Hoerni begrub Transistorübergänge unter Oxid – das Verfahren, das jeder Chip noch heute nutzt

1956 gründete William Shockley in Mountain View, Kalifornien, ein Halbleiterlabor und stellte brillante Absolventen der Physik, Chemie und Metallurgie ein. 1957 kündigten acht von ihnen – die „traitorous eight“, darunter Jean Hoerni, Gordon Moore und Robert Noyce – gemeinsam und gründeten Fairchild Semiconductor, finanziert von Sherman Fairchild. Die acht begannen mit Silizium zu arbeiten, dem billigen Substrat, das sie aus Shockleys Labor kannten.

Hoernis Antwort auf die Frage, wie man Siliziumbauelemente zuverlässig herstellt, war das Planarverfahren. Seine Patentanmeldung vom 1. Mai 1959 beschreibt einen Wafer aus N-Typ-Silizium, der vollständig mit Siliziumoxid beschichtet ist, Löcher, die in dieser Beschichtung durch Fotolack oder Ätzen geöffnet werden, und eine durch die Öffnung diffundierte Verunreinigung – sodass die Ränder des Übergangs unter der Oxidschicht liegen statt freiliegen. Eine zweite Diffusion durch ein weiteres Fenster bildet den Transistor auf; Kontakte werden durch weitere Öffnungen legiert. Das Patent „Method of manufacturing semiconductor devices“ wurde am 20. März 1962 als US 3,025,589 erteilt.

Die Wirkung war entscheidend. Das Engineering and Technology History Wiki verzeichnet, dass Fairchild das von Hoerni entwickelte Planarverfahren vorantrieb und dass es andere Transistorverfahren überflüssig machte; zu den ersten Kunden für Fairchilds planare Siliziumtransistoren gehörte IBM. Und als Robert Noyce den integrierten Schaltkreis konzipierte – die Form, die die Nobelstiftung als in der Praxis mit Silizium als Halbleiter, Siliziumdioxid als Isolator und Aluminium als Leiter hergestellt beschreibt –, war es Hoernis flacher, oxidierter Wafer, der ihn baubar machte.

Eine Oxiddecke wachsen lassen und Übergänge vergraben halten

Das Oxid erfüllt zwei Aufgaben zugleich: Es legt fest, wo Dotierstoffe während der Fertigung eindringen, und schirmt anschließend die fertigen Übergänge ab, weshalb die Übergangsränder im Patent „unter der Oxidschicht“ liegen.

Weil alles auf einem flachen Wafer durch fotolithografische Fenster geschieht, werden die Bauelemente in Chargen hergestellt – viele auf einmal, indem ein Zyklus wiederholt wird – statt eines nach dem anderen.

Geschützte Übergänge werden durch den Kontakt mit der Umgebung nicht beeinträchtigt, was Siliziumbauelemente zuverlässig genug machte, um sie in großem Umfang zu verkaufen.

Die Ökonomie folgte der Physik: Fairchilds planare Transistoren verdrängten konkurrierende Verfahren vollständig, und ein früher anspruchsvoller Kunde – IBM – bestätigte die Ausbeute.

Die Oberfläche, die man ätzt, kann auch schützen. Hoerni hörte auf, gegen das Oxid des Siliziums anzukämpfen, und nutzte es sowohl als Schablone als auch als Schutzschild – eine Schicht, zwei Aufgaben, auf einem Wafer, den ein Chargenprozess endlos wiederholt.

Das Planarverfahren wurde zum Fertigungsweg für den integrierten Schaltkreis, und Fairchild beherrschte den frühen Markt für analoge ICs, während es sich gegen Texas Instruments behauptete. Hoerni verließ Fairchild 1961, um die neue Halbleitersparte von Teledyne zu leiten, beriet Union Carbide, Hughes Aircraft und Fujitsu und gründete 1967 Intersil. Später stellte er eine Stiftung von 1 Million US-Dollar für Schulen und Gesundheitsdienste für das Volk der Balti im Karakorum bereit und starb im Januar 1997.