離子注入設備是半導體器件制造中關鍵摻雜設備之一。在離子注入設備中，摻雜劑材料被離子化，并由此生成離子束。離子束被引導到半導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，他們決定了離子注入的濃度和有效深度。
凱世通董事長李勇軍博士在“2023北京微電子國際研討會暨ICWORLD”大會上，從離子注入機起源與演進，分析離子注入機在集成電路發展過程中所起到的推動作用，分析離子注入機如何最終成為美、日企業巨頭壟斷的原因。
離子注入機的起源
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離子注入機發展從20世紀40到60年代開始，是核物理研究計劃研究而制造的粒子加速器衍生改變而來的。
李勇軍博士分析，離子注入機是一種核物理的研究裝置，核反應需要人工制造高能量離子炮彈猛烈轟擊原子核來實現，離子加速器就是制造這種轟擊炮彈的重要手段，它是通過高壓電場產生一種特定能量的粒子，來擊破原子核最后觀察核反應的內在規律。
在二戰之后，美國是發展核技術先驅，1946年美國 MIT誕生HVE公司，它是有兩位MIT的科學家和英國一個電氣工程師創立，創立目的是實現離子加速器的商業化。
離子注入機在半導體行業發展早期主要是為半導體實驗室研究服務。在40年代，威廉·肖克里、約翰巴丁和沃爾特布拉頓合作發明晶體管，因而也獲得了諾貝爾物理學獎。
1954年肖克利申請首個用離子注入裝置制造半導體的專利。1955年肖克利離開貝爾實驗室，回到他的家鄉加州之后就創辦了肖克利實驗室，招募了幾位才華橫溢的年輕人，開創仙童半導體，拉開硅谷半導體產業蓬勃發展帷幕。
上個世紀60年代，因為核物理理論基本構建完成，美國政府給予加速器研究資金日益枯竭，HVE收入就受到影響，加速商業化勢在必行。HVE看到了美國西海岸硅谷的半導體產業商業機會，開始轉向了離子注入機的研究。1968年HVE收到了仙童半導體公司離子注入機訂單，離子注入機也正式進入半導體商用制造領域。
離子注入機大規模應用是從上個世紀70年代開始，實現精準摻雜在早期半導體制造中主要是通過熱擴散工藝。離子注入相比熱擴散具有方向性好、精準的優勢。所以隨著半導體器件制造的精度要求是越來越高，離子注入機逐步替代熱擴散。在構建半導體器件電學特性，改變材料特性方面發揮廣泛的作用。
MOS制造工藝創新過程中，柵極的材料起初是用鋁，后來逐漸多晶硅替代鋁。由于多晶硅熔點高，方便離子注入后退火，所以進一步促進了離子注入逐漸取代擴散，成為主流的半導體制造工藝。先柵極后源、漏級的工藝能夠實現自對準。
自對準就是原極和漏極正好在柵極的兩側，減少柵極和原極、漏極之間的重疊，同時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在芯片制造中應用是越來越廣。
推動IC制造發展
芯片制造是集成電路產業發展的主軸，裝備、材料是創新推動力。1965年戈登·摩爾提出摩爾定律每18~24個月芯片性能翻一倍，價格降一半，能否延續摩爾定律對芯片制造公司和設備、材料公司投資挑戰，所以半導體供應鏈需要團結合作，不斷創新。
為了保證這個先進制程不斷發展下去，設備方面最關鍵的兩個創新推動力，一個是光刻機，另外一個是離子注入機。
光刻機定義了芯片圖形結構，離子注入機定義了芯片電學特性。
所以隨著柵極長度的微縮，原極和漏極的深度也是同步在減少，保持晶體場內部的電場的平衡。在過去50年，離子注入機不斷推陳出新，保證摩爾定律的有效性。
產業、技術演變
離子注入技術迭代是遵循一代器件、一代工藝、一代設備的規律，晶圓尺寸越來越大，特征尺寸越來越小，對離子注入機性能要求也越來越高。時至今日離子注入機領域已經被以美國為主，日本為輔的幾家寡頭公司所壟斷，國產化率是低于5%。
從時間軸來看，上世紀60年代中束流離子注入機被少量使用，相對于高溫擴散工藝離子注入可以做到低溫摻雜，劑量精準可控，但是還不是不可或缺。
到70～80年代是離子注入機開始大規模使用的階段。由于多晶硅柵極MOS管出現，離子注入機被大規模使用，提出大劑量注入需求。到80年代，根據當時先進DRAM電子器件制造需求，兆伏級高能離子注入機也被研制出來并投入使用。80年代末90年代初，隨著晶圓尺寸向8英寸過渡，8英寸的離子注入機也應運而生。
2000年以后，隨著晶圓制造進入12英寸時代，對離子注入機均勻性、顆粒污染控制提出了更高要求。離子注入機也進入了單片模式就是sigle &wefer，隨著工藝制程進入幾十納米階段，低能大束流離子注入機出現，讓摩爾定律可以繼續延續下去。
目前這個離子注入機全球市場總規模達到50多億美金，按品牌來看，2021 年 70%的市場空間被應用材料所占有，Axceils 占有剩余 20%的市場空間，其他廠商僅僅占 10%的市場空間。
根據應用場景不同，在計量和能量坐標系下的離子注入機大體分成的三個區域，也對應離子注入機的三個細分機型：低能大束流、中束流和高能離子注入，市場容量分別是60%，20%和20%。
劑量指的是注入硅晶體的摻雜劑的多少，能量則決定這個摻雜劑進入硅晶體的有效深度。
不同類型的離子注入機是當前芯片制造中關鍵一環。不同的芯片實際上對離子柱機都有不同需求，每條產線上需要配置不同離子注入機組合。
技術門檻高
離子注入機包含五大結構：離子源、離子引入和質量分析器、加速管、掃描系統和工藝腔。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，離子注入機是一種駕馭離子數的復雜裝置，體現多學科融合的特點，涉及高真空系統、高壓系統，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、軟件系統如何高效運轉。涉及的學科門類，既有強電，也有弱電，既有機械又有電子，既有硬件又有軟件，既有設備又有工藝，所以說是一個巨大的系統工程。
李勇軍博士補充，在設備領域研發難度離子注入機僅次于光刻機。離子注入機注入工藝驗證困難，需要2~3個月芯片制造完成后，測量電性才知道離子注入質量如何。其中低能大束流離子注入機是技術門檻最高產品，因為離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，凱世通瞄準了低能大速流和高能機兩種高難度產品，目前均已實現了產業化的突破。
國產化率低，國產替代前景好
當下離子注入成為半導體發展的核心且必須國產替代的設備。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。
市場對先進離子注入設備需求不斷加大的同時我國進口先進離子注入機的難度也在加大。
在美國的推動下，日本已經出臺了新的半導體設備出口管制措施。隨后，荷蘭也宣布，加入了全球范圍內對半導體設備出口的管制措施。我國半導體設備通過國外采購的難度加大，國產替代迫在眉睫。近些年涌現出一批以凱世通、芯崳半導體為代表的產品可靠、技術先進的離子注入設備供應商。
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、功率多個方向。公司產品持續升級、覆蓋面持續增加，目前已實現 28nm 低能離子注入工藝全覆蓋，并已完成產線驗證及驗收。同時，公司啟動了上海浦東金橋(600639)研發制造基地，可提供低能大束流、超低溫低能大束流、重金屬低能大束流、高能離子注入機等全系列產品的評估，縮短從技術驗證到客戶導入的時間。
光伏產業市場“節節敗退”
離子注入機不僅廣泛應用在半導體領域，光伏領域也有巨大市場。離子注入機在光伏產業摻雜工藝中扮演重要角色。
摻雜，是將一定數量的雜質摻入到半導體材料的工藝，是為了改變半導體材料電學特性，從而得到所需電學參數。摻雜方法主要有擴散和離子注入。
在晶硅太陽能(000591)電池的生產過程中，離子注入是一項非常重要的工藝，它可以大幅度提高光電轉換率，實現在應用中的精益有效。
加速離子束將特定元素注入太陽能電池片的表面。離子注入工藝的原理是利用加速器將離子束加速到高速，然后將離子束引導到太陽能電池的硅片表面，離子束與電池片表面相互作用，使得離子進入太陽能電池的表面層，注入的離子將太陽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，提升太陽能電池的光電轉換率。
離子注入制備發射極在高方阻情況下能保證很好的均勻性，且退火過程同時可對發射極進行熱氧化鈍化，可減少表面復合損失。離子注入制備的發射極能與絲網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能電池的有效受光面積，從而減少光學損失，通過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，實現晶硅太陽能電池的高光電轉換率。
但是離子注入機的缺點也是十分突出：
1、離子注入將在靶中產生大量晶格缺陷，且注入的雜質大部分停留在間隙位置處，因此需要進行退火處理;
2、離子注入難以獲得很深的結深;
3、離子注入的生產效率比擴散工藝低;
4、離子注入系統復雜昂貴。
我國分布式光伏發電補貼標準和新增集中式光伏電站指導價均有所降低。這已經是8年內第六次下調光伏行業指導價。光伏企業難以承受價格高昂的離子注入機，紛紛采用雜質擴散工藝為替代。離子注入機在光伏領域市場不斷縮小。
雖然在光伏領域離子注入機逐漸被其他工藝替代，但是我國半導體行業發展迅猛，離子注入機未來市場依舊一片大好。
根據Semi 數據在中國大陸市場，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。
（責任編輯：李顯杰 ）關鍵詞：
