離子植入是半導體製造中最重要的製程之一。它透過在半導體材料中引入硼 (B)、磷 (P) 和砷 (As) 等摻雜離子來精確控制電氣特性。.
透過加速高能離子並將其植入晶格，離子植入定義了關鍵元件特性，包括結深、電導率和閥值電壓。這是形成 PN 結的基本步驟，並廣泛應用於邏輯、記憶體和功率半導體裝置。.
離子植入過程
離子植入製程涉及數個關鍵階段：
- 離子產生
摻雜氣體或固體源在離子源中被電離以產生帶電粒子。. - 離子加速
離子被加速到指定的能量等級，這決定了植入深度。. - 質量分析
磁性分析器可選擇所需的離子種類，確保光束純度。. - 光束掃描與植入
離子束在晶圓表面掃描，以達到均勻的植入。.
植入後，晶圓通常會進行退火處理，以修復晶格損傷並啟用摻雜劑。常見的退火方法包括
- 1000-1100°C 的快速熱處理 (RTP)
- 雷射退火可局部加熱並減少熱預算
離子植入設備的分類
依能量等級
低能量離子植入器 (<100 keV)
用於超薄結、源極/漏極植入以及先進的邏輯元件，例如 AI 晶片、CPU、DRAM 和 CIS。.
中能離子植入器 (100-300 keV)
用於閾值電壓調整、輕度摻雜漏極結構，以及 SIMOX 和 Smart Cut 等製程。.
高能離子植入器 (>300 keV)
用於功率元件、RF 晶片和光通訊元件的深度植入，可實現微米級的摻雜深度。.
由束流提供
低電流植入器 (100 nA - 100 μA)
適用於需要精確劑量控制的精密應用。.
中電流植入器 (100 μA - 2000 μA)
廣泛應用於標準半導體製程。.
高電流植入器 (2 mA - 30 mA)
專為高劑量、高通量應用而設計，例如源極/漏極植入。.
超高電流植入器 (>30 mA)
用於專門的高產量或高劑量生產環境。.
按特殊功能
氧離子植入器
用於 SOI（Silicon-on-Insulator）製造。.
氫離子植入器
應用於智慧切割與材料工程製程。.
高溫離子植入器
可在升高的溫度下進行材料植入，如 SiC 和先進半導體應用。.
系統架構
離子植入系統通常由五個主要子系統組成：
氣體系統
提供並安全處理特殊氣體，例如砷化氫 (AsH₃)、磷化氫 (PH₃) 及三氟化硼 (BF₃)。.
電源與電氣系統
為離子加速和磁場產生提供高壓電源。.
真空系統
維持高真空條件以減少離子散射和污染，通常使用渦輪泵和低溫泵。.
控制系統
管理光束參數、晶圓處理和製程自動化。.
光束線系統
設備的核心，包括
- 離子源
- 萃取系統
- 質量分析儀
- 加速管
- 光束掃描系統
- 製程室
此系統可判斷植入的精確度、均勻性及整體效能。.
市場概覽
根據行業數據，2022 年全球離子植入設備市場規模約達人民幣 206 億元。其中，中國市場約佔 66 億人民幣，約佔全球市場的 32%。.
在區隔方面：
- 高電流植入器在市場上佔主導地位，約佔 61
- 目前中度植入者約佔 20
- 其餘的份額由高能量和專門系統所持有
全球競爭格局
離子植入設備市場高度集中，由幾家領先的國際公司主導。.
應用材料
在全球市場佔有超過 50% 的市場份額。其產品組合包括高電流、中電流和超高劑量離子植入系統。該公司通過收購 Varian Semiconductor 鞏固了其地位。.
Axcelis Technologies
高能離子植入器的領先供應商，在此領域擁有約 55% 的市場佔有率。公司財務業績表現強勁，並持續拓展功率半導體應用領域。.
Nissin 離子設備
專注於中等電流離子植入器，曾參與中國多個半導體專案。.
住友重工
主要生產中等電流離子植入系統。.
SEN 公司
提供全系列的離子植入設備，包括高電流、中電流及高能量系統，但在中國大陸的市場佔有率相對較低。.
國內製造商的發展
近年來，中國半導體設備製造商取得了長足進步。例如，國內某公司開發的12英寸低溫離子植入器已成功交付給一家領先的邏輯芯片製造商。.
本地公司正在積極開發高電流、中電流和高能量離子植入系統。雖然國內市場仍以國際供應商為主，但中國製造商正逐步實現製程驗證，並進入先進的生產線。.
總結
離子植入仍然是半導體製造的核心技術，直接影響裝置的效能和良率。隨著先進節點、SiC 等寬帶隙材料以及高效能運算應用的快速發展，對先進 離子植入設備 持續成長。.
雖然全球市場仍由國際知名廠商主導，但持續的技術進步和本土化努力正在重塑競爭格局，尤其是在新興半導體市場。.