1.5 Le applicazioni delle nanotecnologie
1.6.2 Verso la miniaturizzazione infinita: la legge di Moore
Con l’invenzione dei circuiti integrati cominciò la corsa verso la miniaturizzazione, che si spinse sempre più in basso nella scala dimensionale, con l’obiettivo di costruire un numero maggiore di transistor, più efficienti e di minor costo unitario, su un singolo chip di silicio.
I processi che permisero di realizzare tali dispositivi, sono conosciuti come tecnologie
planari.98 Tali tecnologie prevedono di costruire su un sottile wafer di silicio cristallino
purissimo, un numero elevato di singoli transistor, attraverso tecniche dette fotolitografiche. Come abbiamo visto, la fotolitografia è un processo che consiste nel realizzare dispositivi micrometrici attraverso la rimozione selettiva di un film sottile depositato su un substrato. Questo processo avviene perché il film viene rivestito con un materiale polimerico fotosensibile, detto fotoresist, che è successivamente modificato tramite una radiazione elettromagnetica (luce visibile o raggi ultravioletti). La proprietà di questo materiale è che la sua solubilità in determinati solventi è influenzata dall’esposizione a tali radiazioni. Grazie all’uso di una maschera, il fotoresist può essere irraggiato in modo selettivo: solo le zone non colpite dalla luce saranno poi rimosse attraverso speciali reagenti chimici. A questo punto sarà possibile rimuovere, attraverso particolari tecniche di lavaggio, anche il fotoresist rimanente, in modo tale da ottenere la struttura desiderata.99
Come abbiamo visto, le dimensioni dei dispositivi disegnati sul substrato di silicio dipendono dalla lunghezza d’onda della luce incidente: più è corta, più piccola sarà la struttura ottenuta. È per questo che la miniaturizzazione, nella sua corsa verso la dimensione “nano”, cominciò a necessitare di radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d’onda sempre più corte. Si svilupparono così tecnologie alternative, come la litografia a raggi X o quella basata su fasci di elettroni, le quali permisero di realizzare strutture di dimensioni molto ridotte, aumentando però le difficoltà tecniche di lavorazione.100
Per quanto ancora sarà possibile ridurre le dimensioni dei dispositivi? Nel 1965 il tecnologo americano co-fondatore dell’Intel, Gordon E. Moore, pubblicò un articolo sulla rivista popolare statunitense Electronics, nel quale formulò una legge empirica destinata ad entrare nella storia della tecnologia. Egli osservò che negli anni tra il 1959 e il 1965, la miniaturizzazione elettronica aveva portato il numero di transistor su un circuito integrato a raddoppiare ogni anno. È per questo che nella sua legge, nota come legge di Moore, egli
98 Per un ulteriore approfondimento si veda NARDUCCI, Cosa sono le nanotecnologie, cit., pp. 135-136.
(Scheda di approfondimento – Costruire con la luce: fotolitografia e tecnologie planari).
99 Si veda SMITH, Scienza e tecnologia dei materiali, cit., p. 675-676. 100 Si veda NARDUCCI, Cosa sono le nanotecnologie, cit., pp. 48-49.
ipotizzò che le dimensioni dei dispositivi elettronici sarebbero state dimezzate ogni 18 mesi, e di conseguenza, la densità di dispositivi per unità di superficie sarebbe quadruplicata. Inoltre, la velocità di funzionamento dei processori sarebbe aumentata con la riduzione delle loro dimensioni, rendendoli più efficienti. Questa previsione si è rivelata valida fino ai giorni nostri.101 Tracciando una breve storia dei microprocessori possiamo dire che il primo, prodotto dall’Intel nel 1971, fu il microprocessore i4004. L’Intel, colosso mondiale nella produzione di hardware, aveva integrato su un singolo blocco di silicio di 12 mm quadrati un numero pari a 2300 transistor. Successivamente, le prestazioni di un singolo microprocessore cominciarono ad aumentare, passando dal processore Intel del 1989 al Pentium III del 1999, fino al chip Pentium IV. Quest’ultimo, contiene circa 55 milioni di transistor ed è attraversato da fili sottilissimi di 130 nanometri.102 È così che la progressiva riduzione della taglia dei dispositivi elettronici si è gradualmente spostata dalle dimensioni micrometriche a quelle nanometriche, passando dal campo della microelettronica a quello della nanoelettronica.
La miniaturizzazione dei transistor porta con sé però alcune problematiche. Quella che viene definita come la seconda legge di Moore, afferma che i costi di impianto per la realizzazione di tali dispositivi, sono aumentati nel corso degli anni con una velocità molto elevata: il costo di ogni nuova generazione di chip è risultato essere circa il doppio di quella precedente.103 L’industria microelettronica infatti, deve investire non solo nella costruzione di
nuove fabbriche, ma anche nel settore di ricerca e sviluppo, creando alte barriere di ingresso per le aziende che si affacciano sul nuovo mercato.104 Oltre ai limiti economici esistono anche limiti di tipo fisico. I transistor nanometrici hanno il vantaggio di consumare meno energia, ma allo stesso tempo subiscono una maggiore perdita di corrente, poiché il flusso degli elettroni non si arresta nemmeno quando essi sono in posizione off. Inoltre, a causa della grande densità di transistor in un microprocessore, l’effetto resistivo al transito degli elettroni genera più calore, con il rischio di un surriscaldamento eccessivo del dispositivo e di un suo conseguente danneggiamento.105 Tutti questi fattori, uniti poi alle difficoltà tecniche dei processi litografici, hanno causato il progressivo rallentamento della miniaturizzazione predicata dalla legge di Moore. La realizzazione di dispositivi sempre più piccoli (nano) a partire da oggetti di dimensione macrometrica (approccio top-down, ovvero dall’alto verso il basso), non potrà continuare all’infinito: dimezzando ogni 18 mesi la grandezza dei transistor,
101 In PACCHIONI, Quanto è piccolo il mondo, cit., pp. 98-99. 102 In BOEING, L’invasione delle nanotecnologie, cit., p. 99.
103 Attestato in Atlante del Novecento, vol. 2, Torino, UTET, 2000, p.669.
104 Livio BALDI, Gianfranco CEROFOLINI, “La legge di Moore e lo sviluppo dei circuiti integrati”, Mondo
digitale, 3, 2002, p. 10.
si raggiungerà una soglia oltre la quale sarà difficile andare. Stiamo parlando della scala nanometrica, ovvero la scala degli atomi e delle molecole. Per superare questo limite è dunque necessario adottare delle soluzioni completamente diverse. L’era delle tecnologie planarie basate sull’approccio top-down e dei transistor a base di silicio deve essere superata, per lasciare il posto a strategie alternative, fondate su principi e processi del tutto differenti. Questa è una delle nuove e importanti sfide delle nanotecnologie.