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关键尺寸是描述集成电路工艺水平的一个重要标志。对关键尺寸的控制是影响工艺稳定性和产品成品率的重要因素。在现代化IC生产过程中，对关键尺寸的在线检测，是控制产品品质的关键。 本文研究了一种集成微光斑光谱反射系统和微光斑光谱椭偏系统的关键尺寸光学测量自动化检测设备，设计了垂直入射的微光斑光谱反射系统和入射角60°的微光斑光谱椭偏系统，并将两者集成到一台设备中，实现了45nm关键尺寸的在线检测。本论文的主要工作包括: 本文研究了一种微光斑光谱反射系统，该光谱反射系统采用全反射光学元件，入射角度90°，实现了深紫外到近红外(210～1000nm)宽光谱在线测量。为实现反射光路的偏振态保持，本文设计了一套由相同材料和镀膜结构的90°离轴抛物面镜和平面反射镜组成的正交反射镜系统;为实现对复杂变化的系统误差的实时修正，本文设计了带实时反馈修正的参考光路;为实现在线检测设备的定位精度，本文设计了一套原位高低倍率成像定位系统，避免了平移台移动引入的定位误差。 本文研究了一种微光斑光谱椭偏系统，实现了深紫外到近红外(190～1000nm)宽光谱在线测量。为实现宽光谱偏振态保持，本文设计了一套30°离轴抛物面镜和平面反射镜组成的正交反射镜系统，测量光入射角度60°。为实现斜入射在线检测设备的定位精度和系统误差，通过检测偏振器产生的e光，在不损失光强和额外增加定位机构基础上，设计了一套微米级别的自动聚焦定位系统和带实时反馈修正的参考光路。 本文研制了集成微光斑光谱反射系统和微光斑光谱椭偏系统的关键尺寸光学测量系统。通过一分三光纤，一侧连接光源，另外一侧三个端口分别连接光谱反射系统、光谱椭偏系统和参考光路，可以避免光源引起的温度变化和振动影响;通过一分二光纤，一侧连接光谱仪，另一侧两个端口分别连接光谱反射系统和光谱椭偏系统，降低了成本。本文研究了关键尺寸测量系统的参数校准、定位系统精度等问题，实现了45nm关键尺寸的实时在线检测。该系统在北方微电子公司试用，并与国外同类产品指标进行了对比，从静态重复性、动态重复性和产能等指标上看，均满足45nm关键尺寸实用标准。本文的关键尺寸光学测量系统，在国外厂商同类产品的模型基础上建模，并与其技术指标进行对比，测量结果如下:静态重复性方面，光谱反射系统测量45nm Poly Gate样品线宽的3σ最大值为0.0818nm，符合检验标准的小于0.55nm;光谱椭偏系统测量其线宽的3σ最大值为0.0609nm，符合检验标准的小于0.45nm。动态重复性方面，光谱反射系统测量45nm Poly Gate样品线宽的3σ最大值为0.134nm，符合检验标准的小于0.65nm;光谱椭偏系统测量其线宽的3σ最大值为0.074nm，符合检验标准的小于0.55nm。综上所述，关键尺寸光学检测系统性能符合要求。