Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Introduzione alla microtecnologia/Concetti di base

Elementi di base

Gli obiettivi della micro (e nano) fabbricazione sono quelli di miniaturizzare le dimensioni di circuiti e dispositivi elettronici, compattare le varie funzioni e realizzare in modo semplice e poco costoso molte repliche identiche. Gli ingredienti a disposizione sono:

• per i materiali, si usano film sottili (spessore 10nm ÷ 1 μm) invece di materiali in forma di lastre, fili, etc.
• per sagomare i film nel modo voluto, si riporta il disegno sul film con una tecnica litografica, in modo che alcune parti siano protette e altre no
• fatto questo, si può trattare selettivamente la sola parte scoperta, ad esempio usando un bagno in acido per rimuovere il materiale, oppure impiantandovi ioni di un materiale opportuno
• per ottenere la funzionalità voluta, si utilizzano vari strati, diversamente sagomati, sovrapposti l'uno all'altro secondo un preciso schema.

I substrati

Un substrato in elettronica è una sostanza solida in genere di forma planare, su cui uno o più strati di un materiale diverso sono fatti aderire. Il substrato più comune è il silicio. I substrati normalmente vengono tagliati in fette sottili e chiamati con il nome inglese di wafer. Il processo di crescita dei cristalli di silicio è una voce descritta nel seguito.

Significato convenzionale dei flat (area rimossa dal wafer, qui segnata in rosso). A seconda del numero e della posizione dei flat si identifica il tipo di drogaggio del Si (n o p) e l'orientazione cristallografica.

Oggi l'industria usa wafer di silicio con diametro fino a 12 pollici (300 mm) e spessore di 0.3-0.7 mm. Il bordo dei wafer può avere delle particolari intacche o delle sezioni diritte ("flat") che, secondo una precisa convenzione, permettono una facile identificazione dei piani reticolari e del drogaggio del wafer. La conoscenza dei piani reticolari può essere utile per vari scopi. Uno di essi è il taglio del wafer in chip una volta completata la microfabbricazione: si incide il wafer che si spezza più facilmente in certe direzioni che in altre ("cleavage").

Si usano anche:

• wafer epitassiali, in cui lo strato di superficie è un singolo cristallo
• wafer SOI (silicon on insulator), composti da silicio, strato di isolante, strato sottile di singolo cristallo di silicio
• wafer di altri semiconduttori, quali germanio e composti di materiali III-V (InGaAs, InAs, etc.)

Esempi

Diamo qualche esempio di possibili schemi di principio per realizzare elementi circuitali semplici con tecniche di microfabbricazione.

Per realizzare un resistore, si userà un materiale ad alta resistività ρ, depositato come film sottile di spessore t e sagomato in forma di una striscia lunga L e larga w: la resistenza totale sarà, secondo la legge di Ohm, R=ρL/wt. Per la connessione con l'esterno, si metteranno poi due contatti di materiale a bassa resistività, sovrapposti in parte al film resistivo come mostrato in figura. In questo caso quindi servono due strati di materiali diversi, sagomati in modo diverso e sovrapposti.	Schema di un resistore microfabbricato.
Per realizzare una capacità, gli strati necessari sono tre: uno metallico per l'elettrodo inferiore, uno dielettrico con costante dielettrica εr e l'ultimo, di nuovo metallico, per l'elettrodo superiore. La capacità ottenuta sarà C=ε0εrS/d, dove S è la superficie degli elettrodi e d è lo spessore del dielettrico.	Schema di una capacità microfabbricata.
Per finire, una bobine a più spire si ottiene con tre strati, come mostrato nella figura. In questo caso il primo strato definisce le spire e parte dei fili di uscita; il centro della bobina deve essere poi collegato con il filo di uscita (ultimo strato), ma deve essere interposto uno strato isolante (secondo strato) per impedire che il collegamento cortocircuiti tutte le spire.	Schema di una bobina a più spire, microfabbricata.

Gli elementi di base vanno poi assemblati per realizzare circuiti più complessi. L'esempio in figura mostra come integrare fra loro un resistore e una capacità. Ancora una volta, lo schema è puramente ideale; per esempio, nel caso specifico il percorso degli elettrodi racchiude un'area che dà luogo ad una induttanza spuria, che potrebbe non essere tollerabile.

Supponiamo di dover realizzare un circuito con resistenza e capacità in parallelo, usando gli elementi descritti prima. Potremmo usare lo schema seguente:

• dapprima si realizza la sola parte resistiva (rettangolo rosso)
• poi si deposita uno strato metallico (blu chiaro) su cui si sagoma contemporaneamente un contatto per il resistore (sovrapposizione sul resistore) e il primo degli elettrodi della capacità
• su questo elettrodo va depositato e sagomato il dielettrico (verde) che forma la capacità
• infine un ultimo strato metallico (blu) realizza il secondo contatto sul resistore e il secondo elettrodo della capacità, nonché i fili per il collegamento esterno

La realizzazione di circuiti microelettronici anche complessi si basa su schemi di questo tipo. Come mostrato nel diagramma a fianco, si ripete più volte la procedura di depositare film sul substrato, riportare il pattern voluto con la litografia, trattare in vari modi la parte di film non protetta dal pattern (rimuovendo il materiale, oppure modificandone le proprietà come ad esempio con l'impiantazione ionica, e così via); nei processi industriali si contano anche 20 o 30 passi di questo genere. Questa fase viene chiamata di front end. Infine il substrato viene tagliato in chip che vengono poi connessi con saldature ad ultrasuoni a collegamenti esterni e opportunamente confezionati (packaging): questa fase è detta di back end.

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