HBM走向D2W，X-ray量测要守住<50nm- 大数跨境

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HBM走向D2W，X-ray量测要守住<50nm

半导体产业报告

2026-09-05

导读：HBM堆得越高，D2W键合越不能只靠表面量测。

随着 HBM 堆叠层数的增加，Die-to-Wafer（D2W）键合工艺对量测技术提出了更高要求。传统的表面量测已无法满足需求，必须同时解决“穿透深度”与“量测精度”的矛盾。

D2W 工艺将晶圆误差压缩至键合层及高密度金属区，传统划片线（scribe line）量测不再适用。红外（IR）量测精度虽可达<50nm，但无法穿透金属和高掺杂硅；普通 X 射线能穿透材料，精度却降至>1um。HBM 的持续堆叠，迫切需要一种既能“看得深”又能“测得准”的创新方案。

01 | D2W：将误差隐匿于键合层

键合工艺正从整片晶圆（W2W）向单颗芯片（D2W）演进。在 D2W 流程中，单颗 Die 需经历框架挂载、载板转移、清洗、表面活化、芯片键合、退火、减薄、TSV 制作及激光分离等复杂步骤。每一步都可能导致 Die 的位置、形变及表面状态发生改变。

铜混合键合已将尺寸压缩至 0.5um pitch / 0.25um bond pad。在此量级下，套刻误差（overlay）不再是可忽略的参数，数百纳米的错位即可导致上下互连失效。

D2W 比 W2W 更为复杂之处在于，单颗 Die 贴装仅是开始，后续的热处理、减薄和 TSV 工艺会持续改变量测对象。若无法在制程中途实时读取偏差，问题往往要等到后段才能发现，造成巨大成本浪费。

因此，量测必须贯穿键合前后：键合前将数据送入前馈（feedforward）系统，键合后利用反馈（feedback）修正制程。D2W 带来的核心变革，是将套刻误差正式纳入制程闭环控制。

02 | X-ray 技术补全 IR 量测盲区

D2W 量测面临显著的技术取舍：

红外（IR）：精度可达<50nm，损伤低，但无法穿透金属和高掺杂硅，且视野与景深有限。
标准 X-ray：能穿透金属，拥有更大的视野（FOV）和景深（DOF），但精度仅>1um，且存在器件损伤风险。
新型 X-ray：旨在穿透金属的同时，保留<50nm 的套刻精度，具备大视野、无限景深，并将损伤风险降至最低。

单一的传统量测手段已无法满足 D2W 需求。IR 精度高但穿透力不足，普通 X-ray 穿透力强但精度不够。当键合误差隐藏于金属层内部时，量测工具必须兼顾两者。

新型 X-ray 并非简单的透射成像。X 射线光栅干涉测量术（X-ray grating interferometry）将单次成像拆解为多种信号：透射信号观察吸收差异，相位衬度捕捉边界和低原子序数材料变化，暗场信号抓取小角散射和条纹强度。这种多模态视角能有效找回被金属遮挡的对齐标记。

傅里叶光学模型（Fourier optics model）负责在虚拟环境中进行预演：优化基准标记（fiducial）位置、图案设计，并评估金属密集区对信号的干扰。这使得量测工具在进入真实 D2W 结构时，无需从零摸索。

03 | 莫尔条纹将微小错位转化为可读信号

直接读取微小的对齐标记极具挑战。莫尔基准标记（Moiré fiducial）技术通过将上下两层不同节距的光栅叠加，将 Die 的微小偏移放大为图像中明显的条纹移动（fringe shift），使难以察觉的小错位转化为易读的位移信号。

该技术的核心价值在于将不可见的微小错位转化为可量化、可回读的位移数据。

双排莫尔基准标记（Dual-row Moiré fiducials）进一步放大了这一效应。上下两排条纹向相反方向移动，使相对位移实现 2 倍莫尔放大。此外，标记可直接置于键合垫同一层，使量测结果更接近真实的键合位置。

嵌入式莫尔基准标记（Embedded Moiré fiducials）可放入金属密集区，即使在高密度布线环境下，相位和图案偏移仍能准确转换为套刻误差。这意味着工艺无需再预留专门的金属清除区（metal clear-out zone）。对于层数越来越多的 HBM 而言，避免了为量测而牺牲版图面积，显著降低了成本。

针对多层 HBM，如何在非破坏性条件下检测任意两层间的错位？解决方案是在每层放置相同的莫尔标记，并利用多模态 X 射线读取。在 IR 与 X 射线兼容性测试中，当掩膜设计偏移量为 -0.25um 至 1.5um 时，X 射线多模态量测结果为 -0.16um 至 1.34um，其差异主要源于制造误差。

D2W 量测的核心挑战不在于“能否成像”，而在于能否将错位信息稳定地反馈至制程控制系统。

结语：量测技术需随键合工艺深入堆叠

D2W 键合工艺仍在持续开发中，相关 X 射线成像程序预计将于 2026 年第二季度具备演示条件。其目标不仅是提升成像质量，更是实现对键合后每一层错位的无损读取。随着 HBM 堆叠高度的增加，量测技术也必须向堆叠内部纵深发展。

【声明】内容源于网络

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