【專題 | 「半導體設備」刻蝕機_薄膜沉積設備_半導體封裝設備】

　　離子注入是半導體器件和集成電路生產的關鍵工藝之一，其提供的高精度和高均勻性可以大幅度提高集成電路的成品率，因此，離子注入機與光刻機、刻蝕機和鍍膜設備并稱為芯片制造的四大核心工藝裝備。

　　邏輯和存儲芯片、CMOS圖像傳感器、功率半導體等半導體品類的工藝不斷提升，對離子注入設備提出的要求也越來越高，這一領域的一些新進入者卻認為，技術提升給行業帶來了新的挑戰，也同時孕育了新的機遇。

　　離子注入設備：門檻高但用處大

　　離子注入是一種半導體材料的摻雜技術，具有低溫摻雜、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好等優點，經離子注入摻雜所制成的幾十種半導體器件和集成電路擁有速度快、功耗低、穩定性好、成品率高等特點。對于大規模、超大規模集成電路來說，離子注入是一種理想的摻雜工藝。

　　根據離子束電流和束流能量范圍，離子注入機可分為三大類，分別是中低束流離子注入機、低能大束流離子注入機、高能離子注入機。低能大束流離子注入機通常掃描硅片超淺源漏區注入的超低能束流，被應用于邏輯芯片、DRAM、3D存儲器和CMOS圖像傳感器制造中;高能離子注入機流能量超過200keV，最高達到幾個MeV向溝槽或厚氧化層下面注入雜質能形成倒摻雜阱和埋層，較多應用在功率器件、IGBT、CMOS圖像傳感器、5G射頻、邏輯芯片等器件制備過程中。

　　“離子注入機的技術壁壘主要有三點：一是角度控制，注入角度精度±0.1°，隨著制程的縮小，對注入角度要求更高;二是劑量控制，即對均勻性、濃度的控制要求高;三是能量控制，要求能量控制在±1%。”賽迪工業和信息化研究院(集團)四川有限公司平臺運營部兼產業創新小組經理、高級工程師池憲念告訴記者。

　　青島四方思銳智能技術有限公司董事長聶翔在接受《中國電子報》記者采訪時表示：“離子注入機整個工藝路線極為復雜，涉及十幾個學科的知識范疇，并且系統間互相耦合，因此，其制造難度僅次于光刻機，本土化率遠低于去膠機、刻蝕設備、薄膜沉積設備等環節。”

數據來源：海關統計數據在線查詢平臺

　　中國電子專用設備工業協會常務副秘書長金存忠表示：“海關數據顯示，2022年主要的13類半導體設備的進口額同比減少8.1%，但離子注入機的進口額同比增長16.3%，說明我國在離子注入機領域仍存在欠缺。”

　　雖然離子注入機的研發難度非常高，所需的資金、技術、時間以及人力的投入都十分巨大，但對于蓬勃發展的中國半導體產業鏈來說，是急需突破的半導體設備細分領域。

　　三大應用領域：對離子注入機提出高要求

　　隨著超摩爾時代的到來，圍繞新材料、新工藝、新制程的研究逐漸增多，推動了半導體設備的發展，離子注入機的應用領域也越來越多，技術要求越來越高。

　　據《中國電子報》記者了解，離子注入機將主要在三大芯片品類的生產環節中得到需求增長，尤其是研發難度更大的高能離子注入機。

　　首先在邏輯芯片和存儲芯片領域。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點的升級，離子注入道數越來越多，所需的離子注入機的數量就越多。而在28納米以后的先進制程中，離子注入機的數量雖然在減少，但難度卻在不斷提升。對于設備的Particle控制、角度控制、損傷控制等要求會更加嚴格。

　　其次是在智能手機上使用的CMOS圖像傳感器領域。眾所周知，在消費類市場，智能手機對于相機像素的要求越來越高，CMOS圖像傳感器需要制備更高深寬比的深層光電二極管，高能離子注入機可以幫助CMOS圖像傳感器制造商，實現更為嚴格的金屬污染控制，離子注入的能量最高甚至超過10MeV。因此 高能離子注入機成為不可替代的選擇。

　　最后是功率半導體領域。高能離子注入機正是國內IGBT產業加速追趕的關鍵之一，也是離子注入機中技術難度最大的機型。思銳智能副總經理陳祥龍告訴記者，功率器件的發展并不是一味追求尺寸的微縮，而是追求耐壓、開關速率、轉換效率的平衡，其中就要求離子注入機提供穩定的薄片傳輸能力，因為更薄的器件才能帶來更大的電場強度，從而滿足耐高壓的應用需求。

　　如碳化硅功率器件，由于碳化硅難以熱擴散，因此需要更高能量才能達到特定深度的注入，而且碳化硅中摻雜元素的劑量偏大，需要高能或大束流碳化硅離子注入機來滿足量產需求。

　　新玩家：高能離子注入設備或是機會

　　數據顯示，2022年全球半導體設備市場規模為1175億美元(約合人民幣8587億元)，其中離子注入設備市場規模達206億元，預計2023年增至211億元。在中國大陸市場，2022年半導體設備銷售額為282.7億美元(約合人民幣2066億元)，其中，離子注入設備市場規模為66億元，2023年有望增至74億元，增速高于全球平均值。

數據來源：SEMI，Gartner，華經產業研究院

　　從市場格局上看，全球離子注入機設備主要以應用材料(AMAT)、亞舍立(Acelis)、日本Nissin及SEN等國外廠商為主導。從產品布局看，應用材料主要產品包括大束流離子注入機、中束流離子注入機、超高劑量的離子注入;亞舍立主要產品為高能離子注入機;日本Nissin主要生產中束流離子注入機;SEN產品包括高束流離子注入機、中束流離子注入機、高能量離子注入機。

　　池憲念表示，新玩家想要進入離子注入機這個賽道將面臨兩方面難題：一是離子注入機制造所需的關鍵元器件和精密零部件的技術難度高;二是離子注入機在芯片制造廠完成設備驗證工作的時間周期較長和投入費用較高。”

　　然而，相較于薄膜沉積、刻蝕等環節，離子注入機雖研制難度極大，但設備產品結構較為單一，通用性較強，且較易實現規模化放量。業內人士表示，離子注入機設備研發前期花費巨大，不過一旦跨越“0到1”的突破，順利進入Fab廠生產線，實現“1到N”的增長就會非常快。

　　思銳智能就是離子注入機領域的新玩家，聶翔表示，不同芯片離子注入需求不同，所需機型也是不一樣的，三類機型的離子注入機(呈現互補并存的關系，在技術路徑選擇上，思銳智能選擇率先攻克難度最高的高能離子注入機并進行深耕，最終實現機臺穩定、可靠的性能要求。“后續再按照節奏，從高能離子注入機向中低束流離子注入機、低能大束流離子注入機延伸，實現離子注入機全系列機臺的全覆蓋。” 聶翔表示。

思銳智能推出的高能離子注入機SRII-8M

圖片來源：思銳智能

　　思銳智能新近推出了高能離子注入機SRII-8M，可以幫助CMOS圖像傳感器客戶實現更為嚴格的金屬污染控制。思銳智能還很看好未來碳化硅量產所帶來的離子注入機需求。陳祥龍認為：“目前國內市場，碳化硅制備仍以中束流離子注入機為主。事實上，碳化硅對離子注入的能量要求及劑量要求是非常高的，在碳化硅前期產業規模還不大的時候，中束流離子注入機尚可以覆蓋所有的能量段，但這并不是最佳選擇。碳化硅中摻雜元素的劑量偏大，因此需要高能或大束流碳化硅離子注入機來滿足量產需求。我們推出的SRII-8M高能離子注入機也是為了滿足未來我國碳化硅量產的需求。”據了解，今年年初，思銳智能實現SRII-8M高能離子注入機整機下線，目前已在幾家主流FAB廠做測試，從數據反饋來看，整體機臺的表現良好。

　　“中國大陸半導體制造的產能主要集中在成熟制程。思銳智能希望充分滿足這一部分的量產需求，以穩定、可靠的產品進一步鞏固市場經驗與優勢，進而迎接未來先進工藝制程對離子注入機的挑戰。” 聶翔表示：

　　作者：許子皓　　來源：中國電子報、電子信息產業網