Das Halbleiterunternehmen aus einer anderen Welt: Die Siliconix-Geschichte, Teil 3

Mar 27, 2023

Nachdem Bill und Frances Hugle fünf Jahre bei der Firma DH Baldwin Piano damit verbracht hatten, Fotozellen für optische Encoder zu entwickeln, waren sie bereit für eine neue Herausforderung. Laut Familienunterlagen reiste Bill 1958 nach Youngwood, Pennsylvania, außerhalb von Pittsburgh, um Westinghouse bei der Einrichtung eines neuen Reinraums in seiner Halbleiterfabrik in dieser Stadt zu unterstützen. Frances folgte mit ihren vier Kindern im Februar 1960. Die Hugles blieben jedoch nicht lange in Pennsylvania. Ende 1960 zogen sie nach Thousand Oaks, Kalifornien – und rückten damit immer näher an das Silicon Valley heran.

Große Dinge erlebten Westinghouse im Jahr 1958, als Bill Hugle seine Arbeit im Youngwood-Werk des Unternehmens außerhalb von Pittsburgh, Pennsylvania, aufnahm. Miniaturisierung war damals das A und O, und die US-Luftwaffe war von der „Molekularen Elektronik“ begeistert. Das Streben nach Miniaturisierung begann in den frühen 1950er Jahren mit dem Projekt Tinkertoy, das vom US National Bureau of Standards durchgeführt und von der US Navy finanziert wurde. Um nicht zu übertreffen, finanzierte das US Army Signal Corps das Micromodule-Programm (oder „Micro-Module“) bei RCA. Das Projekt Tinkertoy basierte auf der Röhrentechnologie, während das Micromodule-Programm auf diskreten Transistoren basierte. Beide Programme zielten darauf ab, automatisierte Methoden zur Herstellung kleiner, zuverlässiger elektronischer Module zu entwickeln, die aus Stapeln von Miniatur-Keramik-Leiterplatten und diskreten elektronischen Komponenten aufgebaut sind.

Die US-Luftwaffe träumte sogar noch größer und übernahm Ideen von MIT-Professor Arthur von Hippel, der die Entwicklung fester Materieblöcke vorschlug, die elektronische Funktionen implementieren würden. Professor von Hippel schlug vor, dass mithilfe der „Molekulartechnik“ komplexe elektronische Funktionen aus einzelnen physikalischen Strukturen aufgebaut werden könnten. Anstatt vorgefertigte elektronische Komponenten wie Röhren, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten zu verwenden, schlug von Hippel vor, dass dies möglich sein sollte funktionelle Geräte ausgehend von einzelnen Atomen und Molekülen zu bauen.

Das Konzept der „Molekularen Elektronik“ von Professor von Hippel fand großen Anklang bei den Halbleitermanagern von Westinghouse, und das Unternehmen begann 1957 mit der US-Luftwaffe zusammenzuarbeiten, um einen Entwicklungsauftrag zu erhalten. Aus heutiger Sicht ist es leicht ersichtlich, dass integrierte Schaltkreise genau auf von Hippels Beschreibung passen, aber der integrierte Schaltkreis wurde erst 1959 erfunden, das ist also nicht die ursprüngliche Richtung, die Westinghouse für die US Air Force eingeschlagen hat.

Westinghouse, ein früher Lizenznehmer der Transistorpatente von Bell Labs, produzierte bereits hochreine und einkristalline Siliziumbarren zur Herstellung von Halbleitern, mit Schwerpunkt auf Leistungsgleichrichtern und Leistungstransistoren. Das Programm „Molekulare Elektronik“ wurde als Erweiterung dieser Arbeit angesehen.

George C. Sziklai, ein Ingenieur im Stab von Corporate Vice President of Engineering John A. Hutcheson, initiierte ein Programm zur Evaluierung von Hippels Konzept der molekularen Elektronik. Der Programmplan umfasste Ideen für einen Block, der 110 Volt Wechselstrom in 9 Volt Gleichstrom unter Nutzung des thermoelektrischen Seebeck-Effekts umwandeln würde, und einen weiteren Block, der eine RC-Zeitverzögerungsschaltung implementieren würde, indem er eine kapazitive Schnittstelle zwischen zwei unterschiedlichen Widerstandsmaterialien nutzte.

Vertreter von Westinghouse trafen sich mit Mitarbeitern des Air Force Cambridge Research Center auf der Hanscom Air Force Base in der Nähe von Bedford, Massachusetts, um ihre Ideen für die molekulare Systemtechnik vorzustellen, und der Besuch stieß bei mehreren Militärzweigen auf Interesse. Um die Dynamik fortzusetzen, richtete Westinghouse in der Youngwood Semiconductor Division ein Solid State Advanced Development Laboratory ein, um die molekulare Elektroniktechnologie voranzutreiben. Das war 1958, im selben Jahr, als Bill Hugle zum Werk Westinghouse Youngwood ging, um bei der Einrichtung eines Reinraums zu helfen.

Im Februar 1959 reichte das Solid State Advanced Development Laboratory von Westinghouse einen „Proposal for Molecular Electronics: Dendritic Approach“ beim Aeronautical System Center des Air Mobility Command der US Air Force auf der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio ein. Der vorgeschlagene Herstellungsprozess würde ein kontinuierliches Germaniumband wachsen lassen, das die Herstellung von Transistoren und anderen Bauelementen mit einer Geschwindigkeit von 6 bis 12 Zoll pro Minute ermöglichen würde. Die Ausbeute für diesen „Zoll-Transistor“-Herstellungsprozess wurde optimistisch auf „sehr nahe 100 %“ prognostiziert. Seymour W. Herwald von Westinghouse sagte voraus, dass der dendritische Ansatz es ermöglichen würde, automatisch funktionale Elektronikblöcke herzustellen, z als Funkempfänger und Verstärker, auf einem kontinuierlichen Halbleiterband, ausgehend von einem Pool geschmolzenen Germaniums. Westinghouses Vorschlag gewann im April 1959 einen Entwicklungsauftrag über 1,6 Millionen US-Dollar von der US Air Force.

Im März 1959 trat John D. Husher, ein frischgebackener BSEE-Absolvent, dem Advanced Development Lab der Youngwood Semiconductor Division bei. Er war fasziniert von der Idee, vier Transistoren aus einem einzigen Leistungstransistorchip herzustellen, indem er einen flachen Schnitt durch die obere Basis- und Emitterschicht des Transistors machte, um isolierte Halbleiterinseln zu schaffen, die als vier separate Transistoren mit einem gemeinsamen Kollektor funktionieren würden. Husher arbeitete während der Mittagspause an dem Projekt und baute aus einer Edelstahlplatte einen Träger für einen Leistungstransistorchip, befestigte einen Leistungstransistorchip am Träger und bestrahlte ihn mit Walnussschalen, um den großen Transistor in vier kleinere Transistoren mit gemeinsamem Anschluss zu zerteilen Kollektor. Husher erkannte dann, dass er aus denselben erhöhten Inseln auch Widerstände und Kondensatoren herstellen konnte und dass er Golddrähte verwenden konnte, um alle diese Komponenten miteinander zu verbinden und so einen vollständigen elektronischen Schaltkreis auf einem Chip zu erstellen. Diese Arbeit scheint in einer Zone irgendwo zwischen Jack Kilbys handverdrahtetem IC-Konzept bei Texas Instruments und Robert Noyces planarem IC-Konzept bei Fairchild Semiconductor zu liegen.

Husher entwickelte mit dieser Technik einige Designs, darunter einen Audioverstärker, Darlington-Transistorpaare mit hoher Verstärkung und einen Videoverstärker. Sein Manager, Herbert Henkels, erkannte, dass Hushers Idee den Zielen des Molekularelektronikprogramms entsprach. Henkels ließ sich von einem Freund, dem Golfspieler Arnold Palmer, ein Privatflugzeug leihen und flog von Pennsylvania zur Wright-Patterson Air Force Base, um sich mit Managern des Air Force Electronic Technical Laboratory zu treffen. Dort präsentierten er und Husher die handgefertigten Geräte als Prototypen eines neuen Westinghouse-Forschungsprogramms zum Bau funktionaler elektronischer Blöcke (FEBs). Innerhalb weniger Monate leitete ETL Vertragsmittel für Molekularelektronik um, um Hushers FEB-Herstellungsansatz weiterzuentwickeln. Anschließend entwarf und fertigte Husher weitere FEBs, darunter Funkempfängerschaltungen mit Einzelwandlung und einen Einzelchip-ZF-Verstärker.

Bei einem Treffen im Januar 1960 mit dem Air Research and Development Command der US Air Force auf der Andrews Air Force Base in Maryland stellte Westinghouse acht Geräte vor, die für den Entwicklungsvertrag für molekulare Elektronik hergestellt wurden:

· Ein direkt kaskadierter Audioverstärker mit fünf Watt

· Ein zweistufiger Videoverstärker

· Ein frequenzselektiver Verstärker mit Sperrfilter in einer Rückkopplungsschleife um die Verstärkerstruktur

· Eine Vielzahl von Multivibratoren, einschließlich bistabiler [Flip-Flop], monostabiler [One-Shot] und astabiler [Oszillator]

· Ein variabler Potentiometer, der auf der logarithmischen Addition zweier Eingänge basiert

· Eine Vielzahl von Halbleiterschaltern mit mehreren Positionen (einschließlich eines „ODER“-Schalters, eines Mehrfach-NPNP-Dynistor-Schalters und eines Mehrfach-NPNP-Trinistor-Schalters mit Zündelektrode)

· Ein Analog-Digital-Wandler, der einen NPNP-Relaxationsoszillator verwendet

· Ein zweistufiger Peltier-Kühler zum Kühlen von Infrarotdetektoren auf die richtige Betriebstemperatur.

Nur der Peltier-Kühler wurde als molekularelektronisches Gerät hergestellt, wie im ursprünglichen Vorschlag dargestellt. Sieben der acht Geräte waren keine molekularelektronischen Geräte. Der Audioverstärker integrierte mehrere miteinander verbundene Diffusionstransistoren, die auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt wurden. Die anderen Geräte verwendeten Hushers Herstellungstechniken. Ein Bild von drei molekularelektronischen Geräten erschien in einem Artikel, der in der Mai-Ausgabe 1960 von „Westinghouse Engineer“ veröffentlicht wurde:

Molekulare Elektronik Funktionale elektronische Blöcke (FEBs), die 1960 von Westinghouse für den Molekularelektronik-Auftrag der US Air Force hergestellt wurden. Bildnachweis: Westinghouse

Diese Halbleiterbauelemente sehen heute etwas grob aus, aber im Jahr 1960 handelte es sich auf jeden Fall um hochmoderne elektronische Geräte. Die US-Luftwaffe ignorierte die unterschiedliche Art und Weise, wie diese FEB-Prototypen hergestellt wurden, und gewährte dem ursprünglichen Programm für Molekulare Elektronik in Westinghouse eine Finanzierungsverlängerung in Höhe von 2,6 Millionen US-Dollar. und das Projekt ging weiter, aber die Zeichen standen schon bald fest. Das Ende der Molekularen Elektronik war nahe. Im Jahr 1962 wählten die MIT Lincoln Labs den integrierten NOR-Gate-Schaltkreis mit drei Eingängen von Fairchild Semiconductor für den Bau der Apollo-Leitcomputer aus, und von da an schossen die Erfolge des integrierten Schaltkreises, der auf dem planaren Herstellungsprozess basiert, steil nach oben.

Westinghouse gründete 1962 eine Abteilung für Molekularelektronik, doch 1963 begann Westinghouse wie jeder andere Halbleiterhersteller damit, Siliziumwafer zu läppen und zu polieren, um sie als Substrate für planare ICs zu verwenden. Westinghouses Molecular Electronics Division blieb dem Namen nach mehrere Jahre bestehen, doch die kommerziellen und militärischen Halbleiterprodukte der Division wurden bald zu nichts weiter als ICs. Westinghouse verwendete den alten Namen noch einige Jahre lang, weil er der US-Luftwaffe gefiel und das Unternehmen die Bedeutung des Begriffs einfach auf integrierte Schaltkreise erweiterte.

Die Hugles warteten nicht ab, bis Westinghouses Programm für Molekulare Elektronik in Pennsylvania eingestellt wurde. Obwohl die Familie im Februar 1960 von New Jersey nach Pennsylvania gezogen war, war sie laut Familienunterlagen im Oktober desselben Jahres 2500 Meilen nach Thousand Oaks, Kalifornien, gezogen. Die Frage ist: Warum zogen die Hugles plötzlich von Pennsylvania in die nordwestlichen Vororte von Los Angeles? Was zog Bill und Frances Hugle Ende 1960 plötzlich nach Kalifornien?

Familienunterlagen lieferten keine Hinweise auf die Gründe für den Umzug, aber nach intensiver Google-Suche ergab das Internet schließlich eine starke Möglichkeit. Im Jahr 1961 eröffnete Westinghouse ein Astroelektronik-Labor für die Forschung in der molekularen Elektronik, hauptsächlich im Rahmen von Verträgen der US-Luftwaffe, mit 300 Mitarbeitern. Das Astroelektronik-Labor befand sich im Rancho Conejo Center for Light Industry, einem Industriepark, der die Explosion anziehen sollte In dieser Zeit entstanden in Südkalifornien neue Luft- und Raumfahrtunternehmen. Der Industriepark befand sich am östlichen Rand des Newbury Park und grenzte an Thousand Oaks.

Ein PR-Foto von Westinghouse aus dem Jahr 1962, das vor einigen Monaten bei Ebay verkauft wurde, zeigt einen Techniker, der an einer sauberen Werkbank arbeitet und ein molekularelektronisches Gerät herstellt. Glücklicherweise hat die Auktionskurationsseite WorthPoint.com das Bild des Fotos aus dem ursprünglichen eBay-Angebot erfasst, es katalogisiert und, was am wichtigsten ist, ein Bild der Bildunterschrift auf der Rückseite des Fotos aufgenommen:

„NEWBURY PARK, Kalifornien, 21. März – Im Westinghouse Astroelectronics Laboratory werden hier molekulare elektronische Geräte hergestellt, deren Details zu klein sind, um nur unter einem Mikroskop sichtbar zu sein, wo an fortschrittlichen elektronischen Systemen für Raumfahrt und Verteidigung gearbeitet wird. Claudia Murray wird beim Schweißen gezeigt Reiner Golddraht mit einer Dicke von einem Tausendstel Zoll zu Silizium in einem Festkörpergerät. Das Gold leitet Strom zum oder vom Gerät. Die Hände des Technikers arbeiten in einer Plastikhaube, in der die Luft staubfrei ist und Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden.

Bill Hugle arbeitete nicht allein bei Westinghouse. Familienunterlagen und der Nachruf von Frances Hugle bestätigen, dass sie auch für Westinghouse in Pennsylvania und Kalifornien arbeitete und sowohl in der Halbleiterproduktion als auch im Design tätig war. Der Umzug nach Thousand Oaks, in der Nähe einer Westinghouse-Einrichtung, die sich der Entwicklung molekularer Elektronik widmet, lässt stark darauf schließen, dass die Hugles am Westinghouse Molecular Electronics-Programm beteiligt waren. Der Aufenthalt der Hugles in Südkalifornien sollte jedoch von langer Dauer sein.

Innerhalb eines Jahres zogen Bill und Frances Hugle ins Silicon Valley, um ein Halbleiterunternehmen zu gründen. Durch ihre Arbeit bei Westinghouse, zunächst in Pennsylvania und dann in Südkalifornien, hatten die Hugles schließlich genügend technische Fähigkeiten erworben, um Chiphersteller zu werden. Zusammen mit ihrem erworbenen Geschäftssinn und ihren Verbindungen, die sie durch die Gründung und den Beitritt zu mehreren Technologieunternehmen erworben hatten, waren Frances und Bill Hugle nun bereit, ihr erstes Halbleiterunternehmen zu gründen: Siliconix.

Hinweis: Diese Geschichte von Frances und Bill Hugle ist im Internet spärlich dokumentiert, und diese Artikelserie wäre ohne die Hilfe und Unterstützung des Enkels der Hugles, Jake Loomis, und des Gründers von TechSearch, Jan Vardaman, nicht möglich gewesen war maßgeblich an der Schaffung eines IEEE-Stipendienprogramms im Namen von Frances Hugle beteiligt, das teilweise von Jake Loomis‘ Mutter und Frances Hugles Tochter Linda Hugle finanziert wurde.

Verweise

The Concepts and Capabilities of Molecular Electronics, Dr. SW Herwald, VP of Research, Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Engineer, Mai 1960, S. 66-70.

Westinghouse: Mikroschaltungspionier von der Molekularelektronik bis zu ICs, Edgar A. Sack und David A. Laws, IEEE Annals of the History of Computing, Januar-März 2012, S. 74-82.

„Suburban Warriors: The Blue-Collar and Blue-Sky Communities of Southern California’s Aerospace Industry“, Layne Karafantis und Stuart W. Leslie, Journal of Planning History, Band 18, Ausgabe 1, 2019, S. 3–26.