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(chēng)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。

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)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。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”。


離子注入機(jī)與芯片制造

上個(gè)世紀(jì)40年代初，核物理領(lǐng)域的粒子加速器經(jīng)過(guò)改良，相對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子注入機(jī)形態(tài)。到了1960年以后，美國(guó)HVE公司與硅谷仙童公司聯(lián)手，正式開(kāi)始打造商用的離子注入機(jī)。由此，半導(dǎo)體制造與發(fā)展的齒輪開(kāi)始飛速轉(zhuǎn)動(dòng)。

在集成電路制造行業(yè)里，離子注入機(jī)屬于跟光刻機(jī)等設(shè)備環(huán)環(huán)相扣的四大核心之首。這舉足輕重的離子注入機(jī)，則承載著給純凈硅摻入各類(lèi)元素改變材料電性能的重要使命。熟練掌握核心技術(shù)的老美，早就給離子注入機(jī)賦予了芯片的電學(xué)性能，還奠定了其市場(chǎng)規(guī)模。無(wú)論是占據(jù)主流的低能大束流離子注入機(jī)，還是中束流與高能離子注入機(jī)，他們的價(jià)值一直都處于技術(shù)與價(jià)值的雙重飛升階段。

進(jìn)入千禧年之后，為了滿(mǎn)足我國(guó)集成電路飛速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，中國(guó)電科果斷成立了技術(shù)團(tuán)隊(duì)，準(zhǔn)備集中攻克離子注入機(jī)的摻雜工藝，與其他模塊的核心技術(shù)。面對(duì)完全陌生的離子注入機(jī)類(lèi)型，以及注入硅晶體的摻雜劑劑量，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)選擇從100納米的樣機(jī)入手。大家廢寢忘食，夜以繼日地討論離子注入機(jī)的空間設(shè)計(jì)和一眾復(fù)雜細(xì)節(jié)。

盡管這方面的經(jīng)驗(yàn)一窮二白、實(shí)驗(yàn)裝置也寥寥無(wú)幾，工程師們還是默契地頂著重壓盡快熟悉了它的全部構(gòu)造，為后續(xù)研發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。直到2005年，屬于光路、控制、軟件模塊的核心技術(shù)被研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼破解。不僅如此，他們還徹底掌握了離子注入機(jī)摻雜工藝的精度控制范圍。同時(shí)，中科團(tuán)隊(duì)也自主完成了國(guó)產(chǎn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案。隨后不久，第一臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化的離子注入機(jī)便成功問(wèn)世。


28納米的技術(shù)全覆蓋

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(hù)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(hù)單位。按規(guī)定，要在兩年內(nèi)完成產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)上、線(xiàn)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)，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。

國(guó)產(chǎn)芯片制造核心裝備的新突破不僅僅是技術(shù)上的勝利，更是我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要成果。通過(guò)這次突破，我們不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在芯片制造領(lǐng)域的空白，還為我國(guó)未來(lái)科技創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著國(guó)產(chǎn)芯片制造核心裝備的突破，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的整體實(shí)力將得到進(jìn)一步提升。這將對(duì)全球芯片行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。我國(guó)企業(yè)有望在全球市場(chǎng)上獲得更多話(huà)語(yǔ)權(quán)，提高自身的核心競(jìng)爭(zhēng)力。