第485期 | 攻克500℃高温栅网变形难题：国产离子源实现突破，稳定性提升30%！

昂成精密仪器（深圳）有限公司（以下简称“昂成精密”）成立于2022年，由昂纳集团与核心技术团队共同组建成立，主要研发、生产高端离子源系列产品和离子束设备（IBE/IBS/IBD等）及提供相关的技术服务；核心团队由拥有二十年以上在国际知名半导体设备企业长期从事设备技术和工艺研究经验的人员组成，针对目前市场相关设备及应用在实践中的不足及客户定制化需求总结出了一系列的优化方案。公司致力于成为中国领先的半导体设备供应商及服务商。

离子源技术是半导体制造的核心工艺环节，直接影响芯片性能与良率，决定着芯片的性能上限，其精度直接影响芯片良率。根据SEMI 2024报告推测，在3nm以下节点，甚至70%的工艺步骤都要依赖离子注入。作为离子束刻蚀和沉积设备的核心部件，离子源的稳定性和精度是制造高端芯片和器件的关键。长期以来，这项技术被美国Veeco等企业垄断，是制约我国半导体产业发展的 "卡脖子" 环节。本期大咖谈芯我们邀请到曾在Veeco工作的工程师张海飞做客，一起揭秘这个关系到芯片自主可控，更影响着人工智能、量子计算等未来科技的发展进程的离子源技术。

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离子源，为何是精密制造的

“心脏”与“发动机”？

幻实：今天非常荣幸请到了昂成精密仪器研发高级总监张海飞先生。张总在半导体设备圈摸爬滚打多年，既在Veeco这样的国际巨头深耕过离子源技术，现在又带着团队做国产设备的突破，是既懂国际标杆又懂本土痛点的专家。下面就让张总给大家打个招呼。

张海飞：谢谢主持人，谢谢芯片揭秘的粉丝们，很有幸参与芯片揭秘的交流。

芯片揭秘 创办人曹幻实（左） 对话

昂成精密仪器研发高级总监张海飞（右）

幻实：谢谢张总来给我们科普。一开场我就要问一些小白问题，我们经常在行业内听到离子源、离子束设备，这些词不陌生，但它们具体在芯片制造里承担什么样的角色？而且离子源、离子束里的IBE、IBS这些类似的标签，它们之间又是什么关系？您能用最科普的话讲讲它们是什么、有什么价值吗？

离子束（Ion Beam）是指在真空中将离子（带电原子或分子）加速并聚焦形成的定向高速粒子流。

IBE指离子束刻蚀，是一种利用高能离子束轰击材料表面以实现精密去除的微纳加工技术。

IBS 是离子束溅射的英文缩写，指利用离子束轰击靶材使其原子溅射出来并沉积在基底上，从而制备高质量薄膜的一种物理气相沉积技术。

张海飞：好的。离子源大家可能不陌生，半导体行业、MEMS领域都在用。简单来讲，离子源就是产生离子的重要装置。IBE和IBS(离子束溅射) 则是利用离子源来实现不同功能的完整系统。简单打个比喻，要是离子源是发动机，那IBE和IBS就是装着不同性能发动机的汽车。两者是包含关系，离子源是IBE、IBS的心脏，离子源的性能决定了IBE和IBS的核心性能，离子源是核心部件，IBE和IBS是完整系统。

幻实：你们是两者都做吗？

张海飞：对，我们是一步一步来的。先从离子源做起，再到设备，循序渐进。目前我们已经把离子源的核心部件 —— 栅网研发出来了，这部分难度很高，是核心部件里的核心。

昂成精密仪器离子源系统总成

幻实：离子源在市场上能买得到吗？还是一般都直接买成套的离子束设备了？

张海飞：离子源能买到，但目前国产高性能离子源和国外相比还有一定距离。国内做离子源的企业不下三四十家，但水平和国外差距很大，大多用在中低端领域。如果离子源水平上不去，相应的离子束刻蚀设备和离子束溅射设备水平也上不去。

幻实：那您给我们讲讲，离子束在整个半导体制造里，处于什么环节、解决什么问题？

张海飞：好的，我再简单补充下离子源的产生机理：把工艺气体通到放电室里，通过直流或射频激励使其离子化，产生等离子体，再通过引出装置拉出来形成束状，也就是离子束。离子束的好处是准直性高，所以IBE也被称为芯片的 “精密手术刀”。它的方向性和离子能量都可控，在芯片上操作的精度非常高。

离子源的好坏，决定了束流大小、能量调节能力和稳定性，这直接影响刻蚀时的 “刀口” 大小，以及沉积设备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，还是延伸出来的离子抛光、离子束修形（IBF）等应用，都离不开离子源。

幻实：它属于先进制程卡脖子的环节吗？

张海飞：应该是。目前离子源应用比较广泛的，传统半导体常用的CCP、ICP或RIE这种刻蚀方式一直在用，但随着工艺要求越来越高，传统方式在线宽和图形转移上精度已经达不到要求，离子束刻蚀方式的逐渐被应用。现在很多大企业，比如台积电、Intel等，在MRAM磁性隧道节相关的关键制程刻蚀上，都采用了IBE刻蚀方式。

CCP指容性耦合等离子体，是通过两个平行板电极间施加射频电场产生并维持等离子体的一种核心方式。

ICP指电感耦合等离子体，是一种利用线圈施加射频电磁场在真空腔内感应产生高密度等离子体的技术。

RIE是反应离子刻蚀的英文缩写，指在高真空下同时利用等离子体中的化学活性自由基进行化学反应和离子轰击的物理溅射作用。

MRAM是磁随机存取存储器的英文缩写，利用磁性隧道结的磁化方向来存储数据（“0”或“1”）的非易失性存储器技术。

从栅网突围到样机落地，

国产替代如何赢得客户信赖？

幻实：现在离子束技术的发展趋势是什么？往什么方向走？是配合先进制程有更高要求了吗？

张海飞：是的，离子束之所以能取代其他刻蚀方式，核心是方向性好、可控性强，可聚焦、可发散、可平行，能量也能精准控制。但随着制程工艺要求不断提高，对离子源的要求也在逐步提升。比如光通讯领域，以前镀膜60~70个小时就能完成，现在有的要达到100多个小时；以前镀膜厚度可能是50多微米，现在到了70~80个微米，这对离子源长时间运行的稳定性要求越来越高。

幻实：除了稳定性还有什么要求？

张海飞：除了稳定性，应用场景的拓展也带来了新要求。以前离子束多用于物理刻蚀或沉积，现在跨领域应用越来越多，比如AR的斜齿光栅和光谱仪用全息光栅的制作，传统物理刻蚀已经无法满足需求，需要采用化学刻蚀，这就对栅网和离子源的耐腐蚀性，以及加入化学气体后的稳定性提出了更高要求。

而且跨领域应用场景差异很大，比如在MEMS、Datastorage、磁传感、超导等领域的应用，要求都各不相同。以超导领域为例，我们的客户用离子源在超导材料上镀双轴织结构的氧化镁，就要求离子源按照一定方向轰击材料才能形成双轴织结构。

昂成精密仪器离子束刻蚀设备

幻实：我听下来，感觉所有做薄膜沉积类的都要用这个环节的设备？

张海飞：目前来说，简单讲如果是做高精尖的刻蚀或高精尖的镀膜，一般都需要采用IBE或 IBS技术，都离不开离子源。所以离子源未来的发展前景和潜在市场还是很巨大的。

幻实：那咱们目前国产化产品的替代进度怎么样？跟国外比起来，指标上有多大距离？行业内客户的信任门槛过了吗？

张海飞：目前昂成的思路是先攻克离子源的核心部件 ——栅网。栅网之所以难，是因为在使用过程中容易变形。栅网是离子源产生等离子体后，通过三级或两级引出机构将离子拉出来形成束状的一个引出结构，有它以后，才能把离子从等离子体中按照我们需要的方向和能量拉引出来。

栅网的作用比较大，因为不同应用场景下，它的形状、大小也不一样。简单说一下，比如在做刻蚀时，栅网一般是平的，这样我希望拉出来的离子束流能平行的去做刻蚀，这样它的准直性、陡度性都比较好。如果在镀膜时，我希望离子束拉出来以后，能集中到靶材上，使靶材表面原子因动量传递被溅射出，实现溅射沉积。如果是用于辅助应用时，我们希望离子束发散，离子密度比较高，但单个离子能量较弱。所以不同应用场景，所用栅网的形状、大小这些设计也是不一样的。

（图源：昂成精密）

我们在栅网技术上已经实现突破，产品完全媲美国外一流产品，部分性能甚至超越。这些产品在研发过程中，已经在集团的进口设备上完成国产替代，稳定运行了大概一年半时间。去年下半年开始对外销售后，国内头部的镀膜企业和刻蚀企业已经采用我们的产品实现国产替代，反馈效果不错。

同时我们也在布局海外市场，目前产品已经销售到台湾地区，台湾头部企业用我们的产品替代了美国Veeco（维易科精密仪器有限公司）的产品，他们反馈我们的产品稳定性比Veeco的强30%，这是客户给出的准确数据。

幻实：这个进步非常厉害，研发中主要解决了什么问题？

张海飞：核心是解决了栅网在高温环境下的变形问题。离子源工作时，栅网平均温度能达到500多度，受热后容易膨胀变形。栅网有几千个小孔，不同栅片网之间的对应的孔需要按法线方向排列，确保离子束流的准直性。一旦变形，小孔对中性会发生变化，直接影响束流稳定性和方向精度。

我们通过大量材料测试，选择了膨胀系数小、刚性强且具有较好延展性的材料，同时加入了独特的增强型支撑设计，让栅网变形时保持栅片之间的间隔稳定。这个间隔精度要求很高，一般配件加工精度要求控制在0.05毫米，我们能控制间距变形不超过0.1毫米，大幅提升了束流稳定性。这项设计是我们独创的，已经申请了专利！

幻实：看来这项设计已经形成了独特的技术门槛，目前的进展也十分令人看好！

张海飞：对！

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迎战MRAM与AR/VR新场景，

国产设备还需补齐哪些短板？

幻实：能不能请张总再给我们分享一下，现在有没有新兴场景对离子束或离子源有更高需求？技术和参数上有什么新改变？

张海飞：有的。比如刚才提到的MRAM应用，先给大家简单介绍下MRAM：它通过磁场方向实现数据存储，包含多个小单元组成存储模块，上下层磁体方向相同定义为0，相反定义为 1。MRAM制造中会用到磁性材料，刻蚀损伤阈值低，但传统离子束刻蚀能量高，可能破坏磁微结构，所以需要低能量刻蚀，但低能量会影响刻蚀效率和生产效率，因此需要引入化学辅助刻蚀。

另外，MRAM应用于半导体领域多采用12寸晶圆，要求离子源栅网口径大到600毫米，而我们目前针对8寸晶圆的栅网口径是350毫米，所以正在研发口径为600毫米的离子束栅网，预计明年（2026年）年中能推出。

再比如AR/VR领域的光栅制作，和普通芯片的刻蚀逻辑不同，它对整个面的均匀性和刻蚀效率要求更高，也需要引入化学辅助刻蚀或化学反应刻蚀。我们正在配合客户研发相关技术，在传统IBE基础上开发了CAIBE（化学辅助刻蚀）和RIBE（反应离子束刻蚀），后者是直接将化学气体通入离子源使其离子化，让离子在轰击材料的同时与待去除材料发生反应，大幅提高刻蚀效率。

（图源：昂成精密）

幻实：像现在MEMS公司用的工艺是不是也有很多新需求？我知道很多企业都是IDM模式，都在搞自己的工艺。

张海飞：是有很多新需求。MEMS领域应用 IBE和IBD（离子束辅助沉积）其实很早就应用在磁记录、磁传感等领域并一直有应用，只是现在要求更高了。以前MEMS刻蚀或沉积多是2D结构，现在发展到3D结构，对深宽比等参数的要求大幅提升，需要兼顾3D结构各方面的刻蚀精度。

幻实：咱们现在有适配这个方向的产品了吗？

张海飞：有的。我们正在配合客户研发相关产品，今年年中已经做出一台IBE样机，现在正在公司给客户做打样测试。参数指标需要和客户的工艺精准匹配，因为设备研发出来后，还需要搭配相应工艺，以帮助客户尽快将设备投入生产应用。国外企业在离子束设备研发上已经积累了几十年，工艺经验非常丰富，我们在设备研制出来后，还需要和客户一起打磨工艺，这方面还需要继续努力。

幻实：最后想请教您一个问题，作为行业资深人士，您觉得整个国产离子束设备行业目前还有哪些卡脖子的环节，或者需要大家关注、一起突破的地方？

张海飞：这个我有切身体会，主要有两大痛点。第一是制作栅网的材料环节。刚开始我们选用的是国外材料，以钼材料为例，国内做钼材料的企业很多，但能用于离子源栅网制作的钼材料要求很高，需要热稳定性好、质地致密、高温下保持一定强度，同时还要兼顾延展性以适应不同形状的加工需求。我们正在积极和国内材料供应商合作，提出具体需求共同研发，目前已有进展，部分终端离子源栅网已经实现材料全国产化，后续希望材料性能能达到国外水平，进一步提升栅网整体性能。

昂成精密仪器离子束刻蚀设备IBE-E350

第二是国产配套部件的差距。我们现在做IBE和IBS设备，配套的泵、MFC（质量流量控制器）、真空测量计等，为了对标国外水平，目前还是以国外产品为主。国内相关配套企业的产品我们也在测试，但和国外相比还有一定差距。希望能和国内上下游企业、友商加强合作，推动配套产品性能接近国外水平，这样完全国产化的IBE、IBS设备就能完全实现自主可控，达到国外先进水平。

幻实：谢谢张总，讲得非常实在，既有阶段性成绩，也有需要共同努力突破的方向。您在这个行业干了这么多年，对国产化应该还是有极强的信心吧？

张海飞：因为从事这个行业20多年了，我一直梦想能做出一台完全国产化、可与国外先进设备媲美的离子束设备，也是抱着这个信念投身国产设备研发的，希望能早日推动这一天实现！

幻实：好的，谢谢谢谢张总，这里是只聊技术的芯片揭秘大咖谈芯，再次感谢张海飞先生的精彩分享。

采访 | 幻实 编辑 | 小茄 审核 | 幻实

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