Implantacja jonów jest jednym z najważniejszych procesów w produkcji półprzewodników. Umożliwia precyzyjną kontrolę właściwości elektrycznych poprzez wprowadzanie jonów domieszek, takich jak bor (B), fosfor (P) i arsen (As) do materiałów półprzewodnikowych.
Poprzez przyspieszanie wysokoenergetycznych jonów i wszczepianie ich do sieci krystalicznej, implantacja jonów definiuje kluczowe cechy urządzenia, w tym głębokość złącza, przewodność i napięcie progowe. Jest to podstawowy etap tworzenia złącz PN i jest szeroko stosowany w układach logicznych, pamięci i półprzewodnikowych urządzeniach mocy.
Proces implantacji jonów
Proces implantacji jonów obejmuje kilka kluczowych etapów:
- Generowanie jonów
Gazy domieszkujące lub źródła stałe są jonizowane w źródle jonów w celu wygenerowania naładowanych cząstek. - Przyspieszenie jonowe
Jony są przyspieszane do określonego poziomu energii, który określa głębokość implantacji. - Analiza masy
Analizator magnetyczny wybiera pożądane gatunki jonów, zapewniając czystość wiązki. - Skanowanie wiązką i implantacja
Wiązka jonów jest skanowana po powierzchni wafla w celu uzyskania jednolitej implantacji.
Po implantacji, płytka zazwyczaj poddawana jest wyżarzaniu w celu naprawy uszkodzeń sieci i aktywacji domieszek. Typowe metody wyżarzania obejmują:
- Szybkie przetwarzanie termiczne (RTP) w temperaturze 1000-1100°C
- Wyżarzanie laserowe dla lokalnego ogrzewania i zmniejszonego budżetu termicznego
Klasyfikacja urządzeń do implantacji jonów
Według poziomu energii
Implantatory jonowe o niskiej energii (<100 keV)
Używany do ultra-płytkich połączeń, implantacji źródła/drenu i zaawansowanych urządzeń logicznych, takich jak chipy AI, procesory, DRAM i CIS.
Implantatory jonowe średniej energii (100-300 keV)
Używany do regulacji napięcia progowego, lekko domieszkowanych struktur drenów i procesów takich jak SIMOX i Smart Cut.
Implantatory jonów o wysokiej energii (>300 keV)
Używany do głębokiej implantacji w urządzeniach zasilających, układach RF i optycznych urządzeniach komunikacyjnych, umożliwiając domieszkowanie na poziomie mikrometrów.
Przez Beam Current
Implantatory niskoprądowe (100 nA - 100 μA)
Nadaje się do precyzyjnych zastosowań wymagających dokładnej kontroli dawki.
Implantatory średnioprądowe (100 μA - 2000 μA)
Szeroko stosowany w standardowych procesach produkcji półprzewodników.
Implantatory wysokoprądowe (2 mA - 30 mA)
Zaprojektowany do zastosowań o wysokiej dawce i wysokiej przepustowości, takich jak implantacja źródła/drenu.
Implantatory ultrawysokoprądowe (>30 mA)
Używany w specjalistycznych środowiskach produkcyjnych o dużej objętości lub dużej dawce.
Funkcja specjalna
Implantatory jonów tlenu
Używany do produkcji SOI (Silicon-on-Insulator).
Implantatory jonów wodoru
Stosowany w procesach Smart Cut i inżynierii materiałowej.
Implantatory jonowe o wysokiej temperaturze
Umożliwiają implantację w podwyższonych temperaturach dla materiałów takich jak SiC i zaawansowanych zastosowań półprzewodnikowych.
Architektura systemu
System implantacji jonów składa się zazwyczaj z pięciu głównych podsystemów:
System gazowy
Zapewnia i bezpiecznie obsługuje gazy specjalne, takie jak arsen (AsH₃), fosfina (PH₃) i trójfluorek boru (BF₃).
Zasilanie i system elektryczny
Dostarcza moc wysokiego napięcia do akceleracji jonów i generowania pola magnetycznego.
System próżniowy
Utrzymuje wysoką próżnię w celu zmniejszenia rozpraszania jonów i zanieczyszczeń, zwykle przy użyciu pomp turbo i pomp kriogenicznych.
System kontroli
Zarządza parametrami wiązki, obsługą płytek i automatyzacją procesu.
System linii wiązki
Rdzeń sprzętu, w tym:
- Źródło jonów
- System ekstrakcji
- Analizator masy
- Rurka przyspieszenia
- System skanowania wiązką
- Komora procesowa
System ten określa dokładność implantacji, jednorodność i ogólną wydajność.
Przegląd rynku
Według danych branżowych globalny rynek urządzeń do implantacji jonowej osiągnął w 2022 r. wartość około 20,6 mld RMB. Rynek chiński odpowiadał za około 6,6 mld RMB, co stanowiło około 32 procent rynku globalnego.
Pod względem segmentacji:
- Implantatory wysokoprądowe dominują na rynku, stanowiąc około 61 procent
- Średnio aktualne implanty stanowią około 20 procent
- Pozostały udział mają systemy wysokoenergetyczne i specjalistyczne
Globalny krajobraz konkurencyjny
Rynek urządzeń do implantacji jonowej jest wysoce skoncentrowany i zdominowany przez kilka wiodących międzynarodowych firm.
Materiały stosowane
Posiada ponad 50 procent udziału w globalnym rynku. Jej portfolio obejmuje systemy implantacji jonowej o wysokim, średnim i ultrawysokim natężeniu prądu. Firma wzmocniła swoją pozycję poprzez przejęcie Varian Semiconductor.
Axcelis Technologies
Wiodący dostawca wysokoenergetycznych implantów jonowych, z około 55-procentowym udziałem w rynku w tym segmencie. Firma odnotowała dobre wyniki finansowe i kontynuuje ekspansję w zastosowaniach półprzewodników mocy.
Nissin Ion Equipment
Koncentruje się na średnioprądowych implantatorach jonowych i uczestniczył w kilku projektach półprzewodnikowych w Chinach.
Sumitomo Heavy Industries
Produkuje głównie średnioprądowe systemy implantacji jonowej.
SEN Corporation
Oferuje pełną gamę urządzeń do implantacji jonów, w tym systemy wysokoprądowe, średnioprądowe i wysokoenergetyczne, choć ma stosunkowo niższy udział w rynku w Chinach kontynentalnych.
Rozwój krajowych producentów
W ostatnich latach chińscy producenci sprzętu półprzewodnikowego poczynili znaczne postępy. Przykładowo, 12-calowy niskotemperaturowy implant jonowy opracowany przez krajową firmę został z powodzeniem dostarczony do wiodącego producenta układów logicznych.
Lokalne firmy aktywnie rozwijają wysokoprądowe, średnioprądowe i wysokoenergetyczne systemy implantacji jonów. Chociaż rynek krajowy jest nadal zdominowany przez międzynarodowych dostawców, chińscy producenci stopniowo osiągają walidację procesów i wprowadzają zaawansowane linie produkcyjne.
Wnioski
Implantacja jonów pozostaje podstawową technologią w produkcji półprzewodników, bezpośrednio wpływając na wydajność i produktywność urządzeń. Wraz z szybkim rozwojem zaawansowanych węzłów, materiałów o szerokim paśmie wzbronionym, takich jak SiC, oraz wysokowydajnych aplikacji obliczeniowych, popyt na zaawansowane technologie implantacji jonowej wzrasta. sprzęt do implantacji jonów nadal rośnie.
Podczas gdy globalny rynek jest nadal prowadzony przez międzynarodowych graczy o ugruntowanej pozycji, trwający postęp technologiczny i wysiłki na rzecz lokalizacji zmieniają konkurencyjny krajobraz, zwłaszcza na wschodzących rynkach półprzewodników.