半導體制造設備系列(2)-涂膠/顯影設備

涂膠/顯影設備是在光刻工藝中與光刻機配合作業(yè)的重要設備。在曝光前，由涂膠機進行光刻機的涂覆；而后是光刻機對光刻膠進行曝光；在曝光后由顯影設備進行光刻圖案的顯影。在后道的先進封裝中，使用類似前道的制造方式，所需涂膠/顯影設備類別也大體相同，只在關(guān)鍵尺寸與精度上同前道有區(qū)別。

一、涂膠/顯影設備原理：

涂膠/顯影機作為光刻機的輸入（曝光前光刻膠涂覆）和輸出（曝光后圖形的顯影）， 主要通過機械手使晶圓在各系統(tǒng)之間傳輸和處理， 從而完成晶圓的光刻膠涂覆、固化、顯影、堅膜等工藝過程，其不僅直接影響到光刻工序細微曝光圖案的形成，顯影工藝的圖形質(zhì)量對后續(xù)蝕刻和離子注入等工藝中圖形轉(zhuǎn)移的結(jié)果也有著深刻的影響， 是集成電路制造過程中不可或缺的關(guān)鍵處理設備。

圖1. 光刻工藝流程

涂膠顯影設備是光刻工序中與光刻機配套使用的涂膠、烘烤及顯影設備，包括涂膠機（又稱涂布機、勻膠機，英文簡稱Spin Coater）、噴膠機（適用于不規(guī)則表面晶圓的光刻膠涂覆，英文簡稱 Spray Coater）和顯影機（英文簡稱 Developer）。在早期的集成電路和較低端的半導體制造工藝中，此類設備往往單獨使用（Off Line）。隨著集成電路制造工藝自動化程度及客戶對產(chǎn)能要求的不斷提升，在 200mm（8 英寸）及以上的大型生產(chǎn)線上，此類設備一般都與光刻設備聯(lián)機作業(yè)（In Line），組成配套的圓片處理與光刻生產(chǎn)線，與光刻機配合完成精細的光刻工藝流程。

二、涂膠/顯影設備應用和分類：

涂膠顯影設備應用廣泛。以芯源微為例，其設備可以劃分為6英寸及以下的涂膠顯影設備以及8/12英寸的涂膠顯影設備。前者主要用于LED芯片制造、化合物半導體制造以及功率器件；后者用于先進集成電路的前道晶圓加工以及后道先進封裝工藝。

前道晶圓加工：在前道晶圓制造中需要用到不同種類的光刻膠和涂膠顯影設備。微米級別線寬往往采用在前道晶圓制造中需要用到不同種類的光刻膠和涂膠顯影設備。微米級別線寬往往采用 iline 光刻膠，Krf 光刻膠用到 90nm 制程，Arf 光刻膠用于 90nm 以下，Arf-i（浸沒式）在 40-55nm 開始切入，最為先進的 EUV 光刻則需要用到 EUV 光刻膠。這導致在制造產(chǎn)線上需要用到從 Arf 到 i-line 的多種光刻機、光刻膠、涂膠顯影設備。此外，除了光刻膠以外，前道制造的光刻環(huán)節(jié)往往還需要用到 Barc（底部抗反射涂層）、PI等膠材料，亦需要用到對應的涂膠顯影設備，這類設備往往不與光刻機聯(lián)機（offline），獨立工作。

后道先進封裝：在后道的封裝環(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)封裝工藝為先將晶圓劃片，再對單個的芯片進行固晶（die bond）、焊線（wire bond）和塑封，稱為芯片級封裝（CSP，chip-scale package）。隨著工藝進步，芯片體積微縮的要求，晶圓級封裝（WLSCP，wafer level CSP）出現(xiàn)。WLSCP 在劃片之前，先在完整晶圓上，采用晶圓制造的制程及電鍍技術(shù)取代現(xiàn)有打金線及機械灌膠封模的制程進行封裝工藝，不需導線架或基板。晶圓級封裝只有晶粒般尺寸，能夠有較好的電性效能，由于是按每批或每片芯片來生產(chǎn)，因此能用較低的成本生產(chǎn)。由于采用了類似前道的光刻、薄膜、電鍍等工藝，涂膠顯影應用到該過程中。

圖2. 全球前道涂膠顯影設備市場規(guī)模

三、涂膠/顯影設備生產(chǎn)企業(yè)：

在光刻工序涂膠顯影設備領(lǐng)域，全球范圍內(nèi)日本東京電子（TEL）一家獨大，市場份額接近 87%，其他生產(chǎn)企業(yè)包括日本迪恩士（DNS）、德國蘇斯微（SUSS）、中國臺灣億力鑫（ELS）、韓國 CND 等，國內(nèi)企業(yè)主要是芯源微。

東京電子（TEL）:主要產(chǎn)品包括涂布/顯像設備、熱處理成膜設備、干法刻蝕設備、CVD、濕法清洗設備及測試設備。TEL 壟斷了全球 88%和中國 91%的涂膠顯影設備市場份額。

日本迪恩士（DNS）:半導體制造設備主要包括清洗設備、涂布/顯影設備、退火設備等。DNS在全球和中國都占有 5%的涂膠顯影設備市場份額。

德國蘇斯微（SUSS）: 主要產(chǎn)品包括高精度光刻設備（如光刻機、旋涂機、噴膠機等）及大規(guī)模封裝市場用鍵合機。

臺灣億力鑫（ELS）:專注于制造小尺寸全自動黃光制程量產(chǎn)設備，主要產(chǎn)品包括光阻涂布設備、曝光設備、光罩清洗設備、顯影設備、金屬/光阻剝離設備等。

芯源微(688037.SH)是國內(nèi)第一家在涂膠顯影設備上取得突破的企業(yè)，在LED封裝以及集成電路后道先進封裝的涂膠顯影設備以及具有一定的市占率，前道涂膠顯影設備技術(shù)節(jié)點達到28nm，目前已通過一些前道客戶的驗證并獲得了小部分訂單。然而，由于涂膠顯影設備需要和光刻機連用，同時伴隨著制程技術(shù)節(jié)點的不斷進步，國產(chǎn)化替代的道路仍有很長的道路。

圖3. 全球后道涂膠顯影設備市場規(guī)模

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