驱动半导体工艺的高压电源技术

半导体的见解

• 高需求和行业增长将导致到2030年半导体行业规模达到1万亿美元。
• 高压电源技术将在半导体的发展中发挥关键作用，并将成为该行业增长的一部分。

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全球芯片短缺以及日益增长的电气化和数字化趋势，提高了世界对半导体的依赖意识。全球管理咨询公司麦肯锡(McKinsey & Company)的一份报告指出，数字化转型的步伐正在加快，预计到2030年，十年的增长将导致半导体行业规模达到1万亿美元。

为满足未来需求而开发的半导体将比以往任何时候都更强大、更复杂、集成更多功能。虽然关于摩尔定律能严格适用多久的争论仍在继续，但它已经为业界服务了近60年，并且随着设计师将芯片的功能推向新的高度，它仍然具有持续的相关性。将设计转化为现实需要变革性的制造工艺，有数百个连续步骤，即使在复杂性和功耗需求上升的情况下，也有望以最大的生产率和最小的停机时间实现高产量。

精确控制、可靠的高压电源在满足这些期望方面发挥着关键作用。

半导体制造工艺的功率要求

对于蚀刻和沉积，简单的开关模式电源(SMPS)的日子已经一去不复返了，因为在最新的半导体中创建高纵横比(HAR)电路的技术已经变得更加复杂。现在，多个射频(RF)电源产生并控制工艺室内的等离子体，同时将图案蚀刻到晶圆上。将这些电源与阻抗匹配网络相结合，使制造商能够最大限度地提高吞吐量，同时通过几乎瞬间响应蚀刻或沉积工艺步骤中的变化，使工艺功率尽可能低，因为功率被传输到等离子体。

现代离子植入工艺也需要电源和匹配网络的组合。在这里，工艺可以使用输出电压在几十kV的电源进行精密电子和离子束加速，扫描和控制，以及高压脉冲直流电源，以减少电弧，提高沉积速率，改善薄膜平整度和堆积密度。此外，高压功率放大器支持离子束转向。

静电电压表(esvm)已成为晶圆制造过程中控制晶圆的关键元件。测量静电产生了特殊的问题，因为静电系统通常具有高电阻和少量电荷的特点，这阻碍了传统电子仪器的使用。esvm在蚀刻、沉积和离子注入过程中提供高精度的非接触式表面静电电压测量，也用于优化在处理和加工期间夹紧晶圆的静电卡盘(ESCs)中施加的力。

当涉及到检查晶圆时，挑战是在不影响吞吐量的情况下测量精细图案的尺寸。以今天的技术，这需要快速处理高纵横比特征和复杂的三维结构，分辨率低至亚纳米。反过来，这需要高压电源和控制解决方案，以确保稳定和准确的电力输送。

半导体制造的另一个关键功率要求来自于需要保持CVD, PECVD和PEALD等离子室在运行期间尽可能清洁，以最大限度地减少或消除导致工艺停机的主要腔室清洁。这种内联清洗通常通过远程等离子体源(RPS)来实现，RPS使用rf产生的等离子体来解离气体(如NF3)来清洗腔室。

满足当今过程功率要求的技术

对更精确的过程控制和更有针对性和更高效的动力输送的需求正在推动重大的过程动力创新。

例如，在射频电源的情况下，最新的电源和匹配网络几乎立即响应蚀刻或沉积过程步骤的变化，因为功率被传输到等离子体。最近的一项创新是非对称偏置波形发生器，它应用计量和波形控制来提供高速HAR介电结构中敏感特征形成所需的精确偏置等离子体性能。

最新的匹配网络配备了微处理器控制的步进电机驱动器和先进的调谐算法，通过加快调谐和匹配响应时间，进一步支持优化的RF功率交付。其中一些网络集成了射频传感器，以提供过程功率和阻抗的实时分析，使操作人员能够快速识别和减少过程可变性。

对于离子注入和离子束应用，操作人员可以选择各种基于igbt的交流到高压直流(交流到HVDC)电源，确保在全工作范围内高效、可靠地运行。为用于半导体检测的扫描电子显微镜(sem)设计的机架式和基于模块的电子束电源越来越多地提供内置灵活性，以适应各种肖特基发射电子枪配置，以及通过直观的gui实现操作和诊断功能的数字控制。

静电卡盘的电源解决方案也在不断发展，目前提供最佳性能的ESC电源主要基于高压放大器技术。由于ESCs本质上主要是电容性的，高压放大器在夹紧和去夹紧晶圆时提供了最高水平的性能。最新的放大器提供4象限操作，可以独立于输出电压供应和吸收电流，并提供控制参数，如过电流，晶圆当前和晶圆箝位阈值，以及箝位电压，偏置电压和内部或外部振幅/偏置控制。

高压之旅

可靠的高压电源对于离子注入、沉积、蚀刻、电子束光刻、工艺计量和检测以及半导体测试等领域的半导体制造至关重要。随着我们向更小的节点、先进的宽带隙(WBG)和3D技术过渡，对这种功率的精确控制变得更加重要。电源制造商不仅要满足当前的需求，还要预测未来的需求，并为运营商提供灵活的平台，使他们能够应对未来的挑战。

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