提起離子注入機，熟悉集成電路的人都知道，該設備與光刻機、刻蝕機、鍍膜機并稱為芯片制造的“四大核心裝備”，其高端市場長期被國外壟斷。

對于大規模、超大規模集成電路來說，離子注入是一種理想的摻雜工藝。

離子注入是一種半導體材料的摻雜技術，具有低溫摻雜、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好等優點，經離子注入摻雜所制成的幾十種半導體器件和集成電路擁有速度快、功耗低、穩定性好、成品率高等特點。對于大規模、超大規模集成電路來說，離子注入是一種理想的摻雜工藝。

根據離子束電流和束流能量范圍，離子注入機可分為三大類，分別是中低束流離子注入機、低能大束流離子注入機、高能離子注入機。低能大束流離子注入機通常掃描硅片超淺源漏區注入的超低能束流，被應用于邏輯芯片、DRAM、3D存儲器和CMOS圖像傳感器制造中；高能離子注入機流能量超過200keV，最高達到幾個MeV向溝槽或厚氧化層下面注入雜質能形成倒摻雜阱和埋層，較多應用在功率器件、IGBT、CMOS圖像傳感器、5G射頻、邏輯芯片等器件制備過程中。

“離子注入機的技術壁壘主要有三點：一是角度控制，注入角度精度±0.1°，隨著制程的縮小，對注入角度要求更高;二是劑量控制，即對均勻性、濃度的控制要求高;三是能量控制，要求能量控制在±1%。”賽迪工業和信息化研究院(集團)四川有限公司平臺運營部兼產業創新小組經理、高級工程師池憲念告訴記者。

20多年前，為突破集成電路裝備自主創新的堵點卡點，中國電科所屬中電科電子裝備集團（以下簡稱“電科裝備”）第四十八研究所組建研發團隊，走上離子注入機科研攻關之路。

“當時，我國離子注入機工藝精度只有0.5微米，相比國際先進的90納米，在技術指標上差了三代。”電科裝備黨委書記、董事長景璀日前告訴科技日報記者，“研發團隊奮起直追，先后攻克千余項關鍵技術，實現了國產離子注入機‘從無到有’、再到‘多點開花’的跨越。”

今年年初，“中國電科實現國產離子注入機28納米工藝全覆蓋”入選“2023年度央企十大國之重器”。


“孤勇出征”造出首臺樣機

制造芯片時，由于純凈硅不具備導電性，需要摻入不同種類的元素改變其結構與電導率。

這一過程要靠離子注入機來完成——通過電磁場控制高速運動的離子，按照工藝要求將其精準注入硅基材料，從而控制材料的導電性能，進而形成PN結等集成電路器件的基本單元。離子注入機是一種用于半導體加工的設備，其主要功能是將可控數量的雜質引入襯底中，以改變其電學性能。這個過程是通過物理手段實現的，不涉及化學反應。在現代硅片制造過程中，離子注入技術得到了廣泛應用。

2003年，研發團隊開啟了高端離子注入機的攻關歷程。國內經驗匱乏，國外技術封鎖，團隊成員將當時的情景形容為“孤勇出征”。

電科裝備旗下北京爍科中科信電子裝備有限公司（以下簡稱“爍科中科信”）技術總設計師彭立波回憶，他們擠在小公寓里研究設計圖紙，在租借的小廠房里做實驗。團隊里剛畢業的小伙、剛成家生子的青壯年，以及快退休的老同志，大家一起工作、一起生活，隔3個月才能回一次家。

為盡快打造出具有市場競爭力的裝備，研發團隊選擇了一款100納米機型作為參考機器。“為什么這樣設計？跟應用有什么對應關系？都要逐一認知、消化吸收。”彭立波說。

那時缺乏計算機輔助設計工具，面對內部結構精密而復雜的離子注入機，幾位經驗豐富的老師傅絞盡腦汁，整天圍著設備苦苦鉆研，全憑二維設計和空間構思去理解這些構造，用了幾個星期才把它搞明白。

“離子注入機采用光纖通信系統進行控制，我們必須弄清楚光纖通信模塊的底層控制邏輯。”彭立波告訴記者。由于從樣機中只能獲得二進制代碼，研發人員被逼反向破解，逐行逐字推敲，摸索控制指令及其對應的功能，反復琢磨這些指令對產品工藝精度和技術指標的影響。

歷時近兩年，研發團隊在吃透機器構造原理、控制設計思路等基礎上，完成了自主樣機的設計方案，并突破關鍵部件研制難題，最終造出首臺樣機。


“破釜沉舟”完成工藝驗證

從樣機到市場，其間路途漫漫。

“功能和指標只是進入市場的第一道門檻。要得到用戶認可，嚴苛的工藝驗證才是真正的考驗。”彭立波說。

回憶起考驗的艱辛，爍科中科信研發工程中心總監陳輝至今仍“心有余悸”。

2012年底，研發團隊成功研制出28納米中束流離子注入機，陳輝帶著設備進駐用戶單位。按規定，要在兩年內完成產線工藝驗證。實際上，除去大規模量產前的穩定性驗證和試投產，真正留給工藝驗證的時間只有一年左右。

離子注入機完成一輪驗證就需要近3個月，而且其過程像“開盲盒”。只有把所有工序走完，對成品進行電性測量后，才知道離子注入質量如何。一旦驗證結果不合格，就要調出整個注入過程中所有的參數，逐一檢查比對，找到問題，然后修正。

此前，研發團隊已成功交付90至65納米離子注入機，在回溯調查、工藝處理方面積累了豐富經驗。但28納米工藝對注入劑量、角度、能量等技術參數更敏感，對精度要求更高，由此帶來許多新問題，需要一點點摸索。

“第一輪驗證，沒有完全成功。”陳輝說。他和同事回溯、修正，線上、線下試驗，再等3個月出產品，又測一輪，仍未成功。

對于2013年的夏天，陳輝迄今難以忘懷。除了40攝氏度的持續高溫，連續失敗更令他備受煎熬。用戶也承受了巨大壓力，乃至發出最后通牒：“再不行就把設備搬走！”

第三輪驗證被陳輝形容為“破釜沉舟”。他們對設備進行軟硬件升級，把此前出過問題的環節全部重試一遍，確保無誤之后才開始驗證。

這一輪驗證雖然花費了更多時間，但終于達到了用戶的要求，同時也獲得了他們的信任。全部驗證流程完成后，用戶如約采購了這臺設備，并對此后采購的同類設備簡化了驗證流程。

“多點開花”打造國之重器

完成28納米中束流離子注入機工藝驗證后，研發團隊于2017年全面鋪開大束流離子注入機研發。他們要在產品譜系上“多點開花”。

中束流與大束流離子注入機，分別應用在芯片制造的不同環節，適用于不同工藝需求。二者各有所長，缺一不可。

“簡單說，芯片核心計算部位的‘精細活’由中束流機型做；芯片外圍引腳之類的‘粗活’由大束流機型做。”彭立波打比方道，這樣的配合既能提高效率，又能降低成本。

有了中束流設備的研制經驗，大束流設備研制一路“高歌猛進”——2018年實現樣機設計，2019年完成樣機裝配及調試，2020年交付用戶，2021年底開始工藝驗證。

但驗證過程并沒有想象中順利，研發團隊經歷了又一次刻骨銘心的爬坡過坎。

“幾乎所有指標都達到了期望值，就在我們以為勝利在望時，某一元素的離子注入劑量被檢測出偏差過大。”陳輝說。

為了找出問題的原因，研發團隊不得不從設計源頭重溯——這相當于從頭再來。他們每天24小時守在實驗室里，開展大量仿真實驗和工藝驗證。就這樣連續奮戰了兩個多月，終于使劑量偏差精度達到國際先進水平。

隨著時間的推移，器件研制能力持續增強，軟件系統不斷迭代升級，工藝精度穩步提升……2023年，研發團隊成功實現全系列離子注入機28納米工藝全覆蓋。

20多年來，研發團隊先后研制出中束流、大束流、高能、特種等全系列國產離子注入機產品，超百臺設備廣泛應用于各集成電路制造企業90納米、55納米、40納米、28納米工藝生產線，為我國集成電路產業鏈供應鏈安全與穩定提供了堅實保障。

“習近平總書記在考察中國電科產業基礎研究院時指出，必須瞄準國家戰略需求，系統布局關鍵創新資源，發揮產學研深度融合優勢，不斷在關鍵核心技術上取得新突破。”景璀向記者表示，“下一步，我們將一以貫之、久久為功，繼續推動離子注入機的創新迭代和量產應用，全力打造高端裝備制造中國名片！”