新一代信息技术：半导体射频电源行业专题报告.docx

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1、新一代信息技术：半导体射频电源行业专题报告1半导体射频电源：刻蚀+CVD工艺的核心，技术壁垒高1.1射频电源：半导体工艺控制的核心，半导体零部件国产化最难关卡什么是射频电源？是用来产生射频电功率的电源。核心作用一通过产生高频电磁场，将在低压或常压下的气体进行电离、从而形成等离子体。由于不同气体产生的等离子体具有不同的化学性能，从而在腔体内部实现不同的工艺需求。下游应用：射频电源被广泛应用于半导体工艺设备、LED与太阳能光伏产业、科学研究、射频感应加热、医疗美容、常压等离子体消毒清洗等领域。工作频率一般处于2MHz至60MHz之间。射频电源由五部分组成：输入电路、功率放大电路、阻抗匹配网络、信号

2、检测电路和控制电路。其中，功率放大和阻抗匹配是技术突破的重难点。输入电路：包括直流供电电源模块+振荡电路模块，作用分别为供电和发出信号源。核心作用：决定电源最终输出的频率和波形，进而影响系统稳定性。功率放大电路：射频电源的核心，是制约射频电源发展的关键因素。由几个固态晶体管组成。核心作用：振荡电路产生的信号源功率难以达到设备用电要求，故须进行功率放大，从而使功率达到输出要求，其性能决定了电源系统整体性能。阻抗匹配网络：射频传输的效率关键在于阻抗匹配，其目的是保证信号或能量能有效从信号源传送到负载。其主要功能是实时跟踪负载阻抗变化，保障射频电源和负载之间一种处于抗阻匹配状态。核心作用：使得射频功

3、率源输出的功率能被负载全部吸收，从而提高系统的频率和稳定性能。信号检测电路：用于检测射频电源负载的电压电流信号，并传输给控制电路。控制电路：由脉冲信号发生器和调制驱动电路组成。主要作用：是调制电源的信号输出，使机器持续稳定工作，实现对射频电源输出功率的控制。在电路中，功率变化过程为：低频交流电(50Hz60Hz)一直流电一高频交流电(2MHZ或以上)O图3:射频电源结构图：功率放大、阻抗匹配为核心难点射频信号射频输出DC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：阻抗的高速匹配。现代工艺中各步骤之间的转换

4、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。多频率电源的提供。海外供应的电源系统通常使用sourceRF和biasRF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

5、、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。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

6、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。

7、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3000Wo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：高低频同时作用于反应室，高频为主，低频调制为辅；高低频交替作用于反应室，可以快速切换；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CCPICP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

8、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)、漠(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)o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

9、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2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sourceRF和biasRF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

10、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

11、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

12、、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氟气；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）；使用氮气或氮气惰性气体清洁易氧化材料，如铜，银等。2行业趋势：全球/国内270/70亿市场，国产替代开始提速2.1

13、市场空间：国内70亿元市场，受益新增+存量替换需求驱动射频电源作为半导体设备的核心零部件之一，伴随半导体CVD,刻蚀机等核心设备的市场空间同步成长。新增扩产+存量替换市场需求大。1）新增需求：射频发生器是射频电源的重要组成部分，据芯谋研究统计，2020年射频发生器在晶圆厂零部件采购中占比达10%,仅次于石英(11%),受益新增扩产需求。2)存量替换需求：射频电源使用寿命约为56年，短于半导体腔体的使用寿命、需求定期进行维保或更换，部分晶圆厂有直接备存射频电源的需求。我们通过成本占比法对全球/中国半导体射频电源市场空间进行测算，核心假设：半导体设备市场规模：由于全球半导体市场疲软及行业周期性波动

14、，SEMI预计2023年半导体设备全球销售额将从2022年的1074亿美元减少18.6%,至874亿美元。2024年将复苏至LOoo亿美元，同比增长14.4%,主要因高性能计算和无处不在的连接驱动的长期强劲增长；半导体设备中射频电源价值量占比：根据中国刻蚀设备行业现状深度研究与投资趋势预测报告(2022-2029年)，膜沉积设备、刻蚀设备、离子注入机和去胶机占比分别为27%22%3%1%;射频电源占设备成本：假设射频电源成本约占等离子体加工设备12%,假设毛利率为45%,则半导体射频电源占设备价值量比为7%;假设人民币兑美元汇率为7(USDCNY=7);测算结论：预计2025年全球半导体射频电

15、源市场空间有望达270亿元，国内市场空间达70亿元。未来伴随着半导体资本开支的上行、市场空间有望持续打开。图12:2021前三季度拓荆科技采购电气（含电源）占比27%系 类类类 施类类送 外统表备设扑统类输类一系仪设配枕系类械例气电空器属次艺动他机气电机真仪附二 工气其 2.2竞争格局：美系厂商寡头垄断，国产订单已批量突破、实现国产替代射频电源是技术壁垒最高的半导体设备零部件之一，要实现高功率和高效率厂商需要对内部电路和结构设计有较深的技术积累，如频率精度、响应时间、匹配精度、匹配时间；并配合客户共同不断调试。此外，制程节点不断革新衍生出脉冲输出、多频射频等高端需求，国内厂商要克服较多技术难题

16、。全球竞争格局：全球射频电源主要被美系厂商垄断，头部厂商主要包括MKS（美）、AE（美）、Comdel（日）、DAIHEN（日）和TRUMPFHUttinger（德）等。据我们测算，2022年美国MKS和AE合计市占率达87%,其余为日德企业占据少量份额，国产化率极低。国内竞争格局：在半导体卡脖子背景、国内厂商英杰电气、恒运昌、北广科技与下游设备厂（中微股份、拓荆科技、北方华创等）共同成长，在射频电源产品供应方面已实现批量订单突破。1）英杰电气：应用于半导体设备的射频电源已实现批量订单（截至2023年11月29日，已突破9000万元订单），正呈现逐渐增量的趋势。2）恒运昌：2019年底公司与沈阳拓荆科技有限公司正式签署了战略合作备忘录。2022年6月17日，拓荆科技以自有资金人民币2000万元向恒运昌增资并参股