提起離子注入機(jī)，熟悉集成電路的人都知道，該設(shè)備與光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、鍍膜機(jī)并稱為芯片制造的“四大核心裝備”，其高端市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。

對(duì)于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)，離子注入是一種理想的摻雜工藝。

離子注入是一種半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)，具有低溫?fù)诫s、精確的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)離子注入摻雜所制成的幾十種半導(dǎo)體器件和集成電路擁有速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、成品率高等特點(diǎn)。對(duì)于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)，離子注入是一種理想的摻雜工藝。

根據(jù)離子束電流和束流能量范圍，離子注入機(jī)可分為三大類(lèi)，分別是中低束流離子注入機(jī)、低能大束流離子注入機(jī)、高能離子注入機(jī)。低能大束流離子注入機(jī)通常掃描硅片超淺源漏區(qū)注入的超低能束流，被應(yīng)用于邏輯芯片、DRAM、3D存儲(chǔ)器和CMOS圖像傳感器制造中；高能離子注入機(jī)流能量超過(guò)200keV，最高達(dá)到幾個(gè)MeV向溝槽或厚氧化層下面注入雜質(zhì)能形成倒摻雜阱和埋層，較多應(yīng)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(guò)程中。

“離子注入機(jī)的技術(shù)壁壘主要有三點(diǎn)：一是角度控制，注入角度精度±0.1°，隨著制程的縮小，對(duì)注入角度要求更高;二是劑量控制，即對(duì)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(yè)和信息化研究院(集團(tuán))四川有限公司平臺(tái)運(yùn)營(yíng)部兼產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新小組經(jīng)理、高級(jí)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(chuàng)新的堵點(diǎn)卡點(diǎn)，中國(guó)電科所屬中電科電子裝備集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“電科裝備”）第四十八研究所組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，走上離子注入機(jī)科研攻關(guān)之路。

“當(dāng)時(shí)，我國(guó)離子注入機(jī)工藝精度只有0.5微米，相比國(guó)際先進(jìn)的90納米，在技術(shù)指標(biāo)上差了三代。”電科裝備黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)景璀日前告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“研發(fā)團(tuán)隊(duì)奮起直追，先后攻克千余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)離子注入機(jī)‘從無(wú)到有’、再到‘多點(diǎn)開(kāi)花’的跨越。”

今年年初，“中國(guó)電科實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)離子注入機(jī)28納米工藝全覆蓋”入選“2023年度央企十大國(guó)之重器”。


“孤勇出征”造出首臺(tái)樣機(jī)

制造芯片時(shí)，由于純凈硅不具備導(dǎo)電性，需要摻入不同種類(lèi)的元素改變其結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)率。

這一過(guò)程要靠離子注入機(jī)來(lái)完成——通過(guò)電磁場(chǎng)控制高速運(yùn)動(dòng)的離子，按照工藝要求將其精準(zhǔn)注入硅基材料，從而控制材料的導(dǎo)電性能，進(jìn)而形成PN結(jié)等集成電路器件的基本單元。離子注入機(jī)是一種用于半導(dǎo)體加工的設(shè)備，其主要功能是將可控?cái)?shù)量的雜質(zhì)引入襯底中，以改變其電學(xué)性能。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)物理手段實(shí)現(xiàn)的，不涉及化學(xué)反應(yīng)。在現(xiàn)代硅片制造過(guò)程中，離子注入技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

2003年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了高端離子注入機(jī)的攻關(guān)歷程。國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)匱乏，國(guó)外技術(shù)封鎖，團(tuán)隊(duì)成員將當(dāng)時(shí)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(jiǎn)稱“爍科中科信”）技術(shù)總設(shè)計(jì)師彭立波回憶，他們擠在小公寓里研究設(shè)計(jì)圖紙，在租借的小廠房里做實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)里剛畢業(yè)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(gè)月才能回一次家。

為盡快打造出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的裝備，研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇了一款100納米機(jī)型作為參考機(jī)器。“為什么這樣設(shè)計(jì)？跟應(yīng)用有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？都要逐一認(rèn)知、消化吸收。”彭立波說(shuō)。

那時(shí)缺乏計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，面對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密而復(fù)雜的離子注入機(jī)，幾位經(jīng)驗(yàn)豐富的老師傅絞盡腦汁，整天圍著設(shè)備苦苦鉆研，全憑二維設(shè)計(jì)和空間構(gòu)思去理解這些構(gòu)造，用了幾個(gè)星期才把它搞明白。

“離子注入機(jī)采用光纖通信系統(tǒng)進(jìn)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(jī)中只能獲得二進(jìn)制代碼，研發(fā)人員被逼反向破解，逐行逐字推敲，摸索控制指令及其對(duì)應(yīng)的功能，反復(fù)琢磨這些指令對(duì)產(chǎn)品工藝精度和技術(shù)指標(biāo)的影響。

歷時(shí)近兩年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在吃透機(jī)器構(gòu)造原理、控制設(shè)計(jì)思路等基礎(chǔ)上，完成了自主樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并突破關(guān)鍵部件研制難題，最終造出首臺(tái)樣機(jī)。


“破釜沉舟”完成工藝驗(yàn)證

從樣機(jī)到市場(chǎng)，其間路途漫漫。

“功能和指標(biāo)只是進(jìn)入市場(chǎng)的第一道門(mén)檻。要得到用戶認(rèn)可，嚴(yán)苛的工藝驗(yàn)證才是真正的考驗(yàn)。”彭立波說(shuō)。

回憶起考驗(yàn)的艱辛，爍科中科信研發(fā)工程中心總監(jiān)陳輝至今仍“心有余悸”。

2012年底，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研制出28納米中束流離子注入機(jī)，陳輝帶著設(shè)備進(jìn)駐用戶單位。按規(guī)定，要在兩年內(nèi)完成產(chǎn)線工藝驗(yàn)證。實(shí)際上，除去大規(guī)模量產(chǎn)前的穩(wěn)定性驗(yàn)證和試投產(chǎn)，真正留給工藝驗(yàn)證的時(shí)間只有一年左右。

離子注入機(jī)完成一輪驗(yàn)證就需要近3個(gè)月，而且其過(guò)程像“開(kāi)盲盒”。只有把所有工序走完，對(duì)成品進(jìn)行電性測(cè)量后，才知道離子注入質(zhì)量如何。一旦驗(yàn)證結(jié)果不合格，就要調(diào)出整個(gè)注入過(guò)程中所有的參數(shù)，逐一檢查比對(duì)，找到問(wèn)題，然后修正。

此前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成功交付90至65納米離子注入機(jī)，在回溯調(diào)查、工藝處理方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。但28納米工藝對(duì)注入劑量、角度、能量等技術(shù)參數(shù)更敏感，對(duì)精度要求更高，由此帶來(lái)許多新問(wèn)題，需要一點(diǎn)點(diǎn)摸索。

“第一輪驗(yàn)證，沒(méi)有完全成功。”陳輝說(shuō)。他和同事回溯、修正，線上、線下試驗(yàn)，再等3個(gè)月出產(chǎn)品，又測(cè)一輪，仍未成功。

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

第三輪驗(yàn)證被陳輝形容為“破釜沉舟”。他們對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟硬件升級(jí)，把此前出過(guò)問(wèn)題的環(huán)節(jié)全部重試一遍，確保無(wú)誤之后才開(kāi)始驗(yàn)證。

這一輪驗(yàn)證雖然花費(fèi)了更多時(shí)間，但終于達(dá)到了用戶的要求，同時(shí)也獲得了他們的信任。全部驗(yàn)證流程完成后，用戶如約采購(gòu)了這臺(tái)設(shè)備，并對(duì)此后采購(gòu)的同類(lèi)設(shè)備簡(jiǎn)化了驗(yàn)證流程。

“多點(diǎn)開(kāi)花”打造國(guó)之重器

完成28納米中束流離子注入機(jī)工藝驗(yàn)證后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2017年全面鋪開(kāi)大束流離子注入機(jī)研發(fā)。他們要在產(chǎn)品譜系上“多點(diǎn)開(kāi)花”。

中束流與大束流離子注入機(jī)，分別應(yīng)用在芯片制造的不同環(huán)節(jié)，適用于不同工藝需求。二者各有所長(zhǎng)，缺一不可。

“簡(jiǎn)單說(shuō)，芯片核心計(jì)算部位的‘精細(xì)活’由中束流機(jī)型做；芯片外圍引腳之類(lèi)的‘粗活’由大束流機(jī)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(shè)備的研制經(jīng)驗(yàn)，大束流設(shè)備研制一路“高歌猛進(jìn)”——2018年實(shí)現(xiàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)，2019年完成樣機(jī)裝配及調(diào)試，2020年交付用戶，2021年底開(kāi)始工藝驗(yàn)證。

但驗(yàn)證過(guò)程并沒(méi)有想象中順利，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了又一次刻骨銘心的爬坡過(guò)坎。

“幾乎所有指標(biāo)都達(dá)到了期望值，就在我們以為勝利在望時(shí)，某一元素的離子注入劑量被檢測(cè)出偏差過(guò)大。”陳輝說(shuō)。

為了找出問(wèn)題的原因，研發(fā)團(tuán)隊(duì)不得不從設(shè)計(jì)源頭重溯——這相當(dāng)于從頭再來(lái)。他們每天24小時(shí)守在實(shí)驗(yàn)室里，開(kāi)展大量仿真實(shí)驗(yàn)和工藝驗(yàn)證。就這樣連續(xù)奮戰(zhàn)了兩個(gè)多月，終于使劑量偏差精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著時(shí)間的推移，器件研制能力持續(xù)增強(qiáng)，軟件系統(tǒng)不斷迭代升級(jí)，工藝精度穩(wěn)步提升……2023年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)全系列離子注入機(jī)28納米工藝全覆蓋。

20多年來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后研制出中束流、大束流、高能、特種等全系列國(guó)產(chǎn)離子注入機(jī)產(chǎn)品，超百臺(tái)設(shè)備廣泛應(yīng)用于各集成電路制造企業(yè)90納米、55納米、40納米、28納米工藝生產(chǎn)線，為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全與穩(wěn)定提供了堅(jiān)實(shí)保障。

“習(xí)近平總書(shū)記在考察中國(guó)電科產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)研究院時(shí)指出，必須瞄準(zhǔn)國(guó)家戰(zhàn)略需求，系統(tǒng)布局關(guān)鍵創(chuàng)新資源，發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研深度融合優(yōu)勢(shì)，不斷在關(guān)鍵核心技術(shù)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(xù)推動(dòng)離子注入機(jī)的創(chuàng)新迭代和量產(chǎn)應(yīng)用，全力打造高端裝備制造中國(guó)名片！”