寡头垄断的射频电源

射频电源是可以产生固定频率的正弦波、具有一定频率的高频电源，主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成，是等离子体配套电源。目前射频电源被广泛应用于半导体工艺设备、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。

 射频电源

射频电源主要由5部分组成：直流供电电源模块，震荡电路模块，功率放大模块，射频功率检测模块，射频互锁控制模块。

①直流电源模块是为电源内部控制线路板供电，包括 24V、15V等电压；

②震荡电路模块为晶体震荡部分，产生正弦波信号；

③功率放大模块(Power Amplifier, PA)是几个固态晶体管组成，主要目的是把高频信号，进行功率放大，使得输出功率达到输出要求；

④射频功率检测模块：主要为检测控制电路，通过高频测量电感检测入射功率、反射功率，把该信号提供给主控制板， 实现自动PID控制；

⑤射频互锁控制模块：主要为开关信号模式，可提供安全互锁功能，比如射频输出线互锁，高压互锁，射频输出互锁，过温互锁等控制功能。  

图1：射频电源内部工作原理

图源：网络资源

射频功率放大器被认为是射频电源的核心，是制约射频电源发展的关键因素。射频电源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）。1904年电子管的出现，从根本上解决了射频功率放大器的器件问题，开始被正式应用于各领域。

但是电子管本身存在很多问题：首先它的体积非常大，在某些精密领域限制了电子管射频电源的应用；其次电子管射频电源的寿命还不到晶体管射频电源的一半；最重要的是它的制造工艺非常复杂。因此随着晶体管的发展，电子管逐渐被淘汰。同电子管相比，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。

表1：电子管射频电源与晶体管射频电源对比

图源：电子测量技术-射频电源研究综述-马梅彦

射频电源在半导体设备的应用

半导体射频电源主要应用于刻蚀设备、PVD 和 CVD 设备。 以刻蚀设备为例，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13.56 MHz)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。射频电源直接关系到反应腔体中的等离子浓度，均匀度以及稳定度。在大部分刻蚀设备中，射频电源会和 DC 电源配合使用，以分别控制离子的密度和能量大小。由于电场的加速效应，离子通常以物理和化学两种形式对晶圆进行刻蚀。

图2：电容耦合等离子体刻蚀(CCP)、电感耦合等离子体刻蚀机（ICP）示意图

图源：《半导体制造技术》

刻蚀设备常用的射频系统配置组合为固定频率射频电源和可调的匹配器。在刻蚀工艺发生的过程中，匹配器会自主调节内部的可调电容，使电源本身的输出阻抗和反应负载阻抗相互匹配，以达到射频电源的满功率输出。

在理想的匹配状态中，使所有射频信号均能传到负载位置，并减少其能量的反射功率。当负载阻抗和射频电源输出的阻抗没有处于匹配状态时，少部分输入信号会在负载端反射回射频源，射频电源的输出功率并没有被完全使用，这降低了刻蚀反应发生的效率。

图3：射频电源在PECVD设备的应用

图源：网络资源 PECVD技术是在低气压下，利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上（即样品放置的托盘）产生辉光放电，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的工艺气体，这些气体经一系列化学反应和等离子体反应，最终在样品表面形成固态薄膜。在反应过程中，反应气体从进气口进入炉腔，逐渐扩散至样品表面，在射频电源激发的电场作用下，反应气体分解成电子、离子和活性基团等。                 射频电源市场

根据安信证券，全球半导体射频电源市场规模约为26亿美元。根据 Gartner 数据， 2022 年全球半导体刻蚀设备市场规模将达到 184 亿美元，同比增长 6.98%。根据 Maximize Market Research 数据， 2022 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模预计将达到 220 亿美元，同比增长 15.79%。按照半导体设备毛利率 46.5%、一台半导体设备射频电源约占成本的 12%的假设来测算， 2022 年全球半导体刻蚀设备用射频电源市场规模为 184 亿美元×(1-46.5%)×12%=11.81 亿美元，全球半导体薄膜沉积设备用射频电源市场规模 14.12 亿美元。考虑到其他半导体设备中亦会使用到射频电源，如离子注入设备， 2022 年全球半导体射频电源市场规模将会超过 26 亿美元。

图4：全球半导体刻蚀设备市场规模（单位：亿美元）

图源：Gartner， 安信证券研究中心

图5：全球半导体薄膜沉积设备市场规模（单位：亿美元）

图源：Maximize Market Research， 安信证券研究中心            

竞争格局及国产化

从竞争格局来看，全球射频电源市场是寡头市场，被美国万机仪器(MKS)和美国先进能源工业(AE)垄断，集中度较高。2021年，MKS和AE分别实现营收29.5亿美元和14.6亿美元。其中，半导体业务营收分别为18.3 亿美元和 7.1 亿美元，分别占公司当年营收的62.04%和 48.63%。




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