中国电子科技集团有限公司昨天宣布，其下属装备子集团成功实现了离子注入机全谱系产品国产化，能够为国内外芯片制造企业提供离子注入一站式解决方案。这个新闻引起了业界和公众的广泛关注，不过对公众来说，离子注入机是一种颇为神秘的“国之重器”。这种装备有什么用？其科学原理是什么？解放日报·上观新闻记者采访了中国科学院集成电路领域的研究人员，请他为公众做深入浅出的科普。
集成电路产业链很长，离子注入位于这条产业链的前端，先进技术节点的集成电路芯片通常需要70多道注入工序。众所周知，芯片的基础材料是硅片，为了让硅片具有特定的导电性能，就要向这种材料注入各种元素。这有点像做蛋糕，往里面添加芝麻、慕斯等食材，可以让蛋糕更具风味。
用离子注入机向硅片注入硼离子，可以形成很多空穴，它们都是正电子。正电子带正电荷，质量与电子相等，是电子的反粒子。带有空穴的半导体，称为空穴型半导体，也叫P型半导体。它们以带正电的空穴导电为主，让三价元素（如硼）取代晶格中硅原子的位置。由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，P型半导体呈电中性。
另一类半导体叫N型半导体。在这类半导体中，参与导电的主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的磷、砷等五价元素。磷、砷都比硅元素多一个电子，所以能为硅片带来多余的电子。因此，要制造N型半导体，就得用离子注入机将磷、砷等五价元素以带电离子形态注入硅片。
P型半导体与N型半导体结合，可以形成P-N结。通电后，正电荷与负电荷产生势能差，就会形成电流，像地势差会形成水流一样。
据介绍，中国电子科技集团突破了高性能离子源、高速晶圆传输等“卡脖子”技术，自主研制出中束流、大束流、高能等离子注入机，工艺段覆盖至28纳米。专家解释说，中束流、大束流是指向硅片注入离子的效率，束流越大，每分钟注入的离子数越多。因此，大束流离子注入机具有很高的科技含量。另一方面，28纳米工艺节点对离子注入机提出了挑战。28纳米指的是集成电路芯片上的线宽，尺寸越小，技术难度越高。28纳米属于比较先进的工艺节点，线宽短，需要注入离子的深度也浅。这就要求离子注入机在“开枪”注入离子的过程中，要将能量控制在很低的范围内，一旦“开枪”过猛，其注入深度就会超标。与此同时，设备还要保证较大束流，其技术难度可想而知。
离子注入机的洁净度要求也很高。在芯片制造过程中，通常有70多道离子注入工序，如果每道工序都有杂质颗粒污染，产品质量就难以达标。因此，这种装备的注入能量要控制得很精准，还要在很多工艺技术上精益求精。
上海企业凯世通研制的离子注入机
高端的离子注入机长期被国外企业垄断，最知名的企业是美国Axcelis公司。如今，中国电子科技集团实现了离子注入机全谱系产品国产化，令人欣喜。当然，其产品质量还有待芯片生产线的进一步检验。值得一提的是，上海凯世通半导体股份有限公司也自主研制出了工艺段覆盖至28纳米的离子注入机。目前，这种装备正在国内芯片生产线上试用。
栏目主编：黄海华 文字编辑：俞陶然 题图来源：中国电子科技集团
来源：作者：俞陶然
