184
今天看到一個(gè)半導(dǎo)體公司，通過(guò)收購(gòu)資產(chǎn)從原來(lái)的CMP主業(yè)擴(kuò)展到了離子注入設(shè)備行業(yè)。
對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)上下游以及同行收購(gòu)整個(gè)和啟哥是非常支持的，因?yàn)槲乙恢闭J(rèn)為中國(guó)從芯片設(shè)計(jì)到半導(dǎo)體裝備到材料耗材，需要整合出幾家大而強(qiáng)的公司才能去和國(guó)外同行抗?fàn)帲绻切《⒌母窬?，根本無(wú)力與歐美傳統(tǒng)巨頭扳手腕。
設(shè)備行業(yè)到最后一定是形成兩種公司：
1、大而強(qiáng)的平臺(tái)型公司，比如國(guó)際半導(dǎo)體巨頭如AMAT，LAM，KLA，TEL等。這些在公司發(fā)展歷史上一直是兩條腿走路，一方面不斷強(qiáng)化自己的核心業(yè)務(wù)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，另外一方面也通過(guò)資本運(yùn)作，不斷收購(gòu)其他同類型公司，補(bǔ)齊自己業(yè)務(wù)線的短板。這幾個(gè)巨頭公司都是這么一路走過(guò)來(lái)的。
2、在細(xì)分賽道耕耘的小而美的隱形冠軍，除了上面這些大而強(qiáng)的平臺(tái)型供公司，還有很多設(shè)備小公司就在自己的賽道上默默發(fā)展，最后成為細(xì)分特色賽道的絕對(duì)霸主，比如日本就有很多這種公司，又比如以前在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的設(shè)備公司SPTS，不過(guò)現(xiàn)在SPTS被KLA收購(gòu)了。
所以未來(lái)一定就是這種市場(chǎng)格局，中國(guó)的設(shè)備同行們?cè)谕瓿傻谝徊街?，就開(kāi)始分化，一部分強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合形成更大的平臺(tái)，另外一方面就是小公司在自己的小天地里默默耕耘。
所以對(duì)于設(shè)備公司的整合我是非?？春玫摹?/p>
之前啟哥有個(gè)很好的朋友一直跟我咨詢離子注入這個(gè)領(lǐng)域，今天以超硬核的專業(yè)的知識(shí)來(lái)科普一下離子注入設(shè)備的相關(guān)知識(shí)。
何為離子注入？
離子注入設(shè)備，英語(yǔ)寫作Ion Implanter，日常交流里也常簡(jiǎn)寫作Imp。它對(duì)應(yīng)的工藝為離子注入工藝。
為什么要做離子注入？
為了改變晶體管的電阻率以及PN特性，屬于摻雜工藝的一種，摻雜工藝另外一種方法叫擴(kuò)散法（需要配合擴(kuò)散爐），集成電路工藝早期擴(kuò)散法比較多，12英寸之后離子注入法比較多，主要是離子注入能精確控制深區(qū)和濃度，此外還有部分長(zhǎng)外延的時(shí)候摻雜，比如鍺硅外延，這種主要是為了高選擇比刻蝕各種稀奇古怪的結(jié)構(gòu)形貌。
在硅片世界里，高純度的硅片也叫本征半導(dǎo)體，它本身其實(shí)和絕緣體差不多，本身不具備太多導(dǎo)電能力，在溫度變化下，有少量的導(dǎo)電率變化。
但是摻入少量雜質(zhì)元素比如三價(jià)的硼，五價(jià)的磷和砷，電阻率就會(huì)下降非常多，這就是半導(dǎo)體材料的可摻雜性，屬于半導(dǎo)體的五大特性之一。
其中摻入三價(jià)元素硼可以形成P型半導(dǎo)體，摻雜五價(jià)元素磷和砷可以形成N型半導(dǎo)體。
所以離子注入機(jī)就是專門做這一道摻雜工藝的，最終能形成芯片底層常見(jiàn)兩種晶體管：n-MOS和p-MOS。
為抑制 CMOS 穿通電流和減小器件的短溝效應(yīng)，需要減小 CMOS 源/漏結(jié)深。先進(jìn)制程 CMOS 工藝對(duì)器件的PN 結(jié)有很高要求——高的表面摻雜濃度、極淺的結(jié)深、低接觸和薄層電阻以及小的結(jié)漏電流。離子注入工藝通過(guò)改變器件內(nèi)載流子的分布從而達(dá)到所需的電參數(shù)和電性能，具體包括：1、隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截?cái)啵?、調(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜；3、CMOS 肼的形成；4、淺結(jié)/電阻的制備。
這就是為什么要做摻雜，離子注入工藝的基本道理。
離子注入機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
離子注入機(jī)由氣體系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和射線系統(tǒng)構(gòu)成，包含 6 大核心零部件——
離子源、吸極、離子分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔。
它們的作用是：
離子源：等待注入雜質(zhì)以帶電粒子束或者離子束形式存在；
吸機(jī)：從離子源中提出正離子并形成離子束；
離子分析器：把所需要的離子從混合離子束中分離出來(lái)；
加速管：將雜質(zhì)離子加速；
掃描系統(tǒng)：保證劑量的統(tǒng)一性，重復(fù)性；
工藝腔：加速后的離子束向硅片注入發(fā)生工藝的腔體內(nèi)；
設(shè)備工作時(shí)，從離子源引出的帶正電荷的雜質(zhì)離子（BF3/Ash3/PH3）經(jīng)過(guò)磁分析器選擇出需要的離子——吸極用于把離子從離子源室中引出，分析器磁鐵呈90度角，不同離子偏轉(zhuǎn)的角度不同最后分離出所需的雜質(zhì)離子→分析后的離子經(jīng)加速或減速以改變離子的能量，使離子有足夠的動(dòng)能注入到硅片的晶格結(jié)構(gòu)中→再經(jīng)過(guò)兩維偏轉(zhuǎn)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(cè)量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確的控制離子的注入深度。
所有的離子注入摻雜工藝在高真空下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和精度的要求極高。當(dāng)然離子注入后，摻雜元素并不是在正確位置，需要進(jìn)行晶格修復(fù)，這就是離子注入后下一道工序——退火工藝。
離子注入?yún)?shù)
向硅襯底中引入數(shù)量可控的雜質(zhì)過(guò)程，需要離子注入設(shè)備通過(guò)控制束流和能量來(lái)實(shí)現(xiàn)摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度的準(zhǔn)確控制。
為了精確控制注入深度，避免溝道效應(yīng)（直穿晶格而未與原子核或電子發(fā)生碰撞），要使靶材的晶軸方向與入射方向形成一定角度。
晶圓制造離子注入機(jī)行業(yè)的技術(shù)壁壘在于三大參數(shù)的控制精度要求：
1、注入角度精度±0.1°，且隨著線寬微縮，注入角度要求更高；
2、即均勻性、濃度，主要用法拉第杯進(jìn)行劑量控制；
3、能量控制在±1%以內(nèi)；
離子注入機(jī)分類
離子注入機(jī)按能量高低可分為低能離子注入機(jī)、中能離子注入機(jī)、高能離子注入機(jī)（KeV）和更高能量的兆伏離子注入機(jī)（MeV）；
其中低能離子注入大約小于100KeV；
中能大約是100-300KeV；
高能大約是300-1000KeV；
兆伏級(jí)基本就是MeV以上了；
按束流大小可分為小束流離子注入機(jī)、中束流離子注入機(jī)、強(qiáng)流離子注入機(jī)和超強(qiáng)流離子注入機(jī)（通常將強(qiáng)流離子注入機(jī)和超強(qiáng)流離子注入機(jī)統(tǒng)稱為大束流離子注入機(jī)），他們的單位是從100nA-100uA（小束流），100uA-2000uA（中束流），2mA-30mA（強(qiáng)流型），大于30mA（超強(qiáng)流束型）。
他們的作用區(qū)別是：
中低束流的多數(shù)情況用于掃描硅片+掃描離子束穿通注入專用；
但是低能大束流的除了掃描硅片+超淺源漏區(qū)注入的超低能束流（通常只有幾百eV）；
高能粒子注入機(jī)用的最多，主要是向溝槽或者厚氧化層下注入雜質(zhì)，形成倒摻雜肼區(qū)和埋層；
此外還有少量專用型的，比如氧注入型，以及碳化硅行業(yè)的專用高溫型離子注入，以及IGBT注氫型。
也就說(shuō)，說(shuō)穿了的工藝也就是這么幾種，源漏區(qū)注入，多晶硅柵極注入，深埋層注入，輕摻雜漏區(qū)，以及搞SOI硅的特殊氧注入，還有碳化硅的高溫鋁注入，IGBT注氫；
當(dāng)然了用最多的是以大束流離子注入機(jī)為主。
離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模
其實(shí)以前離子注入機(jī)在整個(gè)半導(dǎo)體前道工藝?yán)?，份額還是不少的，但是由于用途太單一，且其他刻蝕，薄膜沉積工藝增加迅速，導(dǎo)致離子注入機(jī)市場(chǎng)份額相對(duì)值變的越來(lái)越小，現(xiàn)在已經(jīng)下滑到只有3%都不到的占比，甚至比清洗和CMP都小，它們量都至少有5%左右。
盡管離子注入機(jī)單價(jià)并不便宜，都是數(shù)百萬(wàn)美金一臺(tái)，但是需求量太少了，且不是FAB上的產(chǎn)能瓶頸設(shè)備，一個(gè)5萬(wàn)片產(chǎn)能的12英寸FAB，也就用了40-55臺(tái)，這和動(dòng)輒需求是大幾百臺(tái)的刻蝕和沉積型設(shè)備相比就顯得微不足道。
按照2024年全球半導(dǎo)體設(shè)備設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模1090億美金計(jì)算，離子注入機(jī)只有區(qū)區(qū)31億美金而已，而刻蝕，沉積則各自高達(dá)200-300億美金！而且其中集成電路也就占了95%，面板+光伏只有5%都不到。
其中對(duì)應(yīng)的各種型號(hào)的注入機(jī)中，大束流約為43%，中束流的28%，高能的為27%，其他的只有2%；
行業(yè)公司
說(shuō)到離子注入設(shè)備，大家耳熟能詳?shù)挠羞@么幾個(gè)公司：
1、AMAT，全世界最大，總量占了至少70%，其產(chǎn)品包括大束流離子注入機(jī)、中束流離子注入機(jī)、超高劑量的離子注入機(jī)等，在行業(yè)中處于龍頭地位；
2、Axcelis，亞舍利，占了20%，傳統(tǒng)離子注入機(jī)強(qiáng)者，市占率第二，在高能型離子注入機(jī)方面第一超過(guò)AMAT，占了大概55%；
3、美國(guó)intevac，目前僅在光伏行業(yè)有；
4、愛(ài)發(fā)科，更多是在面板行業(yè)用，集成電路前道工藝?yán)飵缀蹩床坏剑?/p>
5、日新，同樣是是專注面板，中束流方面約占10%；
6、日本SMIT，產(chǎn)品包括高束流離子注入機(jī)、中束流離子注入機(jī)、高能量離子注入機(jī)等，其中中束流離子注入機(jī)、高能量離子注入的收入占比略高，但在中國(guó)大陸地區(qū)的市占率相對(duì)較低；
7、漢辰科技，主要是服務(wù)于TSMC；
8、國(guó)內(nèi)的凱世通，之前光伏型市場(chǎng)份額第一，現(xiàn)在屬于萬(wàn)業(yè)企業(yè)，已經(jīng)拿到不少國(guó)內(nèi)FAB訂單；
9、中科信，屬于CETC48，另外一個(gè)國(guó)內(nèi)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手；
10、芯崳，低能大束流離子注入設(shè)備，也是最近剛被某同行CMP公司收購(gòu)，對(duì)價(jià)約12.25億；
其他國(guó)內(nèi)還有個(gè)別小公司。
國(guó)內(nèi)目前離子注入機(jī)市占率不超過(guò)10%，國(guó)產(chǎn)化任重而道遠(yuǎn)！
