Iontová implantace je jedním z nejdůležitějších procesů při výrobě polovodičů. Umožňuje přesné řízení elektrických vlastností zaváděním dopujících iontů, jako jsou bór (B), fosfor (P) a arsen (As), do polovodičových materiálů.
Urychlením vysokoenergetických iontů a jejich implantací do krystalové mřížky určuje iontová implantace klíčové vlastnosti zařízení, včetně hloubky spoje, vodivosti a prahového napětí. Jedná se o základní krok při vytváření přechodů PN, který se široce používá v logických, paměťových a výkonových polovodičových zařízeních.
Proces iontové implantace
Proces implantace iontů zahrnuje několik klíčových fází:
- Generování iontů
Dopantové plyny nebo pevné zdroje jsou v iontovém zdroji ionizovány za vzniku nabitých částic. - Urychlení iontů
Ionty jsou urychlovány na definovanou energetickou úroveň, která určuje hloubku implantace. - Hmotnostní analýza
Magnetický analyzátor vybírá požadované druhy iontů a zajišťuje čistotu svazku. - Skenování a implantace paprsku
Iontový paprsek se skenuje po povrchu destičky, aby se dosáhlo rovnoměrné implantace.
Po implantaci se destička obvykle žíhá, aby se opravilo poškození mřížky a aktivovaly dopanty. Mezi běžné metody žíhání patří:
- Rychlé tepelné zpracování (RTP) při 1000-1100 °C
- Laserové žíhání pro lokalizovaný ohřev a snížení tepelného rozpočtu
Klasifikace zařízení pro iontovou implantaci
Podle úrovně energie
Iontové implantátory s nízkou energií (<100 keV)
Používá se pro velmi mělké spoje, implantaci source/drain a pokročilá logická zařízení, jako jsou čipy umělé inteligence, procesory, paměti DRAM a CIS.
Iontové implantátory střední energie (100-300 keV)
Používá se pro úpravu prahového napětí, pro lehce dopované struktury drainů a pro procesy, jako je SIMOX a Smart Cut.
Iontové implantátory s vysokou energií (>300 keV)
Používá se pro hlubokou implantaci ve výkonových zařízeních, VF čipech a optických komunikačních zařízeních, kde umožňuje mikrometrovou hloubku dopování.
Od Beam Current
Nízkoproudé implantátory (100 nA - 100 μA)
Vhodné pro přesné aplikace vyžadující přesnou kontrolu dávky.
Středněproudé implantátory (100 μA - 2000 μA)
Široce se používá ve standardních výrobních procesech polovodičů.
Implantátory s vysokým proudem (2 mA - 30 mA)
Navrženo pro vysoce výkonné aplikace s vysokou dávkou, jako je například implantace zdroje/odtoku.
Implantátory s velmi vysokým proudem (>30 mA)
Používá se ve specializovaných velkoobjemových nebo vysokodávkových výrobních prostředích.
Podle speciální funkce
Iontové implantátory kyslíku
Používá se pro výrobu SOI (Silicon-on-Insulator).
Vodíkové iontové implantátory
Použití v procesech inteligentního řezání a materiálového inženýrství.
Vysokoteplotní iontové implantátory
Umožňují implantaci při zvýšených teplotách pro materiály, jako je SiC a pokročilé polovodičové aplikace.
Architektura systému
Systém iontové implantace se obvykle skládá z pěti hlavních subsystémů:
Plynový systém
Zajišťuje a bezpečně zpracovává speciální plyny, jako je arsin (AsH₃), fosfin (PH₃) a trifluorid boru (BF₃).
Napájení a elektrický systém
Dodává vysokonapěťový proud pro urychlování iontů a generování magnetického pole.
Vakuový systém
Udržuje vysoké vakuum, aby se snížil rozptyl iontů a kontaminace, obvykle pomocí turbočerpadel a kryogenních vývěv.
Řídicí systém
Spravuje parametry svazku, manipulaci s destičkami a automatizaci procesu.
Systém Beamline
Základní vybavení, včetně:
- Zdroj iontů
- Extrakční systém
- Hmotnostní analyzátor
- Zrychlovací trubice
- Systém skenování paprsku
- Procesní komora
Tento systém určuje přesnost implantace, rovnoměrnost a celkový výkon.
Přehled trhu
Podle průmyslových údajů dosáhl celosvětový trh se zařízeními pro iontovou implantaci v roce 2022 přibližně 20,6 miliardy RMB. Na čínský trh připadalo přibližně 6,6 miliardy RMB, což představovalo přibližně 32 % celosvětového trhu.
Z hlediska segmentace:
- Na trhu dominují vysokoproudé implantátory, které tvoří přibližně 61 %.
- Střednědobé implantáty tvoří asi 20 procent.
- Zbývající podíl připadá na vysokoenergetické a specializované systémy.
Globální konkurenční prostředí
Trh se zařízeními pro iontovou implantaci je vysoce koncentrovaný a dominuje mu několik předních mezinárodních společností.
Aplikované materiály
Má více než 50procentní podíl na celosvětovém trhu. Do jejího portfolia patří vysokoproudé, středněproudé a ultravysokodávkové systémy iontové implantace. Společnost posílila svou pozici akvizicí společnosti Varian Semiconductor.
Axcelis Technologies
Přední dodavatel vysokoenergetických iontových implantátorů s přibližně 55% podílem na trhu v tomto segmentu. Společnost vykázala dobré finanční výsledky a pokračuje v expanzi v oblasti výkonových polovodičových aplikací.
Iontová zařízení Nissin
Zaměřuje se na středněproudé iontové implantátory a podílí se na několika polovodičových projektech v Číně.
Sumitomo Heavy Industries
Vyrábí především středněproudé systémy iontové implantace.
SEN Corporation
Nabízí celou řadu zařízení pro iontovou implantaci, včetně vysokoproudých, středněproudých a vysokoenergetických systémů, avšak s relativně nižším podílem na trhu v pevninské Číně.
Rozvoj domácích výrobců
Čínští výrobci polovodičových zařízení dosáhli v posledních letech významného pokroku. Například 12palcový nízkoteplotní iontový implantátor vyvinutý domácí společností byl úspěšně dodán přednímu výrobci logických čipů.
Místní společnosti aktivně vyvíjejí vysokoproudé, středněproudé a vysokoenergetické systémy iontové implantace. Ačkoli na domácím trhu stále dominují mezinárodní dodavatelé, čínští výrobci postupně dosahují validace procesů a zavádějí pokročilé výrobní linky.
Závěr
Iontová implantace zůstává klíčovou technologií při výrobě polovodičů, která přímo ovlivňuje výkon a výtěžnost zařízení. S rychlým rozvojem pokročilých uzlů, materiálů s širokým pásmem, jako je SiC, a vysoce výkonných výpočetních aplikací se poptávka po pokročilých technologiích zvyšuje. zařízení pro iontovou implantaci stále roste.
Zatímco globální trh je stále veden zavedenými mezinárodními hráči, probíhající technologický pokrok a lokalizační úsilí mění konkurenční prostředí, zejména na rozvíjejících se trzích polovodičů.