半导体离子注入设备市场受应用领域需求影响，门槛高用处大！

【专题 | 「半导体设备」刻蚀机_薄膜沉积设备_半导体封装设备】

　　离子注入是半导体器件和集成电路生产的关键工艺之一，其提供的高精度和高均匀性可以大幅度提高集成电路的成品率，因此，离子注入机与光刻机、刻蚀机和镀膜设备并称为芯片制造的四大核心工艺装备。

　　逻辑和存储芯片、CMOS图像传感器、功率半导体等半导体品类的工艺不断提升，对离子注入设备提出的要求也越来越高，这一领域的一些新进入者却认为，技术提升给行业带来了新的挑战，也同时孕育了新的机遇。

　　离子注入设备：门槛高但用处大

　　离子注入是一种半导体材料的掺杂技术，具有低温掺杂、精确的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好等优点，经离子注入掺杂所制成的几十种半导体器件和集成电路拥有速度快、功耗低、稳定性好、成品率高等特点。对于大规模、超大规模集成电路来说，离子注入是一种理想的掺杂工艺。

　　根据离子束电流和束流能量范围，离子注入机可分为三大类，分别是中低束流离子注入机、低能大束流离子注入机、高能离子注入机。低能大束流离子注入机通常扫描硅片超浅源漏区注入的超低能束流，被应用于逻辑芯片、DRAM、3D存储器和CMOS图像传感器制造中;高能离子注入机流能量超过200keV，最高达到几个MeV向沟槽或厚氧化层下面注入杂质能形成倒掺杂阱和埋层，较多应用在功率器件、IGBT、CMOS图像传感器、5G射频、逻辑芯片等器件制备过程中。

　　“离子注入机的技术壁垒主要有三点：一是角度控制，注入角度精度±0.1°，随着制程的缩小，对注入角度要求更高;二是剂量控制，即对均匀性、浓度的控制要求高;三是能量控制，要求能量控制在±1%。”赛迪工业和信息化研究院(集团)四川有限公司平台运营部兼产业创新小组经理、高级工程师池宪念告诉记者。

　　青岛四方思锐智能技术有限公司董事长聂翔在接受《中国电子报》记者采访时表示：“离子注入机整个工艺路线极为复杂，涉及十几个学科的知识范畴，并且系统间互相耦合，因此，其制造难度仅次于光刻机，本土化率远低于去胶机、刻蚀设备、薄膜沉积设备等环节。”

数据来源：海关统计数据在线查询平台

　　中国电子专用设备工业协会常务副秘书长金存忠表示：“海关数据显示，2022年主要的13类半导体设备的进口额同比减少8.1%，但离子注入机的进口额同比增长16.3%，说明我国在离子注入机领域仍存在欠缺。”

　　虽然离子注入机的研发难度非常高，所需的资金、技术、时间以及人力的投入都十分巨大，但对于蓬勃发展的中国半导体产业链来说，是急需突破的半导体设备细分领域。

　　三大应用领域：对离子注入机提出高要求

　　随着超摩尔时代的到来，围绕新材料、新工艺、新制程的研究逐渐增多，推动了半导体设备的发展，离子注入机的应用领域也越来越多，技术要求越来越高。

　　据《中国电子报》记者了解，离子注入机将主要在三大芯片品类的生产环节中得到需求增长，尤其是研发难度更大的高能离子注入机。

　　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。思锐智能副总经理陈祥龙告诉记者，功率器件的发展并不是一味追求尺寸的微缩，而是追求耐压、开关速率、转换效率的平衡，其中就要求离子注入机提供稳定的薄片传输能力，因为更薄的器件才能带来更大的电场强度，从而满足耐高压的应用需求。

　　如碳化硅功率器件，由于碳化硅难以热扩散，因此需要更高能量才能达到特定深度的注入，而且碳化硅中掺杂元素的剂量偏大，需要高能或大束流碳化硅离子注入机来满足量产需求。

　　新玩家：高能离子注入设备或是机会

　　数据显示，2022年全球半导体设备市场规模为1175亿美元(约合人民币8587亿元)，其中离子注入设备市场规模达206亿元，预计2023年增至211亿元。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。

数据来源：SEMI，Gartner，华经产业研究院

　　从市场格局上看，全球离子注入机设备主要以应用材料(AMAT)、亚舍立(Acelis)、日本Nissin及SEN等国外厂商为主导。从产品布局看，应用材料主要产品包括大束流离子注入机、中束流离子注入机、超高剂量的离子注入;亚舍立主要产品为高能离子注入机;日本Nissin主要生产中束流离子注入机;SEN产品包括高束流离子注入机、中束流离子注入机、高能量离子注入机。

　　池宪念表示，新玩家想要进入离子注入机这个赛道将面临两方面难题：一是离子注入机制造所需的关键元器件和精密零部件的技术难度高;二是离子注入机在芯片制造厂完成设备验证工作的时间周期较长和投入费用较高。”

　　然而，相较于薄膜沉积、刻蚀等环节，离子注入机虽研制难度极大，但设备产品结构较为单一，通用性较强，且较易实现规模化放量。业内人士表示，离子注入机设备研发前期花费巨大，不过一旦跨越“0到1”的突破，顺利进入Fab厂生产线，实现“1到N”的增长就会非常快。

　　思锐智能就是离子注入机领域的新玩家，聂翔表示，不同芯片离子注入需求不同，所需机型也是不一样的，三类机型的离子注入机(呈现互补并存的关系，在技术路径选择上，思锐智能选择率先攻克难度最高的高能离子注入机并进行深耕，最终实现机台稳定、可靠的性能要求。“后续再按照节奏，从高能离子注入机向中低束流离子注入机、低能大束流离子注入机延伸，实现离子注入机全系列机台的全覆盖。” 聂翔表示。

思锐智能推出的高能离子注入机SRII-8M

图片来源：思锐智能

　　思锐智能新近推出了高能离子注入机SRII-8M，可以帮助CMOS图像传感器客户实现更为严格的金属污染控制。思锐智能还很看好未来碳化硅量产所带来的离子注入机需求。陈祥龙认为：“目前国内市场，碳化硅制备仍以中束流离子注入机为主。事实上，碳化硅对离子注入的能量要求及剂量要求是非常高的，在碳化硅前期产业规模还不大的时候，中束流离子注入机尚可以覆盖所有的能量段，但这并不是最佳选择。碳化硅中掺杂元素的剂量偏大，因此需要高能或大束流碳化硅离子注入机来满足量产需求。我们推出的SRII-8M高能离子注入机也是为了满足未来我国碳化硅量产的需求。”据了解，今年年初，思锐智能实现SRII-8M高能离子注入机整机下线，目前已在几家主流FAB厂做测试，从数据反馈来看，整体机台的表现良好。

　　“中国大陆半导体制造的产能主要集中在成熟制程。思锐智能希望充分满足这一部分的量产需求，以稳定、可靠的产品进一步巩固市场经验与优势，进而迎接未来先进工艺制程对离子注入机的挑战。” 聂翔表示：

　　作者：许子皓　　来源：中国电子报、电子信息产业网