從0.5微米到28納米！探尋國產離子注入機的逆襲之路
提起離子注入機，熟悉集成電路的人都知道，該設備與光刻機、刻蝕機、鍍膜機并稱為芯片制造的“四大核心裝備”，其高端市場長期被國外壟斷。
20多年前，為突破集成電路裝備自主創新的堵點卡點，中國電科所屬中電科電子裝備集團第四十八研究所組建研發團隊，走上離子注入機科研攻關之路。今年年初，“中國電科實現國產離子注入機28納米工藝全覆蓋”入選“2023年度央企十大國之重器”。
離子注入機與芯片制造
上個世紀40年代初，核物理領域的粒子加速器經過改良，相對轉變為離子注入機形態。到了1960年以后，美國HVE公司與硅谷仙童公司聯手，正式開始打造商用的離子注入機。由此，半導體制造與發展的齒輪開始飛速轉動。
在集成電路制造行業里，離子注入機屬于跟光刻機等設備環環相扣的四大核心之首。這舉足輕重的離子注入機，則承載著給純凈硅摻入各類元素改變材料電性能的重要使命。熟練掌握核心技術的老美，早就給離子注入機賦予了芯片的電學性能，還奠定了其市場規模。無論是占據主流的低能大束流離子注入機，還是中束流與高能離子注入機，他們的價值一直都處于技術與價值的雙重飛升階段。
進入千禧年之后，為了滿足我國集成電路飛速發展的現實需求，中國電科果斷成立了技術團隊，準備集中攻克離子注入機的摻雜工藝，與其他模塊的核心技術。面對完全陌生的離子注入機類型，以及注入硅晶體的摻雜劑劑量，攻關團隊選擇從100納米的樣機入手。大家廢寢忘食，夜以繼日地討論離子注入機的空間設計和一眾復雜細節。
盡管這方面的經驗一窮二白、實驗裝置也寥寥無幾，工程師們還是默契地頂著重壓盡快熟悉了它的全部構造，為后續研發打下堅實基礎。直到2005年，屬于光路、控制、軟件模塊的核心技術被研發團隊相繼破解。不僅如此，他們還徹底掌握了離子注入機摻雜工藝的精度控制范圍。同時，中科團隊也自主完成了國產樣機的設計方案。隨后不久，第一臺全國產化的離子注入機便成功問世。
28納米的技術全覆蓋
從樣機到市場，其間路途漫漫。“功能和指標只是進入市場的第一道門檻。要得到用戶認可，嚴苛的工藝驗證才是真正的考驗。”彭立波說。回憶起考驗的艱辛，爍科中科信研發工程中心總監陳輝至今仍“心有余悸”。2012年底，研發團隊成功研制出28納米中束流離子注入機，陳輝帶著設備進駐用戶單位。按規定，要在兩年內完成產線工藝驗證。實際上，除去大規模量產前的穩定性驗證和試投產，真正留給工藝驗證的時間只有一年左右。
離子注入機完成一輪驗證就需要近3個月，而且其過程像“開盲盒”。只有把所有工序走完，對成品進行電性測量后，才知道離子注入質量如何。一旦驗證結果不合格，就要調出整個注入過程中所有的參數，逐一檢查比對，找到問題，然后修正。
此前，研發團隊已成功交付90至65納米離子注入機，在回溯調查、工藝處理方面積累了豐富經驗。但28納米工藝對注入劑量、角度、能量等技術參數更敏感，對精度要求更高，由此帶來許多新問題，需要一點點摸索。“第一輪驗證，沒有完全成功。”陳輝說。他和同事回溯、修正，線上、線下試驗，再等3個月出產品，又測一輪，仍未成功。
對于2013年的夏天，陳輝迄今難以忘懷。除了40攝氏度的持續高溫，連續失敗更令他備受煎熬。用戶也承受了巨大壓力，乃至發出最后通牒：“再不行就把設備搬走！”第三輪驗證被陳輝形容為“破釜沉舟”。他們對設備進行軟硬件升級，把此前出過問題的環節全部重試一遍，確保無誤之后才開始驗證。
這一輪驗證雖然花費了更多時間，但終于達到了用戶的要求，同時也獲得了他們的信任。全部驗證流程完成后，用戶如約采購了這臺設備，并對此后采購的同類設備簡化了驗證流程。
多點開花打造國之重器
完成28納米中束流離子注入機工藝驗證后，研發團隊于2017年全面鋪開大束流離子注入機研發。他們要在產品譜系上“多點開花”。
中束流與大束流離子注入機，分別應用在芯片制造的不同環節，適用于不同工藝需求。二者各有所長，缺一不可。“簡單說，芯片核心計算部位的‘精細活’由中束流機型做；芯片外圍引腳之類的‘粗活’由大束流機型做。”彭立波打比方道，這樣的配合既能提高效率，又能降低成本。
有了中束流設備的研制經驗，大束流設備研制一路“高歌猛進”——2018年實現樣機設計，2019年完成樣機裝配及調試，2020年交付用戶，2021年底開始工藝驗證。
但驗證過程并沒有想象中順利，研發團隊經歷了又一次刻骨銘心的爬坡過坎。“幾乎所有指標都達到了期望值，就在我們以為勝利在望時，某一元素的離子注入劑量被檢測出偏差過大。”陳輝說。為了找出問題的原因，研發團隊不得不從設計源頭重溯——這相當于從頭再來。他們每天24小時守在實驗室里，開展大量仿真實驗和工藝驗證。就這樣連續奮戰了兩個多月，終于使劑量偏差精度達到國際先進水平。
隨著時間的推移，器件研制能力持續增強，軟件系統不斷迭代升級，工藝精度穩步提升……2023年，研發團隊成功實現全系列離子注入機28納米工藝全覆蓋。
國產芯片制造核心裝備的新突破不僅僅是技術上的勝利，更是我國創新驅動發展戰略的重要成果。通過這次突破，我們不僅填補了國內在芯片制造領域的空白，還為我國未來科技創新提供了堅實的基礎。隨著國產芯片制造核心裝備的突破，我國芯片產業的整體實力將得到進一步提升。這將對全球芯片行業的競爭格局產生深遠影響。我國企業有望在全球市場上獲得更多話語權，提高自身的核心競爭力。
