Кремний

Жан Эрни разрабатывает планарный процесс для решения проблем надежности мезатранзистора, тем самым совершая революцию в производстве полупроводников.

В поисках решения проблем надежности мезатранзистора (1958 Milestone) физик Fairchild Жан Эрни вспомнил идею, которую он записал в декабре 1957 года, — новый процесс, в котором оксидный слой остается на кремниевой пластине для защиты чувствительных pn-переходов под ним. Сосредоточившись на выпуске своих первых устройств в производство, компания в то время не придерживалась этого подхода. Из-за опасений по поводу возможных загрязнений общепринятое мнение требовало удаления этого слоя после завершения оксидной маскировки, тем самым обнажая переходы. Эрни рассматривал оксид вместо этого как возможное решение — его «планарный» подход, названный в честь плоской топографии готового устройства, защитил бы эти переходы. После написания патентного раскрытия в январе 1959 года он продемонстрировал работающий планарный транзистор в марте того же года. Было обнаружено, что оксидный слой действительно защищает переходы, как и предсказывал Эрни.

Планарные устройства также показали лучшие электрические характеристики — в частности, гораздо более низкие токи утечки, что имеет решающее значение в разработке компьютерной логики. И они позволили изготавливать все компоненты интегральной схемы с одной стороны пластины (1960 Milestone) . Fairchild представила планарный транзистор 2N1613 на рынок в апреле 1960 года и лицензировала права на этот процесс по всей отрасли. Современные интегральные схемы с миллиардами транзисторов основаны на прорывной идее Эрни. Один историк назвал ее «самым важным нововведением в истории полупроводниковой промышленности».

В то время как планарная технология позволила кремниевым транзисторам соответствовать строгим требованиям аэрокосмической промышленности, поставщики полупроводников продолжали сталкиваться с новыми механизмами отказа с каждым крупным технологическим прогрессом. Значительные проблемы в 1960-х годах включали «фиолетовую чуму» на золотых соединительных проводах, электромиграцию алюминиевых соединительных линий и стабильность МОП-транзисторов.

Компания Fairchild Semiconductor производит двухдиффузионные кремниевые меза-транзисторы для удовлетворения требований аэрокосмической отрасли.

В начале 1958 года Fairchild Semiconductor получила свой первый заказ на 100 транзисторов по 150 долларов за штуку от подразделения IBM Federal Systems. Ни один из известных производителей не мог выполнить его строгие спецификации для высоковольтного кремниевого транзистора для управления памятью на магнитных сердечниках в бортовом компьютере B-70. Параллельно велись два проекта по разработке. Группа под руководством Гордона Мура разработала npn- транзистор, а Джин Эрни — pnp- транзистор.

Всего за пять месяцев основатели (1956 Milestone) организовали операцию по выращиванию кристаллов (Шелдон Робертс), разработали методы фотолитографического маскирования с использованием 16-миллиметровых объективов кинокамер (Джей Ласт, Роберт Нойс), установили характеристики алюминия, необходимые для изготовления электрических контактов (Мур), и создали собственное производственное и испытательное оборудование (Юлиус Бланк, Виктор Гринич, Юджин Кляйнер) на своем предприятии в Пало-Альто. Опираясь на свое знакомство с технологиями Bell Labs (1954 Milestone) в Шокли, они разработали первый коммерческий кремниевый меза-транзистор с двойным диффузным (эмиттер и база), названный так из-за своей приподнятой платообразной структуры. После успешной поставки npn- транзистора команды Мура устройство было представлено как тип 2N697 и получило большой успех на торговой выставке Wescon в августе 1958 года.

Autonetics выбрала устройство для системы наведения и управления на баллистической ракете Minuteman, крупнейшей оборонной программе той эпохи. В конце 1958 года потенциальная проблема надежности поставила под угрозу выживание новой фирмы. Крошечные частицы, отслаивающиеся от внутренней части металлического корпуса, грозили закоротить открытые соединения на мезаструктуре. Решение Хорни, знаменитый планарный процесс (1959 Milestone) , произвело революцию в отрасли, покрыв открытые соединения диоксидом кремния.

Жюль Андрус и Уолтер Бонд адаптируют методы фотогравировки из технологии печати, чтобы обеспечить точное травление диффузионных «окон» в кремниевых пластинах

В 1955 году Жюль Андрус и Уолтер Л. Бонд из Bell Labs начали адаптировать существующие фотолитографические (также называемые фотогравировкой) методы, разработанные для создания рисунков на печатных платах, для создания гораздо более тонких и сложных рисунков на кремнии в пластинах с использованием слоя диоксида кремния Фроша и Дерика. (Веха 1955 года) После нанесения светочувствительного покрытия или «резиста» на слой и экспонирования желаемого рисунка на этом покрытии через оптическую маску в слое были определены точные области окон и открыты химическим травлением, где неэкспонированный резист был смыт. Примеси диффундировали через эти отверстия в лежащий под ними кремний, чтобы установить зоны кремния n-типа и p-типа, необходимые в полупроводниковых приборах.

В ранней попытке миниатюризации электронных схем в 1957 году Джей Латроп и Джеймс Нолл из Армии США Diamond Ordnance Fuse Laboratories в Мэриленде запатентовали фотолитографические методы, используемые для нанесения тонкопленочных металлических полос шириной около 200 микрометров для соединения дискретных транзисторов на керамической подложке. Они также использовали эти методы для травления отверстий в диоксиде кремния для изготовления диодных матриц. В 1959 году Латроп присоединился к Texas Instruments, работая на Джека Килби, а Нолл перешел в Fairchild Semiconductor.

Продолжая эту новаторскую работу, Джей Ласт и Роберт Нойс построили одну из первых камер «step-and-repeat» в Fairchild в 1958 году, чтобы изготовить множество идентичных кремниевых транзисторов на одной пластине с помощью фотолитографии. В 1961 году подразделение Дэвида У. Манна корпорации GCA стало первой фирмой, которая начала производить коммерческие устройства для уменьшения шага и повтора маски (фотоповторители). Фотолитография остается важным этапом в производстве полупроводников сегодня, при этом размеры элементов менее 0,1 микрометра становятся обычным явлением.