半导体射频电源专题：激荡频波，驭势而行

1证券研究报告作者：行业评级：上次评级：行业报告|请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明专用设备强于大市强于大市维持2024年03月04日（评级）分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001分析师张钰莹SAC执业证书编号：S1110523080002半导体射频电源专题：激荡频波，驭势而行！行业专题研究 摘要2请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明射频电源：高技术壁垒核心零部件✓射频电源是可以产生300KHz-300MHz频率的高频交流电源，虽然射频的频段很宽，但半导体设备用的射频电源工作频率一般处于2MHz至60MHz之间。核心技术难点在于参数稳定性、控制精度与阻抗匹配。随着技术的不断发展，市场将逐渐向高频、高功率、小型化和能效方向发展。射频电源应用：✓1）半导体：刻蚀、薄膜沉积、干法清洗、离子注入等。2）光伏：PECVD、RPD等。3）面板：TFT阵列、CELL成盒制作等。半导体射频电源市场：国外头部企业垄断、市场集中度较高✓2022年全球半导体射频电源市场销售额达到了7.26亿美元，预计2029年将达到14.57亿美元，年复合增长率（CAGR）为11.18%（2023-2029）。中国市场（含中国台湾地区）2022年市场规模为96.6百万美元，约占全球的13.31%。✓2022年，全球第一梯队厂商主要有万机仪器、美国优仪（AE）、日本大阪变压器株式会社，占有大约52.95%的市场份额。海外半导体射频电源公司如何发展：✓MKS：向半导体行业提供环形等离子体源的领导者，面向FinFET开发自适应脉冲技术，以一致的脉冲提供射频功率。✓AE：拥有更稳定的eVerest系列射频等离子体发生器、更快更准的NavigatorII系列射频匹配网络，专有算法PowerInsight应对匹配网络生命周期的不确定性。深耕全射频传输系统，为多种工艺提供不同产品匹配方案。✓DAIHEN：1986年开始生产半导体制造设备用的射频发生器，使用内部等离子体评估室进行技术开发（如脉冲输出和频率调谐）、产品性能评估以及功能改进。相关标的：英杰电气、爱科赛博、北方华创等。风险提示：技术与产品研发风险、市场开拓风险、需求波动风险等。文中所提爱科赛博业绩预告数据仅为初步核算数据，准确的财务数据以公司正式披露的年报为准。 射频电源：高技术壁垒核心零部件13请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 电源：给电气或电子设备提供电力的装置，主要作用是将电网、发电机、电池等发出的一次电能转换为可供用电设备使用的二次电能。电源按输出类型可分为直流电源和交流电源，而交流电源按照频率大小可以分为中频电源、射频电源、微波电源。射频电源：可以产生300KHz-300MHz频率的高频交流电源，虽然射频的频段很宽，但半导体设备用的射频电源工作频率一般处于2MHz至60MHz之间。射频电源应用领域：射频电源主要用于PECVD、HDPCVD、PEALD、干法刻蚀、去胶、PVD、干法清洗等设备中，起到激发等离子体、选择刻蚀方向等作用。LED与太阳能光伏行业、科学研究、射频感应加热、医疗美容及常压等离子体消毒清洗等领域也有应用。资料来源：合肥协同半导体产业研究院公众号，中科英智公众号，天风证券研究所41.1 射频电源（RFPowerSupply）：高技术壁垒核心零部件图：射频电源应用场景 射频电源分类：根据采用的功率放大器类型不同，可分为电子管射频电源与晶体管射频电源（又称为全固态射频电源）。✓电子管射频电源：电子管本身存在很多问题，包括体积大，在某些精密领域限制了应用；寿命不足晶体管射频电源的一半；制造工艺复杂。因此随着晶体管的发展，电子管逐渐被淘汰。✓晶体管射频电源：与电子管相比，晶体管射频电源的体积要小很多，同时它的损耗低、寿命长、产生很少的热量。资料来源：射频电源研究综述_马梅彦，壹芯微科技官网，中国科学院半导体研究所公众号，天风证券研究所51.1射频电源（RFPowerSupply）：高技术壁垒核心零部件表：电子管射频电源与晶体管射频电源对比指标电子管射频电源晶体管射频电源稳定性强差输出功率大小寿命寿命低：1000-2000h寿命高：大于5000h转换效率低大于80%反射功率能承受较大反射功率对反射功率较敏感体积体积较大不利于小型化体积较小利于小型化热量多少图：电子管结构示意图图：晶体管结构示意图 射频信号源：射频信号源主要作用是提供射频信号基础频率。放大模块：信号放大模块通过功率放大管对基础信号进行逐级放大。每一级信号放大后，信号源产生的正弦波容易出现移相的情况，射频信号会互相抵消，需要进行信号耦合调整（调相、调频），调相、调频主要依靠耦合器件来完成。匹配器：当射频电源的阻抗与负载的阻抗不一致时，射频电源发出的射频信号会被负载所反射，会对射频电源造成伤害，并降低射频电源的输出效率。阻抗匹配器主要起到阻抗匹配的作用，减少被反射的射频信号。开关电源：开关电源主要起到将交流电整流为直流电的作用，为各模块供电。控制模块：控制模块会不间断对控制点的信号进行采样、检测和反馈，当出现超出正常范围的信号功率变化，控制模块会根据算法进行警报、微调。控制模块最重要的参数是采样、检测和反馈的速度，而参数的实现主要取决于芯片算力和软件算法。显示面板：显示面板主要作用是显示控制模块发出的信息。资料来源：合肥协同半导体产业研究院公众号，天风证券研究所61.2 射频电源原理及结构图：射频电源工作原理 1、核心技术难点在于参数稳定性、控制精度与阻抗匹配✓射频电源主要技术难点在于电源波形、频率和功率等参数稳定性的提升，以及在腔体中激发出的等离子体浓度、均匀度及相应的控制精度，稳定性与控制精度对于薄膜沉积厚度、密度、应力、速率，以及深孔刻蚀质量至关重要。✓由于等离子体行为在微秒以下的时间尺度上演变，射频传输系统必须能够以非常低的群延迟感知和控制事件。为此，控制通常由高速数字控制器提供复杂的DSP(数字信号处理)和反馈/前馈控制算法。资料来源：财盈半导体公众号，MKS官网，天风证券研究所71.3 射频电源技术难点图：射频能量驱动和维持等离子体示意图图：等离子体变化过程示意图 2、半导体制程微缩化发展，面临复杂工艺过程中功率输送的一致性与准确性问题✓3DIC时代芯片制造工艺设备的电源系统，各工艺步骤间的功率水平、气体流量、压力变化不一，致使等离子体阻抗急剧变化，因此，射频电源系统的功率传输与阻抗匹配的创新必须与工艺创新保持同步。阻抗匹配器将射频信号源与负载阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功率均可被等离子体负载全部吸收，即得到最大的输出功率。✓匹配网络可以提供从等离子体室到发电机的固定、离散或连续阻抗转换。大多数匹配网络采用步进电机驱动的真空可变电容(VVC)来调节等离子体阻抗变化时的阻抗变换。由于步进电机/VVC方法与等离子体动力学相比速度较慢，因此电子匹配网络正在兴起，用于脉冲射频、原子层沉积(ALD)和原子层蚀刻(ALE)等高速应用。资料来源：财盈半导体公众号，伊恩埃官网，MKS官网，天风证券研究所81.3 射频电源技术难点图：AENI Matching Networks射频匹配器图：四类功放器波形 目前国内先进等离子体设备中应用的射频电源，其主要技术性能（如输出功率、频率，阻抗匹配网络等）已和国外同类电源无甚差别，但在自动化水平、体积以及应用范畴方面还有一定差距。因而，要跟上国际水平，还需进行以下工作：✓1、小型化：国内射频电源采用的都是电子管或电子管、晶体管混合电路，体积较大，在对体积有要求的地方，限制了应用。因此需要采用新兴的技术、新型的元器件，使射频电源固态化，更小型化。✓2、阻抗自动匹配：国外的阻抗自动匹配网络已产品化，设备更趋于完善。目前国内还是手动，在一般状况下能够满足工艺请求，但操作时稍不留意仍会匹配不佳。用自动匹配取代手动是目前需要解决的工作重点之一。✓3、多类型：我国需开扩射频电源的应用范畴，研制多性能、多种类的射频电源，如宽频带电源、微波电源等，为电源的发展开创新的道路。资料来源：wattsine公众号，合肥协同半导体产业研究院公众号，天风证券研究所91.4射频电源：产业发展瓶颈及行业趋势参数类型描述功率误差代表实际输出功率与目标输出功率之间的偏差范围，数值越小越好。频率误差代表实际输出频率与目标输出频率之间的偏差范围，数值越小越好。正向功率与反向功率代表射频电源可输出功率的范围。功率提升速度代表射频电源功率从0W提升到目标功率需要的时间。驻波比代表发射波和反射波匹配程度的参数，当发射波和反射波不匹配时，在相位相同的地方电压最大形成波腹，在相位相反的地方电压最小形成波节，而波腹电压和波节电压之比就是驻波比。谐波谐波无法避免，但要必须控制在<=-45db的水平。杂波杂波无法避免，但要必须控制在<=-45db的水平。电弧管理需要避免产生电弧，因为电弧可能导致整批晶圆报废。表：射频电源主要技术参数 射频电源应用：✓半导体：刻蚀、薄膜沉积、干法清洗、离子注入等✓光伏：PECVD、RPD等✓面板：TFT阵列制作、CELL成盒制作等210请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 刻蚀：✓使用化学或物理化学的方法在刻蚀对象表面去除不需要的材料，可以分为干法刻蚀（等离子刻蚀）和湿法刻蚀，目前干法刻蚀在半导体刻蚀中占主流地位，市场占比超过90%。✓刻蚀气体（主要是CF4）通过气路系统通入反应腔室后，被射频电源产生的高频率电场(通常为13.56MHz)电离从而产生辉光放电，完成从气体分子到离子的转变，形成等离子体(Plasma)，提高气体反应活性。✓射频电源是等离子刻蚀设备的核心部件，为设备提供稳定的射频源，用于电离气态的化学刻蚀剂，直接关系到反应腔体中的等离子浓度，均匀度以及稳定度。资料来源：合肥协同半导体产业研究院公众号，财盈半导体公众号，MKS官网，天风证券研究所112.1.1 射频电源在半导体领域的应用：刻蚀图：电感耦合等离子体刻蚀（ICP）示意图图：电容耦合等离子体刻蚀(CCP)示意图 薄膜沉积：✓1、PECVD：主要通过射频电源使工艺气体离子化，然后离子化后的气体通过扩散到达衬底表面，进而发生化学反应，完成薄膜生长。射频电源是PECVD镀膜设备的核心部件，为设备提供稳定的射频源，以此生成辉光放电等离子体。✓2、HDPCVD：是一种可以同时进行薄膜沉积与刻蚀制程的技术，极大提高了生产效率。HDPCVD设备有两个射频电源，其中一个射频电源（SourceRF）用于产生并维持等离子体，而另一个射频电源（BiasRF）用于控制反应腔中高能粒子的轰击力度和方向，从而实现在小于0.5μm的间隙中镀膜不产生夹断和空洞。✓3、PEALD：将气相的前驱体A与等离子活性化的前驱体B交替地通入反应室，从而实现以单原子层的形式一层层沉积具有特殊功能的薄膜。射频电源主要为设备提供稳定的射频源来电离前驱体气体。✓4、PVD：磁控溅镀设备通过射频电源使工艺气体电离，产生带正电的离子，然后通过大功率DC电源产生电磁场，使带正电的等离子体受到负电极的吸引，撞击位于负极的靶材。靶材上的原子受到撞击并脱落，最终沉积于基体表面，实现镀膜效果。资料来源：合肥协同半导体产业研究院公众号，财盈半导体公众号，MKS官网，天风证券研究所122.1.2 射频电源在半导体领域的应用：薄膜沉积图：HDPCVD系统示意图图：射频电源在PECVD设备的应用 干法清洗：✓干法清洗设备的工作原理与等离子刻蚀设备类似，实质上是一种程度较轻的等离子刻蚀。干法清洗通过射频电源将化学气体电离，使其更容易与待清洗材料发生反应，并形成可挥发的生成物，最后将挥发的生成物抽离反应腔完成清洗。离子注入：✓离子注入是一种添加工艺，利用高能量离子束冲击的形式，将掺杂原子打入半导体中，从而控制半导体的导电率。用离子注入的方式可以通过调整离子束电流大小和注入时间来控制掺杂物浓度，离子注入是目前最主要的掺杂方式。射频电源主要用于离子源的射频模块，为设备提供稳定的射频源来产生等离子体。资料来源：合肥协同半导体产业研究院公众号，纳恩科技公众