半导体射频电源行业专题报告：国产化替代拐点已至

半导体射频电源：刻蚀+CVD 工艺的核心，技术壁垒高

核心技术壁垒：主要在于电源波形、频率和功率性，以及在腔体中激发的等离子体 浓度、均匀度的精准控制。国内外技术差距主要体现在以下 3 个方面：① 阻抗的高速匹配。现代工艺中各步骤之间的转换可能导致功率、气体流量和压力 迅速改变，使等离子体阻抗的急剧变化，对频率调谐的灵活性和速度提出了更高要 求。一方面需要更快的数据处理能力；另一方面需要完善数据的收集、处理和传输 系统，为机器学习等算法构建数据库进行分析和预测、客户个性化定制。以 AE 为 例，其电源发生器和匹配网络（PowerInsight）可用于收集信息，分析速度和精度 的，且无需外部传感器。目前我国仍以手动调节阻抗匹配器为主，易受环境影响，需研制高精度、高速度高 精度、高速度的阻抗自动匹配器。② 多频率电源的提供。海外供应的电源系统通常使用 source RF 和 bias RF 两个甚至 多个电源，可相对独立控制等离子体密度和离子能量，实现更高的蚀刻速率、更大 的工艺自由度，提高良率水平。我国射频电源种类较为单一，宽频带电源、微波电 源、高功率射频电源的研发成果尚未普及于生产领域。③ 与芯片制造同步革新功能。以刻蚀工艺为例，其对射频电源的要求不仅包括控制 精度、功率范围、 效率、响应速度等，还需要电源系统配和新功能，如调频、扫 频、相位调整、脉冲和电弧管理等。射频电源厂需要与下游设备厂同步革新、研发 适配功能。

1.2 应用领域：产生等离子体的核心，作用于半导体 CVD、刻蚀等多道 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。

1.2.1 薄膜沉积 CVD 中的应用：薄膜沉积质量、沉积速率的关键

CVD 薄膜沉积：是在低气压下 辉光放电 使反应气体电离，再通入工艺气体，经一 系列化学反应和等离子体反应在基片上表面形成固态薄膜。

射频电源的作用：解离气体产生等离子体。薄膜沉积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。射频功 率越大离子轰击能量越大，有利于沉积膜质量的改善。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，沉 积速率则趋于稳定。

目前 PECVD 主要应用双频电源，由 400kHz 和 13.56MHz 构成，两个电源最高功 率均为 3000W。相比于单一电源，高频和低频相结合的双频驱动可以显著地降低启辉电 压， 更有利于获得稳定的等离子体源，减弱带电粒子对沉积衬底的轰击及红外芯片的 损伤，提高了工艺自由度。双频电源系统可选工作模式：① 高低频同时作用于反应室，高频为主，低频调制为辅；② 高低频交替作用于反应室，可以快速切换；③ 高低频单独作用于反应室，独立控制工作。

1.2.2 刻蚀机中的应用：针对 CCP、ICP 刻蚀，控制等离子体密度和离子能量

等离子体刻蚀：指在低压情况下，反应气体在射频功率的激发下辉光放电形成等离 子。等离子是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变 成离子外，还能吸收能力并形成大量的活性基团。活性反应基团和被刻蚀物质表面形成 化学反应并形成挥发性的反应生成物，反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统 抽出腔体。其中，经常采用的刻蚀气体有氟（F）、氯（CI）、溴（Br）等卤族元素化合 物。

刻蚀按类型分：主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀覆盖近 90%的市场；干法刻蚀进一步按产生等离子体方法不同：分为电容性等离子体刻蚀（CCP）电感 性等离子体刻蚀（ICP）。其中，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。

射频电源在 CCP、ICP 刻蚀中的作用：CCP 工艺中：相互平行放置的电极在射频功率下产生的高频电磁场激发等离子 体。早期配套单一射频电源，高密度离子束流往往伴随高能量，使得在以化学刻蚀为主 的反应中会出现高能离子轰击的负面影响。为了产生高密度且低能量的等离子体,发展 出了多频率的 CCP 刻蚀系统，高频电源控制等离子体密度、低频电源控制离子的能 量。目前，双频 CCP 主要应用于𝑆𝑖𝑂2等绝缘体介质的刻蚀。ICP 工艺中：射频电流流经线圈，在腔室内产生电磁场激发气体产生等离子体。放 电系统通常使用通过 source RF 和 bias RF 两个电源，可相对独立控制等离子体密度和离 子能量，实现更高的蚀刻速率、更大的工艺自由度，提高良率水平。被广泛地应用于集 成电路制造中硅、铝等栅极材料和导电材料的精细刻蚀工艺。

1.2.3 半导体离子注入机中的应用：射频为离子源设计方案的选择之一

半导体离子注入机：在半导体晶圆制造过程中，器件的电学性能取决于半导体掺杂 的杂质浓度，要使导电性能较差的纯净硅变为半导体，需要加入少量杂质改变其结构和 电导率，这个过程就被称为掺杂。离子注入凭借对注入剂量、注入角度、注入深度、横 向扩散等方面的精确控制，在半导体制造中占据主导地位。离子注入机由以下部分组成：离子源、质量分离器、束流扫描单元、离子注入室。其 中，离子源是离子注入机的源头，用于产生和引出某种元素的离子束。其内部结构可选 用磁分析器离子源、射频离子源、冷阴极源和微波离子源作为电源，射频电源可通过真 空弧放电能在较低的等离子温度下产生更高的离子束电流，延长离子源的寿命。

1.2.4 半导体清洗中的应用：射频技术应用在等离子清洗当中

等离子清洗：又叫干法清洗，是一种成熟、有效、经济且环保安全的关键表面处理 方法。不采用化学液体的清洗技术，如气相干洗、束流清洗、干冰清洗、紫外-臭氧清 洗、等离子清洗等。与传统的湿式清洗方法相比，使用氧等离子体的等离子体清洗能在 纳米尺度上消除等离子清洗可产生纯净的表面，为粘接或进一步加工做好准备，且不会 产生任何有害废料。湿法清洗在现阶段的微电子清洗工艺中还占据主导地位，但综合考 虑环境污染、原材料消耗及未来发展，干法清洗将逐步取代化学湿法清洗。

射频电源：配合真空系统多次置换气体实现清洗。等离子清洗机主要由真空腔体、 RF 等离子电源、真空产生及测量系统、工艺气体系统、控制系统等组成。在实际工艺 中，首先进行 N 次置换，将腔体内的空气置换为干净的氮气；然后在真空状态下通入工 艺气体，再打开射频功率源，开始工艺；工艺完成后，再次置换，将腔内残余的有害尾 气置换排出，防止污染净化间，对人体造成伤害。

射频电源激发高频交变电场将气体进行电离，根据气体等离子体不同性质，清洁方 式包括利用紫外线打破表面污染物的大部分有机键；高能氧气等离子体与有机污染物发 生反应，生成水和二氧化碳并在加工过程中不断从腔体中排出（泵走）；使用氩气或氦 气惰性气体清洁易氧化材料，如铜，银等。

行业趋势：全球/国内 270/70 亿市场，国产替代开始提速