昂成精密儀器（深圳）有限公司（以下簡稱“昂成精密”）成立于2022年，由昂納集團與核心技術團隊共同組建成立，主要研發、生產高端離子源系列產品和離子束設備（IBE/IBS/IBD等）及提供相關的技術服務；核心團隊由擁有二十年以上在國際知名半導體設備企業長期從事設備技術和工藝研究經驗的人員組成，針對目前市場相關設備及應用在實踐中的不足及客戶定制化需求總結出了一系列的優化方案。公司致力于成為中國領先的半導體設備供應商及服務商。

離子源技術是半導體制造的核心工藝環節，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SEMI 2024報告推測，在3nm以下節點，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備的核心部件，離子源的穩定性和精度是制造高端芯片和器件的關鍵。長期以來，這項技術被美國Veeco等企業壟斷，是制約我國半導體產業發展的 "卡脖子" 環節。本期大咖談芯我們邀請到曾在Veeco工作的工程師張海飛做客，一起揭秘這個關系到芯片自主可控，更影響著人工智能、量子計算等未來科技的發展進程的離子源技術。

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以下文字為播客內容的文字版整理，內容已獲得受訪嘉賓確認及授權

離子源，為何是精密制造的

“心臟”與“發動機”？

幻實：今天非常榮幸請到了昂成精密儀器研發高級總監張海飛先生。張總在半導體設備圈摸爬滾打多年，既在Veeco這樣的國際巨頭深耕過離子源技術，現在又帶著團隊做國產設備的突破，是既懂國際標桿又懂本土痛點的專家。下面就讓張總給大家打個招呼。

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 創辦人曹幻實（左） 對話

昂成精密儀器研發高級總監張海飛（右）

幻實：謝謝張總來給我們科普。一開場我就要問一些小白問題，我們經常在行業內聽到離子源、離子束設備，這些詞不陌生，但它們具體在芯片制造里承擔什么樣的角色？而且離子源、離子束里的IBE、IBS這些類似的標簽，它們之間又是什么關系？您能用最科普的話講講它們是什么、有什么價值嗎？

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現精密去除的微納加工技術。

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，從而制備高質量薄膜的一種物理氣相沉積技術。

張海飛：好的。離子源大家可能不陌生，半導體行業、MEMS領域都在用。簡單來講，離子源就是產生離子的重要裝置。IBE和IBS(離子束濺射) 則是利用離子源來實現不同功能的完整系統。簡單打個比喻，要是離子源是發動機，那IBE和IBS就是裝著不同性能發動機的汽車。兩者是包含關系，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。

幻實：你們是兩者都做嗎？

張海飛：對，我們是一步一步來的。先從離子源做起，再到設備，循序漸進。目前我們已經把離子源的核心部件 —— 柵網研發出來了，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總成

幻實：離子源在市場上能買得到嗎？還是一般都直接買成套的離子束設備了？

張海飛：離子源能買到，但目前國產高性能離子源和國外相比還有一定距離。國內做離子源的企業不下三四十家，但水平和國外差距很大，大多用在中低端領域。如果離子源水平上不去，相應的離子束刻蝕設備和離子束濺射設備水平也上不去。

幻實：那您給我們講講，離子束在整個半導體制造里，處于什么環節、解決什么問題？

張海飛：好的，我再簡單補充下離子源的產生機理：把工藝氣體通到放電室里，通過直流或射頻激勵使其離子化，產生等離子體，再通過引出裝置拉出來形成束狀，也就是離子束。離子束的好處是準直性高，所以IBE也被稱為芯片的 “精密手術刀”。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、能量調節能力和穩定性，這直接影響刻蝕時的 “刀口” 大小，以及沉積設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）等應用，都離不開離子源。

幻實：它屬于先進制程卡脖子的環節嗎？

張海飛：應該是。目前離子源應用比較廣泛的，傳統半導體常用的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，傳統方式在線寬和圖形轉移上精度已經達不到要求，離子束刻蝕方式的逐漸被應用。現在很多大企業，比如臺積電、Intel等，在MRAM磁性隧道節相關的關鍵制程刻蝕上，都采用了IBE刻蝕方式。

CCP指容性耦合等離子體，是通過兩個平行板電極間施加射頻電場產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在真空腔內感應產生高密度等離子體的技術。

RIE是反應離子刻蝕的英文縮寫，指在高真空下同時利用等離子體中的化學活性自由基進行化學反應和離子轟擊的物理濺射作用。

MRAM是磁隨機存取存儲器的英文縮寫，利用磁性隧道結的磁化方向來存儲數據（“0”或“1”）的非易失性存儲器技術。

從柵網突圍到樣機落地，

國產替代如何贏得客戶信賴？

幻實：現在離子束技術的發展趨勢是什么？往什么方向走？是配合先進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，可聚焦、可發散、可平行，能量也能精準控制。但隨著制程工藝要求不斷提高，對離子源的要求也在逐步提升。比如光通訊領域，以前鍍膜60~70個小時就能完成，現在有的要達到100多個小時；以前鍍膜厚度可能是50多微米，現在到了70~80個微米，這對離子源長時間運行的穩定性要求越來越高。

幻實：除了穩定性還有什么要求？

張海飛：除了穩定性，應用場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，現在跨領域應用越來越多，比如AR的斜齒光柵和光譜儀用全息光柵的制作，傳統物理刻蝕已經無法滿足需求，需要采用化學刻蝕，這就對柵網和離子源的耐腐蝕性，以及加入化學氣體后的穩定性提出了更高要求。

而且跨領域應用場景差異很大，比如在MEMS、Datastorage、磁傳感、超導等領域的應用，要求都各不相同。以超導領域為例，我們的客戶用離子源在超導材料上鍍雙軸織結構的氧化鎂，就要求離子源按照一定方向轟擊材料才能形成雙軸織結構。

昂成精密儀器離子束刻蝕設備

幻實：我聽下來，感覺所有做薄膜沉積類的都要用這個環節的設備？

張海飛：目前來說，簡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，都離不開離子源。所以離子源未來的發展前景和潛在市場還是很巨大的。

幻實：那咱們目前國產化產品的替代進度怎么樣？跟國外比起來，指標上有多大距離？行業內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。柵網之所以難，是因為在使用過程中容易變形。柵網是離子源產生等離子體后，通過三級或兩級引出機構將離子拉出來形成束狀的一個引出結構，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。

柵網的作用比較大，因為不同應用場景下，它的形狀、大小也不一樣。簡單說一下，比如在做刻蝕時，柵網一般是平的，這樣我希望拉出來的離子束流能平行的去做刻蝕，這樣它的準直性、陡度性都比較好。如果在鍍膜時，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量傳遞被濺射出，實現濺射沉積。如果是用于輔助應用時，我們希望離子束發散，離子密度比較高，但單個離子能量較弱。所以不同應用場景，所用柵網的形狀、大小這些設計也是不一樣的。

（圖源：昂成精密）

我們在柵網技術上已經實現突破，產品完全媲美國外一流產品，部分性能甚至超越。這些產品在研發過程中，已經在集團的進口設備上完成國產替代，穩定運行了大概一年半時間。去年下半年開始對外銷售后，國內頭部的鍍膜企業和刻蝕企業已經采用我們的產品實現國產替代，反饋效果不錯。

同時我們也在布局海外市場，目前產品已經銷售到臺灣地區，臺灣頭部企業用我們的產品替代了美國Veeco（維易科精密儀器有限公司）的產品，他們反饋我們的產品穩定性比Veeco的強30%，這是客戶給出的準確數據。

幻實：這個進步非常厲害，研發中主要解決了什么問題？

張海飛：核心是解決了柵網在高溫環境下的變形問題。離子源工作時，柵網平均溫度能達到500多度，受熱后容易膨脹變形。柵網有幾千個小孔，不同柵片網之間的對應的孔需要按法線方向排列，確保離子束流的準直性。一旦變形，小孔對中性會發生變化，直接影響束流穩定性和方向精度。

我們通過大量材料測試，選擇了膨脹系數小、剛性強且具有較好延展性的材料，同時加入了獨特的增強型支撐設計，讓柵網變形時保持柵片之間的間隔穩定。這個間隔精度要求很高，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，大幅提升了束流穩定性。這項設計是我們獨創的，已經申請了專利！

幻實：看來這項設計已經形成了獨特的技術門檻，目前的進展也十分令人看好！

張海飛：對！

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迎戰MRAM與AR/VR新場景，

國產設備還需補齊哪些短板？

幻實：能不能請張總再給我們分享一下，現在有沒有新興場景對離子束或離子源有更高需求？技術和參數上有什么新改變？

張海飛：有的。比如剛才提到的MRAM應用，先給大家簡單介紹下MRAM：它通過磁場方向實現數據存儲，包含多個小單元組成存儲模塊，上下層磁體方向相同定義為0，相反定義為 1。MRAM制造中會用到磁性材料，刻蝕損傷閾值低，但傳統離子束刻蝕能量高，可能破壞磁微結構，所以需要低能量刻蝕，但低能量會影響刻蝕效率和生產效率，因此需要引入化學輔助刻蝕。

另外，MRAM應用于半導體領域多采用12寸晶圓，要求離子源柵網口徑大到600毫米，而我們目前針對8寸晶圓的柵網口徑是350毫米，所以正在研發口徑為600毫米的離子束柵網，預計明年（2026年）年中能推出。

再比如AR/VR領域的光柵制作，和普通芯片的刻蝕邏輯不同，它對整個面的均勻性和刻蝕效率要求更高，也需要引入化學輔助刻蝕或化學反應刻蝕。我們正在配合客戶研發相關技術，在傳統IBE基礎上開發了CAIBE（化學輔助刻蝕）和RIBE（反應離子束刻蝕），后者是直接將化學氣體通入離子源使其離子化，讓離子在轟擊材料的同時與待去除材料發生反應，大幅提高刻蝕效率。

（圖源：昂成精密）

幻實：像現在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領域應用 IBE和IBD（離子束輔助沉積）其實很早就應用在磁記錄、磁傳感等領域并一直有應用，只是現在要求更高了。以前MEMS刻蝕或沉積多是2D結構，現在發展到3D結構，對深寬比等參數的要求大幅提升，需要兼顧3D結構各方面的刻蝕精度。

幻實：咱們現在有適配這個方向的產品了嗎？

張海飛：有的。我們正在配合客戶研發相關產品，今年年中已經做出一臺IBE樣機，現在正在公司給客戶做打樣測試。參數指標需要和客戶的工藝精準匹配，因為設備研發出來后，還需要搭配相應工藝，以幫助客戶盡快將設備投入生產應用。國外企業在離子束設備研發上已經積累了幾十年，工藝經驗非常豐富，我們在設備研制出來后，還需要和客戶一起打磨工藝，這方面還需要繼續努力。

幻實：最后想請教您一個問題，作為行業資深人士，您覺得整個國產離子束設備行業目前還有哪些卡脖子的環節，或者需要大家關注、一起突破的地方？

張海飛：這個我有切身體會，主要有兩大痛點。第一是制作柵網的材料環節。剛開始我們選用的是國外材料，以鉬材料為例，國內做鉬材料的企業很多，但能用于離子源柵網制作的鉬材料要求很高，需要熱穩定性好、質地致密、高溫下保持一定強度，同時還要兼顧延展性以適應不同形狀的加工需求。我們正在積極和國內材料供應商合作，提出具體需求共同研發，目前已有進展，部分終端離子源柵網已經實現材料全國產化，后續希望材料性能能達到國外水平，進一步提升柵網整體性能。

昂成精密儀器離子束刻蝕設備IBE-E350

第二是國產配套部件的差距。我們現在做IBE和IBS設備，配套的泵、MFC（質量流量控制器）、真空測量計等，為了對標國外水平，目前還是以國外產品為主。國內相關配套企業的產品我們也在測試，但和國外相比還有一定差距。希望能和國內上下游企業、友商加強合作，推動配套產品性能接近國外水平，這樣完全國產化的IBE、IBS設備就能完全實現自主可控，達到國外先進水平。

幻實：謝謝張總，講得非常實在，既有階段性成績，也有需要共同努力突破的方向。您在這個行業干了這么多年，對國產化應該還是有極強的信心吧？

張海飛：因為從事這個行業20多年了，我一直夢想能做出一臺完全國產化、可與國外先進設備媲美的離子束設備，也是抱著這個信念投身國產設備研發的，希望能早日推動這一天實現！

幻實：好的，謝謝謝謝張總，這里是只聊技術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 編輯 | 小茄 審核 | 幻實

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