探索半導體表面技術：離子注入關鍵設備“機遇”與“挑戰(zhàn)”并存

產(chǎn)品表面處理是一種通過改變材料表面的化學、物理性質(zhì)來改善其性能的方法。它可以提高材料的耐腐蝕性、耐磨性、硬度、美觀度等方面的性能，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。離子注入是一種將離子注入材料表面形成一定深度的硬化層的工藝。離子注入工藝復雜，設備昂貴，但是離子注入的溫度條件相對擴散工藝較低，同時可形成更加靈活和準確的摻雜分布。


SiC關鍵工藝:離子注入

離子注入是一種向半導體材料內(nèi)加入一定數(shù)量和種類的雜質(zhì)，以改變其電學性能的方法，可以精確控制摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況。


為什么SiC摻雜采用離子注入工藝更為合適？

對于碳化硅來說，使用高溫擴散工藝進行摻雜相當困難。碳化硅中碳硅鍵能高，雜質(zhì)原子在碳化硅中難以擴散。

進一步看，在SiC功率器件摻雜工藝中，N型摻雜通常采用氮(N)元素和磷(P)元素；P型摻雜通常采用鋁(Al)元素和硼(B)元素。

而這些雜質(zhì)原子的擴散常數(shù)系數(shù)極小，想要實現(xiàn)選擇性摻雜，采用擴散工藝不現(xiàn)實。

如采用擴散工藝，SiC擴散溫度遠高于Si，即SiC中需要極高溫度（2000℃以上）才能得到理想的擴散系數(shù)。而如此高溫也會引入多種擴散缺陷會惡化器件的電學性能，無法使用常見的光刻膠作為掩膜等，因而SiC摻雜采用離子注入工藝更為合適。

但是，如果注入過程中對晶格的破壞接近于非晶態(tài)，則晶格很難恢復。因此，通常使用高溫（~500°C）注入，特別是當注入劑量非常高時。可以最大限度地減少離子轟擊對晶格的破壞，尤其是對于良好的歐姆接觸特性所需的高摻雜密度。

同時，SiC摻雜也需要高能注入，一般注入能量在300keV，甚至需要打二階到700keV以上，這會造成工藝制造成本高、流片效率低。


離子注入機的“機遇”與“挑戰(zhàn)”

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(shù)，他們決定了離子注入的濃度和有效深度。


1、技術門檻高

離子注入機包含五大結(jié)構(gòu)：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。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(shù)的復雜裝置，體現(xiàn)多學科融合的特點，涉及高真空系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)，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(tǒng)如何高效運轉(zhuǎn)。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(tǒng)工程。

李勇軍博士補充，在設備領域研發(fā)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(zhì)量如何。其中低能大束流離子注入機是技術門檻最高產(chǎn)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(chǎn)品，目前均已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的突破。

2、國產(chǎn)化率低，國產(chǎn)替代前景好

當下離子注入成為半導體發(fā)展的核心且必須國產(chǎn)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(jié)點的升級，離子注入道數(shù)越來越多，所需的離子注入機的數(shù)量就越多。而在28納米以后的先進制程中，離子注入機的數(shù)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(xiàn)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(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)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(jīng)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(nèi)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(chǎn)替代迫在眉睫。近些年涌現(xiàn)出一批以凱世通、芯崳半導體為代表的產(chǎn)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(chǎn)品持續(xù)升級、覆蓋面持續(xù)增加，目前已實現(xiàn) 28nm 低能離子注入工藝全覆蓋，并已完成產(chǎn)線驗證及驗收。同時，公司啟動了上海浦東金橋研發(fā)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(chǎn)品的評估，縮短從技術驗證到客戶導入的時間。


3、光伏產(chǎn)業(yè)市場“節(jié)節(jié)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(chǎn)業(yè)摻雜工藝中扮演重要角色。

摻雜，是將一定數(shù)量的雜質(zhì)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(shù)。摻雜方法主要有擴散和離子注入。

在晶硅太陽能電池的生產(chǎn)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(zhuǎn)換率，實現(xiàn)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(zhuǎn)換率。

離子注入制備發(fā)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(fā)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(fā)射極能與絲網(wǎng)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(xiàn)晶硅太陽能電池的高光電轉(zhuǎn)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(chǎn)生大量晶格缺陷，且注入的雜質(zhì)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(jié)深;

3）、離子注入的生產(chǎn)效率比擴散工藝低;

4）、離子注入系統(tǒng)復雜昂貴。

我國分布式光伏發(fā)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(jīng)是8年內(nèi)第六次下調(diào)光伏行業(yè)指導價。光伏企業(yè)難以承受價格高昂的離子注入機，紛紛采用雜質(zhì)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(yè)發(fā)展迅猛，離子注入機未來市場依舊一片大好。