離子注入設(shè)備是半導(dǎo)體器件制造中關(guān)鍵摻雜設(shè)備之一。在離子注入設(shè)備中，摻雜劑材料被離子化，并由此生成離子束。離子束被引導(dǎo)到半導(dǎo)體晶片或工件的表面處并注入晶片或工件中。離子注入的劑量和角度是離子注入工藝中需要精確控制的參數(shù)，他們決定了離子注入的濃度和有效深度。

凱世通董事長(zhǎng)李勇軍博士在“2023北京微電子國(guó)際研討會(huì)暨ICWORLD”大會(huì)上，從離子注入機(jī)起源與演進(jìn)，分析離子注入機(jī)在集成電路發(fā)展過(guò)程中所起到的推動(dòng)作用，分析離子注入機(jī)如何最終成為美、日企業(yè)巨頭壟斷的原因。

離子注入機(jī)的起源

(資料圖片)

離子注入機(jī)發(fā)展從20世紀(jì)40到60年代開(kāi)始，是核物理研究計(jì)劃研究而制造的粒子加速器衍生改變而來(lái)的。

李勇軍博士分析，離子注入機(jī)是一種核物理的研究裝置，核反應(yīng)需要人工制造高能量離子炮彈猛烈轟擊原子核來(lái)實(shí)現(xiàn)，離子加速器就是制造這種轟擊炮彈的重要手段，它是通過(guò)高壓電場(chǎng)產(chǎn)生一種特定能量的粒子，來(lái)?yè)羝圃雍俗詈笥^察核反應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律。

在二戰(zhàn)之后，美國(guó)是發(fā)展核技術(shù)先驅(qū)，1946年美國(guó) MIT誕生HVE公司，它是有兩位MIT的科學(xué)家和英國(guó)一個(gè)電氣工程師創(chuàng)立，創(chuàng)立目的是實(shí)現(xiàn)離子加速器的商業(yè)化。

離子注入機(jī)在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展早期主要是為半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室研究服務(wù)。在40年代，威廉·肖克里、約翰巴丁和沃爾特布拉頓合作發(fā)明晶體管，因而也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1954年肖克利申請(qǐng)首個(gè)用離子注入裝置制造半導(dǎo)體的專利。1955年肖克利離開(kāi)貝爾實(shí)驗(yàn)室，回到他的家鄉(xiāng)加州之后就創(chuàng)辦了肖克利實(shí)驗(yàn)室，招募了幾位才華橫溢的年輕人，開(kāi)創(chuàng)仙童半導(dǎo)體，拉開(kāi)硅谷半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展帷幕。

上個(gè)世紀(jì)60年代，因?yàn)楹宋锢砝碚摶緲?gòu)建完成，美國(guó)政府給予加速器研究資金日益枯竭，HVE收入就受到影響，加速商業(yè)化勢(shì)在必行。HVE看到了美國(guó)西海岸硅谷的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)商業(yè)機(jī)會(huì)，開(kāi)始轉(zhuǎn)向了離子注入機(jī)的研究。1968年HVE收到了仙童半導(dǎo)體公司離子注入機(jī)訂單，離子注入機(jī)也正式進(jìn)入半導(dǎo)體商用制造領(lǐng)域。

離子注入機(jī)大規(guī)模應(yīng)用是從上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)摻雜在早期半導(dǎo)體制造中主要是通過(guò)熱擴(kuò)散工藝。離子注入相比熱擴(kuò)散具有方向性好、精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。所以隨著半導(dǎo)體器件制造的精度要求是越來(lái)越高，離子注入機(jī)逐步替代熱擴(kuò)散。在構(gòu)建半導(dǎo)體器件電學(xué)特性，改變材料特性方面發(fā)揮廣泛的作用。

MOS制造工藝創(chuàng)新過(guò)程中，柵極的材料起初是用鋁，后來(lái)逐漸多晶硅替代鋁。由于多晶硅熔點(diǎn)高，方便離子注入后退火，所以進(jìn)一步促進(jìn)了離子注入逐漸取代擴(kuò)散，成為主流的半導(dǎo)體制造工藝。先柵極后源、漏級(jí)的工藝能夠?qū)崿F(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)。

自對(duì)準(zhǔn)就是原極和漏極正好在柵極的兩側(cè)，減少柵極和原極、漏極之間的重疊，同時(shí)也減少了晶體管的寄生電容，降低了芯片的功耗，所以從此以后離子注入機(jī)在芯片制造中應(yīng)用是越來(lái)越廣。

推動(dòng)IC制造發(fā)展

芯片制造是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主軸，裝備、材料是創(chuàng)新推動(dòng)力。1965年戈登·摩爾提出摩爾定律每18~24個(gè)月芯片性能翻一倍，價(jià)格降一半，能否延續(xù)摩爾定律對(duì)芯片制造公司和設(shè)備、材料公司投資挑戰(zhàn)，所以半導(dǎo)體供應(yīng)鏈需要團(tuán)結(jié)合作，不斷創(chuàng)新。

為了保證這個(gè)先進(jìn)制程不斷發(fā)展下去，設(shè)備方面最關(guān)鍵的兩個(gè)創(chuàng)新推動(dòng)力，一個(gè)是光刻機(jī)，另外一個(gè)是離子注入機(jī)。

光刻機(jī)定義了芯片圖形結(jié)構(gòu)，離子注入機(jī)定義了芯片電學(xué)特性。

所以隨著柵極長(zhǎng)度的微縮，原極和漏極的深度也是同步在減少，保持晶體場(chǎng)內(nèi)部的電場(chǎng)的平衡。在過(guò)去50年，離子注入機(jī)不斷推陳出新，保證摩爾定律的有效性。

產(chǎn)業(yè)、技術(shù)演變

離子注入技術(shù)迭代是遵循一代器件、一代工藝、一代設(shè)備的規(guī)律，晶圓尺寸越來(lái)越大，特征尺寸越來(lái)越小，對(duì)離子注入機(jī)性能要求也越來(lái)越高。時(shí)至今日離子注入機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)被以美國(guó)為主，日本為輔的幾家寡頭公司所壟斷，國(guó)產(chǎn)化率是低于5%。

從時(shí)間軸來(lái)看，上世紀(jì)60年代中束流離子注入機(jī)被少量使用，相對(duì)于高溫?cái)U(kuò)散工藝離子注入可以做到低溫?fù)诫s，劑量精準(zhǔn)可控，但是還不是不可或缺。

到70～80年代是離子注入機(jī)開(kāi)始大規(guī)模使用的階段。由于多晶硅柵極MOS管出現(xiàn)，離子注入機(jī)被大規(guī)模使用，提出大劑量注入需求。到80年代，根據(jù)當(dāng)時(shí)先進(jìn)DRAM電子器件制造需求，兆伏級(jí)高能離子注入機(jī)也被研制出來(lái)并投入使用。80年代末90年代初，隨著晶圓尺寸向8英寸過(guò)渡，8英寸的離子注入機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。

2000年以后，隨著晶圓制造進(jìn)入12英寸時(shí)代，對(duì)離子注入機(jī)均勻性、顆粒污染控制提出了更高要求。離子注入機(jī)也進(jìn)入了單片模式就是sigle &wefer，隨著工藝制程進(jìn)入幾十納米階段，低能大束流離子注入機(jī)出現(xiàn)，讓摩爾定律可以繼續(xù)延續(xù)下去。

目前這個(gè)離子注入機(jī)全球市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到50多億美金，按品牌來(lái)看，2021 年 70%的市場(chǎng)空間被應(yīng)用材料所占有，Axceils 占有剩余 20%的市場(chǎng)空間，其他廠商僅僅占 10%的市場(chǎng)空間。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，在計(jì)量和能量坐標(biāo)系下的離子注入機(jī)大體分成的三個(gè)區(qū)域，也對(duì)應(yīng)離子注入機(jī)的三個(gè)細(xì)分機(jī)型：低能大束流、中束流和高能離子注入，市場(chǎng)容量分別是60%，20%和20%。

劑量指的是注入硅晶體的摻雜劑的多少，能量則決定這個(gè)摻雜劑進(jìn)入硅晶體的有效深度。

不同類型的離子注入機(jī)是當(dāng)前芯片制造中關(guān)鍵一環(huán)。不同的芯片實(shí)際上對(duì)離子柱機(jī)都有不同需求，每條產(chǎn)線上需要配置不同離子注入機(jī)組合。

技術(shù)門檻高

離子注入機(jī)包含五大結(jié)構(gòu)：離子源、離子引入和質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔。其中僅離子源中就涵蓋起弧室、氣化噴嘴、電爐、氣體導(dǎo)入室、DI 冷卻水入口、摻雜劑氣體入口等。

李勇軍博士稱，離子注入機(jī)是一種駕馭離子數(shù)的復(fù)雜裝置，體現(xiàn)多學(xué)科融合的特點(diǎn)，涉及高真空系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)，如何解決低能量與大束流矛盾、如何控制束流角度、控制顆粒污染、軟件系統(tǒng)如何高效運(yùn)轉(zhuǎn)。涉及的學(xué)科門類，既有強(qiáng)電，也有弱電，既有機(jī)械又有電子，既有硬件又有軟件，既有設(shè)備又有工藝，所以說(shuō)是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程。

李勇軍博士補(bǔ)充，在設(shè)備領(lǐng)域研發(fā)難度離子注入機(jī)僅次于光刻機(jī)。離子注入機(jī)注入工藝驗(yàn)證困難，需要2~3個(gè)月芯片制造完成后，測(cè)量電性才知道離子注入質(zhì)量如何。其中低能大束流離子注入機(jī)是技術(shù)門檻最高產(chǎn)品，因?yàn)殡x子存在同性相斥的物理特性，要處理極端能量和束流大這兩者之間矛盾。

李勇軍博士表示，凱世通瞄準(zhǔn)了低能大速流和高能機(jī)兩種高難度產(chǎn)品，目前均已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的突破。

國(guó)產(chǎn)化率低，國(guó)產(chǎn)替代前景好

當(dāng)下離子注入成為半導(dǎo)體發(fā)展的核心且必須國(guó)產(chǎn)替代的設(shè)備。首先在邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域。如果是在28納米以前的成熟制程，隨著晶體管的微縮和工藝節(jié)點(diǎn)的升級(jí)，離子注入道數(shù)越來(lái)越多，所需的離子注入機(jī)的數(shù)量就越多。而在28納米以后的先進(jìn)制程中，離子注入機(jī)的數(shù)量雖然在減少，但難度卻在不斷提升。對(duì)于設(shè)備的Particle控制、角度控制、損傷控制等要求會(huì)更加嚴(yán)格。

其次是在智能手機(jī)上使用的CMOS圖像傳感器領(lǐng)域。眾所周知，在消費(fèi)類市場(chǎng)，智能手機(jī)對(duì)于相機(jī)像素的要求越來(lái)越高，CMOS圖像傳感器需要制備更高深寬比的深層光電二極管，高能離子注入機(jī)可以幫助CMOS圖像傳感器制造商，實(shí)現(xiàn)更為嚴(yán)格的金屬污染控制，離子注入的能量最高甚至超過(guò)10MeV。因此高能離子注入機(jī)成為不可替代的選擇。

最后是功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。高能離子注入機(jī)正是國(guó)內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)加速追趕的關(guān)鍵之一，也是離子注入機(jī)中技術(shù)難度最大的機(jī)型。

市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)離子注入設(shè)備需求不斷加大的同時(shí)我國(guó)進(jìn)口先進(jìn)離子注入機(jī)的難度也在加大。

在美國(guó)的推動(dòng)下，日本已經(jīng)出臺(tái)了新的半導(dǎo)體設(shè)備出口管制措施。隨后，荷蘭也宣布，加入了全球范圍內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備出口的管制措施。我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備通過(guò)國(guó)外采購(gòu)的難度加大，國(guó)產(chǎn)替代迫在眉睫。近些年涌現(xiàn)出一批以凱世通、芯崳半導(dǎo)體為代表的產(chǎn)品可靠、技術(shù)先進(jìn)的離子注入設(shè)備供應(yīng)商。

2023H1 凱世通新增兩家 12 英寸芯片晶圓制造客戶，新簽訂單金額超 1.6 億元，涵蓋邏輯、存儲(chǔ)、功率多個(gè)方向。公司產(chǎn)品持續(xù)升級(jí)、覆蓋面持續(xù)增加，目前已實(shí)現(xiàn) 28nm 低能離子注入工藝全覆蓋，并已完成產(chǎn)線驗(yàn)證及驗(yàn)收。同時(shí)，公司啟動(dòng)了上海浦東金橋(600639)研發(fā)制造基地，可提供低能大束流、超低溫低能大束流、重金屬低能大束流、高能離子注入機(jī)等全系列產(chǎn)品的評(píng)估，縮短從技術(shù)驗(yàn)證到客戶導(dǎo)入的時(shí)間。

光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)“節(jié)節(jié)敗退”

離子注入機(jī)不僅廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域，光伏領(lǐng)域也有巨大市場(chǎng)。離子注入機(jī)在光伏產(chǎn)業(yè)摻雜工藝中扮演重要角色。

摻雜，是將一定數(shù)量的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體材料的工藝，是為了改變半導(dǎo)體材料電學(xué)特性，從而得到所需電學(xué)參數(shù)。摻雜方法主要有擴(kuò)散和離子注入。

在晶硅太陽(yáng)能(000591)電池的生產(chǎn)過(guò)程中，離子注入是一項(xiàng)非常重要的工藝，它可以大幅度提高光電轉(zhuǎn)換率，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用中的精益有效。

加速離子束將特定元素注入太陽(yáng)能電池片的表面。離子注入工藝的原理是利用加速器將離子束加速到高速，然后將離子束引導(dǎo)到太陽(yáng)能電池的硅片表面，離子束與電池片表面相互作用，使得離子進(jìn)入太陽(yáng)能電池的表面層，注入的離子將太陽(yáng)能電池片表面的原子替換為注入的離子，從而改變電池的光電性能，提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換率。

離子注入制備發(fā)射極在高方阻情況下能保證很好的均勻性，且退火過(guò)程同時(shí)可對(duì)發(fā)射極進(jìn)行熱氧化鈍化，可減少表面復(fù)合損失。離子注入制備的發(fā)射極能與絲網(wǎng)印刷電極有更好的接觸，有利于減少接觸電阻的損失。離子注入可增加晶硅太陽(yáng)能電池的有效受光面積，從而減少光學(xué)損失，通過(guò)離子注入工藝的注入劑量、離子能量和退火工藝，能精確控制摻雜水平，實(shí)現(xiàn)晶硅太陽(yáng)能電池的高光電轉(zhuǎn)換率。

但是離子注入機(jī)的缺點(diǎn)也是十分突出：

1、離子注入將在靶中產(chǎn)生大量晶格缺陷，且注入的雜質(zhì)大部分停留在間隙位置處，因此需要進(jìn)行退火處理;

2、離子注入難以獲得很深的結(jié)深;

3、離子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低;

4、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。

我國(guó)分布式光伏發(fā)電補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和新增集中式光伏電站指導(dǎo)價(jià)均有所降低。這已經(jīng)是8年內(nèi)第六次下調(diào)光伏行業(yè)指導(dǎo)價(jià)。光伏企業(yè)難以承受價(jià)格高昂的離子注入機(jī)，紛紛采用雜質(zhì)擴(kuò)散工藝為替代。離子注入機(jī)在光伏領(lǐng)域市場(chǎng)不斷縮小。

雖然在光伏領(lǐng)域離子注入機(jī)逐漸被其他工藝替代，但是我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅猛，離子注入機(jī)未來(lái)市場(chǎng)依舊一片大好。

根據(jù)Semi 數(shù)據(jù)在中國(guó)大陸市場(chǎng)，2022年半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為282.7億美元（約合人民幣2066億元），其中，離子注入設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為66億元，2023年有望增至74億元，增速高于全球平均值。

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