论文阅读--射频电源在半导体领域的应用
《射频电源在半导体领域的应用》
论文信息：左政,冯国楠,李建慧,等.射频电源在半导体领域的应用[J].软件和集成电路,2025,(04):38-43.DOI:10.19609/j.cnki.cn10-1339/tn.2025.04.007.
一、射频电源的定义与分类
1.1 定义
射频电源（RF Power Supply）是能够输出300kHz~300GHz正弦波电压的高频交流电源，在半导体制造领域，射频电源的典型工作频率范围为400kHz∼60 MHz，主要由射频发生器(功率源)、匹配器及配套控制电路组件构成 ，其关键组件包括变压器与电抗器、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、钣金件、铜材及各种电子元器件。射频电源是刻蚀和薄膜沉积工艺的核心， 主要用于产生等离子体，以增强气体反应活性，其性能直接影响反应腔体内等离子体的浓度、均匀性和稳定性。
- 射频发生器(功率源）：通常包括放大器、直流电源、检测器和控制器四大核心模块，
- 射频匹配器：通过自动调整优化调节功率和频率，确保射频电源与负载之间的最佳匹配，从而提高能量传输效率，维持整个工艺过程的稳定性。
图片摘自：《大功率宽频硅基射频电源研究》
论文信息：吴卫.大功率宽频硅基射频电源研究[D].电子科技大学,2025
1.2 分类
1.2.1按功率放大器类型
- 电子管射频电源：电子管射频电源以高稳定性、大输出功率及较强的反射功率承受能力著称，然而，其存在体积庞大及相对使用寿命较短（通常为1000~2000小时）等弊端，，从而不利于电源整机小型化、便携式化，正在逐渐被市场淘汰。
- 晶体管射频电源不仅克服了电子管射频电源的诸多局限性，还拥有更为高效和稳定的性能表现。晶体管射频电源体积小巧，有利于设备的小型化设计；使用寿命通常超过5000小时，转换效率高达80%以上，并且产生的热量极少；在功耗、功率控制精度、输出稳定性及频率精确度方面表现出色。
1.2.2按工作频率分
射频电源可以分为低频段、中频段和高频段三种。应用于半导体领域的射频电源涵盖多种工作频率，以刻蚀机台为例，主要有400kHz、2MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz。 射频频率越高，射频电源在半导体领域的应用离子能量越小，直流偏置越小，刻蚀速度越低，选择比越大，物理刻蚀能力越低。13.56MHz是一个非常流行且标准化的频率，能够提供良好的等离子体密度和适中的离子能量，被广泛应用于多种蚀刻和沉积应用中。
1.2.3按工作频率分
根据输出功率的不同，射频电源可以分为低功率、中功率和高功率三大类。以反应离子刻蚀机为例，其射频电源功率范围可以根据具体的应用需求和设备设计进行调整（从几十瓦到几千瓦不等）。在低功率范围中：，一些对材料损伤要求较低、需要精细加工的场景中，可能会使用功率在几十瓦至几百瓦的射频电源；在中功率范围内：，大多数常规的反应离子刻蚀工艺可能采用几百瓦到1kW左右的射频电源；在高功率范围中：，对于需要较高蚀刻速率或者处理较难蚀刻材料的情况，可能会用到功率1kW~10kW的射频电源。
二、射频电源技术发展现状及趋势
2.1 技术发展现状
2.1.1 核心指标-27.12MHz多级脉冲射频电源为例
1. 脉冲类型：单级脉冲和多级脉冲
2. 脉冲模式：内同步或外同步
3. 脉冲频率范围：2Hz到10kHz
4. 脉冲占空比：由最大/最小时间决定
5. 最大和最小脉冲宽度（ON/OFF），先进产品最大和最小脉冲宽度可达200ms和50us
6. 脉冲上升和下降时间，先进产品脉冲上升和下降时间小于5us
7. 脉冲过冲，先进产品脉冲过冲幅度小于10%
8. 峰值功率，先进产品峰值功率可达3kW
2.1.2 高转换效率-功率器件材料以及技术优化
随着功率器件从传统的硅材料向碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等先进材料转变，功率电子技术正朝着更低阻抗的方向迈进。与此同时，磁性材料也在不断追求更低的损耗，两者显著提升了电源转换效率。产品中采用一系列先进技术，如软开关、同步整流及高频设计，这些技术的应用大大提高了射频电源的转换效率，并通过降低能耗来减少用电量，从而有效降低半导体制造的生产成本。
2.1.3 高功率密度-设备实现小型化和轻量化
相同的体积内能够提供更高的功率输出，方便装配与系统集成，也更有效地利用了空间。为了提升功率密度，厂们在多个关键技术领域积极投入研发，包括提高开关频率、开发新型磁性元件、新的散热解决方案等，射频电源产品的功率密度得到了显著提升。
2.2 技术发展趋势
2.2.1 降低电磁干扰
随着电气设备的不断增加，电磁干扰不断增强，电网质量也越发恶化。在这种背景下，电源产品作为电力系统的重要组成部分，应当率先实现“绿色化”，以降低其他用电设备面临的用电风险。采用先进的功率因数校正技术和有源电力滤波技术，以及优化电磁兼容设计，不仅可以显著提升电网质量，还能有效缓解电磁干扰问题
2.2.2 脉冲超快化技术
超快脉冲射频电源能够根据不同的工艺要求快速调整输出参数，以满足多样化的需求。在材料表面处理和薄膜沉积过程中，超快脉冲能够提供更好的能量控制，高频产生的薄膜致密、薄膜均匀性好于低频，有助于改善膜层质量，减少热损伤，从而提升芯片性能。 而且通过优化脉冲模式，厂商可以有效降低能源消耗，减少不必要的热量产生，进而达到节能的目标，并降低运行所需的成本。
2.2.3 反应时间微秒化技术
射频电源反应时间微秒化指的是其瞬态响应速度达到微秒级别，提供更为迅速的响应能力，适应设备腔室内阻抗的快速变化。高速响应对于那些对频率精度和稳定性有极高要求的场合至关重要，在半导体制造工艺中，高精度射频电源常用于提供固定频率的射频能量，激发腔室内的气体离化，产生等离子体，在此过程中，射频电源必须能够迅速且准确地调整输出，应对腔室内环境的变化，确保工艺过程的稳定性和重复性。