Introduzione e cenni storici

I.T.I.S. Marconi 2008
Incontro con gli allievi dell’ Istituto Tecnico
Industriale Statale
“G. Marconi” di Catania
23 / 06 / 08
A. La Mantia - E. Viscuso
STMicroelectronics
Edited by F.Bonanno
Introduzione
• Sin dai tempi più remoti l’uomo ha
sempre cercato di ampliare i limiti della
sua conoscenza spingendo il suo sguardo
sia verso il mondo dell’ infinitamente
grande, che verso quello dell’
infinitamente piccolo.
• La molla che ha operato su questa spinta
è stata la sua innata curiostà che, se ben
guidata dall’intelligenza, è alla base di
ogni Scienza.
Introduzione
• Alla fine del XVI° secolo, quasi ad opera
degli stessi uomini di scienza, sono nati sia
il telescopio che il microscopio che hanno
dato la possibilità di indagare sia nell’
ambito del macrocosmo….
Introduzione
Saturno
Introduzione
Andromeda
Introduzione
• Che in quello del microcosmo…..
diatomee
colonia di batteri
Introduzione
• Passando naturalmente attraverso quello
che la Natura, spogliata dei suoi veli, può
offrire all’ osservazione ad occhio nudo..
Introduzione
Paguro Bernardo
Retepora
Introduzione
History of Si-Technology Reliability Efforts
Introduction
of New VLSI
Materials:
Si, Al, SiO2 Major Reliability
and CMOS
Problems:
Technology Mobile-ions,
Electromigration,
Stress Migration,
TDDB, Corrosion,
Cracked-Die,
Broken-Bonds,
ESD, Soft-Errors
1975
1980
Major Reliability
Physics Effort:
Models Developed
For: EM, MobileIons, SM, TDDB, Major Reliability
Engineering Effort:
Corrosion,
Building-In Rel.
Temp-Cycling,
Major DefectAlpha-Particles, With Emphasis
Reduction
On WLR & DIR
ESD/EOS
Effort:
Introduction of
SPC, 6-Sigma,
New ULSI
Outliers
Materials:
Cu & Low-K,
High-K Gate
Dielectrics
1985
1990
1995
2000
2005
Year
J.W. McPherson, IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, p.123 (2001).
Gaps In Technology Roadmap
New Materials Will Be
Required As Scaling
Continues
High-K
Gate
Dielectrics
Low-K
Dielectrics
Copper
-- Corrosion
-- Drift/Migration
-- Encapsulation
Integrity
-- Contamination
-- Adhesion
-- Low thermal
conductivity
-- Moisture absorb.
-- Leakage
-- Temp/Bias
Stability
-- Dit
-- SILC
-- DD
-- Stability to
HCI
-- TDDB
-- Voltage Accel.
-- Activation
Energy
J.W. McPherson, IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, p.123 (2001).
Product Reliability Assurance
Challenges in the SoC Era
( SoC : System on Chip )
• Shrinking time to market
• Increased complexity in all areas
•
•
– Process
– Product
– Manufacturing
– Marketplace & Customer
Less margin for accelerated
tests
More discontinuities in
technology
and business
SoC Era Challenges
Shrinking time to market!
–
–
–
Consumerization of products drives more
frequent change and shorter product life
cycles
Late to market = missed market!
First time success mandatory
SoC Era Challenges
• Increasing process
complexity
–
–
–
New materials being introduced
w/o benefit of decades of learning
Increased number of layers equals
more interfaces
Expanded set of elementary devices
High Perf.
Transistor
MIM
Capacitors
Low Leakage
Transistor
Inductors
Introduzione
• Oggi ci addentreremo nel mondo della
microscopia per vedere quando e come è
nata e come si è evoluta
Sommario
• La microscopia ottica.
• La microscopia elettronica
• La microanalisi
• La storia di tutti gli strumenti ottici è
legata alla scoperta del vetro.
 Con lo sviluppo dell’ottica si sono
sviluppate tutte quelle scienze che
vanno dalla Microbiologia
all’Astrofisica
Plinio, nel 77 d.C., nella sua “Storia
Naturale libro XXXVI” attribuisce la
scoperta casuale del vetro a dei
mercanti Fenici, circa 3000 anni
avanti Cristo.
Nel 3000 a.C. in Egitto ha inizio la
produzione di uno smalto vetroso
usato per ricoprire sassolini a scopo
ornamentale
Sotto la XVIII dinastia, tra il 1580 ed
il 1345 a.C. l’arte del vetro egiziano
raggiunge il suo maggior sviluppo.
Dal 1000 a.C. l’arte del vetro si
espande nel Mediterraneo
La lavorazione del vetro ebbe grande
sviluppo sia nella repubblica Veneta
che in Toscana
Nel 982 un atto notarile testimonia
che in quel periodo a Venezia si
lavorava il vetro
In toscana l’arte del vetro è protetta
e sviluppata dai Medici
L’origine delle teorie sull’ottica si
perde nella notte dei tempi.
Argomento di studio da parte dei primi
filosofi è stato il “come” si vede ed il
mistero dell’arcobaleno.
Tra i primi basta ricordare
Euclide (325-265 a.C.)
- Che fu il primo in
assoluto a
intraprendere un approfondito studio
sul fenomeno della luce visibile.
Tolomeo (87-150 d.C.)
Che codificò la teoria Geocentrica che
resse per 1400 anni superata nel 1543
dalla teoria eliocentrica di Copernico
• Nel IX secolo si sviluppò la scienza
ottica nel mondo arabo che riescì a
conciliare:
• Dottrina fisica della propagazione
della luce;
• Nozioni mediche sulla fisiologia
dell’occhio;
• Spiegazione matematica del
processo visivo per merito di due
“filosofi” : Al-Kindi ed Alhazen
- Quando nel XIII secolo divennero
disponibili le traduzioni dei trattati di
ottica arabi , i Filosofi Cristiani,
compreso Sant’Agostino, si
cominciarono ad occupare di ottica,
allora conosciuta come “Perspectiva”.
-Il merito di aver introdotto lo studio
dell'ottica nell'Occidente latino spetta
sopratutto all’ordine farncescano:
-Robert Greathead (1168-1253), (dom)
-Ruggero Bacone (1214-1294) autore
di” De speculis comburentibus”
-Giovanni Pecham (1230-1292) autore
di un noto compendio di ottica
“Perspectiva communis”
Albertus Magnus (1193 – 1280)
Fu il primo ad ipotizzare che la luce avesse
una velocità finita anche se elevatissima.
Usò degli specchi per studiare le leggi
della riflessione e studiò la rifrazione
attraverso alcuni cristalli.
Fu maestro di San Tommaso d’Aquino.
Nel 1931 è stato canonizzato e dichiarato
Dottore della Chiesa e, nel 1941, Patrono
di coloro studiano Scienze.
Mikolaj Kopernik (1473 – 1543)
Considerato l’eresia personificata,
rivoluzionò la visione Tolemaica
dell’Universo.
Il suo nome originale era Mikolaj
Kopernik o Nicolaus Koppernigk , ma
egli usava il nome di Copernicus.
Galileo Galilei (1564 – 1642)
Genio multiforme brevettò nel 1594 una
macchina per il sollevamento dell’acqua. È
noto per i suoi studi di cinematica.
Tra il 1600 e il 1609 Galileo si dedicò agli
studi sul magnetismo.
Nel 1610 costruì un cannocchiale, con il quale
scoprì i satelliti di Giove, e fu il primo a
servirsi di uno strumento di questo tipo per
osservazioni astronomiche.
Tra il 1619 ed il 1624 Galileo cominciò a
produrre dei Microscopi, o “occhialini”,
come lui stesso soleva chiamarli, da lui
inventati, nei primi anni del 1600,
trasformando
opportunamente
un
telescopio a due lenti ed adattandolo per la
visione da vicino di oggetti molto piccoli;
per questo da molti è considerato
erroneamente l’inventore del microscopio
Isaac Newton (1642 – 1727)
Matematico e Fisico dei più geniali
nacque a Woolsthorpe, vicino a
Grantham nel Lincolnshire il 25
Dicembre 1642, dove frequentò le
prime scuole.
Entrò nell’Università di Cambridge nel
1661 dove divenne Professore di
matematica nel 1669 e vi rimase sino
al 1696.
Newton è morto a Kensington,
Londra, il 20 Marzo 1727.
E’ stato sepolto “in Pompa Magna”
nella Abbazia di Westminster.
Microscopio Galileano
L’origine della microscopia è
legato a quello delle lenti ottiche
cioè di qualcosa capace di variare
l’ingrandimento delle immagini
degli oggetti
L’applicazione del vetro agli
strumenti ottici si deve a Salvino
d’Armento di Firenze che nel 1280
costruì degli occhiali da utilizzare
come strumento per correggere la
vista e, pertanto, ne è ritenuto
l’inventore.
Il microscopio è uno strumento
che ingrandisce l’immagine degli
oggetti in modo da rivelare
dettagli non visibili ad occhio
nudo. Mostra cioè i dettagli di
oggetti più piccoli di 0.1 mm,
limite di risoluzione dell’Occhio
Umano
Il microscopio deve il suo nome a
Johannes Faber ( 1564 – 1629 )
introdusse questo termine nel
1625 «microscopium nominare
libuit» per ciò che consentiva di
vedere anche nel microcosmo
inaccessibile.
Negli anni compresi tra il 1590 ed il
1609 un costruttore olandese, Hans
Janssen, assieme al figlio Zacharias
ed a Hans Lippershey, progetto` e
costrui` il primo microscopio ottico a
due lenti di diversa lunghezza focale
Attorno al 1660 Robert Hooke (16351703) autore di un’opera monumentale
la “Micrographia”, perfezionò questo
primo strumento con l’aggiunta di una
terza lente.
Il vero inventore del microscopio
ottico può essere considerato Antoni
van Leeuwenhoek (1632 – 1723)
Antoni Leeuwenhoek nacque a
Delft, in Olanda, il 24 Ottobre 1632
da una famiglia di artigiani. Suo
padre, Philips Thomizoon, costruiva
cesti e sua madre, Margaretha Bel
Van den Burch, proveniva da una
famiglia di birrai. Non ebbe nessuna
forma particolare di educazione
scolastica.
Nel 1668, all’età di 36 anni, van
Leeuwenhoek, affascinato dalla
lettura del libro “Micrographia”
di Robert Hook, imparò a
lavorare le lenti, costruì il primo
esemplare del suo semplice
microscopio e cominciò a fare le
sue prime osservazioni.
La “lenticula di Antoni van Leeuwenhoek
Nella sua lettera inviata alla Royal
Society, datata Settembre 1674,
descrive le sue prime osservazioni
su delle creature sotto i limiti di
osservazione dell’occhio, (i
Protozoi).
Dopo la sua morte, avvenuta il 30 Agosto, 1723
il pastore della Nuova Chiesa di Delft scrisse alla
Royal Society :
“... Antoni van Leeuwenhoek considered that
what is true in natural philosophy can most
fruitfully investigated by the experimental
method, supported by the evidence of senses;
for which reason, by diligence and tireless
labour he made with his own hand certain most
excellent lenses, with the aid of which he
discovered many secrets of Nature, now famous
throughout the whole philosophical World.”
Per molti anni la realizzazione di un
microscopio e la sua qualità, è stata
legata all’ abilita dell’artigiano che
molava le lenti ed i risultati che si
ottenevano erano frutto di fortunate
coincidenze.
Nel 1758 un costruttore inglese di
lenti, John Dalton, combinando
diversi tipi di vetri costruì sistemi
ottici acromatici.
Nel 1807 Van Dijl di Amsterdam,
inizia la produzione commerciale
di obiettivi acromatici.
Nel 1860 è stato messo a punto il
microscopio Polarizzatore che si è
rivelato di massima importanza
nella ricerca mineralogica.
In questo periodo di conquiste
tecnologiche un giovane meccanico,
Carl Zeiss ( 1816-1888), costrui` un
proprio laboratorio presso l’Università
di Jena nell’est della Germania.
Tra il 1846 ed il 1866 costruì presso
il suo laboratorio microscopi di
buona qualità che cominciarono a
renderlo famoso
Nel 1857 venne prodotto il primo
“vero” microscopio fornito di oculare
ed obiettivo: lo Stativo 1.
Nel 1866, Carl Zeiss conobbe un
geniale
matematico
e
fisico
ventiseienne, il Dott. Ernest Abbe
(1840–1905), con il quale iniziò a
collaborare.
Nel 1872, dopo circa sei anni di
lavoro teorico sulla formazione
dell’immagine al microscopio, gli
studi di Abbe consentirono a C. Zeiss
di produrre 17 obiettivi diversi che
davano una qualità
d’immagine
sconosciuta per quei tempi.
Carl Zeiss
Ernest Abbe
Ernest Abbe successore di Carl Zaiss
consolido` le basi teoriche della
microscopia ottica con l’introduzione
della sua famosa formula che lega il
potere risolutivo di uno strumento alle
caratteristiche del sistema stesso ed alla
lunghezza d’onda della luce usata
secondo la seguente espressione scritta
di suo pugno:
Prima della fine del secolo le
ottiche di Abbe raggiunsero il limite
di risoluzione di 0.2 mm grazie
anche alla qualità dei vetri utilizzati
frutto degli studi del Chimico Otto
Schott (1851 – 1935 ) che divenne il
terzo membro della socetà.
Otto Schott
August Köhler
Nel 1893 il Professore August
Köhler ( 1866 – 1948 ), uno dei
primi membri dello staff della Carl
Zeiss di Jena, sviluppò e pubblicò
nel 1893, delle regole per ottenere
un’illuminazione perfetta per i
microscopi.
L’ingrandimento totale di un
microscopio ottico composto è
dato dal prodotto di due termini
secondo la seguente espressione:
160 250
 I TOT  I OB . I OC
F1 F2
- 250 mm e` una distanza, detta
“punto prossimo”, che è assunta,
convenzionalmente, come
la
distanza minima alla quale un
occhio normale può mettere a
fuoco senza l’ausilio di lenti .
-160 mm è la lunghezza meccanica
del tubo, fissata dalla “Royal
Microscopical Society”, sin dal
diciannovesimo secolo, a 160
millimetri ed utilizzata dai vari
costruttori per oltre cento anni.
Nel 1930 un costruttore Tedesco di
microscopi, C.Reichert per
consentire l’introduzione nel
microscopio di alcuni componenti
ausiliari, come il polarizzatore, il
contrasto interferenziale ecc. senza
introdurre aberrazioni introdusse il
concetto di “ottica corretta
all’infinito” e:
 modifica la lunghezza meccanica
del tubo di osservazione
introduce un terzo gruppo ottico
il “tube lens”
realizza i primi prototipi di
microscopio con “ottica corretta
all’infinito”
Sistemi ottici “finiti ed infiniti”