半導體零部件(2)-射頻電源

射頻電源是可以產(chǎn)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(yè)、科學研究、射頻感應加熱、醫(yī)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(chǎn)生正弦波信號；

3、功率放大模塊(Power Amplifier, PA)是幾個固態(tài)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(xiàn)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(fā)展的關鍵因素。射頻電源根據(jù)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(tài)射頻電源）。1904年電子管的出現(xiàn)，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(fā)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(chǎn)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(tǒng)通入反應腔室后，被射頻電源產(chǎn)生的高頻率電場(通常為13.56 MHz)電離從而產(chǎn)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(wěn)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(tǒng)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(fā)生的過程中，匹配器會自主調節(jié)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(tài)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(tài)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(fā)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(chǎn)生輝光放電，利用輝光放電（或另加發(fā)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(jīng)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(tài)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(fā)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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