提起離子注入機(jī)，熟悉集成電路的人都知道，該設(shè)備與光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、鍍膜機(jī)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(chuàng)新的堵點(diǎn)卡點(diǎn)，中國電科所屬中電科電子裝備集團(tuán)第四十八研究所組建研發(fā)團(tuán)隊，走上離子注入機(jī)科研攻關(guān)之路。今年年初，“中國電科實現(xiàn)國產(chǎn)離子注入機(jī)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(jī)與芯片制造

上個世紀(jì)40年代初，核物理領(lǐng)域的粒子加速器經(jīng)過改良，相對轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子注入機(jī)形態(tài)。到了1960年以后，美國HVE公司與硅谷仙童公司聯(lián)手，正式開始打造商用的離子注入機(jī)。由此，半導(dǎo)體制造與發(fā)展的齒輪開始飛速轉(zhuǎn)動。

在集成電路制造行業(yè)里，離子注入機(jī)屬于跟光刻機(jī)等設(shè)備環(huán)環(huán)相扣的四大核心之首。這舉足輕重的離子注入機(jī)，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(shù)的老美，早就給離子注入機(jī)賦予了芯片的電學(xué)性能，還奠定了其市場規(guī)模。無論是占據(jù)主流的低能大束流離子注入機(jī)，還是中束流與高能離子注入機(jī)，他們的價值一直都處于技術(shù)與價值的雙重飛升階段。

進(jìn)入千禧年之后，為了滿足我國集成電路飛速發(fā)展的現(xiàn)實需求，中國電科果斷成立了技術(shù)團(tuán)隊，準(zhǔn)備集中攻克離子注入機(jī)的摻雜工藝，與其他模塊的核心技術(shù)。面對完全陌生的離子注入機(jī)類型，以及注入硅晶體的摻雜劑劑量，攻關(guān)團(tuán)隊選擇從100納米的樣機(jī)入手。大家廢寢忘食，夜以繼日地討論離子注入機(jī)的空間設(shè)計和一眾復(fù)雜細(xì)節(jié)。

盡管這方面的經(jīng)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(gòu)造，為后續(xù)研發(fā)打下堅實基礎(chǔ)。直到2005年，屬于光路、控制、軟件模塊的核心技術(shù)被研發(fā)團(tuán)隊相繼破解。不僅如此，他們還徹底掌握了離子注入機(jī)摻雜工藝的精度控制范圍。同時，中科團(tuán)隊也自主完成了國產(chǎn)樣機(jī)的設(shè)計方案。隨后不久，第一臺全國產(chǎn)化的離子注入機(jī)便成功問世。


28納米的技術(shù)全覆蓋

從樣機(jī)到市場，其間路途漫漫?！肮δ芎椭笜?biāo)只是進(jìn)入市場的第一道門檻。要得到用戶認(rèn)可，嚴(yán)苛的工藝驗證才是真正的考驗?！迸砹⒉ㄕf?；貞浧鹂简灥钠D辛，爍科中科信研發(fā)工程中心總監(jiān)陳輝至今仍“心有余悸”。2012年底，研發(fā)團(tuán)隊成功研制出28納米中束流離子注入機(jī)，陳輝帶著設(shè)備進(jìn)駐用戶單位。按規(guī)定，要在兩年內(nèi)完成產(chǎn)線工藝驗證。實際上，除去大規(guī)模量產(chǎn)前的穩(wěn)定性驗證和試投產(chǎn)，真正留給工藝驗證的時間只有一年左右。

離子注入機(jī)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(jìn)行電性測量后，才知道離子注入質(zhì)量如何。一旦驗證結(jié)果不合格，就要調(diào)出整個注入過程中所有的參數(shù)，逐一檢查比對，找到問題，然后修正。

此前，研發(fā)團(tuán)隊已成功交付90至65納米離子注入機(jī)，在回溯調(diào)查、工藝處理方面積累了豐富經(jīng)驗。但28納米工藝對注入劑量、角度、能量等技術(shù)參數(shù)更敏感，對精度要求更高，由此帶來許多新問題，需要一點(diǎn)點(diǎn)摸索?！暗谝惠嗱炞C，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(chǎn)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(xù)高溫，連續(xù)失敗更令他備受煎熬。用戶也承受了巨大壓力，乃至發(fā)出最后通牒：“再不行就把設(shè)備搬走！”第三輪驗證被陳輝形容為“破釜沉舟”。他們對設(shè)備進(jìn)行軟硬件升級，把此前出過問題的環(huán)節(jié)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(fèi)了更多時間，但終于達(dá)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(shè)備，并對此后采購的同類設(shè)備簡化了驗證流程。


多點(diǎn)開花打造國之重器

完成28納米中束流離子注入機(jī)工藝驗證后，研發(fā)團(tuán)隊于2017年全面鋪開大束流離子注入機(jī)研發(fā)。他們要在產(chǎn)品譜系上“多點(diǎn)開花”。

中束流與大束流離子注入機(jī)，分別應(yīng)用在芯片制造的不同環(huán)節(jié)，適用于不同工藝需求。二者各有所長，缺一不可?！昂唵握f，芯片核心計算部位的‘精細(xì)活’由中束流機(jī)型做；芯片外圍引腳之類的‘粗活’由大束流機(jī)型做?！迸砹⒉ù虮确降?，這樣的配合既能提高效率，又能降低成本。

有了中束流設(shè)備的研制經(jīng)驗，大束流設(shè)備研制一路“高歌猛進(jìn)”——2018年實現(xiàn)樣機(jī)設(shè)計，2019年完成樣機(jī)裝配及調(diào)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(fā)團(tuán)隊經(jīng)歷了又一次刻骨銘心的爬坡過坎?！皫缀跛兄笜?biāo)都達(dá)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(fā)團(tuán)隊不得不從設(shè)計源頭重溯——這相當(dāng)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(xù)奮戰(zhàn)了兩個多月，終于使劑量偏差精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

隨著時間的推移，器件研制能力持續(xù)增強(qiáng)，軟件系統(tǒng)不斷迭代升級，工藝精度穩(wěn)步提升……2023年，研發(fā)團(tuán)隊成功實現(xiàn)全系列離子注入機(jī)28納米工藝全覆蓋。

國產(chǎn)芯片制造核心裝備的新突破不僅僅是技術(shù)上的勝利，更是我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要成果。通過這次突破，我們不僅填補(bǔ)了國內(nèi)在芯片制造領(lǐng)域的空白，還為我國未來科技創(chuàng)新提供了堅實的基礎(chǔ)。隨著國產(chǎn)芯片制造核心裝備的突破，我國芯片產(chǎn)業(yè)的整體實力將得到進(jìn)一步提升。這將對全球芯片行業(yè)的競爭格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。我國企業(yè)有望在全球市場上獲得更多話語權(quán)，提高自身的核心競爭力。