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。
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. 涂胶显影流程
资料来源：芯源微
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。图2. 涂胶机示意图
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2. 涂胶显影应用
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3. 涂胶显影设备在前道晶圆加工&后道先进封装环节的应用
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涂胶显影设备同时涵盖了工程力学、材料学、光学、化学、微电子学及计算机软件等诸多领域，设备结构复杂，所需零部件数万种；机台集成度高，涉及上百个功能单元，多腔体一致性要求严苛；工艺流程路径长，每片晶圆可运行上百米，调度逻辑高度智能化；机台涉及光阻管路多达十余只，还存在膜厚层差、显影缺陷多变、环境颗粒控制、在线检测等诸多难题，机台技术壁垒极高。前道涂胶显影设备与客户具体制造工艺、光刻胶材料等结合度较高，具有较强的非标属性。此外，前道涂胶显影设备需与客户端光刻机联机量产验证，验证周期较长，验证成本较高，因此验证通过后客户粘性极强。涂胶显影环节具备高精度要求和联机属性两大特征。其中，涂胶环节旋转速度需要实现±1r/min精度，薄膜厚度需实现±2-5nm 精度；显影环节转速度需要实现±1r/min 精度。显影温度需要实现±0.2℃精度。联机过程中，对于设备商联机经验要求较高。涂胶显影设备由多个工艺模块组成，如传片机器人（机械手）、涂胶显影单元、烘烤热盘单元、缓存传片工位等，所有模块都有各自理论的极限产能。其产能（Throughput）遵循 “木桶理论”，设备产能由配置模块中的最小值或瓶颈模块产能来决定。提高产能最简单的方式是增加工艺模块的数量，但该方法会使得占地空间增大，这与芯片制造厂节省设备空间的追求相悖。通常在有限机台占地空间和固定机台架构下，提升产能主要考虑以下几个方面：提高机器人的速度、减少各个工艺模块内工艺时间以及合理的软件程序调度，通过该等方式提升产能的同时往往需要兼顾稳定性。
资料来源：《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》，东吴证券
