1959 - 平面製程設備（氧化爐、擴散爐與「反覆照相」的量產化）#

案件摘要#

1959 年，Fairchild 的 Jean Hoerni 發明平面製程（Planar Process）—— 用 SiO₂ 絕緣層保護接面，讓晶片製造變成一個可無限重複的迴圈：

這個迴圈定義了 fab 的設備清單：高溫爐管（氧化/擴散）、光刻設備、蝕刻設備、 蒸鍍設備、測試封裝——今日所有晶圓廠的骨架，1959 年就畫好了藍圖。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

• Noyce 的 IC 難題：1959 年 Noyce 的積體電路構想（見 科學史/IC科技/1958-積體電路發明.md） 需要鋁互連跨過電晶體之間——但裸露的 PN 接面會漏電、污染。
• Hoerni 的解答：先長一層 SiO₂ 鈍化層，元件「做在」氧化層下面、互連走在上面—— 接面被保護，良率飆升，晶片變「平面」。
• 設備現成的奇蹟：氧化爐/擴散爐（1950s 爐管工業）、接觸式微影（1955）、 濕式蝕刻、蒸鍍（1953 Veeco）——全部已存在，平面製程只是把它們串成迴圈。
• 偵探觀察：Hoerni 1957 年 12 月就想通了（在自家車庫），1959 年申請專利—— 理論先行，等待設備成熟的典範。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

第一條線索：Deal–Grove 氧化模型（1965，爐管的數學）#

熱氧化生長 SiO₂ 的速率（Deal–Grove 模型）：

• 薄氧化層（線性區）： \(x \approx \frac{B}{A}t\) ——界面反應速率控制；
• 厚氧化層（拋物線區）： \(x \approx \sqrt{Bt}\) ——氧化劑擴散穿過已生成的 SiO₂ 限制速率。
• 偵推：越長越慢——1 μm SiO₂ 要數小時；乾氧緻密（閘極用）、濕氧快（場區用）。

第二條線索：Fick 擴散定律（摻雜的數學）#

高溫爐管中雜質擴散（Fick 第二定律）： - 定源擴散： \(C(x,t) = C_s\,\mathrm{erfc}\!\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}\right)\) - 限量擴散： \(C(x,t) = \frac{Q}{\sqrt{\pi Dt}}\,e^{-x^2/4Dt}\) - 擴散係數 \(D = D_0 e^{-E_a/kT}\) ——溫度升 100°C，深度改變數倍—— 爐管溫控 ±0.5°C 的規格就是這樣被逼出來的。

第三條線索：平面迴圈 = 圖形的「圖層堆疊」#

偵推：迴圈每轉一圈 = 一層圖形——積體電路的「層」概念誕生， 設備清單從此固定（直到今日，只是每樣設備都換了內涵）。

第四條線索：爐管的工程規格（為什麼石英是唯一選擇）#

• 矽氧化溫度 900–1200°C：石英（SiO₂）爐管是唯一既耐高溫又不污染矽的材料；
• 石英的熱膨脹極低（0.5×10⁻⁶/°C）——升溫不變形；
• 溫度均勻性 ±0.5°C → 晶圓間接面深度一致 → 良率。

結案 -- 後果與影響#

• 1961 年：Fairchild Micrologic——第一顆平面製程 IC 量產； planar 專利成為 Fairchild 的護城河（也促成後來的專利授權戰）。
• 爐管設備的標準化：Thermco、Lindberg 等爐管廠崛起；1968 年 Tokyo Electron 推出自製擴散爐（DFV-80），日本設備業起飛（見 1963-TokyoElectron成立.md）。
• 平面製程 → 摩爾定律：可重複迴圈 = 尺寸可以等比縮小—— 1965 年 Moore 觀察到的定律（見 科學史/IC科技/1965-摩爾定律與IC設計.md）， 本質上是平面製程的縮放性。
• 爐管的演化：水平爐管 → 立式爐管（1980s，矽晶舟直立、均勻性更好） → RTP 快速退火（1990s，升溫 100°C/sec）——但氧化/退火的爐管邏輯至今未變。
• 偵探教訓：設備史的「縮小定律」：1959 年的迴圈，每 10 年所有設備縮小一個數量級， 但迴圈本身從未改變——改變的只是每個步驟背後的物理。

關鍵人物與文獻#

• Jean Hoerni（1924–1997）：平面製程專利（1959）——「八叛逆」之一， 見 科學史/IC科技/1958-積體電路發明.md。
• B. Deal / A. Grove（1965）：熱氧化模型——Grove 後來成為 Intel CEO。
• Fick（1855）：擴散定律。
• 相關案件：1955-接觸式微影.md、1967-AppliedMaterials成立.md、1973-離子佈植機.md。