基于空间像主成分分析的波像差检测技术是一种原位光刻机投影物镜波像差检测技术。本文对该技术的检测模型和工程技术进行了系统研究。分析了照明条件、检测标记、空间像扫描范围等影响因素对检测精度的影响。研究了空间像传感器模型，并通过仿真和实验验证了传感器模型的有效性。研究了空间像定心误差对检测精度的影响，对比了不同定心方法下波像差检测模型的性能表现。分析了不同降噪方法的空间像降噪效果，并基于空间像噪声模型，提出了一种新的空间像降噪方法。仿真与实验结果表明，在各种影响因素中，照明部分相干因子和F方向采样范围对像差检测精度影响较大。定心方面，在X方向上六项模型定心精度更高，F方向上三项模型与六项模型各有优劣。平均值降噪法可以有效滤除空间像噪声，提高像差求解精度。像差漂移量仿真测试结果表明，该技术可用于校正光刻机的短期像差漂移。本文对该技术还给出了工程应用建议。

Ptychography是一种基于扫描式相干衍射成像的相位恢复技术，实验装置简单，抗干扰能力强。将Ptychography技术用于投影物镜波像差的检测，并分析了检测不同数值孔径投影物镜波像差所采用的光场传播公式、离散化条件及实验架构。数值仿真与实验结果表明，Ptychography技术用于波像差检测时检测标记的通光率需要在45%~80%范围内；增加标记图案的复杂性并在计算过程中增加配准环节可提高收敛速度与检测精度；波像差检测精度在10-3λ以内。将Ptychography技术应用于极紫外光刻投影物镜波像差检测是可行的。

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪, 用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理, 分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先, 根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布, 给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着, 根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系, 分析了光瞳坐标畸变的影响; 采用几何光线追迹方法, 分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后, 推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明：采用相同光瞳坐标, NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性（3σ）可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨, 结果提示：测量大数值孔径物镜的波像差时, 需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。

提出一种基于空间像峰值光强差的光刻投影物镜奇像差测量技术。根据Hopkins部分相干成像理论，推导双缝图形空间像光强分布以及峰值光强差的解析表达式。该测量技术以双缝图形为测量标记，以空间像峰值光强差为测量对象。与基于成像位置偏移量的奇像差测量技术相比，基于峰值光强差的奇像差测量技术降低了对空间像定位精度的要求，并且高精度的光强度测量有效地提高了该技术的奇像差测量精度。利用光刻仿真软件PROLITH分析了传统照明与二极照明方式下该技术的奇像差测量精度，仿真结果表明采用二极照明具有更高的测量精度。以彗差Z7为例，在传统照明和二极照明方式下，Z7的测量精度分别达到了0.29 nm与0.19 nm。