最後更新:2026年10月8日離子佈植・熱處理離子佈植・熱處理中國大陸:离子注入机

離子佈植機是什麼

Ion Implantation Equipment

離子佈植機是將硼、磷、砷等摻雜物離子化,以電場加速後打入矽晶圓的前段製程設備。可藉由劑量(射束電流的累積)精密控制雜質濃度,藉由加速能量精密控制接面深度,用於電晶體的源極/汲極形成、井區形成與通道摻雜。主要廠商為應用材料(Applied Materials)與 Axcelis。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

離子佈植機(Ion Implantation Equipment)是將硼(B)、磷(P)、砷(As)等摻雜元素離子化,以電場加速後打入矽晶圓表面的半導體前段製程設備。可精密控制晶圓中特定區域的電氣特性(導電型、載子濃度),是電晶體源極/汲極形成、井區形成、通道摻雜等許多製程不可或缺的設備。

設備構成大致分為「離子源(Ion Source)」「質量分析器(Mass Analyzer)」「加速管(Accelerator)」「掃描系統(Scanner)」「製程腔體」5個部分。在離子源將摻雜氣體電漿化,以質量分析器只篩選出目標元素的離子後,再加速到目標能量。佈植能量可在 keV~MeV 等級範圍調整,低能量(~10keV)用於形成淺接面,高能量(數 MeV)則用於形成深井區。

佈植後的晶圓會因離子撞擊產生結晶缺陷,因此必須以熱處理(退火)製程進行損傷修復與雜質活化。除了傳統的批次式爐管退火,先進製程也採用能以毫秒為單位處理的閃光退火(Millisecond Anneal),以及更高速的雷射退火(Laser Spike Anneal)。佈植量(劑量)的均勻性與再現性直接影響良率,要求±0.2%以下的高精度控制。

市場由美國的應用材料與 Axcelis Technologies 2家公司主導,合計約占全球80%的市占率。應用材料擁有涵蓋高電流、中電流、高能量全範圍的設備產品線,Axcelis 則特別在 SiC、GaN 等功率半導體領域具有優勢。日本則有日新離子機器(NISSIN Ion Equipment)在利基市場布局。對 SiC 基板進行高能量佈植需要與一般 Si 不同的最佳化,在電動車與電力電子用 SiC 需求擴大的背景下,此領域的成長備受期待。

隨著先進邏輯的微縮,離子佈植的規格要求愈趨嚴格。在 FinFET 與 GAA 奈米片電晶體中,精密控制佈植角度(Tilt Implant)在結構上變得困難,因此電漿摻雜(PLAD)與單分子層摻雜等替代技術也在研究中。此外,為了兼顧閘極介電層與介面品質的維持以及雜質活化,與閃光退火、微波退火等低溫、短時間活化技術的搭配,已成為重要的研究課題。

離子佈植機的常見問題

離子佈植與熱擴散有何不同?
離子佈植是將摻雜物離子化、加速後以物理方式打入,可藉由劑量與加速能量各自獨立、精密地控制濃度與接面深度。熱擴散則是在高溫爐中使雜質進行固相擴散,設備簡單,但雜質會等向性擴散,難以控制淺接面與橫向分布。在微縮後的現代 CMOS 中,離子佈植是標準做法。
為什麼離子佈植之後需要退火(熱處理)?
因為高速離子打入後會破壞矽的晶格,而摻雜原子也尚未進入晶格位置,無法發揮電性作用。透過退火修復結晶,並使摻雜物進入晶格位置(活化),才能開始提供載子。若加熱過度,雜質會擴散使接面變深,因此會以 RTP 或雷射退火壓低熱預算。
離子佈植機的主要廠商有哪些?
應用材料(美國)與 Axcelis Technologies(美國)是全球主要供應商,日本則有住友重機械離子科技(SMIT)與愛發科(ULVAC)供應設備。依高電流、中電流、高能量等不同佈植條件,會分別使用專用機台。

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