1924年9月26日，金·赫尔尼（Jean Amédée Hoerni）出生于瑞士日内瓦。他是仙童半导体公司的创始人之一，开发了半导体器件制造中的平面工艺（planar process）。1956年，赫尔尼被肖克利招募，加入刚成立肖克利实验室（Shockley Semiconductor Laboratory），负责扩散率的理论计算。赫尔尼一开始只待在他自己的办公室里，之后他不断地到主楼的实验室里打探——这让他对固态扩散有了宝贵见解。 1957年，赫尔尼与其他七人离开该实验室，共同创建了仙童半导体公司。在仙童公司，其他人致力于建造或安装设备，他则大部分时间坐在办公室里“在笔记本上乱写乱画”。1957年12月1日，赫尔尼拿起崭新的实验室笔记本，开始写一篇题为“通过氧化物掩模技术保护硅晶体管表面暴露的p-n结的方法”的文章。他松散而流畅地画了三张简单的图，描述了一种革命性的制造晶体管的新方法——不同于以前尝试过的任何方法。当时，最先进的硅晶体管被称为台面晶体管（mesa），它们看起来像美国西南部的高原，杂质层像彩色岩层一样横向延伸。这些晶体管基本上由三个垂直堆积的杂质层组成，每个杂质层要么富含电子（n型），要么富含电子，即空穴（p型）。层的交界处是p-n结，也是晶体管发生电活动的地方。台面结构的主要缺点是其p-n结的边缘暴露在空气中，灰尘或水滴可能会污染并扰乱其正常电气行为。赫尔尼分析，当时标准的台面工艺中氧化层完成掩膜功能后会被去除，他觉得可以留下氧化层来保护p-n结。“这样一来，氧化层是器件的组成部分，”他在12月某一天中在笔记本中写道，“并且将保护暴露的接点免受污染以及由于后续处理、清洁和封装而可能发生的漏电。”
台面晶体管（左）与平面晶体管（右），图中带/的部分是氧化物。这幅图来自赫尔尼1960年的一份报告构想绝妙，但过于超前。赫尔尼提出的方法需要增加制造步骤。而台面晶体管的制造，已经到了当时工艺的极限。毕竟那个时候，贝尔实验室和西部电气公司也只是生产出了台面晶体管的原型，还都没在公开市场上出售。1958年初，仙童从IBM联邦系统部门获得了第一笔硅晶体管采购订单，该部门计划将其用于为B-70轰炸机设计的机载计算机中。仙童公司连原型都还没有，就要面临实际交付的挑战。为了尽量提高成功机会，仙童的联合创始人决定两条腿走路，同时开发两种不同类型的台面晶体管。摩尔（Moore）领导的一个小组致力于研究n-p-n晶体管，人们认为这种晶体管更容易制造；而赫尔尼则成立了另一个小组来研究p-n-p晶体管。对这两组工作起到至关重要影响的，是用光学方法将定义晶体管特征的图案转移到硅晶圆上。这是杰·拉斯特（Jay Last）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）正在研究的。在去旧金山的一次旅途中，他们从一家相机商店购买了三个16 毫米镜头，并用它们制作了一台分步重复相机，这是一种可以在照相底片上产生矩形阵列的微小且相同图像的装置，称为掩模。工作人员将光透过掩模，照射到沉积在晶圆氧化物表面层上的特殊光敏树脂上。当他们随后用强酸冲洗晶圆时，曝光的区域被刻蚀掉了，露出了下面的硅。在这些区域，杂质薄层得以扩散到硅中。使用此类技术，仙童可以在单个晶圆上批量处理数百个相同的晶体管。另一项突破是使用单一金属与n型和p型硅进行电连接，这种方法大大简化了制造过程。摩尔一直在努力解决这个问题，他尝试了许多不同的金属。有一天，诺伊斯来到他的实验室并建议使用铝。作为一种p型杂质，铝很容易与p型硅结合，但当铝沉积在n型硅上时，通常会形成电流阻挡p-n结。摩尔在n型硅掺杂比平常更多的杂质，解决了这个问题。摩尔的团队于1958年5月将n-p-n晶体管投入生产，远远领先于赫尔尼团队。后者选择使用银作为电接触。为了保护台面的结，每个晶体管都被封装到豌豆大小的密封金属罐中，然后进行测试。当年7月，仙童按计划将100个器件运送到IBM，每个器件的售价为150美元。在一个月后WESCON电子贸易展上，创始人高兴地发现，他们是市场上唯一拥有硅台面晶体管的公司。“我们抢占了这个行业！” 诺伊斯在几天后的仙童半导体会议上欣喜若狂地说。唯一没有参与庆祝的人是赫尔尼。他还在恼火自己的p-n-p被忽视。他是一位头脑冷静的逆向思维者，逆境激发了他的创造力。赫尔尼不仅没有放弃，他还着手开发一种更好的晶体管。那年晚些时候，他又回到了笔记本开头几页所写下的想法，氧化层真的可以用来保护敏感的p-n 结吗？有迹象表明可能如此。1958年春天，赫尔尼在一次电化学会议上遇到了贝尔实验室的工程师、MOSFET的发明者默罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）。阿塔拉展示了氧化物对硅表面的钝化。p-n结是不是也同样呢？赫尔尼意识到，杂质原子穿过氧化层微小开口扩散到硅的晶体结构中，横向与纵向扩散不相上下。也就是说，结的交界处位于氧化层下方，距离开口边缘仅几微米。他认为，如果把氧化层留在原处而不是蚀刻掉，氧化层可以保护这些结。但赫尔尼设想的器件不仅制造起来更加困难，而且其结构也与传统经验背道而驰。特别是在贝尔实验室和西部电气公司，氧化层被认为是“肮脏的”——在扩散过程后充满了杂质——因此必须去除。到了1958年末和1959年初，人们开始担忧仙童的台面晶体管。一些设备出现放大不稳定，另一些则出现故障。一位重要客户报告说，晶体管会突然完全停止工作。仙童半导体的一名技术人员最终将故障追溯到罐内的微小灰尘颗粒和焊料碎片。这些碎片是被p-n结的强电场吸引来的。随后，他们做了质量控制的“敲击测试”：工人们会用橡皮擦敲击罐子，试图清除任何可能使连接处短路的碎片。如果晶体管发生短路，就丢弃。这家公司还年轻，它充满焦虑，因为如果唯一的产品失败，公司生存都是问题。赫尔尼一心一意追求的更可靠的晶体管，就像一场及时雨。一项评估赫尔尼想法的“拼凑实验”（kludge experiment）中，一名技术人员将氧化层留在台面晶体管的一个p-n结顶部。测试显示它具有更好的扩增稳定性——这表明赫尔尼确实没错。 基本的硅平面工艺如下图所示。该工艺被称为平面工艺，因为它是通过在硅晶体表面平面附近进行的一系列步骤来生产器件结构的工艺。平面工艺中最重要的步骤包括：a) 掩蔽氧化层的形成；b) 选择性去除SiO2；c) 在晶片表面上或附近沉积掺杂剂原子；d) 掺杂剂原子扩散到暴露的硅区域。平面器件还被证明具有更好的电气特性，尤其漏电流低得多，这在计算机逻辑设计中至关重要。 1959年1月14日，赫尔尼将笔记本中的两页打印出来，发送给专利律师约翰·拉尔斯（John Ralls）。专利的内容几乎照搬了他一年多前写的笔记本条目，只有一些细微更正和绘图的提高。赫尔尼的方法还有一个问题，平面晶体管的结构比台面结构更复杂，制备需要第四个光刻掩模，最初没有人尝试也有这个原因。拉斯特和诺伊斯的步进重复相机只能容纳三个掩膜。但拉斯特二月“临时凑合了第四个掩膜”。3月2日，赫尔尼在他的笔记本中写了另一篇文章，题为“一种带有氧化物保护结的p-n-p晶体管的制造方法”。在另外两页的文字和图纸中，他具体说明了如何制造这种设备，不过他仍然顽固地使用银作为顶部的电触点。那时，他的技术人员已经将这个新颖的想法转化为实际的制造工艺。赫尔尼记下制造想法的同一周，仙童半导体发生了剧变。总经理爱德华·鲍德温（Edward Baldwin）突然离职，创立了瑞姆半导体公司（Rheem Semiconductor），并带走了制造部门的五名关键人员。在仙童其他联合创始人的敦促下，诺伊斯站出来接替他，摩尔接替了诺伊斯的研究总监一职。一周后，赫尔尼邀请几位同事观看他的新型晶体管原型演示。在显微镜下，它看起来不同于任何其它仙童器件。宽度不到一毫米，完全平坦——中间没有突起的台面。能看到一个圆形金属点，周围有一个金属环以及它们之间的氧化物表面层，看起来像一个靶；还有一部分被拉出，有点像泪珠，为的是更容易连接电线。接下来发生的事情大家的记忆不太一致。一些人声称赫尔尼突然向他的晶体管吐口水，以证明这种行为对受到氧化物保护的结没有不良影响。但拉斯特和摩尔不记得他真的吐过口水，毕竟口水会让器件的金属线短路。无论是否吐了口水，这次演示都充满戏剧性和说服力的。诺伊斯事后开玩笑回忆说：“哎呀，鲍德温上周不得不离开真是太糟糕了。”此后的事情进展迅速。显然，它比台面晶体管更坚固和可靠，它的漏电流要低得多（而错误方向的微小电流会严重降低晶体管的性能）。第二年发布的仙童报告中，赫尔尼观察到它的漏电流通常小于 1 纳安，只有台面晶体管漏电流的1%。每个人心中挥之不去的问题，这些晶体管可以批量生产吗？ 最初，每100个生产的平面工艺晶体管中只有几个合格，这可比台面工艺差多了。随着氧化层中的针孔等各种问题得到解决，产量上升，疑虑也烟消云散。1960年4月，仙童半导体出售了第一款平面晶体管2N1613，这是一个直径约半厘米、几乎一样高的金属圆柱体，三个小金属腿在其下方伸出。几个月后，诺伊斯和摩尔宣布：从今以后，公司所有晶体管都将采用平面晶体管。当瑞姆、摩托罗拉和德州仪器等其他半导体公司开始生产具有价格竞争力的台面晶体管时，仙童半导体大胆地朝一个充满前途的新方向上开辟了道路。很快，航空电子设备制造商开始采购平面晶体管，因为它们具有无与伦比的可靠性。例如，北美航空部门坚持在民兵导弹的制导和控制系统中使用仙童的平面晶体管。仙童最终将平面工艺授权给其他晶体管制造商，甚至包括贝尔实验室和西部电气公司。其他公司要么效仿仙童半导体，要么退出该行业。平面技术对集成电路非常重要，诺伊斯在此基础上加一层金属来连接不同的部件。今天的十亿晶体管集成电路，就是建立在赫尔尼突破性想法的基础上。 一位历史学家称其为“半导体行业历史上最重要的创新”。1961年，赫尔尼和其他两位仙童创始人杰·拉斯特、谢尔顿·罗伯特茨（Sheldon Roberts）离开仙童，离任前他担任物理部与二极管研发部（Physics Section and Diode Development）主任。他们对仙童日益增加的权力层级以及与纽约母公司日益恶化关系不再抱有幻想。他们还认为仙童的营销部门反对微芯片，因为它们会与公司的主要产品晶体管和二极管直接竞争。他们创建公司（Amelco，如今的Teledyne)，目标是生产集成电路，赫尔尼担任副总裁。 然而，两年后，赫尔尼在新公司方面开始出现问题。1963年4月，现金紧缩，Teledyne高管建议将他从Amelco总经理调任研究总监，作为削减成本的措施。他对这个想法并不感兴趣。他决定离开公司并开始寻找其他商业选择。1964年，赫尔尼在一家公司（Union Carbide Electronics）创建半导体部门。1967年，他与欧洲投资者共同创建另一家公司（Intersil），为电子手表生产电路，是低电压CMOS集成电路的先行者。赫尔尼是一位登山爱好者。他和拉斯特经常一起登山。赫尔尼建立组织（Central Asia Institute）并作捐赠，用于在巴基斯坦和阿富汗偏远山区建学校。[1]https://www.invent.org/inductees/jean-hoerni[2]https://www.computer.org/profiles/jean-hoerni[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Jean_Hoerni[4]Hoerni, J. A., "Method of Manufacturing Semiconductor Devices," U. S. Patent 3,025,589 (Filed May 1, 1959. Issued March 20, 1962). See also Hoerni's U.S. Patent No. 3,064,167.[5]https://spectrum.ieee.org/the-silicon-dioxide-solution
[6]Hoerni, J. A., "Planar Silicon Diodes and Transistors," paper
presented at the 1960 Electron Devices Meeting, Washington, D. C. -
October 1960 reprinted as Fairchild Semiconductor Technical Paper TP-14. (1961).
拓展阅读
For excellent accounts of the early Fairchild work and its wider
implications, see Gordon Moore’s “The Role of Fairchild in Silicon
Technology in the Early Days of ’Silicon Valley’ ” and Jay Last’s “Two
Communications Revolutions,” both in Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 1 (January 1998).
Two
books that go into great detail about planar technology and the
origins of the silicon integrated circuit are Christophe Lécuyer’s Making Silicon Valley: Innovation and the Growth of High Tech，1930-1970, Leslie Berlin’s The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley
我们不需要英雄
但我们需要榜样
