離子注入的案例
半導體設備之離子注入機行業研究
當 2030 年半導體產業總規模達到 10000 億美元時，半導體設備市場規模將達到 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，在離子注入機產品上的市占率 70%。主要產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。
展開 行業 | 2021年半導體設備之離子注入機行業研究
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：雜質原子與靶材電子發生反應，產生能量損耗。
核阻礙：雜質原子與靶材原子發生碰撞，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。離子注入向硅襯底中引入數量可控的雜質 過程，需要離子注入設備通過控制束流和能量來實現摻雜雜質的數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的調節：
(1) 劑量：注入硅片表面單位面積的離子數。正雜質離子形成離子束后，其流量被稱為粒子束電流。當加大電流時，單位時間內注入的雜質離子數量也增大。
(2) 射程：離子穿入硅片內的總距離，與注入離子的能量和質量有關。能量越高意味著雜質離子的 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
離子注入機的三大分類
根據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 大子系統構成，包含 6 大核心零部件
離子注入機包含了 5 個子系統。包括：氣體系統、電機系統、真空系統、控制系統和射線系統。其 中，射線系統為最重要的子系統。
展開 離子注入機：四大核心裝備之一，迎來國產替代機遇!
具體分類，根據《離子注入機通用規范》（GB/T 15862-2012），離子注入機按能量高低可分為：低能離子注入機、中能離子注入機、高能離子注入機和兆伏離子注入機；按束流大小可分為：小束流離子注入機、中束流離子注入機、強流離子注入機和超強流離子注入機（通常將強流離子注入機和超強流離子注入機統稱為大束流離子注入機）。
由于集成電路制程向14nm及以下繼續縮小，源漏極的結深相應減小，為了實現淺層摻雜，低能大束流（高劑量/淺度摻雜）日漸成為主流，其技術難度也最高，根據浦東投資的統計，目前低能大束流占有離子注入機市場的55%。
按下游領域分類，目前離子注入機可用于眾多領域，包括集成電路與IGBT制造領域、太陽能電池生產領域、AMOLED面板制造等。
離子注入機主要由離子源、磁分析器、加速管或減速管、聚焦和掃描系統、工藝腔（靶室和后臺處理系統）五部分組成。設備工作時，從離子源引出的離子經過磁分析器選擇出需要的離子，分析后的離子經加速或減速以改變離子的能量，再經過兩維偏轉掃描器使離子束均勻的注入到材料表面，用電荷積分儀可精確的測量注入離子的數量，調節注入離子的能量可精確的控制離子的注入深度。
市場空間：全球市場規模較大，未來有望繼續擴大
半導體制造：25 億美元空間，受益下游需求與技術演進規模有望擴大
根據SEMI的統計，2018年全球晶圓加工設備市場規模達到502億美元，同比增 52%。
展開 離子注入可以優化SiC器件設計
鋁摻雜可以通過兩種方式實現——外延或離子注入。外延生長涉及在襯底上逐層沉積半導體材料，而離子注入需要用高能帶電粒子轟擊半導體層。但是離子注入會導致在半導體層深處形成缺陷，這可能對電導率調制產生關鍵影響。
在最近發表在 Physica Status Solidi (b ) 上的一項研究中，來自日本的研究人員調查了由 Al 摻雜形成的 SiC 雙極二極管中缺陷的深度分布。“我們的研究結果將有助于 SiC 功率器件的優化設計，該器件很快將用于電動汽車、火車等。這些結果最終將有助于提高車輛和火車牽引系統的性能、尺寸和能耗，”領導這項研究的名古屋工業大學副教授 Masashi Kato 博士說。
為了研究缺陷的深度分布，研究小組制造了兩個帶有 Al 摻雜 p 層的 SiC PiN 二極管，一個通過外延生長，另一個通過離子注入。然后，他們使用傳統的“深能級瞬態光譜”（DLTS）研究了兩個二極管中的缺陷分布，并使用陰極發光（CL）表征了其特性。他們發現通過外延生長的 p 型層沉積不會對相鄰的 n 型層造成損壞，但生長表現出輕微的不穩定性，導致形成深能級缺陷。由于電導調制的影響，該二極管的特定導通電阻也很低。
然而，對于通過離子注入形成的二極管，研究人員發現，Al 摻雜在不影響電導調制的情況下實現了高比導通電阻。此外，研究人員觀察到半導體器件中的缺陷從注入區滲透到至少 20 μm。“我們的研究表明，碳化硅雙極器件中的離子注入需要在距有源區至少 20 μm 的地方進行處理，”加藤博士解釋說。
碳化硅功率器件的低功耗意味著它們在未來隨著氣候變化加劇和化石燃料能源危機惡化而必不可少。迅速改進半導體技術以使其在世界舞臺上占據應有的地位至關重要。有了這樣的強大結果來為未來的研究和制造提供信息，我們可能會比預期更快地實現這個未來。
展開 
離子注入可以優化SiC器件設計
鋁摻雜可以通過兩種方式實現——外延或離子注入。外延生長涉及在襯底上逐層沉積半導體材料，而離子注入需要用高能帶電粒子轟擊半導體層。但是離子注入會導致在半導體層深處形成缺陷，這可能對電導率調制產生關鍵影響。
在最近發表在 Physica Status Solidi (b ) 上的一項研究中，來自日本的研究人員調查了由 Al 摻雜形成的 SiC 雙極二極管中缺陷的深度分布。“我們的研究結果將有助于 SiC 功率器件的優化設計，該器件很快將用于電動汽車、火車等。這些結果最終將有助于提高車輛和火車牽引系統的性能、尺寸和能耗，”領導這項研究的名古屋工業大學副教授 Masashi Kato 博士說。
為了研究缺陷的深度分布，研究小組制造了兩個帶有 Al 摻雜 p 層的 SiC PiN 二極管，一個通過外延生長，另一個通過離子注入。然后，他們使用傳統的“深能級瞬態光譜”（DLTS）研究了兩個二極管中的缺陷分布，并使用陰極發光（CL）表征了其特性。他們發現通過外延生長的 p 型層沉積不會對相鄰的 n 型層造成損壞，但生長表現出輕微的不穩定性，導致形成深能級缺陷。由于電導調制的影響，該二極管的特定導通電阻也很低。
然而，對于通過離子注入形成的二極管，研究人員發現，Al 摻雜在不影響電導調制的情況下實現了高比導通電阻。此外，研究人員觀察到半導體器件中的缺陷從注入區滲透到至少 20 μm。“我們的研究表明，碳化硅雙極器件中的離子注入需要在距有源區至少 20 μm 的地方進行處理，”加藤博士解釋說。
碳化硅功率器件的低功耗意味著它們在未來隨著氣候變化加劇和化石燃料能源危機惡化而必不可少。迅速改進半導體技術以使其在世界舞臺上占據應有的地位至關重要。
展開 中科院納米能源所王杰&王中林團隊《JMCA》：基于介電材料選擇和表面電荷工程的抗高濕度摩擦電納米發電機
耦合疏水介電材料與離子注入的TENG在高濕度下的應用。（a）高濕度測量系統示意圖。（b）自供電系統驅動電子器件的等效電路圖。（c）通過離子注入和調制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG充電容曲線對比。（d）基于離子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG驅動電子表的圖片。通過（e）離子注入和（f）調制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG驅動電子表的充電曲線。（g）通過離子注入在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG在90%濕度下穩定性測試。
圖5. 耦合疏水介電材料與離子注入的TENG在模擬海洋環境中的應用。（a）水箱測試系統圖（比例尺尺寸：10cm）。（b）TENG點亮77個發光二極管的圖片（比例尺尺寸：10cm）。（c）TENG給不同電容器充電的電壓曲線。通過離子注入和調制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG的（d）轉移電荷、（e）短路電流和（f）開路電壓。
以上工作以“A high humidity-resistive triboelectric nanogenerator via coupling of dielectric material selection and surface-charge engineering”為題發表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。論文第一作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所博士研究生劉璐、助理研究員周靈琳、博士研究生張楚國，通訊作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士。
展開 國內半導體設備中標明細及其國產化率統計（二）
8、離子注入：國產化率 1.4%，爍科中科信國產獲采購
長江存儲：應用材料、亞舍立（Axcelis）中標較多。應用材料為離子注入領域全球龍頭，共計中標 38 臺，中標產品涵蓋高束流、中束流等類型；亞舍立 Axcelis 中標 8 臺，主要為高能離子注入設備。
華力集成：應用材料、住友重工、亞舍立等企業領先，國產爍科中科信獲得采購。應用材料中標設備涵蓋高電流、中電流和高能量離子注入設備；住友重工中標設備包括高電流和中電流離子注入設備；亞舍立中標設備為中電流和高能量離子注入機；爍科中科信于 2019 年中標 1 臺中束流離子注入機。
華虹無錫：住友重工、應用材料獲采購最多，國產廠商爍科中科信獲得采購。其中，住友重工、應用材料、亞舍立分別中標 22 臺、20 臺、4 臺離子注入機；爍科中科信于2020 年中標 1 臺，為中電流離子注入設備。
總結：離子注入設備方面，爍科中科信在華虹無錫、華力集成均獲得中標，中標設備均為中束流離子注入設備。從三座晶圓廠累計招標情況統計，國產設備中標總數 2 臺，晶圓廠招標設備總數 139 臺，由此計算國產化率約 1.4%，該領域尚存在較大國內外差距，替代空間廣闊。
9、涂膠顯影：國產化率 1.1%，芯源微實現國產零突破
長江存儲：主要采購自東京電子，部分迪恩士、漢民科技。尚未采購國產廠商設備。
華力集成：東京電子獲采購數量領先，芯源微實現零的突破。其中，國產廠商芯源微中標 1 臺，為防反射層勻膠機設備/BARC Coater。
華虹無錫：18 臺招標涂膠顯影設備全部采購自東京電子，尚未采購國產廠商設備。
總結：涂膠顯影設備方面，東京電子獲采購較多，國產設備公司中僅芯源微入圍。芯源微在華力集成中標設備為勻膠機，國產化尚存在較大發展空間。
展開 半導體前道設備研究框架
（報告來源：未來智庫）
（9）離子注入機
離子注入是一種摻雜技術，以離子加速的方式將摻雜元素注入到半導體晶片內部，改變其導電特 性并最終形成所需的器件結構。根據離子束電流和束流能量范圍，一般可以把離子注入機分為低 能大束流離子注入機、高能離子注入機和中低束流離子注入機。
目前，全球離子注入機仍以大束流離子注入機為主，據 Gartner 數據，大束流離子注入機占離子 注入機市場總份額的 61％。
應用材料壟斷全球離子注入機市場。全球離子注入機市場呈現增長態勢， 2019 年全球離子注入 機市場規模達 11 億美元，2021 年市場規模超過 22 億美元。應用材料幾乎壟斷了全球離子注入機 市場，占據了 70％的市場份額，其次為 Axcelis，占 20％。
凱世通、中科信引領國內離子注入機國產替代。2021 年 5 月，凱世通自主研發的首臺低能大束流 離子注入機率先在國內 12 英寸主流集成電路芯片制造廠完成設備驗證和驗收工作。2021 年第四 季度，凱世通的低能大束流重金屬離子注入機、低能大束流超低溫離子注入機成功通過驗證和驗 收，高能離子注入機順利在另一家 12 英寸集成電路芯片制造廠完成交付。2022 年一季度，凱世 通獲得重要客戶的批量訂單，包含 12 英寸低能大束流離子注入機和低能大束流超低溫離子注入機， 并與另一家集成電路制造廠簽訂了一臺低能大束流離子注入機訂單，截止 22Q1 在手訂單金額超 人民幣 6.8 億元。中科信也已成功實現離子注入機全譜系產品國產化，包括中束流、大束流、高 能、特種應用及第三代半導體等離子注入機，工藝段覆蓋至 28nm。
（10）去膠設備
去膠即刻蝕或離子注入完成之后去除殘余光刻膠的過程。去膠工藝類似于刻蝕，操作對象是光刻 膠。
展開 半導體，我們離開美國制造，能照樣轉嗎？
（10）離子注入設備：美國壟斷，替代難度較大
離子注入設備分為大束流、中束流和高能量離子注入機，一條 NAND Flash 產線上，約有 37 臺離子注入機，其中 10 臺高能量， 20 臺大束流， 7 臺中束流；一條 DRAM 產線上，約需要 55 臺離子注入機，其中 3 臺高能量， 40 臺大束流， 12 臺中束流；一條 Logic產線上，約需要 30-40 臺離子注入機，其中約 25-30 臺大束流， 5-10 臺中束流。離子注入設備幾乎被美國壟斷，美國的應用材料公司擁有 73%的市場占有率，美國亞舍立科技擁有約 17%的市場份額。日本的住友重機械也有離子注入產品，生產工藝節點為20-22nm。
離子注入設備美國壟斷
國產設備中，北京中科信和中電四十八所均有離子注入機產品。中電四十八所的離子注入機可用于 4 寸或 6 寸晶圓分立器件或功率器件的制造。北京中科信高能量、 大束流和中束流離子注入機中均布局較為完整， 擁有 12 寸晶圓產品， 45-22nm 低能大束流離子注入機研發和產業化項目通過了驗收， 但距離國外的產品仍有較大差距。
（11）化學機械拋光設備 CMP：美國最強，日本其次
CMP 設備依然是美國應用材料一家獨大，擁有全球 66%的市場份額。日本東京 Ebara擁有12 寸晶圓 10-20nm 級 CMP 設備，能在一定程度上實現對美國的替代。
化學機械拋光 CMP 美國最強
國產設備中，華海清科正在攻堅 12 寸晶圓 28-14nm 工藝 CMP 設備，在 8 寸與 6 寸晶圓中，也有相應產品。中電科 45 所在 2015 年研制出 8 寸晶圓 CMP 并進入中芯國際天津廠驗證，填補了國產設備產線驗證的空白。盛美半導體的 CMP 設備主要用于后段封裝的 65-45nm 銅互聯工藝。
展開 2021年中國半導體離子注入設備行業概覽
——以下內容已上傳【半導體產業研究】知識星球，成員可登錄星球搜索關鍵詞下載（文末查看如何成為星球成員）。
~全篇完~
歡迎關注微信公眾號：半導體產業研究院
【半導體產業研究】知識星球：為需要的朋友提供優質的報告資源！
如何成為星球成員？
掃碼即可進入星球
成為星球成員后，電腦端搜索知識星球官網，登錄網頁版，搜索關鍵詞，操作更方便！
編者建立了半導體產業交流群，僅限半導體產業相關人士加入，群內歡迎大家交流探討行業問題。
入群請添加群主微信
備注：姓名+公司+主營
離子注入機國產化進程
——以下內容已上傳【半導體產業研究】知識星球，成員可登錄星球搜索關鍵詞下載（文末查看如何成為星球成員）。
~全篇完~
歡迎關注微信公眾號：半導體產業研究院
本周新增報告：
【半導體產業研究】知識星球為需要的朋友提供優質的報告資源，誠邀有需要的朋友加入！
如何成為星球成員？
掃碼即可進入星球
成為星球成員后，電腦端搜索知識星球官網，登錄網頁版，操作更方便！
編者建立了半導體產業交流群，僅限半導體產業相關人士加入，群內歡迎大家交流探討行業問題。
入群請添加群主微信
備注：姓名+公司+主營
一文搞懂離子注入工藝
來源：中國半導體論壇
半導體產業深度研究報告
4.離子注入工藝：離子注入是一種添加工藝，利用高能量帶電離子束注入的形式，將摻雜原子強行摻入半導體中，從而控制半導體的導電率
。離子注入提供了比擴散過程更好的摻雜工藝控制，例如在擴散工藝中摻雜物的濃度和結深無法獨立控制，而在離子注入中可以通過離子束電流和注入時間控制摻雜物濃度，通過離子的能量控制摻雜物的結深，因此離子注入是目前半導體行業中的主要摻雜方法。
離子注入所使用的半導體設備為離子注入機，離子注入機是非常龐大的設備，包括了氣體系統、電機系統、真空系統、控制系統和最重要的射線系統。根據離子束電流和束流能量范圍，一般可以把離子注入機分為低能大束流離子注入機、高能離子注入機和中低束離子注入機。
離子注入機可以應用在集成電路和光伏領域。在集成電路領域，全球的離子注入機為應用材料所壟斷，其市場占有率達到了70%，其次為Axcelis，占據了近20%的市場份額。國內的離子注入機生產企業主要是凱世通和北京中科信，2020年12月凱世通宣布擬向芯成科技出售3款12英寸集成電路離子注入機，國產離子注入機邁出了關鍵一步。
5.薄膜沉積工藝
：薄膜沉積是一種添加工藝，是指利用化學方法或物理方法在晶圓表面沉積一層電介質薄膜或金屬薄膜，根據沉積方法可以分為化學氣相沉積和物理氣相沉積。
CVD是利用氣態化學源材料在晶圓表面產生化學反應過程，在表面沉積一種固態物作為薄膜層
。
展開 一文看懂芯片材料基石——硅
向晶圓中注入氧原子，然后經過高溫退火，使氧原子與周圍的硅原子發生反應，生成一層二氧化硅。此項技術的難點是控制氧離子注入的深度與厚度。對于離子注入技術要求較高。
Bonding 技術：Bonding 技術又稱鍵合技術，用 bonding 制造的 SOI 硅片又叫 Bonded SOI，簡稱 BSOI。Bonding技術需要兩片普通硅晶圓，在其中一片上生長一層氧化層（SiO2），然后與另外一片硅源鍵合，連接處就是氧化層。最后再進行研磨和拋光到想要的填埋層（SiO2）深度。由于鍵合技術比離子注入技術簡單，所以目前 SOI 硅片大都采用 bonding 技術制作。
▲離子注入方式形成絕緣體上硅
▲wafer bonding 方式形成絕緣體上硅
Sim-bond 技術：注氧鍵合技術。Sim-bond 技術是 SIMOX 與 bond 技術的結合。優點是可以高精度控制埋氧層厚度。第一步是向一片硅晶圓注入氧離子，然后高溫熱退火形成氧化層，然后在該硅片表面形成一層 SiO2 氧化層。第二步是將該硅片與另外一片晶圓鍵合。然后進行高溫退火形成完好的鍵合界面。第三步，減薄工藝。利用 CMP 技術減薄，但是與 bond 技術不同的是，sim-bond 有自停止層，當研磨到 SiO2 層時，會自動停止。然后經過腐蝕去掉 SiO2層。最后一步是拋光。
Smart-cut 技術：智能剝離技術。Smart-cut 技術是鍵合技術的一種延伸。第一步是將一片晶圓氧化，在晶圓表面生成固定厚度的 SiO2。第二步是利用離子注入技術，向晶圓的固定深度注入氫離子。第三步是將另外一片晶圓與氧化晶圓鍵合。第四步是利用低溫熱退火技術，氫離子形成氣泡，令一部分硅片剝離。然后利用高溫熱退火技術增加鍵合強度。第五步是將硅表面平坦化。
展開 2021年前道設備（二）：光刻機、蝕刻、CVD、PVD、離子注入設備
——以下內容已上傳【半導體產業研究】知識星球，全文139頁，成員可免費下載（文末查看如何成為星球成員）。
本周星球新增報告：
掃碼成為星球會員，所有報告全部免費下載！
~篇幅有限，未完待續~
本周新增報告：
如何成為星球成員？
掃碼即可進入星球
成為星球成員后，電腦端搜索知識星球官網，登錄網頁版，操作更方便！
編者建立了半導體產業報告分享群，僅限半導體產業相關人士加入，群主不定期分享優質報告給大家，群內歡迎大家交流探討行業問題。
入群請添加群主微信
備注：姓名+公司+主營
