从“差三代”到“全覆盖” ——国产离子注入机自主研发攻关纪实
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（以下简称“电科装备”）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（以下简称“烁科中科信”）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。
“习近平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！”
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（以下简称“电科装备”）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（以下简称“烁科中科信”）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。
“习近平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！”
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