半導(dǎo)體設(shè)備之離子注入機(jī)行業(yè)研究

半導(dǎo)體設(shè)備之離子注入機(jī)行業(yè)研究一、離子注入是可實(shí)現(xiàn)數(shù)量及質(zhì)量可控的摻雜離子注入是最重要的摻雜方法摻雜改變晶圓片的電學(xué)性能。由于本征硅（即不含雜質(zhì)的硅單晶）的導(dǎo)電性能很差，只有當(dāng)硅中加

入適量雜質(zhì)使其結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能發(fā)生改變后才起到半導(dǎo)體的功能，這個(gè)過(guò)程被稱為摻雜。硅摻雜是

制備半導(dǎo)體器件中

P-N結(jié)的基礎(chǔ)，是指將所需雜質(zhì)原子摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域以對(duì)襯底基片進(jìn)行局

部摻雜，改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于芯片制造的全過(guò)程。芯片制造中熱擴(kuò)散和離子

注入均可以向硅片中引入雜質(zhì)元素，具體區(qū)別如下：熱擴(kuò)散：利用高溫驅(qū)動(dòng)雜質(zhì)穿過(guò)硅的晶格結(jié)構(gòu)，摻雜效果受時(shí)間和溫度的影響。離子注入：將高壓離子轟擊把雜質(zhì)引入硅片，雜質(zhì)與硅片發(fā)生原子級(jí)高能碰撞后才能被注入。離子注入環(huán)節(jié)，注入的離子包括：B，P、As、Sb，C，Si、Ge，O，N，H離子等等。精確可控性使得離子注入技術(shù)成為最重要的摻雜方法。隨著芯片特征尺寸

的不斷減小和集成度增加，各種器件也在不斷縮小，由于晶體管性能受摻雜剖面的影響越來(lái)越大，

離子注入作為唯一能夠精確控制摻雜的手段，且能夠重復(fù)控制摻雜的濃度和深度，使得現(xiàn)代晶圓片

制造中幾乎所有摻雜工藝都從熱擴(kuò)散轉(zhuǎn)而使用離子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)。離子注入可準(zhǔn)確控制摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度離子注入屬于物理過(guò)程，通過(guò)入射離子的能量損耗機(jī)制達(dá)成靶材內(nèi)的駐留。與熱擴(kuò)散的利用濃度差

而形成的晶格擴(kuò)散不同，離子注入通過(guò)入射離子與靶材（被摻雜材料）的原子核和電子持續(xù)發(fā)生碰

撞，損耗其能量并經(jīng)過(guò)一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)，使入射離子因動(dòng)能耗盡而停止在靶材某一深度。為了

精確控制注入深度，避免溝道效應(yīng)(直穿晶格而未與原子核或電子發(fā)生碰撞)，需要使靶材的晶軸方向

與入射方向形成一定角度。離子注入主要利用兩個(gè)能量損耗機(jī)制：電子阻礙：雜質(zhì)原子與靶材電子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生能量損耗。核阻礙：雜質(zhì)原子與靶材原子發(fā)生碰撞，造成靶材原子的移位。劑量、射程、注入角度是離子注入技術(shù)的三個(gè)重要參數(shù)。離子注入向硅襯底中引入數(shù)量可控的雜質(zhì)

過(guò)程，需要離子注入設(shè)備通過(guò)控制束流和能量來(lái)實(shí)現(xiàn)摻雜雜質(zhì)的數(shù)量及深度的準(zhǔn)確控制。其中，離

子注入可控主要依靠三大重要參數(shù)的調(diào)節(jié)：(1)

劑量：注入硅片表面單位面積的離子數(shù)。正雜質(zhì)離子形成離子束后，其流量被稱為粒子束電流。

當(dāng)加大電流時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)注入的雜質(zhì)離子數(shù)量也增大。(2)

射程：離子穿入硅片內(nèi)的總距離，與注入離子的能量和質(zhì)量有關(guān)。能量越高意味著雜質(zhì)離子的

射程越大，而離子能量需通過(guò)離子注入設(shè)備的加速管控制加速電勢(shì)差來(lái)獲得。能量單位一般以

電子電荷和電勢(shì)差的乘積表示，即

eV。(3)

注入角度：角度控制也影響到離子注入的射程。二、離子注入機(jī)的分類、主要組成部分、零部件離子注入機(jī)的三大分類根據(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：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)。另外還有用于注入氧的氧注入機(jī)，或者注入氫的氫離子注入機(jī)，等等。離子注入機(jī)由

5

大子系統(tǒng)構(gòu)成，包含

6

大核心零部件離子注入機(jī)包含了

5

個(gè)子系統(tǒng)。包括：氣體系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和射線系統(tǒng)。其

中，射線系統(tǒng)為最重要的子系統(tǒng)。氣體系統(tǒng)：存儲(chǔ)雜質(zhì)離子產(chǎn)生而需要使用的很多危險(xiǎn)氣體和蒸氣，降低滲漏到生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)電機(jī)系統(tǒng)：保證穩(wěn)定精準(zhǔn)的電壓和電流，供雜質(zhì)離子產(chǎn)生過(guò)程需要用到的熱燈絲或射頻等離子

體源、質(zhì)譜儀磁鐵等正常運(yùn)作真空系統(tǒng)：在高真空狀態(tài)下，減少帶電離子和中性氣體分子沿離子軌跡發(fā)生碰撞引起不必要的

散射和能量損耗，減少因離子和中性原子間的電荷交換造成射線污染控制系統(tǒng)：機(jī)器手臂等機(jī)械控制晶圓的移動(dòng)，使整個(gè)晶圓獲得均勻注入射線系統(tǒng)：為離子注入機(jī)最重要的部分，根據(jù)所屬功能分類，射線系統(tǒng)主要由

6

大核心零部件

構(gòu)成：離子源、吸極、離子分析器、加速管、掃描系統(tǒng)、工藝腔。三、全球離子注入機(jī)市場(chǎng)規(guī)模：目前

25

億美元，遠(yuǎn)期

40

億美元離子注入機(jī)在制程設(shè)備中的價(jià)值比重約

3%離子注入機(jī)在晶圓制造工藝設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模中占比

3%左右，與

CMP設(shè)備、熱處理、涂膠顯影機(jī)等的市場(chǎng)規(guī)?；鞠喈?dāng)，低于光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、CVD、PVD、

量測(cè)、清洗設(shè)備的市場(chǎng)空間。集成電路離子注入機(jī)在晶圓制造工藝設(shè)備市場(chǎng)中，價(jià)值量占比為

2.5%-3.3%，

2010-2018

年該比重有所下降，原因主要是以存儲(chǔ)芯片

3D立體化和先進(jìn)制程的薄膜設(shè)備、刻蝕設(shè)備的價(jià)值量占比上升，而其他工藝設(shè)備價(jià)值量占比被擠占。IC離子注入機(jī)的

2021

全球市場(chǎng)規(guī)模約

24-26

億美元，未來(lái)將達(dá)到

30-40

億美元2015

年全球集成電路離子注入機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約

10

億美元，2018

年市場(chǎng)規(guī)模約

15

億美元，年均增速

4.6%。2020

年離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到

18

億美元。2020

年全球

WFE市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到

612

億

美元，按

3%的比例推算離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模即為

18

億美元左右。估計(jì)

2021

年離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到

24-26

億美元，均值

25

億美元。2021

年

WFE市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)增長(zhǎng)

30%-40%，推算將達(dá)到

800-850

億美元，按

3%的比例推算離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模即為

24-26

億美元左右。長(zhǎng)期估計(jì)到

2030

年離子注入機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到

42

億美元。當(dāng)

2030

年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)到

10000

億美元時(shí)，半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到

1400

億美元，其中離子注入機(jī)按

3%的占比計(jì)算，即為

42

億美元的市場(chǎng)規(guī)模。按照離子注入機(jī)劃分為：大束流離子注入機(jī)、中低束流離子注入機(jī)、高能離子注入機(jī)：大束流離子注入機(jī)占到60%的比例，由此推算2021年大束流離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模約15億美元；中低束流離子注入機(jī)占比

20%，由此推算

2021

年中低束流離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模約

5

億美元；高能離子注入機(jī)占

18%，由此推算

2021

年高能離子注入機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模約

4.5

億美元。四、全球離子注入機(jī)競(jìng)爭(zhēng)格局：AMAT、AXCELIS壟斷集成電路離子注入機(jī)的市場(chǎng)份額高度集中。美國(guó)應(yīng)用材料公司、Axcelis占全球大部

分市場(chǎng)份額，其中美國(guó)應(yīng)用材料公司占有

50%以上市場(chǎng)份額。美國(guó)

AMAT，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(gòu)?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(lái)。美國(guó)

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銷售額

4.75

億美元，凈利潤(rùn)

0.50

億美元。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(guó)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)。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(guó)大陸地區(qū)的市占率相對(duì)較低。集成電路離子注入機(jī)的市場(chǎng)集中度高，主要是因?yàn)殡x子注入的技術(shù)壁壘在于：角度控制:

注入角度精度±0.1°，且隨著線寬微縮，注入角度要求更高；劑量控制：即均勻性、濃度，主要用法拉第杯進(jìn)行劑量控制；能量控制:

±1%。五、離子注入機(jī)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模：2022

年達(dá)到

40

億元以上預(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)到

200

億美元，按

照

3%的價(jià)值量占比推算，國(guó)內(nèi)離子注入機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到

6

億美元，相當(dāng)于接近

RMB40

億元的

市場(chǎng)規(guī)模。國(guó)內(nèi)

28nm制程產(chǎn)線增加，也將帶動(dòng)離子注入機(jī)的需求增加。成熟制程中，隨著線寬微縮，離子注入

的工序步驟也隨著增加，28nm制程節(jié)點(diǎn)上離子注入步驟達(dá)到最高

40

次。而近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)

28nm產(chǎn)線

明顯增加，例如中芯國(guó)際、上海華力等。六、離子注入機(jī)國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局：被國(guó)際品牌壟斷國(guó)內(nèi)離子注入機(jī)也基本上被應(yīng)用材料、Axcelis和日本

Sumitomo壟斷，僅有萬(wàn)業(yè)企業(yè)旗下的凱世通、

中科信在某些

12

寸晶圓產(chǎn)線上獲得工藝驗(yàn)證驗(yàn)證并驗(yàn)收通過(guò)。某存儲(chǔ)晶圓產(chǎn)線上僅有應(yīng)用材料、Axcelis、AIBT等三家離子注入機(jī)供應(yīng)商，其中應(yīng)用材料占比

79%，

Axcelis占比

17%，AIBT占比

4%。某邏輯電路晶圓產(chǎn)線上僅有應(yīng)用材料、Axcelis、Sumitomo和中科信等

4

家離子注入機(jī)供應(yīng)商，其中應(yīng)

用材料占比

53%，Sumitomo占比

36%，Axcelis占比

7%，中科信占比

4%。七、IC離子注入機(jī)國(guó)產(chǎn)化處于起步階段萬(wàn)業(yè)企業(yè)：致力于離子注入機(jī)國(guó)產(chǎn)化凱世通成立于

2009

年，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)成員曾在世界知名的離子注入機(jī)公司擔(dān)任核心技術(shù)崗位，負(fù)責(zé)和領(lǐng)

導(dǎo)了多款成熟集成電路離子注入機(jī)的開發(fā)，擁有豐富的集成電路離子注入機(jī)的開發(fā)和市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)：萬(wàn)業(yè)企業(yè)旗下的凱世通已于

2020

年

12

月獲得

3

臺(tái)離子注入機(jī)訂單，分別為低能大束流重金屬離子注

入機(jī)（Sbimplanter）、低能大束流超低溫離子注入機(jī)（Coldimplanter）、高能離子注入機(jī)（HEimplanter），

訂單金額

1

億元（含稅）。中科信：立足中束流，力爭(zhēng)全覆蓋北京爍科中科信電子裝備有限公司成立于

2019

年

6

月

17

日，源于中國(guó)電科第

48

研究所，是國(guó)內(nèi)較

早專注于集成電路領(lǐng)域離子注入機(jī)業(yè)務(wù)的高端裝備供應(yīng)商。公司專注于集成電路用離子注入機(jī)研發(fā)、制造，始終致力于解決離子注入機(jī)關(guān)鍵技術(shù)自主可控難題，

已形成中束流、大束流、高能、特種應(yīng)用及第三代半導(dǎo)體等全系列離子注入機(jī)產(chǎn)品體系，擁有博士

后科研工作站，建立了符合

SEMI標(biāo)準(zhǔn)要求的離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，年產(chǎn)能達(dá)

30

臺(tái)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)

用于全球知名芯片制造企業(yè)，并獲客戶高度認(rèn)可。2003

-

2014

年，公司先后承擔(dān)"十五"863

計(jì)劃

100nm大角度離子注入機(jī)項(xiàng)目、"十一五"02

專項(xiàng)

12

英寸

90-65nm大