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薄膜外延生长质量提高是薄膜应用和研究的重要目标。工艺优化控制是影响生长工艺稳定性和生产良率的关键。特别是大尺寸外延生长，外延片翘曲引起均匀性问题更加突出。为实现有效的工艺优化控制，在薄膜制造过程中对生长工艺进行实时、低成本、无接触、非破坏性的原位监测具有十分重要的意义。根据原位监测的结果改进关键工艺参数，有助于提高工艺的稳定性、均匀性及生产良率。本文以开发一种多参数薄膜外延生长光学原位监测系统为目标，研究反射率、温度、二维曲率的检测机理和检测过程，将其应用于LED和Ⅲ-N族异质结外延生长工艺的检测中，为实现工业生产过程中薄膜外延生长多方位实时检测提供一种途径。 本研究主要内容包括：⑴研究了薄膜外延生长原位监测系统参数的理论模型。建立了基于多光束干涉法的反射率检测模型，适用于多种衬底的热发射率补偿辐射测温理论模型以及基于多光束偏转法的曲率检测模型，并利用两垂直方向的多组曲率对外延片的曲面形态进行了重构。⑵研制出集温度、反射率（生长率、膜厚等）和二维曲率多参数的原位监测系统。通过仿真确定了光源波长、光入射角和滤波范围等系统参数，提出利用双波长分段测温扩大测温区间的方法，以及基于光源调制的热辐射背景噪声抑制方案。提出软硬件具体实施方案，实现了光学原位监测系统、监测控制计算机与薄膜外延生长系统软硬件的结合。⑶研究了提高原位监测系统参数精度的方法。理论分析了反射率和曲率测试误差，包括背景噪声、探测器温漂、晶圆倾斜和振动、系统安装位置漂移等。建立了温度测试误差模型，基于热发射率补偿辐射测定法出现的温度过补偿问题，引入温度过补偿修正因子。修正后，温度曲线的振荡由10℃降到2℃以内。⑷提出一种基于标准片的反射率和曲率校准方法，设计了校准流程。三个波长反射率校准精度分别为0.4506±0.0088，0.3064±0.0065和0.3070±0.0041，曲率校准精度在±1 km-1以内。研制出一套高精度的温度校准单元。模拟特定温度下黑体辐射，采用PID算法调节校准单元内LED光源的驱动电流。校准后，两个探头测试同一片外延片的温差从4.11℃降低到±0.13℃。⑸将系统应用到图形化蓝宝石衬底LED生长工艺和硅衬底GaN/AlGaN异质结生长工艺中。通过反射率、温度和曲率测试曲线，以及外延片的曲面形态结果，分析了薄膜外延工艺不同阶段的膜层生长特性、应力产生及变化过程。