產(chǎn)品表面處理是一種通過改變材料表面的化學(xué)、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(fù)雜，設(shè)備昂貴，但是離子注入的溫度條件相對(duì)擴(kuò)散工藝較低，同時(shí)可形成更加靈活和準(zhǔn)確的摻雜分布。


SiC關(guān)鍵工藝:離子注入

離子注入是一種向半導(dǎo)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(xué)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(duì)于碳化硅來說，使用高溫?cái)U(kuò)散工藝進(jìn)行摻雜相當(dāng)困難。碳化硅中碳硅鍵能高，雜質(zhì)原子在碳化硅中難以擴(kuò)散。

進(jìn)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(kuò)散常數(shù)系數(shù)極小，想要實(shí)現(xiàn)選擇性摻雜，采用擴(kuò)散工藝不現(xiàn)實(shí)。

如采用擴(kuò)散工藝，SiC擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于Si，即SiC中需要極高溫度（2000℃以上）才能得到理想的擴(kuò)散系數(shù)。而如此高溫也會(huì)引入多種擴(kuò)散缺陷會(huì)惡化器件的電學(xué)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(duì)晶格的破壞接近于非晶態(tài)，則晶格很難恢復(fù)。因此，通常使用高溫（~500°C）注入，特別是當(dāng)注入劑量非常高時(shí)?？梢宰畲笙薅鹊販p少離子轟擊對(duì)晶格的破壞，尤其是對(duì)于良好的歐姆接觸特性所需的高摻雜密度。

同時(shí)，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(huì)造成工藝制造成本高、流片效率低。


離子注入機(jī)的“機(jī)遇”與“挑戰(zhàn)”

在離子注入設(shè)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(dǎo)到半導(dǎo)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(shù)門檻高

離子注入機(jī)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(dǎo)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(jī)是一種駕馭離子數(shù)的復(fù)雜裝置，體現(xiàn)多學(xué)科融合的特點(diǎn)，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(yùn)轉(zhuǎn)。涉及的學(xué)科門類，既有強(qiáng)電，也有弱電，既有機(jī)械又有電子，既有硬件又有軟件，既有設(shè)備又有工藝，所以說是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程。

李勇軍博士補(bǔ)充，在設(shè)備領(lǐng)域研發(fā)難度離子注入機(jī)僅次于光刻機(jī)。離子注入機(jī)注入工藝驗(yàn)證困難，需要2~3個(gè)月芯片制造完成后，測(cè)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(jī)是技術(shù)門檻最高產(chǎn)品，因?yàn)殡x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(zhǔn)了低能大速流和高能機(jī)兩種高難度產(chǎn)品，目前均已實(shí)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(dāng)下離子注入成為半導(dǎo)體發(fā)展的核心且必須國產(chǎn)替代的設(shè)備。首先在邏輯芯片和存儲(chǔ)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(diǎn)的升級(jí)，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(duì)于設(shè)備的Particle控制、角度控制、損傷控制等要求會(huì)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(fèi)類市場(chǎng)，智能手機(jī)對(duì)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(shí)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。

市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)離子注入設(shè)備需求不斷加大的同時(shí)我國進(jìn)口先進(jìn)離子注入機(jī)的難度也在加大。

在美國的推動(dòng)下，日本已經(jīng)出臺(tái)了新的半導(dǎo)體設(shè)備出口管制措施。隨后，荷蘭也宣布，加入了全球范圍內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備出口的管制措施。我國半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體為代表的產(chǎn)品可靠、技術(shù)先進(jìn)的離子注入設(shè)備供應(yīng)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(chǔ)、功率多個(gè)方向。公司產(chǎn)品持續(xù)升級(jí)、覆蓋面持續(xù)增加，目前已實(shí)現(xiàn) 28nm 低能離子注入工藝全覆蓋，并已完成產(chǎn)線驗(yàn)證及驗(yàn)收。同時(shí)，公司啟動(dòng)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(jī)等全系列產(chǎn)品的評(píng)估，縮短從技術(shù)驗(yàn)證到客戶導(dǎo)入的時(shí)間。


3、光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)“節(jié)節(jié)敗退”

離子注入機(jī)不僅廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域，光伏領(lǐng)域也有巨大市場(chǎng)。離子注入機(jī)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(dǎo)體材料的工藝，是為了改變半導(dǎo)體材料電學(xué)特性，從而得到所需電學(xué)參數(shù)。摻雜方法主要有擴(kuò)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(xiàng)非常重要的工藝，它可以大幅度提高光電轉(zhuǎn)換率，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)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(dǎo)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(jìn)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(shí)可對(duì)發(fā)射極進(jìn)行熱氧化鈍化，可減少表面復(fù)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(xué)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(shí)現(xiàn)晶硅太陽能電池的高光電轉(zhuǎn)換率。

但是離子注入機(jī)的缺點(diǎn)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(jìn)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(kuò)散工藝低;

4）、離子注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。

我國分布式光伏發(fā)電補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和新增集中式光伏電站指導(dǎo)價(jià)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(dǎo)價(jià)。光伏企業(yè)難以承受價(jià)格高昂的離子注入機(jī)，紛紛采用雜質(zhì)擴(kuò)散工藝為替代。離子注入機(jī)在光伏領(lǐng)域市場(chǎng)不斷縮小。

雖然在光伏領(lǐng)域離子注入機(jī)逐漸被其他工藝替代，但是我國半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅猛，離子注入機(jī)未來市場(chǎng)依舊一片大好。