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PORTALE DELLA DIDATTICA

Physics of technological processes/CAD for microsystems (CAD for micro systems)

01NRZPE

A.A. 2018/19

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Nanotechnologies For Icts - Torino/Grenoble/Losanna

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 60
Tutoraggio 20
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Demarchi Danilo
CAD for micro systems
Professore Associato ING-INF/01 36 12 6 0 6
Demarchi Danilo Professore Associato ING-INF/01 36 12 6 0 6
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/01 6 B - Caratterizzanti Ingegneria elettronica
2018/19
The course is taught in English. Questo insegnamento, collocato al I semestre del I anno della Laurea Magistrale in Nanotechnologies for ICTs (percorso internazionale), intende fornire le basi teoriche relative a materiali, tecnologie e metodi di design per la realizzazione di dispositivi microelettronici, micro e nanostrutture, micro e nano sistemi, MEMS e NEMS (micro/nano-electro-mechanical systems) per una vasta gamma di applicazioni con particolare riferimento a quelle relative al settore delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT). Questo insegnamento intende dotare gli studenti di precise capacità e conoscenze dei principali strumenti CAD di progettazione, simulazione dei micro e dei nanosistemi. Partendo dai concetti base dei microsistemi, e la loro modellizzazione multi-fisica, il corso sviluppa sia la modellizzazione e simulazione di tipo comportamentale dei sistemi e dei sottosistemi (BEM, behavioral modelling), sia la descrizione agli elementi finiti delle parti strutturali e funzionali (FEM, Finite Element Modelling) di un microsistema. Per entrambe le modellizzazioni sono descritti ed usati i principali strumenti CAD disponibili, estraendo i parametri di progetto rilevanti, prima per una analisi, successivamente per la sintesi e l'integrazione di sistema. Il ruolo dell'insegnamento è essenziale nello sviluppo della figura professionale dell'ingegnere in nanotecnologie ed elettronico, in quanto in esso vengono fornite gli strumenti per la comprensione dei processi di fabbricazione e di progettazione dei dispositivi summenzionati e in quanto propedeutico per i successivi insegnamenti della Laurea Magistrale. Nel corso vengono fornite le basi per la comprensione delle tecnologie per la realizzazione di micro e nanosistemi, la scelta dei materiali, viene data una panoramica di esempi delle principali applicazioni di micro e nanodispositivi e viene insegnata una metodologia di progetto capace di operare sui diversi domini fisici cui i microsistemi necessariamente operano, per cui l’insegnamento è principalmente indirizzato agli studenti interessati agli aspetti di progettazione e realizzazione di dispositivi alla micro e nano-scala.
The course is taught in English. Aim of the course (1st semester, 1st year of the International LM in Nanotechnologies for ICT) is to provide the theoretical basics to be exploited in the study of materials, technologies and design for realization of microelectronic devices, micro and nanostructures, microsystems and MEMS/NEMS (micro/nano-electro-mechanical systems), with particular emphasis on applications in the ICT area. The course aims to give to the students’ skills and knowledge of principal design CAD tools and simulation of micro and nanosystems. Starting from basic concepts of microsystems, and their multi-physics modelling, the course develops both modelling and simulation at behavioural level of systems and sub-systems (BEM, behavioural modelling), and the finite element description of structural and functional parts (FEM, finite element modelling) of a microsystem. This course plays a central role in the development of an Engineer expert in micro an nanotechnologies, because it extensively provides the basic elements for the fabrication and design of the above mentioned devices and it is preparatory for the understanding of subsequent courses of the Laurea Magistrale. In the course the fundamentals of technologies and material for microelectronics and microsystems and some examples of the same are treated and discussed, thus making the course specifically addressed to those students interested in the fabrication and design aspects of micro and nano-scale devices.
Conoscenze attese: • sviluppo di conoscenze e capacità di comprensione che estendono e/o rafforzano quelle derivanti dagli insegnamenti propedeutici e consentono di elaborare e/o applicare idee e modalità originali al design e allo sviluppo di un flusso di processo tecnologico per la realizzazione di circuiti integrati e microsistemi; • conoscenze sui diversi domini fisici, oltre che quello elettrico (quali meccanico, termico, magnetico, ottico, fluidico, ...) e soprattutto la capacità di collegarli tra loro per realizzare sistemi di trasduzione (sensori e attuatori ad esempio), dunque interfacciare ed integrare le diverse componenti • capacità di applicazione delle conoscenze acquisite in un contesto di ricerca e/o industriale, capacità di comprensione e abilità nel risolvere problemi legati alla progettazione, simulazione e realizzazione di circuiti microelettronici e microsistemi anche applicati a tematiche nuove, non familiari o inserite in contesti applicativi più ampi e interdisciplinari rispetto al settore dell’ingegneria (medicina, monitoraggio ambientale, settore alimentare, …); • capacità di integrare le conoscenze tecniche acquisite e gestire la complessità del flusso di processo di design e fabbricazione, di formulare giudizi sulla qualità e robustezza di un flusso di processo, sulla sua implementazione e realizzabilità scegliendo le soluzioni più efficienti tra le opzioni disponibili; • capacità di comunicare in modo chiaro e privo di ambiguità gli aspetti tecnici relativi al design e alla fabbricazione di circuiti integrati e microsistemi, sia in forma scritta che orale e a interlocutori specialisti e non specialisti; • sviluppo di capacità di auto-apprendimento che consentano allo studente di continuare ad approfondire in modo autonomo nuove tecniche e metodologie di design e fabbricazione di circuiti integrati e microsistemi non necessariamente illustrati e descritti durante l’insegnamento. Abilità attese: • Conoscenza del comportamento dei materiali tipici delle micro e nanotecnologie. • Conoscenza delle tecnologie base per la realizzazione di micro e nanostrutture. • Conoscenza dei materiali e delle tecnologie per la realizzazione di micro e nano-sistemi, MEMS e NEMS. • Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la progettazione e realizzazione di micro e nano strutture, micro e nanosistemi. • Conoscenza approfondita delle metodologie base per la progettazione di microsistemi. • Capacità di progettare i principali componenti di microsistemi. • Conoscenza approfondita delle metodologie per l'integrazione di MEMS e NEMS con circuiti elettronici, unitamente alla progettazione congiunta (co-design) con circuiti elettronici. • Capacità di collegare i dati e gli strumenti CAD in modo tale da acquisire una metodologia di progettazione dei microsistemi pratica ed efficace
Expected knowledge: • development of knowledge that extends and/or reinforces the ones received from preparatory courses and allow to develop and/or apply original ideas and design methods and the development of a technological process flow for the production of integrated circuits and microsystems; • development of knowledge over different physical domains, other then electrical one (as mechanical, thermal, magnetic, optic, fluidic, ...) and in particular the skill of connecting them together for realizing transduction systems (sensors and actuators for example), and then interfacing and integrating the different parts; • ability to apply the knowledge gained in a research and/or industrial framework, understanding capability and skills in solving problems related to the design, simulation and implementation of microelectronic circuits and microsystems also applied to new or unfamiliar issues or entered into application contexts broader and more interdisciplinary than the engineering sector (medicine, environmental monitoring, food, ...); • ability to integrate technical knowledge and to manage the complexity of the design and manufacturing process flow, to evaluate the quality and robustness of a process flow, its implementation and feasibility, choosing the most efficient solutions from the available options; • ability to communicate in a clear and unambiguous way technical aspects relating to the design and manufacture of integrated circuits and microsystems, both in writing and oral form and to both specialists and non-specialists; • development of self-learning skills to allow the student to continue to learn autonomously new techniques and design methodologies and fabrication techniques for integrated circuits and microsystems, not necessarily explained and described during the course. Expected skills • Knowledge of the physical-chemical behaviour of materials to be used in micro and nanotechnologies. • Knowledge of the basic technologies for microstructure realization. • Knowledge of materials and technologies for Microsystems and MEMS realization. • Ability to apply materials and technologies for realization of microstructure and microsystems. • Knowledge of methods and CAD for microsystem design. • Ability to design component for microsystem and MEMS • Knowledge of methods for the integration of MEMS/NEMS with electronic circuits • Ability to design integration of MEMS/NEMS and its co-design with electronic circuits
• Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia) • Elementi di fisica moderna. • Elementi di elettronica. • Elementi di dispositivi elettronici.
• Elementary physics (mechanics, thermodynamics, wave optics, elements of structure of matter) • Elements of modern physics • Elements of electronics • Elements of electronic devices
Tecnologie per i Circuiti Integrati (wafer preparation, cleanroom technology, silicon oxidation, epitaxy, CVD, evaporation, sputtering, electroplating, diffusion, ion implantation) (2 cr.) Tecniche litografiche, wet e dry etching, tecnologie di back-end, flusso di processo CMOS (2 cr.) Introduzione ai microsistemi, Bulk micromachining, Surface micromachining, LIGA micromachining, wafer bonding, MEMS packaging, tecnologie MEMS complementari (2 cr.) Introduzione alla modellizzazione e all’utilizzo di CAS per i microsistemi (1 cr.) Modellizzazione e interazione tra differenti domini fisici (1 cr.) Descrizioni FEM, introduzione a COMSOL (1 cr.) Esempi di CAD commerciali ed OpenSource (1 cr.) Sviluppo guidato in Laboratorio di alcuni esempi di microsistemi (1 cr.) Sviluppo autonomo di un progetto di un microsistema, con i relativi modelli e simulazioni (1 cr.)
Integrated Circuits technologies (wafer preparation, cleanroom technology, silicon oxidation, epitaxy, CVD, evaporation, sputtering, electroplating, diffusion, ion implantation) (2 ECTS) Lithographic techniques, wet etching, dry etching, back-end technologies, CMOS process flow (2 ECTS) Introduction to MEMS and NEMS, bulk micromachining, surface micromachining, LIGA, wafer bonding, MEMS packaging, MEMS complementary technologies (2 ECTS) Introduction to the modeling and the use of CAD for microsystems (1 ECTS) Modeling and interaction between different physical domains (1 ECTS) FEM Descriptions, introduction to COMSOL (1 ECTS) Examples of commercial and OpenSource CAD tools (1 ECTS) Guided Development in the Laboratory of some examples of microsystems (1 ECTS) Self-Development of a project of a microsystem, with related models and simulations (1 ECTS)
La prima parte dell’insegnamento (“Physics of Technological Processes”) prevede lezioni frontali erogate mediante slide e utilizzo della lavagna. Le slide verranno messe a disposizione degli studenti sul Portale della Didattica all’inizio dell’insegnamento. Nella seconda parte dell’insegnamento (“CAD for Microsystems”) verranno svolte esercitazioni usando CAD specifici per i microsistemi. Obiettivo dei laboratori è apprendere capacità pratiche di progettazione e di simulazione multi-fisica. Gli studenti dovranno riunirsi in gruppi di lavoro (3 persone al massimo) e mediante calcolatore svolgere le simulazioni e le sintesi di semplici progetti trattati durante le esercitazioni in aula, riportate in relazioni scritte oggetto della verifica finale.
The first part of the course ("Physics of Technological Processes") consists of lectures delivered by slides and the use of the blackboard. The slides will be made available to students on the Internet Didactic Portal at the beginning of the course. For the second part of the course ("CAD for Microsystems") hands-on laboratories will be realised in groups, using specific CADs for microsystems. Aim of the hands-on will be to learn practical skills to design and multi-physics simulation. Students will have to be organised in working groups (3 persons maximum) and will execute computer simulations, designing simple projects based on the topics covered during the course, reported in a written document for final assessment.
Per la prima parte dell’insegnamento (“Physics of Technological Processes”) il materiale (slide) verrà messo a disposizione dai Docenti. Alcuni testi suggeriti, ma non indispensabili, saranno comunicati a lezione dal docente titolare dell'insegnamento. Per la seconda parte dell’insegnamento (“CAD for Microsystems”) - Materiale (slide) messo a disposizione dai Docenti - Materiale di eLearning del progetto Europeo EduNano (http://edunano.eu) del quale verranno date le credenziali durante il corso - Stephen D. Senturia, "Microsystem Design", Kluwer Academic Publishers - Altri testi suggeriti, ma non indispensabili, saranno comunicati a lezione dal docente titolare dell'insegnamento
Concerning the first part of the course ("Physics of Technological Processes") the didactic material (slides for the lectures) will distributed by teachers. Suggested but not mandatory books will be specified by the teacher. For the second part of the course ("CAD for Microsystems"): - Material (slides) provided by the Teacher - eLearning material based on the European project EduNano (http://edunano.eu). Access credentials will be given during the course - Stephen D. Senturia, "Microsystem Design", Kluwer Academic Publishers - Other texts suggested, but not necessary, will be proposed in class by the Teacher
Modalità di esame: progetto di gruppo;
L'esame finale è diviso in 2 parti corrispondenti alle 2 parti del corso: - La prima parte (“Physics of Technological Processes”) prevede un esame scritto che comprende sia quesiti a risposta multipla che domande aperte e brevi esercizi. Il tempo assegnato per la prova è di 60 minuti. La tipologia di domande proposte mira a verificare la capacità di comprensione e rielaborazione dello studente degli argomenti proposti a lezione, con particolare riferimento alla capacità di confrontare tra loro tecnologie simili, paragonare risultati o parametri di lavorazione di processi tecnologici o prestazioni di materiali diversi. I principali criteri di valutazione dell’esame consistono nella correttezza della soluzione dei test, nella completezza e sintesi delle risposte alle domande aperte e nell’appropriatezza del linguaggio tecnico utilizzato. - Per la seconda parte (“CAD for Microsystems”) l’esame sarà basato sulla presentazione da parte dello studente del progetto sviluppato in gruppo, nel quale dovranno essere dimostrate le capacità progettuali e di utilizzo di CAD per microsistemi descritte durante il Corso. Sarà tenuta in particolare considerazione la capacità di sviluppare un progetto in modo critico ed originale, prendendo spunto dalla letteratura e dai prodotti attualmente in commercio.
Exam: group project;
The exam is divided in two parts, mirroring the division in 2 parts of the course: - The first part (“Physics of Technological Processes”) involves a written proof including both multiple-answer questions and open questions and short exercises. The total allotted time is 60 mins. The type of proposed questions aims to test the student ability to understand and revision the topics covered in class lectures, with particular reference to the ability to compare similar technologies, compare results or processing parameters of technological processes or performance of different materials. The main evaluation criteria of the exam consist in the correctness of the tests solutions, the completeness and synthesis of the responses to the open questions and the correctness of the employed technical language. - for the second part (“CAD for Microsystems”) the exam will be based on the presentation by the student of the developed project, from which will have to be demonstrated the student skills in design and in the use of the CADs for microsystems described during the course. Will be taken into special consideration the ability to develop a project with a critical and original approach, inspired by literature and products currently on the market.


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