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Introduzione alla microtecnologia

In questa sezione verrà data una breve panoramica storica che si ferma all'inzio del secondo millennio. In realtà l'enfasi è dedicata principalmente allo sviluppo della microelettronica.

Prima del transistor, i circuiti elettronici erano costruiti con elementi discreti, quali resistenze, condensatori, e valvole termoioniche. Il primo grande calcolatore che utilizzava questi elementi fu ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), costruito nel 1946 subito dopo la seconda guerra mondiale allo scopo di calcolare rapidamente le tabelle balistiche per vari tipi di proiettili.

Un'immagine storica del calcolatore ENIAC

L'ENIAC era un colosso pesante 3 tonnellate, contenente 17000 valvole, 70000 resistenze, 10000 condensatori. Assorbiva una potenza di 174 kW e riempiva un'intera stanza, come si vede dalle foto d'epoca. Degli operatori erano costantemente al lavoro per sostituire gli elementi che si rompevano, più volte al giorno. E tutto questo per una potenza di calcolo che oggi ci fa sorridere: 300 moltiplicazioni o 5000 addizioni al secondo!

Una replica del primo transistor fatta in occasione dei 50 anni della sua scoperta

Nel 1948 nasce il primo transistor, inventato da William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain (AT&T Bell Laboratories, New Jersey, USA), che per questo ebbero il premio Nobel per la Fisica nel 1956. Si trattava di un semplice dispositivo a punta di contatto ma rappresentò un dispositivo rivoluzionario, che permise di sostituire le voluminose valvole termoioniche con un dispositivo a stato solido. Ben presto fu disponibile un calcolatore IBM con 2200 transistor.

L’origine della microtecnologia è strettamente legata allo sviluppo della microelettronica a partire dalla fine degli anni ’50. Nel 1958 Jack Kilby realizzò il primo prototipo di circuito integrato utilizzando il germanio come materiale semiconduttore. Il suo dispositivo, pur semplice, dimostrò la possibilità di integrare più componenti elettronici su un unico chip.

Nel 1959 Jean Hoerni introdusse il processo planare, una tecnica rivoluzionaria basata sull’ossidazione e sulla passivazione superficiale del silicio. Questa tecnologia permise di ottenere dispositivi più stabili, affidabili e riproducibili, aprendo la strada alla produzione su larga scala.

Gli anni ’60 rappresentano un decennio decisivo per la nascita e lo sviluppo della microtecnologia. In questo periodo, i progressi nella fisica dei semiconduttori, nelle tecniche di fabbricazione e nella progettazione dei dispositivi consentirono il passaggio dalla semplice idea di integrazione alla realizzazione di processi produttivi affidabili e scalabili.

Nel 1960 Robert Noyce integrò il processo planare con tecniche di metallizzazione su silicio, creando il primo circuito integrato monolitico realmente industrializzabile. Il suo approccio permetteva di collegare elettricamente i componenti direttamente sul wafer, segnando l’inizio dell’era della microfabbricazione moderna. Per questi contributi fondamentali, Kilby e Noyce ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 2000. 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.

schema di un MOSFET

Parallelamente allo sviluppo del processo planare, nel 1960 Dawon Kahng ai Bell Labs inventò il MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Questo dispositivo sfruttava un sottile strato di ossido isolante tra il canale di silicio e il gate, con minori consumi di potenza e possibilità di miniaturizzazione spinta. Tali dispositivi erano più facimente integrabili rispetto ai transistor bipolari. Il MOSFET divenne ben presto il componente fondamentale di tutte le tecnologie microelettroniche moderne.

In quegli anni il processo planare ideato da Hoerni continuò a evolversi, integrando tecniche di litografia ottica sempre più precise. Furono ideati migliori metodi di ossidazione termica del silicio; Si migliorarono i processi di drogaggio tramite diffusione e impiantazione ionica. Vennero fatte metallizzazioni affidabili basate sull'alluminio. Queste innovazioni permisero di produrre dispositivi con geometrie più piccole e prestazioni più stabili.

Nel corso degli anni ’60, aziende come Fairchild Semiconductor, Texas Instruments e successivamente Intel iniziarono a introdurre sul mercato sia i primi circuiti integrati logici a bassa complessità (RTL, DTL, TTL) che le prime memorie a semiconduttore di capacità crescente. Incominciano ad essere realizati circuiti ibridi per applicazioni militari e aerospaziali.

Alla fine degli anni ’60 iniziò a emergere il concetto di scaling, ossia la riduzione controllata delle dimensioni dei dispositivi per aumentarne sia velocità, densità di integrazione che efficienza energetica.

Gli anni ’70 segnarono la trasformazione definitiva della microtecnologia da insieme di tecniche sperimentali a vera e propria disciplina industriale. In questo decennio si assistette alla standardizzazione dei processi produttivi, alla diffusione del CMOS e, soprattutto, alla nascita del microprocessore, evento che diede avvio alla rivoluzione informatica.

Nel 1974 Robert H. Dennard e colleghi. pubblicarono il lavoro che formalizzò i principi dello scaling dei MOSFET. Essi dimostrarono che riducendo in modo proporzionale le dimensioni dei transistor aumentava la velocità e diminuivano i consumi, contemporaneamente la densità dei dispositivi cresceva esponenzialmente. Questa teoria rese possibile generazioni successive di circuiti integrati sempre più complessi e fu uno dei pilastri della cosiddetta Legge di Moore.

Durante i primi anni ’70 si affermò la tecnologia CMOS (Complementary MOS), basata sull’uso combinato di transistor NMOS e PMOS. I vantaggi principali erano sia i bassissimi consumi statici con elevata integrazione che buona immunità al rumore. Il CMOS iniziò rapidamente a sostituire le logiche precedenti (TTL e PMOS/NMOS) fino a diventare la tecnologia dominante nella microelettronica.

Il processore Intel 4004 aperto

Nel 1971 Intel introdusse l’Intel 4004, il primo microprocessore commerciale monolitico. Questo chip integrava nel silicio sia una unità aritmetico-logica che controllo di registri con logiche di interfaccia. Il 4004 e il successivo 8080 (1974) dimostrarono che era possibile realizzare sistemi di calcolo completi all’interno di un singolo circuito integrato, inaugurando l’era dei computer personali e dei sistemi embedded.

Negli anni ’70 la litografia ottica migliorò sensibilmente si diffusero sorgenti luminose a lunghezze d’onda più corte (g-line e h-line), vennero introdotte resine fotoresistive di nuova generazione, si perfezionarono i sistemi di allineamento maschera–wafer. Questi progressi posero le basi per la miniaturizzazione degli anni ’80 e ’90. Questo decennio vide anche la nascita e la diffusione delle prime memorie DRAM e EPROM, fondamentali per la costruzione dei primi computer. La capacità delle memorie aumentò di ordini di grandezza, accompagnando l’evoluzione dei processori. Alla fine degli anni ’70 comparvero i primi chip VLSI (Very Large Scale Integration), con migliaia di transistor integrati. Questo traguardo fu reso possibile dall’unione dello scaling dei MOS,la litografia avanzata,le tecnologie CMOS mature. Ma anche l'automazione nella progettazione mediante i primi CAD elettronici.

A partire dagli anni ’80, il ritmo dell’innovazione divenne così rapido e multidirezionale da rendere difficile una descrizione esaustiva dei progressi. L’insieme delle tecnologie – materiali, litografia, progettazione, dispositivi – evolse simultaneamente, alimentando una crescita senza precedenti.

Da quel momento l'elettronica da industria di nicchia per prodotti specialistici è via via diventata l'industria con il massimo svìluppo ed il maggior grado di innovazione. Ancora ai nostri giorni vengono continuamente inventati nuovi prodotti. Le tecnologie usate sono la naturale evoluzione di tecnologie note alla comunità scientifica da molto tempo, ma che erano confinate agli studi di pochi specialisti.

Nel corso degli anni ’80 la scalabilità prevista da Dennard portò alla miniaturizzazione sotto al micrometro. Il CMOS divenne lo standard universale, mentre l’industria introdusse metodi di progettazione automatizzata, nuove gerarchie di memoria, architetture RISC e tecniche litografiche sempre più avanzate. Il numero di innovazioni aumentò a un ritmo tale da non poter essere elencato in modo completo senza perdere chiarezza.

Negli anni ’90 la litografia deep-UV, le tecniche di planarizzazione chimico-meccanica, l’integrazione su scala System-on-Chip (SoC) e l’aumento vertiginoso della densità delle memorie trasformarono radicalmente la microtecnologia. L’accelerazione fu tale che non si parla più di singole scoperte, ma di un flusso continuo di innovazioni concatenate: miglioramenti nei materiali, nei processi, nell’architettura dei chip e negli strumenti di progettazione.

In sintesi, mentre gli anni ’50, ’60 e ’70 possono essere descritti attraverso tappe fondamentali e individuabili, dagli anni ’80 in avanti la crescita si fa talmente ampia e ramificata da non poter essere esaurita in un elenco. Si entra così nell’era dell’evoluzione continua della microtecnologia, che prosegue ancora oggi.

Un aspetto fondamentale degli anni ’90, quando si parla di microtecnologia in senso ampio, è la maturazione dei MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Pur essendo nati concettualmente negli anni ’80, fu negli anni ’90 che i MEMS divennero tecnologie realmente industriali. In questo decennio si consolidarono i processi di bulk micromachining e surface micromachining, vennero sviluppati materiali chiave come il polisilicio strutturale ad alta stabilità, iniziarono le prime produzioni di massa di accelerometri, sensori di pressione e specchi micromeccanici, si diffuse l’uso dei MEMS in ambito automotive, biomedicale e telecomunicazioni. L’ingresso dei MEMS nella produzione industriale ampliò il concetto stesso di microtecnologia, estendendolo ben oltre la microelettronica e includendo dispositivi meccanici, ottici e fluidici integrati su silicio.

BIBLIOGRAFIA

• S. M. Sze; Semiconductor Devices: Physics and Technology; Wiley, 2ª ed., (2001).

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