【科普小课堂】多才多艺的离子注入机

作者：爱集微

2022-06-29

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来源：万业企业

继前几期对离子注入机的原理、工作流程及发展现状进行介绍后，本期我们就来聊一聊离子注入机在各领域中的具体应用。离子注入机可以称得上“多才多艺”，它在大规模集成电路、功率元器件、光伏储能电池、AMOLED显示面板等产品的制造流程中，均起到了不可代替的作用。

灵魂注入手，离子注入机

在半导体晶圆制造过程中，要使纯净硅具有可控的导电能力，就必须要加入少量杂质使其结构和电导率发生改变，这个过程被称为掺杂，是半导体注入灵魂的关键环节。离子注入机通过对注入剂量、注入角度、注入深度、工艺温度等方面进行精确地控制，配合适当的掩膜材料，能在晶圆区域上特定位置注入离子，就像一把高精度狙击步枪，可以精准命中目标，成为集成电路制造工艺中必不可少的关键装备。

芯片众生相背后 打开离子注入机的多重宇宙

离子注入机应用非常广泛，不仅可用做大规模集成电路和器件和半导体材料的离子注入，还能用于金属材料表面改性和制膜等方面。

从应用场景看，低能大束流离子注入机大规模应用于制程逻辑、DRAM、3D 存储器和CIS芯片制造中。高能离子注入机较多应用在功率器件、IGBT、5G射频、CIS、逻辑芯片等器件制备过程中。

离子注入机的半导体应用领域

从产品类型来看，超低温低能大束流离子注入机和高能离子注入机均是我国集成电路制造装备产业链上“皇冠上的明珠”。

-100℃超低温离子注入是28nm、14nm FinFET以及更先进制程逻辑芯片制造不可缺少的标准工艺。超低温注入特殊元素将晶硅材料预非晶化之后再进行离子注入掺杂和褪火，从而减少晶体缺陷、降低漏电流，提高晶体管性能。

高能离子注入机，是离子注入机中技术难度最大的机型之一，更是国产IGBT产业加速追赶的关键之一。IGBT俗称电力电子装置的“CPU”，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。自第三代IGBT技术诞生以来，IGBT便与离子注入机结下了不解之缘。IGBT芯片制备过程中采用离子注入技术进行器件正面和背面不同区域的掺杂。目前，IGBT从8寸到12寸的关键之一就是背面高能离子注入（氢离子注入），该设备的单价也较高。

从发展趋势来看，工艺制程进步会带动制造工艺的复杂度和步骤增多。根据SEMI统计，20nm工艺所需总工序约为1000道，而10nm和7nm工艺所需总工序已超过1400道。随着总工序数量迅速增加，离子注入机的需求也将成倍增长。

目前，万业企业旗下凯世通，凭借自身强大的技术研发能力和不断积累的行业经验，依次取得了客户验证、正式订单、批量生产三大突破，成为国内为12英寸主流芯片制造厂批量供应半导体离子注入机的制造商。

凯世通离子注入机

2021年，凯世通的低能大束流离子注入机、低能大束流重金属离子注入机、低能大束流超低温离子注入机成功通过客户验证和验收，高能离子注入机亦顺利在一家12英寸芯片制造厂完成交付。今年4月26日，凯世通成功向客户交付批量订单中的首批大束流离子注入机，仅用3个月的时间即完成了首批多套设备的顺利发货。

随着业务放量，凯世通已跻身国内重要晶圆厂认可的批量采购战略供应商。

离子注入的应用，不止于芯片制造

从1954年第一块单晶硅太阳电池问世以来，作为太阳电池的主要发展方向，晶硅电池技术取得了重大进步，光电转换效率从最初的6%提高到现在的24.7%（仅考虑单节非聚光模式下的太阳电池），然而这与晶硅电池的理论极限效率31%还有较大差距。在不改变工艺方法和器件结构的前提下，晶硅电池的转换效率已遇瓶颈。但如果将离子注入技术应用到太阳能晶硅电池、制备p-n结中，电池转换效率将会肉眼可见地增长。

离子注入制备的p-n结均匀性更加出色，具有更好的短波响应，且不用对边缘进行刻蚀，这无疑将增加电池的有效受光面积，减少光学损失。而且离子注入制备的电池开路电压和短路电流密度均有明显提高，这使得平均转换效率将得到进一步改善。相比传统扩散技术，离子注入制备的发射极在高方阻情况下依然能保证良好的均匀性，可与丝网印刷电极有更好的接触，减少接触电阻损失，进一步提高晶硅电池的转换效率。

随着全球光伏产业的快速发展，光伏产业对能提升太阳能电池光电转换效率和提高生产效率的光伏设备需求会急剧增加，而离子注入机在已经到来的新能源浪潮中也将扮演举足轻重的角色。随着“碳中和”催生光伏长期风口，未来光伏市场对设备的需求将是高产能与高效率并举。光伏离子注入机是制备N型TOPCON高效电池的关键设备，凯世通开发的iPV6000光伏离子注入机产品已完成验证工作。

除此之外，离子注入机在显示器领域也有用武之地。AMOLED（主动矩阵有机发光二极体）被称为下一代显示技术，是OLED自发光显示器技术的一种。与传统LCD液晶面板相比，AMOLED面板具有更薄更轻、高清晰、视角广、能耗低、成本低和可实现柔软显示等优势，在AMOLED前端工艺流程中，离子注入机能为AMOLED中硅载流子进行掺杂，从而改变AMOLED面板的导电特性，为AMOLED面板注入灵魂。

如同光刻机一样，离子注入机亦是集成电路制造过程中至关重要的核心设备。离子注入机的价值含量极高，同时也具备较高的人才、技术和资金壁垒，以往长期被美国和日本的厂商垄断。

而如今，本土离子注入机企业在国家政策、资金的支持下，拥有了广阔的成长空间。以万业企业旗下凯世通为代表的国内厂商，已逐渐打破垄断格局、强势崛起，陆续研发制造出一系列国产化设备。未来，凯世通将一如既往地坚持深耕核心技术，致力先行满足国内晶圆制造厂旺盛的设备需求，后向更多下游应用领域进行延拓布局，力争在全球离子注入厂商的市场竞争格局中脱颖而出，成为赢得市场认可的高端装备供应商之一。