在微电子和微机电系统设计与制造工艺中,目前普遍采用了高深宽比的深沟槽结构。随着沟槽尺寸不断缩小且沟槽剖面形貌更为复杂,监测沟槽深度相关的几何特征参数对于保证工艺控制已变得越来越迫切。目前普遍采用的终点控制法,假定刻蚀速率等于刻蚀深度除以刻蚀时间。由于刻蚀速率与多种因素有关而在刻蚀过程中很难保持定值,因此误差较大。为了实现有效的工艺控制,在制造过程中对深沟槽结构的尺寸进行在线、非破坏性的精确检测具有非常重要的意义。为此,本学位论文以此为研究背景,系统研究了微纳深沟槽结构基于模型的反射光谱测量理论与方法,并成功研制开发一套基于模型的红外反射谱测量原型系统。建立了高深宽比微纳深沟槽结构的等效光学模型,针对一维周期性结构和二维周期性结构分别提出了一种基于修正等效介质理论的光学反射率计算新方法。通过对各种典型微纳深沟槽结构反射特性进行仿真分析,探讨了沟槽结构反射光谱特性与其对应几何特征参数之间的联系。研究了基于测量光谱反演分析的沟槽结构参数快速提取技术,基于已建立的深沟槽结构光学特性模型,分别提出了基于自适应模拟退火结合LM算法以及人工神经网络结合LM算法的参数提取快速算法,并对以上两种参数提取算法进行仿真分析,验证该方法在沟槽结构参数提取中的快速性以及提取结构参数的准确性。研制了一套基于模型的红外反射谱测量原型系统,研究了高灵敏度红外探测光路设计、硅片样件背部杂散光干扰消除、光谱测量高速数据采集、信号分析及沟槽参数自动提取软件包开发等关键技术。利用该测量原型系统对多层光学薄膜结构、典型深沟槽结构进行了实验研究,验证了所提测量理论与方法的有效性和适用性。本文所研究的基于模型的红外反射谱测量法为深沟槽结构刻蚀在线测量提供了一种非接触、非破坏、快速、低成本和高精度的新途径,在微机电系统及集成电路制造过程中的在线监测与工艺控制方面具有广阔的应用前景。特别是在DRAM深沟槽缺陷原位检测、高深宽比微纳结构刻蚀实时监控、全场硅片CD均匀性快速评估等方面将获得广泛的应用。