Micro and Nano Technologies for Biomedicine,  

Environment and Energy 

Carlo Ricciardi Applied Science and Technology Dep. (DISAT) 

carlo.ricciardi@polito.it 011/0907383 

1 

Introduc)on to micro and nanotechnology 

Top‐down and bo8om‐up approaches 

2 

Nanotechnology Technologies with features at least one dimension sized from 1 to 100 

nanometres 

Microtechnology 

Just a maAer of scale? 

Technology with features near one micrometre 

Study of micrometre‐scale or smaller electronic components.  

Microelectronics 

3 

4 

Microelectronics: the story so far… 

5 

Microelectronics: the story so far… 

Moore’s  First  Law:  the  number  of transistors on integrated circuits doubles every 18 months.  Moore’s  Second  Law:  the  cost  of building  chip  fabrica:on  plants  will con:nue  to  increase  (and  the  return  on investment to decrease) un:l it becomes fiscally untenable to build new plants 

6 

Microelectronics is everywhere 

CMOS (complementary metal‐oxide semiconductor) structure 

Microelectronics: a top‐down technology 

7 

Many microelectronic process steps involve the deposition and subsequent patterning of a thin film. There is a wide variety of methods for performing such depositions, which are generally referred to as additive processes.

Physical Vapor Deposition

Chemical Vapor Deposition

Electrodeposition

Spin Casting

Sol-Gel Deposition

Microelectronics: a top‐down technology 

Pattern Transfer

Integrated circuits and microfabricated devices are formed by defining patterns in the various layers created by wafer-level process steps.

Pattern transfer consists of two parts: a photo-process, whereby the desired pattern is photographically transferred from an optical plate to a photosensitive film coating the wafer, and a chemical or physical process of either removing or adding materials to create the pattern.

Most processes are subtractive, removing material by etching unwanted material away chemically. A few processes are additive, such as doping or plating. Another additive process is called lift-off.

Microelectronics: a top‐down technology 

9 

10 

Microelectronics: a top‐down technology 

11 

Microelectronics: a top‐down technology 

Simplest microeletronic unit: diode 

12 

13 

Wet etching 

Isotropic etch 

Mask can be undercut 

Free‐standing structures 

Microtechnology* 

14 *Micromachining 

15 

MicroElectroMechanicalSystem (MEMS) are everywhere 

An example: layout edit of a pressure sensor 

Bulkbacksideetch(membrane)

PadcutsInterconnectionsandcontacts

Diffusion(piezoresistors)

16 

Masks and alignment marks 

1 2

5

43

Mask1,2,3,4,5Add: 1.Alignmentmarks 2.Sequencecontrol 3.Scribelines

12345

17 

An example: Pressure sensor process (1) 

1.  Material selecOon, resisOvity measure, visual inspecOon (VI) Cristallographic alignment! 

2.  Etch stop (diffusion or epi wafer) etch (wet, DRIE) isotropic‐anisotropic‐verOcal wall and mask IC and piezoresistor compaObility!  Electric circuit insulaOon! 

3.  Nitride, bulk micromachining Membrane thickness tolerance! 

4.  MASK 1 (DIFF) FS mask aligner! Clean surface, Ox, PR, expose, develop, BOE etch, implant/diffuse  

n+epi 

psub(100) 

p+  p+ 

18 

5.  MASK 2 (CONTACT)  PECVD Oxide   spin PR, expose, develop   BOE etch, PR strip    

6.  MASK 3 (METAL)  Clean surface, Ox, PR, expose, develop, metal deposiOon 

An Example: Pressure sensor process (2) 

Siliconoxide

Contactvias

PRMetal

19 

An example: Pressure sensor process (3) 

Cutforwirebonding(bondingpad)

7.  Li`‐off  (strip PR and metal)   

8.  PassivaOon  PSG deposiOon (CVD)  

9.  MASK 4 (GLASS)  PR, expose, develop, etch 

10.  MASK 5 (BULK) 

20 

An example: Pressure sensor process (4) 

11.  Prepare pyrex glass  (relaOve pressure sensors drilled holes)  MASK (HOLES)  

12.  Wafer bonding frit glass wafer alignment ! 

13.  EWS electrical wafer sort (remove) tesOng, triming (wafer prober) 

14.  Protect membrane (and holes) 15.  Dice (saw)  

 16.  Die adach (pick and place on 

leadframe) 

sawblade

21 

17.  Wire bond  

18.  Cap seal  

19.  Bar and lead frame cut pin reshape  

20.  Final test   

21.  Mark (device, lot, producOon week)  

22.  Pack for shipment 

An example: Pressure sensor process (5) 

22 

Overall MEMS costs (typical)  100%: 1.  35% silicon IC + micromachining 2.  45% Packaging 3.  20% TesOng & CalibraOon 

  Packaging   TesOng and sorOng/selecOon   CalibraOon, trimming/programming 

(quanOtaOve sensors/actuators) 

Back‐end  

Front‐end 

23 

An example: Pressure sensor process (6) 

24 

What about 

Nanotechnology? 

Technologies form physics, chemistry and engineering for synthesis and use of materials, processes and devices at atomic or molecular scale  

25 

Nanotech are everywhere 

26 

Nanotech are everywhere 

27 

28 

29 

30 

Nanowire: Any solid material in the form of wire with diameter smaller than about 100 nm   

Silicon Nanowire Diameter <1nm 

New families of (nano)materials: NANOWIRE 

31 

New families of (nano)materials: NANOTUBE 

32 

New families of (nano)materials: NANOPARTICLE (NANODOT) 

NanoparOcle: A parOcle having one or more dimensions of the order of 100nm or less 

TEM (a, b, and c) images of prepared mesoporous silica nanoparOcles with mean outer diameter: (a) 20nm, (b) 45nm, and (c) 80nm. SEM (d) image corresponding to (b). The insets are a high magnificaOon of mesoporous silica parOcle. 

Nanodot 

33 

34 

Current Top‐down Technology 

•  Use of 193 excimer laser with phase shi` masks to for features 65 nm in size.   

•  Phase shi` masks and complex opOcs are used to achieve this resoluOon. 

hdp://www.lrsm.upenn.edu/~frenchrh/lithography.htm 

193 nm ArF excimer laser photolithography stepper 

35 

Problems with the Top‐down Process 

•  Cost of new machines and clean room environments grows exponenOally with newer technologies. 

•  Physical limits of photolithography are becoming a problem. 

•  With smaller geometries and convenOonal materials, heat dissipaOon is a problem. 

hdp://www.cit.gu.edu.au/~s55086/qucomp/gifs/intro.moore1.gif 

36 

37 

Bodom‐Up Approach 

•  The opposite of the top‐down approach. 

•  Instead of taking material away to make structures, the bodom‐up approach selecOvely adds atoms to create structures. hdp://idol.union.edu/~malekis/ESC24/KoskywebModules/sa_topd.htm 

38 

The Ideas Behind the Bodom‐up Approach 

•  Nature uses the bodom up approach. –  Cells –  Crystals –  Humans 

•  Chemistry and biology can help to assemble and control growth. 

 

hdp://www.csacs.mcgill.ca/selfassembly.htm 

39 

Top‐down Versus Bodom‐up 

Etched wafer with desired padern 

Apply layer of photoresist 

Expose wafer with UV light through mask and etch wafer 

Start with bulk wafer 

Top Down Process  Bodom Up Process 

Start with bulk wafer 

Alter area of wafer where structure is to be created by adding polymer or seed crystals or other techniques. Grow or assemble the structure on the area determined by the seed crystals or polymer. (self assembly) 

Similar results can be obtained through bodom‐up and top‐down processes  40 

Why is Bodom‐Up Processing Needed? 

•  Allows smaller geometries than photolithography.   •  Certain structures such as Carbon Nanotubes and Si nanowires are grown through a bodom‐up process. 

•  New technologies such as organic semiconductors employ bodom‐up processes to padern them. 

•  Can make formaOon of films and structures much easier. 

•  Is more economical than top‐down in that it does not waste material to etching. 

41 

Self Assembly 

•  The principle behind bodom‐up processing. •  Self assembly is the coordinated acOon of independent enOOes to produce larger, ordered structures or achieve a desired shape. 

•  Found in nature. •  Start on the atomic scale. 

42 

43 

44 

45 

46 

ApplicaOons of Bodom‐Up Processing 

•  Self‐organizing deposiOon of silicon nanodots. 

•  FormaOon of Nanowires. •  Nanotube transistor. •  Self‐assembled 

monolayers. •  Carbon nanotube 

interconnects. 

hdp://web.ics.purdue.edu/~mmaschma/bias_image_gallery1.htm 

47 

Self‐organizing DeposiOon of Silicon Nanodots. 

•  Most common applicaOons are in opOcal devices and memory. 

•  Silicon nanodots are deposited onto silicon dioxide with no need for lithographic paderning. 

hdp://www.iht.rwth‐aachen.de/en/Forschung/nano/bodomup/deposiOon.php  48 

49 

50 

A.   Dip‐Pen Nanolithography (DPN)  

•  DPN  was  developed  by  Chad  Mirkin  and  co‐workers1 to deliver collecOons of molecules to a substrate using an atomic force microscope Op. 

  •  Molecules  are deposited  via  ink  chemisorpOon 

with a resoluOon of tens of nanometers. 

•  ApplicaOons for DPN include:  ‐ funcOonalizaOon of nanoscale devices  ‐ paderning protein and  DNA onto surfaces   ‐   f a b r i c a O n g  c o n d u c O n g  p o l yme r nanostructures 

   

1. R.D. Piner, J. Zhu, F. Zu, S. Hong, C.A. Mirkin, Nature 1999, 283, 661.

Novel Developments in Nanolithography: 

Fig. 1. Schematic representation of DPN

Fig. 2. AFM of polypyrrole on a cleaned surface

Novel Developments in Nanolithography: 

B.  Mul]layer Nanosphere Lithography Nanosphere lithography was developed by Richard Van Duyne and co‐workers1 to allow for inexpensive,  massively parallel nanostructure fabricaOon that is flexible in nanoparOcle size, shape, and spacing.    Using mulOlayers of nanospheres, it is possible to design asymmetric nanoparOcles of various nanoscale sizes and geometries.2    A novel, robust glucose sensor has been  developed relying on surface  enhanced Raman scadering (SERS)  from the asymmetric nanoparOcles  obtained by this method.3  

 

1. Hulteen, Van Duyne, J. Vac. Sci. Technol.A 1995, 13, 1153. 2. Haynes, Van Duyne, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 5599. 3. Shafer-Peltier, Haynes, Clucksberg, Van Duyne, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 588.

Fig. 3. AFM image if a period nanoparticle array of silver resulting from multilayer nanosphere lithography. Nanoparticles are triangular and less than 125 nm in dimension.

Fig. 4. left: Glucose molecules interacting with nanoparticles. right: SERS Spectrum of: A) Decanethiol, B) Decanethiol + Glucose, C) Spectrum B – Spectrum A, D) Crystalline Glucose

Future of Top‐down and Bodom‐Up Processing 

hdp://www.imec.be/wwwinter/business/nanotechnology.pdf 53 

54 

What’s new in 

Nanotechnology? 

55 

56 

57 

58 

59 

60 

61