Ignacio Mártil
Catedrático de electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física
En el anterior artículo, detallé los comienzos de Fairchild Semiconductors, en este muestro cual fue una de las principales innovaciones tecnológicas que se originaron en Fairchild, que se puede calificar de revolucionaria y que en las siguientes décadas, transformaría la industria microelectrónica. El denominado proceso planar.
El 1 de diciembre de 1957, el físico Jean Hoerni concibió el proceso planar, una técnica utilizada para fabricar los actuales circuitos integrados de silicio
1. El problema de la fiabilidad
A finales de 1958, un problema de fiabilidad puso en peligro la supervivencia de la nueva empresa. Las diminutas partículas que se desprendían del interior del encapsulado metálico donde se incluían los transistores, amenazaban con provocar cortocircuitos en las uniones emisor-base y base colector de los transistores, que no estaban protegidas.
Izquierda: encapsulado de un transistor 2N 697. Derecha: vista del interior, donde se ve perfectamente el transistor sobre un soporte metálico, que hace de contacto al colector. Los contactos a las regiones de emisor y base van a los dos pequeños postes de la imagen mediante hilos metálicos, que también se aprecian en la foto
Uno de los primeros clientes de Fairchild, Autonetics (una división del fabricante de aviones North American Aviation), exigía un nivel de fiabilidad muy elevado a sus proveedores de componentes, ya que pretendía mejorar drásticamente la fiabilidad de los sistemas de aviónica. A mediados de la década de 1950, el tiempo medio de avería de los equipos de aviónica era de 70 horas. Autonetics aspiraba a alcanzar tiempos medios entre fallos de 7.000 horas para el sistema de guiado y control del nuevo misil Minuteman. Ante estos exigentes requisitos, Fairchild Semiconductor se enfrentaba a la necesidad de resolver el problema de fiabilidad de sus transistores. El futuro de la empresa, e incluso su supervivencia, estaban en juego.
Los ingenieros de Fairchild pusieron en marcha un programa intensivo para identificar la causa del problema y descubrieron que las partículas sueltas presentes en el encapsulado del transistor eran responsables del fallo. Al golpear o agitar el dispositivo, las partículas eran atraídas por los campos eléctricos de las uniones del transistor, provocando cortocircuitos. Esto llevó a los ingenieros a investigar todas las posibles fuentes de partículas y a desarrollar métodos para eliminarlas del encapsulado. A pesar de una exhaustiva limpieza durante el proceso de fabricación, la tasa de fallos de los transistores permanecía inaceptablemente alta. Era evidente que se necesitaba encontrar una solución alternativa para resolver los problemas de fiabilidad de los transistores.
2. El proceso "planar" de Jean Hoerni
Buscando una solución, Jean Hoerni recordó una idea que había registrado en su cuaderno de laboratorio en diciembre de 1957: un nuevo proceso de fabricación de los dispositivos, en el que una fina capa de SiO2 se deposita sobre la superficie de la oblea de silicio para proteger las uniones p-n del transistor que hay debajo. El 1 de diciembre de 1957, sólo dos meses después de la fundación de Fairchild, Hoerni escribió la idea del proceso planar en su cuaderno: su idea era proteger las uniones p-n manteniendo la capa de óxido sobre el silicio después del proceso de difusión mediante el que se forman las regiones de base primero y emisor después. Hoerni escribió:
"La capa de óxido así obtenida es una parte integrante del dispositivo y protegerá las uniones, de otro modo expuestas, de la contaminación y de posibles fugas eléctricas debidas a la posterior manipulación, limpieza y encapsulado del dispositivo".
Era una idea brillante, pero demasiado adelantada a su tiempo. El planteamiento de Hoerni requeriría pasos de fabricación adicionales, y la fabricación de transistores ya estaba al límite de lo posible. La estructura planar y, sobre todo, la idea de dejar la capa de óxido sobre la oblea tras múltiples procesos de difusión iba en contra de todos los conocimientos aceptados en la comunidad de semiconductores de la época. Los ingenieros y científicos consideraban que la capa de óxido que había servido de máscara para las difusiones estaba "sucia", es decir, llena de contaminantes que perjudicarían las características eléctricas del transistor. Cuando Hoerni anotó sus ideas sobre el proceso planar, se consideraba que la capa de óxido expuesta a las difusiones debía eliminarse, dejando así al descubierto las uniones. Hoerni vio en el SiO2 una posible solución, ya que protegería estas uniones. Con este proceso planar se obtenían dispositivos con una topografía plana, en contraste con los dispositivos "mesa" inmediatamente anteriores. Ver imagen:
Izquierda: corte transversal de un transistor "mesa", en la que las uniones emisor-base y base colector (señaladas con flechas) no están protegidas. Derecha: un transistor planar, en el que la capa final de SiO2 protege las dos uniones mencionadas
La idea permaneció latente durante más de un año ya que Fairchild estaba centrada en la producción de sus transistores "mesa". Cuando finalmente se adoptó, a finales de 1958, el proceso planar de Hoerni permitió remodelar la tecnología de producción de Fairchild y catapultó a la empresa al liderazgo tecnológico y empresarial de la industria de los semiconductores. En la primera semana de marzo de 1959, Hoerni había conseguido fabricar un transistor planar completamente operativo y ese transistor amplificaba las señales mucho mejor que su equivalente de estructura mesa. El transistor planar también se caracterizaba por unas corrientes de fuga muy bajas, tres órdenes de magnitud inferiores a las de los transistores "mesa". Como resultado, el transistor planar era un excelente dispositivo para utilizar en ordenadores y lo que es más importante, era extremadamente fiable. No estaba sujeto a los problemas de cortocircuito de los transistores de estructura mesa.
Hoerni compartió sus resultados sobre el transistor planar con los demás directivos de Fairchild y el 12 de marzo de 1959, hizo una demostración espectacular de la fiabilidad de los nuevos dispositivos. Golpeó los encapsulados de los transistores con un martillo, los introdujo en la máquina de pruebas y demostró que los transistores funcionaban perfectamente. Hoerni también escupió sobre el transistor sin encapsular. El esputo estaba lleno de contaminantes indeseables para los dispositivos, pero el transistor planar seguía funcionando.
Página del cuaderno de Hoerni describiendo de la idea planar. Abajo a la derecha se ve la fecha (1-diciembre-1957) y una anotación manuscrita de Noyce: "Leído y entendido"
El proceso planar condujo a la producción de transistores de gran fiabilidad para los equipos militares. Pero los efectos de estos inventos fueron mucho más allá de Fairchild Semiconductor: consolidaron al silicio como el principal material utilizado en la tecnología microelectrónica. Y lo que es más importante, el proceso planar de Hoerni revolucionó la industria y marcó un camino que las empresas fabricantes de chips han seguido desde finales de la década de 1950 y llega hasta el día de hoy. El historiador C. Lecuyer la ha calificado de "la innovación más importante de la historia de la industria de semiconductores"
3. Patentando el proceso planar
La introducción de la tecnología planar quedó recogida en la patente "Method of manufacturing semiconductor devices" (Método de fabricación de dispositivos semiconductores), que Hoerni solicitó para su procedimiento de fabricación, solicitada 1 de mayo de 1959. En la descripción se mencionaba la idea de situar todos los contactos eléctricos en una cara del dispositivo (figura 10 de la patente), cosa que hasta ese momento no se hacía así (ver la figura anterior). La idea se comentaba de pasada, tras describir una estructura más parecida a la de la mesa, con contactos a ambos lados de la oblea (figura 4 de la patente).
En la patente mucho más famosa de Noyce sobre el circuito integrado "Semiconductor Device and Lead Structure" presentada tres meses después (cuyos detalles veremos en el siguiente artículo), la colocación de todos los contactos a los dispositivos en una sola cara es un aspecto fundamental de la estructura del circuito integrado planar. Pero en ninguno los cuadernos de laboratorio de Hoerni y de Noyce se menciona explícitamente la idea, lo que quizá pueda indicar que surgió de las discusiones de aquella primavera y se añadió posteriormente a las solicitudes de patente.
Portada de Electronic Daily, 23 de marzo de 1960, con una foto del stand de Fairchild Semiconductor en una exposición del Instituto de Ingenieros de Radio celebrada en esas fechas en Nueva York. Obsérvese que el diagrama de "la estructura planar" que está señalando el científico de la izquierda (Thomas Bay, director de marketing de Fairchild; el de la derecha es Jay Last, uno de los fundadores de la empresa) no muestra la capa de óxido de silicio. Los dirigentes de Fairchild trataron de mantener el uso de la capa de óxido en el máximo secreto
Fairchild introdujo comercialmente el transistor planar 2N1613 en abril de 1960 y concedió la licencia del proceso a toda la industria. El planteamiento de Hoerni también permitió transformar la producción de semiconductores de un proceso artesanal a uno masivo y automatizable, con la consiguiente reducción de costes. A finales de 1961, su éxito convirtió a Fairchild en el mayor productor de transistores de silicio de alto rendimiento de Estados Unidos.
La innovadora idea de Hoerni, conocida desde entonces como "proceso planar", sigue siendo la estructura fundamental empleada en la fabricación de los actuales microprocesadores y chips que contienen de miles de millones de transistores.
Portada de un folleto de Fairchild de 1960 que promocionaba las características y ventajas del proceso planar entre sus clientes. El transistor que aparece en la imagen es el 2N1613, el primero de los fabricados con tecnología planar
4. Consecuencias de la idea planar: el circuito integrado
Los dispositivos planares facilitaban la fabricación de todos los componentes de un circuito integrado en una sola cara de la oblea. Esto significó que, una vez probado el transistor planar, sólo era cuestión de tiempo que se encontraran procesos planares para otros elementos del circuito y se creara el circuito integrado. En los meses siguientes, Robert Noyce propuso interconectar los transistores en la oblea depositando capas finas de aluminio encima, que actúan a modo de "hilos" metálicos de interconexión. Un equipo liderado por otro de los fundadores, Jay Last, construyó el primer circuito integrado planar en 1960, dando origen a la moderna industria de los chips. Esto lo veremos con más detalle en el siguiente artículo de esta serie.