарян Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Московского Государственного Университета приборостроения и информатики И.В. Рыжиков

Ведущая организация: Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

Защита диссертации состоится “24” декабря 2009 года в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 409.007.01 в ОАО “ЦНИТИ “Техномаш” по адресу 121 108, Москва, ул. Ивана Франко, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО “ЦНИТИ “Техномаш”.

Автореферат разослан “23” ноября 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Кандидат технических наук, доцент Э.А. Сахно {PAGE }

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Применение новых современных технологий во всех областях производственной деятельности стало чрезвычайно зависимо от использования и хранения информации.

Все большее число крупных и мелких фирм из разных секторов экономики, а также органы государственной власти, министерства, силовые структуры и ведомства используют телекоммуникационные и компьютерные сети и в частности интернет. Все больше людей и видов коммерческой деятельности в том числе и в оборонной промышленности становятся связанными между собой сервисной сетью. При разработке, проведении испытаний и эксплуатации РЭС в настоящее время широко используются персональные ЭВМ.

Системы записи информации на основе неоднородных полупроводниковых носителях, таких как флеш память, являются важнейшими системами входящими в состав персональных ЭВМ.

Потребительские качества таких систем определяются в первую очередь объемом записываемой информации, временем доступа к заданному фрагменту, надежностью потребляемой мощностью и долговременной стабильности перечисленных характеристик. Промышленные предприятия, организации и структуры, находящиеся в подчинении военных ведомств в качестве носителей информации, помимо магнитных носителей, предпочитают иметь флеш накопители различных форм-факторов. На полупроводниковых носителях хранятся не только сугубо конфиденциальная информация, но и большое количество информационных ресурсов, видео материалов, фонограмм, технических характеристик изделий промышленного производства, неконтролируемое распространение которых по различным каналам утечки информации по каким-либо причинам нежелательно. Каналы утечки информации классифицируются по видам объектов-носителей информации и связям между их элементами.

Для выявления каналов утечки информации на предприятиях осуществляют процесс последовательного применения исследуемой ситуации некоторой совокупности операционных процедур, организованных в соответствии с определенными правилами и позволяющих сформулировать постоянный перечень возможных каналов утечки информации о некоторых информационных ресурсах. Связи между каналами утечки подразделяются на функциональные, организационные, случайные, контактные информационные. По видам они разделяются на сигнальные – передаются посредством сигнала или электромагнитного поля и вещественные посредством вещества.

О сигнальных каналах утечки в настоящее время достоверную информацию в большинстве случаев получают только путем измерений.

Контроль, регистрация и обработка информации нормированных характеристик источников излучений РЭС, также осуществляется в основном с помощью измерений названных характеристик станциями радиотехнического контроля.

Общая озабоченность силовых структур закрытием каналов утечки информации подтверждается приказом Министерства обороны Российской Федерации от 10 августа 2002 года №306 «О введении в действие общих и специальных технических требований, предъявляемых к устройствам уничтожения информации с магнитных носителей посредством электромагнитного воздействия».

В настоящее время промышленностью разных стран выпускается широкая номенклатура носителей информации основанных на микросхемах флеш памяти. Полное название этого вида памяти Flash Erase EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory). Память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, в следующем году было начато производство 256 Кбит – микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году фирма Intel разработала собственный вариант флэшпамяти. Высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками, и низкая себестоимость производства флэш-памяти за счёт более простой организации сделали флэш-память наиболее распространенным видом памяти в настоящее время.

';

Проблема уничтожения информации особенно экстренная, имеет важное, а во многих случаях, решающее значение с точки зрения безопасности. Поэтому представляет огромное практическое значение выработка комплексного подхода к этой проблеме. Возникшая проблема сохранения информации систем на основе полупроводниковой памяти (флеш носителей), широко используемых совместно с современными персональными ЭВМ, определила цель создание оборудования обеспечивающего надежное и гарантированное уничтожение записанной информации с неоднородных полупроводниковых носителей.

Цели и задачи диссертационной работы Цель: исследование процессов, разработка и создание аппаратуры для стирания информации с носителей на основе микросхем с энергонезависимой памятью (флеш).

полупроводниковых носителей информации на основе флеш памяти. Оценка процессов влияющих на деградацию ячеек флеш памяти. Определение методов подхода к вопросам стирания записанной информации.

2. Экспериментальные исследования влияния внешнего воздействия электрического и импульсного электромагнитного полей на полупроводниковый носитель, с целью определения параметров внешних полей необходимых для гарантированного уничтожения информации.

конструировании электромагнитных систем;

4. Разработка и создание импульсной электромагнитной системы для стирания информации;

5. Разработка и создание системы программного стирания информации непосредственно с микросхемы памяти с последующим воздействием на флеш носитель высоким напряжением.

6. Разработка и создание электромагнитных систем управления и контроля;

7. Разработка и создание прибора для стирания с флеш носителей информации.

Научная новизна и практическая ценность работы Теоретически и экспериментально исследована устойчивость носителя информации к воздействию внешних электромагнитных полей;

Разработаны новые принципы создания импульсной электромагнитной системы на основе методов многократного облучения;

Проведено комплексное экспериментальное исследование влияние элементов конструкции на параметры стирающего внешнего электромагнитного воздействия;

Экспериментально подтверждена возможность формирования импульсных электромагнитных полей с использованием новых предложенных методов конструирования устройств управления импульсной электромагнитной системой;

Экспериментально изучены процессы формирования сверхкоротких электромагнитных импульсных полей в объеме размещения флеш;

Предложен новый подход регистрации функционирования аппаратуры для стирания информации с носителей на основе микросхем с энергонезависимой памятью флеш.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласием теоретических оценок и экспериментальных результатов, хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных при лабораторных испытаниях опытного образца прибора и заводских на предприятии изготовителе, систематическим характером результатов испытаний; использованием современных методов исследования процессов; практической реализацией научных положений и новых предложенных способов и устройств; реализацией выводов при конструировании и разработке серийной документации прибора.

Практическая ценность работы обусловлена тем, что предложенный прибор обеспечивает надёжное экстренное уничтожение информации на флеш носителе без возможности её восстановления.

1. Уничтожение информации на полупроводниковом носителе электромагнитным полем при энергиях импульса не менее 2,2·10–5 Дж с использованием туннельного пробоя без деструкции транзисторной структуры.

2. Использование магнитного поля с длительностью импульса более 1 мс, обеспечивает максимальную передачу энергии внутрь полупроводниковой структуры с учетом ослабления магнитного поля за счет скин-эффекта.

3. Разрушение транзистора за счет нагрева возможно даже при малых значениях электрического поля, при многократном импульсном облучении. Создаваемое электрическое поле, с величиной определяемой крутизной (или скоростью) вызывает изменение магнитного поля.

4. Учет и оптимизация конструкции устройства стирания информации на флеш носителе посредством многократного облучения электромагнитными импульсами обеспечивает надежное стирание информации без возможности ее восстановления.

5. Учет и оптимизация конструкции устройства стирания информации на флеш носителе посредством программного стирания информации непосредственно с микросхемы памяти с последующим воздействием на флеш носитель высоким напряжением обеспечивает надежное стирание информации без возможности ее восстановления.

6. Использование полеобразующей системы состоящей из шести жестко связанных контуров и оптимизация конструкции устройства стирания информации на флеш носителе посредством воздействия переменным магнитным полем обеспечивает надежное стирание информации без возможности ее восстановления.

7. Применение разработанных способов построения систем управления, регистрации и контроля технических характеристик прибора, обеспечивают высокую точность измерения параметров для надежного стирания информации.

8. Комбинация способов внешнего воздействия, оптимизированная и реализованная в макете прибора, обеспечивает гарантированное уничтожение информации с носителей, в основе которых лежат полупроводниковые элементы (флеш память).

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, приложения и заключения.

Включает 106 страниц машинописного текста, 67 рисунков, приложение на листах, а также список литературы из 61 наименования публикаций отечественных и зарубежных авторов.

Краткое содержание работы Во введении показана актуальность работы, обоснована тема диссертации, сформулированы цель и задачи работы.

В главе 1 представлен обзор и посвящена анализу номенклатуры носителей информации на основе флеш памяти и их технических характеристик, технологическим особенностям производства, анализу физических основ функционирования флеш памяти и проведен анализ возможных способов уничтожения информации.

В главе 2 изложены результаты оригинальных исследований устойчивости носителя информации к воздействию внешних магнитных и электромагнитных полей.

В главе 3 представлены результаты разработки методов и аппаратуры для бесконтактного стирания информации, приведено описание экспериментальных макетов и результаты их испытаний.

В главе 4 представлены результаты разработки систем электронного управления и контроля. Предложенные схемы имеют патентованные решения.

В главе 5 представлено описание прибора для бесконтактного стирания информации с микросхем с энергонезависимой памятью (флеш) его технические характеристики и результаты испытаний прибора.

В заключении сформулированы основные выводы по результатам исследований.

Работа выполнена в ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», ряд исследований проведен в Институте радиотехнике и электроники им. В.А.

Котельникова РАН Фрязинский филиал (ФИРЭ им. В.А. Котельник РАН) Апробация работы Материалы по теме диссертации опубликованы в 10 статьях и патентах РФ, в том числе одна - в журнале из перечня ВАК.

Основные результаты работы докладывались на:

- Международная конференция «Магниты и магнитные материалы», г.

Москва, 2007 г.

- Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика – 2007». МГИЭТ (технический университет), 2007 г.;

- Международной научно-технической конференции. Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. г.

Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 г.;

- 16 Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль, 2007 г., г. Москва;

- 19 Международной конференции «Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы». г. Суздаль, 2007 г.;

- 14 Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» г. 2008 г.;

- 7 Международной конференции молодых специалистов «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике».г.

Королев, 2008 г.;

- 14 Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», 2009г.;

За разработку унифицированной переносной аппаратуры для экстренного стирания информации, ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И.

Берга» награждено медалью 9 Международного форума «Высокие технологии XXI века».

Фесенко М.В. удостоился I премии Молодежного конкурса инновационных проектов авиакосмических материалов и технологий ( г.) за инновационный проект «Переносное устройство экстренного уничтожения информации с электронных носителей различного типа».

Благодарности Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность и искреннюю признательность научным руководителям Б.В. Хлопову и А.Ю.

Митягину за постоянное внимание, творческое участие и поддержку настоящей работы.

Автор благодарен за помощь в выполнении исследований сотрудникам испытательного отдела С.Г. Борисову, А.С. Кузьминых (ФГУП «ЦНИРТИ», М.);

За помощь в выполнении организационных и экспериментальных работ автор выражает искреннюю благодарность начальнику НТО-32, лауреату Премии Правительства Российской Федерации А.А. Лебедю (ФГУП «ЦНИРТИ», М.);

Автор искренне благодарен за организацию инновационной работы и постоянную техническую помощь генерального директора, профессора Б.С.

Лобанова (ФГУП «ЦНИРТИ», М.).

Автор выражает глубочайшую благодарность д.т.н. А.А. Соколовскому и к.т.н. С.В. Герусу за помощь в проведении ряда исследований (ФИРЭ им.

В.А. Котельникова РАН).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

полупроводниковых носителях, таких как флеш память, являются важнейшими системами, входящими в состав персональных ЭВМ.

Потребительские качества таких систем определяются в первую очередь объемом записываемой информации, временем доступа к заданному фрагменту, надежностью потребляемой мощностью и долговременной стабильности перечисленных характеристик. Промышленные предприятия, организации и структуры, находящиеся в подчинении военных ведомств в качестве носителей информации, помимо магнитных носителей, предпочитают иметь флеш накопители различных форм-факторов. На полупроводниковых носителях хранятся не только сугубо конфиденциальная информация, но и большое количество информационных ресурсов, видео материалов, фонограмм, технических характеристик изделий промышленного производства, неконтролируемое распространение которых по различным каналам утечки информации по каким-либо причинам нежелательно. Каналы утечки информации классифицируются по видам объектов-носителей информации и связям между их элементами.

Проблема уничтожения информации особенно экстренная, имеет важное, а во многих случаях, решающее значение с точки зрения безопасности. Поэтому представляет огромное практическое значение выработка комплексного подхода к этой проблеме. Возникшая проблема сохранения информации систем на основе полупроводниковой памяти (флеш носителей), широко используемых совместно с современными персональными ЭВМ, определила цель создание оборудования обеспечивающего надежное и гарантированное уничтожение записанной информации с неоднородных полупроводниковых носителей.

микросхем с энергонезависимой памятью Широкая номенклатура флеш носителей информации, малые габариты и большой объем хранимой информации позволили им получить широкое распространение в качестве основных устройств хранения для ЭВМ.

Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы флеш памяти с архитектурами NOR и NAND, на основе логических элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ соответственно.

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. Помещение заряда на "плавающий" затвор в ячейке производится методом инжекции "горячих" электронов, а снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма На долговременность хранения информации оказывают влияния процессы деградации ячеек флеш памяти, электрическое и тепловое воздействие, механическое воздействие, аппаратно-программная часть накопителя, повреждения файловой системы.

Методами уничтожения записанной информации на флеш носителе может являться физическое повреждение чипа механическими методами, нагрев микросхемы, воздействие электрического напряжения на выводы микросхемы, воздействие быстроменяющимся магнитным полем.

Глава 2. Исследование устойчивости носителя информации к воздействию внешних магнитных и электромагнитных полей Большое количество исследований посвящено изучению влияния воздействия электромагнитного излучения на изделия полупроводниковой микроэлектроники. Однако, для задачи разработки аппаратуры гарантированного уничтожения информации с носителей, в основе которых находятся полупроводниковые элементы, необходим более детальный анализ этих процессов.

Поскольку энергонезависимая память с произвольным доступом основана на МДП структурах МНОП, а также DRAM- и NAND Flash.

Структуры такого типа реализуются на базе полевых транзисторов (ПТ) с изолированным затвором, пороговое напряжение которых, определяющее состояние ПТ как уровни логической единицы и нуля, контролируется встроенными зарядами – зарядом электронных ловушек на границе раздела SiO2-Si3N4 в случае Si-МНОП структур, или легированного слоя (встроенного полевого электрода) в случае Si-DRAM и NAND Flash структур. Процесс записи/стирания информации для этих структур аналогичен и состоит в подаче импульса повышенного затворного напряжения требуемой полярности и длительности. Также аналогична и физическая картина этих механизмов, связанная с полевой инжекцией носителей заряда из полупроводника на ловушки или легированный слой SiO2, как туда, так и обратно. При этом физическое состояние ПТ как элемента памяти, определяемое пороговым напряжением Vt проводимости инверсионного канала G, контролируется концентрацией встроенных зарядов Nt по закону Vt = eNt/C0, где e - элементарный заряд, C0 – удельная емкость затворного диэлектрика.

Поэтому, для разработки аппаратуры уничтожения информации с подобных носителей, необходимы исследования влияния воздействия внешнего электромагнитного поля на полевые МОП транзисторы. В целом влияние воздействия внешнего электромагнитного поля на полупроводниковые соединения и в частности на МОП транзисторы известно из литературных данных.

Было установлено, что при ударном воздействии СВЧ изменения параметров изучаемых объектов могут иметь как временный характер, наблюдаемый во время воздействия или сразу после его снятия, так и устойчивый характер изменения рабочих параметров структур, наблюдаемых в течение длительного времени после выключения воздействия. При этом были получены следующие результаты исследований воздействия СВЧ на МПД структуры:

– проявление максимальных воздействий в ударных полях, имеющих наибольшие градиенты;

– деградационные, поляризационные и ионизационные эффекты в ударных полях проявляются при существенно более низких уровнях энергии, чем в стационарных полях;

– наименее устойчивыми к обучению являются неоднородные полупроводниковые структуры, имеющие встроенные электрические поля и границы раздела, содержащие диэлектрические и металлические области.

Методом контроля электронных свойств МДП структур является метод эффекта поля, основанный на измерении зависимости латеральной (поверхностной) проводимости МДП структуры от потенциала полевого электрода (затвора) Vg. С позиций задач анализа электронных свойств полевых транзисторов как ячеек памяти, метод эффекта поля представляется оперативным и простым в реализации.

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки На рис. 1 приведена структурная схема автоматизированной установки, разработанной для прецизионного изучения эффекта поля в полевых транзисторах. На рис. 1: Щ-300 – цифровые мультиметры, Id – сила продольного тока, Vd – напряжение в цепи исток-сток, ЦАП – цифроаналоговые преобразователи, КИЦП - контрольно-исполнительные цифровые платы (интерфейсы цифровых мультиметров). Латеральная проводимость G = Id/Vd цепи исток-сток измеряется при малом Vd kT по модуляционной методике с использованием синхронный цифровой фильтрации сигналов, обеспечивающей коэффициент подавления помех не хуже 80 дБ.

экспериментальной установки:

Входное сопротивление измерителей напряжения……..1010 Ом Диапазон измерения напряжений………………..0.1 мкВ – 100 В Диапазон измерения силы тока……………………....10-11 – 0.1 А Диапазон задания потенциала затвора:…………………±(0-30) В Диапазон задания продольного напряжении:………….. :±(0-1) В Разрядность измерительных цифровых приборов…..………… Разрядность исполнительных цифровых устройств.…..……… Для проведения экспериментов были разработаны и по планарной технологии изготовлены следующие тестовые Si-МНОП и Si-МОП транзисторные структуры с инверсионным n- и р- каналом. Характеристики структур:

- Si-МНОП структуры: тип инверсионного канала: n- тип; подложка:

(100) p-Si КДБ10; затворный изолятор: термический SiO2 (2.5 нм) + Si3N4 ( нм); материал затвора: р+ поликремний; длина и ширина затвора: 5 и 50 мкм.

- Si-МОП структуры: тип инверсионного канала: р- тип; подложка: (100) n-Si КЭФ10;

затворный изолятор: термический SiO2 (200 нм); материал затвора:

алюминий; длина и ширина затвора: 10 и 1000 мкм.

На рис. 2 и 3 приведены микрофотографии разработанных структур.

Рис. 2. Микрофотография Si-МНОП структуры (длина затвора 5, ширина 50 мкм ) Рис. 3. Микрофотография Si-МОП структуры (длина затвора 10, ширина 1000 мкм) Для разработанных структур по методу эффекта поля были исследованы зависимости проводимости G от потенциала полевого электрода (затвора) Vg при различных значениях концентрации встроенного заряда Nt в области границы раздела Si-SiO2. Величины порогового напряжения, необходимые для расчета Nt, определялись как результат экстраполяции линейных участков зависимостей G(Vg) к значению G = 0.

Рисунки 4 и 5 иллюстрируют экспериментальные зависимости G(Vg) для Si- МНОП и МОП структур, измеренные при различных Nt.

Рис. 4 Зависимость проводимости МНОП структуры от Vg при температуре 77 К в линейном (слева) и полулогарифмическом (справа) масштабе для Nt 2·1011 (1), 1·1012 (2), Рис. 5 Зависимость проводимости МОП структуры от Vg при 77 К для Nt 2·1011 (1), Экспериментальные кривые эффекта поля, представленные на рис. 4 и 5, предметно иллюстрируют физику полевых транзисторов (ПТ) как ячеек памяти. Выделим два состояния ПТ, соответствующие малой (1) и повышенной (2) концентрации встроенного заряда, соответственно характеризуемые малым Vt1 (кривые 1 на рис. 4 и 5) и повышенным Vt (кривые 2 – 4 и 5) значением модуля порогового напряжения Vt. Увеличение концентрации встроенного заряда, сопровождающееся увеличением модуля Vt, приводит к уменьшению проводимости инверсионного канала при постоянных Vg.

Процессы записи-стирания-перезаписи информации для рассматриваемых структур, подразумевающие задание требуемой концентрации встроенных зарядов, контролируются физическими механизмами обмена зарядами между полупроводником и локализованными в затворном диэлектрике состояниями по механизму термо-электро-полевой инжекции и характеризуются как температурой, так и электрическими полями, определяющими порог пробойного механизма и скорость процессов. Из анализа следует, что переменное магнитное поле индуцирует изменяющееся электрическое поле, создающее на управляющих затворах дополнительное высокое напряжение, изменяющее пороговое напряжение и носители электроны переносятся через потенциальный барьер.

Вышеуказанные МОП структуры были подвержены воздействию импульсом электромагнитного излучения с различной энергией. После воздействия вновь были исследованы зависимости G(Vg) для Si- МНОП и МОП структур, измеренные при различных энергиях импульса электромагнитного излучения. Источником электромагнитного излучения являлся специально разработанный генератор электромагнитных импульсов.

Рис. 6 и 7 иллюстрируют экспериментальные зависимости G(Vg) для SiМНОП и МОП структур, измеренные при различных энергиях импульса электромагнитного излучения.

Рис. 6 Зависимости проводимости МНОП структуры от Vg при температуре 77К в линейном масштабе без -1, и после воздействия импульсом электромагнитного излучения Рис. 7 Зависимость проводимости МОП структуры от Vg при 77 К без -1, и после воздействия импульсом электромагнитного излучения с энергией 2 - 1,5·10–5 Дж, 3 Дж.

Полученные экспериментальные данные показывают, что ПТ, находящийся при рабочем Vg в открытом состоянии, в результате воздействия импульса излучения приобретет дополнительный встроенный заряд, переводящий его из состояния (1) в (2) за счет увеличения концентрации встроенного заряда Nt. Воздействие импульса излучения на ПТ, находящийся при рабочем напряжении Vg в закрытом состоянии хранения информации, приводит к дополнительному увеличению Nt и Vt, т.е.

к дополнительному закрытию ПТ.

Дальнейшее повышение мощности поглощаемого СВЧ излучения приводит к деструктивным изменениям электронных свойств границы раздела Si-SiO2, а далее - к разрушению границы раздела и структуры в целом.

электромагнитное поле, создавая в полупроводниковой структуре дополнительные внутренние поля, способствует перераспределению зарядов.

При энергиях импульса порядка 2,5·10–5 Дж наблюдается туннельный пробой элементарного полевого транзистора, что обуславливает стирание информации. При более высоких энергиях импульса происходит лавинный пробой структуры, что обуславливает деструкцию транзисторной структуры без возможности ее восстановления.

Амплитуда переменного магнитного поля круговой частоты { EMBED Equation.3 } уменьшается с проникновением в немагнитный проводник на глубину z по закону где { EMBED Equation.3 }- амплитуда поля на поверхности проводника, { EMBED Equation.3 } z-глубина скин-слоя, { EMBED Equation.3 } Гн/м – магнитная постоянная, { EMBED Equation.3 }- удельное сопротивление проводника.

Например, для алюминия { EMBED Equation.3 }Ом*м.

При использовании импульсного магнитного поля необходимо рассмотреть действие частотного экранирования (1)-(2) с учётом всего спектра частот составляющих используемый импульс.

Импульс был принят прямоугольным, с длительностью Т. Его зависимость от времени представлена с помощью обратного Фурье преобразования следующего вида:

{ EMBED Equation.3 } - результат прямого Фурье преобразования импульса прямоугольной формы.

После взаимодействия с экраном все частотные составляющие { EMBED Equation.3 } импульса (3) уменьшатся в соответствии с формулами (1) и (2):

{ EMBED Equation.3 } Изменённый экраном импульс теперь записывается в виде Фурье интеграла от соответствующих частотных компонент:

{ EMBED Equation.3 } Численное интегрирование по формуле (6) даёт возможность рассчитать форму и высоту He изменённого импульса магнитного поля. На Рис. 8 приведены кривые, демонстрирующие изменение импульса и приведены максимальные значения He экранированного импульса для трёх значений длительности импульса. Расчет проводился для алюминиевого экрана толщиной 1 мм.

Рис. 8. Зависимость амплитуды He и формы импульса от его длительности Т. 1 - исходный импульс амплитуды H0; 2 - Т = 1 мс, He/H0 = 0.84; 3 - Т = 50 мкс, He/H0 = 0.48; 4 Т = 5 мкс, He/H0 = 0.12; 5 - Т = 1 мкс, He/H0 = 0.03. Экран алюминиевый, толщиной 1 мм.

Из иллюстраций видно как фильтрация высоких частот, производимая экраном (формулы (1), (2), (5)) приводит к уменьшению высоты импульса и его расплыванию. Отметим, что в расчетах не принималась во внимание конкретная реализация формы исходного импульса. Эффект получен только за счёт экранирования металлическим экраном импульса идеальной прямоугольной формы. При использовании конкретных источников магнитного поля в формулы (4) – (6) несложно внести соответствующие коррективы, учитывающие форму исходного импульса.

При рассмотрении взаимодействия магнитных и электромагнитных переменных полей с полупроводниковыми носителями информации следует иметь отметить:

1. Если полупроводниковый носитель находится в металлическом корпусе, то эффективное воздействие оказывает только переменное магнитное поле.

2. Если длительность импульса магнитного поля мала, то, при малой глубине проникновения в объем полупроводника, величина индуцированного электрического поля будет большая.

3. Если длительность импульса магнитного поля большая, то, при большой глубине проникновения в объем полупроводника, величина индуцированного электрического поля будет малая.

4. С учетом ослабления магнитного или электромагнитного импульса за счет скин-эффекта необходимо определить оптимальное значение длительности импульса, при которой обеспечивается максимальная передача энергии внутрь полупроводниковой структуры.

Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток или токи Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, В зависимости от сопротивления проводников.

Индукционные токи или токи Фуко, которые возникают при воздействии переменным магнитным, а тем более переменным электромагнитным полями, главным образом приводят к разогреву полупроводникового носителя информации.

Была произведена оценка значения тока, соответствующую температуру, время разогрева и, следовательно, величину переменного магнитного и электромагнитного поля.

При протекании вихревого тока через транзистор образуется энергия { EMBED Equation.3 }, которая расходуется на нагрев. Если считать, что нет теплоотвода, то эта энергия тратиться на нагрев транзистора от температуры Т1 до Т2, согласно соотношению { EMBED Equation.3 }.

При условии нагрева транзистора в течении 10 секунд до 300 С, температуры, при которой произойдет гарантированный выход его из строя, потребуется создать вихревые токи со значением порядка 160 мА.

На рисунке 9 приведены эпюры одиночных импульсов магнитных полей, с разной крутизной фронтов, значения амплитуды указаны в относительных величинах.

Рис. 9 – Эпюры одиночных импульсов магнитных полей и соотношения Поскольку величина порождаемого электрического поля определяется крутизной (или скоростью) изменения магнитного поля { EMBED Equation. } то, даже при малых значениях напряженности создаваемого электрического поля, но много кратном облучении, возможно разрушение транзистора за счет нагрева.

Для создания таких вихревых токов, требуется энергия равная 2,3 Дж.

Эту энергию можно получить, производя воздействие на него внешним переменным магнитным полем и определяется как:

{ INCLUDEPICTURE

"http://elektrobgau.narod.ru/Chast444/Fuko/newpa3.gif" \* Был проведен эксперимент по проверке зависимости нагрева полевого транзистора от энергии магнитного поля. Для контроля температуры корпуса использовался температурный датчик ТМР-5 фирмы Honey Well с предельной регистрируемой температурой 150°С. Измерения проводились при температуре окружающей среды 24°С.

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 1.65 1.8 1.95 2.1 2.25 2.4 2.55 2.7 2.85 Рис. 10 График зависимости нагрева корпуса полевого В каждой точке графика производилось воздействие магнитным полем с установленной энергией в течении 15 секунд, по окончании этого времени элемент охлаждался до температуры окружающей среды, после чего эксперимент повторялся со следующим значением энергии магнитного поля.

Данный эксперимент продемонстрировал, что при повышении энергии магнитного поля увеличивается интенсивность нагрева полевого транзистора. Наибольшую крутизну график приобретает при значениях энергии магнитного поля более 1.5 Дж.

Глава 3. Разработка методов и аппаратуры для бесконтактного Автором были разработаны макеты для каждого способы стирания информации, их описания приведены ниже.

Предложен и разработан метод стирания информации на микросхеме с неоднородным полупроводниковым носителем информации с энергонезависимой памятью путем многократного облучения микросхемы памяти последовательностью электромагнитных импульсов. Обобщенная структурная схема макета представлена на рисунке 11.

Основными составляющими частями аппаратуры при реализации данного методы являются:

- Система управления и питания, обеспечивает формирование сигнала запуска для генератора коротких импульсов. Обеспечение питающим напряжением флеш накопителя, через специальное устройство подключения (коннектор). Были разработаны несколько вариантов системы управления, для различных условий эксплуатации аппаратуры, более подробно будут рассмотрены далее.

- Излучающая система – полеобразующая система, формирует электромагнитное поле с направлением перпендикулярным плоскости полупроводникового носителя информации. В качестве излучающей системы была разработана спиральная многодроссельная плоская система.

- Система встроенного контроля. Разработана автоматическая встраиваемая система контроля, призванная повысить качество и надежности работы аппаратуры стирания записанной информации. Система позволяет производить измерение рабочих параметров устройства, и генерировать управляющие сигналы для индикации и системы управления аппаратуры.

- Для обеспечения работы излучающей системы в аппаратуре бесконтактного стирания информации был разработан и изготовлен генератор коротких импульсов. Структурная схема генератора представлена на рисунке 12. Для увеличения энергии сигнала на выходе излучающей системы до значения превышающего полученное во второй главе, производится многократное излучение импульсов с частотой повторения Fп = 300 кГц. Таким образом, энергия сигнала на выходе составляет 13,5·10- Дж.

Рис. 12 Структурная схема генератора коротких импульсов Автором предложен метод, отличается повышенной надежностью стирания информации хранимой на полупроводниковом носителе. Общая структурная схема аппаратуры для его реализации приведена на рисунке 13.

Согласно данному методу, стирание информации выполняется в два этапа.

На первом этапе производится последовательное стирании информации с флеш носителя путем ее замещения данными передаваемыми с системы управления и питания. Данные генерируются в микроконтроллере системы управления и питания и передаются по специальной шине сопряженной с устройством подключения. Параллельно производится заряд емкостей накопителя энергии до определенного уровня.

На втором этапе производится мгновенный разряд емкостей накопителя энергии через входные цепи флеш носителя, тем самым вызывая их отключение посредством выгорания, при этом осуществляется невозможность дальнейшего использования флеш носителя.

Рис. 13 Общая структурная схема аппаратуры стирания Предложен метод, реализующий воздействие сформированного переменного магнитного поля на полупроводниковый носитель информации в рабочем режиме при подаче питающего напряжения.

Общая структурная схема аппаратуры, реализующей данный метод приведена на рисунке 14.

Рис. 14 Общая структурная схема аппаратуры для стирания информации В неоднородной полупроводниковом носителе (микросхеме), с записанной информацией, с помощью двух переменных магнитных полей, с разными значениями напряженности, направлениями векторов и частотой, возбуждаются токи Фуко, которые приводят в неустойчивое состояние заряды на затворах транзисторов (микросхемы) и изменяют структуру размещения зарядов, а также вызывают нагрев кристалл микросхемы, до температуры минимум 300 °С, тем самым производится выход его из строя.

Магнитные поля создают с помощью магнитной системы. Магнитная система устройства состоит из шести жестко связанных дросселей.

Внешний вид макета для отработки метода программного стирания информации непосредственно с микросхемы памяти с последующим воздействием высоким напряжением на флеш носитель представлен на рисунке 15.

Рис. 15 Макет устройства программного стирания информации Питание макета осуществляется от источника напряжением 7 В, также питание платы макета может осуществляться от штатного аккумулятора.

Управление циклом стирания информации записанной на флеш носителе управляет встроенный микропроцессор. Одновременно с программным стиранием данных на носителе заряд емкостей до напряжения 400 В.

После окончания стирания данных, микропроцессор отправляет команду на высоковольтный ключ, напряжение с емкостей поступает на входные цепи флеш носителя, выводя элементы входных цепей из строй и препятствуя дальнейшему использованию флеш носителя. Среднее время стирания информации не превышает 10 минут.

На рисунке 16 приведен макет по проверке воздействия короткими электромагнитными импульсами, состоящий из импульсного источника питания, генератора коротких импульсов и рупорного излучателя.

Электропитание макета осуществляется от постоянного напряжения 9 вольт.

Потребляемая мощность при работе макета составляет не более 5 Вт.

Разработанная принципиальная схема макета оригинальна. Макет позволяет регулировать уровень энергии электромагнитного излучения до 2.5 Дж, с дополнительным усилительным каскадом до 4 Дж.

Рис. 16 Внешний вид макета стирания информации с флеш носителей путем воздействия Макет по проверке воздействия внешним переменным магнитным полем на флеш носитель производит уничтожение информации путем формирования двух взаимоперпендикулярных переменных магнитных полей.

Время воздействия зависит от выходной мощности электромагнитного излучения и не превышает 15 секунд.

На рисунке 17 приведено изображение полеобразующей системы, состоящей из соленоидов с перпендикулярным и продольным вектором магнитного поля. Конструкция полеобразующей системы после сборки заливается компаундом и является монолитной.

Рис. 17 Внешний вид полеобразующей системы с соленоидами с направлением поля в друх взаимоперпендикулярных направлениях Глава 4. Разработка систем электронного управления и контроля Системы управления в устройствах уничтожения информации на полупроводниковых носителях информации должны обеспечивать мониторинг рабочих параметров аппаратуры, измерение параметров полеобразующей системы, управление этими полями, а также устройствами, обеспечивающими безотказную и надежную работу при эксплуатации аппаратуры. Важным моментом является обеспечение бесперебойной работы аппаратуры в различных условиях эксплуатации, осуществление электропитания аппаратуры от различных источников напряжения.

Предложены и описаны:

- Система управления бесперебойной подачей питающего напряжения для аппаратуры стирания информации, позволяющее осуществлять питание аппаратуры во время транспортирования. Источниками питающего напряжения являются однофазная сеть переменного тока, бортовой источник питания и встроенный аккумулятор;

- Система управления с реализацией авторизированного доступа к аппаратуре и встроенным контролем работоспособности;

- Схема измерения и регистрации значений напряженности магнитных полей;

- Система управления зарядом в аппаратуре с накопителем энергии, позволяющая производить параллельный заряд двух накопительных конденсаторов, благодаря использованию в устройстве специальной схемы распределителя тока, тем самым достигается уменьшение времени готовности аппаратуры;

- Автоматизированная система встроенного контроля. На входные клеммы устройства подаются управляющие сигналы, несущие информацию о технических характеристиках исследуемой аппаратуры, контрольные сигналы обрабатываются микроконтроллером. По поступающим сигналам на вход системы проводится анализ и оценка работоспособности аппаратуры или готовности ее к выполнению команды стирания записи. По результату их обработки микроконтроллер генерирует сигналы управления для контролируемых узлов (рисунок 18).

Рис. 18 Структурная схема автоматизированной системы встроенного контроля Глава 5. Прибор для бесконтактного стирания информации с микросхем Разработанный прибор для уничтожения информации на носителях информации с энергонезависимой флеш памятью создает импульсное электромагнитное излучение с характеристиками, обеспечивающими надежное уничтожение записанной информации и невозможность ее восстановления.

Обеспечение этих требований подтверждается разработанной конструкцией прибора и его техническими характеристиками.

Прибор представляет собой конструктивно законченное изделие, в котором предусмотрено размещение флеш носителя в объемном контейнере с устройством подключения.

Электропитание прибора обеспечивается от аккумулятора 12 В, сети переменного тока 220 В 50 Гц и бортового источника питания 12/24 В через устройство подключения выполненного в виде разъема типа «автомобильный прикуриватель». На рисунке 19 приведен общий вид прибора.

1 –Кейс, 2 - устройство подключения флеш-носителя, 3 – корпус прибора, 4 – полеобразующая система, 5 - кабель питания для подключения к сети 220 В, 6- кабель для подключения к бортовому источнику питания 12/24 В.

Проведенный анализ возможности обеспечения тепловых режимов работы прибора при использовании охлаждающего воздуха из окружающей среды с температурой не выше плюс 25С показал, что требуемый расход воздуха составляет G = 20 кг/ч при аэродинамическом напоре не менее мм.вод.ст. Такой расход обеспечивается встроенным электровентилятором типа CF2-3 (12 В, 0,14 А; 2500 об/мин; 0,65 м3/мин).

В целях подтверждения характеристик опытного образца прибора для бесконтактного стирания информации с микросхем с энергонезависимой флеш памятью для проведения испытаний создан стенд по отработке и испытаниям. Структурная схема стенда, приведена на рисунке 20. Из существующего ряда устройств с энергонезависимой памятью, для испытаний определен носитель на основе флеш-памяти как наиболее распространенные и востребованные в настоящее время.

При испытаниях прибора производилось измерение параметров ВЧ импульса на выходе генератора коротких импульсов, определялась выходная энергия излучения полеобразующей системы.

Проверка качества стирания информации производилась по следующей методике:

1. С помощью персонального компьютера, на флеш носитель информации производилась запись данных, заполняется весь доступный объем памяти, данные генерируются случайным образом.

2. Производилось выпаивание микросхемы флеш памяти и с помощью программатора ChipProg+ и на персональном компьютере сохранялась структура данных записанных в ячейки флеш памяти (чип NAND128W3A2BN6E).

3. Флеш носитель с устройством подключения помещался в полеобразующую систему. С помощью прибора производится стирание информации.

4. Флеш носитель извлекается из полеобразующей системы прибора.

Флеш носитель подключался к персональному компьютер, при этом определение флеш носителя не происходит. Непосредственно на персональном компьютере информацию считать не представляется возможным.

5. Производилось выпаивание микросхемы флеш, и установка ее в программатор. Данные считываются непосредственно с микросхемы флеш памяти.

Из анализа данных и сравнения их с первоначально записанными, подтверждается их полное стирание.

1. Широкая номенклатура флеш носителей информации, малые габариты и большой объем хранимой информации позволили им получить широкое распространение в качестве основных устройств хранения для ЭВМ.

2. На долговременность хранения информации оказывают влияния процессы деградации ячеек флеш памяти, электрическое и тепловое воздействие, механическое воздействие, аппаратно-программная часть накопителя, повреждения файловой системы.

3. Методами уничтожения записанной информации на флеш носителе может являться физическое повреждение чипа механическими методами, нагрев микросхемы, воздействие электрического напряжения на выводы микросхемы, воздействие быстроменяющимся магнитным полем.

электромагнитной системы на основе методов многократного облучения;

5. Разработан и описан макет устройства стирания информации на микросхеме с неоднородным полупроводниковым носителем информации с энергонезависимой памятью, основанный на методе многократного облучения микросхемы памяти последовательностью электромагнитных импульсов;

6. Разработан и описан макет устройства стирания основанный на методе программного стирания информации непосредственно с микросхемы памяти с последующим воздействием высоким напряжением на флеш носитель;

7. Разработан и описан макет устройства стирания, основанный на методе воздействия переменным магнитным полем.

8. Разработанная система управления с реализацией авторизированного доступа к аппаратуре и встроенным контролем работоспособности позволяет осуществить трехкратную защиту информации.

9. Измерение и регистрация значений напряженности магнитных полей обеспечивает определение значений напряженности магнитного поля и гарантирует выдачу информации о работоспособности устройства стирания информации.

10. Комплексный подход к системам управления и регистрации технических характеристик прибора и новые способы построения систем управления обеспечивают высокую точность измерения параметров и высокую вероятность надежного стирания информации. Все предложенные способы и устройства промоделированы, апробированы, технические характеристики подтверждены экспериментально.

11. Применение разработанных методов воздействия сверхкороткими электромагнитными импульсами и воздействием импульсом высокого напряжения на управляющие выводы носителя позволило создать опытный образец прибора для экстренного уничтожения информации на носителях информации с энергонезависимой флеш памятью.

12. В целях подтверждения характеристик опытного образца прибора для бесконтактного стирания информации с микросхем с энергонезависимой флеш памятью для проведения испытаний создан стенд по отработке и испытаниям. Результаты испытаний опытного образца прибора показали надежное стирание информации с флеш носителя.

1. Гуляев Ю.В., Лобанов Б.С., Митягин А.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., «Прибор для уничтожения информации с флеш носителей», М. – «Нано- и микросистемная техника», №11, стр. 42-46.

2. Хлопов Б.В., Фесенко М.В., Герус С.В., Митягин А.Ю., Соколовский А.А., Темирязева М.П., Влияние экранирования при воздействии импульсных магнитных полей на жесткие магнитные носители информации.

Труды XV Международной науч.-техн.конф.”ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ”, стр.223-227, 2009г.

3. Крутов М.М., Митягин Ал.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., «Особенности стирания записей с неоднородных полупроводниковых носителей», несекр.

Труды Международной конференции «Магниты и магнитные материалы», Информационно-аналитический бюллетень, отдельный выпуск 1, стр. 300 – 308, изд. МГГУ, г. Москва, 2007 г..

4. Романьков А.С., Хлопов Б.В., Фесенко М.В., Митягин А.Ю., «Уничтожение информации с неоднородных полупроводниковых носителей», Труды международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», Том II, Хаммамет (Тунис), стр. 78-82, 2008 г.

5. Хлопов Б.В., Митягин Ал.Ю., Фесенко М.В., Кузьминых А.С., «Неоднородный полупроводниковый носитель информации в переменном магнитном поле», несекр. Труды 19 Международной конференции «Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы».

Суздаль 01 – 05.10.2007 г. стр. 305-310, г. Москва.

6. Кравченко И.С., Митягин Ал.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., «Источник меняющегося магнитного поля», несекр. Труды 16 Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль 17 – 21.09.2007 г. стр. 216г. Москва.

7. Хлопов Б.В., Фесенко М.В., Митягин А.Ю., «Метод воздействия переменным магнитным полем на неоднородный полупроводниковый носитель информации», Труды 16 Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль 17 – 21.09.2007 г. стр. 196-197, г. Москва 8. Кузьминых А.С., Крутов М.М., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., «Особенности измерения импульсных магнитных полей в полеобразующих системах», несекр. Труды Международной конференции «Магниты и магнитные материалы», Информационно-аналитический бюллетень, отдельный выпуск 1, стр. 309 – 313, изд. МГГУ, г. Москва, 2007 г.

9. Кузьминых А.С., Митягин Ал.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., «Автоматизированная встроенная система контроля (ВСК) стирания магнитной записи», Труды 16 Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль 17 – 21.09.2007 г. стр. 190-191, г. Москва.

10. Крутов М.М., Митягин А.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., «Переносное устройство стирания информации, записанной на гибких магнитных дисках (НГМД) и жестких магнитных дисках (НЖМД)», несекр. Труды Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль 17 – 21.09.2007 г. стр. 204-205, г. Москва 11. Гуляев Ю.В., Митягин Ал.Ю., Митягин Ан.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № 2004125381 «Устройство для стирания записи с магнитных носителей», Патент на полезную модель № 43393 от 10.01. г. с приоритетом от 24.08.2004 г.

12. Гуляев Ю.В., Житковский В.Д., Митягин Ал.Ю., Митягин Ан.Ю., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № «Устройство для стирания записи с носителей на жестких магнитных дисках», несекр., Патент № 2284587 от 27.09.2006 г. с приоритетом от 23.08.2004 г.

13. Изобретение по заявке № 2006133987 «Устройство стирания записанносителей на жестких магнитных дисках», несекр., Патент на полезную модель № 60255 от 10.01.2007 г. с приоритетом от 26.09.2006 г., Фесенко М.В., Хлопов Б.В.

14. Крутов М.М., Сверчков В.Ф., Теселкин В.А., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № 2006128520 «Источник импульсных магнитных полей», несекр., Патент на изобретение № 2321165 от 27.03.2008 г. с приоритетом от 04.08.2006 г.

15. Митягин Ал.Ю., Крутов М.М., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № 2006116535 «Способ и устройство стирания записанной информации (варианты)», несекр., Патент на изобретение № 2323491 от 27.04.08 г. с приоритетом от 16.05.06 г.

16. Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № «Источник импульсного магнитного поля», Патент на изобретение № 2331979 от 20.08.08 г. с приоритетом от 28.02.07 г.

17. Борисов С.Г., Крутов М.М., Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № 2006139767 «Устройство для стирания записей на магнитном носителе (варианты)», Патент на изобретение № 2331934 от 20.08.08 г. с приоритетом от 10.11.06 г.

18. Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № «Устройство стирания записанной информации», Патент на изобретение № 2346345 от 10.02.09 г. с приоритетом от 26.04.07 г., 19. Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Изобретение по заявке № «Источник импульсного магнитного поля», Патент на изобретение № 2363094 от 20.08.08 г. с приоритетом от 08.02.08 г., 20. Фесенко М.В., Хлопов Б.В., Кузьминых А.С., Макаров А.С., Изобретение по заявке № 2008104285 «Устройство контейнерное оперативного уничтожения информации на магнитных носителях», Патент на изобретение.

Положительное решение от 18.02.09 г. Дата подачи заявки 08.02.08 г., Исследование процессов, разработка и создание аппаратуры для стирания информации с носителей на основе микросхем с энергонезависимой памятью.

На соискание ученой степени кандидата технических наук { HYPERLINK "http://www.perepletaem.org" }, тел.: (495) 517-81- Тираж 50 экз. Подписано в печать 19.11.2009 г.