《射頻電源在半導體領域的應用》
論文信息：左政,馮國楠,李建慧,等.射頻電源在半導體領域的應用[J].軟件和集成電路,2025,(04):38-43.DOI:10.19609/j.cnki.cn10-1339/tn.2025.04.007.
一、射頻電源的定義與分類
1.1 定義
? ? 射頻電源（RF Power Supply）是能夠輸出300kHz~300GHz正弦波電壓的高頻交流電源，在半導體制造領域，射頻電源的典型工作頻率范圍為400kHz～60 MHz，主要由射頻發生器(功率源)、匹配器及配套控制電路組件構成 ，其關鍵組件包括變壓器與電抗器、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、鈑金件、銅材及各種電子元器件。射頻電源是刻蝕和薄膜沉積工藝的核心， 主要用于產生等離子體，以增強氣體反應活性，其性能直接影響反應腔體內等離子體的濃度、均勻性和穩定性。
- 射頻發生器(功率源）：通常包括放大器、直流電源、檢測器和控制器四大核心模塊，
- 射頻匹配器：通過自動調整優化調節功率和頻率，確保射頻電源與負載之間的最佳匹配，從而提高能量傳輸效率，維持整個工藝過程的穩定性。
圖片摘自：《大功率寬頻硅基射頻電源研究》
論文信息：吳衛.大功率寬頻硅基射頻電源研究[D].電子科技大學,2025
1.2 分類
1.2.1按功率放大器類型
- 電子管射頻電源：電子管射頻電源以高穩定性、大輸出功率及較強的反射功率承受能力著稱，然而，其存在體積龐大及相對使用壽命較短（通常為1000~2000小時）等弊端，，從而不利于電源整機小型化、便攜式化，正在逐漸被市場淘汰。
- 晶體管射頻電源不僅克服了電子管射頻電源的諸多局限性，還擁有更為高效和穩定的性能表現。晶體管射頻電源體積小巧，有利于設備的小型化設計；使用壽命通常超過5000小時，轉換效率高達80%以上，并且產生的熱量極少；在功耗、功率控制精度、輸出穩定性及頻率精確度方面表現出色。
1.2.2按工作頻率分
? ? 射頻電源可以分為低頻段、中頻段和高頻段三種。應用于半導體領域的射頻電源涵蓋多種工作頻率，以刻蝕機臺為例，主要有400kHz、2MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz。 射頻頻率越高，射頻電源在半導體領域的應用離子能量越小，直流偏置越小，刻蝕速度越低，選擇比越大，物理刻蝕能力越低。13.56MHz是一個非常流行且標準化的頻率，能夠提供良好的等離子體密度和適中的離子能量，被廣泛應用于多種蝕刻和沉積應用中。
1.2.3按工作頻率分
? ? 根據輸出功率的不同，射頻電源可以分為低功率、中功率和高功率三大類。以反應離子刻蝕機為例，其射頻電源功率范圍可以根據具體的應用需求和設備設計進行調整（從幾十瓦到幾千瓦不等）。在低功率范圍中：，一些對材料損傷要求較低、需要精細加工的場景中，可能會使用功率在幾十瓦至幾百瓦的射頻電源；在中功率范圍內：，大多數常規的反應離子刻蝕工藝可能采用幾百瓦到1kW左右的射頻電源；在高功率范圍中：，對于需要較高蝕刻速率或者處理較難蝕刻材料的情況，可能會用到功率1kW~10kW的射頻電源。
二、射頻電源技術發展現狀及趨勢
2.1 技術發展現狀
2.1.1 核心指標-27.12MHz多級脈沖射頻電源為例
1. 脈沖類型：單級脈沖和多級脈沖
2. 脈沖模式：內同步或外同步
3. 脈沖頻率范圍：2Hz到10kHz
4. 脈沖占空比：由最大/最小時間決定
5. 最大和最小脈沖寬度（ON/OFF），先進產品最大和最小脈沖寬度可達200ms和50us
6. 脈沖上升和下降時間，先進產品脈沖上升和下降時間小于5us
7. 脈沖過沖，先進產品脈沖過沖幅度小于10%
8. 峰值功率，先進產品峰值功率可達3kW
2.1.2 高轉換效率-功率器件材料以及技術優化
? ? 隨著功率器件從傳統的硅材料向碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等先進材料轉變，功率電子技術正朝著更低阻抗的方向邁進。與此同時，磁性材料也在不斷追求更低的損耗，兩者顯著提升了電源轉換效率。產品中采用一系列先進技術，如軟開關、同步整流及高頻設計，這些技術的應用大大提高了射頻電源的轉換效率，并通過降低能耗來減少用電量，從而有效降低半導體制造的生產成本。
2.1.3 高功率密度-設備實現小型化和輕量化
? ? 相同的體積內能夠提供更高的功率輸出，方便裝配與系統集成，也更有效地利用了空間。為了提升功率密度，廠們在多個關鍵技術領域積極投入研發，包括提高開關頻率、開發新型磁性元件、新的散熱解決方案等，射頻電源產品的功率密度得到了顯著提升。
2.2 技術發展趨勢
2.2.1 降低電磁干擾
? ? 隨著電氣設備的不斷增加，電磁干擾不斷增強，電網質量也越發惡化。在這種背景下，電源產品作為電力系統的重要組成部分，應當率先實現“綠色化”，以降低其他用電設備面臨的用電風險。采用先進的功率因數校正技術和有源電力濾波技術，以及優化電磁兼容設計，不僅可以顯著提升電網質量，還能有效緩解電磁干擾問題
2.2.2 脈沖超快化技術
? ? 超快脈沖射頻電源能夠根據不同的工藝要求快速調整輸出參數，以滿足多樣化的需求。在材料表面處理和薄膜沉積過程中，超快脈沖能夠提供更好的能量控制，高頻產生的薄膜致密、薄膜均勻性好于低頻，有助于改善膜層質量，減少熱損傷，從而提升芯片性能。 而且通過優化脈沖模式，廠商可以有效降低能源消耗，減少不必要的熱量產生，進而達到節能的目標，并降低運行所需的成本。
2.2.3 反應時間微秒化技術
? ? 射頻電源反應時間微秒化指的是其瞬態響應速度達到微秒級別，提供更為迅速的響應能力，適應設備腔室內阻抗的快速變化。高速響應對于那些對頻率精度和穩定性有極高要求的場合至關重要，在半導體制造工藝中，高精度射頻電源常用于提供固定頻率的射頻能量，激發腔室內的氣體離化，產生等離子體，在此過程中，射頻電源必須能夠迅速且準確地調整輸出，應對腔室內環境的變化，確保工藝過程的穩定性和重復性。
