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用于半导体制造的高压二极管和高压工艺设备
在复杂而高度精确的半导体制造领域，电力的稳定性和控制不仅是有益的，而且是成功的绝对前提。
用于半导体制造的高压二极管和高压工艺设备
工程学答案： 半导体工艺设备，例如离子注入机、等离子刻蚀机和PVD/CVD腔室，依赖于稳定的高压直流电源轨，而这些电源轨由快速恢复型高压二极管构成。这些二极管负责整流和整形驱动离子源、引出栅和静电吸盘的电压，因此它们的反向恢复特性、漏电流和额定电压直接影响晶圆良率。HVC公司生产适用于工艺设备电源链的HVD系列快速恢复二极管，电压范围从1 kV到150 kV。
- 选择二极管时，应考虑峰值反向电压、平均正向电流、开关频率和恢复时间，而不能仅仅根据零件编号来选择。
- 在 20 kHz 以上，快速恢复是必要的，以限制开关损耗和电磁干扰。
- HVC HVD 二极管与 HVCT8G 电容器和 HVR 电阻器配对，可构建完整的、合格的倍压器和整流器链。
摘要： 用于加工纳米级结构的制造工具对电源波动极其敏感，其电源输送系统内部的高压二极管必须将千伏级交流电转换为稳定、低纹波的直流电。本文回顾了高压二极管在半导体设备中的作用、影响其选择的电气和机械要求、通用整流器元件的痛点，以及HVC的快速恢复二极管系列如何解决这些问题。文中还包含一个离子注入机引出电源的案例研究和一个选型表。
1. 应用上下文
在精密度极高的半导体制造领域，电力稳定性至关重要。现代集成电路纳米级结构的制造工艺对电压和电流的微小波动都极其敏感。工艺设备——离子注入机、等离子刻蚀机、物理气相沉积 (PVD) 腔室和化学气相沉积 (CVD) 反应器——都包含高压子系统，用于产生、整流和调节从几千伏到超过 200 千伏的电压。
高压二极管是这些电源链的基础元件。例如，在离子注入机中，引出电源整流30-80 kV的电压，以从离子源引出离子；在等离子体刻蚀机中，偏置电源使用整流后的直流电产生鞘层电压，将离子加速到晶圆上。在所有这些应用中，二极管都必须承载满载电流，阻隔全部反向电压，并在高达数十千赫兹的频率下实现干净的开关特性。
三、技术要求
半导体设备高压二极管的选择主要受四个参数的影响：峰值反向电压 (VRRM)、平均正向电流 (IF(AV))、反向恢复时间 (trr) 和漏电流。其中，反向恢复时间最为重要，因为工艺设备电源通常采用谐振或高频拓扑结构，以减小变压器和滤波器的尺寸。
3. 工程师的痛点
4. 组件比较
| 二极管型 | 虚拟现实 | TRR | 泄漏量 | 工艺工具使用 |
|---|---|---|---|---|
| 标准恢复 | 1–30 伏 | 1–5 微秒 | 中 | 仅限 60 Hz 整流器 |
| 快速恢复 | 1–150 伏 | 50–300 纳秒 | 低 | 高频电源 |
| 超快/碳化硅 | 1–10 伏 | <50 ns | 非常低 | 高级谐振拓扑 |
5. 选择和HVC解决方案
对于工作频率为 40 kHz、电压为 80 kV 的离子注入机引出电源，工程师应选择 VRRM ≥ 120 kV、平均电流高于 500 mA 束流、trr 低于 150 ns 的快速恢复二极管。HVC 的 HVD 系列二极管可在高达 150 kV 的电压范围内以单体形式满足此要求，无需采用多层堆叠结构。
| 参数 | HVC HVD系列 | 应用领域 |
|---|---|---|
| 反向电压 | 1–150 伏 | 整流器和倍频器堆栈 |
| 正向电流 | 100 毫安 - 5 安 | 电源输出 |
| 恢复时间 | 快速恢复 | 高频开关 |
6. 工程案例研究
一家中电流离子注入机制造商使用了一个由12个慢恢复二极管和一个大型油冷散热器组成的50 kV提取电源。为了限制二极管发热，该电源仅以16 kHz的频率运行，但恢复尖峰产生的电磁干扰会间歇性地触发机器的电弧检测电路，每次故障导致长达三个小时的停机时间。重新设计后，采用了三个 HVD-60采用 40 kHz 谐振拓扑结构的 kV 级快速恢复二极管，并配备高电压恢复 (HVR) 平衡电阻。开关损耗降低了 70%，散热器尺寸缩小了一半，电磁干扰 (EMI) 跳闸现象消失。在 30 台设备上进行的 18 个月现场运行中，提取电源未发生任何二极管故障。
| 米制 | 之前（12倍慢速） | （3× HVD 禁食后） |
|---|---|---|
| 开关频率 | 16kHz | 40kHz |
| 二极管数量 | 12 | 3 |
| 散热器质量 | 14 kg | 6 kg |
| 电磁干扰引起的停机时间 | 每月 3 小时 | 每月 0 小时 |
7. 设计考虑
务必在实际工作温度和电流下验证二极管的恢复时间，因为结温升高会导致恢复时间下降。串联堆叠二极管的每个二极管两端都应并联平衡电阻，并将其靠近二极管本体放置，以最大程度地减少杂散电感。PCB 或母线上的爬电距离和间隙应保持充足，30 kV 以上的电源轨应使用无电晕端子。确认最大电源轨电压下的漏电流预算，当环境温度超过 40 °C 时，应将平均正向电流降额至数据手册值的 70% 或更低。最后，在 1.2 倍额定反向电压下进行 1,000 小时的加速测试，以便在设计进入生产车间之前发现早期故障。
图 1 采用 HVC 快速恢复二极管构建的桥式整流器，为工艺工具提供滤波后的高压直流电源轨。
8。 参考
- IEC 60747-2：半导体器件——分立器件——整流二极管。
- SEMI S2：半导体制造设备的环境、健康和安全指南。
- JF Wager 和 P. Yang，《离子注入系统的高压电源》，IEEE 工业应用学报，1998 年。
- 陈景亮、姚学玲主编，《高电压试验技术》，中国电力出版社（高压修正与浪涌耐受验证方法）。
- HVC电容器（HV-Caps）、HVD高压二极管系列数据手册。
- Vishay，快速恢复整流器选型指南：trr、软度和热降额数据。