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Vor 60 Jahren

Jack Kilbys integrierter Ur-Schaltkreis

Jack Kilbys integrierter Ur-Schaltkreis

Urknall der Mikroelektronik: Der erste integrierte Schaltkreis

Alte und aktuelle Erfindungen rund um die Herstellung von Mikrochips

Pünktlich zum Ende der Sommerferien in Bayern kommt hier die Geschichte von einem Ingenieur, der keinen Urlaub nehmen durfte - und in dieser Zeit eine bahnbrechende Erfindung machte. Jack Kilby hatte im Sommer 1958 gerade frisch bei Texas Instruments in Dallas angefangen und daher Urlaubssperre. Während seine Kollegen alle verreist waren, nutzte der einsame Kilby die Zeit im leeren Labor gut. Als sein Team aus den Ferien zurückkehrte, präsentierte Kilby ihm am 12. September 1958 einen Meilenstein der Technikgeschichte: den ersten intergierten Schaltkreis, praktisch den Stammvater des Mikrochips.

Ein entscheidender Durchbruch hin zur Mikroelektronik war wenige Jahre zuvor mit der Erfindung des Transistors erfolgt: 1947 entwickelten John Bardeen, William Shockley und Walter Houser Brattain in den Bell Laboratories den Bipolartransistor – bis heute der Grundbaustein jeglicher Mikroelektronik. Dafür erhielten sie 1956 gemeinsam den Nobelpreis. Zwar hatte es bereits früher wichtige Schritte in diese Richtung gegeben (das erste Patent zum Prinzip des Transistors wurde 1925 von Julius Edgar Lilienfeld angemeldet), die aber nicht praxisreif waren.

Durchbruch mit Halbleitern

Jack Kilby

Jack Kilby

Der Transistor konnte nun zwar die großen, schweren Röhren ersetzen, aber da man für komplexere Rechenaufgaben sehr viele Transistoren benötigte und diese aufwändig verkabelt werden mussten, hatte man nach wie vor das Problem, dass viel Platz und Material für die Rechenmaschinen benötigt wurde.

Dieses Problem löste Jack St. Clair Kilby aus Great Bend, Kansas (1923-2005). Er vereinte Transistor, Widerstand und Kondensator auf einem gemeinsamen Bauteil. Entscheidend beim integrierten Schaltkreis (englisch: Integrated Circuit, kurz IC) ist der Umstand, dass die Bauteile auf einer Platte montiert werden, die selbst Bestandteil der Schaltung ist. Das Halbleiter-Material (bei Kilby Germanium, heute meist Silizium) erspart die Verkabelung und ermöglicht es so, sehr viele Transistoren auf kleinstem Raum unterzubringen.

Kilbys Schaltkreis war ein sogenannter „Flipflop“ oder „bistabiles Kippglied“. Solche Ein-Bit-Speicher sind bis heute das Grundelement jeglicher Computerspeicher.

Wer zuerst anmeldet, hat die Nase vorn

"Miniaturized electronic circuits": Zeichnung aus Kilbys Patentschrift US3138743

"Miniaturized electronic circuits": Zeichnung aus Kilbys Patentschrift US 3138743

Die Geschichte von Kilby und dem IC ist auch ein Lehrstück, das einmal mehr zeigt, wie wichtig es ist, sein geistiges Eigentum schnell anzumelden und zu schützen. Zeitgleich und unabhängig von Kilby hatte nämlich Robert Noyce ebenfalls den integrierten Schaltkreis entwickelt ( pdf-Datei US 2981877A ). Noyce arbeitete bei Fairchild Semiconductors, die gerade den ersten Diffusions-Bipolartransistor entwickelt hatten. Noyce war Kilby sogar einen Schritt voraus und nutzte bereits photolithografische Verfahren und Diffusionsprozesse zur Herstellung seines IC. Aber Kilby meldete seine Entwicklung als Erster zum Patent an ( pdf-Datei US 3138743 A).

Es gab jahrelange patentrechtliche Streitigkeiten, aber im Rückblick gingen Kilby und Noyce letztlich gleichberechtigt als Erfinder des IC in die Geschichte ein. Als Kilby im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik erhielt, war er sich sicher, dass er die Auszeichnung gemeinsam mit Noyce verliehen bekommen hätte, wenn dieser noch am Leben gewesen wäre: „While Robert and I followed our own paths, we worked hard together to achieve commercial acceptance for integrated circuits. If he were still living, I have no doubt we would have shared this prize.” Noyce, Mitbegründer von Intel und Geburtshelfer von AMD, war bereits 1990 gestorben.

Rasante Entwicklung bis tief in den Nano-Bereich

"Semiconductur device-and-lead structure": Zeichnung aus Robert Noyces Patentschrift US2981877A

"Semiconductur device-and-lead structure": Zeichnung aus Robert Noyces Patentschrift US 2981877 A

Es dauerte 1958 allerdings noch seine Zeit, bis der IC und die ersten Mikroprozessoren sich auf dem Markt etablierten. Ein Meilenstein war der erste Taschenrechner, den Texas Instruments 1966 präsentierte und an dem Kilby wiederum maßgeblich beteiligt war. Kilby gilt auch als Vater des Thermodruckers.

Der integrierte Schaltkreis ist bis heute das Basiselement der Digitaltechnik, sei es in Küchengeräten, Smartphones, Autos oder in Computern. Wie das „Mooresches Gesetz“ 1965 vorhergesagt hat, verdoppelte sich etwa alle 18 Monate die Zahl der Schaltkreise, die auf einem Chip untergebracht werden können. Heute kann der Mikroprozessor eines PCs mehrere Milliarden Transistoren enthalten.

Wie aber bringt man so eine unvorstellbare Zahl von Schaltungen auf einem kleinen Silikonplättchen unter? Mit Fotolack präparierte Halbleiter-Scheiben (englisch: Wafer) werden meist mittels eines photolithographischen Verfahrens in verschiedenen Schritten belichtet. Dabei werden die komplexen Strukturen des Mikrochips aufgetragen. Diese Strukturen lassen sich heute bis in den einstelligen Nanometerbereich auflösen.

Mit Photolithographie zum Mikrochip

Verfahren zum Herstellen eines Objektivs für eine Lithographieanlage sowie Messvorrichtung (DE102015

Verfahren zum Herstellen eines Objektivs für eine Lithographieanlage sowie Messvorrichtung (DE102015209173)

Die Herstellung integrierter Schaltkreise bietet ein weites Feld für Erfinderaktivitäten. Eine wichtige Methode beim Herstellungsprozess von Mikrochips ist die Photolithographie. Und ein wichtiges Detail einer Lithographieanlage sind Projektionsobjektive, in denen optische Elemente gefasst beziehungsweise optische Elemente zu einem Objektivgehäuse verbunden sind.

Ein übliches Projektionsobjektiv hat beispielsweise zwanzig Linsen (siehe u.a. pdf-Datei DE 10 2008 026 979 B3). Die Masse einer Linse liegt zwischen 1 und 10 kg (siehe z.B. pdf-Datei DE 10 2004 014 641 A1). Die Auflösung kleinster Strukturen bis unter 9 nm, die im Vergleich dazu sehr großen und schweren Projektionsobjektive (vgl. u.a. pdf-Datei DE 10 2015 209 173 A1) sowie der Energieeintrag durch Absorption von Licht der eingestrahlten Betriebswellenlänge ergeben allein schon für die Projektionsobjektive Herausforderungen und Probleme. Seit vielen Jahren experimentieren Erfinder an den Halterungen und Fassungen der optischen Elemente.

Die Größen- und Gewichtsverhältnisse der optischen Elemente sowie die herrschenden Betriebstemperaturen in einem Projektionsobjektiv sind bei einer Lithographieanlage zu berücksichtigen. Die Lagerung und Kühlung der optischen Elemente sowie die Wärmeausdehnung und Wärmeleitung der Fassung sind im Hinblick auf konstante Abbildungsverhältnisse besonders in Betracht zu ziehen.

Aktuelle Erfindungen, die sich mit diesem Themenkomplex beschäftigen, stellt der Artikel „Fassungen optischer Elemente in der Photolithographie“ vor, der in der jüngsten Ausgabe der "Erfinderaktivitäten" veröffentlicht wurde. DPMA-Patentprüfer Roland Deninger analysiert darin angemeldete Ideen zu Auf- und Zusammenbau von Projektionsobjektiven, zu ihrer Lagerung, Dämpfung, Kühlung oder Konzepte zur Temperaturkompensation.

Bilder: Texas Instruments

Stand: 26.10.2018 

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