基于全球離子注入機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀探析中國離子注入機(jī)突破之路

池憲念

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院賽迪顧問股份有限公司，北京 100081）

0 引言

離子注入決定著半導(dǎo)體芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)器件的最基礎(chǔ)性能，是集成電路制造工藝中十分重要的環(huán)節(jié)。離子注入環(huán)節(jié)是僅次于光刻工藝的重要環(huán)節(jié)，離子注入效果決定了芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中器件的最基本、最核心性能。離子注入機(jī)在晶圓制造工藝設(shè)備市場規(guī)模中占比3%左右，據(jù)賽迪顧問統(tǒng)計(jì)，2020年離子注入機(jī)市場規(guī)模達(dá)18億美元，未來將達(dá)到30億～40億美元。離子注入機(jī)的市場高度集中，全球離子注入機(jī)主要被美國、日本企業(yè)壟斷。

1 離子注入機(jī)原理及其產(chǎn)業(yè)鏈

1.1 工作原理

在集成電路制造工藝過程中，需要摻入不同類型的元素以能按照預(yù)期來改變材料的電性能，離子注入機(jī)則是執(zhí)行上述摻雜工藝的芯片制造設(shè)備[1]。離子注入法的工作原理即通過離子注入機(jī)的加速和引導(dǎo)，將要摻雜的離子以離子束形式入射到目標(biāo)材料中去。離子注入具備精確控制能量和劑量、摻雜均勻性好、純度高、低溫?fù)诫s、不受注射材料影響等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為大直徑硅片制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

在系統(tǒng)方面，離子注入機(jī)主要由5大子系統(tǒng)構(gòu)成（圖1），即氣體系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、射線系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)方面，離子注入機(jī)由離子源、離子引入和質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔組成[2]。

圖1 離子注入機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

離子注入機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游可以劃分為五個(gè)環(huán)節(jié)，分別是材料和元器件、零部件、整機(jī)、制造設(shè)備、后市場（圖2）。

圖2 離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

（1）材料和元器件：本部分包括連接器插件、流體元器件、絕緣材料、電子元器件、墻體材料等。

（2）零部件：本部分包括真空系統(tǒng)部件零部件、束線系統(tǒng)零部件、晶圓傳輸系統(tǒng)零部件、電控系統(tǒng)零部件。其中真空系統(tǒng)零部件包括干泵、分子泵、冷泵、真空閥等。

（3）整機(jī)：本部分包括原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、定型設(shè)備。

（4）制造設(shè)備：本部分包括沖壓工藝、焊接工藝、機(jī)加加工、涂層工藝、總裝工藝設(shè)備等。

（5）后市場：本部分包括設(shè)備維修、零部件及耗材、二手設(shè)備、設(shè)備拆裝及搬運(yùn)。

1.3 國外離子注入機(jī)供應(yīng)鏈的核心環(huán)節(jié)

集成電路離子注入機(jī)的市場集中度高，主要是因?yàn)殡x子注入的技術(shù)壁壘有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：一是角度控制，注入角度精度±0.1°；二是劑量控制，即均勻性、濃度；三是能量控制，±1%[3]。

離子注入機(jī)是芯片制造設(shè)備中復(fù)雜、關(guān)鍵、成本高的核心裝備之一，其制造環(huán)節(jié)所涉及的產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)的參與企業(yè)均是全球頂級的科技公司，見表1。

表1 離子注入機(jī)供應(yīng)鏈核心環(huán)節(jié)

2 國際上的離子注入機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)及競爭格局

綜合來看，目前市場上離子注入機(jī)主要由美國和日本的廠商壟斷，國際主要廠商如下。

（1）美國AMAT

該公司在離子注入機(jī)產(chǎn)品上的市占率70%。主要產(chǎn)品包括大束流離子注入機(jī)、中束流離子注入機(jī)、超高劑量的離子注入。應(yīng)用材料曾收購?fù)吡Π舶雽?dǎo)體設(shè)備公司，而瓦力安半導(dǎo)體設(shè)備公司于1999年從瓦力安拆分而來。

（2）美國Axcelis

即亞舍立科技設(shè)計(jì)公司，主要產(chǎn)品高能離子注入機(jī)市占率55%。2020年Axcelis售額4.75億美元，凈利潤0.50億美元。

（3）日本Nissin

主要生產(chǎn)中束流離子注入機(jī)，在中束流離子注入機(jī)的市占率10%左右，曾在我國的固安OLED項(xiàng)目、合肥晶合12寸項(xiàng)目上中標(biāo)離子注入機(jī)。

（4）日本SEN

產(chǎn)品包括高束流離子注入機(jī)、中束流離子注入機(jī)、高能量離子注入機(jī)，其中中束流離子注入機(jī)、高能量離子注入的收入占比略高，但在中國大陸地區(qū)的市占率相對較低。

（5）日新離子機(jī)株式會(huì)社

全球生產(chǎn)AMOLED領(lǐng)域使用離子注入機(jī)的領(lǐng)先企業(yè)，在全球AMOLED領(lǐng)域幾乎壟斷全球市場。

表2 全球離子注入機(jī)競爭格局

3 我國離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)的狀況

截至2021年，預(yù)計(jì)現(xiàn)有規(guī)劃的本土晶圓產(chǎn)線的最高峰投資額將達(dá)200億美元，按照3%的價(jià)值量占比推算，國內(nèi)離子注入機(jī)市場規(guī)模將達(dá)6億美元。國內(nèi)離子注入機(jī)基本上被美國和日本企業(yè)壟斷，目前主要代表性的企業(yè)僅有凱世通和北京中科信電子裝備兩家[4]。

4 發(fā)展建議

技術(shù)方面：離子注入機(jī)在研發(fā)和生產(chǎn)過程中涉及高壓電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)控制、等離子體物理等多個(gè)高技術(shù)學(xué)科，系統(tǒng)集成難度較大。建議研發(fā)企業(yè)與下游光伏、集成電路等應(yīng)用端客戶開展聯(lián)合研發(fā)，結(jié)合生產(chǎn)工藝路線和技術(shù)水平進(jìn)行技術(shù)改良。

渠道方面：離子注入機(jī)面向下游生產(chǎn)制造商，產(chǎn)品的供給方、需求方都較為集中。建議國內(nèi)企業(yè)能支持和鼓勵(lì)國產(chǎn)替代，并聯(lián)合離子注入機(jī)企業(yè)進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)和升級迭代產(chǎn)品，爭取打破本行業(yè)被國外企業(yè)壟斷的現(xiàn)狀。

供應(yīng)鏈方面：離子注入機(jī)的生產(chǎn)涉及到復(fù)雜的零部件、精密儀器和機(jī)械設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。建議國內(nèi)企業(yè)能夠針對薄弱環(huán)節(jié)的零部件產(chǎn)品展開攻關(guān)研發(fā)，以彌補(bǔ)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)被掐脖子的劣勢。

人才方面：國際從事離子注入機(jī)研發(fā)制造的公司很少，市場上相關(guān)人才匱乏。建議國內(nèi)具備離子注入機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)能力的企業(yè)開展人才梯隊(duì)性培養(yǎng)，增加離子注入機(jī)研發(fā)人才的儲備。

資金方面：離子注入設(shè)備的研發(fā)投入巨大，生產(chǎn)研發(fā)、測試驗(yàn)證、生產(chǎn)周期較長，單臺設(shè)備產(chǎn)品的造價(jià)較高，迭代研發(fā)對持續(xù)的資金投入和保障要求很高。建議政府對研發(fā)企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)助，同時(shí)借助上市等打開融資渠道[5]。

5 結(jié)語

在市場方面，在5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、云計(jì)算等需求的帶動(dòng)下，半導(dǎo)體市場需求高漲，晶圓廠擴(kuò)大資本開支，帶動(dòng)設(shè)備需求大增。在技術(shù)技術(shù)方面，工藝制程的進(jìn)步增加了離子注入的工藝工序。展望未來，在摩爾定律的推動(dòng)下，集成電路的線寬將不斷縮小以應(yīng)對集成度大幅提高的要求，這會(huì)使得制造工藝步驟增多與復(fù)雜度增加。隨著半導(dǎo)體大廠產(chǎn)線的開出與產(chǎn)能的增加，離子注入機(jī)作為最重要的設(shè)備之一，市場規(guī)模也將進(jìn)一步提升。