【專題 | 「半導(dǎo)體設(shè)備」刻蝕機(jī)_薄膜沉積設(shè)備_半導(dǎo)體封裝設(shè)備】

　　離子注入是半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)的關(guān)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(jī)與光刻機(jī)、刻蝕機(jī)和鍍膜設(shè)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(dǎo)體等半導(dǎo)體品類的工藝不斷提升，對離子注入設(shè)備提出的要求也越來越高，這一領(lǐng)域的一些新進(jìn)入者卻認(rèn)為，技術(shù)提升給行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，也同時孕育了新的機(jī)遇。

　　離子注入設(shè)備：門檻高但用處大

　　離子注入是一種半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)，具有低溫?fù)诫s、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好等優(yōu)點，經(jīng)離子注入摻雜所制成的幾十種半導(dǎo)體器件和集成電路擁有速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、成品率高等特點。對于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來說，離子注入是一種理想的摻雜工藝。

　　根據(jù)離子束電流和束流能量范圍，離子注入機(jī)可分為三大類，分別是中低束流離子注入機(jī)、低能大束流離子注入機(jī)、高能離子注入機(jī)。低能大束流離子注入機(jī)通常掃描硅片超淺源漏區(qū)注入的超低能束流，被應(yīng)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(jī)流能量超過200keV，最高達(dá)到幾個MeV向溝槽或厚氧化層下面注入雜質(zhì)能形成倒摻雜阱和埋層，較多應(yīng)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(jī)的技術(shù)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(yè)和信息化研究院(集團(tuán))四川有限公司平臺運營部兼產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新小組經(jīng)理、高級工程師池憲念告訴記者。

　　青島四方思銳智能技術(shù)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(jī)整個工藝路線極為復(fù)雜，涉及十幾個學(xué)科的知識范疇，并且系統(tǒng)間互相耦合，因此，其制造難度僅次于光刻機(jī)，本土化率遠(yuǎn)低于去膠機(jī)、刻蝕設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備等環(huán)節(jié)。”

數(shù)據(jù)來源：海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)在線查詢平臺

　　中國電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會常務(wù)副秘書長金存忠表示：“海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年主要的13類半導(dǎo)體設(shè)備的進(jìn)口額同比減少8.1%，但離子注入機(jī)的進(jìn)口額同比增長16.3%，說明我國在離子注入機(jī)領(lǐng)域仍存在欠缺。”

　　雖然離子注入機(jī)的研發(fā)難度非常高，所需的資金、技術(shù)、時間以及人力的投入都十分巨大，但對于蓬勃發(fā)展的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈來說，是急需突破的半導(dǎo)體設(shè)備細(xì)分領(lǐng)域。

　　三大應(yīng)用領(lǐng)域：對離子注入機(jī)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(dǎo)體設(shè)備的發(fā)展，離子注入機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多，技術(shù)要求越來越高。

　　據(jù)《中國電子報》記者了解，離子注入機(jī)將主要在三大芯片品類的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中得到需求增長，尤其是研發(fā)難度更大的高能離子注入機(jī)。

　　首先在邏輯芯片和存儲芯片領(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)點的升級，離子注入道數(shù)越來越多，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。對于設(shè)備的Particle控制、角度控制、損傷控制等要求會更加嚴(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，在消費類市場，智能手機(jī)對于相機(jī)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(jī)可以幫助CMOS圖像傳感器制造商，實現(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。思銳智能副總經(jīng)理陳祥龍告訴記者，功率器件的發(fā)展并不是一味追求尺寸的微縮，而是追求耐壓、開關(guān)速率、轉(zhuǎn)換效率的平衡，其中就要求離子注入機(jī)提供穩(wěn)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(qiáng)度，從而滿足耐高壓的應(yīng)用需求。

　　如碳化硅功率器件，由于碳化硅難以熱擴(kuò)散，因此需要更高能量才能達(dá)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(jī)來滿足量產(chǎn)需求。

　　新玩家：高能離子注入設(shè)備或是機(jī)會

　　數(shù)據(jù)顯示，2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模為1175億美元(約合人民幣8587億元)，其中離子注入設(shè)備市場規(guī)模達(dá)206億元，預(yù)計2023年增至211億元。在中國大陸市場，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。

數(shù)據(jù)來源：SEMI，Gartner，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院

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

　　池憲念表示，新玩家想要進(jìn)入離子注入機(jī)這個賽道將面臨兩方面難題：一是離子注入機(jī)制造所需的關(guān)鍵元器件和精密零部件的技術(shù)難度高;二是離子注入機(jī)在芯片制造廠完成設(shè)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(huán)節(jié)，離子注入機(jī)雖研制難度極大，但設(shè)備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為單一，通用性較強(qiáng)，且較易實現(xiàn)規(guī)模化放量。業(yè)內(nèi)人士表示，離子注入機(jī)設(shè)備研發(fā)前期花費巨大，不過一旦跨越“0到1”的突破，順利進(jìn)入Fab廠生產(chǎn)線，實現(xiàn)“1到N”的增長就會非常快。

　　思銳智能就是離子注入機(jī)領(lǐng)域的新玩家，聶翔表示，不同芯片離子注入需求不同，所需機(jī)型也是不一樣的，三類機(jī)型的離子注入機(jī)(呈現(xiàn)互補(bǔ)并存的關(guān)系，在技術(shù)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(jī)并進(jìn)行深耕，最終實現(xiàn)機(jī)臺穩(wěn)定、可靠的性能要求。“后續(xù)再按照節(jié)奏，從高能離子注入機(jī)向中低束流離子注入機(jī)、低能大束流離子注入機(jī)延伸，實現(xiàn)離子注入機(jī)全系列機(jī)臺的全覆蓋。” 聶翔表示。

思銳智能推出的高能離子注入機(jī)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(jī)SRII-8M，可以幫助CMOS圖像傳感器客戶實現(xiàn)更為嚴(yán)格的金屬污染控制。思銳智能還很看好未來碳化硅量產(chǎn)所帶來的離子注入機(jī)需求。陳祥龍認(rèn)為：“目前國內(nèi)市場，碳化硅制備仍以中束流離子注入機(jī)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(chǎn)業(yè)規(guī)模還不大的時候，中束流離子注入機(jī)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(jī)來滿足量產(chǎn)需求。我們推出的SRII-8M高能離子注入機(jī)也是為了滿足未來我國碳化硅量產(chǎn)的需求。”據(jù)了解，今年年初，思銳智能實現(xiàn)SRII-8M高能離子注入機(jī)整機(jī)下線，目前已在幾家主流FAB廠做測試，從數(shù)據(jù)反饋來看，整體機(jī)臺的表現(xiàn)良好。

　　“中國大陸半導(dǎo)體制造的產(chǎn)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(chǎn)需求，以穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品進(jìn)一步鞏固市場經(jīng)驗與優(yōu)勢，進(jìn)而迎接未來先進(jìn)工藝制程對離子注入機(jī)的挑戰(zhàn)。” 聶翔表示：

　　作者：許子皓　　來源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)