Edited by F.BonannoEdited by F.Bonanno STMicroelectronicsSTMicroelectronics

I.T.I.S. Marconi 2008I.T.I.S. Marconi 2008

Incontro con gli allievi dell’ Istituto Tecnico Incontro con gli allievi dell’ Istituto Tecnico Industriale StataleIndustriale Statale

““G. Marconi” di Catania G. Marconi” di Catania

A. La Mantia - E. ViscusoA. La Mantia - E. Viscuso23 / 06 / 08

IntroduzioneIntroduzione

• Sin dai tempi più remoti l’uomo ha Sin dai tempi più remoti l’uomo ha sempre cercato di ampliare i limiti sempre cercato di ampliare i limiti della sua conoscenza spingendo il della sua conoscenza spingendo il suo sguardo sia verso il mondo dell’ suo sguardo sia verso il mondo dell’ infinitamente grande, che verso infinitamente grande, che verso quello dell’ infinitamente piccolo.quello dell’ infinitamente piccolo.

• La molla che ha operato su questa La molla che ha operato su questa spinta è stata la sua innata curiostà spinta è stata la sua innata curiostà che, se ben guidata dall’intelligenza, che, se ben guidata dall’intelligenza, è alla base di ogni Scienza.è alla base di ogni Scienza.

IntroduzioneIntroduzione

• Alla fine del XVI° secolo, quasi ad Alla fine del XVI° secolo, quasi ad opera degli stessi uomini di scienza, opera degli stessi uomini di scienza, sono nati sia il telescopio che il sono nati sia il telescopio che il microscopio che hanno dato la microscopio che hanno dato la possibilità di indagare sia nell’ possibilità di indagare sia nell’ ambito del macrocosmo…. ambito del macrocosmo….

IntroduzioneIntroduzione

Saturno

IntroduzioneIntroduzione

Andromeda

IntroduzioneIntroduzione

• Che in quello del microcosmo…..Che in quello del microcosmo…..

diatomeecolonia di batteri

IntroduzioneIntroduzione

• Passando naturalmente attraverso Passando naturalmente attraverso quello che la Natura, spogliata dei quello che la Natura, spogliata dei suoi veli, può offrire all’ osservazione suoi veli, può offrire all’ osservazione ad occhio nudo..ad occhio nudo..

IntroduzioneIntroduzione

Paguro BernardoPaguro Bernardo

ReteporaRetepora

IntroduzioneIntroduzione

Sig

nif

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ity

Eve

nts Introduction

of New VLSI Materials:Si, Al, SiO2and CMOS Technology

Major ReliabilityProblems:Mobile-ions,Electromigration,Stress Migration,TDDB, Corrosion,Cracked-Die,Broken-Bonds,ESD, Soft-Errors

History of Si-Technology Reliability Efforts

Major ReliabilityPhysics Effort:Models DevelopedFor: EM, Mobile-Ions, SM, TDDB,Corrosion,Temp-Cycling,Alpha-Particles,ESD/EOS

Major ReliabilityEngineering Effort:Building-In Rel.With EmphasisOn WLR & DIR

Major Defect-ReductionEffort:SPC, 6-Sigma,Outliers

Introduction ofNew ULSI Materials:Cu & Low-K,High-K GateDielectrics

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

YearJ.W. McPherson, IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, p.123 (2001).

Moore’s Law

Gaps In Technology Roadmap

0.25μm

Copper

-- Corrosion-- Drift/Migration-- Encapsulation Integrity-- Contamination

Low-KDielectrics

-- Adhesion-- Low thermal conductivity-- Moisture absorb.-- Leakage-- Temp/Bias Stability

High-KGateDielectrics

-- Dit-- SILC-- DD-- Stability to HCI-- TDDB-- Voltage Accel.-- Activation Energy

0.18μm

0.13μm

0.35μm

New Materials Will BeRequired As Scaling Continues

Interconnect Scalin

g

J.W. McPherson, IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, p.123 (2001).

Product Reliability Product Reliability Assurance Challenges in Assurance Challenges in the SoC Erathe SoC Era( SoC : System on Chip )( SoC : System on Chip )• Shrinking time to marketShrinking time to market

• Increased complexity in all Increased complexity in all areasareas– ProcessProcess– ProductProduct– ManufacturingManufacturing– Marketplace & CustomerMarketplace & Customer

• Less margin for accelerated Less margin for accelerated teststests

• More discontinuities in More discontinuities in technologytechnology and business and business

Shrinking time to market!Shrinking time to market!

SoC Era ChallengesSoC Era Challenges

– Consumerization of products drives more frequent change and shorter product life cycles

– Late to market = missed market!– First time success mandatory

SoC Era ChallengesSoC Era Challenges• Increasing process complexityIncreasing process complexity

Low LeakageTransistor

High Perf.Transistor

MIMCapacitors

Inductors

– New materials being introduced w/o benefit of decades of learning

– Increased number of layers equals more interfaces

– Expanded set of elementary devices

IntroduzioneIntroduzione

• Oggi ci addentreremo nel mondo Oggi ci addentreremo nel mondo della microscopia per vedere quando della microscopia per vedere quando e come è nata e come si è evolutae come è nata e come si è evoluta

SommarioSommario

• La microscopia ottica.La microscopia ottica.

• La microscopia elettronicaLa microscopia elettronica

• La microanalisiLa microanalisi

• La storia di tutti gli strumenti La storia di tutti gli strumenti ottici è legata alla scoperta del ottici è legata alla scoperta del vetro.vetro.

Con lo sviluppo dell’ottica si Con lo sviluppo dell’ottica si sono sviluppate tutte quelle sono sviluppate tutte quelle scienze che vanno dalla scienze che vanno dalla Microbiologia all’AstrofisicaMicrobiologia 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 Nel IX secolo si sviluppò la scienza ottica nel mondo arabo scienza ottica nel mondo arabo che riescì a conciliare:che riescì a conciliare:

• Dottrina fisica della Dottrina fisica della propagazione della luce;propagazione della luce;

• Nozioni mediche sulla fisiologia Nozioni mediche sulla fisiologia dell’occhio;dell’occhio;

• Spiegazione matematica del Spiegazione matematica del processo visivo per merito di processo visivo per merito di due “filosofi” : Al-Kindi ed due “filosofi” : Al-Kindi ed AlhazenAlhazen

- 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 (1635-1703) 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:

 OCOBTOT III

FF.

250160

21

- 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”