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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。
“当时，我国离子注入机工艺精度只有0.5微米，相比国际先进的90纳米，在技术指标上差了三代。”电科装备党委书记、董事长景璀日前告诉科技日报记者，“研发团队奋起直追，先后攻克千余项关键技术，实现了国产离子注入机‘从无到有’、再到‘多点开花’的跨越。”
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”。
“孤勇出征” 造出首台样机
制造芯片时，由于纯净硅不具备导电性，需要掺入不同种类的元素改变其结构与电导率。
这一过程要靠离子注入机来完成——通过电磁场控制高速运动的离子，按照工艺要求将其精准注入硅基材料，从而控制材料的导电性能，进而形成PN结等集成电路器件的基本单元。
2003年，研发团队开启了高端离子注入机的攻关历程。国内经验匮乏，国外技术封锁，团队成员将当时的情景形容为“孤勇出征”。
电科装备旗下北京烁科中科信电子装备有限公司技术总设计师彭立波回忆，他们挤在小公寓里研究设计图纸，在租借的小厂房里做实验。团队里刚毕业的小伙、刚成家生子的青壮年，以及快退休的老同志，大家一起工作、一起生活，隔3个月才能回一次家。
为尽快打造出具有市场竞争力的装备，研发团队选择了一款100纳米机型作为参考机器。“为什么这样设计？跟应用有什么对应关系？都要逐一认知、消化吸收。”彭立波说。
那时缺乏计算机辅助设计工具，面对内部结构精密而复杂的离子注入机，几位经验丰富的老师傅绞尽脑汁，整天围着设备苦苦钻研，全凭二维设计和空间构思去理解这些构造，用了几个星期才把它搞明白。
“离子注入机采用光纤通信系统进行控制，我们必须弄清楚光纤通信模块的底层控制逻辑。”彭立波告诉记者。由于从样机中只能获得二进制代码，研发人员被逼反向破解，逐行逐字推敲，摸索控制指令及其对应的功能，反复琢磨这些指令对产品工艺精度和技术指标的影响。
历时近两年，研发团队在吃透机器构造原理、控制设计思路等基础上，完成了自主样机的设计方案，并突破关键部件研制难题，最终造出首台样机。
“破釜沉舟” 完成工艺验证
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。
20多年来，研发团队先后研制出中束流、大束流、高能、特种等全系列国产离子注入机产品，超百台设备广泛应用于各集成电路制造企业90纳米、55纳米、40纳米、28纳米工艺生产线，为我国集成电路产业链供应链安全与稳定提供了坚实保障。
“总书记在考察中国电科产业基础研究院时指出，必须瞄准国家战略需求，系统布局关键创新资源，发挥产学研深度融合优势，不断在关键核心技术上取得新突破。”景璀向记者表示，“下一步，我们将一以贯之、久久为功，继续推动离子注入机的创新迭代和量产应用，全力打造高端装备制造中国名片！”
发布时间：2024-03-19 10:02
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