La litografia al servizio della Ricerca - Tecnologie laser

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QUALCHE SPUNTO SU...

La litografia al servizio della Ricerca


 Menzione speciale tra le "Eccellenze ENEA 2008"  

Si chiama MET- EGERIA: è l’apparato di litografia di ultima generazione, il primo in Italia ad essere basato su una sorgente di radiazioni nell’estremo ultravioletto e raggi X  che permette di riprodurre su plastiche o su film/cristalli fotosensibili qualsiasi disegno che venga inserito in una matrice. Si tratta di uno strumento ad altissimo livello tecnologico adatto alla produzione di microchip con risoluzione più elevata di quella raggiungibile tramite la litografia ottica.
L’apparato, interamente progettato e realizzato presso l’ENEA, ha dimostrato un’eccezionale versatilità di applicazione nel campo delle nanotecnologie, in particolare microelettronica, nanobiologia, fotonica ed anticontraffazione.
Abbiamo chiesto al dott. Paolo DI LAZZARO, leader del gruppo di ricercatori del laboratorio Eccimeri di Frascati di parlarci di questo progetto.

Quali sono, oggi, le attività del laboratorio Eccimeri di Frascati? Quanti ricercatori ne fanno parte?
L’attività prevalente è centrata sullo sviluppo e sulle applicazioni delle due facility operative nel nostro Laboratorio: HERCULES, il Laser eccimero più grande d’Europa ed EGERIA, la sorgente di raggi X ed estremo ultravioletto utilizzata nel MET (Micro Exposure Tool, apparato di litografia di ultima generazione) di cui si parla in questa intervista.  Una parte considerevole del nostro tempo è dedicata sia allo sviluppo di nuove idee, sia alla ricerca di finanziamenti tramite commesse da imprese private e università e tramite partecipazione a progetti europei e nazionali.
Insieme a Sarah Bollanti, Francesco Flora, Luca Mezi e Daniele Murra svolgiamo le attività sperimentali e di progettazione, incluse le lavorazioni elettroniche e meccaniche perché non c’è stato turnover dei tecnici andati in pensione negli scorsi anni. Amalia Torre ci supporta in alcuni aspetti di simulazione e calcolo numerico, e poi ci sono collaborazioni con diversi colleghi di altri Centri ENEA, in particolare con Raffaele Scafè in Casaccia.
Siamo un gruppo molto unito, di amici prima ancora che di colleghi. Anche se le molteplici attività ci portano a dividere il lavoro e le responsabilità su diverse tematiche, abbiamo un appuntamento settimanale dedicato alla discussione dei progressi e dei problemi affrontati in laboratorio. Si tratta di un momento importante di “comunione” che spesso porta alla soluzione dei problemi più difficili da risolvere.

Quali sono i risultati che vi attendete dallo sviluppo della ricerca e della tecnologia nel campo della litografia in proiezione nell’estremo ultravioletto? Quali gli aspetti innovativi?
La litografia nell’estremo ultravioletto ha già dimostrato di poter migliorare in modo sensibile le prestazioni degli attuali sistemi litografici utilizzati per realizzare microprocessori per elettronica di consumo (computer, telefoni cellulari, macchine fotografiche digitali, sistemi di navigazione). Tuttavia rimangono ancora alcuni problemi, la cui soluzione può avvicinare il momento in cui il cambio di tecnologia verrà adottato a livello di produzione industriale. Ad esempio, i sistemi di riduzione dei detriti emessi dal plasma che genera la luce nell’estremo ultravioletto ancora non forniscono i risultati desiderati, e di conseguenza le costose ottiche poste intorno al plasma si degradano rapidamente. Nell’ambito del progetto “More Moore” abbiamo realizzato un sistema di mitigazione dei detriti con caratteristiche innovative e prestazioni superiori ad analoghi sistemi in commercio, e lo abbiamo protetto con due brevetti ENEA. In questi giorni con alcuni partners del More Moore stiamo preparando la proposta di un nuovo progetto europeo in ambito ENIAC per tentare di risolvere il problema dei detriti da plasma utilizzando il nostro sistema.


In cosa la “Laser-plasma facility” messa a punto dall’ENEA si differenzia da altri sistemi Laser-plasma esistenti in Italia?
Il nostro punto di forza è la versatilità della sorgente EGERIA. Le altre sorgenti da Laser-plasma sono progettate e ottimizzate per uno specifico scopo: ad esempio una delle sorgenti più importanti si trova nel CNR di Pisa ed utilizza Laser a impulsi ultrabrevi per generare plasmi ad elevatissima temperatura per studi di fisica fondamentale. Nel nostro caso invece sin dall’inizio abbiamo messo a punto la sorgente in modo da ottenere prestazioni ottimali in ambiti applicativi molto diversi tra loro: dalla microscopia a raggi X di organismi biologici in vivo alla spettroscopia di transizioni atomiche in plasmi, dalla microlitografia elettronica alla nanobiologia, alla fotonica, fino ad un sistema di scrittura invisibile per etichette anticontraffazione.
Inoltre, il MET EGERIA è l’unico sistema italiano (e uno dei pochissimi a livello internazionale) in grado di riprodurre un qualsivoglia disegno con un dettaglio spaziale molto spinto, a livello di cento miliardesimi di metro. Per dare un’idea, con il MET EGERIA possiamo stampare tremila righe sulla circonferenza di un solo capello. Questo dettaglio spaziale è molto importante in diverse applicazioni, ad esempio possiamo stampare circuiti elettronici piccolissimi, in modo da aumentare il numero di transistori per ogni chip, e quindi realizzare computer più potenti e al tempo stesso più piccoli.

In che modo la litografia può essere utilizzata nelle tecniche anticontraffazione?
La litografia consente di stampare disegni e immagini su vari tipi di materiale. Ad esempio, su cavi elettrici, lenti per occhiali, orologi, pelletteria, farmaci, confezioni di oggetti commerciali sono stampati marchi microscopici che danno informazioni su produttore, data di collaudo, provenienza, copyright. In definitiva, si tratta di informazioni atte a certificare la provenienza dell’oggetto dimostrando che si tratta di un originale. Purtroppo, queste tecniche di microscrittura sono conosciute e replicabili da parte di contraffattori che vogliono vendere copie falsificate di oggetti come se fossero originali. Di fatto, ad oggi nessuna delle tecniche utilizzate per tracciare e riconoscere oggetti originali può considerarsi sicura al 100%. La falsificazione degli oggetti commerciali è un problema globale avente dimensioni enormi non solo da un punto di vista economico (si stima un valore di beni contraffatti pari a 200 miliardi di dollari nel solo 2005) ma anche di sicurezza e di salute: si pensi ai farmaci, ai rifiuti speciali smaltiti abusivamente, alle parti di ricambio di aerei e veicoli falsificate, e quindi non sicure. 
Circa un anno fa abbiamo avuto l’idea di applicare la litografia nell’estremo ultravioletto ad alcuni materiali fotosensibili per realizzare etichette di riconoscimento pressoché impossibili da falsificare, e dopo aver verificato in Laboratorio che l’idea funziona ed è realizzabile in pratica, abbiamo brevettato a livello internazionale questa tecnica.

In cosa consiste questa nuova tecnica anticontraffazione?
Si tratta di un metodo di scrittura invisibile su etichette flessibili e sottili applicate all’oggetto da proteggere. In Laboratorio abbiamo utilizzato EGERIA per scrivere disegni, lettere e codici microscopici su un film fotosensibile. I disegni e codici scritti in questo modo non sono visibili né ad occhio nudo né al microscopio, ma appaiono utilizzando una particolare tecnica di lettura che abbiamo brevettato. A seconda del livello di sicurezza scelto, la lettura può essere eseguita anche da uno strumento portatile o una macchina fotografica digitale opportunamente preparata. La complessità del sistema di scrittura e di lettura può essere aumentata a piacere, e il livello di sicurezza intrinseca e le difficoltà di contraffazione sono assai superiori rispetto alle tecnologie attualmente in uso. Il nostro sistema consente una marcatura virtualmente impossibile da clonare.
Non posso entrare nei dettagli tecnici, ma vi offro uno scoop: siamo in trattative riservate con una importante ditta internazionale interessata ad acquisire i diritti brevettuali della nostra tecnologia. Se la trattativa si conclude positivamente, sarà motivo di orgoglio per l’ENEA tutta.

MET-EGERIA è stato menzionato tra le eccellenze ENEA soprattutto per le sue ricadute industriali, ci parli delle potenzialità della ricerca da questo punto di vista.
Oltre alla realizzazione di circuiti per la micro- e nanoelettronica di cui parlavamo prima, le potenziali ricadute industriali del MET EGERIA riguardano un nuovo sistema di tracciabilità, certificazione e anticontraffazione (marcatura invisibile su etichette), ovvero la nanobiologia (strutturare una superficie per studiare la crescita e il comportamento di singole cellule di interesse medico, biologico e farmacologico con un dettaglio di pochi miliardesimi di metro) ovvero la fotonica (creazione di dispositivi ottici miniaturizzati) ovvero un nuovo microscopio a raggi X che consente di osservare la struttura interna di batteri e organismi biologici vivi.
Tutte le applicazioni menzionate sono state realizzate con successo nel nostro Laboratorio, e siamo in grado di trasferire il know-how necessario per il trasferimento di queste tecnologie a livello produttivo. Dipende solo dal mercato e dalla disponibilità di imprese industriali interessate a investire nei diversi settori (microelettronica, anticontraffazione, fotonica, biologia, imaging) se queste competenze e tecnologie troveranno una effettiva ricaduta industriale.

Ritiene importante curare la formazione di giovani ricercatori sulle varie problematiche tecnico-scientifiche inerenti il progetto? E’ previsto qualcosa in questo senso?
Negli ultimi anni diversi studenti hanno svolto tesi di laurea sperimentali sulle varie componenti del  MET EGERIA. Abbiamo anche ospitato dottorandi stranieri e borsisti durante lo svolgimento del progetto FIRB. Per noi ricercatori la formazione di giovani è un impegno gravoso per il tempo che richiede ma al tempo stesso stimolante e ripagato dalla soddisfazione di vedere lo stesso giovane muoversi infine in modo autonomo nella gestione di apparati complessi come EGERIA o HERCULES. In diversi casi, poi, il contributo di idee e proposte dei borsisti ha portato a miglioramenti tecnici di rilievo.


Negli ultimi 20 anni il laboratorio Eccimeri di Frascati ha accumulato una notevole esperienza nel campo della progettazione di sistemi ottici complessi, per finire ripercorriamo brevemente la storia di questo laboratorio e i risultati conseguiti fino ad oggi.
Per la verità un nucleo di competenze sui Laser Eccimeri guidato da Tommaso Letardi e Angelo Marino nacque più di trenta anni fa, alla fine del 1976, subito dopo la separazione tra CNEN e INFN. In quegli anni una cinquantina di ricercatori e tecnici CNEN di Frascati indirizzò le proprie attività nel campo dei Laser e della spettroscopia, e in parte confluirono nell’ambizioso programma per la separazione isotopica dell’Uranio che richiedeva lo sviluppo di sistemi Laser non convenzionali, come gli Eccimeri.
Se ci limitiamo agli ultimi 25 anni, che ho vissuto in prima persona, le attività coronate da successo sono state molteplici, per citarne alcune rammento nel 1986 la realizzazione della prima cavità ottica instabile autofiltrante applicata ai Laser Eccimeri che permise di ottenere impulsi di luce di qualità ottica mai raggiunta sino ad allora e quindi una intensità elevatissima nel fuoco di una lente. Poi negli anni 1987 – 1990 il progetto e montaggio di HERCULES, che ancora oggi è il più grande Laser Eccimero operante in Europa. Quindi negli anni 1991 – 1995 la realizzazione della prima sorgente Laser-plasma che dopo vari perfezionamenti è diventata l’attuale sorgente di raggi-X ed estremo ultravioletto denominata EGERIA, e alla fine degli anni ’90 gli studi di Ottica che hanno portato ad una nuova definizione di limite di diffrazione di impulsi Laser e ad una revisione dei parametri standard ISO relativi ai fasci di luce Laser. Sempre nel campo della progettazione ottica nel 2000 abbiamo brevettato un sistema di lenti o specchi in grado di rendere spazialmente omogeneo qualsiasi tipo di impulso Laser variandone al tempo stesso le dimensioni a piacere. Questo brevetto, che ha superato gli esami di merito presso il Patent Trademark Office statunitense, è stato acquisito a titolo oneroso da una PMI italiana con un non trascurabile introito per l’ENEA.
Più recentemente, nell’ambito del progetto nazionale FIRB EUVL e del progetto integrato europeo More Moore abbiamo realizzato il primo apparato italiano di litografia di ultima generazione basato su una sorgente di radiazioni nell’estremo ultravioletto, con prestazioni eccezionali in termini di dettaglio spaziale del disegno stampabile su wafer o films fotosensibili.

 

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