还记得元宵节时
小新推出的国家队“赛博灯谜”么？
其中有一个灯谜可谓是“字字珠玑”
一个emoji也没浪费
TA就是
↓↓↓
你猜出来了吗？
🍐 👶 💉 🐓
离 子 注 入 机
这就是小新今天要介绍的
本“书”主角——
入选“2023年度央企十大国之重器”的
“28纳米工艺全覆盖国产离子注入机”
（点击下图，回顾详情）
▲中国电科实现国产离子注入机28纳米工艺全覆盖
在介绍“离子注入机”前
我们首先来搞清楚
离子注入是什么？
离子注入的目的是什么？
离子注入的过程又是什么？
离子注入，是一种精确地向衬底中引入杂质的方法，这是一种在半导体制造中起到关键作用的技术，能够将绝缘体转变为具有导电性的半导体材料。
主要是通过掺杂工艺实现材料改性。通过离子注入，可以将外层电子数不同的杂质引入硅晶体中，从而改变硅的微观结构，实现导电性。
通常情况下，硅原子的外层电子数为4，无法形成自由移动的电流。
为了使硅片能够导电，我们需要掺入其他元素。
首先将所需的杂质电离，然后在电场中加速形成一个集中的离子束。这束离子随后打在硅片中，这些高能粒子进入晶格并与硅原子碰撞而失去能量，最终在某个深度停止，使得离子穿透并嵌入到硅片中。
最常用的方法是通过向硅片中注入外层电子数为5的磷元素，得到N型硅片；向硅片中注入外层电子数为3的硼元素，得到P型硅片。
这样，硅晶体就分为了多余电子形成的n型区域和缺电子形成的p型区域。
▲N型硅
▲P型硅
将n型和p型区域结合在一起，形成PN结。当连接电源时，电子从n区域流向p区域，产生电流，此时硅片就从绝缘体转变为半导体。
很好，如果你没看懂
那么你只需要知道：
在芯片制造过程中
需要掺入不同种类的元素
按预定方式改变材料的电性能
这些元素以带电离子的形式
被加速至预定能量
并注入至特定衬底中
离子注入机
就是执行这一掺杂工艺的芯片制造设备
也是“中国芯”制造的关键一环
要实现这样的工艺绝非易事
来自中国电科的研发团队
先后攻克千余项关键技术
终于实现了国产离子注入机“从无到有”
再到“多点开花”的跨越
逆袭之路如何展开？
且听小新展开说说——
20多年前
我国离子注入机工艺精度只有0.5微米
相比国际先进的90纳米
在技术指标上差了三代
2003年
中国电科组建研发团队
开启了高端离子注入机的攻关历程
国内经验匮乏，国外技术封锁
团队成员将当时的情景形容为“孤勇出征”
他们挤在小公寓里研究设计图纸
在租借的小厂房里做实验
团队里刚毕业的小伙
刚成家生子的青壮年
以及快退休的老同志
大家一起工作、一起生活
隔3个月才能回一次家
为尽快打造出具有市场竞争力的装备
研发团队选择了一款
100纳米机型作为参考机器
为什么这样设计？
跟应用有什么对应关系？
这些都要逐一认知、消化吸收
那时缺乏计算机辅助设计工具
面对内部结构精密而复杂的离子注入机
几位经验丰富的老师傅绞尽脑汁
整天围着设备苦苦钻研
全凭二维设计和空间构思去理解这些构造
用了几个星期才把它搞明白
离子注入机采用光纤通信系统进行控制
必须弄清楚光纤通信模块的底层控制逻辑
由于从样机中只能获得二进制代码
研发人员被逼反向破解
逐行逐字推敲
摸索控制指令及其对应的功能
反复琢磨这些指令
对产品工艺精度和技术指标的影响
历时近两年
研发团队在吃透机器构造原理、
控制设计思路等基础上
完成了自主样机的设计方案
并突破关键部件研制难题
最终造出首台样机
从样机到市场
其间路途漫漫
功能和指标只是进入市场的第一道门槛
要得到用户认可
严苛的工艺验证才是真正的考验
2012年底
研发团队成功研制出28纳米中束流离子注入机
设备进驻用户单位
按规定
设备要在两年内完成产线工艺验证
实际上
除去大规模量产前的稳定性验证和试投产
真正留给工艺验证的时间只有一年左右
离子注入机完成一轮验证
就需要近3个月
而且其过程像“开盲盒”
只有把所有工序走完
对成品进行电性测量后
才知道离子注入质量如何
一旦验证结果不合格
就要调出整个注入过程中所有的参数
逐一检查比对，找到问题
然后修正
此前，研发团队已成功交付
90至65纳米离子注入机
在回溯调查、工艺处理方面
积累了丰富经验
但28纳米工艺
对注入剂量、角度、能量等技术参数更敏感
对精度要求更高
由此带来许多新问题
需要一点点摸索
第一轮验证没有完全成功
攻关团队回溯、修正，线上、线下试验
再等3个月出产品又测一轮
仍未成功
2013年的夏天除了40摄氏度的持续高温
连续失败更令他们备受煎熬
用户也承受了巨大压力
乃至发出最后通牒：
“再不行就把设备搬走！”
第三轮验证是“破釜沉舟”
他们对设备进行软硬件升级
把此前出过问题的环节全部重试一遍
确保无误之后才开始验证
这一轮验证虽然花费了更多时间
但终于达到了用户的要求
同时也获得了他们的信任
全部验证流程完成后
用户如约采购了这台设备
并对此后采购的同类设备简化了验证流程
完成28纳米中束流离子注入机工艺验证后
研发团队于2017年
全面铺开大束流离子注入机研发
他们要在产品谱系上“多点开花”
中束流与大束流离子注入机
分别应用在芯片制造的不同环节
适用于不同工艺需求
二者各有所长，缺一不可
简单来说
芯片核心计算部位的“精细活”
由中束流机型做
芯片外围引脚之类的“粗活”
由大束流机型做
这样的配合既能提高效率
又能降低成本
有了中束流设备的研制经验
大束流设备研制一路“高歌猛进”
——
2018年实现样机设计
2019年完成样机装配及调试
2020年交付用户
2021年底开始工艺验证
但验证过程并没有想象中顺利
几乎所有指标都达到了期望值
就在研发团队以为胜利在望时
某一元素的离子注入剂量
被检测出偏差过大
为了找出问题的原因
研发团队不得不从设计源头重溯
这相当于从头再来
他们每天24小时守在实验室里
开展大量仿真实验和工艺验证
就这样连续奋战了两个多月
终于使剂量偏差精度达到国际先进水平
随着时间的推移
器件研制能力持续增强
软件系统不断迭代升级
工艺精度稳步提升
……
2023年
研发团队成功实现
全系列离子注入机28纳米工艺全覆盖
20多年来
研发团队先后研制出
中束流、大束流、高能、特种等
全系列国产离子注入机产品
超百台设备
广泛应用于各集成电路制造企业
90纳米、55纳米、
40纳米、28纳米工艺生产线
为我国集成电路产业链供应链安全与稳定
提供了坚实保障
—（本章节完）—
《国产离子注入机的逆袭之路》
最新章节正在加更中
期待离子注入机
后续的创新迭代与量产应用
也期待“国家队”打造出更多
高端装备制造的
中国名片！
———— / END / ————
特别声明：本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布，仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。
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