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在此之前，我國最頂尖的光刻機(jī)制程工藝還僅僅停留在90nm，和28nm之間差了65nm、40nm2個關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)?？梢哉f，這次的成就是國內(nèi)晶圓制造領(lǐng)域一次實(shí)實(shí)在在的大跨越，極大緩解了因?yàn)槊绹鈿⒅袊萍计髽I(yè)帶來的沉重氣氛和悲觀情緒。
事實(shí)上，近期我國半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的好消息不只這一個。在光刻機(jī)這一明星產(chǎn)品的光芒之下，一種同樣位于芯片制造核心、重要性可以說僅次于光刻機(jī)的設(shè)備也取得了突破，達(dá)到了可以摸西方“腳后跟”的水平。
6月30日，新華社報道，中國電子科技集團(tuán)旗下電科裝備自主研制的高能離子注入機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)百萬電子伏特高能離子加速，將在年底前推出首臺高能離子注入機(jī)，并可以為全球芯片制造企業(yè)提供離子注入機(jī)成套解決方案。
在此之前的6月15日，爍科中科信宣布，12英寸中束流離子注入機(jī)順利搬入集成電路大產(chǎn)線。更早之前的4月，兩大離子注入機(jī)供應(yīng)商爍科中科信、凱世通攜手參與的“大束流離子注入機(jī)裝備及工藝研發(fā)”項(xiàng)目榮獲北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。
以上事例說明，在半導(dǎo)體領(lǐng)域追趕發(fā)達(dá)國家的過程中，我國又取得了長足的進(jìn)步。
雖然消息很激勵人心，不過想必大多數(shù)人看到這幾條新聞，首先冒出來的念頭應(yīng)該是“什么是離子注入機(jī)？”
離子注入和離子注入機(jī)
在之前詳細(xì)介紹光刻機(jī)的文章（《當(dāng)前中國芯片行業(yè)的那些“命門”：光刻機(jī)到底有多難？》）中，我們曾將芯片制造分為光刻膠旋涂、曝光、顯影、蝕刻等步驟，那實(shí)際上并非芯片制造過程的全部，而只是和光刻機(jī)相關(guān)的部分。
從整體上看，芯片制造可以分為7個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分別是擴(kuò)散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蝕(Etch)、離子注入(Ion Implant)、薄膜生長(Dielectric Deposition)、拋光(CMP，即化學(xué)機(jī)械拋光)、金屬化(metalization)。
對應(yīng)著7個環(huán)節(jié)，芯片制造流程需要7種核心設(shè)備：擴(kuò)散爐、光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)、清洗機(jī)。
離子注入是現(xiàn)代芯片制造中必不可少的環(huán)節(jié)，它是利用離子注入機(jī)將特定的雜質(zhì)原子以離子加速的方式注入硅半導(dǎo)體晶體內(nèi)，改變其導(dǎo)電特性，簡單說，就是向硅片里摻雜一些雜質(zhì)。
可能有人很奇怪，好不容易把沙子做成純硅片，為什么又要往硅片里摻雜質(zhì)？回答這個問題，首先要厘清半導(dǎo)體的概念。
雖然在現(xiàn)在的大眾語境下，半導(dǎo)體基本被等同于集成電路，“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)”等同于芯片產(chǎn)業(yè)，但從原義上說，半導(dǎo)體實(shí)際上指的是一大類物質(zhì)，即常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。
眾所周知，身邊那些通常情況下不導(dǎo)電的物質(zhì)，比如橡膠、玻璃、陶瓷燈等，我們都稱之為絕緣體；而金、銀、銅、鐵等金屬物質(zhì)則是導(dǎo)電的，稱為導(dǎo)體，可以簡單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。
半導(dǎo)體之所以有用，就是因?yàn)樗倪@種介乎導(dǎo)電與不導(dǎo)電之間的性質(zhì)。但問題在于，純凈的硅在室溫下，導(dǎo)電率是很小的，接近于絕緣體。同時，一整片的硅片也無法控制其電流走向，所以要在特定的地方摻入雜質(zhì)，改變其導(dǎo)電率和導(dǎo)電性質(zhì)。
過去，讓硅片摻入雜質(zhì)通常采用的是擴(kuò)散工藝，也就是將需要的雜質(zhì)和硅片一起放在高溫環(huán)境中，利用粒子從濃度高處移向濃度低處的原理，使雜質(zhì)自然擴(kuò)散到硅片中。
但隨著芯片制程工藝不斷上升，集成度越來越高，尺寸越來越小，雜質(zhì)在硅片中擴(kuò)散的濃度、深度和分布范圍都需要更精確地控制，所以小尺寸的芯片現(xiàn)在都采用離子注入工藝。
相比于擴(kuò)散，離子注入的優(yōu)點(diǎn)有很多，包括可以精確控制摻雜濃度和摻雜深度、可以獲得任意的雜質(zhì)分布、雜質(zhì)濃度的均勻性和重復(fù)性好、摻雜溫度低、沾污少、無固溶度極限。
在芯片制造中，離子注入的作用是在硅片上特定的地方，摻入N型雜質(zhì)（帶負(fù)點(diǎn)）或P型雜質(zhì)（帶正電），也就是N阱或P阱，然后在阱區(qū)上制造晶體管（現(xiàn)在都是場效應(yīng)管MOS-FET了，原理可自行谷歌）。
具體流程可以參考之前關(guān)于光刻機(jī)的文章，只不過在蝕刻步驟之前，要加入離子注入工序：
1、在光刻膠被清除的地方注入N型雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，形成阱區(qū)。
2、在阱區(qū)上形成二氧化硅層。
3、在垂直爐中覆蓋一層導(dǎo)電的多晶硅。
4、通過光刻和蝕刻去除部分多晶硅，只剩下連接各個晶體管的多晶硅管道，作為晶體管柵極。
5、通過再一次光刻和離子注入，制程晶體管的源/漏極。
6、退火。
之后多次重復(fù)上述工序，就在硅片表面制造出了一層一層的電路。可以說，在芯片中晶體管制造這一工序上，離子注入機(jī)做的工作占大頭。
難點(diǎn)
前面提到，離子注入有許多優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也非常顯著，首先是用高能雜質(zhì)離子轟擊硅片，如果控制不好，可能會使硅片晶格產(chǎn)生損傷，甚至失去晶體特性。另一個缺點(diǎn)對于我國更加顯著，那就是晶體注入需要非常復(fù)雜且昂貴的機(jī)器，技術(shù)門檻很高。
總的來說，離子注入機(jī)包括離子源、離子引入和質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔5個部分組成。
離子注入機(jī)
雖然看上去只有“區(qū)區(qū)”5部分，但是僅離子源就包括了下面這么多東西，整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度可想而知。
離子源
系統(tǒng)復(fù)雜還在其次，其內(nèi)部運(yùn)作的工序也十分繁瑣，離子源是離子注入機(jī)的主要部位，作用是把需要注入的元素氣態(tài)粒子電離成離子，決定要注入離子的種類和束流強(qiáng)度。
離子源直流放電或高頻放電產(chǎn)生的電子作為轟擊粒子，當(dāng)外來電子的能量高于原子的電離電位時，通過碰撞使元素發(fā)生電離。碰撞后除了原始電子外，還出現(xiàn)正電子和二次電子。
正離子進(jìn)入質(zhì)量分析器選出需要的離子，再經(jīng)過加速器獲得較高能量，由四級透鏡聚焦后進(jìn)入靶室，進(jìn)行離子注入。
從學(xué)術(shù)角度，顯示操作包括以下工序：
1、離化反應(yīng)：真空低壓離化反應(yīng)室碰撞產(chǎn)生離子；
2、質(zhì)譜分析：選擇需要的硼離子；
3、離子加速：獲取動能以穿透晶圓表明；
4、電荷控制：防止高強(qiáng)正電荷破壞晶圓絕緣層；
5、束流與掃描：為使注入成功束流需聚焦并對晶圓掃描；
6、退出靶室：取出靶室并裝入片駕盒。
在這個過程中也有許多難點(diǎn)，比如晶片在不同機(jī)器間傳遞容易碎裂、束流穩(wěn)定性不足、離子源壽命不足、冷卻達(dá)不到指標(biāo)、晶片可能被擊穿等等。
列強(qiáng)環(huán)伺
常用的生產(chǎn)型離子注入機(jī)主要有3種，分別是低能大束流注入機(jī)、高能注入機(jī)和中束流注入機(jī)，主要以能量范圍區(qū)分。
低能大束流離子注入機(jī)的能量范圍在0.2-100KeV，主要用于高劑量、淺度摻雜；中束流離子注入機(jī)能量范圍在數(shù)百keV，主要用于中低劑量、高精度控制摻雜；高能離子注入機(jī)能量范圍在百萬eV，主要用于深度摻雜。
除了這3種主流機(jī)器外，還有一些為滿足特別需求制造的特種應(yīng)用離子注入機(jī)。
在實(shí)際制造過程中，各環(huán)節(jié)對離子注入的要求不同，比如在結(jié)深（在注入時給予離子的能量）、劑量（注入時所需的雜質(zhì)數(shù)量大?。⒕鶆蛐?、重復(fù)性等方面都有不同的需求。所以為了滿足這些不同的需求，各類離子注入機(jī)在芯片設(shè)計中都會得到應(yīng)用。
不過，從重要程度而言，高能離子注入機(jī)的能量范圍需要高達(dá)幾MeV（百萬電子伏特），是離子注入機(jī)中技術(shù)難度最大的機(jī)型?，F(xiàn)代新型集成電路和電力電子器件的制造，離不開高能離子注入工藝，包括DRAM、IGBT、FSD等等。它也是IGBT器件制造工藝的關(guān)鍵設(shè)備。
就在今年，我國在這個領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步，已經(jīng)快要接近行業(yè)領(lǐng)先水平。不過我國自主制造的設(shè)備產(chǎn)量如何尚未可知，對市場格局的影響還需要時間觀察。
從往年的數(shù)據(jù)看，這個行業(yè)存在較高競爭壁壘，所以行業(yè)集中度較高，而且集中在美國廠商受眾。應(yīng)用材料（Applied Materials）、亞舍立（Axcelis）、漢辰科技（Advanced Ion Beam Technology，AIBT）合計占據(jù)全球80%的市場。
