半导体零部件之射频电源行业动态报告：半导体制程设备核心零部件射频电源，国产验证与替代加速

射频电源为等离子体配套电源，广泛应用于半导体与泛半导体领域。射频电源主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成，属于可以产生固定频率正弦波、具有一定频率的高频交流电源，工作频率一般处于2MHz至60MHz之间。 其本质是等离子体配套电源，在低压或常压下产生等离子体，并利用等离子体不同的化学性能，广泛应用于半导体工艺设备（PVD、PECVD、刻蚀、离子注入、清洗）、LED、光伏、医疗等领域。 以ICP刻蚀机台为例，ICP放电系统通常使用两个射频功率源。第一个是source RF，射频功率源驱动线圈，一般外置且由介质窗口与等离子体隔离开。射频电流流过线圈时会在线圈附近的等离子体中产生一个衰减距离为几厘米的扰动波，其扰动可在等离子体中感应出射频电流，将电磁场能量传递给电子，即驱动线圈的射频功率控制等离子体密度。第二个是bias RF，射频功率源加在基板上，产生的直流偏压可将离子吸引至晶圆上，作为偏压电源可以独立控制等离子体密度和离子轰击基板的能量。两个RF电源搭配可以实现更高的蚀刻速率、更大的工艺窗口，提高良率水平。 核心技术难点在于参数稳定性、控制精度与阻抗匹配。射频电源主要技术难点在于电源波形、频率和功率等参数稳定性的提升，以及在腔体中激发出的等离子体浓度、均匀度及相应的控制精度，稳定性与控制精度对于薄膜沉积厚度、密度、应力、速率，以及深孔刻蚀质量至关重要。此外，半导体制程微缩化发展，3D IC时代芯片制造工艺设备的电源系统面临复杂工艺过程中功率输送的一致性与准确性问题，各工艺步骤间的功率水平、气体流量、压力变化不一，致使等离子体阻抗急剧变化，因此，射频电源系统的功率传输与阻抗匹配的创新必须与工艺创新保持同步。阻抗匹配器将射频信号源与负载阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功率均可被等离子体负载全部吸收，即得到最大的输出功率。 射频电源为半导体设备核心零部件，全球市场规模达数十亿美元。据芯谋研究统计，2020年我国晶圆厂商采购的射频发生器金额占所有采购零部件产品的10%，仅次于石英件（11%）。据拓荆科技公告，2018年至2021年一季度，射频系统及等离子体源占拓荆科技核心原材料采购额比重一直保持在25%以上，主要采购自美国，但国产化率有所提升，2018/2019/2020/2021Q1美国占比分别为100%/98.62%/90.95%/87.85%，中国占比分别为0%/1.38%/8.68%/11.71%。 据恒州诚思YH，2022年全球射频电源市场销售额预计达26.43亿美元，同比增长20.04%，其预测2028年该规模将达到50.62亿美元，2022-2028年CAGR达11.44%。 全球射频电源市场供应主要集中于美、日、德等国外厂商，国产化率低。半导体射频电源主要由美、日、德企业垄断，头部厂商主要为万机仪器MKS、先进能源AE、日本大阪变压器株式会社和XP Power等。据恒州诚思YH数据，生产层面，2021年全球前五大厂商射频电源市场份额占全球80.47%左右。受美日等国家先进制程设备与零部件封锁影响，国内半导体设备厂与零部件厂商加紧研发合作，推进成熟制程与先进制程领域的半导体零部件国产化替代。国内代表厂商包括英杰电气、恒运昌、北方华创、神州半导体、吉兆源、华鑫晶造、瀚强科技等。 英杰电气：已于2017年成功为中微公司配套MOCVD直流电源，刻蚀设备射频电源处于研发验证中。 恒运昌（未上市）：2016年1月，恒运昌第一批1kw射频电源与自动匹配器产品上市，经过3年多的反复实验与客户现场验证，2019年年底，恒运昌部分射频电源产品成功通过拓荆科技的验证，同期恒运昌与拓荆科技正式签署战略合作备忘录，2020年Q2正式投入市场，实现批量供货。2022年拓荆科技向恒运昌增资2000万并参股，以强化公司在射频电源的供应能力。 北方华创：2020年，收购北广科技射频应用技术相关资产。 风险提示：国产射频电源研发验证不及预期，科技封锁加剧，市场竞争加剧。 1、射频电源：半导体制程设备核心零部件 1.1、射频电源：功率放大器为核心模块，可产生高频交流变化电磁波 射频属于每秒变化大于10000次的高频交流变化电磁波。射频电源属于可以产生固定频率正弦波、具有一定频率的高频交流电源，工作频率一般处于2MHz至60MHz之间。它主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成，是等离子体配套电源，在低压或常压下产生等离子体。利用等离子体不同的化学性能，广泛应用于半导体工艺设备、LED与太阳能光伏、科学实验中的等离子体发生、射频感应加热、医疗美容及常压等离子体消毒清洗等领域。 图1：射频电源在泛半导体设备行业广泛应用 射频电源主要由五部分组成，分别为直流供电电源模块、震荡电路模块、功率放大模块、射频功率检测模块、射频互锁控制模块。它们各自的功能如下： （1）直流电源模块：为电源内部控制线路板供电，电压包括24V、15V等； （2）震荡电路模块：晶体震荡部分，用以产生正弦波信号； （3）功率放大模块（Power Amplifier）：由几个固态晶体管组成，主要目的在于将高频信号进行功率放大，从而使得输出功率达到输出要求； （4）射频功率检测模块：主要为检测控制电路，通过高频测量电感检测入射功率、反射功率，同时把该信号提供给主控制板，实现自动PID控制； （5）射频互锁控制模块：主要为开关信号模式，可提供安全互锁功能，比如射频输出线互锁、高压互锁、射频输出互锁、过温互锁等控制功能。 其中，射频功率放大器是射频电源内部实现信号驱动和功率放大的关键单元，被认为是射频电源的核心，也是制约射频电源发展的关键因素。 图2：射频电源原理 射频电源输出波形为高频正弦波，功率变化过程包括两步骤：（1）将低频交流电（50Hz/60Hz）转换为直流电；（2）再将直流电转换为高频交流电（频率大于2MHz）。其中射频放大器在其中起到关键作用，它将射频小信号放大为射频大信号，其性能决定了电源系统整体性能。根据国家无线电频率划分规定，2MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz为工业制造、科学研究和医疗使用。 图3：射频电源功率转换过程 阻抗匹配器将射频信号源与负载阻抗匹配，得到最大功率输出。等离子体放电为动态过程，阻抗的变化复杂，等离子体工艺过程需保持等离子体均匀稳定。在等离子体反应负载特性动态变化的情况下，实现高精度的自动阻抗匹配是保证等离子体均匀稳定的主要手段。自动阻抗匹配器，能够及时跟踪等离子体负载复杂的阻抗变化，保证负载和源之间阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功率均可被等离子体负载全部吸收。 射频整个波段，电子均可即时响应射频场变化，但不同射频波段具有不同意义。 低频端的射频放电，除重离子外，等离子体中的其他各种荷电粒子运动均可以跟上射频电磁场变化；高频端的射频放电，等离子体中只有电子可以响应射频电磁场变化，离子由于惯性大，只能响应时间平均的电场。 表1：等离子体源的频率范围 晶体管射频电源相比于电子管具有绝对优势，已成为目前主流。射频电源根据采用的功率放大器类型不同，可分为电子管射频电源与晶体管射频电源（又称全固态射频电源）。1904年电子管的出现从根本上解决了射频功率放大器的器件问题，开始被正式应用于各领域。但电子管本身存在诸多问题：①体积非常大，难以应用到某些精密领域；②电子管射频电源寿命短，不到晶体管射频电源的一半； ③制造工艺非常复杂。随着晶体管的发展，射频电源中电子管被逐渐取代。同电子管相比，晶体管射频电源在体积、损耗、寿命和热量产生方面优势明显。 表2：电子管与晶体管射频电源性能比较 根据制作材料不同，晶体管射频功率放大器可分为以Si为主要材料的第一代放大器、以GaAs、InP为主要材料的第二代放大器，和以GaN、SiC为主要材料的第三代放大器。 图4：晶体管射频功率放大器发展历程 1.2、射频电源：等离子体化学性质存在差异，可用于多种晶圆制造工艺 射频电源是半导体中薄膜沉积、刻蚀、离子注入、清洗等前道工艺机台的关键零部件之一。射频电源是等离子体发生器配套电源，主要用于在低压或常压气氛中产生等离子体，其直接关系到腔体中的等离子体浓度、均匀度和稳定度。等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。 简单而言，等离子体蚀刻和PECVD之间的区别仅在于等离子体化学性质。在蚀刻过程中，与基板的化学反应会产生挥发性分子并被抽走，而在PECVD中，等离子体自由基之间的反应会在它们接触的表面上留下固体副产物。 表3：电子特气可运用于光刻、刻蚀、成膜、清洗、掺杂、沉积等环节 1.2.1、射频电源在PECVD中的应用 相比传统的CVD设备，PECVD设备在相对较低的反应温度下形成高致密度、高性能薄膜，不破坏已有薄膜和已形成的底层电路，实现更快的薄膜沉积速度，是芯片制造薄膜沉积工艺中运用最广泛的设备种类。 该技术在低气压下，利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上产生辉光放电，并利用辉光放电使晶圆升温到预定温度。然后通入适量的工艺气体，这些气体经一系列化学反应和等离子体反应，最终在晶圆表面形成固态薄膜。在反应过程中，反应气体从进气口进入炉腔，逐渐扩散至晶圆表面，在射频电源激发的电场作用下分解成电子、离子和活性基团等。 具体而言：PECVD一般在真空腔中进行，腔内放置平行且间距若干英寸的托盘。 硅片置于托盘上，上电极施加RF功率。当原气体流过气体主机和沉积中部时会产生等离子体，多余的气体通过下面电极的周围排出。有时，反应气体从下部电极周边引入，从电极中部排出。 射频功率越大离子轰击能量越大，有利于淀积膜质量的改善。功率增加可增强气体中自由基浓度，提高沉积速率，当功率增加到一定程度，反应气体完全电离，自由基达到饱和，淀积速率则趋于稳定。 图5：PECVD内部结构 1.2.2、射频电源在等离子体刻蚀中的应用 在等离子体刻蚀设备中，刻蚀气体（通常为一种或几种卤族化合物分子如CF，SF， Cl2 ，HBr）通过气路系统通入反应腔室后，被射频电源产生的高频率电场电离产生辉光放电，完成从气体分子到离子的转变，形成等离子体，提高气体反应活性。气相中F原子属于一种有效的硅刻蚀剂，气相F原子与固相表面的Si原子发生反应生成挥发性的刻蚀反应产物，而后被真空系统抽走完成刻蚀。刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀，目前主流刻蚀工艺是干法刻蚀，等离子体刻蚀是利用干法刻蚀的设备。 射频电源可改变电子密度，轰击离子流量密度，增强各向异性刻蚀。没有离子轰击时刻蚀各向同性，即刻蚀速率在各方向是相同的，意味着无法适用于高深可比刻蚀。此外，在大部分刻蚀设备中，射频电源会和DC直流电源配合使用，以分别控制离子的密度和能量大小，轰击表面的离子流量密度增加，会增强各向异性刻蚀。由于电场的加速效应，离子通常以物理和化学两种形式对晶圆进行刻蚀。 图6：a为各向同性化学刻蚀，b为各向异性反应离子刻蚀 等离子体刻蚀设备常用的射频系统配置组合为固定频率射频电源和可调的匹配器。在刻蚀工艺发生过程中，匹配器会自主调节内部的可调电容，使电源本身的输出阻抗和反应负载阻抗相互匹配，以达到射频电源的满功率输出。在理想的匹配状态下，所有射频信号均能传到负载位置，并减少其能量的反射功率。当负载阻抗和射频电源输出的阻抗没有处于匹配状态时，少部分输入信号会在负载端反射回射频源，射频电源的输出功率并没有被完全使用，降低了刻蚀反应发生的效率。 按照等离子体的生成方式，可以分为电容性耦合等离子体（CCP）和电感性耦合等离子体（ICP）。由于等离子体产生的方式不同，刻蚀机的结构、性能和特点也存在较大差异。CCP和ICP两类技术并非相互取代，而是相互补充的关系。电容性等离子体刻蚀主要是以高能离子在较硬的介质材料上，刻蚀高深宽比的深孔、沟槽等微观结构；而电感性等离子体刻蚀主要是