การฝังไอออนเป็นหนึ่งในกระบวนการที่สำคัญที่สุดในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำโดยการนำไอออนโดปแอนต์ เช่น โบรอน (B), ฟอสฟอรัส (P) และอาร์เซนิค (As) เข้าไปในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์.
โดยการเร่งไอออนพลังงานสูงและฝังเข้าไปในโครงสร้างผลึก การฝังไอออนกำหนดลักษณะสำคัญของอุปกรณ์ รวมถึงความลึกของรอยต่อ ความนำไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ เป็นขั้นตอนพื้นฐานในการสร้างรอยต่อ PN และถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สำหรับลอจิก หน่วยความจำ และพลังงาน.
กระบวนการฝังไอออน
กระบวนการฝังไอออนประกอบด้วยขั้นตอนสำคัญหลายขั้นตอน:
- การสร้างไอออน
ก๊าซโดปหรือแหล่งกำเนิดของแข็งจะถูกทำให้เป็นไอออนในแหล่งกำเนิดไอออนเพื่อสร้างอนุภาคที่มีประจุ. - การเร่งอนุภาคไอออน
ไอออนถูกเร่งความเร็วไปยังระดับพลังงานที่กำหนด ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดความลึกของการฝัง. - การวิเคราะห์มวลสาร
เครื่องวิเคราะห์แม่เหล็กจะเลือกชนิดไอออนที่ต้องการ เพื่อให้มั่นใจในความบริสุทธิ์ของลำแสง. - การสแกนลำแสงและการฝัง
ลำแสงไอออนถูกสแกนข้ามพื้นผิวของเวเฟอร์เพื่อให้เกิดการฝังตัวที่สม่ำเสมอ.
หลังจากการฝังตัวแล้ว แผ่นเวเฟอร์มักจะผ่านการอบอ่อนเพื่อซ่อมแซมความเสียหายของโครงตาข่ายและกระตุ้นสารเจือปน วิธีการอบอ่อนที่ใช้ทั่วไปได้แก่:
- การประมวลผลด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว (RTP) ที่ 1000–1100°C
- การอบชุบด้วยเลเซอร์สำหรับการให้ความร้อนเฉพาะจุดและการลดงบประมาณความร้อน
การจัดประเภทอุปกรณ์การฝังไอออน
ตามระดับพลังงาน
เครื่องฝังไอออนพลังงานต่ำ (<100 keV)
ใช้สำหรับจุดเชื่อมต่อที่ตื้นมาก การฝังตัวนำ/ตัวนำไฟฟ้า และการผลิตอุปกรณ์ลอจิกขั้นสูง เช่น ชิป AI, CPU, DRAM และ CIS.
เครื่องฝังไอออนพลังงานปานกลาง (100–300 keV)
ใช้สำหรับการปรับแรงดันไฟฟ้าที่จุดวิกฤต โครงสร้างระบายที่เจือเจือจาง และกระบวนการต่างๆ เช่น SIMOX และ Smart Cut.
เครื่องฝังไอออนพลังงานสูง (>300 keV)
ใช้สำหรับการฝังลึกในอุปกรณ์ไฟฟ้า, ชิป RF, และอุปกรณ์สื่อสารทางแสง, ทำให้สามารถฝังสารเจือในระดับไมโครเมตรได้.
โดยกระแสลำแสง
เครื่องฝังตัวด้วยกระแสต่ำ (100 นาโนแอมแปร์ – 100 ไมโครแอมแปร์)
เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงในการควบคุมปริมาณการใช้.
เครื่องฝังอิเล็กโทรดกระแสปานกลาง (100 μA – 2000 μA)
ใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน.
เครื่องฝังกระแสสูง (2 mA – 30 mA)
ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่มีปริมาณสูงและปริมาณมาก เช่น การฝังแหล่ง/ระบายแหล่ง.
เครื่องฝังชิปกระแสสูงพิเศษ (>30 mA)
ใช้ในสภาพแวดล้อมการผลิตที่มีปริมาณมากหรือปริมาณสูงเฉพาะทาง.
โดยฟังก์ชันพิเศษ
เครื่องฝังไอออนออกซิเจน
ใช้สำหรับการผลิต SOI (ซิลิคอนบนฉนวน).
เครื่องฝังไอออนไฮโดรเจน
ประยุกต์ใช้ในกระบวนการตัดอัจฉริยะและวิศวกรรมวัสดุ.
เครื่องฝังไอออนที่อุณหภูมิสูง
เปิดใช้งานการฝังตัวที่อุณหภูมิสูงสำหรับวัสดุเช่น SiC และการประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง.
สถาปัตยกรรมระบบ
ระบบฝังไอออนโดยทั่วไปประกอบด้วยระบบย่อยหลักห้าส่วน:
ระบบก๊าซ
จัดหาและจัดการก๊าซพิเศษอย่างปลอดภัย เช่น อาร์ซีน (AsH₃), ฟอสฟีน (PH₃), และโบรอนไตรฟลูออไรด์ (BF₃).
ระบบไฟฟ้าและพลังงาน
จ่ายพลังงานไฟฟ้าแรงสูงสำหรับการเร่งไอออนและการสร้างสนามแม่เหล็ก.
ระบบสูญญากาศ
รักษาสภาวะสุญญากาศสูงเพื่อลดการกระเจิงของไอออนและการปนเปื้อน โดยทั่วไปใช้ปั๊มเทอร์โบและปั๊มไครโอเจนิก.
ระบบควบคุม
จัดการพารามิเตอร์ของลำแสง การจัดการเวเฟอร์ และระบบอัตโนมัติของกระบวนการ.
ระบบลำแสง
แกนหลักของอุปกรณ์ ซึ่งประกอบด้วย:
- แหล่งกำเนิดไอออน
- ระบบสกัด
- เครื่องวิเคราะห์มวล
- ท่อเร่งความเร็ว
- ระบบสแกนลำแสง
- ห้องกระบวนการ
ระบบนี้กำหนดความแม่นยำในการฝัง ความสม่ำเสมอ และประสิทธิภาพโดยรวม.
ภาพรวมตลาด
ตามข้อมูลของอุตสาหกรรม ตลาดอุปกรณ์การฝังไอออนระดับโลกในปี 2022 มีมูลค่าประมาณ 20.6 พันล้านหยวน ตลาดในประเทศจีนมีมูลค่าประมาณ 6.6 พันล้านหยวน คิดเป็นประมาณ 32% ของตลาดโลก.
ในแง่ของการแบ่งส่วน:
- เครื่องฝังที่มีกระแสสูงครองตลาด คิดเป็นประมาณร้อยละ 61
- เครื่องฝังที่มีกระแสปานกลางคิดเป็นประมาณร้อยละ 20
- ส่วนที่เหลือถือครองโดยระบบพลังงานสูงและระบบเฉพาะทาง
ภูมิทัศน์การแข่งขันระดับโลก
ตลาดอุปกรณ์การฝังไอออนมีความเข้มข้นสูงและถูกครอบงำโดยบริษัทชั้นนำระดับนานาชาติเพียงไม่กี่แห่ง.
วัสดุประยุกต์
ครองส่วนแบ่งตลาดโลกมากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ พอร์ตโฟลิโอของบริษัทประกอบด้วยระบบฝังไอออนที่มีกระแสสูง กระแสปานกลาง และกระแสสูงพิเศษ บริษัทได้เสริมความแข็งแกร่งให้กับตำแหน่งของตนผ่านการเข้าซื้อกิจการของ Varian Semiconductor.
แอ็กเซลลิส เทคโนโลยีส์
ผู้จัดจำหน่ายชั้นนำของเครื่องฉีดไอออนพลังงานสูง โดยมีส่วนแบ่งตลาดประมาณร้อยละ 55 ในกลุ่มนี้ บริษัทได้รายงานผลการดำเนินงานทางการเงินที่แข็งแกร่ง และยังคงขยายตัวในด้านการประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์กำลัง.
นิสชิน ไอออน อุปกรณ์
มุ่งเน้นที่เครื่องฝังไอออนกระแสปานกลางและมีส่วนร่วมในโครงการเซมิคอนดักเตอร์หลายโครงการในประเทศจีน.
ซูมิโตโม เฮฟวี่ อินดัสทรีส์
ผลิตระบบฝังไอออนกระแสปานกลางเป็นหลัก.
บริษัท เซ็น คอร์ปอเรชั่น
นำเสนออุปกรณ์การฝังไอออนครบวงจร รวมถึงระบบกระแสสูง กระแสปานกลาง และพลังงานสูง แม้ว่าจะมีส่วนแบ่งตลาดที่ค่อนข้างต่ำในจีนแผ่นดินใหญ่.
การพัฒนาผู้ผลิตในประเทศ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ของจีนได้มีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น เครื่องฝังไอออนที่อุณหภูมิต่ำขนาด 12 นิ้วที่พัฒนาโดยบริษัทในประเทศได้ถูกส่งมอบให้กับผู้ผลิตชิปลอจิกชั้นนำอย่างประสบความสำเร็จ.
บริษัทท้องถิ่นกำลังพัฒนาอย่างแข็งขันระบบฝังไอออนที่มีกระแสสูง กระแสปานกลาง และพลังงานสูง แม้ว่าตลาดในประเทศยังคงถูกครอบงำโดยผู้จัดหาจากต่างประเทศ ผู้ผลิตจากจีนกำลังค่อยๆ บรรลุการตรวจสอบกระบวนการและเข้าสู่สายการผลิตขั้นสูง.
สรุป
การฝังไอออนยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและผลผลิตของอุปกรณ์ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของโหนดขั้นสูง วัสดุที่มีช่องว่างพลังงานกว้าง เช่น SiC และการประยุกต์ใช้งานคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง ความต้องการสำหรับ อุปกรณ์ฝังไอออน ยังคงเติบโตต่อไป.
ในขณะที่ตลาดโลกยังคงถูกนำโดยผู้เล่นระดับนานาชาติที่มีชื่อเสียง ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและความพยายามในการปรับให้เข้ากับท้องถิ่นกำลังเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์การแข่งขัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตลาดเซมิคอนดักเตอร์ที่กำลังเติบโต.