离子注入机的“机遇”与“挑战”

　　离子注入设备是半导体器件制造中关键掺杂设备之一。在离子注入设备中，掺杂剂材料被离子化，并由此生成离子束。离子束被引导到半导体晶片或工件的表面处并注入晶片或工件中。离子注入的剂量和角度是离子注入工艺中需要精确控制的参数，他们决定了离子注入的浓度和有效深度。

　　凯世通董事长李勇军博士在“2023北京微电子国际研讨会暨ICWORLD”大会上，从离子注入机起源与演进，分析离子注入机在集成电路发展过程中所起到的推动作用，分析离子注入机如何最终成为美、日企业巨头垄断的原因。

　　离子注入机的起源

　　离子注入机发展从20世纪40到60年代开始，是核物理研究计划研究而制造的粒子加速器衍生改变而来的。

　　李勇军博士分析，离子注入机是一种核物理的研究装置，核反应需要人工制造高能量离子炮弹猛烈轰击原子核来实现，离子加速器就是制造这种轰击炮弹的重要手段，它是通过高压电场产生一种特定能量的粒子，来击破原子核最后观察核反应的内在规律。

　　在二战之后，美国是发展核技术先驱，1946年美国 MIT诞生HVE公司，它是有两位MIT的科学家和英国一个电气工程师创立，创立目的是实现离子加速器的商业化。

　　离子注入机在半导体行业发展早期主要是为半导体实验室研究服务。在40年代，威廉·肖克里、约翰巴丁和沃尔特布拉顿合作发明晶体管，因而也获得了诺贝尔物理学奖。

　　1954年肖克利申请首个用离子注入装置制造半导体的专利。1955年肖克利离开贝尔实验室，回到他的家乡加州之后就创办了肖克利实验室，招募了几位才华横溢的年轻人，开创仙童半导体，拉开硅谷半导体产业蓬勃发展帷幕。

　　上个世纪60年代，因为核物理理论基本构建完成，美国政府给予加速器研究资金日益枯竭，HVE收入就受到影响，加速商业化势在必行。HVE看到了美国西海岸硅谷的半导体产业商业机会，开始转向了离子注入机的研究。1968年HVE收到了仙童半导体公司离子注入机订单，离子注入机也正式进入半导体商用制造领域。

　　离子注入机大规模应用是从上个世纪70年代开始，实现精准掺杂在早期半导体制造中主要是通过热扩散工艺。离子注入相比热扩散具有方向性好、精准的优势。所以随着半导体器件制造的精度要求是越来越高，离子注入机逐步替代热扩散。在构建半导体器件电学特性，改变材料特性方面发挥广泛的作用。

　　MOS制造工艺创新过程中，栅极的材料起初是用铝，后来逐渐多晶硅替代铝。由于多晶硅熔点高，方便离子注入后退火，所以进一步促进了离子注入逐渐取代扩散，成为主流的半导体制造工艺。先栅极后源、漏级的工艺能够实现自对准。

　　自对准就是原极和漏极正好在栅极的两侧，减少栅极和原极、漏极之间的重叠，同时也减少了晶体管的寄生电容，降低了芯片的功耗，所以从此以后离子注入机在芯片制造中应用是越来越广。

　　推动IC制造发展

　　芯片制造是集成电路产业发展的主轴，装备、材料是创新推动力。1965年戈登·摩尔提出摩尔定律每18~24个月芯片性能翻一倍，价格降一半，能否延续摩尔定律对芯片制造公司和设备、材料公司投资挑战，所以半导体供应链需要团结合作，不断创新。

　　为了保证这个先进制程不断发展下去，设备方面最关键的两个创新推动力，一个是光刻机，另外一个是离子注入机。

　　光刻机定义了芯片图形结构，离子注入机定义了芯片电学特性。

　　所以随着栅极长度的微缩，原极和漏极的深度也是同步在减少，保持晶体场内部的电场的平衡。在过去50年，离子注入机不断推陈出新，保证摩尔定律的有效性。

　　产业、技术演变

　　离子注入技术迭代是遵循一代器件、一代工艺、一代设备的规律，晶圆尺寸越来越大，特征尺寸越来越小，对离子注入机性能要求也越来越高。时至今日离子注入机领域已经被以美国为主，日本为辅的几家寡头公司所垄断，国产化率是低于5%。

　　从时间轴来看，上世纪60年代中束流离子注入机被少量使用，相对于高温扩散工艺离子注入可以做到低温掺杂，剂量精准可控，但是还不是不可或缺。

　　到70～80年代是离子注入机开始大规模使用的阶段。由于多晶硅栅极MOS管出现，离子注入机被大规模使用，提出大剂量注入需求。到80年代，根据当时先进DRAM电子器件制造需求，兆伏级高能离子注入机也被研制出来并投入使用。80年代末90年代初，随着晶圆尺寸向8英寸过渡，8英寸的离子注入机也应运而生。

　　2000年以后，随着晶圆制造进入12英寸时代，对离子注入机均匀性、颗粒污染控制提出了更高要求。离子注入机也进入了单片模式就是sigle &wefer，随着工艺制程进入几十纳米阶段，低能大束流离子注入机出现，让摩尔定律可以继续延续下去。

　　目前这个离子注入机全球市场总规模达到50多亿美金，按品牌来看，2021 年 70%的市场空间被应用材料所占有，Axceils 占有剩余 20%的市场空间，其他厂商仅仅占 10%的市场空间。

　　根据应用场景不同，在计量和能量坐标系下的离子注入机大体分成的三个区域，也对应离子注入机的三个细分机型：低能大束流、中束流和高能离子注入，市场容量分别是60%，20%和20%。

　　剂量指的是注入硅晶体的掺杂剂的多少，能量则决定这个掺杂剂进入硅晶体的有效深度。

　　不同类型的离子注入机是当前芯片制造中关键一环。不同的芯片实际上对离子柱机都有不同需求，每条产线上需要配置不同离子注入机组合。

　　技术门槛高

　　离子注入机包含五大结构：离子源、离子引入和质量分析器、加速管、扫描系统和工艺腔。其中仅离子源中就涵盖起弧室、气化喷嘴、电炉、气体导入室、DI 冷却水入口、掺杂剂气体入口等。

　　李勇军博士称，离子注入机是一种驾驭离子数的复杂装置，体现多学科融合的特点，涉及高真空系统、高压系统，如何解决低能量与大束流矛盾、如何控制束流角度、控制颗粒污染、软件系统如何高效运转。涉及的学科门类，既有强电，也有弱电，既有机械又有电子，既有硬件又有软件，既有设备又有工艺，所以说是一个巨大的系统工程。

　　李勇军博士补充，在设备领域研发难度离子注入机仅次于光刻机。离子注入机注入工艺验证困难，需要2~3个月芯片制造完成后，测量电性才知道离子注入质量如何。其中低能大束流离子注入机是技术门槛最高产品，因为离子存在同性相斥的物理特性，要处理极端能量和束流大这两者之间矛盾。

　　李勇军博士表示，凯世通瞄准了低能大速流和高能机两种高难度产品，目前均已实现了产业化的突破。

　　国产化率低，国产替代前景好

　　当下离子注入成为半导体发展的核心且必须国产替代的设备。首先在逻辑芯片和存储芯片领域。如果是在28纳米以前的成熟制程，随着晶体管的微缩和工艺节点的升级，离子注入道数越来越多，所需的离子注入机的数量就越多。而在28纳米以后的先进制程中，离子注入机的数量虽然在减少，但难度却在不断提升。对于设备的Particle控制、角度控制、损伤控制等要求会更加严格。

　　其次是在智能手机上使用的CMOS图像传感器领域。众所周知，在消费类市场，智能手机对于相机像素的要求越来越高，CMOS图像传感器需要制备更高深宽比的深层光电二极管，高能离子注入机可以帮助CMOS图像传感器制造商，实现更为严格的金属污染控制，离子注入的能量最高甚至超过10MeV。因此高能离子注入机成为不可替代的选择。

　　最后是功率半导体领域。高能离子注入机正是国内IGBT产业加速追赶的关键之一，也是离子注入机中技术难度最大的机型。

　　市场对先进离子注入设备需求不断加大的同时我国进口先进离子注入机的难度也在加大。

　　在美国的推动下，日本已经出台了新的半导体设备出口管制措施。随后，荷兰也宣布，加入了全球范围内对半导体设备出口的管制措施。我国半导体设备通过国外采购的难度加大，国产替代迫在眉睫。近些年涌现出一批以凯世通、芯嵛半导体为代表的产品可靠、技术先进的离子注入设备供应商。

　　2023H1 凯世通新增两家 12 英寸芯片晶圆制造客户，新签订单金额超 1.6 亿元，涵盖逻辑、存储、功率多个方向。公司产品持续升级、覆盖面持续增加，目前已实现 28nm 低能离子注入工艺全覆盖，并已完成产线验证及验收。同时，公司启动了上海浦东金桥(600639)研发制造基地，可提供低能大束流、超低温低能大束流、重金属低能大束流、高能离子注入机等全系列产品的评估，缩短从技术验证到客户导入的时间。

　　光伏产业市场“节节败退”

　　离子注入机不仅广泛应用在半导体领域，光伏领域也有巨大市场。离子注入机在光伏产业掺杂工艺中扮演重要角色。

　　掺杂，是将一定数量的杂质掺入到半导体材料的工艺，是为了改变半导体材料电学特性，从而得到所需电学参数。掺杂方法主要有扩散和离子注入。

　　在晶硅太阳能(000591)电池的生产过程中，离子注入是一项非常重要的工艺，它可以大幅度提高光电转换率，实现在应用中的精益有效。

　　加速离子束将特定元素注入太阳能电池片的表面。离子注入工艺的原理是利用加速器将离子束加速到高速，然后将离子束引导到太阳能电池的硅片表面，离子束与电池片表面相互作用，使得离子进入太阳能电池的表面层，注入的离子将太阳能电池片表面的原子替换为注入的离子，从而改变电池的光电性能，提升太阳能电池的光电转换率。

　　离子注入制备发射极在高方阻情况下能保证很好的均匀性，且退火过程同时可对发射极进行热氧化钝化，可减少表面复合损失。离子注入制备的发射极能与丝网印刷电极有更好的接触，有利于减少接触电阻的损失。离子注入可增加晶硅太阳能电池的有效受光面积，从而减少光学损失，通过离子注入工艺的注入剂量、离子能量和退火工艺，能精确控制掺杂水平，实现晶硅太阳能电池的高光电转换率。

　　但是离子注入机的缺点也是十分突出：

　　1、离子注入将在靶中产生大量晶格缺陷，且注入的杂质大部分停留在间隙位置处，因此需要进行退火处理;

　　2、离子注入难以获得很深的结深;

　　3、离子注入的生产效率比扩散工艺低;

　　4、离子注入系统复杂昂贵。

　　我国分布式光伏发电补贴标准和新增集中式光伏电站指导价均有所降低。这已经是8年内第六次下调光伏行业指导价。光伏企业难以承受价格高昂的离子注入机，纷纷采用杂质扩散工艺为替代。离子注入机在光伏领域市场不断缩小。

　　虽然在光伏领域离子注入机逐渐被其他工艺替代，但是我国半导体行业发展迅猛，离子注入机未来市场依旧一片大好。

　　根据Semi 数据在中国大陆市场，2022年半导体设备销售额为282.7亿美元（约合人民币2066亿元），其中，离子注入设备市场规模为66亿元，2023年有望增至74亿元，增速高于全球平均值。

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