一、离子注入是可实现数量及质量可控的掺杂

离子注入是最重要的掺杂方法

掺杂改变晶圆片的电学性能。由于本征硅（即不含杂质的硅单晶）的导电性能很差，只有当硅中加入适量杂质使其结构和电学性能发生改变后才起到半导体的功能，这个过程被称为掺杂。硅掺杂是制备半导体器件中P-N结的基础，是指将所需杂质原子掺入特定的半导体区域以对衬底基片进行局部掺杂，改变半导体的电学性质，现已被广泛应用于芯片制造的全过程。芯片制造中热扩散和离子注入均可以向硅片中引入杂质元素，具体区别如下：

热扩散：利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，掺杂效果受时间和温度的影响。

离子注入：将高压离子轰击把杂质引入硅片，杂质与硅片发生原子级高能碰撞后才能被注入。

离子注入环节，注入的离子包括：B，P、As、Sb，C，Si、Ge，O，N，H离子等等。

精确可控性使得离子注入技术成为最重要的掺杂方法。随着芯片特征尺寸的不断减小和集成度增加，各种器件也在不断缩小，由于晶体管性能受掺杂剖面的影响越来越大，离子注入作为唯一能够精确控制掺杂的手段，且能够重复控制掺杂的浓度和深度，使得现代晶圆片制造中几乎所有掺杂工艺都从热扩散转而使用离子注入来实现。

离子注入可准确控制掺杂杂质的数量及深度

离子注入属于物理过程，通过入射离子的能量损耗机制达成靶材内的驻留。与热扩散的利用浓度差而形成的晶格扩散不同，离子注入通过入射离子与靶材（被掺杂材料）的原子核和电子持续发生碰撞，损耗其能量并经过一段曲折路径的运动，使入射离子因动能耗尽而停止在靶材某一深度。为了精确控制注入深度，避免沟道效应(直穿晶格而未与原子核或电子发生碰撞)，需要使靶材的晶轴方向与入射方向形成一定角度。离子注入主要利用两个能量损耗机制：

电子阻碍：杂质原子与靶材电子发生反应，产生能量损耗。

核阻碍：杂质原子与靶材原子发生碰撞，造成靶材原子的移位。

剂量、射程、注入角度是离子注入技术的三个重要参数。离子注入向硅衬底中引入数量可控的杂质过程，需要离子注入设备通过控制束流和能量来实现掺杂杂质的数量及深度的准确控制。其中，离子注入可控主要依靠三大重要参数的调节：

(1)剂量：注入硅片表面单位面积的离子数。正杂质离子形成离子束后，其流量被称为粒子束电流。当加大电流时，单位时间内注入的杂质离子数量也增大。

(2)射程：离子穿入硅片内的总距离，与注入离子的能量和质量有关。能量越高意味着杂质离子的射程越大，而离子能量需通过离子注入设备的加速管控制加速电势差来获得。能量单位一般以电子电荷和电势差的乘积表示，即eV。

(3)注入角度：角度控制也影响到离子注入的射程。

二、离子注入机的分类、主要组成部分、零部件

离子注入机的三大分类

根据离子束电流和束流能量范围，离子注入机可分为三大类：中低束流离子注入机、低能大束流离子注入机、高能离子注入机。另外还有用于注入氧的氧注入机，或者注入氢的氢离子注入机，等等。

离子注入机由5大子系统构成，包含6大核心零部件

离子注入机包含了5个子系统。包括：气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和射线系统。其中，射线系统为最重要的子系统。

气体系统：存储杂质离子产生而需要使用的很多危险气体和蒸气，降低渗漏到生产中的风险

电机系统：保证稳定精准的电压和电流，供杂质离子产生过程需要用到的热灯丝或射频等离子体源、质谱仪磁铁等正常运作

真空系统：在高真空状态下，减少带电离子和中性气体分子沿离子轨迹发生碰撞引起不必要的散射和能量损耗，减少因离子和中性原子间的电荷交换造成射线污染

控制系统：机器手臂等机械控制晶圆的移动，使整个晶圆获得均匀注入

射线系统：为离子注入机最重要的部分，根据所属功能分类，射线系统主要由6大核心零部件构成：离子源、吸极、离子分析器、加速管、扫描系统、工艺腔。

三、全球离子注入机市场规模：目前25亿美元，远期40亿美元

离子注入机在制程设备中的价值比重约3%

离子注入机在晶圆制造工艺设备的市场规模中占比3%左右，与CMP设备、热处理、涂胶显影机等的市场规模基本相当，低于光刻机、刻蚀机、CVD、PVD、量测、清洗设备的市场空间。

集成电路离子注入机在晶圆制造工艺设备市场中，价值量占比为2.5%-3.3%，2010-2018年该比重有所下降，原因主要是以存储芯片3D立体化和先进制程的薄膜设备、刻蚀设备的价值量占比上升，而其他工艺设备价值量占比被挤占。

IC离子注入机的2021全球市场规模约24-26亿美元，未来将达到30-40亿美元

2015年全球集成电路离子注入机市场规模约10亿美元，2018年市场规模约15亿美元，年均增速4.6%。

2020年离子注入机的市场规模达到18亿美元。2020年全球WFE市场规模达到612亿美元，按3%的比例推算离子注入机的市场规模即为18亿美元左右。

估计2021年离子注入机的市场规模达到24-26亿美元，均值25亿美元。2021年WFE市场规模估计增长30%-40%，推算将达到800-850亿美元，按3%的比例推算离子注入机的市场规模即为24-26亿美元左右。

长期估计到2030年离子注入机市场规模将达到42亿美元。当2030年半导体产业总规模达到10000亿美元时，半导体设备市场规模将达到1400亿美元，其中离子注入机按3%的占比计算，即为42亿美元的市场规模。

按照离子注入机划分为：大束流离子注入机、中低束流离子注入机、高能离子注入机：

大束流离子注入机占到60%的比例，由此推算2021年大束流离子注入机的市场规模约15亿美元；中低束流离子注入机占比20%，由此推算2021年中低束流离子注入机的市场规模约5亿美元；高能离子注入机占18%，由此推算2021年高能离子注入机的市场规模约4.5亿美元。

四、全球离子注入机竞争格局：AMAT、AXCELIS垄断

集成电路离子注入机的市场份额高度集中。美国应用材料公司、Axcelis占全球大部分市场份额，其中美国应用材料公司占有50%以上市场份额。

美国AMAT，在离子注入机产品上的市占率70%。主要产品包括大束流离子注入机、中束流离子注入机、超高剂量的离子注入。应用材料曾收购瓦力安半导体设备公司，而瓦力安半导体设备公司于1999年从瓦力安拆分而来。

美国Axcelis，即亚舍立科技设计公司，主要产品高能离子注入机市占率55%。2020年Axcelis销售额4.75亿美元，净利润0.50亿美元。

日本Nissin，主要生产中束流离子注入机，在中束流离子注入机的市占率10%左右，曾在我国的固安OLED项目、合肥晶合12寸项目上中标离子注入机。

日本SEN，产品包括高束流离子注入机、中束流离子注入机、高能量离子注入机，其中中束流离子注入机、高能量离子注入的收入占比略高，但在中国地区的市占率相对较低。

集成电路离子注入机的市场集中度高，主要是因为离子注入的技术壁垒在于：

角度控制:注入角度精度±0.1°，且随着线宽微缩，注入角度要求更高；

剂量控制：即均匀性、浓度，主要用法拉第杯进行剂量控制；

能量控制:±1%。

五、离子注入机的国内市场规模：2022年达到40亿元以上

预计现有规划的本土晶圆产线的最高峰投资额将达到200亿美元，按照3%的价值量占比推算，国内离子注入机市场规模将达到6亿美元，相当于接近RMB40亿元的市场规模。

国内28nm制程产线增加，也将带动离子注入机的需求增加。成熟制程中，随着线宽微缩，离子注入的工序步骤也随着增加，28nm制程节点上离子注入步骤达到最高40次。而近几年来国内28nm产线明显增加，例如中芯国际、上海华力等。

六、离子注入机国内竞争格局：被国际品牌垄断

国内离子注入机也基本上被应用材料、Axcelis和日本Sumitomo垄断，仅有万业企业旗下的凯世通、中科信在某些12寸晶圆产线上获得工艺验证验证并验收通过。

某存储晶圆产线上仅有应用材料、Axcelis、AIBT等三家离子注入机供应商，其中应用材料占比79%，Axcelis占比17%，AIBT占比4%。

某逻辑电路晶圆产线上仅有应用材料、Axcelis、Sumitomo和中科信等4家离子注入机供应商，其中应用材料占比53%，Sumitomo占比36%，Axcelis占比7%，中科信占比4%。

七、IC离子注入机国产化处于起步阶段

万业企业：致力于离子注入机国产化

凯世通成立于2009年，创始团队成员曾在世界知名的离子注入机公司担任核心技术岗位，负责和领导了多款成熟集成电路离子注入机的开发，拥有丰富的集成电路离子注入机的开发和市场经验：

万业企业旗下的凯世通已于2020年12月获得3台离子注入机订单，分别为低能大束流重金属离子注入机（Sbimplanter）、低能大束流超低温离子注入机（Coldimplanter）、高能离子注入机（HEimplanter），订单金额1亿元（含税）。

中科信：立足中束流，力争全覆盖

北京烁科中科信电子装备有限公司成立于2019年6月17日，源于中国电科第48研究所，是国内较早专注于集成电路领域离子注入机业务的高端装备供应商。

公司专注于集成电路用离子注入机研发、制造，始终致力于解决离子注入机关键技术自主可控难题，已形成中束流、大束流、高能、特种应用及第三代半导体等全系列离子注入机产品体系，拥有博士后科研工作站，建立了符合SEMI标准要求的离子注入机产业化平台，年产能达30台，产品广泛应用于全球知名芯片制造企业，并获客户高度认可。

2003-2014年，公司先后承担"十五"863计划100nm大角度离子注入机项目、"十一五"02专项12英寸90-65nm大角度离子注入机研发及产业化项目、"十二五"12英寸45-22nm低能大束流离子注入机研发及产业化项目。

100nm大角度离子注入机项目的成功实现了国产离子注入机制造水平由6英寸500nm到8英寸100nm技术的跨越。

12英寸90-65nm大角度离子注入机研发及产业化项目的成功实现了国产离子注入装备从消化吸收到产业化阶段的跨越式发展。

12英寸45-22nm低能大束流离子注入机研发及产业化项目的实施则进入一个全新的自主创新阶段。下载本文