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STMicroelectronics Ubaldo MASTROMATTEO Technical Staff member FTM – R&D Scientific Fellow Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro SPAIS 2006.

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1 STMicroelectronics Ubaldo MASTROMATTEO Technical Staff member FTM – R&D Scientific Fellow Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro SPAIS 2006 – Caccamo (PA), 26 luglio 2006

2 2 Nanotecnologie in Microsistemi Microsistemi dove si uniscono Micro e Nano tecnologie Lab on chip - Probe storage Applicazioni Stator Wafer Emitter Wafer Media R/W electronics Emitter electronics UHV seal thru-wafer vias Rotor Wafer

3 3 Sommario (I parte) Ripartizione dei sistemi La fabbricazione di microchip per microsistemi complessi Considerazioni sui processi in microelettronica Dagli HDD al probe storage Sistemi per il probe storage in dettaglio Millipede (IBM)

4 4 Electronic System Partitioning Bipolar, BCD, CMOS, BiCMOS, VIP Power Management Information Processing (Superintegration) Multifunction Peripheral (System Oriented Tech.) Data Acquisition and Conversion Bipolar, CMOS, RF-BiCMOS, µ-Machinery Central Processing (µP, DSP) Digital CMOS Power Actuators Bipolar, BCD, CMOS, HVCMOS, VIP, µ-Machinery, Memories CMOS, Flash, DRAM, µ-Machinery Mains, Batteries, Alternators, Solar Cells Sensors Antennas Keyboards Line Interfaces Switches Lamps Motors Displays Solenoids Loudspeakers CRTs Inkjets

5 5 Tipologia delle operazioni nei processi di fabbricazione di IC’s Strati strutturali: tutti gli strati visibili in una sezione del dispositivo a processo ultimato. Operazioni strutturali: tutte le operazioni per aggiungere e definire strati strutturali. Esempi: deposizioni e crescite di ossidi, deposizione di alluminio, attacco dry di alluminio ecc. Operazioni di servizio: tutte le operazioni usate per definire strati strutturali e di cui non rimane traccia a fine processo. Commento: la maggior parte delle operazioni in un processo sono operazioni di servizio. Esempi: copertura con fotoresist, allineamento di maschere ed esposizione lavaggi chimici ecc.

6 6 Complessita’ nella fabbricazione di Circuiti Integrati Data un’area “A” ci sono p=2 n possibilita’ per disporre geometrie minime di area “a”, dove “n” e’ il rapporto A/a. Tutte le configurazioni sono statisticamente equivalenti. Qualunque configurazione venga scelta, al valore di “p” corrisponde entropia negativa (informazione) proporzionale a: ln(p). Le difficolta’ di realizzazione per abbassare il valore dell’entropia sono tanto maggiori quanto minore e’ il valore di “a”. A a

7 7 Efficienza nei processi di fabbricazione di dispositivi ad alta complessita’ Negli anni 90 una stima dell’efficienza dei processi per la fabbricazione dei Circuiti Integrati dava un valore di 1ppm circa. Questo valore sta ad indicare quanto del materiale usato per la fabbricazione rimane all’interno del dispositivo finito. Nei processi attuali, data la loro complessita’, il numero di istruzioni necessarie per la fabbricazione risulta notevolmente cresciuto, specie quelle istruzioni che hanno carattere non strutturale e che sono la causa principale di aumento del costo dei processi. Ci sono vari modi per migliorare l’efficienza. Si puo’ ricorrere ad esempio alla inclusione nel processo di strati che verranno strutturati all’occorrenza (durante la vita del dispositivo), evitando cosi’ le onerose operazioni necessarie alla generazione di geometrie sempre piu piccole. Altra possibilita’, quando il processo lo consente, e’ quella di includere strati in grado di autostrutturarsi, oppure aumentare il diametro dei wafer.

8 8 Bit Density in NAND Flash basic layout x y array equivalent circuit x-pitch Floating Gate Control Gate y-pitch Drain Source Control Gate Interpoly Drain Source Control Gate Drain Source Floating Gate Control Gate dielectric Tunnel oxide CHARGE STORAGE ELEMENT

9 9 HH SS fenomeno spontaneo: diminuzione di H aumento di S Organizzazione molto probabile Sistema disordinato Sistema ordinatissimo Nel sistema termodinamico costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione elevatissimo I sistemi viventi

10 10 Istruzioni 1 Alcuni elementi del sistema vivo sono “costretti” ad un comportamento univoco sulla base di istruzioni contenute all’interno del sistema e per farlo necessitano solo di energia o presente gia’ nel sistema, o proveniente dall’ambiente circostante: il sistema e’ aperto. Queste parti del sistema sono immerse in un ambiente di tipo classico dove le parti (acqua, elementi inorganici disciolti e composti organici) si comportano classicamente fin tanto che sono “liberi”, ma possono divenire elementi costituenti di parti del sistema in grado di gestire l’informazione codificata di cui si e’ detto.

11 11 Considerazioni a confronto L’efficienza di esecuzione delle istruzioni all’interno di sistemi vivi e’ grandemente superiore a quella che si ha per i sistemi non vivi ad alto contenuto di informazione. Questo e legato al fatto che a differenza dei sistemi opera dell’ingegno umano, le istruzioni per raggiungere le finalita’ per cui il vivente esiste sono contenute al suo interno. Come pure l’HW che le esegue.

12 12 Diagramma di flusso per la fabbricazione di IC’s e sensori microlavorati

13 Commercial Products:70Gbits/in 2 Research frontier:  1 Tbits/in 2 Areal Density (Gbits/in2) HDD Areal Density Progress >10 7 Increase 25 Years 2kbit/in 2 10 Years Products Lab Demos 1Mbit/in 2 1Gbit/in 2 100Gbit/in 2 1Tbit/in 2

14 14 With perpendicular recording, higher write fields may be achieved, which in turn enables media with improved thermal stability to be used. GMR Element Shield Longitudinal vs. Perpendicular Recording Media

15 15 Track Sector Physical Grains Magnetic Bits Perpendicular Thin Film Disk STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

16 16 Outlook: Circumferential SOMA Tracks ~10-50  m long SOMA packets with “perfect ordering” needed for data block of ~5000 bits used in TURBO codes Idea: Lithographically of chemically assisted Dual Patterning Topographic Chemical SOMA Disk See recent literature: K. Naito, et al. "2.5 inch Disk Patterned Media Prepared by an Artificially Assisted Self-Assembling Method" IEEE Trans on Mag., 38, 1949 (2002); J.Y. Cheng, et al., "Magnetic properties of Large-Area Particle Arrays Fabricated Using Block Copolymer Lithography", IEEE Trans., 38, 2541 (2002).

17 17 HAMR + SOMA Patterned Media: Vision to reach single particle stability limit Single Particle Stability Limit ~40-50 Tb/in 2 Concept: Use pattern assisted assembly to Establish circumferential tracks on disks SOMA Assembly of FePt Nanopartcles on TEM Grid (0.1  m scale) 130 nm 6 nm FePt particles “9 Tb/in 2 “ ~m~m FePt SOMA Media are promising candidates for 1.Perpendicular Media 2.HAMR Media 3.Probe Media (x-y storage)

18 18 Bit Patterned Media Lithography vs Self Organization Major obstacle is finding low cost means of making media. At 1 Tbpsi, assuming a square bit cell and equal lines and spaces, 12.5 nm lithography would be required. Semiconductor Industry Association roadmap does not project such linewidths within the next decade. 6.3+/-0.3 nm FePt particles FePt SOMA media S. Sun, Ch. Murray, D. Weller, L. Folks, A. Moser, Science 287, 1989 (2000). Lithographically Defined SOMA, combined with HAMR for writing is projected to support densities of Tbpsi. STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

19 19 Beyond Rotating Media

20 20 Atomic Resolution Storage from HP A tomic R esolution S torage (ARS) technology Uses focused electron beams and a phase change media to read and write data Micromachined movers provide high resolution access of media by fixed emitter tips Technology developed at HP Labs ARS products Perfect for mobile applications Small, high density storage Memory cards and embedded storage applications Cost effective … enabling appliances and applications Scientific American – January 2003 STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

21 21 Complete ARS Chip Three bonded wafers - rotor, stator, and emitter wafer. R/W electronics located on stator wafer beneath  -mover electrodes. R/W signals will pass thru isolated Si plugs in 100  m thick rotor wafer. Stator Wafer Emitter Wafer Media R/W electronics Emitter electronics UHV seal thru-wafer vias Rotor Wafer STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

22 22 HP’s Electron Beam Concept STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

23 23 Bit Read/Write Mechanism I/O Emitter Control Motor Control Capacitive Sense Pattern Demod Read Channel

24 24 Flat Emitter Concept e - trajectories lens anode flat emitter

25 25 Motor Mechanism rotor stator... to step, change voltage on one electrode... n t = 6 n s = 7 Stepper motor operation Integrated Module

26 26 Silicon Micromover on Stator wafer Bottom Wafer Top Wafer High Voltage Feedthroughs Pads

27 27 High Voltage Feedthroughs High Voltage Feedthrough Bottom Wafer Top Wafer BottomWafer TopWafer 100µm High Voltage Pads Oxide Filled Trench Wafers Gap = 2µm STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

28 28 Cantilevers

29 29 Millipede: A Promising Data Storage Technology Millipede is a non-volatile memory alternative Unprecedented data storage density, not dependent on advances of microlithography Rapidly maturing Based on atomic force microscopy (AFM) principles

30 30 The Millipede Writing Process

31 31 Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003 Samsung probe storage

32 32 Samsung probe storage Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003

33 33 InProM An EU Funded Consortium

34 34

35 35

36 36 Presentation outline DNA based molecular diagnostic Silicon Lab on Chip approach What is PCR Lab on Chip for PCR and Hybridization Micro arrays for Genetic expression Microfluidic for sample preparation The Lab on Chip a bridge from microelectronics and nanobiology

37 37 Molecular Biology: The new Technology Extraordinary inventions form the technical foundation of Modern Molecular Biology PCR K. Mullis, PCR discover, 1983 Sequencing L. Hood Automated DNA sequencer, 1990Human Genome Project Bio-informaticsNew approach to medicine Engineering & Industrialization Research

38 38 Why Semiconductor companies in Bio-tech? Price of 1 Mbit of Memory euros euros euros euros euros ,05 euro euros ,5 euro 1995 High Volume & Low Cost Miniaturization & Integration Certifications Quality

39 39 Ingegnerizzazione della biologia molecolare Biologi esperti in grandi laboratori Automazione in ospedali Integrazione in sistemi Miniaturizzazione - Automazione – Affidabilita’ Uso semplice Bassso costo Veloce Portatile

40 40 Amplification area using PCR Detection area inlet sensor for temperature control heater outlet gold electrode Connection to PCB Lab on Chip layout

41 41 LC02 per l’analisi del DNA LC02 su basetta PCB 1x3 pollici per l’utilizzo nel TCS Foto di LC02 durante la fase di caricamento

42 42 In-check core: Silicon Biochip Spotting Optical Detection Electrodes Electronic Detection PCR - Outlet Inlet Heaters & Sensors PCR - Chambers

43 43 - Genetic diseases - Infectious agents (virus, bacteria) - Blood typing - Cancer - Polymorphisms Foreseen applications DNA Amplification (for ex. PCR) DNA extraction or Medical Diagnostics Prognostics - GMO - species determination - microbiology - allergen detection - microbiology (air/water) Agroindustrial Control Environmental Control

44 44 ST Lab-on-Chip evolution current functions evolution PTP1

45 45 Why Silicon for Lab-on-Chip ? Thermal Properties Thermal conductivity Low thermal capacity Compact external circuitry Miniaturization Intelligence on-board Electronic heaters Temperature sensors Compact Solution Reduces testing costs Delivers results in minutes Economies of scale in manufacturing Low cost IC mainstream tech. Reliability

46 46 What is PCR? Polymerase Chain Reaction A process which “Amplifies” or “Copies” a piece of DNA repeatedly until there is an amount which is great enough to observe visually.

47 47 Components of PCR 1. Template DNA 2. ATGC nucleoltides 3. Primers 4. Fuorescent markers 5. Taq DNA Polymerase Isolated from Thermus aquaticus, a bacterium found in a hot spring. Stable at near-boiling temperatures Catalyzes the synthesis of DNA

48 48 PCR Schematic Used with permission.

49 49 Animated PCR Used with permission.

50 50 T 94°C Thyb t200 s Denaturation  h 30th PCR cycle Detection Hybridization -Tolerance: +/- 1°C on T hyb -Cooling Ramp: 7-9°C/s

51 51 PTP1 layout

52 52 For DNA fragments identification known CDNA nucleotides sequences have to be grafted on selected sites Pyrrole based CDNA probes grafting. Source: CEA LETI

53 53 Hybridization of PCR P2Abio (1µl eq.) 1 hour at 42°C P2A probes no probes Hybridization of PCR CARTbio (1µl eq.) 1 hour at 42°C no probes CART1 probes Hybridization tests

54 54 Software Controlled Chemical Reactions 150mm wafer: Mixed Signal CMOS Combimatrix/ST bioarray technology

55 55 Pt Electrode DNA Synthesized On chip Pt Electrode DNA Synthesized On chip DNA HYBRIDIZED To Chip COMPLIMENTARY NON-COMPLIMENTARY G-C A-T T-A C-G G-C A-T G-C A-T T-A C-A G-A A-G A-T DNA SEQUENCE MISMATCH PERFECT MATCH

56 56 Silicon wafer Silicon Microarray Platinum Electrodes Combimatrix/ST bioarray technology

57 57 Phosphoramidite chemistry

58 58 START

59 59 ELECTROCHEMICALLY DETRITYLATE (Deprotect) HIGH FIDELITY SYNTHESIS

60 60 COUPLE

61 61 WASH AND REPEAT PROCESS WITH SEQUENTIAL AMIDITE EXPOSURE

62 62 Image demonstrating differential expression levels detected when cRNA samples from two tissue sources are labeled with either Cy3 or Cy5 and hybridized to the same CustomArray CustomArray 902 (1K) Combimatrix/ST bioarray technology

63 63 Movimento di particelle neutre mediante Dielettroforesi  p >  m -V-V +V Dielectric particle Suspending medium Positive Dielectrophoresis +V -V-V  p <  m pp mm Negative Dielectrophoresis

64 64 Obiettivo della Dielettroforesi (programma congiunto ST/Evotec) Separation and enrichment of rbc and wbc reliable low costs

65 65 nDEP localizzazione degli elettrodi La nDEP risulta piu‘ complessa della pDEP, ma e‘ piu‘ flessibile

66 66 Separabilita‘ teorica mediante DEP Possible for nDEP pDEP Mixed mode

67 67 nDEP in confronto con pDEP Ge > 0.4 S/m f = 1700 kHz U = 2 V F nDEPwbc >> F nDEPrbc Ge < 0.1 S/m f = 1700 kHz U = 2 V F pDEPwbc >> F pDEPrbc La separazione di globuli bianchi dai globuli rossi e‘ possibile sia con DEP positiva che negativa

68 68 nDEP in confronto con pDEP dal punto di vista della progettazione microfluidica 1.Progetto piu’ complesso 2.Separazione cellulare e focalizzazione simultanee 3.Maggior flessibilita’ in caso di lisi elettrica o chimica 4.IP in possesso di EVOTEC Progetto semplice (planare) Per focalizzare le cellule necessita un passo di nDEP Per la lisi chimica occorre un ulteriore elemento focalizzatore OK per lisi elettrica IP non tutta in EVOTEC Maggior rischio di occlusione nDEPpDEP

69 69 Approccio classico (nDEP) Deflessione affidabile Flusso con velocita‘ fino a 500 µm/s Allineamento delle cellule lungo l‘asse con minor rischio di adesione alle pareti Classic Design AC-drive top and bottom side (Pt)

70 70 Uso di chip esistenti, Cytocon™ 300 e monociti per i test -Prove di lisi con protocollo elettrico -Prove di lisi con protocollo chimico Controllo dell‘avvenuta lisi -Misura della cattura di marcatori da parte del DNA rilasciato dalla cellula col metodo della fluorescenza della singola molecola (FCS, FIDA) Integrazione della lisi celluare su Lab On Chip Cell lysis, DNA denaturation Dye intercalation

71 71 Uso di chip esistenti, Cytocon™ 300 e monociti (U937) per I test -Prove di lisi con protocollo elettrico Controllo dell’avvenuta lisi -Verifica della fuoriuscita dalla membrana del colorante inserito all’interno della cellula -PCR genomico della cellula aperta per il gene MLH-1 Lisi cellulare con impulsi elettrici Plasma membrane breakdown, Dye leakage, Cell swelling, DNA denaturation? Access to primers, polymerase?

72 72 Zigzag di elettrodi per raggruppare le cellule Imbuto di allineamento Elettrodi di apertura della membrana con impulsi alternati ai segnali hf per allineamento mediante nDEP Cytocon™ Chip per lisi cellulare Porator 1Porator 2 FunnelZigzags

73 73 Condizioni per la lisi cellulare Fuoriuscita del marker fluorescenteRottura della membrana hf: f = 635 kHz, U = 14 V against ground; pulse: U = 99 V, t = 50 µs, f = 1 Hz;

74 74 o r ~ ~ ground pulse ground pulse Hf per allineamento cellula Impulso elettrico di lisi Configurazione classica per lisi cellulare Le cellule sono centrate Le cellule non aderiscono ai piani superiore e inferiore Un impulso omogeneo garantisce la riproducibilita‘ del processo U. Mastromatteo - AISEM Firenze 15-feb-2005

75 75 Test per la verifica della quantita’ di sangue necessario per la PCR genomica GALIOS™ PCR genomica per il gene MLH-1 e‘ stato usato per leucociti estratti per filtrazione attraverso membrana 0.1 µl di sangue (intero) sono risultati sufficienti  leucociti Lysed with Sigma Kit Buffer

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