光刻系统光源对称性的检测方法.pdf

一种光刻系统光源对称性的检测方法，包括：提供第一掩膜，所述第一掩膜上具有若干第一标记图形和若干第二标记图形，所述第二标记图形的各行子图形的节距与所述第一标记图形对应列的子图形的节距相等；提供第二掩膜，所述第二掩膜上的第一标记图形和第二标记图形的位置分别与所述第一掩膜上的第二标记图形和第一标记图形的位置相对应；先采用第一掩膜、再采用第二掩膜在第一晶圆上形成第一重叠对准标记；先采用第二掩膜、再采用第一掩膜在第二晶圆上形成第二重叠对准标记；测量所述第一晶圆和第二晶圆的重叠偏移量；计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量。本发明的光刻系统光源对称性的检测方法操作简单，不影响正常的生产制造过程。

权利要求书
1.  一种光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，包括：
提供第一掩膜，所述第一掩膜上具有若干第一标记图形和若干第二标记图形，所述第一标记图形和所述第二标记图形具有若干呈行列排布的子图形，所述第二标记图形的各行子图形的节距与所述第一标记图形对应列的子图形的节距相等；
提供第二掩膜，所述第二掩膜上具有若干第一标记图形和若干第二标记图形，且所述第二掩膜上的第一标记图形的位置与所述第一掩膜上的第二标记图形的位置相对应，所述第二掩膜上的第二标记图形的位置与所述第一掩膜上的第一标记图形的位置相对应；
采用所述第一掩膜在第一晶圆上形成第一底层重叠对准标记，采用所述第二掩膜在所述第一底层重叠对准标记上形成第一顶层重叠对准标记；
采用所述第二掩膜在第二晶圆上形成第二底层重叠对准标记，采用所述第一掩膜在第二底层重叠对准标记上形成第二顶层重叠对准标记；
测量所述第一顶层重叠对准标记与所述第一底层重叠对准标记的第一重叠偏移量，测量所述第二顶层重叠对准标记与所述第二底层重叠对准标记的第二重叠偏移量；
对所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量进行数据处理，计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量。

2.  如权利要求1所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述第一标记图形的每一列内子图形的节距相等。

3.  如权利要求2所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述第一标记图形各列子图形的节距随列数递增或者递减。

4.  如权利要求1所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述第二标记图形的每一行内子图形的节距相等。

5.  如权利要求4所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述第二标记图形各行子图形的节距随行数递增或者递减。

6.  如权利要求1所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述 第一掩膜包括两个第一标记图形和两个第二标记图形，所述第一标记图形和所述第二标记图形呈田字形排列，且所述第一标记图形位于所述田字形排列的第一对角线两端，所述第二标记图形位于所述田字形排列的第二对角线两端。

7.  如权利要求6所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述第二掩膜包括两个第一标记图形和两个第二标记图形，所述第一标记图形和所述第二标记图形呈田字形排列，且所述第一标记图形位于所述田字形排列的第二对角线两端，所述第二标记图形位于所述田字形排列的第一对角线两端。

8.  如权利要求1所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，对所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量进行数据处理包括：
从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于重叠量测系统导致的重叠偏移量；
从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于光刻系统导致的重叠偏移量；
从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于掩膜导致的重叠偏移量；
再去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量，剩余的重叠偏移量即为由于光源不对称性导致的重叠偏移量。

9.  如权利要求8所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于光刻系统导致的重叠偏移量包括：将所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中测量具有相同节距的顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记获得的重叠偏移量，进行多项式拟合获得光刻系统导致的重叠偏移量；从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中减去所述光刻系统导致的重叠偏移量。

10.  如权利要求8所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，通过计算第一重叠偏移量与第二重叠偏移量差值的一半从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于掩膜导致的重叠偏移量。

11.  如权利要求8所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，通过计算相邻重叠对准矩阵对应的重叠偏移量之间的差值的一半去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量。

12.  如权利要求1所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述第一掩膜和所述第二掩膜上还具有全局标记图形，在形成第一底层重叠对准标记和第二底层重叠对准标记的同时，采用所述全局标记图形在第一晶圆和第二晶圆上形成全局底层重叠对准标记；在形成第一顶层重叠对准标记和第二顶层重叠对准标记的同时，采用所述全局标记图形在所述全局底层重叠对准标记上形成全局顶层重叠对准标记。

13.  如权利要求12所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述全局底层重叠对准标记和所述全局顶层重叠对准标记位于所述第一晶圆和所述第二晶圆的切割槽内。

14.  如权利要求12所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，所述全局底层重叠对准标记和所述全局顶层重叠对准标记的节距相同。

15.  如权利要求14所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，还包括，测量所述全局顶层重叠对准标记与所述全局底层重叠对准标记的全局重叠偏移量。

16.  如权利要求15所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，对所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量进行数据处理包括：将所述全局重叠偏移量、以及所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中测量具有相同节距的顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记获得的重叠偏移量，进行多项式拟合获得光刻系统导致的重叠偏移量；从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中减去所述光刻系统导致的重叠偏移量。

17.  如权利要求1所述的光刻系统光源对称性的检测方法，其特征在于，还包括：在计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量后，将所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量与阈值比较，当所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量大于所述阈值时，需要对光刻系统的光源进行校正；当所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量小于所述阈值时，无需对光刻系统的光源 进行校正。

说明书光刻系统光源对称性的检测方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光刻系统光源对称性的检测方法。
背景技术
在集成电路制造工艺的发展过程中，光学光刻一直是半导体图形制备的主流技术。通过光刻设备，将具有不同图形的掩膜在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶圆上，进行曝光显影后形成所需图形。由于集成电路通常是由多层的电路结构重叠组成的，因此必须保证每一层与前面一层或者后面层的对准精度，如果对准精度超出要求的范围，则可能导致整个集成电路达不到设计目标。
重叠（Overlay）是用于衡量形成于前一工艺层中的图形与形成于当前工艺层中的图形对准状态的指标。在集成电路的制造过程中，要对当前工艺层与前一工艺层的对准精度进行测量，如果前一工艺层与当前工艺层曝光成像图形层间存在定位误差，就会产生重叠误差（Overlay error）。为了探测和校正形成于前一工艺层和形成于当前工艺层中图形的对准状态，通常在形成器件区图形的同时形成重叠对准标记（Overlay mark），通过测量不同层的重叠对准标记可以获得重叠误差。所述重叠对准标记通常形成于各工艺层的切割槽（Scribe line）内，具体的形成工艺包括：在第一工艺层的第一位置形成一个外部重叠对准标记；在第二工艺层中同一位置形成一个内部重叠对准标记与之对准，同时在第二位置形成另一个外部重叠对准标记，便于后续在第三工艺层中该处形成另外一个内部重叠对准标记与之对准。
在光刻系统中，由于激光未对准、光瞳和衍射光学器件的使用寿命等，会导致光源不对称性（Source asymmetry）。所述的光源不对称性为导致光刻过程中产生重叠偏移（Overlay shift）的原因之一。为了确保光刻系统的对准精度，减少重叠误差，就需要对光源不对称性进行检测，但是，现有技术中对光源对称性的检测通常基于电荷耦合器件传感器（CCD Senser）对光源的 扫描成像，其检测过程复杂且为离线检测（offline line），影响正常的生产制造过程。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中光刻系统光源对称性的检测复杂，影响正常的生产制造过程。
为解决上述问题，本发明提供了一种光刻系统光源对称性的检测方法，包括：提供第一掩膜，所述第一掩膜上具有若干第一标记图形和若干第二标记图形，所述第一标记图形和所述第二标记图形具有若干呈行列排布的子图形，所述第二标记图形的各行子图形的节距与所述第一标记图形对应列的子图形的节距相等；提供第二掩膜，所述第二掩膜上具有若干第一标记图形和若干第二标记图形，且所述第二掩膜上的第一标记图形的位置与所述第一掩膜上的第二标记图形的位置相对应，所述第二掩膜上的第二标记图形的位置与所述第一掩膜上的第一标记图形的位置相对应；采用所述第一掩膜在第一晶圆上形成第一底层重叠对准标记，采用所述第二掩膜在所述第一底层重叠对准标记上形成第一顶层重叠对准标记；采用所述第二掩膜在第二晶圆上形成第二底层重叠对准标记，采用所述第一掩膜在第二底层重叠对准标记上形成第二顶层重叠对准标记；测量所述第一顶层重叠对准标记与所述第一底层重叠对准标记的第一重叠偏移量，测量所述第二顶层重叠对准标记与所述第二底层重叠对准标记的第二重叠偏移量；对所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量进行数据处理，计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量。
可选的，所述第一标记图形的每一列内子图形的节距相等。
可选的，所述第一标记图形各列子图形的节距随列数递增或者递减。
可选的，所述第二标记图形的每一行内子图形的节距相等。
可选的，所述第二标记图形各行子图形的节距随行数递增或者递减。
可选的，所述第一掩膜包括两个第一标记图形和两个第二标记图形，所述第一标记图形和所述第二标记图形呈田字形排列，且所述第一标记图形位于所述田字形排列的第一对角线两端，所述第二标记图形位于所述田字形排列的第二对角线两端。
可选的，所述第二掩膜包括两个第一标记图形和两个第二标记图形，所述第一标记图形和所述第二标记图形呈田字形排列，且所述第一标记图形位于所述田字形排列的第二对角线两端，所述第二标记图形位于所述田字形排列的第一对角线两端。
可选的，对所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量进行数据处理包括：从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于重叠量测系统导致的重叠偏移量；从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于光刻系统导致的重叠偏移量；从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于掩膜导致的重叠偏移量；再去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量，剩余的重叠偏移量即为由于光源不对称性导致的重叠偏移量。
可选的，从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于光刻系统导致的重叠偏移量包括：将所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中测量具有相同节距的顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记获得的重叠偏移量，进行多项式拟合获得光刻系统导致的重叠偏移量；从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中减去所述光刻系统导致的重叠偏移量。
可选的，通过计算第一重叠偏移量与第二重叠偏移量差值的一半从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中去除由于掩膜导致的重叠偏移量。
可选的，通过计算相邻重叠对准矩阵对应的重叠偏移量之间的差值的一半去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量。
可选的，所述第一掩膜和所述第二掩膜上还具有全局标记图形，在形成第一底层重叠对准标记和第二底层重叠对准标记的同时，采用所述全局标记图形在第一晶圆和第二晶圆上形成全局底层重叠对准标记；在形成第一顶层重叠对准标记和第二顶层重叠对准标记的同时，采用所述全局标记图形在所述全局底层重叠对准标记上形成全局顶层重叠对准标记。
可选的，所述全局底层重叠对准标记和所述全局顶层重叠对准标记位于所述第一晶圆和所述第二晶圆的切割槽内。
可选的，所述全局底层重叠对准标记和所述全局顶层重叠对准标记的节距相同。
可选的，还包括，测量所述全局顶层重叠对准标记与所述全局底层重叠对准标记的全局重叠偏移量。
可选的，对所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量进行数据处理包括：将所述全局重叠偏移量、以及所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中测量具有相同节距的顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记获得的重叠偏移量，进行多项式拟合获得光刻系统导致的重叠偏移量；从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中减去所述光刻系统导致的重叠偏移量。
可选的，还包括：在计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量后，将所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量与阈值比较，当所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量大于所述阈值时，需要对光刻系统的光源进行校正；当所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量小于所述阈值时，无需对光刻系统的光源进行校正。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
本发明实施例的光刻系统光源对称性的检测方法，首先提供第一掩膜和第二掩膜，所述第二掩膜上的第一标记图形的位置与所述第一掩膜上的第二标记图形的位置相对应，所述第二掩膜上的第二标记图形的位置与所述第一掩膜上的第一标记图形的位置相对应，而所述第二标记图形各行子图形的节距与所述第一标记图形对应列的子图形的节距相同；接着采用第一掩膜在第一晶圆上形成第一底层重叠对准标记，采用第二掩膜在所述第一底层重叠对准标记上形成第一顶层重叠对准标记，采用第二掩膜在第二晶圆上形成第二底层重叠对准标记，采用所述第一掩膜在第二底层重叠对准标记上形成第二顶层重叠对准标记；测量所述第一晶圆和第二晶圆的重叠偏移量；由于光源不对称性导致的重叠偏移量与图形节距相关，测量获得的重叠偏移量中包含由于光源不对称性导致的重叠偏移量，再进行相关数据处理，去除由于重叠量测系统、光刻系统、掩膜和掩膜制作导致的重叠偏移量，就可以获得由于光源不对称性导致的重叠偏移量。再以所述光源不对称性导致的重叠偏移量检测光刻系统的光源对称性，实现在线检测，操作简单，且不会影响正常的生产制造过程。
附图说明
图1是具有不同节距的图形在光源不对称时形成位置的示意图；
图2是本发明实施例中第一掩膜的示意图；
图3是本发明实施例中第二掩膜的示意图；
图4是本发明实施例中对准测试标记的示意图；
图5是本发明实施例中对准测试标记中外周期性结构的示意图；
图6是本发明实施例中第一晶圆的示意图；
图7是本发明实施例中第二晶圆的示意图；
图8是本发明实施例中测量重叠偏移量的示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术中光刻系统光源对称性的检测复杂，影响正常的生产制造过程。
本发明的发明人研究了现有技术的光刻工艺，发现在光刻工艺过程中，光刻系统光源的不对称性会导致光刻所形成图形的偏移，且所述偏移的偏移量随着掩膜中图形节距（Pitch）的改变而改变。请参考图1，图1中示出了具有不同节距的图形在光刻系统存在光源不对称时，所形成图形的偏移情况。其中P1、P2、P3、P4和P5示出了具有不同节距的图形的形成位置，P1′、P2′、P3′、P4′和P5′示出了在理想情况下，不存在光源不对称性时的形成位置，ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4和ΔP5是实际形成位置与理想情况下形成位置的偏移量，其与所形成图形的节距相关。由于光源不对称性导致的偏移量与所形成图形的节距相关，因此可以通过检测不同节距图形的偏移量来检测光刻系统的光源对称性。
基于以上研究，本发明的发明人提出一种光刻系统光源对称性的检测方法，采用第一掩膜在第一晶圆上形成第一底层重叠对准标记，采用第二掩膜在所述第一底层重叠对准标记上形成第一顶层重叠对准标记，采用第二掩膜在第二晶圆上形成第二底层重叠对准标记，所述第一掩膜在第二底层重叠对准标记上形成第二顶层重叠对准标记；所述第一掩膜与第二掩膜奇偶对称； 测量所述第一晶圆和第二晶圆的重叠偏移量后，去除由于重叠量测系统、光刻系统、掩膜和掩膜制作导致的重叠偏移量，就可以获得由于光源不对称性导致的重叠偏移量。再以所述光源不对称性导致的重叠偏移量检测光刻系统的光源对称性，实现在线检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，提供这些附图的目的是有助于理解本发明的实施例，而不应解释为对本发明的不当的限制。为了更清楚起见，图中所示尺寸并未按比例绘制，可能会做放大、缩小或其他改变。
图2至图7是本发明实施例的光刻系统光源对称性的检测方法的示意图。
请参考图2，提供第一掩膜210，所述第一掩膜210上具有若干第一标记图形201和若干第二标记图形202，所述第一标记图形201和所述第二标记图形202具有若干呈行列排布的子图形，所述第二标记图形202的各行子图形的节距与所述第一标记图形201对应列的子图形的节距相同。
本实施例中，所述第一掩膜210包括两个第一标记图形201和两个第二标记图形202，所述第一标记图形201和所述第二标记图形202呈田字形排列，且所述第一标记图形201位于所述田字形排列的第一对角线两端，如图2所示，即所述第一标记图形201位于所述田字形排列的左上角和右下角，所述第二标记图形202位于所述田字形排列的第二对角线两端，如图2所示，即所述第二标记图形202位于所述田字形排列的右上角和左下角。
本实施例中，所述第一标记图形201具有n×n个子图形201i，所述n×n个子图形按行列排布为n行n列，所述第一标记图形201的每一列内子图形的节距（Pitch）相等。但所述第一标记图形201各列之间子图形的节距不同，本实施例中，所述第一标记图形201各列子图形的节距随列数递增或递减，例如，所述第一标记图形201第一列子图形的节距Pitch_1=110nm，第二列子图形的节距Pitch_2=120nm，第三列子图形的节距Pitch_3=130nm，……，第n列子图形的节距Pitch_n=（100+10n）nm。所述第一标记图形201各列子图形的节距可以根据具体工艺参数调节，在不同实施例中具有不同的数值。
所述第二标记图形202也具有n×n个子图形202i，所述n×n个子图形按行列排布为n行n列，所述第二标记图形202的每一行内子图形的节距相等。所述第二标记图形202各行之间子图形的节距不同，本实施例中，所述第二标记图形202各行子图形的节距随行数递增或者递减，且所述第二标记图形202的各行子图形的节距与所述第一标记图形201对应列的子图形的节距相同。例如，所述第二标记图形202第一行子图形的节距Pitch_1=110nm，第二行子图形的节距Pitch_2=120nm，第三行子图形的节距Pitch_3=130nm，……，第n行子图形的节距Pitch_n=（100+10n）nm，与所述第一标记图形201对应列的子图形的节距相同。需要说明的是，图2中为了简洁明了起见，在第一标记图形201和第二标记图形202中采用不同数字标识具有不同节距的子图形。
本实施例中，所述第一掩膜210上还具有全局标记图形203，所述全局标记图形203位于所述第一标记图形201和所述第二标记图形202之间的切割槽（Scribe line）内。所述全局标记图形203在后续工艺中用于形成全局重叠对准标记。
请参考图3，提供第二掩膜220，所述第二掩膜220上具有若干第一标记图形201和若干第二标记图形202，且所述第二掩膜220上的第一标记图形201的位置与所述第一掩膜210上的第二标记图形202的位置相对应，所述第二掩膜220上的第二标记图形202的位置与所述第一掩膜210上的第一标记图形201的位置相对应。
本实施例中，所述第二掩膜220包括两个第一标记图形201和两个第二标记图形202，所述第一标记图形201和所述第二标记图形202呈田字形排列。所述第二掩膜220上的第一标记图形201与所述第一掩膜210上的第二标记图形202的位置相对应，位于所述田字形排列的第二对角线两端，如图3所示，即所述第一标记图形201位于所述田字形排列的右上角和左下角，所述第二掩膜220上的第二标记图形202的位置与所述第一掩膜210上的第一标记图形201位置相对应，位于所述田字形排列的第一对角线两端，如图3所示，即所述第二标记图形202位于所述田字形排列的左上角和右下角。
由于所述第二掩膜220上的第一标记图形201的位置与所述第一掩膜210 上的第二标记图形202位置相对应，所述第二掩膜220上的第二标记图形202的位置与所述第一掩膜210上的第一标记图形201位置相对应，后续采用第一掩膜210和第二掩膜220形成底层重叠对准标记或顶层重叠对准标记时，使得相同位置顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记图形的节距不同，测量获得的重叠偏移量中包括由于光源不对称性导致的重叠偏移量。
本实施例中，所述第二掩膜220上还具有全局标记图形203，所述全局标记图形203位于所述第一标记图形201和所述第二标记图形202之间的切割槽内，且所述第二掩膜220上的全局标记图形203与所述第一掩膜210上的全局标记图形203的位置相对应、节距相同。
在其他实施例中，所述第一掩膜210和第二掩膜220上可以具有更多数量的第一标记图形201和第二标记图形202，如第一掩膜210和第二掩膜220上分别具有8个或16个第一标记图形201、和8个或者16个第二标记图形202。后续可以在晶圆上形成更多的重叠对准标记，经过多次测量后，进行数据处理，可以获得更可靠的由于光源不对称性导致的重叠偏移量。
需要说明的是，第一标记图形201的子图形201i、第二标记图形202的子图形202i、全局标记图形203为同心方式的对准测试标记（box-in-box mark），通常具有两个独立的结构图形，分别形成于不同工艺层中，通过测量两个图形中心之间的位移来测量重叠偏移量。
请参考图4，图4为本发明实施例的对准测试标记的俯视图，本实施例中，采用先进成像测量（AIM：Advanced Imaging Metrology）标记，所述AIM标记200包含4个外周期性结构200a，其中两个外周期性结构200a具有沿x方向的线（Line）200ai和间隙（Space）（未标示），其余两个外周期性结构200a具有沿y方向的线200ai和间隙。同样的，所述AIM标记200包含4个内周期性结构200b，其中两个内周期性结构200b具有沿x方向的线200bi和间隙，另外两个内周期性结构200b具有沿y方向的线200bi和间隙。请参考图5，图5示出了外周期性结构200a的结构示意图，所述外周期性结构200a中的线200ai沿x方向，且所述线200ai沿长边方向（x方向）被划分为具有一定节距的周期性图形。对应的，外周期性结构200a中沿y方向的线200ai沿长边方向（y方向）也被划分为具有一定节距的周期性图形。所述周期性图形的线 宽与节距的比值（CD/Pitch）通过光刻系统的光学衬比（Optical contrast）和光刻工艺窗口（Lithography process window）来确定。对应的，所述内周期性图形200b（参考图4）中的线200bi也被划分为具有一定节距的周期性图形。所述AIM标记200具有周期性结构，有利于在小尺寸下量测系统对重叠偏移量的测量。
需要说明的是，所述第一掩膜210上第一标记图形201的子图形201i为所述AIM标记200的外周期性结构200a或者内周期性结构200b，则所述第二掩膜220上第一标记图形201的子图形201i为与之对应的内周期性结构200b或者外周期性结构200a，两者在后续工艺中用于形成第一晶圆或第二晶圆的不同工艺层中的重叠对准标记。所述第一掩膜210和所述第二掩膜220上的第二标记图形201的子图形202i也具有相同规律。
在其他实施例中，所述第一标记图形201的子图形201i、第二标记图形202的子图形202i、全局标记图形203也可以采用其他同心方式的对准测试标记。
请参考图6，图6为第一晶圆310的俯视示意图，采用所述第一掩膜210（参考图2）在第一晶圆310上形成第一底层重叠对准标记，采用所述第二掩膜220（参考图3）在所述第一底层重叠对准标记上形成第一顶层重叠对准标记。
在所述第一晶圆310上形成第一底层重叠对准标记包括：在所述第一晶圆310上形成光刻胶层；以所述第一掩膜210为掩膜对第一晶圆310上的光刻胶进行曝光并显影；采用各向异性的刻蚀工艺刻蚀所述第一晶圆310，在所述第一晶圆310上形成与所述第一掩膜210对应的第一底层重叠对准标记。在一实施例中，在形成第一底层重叠对准标记后，还可以在所述第一晶圆310上进行薄膜沉积工艺以及化学机械抛光工艺，以使所述第一晶圆310表面平整。
在形成第一底层重叠对准标记后，采用所述第二掩膜220在所述第一底层重叠对准标记上形成第一顶层重叠对准标记，包括光刻胶涂覆工艺、显影工艺、各向异性刻蚀工艺等半导体制造工艺，具体可参考上述形成底层重叠 对准标记的描述，在此不再赘述。
由于所述第一晶圆310上的第一底层重叠对准标记采用第一掩膜210形成，第一顶层重叠对准标记采用第二掩膜220形成，而所述第二掩膜220上的第一标记图形201的位置与所述第一掩膜210上的第二标记图形202位置相对应，所述第二掩膜220上的第二标记图形202的位置与所述第一掩膜210上的第一标记图形201位置相对应，因此在两次光刻工艺后，在所述第一晶圆310上形成具有对应关系的第一重叠对准矩阵301和第二重叠对准矩阵302。所述第一重叠对准矩阵301的第一底层重叠对准标记与所述第一标记图形201对应、第一顶层重叠对准标记与所述第二标记图形202对应；而所述第二重叠对准矩阵302的第一底层重叠对准标记与所述第二标记图形202对应、第一顶层重叠对准标记与所述第一标记图形201对应。进一步的，由于所述第二标记图形202各行子图形的节距与所述第一标记图形201各列子图形的节距相同，使得第一重叠对准矩阵301和第二重叠对准矩阵302对角线AA1上的第一底层重叠对准标记与第一顶层重叠对准标记的节距相同，而其余位置的第一底层重叠对准标记与第一顶层重叠对准标记的节距不同。需要说明的是，在图6中为了简洁明了起见，在第一重叠对准矩阵301和第二重叠对准矩阵302中采用数字标识具有不同节距的第一底层重叠对准标记和第一顶层重叠对准标记。
请参考图7，图7为第二晶圆320的俯视示意图，采用第二掩膜220（参考图3）在第二晶圆320上形成第二底层重叠对准标记，采用所述第一掩膜210（参考图2）在第二底层重叠对准标记上形成第二顶层重叠对准标记。具体的工艺步骤可参考上述在第一晶圆310（参考图6）上形成第一底层重叠对准标记和第一顶层重叠对准标记的描述，在此不再赘述。
由于在第二晶圆320上采用第二掩膜220形成第二底层重叠对准标记，采用第一掩膜210形成第二顶层重叠对准标记，因此在第二晶圆320上形成的第二重叠对准矩阵302的位置与第一晶圆310上的第一重叠对准标记301的位置相对应，在第二晶圆320上形成的第一重叠对准矩阵301的位置与第一晶圆上第二重叠对准举证302的位置相对应。类似的，第二晶圆320上的第一重叠对准矩阵301与第二重叠对准矩阵302对角线AA1上的第二底层重 叠对准标记与第二顶层重叠对准标记的节距相同，而其他位置的第二底层重叠对准标记与第二顶层重叠对准标记的节距不同。
本实施例中，所述第一掩膜210和第二掩膜220上上还具有全局标记图形203（参考图2和图3），所述全局标记图形203位于第一标记图形201和第二标记图形202之间的切割槽内，因此在形成第一底层重叠对准标记和第二底层重叠对准标记的同时，在所述第一晶圆310和第二晶圆320的切割槽内形成全局底层重叠对准标记；在形成第一顶层重叠对准标记和第二顶层重叠对准标记的同时，在所述全局底层重叠对准标记上形成全局顶层重叠对准标记。由于所述第一掩膜210和第二掩膜220上的全局标记图形203的位置对应、节距相同，因此所述全局底层重叠对准标记和所述全局顶层重叠对准标记的节距相同，构成第一晶圆310和第二晶圆320切割槽内的全局重叠对准标记303。
经过上述的工艺步骤，在所述第一晶圆310和第二晶圆320上分别形成底层重叠对准标记和顶层重叠对准标记后，采用重叠量测系统测量所述第一晶圆310上的第一顶层重叠对准标记与所述第一底层重叠对准标记的第一重叠偏移量，以及测量所述第二晶圆320上的第二顶层重叠对准标记与所述第二底层重叠对准标记的第二重叠偏移量。
请参考图8，图8中示出了具有不同节距的顶层重叠对准标记P_top和底层重叠对准标记P_bottom存在重叠偏移时的示意图。所述顶层重叠对准标记P_top和底层重叠对准标记P_bottom分别与图5中外周期性结构200a中的线200ai或者内周期性结构200b中的线200bi相对应。P_top′和P_bottom′为在理想情况下，不存在重叠偏移时，顶层重叠对准标记P_top和底层重叠对准标记P_bottom的位置，P_top′和P_bottom′的中心位置在理想位置PP1处对准。但由于光刻系统、掩膜质量以及光源对称性等的影响，导致了顶层重叠对准标记P_top和底层重叠对准标记P_bottom之间存在重叠偏移，如图8所示，D_top为顶层重叠对准标记P_top的位置与理想情况下P_top′位置的偏移量，D_bottom为底层重叠对准标记P_bottom的位置与理想情况下P_bottom′位置的偏移量，所述顶层重叠对准标记P_top和底层重叠对准标记P_bottom之间的重叠偏移量D指D_top和D_bottom的差值，其表征了顶层 重叠对准标记和底层重叠对准标记中心位置之间的偏移量。所述的重叠偏移量D在半导体制造过程中，可以通过重叠偏移量测试（Overlay measure）设备进行量测。
本实施例中，测量所述第一晶圆310上的第一顶层重叠对准标记与所述第一底层重叠对准标记的第一重叠偏移量D1(i,j)，所述第一重叠偏移量D1(i,j)包含沿x轴方向的分量D1x(i,j)和沿y轴方向的分D1y(i,j)量，以及测量所述第二晶圆320上的第二顶层重叠对准标记与所述第二底层重叠对准标记的第二重叠偏移量D2(i,j)，所述第二重叠偏移量D2(i,j)也包含沿x轴方向的分量D2x(i,j)和沿y轴方向的分D2y(i,j)量，其中1≤i≤n，0≤j≤n，i为所述第一重叠对准矩阵301和第二重叠对准矩阵302的行数，j为所述第一重叠对准矩阵301和第二重叠对准矩阵的列数，n为所述第一重叠对准矩阵301和第二重叠对准矩阵302的总的行数或列数。由于所述第一重叠对准矩阵301与第二重叠对准矩阵302对角线AA1上的底层重叠对准标记与顶层重叠对准标记的节距相同，而由于光源不对称性导致的重叠偏移量与图形的节距相关，所以当i=j时，D1(i,j)和D2(i,j)中不包含由于光源不对称性所导致的重叠偏移量；当i≠j时，D1(i,j)和D2(i,j)中包含由于光源不对称性所导致的重叠偏移量。
本实施例中，所述第一晶圆310和第二晶圆320的切割槽内形成有全局重叠对准标记303，在测量所述第一重叠偏移量D1(i,j)和第二重叠偏移量D2(i,j)的同时，还测量全局重叠对准标记303的全局重叠偏移量。由于全局重叠对准标记中的全局底层重叠对准标记和所述全局顶层重叠对准标记的节距相同，测量获得的全局重叠偏移量也不包含由于光源不对称所导致的重叠偏移量。
在测量获得所述第一晶圆310的第一重叠偏移量D1(i,j)，第二晶圆320的第二重叠偏移量D2(i,j)，和全局重叠偏移量后，对所述第一重叠偏移量D1(i,j)和所述第二重叠偏移量D2(i,j)进行数据处理，可以计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量。
首先，从所述第一重叠偏移量D1(i,j)和第二重叠偏移量D2(i,j)中去除由于重叠量测系统导致的重叠偏移量（TIS：Tool induced shift）。所述由于重叠量测系统导致的重叠偏移量是指由于重叠量测系统存在误差，导致测量结果， 即第一重叠偏移量D1(i,j)和第二重叠偏移量D2(i,j)存在误差，需要从所述第一重叠偏移量D1(i,j)和第二重叠偏移量D2(i,j)中减去。
然后，将第一晶圆310的第一重叠偏移量D1(i,j)和第二晶圆320的第二重叠偏移量D2(i,j)中i=j的重叠偏移量，即第一重叠偏移量和第二重叠偏移量中对角线AA1上测量具有相同节距的顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记获得的重叠偏移量，以及第一晶圆310和第二晶圆320的全局重叠偏移量，进行多项式拟合，获得由于光刻系统导致的重叠偏移量。由于D1(i,j)和D2(i,j)中i=j位置的重叠偏移量与光源不对称性无关，而由光刻系统导致的重叠偏移量通常可以采用多项式来描述，通过采用D1(i,j)和D2(i,j)中i=j位置的重叠偏移量数据以及全局重叠偏移量进行多项式拟合后，就可以获得D1(i,j)和D2(i,j)中i≠j位置的由于光刻系统导致的重叠偏移量的误差。从所述D1(i,j)和D2(i,j)减去通过多项式拟合获得的由于光刻系统导致的重叠偏移量，剩余的D1(i,j)和D2(i,j)则仅包含其他不可由多项式描述的重叠偏移量以及由光源不对称性导致的重叠偏移量。需要说明的是，在其他实施例中，在所述第一晶圆310和第二晶圆320上没有形成全局对准标记的情况下，也可以只通过将所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中测量具有相同节距的顶层重叠对准标记和底层重叠对准标记获得的重叠偏移量，进行多项式拟合获得光刻系统导致的重叠偏移量，再从所述第一重叠偏移量和所述第二重叠偏移量中减去所述光刻系统导致的重叠偏移量。
然后，从所述第一重叠偏移量D1(i,j)和第二重叠偏移量D2(i,j)中去除由于掩膜导致的重叠偏移量。所述由于掩膜导致的重叠偏移量通常产生于光刻过程中对掩膜的加热（heating），导致掩膜上图形的改变，其具有随机性，不可用多项式描述。通过计算由第一晶圆310上获得的第一重叠偏移量D1(i,j)和第二晶圆320上获得的第二重叠偏移量D2(i,j)差值的一半，即（D1(i,j)-D2(i,j)）/2，可以去除D1(i,j)和D2(i,j)中由于掩膜导致的重叠偏移量。
进一步的，再去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量，由于掩膜通常采用电子束制作，在制作过程中掩膜上不同位置的不同图形密度或不同图形节距通常会导致所形成图形产生差异，后续曝光后产生重叠偏移，其也具有随机性，不可用多项式描述。通过计算相邻的重叠对准矩阵对应的重叠偏移量的 差值的一半，去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量。例如，与第一重叠对准矩阵301对应的（D1(i,j)-D2(i,j)）/2，和与第一重叠对准矩阵相邻的第二重叠对准矩阵302对应（D1(i,j)′-D2(i,j)′）/2，计算两者差值的一半，可以去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量。在去除由于掩膜制作导致的重叠偏移量之后，剩余的重叠偏移量即为由于光源不对称性导致的重叠偏移量。
在计算出由于光源不对称性导致的重叠偏移量后，将所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量与阈值比较。所述的阈值可以根据工艺要求设定，以确保由于光源不对称性导致的重叠偏移量对半导体制造工艺的影响在可接受范围之内。当所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量大于阈值时，对光刻系统的光源进行校正，减小或者消除由于光源不对称性导致的重叠偏移量；当所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量小于阈值时，表明光源不对称性导致的重叠偏移量在可接受范围内，无需对光刻系统的光源进行校正。
由于本发明实施例对光刻系统光源对称性的检测通过在晶圆上形成重叠对准标记，测量重叠偏移量，对重叠偏移量数据进行处理后获得由于光源不对称性导致的重叠偏移量，再以所述由于光源不对称性导致的重叠偏移量来判断光刻系统光源对称性是否在可接受范围内，因此本发明实施例对光刻系统光源对称性的检测是线上（Online）检测，可以在光刻系统正常生产过程中实时检测光刻系统的光源对称性，操作简单，且不会影响正常的生产制造过程。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。