イオン注入装置とは？仕組み・構造と世界シェアをわかりやすく解説

シリコンは、そのままでは電気をあまり通しません。そこに微量の不純物を加えることで、はじめて半導体としての性質を持つようになります。

その不純物を、狙った深さに、狙った量だけ打ち込む装置がイオン注入装置です。「シリコンを半導体にする工程」を担う、前工程の中でも特徴的な装置といえます。

この記事では、イオン注入の仕組みと装置の構造、なぜ熱拡散ではなくイオン注入が使われるのか、そして世界シェアと主要メーカーまでを解説します。

イオン注入装置とは

イオン注入装置は、ボロンやリン、ヒ素といった不純物（ドーパント）をイオン化し、電界で加速してウェハーに打ち込む装置です。英語では ion implanter、工程は ion implantation と呼ばれます。

打ち込む不純物の種類によって、電気の流れ方が変わります。これによりp型・n型の領域がつくられ、トランジスタとして機能するようになります。

用途は1つではなく、次のように工程ごとに打ち分けられます。

• ウェル形成：素子を作る土台となる深い領域をつくる
• しきい値調整：トランジスタが動作し始める電圧を調整する
• ソース・ドレイン形成：電流の出入り口となる浅い領域をつくる

先端の半導体では、1枚のウェハーに対してイオン注入が何十回も行われます。

なぜ熱拡散ではなくイオン注入なのか

不純物を入れる方法は、イオン注入だけではありません。かつては高温で不純物を染み込ませる熱拡散が主流でした。ではなぜ、イオン注入に置き換わったのでしょうか。

比較項目	熱拡散	イオン注入
入れる方法	高温で拡散させる	加速して打ち込む
深さの制御	温度と時間に依存する	加速エネルギーで決まる
量の制御	深さと連動してしまう	ドーズ量で独立に決められる
横方向への広がり	大きい	小さい
処理温度	高温が必要	常温付近でも可能

決定的な違いは、「深さ」と「量」を別々に決められることです。

熱拡散では、たくさん入れようとすれば深くなり、浅くしようとすれば量が減ってしまいます。一方イオン注入では、深さは加速エネルギー、量はドーズ量（打ち込む個数）で、それぞれ独立に制御できます。設計どおりの分布を作り込めるわけです。

もう一つ重要なのが、横方向への広がりが小さいことです。熱拡散は全方向に広がるため、隣の素子との間隔を詰められません。微細化を進めるうえで、この差は決定的でした。

装置の構造｜なぜイオン注入装置は「曲がっている」のか

イオン注入装置は、前工程の装置の中でも大型で、独特な形をしています。装置の途中で経路が曲がっているのが特徴です。これには明確な理由があります。

装置は、おおむね次の要素で構成されます。

• イオン源：原料ガスをプラズマ化し、イオンをつくる
• 引き出し電極：生成したイオンを電界で引き出し、ビームにする
• 質量分析電磁石：磁場でビームを曲げ、必要なイオンだけを選び出す
• 加速管：目的の深さに応じてイオンを加速する
• スキャン機構：ビームまたはウェハーを動かし、全面に均一に注入する
• エンドステーション：ウェハーを保持し、注入を行う部屋
• ファラデーカップ：打ち込んだ電荷量を測り、ドーズ量を管理する

このうち質量分析電磁石が、装置が曲がっている理由です。

イオン源で作られるイオンは1種類ではありません。原料ガスからは、目的のイオン以外にも様々な粒子が生じます。これらをそのまま打ち込めば、不純物の種類も量も狂ってしまいます。

そこで磁場をかけると、質量と電荷の比率に応じて曲がり方が変わります。目的のイオンだけが所定の経路を通り、それ以外は壁に当たって除去される、という仕組みです。装置の「曲がり」は、純度を確保するための選別機構なのです。

また、イオンが空気の分子とぶつかると軌道が乱れるため、装置内部は高真空に保たれています。

3つの機種｜中電流・大電流・高エネルギー

イオン注入装置は、用途によって大きく3種類に分かれます。

機種	特徴	主な用途
中電流	精密なドーズ量制御が得意	しきい値調整など
大電流（高電流）	大量の不純物を短時間で打ち込む	ソース・ドレイン形成など高ドーズ工程
高エネルギー	深い位置まで到達させる	ウェル形成、イメージセンサなど

この3分類は業界標準的なもので、日本半導体製造装置協会（SEAJ）の装置分類でも、大電流・中電流・高エネルギーの各イオン注入装置が区分として挙げられています。

興味深いのは、3機種すべてを手がけるメーカーが世界的にごく少数であることです。住友重機械マテリアルソリューションズは自社サイトで「3機種全てを製造販売しているのは、世界でたったの3社。国内メーカーでは当社だけ」と説明しています。それぞれ求められる技術が異なるため、機種ごとに強みが分かれるのがこの分野の特徴です。

打ち込んだ不純物が設計どおりの深さに入っているかを確かめる手法についてはSIMSとは？をご覧ください。

打ち込んだだけでは終わらない｜アニールとのセット

ここがイオン注入を理解するうえで、最も見落とされやすい点です。

イオンを打ち込んだ直後のシリコンは、まだ半導体として機能しません。理由は2つあります。

①結晶が壊れている
高速のイオンが飛び込むことで、シリコンの規則正しい結晶構造が破壊されます。この状態では、電気的な特性が本来の性能を発揮できません。

②不純物が正しい位置にいない
打ち込まれた不純物は、結晶の格子点に収まっていない限り、電気的な役割を果たしません。「そこにある」だけでは意味がないのです。

そこで注入後には、熱処理（アニール）を行います。加熱によって結晶構造を回復させ、不純物を格子点に収める。この工程を活性化と呼びます。イオン注入とアニールは、必ずセットで語られる関係にあります。

ここで難しいのが、熱をかけると不純物が拡散して広がってしまうことです。せっかく浅く精密に打ち込んでも、長時間加熱すれば深くぼやけてしまいます。

微細化では接合を浅く保つ必要があるため、「十分に活性化させつつ、拡散はさせない」という相反する条件が求められます。そのため、ごく短時間で急速に加熱するアニール技術が発達しました。レーザーを使って表面だけを瞬間的に加熱する手法もその一つです。

先ほどの住友重機械マテリアルソリューションズが、自社を「イオン注入・レーザアニールのソリューションカンパニー」と位置づけているのも、この2つが不可分だからです。

活性化したキャリアの分布を断面で可視化する手法についてはSCMとは？をご覧ください。

チャネリング｜結晶に潜む「抜け道」

もう一つ、イオン注入特有の現象があります。

シリコンは原子が規則正しく並んだ結晶です。特定の方向から見ると、原子と原子の間にトンネルのような隙間が並んで見えます。この方向にイオンを打ち込むと、原子とほとんど衝突せずに深く入り込んでしまいます。これがチャネリングです。

狙った深さで止まらないため、そのままでは設計どおりの分布になりません。対策として、ウェハーをわずかに傾けて注入する方法が一般的に用いられます。数度傾けるだけで、隙間が見通せなくなり、イオンは想定どおり原子と衝突しながら減速していきます。

結晶の性質を逆手に取られないよう角度を管理する、という点に、この工程の繊細さが表れています。

パワー半導体・SiCでの重要性

イオン注入は、最先端のロジック半導体だけの技術ではありません。パワー半導体の分野でも中心的な役割を果たしています。

パワー半導体は電力を制御する用途に使われ、高い電圧や大きな電流を扱います。設計上、深い位置まで不純物を入れる必要があり、注入量も多いため、イオン注入への依存度が高い製品です。

とくにSiC（炭化ケイ素）を使ったパワー半導体では、事情がさらに特殊になります。SiCは結晶が硬く、注入によるダメージが回復しにくいため、ウェハーを加熱しながら注入するといった対応が取られます。活性化のための熱処理も、シリコンより格段に高い温度が必要です。

この分野で存在感を持つのが米国のAxcelisで、同社の2025年12月期は、システム出荷額の55％をパワーデバイス向けが占めました。イオン注入装置の需要が、AI向け半導体とは別の市場にも支えられていることを示す数字です。

世界シェアと主要メーカー

企業	国	位置づけ
Applied Materials	米国	イオン注入装置の最大手。総合装置メーカーの一角
Axcelis Technologies	米国	イオン注入の専業メーカー。パワーデバイス向けに強い
住友重機械マテリアルソリューションズ	日本	3機種すべてを手がける。レーザアニールも展開
アルバック	日本	真空技術を背景に装置を展開

Axcelisは、2025年12月期の売上高の98.2％がイオン注入関連という、際立った専業メーカーです。売上高は8億3,900万ドルで、前年の10億1,790万ドルからは減少しました。装置業界全体がAI向け投資で伸びるなかでの減収であり、イオン注入装置の需要が、必ずしも業界全体の動きと連動しないことを示しています。

なお日本勢については、注意点があります。住友重機械イオンテクノロジーは、2026年1月1日付で住友重機械マテリアルソリューションズへ社名変更しました。旧社名で記載している資料も多いため、企業名を調べる際は留意してください。

各社の売上規模の比較は半導体製造装置メーカー世界ランキング2026をご覧ください。

よくある質問

イオン注入装置は英語で何と言いますか？

ion implanter です。工程は ion implantation、打ち込む不純物は dopant、打ち込み量は dose と呼ばれます。

ドーズ量とは何ですか？

ウェハーの単位面積あたりに打ち込むイオンの個数です。ファラデーカップで電荷量を測ることで、実際にどれだけ打ち込まれたかを管理します。

なぜ装置内部を真空にする必要があるのですか？

空気が残っていると、加速されたイオンが空気の分子と衝突し、軌道やエネルギーが乱れてしまうためです。狙った深さに正確に届けるには、高真空が欠かせません。

イオン注入の後には必ず熱処理が必要ですか？

はい。結晶の損傷を回復させ、不純物を活性化させる工程が必要です。ただし加熱によって不純物が広がるため、必要最小限の熱で済ませる技術が重視されています。

まとめ

• イオン注入は、不純物を加速して打ち込み、シリコンに半導体としての性質を与える工程
• 熱拡散と違い、深さ（加速エネルギー）と量（ドーズ量）を独立して制御できる
• 装置が曲がっているのは、質量分析電磁石で目的のイオンだけを選別するため
• 機種は中電流・大電流・高エネルギーの3種類で、すべてを手がけるメーカーは世界的に少ない
• 打ち込んだだけでは機能せず、アニールによる活性化とセットで初めて意味を持つ
• パワー半導体やSiCでも重要な工程で、Axcelisはパワーデバイス向けが出荷額の55％を占める

前工程全体の流れは半導体製造装置とは？種類と役割を工程順にわかりやすく解説、関連する工程は成膜装置やエッチング装置の記事でも解説しています。

参考・出典

• 一般社団法人日本半導体製造装置協会（SEAJ）「半導体製造装置分類表」
• 住友重機械マテリアルソリューションズ「仕事内容（イオン注入装置）」
• 住友重機械マテリアルソリューションズ（社名変更のお知らせ）
• Axcelis Technologies「Financial Results for Fourth Quarter and Full Year 2025」