離子佈植是什麼？把雜質打進半導體的原理與設備
離子佈植是把硼、磷等雜質原子變成帶電的粒子（離子），加速後打進矽中的製程。打進去的數量用電流來計算，深度由加速的強度決定，所以「打在哪裡、打多少、打多深」都能精確決定。打完之後，要加熱修復晶體的損傷。
這篇文章可以了解
- 在矽中加入雜質的理由（一句話說明）
- 離子佈植機裡發生的4個階段
- 打入的量（劑量）與深度如何決定
- 用光阻決定打入位置的原理
- 晶體的損傷與退火，以及打得太深的「通道效應」
- 取代熱擴散的理由，以及設備的種類與主要廠商
先備知識：n型、p型的大致意思（「半導體是什麼？」），以及晶片是在晶圓上反覆「鍍膜、轉印圖案、削去」做出來的（「半導體晶片是怎麼做出來的？」）。
生活中的例子
高性能手機的晶片裡，有超過100億個叫做電晶體的小開關（「電晶體是什麼？」）。每個電晶體裡，都有導電方式不同的小區域，以固定的形狀排列。
這些區域，是在矽的一小部分中，混入極少量的其他元素做成的。混入的量非常少，例如每500萬個矽原子只有1個（「半導體是什麼？」中的例子）。把「極少量、放到目標位置」的工作核心，就是離子佈植。
在工廠裡，1片晶圓（製作晶片的矽圓板）會改變元素與位置，進行好幾次離子佈植。在晶片製程中，它和「鍍膜、轉印圖案、削去」並列，是基本作業之一。
為什麼要加入雜質？
純的矽不太導電。加入少量的磷或砷，能自由移動的電子會變多，成為「n型」。加入硼，則由缺少電子的空位（電洞）負責導電，成為「p型」。n型與p型的交界，是二極體和電晶體運作的關鍵。原理在「半導體是什麼？」中說明（想用表格看，請見「n型與p型的差異」）。
要讓電晶體照設計運作，必須精確決定雜質的加入方式。要決定的是「打在哪裡、打多少個、打多深」這3件事。離子佈植可以把這3件事分開決定。
原理1：設備裡發生的4件事
原子通常不帶電。從原子剝下1個電子，就會變成帶正電的粒子，這稱為離子。因為帶電，可以用電壓或磁鐵的力量推動它、讓它轉彎。在設備中，離子會經過下面4個階段。這裡依常見的順序說明。
① 在設備的入口，讓電子撞擊含有雜質的氣體，產生離子。這個部分稱為離子源。以硼為例，會使用三氟化硼（BF3）氣體。產生的離子，再加上電壓引出到設備裡。
② 氣體產生的離子不只1種。三氟化硼除了只有硼的離子，也會產生還連著氟的離子。所以要用磁鐵讓離子的路徑轉彎。用相同電壓引出、帶電量相同的離子，越重越不容易轉彎。只有目標質量的離子，能穿過出口的縫隙。這種篩選稱為質量分析。
③ 把選出的離子再用電壓加速，使能量達到目標值。離子得到的能量，由所加的電壓和離子的帶電量決定。單位使用keV（千電子伏特）。帶1個電子電量的離子，用1萬伏特加速，就是10 keV。另外，有些設備會在篩選之前先加速，順序不一定相同。
④ 離子的流（離子束）沒有粗到能一次蓋住整片晶圓。所以要讓離子束左右擺動，或移動晶圓，把整面均勻照到。為了不讓離子在途中撞上空氣分子，通道要抽掉空氣，保持真空。
原理2：打入的量與深度，可以分開決定
每1 cm²打入的離子數，稱為佈植劑量。實際使用的量，大約是每1 cm²從1000億個（10¹¹）到1萬兆個（10¹⁶）（史丹佛大學的講義）。最少和最多相差達10萬倍。
數量是用到達晶圓的離子電流來計算。電流是每1秒流過的電量。除以1個離子的電量，就知道到達的數量。例如1 mA（毫安培，千分之1安培），相當於帶1個電子電量的離子，每秒到達約6×10¹⁵個。接收並量測這個電流的零件，稱為法拉第杯。
決定深度的，是加速的能量。離子每撞上一個矽原子就失去一些能量，最後停下來。衝進去的速度越快，停下前就前進得越深。能量相同時，越輕的離子打得越深。例如100 keV的硼，平均停在約0.3 µm（0.0003 mm）處（香港城市大學的講義）。
每個離子都是一路隨機碰撞後才停下，所以停下的深度各有些不同。整體來看，會在比表面稍深的地方形成濃度的高峰。停下深度的平均值，稱為投影射程。
原理3：打入的位置，由光阻的圖案決定
轉印圖案時，會用一層照光後性質會改變的藥劑膜，稱為光阻。在離子佈植中，光阻被當成「不打入之處的蓋子」。圖案的轉印方式，在「EUV微影是什麼？」中說明。
打到光阻的離子，會停在光阻裡，到不了下面的矽。離子只會進入露出的地方，所以會照圖案形成雜質的區域。完成後，再把光阻去除。
光阻能當蓋子，是因為佈植可以在接近室溫的溫度下進行（加州大學柏克萊分校的講義）。光阻不耐熱，所以在高溫下讓雜質滲入的方法，無法用它當蓋子。
許多晶片，是把性質正好相反的2種電晶體並排做成的（「CMOS是什麼？」）。所以要在想做成n型與想做成p型的地方，用不同的圖案，分別重複佈植。
原理4：打進去，晶體就會受損
矽原子在晶體中規則地排列。衝進來的離子在停下之前，會撞飛許多原子，打亂排列。量多時，表面附近的排列甚至會完全崩壞（史丹佛大學的講義）。
而且，剛停下的雜質大多沒有待在晶體中固定的位置。直接放著，幾乎不會產生n型或p型的性質。
因此佈植之後，要把晶圓加熱到高溫，修復排列，並讓雜質進入晶體的位置。這種熱處理稱為退火。不過，加熱會讓雜質擴散，所以發展出只加熱極短時間的做法。擴散的原理在「擴散是什麼？」中說明，方法的差異請見「爐管退火、RTA、雷射退火的差異」。
穿過筆直的「縫隙」：通道效應
晶體的原子規則地排列，所以從特定方向看，原子列之間會有筆直的縫隙。離子如果沿著這個縫隙進入，就很少撞到原子，會比預期深得多。這種現象稱為通道效應。
深度不一，就做不出目標的形狀。所以一般會把晶圓傾斜約7°，避開縫隙的方向來佈植（香港城市大學的講義）。傾斜也無法完全防止，所以也有先刻意打亂表面排列的方法（預非晶化佈植（PAI））。
為什麼取代了熱擴散
離子佈植普及之前，主要的方法是在含雜質的氣體中把矽加熱到高溫，讓雜質從表面滲入。這稱為熱擴散。根據日本半導體歷史館的資料，從1970年代起，這種方法大多被離子佈植取代。
主要的理由，是量與深度都能精確決定，而且每次都一樣。量用電流計算，深度由加速電壓決定。加州大學柏克萊分校的講義，列出了偏離目標量的大約程度：佈植是幾%，在高溫下從表面加入的方法是20～30%。能用光阻當蓋子，也是優點之一。
不過，熱擴散並沒有消失。在製作較深區域的製程，以及太陽能電池等方面，現在仍在使用。兩種方法可以在「熱擴散與離子佈植的差異」的表格中比較。
設備的3種類型
設備依擅長的劑量與能量，大致分成3類。例如Axcelis在年度報告中說明，該公司提供這3種設備。
- 高電流（大電流）設備：用強電流，在短時間內打入大量離子。用在電晶體電流的出入口（源極與汲極）這類量多的佈植。
- 中電流設備：精確打入少量到中等的量。用於調整電晶體開始導通的電壓（臨界電壓）等。
- 高能量設備：以數百keV到MeV（百萬電子伏特，1 MeV等於1000 keV）等級的能量，打到深處。用於作為電晶體基礎的深層區域，以及相機的感測器（「影像感測器是什麼？」）。
每一類設備，都同樣有原理1的4個階段。不同的是能產生的電流強度，以及加速的強度。
主要廠商
離子佈植機的主要廠商有下面4家。這裡寫的，是各公司在自家發表或網站上說明的內容（2026年10月時）。
- 應用材料（Applied Materials）（美國）：2011年11月，完成收購離子佈植機廠商Varian Semiconductor。推出中電流設備「VIISta 900XP」等。
- Axcelis Technologies（美國）：事業始於1978年，2000年從Eaton獨立出來。以共同的平台「Purion」，提供高電流、中電流、高能量設備。2022年宣布，最高15 MeV的設備通過影像感測器量產用的認證。
- Sumitomo Heavy Industries Material Solutions（日本，住友重機械集團的公司）：2026年1月，由住友重機械離子科技更名而來。2025年1月整合了雷射退火設備的事業，與離子佈植機一起經營。
- 日新離子機器（Nissin Ion Equipment）（日本）：1999年在日新電機集團中，作為離子佈植機的公司設立。推出中電流設備，以及功率半導體用的設備。
製造設備的全貌，整理在「半導體設備是什麼？」中。
原料氣體與安全
用作磷與砷原料的磷化氫和砷化氫，是毒性非常強的氣體。這裡參考美國疾病管制與預防中心（CDC）與毒性物質與疾病登記署（ATSDR）的資料。能聞到砷化氫氣味的濃度，約為勞工容許濃度的10倍。也就是說，聞到氣味時，濃度已經達到危險的程度。所以工廠會在嚴格管理的設備中處理這些氣體。
常見的誤解
誤解：打進去的那一刻，n型或p型的區域就完成了
實際上，剛打進去的雜質大多不在晶體中固定的位置，晶體也受損了。要經過退火修復排列，讓雜質進入晶體的位置，才會作為n型或p型發揮作用。這個誤解，容易來自「打入」這個說法，讓人以為放進去就結束了。
誤解：提高能量，打入的雜質量也會增加
實際上，量由劑量（電流與時間）決定，深度由能量決定，兩者是各自獨立的旋鈕。量不變而提高能量，濃度高峰會移往深處，變得更低、更寬。這個誤解，容易來自量與深度聽起來都像「強度」。
誤解：雜質會堆在表面，表面的濃度最高
實際上，離子會鑽進矽中，在比表面稍深的地方形成濃度高峰。從表面滲入的熱擴散，表面的濃度最高，所以容易和這個印象混在一起。能用能量移動高峰的位置，正是離子佈植的強項。
從數字來看
| 數字 | 代表什麼 |
|---|---|
| 10¹¹～10¹⁶個 | 每1 cm²打入的離子數範圍（史丹佛大學的講義） |
| 約6×10¹⁵個 | 1 mA電流下，每秒到達的帶1個電子電量的離子數（計算值） |
| 約0.3 µm | 100 keV的硼停下的平均深度（香港城市大學的講義） |
| 約7° | 為避免通道效應，把晶圓傾斜的角度例子（同上） |
| 幾%與20～30% | 偏離目標量的大約程度。前者是離子佈植，後者是在高溫下從表面加入的方法（加州大學柏克萊分校的講義） |
| 最高15 MeV | Axcelis表示其高能量設備可達到的能量（該公司的發表，2022年） |
舉例來算一下：在直徑300 mm的晶圓整面，每1 cm²打入10¹⁵個硼。晶圓面積約707 cm²，所以離子約7×10¹⁷個。換算成重量，只有約13 µg（約1公克的8萬分之1）。
用1 mA的離子束，約2分鐘就能打完。這裡為了簡化，假設離子束一直照在晶圓上。數字看起來很大，但量少到肉眼看不見，而且是以幾%的精度在計算。
進一步學習
- 系列文章：「半導體晶片是怎麼做出來的？」（製程全貌）、「蝕刻是什麼？」（用同樣的光阻圖案來削去的製程）、「矽晶圓是什麼？」
- 相關解說：「擴散是什麼？」（退火時雜質擴散的原理）、「半導體是什麼？」、「CMOS是什麼？」
- 用表格看差異：「熱擴散與離子佈植的差異」、「EDX與SIMS的差異」（量測打入雜質在深度方向分布的方法）
- 用數字試試看：電阻率與雜質濃度換算工具（雜質濃度會讓導電難易度改變多少）
- 從用語深入（製程）：離子佈植 / 暈環佈植（口袋佈植） / 逆向摻雜井 / 電漿摻雜
- 從用語深入（熱處理與量測）：暫態增強擴散（TED） / SIMS（二次離子質譜法）