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NOVITA' DAI LABORATORI

Misura e collaudo nella ricerca microtecnologica di frontiera
Measurement and testing in advanced microelectronic research

di Amos Collini (*)


The testing laboratory is, together with the microfabrication laboratory and the system integration laboratory, the microtechnology laboratory of the Bruno Kessler Foundation (FBK) of Trento. Tasks of the testing laboratory are (i) checking the developed technology, (ii) the caracterizing the produced devices, (iii) quality control and the relationship with the final products user (customer). The testing laboratory works with the same methodology in the International Research framework and in the industrial and production world.

Il laboratorio di testing costituisce, assieme al laboratorio di microfabbricazione e al laboratorio integrazione di sistema, il laboratorio di Microtecnologie MT-Lab della Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento. Sono compiti del laboratorio di testing la verifica della tecnologia sviluppata, la caratterizzazione dei dispositivi prodotti, la valutazione della qualità e il rapporto con il cliente finale utilizzatore dei prodotti. Il laboratorio opera con lo stesso metodo sia nell’ambito della grande Ricerca Internazionale sia nei rapporti con il mondo industriale e produttivo.

IL CONTESTO DI LAVORO E LA RICERCA TRENTINA

La fondazione Bruno Kessler (FBK) svolge attività di ricerca negli ambiti delle Tecnologie dell’informazione, dei materiali e microsistemi, della fisica teorica, degli studi storici Italo-germanici e delle scienze religiose. Il rapporto con il territorio è all’origine della Fondazione Bruno Kessler, mentre la scommessa per il futuro si gioca su due fronti: sulla capacità di essere riconosciuti per il suo valore dalla comunità scientifica internazionale, e sulla capacità di rispondere ai bisogni di una comunità che guarda alla Fondazione come a una risorsa irrinunciabile.
Più di 350 ricercatori e ricercatrici, 220 fra tesisti, dottorandi, studenti di post-dottorato, visiting professor, 5 centri di ricerca, 7 laboratori, di cui un laboratorio di microtecnologie completamente attrezzato per la progettazione e la produzione in serie di dispositivi al silicio, progetti esplorativi e Unità di Ricerca, 14 tra spin-off, start-up, joint company, una fitta rete di alleanze e collaborazioni strategiche locali ed internazionali, 2 biblioteche specializzate consultabili anche dall’esterno, partecipazioni a convegni, conferenze, simposi internazionali, centinaia di pubblicazioni, brevetti e idee innovative al servizio della società e delle imprese: tutto questo fa della Fondazione Bruno Kessler un centro di ricerca riconosciuto internazionalmente.

Il laboratorio di testing opera all’interno del Centro Materiali e Microsistemi (CMM). Questo si fonda sul paradigma “Nano-On-Micro” e si focalizza su domini applicativi specifici: nano-microtecnologie per l’energia e l’ambiente, nanotecnologie per applicazioni biomedicali, per rivelatori e sensori di radiazioni. Il cuore tecnologico del CMM è senza dubbio il laboratorio di Microtecnologie. MT-Lab produce ogni anno più di un milione di microchip. Questi sono dispositivi elettronici ad alta tecnologia, richiesti dall’Agenzia Spaziale Italiana per effettuare ricerche nello spazio e dal CERN di Ginevra per i grandi esperimenti di fisica, ma anche dalle aziende per produrre innovativi pannelli solari, sensori per il monitoraggio ambientale e il miglioramento della produzione industriale. MT-Lab è distribuito logisticamente su quattro laboratori: Clean Room MEMS, Clean Room Detectors, laboratorio testing e laboratorio integrazione di sistema.

IL LABORATORIO DI TESTING: STRUTTURA, DOTAZIONE E OBIETTIVI

Il laboratorio di testing si sviluppa su una superficie di circa 200 m2 ed è diviso funzionalmente in sottolaboratori specializzati in funzioni diversificate. Per validare la tecnologia del processo di fabbricazione il laboratorio è dotato di 4 prober automatici alloggiati in box in classe 100 (Fig. 1). Questa attrezzatura consente un alto grado di automazione e la possibilità di lavorare 24 h/giorno senza l’ausilio di operatore. Parte di questa attrezzatura è utilizzata anche per il collaudo funzionale su fetta di dispositivi elettronici realizzati sia nelle clean room interne sia in fabbriche esterne. Il sistema di misura automatico è in grado di trattare fette di silicio di dimensioni diverse (da 4” a 8”). Il cuore del sistema di misura automatico è il software di misura, sviluppato internamente. Esso permette di gestire via web l’inserimento dei dati metrologici delle fette e delle configurazioni di misura.
L’inserimento dati è accessibile a qualsiasi utente autorizzato da qualsiasi punto rete. Ciò permette di parallelizzare l’inserimento dati riducendo i tempi morti. Inoltre il software è dotato di un efficace simulatore di strumento per verificare la correttezza del test prima che questo approdi alle macchine di misura. Tutti i dati, relativi sia alle configurazioni sia ai risultati, vengono raccolti in un’unica base di dati, consentendo completa tracciabilità sia delle misure sia dei dispositivi misurati. Il software permette inoltre il controllo remoto delle attrezzature di misura: è quindi possibile intervenire sui test in esecuzione anche stando fuori sede.

Il laboratorio di testing è dotato di due stazioni a micromanipolatori (prober manuali, Fig. 2), dotati di strumentazione, che permettono di eseguire misure particolari, ad esempio misure di stabilità nel tempo o misure in frequenza su fetta. Tali stazioni abbisognano di un operatore solo nella fase di contattatura dei dispositivi: in seguito il sistema di controllo può essere automatico e/o remoto. In questi locali si effettuano quindi misure complesse su limitata campionatura: lo scopo è soprattutto quello di evidenziare problemi o indagare sulle caratteristiche limite dei dispositivi sotto test.
Nel laboratorio di testing sono stati realizzati quattro banchi per test specifici per misurare dispositivi e/o trasduttori con specifiche caratteristiche. Il banco elettro-ottico permette di eseguire misure elettriche in relazione a stimoli ottici: è quindi possibile effettuare misure in funzione della potenza ottica incidente o della responsività spettrale. Il banco elettro-barico permette di eseguire misure elettriche in funzione della pressione sia di un liquido che di un gas, e dunque di collaudare dispositivi come i misuratori di pressione. Il banco gas permette di effettuare misure elettriche in funzione del tipo di gas (H2,N2, CO, CO2, ecc.) e del flusso dello stesso, e dunque misurare sensori di gas. Il banco solare, infine, permette di caratterizzare le celle solari in laboratorio attraverso l’ausilio di un simulatore solare certificato e tarato.

Sotto l’area di influenza del laboratorio di testing è possibile identificare anche tre servizi di carattere generale quali: (i) il servizio di taglio delle fette, dove è possibile tagliare le fette di silicio, quarzo e zaffiro in frammenti contenenti i singoli dispositivi; (ii) Il servizio di bonding, dove è possibile effettuare una minimale incapsulazione dei dispositivi tagliati; (iii) una piccola ma attrezzata officina elettrica dove vengono sviluppati i nuovi set-up di misura per il collaudo di dispositivi e/o di sistemi complessi.

Il laboratorio di testing ha in forza 4 addetti, 2 ricercatori e 2 tecnici sotto il coordinamento dello scrivente. Il personale del laboratorio si occupa di tutto il processo relativo alla costruzione di un test di verifica e/o di colludo. E’ il vero punto di forza di tutto il laboratorio, dove risiede la conoscenza e l’esperienza necessaria al funzionamento della struttura. Il personale si occupa ad esempio di: (i) progettare nuovi set-up di misura, (ii) scrivere il software di controllo, (iii) progettare e realizzare le ruotine di misura, (iv) costruire i programmi di test, (v) eseguire i test, (vi) sviluppare i programmi d’analisi dei dati, (vii) commentare i dati significativi, (viii) mantenere e riparare le attrezzature, (ix) calibrare gli strumenti di misura, e (x) quindi di effettuare tutte le operazioni che garantiscano il corretto funzionamento del laboratorio e delle attrezzature correlate.
Il laboratorio di test effettua una media di 7700 h misura/anno, per un totale di circa 1000 fette/anno, 600 ore di sviluppo e 550 ore di analisi e un numero di wafer tagliati e processati di poco inferiore a 1000.

ESEMPIO SIGNIFICATIVO DI ATTIVITA’ (PROGETTI D’ALTO IMPATTO)

Il primo progetto di considerevole entità è stato lo sviluppo del sistema di validazione e colludo del progetto ALICE (A Large Ion Collider Experiment), dedicato alla fisica della materia e alla comprensione dell’origine dell’universo e posizionato presso il CERN di Ginevra. E’ stato progettato un sistema di misura automatico che non rovinasse i delicati dispositivi al silicio a doppia faccia, in fase di caricamento e scaricamento automatico. Il sistema messo a punto da laboratorio di testing ha misurato l’intera produzione di rivelatori (pari a 2000 fette circa) senza introdurre difettosità, a 25 dispositivi ogni 48 ore. Questo progetto, assieme ad AMS, (il grande spettrometro per la ricerca dell’antimateria che si accinge a partire con uno dei prossimi shuttle per una lunga permanenza nella stazione spaziale alla ricerca della materia oscura dell’universo), ha fatto conoscere il lavoro del laboratorio di testing di MT-Lab FBK nel panorama internazionale.

Un passo importante è stato raggiunto negli ultimi tre anni, per un progetto particolare di sviluppo di un dispositivo per applicazioni spaziali, dove il laboratorio di testing ha acquisito un preziosissima esperienza nella caratterizzazione dei dispositivi aereospaziali. Le complesse tecniche di misura sotto stress che simulano l’invecchiamento dei dispositivi e il loro comportamento in condizioni d’operatività estreme sono ora in possesso del laboratorio di testing e possono essere messe a disposizione per qualsiasi progetto.

Come esempio finale si riporta l’ultimo lavoro complesso realizzato dal laboratorio di testing nello sviluppo di set-up di misura innovativi. E’ stato realizzato un sistema di misura di celle solari in regime di concentrazione con controllo automatico della concentrazione e della temperatura d’esercizio (Fig. 3). La realizzazione di questo set-up ha richiesto un notevole sforzo, poiché non esistono, in letteratura, normative a riguardo. La grande parte del lavoro quindi è stata quella di trovare la metodologia di misura e verificarne la correttezza ai fini d’una misurazione significativa.

COLLABORAZIONI

Il laboratorio di testing collabora attivamente con l’Università e con gli altri centri di ricerca presenti sul territorio Italiano e operanti nel contesto internazionale. É fornitore di servizi ad alta tecnologia per l’industria trentina e Italiana. É aperto a collaborazioni con altri partner che operano nel contesto dei microsensori e microsistemi nell’ottica sia di fornitore di servizi, sia di scambi di conoscenza.

 

Amos Collini è nato a Tione (TN) il 29/04/1966. Attualmente lavora presso la Fondazione Bruno Kessler (FBK). Laureato in Ingegneria Elettronica all’Università di Padova si occupa di misura e collaudo da circa 15 anni. Principale fautore della creazione del laboratorio di testing, ne è il coordinatore e ne promuove la crescita e lo sviluppo. É responsabile di significativi progetti per la creazione, lo sviluppo e l’ingegnerizzazione di dispositivi innovativi nell’ambito dei micro-sensori realizzati in collaborazione con il mondo industriale. É docente al Master “Nano-on-micro” dell’Universita’ di Trento, in collaborazione con FBK.

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