随着半导体产业的高速发展，集成电路制造中光刻工艺特征尺寸极限化微缩，套刻精度的要求也愈来愈极端严苛。本文基于影响套刻精度的核心技术，即对准技术，对该技术中精密测量传感系统的设计和微纳测量对象对准标记的设计两个方面进行了归纳分析，就业内国际顶尖科技公司的技术发展进行了整理，并详细介绍了他们在对准测量技术路径演化进程中所起到的推动作用。同时，还对当前国内各相关技术团队在该方向的最新研究成果进行了总结。以此为基础，进一步讨论了面向更为先进的工艺节点，光刻对准技术的改进方向和优化思路，从而为获得更高精度的套刻性能提供重要的技术参考。

相位光栅（PG）标记是微位移测量系统的关键部件，提出了一种严格耦合波（RCWA）法与差分进化算法相结合的共振域PG标记设计方法，解决了标量衍射理论计算精度不足和参数遍历设计方法耗时太久的问题。基于自参考干涉位移测量模型，确定以测量光信噪比（SNR）之和最大为光栅标记设计的评价函数，并研究了不同入射光波长、偏振态和光栅周期下，RCWA法中空间谐波数与计算精度的关系。针对多波长照明微位移测量需求，利用所提方法进行了标记设计，并与常规设计方法进行了比对分析。结果表明：对于3.2 μm周期的PG，横磁（TM）光照射时光栅占空比取0.484，槽深取161.5 nm，此时SNR之和可达到最大值586.63；较常规设计方法，所提方法设计PG标记的时间缩短到了其的0.2%，SNR之和最大提升比例可达到24.4%。

相位光栅位置测量系统是实现超精密制造的核心，自参考干涉信号对比度是影响相位光栅位置测量精度的重要因素之一，而光束偏振特性直接决定了自参考干涉信号的对比度。采用琼斯矩阵和矢量形式反射定律，对自参考干涉仪棱镜中的传输光束进行了偏振追迹，构建了相位光栅位置测量系统的琼斯矩阵模型，并用物理光场数值分析软件VirtualLab验证了该模型的准确性。基于该模型分析了偏振分光面消光比、入射光偏振态及棱镜光程差对自参考干涉信号对比度的影响，结果表明，在波长为λ的照明光束下，为保证干涉信号对比度优于0.98，偏振分束镜的消光比需大于122，入射光椭偏角ψ和椭圆度tan ε分别在（0.693 rad，0.878 rad）和（-0.093，0.093）范围内，棱镜光程差需控制在（-0.03λ，0.03λ）范围内。综合考虑后，要求入射光椭圆度的取值范围为0.531δ±0.087（δ为自参考干涉仪棱镜的相位差）。该分析结果可为相位光栅位置测量系统中光束偏振特性的调控补偿提供理论依据，对提高自参考干涉信号对比度及相位光栅位置测量系统的精度具有重要意义。

在相位光栅位置测量系统中,加工、后处理等工艺会导致光栅结构发生非对称性变形,增加了位置测量误差。因此,建立了非对称性光栅的衍射场理论模型,分析了光栅非对称性对位置测量精度的影响,并根据不同衍射级次对非对称性敏感度的差异提出了一种多衍射级次权重优化方法,以修正光栅非对称性变形引入的测量误差。实验结果表明,当光栅中心槽深为入射波长的1/4时,顶部倾斜非对称性和底部倾斜非对称性对测量精度的影响可以忽略;当占空比为0.5时,侧壁非对称性对测量精度的影响可以忽略。非对称性引入的位置误差,经多衍射级次权重优化法修正后可控制在0.05 nm以内。

匀光系统的均匀性是实现深紫外CMOS图像传感器参数测试的关键。根据傅里叶光学理论, 结合ArF准分子激光输出光斑特点, 设计了复眼阵列匀光系统的初始结构, 并在ZEMAX非序列模式下建立了匀光系统模型。针对ZEMAX光源中光线采样随机性的特点及匀光系统均匀性的要求, 对追迹光线数目及复眼阵列中透镜元个数进行了优化。在透镜元大小为1mm、采用1亿根光线并做30次平均后, 在12mm×12mm光斑范围内获得了均匀性为0.986的均匀照明光斑, 满足CMOS图像传感器测试对光斑均匀性优于0.97的要求。

根据光谱共焦位移传感器的工作原理及线性轴向色散条件,选择3种色散物镜用玻璃材料N-KZFS11、N-SF66和N-PK52A,并结合像差理论设计了由3个单透镜和2个双胶合透镜组合成的线性色散物镜初始结构。利用Zemax光学设计软件对色散物镜的初始结构进行优化和公差分析。结果表明:在450~650 nm波长范围内,各波长弥散斑均远小于艾里斑,色散物镜测量范围可达1.05 mm,轴向色散与波长之间的线性判定系数R²达0.997,理论分辨率可达105 nm。

环境温度变化是影响夏克哈特曼波前传感器（SHWS）测量精度的重要因素之一。采用Zemax软件热分析功能，分析了环境温度变化引起的微透镜阵列（MLA）变形及折射率变化、MLA和电荷耦合器件（CCD）间距变化以及球面波点源与SHWS间距变化对SHWS测量精度的影响。分析计算得出，环境温度变化引起的MLA和CCD间距变化是影响SHWS测量精度的主要因素，环境温度在21~24 ℃内每增加1 ℃，给测量结果带来的误差[均方根（RMS）]约为0.52 nm 。通过单模光纤衍射产生近于理想的球面波对SHWS测量精度进行实验验证，实验结果和仿真分析结果基本一致。

在基于夏克-哈特曼波前传感器的深紫外物镜系统波像差检测中，均匀高亮度的照明光束是实现纳米精度波像差检测的关键。采用时域有限差分法和部分相干性理论对随机排列微孔阵列衍射波前的强度对比度进行了优化。与周期排列微孔阵列相比，采用随机排列微孔阵列，可获得更加光滑的衍射波前强度分布；对单个微孔衍射波前的分析表明，微孔直径越大衍射波前强度对比度越大；衍射波前强度对比度在双孔间为74 nm 时达到最大值。分析计算得出，为获得满足纳米精度波像差检测强度对比度要求的波前，随机排列微孔阵列中宜采用直径170 nm 的微孔，且微孔间距大于等于306 nm，此时，微孔阵列中微孔个数为428，衍射波前强度对比度为11.70。

通过微孔衍射产生高质量的球面波是进行夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)高精度标定的关键。采用时域有限差分(FDTD)法，进行了193 nm 准分子激光照明下有限厚度有限电导率微孔的衍射仿真计算，分析了照明物镜数值孔径(NA)对微孔衍射波前质量的影响，确定了满足SHWS高精度标定所需微孔直径和照明物镜NA 的大小。分析计算得出，采用直径为200 nm 的微孔及NA 为0.6~0.75的照明物镜时，衍射波前均方根(RMS)偏差为3.50×10-3 λ ，强度均匀性为0.10，微孔透射率约为0.15，满足SHWS进行纳米精度波像差检测对参考球面波质量的要求。

在亚波长金属单狭缝聚焦结构的基础上，提出了一种易于集成加工的亚波长金属单狭缝填充金属条的超分辨率聚焦结构。采用时域有限差分法(FDTD)对该结构的聚焦特性进行了仿真分析。通过分析研究聚焦结构参数对焦效果的影响，获得了超衍射极限的聚焦光斑，该聚焦光斑的归一化光强I 为4.5、焦半径(FWHM)为300 nm(小于λ /2，λ =632.8 nm)。对于±10 nm 的尺寸与定位误差对结构的聚焦特性影响甚微。该模型聚焦结构的横向尺寸仅为2.0 μm ，适用于纳米光子学、集成光子电路等领域，具有较高的应用价值。