提起离子注入机，熟悉集成电路的人都知道，该设备与光刻机、刻蚀机、镀膜机并称为芯片制造的“四大核心装备”，其高端市场长期被国外垄断。
20多年前，为突破集成电路装备自主创新的堵点卡点，中国电科所属中电科电子装备集团第四十八研究所组建研发团队，走上离子注入机科研攻关之路。今年年初，“中国电科实现国产离子注入机28纳米工艺全覆盖”入选“2023年度央企十大国之重器”。
离子注入机与芯片制造
上个世纪40年代初，核物理领域的粒子加速器经过改良，相对转变为离子注入机形态。到了1960年以后，美国HVE公司与硅谷仙童公司联手，正式开始打造商用的离子注入机。由此，半导体制造与发展的齿轮开始飞速转动。
在集成电路制造行业里，离子注入机属于跟光刻机等设备环环相扣的四大核心之首。这举足轻重的离子注入机，则承载着给纯净硅掺入各类元素改变材料电性能的重要使命。熟练掌握核心技术的老美，早就给离子注入机赋予了芯片的电学性能，还奠定了其市场规模。无论是占据主流的低能大束流离子注入机，还是中束流与高能离子注入机，他们的价值一直都处于技术与价值的双重飞升阶段。
进入千禧年之后，为了满足我国集成电路飞速发展的现实需求，中国电科果断成立了技术团队，准备集中攻克离子注入机的掺杂工艺，与其他模块的核心技术。面对完全陌生的离子注入机类型，以及注入硅晶体的掺杂剂剂量，攻关团队选择从100纳米的样机入手。大家废寝忘食，夜以继日地讨论离子注入机的空间设计和一众复杂细节。
尽管这方面的经验一穷二白、实验装置也寥寥无几，工程师们还是默契地顶着重压尽快熟悉了它的全部构造，为后续研发打下坚实基础。直到2005年，属于光路、控制、软件模块的核心技术被研发团队相继破解。不仅如此，他们还彻底掌握了离子注入机掺杂工艺的精度控制范围。同时，中科团队也自主完成了国产样机的设计方案。随后不久，第一台全国产化的离子注入机便成功问世。
28纳米的技术全覆盖
从样机到市场，其间路途漫漫。“功能和指标只是进入市场的第一道门槛。要得到用户认可，严苛的工艺验证才是真正的考验。”彭立波说。回忆起考验的艰辛，烁科中科信研发工程中心总监陈辉至今仍“心有余悸”。2012年底，研发团队成功研制出28纳米中束流离子注入机，陈辉带着设备进驻用户单位。按规定，要在两年内完成产线工艺验证。实际上，除去大规模量产前的稳定性验证和试投产，真正留给工艺验证的时间只有一年左右。
离子注入机完成一轮验证就需要近3个月，而且其过程像“开盲盒”。只有把所有工序走完，对成品进行电性测量后，才知道离子注入质量如何。一旦验证结果不合格，就要调出整个注入过程中所有的参数，逐一检查比对，找到问题，然后修正。
此前，研发团队已成功交付90至65纳米离子注入机，在回溯调查、工艺处理方面积累了丰富经验。但28纳米工艺对注入剂量、角度、能量等技术参数更敏感，对精度要求更高，由此带来许多新问题，需要一点点摸索。“第一轮验证，没有完全成功。”陈辉说。他和同事回溯、修正，线上、线下试验，再等3个月出产品，又测一轮，仍未成功。
对于2013年的夏天，陈辉迄今难以忘怀。除了40摄氏度的持续高温，连续失败更令他备受煎熬。用户也承受了巨大压力，乃至发出最后通牒：“再不行就把设备搬走！”第三轮验证被陈辉形容为“破釜沉舟”。他们对设备进行软硬件升级，把此前出过问题的环节全部重试一遍，确保无误之后才开始验证。
这一轮验证虽然花费了更多时间，但终于达到了用户的要求，同时也获得了他们的信任。全部验证流程完成后，用户如约采购了这台设备，并对此后采购的同类设备简化了验证流程。
多点开花打造国之重器
完成28纳米中束流离子注入机工艺验证后，研发团队于2017年全面铺开大束流离子注入机研发。他们要在产品谱系上“多点开花”。
中束流与大束流离子注入机，分别应用在芯片制造的不同环节，适用于不同工艺需求。二者各有所长，缺一不可。“简单说，芯片核心计算部位的‘精细活’由中束流机型做；芯片外围引脚之类的‘粗活’由大束流机型做。”彭立波打比方道，这样的配合既能提高效率，又能降低成本。
有了中束流设备的研制经验，大束流设备研制一路“高歌猛进”——2018年实现样机设计，2019年完成样机装配及调试，2020年交付用户，2021年底开始工艺验证。
但验证过程并没有想象中顺利，研发团队经历了又一次刻骨铭心的爬坡过坎。“几乎所有指标都达到了期望值，就在我们以为胜利在望时，某一元素的离子注入剂量被检测出偏差过大。”陈辉说。为了找出问题的原因，研发团队不得不从设计源头重溯——这相当于从头再来。他们每天24小时守在实验室里，开展大量仿真实验和工艺验证。就这样连续奋战了两个多月，终于使剂量偏差精度达到国际先进水平。
随着时间的推移，器件研制能力持续增强，软件系统不断迭代升级，工艺精度稳步提升……2023年，研发团队成功实现全系列离子注入机28纳米工艺全覆盖。
国产芯片制造核心装备的新突破不仅仅是技术上的胜利，更是我国创新驱动发展战略的重要成果。通过这次突破，我们不仅填补了国内在芯片制造领域的空白，还为我国未来科技创新提供了坚实的基础。随着国产芯片制造核心装备的突破，我国芯片产业的整体实力将得到进一步提升。这将对全球芯片行业的竞争格局产生深远影响。我国企业有望在全球市场上获得更多话语权，提高自身的核心竞争力。
