在先进的集成电路芯片制造过程中，关键层的光学套刻对准直接影响器件的性能、成品率及可靠性，因此套刻误差(Overday, OL)是制造工艺中最重要的指标之一。随着芯片集成度的不断增加，器件的关键尺寸越来越小，阳片尺寸加大，以及双重或多重图形光刻工艺的应用，需要更加严格地控制层对层之间的套刻误差，因此套刻误差测量是先进的工艺控制过程中的一个关键环节。

套刻误差的定义为第n层图形结构中心与第n+1层图形结构中心的平面距离。套刻误差的测量通常包括确定各个结构沿轴和沿y轴方向的中心线(CL)。 图8-186所示的是确定x轴中心线的示例":

式中，工和x,所在位置为测量所定义的边界位置目前，常见的套刻误差测量系统有3种，即光学显微成像( Image- BasedOverlay, IBO) 系统、光学衍射( ifaction Based Overlay, DBO)系统和扫描电子显微镜(SEM-OL)系统。

(1)光学显微成像系统:这是一种最常用的套刻误差测量系统。它通过光学显微成像系统获得包括两层套刻目标图形的数字化图像，然后基于数字图像处理算法，分别提取每一层的套刻目标图形的边界位置，再进一步计算每一 层图形的中心位置，从而获得套刻误差。

(2)光学行射系统:这是一种非成像的套刻误差测量系统。它使用特定设计的光栅目标图形和光强传感器，将-束单色平行光照射到在两个不同层上的套刻目标光栅上，利用一对光强传感器分别测量由光栅反射的至不同空间方向的第一街射射束的强度，通过测量两个第一衍射射 束强度的不对称性来确定套刻误差。这种系统的优点是使用的光学元件较少，对像差的敏感度较小，重复性比成像系统好，常用于先进的光刻工艺控制中。

(3)扫描电子显微镜系统:主要用于经过刻蚀后的最终套刻误差测量，相应的套刻目标图形尺寸更小，通常设计在芯片器件内部，而不是在画线槽区城。这种系统的缺点是测量速度较慢。先进工艺控制(APC) 中最常用的光学套刻设备是KLA -Tencor公司的Arecher 500系列和ASMIL公司的YieldSar s- 250系列。Archer 500系列使用光学显微成像(IBO) 测量技术和激光衍射(DBO)测量技术，可测量多种套刻目标图形。YldSas 250系列使用光学衍射(DBO)测量技术，套到目标图形。既可以是位于器件内10pmx 10pum图形，也可以是位于划片槽区域的30μmx60umn图形，其总测量不确定度(Toal Mesuremiet Unertainty TIU) ≤0.35m。

另外，Hiuachi公司的CD SEM CV5000系列使用30kV高压加速扫描电子星微镜(SEM-0L).用于制作在器件区城内的微小套刻目标图形的测量。以上这些设备都能满足10omm工艺节点的套封测量需求。套刻测量需要优化设计专用的套刻目标(Target) 图形，这些图形通常制作在划片槽区域(srile-Lime)。 随着芯片制造工艺的不断提高，套刻目标图形的尺寸逐渐缩小，图形的边缘也不断增加，以增进套刘测量的精度。

用于成像套刻测量系统的目标图形主要有块中块(Box -in-Box)图形、条中条( Bar-in-Bar)图形和目标(AIN) 图形，如图8-187 (a)至(e)所示。图8-187 (d)所示的是条中条图形的创面示例。对于衔射套刻测量系统的充栅图形，假设I是人射光场强，1.和L-分别是由光栅反射形成的正、负第一级衍射光场强，图8-187 (c)所示的是无套刻误差(OV=0, 11=11)的情形，图8-187 (0)所示的是有套刻误差(OV0, 1.:≠1L.) 的情形。用于SEM系统套刻测量的套刻图形如图8-187 (g)和(h)所示，这类图形的尺寸很小，可以和实际器件制作于同一区域(In-die)。套刻测量的误差主要来自测量系统、光刻工艺、待测圆片上的图形等方面，业界用于评估的误差包括测量系统引起的位移( Tol-Induced-Shin, TIS)、 待测圆片引起的位移( Wafer Induced -Shit, WIS) 和总测量不确定度(TMU)P。

(1)测量系统引起的位移(TTIS): 是由光学套刻测量系统的不对称性导致的误差，主要包括照明系统和成像系统中心倾斜或偏离轴中心的透镜、不均匀照明、成像系统光学透镜的像差等。聚焦深度与3D图形结构的不匹配、不均匀的探测器响应等都会造成最终成像的非对称性，使得测量到的中心线与实际图形结构中心线之间存在偏差，从而形成由测量系统引起产生的误差。TIS 的计算是通过机台0~ 180°旋转对同-位置的两个图像的叠对测量取平均值得到的。为了消除TIS影响，通常需要一个针对光路的全面评 价和反复设计来减少系统的复杂性，以及增强总的光学系统的对准性。

(2)待测圆片引起的位移(WIS): 是由器件制造工艺造成的圆片上用于套刻测量的图形结构的非对称性引起的中心线位移所导致的误差。工艺非对称性是所观察到的测量误差中一个很大的成分， 即使测量系统非常完美，这种系统误差依然存在。

(3)总测量不确定度(TMU):这是对套刻系统最大可能误差的度量，主要包括4个误差分量，即动态精确度、TIS 可变度、套刻图形保真度、设备对设备的匹配误差。为了减少套刻测量的总测量不确定度，需要采用更高的测量采样密度。