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1、 射頻電源：半導體制程設備核心零部件

 1.1、 射頻電源：功率放大器爲核心模塊，可產生高頻交 流變化電磁波 

 射頻屬於每秒變化大於 10000 次的高頻交流變化電磁波。射頻電源屬於可以產 生固定頻率正弦波、具有一定頻率的高頻交流電源，工作頻率一般處於 2MHz 至 60MHz 之間。它主要由射頻信號源、射頻功率放大器及阻抗匹配器組成，是 等離子體配套電源，在低壓或常壓下產生等離子體。利用等離子體不同的化學性 能，廣泛應用於半導體工藝設備、LED 與太陽能光伏、科學實驗中的等離子體發 生、射頻感應加熱、醫療美容及常壓等離子體消毒清洗等領域。

射頻電源主要由五部分組成，分別爲直流供電電源模塊、震蕩電路模塊、功率放 大模塊、射頻功率檢測模塊、射頻互鎖控制模塊。它們各自的功能如下： 

（1）直流電源模塊：爲電源內部控制线路板供電，電壓包括 24V、15V 等； （2）震蕩電路模塊：晶體震蕩部分，用以產生正弦波信號

 （3）功率放大模塊（Power Amplifier）：由幾個固態晶體管組成，主要目的在 於將高頻信號進行功率放大，從而使得輸出功率達到輸出要求

（4）射頻功率檢測模塊：主要爲檢測控制電路，通過高頻測量電感檢測入射功 率、反射功率，同時把該信號提供給主控制板，實現自動 PID 控制

（5）射頻互鎖控制模塊：主要爲开關信號模式，可提供安全互鎖功能，比如射 頻輸出线互鎖、高壓互鎖、射頻輸出互鎖、過溫互鎖等控制功能。 其中，射頻功率放大器是射頻電源內部實現信號驅動和功率放大的關鍵單元，被 認爲是射頻電源的核心，也是制約射頻電源發展的關鍵因素。

射頻電源輸出波形爲高頻正弦波，功率變化過程包括兩步驟：（1）將低頻交流 電（50Hz/60Hz）轉換爲直流電；（2）再將直流電轉換爲高頻交流電（頻率大 於 2MHz）。其中射頻放大器在其中起到關鍵作用，它將射頻小信號放大爲射頻 大信號，其性能決定了電源系統整體性能。根據國家無线電頻率劃分規定，2MHz、 13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz 爲工業制造、科學研究和醫療使用。

阻抗匹配器將射頻信號源與負載阻抗匹配，得到最大功率輸出。等離子體放電爲 動態過程，阻抗的變化復雜，等離子體工藝過程需保持等離子體均勻穩定。在等 離子體反應負載特性動態變化的情況下，實現高精度的自動阻抗匹配是保證等離 子體均勻穩定的主要手段。自動阻抗匹配器，能夠及時跟蹤等離子體負載復雜的 阻抗變化，保證負載和源之間阻抗匹配，從而保證從射頻源輸出的功率均可被等 離子體負載全部吸收。

射頻整個波段，電子均可即時響應射頻場變化，但不同射頻波段具有不同意義。 低頻端的射頻放電，除重離子外，等離子體中的其他各種荷電粒子運動均可以跟 上射頻電磁場變化；高頻端的射頻放電，等離子體中只有電子可以響應射頻電磁 場變化，離子由於慣性大，只能響應時間平均的電場。

根據制作材料不同，晶體管射頻功率放大器可分爲以 Si 爲主要材料的第一代放 大器、以 GaAs、InP 爲主要材料的第二代放大器，和以 GaN、SiC 爲主要材料 的第三代放大器。

1.2、 射頻電源：等離子體化學性質存在差異，可用於多 種晶圓制造工藝  

射頻電源是半導體中薄膜沉積、刻蝕、離子注入、清洗等前道工藝機台的關鍵零 部件之一。射頻電源是等離子體發生器配套電源，主要用於在低壓或常壓氣氛中 產生等離子體，其直接關系到腔體中的等離子體濃度、均勻度和穩定度。等離子體是由部分電子被剝奪後的原子及原子被電離後產生的正負電子組成的離子化 氣體狀物質，是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。等離子體是一種很好的 導電體，利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。

  簡單而言，等離子體蝕刻和 PECVD 之間的區別僅在於等離子體化學性質。在 蝕刻過程中，與基板的化學反應會產生揮發性分子並被抽走，而在 PECVD 中， 等離子體自由基之間的反應會在它們接觸的表面上留下固體副產物。

1.2.1、射頻電源在 PECVD 中的應用  

相比傳統的 CVD 設備，PECVD 設備在相對較低的反應溫度下形成高致密度、高 性能薄膜，不破壞已有薄膜和已形成的底層電路，實現更快的薄膜沉積速度，是 芯片制造薄膜沉積工藝中運用最廣泛的設備種類。 該技術在低氣壓下，利用低溫等離子體在工藝腔體的陰極上產生輝光放電，並利 用輝光放電使晶圓升溫到預定溫度。

然後通入適量的工藝氣體，這些氣體經一系 列化學反應和等離子體反應，最終在晶圓表面形成固態薄膜。在反應過程中，反 應氣體從進氣口進入爐腔，逐漸擴散至晶圓表面，在射頻電源激發的電場作用下 分解成電子、離子和活性基團等。 具體而言：PECVD 一般在真空腔中進行，腔內放置平行且間距若幹英寸的托盤。 硅片置於托盤上，上電極施加 RF 功率。當原氣體流過氣體主機和沉積中部時會 產生等離子體，多余的氣體通過下面電極的周圍排出。有時，反應氣體從下部電 極周邊引入，從電極中部排出。 

射頻功率越大離子轟擊能量越大，有利於澱積膜質量的改善。功率增加可增強氣 體中自由基濃度，提高沉積速率，當功率增加到一定程度，反應氣體完全電離， 自由基達到飽和，澱積速率則趨於穩定。

1.2.2、射頻電源在等離子體刻蝕中的應用  

在等離子體刻蝕設備中，刻蝕氣體（通常爲一種或幾種滷族化合物分子如 CF4， SF6，Cl2，HBr）通過氣路系統通入反應腔室後，被射頻電源產生的高頻率電場 電離產生輝光放電，完成從氣體分子到離子的轉變，形成等離子體，提高氣體反 應活性。

氣相中 F 原子屬於一種有效的硅刻蝕劑，氣相 F 原子與固相表面的 Si 原子發生反應生成揮發性的刻蝕反應產物，而後被真空系統抽走完成刻蝕。刻蝕 主要分爲幹法刻蝕和溼法刻蝕，目前主流刻蝕工藝是幹法刻蝕，等離子體刻蝕是 利用幹法刻蝕的設備。

射頻電源可改變電子密度，轟擊離子流量密度，增強各向異性刻蝕。沒有離子轟 擊時刻蝕各向同性，即刻蝕速率在各方向是相同的，意味着無法適用於高深可比 刻蝕。此外，在大部分刻蝕設備中，射頻電源會和 DC 直流電源配合使用，以分 別控制離子的密度和能量大小，轟擊表面的離子流量密度增加，會增強各向異性 刻蝕。由於電場的加速效應，離子通常以物理和化學兩種形式對晶圓進行刻蝕。

等離子體刻蝕設備常用的射頻系統配置組合爲固定頻率射頻電源和可調的匹配 器。在刻蝕工藝發生過程中，匹配器會自主調節內部的可調電容，使電源本身的 輸出阻抗和反應負載阻抗相互匹配，以達到射頻電源的滿功率輸出。在理想的匹 配狀態下，所有射頻信號均能傳到負載位置，並減少其能量的反射功率。當負載 阻抗和射頻電源輸出的阻抗沒有處於匹配狀態時，少部分輸入信號會在負載端反 射回射頻源，射頻電源的輸出功率並沒有被完全使用，降低了刻蝕反應發生的效 率。 

按照等離子體的生成方式，可以分爲電容性耦合等離子體（CCP）和電感性耦合 等離子體（ICP）。由於等離子體產生的方式不同，刻蝕機的結構、性能和特點也 存在較大差異。CCP 和 ICP 兩類技術並非相互取代，而是相互補充的關系。電 容性等離子體刻蝕主要是以高能離子在較硬的介質材料上，刻蝕高深寬比的深 孔、溝槽等微觀結構；而電感性等離子體刻蝕主要是以較低的離子能量和極均勻 的離子濃度刻蝕較軟的或較薄的材料。

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