離子注入工藝仿真的案例
一文搞懂離子注入工藝
來源：中國半導體論壇
半導體設備之離子注入機行業研究
三、全球離子注入機市場規模：目前 25 億美元，遠期 40 億美元
離子注入機在制程設備中的價值比重約 3%
離子注入機在晶圓制造工藝設備的市場規模中占比 3%左右，與 CMP 設備、熱處理、涂膠顯影機等的市場規?；鞠喈?，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模約 10 億美元，2018 年市場規模約 15 億美元，年均增速 4.6%。
2020 年離子注入機的市場規模達到 18 億美元。2020 年全球 WFE 市場規模達到 612 億 美元，按 3%的比例推算離子注入機的市場規模即為 18 億美元左右。
估計 2021 年離子注入機的市場規模達到 24-26 億美元，均值 25 億美元。
2021 年 WFE 市場規模估計增長 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模將達到 42 億美元
。
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
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?！拔覀兊难芯勘砻鳎蓟桦p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?！拔覀兊难芯拷Y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?！拔覀兊难芯勘砻?，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 行業 | 2021年半導體設備之離子注入機行業研究
氣體系統：存儲雜質離子產生而需要使用的很多危險氣體和蒸氣，降低滲漏到生產中的風險
電機系統：保證穩定精準的電壓和電流，供雜質離子產生過程需要用到的熱燈絲或射頻等離子 體源、質譜儀磁鐵等正常運作
真空系統：在高真空狀態下，減少帶電離子和中性氣體分子沿離子軌跡發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：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：為離子注入機最重要的部分，根據所屬功能分類，射線系統主要由 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、工藝腔。
三、全球離子注入機市場規模：目前 25 億美元，遠期 40 億美元
離子注入機在制程設備中的價值比重約 3%
離子注入機在晶圓制造工藝設備的市場規模中占比 3%左右，與 CMP 設備、熱處理、涂膠顯影機等的市場規模基本相當，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模約 10 億美元，2018 年市場規模約 15 億美元，年均增速 4.6%。
2020 年離子注入機的市場規模達到 18 億美元。
展開 鋰離子電池制造工藝仿真技術進展
相較于x-CT，FIB-SEM表現出更高的分辨精度，能夠更加準確地對電極結構中的孔隙及碳粘結劑進行區分，但由于其對電極樣品反復進行聚焦離子束切割并利用SEM表征形貌結構，FIB-SEM具有實驗時間長、樣品不具有追溯性等缺點。
2 鋰離子電池制造工藝仿真研究現狀
鋰離子電池制造工藝復雜，工序繁多，總體可分為前段極片制造、中段電芯組裝以及后段電芯激活。其中極片制作工藝包括勻漿、涂布、輥壓、分切、極耳焊接；電芯組裝工藝主要包括卷繞或疊片、入殼封裝、注入電解液、抽真空并終封等；電芯激活工藝主要包括化成、分容、測試等。極片制造段及電芯制造段工序直接決定了鋰離子電池的綜合性能，具體制造工序流程如圖4所示。
圖4 電池制造工序流程示意圖
在實際生產中，各制造工序均會不同程度地影響電極微觀結構，進一步影響鋰離子電池整體性能。與此同時，各制造工藝相關設備對各工藝的評價指標起到了決定性的作用。故新能源汽車大規模應用的關鍵性挑戰在于理清制造設備、制造工藝、電極微結構和電池性能之間的復雜關系。系統地研究電池內部各物理場的耦合機理，從多角度深入了解各工藝的機理并進一步建立數學物理模型，通過數值模擬仿真技術，實現仿真指導實際生產的目標［28-29］。
2.1 勻漿工藝
鋰離子電池勻漿工序是將漿料中的導電劑粉體（炭黑）、高分子碳粘結劑（丁苯橡膠乳液）、正負極活性材料（石墨粉體、鈷酸鋰粉體）等組分進行充分攪拌，去除漿料中殘留的氣體，從而形成穩定懸濁液的工藝過程［30］。勻漿工藝是前段電極制造的基礎，其工藝品質直接決定了后續如涂布工藝的開展，對鋰離子電池的綜合性能具有重要影響［31］。
在實際工程運用中，漿料中各組分均勻穩定的分散程度是評價勻漿工藝的關鍵指標。
展開 離子注入機：四大核心裝備之一，迎來國產替代機遇!
離子注入機：半導體晶圓制造等領域的關鍵設備之一
在半導體晶圓制造中，由于純凈硅的導電性能很差，需要加入少量雜質使其結構和電導率發生改變，從而變成一種有用的半導體，這個過程稱為摻雜。
目前摻雜主要有高溫熱擴散法和離子注入法兩種，離子注入占據著主流地位：
高溫熱擴散法：
將摻雜氣體導入放有硅片的高溫爐中，將雜質擴散到硅片內的方法。由于熱擴散存在精度較難控制、高熱熱缺陷等缺點，在現在的工藝中已經較少采用。
離子注入法：
通過離子注入機的加速和引導，將要摻雜的離子以離子束形式入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子發生一系列理化反應，入射離子逐漸損失能量，并引起材料表面成分、結構和性能發生變化，最后停留在材料中，實現對材料表面性能的優化或改變。離子注入具備精確控制能量和劑量、摻雜均勻性好、純度高、低溫摻雜、不受注射材料影響等優點，目前已經成為0.25um特征尺寸以下和大直徑硅片制造的標準工藝。
離子注入機與光刻機、刻蝕機和鍍膜機并稱四大核心裝備，開發難度僅次于光刻機。
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
技術丨軟包鋰離子電池制作工藝流程詳解
6、靜置、化成、夾具整形工序
在注液與一封完成后，首先需要將電芯進行靜置，根據工藝的不同會分為高溫靜置與常溫靜置，靜置的目的是讓注入的電解液充分浸潤極片。然后電芯就可以拿去做化成了。
上圖是軟包電芯的化成柜，其實就是一個充放電的裝置，我找了好久沒有找到帶電芯的圖片，大家想想一下電芯夾在上面的畫面就OK了?；删褪菍﹄娦镜氖状纬潆姡粫涞绞褂玫淖罡唠妷?，充電的電流也非常小。化成的目的是讓電極表面形成穩定的SEI膜，也就是相當于一個把電芯“激活”的過程。在這個過程中，會產生一定量的氣體，這也就是為什么鋁塑膜要預留一個氣袋。有些工廠的工藝會使用夾具化成，即把電芯夾在夾具里（有時候圖簡便就用玻璃板，然后上鋼夾子）再上柜化成，這樣產生的氣體會被充分地擠到旁邊的氣袋中去，同時化成后的電極界面也更佳。
在化成后有些電芯，尤其是厚電芯，由于內部應力較大，可能會產生一定的變形。所以某些工廠會在化成后設置一個夾具整形的工序，也叫作夾具baking（烘烤）。
這三道工序與封裝無關，就簡單介紹到這里吧。
7、二封工序
剛才說了化成過程中會產生氣體，所以我們要將氣體抽出然后再進行第二次封裝。在這里有些公司成為兩個工序：Degassing（排氣）與二封，還有后面一個剪氣袋的工序，這里我就一起籠統的都稱為二封了。
二封時，首先由鍘刀將氣袋刺破，同時抽真空，這樣氣袋中的氣體與一小部分電解液就會被抽出。然后馬上二封封頭在二封區進行封裝，保證電芯的氣密性。最后把封裝完的電芯剪去氣袋，一個軟包電芯就基本成型了。二封是鋰離子電池的最后一個封裝工序，其原理還是跟前面的熱封裝一樣，不再贅述。
8、后續工序
二封剪完氣袋之后需要進行裁邊與折邊，就是將一封邊與二封邊裁到合適的寬度，然后折疊起來，保證電芯的寬度不超標。
展開 
干貨 | 你應該知道的鋰離子電池原理及工藝
2、電池的組裝
圓柱電池的裝配工藝流程：絕緣底圈入筒→卷繞電芯入筒→插入芯軸→焊負極集流片于鋼筒→插入絕緣圈→鋼筒滾線→真空干燥→注液→組合帽(PTC元件等)焊到正極引極上→封口→X射線檢查→編號→化成→循環→陳化。
方形電池裝配工藝流程：絕緣底入鋼盒→片狀組合電芯入筒→負極集流片焊于鋼盒→上密封墊圈→正極集流片焊于桿引極→組合蓋(PTC元件等)焊到旋引極上→組合蓋定位→激光焊接→真空干燥→注液→密封→X射線檢查→編號→化成→循環→陳化。
裝配工藝說明：以圓柱形電池為例(方形電池基本過程相同)。卷繞芯入筒以前, 將鋁條(0.08—0.15㎜厚、3㎜寬)和鎳條(0.04—0.10㎜厚, 3㎜寬)分別用超聲波焊接在正、負極導電基體的指定處作為集流引極。
電池隔膜一般采用PE/PP2層或PP/PE/PP 3層組成, 隔膜都是經過120℃熱處理過的, 以增加其阻止性和提高其安全性。
正極、隔膜、負極3者疊合后卷繞入筒, 由于采用涂膏電極, 故必須讓膏體材料與基體結合得好, 以形成高密度電極, 特別要防止掉粉, 以免其穿透隔膜而引起電池內部短路。
在卷繞電芯插入鋼筒以前, 放一個絕緣底入鋼筒底部是為了防止電池內部短路這對于一般電池都是相同的。
電解質一般采用LiPF6和非水有機溶劑, 在真空注液以前,電池要真空干燥24/h, 以除去電池組分中的水分和潮氣, 以免LiPF6與水反應形成HF而縮短壽命。
電池密封采用涂密封膠、插入墊圈、卷邊加斷面收縮過程,基本原理與堿性可充電池相同。封口以后, 電池要用異丙醇和水的混合液除去油污物和濺出的電解液, 然后再干燥。使用一種氣味傳感器或“ 嗅探器”元件檢查電池漏液情況。
展開 自動駕駛功能安全評估：故障注入仿真試驗完善驗證
故障注入則提供了一種評估高級自動駕駛系統安全性和可控性的有效的補充方法。在已知故障類型的條件下，利用故障注入可以得到系統運行期間發生某一故障的影響及相關故障數據。
圖 1：Sab otage：基于仿真的故障注入框架
圖 1 展示了基于故障注入仿真的自動駕駛汽車功能安全分析方法，該方法可作為評估早期設計階段某個架構安全性的補充手段。通過分析仿真數據，可以在數個較優的安全概念之間加以權衡和選擇。
依據該框架，本研究所提 Sab otage 方法的大致流程為：
第一步，識別失效模式。首先，必須已知相關項的主要功能及其故障類型。然后正確識別功能失效模式，以獲得關于其影響的數據（在系統/整車層級）。這意味著如果這些失效模式定義在系統層，其影響便體現在整車上。這些故障/失效模式與保存在通用故障模型庫中的通用故障模型（遺漏 Omission，凍結 Frozen，延遲 Delay ，翻轉 Invert，振蕩 Oscillation，隨機 Random）相關聯。這些通用故障模型是預先設置的，是模擬任何組件/系統功能失效模式的特定故障模型。
第二步，配置故障注入試驗。在對系統進行初步分析后，必須配置故障注入試驗，將其作為工作負載生成器（Workload Generator）的一部分，這包括設置試驗和駕駛場景，以及生成故障列表：
目標：在何處注入故障？
故障模型：何為代表該功能失效模式的最佳故障模型？
觸發：如何在系統中觸發故障？
何為故障影響的觀測點？
展開 鋰離子電池膨脹仿真
大多數鋰離子電池模型都利用了多孔電極的均質域公式，同時求解同一域中的電極相電位和電解質相電位，并通過使用源項來定義電極反應。在這些模型中，使用額外維度模擬鋰擴散到固體電極粒子中，該維度表示電極中某一特定位置的平均粒子。在計算量相對較小時，這種建模方法具有很大優勢，大多數模型都可以僅用一維公式來表示電極厚度 （加上用于定義粒子擴散維度的額外維度）。但是，使用上述方法無法捕捉到某些現象。例如，上述粒子擴散模型本質上假定為笛卡爾對稱、圓柱形對稱或球形對稱，因此不允許模擬非常規粒子形狀的影響，也不允許模擬微觀和宏觀孔隙分布的影響。如果不對多孔電極執行均質化處理，而是在模型幾何中包含多孔電極的結構細節。這種模型稱為異構模型。本節描述使用三維幾何模擬的鋰離子單電池的特性，模型來自于層析成像數據，此模型可更真實的模擬電極狀態。在異構模型的基礎上，還可以將粒子中的鋰濃度分布與 “固體力學”接口中相應的體積膨脹以及由此產生的 von Mises 應力進行耦合，研究充放電此過程中鋰離子脫嵌導致的電芯膨脹。
展開 卷繞鋰離子電池仿真
為了詳細研究卷繞電芯充放電過程中的溫度場分布，電流密度分布，析鋰電位分布等特征，建立了1：1全三維電化學-熱偶合模型，通過分析發現，卷繞電芯側邊析鋰電位分差異較大，原因是側邊的卷繞結構導致NP比發生變化，當電芯充電時，NP比小的一側極易析鋰，通過此模型可以解釋邊緣析鋰問題。由于模型采用全三維結構，可以對電芯過流能力、電位分布等進行準確分析。
