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STMicroelectronics Edited by F.Bonanno I.T.I.S. Marconi 2008 Incontro con gli allievi dell’ Istituto Tecnico Industriale Statale “G. Marconi” di Catania.

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2 STMicroelectronics Edited by F.Bonanno I.T.I.S. Marconi 2008 Incontro con gli allievi dell’ Istituto Tecnico Industriale Statale “G. Marconi” di Catania A. La Mantia - E. Viscuso 23 / 06 / 08

3 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. 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. 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.

4 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…. 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….

5 Introduzione Saturno

6 Introduzione Andromeda

7 Introduzione Che in quello del microcosmo….. Che in quello del microcosmo….. diatomee colonia di batteri

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

9 Introduzione Paguro Bernardo Retepora

10 Introduzione

11 Significant Reliability Events Introduction of New VLSI Materials: Si, Al, SiO2 and CMOS Technology Major Reliability Problems: Mobile-ions, Electromigration, Stress Migration, TDDB, Corrosion, Cracked-Die, Broken-Bonds, ESD, Soft-Errors History of Si-Technology Reliability Efforts Major Reliability Physics Effort: Models Developed For: EM, Mobile- Ions, SM, TDDB, Corrosion, Temp-Cycling, Alpha-Particles, ESD/EOS Major Reliability Engineering Effort: Building-In Rel. With Emphasis On WLR & DIR Major Defect- Reduction Effort: SPC, 6-Sigma, Outliers Introduction of New ULSI Materials: Cu & Low-K, High-K Gate Dielectrics Year J.W. McPherson, IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, p.123 (2001). Moore’s Law

12 Gaps In Technology Roadmap 0.25μm Copper -- Corrosion -- Drift/Migration -- Encapsulation Integrity -- Contamination Low-K Dielectrics -- Adhesion -- Low thermal conductivity -- Moisture absorb. -- Leakage -- Temp/Bias Stability High-K Gate Dielectrics -- Dit -- SILC -- DD -- Stability to HCI -- TDDB -- Voltage Accel. -- Activation Energy 0.18μm 0.13μm 0.35μm New Materials Will Be Required As Scaling Continues Interconnect Scaling J.W. McPherson, IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, p.123 (2001).

13 Product Reliability Assurance Challenges in the SoC Era ( SoC : System on Chip ) Shrinking time to market Shrinking time to market Increased complexity in all areas Increased complexity in all areas –Process –Product –Manufacturing –Marketplace & Customer Less margin for accelerated tests Less margin for accelerated tests More discontinuities in technology and business More discontinuities in technology and business

14  Shrinking time to market! SoC Era Challenges – Consumerization of products drives more frequent change and shorter product life cycles – Late to market = missed market! – First time success mandatory

15 SoC Era Challenges Increasing process complexity Increasing process complexity Low Leakage Transistor High Perf. Transistor MIM Capacitors Inductors – New materials being introduced w/o benefit of decades of learning – Increased number of layers equals more interfaces – Expanded set of elementary devices

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

17 Sommario La microscopia ottica. La microscopia ottica. La microscopia elettronica La microscopia elettronica La microanalisi La microanalisi

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

19 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.

20 Nel 3000 a.C. in Egitto ha inizio la produzione di uno smalto vetroso usato per ricoprire sassolini a scopo ornamentale

21 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

22 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

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24 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.

25 Tra i primi basta ricordare Euclide ( a.C.) - Che fu il primo in assoluto a intraprendere un approfondito studio sul fenomeno della luce visibile.

26 Tolomeo ( d.C.) Che codificò la teoria Geocentrica che resse per 1400 anni superata nel 1543 dalla teoria eliocentrica di Copernico

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28 Nel IX secolo si sviluppò la scienza ottica nel mondo arabo che riescì a conciliare: Nel IX secolo si sviluppò la scienza ottica nel mondo arabo che riescì a conciliare: Dottrina fisica della propagazione della luce; Dottrina fisica della propagazione della luce; Nozioni mediche sulla fisiologia dell’occhio; Nozioni mediche sulla fisiologia dell’occhio; Spiegazione matematica del processo visivo per merito di due “filosofi” : Al-Kindi ed Alhazen Spiegazione matematica del processo visivo per merito di due “filosofi” : Al-Kindi ed Alhazen

29 - 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”.

30 -Il merito di aver introdotto lo studio dell'ottica nell'Occidente latino spetta sopratutto all’ordine farncescano: -Robert Greathead ( ), (dom) -Ruggero Bacone ( ) autore di” De speculis comburentibus” -Giovanni Pecham ( ) autore di un noto compendio di ottica “Perspectiva communis”

31 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.

32 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.

33 Galileo Galilei (1564 – 1642)

34 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.

35 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

36 Isaac Newton (1642 – 1727)

37 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.

38 Newton è morto a Kensington, Londra, il 20 Marzo E’ stato sepolto “in Pompa Magna” nella Abbazia di Westminster.

39 Microscopio Galileano

40 L’origine della microscopia è legato a quello delle lenti ottiche cioè di qualcosa capace di variare l’ingrandimento delle immagini degli oggetti

41 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.

42 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

43 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.

44 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

45 Attorno al 1660 Robert Hooke ( ) autore di un’opera monumentale la “Micrographia”, perfezionò questo primo strumento con l’aggiunta di una terza lente.

46 Il vero inventore del microscopio ottico può essere considerato Antoni van Leeuwenhoek (1632 – 1723)

47 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.

48 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.

49 La “lenticula di Antoni van Leeuwenhoek

50 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).

51 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.”

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53 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.

54 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.

55 Nel 1860 è stato messo a punto il microscopio Polarizzatore che si è rivelato di massima importanza nella ricerca mineralogica.

56 In questo periodo di conquiste tecnologiche un giovane meccanico, Carl Zeiss ( ), costrui` un proprio laboratorio presso l’Università di Jena nell’est della Germania.

57 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.

58 Nel 1866, Carl Zeiss conobbe un geniale matematico e fisico ventiseienne, il Dott. Ernest Abbe (1840–1905), con il quale iniziò a collaborare.

59 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.

60 Carl Zeiss Ernest Abbe

61  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:

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63 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.

64 Otto Schott August Köhler

65 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.

66 L’ingrandimento totale di un microscopio ottico composto è dato dal prodotto di due termini secondo la seguente espressione:

67 - 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.

68 -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.

69 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:

70  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”

71 Sistemi ottici “finiti ed infiniti”


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