Jonimplantation är en av de mest kritiska processerna inom halvledartillverkning. Den möjliggör exakt kontroll av elektriska egenskaper genom att dopantjoner som bor (B), fosfor (P) och arsenik (As) förs in i halvledarmaterial.
Genom att accelerera högenergetiska joner och implantera dem i kristallgittret definierar jonimplantation viktiga egenskaper hos komponenterna, bland annat överkopplingsdjup, konduktivitet och tröskelspänning. Det är ett grundläggande steg för att bilda PN-övergångar och används ofta i logik-, minnes- och krafthalvledarkomponenter.
Process för jonimplantation
Processen för jonimplantation omfattar flera viktiga steg:
- Jongenerering
Dopantgaser eller fasta källor joniseras i jonkällan för att generera laddade partiklar. - Jonacceleration
Jonerna accelereras till en definierad energinivå, som bestämmer implantationsdjupet. - Massanalys
En magnetisk analysator väljer ut de önskade jonarterna och säkerställer strålens renhet. - Strålskanning och implantation
Jonstrålen skannas över waferytan för att uppnå en jämn implantation.
Efter implantationen genomgår skivan vanligen en glödgning för att reparera gitterskador och aktivera dopämnen. Vanliga glödgningsmetoder inkluderar:
- Snabb termisk bearbetning (RTP) vid 1000-1100°C
- Laserglödgning för lokaliserad uppvärmning och minskad termisk budget
Klassificering av utrustning för jonimplantation
Efter energinivå
Jonimplantat med låg energi (<100 keV)
Används för ultragrunda övergångar, source/drain-implantation och avancerade logiska enheter som AI-chip, CPU:er, DRAM och CIS.
Jonimplantat med medelhög energi (100-300 keV)
Används för justering av tröskelspänning, lättdopade drainstrukturer och processer som SIMOX och Smart Cut.
Högenergijonimplantat (>300 keV)
Används för djup implantation i kraftaggregat, RF-chip och optiska kommunikationsenheter, vilket möjliggör dopningsdjup på mikrometernivå.
Genom strålström
Implanterare för låg strömstyrka (100 nA - 100 μA)
Lämplig för precisionsapplikationer som kräver noggrann dosreglering.
Medelströmsimplantat (100 μA - 2000 μA)
Används ofta i standardprocesser för tillverkning av halvledare.
Implanterare för hög strömstyrka (2 mA - 30 mA)
Utformad för högdosapplikationer med hög genomströmning, t.ex. source/drain-implantation.
Implanterare för ultrahög strömstyrka (>30 mA)
Används i specialiserade produktionsmiljöer med stora volymer eller höga doser.
Genom specialfunktion
Implanterare för syrgasjoner
Används för SOI-tillverkning (Silicon-on-Insulator).
Vätejonimplantat
Tillämpas i Smart Cut och materialtekniska processer.
Jonimplantat för höga temperaturer
Möjliggör implantation vid förhöjda temperaturer för material som SiC och avancerade halvledartillämpningar.
Systemarkitektur
Ett jonimplantationssystem består normalt av fem större delsystem:
Gassystem
Tillhandahåller och hanterar specialgaser på ett säkert sätt, t.ex. arsin (AsH₃), fosfin (PH₃) och bortrifluorid (BF₃).
Kraft- och elsystem
Levererar högspänningskraft för jonacceleration och generering av magnetfält.
Vakuumsystem
Upprätthåller högvakuumförhållanden för att minska jonspridning och kontaminering, vanligtvis med hjälp av turbopumpar och kryogena pumpar.
Styrsystem
Hanterar strålparametrar, waferhantering och processautomation.
Strålrörssystem
Utrustningens kärna, inklusive:
- Jonkälla
- Extraktionssystem
- Massanalysator
- Accelerationsrör
- System för strålskanning
- Processkammare
Detta system avgör implantatets noggrannhet, enhetlighet och övergripande prestanda.
Marknadsöversikt
Enligt branschdata uppgick den globala marknaden för jonimplantationsutrustning till cirka 20,6 miljarder RMB år 2022. Den kinesiska marknaden stod för cirka 6,6 miljarder RMB, vilket motsvarar cirka 32 procent av den globala marknaden.
När det gäller segmentering:
- Högströmsimplantat dominerar marknaden och står för cirka 61 procent
- Medelaktuella implanterare står för cirka 20 procent
- Den återstående andelen innehas av högenergi- och specialiserade system
Globalt konkurrenslandskap
Marknaden för jonimplantationsutrustning är mycket koncentrerad och domineras av ett fåtal ledande internationella företag.
Tillämpade material
Har mer än 50 procent av den globala marknadsandelen. Portföljen omfattar jonimplantationssystem med hög strömstyrka, medelhög strömstyrka och ultrahög dos. Bolaget stärkte sin position genom förvärvet av Varian Semiconductor.
Axcelis Technologies
En ledande leverantör av högenergijonimplantatorer, med cirka 55 procents marknadsandel inom detta segment. Bolaget redovisade ett starkt finansiellt resultat och fortsätter att expandera inom krafthalvledarapplikationer.
Nissin Ion-utrustning
Fokuserar på jonimplantatorer för medelström och har deltagit i flera halvledarprojekt i Kina.
Sumitomo tunga industrier
Tillverkar i första hand jonimplantationssystem för medelström.
SEN Corporation
Erbjuder ett komplett sortiment av jonimplantationsutrustning, inklusive system för högström, medelström och hög energi, men med en relativt sett lägre marknadsandel på det kinesiska fastlandet.
Utveckling av inhemska tillverkare
Under de senaste åren har kinesiska tillverkare av halvledarutrustning gjort betydande framsteg. Till exempel har en 12-tums lågtemperaturjonimplanterare som utvecklats av ett inhemskt företag framgångsrikt levererats till en ledande tillverkare av logiska chip.
Lokala företag utvecklar aktivt jonimplantationssystem för högström, medelström och hög energi. Även om den inhemska marknaden fortfarande domineras av internationella leverantörer, börjar kinesiska tillverkare gradvis uppnå processvalidering och börja använda avancerade produktionslinjer.
Slutsats
Jonimplantation är fortfarande en viktig teknik vid halvledartillverkning och har en direkt inverkan på enheternas prestanda och utbyte. Med den snabba utvecklingen av avancerade noder, material med brett bandgap som SiC och högpresterande datortillämpningar ökar efterfrågan på avancerade utrustning för jonimplantation fortsätter att växa.
Den globala marknaden leds fortfarande av etablerade internationella aktörer, men pågående tekniska framsteg och lokaliseringssträvanden förändrar konkurrenssituationen, särskilt på tillväxtmarknader för halvledare.