Zwei Erfinder, eine Idee: Die Geburt des integrierten Schaltkreises

Am 12. September 1958 lag in einem Labor von Texas Instruments in Dallas ein unscheinbarer Streifen Germanium auf dem Arbeitstisch. Er war nur wenige Millimeter breit, durch feine Golddrähte mit Messgeräten verbunden und sah eher wie ein improvisierter Versuchsaufbau aus als wie der Vorläufer einer weltverändernden Technologie. Doch als der Ingenieur Jack Kilby die Schaltung mit Spannung versorgte, erschien auf dem Oszilloskop das erwartete Signal. Zum ersten Mal hatte er gezeigt, dass sich die wesentlichen Bauelemente einer elektronischen Schaltung aus demselben Halbleitermaterial herstellen und gemeinsam betreiben ließen.

Nur wenige Monate später verfolgte Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor in Kalifornien eine verwandte Idee. Auch er wollte nicht länger jeden Transistor und jeden Widerstand einzeln montieren. Seine Lösung unterschied sich jedoch in einem entscheidenden Punkt von Kilbys Versuch: Die Verbindungen zwischen den Bauelementen sollten gleich bei der Fertigung als dünne Metallbahnen auf dem Chip entstehen. Aus zwei unabhängigen Entwicklungswegen wurde schließlich die Technik, auf der nahezu die gesamte heutige Mikroelektronik beruht. Warum brauchte es dafür zwei Erfinder – und weshalb war der erste funktionierende Schaltkreis noch nicht der Chip, den die Industrie tatsächlich benötigte?

Das Problem der immer größeren Schaltungen

Mit der Erfindung des Transistors 1947 war die Elektronik deutlich kleiner und zuverlässiger geworden. Transistoren konnten Elektronenröhren ersetzen, benötigten weniger Energie und ließen sich in wesentlich kompakteren Geräten einsetzen. Doch ein einzelner Transistor ergab noch keinen Computer. Für Rechenwerke, Speicher, Steuerungen und Kommunikationsgeräte mussten Tausende Bauelemente miteinander verschaltet werden: Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und unzählige elektrische Kontakte.

Die Bauteile selbst wurden zwar kleiner, ihre Montage blieb jedoch aufwendig. Jedes Teil musste hergestellt, geprüft, eingesetzt und mit den anderen verbunden werden. Mit jeder zusätzlichen Verbindung stiegen Kosten, Platzbedarf und die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers. Ein defekter Kontakt konnte eine ganze Baugruppe außer Betrieb setzen. In der amerikanischen Elektronikindustrie wurde dieses Problem als Tyranny of Numbers bekannt – die „Tyrannei der Zahlen“. Die immer größere Anzahl von Einzelteilen begrenzte den Fortschritt, den der Transistor eigentlich ermöglichen sollte.

Gesucht wurde deshalb nicht nur ein noch kleinerer Transistor, sondern eine völlig andere Art, Schaltungen herzustellen. Anstatt viele fertige Bauteile zusammenzulöten, müsste man möglichst viele ihrer Funktionen in einem gemeinsamen Fertigungsprozess erzeugen.

Die Idee lag schon länger in der Luft

Der Gedanke, mehrere elektronische Funktionen in einem Halbleiter zu vereinen, entstand nicht erst 1958. Bereits 1949 meldete Werner Jacobi bei Siemens einen Halbleiterverstärker mit mehreren Transistorfunktionen zum Patent an. 1952 beschrieb der britische Ingenieur Geoffrey Dummer die Vision einer elektronischen Schaltung als festem Materialblock, der ohne die übliche äußere Verdrahtung auskommen sollte. Auch bei RCA, IBM und den Bell Laboratories entstanden in den 1950er-Jahren besondere integrierte Funktionsschaltungen.

Diese Arbeiten waren wichtige Vorstufen. Einige verbanden mehrere aktive Strukturen auf einem Kristall, andere konnten spezielle Zähl- oder Schaltfunktionen realisieren. Doch meist waren die Konzepte auf eine eng begrenzte Aufgabe zugeschnitten. Was fehlte, war eine allgemeine Methode, mit der sich unterschiedliche Schaltungen aus Transistoren und passiven Bauelementen auf einem gemeinsamen Halbleiter herstellen ließen – und zwar möglichst reproduzierbar und in großer Stückzahl.

Die Grundlagen dafür waren inzwischen vorhanden. Dotierungsverfahren erzeugten leitende Bereiche und pn-Übergänge im Halbleiter. Fotolithografie erlaubte die strukturierte Bearbeitung seiner Oberfläche. Und die Hersteller sammelten immer mehr Erfahrung mit Silicium, dessen natürlich herstellbare Oxidschicht später eine entscheidende Rolle spielen sollte. Die Einzelteile des technischen Puzzles existierten also bereits; sie mussten nur noch richtig zusammengesetzt werden.

Sommer 1958: Jack Kilby bleibt im Labor

Jack Kilby hatte erst im Mai 1958 seine Arbeit bei Texas Instruments aufgenommen. Das Unternehmen wollte elektronische Schaltungen für anspruchsvolle Anwendungen verkleinern, insbesondere für die damals rasch wachsende Luft- und Raumfahrttechnik. Als viele Kollegen im Sommer Urlaub machten, hatte Kilby als neuer Mitarbeiter noch keinen Urlaubsanspruch. Er blieb in Dallas und konnte sich weitgehend ungestört mit der Miniaturisierung beschäftigen.

Kilby stellte die bis dahin selbstverständliche Trennung von Bauelementen infrage. Ein Halbleiter konnte nicht nur einen Transistor bilden. Seine gezielt dotierten Bereiche ließen sich auch als Widerstände nutzen; pn-Übergänge besaßen eine elektrische Kapazität und konnten damit Kondensatorfunktionen übernehmen. Warum sollten diese Strukturen also nicht auf demselben Stück Material entstehen?

Im Juli hielt er den Gedanken in seinem Laborbuch fest. Er entschied sich für eine einfache Oszillatorschaltung, an der sich die Funktion klar nachweisen ließ. Statt jedes Teil separat einzubauen, sollten die aktiven und passiven Strukturen aus Germanium gebildet werden, einem damals bei Texas Instruments gebräuchlichen Halbleitermaterial. Kilbys Ansatz zielte auf die Integration der Bauelemente selbst, nicht zunächst auf eine vollständig automatisierte Herstellung aller Kontakte.

12. September 1958: Der erste funktionierende Versuch

Bei dem berühmten Versuch bestand die Schaltung aus einem schmalen Germaniumstück mit unterschiedlich ausgeformten Bereichen für Transistor-, Widerstands- und Kondensatorfunktionen. Die notwendigen Kontakte verband Kilby mit feinen, über der Oberfläche geführten Golddrähten, den später so genannten Flying Wires. Techniker unterstützten ihn bei der Herstellung des empfindlichen Aufbaus.

Am 12. September 1958 funktionierte der Phasenschieber-Oszillator: Die Schaltung erzeugte ein periodisches elektrisches Signal. Am 19. September folgte ein Flipflop, das demonstrierte, dass sich derselbe Grundgedanke auch auf digitale Schaltungen anwenden ließ. Damit war mehr bewiesen als die Möglichkeit, ein einzelnes Bauelement zu miniaturisieren. Unterschiedliche Schaltungsfunktionen konnten auf einem gemeinsamen Halbleiterstück realisiert werden.

Texas Instruments stellte das Konzept im März 1959 öffentlich vor. Am 6. Februar desselben Jahres hatte Kilby eine Patentanmeldung mit dem Titel Miniaturized Electronic Circuits eingereicht. Der Versuch gilt heute als ein entscheidender Meilenstein auf dem Weg zum integrierten Schaltkreis. Kilby selbst betrachtete ihn als technischen Machbarkeitsnachweis – nicht als fertige Lösung für die Massenproduktion.

Weshalb Kilbys Schaltung noch kein moderner Chip war

So überzeugend das Prinzip war, so schwierig blieb die Fertigung. Die aufragenden Golddrähte mussten einzeln befestigt werden. Sie brauchten Platz, konnten sich berühren oder abreißen und verursachten bei der Montage zusätzlichen Aufwand. Auch die Trennung der einzelnen Bauelemente innerhalb des Halbleiters war kompliziert. Jeder Versuchsaufbau erforderte viel Handarbeit.

Das war genau das Problem, das integrierte Schaltungen eigentlich beseitigen sollten. Wenn auf einem winzigen Halbleiterstück zwar mehrere Bauelemente saßen, deren Kontakte aber anschließend mühsam einzeln verdrahtet werden mussten, blieb die Zahl der Verbindungen ein Engpass. Für wenige Versuchsschaltungen war dieser Aufwand vertretbar. Für tausende oder gar Millionen identische Schaltkreise war er es nicht.

Texas Instruments bot 1960 mit dem Type 502 einen frühen kommerziellen Schaltkreis an. Er kostete zunächst 450 US-Dollar pro Stück und wurde nur in geringen Stückzahlen zu Erprobungszwecken ausgeliefert. Kilbys Idee hatte funktioniert, aber die Industrie benötigte eine Bauweise, bei der nicht nur die Bauelemente, sondern auch ihre elektrischen Verbindungen gemeinsam gefertigt werden konnten.

Kalifornien: Robert Noyce sieht eine andere Lösung

Während Kilby in Texas arbeitete, entstand in Kalifornien ein zweites Zentrum der Halbleiterentwicklung. 1957 hatten acht Ingenieure und Wissenschaftler das Labor des Transistorpioniers William Shockley verlassen und Fairchild Semiconductor gegründet. Zu ihnen gehörten Robert Noyce, Gordon Moore, Jean Hoerni und Jay Last. Fairchild arbeitete zunächst daran, leistungsfähige Siliciumtransistoren zuverlässig und wirtschaftlich herzustellen.

Noyce beschäftigte sich bereits 1958 mit der Möglichkeit, mehrere Funktionen auf einem Halbleiter zu verbinden. Der entscheidende Anstoß kam aber Anfang 1959 durch eine Entwicklung seines Kollegen Jean Hoerni: das Planarverfahren. Hoerni hatte erkannt, dass eine Siliciumdioxidschicht auf der Oberfläche nicht nur als vorübergehende Prozessmaske dienen musste. Sie konnte nach der Herstellung auf dem Wafer verbleiben und empfindliche pn-Übergänge gegen Umwelteinflüsse schützen.

Das war für die Zuverlässigkeit von Siliciumtransistoren ein großer Fortschritt. Doch für Noyce eröffnete es noch eine weitere Möglichkeit. Auf der isolierenden Oxidschicht konnten Metallbahnen verlaufen, ohne den darunterliegenden Halbleiter überall elektrisch zu berühren. Nur an gezielt geöffneten Kontaktfenstern würden sie Verbindung zu den Bauelementen aufnehmen. Damit ließen sich die Flying Wires durch strukturierte Leitungen auf der Oberfläche ersetzen.

Der eigentliche Durchbruch: Verdrahtung als Fertigungsschritt

Bei der planaren Herstellung entstehen zunächst durch Oxidation, Fotolithografie und Dotierung die für Transistoren, Dioden und andere Funktionen benötigten Bereiche im Silicium. Die Oberfläche wird von Siliciumdioxid bedeckt, das als Isolator und Schutzschicht dient. An den vorgesehenen Anschlussstellen werden kleine Öffnungen in dieser Schicht erzeugt. Anschließend wird Metall – bei den frühen Fairchild-Schaltungen insbesondere Aluminium – aufgebracht und so strukturiert, dass nur die gewünschten Leiterbahnen stehen bleiben.

Das Entscheidende daran ist nicht allein, dass die Metallbahnen flach auf dem Chip liegen. Viele elektrische Verbindungen entstehen gleichzeitig mit denselben wiederholbaren Fertigungsverfahren. Anstatt jeden Draht einzeln anzubringen, lässt sich das gesamte Muster der Schaltung auf die Oberfläche übertragen. Auf einem Wafer können viele gleiche Schaltkreise nebeneinander entstehen, die erst später vereinzelt werden.

Eine weitere technische Herausforderung blieb die elektrische Isolation der Bauelemente im gemeinsamen Silicium. Da sich Ströme nicht unkontrolliert durch das Substrat ausbreiten durften, nutzten die Hersteller unter anderem geeignete, in Sperrrichtung betriebene pn-Übergänge. An dieser Entwicklung waren ebenfalls mehrere Forscher beteiligt; insbesondere Kurt Lehovec lieferte einen wichtigen Beitrag zur Übergangsisolation. Die praktische integrierte Schaltung war daher mehr als die Idee eines einzelnen Erfinders: Sie erforderte das Zusammenspiel von Halbleiterphysik, Oberflächenpassivierung, Lithografie, Isolation und Metallisierung.

Am 30. Juli 1959 meldete Noyce seine Lösung unter dem Titel Semiconductor Device-and-Lead Structure zum Patent an. Die Anmeldung beschrieb eine wichtige Grundlage jener monolithischen Bauweise, in der Bauelemente und interne Verbindungen zu einem gemeinsam hergestellten Schaltkreis werden.

1960 und 1961: Aus einem Konzept wird ein Produkt

Auch Noyces Konzept verwandelte sich nicht von allein in einen funktionierenden Chip. Bei Fairchild übernahm Jay Last die Leitung eines Entwicklungsteams, zu dem unter anderem Sam Fok, Isy Haas, Lionel Kattner und James Nall gehörten. Das Team musste funktionierende Bauelemente und ihre Isolation auf einem Wafer unterbringen, passende Masken herstellen und die Metallverbindungen zuverlässig fertigen.

Im Mai 1960 gelang Fairchild die Herstellung eines planaren integrierten Flipflops mit vier Transistoren und fünf Widerständen. Im März 1961 stellte das Unternehmen ein entsprechendes Produkt aus der Familie Micrologic öffentlich vor; weitere Logikfunktionen folgten. Der integrierte Schaltkreis begann damit, sich von einer aufwendigen Laboranordnung in einen industriell reproduzierbaren Baustein zu verwandeln.

Die ersten Chips waren dennoch teuer. Fertigungsverfahren, Ausbeute und Zuverlässigkeit mussten ständig verbessert werden. Zugleich waren ihre Vorteile dort besonders wertvoll, wo Gewicht, Platz und elektrische Leistungsaufnahme entscheidend waren. Militärische Steuerungssysteme und die Raumfahrt wurden zu wichtigen frühen Abnehmern. Die Apollo-Raumfahrtprogramme setzten beispielsweise integrierte Logikschaltungen von Fairchild ein; der Apollo Guidance Computer wäre mit einer großen Zahl einzeln verdrahteter Bauteile erheblich aufwendiger geworden.

Die Nachfrage nach vielen gleichartigen Schaltungen wirkte auf die Fertigung zurück: Je mehr Chips benötigt wurden, desto stärker lohnten sich bessere Produktionsanlagen, automatisierte Prüfverfahren und höhere Waferausbeuten. Erst dieses Wechselspiel aus technischer Möglichkeit und wachsendem Markt machte aus der Erfindung eine Industrie.

Zwei Patente und ein langer Streit

Weil Kilby und Noyce unabhängig voneinander verwandte Lösungen entwickelt hatten, beanspruchten Texas Instruments und Fairchild wesentliche Patentrechte an integrierten Schaltungen. Kilbys Anmeldung stammte vom Februar 1959, Noyces vom Juli desselben Jahres. Die Patente beschrieben jedoch unterschiedliche technische Schwerpunkte: Kilby die gemeinsame Herstellung verschiedener Schaltungselemente im Halbleitermaterial, Noyce eine praktikable Struktur für deren Verbindung über die isolierte Oberfläche.

Zwischen den Unternehmen folgten langjährige Auseinandersetzungen um Schutzrechte und deren wirtschaftliche Nutzung. Schließlich kam es zu einer gegenseitigen Lizenzvereinbarung. Der historische Befund ist klarer als die juristische Frage nach einem einzigen „Erfinder“: Kilby demonstrierte die Funktionsfähigkeit des integrierten Schaltkreises; Noyces Ansatz lieferte, aufbauend auf Hoernis Planarprozess, eine Grundlage seiner wirtschaftlichen Massenfertigung. Beide Entwicklungen ergänzten einander, auch wenn die Unternehmen zunächst Konkurrenten waren.

Eine solche Gegenüberstellung darf die weiteren Beteiligten nicht ausblenden. Ohne die Arbeiten von Hoerni, Last und seinem Team, Lehovec sowie zahlreichen früheren Forschern wäre die Entwicklung anders verlaufen. Die Geburt des ICs war keine plötzliche Eingebung aus dem Nichts, sondern die Verdichtung einer ganzen Reihe technischer Fortschritte zu einem neuen Herstellungsprinzip.

Vom ersten IC zum Mikroprozessor

Mit der planaren Fertigung war eine Grundlage geschaffen, auf der sich immer mehr Bauelemente integrieren ließen. Anfangs enthielten viele Chips nur wenige Transistoren und einfache Logikfunktionen. Schon bald folgten komplexere Schaltungen, Speicher und schließlich vollständige Prozessoren. Gordon Moore, ebenfalls Mitgründer von Fairchild, beschrieb 1965 den raschen Zuwachs der integrierbaren Bauelemente – eine Beobachtung, aus der später das nach ihm benannte Mooresche Gesetz wurde. 1968 gründeten Noyce und Moore gemeinsam Intel; 1971 stellte Intel den Mikroprozessor 4004 vor.

Der entscheidende wirtschaftliche Vorteil des integrierten Schaltkreises war nicht nur seine geringe Größe. Bei einer erfolgreichen Waferfertigung entstanden viele Transistoren und interne Leitungen in gemeinsamen Prozessschritten. Mit steigender Integrationsdichte konnten die Kosten pro Funktion sinken, während kürzere Verbindungen häufig höhere Geschwindigkeiten und geringere parasitäre Belastungen ermöglichten. Gleichzeitig wurde die Zahl der von Hand anzubringenden Kontakte innerhalb einer komplexen Schaltung drastisch verringert.

Die moderne Fertigung hat das ursprüngliche Prinzip in enormem Maßstab fortgeführt. Lithografie, dünne Isolations- und Metallschichten, vielfache Verdrahtungsebenen und hochentwickelte Transistorstrukturen ermöglichen heute Milliarden von Bauelementen auf einem Die. Für große Systeme werden inzwischen mehrere Dies mit fortschrittlichen Packaging-Verfahren kombiniert. Doch selbst bei Chiplets bleibt jede einzelne Recheneinheit ein Erbe jener Erkenntnis von 1958 und 1959: Elektronik wird besonders leistungsfähig, wenn möglichst viele ihrer Funktionen gemeinsam hergestellt statt einzeln zusammengebaut werden.

Wem gehört die Erfindung?

Jack Kilby erhielt im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik für seinen Beitrag zur Erfindung des integrierten Schaltkreises. Robert Noyce konnte diese Auszeichnung nicht mehr erhalten: Er war bereits 1990 gestorben, und Nobelpreise werden grundsätzlich nicht posthum verliehen. Beide waren schon zu Lebzeiten für ihre Leistungen anerkannt worden, unter anderem 1979 mit der amerikanischen National Medal of Science.

Die Frage nach dem „wahren Erfinder des Mikrochips“ lässt sich deshalb nicht sinnvoll auf einen einzigen Namen verkürzen. Kilby bewies, dass die Integration auf einem Halbleiter möglich war. Noyce erkannte, wie eine Oberflächenmetallisierung daraus ein praktisch herstellbares Produkt machen konnte. Hoerni schuf mit dem Planarverfahren eine unverzichtbare Voraussetzung, und die Entwicklungsteams lösten die Probleme, die zwischen Patentzeichnung und Fabrik lagen.

So beginnt die Geschichte des integrierten Schaltkreises mit zwei Erfindern und einer gemeinsamen Idee, endet aber nicht bei zwei Namen. Ihre eigentliche Leistung bestand darin, die Grenze zwischen einem elektronischen Schaltplan und seiner Herstellung zu verschieben: Die Schaltung wurde nicht mehr aus vielen Bauteilen zusammengesetzt – sie wurde als Ganzes gefertigt.

Quellen und weiterführende Literatur

• Computer History Museum: All Semiconductor „Solid Circuit“ Is Demonstrated (1958)
• Computer History Museum: Invention of the Planar Manufacturing Process (1959)
• Computer History Museum: Practical Monolithic Integrated Circuit Concept Patented (1959)
• Computer History Museum: Who Invented the IC?
• Jack S. Kilby: Nobel Lecture „Turning Potential into Reality“ (2000)