◎ 科技日報記者 付毅飛
提起離子註入機，熟悉積體電路的人都知道，該裝置與光刻機、刻蝕機、鍍膜機並稱為芯片制造的「四大核心裝備」，其高端市場長期被國外壟斷。
20多年前，為突破積體電路裝備自主創新的堵點卡點，中國電科所屬中電科電子裝備集團（以下簡稱「電科裝備」）第四十八研究所組建研發團隊，走上離子註入機科研攻關之路。
「當時，中國離子註入機工藝精度只有0.5微米，相比國際先進的90奈米，在技術指標上差了三代。」電科裝備黨委書記、董事長景璀日前告訴科技日報記者，「研發團隊奮起直追， 先後攻克千余項關鍵技術，實作了國產離子註入機‘從無到有’、再到‘多點開花’的跨越。」
今年年初，「中國電科實作國產離子註入機28奈米工藝全覆蓋」入選「2023年度央企十大國之重器」。
離子註入機偵錯現場。爍科中科信供圖
「孤勇出征」 造出首台樣機
制造芯片時，由於純凈矽不具備導電性，需要摻入不同種類的元素改變其結構與電導率。
這一過程要靠離子註入機來完成——透過電磁場控制高速運動的離子，按照工藝要求將其精準註入矽基材料，從而控制材料的導電效能，進而形成PN接面等積體電路器件的基本單元。
2003年，研發團隊開啟了高端離子註入機的攻關歷程。 國內經驗匱乏，國外技術封鎖，團隊成員將當時的情景形容為「孤勇出征」。
電科裝備旗下北京爍科中科信電子裝備有限公司（以下簡稱「爍科中科信」）技術總設計師彭立波回憶，他們擠在小公寓裏研究設計圖紙，在租借的小廠房裏做實驗。團隊裏剛畢業的小夥、剛成家生子的青壯年，以及快退休的老同誌，大家一起工作、一起生活，隔3個月才能回一次家。
為盡快打造出具有市場競爭力的裝備，研發團隊選擇了一款100奈米機型作為參考機器。「為什麽這樣設計？跟套用有什麽對應關系？都要逐一認知、消化吸收。」彭立波說。
離子註入機偵錯現場。爍科中科信供圖
那時缺乏電腦輔助設計工具，面對內部結構精密而復雜的離子註入機，幾位經驗豐富的老師傅絞盡腦汁，整天圍著裝置苦苦鉆研，全憑二維設計和空間構思去理解這些構造，用了幾個星期才把它搞明白。
「離子註入機采用光纖通訊系統進行控制，我們必須弄清楚光纖通訊模組的底層控制邏輯。」彭立波告訴記者。由於從樣機中只能獲得二進制程式碼，研發人員被逼反向破解，逐行逐字推敲，摸索控制指令及其對應的功能，反復琢磨這些指令對產品工藝精度和技術指標的影響。
歷時近兩年，研發團隊在吃透機器構造原理、控制設計思路等基礎上， 完成了自主樣機的設計方案，並突破關鍵部件研制難題，最終造出首台樣機。
「破釜沈舟」 完成工藝驗證
從樣機到市場，其間路途漫漫。
「功能和指標只是進入市場的第一道門檻。要得到使用者認可，嚴苛的工藝驗證才是真正的考驗。」 彭立波說。
回憶起考驗的艱辛，爍科中科信研發工程中心總監陳輝至今仍「心有余悸」。
2012年底，研發團隊成功研制出28奈米中束流離子註入機，陳輝帶著裝置進駐使用者單位。按規定，要在兩年內完成產線工藝驗證。 實際上，除去大規模量產前的穩定性驗證和試投產，真正留給工藝驗證的時間只有一年左右。
離子註入機完成一輪驗證就需要近3個月，而且其過程像「開盲盒」。只有把所有工序走完，對成品進行電性測量後，才知道離子註入品質如何。一旦驗證結果不合格，就要調出整個註入過程中所有的參數，逐一檢查比對，找到問題，然後修正。
此前，研發團隊已成功交付90至65奈米離子註入機，在回溯調查、工藝處理方面積累了豐富經驗。但28奈米工藝對註入劑量、角度、能量等技術參數更敏感，對精度要求更高，由此帶來許多新問題，需要一點點摸索。
離子註入機偵錯現場 。 爍科中科信供圖
「第一輪驗證，沒有完全成功。」陳輝說。他和同事回溯、修正，線上、線下試驗，再等3個月出產品，又測一輪，仍未成功。
對於2013年的夏天，陳輝迄今難以忘懷。除了40攝氏度的持續高溫，連續失敗更令他備受煎熬。使用者也承受了巨大壓力，乃至發出最後通牒：「再不行就把裝置搬走！」
第三輪驗證被陳輝形容為「破釜沈舟」。他們對裝置進行軟硬體升級，把此前出過問題的環節全部重試一遍，確保無誤之後才開始驗證。
這一輪驗證雖然花費了更多時間，但終於達到了使用者的要求，同時也獲得了他們的信任。 全部驗證流程完成後，使用者如約采購了這台裝置，並對此後采購的同類裝置簡化了驗證流程。
「多點開花」 打造國之重器
完成28奈米中束流離子註入機工藝驗證後，研發團隊於2017年全面鋪開大束流離子註入機研發。 他們要在產品譜系上「多點開花」。
中束流與大束流離子註入機，分別套用在芯片制造的不同環節，適用於不同工藝需求。二者各有所長，缺一不可。
「簡單說，芯片核心計算部位的‘精細活’由中束流機型做；芯片外圍引腳之類的‘粗活’由大束流機型做。」彭立波打比方道，這樣的配合既能提高效率，又能降低成本。
有了中束流裝置的研制經驗，大束流裝置研制一路「高歌猛進」 ——2018年實作樣機設計，2019年完成樣機裝配及偵錯，2020年交付使用者，2021年底開始工藝驗證。
但驗證過程並沒有想象中順利，研發團隊經歷了又一次刻骨銘心的爬坡過坎。
「幾乎所有指標都達到了期望值，就在我們以為勝利在望時，某一元素的離子註入劑量被檢測出偏差過大。」陳輝說。
為了找出問題的原因，研發團隊不得不從設計源頭重溯——這相當於從頭再來。他們每天24小時守在實驗室裏，開展大量仿真實驗和工藝驗證。就這樣連續奮戰了兩個多月，終於使劑量偏差精度達到國際先進水平。
隨著時間的推移，器件研制能力持續增強，軟體系統不斷叠代升級，工藝精度穩步提升…… 2023年，研發團隊成功實作全系列離子註入機28奈米工藝全覆蓋。
20多年來，研發團隊先後研制出中束流、大束流、高能、特種等全系列國產離子註入機產品，超百台裝置廣泛套用於各積體電路制造企業90奈米、55奈米、40奈米、28奈米工藝生產線，為中國積體電路產業鏈供應鏈安全與穩定提供了堅實保障。
「習近平總書記在考察中國電科產業基礎研究院時指出，必須瞄準國家戰略需求，系統布局關鍵創新資源，發揮產學研深度融合優勢，不斷在關鍵核心技術上取得新突破。」景璀向記者表示，「下一步，我們將一以貫之、久久為功，繼續推動離子註入機的創新叠代和量產套用，全力打造高端裝備制造中國名片！」
來源：科技日報
編輯：王宇
稽核：朱麗
