纳米制造是指产品特征尺寸为纳米量级的制造技术。为了实现纳米制造工艺的可操纵性、可预测性、可重复性和可扩展性，保证基于纳米科技的产品满足可靠性、一致性、经济性及规模化生产等多方面的要求，在纳米制造过程中对纳米结构的几何特征参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有重要的意义。尽管扫描电子显微镜和原子力显微镜都可以满足纳米级尺度的测量要求，但其显著缺点是速度慢、成本高、设备操作复杂、难以实现在线集成测量。与之相比，光学散射测量技术，由于其本身具有的快速、低成本、非破坏性和易于集成等优点，因而在先进工艺监测与优化领域获得了广泛的应用。传统光学散射测量技术基于光谱椭偏仪，只能改变波长和入射角这2个测量条件，且每一组测量条件下只能获得振幅比和相位差这2个测量参数。与之相比，广义椭偏仪在每一组测量条件下都可以获得一个4×4阶的Mueller矩阵共16个参数，而且可以改变波长、入射角和方位角这3个测量条件，因而可以获得更多待测样件的测量信息。通过选择合适的波长、入射角和方位角的测量范围，充分利用并分析Mueller矩阵中包含的更为丰富的测量信息，就可以实现更为灵敏的纳米结构测量。本学位论文以此为出发点，开展了基于广义椭偏仪的纳米结构测量理论与方法的探索性研究，主要研究工作及创新点包括：采用严格耦合波分析同时考虑测量过程中的退偏效应，建立了广义椭偏仪测量中的纳米结构光学特性模型，揭示了待测纳米结构的几何特征参数、材料的光学常数、测量条件、以及引起退偏的参量与Mueller矩阵光谱之间的联系。分别提出了基于拟合误差插值和基于修正的库匹配参数提取新方法，解决了传统库匹配参数提取方法参数反演的准确度受光谱库中网格间距限制的问题。针对一维光刻胶光栅结构的参数提取实验表明，所提出的两种参数提取方法可以有效地提高参数提取的准确度，而且不会对最终的参数提取时间造成显著的影响。系统研究了基于广义椭偏仪的纳米结构测量过程中的误差来源及分类，在此基础上通过理论推导得出了广义一阶误差传递公式，揭示了基于广义椭偏仪的纳米结构测量中的误差传播机理。通过该公式，进一步得到了待测参数提取值的不确定度与系统误差估计公式，并提出了以模型误差传递矩阵的范数作为目标函数的测量条件配置优化方法。组建了一套基于广义椭偏仪的纳米结构测量实验平台，研究了测量Mueller矩阵中随机误差与系统误差的来源及评估。在此基础上，对本学位论文中提出的纳米结构光学特性建模、纳米结构参数快速鲁棒提取、以及纳米结构测量误差分析与测量条件配置优化中的相关理论与方法进行了系统的实验验证。本学位论文所研究的基于广义椭偏仪的纳米结构测量理论和方法将为深入认识和解释基于广义椭偏仪的纳米结构测量提供一定的理论基础，为批量化纳米制造中纳米结构几何特征参数提供一种快速、低成本、非破坏性的精确测量新方法，并将在批量化纳米制造中的在线监测与工艺控制方面具有广阔的应用前景。