编者注：本文为凯世通半导体副总裁张长勇在第十一届张江高科·芯谋研究峰会上的主题演讲。
在半导体制造领域，光刻机、刻蚀机常为人所熟知，然而离子注入机作为“精准改性师”，同样扮演着无可替代的关键角色。在当前主流的 28-40 纳米工艺里，芯片制造流程需历经 600-1000 道工序，其中离子注入工序就多达 50-60 道。从调整芯片核心的电性参数，到实现源漏区、阱区等关键区域的材料改性，每一步都离不开离子注入的精准控制。正因如此，离子注入机与光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备并称为 Fab 厂的 “四大核心工艺设备”，是半导体制造产业链中不可或缺的 “刚需装备”。
国产离子注入机发展的困境
一，技术复杂与市场垄断。离子注入机不仅是半导体制造的“刚需” 设备，更是出了名的复杂。一台离子注入机包含近 5 万个独立零部件，虽然数量比光刻机的 10 万个略少，但远超过普通半导体设备，比如常规刻蚀机零部件数量通常仅在 2 - 3 万个，这使得离子注入机的系统集成难度极大。
从市场格局来看，由于半导体产业链历史发展和技术复杂度的叠加原因，导致了离子注入设备的高度垄断。全球范围内，美国应用材料和亚舍立占据了80% 以上的离子注入机市场份额。其中，应用材料在离子注入大束流、中束流机型领域优势明显，亚舍立则在高能机机型上占市场统治地位。国内 Fab 厂长期依赖进口机型，面临诸多难题。国内Fab不仅在设备价格上被差异化对待；同时面临交货周期长，售后响应慢等问题；更关键的是，还遭受着核心技术封锁，严重制约了国内半导体产业的发展。
二，进口需求攀升与“卡脖子” 难题。近年来，国内半导体产业快速发展，离子注入机的进口需求持续攀升。根据海关总署发布的 2024 年半导体设备进口数据，离子注入机在所有半导体设备进口名录中排名第 4 位，仅次于光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备。
在28 纳米及以下先进工艺中，离子注入机的性能对芯片的良率和可靠性起着决定性作用。在 FinFET 结构芯片的制造中，源漏区的离子注入深度偏差哪怕只有 1 纳米，都会导致芯片漏电流增加 30% 以上，直接影响产品合格率。当前主工艺设备的两大 “卡脖子” 难点，便是光刻机和离子注入机，然而离子注入机的瓶颈常被忽视。
过去五年，凯世通重心开发了低能大束流系列产品，这类机型在市场需求中占比50%以上，也是国内 Fab 厂需求最迫切的产品。除常规的 iStellar-500 机型外，还针对先进工艺开发了多款特色产品。面向 28 纳米及以下工艺节点的低温离子注入机，凯世通能将晶圆温度稳定控制在 - 40℃~-100°，为国内首家全球第二家实现-100°超低温量产应用；并开发了面向SOI的氢离子注入设备，实现了国产设备的SMART CUT剥离工艺需求；同时拥有面向CIS工艺的大束流离子注入设备，在客户产线实现了对比进口设备更好的金属污染控制。公司在大束流领域实现了全面国产替代和量产应用。
先进技术突破与产品布局
一，超低温冷注入与热注入技术。随着芯片工艺不断向3D 结构和更先进制程发展，离子注入机的应用场景持续升级，超低温冷注入和热注入技术成为行业焦点。
在28 纳米及以下先进工艺，尤其是逻辑芯片和存储芯片制造中，超低温冷注入技术至关重要。为降低漏电流、提升器件可靠性，需将晶圆温度降至 - 40℃至 - 100℃区间。低温注入能降低晶圆的非晶化阈值浓度，减少离子注入过程中产生的晶格缺陷。实验数据显示，室温下注入磷离子，晶圆缺陷密度约为 5×10¹³ cm⁻³，当温度降至 - 100℃时，缺陷密度降至 8×10¹² cm⁻³，降幅超 80%，对提升芯片电学性能意义重大。
热注入技术同样不可或缺。随着FinFET、GAA 等 3D 结构芯片普及，源漏区离子注入深度变浅至 5 - 10 纳米，传统室温注入易造成晶格损伤，影响芯片载流子迁移率。热注入技术通过将晶圆加热到 150℃至 600℃的温度范围，实现晶圆在离子注入时实现 “动态自修复”。晶格原子在高温下运动速度加快，能及时填补离子注入造成的空位缺陷，减少损伤。在 14 纳米 GAA 工艺中，采用 400℃热注入后，芯片载流子迁移率提升 15%，开关速度提升 10%，这也是热注入机型成为先进工艺 Fab 厂 “标配” 的原因。
凯世通在这两项先进技术上取得显著突破。热注入领域，基于iStellar 500 平台开发的 iStellar 500HT 机型，采用先导科技自研的 “三明治结构” 高温静电吸盘。吸盘基层为高纯氧化铝陶瓷，中间层是钯银合金加热电阻，表层是氮化铝绝缘涂层，能实现 200℃至 600℃精准控温，温度波动小于 ±2℃。该机型已在国内某先进工艺线完成验证。
超低温领域，凯世通开发的- 100℃超低温离子注入机，是全球除应用材料外第二家能实现量产的产品。其关键技术有两点：一是采用 “四级制冷” 系统，可在30秒内将晶圆从室温降至 - 100℃；二是与先导集团协作，研发晶圆低温测量技术，突破国外设备低温环境下晶圆温度监控的不足问题。目前该机型已经在国内多家fab累计交付使用 7 台。
二，细分领域产品研发推进。除热注入和冷注入机型，凯世通还在积极推进其他细分领域产品研发。面向CMOS 图像传感器（CIS）的 CIS 产品专用大束流离子注入机，针对 CIS 芯片像素区掺杂超低金属污染需求，开发了洁净束流路径和微波PFG技术，实现了比进口设备更好的金属污染控制指标。
碳化硅机型方面，针对第三代半导体材料高温、高硬度特性，开发了专用离子源和加速系统，能实现突破1MeV 的高温注入，在束流强度和能量范围方面比同比进口机型更优。
全周期服务体系构建
一，全链条服务体系。凯世通的目标不仅开发出满足量产需求的离子注入机整机，更在于构建全面的“全方位&全周期服务能力”，以满足 Fab 厂在半导体制造过程中对离子注入的多样需求。为此，凯世通与控股股东先导科技，全力打造了 “从原材料—材料—零部件—设备—回收” 的全链条服务体系。
在原材料供应方面，先导科技充分发挥自身优势，为Fab 厂提供离子注入所需的特种气体，如硼烷、磷烷，以及各类靶材等关键材料。这种 “设备 + 材料” 的打包供应模式，极大地简化了 Fab 厂的采购流程，提高了供应链的稳定性和效率。
在设备使用阶段，除了提供7×24 小时的自研设备售后响应服务体系，确保设备运行过程中出现的任何问题都能得到及时解决，同时也面向客户进口设备的零配件供应和技术支持需求，满足客户产线既有进口设备的可持续生产能力。
当设备进入生命周期末端，凯世通提供设备回收、翻新、升级，置换等服务，这不仅为Fab 厂节省了设备更换成本，还推动了资源的循环利用，符合绿色发展理念。
二，一站式离子注入服务平台。除了全链条服务体系，凯世通还规划了“一站式离子注入服务平台”，为 Fab 厂提供更具针对性的服务。
平台提供核心零部件的替换服务，凯世通与先导科技集团自研的质量流量计（MFC）, 静电吸盘、离子源等半导体零部件，性能可与进口产品媲美，且交货周期大幅缩短，价格同比大幅下降，有效提高了 Fab 厂的设备运营效益。
凯世通与先导科技集团在筹建专用的工艺验证线，更好地验证自研新设备和零部件，将大幅缩短工艺开发和客户的验证周期，降低了研发成本和风险。
未来展望
在技术性能上，凯世通将推出满足国内先进工艺需求的多款下一代离子注入机，全面对标并超越进口设备性能，解决进口离子注入设备的痛点，为我国半导体产业向更先进制程发展提供有力支持。
在产业链协同方面，凯世通将充分发挥自身优势，带动国内100 家以上的零部件企业共同发展，形成完整、高效的离子注入机国产化产业链，通过技术共享、合作研发等方式，提升整个产业链的技术水平和创新能力，实现互利共赢。
就像光伏设备领域中国企业实现从依赖进口到全球市场份额超90% 的华丽转身一样，凯世通坚信，在半导体设备领域，离子注入机也能复制这一成功轨迹。半导体产业的发展离不开全产业链的大力协同合作，敢于突破创新。
