基于全球离子注入机行业现状探析中国离子注入机突破之路

池宪念

（中国电子信息产业发展研究院赛迪顾问股份有限公司，北京 100081）

0 引言

离子注入决定着半导体芯片内部结构器件的最基础性能，是集成电路制造工艺中十分重要的环节。离子注入环节是仅次于光刻工艺的重要环节，离子注入效果决定了芯片内部结构中器件的最基本、最核心性能。离子注入机在晶圆制造工艺设备市场规模中占比3%左右，据赛迪顾问统计，2020年离子注入机市场规模达18亿美元，未来将达到30亿～40亿美元。离子注入机的市场高度集中，全球离子注入机主要被美国、日本企业垄断。

1 离子注入机原理及其产业链

1.1 工作原理

在集成电路制造工艺过程中，需要掺入不同类型的元素以能按照预期来改变材料的电性能，离子注入机则是执行上述掺杂工艺的芯片制造设备[1]。离子注入法的工作原理即通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束形式入射到目标材料中去。离子注入具备精确控制能量和剂量、掺杂均匀性好、纯度高、低温掺杂、不受注射材料影响等优点，目前已成为大直径硅片制造的标准工艺。

在系统方面，离子注入机主要由5大子系统构成（图1），即气体系统、电机系统、真空系统、控制系统、射线系统。在结构方面，离子注入机由离子源、离子引入和质量分析器、加速管、扫描系统和工艺腔组成[2]。

图1 离子注入机的系统构成

1.2 离子注入机产业链图谱

离子注入机的产业链上下游可以划分为五个环节，分别是材料和元器件、零部件、整机、制造设备、后市场（图2）。

图2 离子注入机产业链图谱

（1）材料和元器件：本部分包括连接器插件、流体元器件、绝缘材料、电子元器件、墙体材料等。

（2）零部件：本部分包括真空系统部件零部件、束线系统零部件、晶圆传输系统零部件、电控系统零部件。其中真空系统零部件包括干泵、分子泵、冷泵、真空阀等。

（3）整机：本部分包括原理样机、工程样机、定型设备。

（4）制造设备：本部分包括冲压工艺、焊接工艺、机加加工、涂层工艺、总装工艺设备等。

（5）后市场：本部分包括设备维修、零部件及耗材、二手设备、设备拆装及搬运。

1.3 国外离子注入机供应链的核心环节

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有以下几个技术要点：一是角度控制，注入角度精度±0.1°；二是剂量控制，即均匀性、浓度；三是能量控制，±1%[3]。

离子注入机是芯片制造设备中复杂、关键、成本高的核心装备之一，其制造环节所涉及的产业链主要环节的参与企业均是全球顶级的科技公司，见表1。

表1 离子注入机供应链核心环节

2 国际上的离子注入机领军企业及竞争格局

综合来看，目前市场上离子注入机主要由美国和日本的厂商垄断，国际主要厂商如下。

（1）美国AMAT

该公司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。

（2）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55%。2020年Axcelis售额4.75亿美元，净利润0.50亿美元。

（3）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。

（4）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。

（5）日新离子机株式会社

全球生产AMOLED领域使用离子注入机的领先企业，在全球AMOLED领域几乎垄断全球市场。

表2 全球离子注入机竞争格局

3 我国离子注入机产业的状况

截至2021年，预计现有规划的本土晶圆产线的最高峰投资额将达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6亿美元。国内离子注入机基本上被美国和日本企业垄断，目前主要代表性的企业仅有凯世通和北京中科信电子装备两家[4]。

4 发展建议

技术方面：离子注入机在研发和生产过程中涉及高压电子、机械、计算机控制、等离子体物理等多个高技术学科，系统集成难度较大。建议研发企业与下游光伏、集成电路等应用端客户开展联合研发，结合生产工艺路线和技术水平进行技术改良。

渠道方面：离子注入机面向下游生产制造商，产品的供给方、需求方都较为集中。建议国内企业能支持和鼓励国产替代，并联合离子注入机企业进行研发生产和升级迭代产品，争取打破本行业被国外企业垄断的现状。

供应链方面：离子注入机的生产涉及到复杂的零部件、精密仪器和机械设计等环节。建议国内企业能够针对薄弱环节的零部件产品展开攻关研发，以弥补供应链环节被掐脖子的劣势。

人才方面：国际从事离子注入机研发制造的公司很少，市场上相关人才匮乏。建议国内具备离子注入机的研发和生产能力的企业开展人才梯队性培养，增加离子注入机研发人才的储备。

资金方面：离子注入设备的研发投入巨大，生产研发、测试验证、生产周期较长，单台设备产品的造价较高，迭代研发对持续的资金投入和保障要求很高。建议政府对研发企业进行补助，同时借助上市等打开融资渠道[5]。

5 结语

在市场方面，在5G、物联网、汽车电子、云计算等需求的带动下，半导体市场需求高涨，晶圆厂扩大资本开支，带动设备需求大增。在技术技术方面，工艺制程的进步增加了离子注入的工艺工序。展望未来，在摩尔定律的推动下，集成电路的线宽将不断缩小以应对集成度大幅提高的要求，这会使得制造工艺步骤增多与复杂度增加。随着半导体大厂产线的开出与产能的增加，离子注入机作为最重要的设备之一，市场规模也将进一步提升。