離子植入是什麼？晶圓廠怎麼把原子「打」進矽裡

離子植入（也叫離子佈植，英文 ion implantation）是晶圓廠把硼、磷這類原子變成帶電的離子，用電場加速，直接打進矽晶圓裡的方法。它是現在最常用的「摻雜」方法：在矽裡故意加進一點點別的原子，決定哪一小塊會導電、導多少。晶片裡電晶體的入口和出口，常常就是這樣做出來的。

為什麼要把原子打進矽裡？

很純的矽幾乎不導電，要加進一點點別的原子才行，這叫摻雜：加磷（或砷）叫 n 型，加硼叫 p 型。加得不多，導電的能力卻完全不一樣。為什麼會這樣，「半導體是什麼？」有從頭講。

晶片要的不是整片都導電，而是「這一小塊導電，旁邊那一小塊不導電」。n 型和 p 型的小區塊排在一起，再加一道閘門，就是電晶體，一個用電控制的小開關（見「電晶體是什麼？」）。所以摻雜要加對原子、加在對的地方、加對的量、到對的深度。離子植入就是做這件事的；在晶圓廠裡它自成一區（七個區各做什麼，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」）。

離子植入是怎麼「打」進去的？

可以把它想成往沙堆裡丟小石頭：丟得越用力，石頭埋得越深；丟得越多顆，沙堆裡的石頭就越多。離子植入機丟的是原子，用的是電。

1. 先讓原子帶電：把含有硼或磷的氣體送進機台的「離子源」，變成帶電的原子，也就是離子。帶了電，電場才推得動它。
2. 用電場加速：離子被電場一路推，越跑越快，變成一道細細的離子束。整條路都抽成真空，離子才不會半路撞到空氣。
3. 均勻地打過整片：離子束要掃過整片晶圓，每個地方才會打到差不多的量。
4. 一邊打一邊數：離子帶電，打過來的離子就是一道電流。機台量這道電流、乘上時間，就知道打進去多少，夠了就停。

離子衝進矽裡，一路撞開矽原子、一路減速，最後停在某個深度。

能量和劑量：打多深、打多少？

植入最重要的兩個數字是能量和劑量，它們和原子的種類一起，寫在機台照著跑的 Recipe 裡。

• 能量決定打多深：加速得越用力，離子衝得越深。一般常用的深度，大多在十奈米到一微米（千分之一毫米）之間。
• 劑量決定打多少：劑量是每一小塊面積上打進去幾個原子。以一平方公分（差不多一片指甲大）來算，少的大約一千億個，多的可以到一億億個，前後差了十萬倍。打得越多，那一塊就越會導電。

所以一個植入步驟要講清楚三件事：哪一種原子、多少能量、多少劑量，錯一個都不行。

哪裡要打、哪裡不要，怎麼分？

離子束一掃就是整片，可是只有某些小區域要打。辦法是先用光阻把不要打的地方蓋起來。光阻是一層照了光會改變性質的薄膜；用黃光印上圖案、把該打的地方洗開，剩下的光阻就像一張鏤空的模板（怎麼印，見「微影（黃光）是什麼？」）。離子打在光阻上，會停在光阻裡；打在開口上，才進得了矽。打完，光阻就被去掉。

能用光阻當模板，是因為植入不用高溫。早期的摻雜是把晶圓放進含雜質的高溫爐裡，讓原子自己慢慢滲進去，光阻撐不住那種溫度。離子植入用「打」的，打多少、打多深都控制得準，所以後來大多改用它。

植入也不只打一次：n 型、p 型分開打，電晶體不同的部位也各打各的，每換一個地方打，多半要先印一張新模板。一條製程流程裡，植入常常要做十次左右，甚至更多。

打完為什麼還要加熱？

矽原子本來排得像一面砌好的磚牆。一顆離子高速衝進去，一路可以撞歪上千個矽原子。打完之後，那一層亂成一團，打進去的原子也大多卡在不對的位置，還不會導電。

所以植入之後要加熱一次，叫退火。溫度一高，矽原子有力氣排回整齊的隊形，打進去的原子也坐進矽原子的位置，這才開始「上工」，讓那一塊導電。退火可以放進爐管裡烤，也有只加熱幾秒的快速加熱（見「爐管在做什麼？」）。

加熱也有代價：溫度一高，原子會再往旁邊、往深處跑一點，結構越小，越經不起。這筆用掉就收不回來的帳，叫熱預算。所以退火要烤得夠，又不能烤太久。

打錯了，為什麼很難救？

因為打進去的原子拿不出來：它們已經混進矽裡，跟矽原子排在一起，沒辦法一顆一顆挑出來。

拿黃光來比就知道。黃光印歪了，只要還沒往下做，可以把光阻洗掉重印，這叫重工（見「黃光區為什麼是黃色的？」）。植入沒有這條退路：能量錯了，原子停在錯的深度；劑量錯了，導電的程度不對；原子打錯一種，連 n 型、p 型都可能反過來。這樣的晶圓，多半只能先停下來量、評估還能不能用，不能用就報廢。

而且打錯了，晶圓外表一模一樣，常要等量測、甚至等後面做完量電性才知道。所以植入最重要的檢查在打之前：原子、能量、劑量，放進機台之前一項一項核對。

怎麼知道打對了？

原子看不到，但可以量那一層變得多會導電，最常用的數字是片電阻。打進去的原子少了，片電阻就偏高；多了，就偏低。

常見的做法，是定時打一片監控片：它不出貨，專門用來檢查機台。打完、加熱讓原子上工，再用四根並排的細針量片電阻。一片上量很多個點，看打得均不均勻；每天的數字記下來，往同一邊偏，就要查機台。

機台自己也會一邊打一邊數，可是量電流的地方一偏，它就會照著偏掉的數字停下來，還以為剛好打夠。所以機台的紀錄和監控片的片電阻，兩邊都要看。量測的事，可以讀「晶圓廠怎麼知道做對了沒？」。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，量產廠的前段製程區有一台離子植入機 IMP-01。按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」、左右滑到製程工程師，名字下面點「植入」，就是植入製程工程師，配方裡的原子、能量、劑量是你的。深夜班，IMP-01 打到一半自己停了，監控片的片電阻平均值在規格內，圖上卻一條一條的；早班，調完離子束，片電阻偏高一點，機台卻說剛好打夠；午班，打完的兩批洗掉光阻，今晚要進爐管退火；晚班，晚上要打的三批配方一行一行對，有兩行跟工單不一樣。同一台機台也可以當植入設備工程師，顧離子源、真空和量離子束的杯子；研發線也有植入的位子。遊戲裡的公司、人物、機台編號、批號和數字都是虛構的；離子植入是什麼、為什麼打錯救不回來，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。