半導體零部件(2)-射頻電源

射頻電源是可以產生固定頻率的正弦波、具有一定頻率的高頻電源，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。目前射頻電源被廣泛應用于半導體工藝設備、LED與太陽能光伏行業、科學研究、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:

射頻電源主要由五部分組成：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。

1、直流電源模塊是為電源內部控制線路板供電，包括 24V、15V等電壓；

2、震蕩電路模塊為晶體震蕩部分，產生正弦波信號；

3、功率放大模塊(Power Amplifier, PA)是幾個固態晶體管組成，主要目的是把高頻信號，進行功率放大，使得輸出功率達到輸出要求；

4、射頻功率檢測模塊：主要為檢測控制電路，通過高頻測量電感檢測入射功率、反射功率，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：主要為開關信號模式，可提供安全互鎖功能，比如射頻輸出線互鎖，高壓互鎖，射頻輸出互鎖，過溫互鎖等控制功能。

圖1：射頻電源內部工作原理

射頻功率放大器被認為是射頻電源的核心，是制約射頻電源發展的關鍵因素。射頻電源根據采用的功率放大器類型不同，可分為電子管射頻電源與晶體管射頻電源（又稱為全固態射頻電源）。1904年電子管的出現，從根本上解決了射頻功率放大器的器件問題，開始被正式應用于各領域。但是電子管本身存在很多問題：首先它的體積非常大，在某些精密領域限制了電子管射頻電源的應用；其次電子管射頻電源的壽命還不到晶體管射頻電源的一半；最重要的是它的制造工藝非常復雜。因此隨著晶體管的發展，電子管逐漸被淘汰。同電子管相比，晶體管射頻電源的體積要小很多，同時它的損耗低，壽命長，產生很少的熱量。

表1：電子管射頻電源與晶體管射頻電源對比

射頻電源在半導體設備的應用:

半導體射頻電源主要應用于刻蝕設備、PVD 和 CVD 設備。

以刻蝕設備為例，刻蝕氣體(主要是 CF4)通過氣路系統通入反應腔室后，被射頻電源產生的高頻率電場(通常為13.56 MHz)電離從而產生輝光放電，完成從氣體分子到離子的轉變，形成等離子體(Plasma)，提高氣體反應活性。射頻電源直接關系到反應腔體中的等離子濃度，均勻度以及穩定度。在大部分刻蝕設備中，射頻電源會和 DC 電源配合使用，以分別控制離子的密度和能量大小。由于電場的加速效應，離子通常以物理和化學兩種形式對晶圓進行刻蝕。

圖2：電容耦合等離子體刻蝕(CCP)、電感耦合等離子體刻蝕機（ICP）示意圖

刻蝕設備常用的射頻系統配置組合為固定頻率射頻電源和可調的匹配器。在刻蝕工藝發生的過程中，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。在理想的匹配狀態中，使所有射頻信號均能傳到負載位置，并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于匹配狀態時，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并沒有被完全使用，這降低了刻蝕反應發生的效率。

PECVD技術是在低氣壓下，利用低溫等離子體在工藝腔體的陰極上（即樣品放置的托盤）產生輝光放電，利用輝光放電（或另加發熱體）使樣品升溫到預定的溫度，然后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，最終在樣品表面形成固態薄膜。在反應過程中，反應氣體從進氣口進入爐腔，逐漸擴散至樣品表面，在射頻電源激發的電場作用下，反應氣體分解成電子、離子和活性基團等。

圖3：射頻電源在PECVD設備的應用

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