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1、半导体设备之离子注入机行业研究一、离子注入是可实现数量及质量可控的掺杂离子注入是最重要的掺杂方法掺杂改变晶圆片的电学性能。由于本征硅（即不含杂质的硅单晶）的导电性能很差，只有当硅中加 入适量杂质使其结构和电学性能发生改变后才起到半导体的功能，这个过程被称为掺杂。硅掺杂是 制备半导体器件中 P-N 结的基础，是指将所需杂质原子掺入特定的半导体区域以对衬底基片进行局 部掺杂，改变半导体的电学性质，现已被广泛应用于芯片制造的全过程。芯片制造中热扩散和离子 注入均可以向硅片中引入杂质元素，具体区别如下：热扩散：利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，掺杂效果受时间和温度的影响。离子注入：将高压离子轰击把杂质
2、引入硅片，杂质与硅片发生原子级高能碰撞后才能被注入。离子注入环节，注入的离子包括：B，P、As、Sb，C，Si、Ge，O，N，H 离子等等。精确可控性使得离子注入技术成为最重要的掺杂方法。随着芯片特征尺寸 的不断减小和集成度增加，各种器件也在不断缩小，由于晶体管性能受掺杂剖面的影响越来越大， 离子注入作为唯一能够精确控制掺杂的手段，且能够重复控制掺杂的浓度和深度，使得现代晶圆片 制造中几乎所有掺杂工艺都从热扩散转而使用离子注入来实现。离子注入可准确控制掺杂杂质的数量及深度离子注入属于物理过程，通过入射离子的能量损耗机制达成靶材内的驻留。与热扩散的利用浓度差 而形成的晶格扩散不同，离子注入通过入
3、射离子与靶材（被掺杂材料）的原子核和电子持续发生碰 撞，损耗其能量并经过一段曲折路径的运动，使入射离子因动能耗尽而停止在靶材某一深度。为了 精确控制注入深度，避免沟道效应(直穿晶格而未与原子核或电子发生碰撞)，需要使靶材的晶轴方向 与入射方向形成一定角度。离子注入主要利用两个能量损耗机制：电子阻碍：杂质原子与靶材电子发生反应，产生能量损耗。核阻碍：杂质原子与靶材原子发生碰撞，造成靶材原子的移位。剂量、射程、注入角度是离子注入技术的三个重要参数。离子注入向硅衬底中引入数量可控的杂质 过程，需要离子注入设备通过控制束流和能量来实现掺杂杂质的数量及深度的准确控制。其中，离 子注入可控主要依靠三大重要
4、参数的调节：(1) 剂量：注入硅片表面单位面积的离子数。正杂质离子形成离子束后，其流量被称为粒子束电流。 当加大电流时，单位时间内注入的杂质离子数量也增大。(2) 射程：离子穿入硅片内的总距离，与注入离子的能量和质量有关。能量越高意味着杂质离子的 射程越大，而离子能量需通过离子注入设备的加速管控制加速电势差来获得。能量单位一般以 电子电荷和电势差的乘积表示，即 eV。(3) 注入角度：角度控制也影响到离子注入的射程。二、离子注入机的分类、主要组成部分、零部件离子注入机的三大分类根据离子束电流和束流能量范围，离子注入机可分为三大类：中低束流离子注入机、低能大束流离 子注入机、高能离子注入机。另外
5、还有用于注入氧的氧注入机，或者注入氢的氢离子注入机，等等。离子注入机由 5 大子系统构成，包含 6 大核心零部件离子注入机包含了 5 个子系统。包括：气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和射线系统。其 中，射线系统为最重要的子系统。气体系统：存储杂质离子产生而需要使用的很多危险气体和蒸气，降低渗漏到生产中的风险电机系统：保证稳定精准的电压和电流，供杂质离子产生过程需要用到的热灯丝或射频等离子 体源、质谱仪磁铁等正常运作真空系统：在高真空状态下，减少带电离子和中性气体分子沿离子轨迹发生碰撞引起不必要的 散射和能量损耗，减少因离子和中性原子间的电荷交换造成射线污染控制系统：机器手臂等机械控制晶圆
6、的移动，使整个晶圆获得均匀注入射线系统：为离子注入机最重要的部分，根据所属功能分类，射线系统主要由 6 大核心零部件 构成：离子源、吸极、离子分析器、加速管、扫描系统、工艺腔。三、全球离子注入机市场规模：目前 25 亿美元，远期 40 亿美元离子注入机在制程设备中的价值比重约 3%离子注入机在晶圆制造工艺设备的市场规模中占比 3%左右，与 CMP 设备、热处理、涂胶显影机等的市场规模基本相当，低于光刻机、刻蚀机、CVD、PVD、 量测、清洗设备的市场空间。集成电路离子注入机在晶圆制造工艺设备市场中，价值量占比为 2.5%-3.3%， 2010-2018 年该比重有所下降，原因主要是以存储芯片
7、3D 立体化和先进制程的薄膜设备、刻蚀设备的价值量占比上升，而其他工艺设备价值量占比被挤占。IC 离子注入机的 2021 全球市场规模约 24-26 亿美元，未来将达到 30-40 亿美元2015 年全球集成电路离子注入机市场规模约 10 亿美元，2018 年市场规模约 15 亿美元，年均增速 4.6%。2020 年离子注入机的市场规模达到 18 亿美元。2020 年全球 WFE 市场规模达到 612 亿 美元，按 3%的比例推算离子注入机的市场规模即为 18 亿美元左右。估计 2021 年离子注入机的市场规模达到 24-26 亿美元，均值 25 亿美元。2021 年 WFE 市场规模估计增长
8、 30%-40%，推算将达到 800-850 亿美元，按 3%的比例推算离子注入机的市场规模即为 24-26 亿美元左右。长期估计到 2030 年离子注入机市场规模将达到 42 亿美元。当 2030 年半导体产业总规模达到 10000 亿美元时，半导体设备市场规模将达到 1400 亿美元，其中离子注入机按 3%的占比计算，即为 42 亿美元的市场规模。按照离子注入机划分为：大束流离子注入机、中低束流离子注入机、高能离子注入机：大束流离子注入机占到60%的比例，由此推算2021年大束流离子注入机的市场规模约15亿美元；中低束流离子注入机占比 20%，由此推算 2021 年中低束流离子注入机的市场
9、规模约 5 亿美元；高能离子注入机占 18%，由此推算 2021 年高能离子注入机的市场规模约 4.5 亿美元。四、全球离子注入机竞争格局：AMAT、AXCELIS 垄断集成电路离子注入机的市场份额高度集中。美国应用材料公司、Axcelis 占全球大部 分市场份额，其中美国应用材料公司占有 50%以上市场份额。美国 AMAT，在离子注入机产品上的市占率 70%。主要产品包括大束流离子注入机、中束流离子 注入机、超高剂量的离子注入。应用材料曾收购瓦力安半导体设备公司，而瓦力安半导体设备 公司于 1999 年从瓦力安拆分而来。美国 Axcelis，即亚舍立科技设计公司，主要产品高能离子注入机市占率
10、 55%。2020 年 Axcelis销售额 4.75 亿美元，净利润 0.50 亿美元。日本 Nissin，主要生产中束流离子注入机，在中束流离子注入机的市占率 10%左右，曾在我国的 固安 OLED 项目、合肥晶合 12 寸项目上中标离子注入机。日本 SEN，产品包括高束流离子注入机、中束流离子注入机、高能量离子注入机，其中中束流 离子注入机、高能量离子注入的收入占比略高，但在中国大陆地区的市占率相对较低。集成电路离子注入机的市场集中度高，主要是因为离子注入的技术壁垒在于：角度控制: 注入角度精度0.1，且随着线宽微缩，注入角度要求更高；剂量控制：即均匀性、浓度，主要用法拉第杯进行剂量控制
11、；能量控制: 1%。五、离子注入机的国内市场规模：2022 年达到 40 亿元以上预计现有规划的本土晶圆产线的最高峰投资额将达到 200 亿美元，按 照 3%的价值量占比推算，国内离子注入机市场规模将达到 6 亿美元，相当于接近 RMB 40 亿元的 市场规模。国内 28nm 制程产线增加，也将带动离子注入机的需求增加。成熟制程中，随着线宽微缩，离子注入 的工序步骤也随着增加，28nm 制程节点上离子注入步骤达到最高 40 次。而近几年来国内 28nm 产线 明显增加，例如中芯国际、上海华力等。六、离子注入机国内竞争格局：被国际品牌垄断国内离子注入机也基本上被应用材料、Axcelis 和日本
12、Sumitomo 垄断，仅有万业企业旗下的凯世通、 中科信在某些 12 寸晶圆产线上获得工艺验证验证并验收通过。某存储晶圆产线上仅有应用材料、Axcelis、AIBT 等三家离子注入机供应商，其中应用材料占比 79%， Axcelis 占比 17%，AIBT 占比 4%。某逻辑电路晶圆产线上仅有应用材料、Axcelis、Sumitomo 和中科信等 4 家离子注入机供应商，其中应 用材料占比 53%，Sumitomo 占比 36%，Axcelis 占比 7%，中科信占比 4%。七、IC 离子注入机国产化处于起步阶段万业企业：致力于离子注入机国产化凯世通成立于 2009 年，创始团队成员曾在世界
13、知名的离子注入机公司担任核心技术岗位，负责和领 导了多款成熟集成电路离子注入机的开发，拥有丰富的集成电路离子注入机的开发和市场经验：万业企业旗下的凯世通已于 2020 年 12 月获得 3 台离子注入机订单，分别为低能大束流重金属离子注 入机（Sb implanter）、低能大束流超低温离子注入机（Cold implanter）、高能离子注入机（HE implanter）， 订单金额 1 亿元（含税）。中科信：立足中束流，力争全覆盖北京烁科中科信电子装备有限公司成立于 2019 年 6 月 17 日，源于中国电科第 48 研究所，是国内较 早专注于集成电路领域离子注入机业务的高端装备供应商。公
14、司专注于集成电路用离子注入机研发、制造，始终致力于解决离子注入机关键技术自主可控难题， 已形成中束流、大束流、高能、特种应用及第三代半导体等全系列离子注入机产品体系，拥有博士 后科研工作站，建立了符合 SEMI 标准要求的离子注入机产业化平台，年产能达 30 台，产品广泛应 用于全球知名芯片制造企业，并获客户高度认可。2003 - 2014 年，公司先后承担十五863 计划 100nm 大角度离子注入机项目、十一五02 专项 12 英寸 90-65nm 大角度离子注入机研发及产业化项目、十二五12 英寸 45-22nm 低能大束流离子注 入机研发及产业化项目。100nm 大角度离子注入机项目的成功实现了国产离子注入机制造水平由 6 英寸 500nm 到 8 英寸 100nm 技术的跨越。12 英寸 90-65nm 大角度离子注入机研发及产业化项目的成功实现了国产离子注入装备从消化吸收到产业化阶段的跨越式发展。12 英寸 45-22nm 低能大束流离子注入机研发及产业化项目的实施则进入一个全新的自主创新阶段。报告链接：半导体设备之离子注入机行业研究