Cấy ion là một trong những quy trình quan trọng nhất trong sản xuất chất bán dẫn. Quy trình này cho phép kiểm soát chính xác các tính chất điện bằng cách đưa các ion chất pha tạp như bo (B), phốt pho (P) và asen (As) vào vật liệu bán dẫn.
Bằng cách gia tốc các ion năng lượng cao và cấy chúng vào mạng tinh thể, quá trình cấy ion xác định các đặc tính chính của thiết bị, bao gồm độ sâu tiếp giáp, độ dẫn điện và điện áp ngưỡng. Đây là một bước cơ bản trong quá trình hình thành các tiếp giáp PN và được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bán dẫn logic, bộ nhớ và công suất.
Quy trình cấy ion
Quy trình cấy ion bao gồm một số giai đoạn chính:
- Sự hình thành ion
Khí pha tạp hoặc các nguồn rắn được ion hóa trong nguồn ion để tạo ra các hạt mang điện. - Tăng tốc ion
Các ion được gia tốc lên một mức năng lượng xác định, mức năng lượng này quyết định độ sâu cấy ghép. - Phân tích khối lượng
Máy phân tích từ tính chọn ra các loại ion mong muốn, đảm bảo độ tinh khiết của chùm tia. - Quét chùm tia và cấy ghép
Chùm ion được quét ngang qua bề mặt tấm wafer để đảm bảo quá trình cấy ion diễn ra đồng đều.
Sau khi cấy ghép, tấm wafer thường được nung để khắc phục tổn thương mạng tinh thể và kích hoạt các chất pha tạp. Các phương pháp nung phổ biến bao gồm:
- Xử lý nhiệt nhanh (RTP) ở nhiệt độ 1000–1100°C
- Nung bằng laser để gia nhiệt cục bộ và giảm lượng nhiệt tiêu thụ
Phân loại thiết bị cấy ion
Theo mức năng lượng
Máy cấy ion năng lượng thấp (<100 keV)
Được sử dụng cho các điểm nối siêu nông, quá trình cấy nguồn/cống, và các thiết bị logic tiên tiến như chip AI, CPU, DRAM và CIS.
Máy cấy ion năng lượng trung bình (100–300 keV)
Được sử dụng để điều chỉnh điện áp ngưỡng, cấu trúc cổng thoát có nồng độ pha tạp thấp, và các quy trình như SIMOX và Smart Cut.
Máy cấy ion năng lượng cao (>300 keV)
Được sử dụng để cấy sâu trong các thiết bị điện, chip RF và thiết bị truyền thông quang học, cho phép đạt độ sâu pha tạp ở mức micromet.
Theo dòng chùm tia
Máy cấy ghép dòng điện thấp (100 nA – 100 μA)
Phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao trong việc kiểm soát liều lượng.
Máy cấy điện cực dòng điện trung bình (100 μA – 2000 μA)
Được sử dụng rộng rãi trong các quy trình sản xuất bán dẫn tiêu chuẩn.
Máy cấy ghép dòng điện cao (2 mA – 30 mA)
Được thiết kế cho các ứng dụng cần liều cao và năng suất cao, chẳng hạn như quá trình cấy ion vào vùng nguồn/vùng cống.
Máy cấy dòng điện cực cao (>30 mA)
Được sử dụng trong các môi trường sản xuất chuyên biệt với khối lượng lớn hoặc liều lượng cao.
Theo chức năng đặc biệt
Máy cấy ion oxy
Được sử dụng trong quá trình sản xuất SOI (Silicon-on-Insulator).
Máy cấy ion hydro
Được ứng dụng trong quy trình Smart Cut và kỹ thuật vật liệu.
Máy cấy ion nhiệt độ cao
Cho phép thực hiện quá trình cấy ghép ở nhiệt độ cao đối với các vật liệu như SiC và các ứng dụng bán dẫn tiên tiến.
Kiến trúc hệ thống
Một hệ thống cấy ion thường bao gồm năm hệ thống con chính:
Hệ thống gas
Cung cấp và xử lý an toàn các loại khí đặc biệt như arsine (AsH₃), phosphine (PH₃) và boron trifluoride (BF₃).
Hệ thống điện và nguồn điện
Cung cấp nguồn điện cao áp để gia tốc ion và tạo trường từ.
Hệ thống chân không
Duy trì điều kiện chân không cao để giảm hiện tượng tán xạ ion và ô nhiễm, thường sử dụng bơm turbo và bơm nhiệt độ cực thấp.
Hệ thống điều khiển
Quản lý các thông số chùm tia, xử lý tấm wafer và tự động hóa quy trình.
Hệ thống đường tia
Các thành phần chính của thiết bị, bao gồm:
- Nguồn ion
- Hệ thống chiết xuất
- Máy phân tích khối lượng
- Ống gia tốc
- Hệ thống quét chùm tia
- Buồng xử lý
Hệ thống này quyết định độ chính xác, tính đồng đều và hiệu suất tổng thể của quá trình cấy ghép.
Tổng quan thị trường
Theo số liệu ngành, thị trường thiết bị cấy ion toàn cầu đạt khoảng 20,6 tỷ NDT vào năm 2022. Thị trường Trung Quốc chiếm khoảng 6,6 tỷ NDT, tương đương khoảng 32% thị trường toàn cầu.
Về phân khúc:
- Các thiết bị cấy ghép dòng điện cao đang chiếm ưu thế trên thị trường, chiếm khoảng 61%
- Các thiết bị cấy ghép dòng điện trung bình chiếm khoảng 20%
- Phần còn lại thuộc về các hệ thống chuyên dụng và tiêu thụ nhiều năng lượng
Bối cảnh cạnh tranh toàn cầu
Thị trường thiết bị cấy ion có tính tập trung cao và bị chi phối bởi một số công ty quốc tế hàng đầu.
Vật liệu ứng dụng
Chiếm hơn 50% thị phần toàn cầu. Danh mục sản phẩm của công ty bao gồm các hệ thống cấy ion dòng điện cao, dòng điện trung bình và liều lượng cực cao. Công ty đã củng cố vị thế của mình thông qua việc mua lại Varian Semiconductor.
Axcelis Technologies
Một nhà cung cấp hàng đầu về thiết bị cấy ion năng lượng cao, chiếm khoảng 55% thị phần trong phân khúc này. Công ty đã công bố kết quả tài chính ấn tượng và tiếp tục mở rộng hoạt động trong lĩnh vực ứng dụng bán dẫn công suất.
Thiết bị Nissin Ion
Chuyên về các thiết bị cấy ion dòng điện trung bình và đã tham gia vào nhiều dự án bán dẫn tại Trung Quốc.
Tập đoàn Sumitomo Heavy Industries
Chủ yếu sản xuất các hệ thống cấy ion dòng điện trung bình.
Công ty SEN
Cung cấp đầy đủ các loại thiết bị cấy ion, bao gồm các hệ thống dòng điện cao, dòng điện trung bình và năng lượng cao, mặc dù thị phần tại Trung Quốc đại lục còn tương đối thấp.
Sự phát triển của các nhà sản xuất trong nước
Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất thiết bị bán dẫn của Trung Quốc đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Ví dụ, một máy cấy ion nhiệt độ thấp 12 inch do một công ty trong nước phát triển đã được bàn giao thành công cho một nhà sản xuất chip logic hàng đầu.
Các doanh nghiệp trong nước đang tích cực phát triển các hệ thống cấy ion dòng điện cao, dòng điện trung bình và năng lượng cao. Mặc dù thị trường nội địa vẫn đang bị chi phối bởi các nhà cung cấp quốc tế, các nhà sản xuất Trung Quốc đang dần hoàn tất quá trình xác nhận quy trình và tham gia vào các dây chuyền sản xuất tiên tiến.
Kết luận
Cấy ion vẫn là công nghệ cốt lõi trong sản xuất bán dẫn, tác động trực tiếp đến hiệu suất và năng suất của thiết bị. Với sự phát triển nhanh chóng của các thế hệ công nghệ tiên tiến, các vật liệu có khoảng cách dải năng lượng rộng như SiC, cùng với các ứng dụng tính toán hiệu suất cao, nhu cầu về công nghệ tiên tiến thiết bị cấy ion tiếp tục phát triển.
Mặc dù thị trường toàn cầu vẫn đang được dẫn dắt bởi các doanh nghiệp quốc tế đã có vị thế vững chắc, nhưng những tiến bộ công nghệ liên tục và các nỗ lực nội địa hóa đang làm thay đổi cục diện cạnh tranh, đặc biệt là tại các thị trường bán dẫn mới nổi.