图形保真是集成电路制造对光刻的基本要求，随着光刻技术发展到45nm及以下节点，偏振光刻图形保真技术面临越来越多的挑战。本文面向45nm节点高数值孔径（NA）浸没式光刻，系统地研究偏振效应以及关键因素对图形保真的影响，探讨各因素之间对图形保真的相互补偿作用，并基于矢量光刻成像理论，研究提高图形保真度的优化方法和技术。针对浸没式光刻机中照明系统和成像系统均会引起成像偏振光偏振态的变化，本文建立了更接近实际照明系统的非均匀偏振照明模型，研究了非均匀偏振照明对图形保真的影响；建立了获取CODE V设计的投影物镜偏振像差的方法，并分析了设计阶段投影物镜的偏振像差及其对图形保真的影响，支撑了低偏振像差投影物镜的优化设计。研究了光刻机、工艺、掩模中的关键参数分别对图形保真的影响。通过分析单一参数对图形保真的影响趋势，探索参数之间对图形保真的相互补偿作用，为研究多参数同时作用和协同优化提供了基础的研究依据。利用课题组建立的矢量成像理论，首次建立了解析的光源、掩模、NA协同优化（SMNO）方法，验证了本文提出的参数化模型的近似精度（最大误差RMS为0.17%），可以满足45nm及以下节点的仿真精度要求。SMNO方法同时考虑了光源、掩模、NA三者共同对光刻性能的作用，优化结果显示，SMNO方法相比光源掩模优化（SMO）方法，在满足分辨率要求的前提下，能够在较大焦深内获得高保真度的光刻成像。该方法既降低了光源和掩模的复杂度，又提高了优化效率。为了在更高的维度内优化光刻成像性能，首次建立了光刻机、工艺、掩模多参数协同优化方法，开发了可同时优化70余个参数的协同优化软件，在更大的工艺窗口内获得了高保真的光刻成像。为了解决优化过程中大尺度的参数被小尺度参数限制的问题，提出了一种归一化的参数优化方法，可以同时优化不同尺度的参数，提高了优化效率，改善了优化效果。针对线条和接触孔图形结构，利用多参数协同优化方法优化后的焦深（EL=5%时）分别增大了172.2%和118.05%。更重要的是，上述两种图形保真技术用于存在偏振像差的实际投影物镜系统时，因其协同优化的优势，仍然能在较大焦深范围内实现高保真光刻成像，降低并补偿了偏振效应对光刻成像保真度的影响。此外，针对实际光刻机中杂散光、工件台运动标准偏差、工件台z方向振动等因素对工艺窗口和图形保真的影响，多参数协同优化方法通过利用多种因素影响的补偿效应，显著地降低了这些因素对光刻成像保真度的影响，保障了非理想光刻机的光刻性能，达到了本研究论文的研究目标。