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        基于全球離子注入機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀探析中國離子注入機(jī)突破之路

        2022-03-26 07:37:16池憲念
        電子元器件與信息技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:工藝設(shè)備系統(tǒng)

        池憲念

        (中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院賽迪顧問股份有限公司,北京 100081)

        0 引言

        離子注入決定著半導(dǎo)體芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)器件的最基礎(chǔ)性能,是集成電路制造工藝中十分重要的環(huán)節(jié)。離子注入環(huán)節(jié)是僅次于光刻工藝的重要環(huán)節(jié),離子注入效果決定了芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中器件的最基本、最核心性能。離子注入機(jī)在晶圓制造工藝設(shè)備市場規(guī)模中占比3%左右,據(jù)賽迪顧問統(tǒng)計,2020年離子注入機(jī)市場規(guī)模達(dá)18億美元,未來將達(dá)到30億~40億美元。離子注入機(jī)的市場高度集中,全球離子注入機(jī)主要被美國、日本企業(yè)壟斷。

        1 離子注入機(jī)原理及其產(chǎn)業(yè)鏈

        1.1 工作原理

        在集成電路制造工藝過程中,需要摻入不同類型的元素以能按照預(yù)期來改變材料的電性能,離子注入機(jī)則是執(zhí)行上述摻雜工藝的芯片制造設(shè)備[1]。離子注入法的工作原理即通過離子注入機(jī)的加速和引導(dǎo),將要摻雜的離子以離子束形式入射到目標(biāo)材料中去。離子注入具備精確控制能量和劑量、摻雜均勻性好、純度高、低溫?fù)诫s、不受注射材料影響等優(yōu)點,目前已成為大直徑硅片制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

        在系統(tǒng)方面,離子注入機(jī)主要由5大子系統(tǒng)構(gòu)成(圖1),即氣體系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、射線系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)方面,離子注入機(jī)由離子源、離子引入和質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔組成[2]。

        圖1 離子注入機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

        1.2 離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

        離子注入機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游可以劃分為五個環(huán)節(jié),分別是材料和元器件、零部件、整機(jī)、制造設(shè)備、后市場(圖2)。

        圖2 離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

        (1)材料和元器件:本部分包括連接器插件、流體元器件、絕緣材料、電子元器件、墻體材料等。

        (2)零部件:本部分包括真空系統(tǒng)部件零部件、束線系統(tǒng)零部件、晶圓傳輸系統(tǒng)零部件、電控系統(tǒng)零部件。其中真空系統(tǒng)零部件包括干泵、分子泵、冷泵、真空閥等。

        (3)整機(jī):本部分包括原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、定型設(shè)備。

        (4)制造設(shè)備:本部分包括沖壓工藝、焊接工藝、機(jī)加加工、涂層工藝、總裝工藝設(shè)備等。

        (5)后市場:本部分包括設(shè)備維修、零部件及耗材、二手設(shè)備、設(shè)備拆裝及搬運(yùn)。

        1.3 國外離子注入機(jī)供應(yīng)鏈的核心環(huán)節(jié)

        集成電路離子注入機(jī)的市場集中度高,主要是因為離子注入的技術(shù)壁壘有以下幾個技術(shù)要點:一是角度控制,注入角度精度±0.1°;二是劑量控制,即均勻性、濃度;三是能量控制,±1%[3]。

        離子注入機(jī)是芯片制造設(shè)備中復(fù)雜、關(guān)鍵、成本高的核心裝備之一,其制造環(huán)節(jié)所涉及的產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)的參與企業(yè)均是全球頂級的科技公司,見表1。

        表1 離子注入機(jī)供應(yīng)鏈核心環(huán)節(jié)

        2 國際上的離子注入機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)及競爭格局

        綜合來看,目前市場上離子注入機(jī)主要由美國和日本的廠商壟斷,國際主要廠商如下。

        (1)美國AMAT

        該公司在離子注入機(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?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。

        (2)美國Axcelis

        即亞舍立科技設(shè)計公司,主要產(chǎn)品高能離子注入機(jī)市占率55%。2020年Axcelis售額4.75億美元,凈利潤0.50億美元。

        (3)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,曾在我國的固安OLED項目、合肥晶合12寸項目上中標(biāo)離子注入機(jī)。

        (4)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,但在中國大陸地區(qū)的市占率相對較低。

        (5)日新離子機(jī)株式會社

        全球生產(chǎn)AMOLED領(lǐng)域使用離子注入機(jī)的領(lǐng)先企業(yè),在全球AMOLED領(lǐng)域幾乎壟斷全球市場。

        表2 全球離子注入機(jī)競爭格局

        3 我國離子注入機(jī)產(chǎn)業(yè)的狀況

        截至2021年,預(yù)計現(xiàn)有規(guī)劃的本土晶圓產(chǎn)線的最高峰投資額將達(dá)200億美元,按照3%的價值量占比推算,國內(nèi)離子注入機(jī)市場規(guī)模將達(dá)6億美元。國內(nèi)離子注入機(jī)基本上被美國和日本企業(yè)壟斷,目前主要代表性的企業(yè)僅有凱世通和北京中科信電子裝備兩家[4]。

        4 發(fā)展建議

        技術(shù)方面:離子注入機(jī)在研發(fā)和生產(chǎn)過程中涉及高壓電子、機(jī)械、計算機(jī)控制、等離子體物理等多個高技術(shù)學(xué)科,系統(tǒng)集成難度較大。建議研發(fā)企業(yè)與下游光伏、集成電路等應(yīng)用端客戶開展聯(lián)合研發(fā),結(jié)合生產(chǎn)工藝路線和技術(shù)水平進(jìn)行技術(shù)改良。

        渠道方面:離子注入機(jī)面向下游生產(chǎn)制造商,產(chǎn)品的供給方、需求方都較為集中。建議國內(nèi)企業(yè)能支持和鼓勵國產(chǎn)替代,并聯(lián)合離子注入機(jī)企業(yè)進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)和升級迭代產(chǎn)品,爭取打破本行業(yè)被國外企業(yè)壟斷的現(xiàn)狀。

        供應(yīng)鏈方面:離子注入機(jī)的生產(chǎn)涉及到復(fù)雜的零部件、精密儀器和機(jī)械設(shè)計等環(huán)節(jié)。建議國內(nèi)企業(yè)能夠針對薄弱環(huán)節(jié)的零部件產(chǎn)品展開攻關(guān)研發(fā),以彌補(bǔ)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)被掐脖子的劣勢。

        人才方面:國際從事離子注入機(jī)研發(fā)制造的公司很少,市場上相關(guān)人才匱乏。建議國內(nèi)具備離子注入機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)能力的企業(yè)開展人才梯隊性培養(yǎng),增加離子注入機(jī)研發(fā)人才的儲備。

        資金方面:離子注入設(shè)備的研發(fā)投入巨大,生產(chǎn)研發(fā)、測試驗證、生產(chǎn)周期較長,單臺設(shè)備產(chǎn)品的造價較高,迭代研發(fā)對持續(xù)的資金投入和保障要求很高。建議政府對研發(fā)企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)助,同時借助上市等打開融資渠道[5]。

        5 結(jié)語

        在市場方面,在5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、云計算等需求的帶動下,半導(dǎo)體市場需求高漲,晶圓廠擴(kuò)大資本開支,帶動設(shè)備需求大增。在技術(shù)技術(shù)方面,工藝制程的進(jìn)步增加了離子注入的工藝工序。展望未來,在摩爾定律的推動下,集成電路的線寬將不斷縮小以應(yīng)對集成度大幅提高的要求,這會使得制造工藝步驟增多與復(fù)雜度增加。隨著半導(dǎo)體大廠產(chǎn)線的開出與產(chǎn)能的增加,離子注入機(jī)作為最重要的設(shè)備之一,市場規(guī)模也將進(jìn)一步提升。

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