Physics of technological processes for Micro & Nano systems
Questo insegnamento, collocato al II semestre del I anno della Laurea Magistrale in Nanotechnologies for ICTs (percorso nazionale), 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).
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 e viene data una panoramica di esempi delle principali applicazioni di micro e nanodispositivi, per cui l’insegnamento è principalmente indirizzato agli studenti interessati agli aspetti di progettazione e realizzazione di dispositivi e sistemi alla micro e nano-scala.

Micro & Nano systems
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.

Physics of technological processes for Micro & Nano systems
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;
• 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, modellazione, simulazione e realizzazione di circuiti microelettronici e microsistemi anche basati su tecnologie fortemente innovative e /o 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 micro e nano sistemi 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.
• Conoscenza dei modelli e delle metodologie attualmente messe in campo per la descrizione e quindi progettazione di micro e nanosistemi.
• 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 micro e nano sistemi.
• Conoscenza delle problematiche e delle tecniche utilizzabili in seno alla progettazione, fabbricazione e verifica di nanosistemi.
• Conoscenza delle metodologie per l'integrazione di MEMS e NEMS con circuiti elettronici, unitamente alla progettazione congiunta (co-design) con circuiti elettronici.

Micro & Nano systems
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

Physics of technological processes for Micro & Nano systems
• Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia)
• Elementi di fisica moderna.
• Elementi di elettronica.
• Elementi di dispositivi elettronici.

Micro & Nano systems
• Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia)
• Elementi di fisica moderna.
• Elementi di elettronica.
• Elementi di dispositivi elettronici.

Physics of technological processes for Micro & Nano systems
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 (1,5 cr.)
Introduzione ai microsistemi, Bulk micromachining, Surface micromachining, LIGA micromachining, wafer bonding, MEMS packaging, tecnologie MEMS complementari (2 cr.)
Esempi di microsistemi (micro sensori di pressione, microaccelerometri, ...) (0,5 cr.)

Elementi di simulazione di microsistemi: simulazione fisica multi-domain (0,5 cr.)
Basi di simulazioni FEM, esempi di tool CAD commerciali e loro caratteristiche (1 cr.)
Il concetto di modulo nella tecnologia dei micro e nano sistemi, integrazione con elettronica, signal processing e interfacciamento di micro e nano sistemi (1 cr.)
Metodi di modeling di nano-dispositivi e nano-circuiti utili alla progettazione gerarchica di micro e nano-sistemi (1,5 cr.)
Design, simulazione, metodi di integrazione e test di micro e nano sistemi (2 cr.)

Micro & Nano systems
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.)

Physics of technological processes for Micro & Nano systems
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.
La seconda parte dell'insegnamento ("Micro and Nano systems") prevede sia lezioni frontali erogate mediante slide e utilizzo della lavagna, sia di laboratori funzionali ad effettuare simulazioni, valutazioni di modelli, e progettazione sia dei singoli device che di micro e nano sistemi. Le slide e il materiale di supporto al laboratorio verranno messe a disposizione sul Portale della didattica, e il sistema CAD di supporto alle esercitazioni sara' disponibile e accessibile in modo continuo durante l'intero semestre relativo all'insegnamento.

Micro & Nano systems
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.

Physics of technological processes for Micro & Nano systems
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. Tra questi:
- "Microsystem Technology", W. Menz, J. Mohr, O.Paul, Wiley-VCH ed.
Per la seconda parte dell'insegnamento ("Micro and Nano systems") il materiale (slide, articoli di supporto, materiale per il laboratorio CAD) verra' messo a disposizione dai Docenti, mentre alcuni testi verranno suggeriti come lettura integrativa dal docente titolare dell'insegnamento durante le lezioni.

Micro & Nano systems
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. Tra questi:
- "Microsystem Technology", W. Menz, J. Mohr, O.Paul, Wiley-VCH ed.

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

Physics of technological processes for Micro & Nano systems
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 ed un esame orale. La prova scritta comprende sia quesiti a risposta multipla che domande aperte e brevi esercizi. Il tempo assegnato per la prova è di 30 minuti. Non è ammesso l’uso di materiale didattico (libri, appunti, ...). 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. L'orale ha una durata di 15-20 minuti e riguarda tutti gli argomenti trattati nelle lezioni. 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.
- La seconda parte ("Micro and Nano systems") prevede un esame scritto e lo svolgimento di un progetto su uno dei temi trattati a lezione. L'esame scritto consiste nel rispondere con risposta aperta a tre domande legate sia alle lezioni che alle esercitazioni di laboratorio. Lo scritto dura 1.5 ore. Le domande hanno lo scopo di verificare la comprensione da parte dello studente dei principali temi trattati, indipendentemente dal tema approfondito nella fase di progetto. I criteri di valutazione mirano a valutare la correttezza ed eventuale approfondimento degli argomenti proposti, nella capacita' di presentare l'argomento in forma organica e con un uon livello di approfondimento. Il progetto (scelto da una lista di temi proposti) consiste nell'ananlisi, nella progettazione e nella validazione di un micro e/o nano sistema tra quelli proposti a lezioni oppure innovativi allo scopo di consentire allo studente sia di sperimentare, che di approfondire ed ampliare le conoscenze e le tecniche apprese durante le lezioni e i laboratori. La valutazione del progetto consiste nel verificare l'appropriatezza del metodo adottato, la correttezza dei criteri di analisi e progetto, la completezza e correttezza dei risultati, del report finale e della relativa presentazione.

Micro & Nano systems
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. Non è ammesso l’uso di materiale didattico (libri, appunti, ...). 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.