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集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。光刻机是集成电路制造的核心装备，投影物镜系统是光刻机的关键分系统之一。投影物镜的波像差影响光刻成像对比度，缩小工艺窗口，降低集成电路产品良率。当前，最先进浸没式光刻机的投影物镜波像差已经达到了亚纳米量级。随着光源掩模优化等分辨率增强技术的应用和准分子激光功率的不断提高，投影物镜热效应引起的波像差动态变化对光刻成像造成严重影响。为保证高质量成像，需要对波像差进行原位检测与控制。目前，基于瞳面测量的波像差检测技术是国际上的主流技术，具有检测速度快、精度高的优点，但需要额外的硬件成本。本课题组已提出基于空间像主成分分析的光刻机投影物镜波像差检测技术(AMAI-PCA)，具有成本低、检测速度快、精度高、可以原位检测波像差的优点，为干式光刻机投影物镜波像差检测提供了一种新的技术手段。但由于已有检测模型的限制，尚不能应用于浸没式光刻机投影物镜波像差的检测。本文基于矢量光刻成像理论建立高灵敏度检测模型，提出了浸没式光刻机投影物镜波像差检测技术，大幅度提高了检测精度，扩展了可测泽尼克系数范围，在此基础上，显著提高了波像差求解速度。主要内容包括: 1.本文提出了一种光刻机投影物镜热效应快速仿真模型。通过光瞳面光强映射简化了光强计算过程，并推导镜片温度分布的简化公式加快了温度计算过程，实现了光刻机曝光过程中投影物镜热效应对波像差影响的快速(～10min)、精确仿真。商用前道扫描光刻机热效应实验结果表明，本模型的仿真精度（Rs2）优于0.99。本模型用于分析光刻机投影物镜热效应对波像差的影响，对于高灵敏度波像差检测模型的建立具有指导作用。 2.本文提出了一种基于矢量光刻成像模型的高精度波像差检测技术。通过采用偏振光照明和矢量光刻成像模型，准确表征了浸没式光刻机的空间像，建立了空间像光强分布与泽尼克系数之间的线性模型，提高了投影物镜波像差的检测精度。光刻仿真软件PROLITH的仿真结果表明，本技术对33项泽尼克系数(Z5～Z37)的检测精度优于0.85mλ(0.1636nm)。 3.本文设计了一种八方向孤立空测量标记，提出了基于该测量标记和旋转矩阵法的高阶波像差检测技术。本技术采用八方向孤立空测量标记实现了对投影物镜光瞳面波前的高效率采样，并采用旋转矩阵法提高了建模速度，从而建立了对投影物镜高阶波像差更加敏感的检测模型，将可测泽尼克像差项数由33项扩展至60项。PROLITH仿真结果表明，本技术对60项泽尼克系数(Z5～Z64)的检测精度优于1.03mλ(0.1980nm)。 4.本文提出了一种基于多偏振照明模式的波像差快速求解方法。通过采用线性采样方式，并结合不同偏振照明模式下的空间像进行建模，有效降低了采样数，加快了建模过程，提高了波像差求解模型的灵敏度。PROLITH仿真结果表明，本方法对60项泽尼克系数(Z5～Z64)的求解精度优于1.06mλ(0.2037nm)。相比于基于八方向孤立空标记的高阶波像差检测技术，本方法在不损失求解精度的前提下，求解速度提高了5倍以上。相比于AMAI-PCA技术，本方法的波像差求解速度提高了3倍以上。