今天介紹一個(gè)行業(yè)內(nèi)很火，行業(yè)外讓人一頭霧水的設(shè)備——“射頻電源”。你可能從來(lái)沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)這四個(gè)字，但它正悄無(wú)聲息地決定著每一顆芯片的生死。

今天，我們把聚光燈打到這臺(tái)幕后設(shè)備上，講兩件事：等離子體是怎么干活的，以及射頻電源是怎么驅(qū)動(dòng)它的。

射頻電源，素材來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室

01

半導(dǎo)體工藝中，

等離子體是怎么發(fā)揮作用的？

我們認(rèn)識(shí)了固、液、氣以外的物質(zhì)第四態(tài)——等離子體（Plasma）。

物態(tài)變化，素材來(lái)源：AI生成，圖片僅作示意

在半導(dǎo)體制造的數(shù)百道工序中，等離子體的應(yīng)用貫穿了幾乎所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

它到底是怎么“動(dòng)手”的？下面舉三個(gè)例子——

素材來(lái)源：AI生成，圖片僅作示意

如果說(shuō)光刻機(jī)負(fù)責(zé)在晶圓上"畫(huà)出"電路圖案，那等離子體就是照著圖案把結(jié)構(gòu)"刻進(jìn)"晶圓的刻刀——沒(méi)有它，絕大部分納米級(jí)的立體結(jié)構(gòu)根本無(wú)法成型。

在刻蝕環(huán)節(jié)，等離子體的任務(wù)是“拆”——把晶圓表面不需要的材料精準(zhǔn)挖掉。但它不是隨便亂拆，而是要像定向爆破一樣，只往下挖、不往兩邊擴(kuò)。

等離子體包含活性自由基和帶電離子。活性自由基（比如來(lái)自CF4、SF6的氟自由基）就像炸彈撲到材料表面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，把固體變成能被抽走的氣體。帶電離子被電場(chǎng)加速，像無(wú)數(shù)把垂直下落的錘子，只砸溝槽的底部。

等離子體刻蝕，素材來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

關(guān)鍵就在這個(gè)配合：帶電離子把溝槽底部的反應(yīng)物砸掉、砸松，讓自由基能繼續(xù)往下反應(yīng)；而溝槽的側(cè)壁因?yàn)殡x子砸不到，自由基啃不動(dòng)表面保護(hù)層，化學(xué)反應(yīng)很快自己停下來(lái)，所以只在垂直方向上發(fā)生刻蝕。

素材來(lái)源：AI生成，圖片僅作示意

在沉積環(huán)節(jié)，等離子體的任務(wù)完全相反——不是“拆”，而是“建”，在晶圓表面生長(zhǎng)出一層薄膜。

傳統(tǒng)CVD方法是用高溫?zé)霰∧ぃr底溫度往往超過(guò)1000℃；PECVD是借助等離子體激發(fā)出薄膜，整個(gè)沉積過(guò)程可以在400℃以下完成，不損失芯片底層結(jié)構(gòu)。

等離子體在這里的作用，是替代高溫為化學(xué)反應(yīng)提供能量。用于成膜的氣體（比如SiH4、NH3等）在形成等離子體的過(guò)程中，氣體分子被高能電子撞擊，發(fā)生電離、解離，產(chǎn)生大量活性粒子（自由基、離子等）。這些活性粒子本身能量很高，不需要高溫就能在晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐步沉積形成薄膜。

素材來(lái)源：AI生成，圖片僅作示意

在晶圓的多道加工工序之間，表面常常會(huì)殘留有機(jī)物、光刻膠殘?jiān)⑽⑿☆w粒等污染物，這些雜質(zhì)如果不徹底清除，會(huì)直接影響后續(xù)工藝，導(dǎo)致薄膜附著不良、圖形失真、器件性能下降甚至失效。

但晶圓表面的微結(jié)構(gòu)非常精密脆弱，不能物理擦拭，否則會(huì)造成劃傷；普通濕法清洗也可能腐蝕底層材料，或產(chǎn)生試劑殘留、污染環(huán)境。因此現(xiàn)代制程普遍采用等離子體清洗，它以化學(xué)反應(yīng)為主，屬于無(wú)損傷干式清洗。

等離子體清潔，素材來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

以最常見(jiàn)的氧氣等離子體為例：氧氣在電場(chǎng)作用下解離出高活性氧自由基，這些自由基與有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)，將其分解為二氧化碳、水等氣態(tài)小分子，再由真空泵抽走，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)殘留、無(wú)劃痕的潔凈效果。對(duì)于一些難以被化學(xué)反應(yīng)去除的殘?jiān)梢允褂脷鍤獾入x子體，通過(guò)輕微濺射輔助剝離雜質(zhì)，與化學(xué)作用結(jié)合，達(dá)到更徹底的清洗效果。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：等離子體清洗就是晶圓的 “氣態(tài)干洗”，干凈、溫和、無(wú)損傷，是芯片制造中必不可少的清潔環(huán)節(jié)。

等離子體工藝貫穿芯片生產(chǎn)流程，素材來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

除了以上三大塊，等離子體還在離子注入等其他工藝中扮演更多不同的角色。拆遷、搬磚、清潔……工藝不同，等離子體的配方和任務(wù)也各不相同。那么問(wèn)題來(lái)了：誰(shuí)在指揮調(diào)度它們，讓它們以準(zhǔn)確的角色參與到半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝當(dāng)中？

目前應(yīng)用最廣泛、最主流的，就是射頻電源。

02

等離子體的能量從哪來(lái)？

我們已經(jīng)知道，氣態(tài)物質(zhì)必須吸收足夠能量，才能被電離成等離子體。

在半導(dǎo)體設(shè)備中，這股能量就來(lái)自電源。不過(guò)，這個(gè)電源并不是生活中隨處可見(jiàn)的插座取電。生活用電的頻率太低了，它能驅(qū)動(dòng)各種生活電器，但卻帶不起來(lái)等離子體。

物質(zhì)在1秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫做頻率，單位是赫茲（Hz）。我們家里插座里的電是交流電，頻率是50Hz，即電流方向每秒來(lái)回變化50次。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，射頻電源所指的“射頻”，本質(zhì)是高頻交變電場(chǎng)。最常用的頻率是13.56MHz，也就是每秒變化1356萬(wàn)次——比我們?nèi)粘Ｓ玫?0Hz交流電高出約270萬(wàn)倍。

頻率對(duì)比波形圖，素材來(lái)源：AI生成，圖片僅作示意

在這個(gè)節(jié)奏下，電場(chǎng)方向以每秒上千萬(wàn)次的速度來(lái)回翻轉(zhuǎn)，電子在電極之間來(lái)回振蕩，走不了幾步就被拉回來(lái)，結(jié)果只能被困在原地附近“瘋狂抖動(dòng)”，積蓄著極高的動(dòng)能，這大大增加了電子和氣體分子碰撞的幾率。當(dāng)這些高速振蕩的電子撞上氣體分子時(shí)，瞬間將氣體電離，形成穩(wěn)定可控的等離子體。

這里有個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：這股能量必須掐得特別準(zhǔn)。

• 給少了：氣體電離不充分，等離子體密度不夠，“沒(méi)勁兒”，刻蝕刻不動(dòng)，沉積堆不上。

• 給多了：等離子體里的離子“太暴躁”，能量過(guò)高，會(huì)像子彈一樣把芯片底層電路撞壞。

射頻電源不僅能夠?yàn)榈入x子體提供所需的能量，還可通過(guò)精確控制輸出頻率和功率，調(diào)節(jié)等離子體的能量和性質(zhì)，讓它滿(mǎn)足刻蝕、沉積、清洗等不同工藝的需求。

03

為什么說(shuō)射頻電源是“隱形心臟”？

一套完整的射頻電源，主要由三部分配合工作：負(fù)責(zé)輸出能量的射頻功率源、負(fù)責(zé)統(tǒng)籌調(diào)控的智能控制單元、負(fù)責(zé)讓能量順暢傳遞的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（Match Network）。

其中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)電源最核心、技術(shù)難度最高的部件。

“阻抗”可以簡(jiǎn)單理解為電路中能量傳遞的 “通行阻力”，就像水管里的水流阻力——當(dāng)管道寬窄或水壓發(fā)生變化，阻力會(huì)隨之改變。

等離子體在刻蝕、沉積的過(guò)程中，濃度、狀態(tài)一直在實(shí)時(shí)改變，會(huì)讓能量傳遞的 “阻力” 不斷改變，導(dǎo)致能量大量反射、無(wú)法高效輸送。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)要在極短時(shí)間內(nèi)快速調(diào)節(jié)，讓電源與等離子體的阻抗保持一致，確保能量無(wú)損耗、無(wú)反射地精準(zhǔn)送達(dá)反應(yīng)腔，既穩(wěn)住等離子體狀態(tài)，又保護(hù)設(shè)備不受反射功率損傷。

射頻電源看似只是一個(gè)供電模塊，實(shí)則是等離子體工藝的精準(zhǔn)控制中樞。它輸出的頻率、功率、穩(wěn)定性，直接決定等離子體是否均勻、可控、可靠，進(jìn)而影響整片晶圓的工藝質(zhì)量與芯片良率。制程越先進(jìn)，對(duì)射頻電源的響應(yīng)速度、噪聲控制、阻抗匹配要求就越嚴(yán)苛。

長(zhǎng)期以來(lái)，高端半導(dǎo)體射頻電源市場(chǎng)被海外廠商主導(dǎo)，形成了較高的技術(shù)壁壘。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年全球射頻電源市場(chǎng)規(guī)模達(dá)53億美元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)超120億元，但是由于技術(shù)難度高，國(guó)內(nèi)射頻電源長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，且主要由美國(guó)公司壟斷，國(guó)產(chǎn)化率僅為12%。我國(guó)在等離子體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化不斷突破的同時(shí)，射頻電源已成為產(chǎn)業(yè)鏈自主可控必須攻克的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它不像光刻機(jī)那樣萬(wàn)眾矚目，卻默默支撐著各項(xiàng)核心工藝，為半導(dǎo)體精密制造提供了不可替代的工藝基礎(chǔ)。

射頻電源市場(chǎng)情況，素材來(lái)源：AI生成，圖片僅作示意

產(chǎn)品多型號(hào)覆蓋2 MHz-40.68 MHz主流工藝頻率，采用全數(shù)字智能控制與高效電路拓?fù)洌邆涔β示雀摺⑦\(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、阻抗匹配能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛適配刻蝕、PECVD、PVD、PEALD、等離子清洗等關(guān)鍵等離子體工藝，覆蓋半導(dǎo)體、光伏、平板顯示、MEMS與高端制造等多個(gè)領(lǐng)域。

射頻電源，素材來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)然，射頻電源并非等離子體的唯一驅(qū)動(dòng)方式。在對(duì)等離子體密度要求更高的特殊工藝中，還有一條關(guān)鍵技術(shù)路線(xiàn)——微波電源。它工作在2.45GHz的更高頻段，能產(chǎn)生密度高出百倍的等離子體，補(bǔ)上射頻電源難以覆蓋的工藝缺口。二者并非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是分工明確、各司其職的最佳搭檔。

微波電源究竟如何工作？它和我們廚房里的微波爐同源同頻，卻承擔(dān)著完全不同的使命。背后到底有什么講究？且看下期細(xì)說(shuō)。

參考資料

1. https://www.bohrium.com/sciencepedia/feynman/keyword/plasma_etching

2. https://mp.weixin.qq.com/s/lNiNbS5Og4RngrXaqJDTWA

3. https://mp.weixin.qq.com/s/VA0GA8HlH4Hh7J124lYgsg

4. https://mp.weixin.qq.com/s/tCmWIsslSkDNZLAuwbMFYA

5. https://mp.weixin.qq.com/s/XY86rcV5mYQxig9WN2APaw

來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室進(jìn)校園

編輯：Bingbing

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