半导体离子注入机排行（关注半导体设备国产化）
半导体离子注入机排行（关注半导体设备国产化）立式扩散炉主要用于200/300mm晶圆制造中，立式扩散炉的结构特点是加热炉体、反应管及承载硅片的石英舟均垂直放置，具有片内均匀性好、自动化程度高、系统性能稳定等特点，可以满足大规模集成电路生产线要求。资料来源：卧式扩散炉外观，公开资料整理，阿尔法经济研究常见的卧式扩散炉的主要技术指标有：工作温度范围600-1300℃，恒温区长度600-1100mm，恒温区精度±0.5℃，最大可控升温速率不小于15℃/min等。厂商方面，北方华创HORIS D8572A卧式扩散/氧化系统主要用于集成电路、功率器件和MEMS领域的常压（微正压）闭管干氧氧化、湿氧氧化、扩散、退火常压（微正压）闭管干氧氧化等工艺，可靠性指标MTBF≥900小时，可靠性好。无锡松煜科技是一家从事光伏设备及半导体工艺设备的专业制造商，在太阳能领域公司生产有ALD原子层沉积、LPCVD/PECVD、低压管式高温扩散炉、退火炉/氧化炉
硅因具有金属和非金属双重特性而被作为半导体材料，但是纯硅中电子被共价键束缚，在电学上呈现出绝缘特性，因此实际应用极少。为了改善硅的电学性能，工艺上通过掺杂，引入其他元素来增强其导电性。掺杂主要分扩散和离子注入，扩散掺杂成本低，但是无法控制掺杂物浓度和深度，相比而言离子注入可以精确控制掺杂物浓度分布，但是成本相对较高。
扩散工艺是向硅材料中引入杂质的一种方法，在高温（通常为900-1200℃）条件下利用热扩散原理，将掺杂元素（一般采用液态源或固态源）按要求的深度掺入硅衬底中，使其具有特定浓度分布，达到改变硅片电学性能和形成PN结的目的，在实际工艺中主要有硼掺杂、磷掺杂和砷掺杂。硼掺杂是指在硅片中扩散掺入三价元素硼（B）形成P型半导体，载流子是空穴，常用的硼源是乙硼烷、三氟乙硼；磷掺杂和砷掺杂是在硅片中引入五价元素磷或砷，形成N型半导体，载流子是自由电子，常用的磷源或砷源是砷化氢和磷化氢。
扩散工艺中使用的设备是扩散炉，基本结构有净化工作室、主机箱、气源柜和控制柜四大部分，常用的是卧式扩散炉，少量有立式扩散炉。卧式扩散炉主要用于200mm及以下硅片，其特点是加热炉体、反应管和承载硅片的石英舟呈水平放置，因而具有片间均匀性好的工艺特点。
资料来源：卧式扩散炉原理，公开资料整理，阿尔法经济研究
常见的卧式扩散炉的主要技术指标有：工作温度范围600-1300℃，恒温区长度600-1100mm，恒温区精度±0.5℃，最大可控升温速率不小于15℃/min等。
厂商方面，北方华创HORIS D8572A卧式扩散/氧化系统主要用于集成电路、功率器件和MEMS领域的常压（微正压）闭管干氧氧化、湿氧氧化、扩散、退火常压（微正压）闭管干氧氧化等工艺，可靠性指标MTBF≥900小时，可靠性好。
无锡松煜科技是一家从事光伏设备及半导体工艺设备的专业制造商，在太阳能领域公司生产有ALD原子层沉积、LPCVD/PECVD、低压管式高温扩散炉、退火炉/氧化炉等设备，在半导体领域公司生产有低压管式高温扩散炉、IBS离子注入机、扩散系统和PECVD/LPCVD等设备，其中扩散炉主要用于2-8英寸的集成电路IC、分立器件、光电子器件和太阳能电池等的扩散、氧化、退火等工艺：
资料来源：卧式扩散炉外观，公开资料整理，阿尔法经济研究
立式扩散炉主要用于200/300mm晶圆制造中，立式扩散炉的结构特点是加热炉体、反应管及承载硅片的石英舟均垂直放置，具有片内均匀性好、自动化程度高、系统性能稳定等特点，可以满足大规模集成电路生产线要求。
立式扩散炉的主要结构有硅片装卸端口、存储系统、微环境水平层流净化系统、自动传输系统、热处理反应室系统等，其中热处理反应系统包括加热炉体、反应腔室、石英舟及组件、石英舟升降装置等，用于实现晶圆的热处理工艺和升降石英舟的功能。
立式扩散炉适用的工艺有干氧氧化、氢氧合成氧化、二氯乙烯氧化、氮氧化硅氧化等氧化工艺，以及二氧化硅、多晶硅、氮化硅和原子层沉积等薄膜生长工艺，也可应用于高温退火、铜退火及合金等工艺。性能指标上立式扩散炉的工艺范围300-1200℃，恒温区温度均匀性不低于±0.5℃，恒温区长度约为800-1000mm，MTBF≥1200小时等。
北方华创的THEORIS302/201立式氧化炉主要用于200/300mm晶圆在28nm及以上节点的集成电路、先进封装和功率器件领域，主要适用于干氧氧化、湿氧氧化、氮氧化硅氧化等工艺：
资料来源：北方华创Theoris302/201立式氧化炉，公司官网整理，阿尔法经济研究
离子注入与离子注入机随着半导体特征尺寸的缩小，各向同性的掺杂工艺使得掺杂物很可能扩散到屏蔽氧化层另一侧，导致相邻区域之间发生短路，因此除了某些特殊场合，扩散工艺逐渐被离子注入工艺取代。
离子注入是将离子束加速到keV至MeV的量级，然后注入到硅等固体材料表层内，达到改变材料表层物理特性的工艺，注入的离子则有硼离子、磷离子、砷离子等。与传统的扩散工艺相比离子注入一是通过调节注入的能量和剂量改变注入离子的深度和浓度，可以获得衬底内部比表面浓度更高的杂质离子分布；二是可以按照掩模图形所需位置获得掺杂，有利于提高集成度；三是利用扫描方法在硅片上顺次打入离子，突破扩散工艺中固溶度限制，可以获得更高的浓度、更浅的结深和更均匀的分布。
离子注入机是半导体制造工艺中最主要的掺杂设备，具有剂量均匀性与重复性良好、横向扩散较小的优点，也克服了热掺杂工艺的诸多限制，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，也可以降低制造成本和功耗。
离子注入机有中束流离子注入机、大束流离子注入机和高能离子注入机，其中中束流离子注入机一般由离子源、分析器、加速管、平行透镜和靶室等组成，粒子能量范围为keV至1MeV，主要用于半导体制造中的沟道、阱和源漏等工艺：
资料来源：中束流离子注入机结构图，公开资料整理，阿尔法经济研究
大束流离子注入机相比中束流离子注入机具有更高的束流和较低的能量，能量较低时束流为mA量级，较高时则达到30mA以上。常用的大束流离子注入机为低能大束流离子注入机，适用于大剂量及浅结注入，如源漏扩展区注入、源漏注入、栅极掺杂等工艺，也是目前半导体制造中市场占有率最高的离子注入机：
资料来源：大束流离子注入机结构图，公开资料整理，阿尔法经济研究
大束流离子注入机中离子源和引出电极可以产生均匀的宽带等离子束流，通过离子束传输结构设定的束流路径可以高效、离子注入机对束流均匀性，通过偏转和减速一体化集成技术可以提高低能离子束传输效率，消除能量污染等。
高能离子注入机的单电荷离子能量可达1MeV以上，更高能量离子可以通过多电荷态离子加速来实现。在高能离子注入机中离子加速可以通过射频加速和直流加速来实现，其中直流加速是在大束流离子注入机和中束流离子注入机中采用的离子加速方式，具有能量散度较小的优点，但是很难实现较高束流能量。相比直流加速，射频加速稳定性和可靠性较高，目前也是市场中主流的离子注入机技术：
资料来源：高能离子注入机结构图，公开资料整理，阿尔法经济研究
常见的高能离子注入机主要由射频桶、电感线圈、电极和四极透镜等组成，电极上加有13.56MHz的信号，当离子在电极前端时使电极上的电压为负，可将离子加速拉入电极内，反之将离子加速推出，通过不同加速单元加速或减速控制便可得到预期离子能量。高能离子注入机主要用于逻辑/存储芯片、CIS器件、功率器件等。离子注入机的部分性能指标如下：
资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究
离子注入机厂商离子注入机行业竞争壁垒较高，行业集中度也较高，美国应用材料和Axcelis公司合计占到全球70%以上的份额（2018年数据），其中应用材料Varian VIISta系列离子注入机广泛应用于逻辑芯片、存储芯片等的离子注入工艺。笔者注意到成立于1987年的法国IBS也一直致力于离子注入领域的研发、设计制造与服务，其生产的IMC200型离子注入机主要用于6英寸及以下晶圆的离子注入，但是与应用材料技术差距明显。
国内离子注入机企业主要是北京中科信电子装备有限公司和上海凯世通半导体。北京中科信电子装备有限公司成立于2003年6月，主要从事离子注入机、快速退火炉等关键半导体制造设备的研发与生产，公司相继承担了100nm/8英寸大角度离子注入机、90-65nm/12英寸大角度离子注入机等国家重大专项，但是由于该公司没有官网，相关设备信息无法汇总。
上海凯世通半导体是上市公司万业企业（600641.SH）的全资子公司，2009年4月在上海张江成立，由国际离子注入技术协会终身常务理事陈炯博士牵头成立。目前公司有iPV系列光伏离子注入机和IonSolar系列半导体用离子注入机。IonSolar离子注入机拥有连续送片功能，单机产能达到1800片/小时，占地面积22平方米，成本仅为同类产品的60%，具备成本优势。有报道称2019公司低能大束流离子注入机α机开始调试，关键指标超越国际竞争对手，目前正根据客户工艺要求进行离子注入晶圆验证。凯世通采取"领先一步"策略，着力研制16nm及以下节点的FinFET离子注入机，并针对研制低能大束流离子注入机所需重要解决的关键技术和技术难题，建立起相应的研发平台：
资料来源：凯世通半导体离子注入机外观，凯世通官网整理，阿尔法经济研究
在太阳能领域主要厂商有上海凯世通半导体、美国Inte-vac公司和日本真空技术，AMOLED面板用离子注入机则被日本日新垄断，鉴于篇幅及讨论重点，再次不再展开。最后啰嗦一句，万业企业是A股唯一的离子注入机上市公司，与从事光刻涂胶/显影设备的芯源微类似具备稀缺性。
原创声明：本文作者系阿尔法经济研究原创，欢迎个人转发，谢绝媒体、公众号或网站未经授权转载。
免责声明：阿尔法经济研究发布的内容仅供参考，不构成任何投资建议。
