第485期 | 攻克500℃高溫柵網(wǎng)變形難題：國(guó)產(chǎn)離子源實(shí)現(xiàn)突破，穩(wěn)定性提升30%！

昂成精密儀器（深圳）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“昂成精密”）成立于2022年，由昂納集團(tuán)與核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)共同組建成立，主要研發(fā)、生產(chǎn)高端離子源系列產(chǎn)品和離子束設(shè)備（IBE/IBS/IBD等）及提供相關(guān)的技術(shù)服務(wù)；核心團(tuán)隊(duì)由擁有二十年以上在國(guó)際知名半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)長(zhǎng)期從事設(shè)備技術(shù)和工藝研究經(jīng)驗(yàn)的人員組成，針對(duì)目前市場(chǎng)相關(guān)設(shè)備及應(yīng)用在實(shí)踐中的不足及客戶定制化需求總結(jié)出了一系列的優(yōu)化方案。公司致力于成為中國(guó)領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商及服務(wù)商。

離子源技術(shù)是半導(dǎo)體制造的核心工藝環(huán)節(jié)，直接影響芯片性能與良率，決定著芯片的性能上限，其精度直接影響芯片良率。根據(jù)SEMI 2024報(bào)告推測(cè)，在3nm以下節(jié)點(diǎn)，甚至70%的工藝步驟都要依賴離子注入。作為離子束刻蝕和沉積設(shè)備的核心部件，離子源的穩(wěn)定性和精度是制造高端芯片和器件的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來，這項(xiàng)技術(shù)被美國(guó)Veeco等企業(yè)壟斷，是制約我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 "卡脖子" 環(huán)節(jié)。本期大咖談芯我們邀請(qǐng)到曾在Veeco工作的工程師張海飛做客，一起揭秘這個(gè)關(guān)系到芯片自主可控，更影響著人工智能、量子計(jì)算等未來科技的發(fā)展進(jìn)程的離子源技術(shù)。

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以下文字為播客內(nèi)容的文字版整理，內(nèi)容已獲得受訪嘉賓確認(rèn)及授權(quán)

離子源，為何是精密制造的

“心臟”與“發(fā)動(dòng)機(jī)”？

幻實(shí)：今天非常榮幸請(qǐng)到了昂成精密儀器研發(fā)高級(jí)總監(jiān)張海飛先生。張總在半導(dǎo)體設(shè)備圈摸爬滾打多年，既在Veeco這樣的國(guó)際巨頭深耕過離子源技術(shù)，現(xiàn)在又帶著團(tuán)隊(duì)做國(guó)產(chǎn)設(shè)備的突破，是既懂國(guó)際標(biāo)桿又懂本土痛點(diǎn)的專家。下面就讓張總給大家打個(gè)招呼。

張海飛：謝謝主持人，謝謝芯片揭秘的粉絲們，很有幸參與芯片揭秘的交流。

芯片揭秘 創(chuàng)辦人曹幻實(shí)（左） 對(duì)話

昂成精密儀器研發(fā)高級(jí)總監(jiān)張海飛（右）

幻實(shí)：謝謝張總來給我們科普。一開場(chǎng)我就要問一些小白問題，我們經(jīng)常在行業(yè)內(nèi)聽到離子源、離子束設(shè)備，這些詞不陌生，但它們具體在芯片制造里承擔(dān)什么樣的角色？而且離子源、離子束里的IBE、IBS這些類似的標(biāo)簽，它們之間又是什么關(guān)系？您能用最科普的話講講它們是什么、有什么價(jià)值嗎？

離子束（Ion Beam）是指在真空中將離子（帶電原子或分子）加速并聚焦形成的定向高速粒子流。

IBE指離子束刻蝕，是一種利用高能離子束轟擊材料表面以實(shí)現(xiàn)精密去除的微納加工技術(shù)。

IBS 是離子束濺射的英文縮寫，指利用離子束轟擊靶材使其原子濺射出來并沉積在基底上，從而制備高質(zhì)量薄膜的一種物理氣相沉積技術(shù)。

張海飛：好的。離子源大家可能不陌生，半導(dǎo)體行業(yè)、MEMS領(lǐng)域都在用。簡(jiǎn)單來講，離子源就是產(chǎn)生離子的重要裝置。IBE和IBS(離子束濺射) 則是利用離子源來實(shí)現(xiàn)不同功能的完整系統(tǒng)。簡(jiǎn)單打個(gè)比喻，要是離子源是發(fā)動(dòng)機(jī)，那IBE和IBS就是裝著不同性能發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車。兩者是包含關(guān)系，離子源是IBE、IBS的心臟，離子源的性能決定了IBE和IBS的核心性能，離子源是核心部件，IBE和IBS是完整系統(tǒng)。

幻實(shí)：你們是兩者都做嗎？

張海飛：對(duì)，我們是一步一步來的。先從離子源做起，再到設(shè)備，循序漸進(jìn)。目前我們已經(jīng)把離子源的核心部件 —— 柵網(wǎng)研發(fā)出來了，這部分難度很高，是核心部件里的核心。

昂成精密儀器離子源系統(tǒng)總成

幻實(shí)：離子源在市場(chǎng)上能買得到嗎？還是一般都直接買成套的離子束設(shè)備了？

張海飛：離子源能買到，但目前國(guó)產(chǎn)高性能離子源和國(guó)外相比還有一定距離。國(guó)內(nèi)做離子源的企業(yè)不下三四十家，但水平和國(guó)外差距很大，大多用在中低端領(lǐng)域。如果離子源水平上不去，相應(yīng)的離子束刻蝕設(shè)備和離子束濺射設(shè)備水平也上不去。

幻實(shí)：那您給我們講講，離子束在整個(gè)半導(dǎo)體制造里，處于什么環(huán)節(jié)、解決什么問題？

張海飛：好的，我再簡(jiǎn)單補(bǔ)充下離子源的產(chǎn)生機(jī)理：把工藝氣體通到放電室里，通過直流或射頻激勵(lì)使其離子化，產(chǎn)生等離子體，再通過引出裝置拉出來形成束狀，也就是離子束。離子束的好處是準(zhǔn)直性高，所以IBE也被稱為芯片的 “精密手術(shù)刀”。它的方向性和離子能量都可控，在芯片上操作的精度非常高。

離子源的好壞，決定了束流大小、能量調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性，這直接影響刻蝕時(shí)的 “刀口” 大小，以及沉積設(shè)備中薄膜厚度的控制精度，都起到非常重大的作用。不管是IBE、IBS，還是延伸出來的離子拋光、離子束修形（IBF）等應(yīng)用，都離不開離子源。

幻實(shí)：它屬于先進(jìn)制程卡脖子的環(huán)節(jié)嗎？

張海飛：應(yīng)該是。目前離子源應(yīng)用比較廣泛的，傳統(tǒng)半導(dǎo)體常用的CCP、ICP或RIE這種刻蝕方式一直在用，但隨著工藝要求越來越高，傳統(tǒng)方式在線寬和圖形轉(zhuǎn)移上精度已經(jīng)達(dá)不到要求，離子束刻蝕方式的逐漸被應(yīng)用?，F(xiàn)在很多大企業(yè)，比如臺(tái)積電、Intel等，在MRAM磁性隧道節(jié)相關(guān)的關(guān)鍵制程刻蝕上，都采用了IBE刻蝕方式。

CCP指容性耦合等離子體，是通過兩個(gè)平行板電極間施加射頻電場(chǎng)產(chǎn)生并維持等離子體的一種核心方式。

ICP指電感耦合等離子體，是一種利用線圈施加射頻電磁場(chǎng)在真空腔內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生高密度等離子體的技術(shù)。

RIE是反應(yīng)離子刻蝕的英文縮寫，指在高真空下同時(shí)利用等離子體中的化學(xué)活性自由基進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和離子轟擊的物理濺射作用。

MRAM是磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的英文縮寫，利用磁性隧道結(jié)的磁化方向來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（“0”或“1”）的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。

從柵網(wǎng)突圍到樣機(jī)落地，

國(guó)產(chǎn)替代如何贏得客戶信賴？

幻實(shí)：現(xiàn)在離子束技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？往什么方向走？是配合先進(jìn)制程有更高要求了嗎？

張海飛：是的，離子束之所以能取代其他刻蝕方式，核心是方向性好、可控性強(qiáng)，可聚焦、可發(fā)散、可平行，能量也能精準(zhǔn)控制。但隨著制程工藝要求不斷提高，對(duì)離子源的要求也在逐步提升。比如光通訊領(lǐng)域，以前鍍膜60~70個(gè)小時(shí)就能完成，現(xiàn)在有的要達(dá)到100多個(gè)小時(shí)；以前鍍膜厚度可能是50多微米，現(xiàn)在到了70~80個(gè)微米，這對(duì)離子源長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性要求越來越高。

幻實(shí)：除了穩(wěn)定性還有什么要求？

張海飛：除了穩(wěn)定性，應(yīng)用場(chǎng)景的拓展也帶來了新要求。以前離子束多用于物理刻蝕或沉積，現(xiàn)在跨領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，比如AR的斜齒光柵和光譜儀用全息光柵的制作，傳統(tǒng)物理刻蝕已經(jīng)無法滿足需求，需要采用化學(xué)刻蝕，這就對(duì)柵網(wǎng)和離子源的耐腐蝕性，以及加入化學(xué)氣體后的穩(wěn)定性提出了更高要求。

而且跨領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景差異很大，比如在MEMS、Datastorage、磁傳感、超導(dǎo)等領(lǐng)域的應(yīng)用，要求都各不相同。以超導(dǎo)領(lǐng)域?yàn)槔覀兊目蛻粲秒x子源在超導(dǎo)材料上鍍雙軸織結(jié)構(gòu)的氧化鎂，就要求離子源按照一定方向轟擊材料才能形成雙軸織結(jié)構(gòu)。

昂成精密儀器離子束刻蝕設(shè)備

幻實(shí)：我聽下來，感覺所有做薄膜沉積類的都要用這個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備？

張海飛：目前來說，簡(jiǎn)單講如果是做高精尖的刻蝕或高精尖的鍍膜，一般都需要采用IBE或 IBS技術(shù)，都離不開離子源。所以離子源未來的發(fā)展前景和潛在市場(chǎng)還是很巨大的。

幻實(shí)：那咱們目前國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的替代進(jìn)度怎么樣？跟國(guó)外比起來，指標(biāo)上有多大距離？行業(yè)內(nèi)客戶的信任門檻過了嗎？

張海飛：目前昂成的思路是先攻克離子源的核心部件 ——柵網(wǎng)。柵網(wǎng)之所以難，是因?yàn)樵谑褂眠^程中容易變形。柵網(wǎng)是離子源產(chǎn)生等離子體后，通過三級(jí)或兩級(jí)引出機(jī)構(gòu)將離子拉出來形成束狀的一個(gè)引出結(jié)構(gòu)，有它以后，才能把離子從等離子體中按照我們需要的方向和能量拉引出來。

柵網(wǎng)的作用比較大，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用場(chǎng)景下，它的形狀、大小也不一樣。簡(jiǎn)單說一下，比如在做刻蝕時(shí)，柵網(wǎng)一般是平的，這樣我希望拉出來的離子束流能平行的去做刻蝕，這樣它的準(zhǔn)直性、陡度性都比較好。如果在鍍膜時(shí)，我希望離子束拉出來以后，能集中到靶材上，使靶材表面原子因動(dòng)量傳遞被濺射出，實(shí)現(xiàn)濺射沉積。如果是用于輔助應(yīng)用時(shí)，我們希望離子束發(fā)散，離子密度比較高，但單個(gè)離子能量較弱。所以不同應(yīng)用場(chǎng)景，所用柵網(wǎng)的形狀、大小這些設(shè)計(jì)也是不一樣的。

（圖源：昂成精密）

我們?cè)跂啪W(wǎng)技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破，產(chǎn)品完全媲美國(guó)外一流產(chǎn)品，部分性能甚至超越。這些產(chǎn)品在研發(fā)過程中，已經(jīng)在集團(tuán)的進(jìn)口設(shè)備上完成國(guó)產(chǎn)替代，穩(wěn)定運(yùn)行了大概一年半時(shí)間。去年下半年開始對(duì)外銷售后，國(guó)內(nèi)頭部的鍍膜企業(yè)和刻蝕企業(yè)已經(jīng)采用我們的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，反饋效果不錯(cuò)。

同時(shí)我們也在布局海外市場(chǎng)，目前產(chǎn)品已經(jīng)銷售到臺(tái)灣地區(qū)，臺(tái)灣頭部企業(yè)用我們的產(chǎn)品替代了美國(guó)Veeco（維易科精密儀器有限公司）的產(chǎn)品，他們反饋我們的產(chǎn)品穩(wěn)定性比Veeco的強(qiáng)30%，這是客戶給出的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

幻實(shí)：這個(gè)進(jìn)步非常厲害，研發(fā)中主要解決了什么問題？

張海飛：核心是解決了柵網(wǎng)在高溫環(huán)境下的變形問題。離子源工作時(shí)，柵網(wǎng)平均溫度能達(dá)到500多度，受熱后容易膨脹變形。柵網(wǎng)有幾千個(gè)小孔，不同柵片網(wǎng)之間的對(duì)應(yīng)的孔需要按法線方向排列，確保離子束流的準(zhǔn)直性。一旦變形，小孔對(duì)中性會(huì)發(fā)生變化，直接影響束流穩(wěn)定性和方向精度。

我們通過大量材料測(cè)試，選擇了膨脹系數(shù)小、剛性強(qiáng)且具有較好延展性的材料，同時(shí)加入了獨(dú)特的增強(qiáng)型支撐設(shè)計(jì)，讓柵網(wǎng)變形時(shí)保持柵片之間的間隔穩(wěn)定。這個(gè)間隔精度要求很高，一般配件加工精度要求控制在0.05毫米，我們能控制間距變形不超過0.1毫米，大幅提升了束流穩(wěn)定性。這項(xiàng)設(shè)計(jì)是我們獨(dú)創(chuàng)的，已經(jīng)申請(qǐng)了專利！

幻實(shí)：看來這項(xiàng)設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了獨(dú)特的技術(shù)門檻，目前的進(jìn)展也十分令人看好！

張海飛：對(duì)！

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迎戰(zhàn)MRAM與AR/VR新場(chǎng)景，

國(guó)產(chǎn)設(shè)備還需補(bǔ)齊哪些短板？

幻實(shí)：能不能請(qǐng)張總再給我們分享一下，現(xiàn)在有沒有新興場(chǎng)景對(duì)離子束或離子源有更高需求？技術(shù)和參數(shù)上有什么新改變？

張海飛：有的。比如剛才提到的MRAM應(yīng)用，先給大家簡(jiǎn)單介紹下MRAM：它通過磁場(chǎng)方向?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包含多個(gè)小單元組成存儲(chǔ)模塊，上下層磁體方向相同定義為0，相反定義為 1。MRAM制造中會(huì)用到磁性材料，刻蝕損傷閾值低，但傳統(tǒng)離子束刻蝕能量高，可能破壞磁微結(jié)構(gòu)，所以需要低能量刻蝕，但低能量會(huì)影響刻蝕效率和生產(chǎn)效率，因此需要引入化學(xué)輔助刻蝕。

另外，MRAM應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域多采用12寸晶圓，要求離子源柵網(wǎng)口徑大到600毫米，而我們目前針對(duì)8寸晶圓的柵網(wǎng)口徑是350毫米，所以正在研發(fā)口徑為600毫米的離子束柵網(wǎng)，預(yù)計(jì)明年（2026年）年中能推出。

再比如AR/VR領(lǐng)域的光柵制作，和普通芯片的刻蝕邏輯不同，它對(duì)整個(gè)面的均勻性和刻蝕效率要求更高，也需要引入化學(xué)輔助刻蝕或化學(xué)反應(yīng)刻蝕。我們正在配合客戶研發(fā)相關(guān)技術(shù)，在傳統(tǒng)IBE基礎(chǔ)上開發(fā)了CAIBE（化學(xué)輔助刻蝕）和RIBE（反應(yīng)離子束刻蝕），后者是直接將化學(xué)氣體通入離子源使其離子化，讓離子在轟擊材料的同時(shí)與待去除材料發(fā)生反應(yīng)，大幅提高刻蝕效率。

（圖源：昂成精密）

幻實(shí)：像現(xiàn)在MEMS公司用的工藝是不是也有很多新需求？我知道很多企業(yè)都是IDM模式，都在搞自己的工藝。

張海飛：是有很多新需求。MEMS領(lǐng)域應(yīng)用 IBE和IBD（離子束輔助沉積）其實(shí)很早就應(yīng)用在磁記錄、磁傳感等領(lǐng)域并一直有應(yīng)用，只是現(xiàn)在要求更高了。以前MEMS刻蝕或沉積多是2D結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在發(fā)展到3D結(jié)構(gòu)，對(duì)深寬比等參數(shù)的要求大幅提升，需要兼顧3D結(jié)構(gòu)各方面的刻蝕精度。

幻實(shí)：咱們現(xiàn)在有適配這個(gè)方向的產(chǎn)品了嗎？

張海飛：有的。我們正在配合客戶研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，今年年中已經(jīng)做出一臺(tái)IBE樣機(jī)，現(xiàn)在正在公司給客戶做打樣測(cè)試。參數(shù)指標(biāo)需要和客戶的工藝精準(zhǔn)匹配，因?yàn)樵O(shè)備研發(fā)出來后，還需要搭配相應(yīng)工藝，以幫助客戶盡快將設(shè)備投入生產(chǎn)應(yīng)用。國(guó)外企業(yè)在離子束設(shè)備研發(fā)上已經(jīng)積累了幾十年，工藝經(jīng)驗(yàn)非常豐富，我們?cè)谠O(shè)備研制出來后，還需要和客戶一起打磨工藝，這方面還需要繼續(xù)努力。

幻實(shí)：最后想請(qǐng)教您一個(gè)問題，作為行業(yè)資深人士，您覺得整個(gè)國(guó)產(chǎn)離子束設(shè)備行業(yè)目前還有哪些卡脖子的環(huán)節(jié)，或者需要大家關(guān)注、一起突破的地方？

張海飛：這個(gè)我有切身體會(huì)，主要有兩大痛點(diǎn)。第一是制作柵網(wǎng)的材料環(huán)節(jié)。剛開始我們選用的是國(guó)外材料，以鉬材料為例，國(guó)內(nèi)做鉬材料的企業(yè)很多，但能用于離子源柵網(wǎng)制作的鉬材料要求很高，需要熱穩(wěn)定性好、質(zhì)地致密、高溫下保持一定強(qiáng)度，同時(shí)還要兼顧延展性以適應(yīng)不同形狀的加工需求。我們正在積極和國(guó)內(nèi)材料供應(yīng)商合作，提出具體需求共同研發(fā)，目前已有進(jìn)展，部分終端離子源柵網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)材料全國(guó)產(chǎn)化，后續(xù)希望材料性能能達(dá)到國(guó)外水平，進(jìn)一步提升柵網(wǎng)整體性能。

昂成精密儀器離子束刻蝕設(shè)備IBE-E350

第二是國(guó)產(chǎn)配套部件的差距。我們現(xiàn)在做IBE和IBS設(shè)備，配套的泵、MFC（質(zhì)量流量控制器）、真空測(cè)量計(jì)等，為了對(duì)標(biāo)國(guó)外水平，目前還是以國(guó)外產(chǎn)品為主。國(guó)內(nèi)相關(guān)配套企業(yè)的產(chǎn)品我們也在測(cè)試，但和國(guó)外相比還有一定差距。希望能和國(guó)內(nèi)上下游企業(yè)、友商加強(qiáng)合作，推動(dòng)配套產(chǎn)品性能接近國(guó)外水平，這樣完全國(guó)產(chǎn)化的IBE、IBS設(shè)備就能完全實(shí)現(xiàn)自主可控，達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。

幻實(shí)：謝謝張總，講得非常實(shí)在，既有階段性成績(jī)，也有需要共同努力突破的方向。您在這個(gè)行業(yè)干了這么多年，對(duì)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)該還是有極強(qiáng)的信心吧？

張海飛：因?yàn)閺氖逻@個(gè)行業(yè)20多年了，我一直夢(mèng)想能做出一臺(tái)完全國(guó)產(chǎn)化、可與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備媲美的離子束設(shè)備，也是抱著這個(gè)信念投身國(guó)產(chǎn)設(shè)備研發(fā)的，希望能早日推動(dòng)這一天實(shí)現(xiàn)！

幻實(shí)：好的，謝謝謝謝張總，這里是只聊技術(shù)的芯片揭秘大咖談芯，再次感謝張海飛先生的精彩分享。

采訪 | 幻實(shí) 編輯 | 小茄 審核 | 幻實(shí)

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