
4. ábra • J. S. Kilby integrált áramköre

5. ábra • Az iparivá vált első változat,
R. N. Noyce szabadalmi bejelentéséből
Az integrált áramkör igazi ipari sikerré akkor
vált, amikor Bruce Deal vezetésével, Andrew Grove8 és mások
kongeniális munkájával, az Intel-fogalommá és céggé váló
Fairchild-kutatógárda megoldotta a szilícium-dioxid növesztésének
olyan fokú „technológiai higiénéjét”, amellyel sikerült elkerülniük,
hogy a kemencék samottjából a katasztrofálisan káros nátriumatomok
bejussanak a növekedő szilícium-dioxidba. Ezzel vált ugyanis lehetővé,
hogy inverterként kapcsolt MOS-tranzisztor-párokat egyetlen lapkán és
ipari reprodukálhatóságban előállítsanak.
Ebből lett az Intel máig tartó csodája, amelyhez
egy inkább üzleti, semmint fizikai ötlet adódott: Gordon Moore-tól
ered a „törvény”, aki szintén a „Shockley Semiconductors-Fairchildból”
Intelt alapító csapat tagja volt, és az utóbbi cégnek kereskedelmi
igazgatója lett a hetvenes évek elején. Tőle kért az induló Intel
üzleti tervet. Moore megvizsgálta az első néhány év termelését, és
észrevette, hogy az Intel képes volt minden évben kétszer annyi
tranzisztort kialakítani egy-egy chipen, mint az azt megelőző évben.
Arra következtetett, hogy ez a fejlődés még egy ideig, „akár a
hetvenes évek végéig” tartható lesz. Nem gondolhatott arra, hogy a
szakma generikus törvényét vette észre. Az üzleti verseny, az
informatikai alkalmazások elvárásai ugyanis valóban
az időben hatványfüggvény szerint gyorsuló fejlődésre késztetik a
mikroelektronikát. Noha ez a fejlődés mára kissé lelassult: az évi
kettes faktor mára kétévenkénti 1,8-re mérséklődött, de évtizedes
trenddé változott, és minden szakmai jel szerint még vagy tíz évig
tartható is lesz.
További, még személyesebb adalék
Shockley zsenialitásához…
Ez az írás még közelebb áll a szívemhez, mint azt a T. Olvasó az
eddigiek alapján gondolhatná.9 Volt ugyanis Shockley-nak –
sok-sok ötlete mellett – még egy szabadalma, amelynek alapján joggal
mondhatom, hogy személye véges-végig elkísérte a szakmai életemet.
Kissé távolabbról kell kezdenem. Ösztöndíjjal a
Caltech Villamosmérnöki karára érkezésemkor,
1969-ben, azzal a választással találtam magam szemben, hogy az engem
befogadó professzor, James W. Mayer, az akkor embrionális állapotban
lévő technikára, az ún. ionimplantációra „nyergelt át”, és (könnyen)
rábeszélt az izgalmas új témához való csatlakozásra. Az
ionimplantációt „ionbeültetésként” értheti a T. Olvasó, amikor is a
kémiai-fizikai hatás eléréséhez szükséges atomokat10
ionizáljuk, majd elektromos térrel – részecskegyorsítóban –
felgyorsítva, belőjük azokat az anyagba, esetünkben például a
szilíciumba, a leendő tranzisztor megfelelő helyeire. Az eljárás
akkoriban még amolyan fizikus-játéknak tűnt, és éppen az a csapat,
amelybe jómagam és később a munkatársaimmal beépültünk, nem
jelentéktelen szerepet vívott ki abban, hogy az eljárás ipari
gyakorlattá váljék. Hogy ez nem ment egyszerűen, arra az a példám,
hogy amikor 1970-ben az Intel egyik munkatársával négyszemközt
beszélgettem első eredményeinkről, ő – nem kis
meglepetésemre – teljesen leszólta, zsákutcának
nyilvánította az ionimplantációs eljárást. Elégtételt éreztem, amikor
néhány év elteltével ugyanaz az Intel felvette az első, ebben a
témában képzett Caltech-doktoranduszunkat…
Ezek előrebocsátása után térjünk vissza
Shockley zsenijéhez!
Mellékelem egy 1954-ből származó Shockley-szabadalom11
ábráját (6. ábra). Ha az ember nem olvassa el a szabadalom
szövegét, aligha jön rá, hogy miről is van szó a szabadalmi leírásban.
Az ábrán ugyanis egy, annak idején még mindannyiunk által használt,
üvegből készült vákuumrendszer látszik. Az ember első gondolata, hogy
fluoreszkáló kisülési csövet vagy esetleg speciális röntgencsövet lát.
Ha azonban elolvassuk a szabadalom címét, joggal elcsodálkozunk:
Forming Semiconductor Devices by Ion Bombardment – mondja a bejelentés
címe. Az ötvenes évek elején--közepén megfogalmazott igénypontokon még
inkább ledöbben az ember: már ekkor megszületett a fentebbi,
ionimplantációnak nevezett atomi pontosságú, kémiai-fizikai eljárás
alapszabadalma! Shockley világosan arra adott be szabadalmat, hogy a
repülő, bombázó ionok behatoljanak a félvezetőbe, a sebességük,
energiájuk által meghatározott mélységbe jussanak, és ott lokálisan
létrehozzák a p- vagy n-típusú vezetést. Még arról is írt, hogy a
fékeződő ionok okozta rácshibákat hőkezeléssel meg lehet gyógyítani,
azaz el lehet tüntetni. A szabadalom tehát megálmodta, hogy az általuk
felfedezett tranzisztort ne diffúziós eljárással, ötvözéssel, hanem
ionbombázással hozzák létre.
Igaz, léteztek már azokban az években is
ionbombázásra alkalmas gyorsítók – hazánkban Simonyi Károly is ilyen
berendezés létrehozásán munkálkodott éppen akkoriban, de az élesedő
katonapolitikai helyzetben elsősorban az volt a nagyhatalmak erősen
titkolt célja, hogy ezekkel a tömegszeparátornak is alkalmas
berendezésekkel az uránnak az atombomba, illetve eufemizálva:
atomreaktor céljára alkalmas izotópját, a 235-öst
kiválogassák, szelektálják. Ebben a helyzetben érezte meg William B.
Shockley zsenije, hogy az eljárás alkalmas lehet a tranzisztorgyártás
céljaira is. Hogy ez mennyire így lett, arra legjobb példa, hogy az
Intel mai processzorainak gyártásában huszonháromszor (!) alkalmazza
az ionimplantációs adalékolási12 eljárást.
Az igazán meglepő fordulat azonban
most következik
Az emberiség óriási szerencséje, hogy Shockley „elsiette” a
bejelentést. Mire ugyanis a világ a 70-es évek közepétől már
megkerülhetetlenül igényelte az integrált áramköröket, amelyeket –
miniatürizálódó méreteik következtében – már nem is lehetett volna a
kezdeti diffúziós, ötvözéses eljárásokkal előállítani, az
ionimplantáció alapszabadalma „kifutott”, és a téma közkinccsé,
mondhatni, a fejlesztési verseny szabad prédájává vált.
Az erre való felkészüléssel találtam magam szembe a Caltech-re
érkezvén 1969-ben, majd hazatérve – a KFKI kiváló csapataival, továbbá
az akkori Tungsram több kiváló mérnökével összefogva, valamint kiváló
fiatalokkal megerősödve – megkaptuk a lehetőséget mindennek a hazai
megvalósítására. A megvalósítás azzal vált nemzetközileg is elismert
tudássá és ipari sikerré, hogy 1973-ban a National Science Foundation
csereprogramot kezdeményezett a Mayer−Gyulai-csoport között, amelynek
révén évtizedekre állandó kapcsolatunk alakult ki az élvonallal. Ez a
kapcsolat − a hozzánk érkező, nagyszerű kutatóktól, a nagy karriert
futó ipari szakemberekkel való közös munkától kezdve, a mi folyamatos
és aktív jelenlétünkig sok fontos centrumban – több, máig alkalmazott
eredményt hozott. A 7. ábrán bemutatom azt a KFKI-konstrukciójú
ionimplantert, amely az akkori ismeretek szintjén állt, és akár kiváló
exportcikk is lehetett volna.

7. ábra • A KFKI-ban 1974-ben, az Ionimplantációs célprogram
keretében, Pásztor Endre
és munkatársai által tervezett és épített 150 kV-os ionimplanter,
amelyet elsősorban MOS-eszközök, áramkörök előállítására szántunk,
azaz nagyon pontosan kontrollált iondózisok belövése volt a cél
Ha nem következik be a Mikroelektronikai Vállalat tűzesete 1986-ban,
vagy legalábbis a Lloyd biztosító által megítélt nagy biztosítási
összeget nem a „nagykalapba” tette volna az ország akkori vezetése,
hanem abból újjáépítették volna az üzemet, akkor hazánk a
rendszerváltozáskor egy további, élő és élvonalbeli iparággal
léphetett volna be az új világrendbe. Amiként ez meg is történt,
például az NDK odera-frankfurti Félvezető Intézetével, amely korábban
a mienkkel volt nagyjából azonos tudásszinten. De az az intézmény – a
már szabad világban és rendszeres fejlesztés révén – megmaradt Európa
félvezetőiparának ma is fontos központjaként.
A William Shockley és sok-sok – részben Nobel-díjas – társa által
elindított „világrengetésnek” ilyen szeizmikus jelei keletkeztek
hazánkban is… Az egyre romló hazai lehetőségek nagy találékonyságot
igényeltek a hazai kutatóktól, hogy itthon is a fővonalhoz lehető
legközelebbi területeken találjanak olyan réseket, amelyekbe
gyökereket eresztve a nemzetközi mezőnyben továbbra is szerephez
juthatnak. Ilyen lett az érzékelők, szenzorok kutatása, fejlesztése –
a biológiai elvű érzékelőket is beleértve, valamint a minősítő, mérő
eljárások fejlesztése, valamint ezek eszközeinek gyártása – több,
rendkívül sikeres, spin-off kis- és középvállalkozásban (a vezérhajó
spin-off a sikeres Semilab Rt., de eredményes a Weszta-T, a
Technoorg-Linda, a Bonn Hungary, az ANTE, a Budasolar, a Tactologic
stb.). Ezt a szakmakultúrát igyekszik minden erejével fenntartani az
MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézete is, amely – az
„ENIAC” EU Információ Technológiai Konzorcium tagjaként – mára a
legfőbb letéteményese itthon az Integrált Mikro- és Nanorendszerek
témának, a preparatív munka egyetlen hazai bázisaként. Hasonlóan nagy
büszkeségre okot adó hazai eredmény a UC Berkeley és a SZTAKI-PPKE
zászlaja alatt, nemzetközi finanszírozással folyó kutatás is, az ún.
CNN-rendszerű integrált áramköri újdonság fejlesztése, amelynek a
képfeldolgozásban, illetve a biomimetikus rendszerekben látszik
biztatóan alakuló, izgalmas jövője.
Köszönet mindezért, Dr. Shockley!
Kulcsszavak: elektronika, félvezető-fizika, integrált áramkör,
ionimplantáció, tranzisztor, fizikai Nobel-díj
LÁBJEGYZETEK
1 Lilienfeld Lembergben született
1882-ben, iskoláit már Németországban végezte, 1926-ban emigrált az
USA-ba, és ott is halt meg 1963-ban.
<
2 J. E. Lilienfeld, US Patent ##.
1,745,175; 1,877,140; 1,900,018.
<
3 H. Welker, Deutsches Patentamt, No.
980 084. – H. F. Mataréval együtt H. Welker 1954-ben, de 1948-as
franciaországi elsőbbségi igénnyel, az USA-ban is bejelentette a tűs
tranzisztort, illetve az azzal konstruálható erősítőt, US Patent No.
#2,673,948.
<
4 MOS – Metal-Oxide-Semiconductor. A
térvezérelt szó a Field Effect fordítása; innen a MOS FET betűszó.
<
5 A specifikus szó itt azt jelenti, hogy a
SiO2-t tökéletesen eltávolítja, de a Si-ot elérve a marási folyamat
teljesen leáll.
<
6 Egy átok azonban sújtja a szilíciumot:
szerkezetének sajátosságai miatt nem lehet belőle hagyományos
módszerrel világító diódát (LED), pláne nem lézert készíteni. Ezért
nevezik indirekt félvezetőnek.
<
7 J. S. Kilby, US Patents #3,138,743 és
#4,042,948) ; R. N. Noyce, US Patent #2,981,877
<
8 Andrew Grove, az Intel örökös elnöke –
azaz Gróf András, a BME 1956-ban távozott vegyészmérnök hallgatója.
<
9 Induló, szegedi kutatóként 1957-ben,
forrasztópákával készítettem első ötvözött tranzisztoraimat a Konverta
gyártól „kunyerált” körömnyi germániumlapkákon. Szégyenem, hogy – akár
csak takarékosságból – nem próbáltam egy lapkán két tranzisztort
kialakítani…
<
10 A szilíciumot p-típusú vezetővé a
kristályrácsba beépülő III. oszlopbeli elemek, elsősorban bóratomok,
n-típusúvá pedig az V. oszlopbeli elemek, a gyakorlatban foszfor- vagy
arzénatomok változtatják. A bórionokat BF3 gáz kisüléséből, a foszfort
a mérgező foszfinból, az arzént arzinből nyerjük – komoly munkavédelmi
kérdés.
<
11 W. Shockley, Forming semiconductor
devices by ion bombardment, US Patent #2,787,264, April 2, 1957
<
12 A köznyelv gyakran szennyezésről,
szennyező atomokról beszél. A pontos szakmai nyelv a szándékosan
bejuttatott idegen atomokat adaléknak nevezi, a szennyezés kifejezést
fenntartva a nem szándékos idegen atomok megjelölésére.
<
|