半導體設備之離子注入機行業(yè)研究
2022年1月17日 14:21瀏覽：2973
來源：中銀證券
一、離子注入是可實現(xiàn)數(shù)量及質(zhì)量可控的摻雜
摻雜改變晶圓片的電學性能。
由于本征硅（
即不含雜質(zhì)的硅單晶
）的導電性能很差，只有當硅中加 入適量雜質(zhì)使其結(jié)構和電學性能發(fā)生改變后才起到半導體的功能，這個過程被稱為摻雜。硅摻雜是 制備半導體器件中 P-N 結(jié)的基礎，是指將所需雜質(zhì)原子摻入特定的半導體區(qū)域以對襯底基片進行局 部摻雜，改變半導體的電學性質(zhì)，現(xiàn)已被廣泛應用于芯片制造的全過程。芯片制造中熱擴散和離子注入均可以向硅片中引入雜質(zhì)元素，具體區(qū)別如下：
熱擴散：
利用高溫驅(qū)動雜質(zhì)穿過硅的晶格結(jié)構，摻雜效果受時間和溫度的影響。
離子注入：
將高壓離子轟擊把雜質(zhì)引入硅片，雜質(zhì)與硅片發(fā)生原子級高能碰撞后才能被注入。
離子注入環(huán)節(jié)，注入的離子包括：B，P、As、Sb，C，Si、Ge，O，N，H 離子等等。
精確可控性使得離子注入技術成為最重要的摻雜方法
。隨著芯片特征尺寸 的不斷減小和集成度增加，各種器件也在不斷縮小，由于晶體管性能受摻雜剖面的影響越來越大， 離子注入作為唯一能夠精確控制摻雜的手段，且能夠重復控制摻雜的濃度和深度，使得現(xiàn)代晶圓片 制造中幾乎所有摻雜工藝都從熱擴散轉(zhuǎn)而使用離子注入來實現(xiàn)。
離子注入可準確控制摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度
離子注入屬于物理過程，通過入射離子的能量損耗機制達成靶材內(nèi)的駐留。
與熱擴散的利用濃度差 而形成的晶格擴散不同，離子注入通過入射離子與靶材（
被摻雜材料
）的原子核和電子持續(xù)發(fā)生碰 撞，損耗其能量并經(jīng)過一段曲折路徑的運動，使入射離子因動能耗盡而停止在靶材某一深度。
為了 精確控制注入深度，避免溝道效應(
直穿晶格而未與原子核或電子發(fā)生碰撞
)，需要使靶材的晶軸方向 與入射方向形成一定角度。離子注入主要利用兩個能量損耗機制：
電子阻礙：
雜質(zhì)原子與靶材電子發(fā)生反應，產(chǎn)生能量損耗。
核阻礙：
雜質(zhì)原子與靶材原子發(fā)生碰撞，造成靶材原子的移位。
劑量、射程、注入角度是離子注入技術的三個重要參數(shù)。離子注入向硅襯底中引入數(shù)量可控的雜質(zhì) 過程，需要離子注入設備通過控制束流和能量來實現(xiàn)摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度的準確控制。其中，離 子注入可控主要依靠三大重要參數(shù)的調(diào)節(jié)：
(1) 劑量：
注入硅片表面單位面積的離子數(shù)。正雜質(zhì)離子形成離子束后，其流量被稱為粒子束電流。當加大電流時，單位時間內(nèi)注入的雜質(zhì)離子數(shù)量也增大。
(2) 射程：
離子穿入硅片內(nèi)的總距離，與注入離子的能量和質(zhì)量有關。能量越高意味著雜質(zhì)離子的 射程越大，而離子能量需通過離子注入設備的加速管控制加速電勢差來獲得。能量單位一般以 電子電荷和電勢差的乘積表示，即 eV。
(3) 注入角度：
角度控制也影響到離子注入的射程。
二、離子注入機的分類、主要組成部分、零部件
根據(jù)離子束電流和束流能量范圍，離子注入機可分為三大類：中低束流離子注入機、低能大束流離 子注入機、高能離子注入機。另外還有用于注入氧的氧注入機，或者注入氫的氫離子注入機，等等。
離子注入機由 5 大子系統(tǒng)構成，包含 6 大核心零部件
離子注入機包含了 5 個子系統(tǒng)
。包括：氣體系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和射線系統(tǒng)。其 中，射線系統(tǒng)為最重要的子系統(tǒng)。
氣體系統(tǒng)
：存儲雜質(zhì)離子產(chǎn)生而需要使用的很多危險氣體和蒸氣，降低滲漏到生產(chǎn)中的風險
電機系統(tǒng)：
保證穩(wěn)定精準的電壓和電流，供雜質(zhì)離子產(chǎn)生過程需要用到的熱燈絲或射頻等離子 體源、質(zhì)譜儀磁鐵等正常運作
真空系統(tǒng)：
在高真空狀態(tài)下，減少帶電離子和中性氣體分子沿離子軌跡發(fā)生碰撞引起不必要的 散射和能量損耗，減少因離子和中性原子間的電荷交換造成射線污染
控制系統(tǒng)
：機器手臂等機械控制晶圓的移動，使整個晶圓獲得均勻注入
射線系統(tǒng)
：為離子注入機最重要的部分，根據(jù)所屬功能分類，射線系統(tǒng)主要由 6 大核心零部件 構成：離子源、吸極、離子分析器、加速管、掃描系統(tǒng)、工藝腔。
三、全球離子注入機市場規(guī)模：目前 25 億美元，遠期 40 億美元
離子注入機在晶圓制造工藝設備的市場規(guī)模中占比 3%左右，與 CMP 設備、熱處理、涂膠顯影機等的市場規(guī)模基本相當，低于光刻機、刻蝕機、CVD、PVD、 量測、清洗設備的市場空間。
集成電路離子注入機在晶圓制造工藝設備市場中，價值量占比為 2.5%-3.3%， 2010-2018 年該比重有所下降，原因主要是以存儲芯片 3D 立體化和先進制程的薄膜設備、刻蝕設備的價值量占比上升，而其他工藝設備價值量占比被擠占。
IC 離子注入機的 2021 全球市場規(guī)模約 24-26 億美元，未來將達到 30-40 億美元
2015 年全球集成電路離子注入機市場規(guī)模約 10 億美元，2018 年市場規(guī)模約 15 億美元，年均增速 4.6%。
2020 年離子注入機的市場規(guī)模達到 18 億美元。2020 年全球 WFE 市場規(guī)模達到 612 億 美元，按 3%的比例推算離子注入機的市場規(guī)模即為 18 億美元左右。
估計 2021 年離子注入機的市場規(guī)模達到 24-26 億美元，均值 25 億美元。
2021 年 WFE 市場規(guī)模估計增長 30%-40%，推算將達到 800-850 億美元，按 3%的比例推算離子注入機的市場規(guī)模即為 24-26 億美元左右。
長期估計到 2030 年離子注入機市場規(guī)模將達到 42 億美元
。當 2030 年半導體產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達到 10000 億美元時，半導體設備市場規(guī)模將達到 1400 億美元，其中離子注入機按 3%的占比計算，即為 42 億美元的市場規(guī)模。
按照離子注入機劃分為：大束流離子注入機、中低束流離子注入機、高能離子注入機：
大束流離子注入機占到60%的比例，由此推算2021年大束流離子注入機的市場規(guī)模約15億美元；中低束流離子注入機占比 20%，由此推算 2021 年中低束流離子注入機的市場規(guī)模約 5 億美元；高能離子注入機占 18%，由此推算 2021 年高能離子注入機的市場規(guī)模約 4.5 億美元。
四、全球離子注入機競爭格局：AMAT、AXCELIS 壟斷
集成電路離子注入機的市場份額高度集中。美國應用材料公司、Axcelis 占全球大部 分市場份額，其中美國應用材料公司占有 50%以上市場份額。
美國 AMAT，在離子注入機產(chǎn)品上的市占率 70%。主要產(chǎn)品包括大束流離子注入機、中束流離子 注入機、超高劑量的離子注入。應用材料曾收購瓦力安半導體設備公司，而瓦力安半導體設備 公司于 1999 年從瓦力安拆分而來。
美國 Axcelis，即亞舍立科技設計公司，主要產(chǎn)品高能離子注入機市占率 55%。2020 年 Axcelis銷售額 4.75 億美元，凈利潤 0.50 億美元。
日本 Nissin，主要生產(chǎn)中束流離子注入機，在中束流離子注入機的市占率 10%左右，曾在我國的 固安 OLED 項目、合肥晶合 12 寸項目上中標離子注入機。
日本 SEN，產(chǎn)品包括高束流離子注入機、中束流離子注入機、高能量離子注入機，其中中束流 離子注入機、高能量離子注入的收入占比略高，但在中國大陸地區(qū)的市占率相對較低。
集成電路離子注入機的市場集中度高，主要是因為離子注入的技術壁壘在于：
角度控制: 注入角度精度±0.1°，且隨著線寬微縮，注入角度要求更高；
劑量控制：即均勻性、濃度，主要用法拉第杯進行劑量控制；
五、離子注入機的國內(nèi)市場規(guī)模：2022 年達到 40 億元以上
預計現(xiàn)有規(guī)劃的本土晶圓產(chǎn)線的最高峰投資額將達到 200 億美元，按 照 3%的價值量占比推算，國內(nèi)離子注入機市場規(guī)模將達到 6 億美元，相當于接近 RMB 40 億元的 市場規(guī)模。
國內(nèi) 28nm 制程產(chǎn)線增加，也將帶動離子注入機的需求增加
。成熟制程中，隨著線寬微縮，離子注入 的工序步驟也隨著增加，28nm 制程節(jié)點上離子注入步驟達到最高 40 次。而近幾年來國內(nèi) 28nm 產(chǎn)線 明顯增加，例如中芯國際、上海華力等。
六、離子注入機國內(nèi)競爭格局：被國際品牌壟斷
國內(nèi)離子注入機也基本上被應用材料、Axcelis 和日本 Sumit
omo 壟斷，僅有萬業(yè)企業(yè)旗下的凱世通、 中科信在某些 12 寸晶圓產(chǎn)線上獲得工藝驗證驗證并驗收通過。
某存儲晶圓產(chǎn)線上僅有應用材料、Axcelis、AIBT 等三家離子注入機供應商，其中應用材料占比 79%， Axcelis 占比 17%，AIBT 占比 4%。
某邏輯電路晶圓產(chǎn)線上僅有應用材料、Axcelis、Sumitomo 和中科信等 4 家離子注入機供應商，其中應 用材料占比 53%，Sumitomo 占比 36%，Axcelis 占比 7%，中科信占比 4%。
七、IC 離子注入機國產(chǎn)化處于起步階段
萬業(yè)企業(yè)：致力于離子注入機國產(chǎn)化
凱世通成立于 2009 年，創(chuàng)始團隊成員曾在世界知名的離子注入機公司擔任核心技術崗位，負責和領導了多款成熟集成電路離子注入機的開發(fā)，擁有豐富的集成電路離子注入機的開發(fā)和市場經(jīng)驗：
萬業(yè)企業(yè)旗下的凱世通已于 2020 年 12 月獲得 3 臺離子注入機訂單，分別為低能大束流重金屬離子注 入機（
Sb implanter
）、低能大束流超低溫離子注入機（
Cold implanter
）、高能離子注入機（
HE implanter
）， 訂單金額 1 億元（含稅）。
北京爍科中科信電子裝備有限公司成立于 2019 年 6 月 17 日，源于中國電科第 48 研究所，是國內(nèi)較 早專注于集成電路領域離子注入機業(yè)務的高端裝備供應商。
公司專注于集成電路用離子注入機研發(fā)、制造，始終致力于解決離子注入機關鍵技術自主可控難題， 已形成中束流、大束流、高能、特種應用及第三代半導體等全系列離子注入機產(chǎn)品體系，擁有博士后科研工作站，建立了符合 SEMI 標準要求的離子注入機產(chǎn)業(yè)化平臺，年產(chǎn)能達 30 臺，產(chǎn)品廣泛應用于全球知名芯片制造企業(yè)，并獲客戶高度認可。
2003 - 2014 年，公司先后承擔"十五"863 計劃 100nm 大角度離子注入機項目、"十一五"02 專項 12 英寸 90-65nm 大角度離子注入機研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目、"十二五"12 英寸 45-22nm 低能大束流離子注 入機研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目。
100nm 大角度離子注入機項目的成功實現(xiàn)了國產(chǎn)離子注入機制造水平由 6 英寸 500nm 到 8 英寸 100nm 技術的跨越。
12 英寸 90-65nm 大角度離子注入機研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目的成功實現(xiàn)了國產(chǎn)離子注入裝備從消化吸收到產(chǎn)業(yè)化階段的跨越式發(fā)展。
12 英寸 45-22nm 低能大束流離子注入機研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目的實施則進入一個全新的自主創(chuàng)新階段。
技術鄰APP
工程師必備
