半导体制造设备系列(2)-涂胶/显影设备

半导体制造设备系列(2)-涂胶/显影设备

涂胶/显影设备是在光刻工艺中与光刻机配合作业的重要设备。在曝光前，由涂胶机进行光刻机的涂覆；而后是光刻机对光刻胶进行曝光；在曝光后由显影设备进行光刻图案的显影。在后道的先进封装中，使用类似前道的制造方式，所需涂胶/显影设备类别也大体相同，只在关键尺寸与精度上同前道有区别。

一、涂胶/显影设备原理：

涂胶/显影机作为光刻机的输入（曝光前光刻胶涂覆）和输出（曝光后图形的显影）， 主要通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理， 从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程，其不仅直接影响到光刻工序细微曝光图案的形成，显影工艺的图形质量对后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果也有着深刻的影响， 是集成电路制造过程中不可或缺的关键处理设备。

图1. 光刻工艺流程

涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，包括涂胶机（又称涂布机、匀胶机，英文简称Spin Coater）、喷胶机（适用于不规则表面晶圆的光刻胶涂覆，英文简称 Spray Coater）和显影机（英文简称 Developer）。在早期的集成电路和较低端的半导体制造工艺中，此类设备往往单独使用（Off Line）。随着集成电路制造工艺自动化程度及客户对产能要求的不断提升，在 200mm（8 英寸）及以上的大型生产线上，此类设备一般都与光刻设备联机作业（In Line），组成配套的圆片处理与光刻生产线，与光刻机配合完成精细的光刻工艺流程。

二、涂胶/显影设备应用和分类：

涂胶显影设备应用广泛。以芯源微为例，其设备可以划分为6英寸及以下的涂胶显影设备以及8/12英寸的涂胶显影设备。前者主要用于LED芯片制造、化合物半导体制造以及功率器件；后者用于先进集成电路的前道晶圆加工以及后道先进封装工艺。

前道晶圆加工：在前道晶圆制造中需要用到不同种类的光刻胶和涂胶显影设备。微米级别线宽往往采用在前道晶圆制造中需要用到不同种类的光刻胶和涂胶显影设备。微米级别线宽往往采用 iline 光刻胶，Krf 光刻胶用到 90nm 制程，Arf 光刻胶用于 90nm 以下，Arf-i（浸没式）在 40-55nm 开始切入，最为先进的 EUV 光刻则需要用到 EUV 光刻胶。这导致在制造产线上需要用到从 Arf 到 i-line 的多种光刻机、光刻胶、涂胶显影设备。此外，除了光刻胶以外，前道制造的光刻环节往往还需要用到 Barc（底部抗反射涂层）、PI等胶材料，亦需要用到对应的涂胶显影设备，这类设备往往不与光刻机联机（offline），独立工作。

后道先进封装：在后道的封装环节中，传统封装工艺为先将晶圆划片，再对单个的芯片进行固晶（die bond）、焊线（wire bond）和塑封，称为芯片级封装（CSP，chip-scale package）。随着工艺进步，芯片体积微缩的要求，晶圆级封装（WLSCP，wafer level CSP）出现。WLSCP 在划片之前，先在完整晶圆上，采用晶圆制造的制程及电镀技术取代现有打金线及机械灌胶封模的制程进行封装工艺，不需导线架或基板。晶圆级封装只有晶粒般尺寸，能够有较好的电性效能，由于是按每批或每片芯片来生产，因此能用较低的成本生产。由于采用了类似前道的光刻、薄膜、电镀等工艺，涂胶显影应用到该过程中。

图2. 全球前道涂胶显影设备市场规模

三、涂胶/显影设备生产企业：

在光刻工序涂胶显影设备领域，全球范围内日本东京电子（TEL）一家独大，市场份额接近 87%，其他生产企业包括日本迪恩士（DNS）、德国苏斯微（SUSS）、中国台湾亿力鑫（ELS）、韩国 CND 等，国内企业主要是芯源微。

东京电子（TEL）:主要产品包括涂布/显像设备、热处理成膜设备、干法刻蚀设备、CVD、湿法清洗设备及测试设备。TEL 垄断了全球 88%和中国 91%的涂胶显影设备市场份额。

日本迪恩士（DNS）:半导体制造设备主要包括清洗设备、涂布/显影设备、退火设备等。DNS在全球和中国都占有 5%的涂胶显影设备市场份额。

德国苏斯微（SUSS）: 主要产品包括高精度光刻设备（如光刻机、旋涂机、喷胶机等）及大规模封装市场用键合机。

台湾亿力鑫（ELS）:专注于制造小尺寸全自动黄光制程量产设备，主要产品包括光阻涂布设备、曝光设备、光罩清洗设备、显影设备、金属/光阻剥离设备等。

芯源微(688037.SH)是国内第一家在涂胶显影设备上取得突破的企业，在LED封装以及集成电路后道先进封装的涂胶显影设备以及具有一定的市占率，前道涂胶显影设备技术节点达到28nm，目前已通过一些前道客户的验证并获得了小部分订单。然而，由于涂胶显影设备需要和光刻机连用，同时伴随着制程技术节点的不断进步，国产化替代的道路仍有很长的道路。

图3. 全球后道涂胶显影设备市场规模

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