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光刻機的工作過(guò)程是這樣的：逐一曝光完硅片上所有的場(chǎng)（field），亦即分步，然后更換硅片，直至曝光完所有的硅片；當對硅片進(jìn)行工藝處理結束后，更換掩模，接著(zhù)在硅片上曝光第二層圖形，也就是進(jìn)行重復曝光。其中，第二層掩模曝光的圖形必須和第一層掩模曝光準確的套疊在一起，故稱(chēng)之為套刻。如圖1所示，假設圖中的虛線(xiàn)框為第一掩模經(jīng)曝光的圖形，實(shí)線(xiàn)框為第二個(gè)經(jīng)曝光后的圖形。從理論上講，這兩層圖形應該完全重合，但實(shí)際上由于各種系統誤差和偶然誤差的存在，導致了這兩層圖形的位置發(fā)生了偏離，也就是通常所說(shuō)的出現了套刻誤差  。

圖1 套刻誤差分析

在集成電路制造中，晶圓上當前層（光刻膠圖形）與參考層（襯底內圖形）之間的相對位置，即描述了當前的圖形相對于參考圖形沿X和Y方向的偏差和這種偏差在晶圓表面的分布；同時(shí)也是監測光刻工藝好壞的一個(gè)關(guān)鍵指標[1]。理想的情況是當前層與參考層的圖形正對準，即套刻誤差為零 。

為了保證設計在上下兩層的電路能可靠連接，當前層中的某一點(diǎn)與參考層中的對應點(diǎn)之間的對準偏差必須小于圖形最小間距的1/3。國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖（international technology roadmap for semiconductor，ITRS）對每一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)的光刻工藝都提出了套刻誤差的要求，如表1所示。從表中可以看出，隨著(zhù)技術(shù)節點(diǎn)的推進(jìn)，關(guān)鍵光刻層允許的對準偏差（即套刻誤差）是以大約80%的比例縮小。例如，20nm節點(diǎn)中關(guān)鍵層的套刻誤差要求（|mean| 3σ）是8.0nm  。

表1 每一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)允許的套刻誤差

在光刻工藝中，套刻誤差是通過(guò)光刻機對準系統、套刻誤差測量設備和對準修正軟件三部分協(xié)同工作來(lái)減小。工作如圖2所示。

圖2 套刻誤差控制系統及其數據流程 

對準和套刻誤差的區別：

對準是指測定晶圓上參考層圖形的位置并調整曝光系統，使當前曝光的圖形與晶圓上的圖形精確重疊的過(guò)程。對準操作是由光刻機中的對準系統來(lái)完成的。而套刻誤差則是衡量對準好壞的參數，它直接定量描述當前層與參考層之間的位置偏差。套刻誤差由專(zhuān)用測量設備測量得到  。

導致套刻誤差的主要原因：

導致曝光圖形與參考圖形對準偏差原因很多。掩模變形或比例不正常、晶圓本身的變形、光刻機投影透鏡系統的失真、晶圓工件臺移動(dòng)的不均勻等都會(huì )引入對準偏差。