射频电源组成部分及技术壁垒体现在哪?

最佳答案 匿名用户编辑于2023/10/25 09:27

射频电源持续演进发展,技术壁垒高筑。

射频电源主要由射频信号源、射频功率放大模块、阻抗匹配网络等部分组成: 射频信号源包含直流供电模块、振荡电路模块等,分别起到供电、输出固定 频率的射频信号作用。其输出的射频信号直接决定整个系统能否稳定的工作, 若输出的射频信号断断续续或起伏不定,则负载得到的射频信号往往也是不 理想的信号,从而影响整个系统的性能。 射频功放模块则起到关键的信号驱动和功率放大的作用,是射频电源最核心 的模块,是射频电源能否实现高功率的关键之一。 阻抗匹配网络则是为了信号/能量有效地从信号源传送到负载端,主要是通过 阻抗调整,使负载阻抗与射频源内部阻抗互相适配,以最大限度地减小射频 的反射损耗,使输出功率最大化。

从射频电源的输出频率来看,常用的频率主要有 2MHz、13.56MHz、27.12MHz、 40.68MHz、60MHz 等,主要是因为根据国际无线电频率划分规定,这些频段被指 定给工业、科学和医疗(Industrial、Scientific、Medical, ISM)使用,可以避免不 必要的干扰。其中尤其是 13.56MHz,是目前实际应用最多的频率。

而根据采用的功率放大器类型不同,射频电源可以分为电子管射频电源和晶体管 射频电源。从历史演进来看,电子管的产生是射频功放(以及更进一步的射频电 源)逐渐能在各领域应用的重要前提,但其本身具有体积难以缩小、寿命短、转 换效率低等方面的缺陷。随着晶体管的快速发展,其体积小、寿命长、功耗低、 功率控制精密、输出稳定、频率精度高等优点使其成为主流。更进一步地,功率放大器根据工作状态不同,又可以分为线性功率放大器和开关 型功率放大器,且可以进一步细分。整体来讲,传统线性功率放大器具有较高的 增益和线性度但效率低,而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率,但 线性度差。

匹配网络(Matching Network)需要根据负载阻抗的变化调整可调元件的参数,来 使负载阻抗与射频源达到匹配状态,以减小能量反射、得到最大的功率输出。最 早期的匹配网络为手动匹配器,依靠人工调节,因此匹配时间长、精度低,且依 赖于经验丰富的工程师;而目前自动匹配器已成为主流,可实时监测负载的阻抗 变化并及时对参数做出相应调整,以优化射频源工作状态、减小反射、提高功率 利用率、保证系统稳定性。目前全球主流的射频电源厂商,如 Advanced Energy、 MKS、Comdel(被 XP power 收购)等,均有自家的自动匹配器产品,配套其射频 电源产品成套提供给客户。

射频电源及匹配网络经过几十年的演进实现了长足发展,从早期的基于变压器和 电子管的射频电源和固定匹配网络演变成开关模式电源和自动调谐匹配网络,实 现了可靠、稳定、高效的功率输送,并大大减小了物理尺寸;其后,电源系统逐 步向数模混合控制、全数字控制发展,输出信号也从连续波信号拓展出了脉冲信 号,同时匹配网络也不断演进升级。此外,随着半导体制造在刻蚀、PECVD 等工 艺的复杂度和精细度越来越高,对射频电源及匹配网络也仍在不断提出更高更复 杂的要求。

整体来看,射频电源具有较高的技术壁垒,如何实现高频率、高功率等参数要求 本身便使得其电路和系统设计具有较高的复杂性,而想要满足下游半导体设备等 应用的实际规模量产需求,更是要求有极高的频率稳定精度、更高的效率,以及 需要尽量避免失真、把谐波和杂散控制在较小的范围内。同时也需要匹配网络能 够满足匹配精度高、匹配时间短、可靠性高等方面的要求。 举例而言,射频电源系统在半导体设备的主要作用是激发等离子体,并决定了等 离子体的浓度、均匀度、稳定性,一旦射频电源系统的控制精度不够高,等离子 体的浓度、均匀度等也可能随之波动,进而影响工艺腔室里越来越精细的刻蚀、 PECVD 等工艺的顺利实现。

且随着半导体器件不断发展,如 3D 存储器的层数持续增加、FinFET 继续缩小, 对于射频电源的要求也显著越来越高。如对于层数较高的 3D NAND,其刻蚀需要 达到 70:1 的高深宽比,等离子体中产生的活化离子也需要能一直达到孔的底部, 这需要专门的多频射频和同步射频脉冲来控制离子能量和表面电荷,还需要在微 秒范围内精确测量高速调谐射频功率。