纳米薄膜在半导体制造等领域具有非常广泛的应用,快速而精确的测量制备工艺过程中的薄膜参数对控制工艺良率、提高制造效率以及降低工艺成本具有重要的意义。随着薄膜制备工艺的进步,对纳米薄膜的大面积模块化生产已趋于成熟,而纳米薄膜极薄的厚度、复杂的色散关系对测量技术和方法提出了巨大的挑战。经典在线测量技术光谱反射技术在测量厚度小于50纳米的薄膜时存在精度下降的问题,而传统的光谱椭偏技术由于倾斜照明存在测量横向分辨率低和振动敏感问题,同时其测量速度受偏振调制周期限制,难以用于实际生产条件下的快速实时测量场景。针对上述问题,本学位论文发展一种能够同时获得角谱维度和波长谱维度反射信息的偏振角分辨光谱（PARS）快速测量技术,本文围绕偏振角分辨光谱测量系统研制关键技术与薄膜测量应用这一主题,主要研究工作和创新点包括:研究了结合傅里叶后焦面成像技术和成像光谱技术的偏振角分辨光谱技术的测量原理,建立了各反射参量偏振角分辨光谱求解的通用数学模型;仿真分析了各反射参量的偏振角分辨光谱相对薄膜参数的灵敏度以及利用不同反射参量进行薄膜参数提取的特点,提出了利用p偏振光反射率、s偏振光反射率及其振幅比ψ的角分辨光谱联合进行薄膜参数提取的方法,并给出了利用偏振角分辨光谱不依赖材料色散模型进行薄膜参数测量的求解策略。设计并搭建了偏振角分辨光谱反射仪实验平台,进行了光学系统设计、核心元器件选型、光路搭建及调试校准工作,提出了利用后焦面光束轮廓像对起偏器和分析器进行方位角标定以及利用p偏振光反射光强与布儒斯特角对应关系对偏振角分辨光谱进行入射角度标定的方法。研究了偏振角分辨光谱反射仪的主要误差来源,开展了偏振器件方位角偏差、光谱仪狭缝位置失调以及照明入射角不确定等误差仿真实验,评估了各系统误差源对偏振角分辨光谱测量精度及薄膜参数提取精度的影响,并提出了减小系统误差优化仪器系统的方法,为进一步提升仪器测量精度提供指导。基于所搭建的偏振角分辨光谱反射仪实验平台,对单层二氧化硅薄膜开展测量实验并与商用光谱椭偏仪测量结果进行对比,验证了偏振角分辨光谱反射仪在薄膜快速测量和样品表征等方面良好的性能。通过利用单波长角谱进行薄膜折射率提取实验,展现了偏振角分辨光谱反射仪在不依赖色散模型进行样品参数提取的应用前景。本学位论文提出的偏振角分辨光谱纳米薄膜快速测量技术利用高数值孔径物镜提升测量的横向分辨率,基于单帧成像实现微秒量级的实时测量,基于多维度多参量反射信号获取提升测量精度,为纳米薄膜制备工艺过程中的在线监测和实时测量提供了一种精确测量新方法,具有广阔的应用前景。