随着半导体制造节点的不断缩小,如何精确地测量套刻误差变得十分重要。为了检测光刻层之间的套准质量,通常会在半导体器件的划线槽区域加工套刻标记,然后通过测量套刻标记的套刻误差来反映器件内部的套刻质量。在众多套刻误差测量方法中,基于光学衍射的套刻误差测量技术（Diffraction-Based Overlay,DBO）因其非接触、无破坏、快速等特点成为套刻误差测量中的主流方法。其中,经验性的DBO方法（empirical DBO,eDBO）利用光学衍射表征量与套刻误差之间的线性关系,可实现套刻误差的快速提取,是现今最为广泛使用的方法。相比于反射率、椭偏参数等传统的光学衍射表征量,穆勒矩阵含有15个穆勒矩阵元素,涵盖更多的光学信息,并且可以识别纳米结构非对称特征的大小与方向,因而特别适合于套刻误差这种典型非对称特征的测量。因此,如何通过穆勒矩阵来实现套刻误差测量具有重要意义。本文主要研究内容包括套刻误差光学衍射表征量的选择、套刻误差测量误差分析以及套刻标记形貌参数多目标优化三块,具体内容如下:（1）定义了eDBO方法的套刻误差测量灵敏度,并在典型光学衍射套刻标记上仿真对比了穆勒矩阵元素及非对角元素组合量的灵敏度,给出了利用穆勒矩阵进行套刻误差测量时的最佳表征量。（2）探讨了eDBO方法中套刻误差测量误差的来源,基于泰勒展开式和概率密度函数给出了评估套刻误差测量准确度和重复性测量精度的公式,在此基础上通过仿真定性地分析了套刻误差测量准确度和重复性测量精度与测量配置以及套刻标记形貌参数之间的关系。（3）首次提出将套刻标记优化设计定义为一个多目标优化问题,并采用多目标优化算法对该问题进行求解,实现了高测量准确度、高重复性测量精度和高测量鲁棒性的套刻误差测量。本文研究了基于光学衍射的套刻误差测量方法,重点研究了穆勒矩阵中套刻误差表征量的选择,套刻误差测量误差的来源与评估,套刻标记形貌参数优化,实现了套刻误差快速、精确、鲁棒的测量,为套刻误差测量方法的发展打下了坚实的基础。