Micro e nanotecnologia/Microtecnologia

Microtecnologia

Quanto è grande 1 micrometro?

La microtecnologia studia e realizza dispositivi, componenti e sistemi le cui dimensioni sono dell’ordine del micrometro (10^-6 metri), cioè migliaia di volte inferiori al millimetro. Questa disciplina prende forma dalla fusione di diverse aree scientifico-tecnologiche — fisica, chimica, ingegneria dei materiali, elettronica — e rappresenta uno dei pilastri su cui si fonda gran parte dell’evoluzione tecnologica moderna.

Grazie alla microtecnologia è stato possibile realizzare i primi circuiti integrati, e da allora la miniaturizzazione non ha smesso di avanzare: oggi siamo in grado di costruire componenti con caratteristiche ben al di sotto del micron, avvicinandoci alla soglia nanometrica. Ma la microtecnologia non riguarda soltanto l’elettronica: include anche meccanica, sensori, attuatori, microfluidica — insomma, ogni sistema che necessita di elevata precisione e compattezza.

Questo libro si propone di offrire al lettore — studente, aspirante ricercatore o semplice curioso, tecnico o appassionato — una panoramica ampia e aggiornata delle tecniche, delle metodologie e dei processi che rendono possibile la micro- e nanotecnologia. L’obiettivo non è la completezza assoluta, ma dare una base solida: conoscere i termini fondamentali, riconoscere le principali tecnologie e capire come leggere e interpretare testi tecnici. In questo modo, chi legge potrà orientarsi nel vasto mondo della miniaturizzazione e sarà preparato ad approfondire ulteriormente.

Scorrendo la barra laterale il lettore può trovare i vari argomenti trattati che sono divisi per aree di interesse.

Microtecnologia e Nanotecnologia

La microtecnologia e la nanotecnologia sono due discipline strettamente legate, che rappresentano diversi livelli di miniaturizzazione all’interno di uno stesso continuum tecnologico. La microtecnologia opera tipicamente su strutture dell’ordine dei micrometri (10^-6 m), mentre la nanotecnologia scende alla scala dei nanometri (10^-9 m), ossia mille volte più piccola.

Dal punto di vista storico e tecnico, la nanotecnologia può essere vista come l’evoluzione naturale della microtecnologia: molte tecniche sviluppate per i microdispositivi — fotolitografia, incisione, deposizione di materiali, microlavorazioni — sono state progressivamente adattate e raffinate per raggiungere dimensioni sempre più ridotte fino a penetrare il mondo nanometrico.

Tuttavia, il passaggio dalla scala micro a quella nano non è soltanto una questione di riduzione geometrica. Avvicinandosi alla scala nanometrica emergono nuove proprietà fisiche, chimiche, meccaniche ed elettroniche che non esistono o sono trascurabili nella dimensione microscopica. Per questo motivo, la nanotecnologia richiede anche approcci diversi: tecniche top-down estremamente avanzate (come la litografia a fascio elettronico) si affiancano a tecniche bottom-up che sfruttano fenomeni atomici e molecolari (autoassemblaggio, chimica colloidale, sintesi di materiali nanostrutturati).

In sintesi la microtecnologia realizza componenti e sistemi complessi in scala micrometrica: MEMS, micro-sensori, micro-ingranaggi, micro-fluidica, mentre la nanotecnologia lavora su materiali e dispositivi a livello atomico o molecolare, sfruttando proprietà emergenti: nanotubi di carbonio, punti quantici, nanomateriali, nanosensori.

Le due discipline sono complementari: molte applicazioni moderne (ad esempio, sensori miniaturizzati, laboratori su chip, elettronica avanzata) integrano tecnologie micro e nano all’interno dello stesso dispositivo.

Per il lettore è quindi utile considerare la microtecnologia come un ponte tra la scala visibile al microscopio ottico e il mondo atomico della nanotecnologia: un terreno comune che fornisce sia strumenti concettuali sia tecniche operative indispensabili per comprendere la miniaturizzazione estrema.

Breve storia della microtecnologia

La microtecnologia nasce come diretto sviluppo del progresso nella microelettronica: con la possibilità di realizzare transistor e circuiti integrati su scala micrometrica, si aprì la strada a componenti piccoli, efficienti e prodotti in massa.

L'inizio della microelettronica si ha nel 1958 quando Jack Kilby fabbricò un prototipo di circuito integrato, basato sul germanio. Un anno dopo, nel 1959, Jean Hoerni sviluppò il processo planare, basato su tecniche di ossidazione e passivazione superficiale del silicio. Questo processo rese possibile la produzione affidabile di transistor e la loro integrazione su un unico chip. Successivamente (1960) Robert Noyce sfruttò il processo planare di Hoerni per realizzare il primo circuito integrato monolitico su silicio, utilizzando metallizzazione per collegare i vari componenti direttamente sul wafer. L’approccio di Noyce, grazie al processo planare, fu quello che rese possibile la produzione industriale. Quindi gli anni '60 sono l'inizio della microtecnologia.

Immagine della parte interno di un circuito integrato (Fairchild 74LS244) del 1983, con annotazioni che ne evidenziano le parti principali.

Negli anni '70 vengono fabbricati i primi MOSFET a canale corto, inoltre le microlavorazioni sono sempre più sofisticate fotolitografia UV, impiantazione ionica, crescita epitassiale.

Negli anni '80 i CMOS diventano i dispositivi principali con dimensioni del gate inferiori ai 2–3 µm. Alla fine degli anni '80 il processo delle più importanti industrie di semiconduttori è il processo di 800 nm

Negli anni '90 i dispositivi diventano sub-micronici (180 nm). Nasce la litografia a immersione e la litografia a fascio elettronico per sviluppi sperimentali. Questa fase rappresenta la massima espressione della microtecnologia classica, completamente centrata sulla microelettronica.

Solo dopo decenni di sviluppo microelettronico nascono i MEMS. I primi studi risalgono agli anni ’60, ma i MEMS esplodono solo negli anni ’80–’90, grazie al know-how proveniente dalla microelettronica. Rappresentano un’estensione delle tecniche microelettroniche alla meccanica e permettono di realizzare nuovi dispositivi (micro-sensori, micro-attuatori).

Dagli anni 2000 ad oggi le dimensioni diventano più piccole e la microtecnologia si confonde con la nanotecnologia per quanto riguarda l'elettronica, il nodo tecnologico attuale è il processo 3 nm, che però non indica più la dimensione fisica di parte dei dispositivi in quanto le distanze minime sono di 24 nm.

Note

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