随着光刻极限不断向前发展、光刻分辨率不断进步和提高,光刻机投影物镜波像差已成为评价光刻成像质量最关键的检测指标之一。目前,光刻机投影物镜的数值孔径正逐步逼近其制造极限,需要在超高数值孔径下将波像差减小到纳米量级,这就要求获得更高阶数的Zernike系数；同时,为了严格控制光刻分辨率以及特征尺寸均匀性等光刻技术指标,光刻机中目前普遍采用离轴光源照明方式,这都对波像差检测技术及其系统提出了极为严峻的挑战。因此,很有必要在各种离轴照明光源(甚至任意照明光源)条件下监测光刻机投影物镜的实时状态并实现波像差高阶Zernike系数的精确在线提取(一般要达到37级,即Z37),以实现显著提高光刻机成像质量的目的。鉴于此,本学位论文针对各种波像差导致的空间像畸变机理开展深入研究,从而提出一种基于灵敏度解析函数的光刻机投影物镜波像差在线检测新理论与新方法。该检测方法适用于任意光源照明设置、能实现高达37级Zernike系数的波像差在线检测。提出一种全面描述光刻机离轴照明光源物理分布特性的全参数解析模型,采用Sigmoid函数作为构造各种离轴光源解析模型的核函数。通过加入光源全参数修正项来表征真实光源的各种物理畸变和偏差,全参数修正项可展开为傅里叶级数形式,相应级次的傅里叶系数具有特殊的物理意义,可分别代表偏心、倾斜、椭偏等形式的光源畸变;对波像差导致的空间像畸变开展理论建模与仿真研究。提出一种基于三阶互相关算子的波像差二阶模型,旨在深入分析各种波像差Zernike系数对光强造成的畸变影响。通过将传输交叉系数TCC分解为三阶互相关算子CTC的叠加,波像差二阶模型中表征Zernike波像差对光强畸变影响的一阶畸变项与二阶畸变项能够很好的分离,并实现快速计算。该模型具备精确、高效等诸多优点,揭示了不同类型Zernike波像差对光强畸变相互影响的物理本质；提出一种适用于圆形照明光源的波像差在线检测理论与方法,能实现波像差高达37级Zernike系数的精确检测。该方法使用透射像传感器采集并分析成像光强信号,设计制作最为简易的二元光栅结构作为掩模标记配合透射像传感器实现波像差在线检测。通过深入研究Hopkins成像原理,突破通常在空域内研究光强分布的思维定式,通过分析离焦扫描光强分布在频域内的物理内涵,建立光强频谱与波像差Zernike系数之间的线性解析联系,从而推导得到适用于圆形照明光源的波像差灵敏度解析函数。波像差灵敏度矩阵分别由奇、偶像差灵敏度解析函数构成,可直接通过数值计算提前得到(无需使用PROLITH软件仿真获取),分别用于检测奇、偶像差Zernike系数；改进了适用于圆形照明光源的波像差在线检测方法,提出一种适用于任意照明光源的波像差在线检测新理论与新方法,首次提出波像差广义灵敏度函数的概念,用于解析表征任意光源照明条件下的奇像差和偶像差灵敏度,从而实现37级Zernike系数的快速、精确检测。广义灵敏度函数由Zernike级次、光瞳采样点位置及光源照明设置决定,是波像差检测方法的核心。对于一组待测Zernike系数,广义灵敏度函数也可定义为灵敏度核函数,构成用于波像差检测的灵敏度核函数空间。灵敏度核函数成为了联系观测信号与波像差Zernike系数线性映射关系的桥梁,波像差检测方法的实质是将观测信号在灵敏度核函数空间进行分解。通过输入的4种主流离轴照明光源,利用PROLITH软件开展了任意光源照明设置下的波像差在线检测仿真实验及检测误差分析。通过分析大量仿真检测结果,发现提出的检测理论与方法精确可靠,波像差37级Zernike系数的检测绝对误差在0.1mλ数量级,波像差光瞳面的反演精度高达mλ量级。另外,由于采用制作最为简易的二元光栅结构作为掩模标记配合透射像传感器实现波像差在线检测,因此本论文提出方法具备简便易行、低成本、高效率等诸多优点,为光刻机投影物镜系统在线监测与优化控制提供了新原理、新途径。