光刻物镜硅片刻蚀过程中的Z5像散会使光刻物镜波像差产生严重的劣化。为了对像散进行实时补偿, 提出一种Z5像散主动补偿系统。该系统由实时数据平台、驱动力系统、柔性支撑结构和光学透镜构成。采用球面干涉仪作为光学透镜表面面形的检测设备, 利用最小二乘法及线性叠加原理确定驱动参数与面形关系。实验进行了主动补偿系统的驱动器响应函数测试、补偿行程测试、补偿精度测试、补偿分辨率测试。结果表明, 系统Z5像散补偿行程达到735 nm, Z5像散补偿精度小于2 nm, 引入的高阶像差小于1 nm, 像散补偿分辨率为2 nm, 该系统能够有效补偿光刻物镜系统波前像差, 使光刻物镜满足像质要求。

针对光刻投影物镜中光学元件X/Y/θ微动调整的工程需求，研制了一种基于3-RRR结构的光学元件柔顺微动调整机构，并对其位姿正解进行了研究。建立了3-RRR柔顺并联机构的伪刚体模型，并采用矢量代数法理论推导了该机构的位姿正解，得到了它的理论雅克比矩阵。然后，在NASTRAN中建立了3-RRR柔顺并联机构的有限元模型，得到了仿真环境下该机构的位姿正解和雅克比矩阵。最后，对研制的3-RRR柔顺并联机构进行了实验研究，得到了该机构真实的位姿正解和雅克比矩阵。实验结果表明，实验雅克比矩阵的各项系数分别为0.577 7、-0.304 0、-0.283 3、0.002 1、0.524 6、-0.516 5、1.402 6、1.481 9、1.435 3，而理论雅克比矩阵相对应的各项系数分别为0.612 9、-0.306 5、-0.306 5、0、0.530 8、-0.530 8、1.444 6、1.444 6、1.444 6，得到的数据表明: 采用矢量代数法能够理论推导出该机构正确的位姿正解公式。提出的3-RRR柔顺微动调整机构位姿正解方法为微动调整机构的研制提供了设计依据。

可调支撑装置是高精度光学元件的常用支撑结构。分析了可调支撑装置支撑力调节对光学元件面形的影响规律。建立可调支撑装置的力学模型，利用有限元法计算光学元件的变形，并对光学元件面形进行Zernike 多项式拟合。不同工况下分析结果表明：均匀支撑时光学元件面形均方根(RMS)最小，可调支撑力变化时，引入的光学元件面形RMS 以及主要Zernike 多项式系数均与支撑力线性相关，与光学元件的初始支撑状态无关。建立FringeZernike 系数随任意支撑力变化的敏感度矩阵，采用该矩阵预测随机工况下光学元件支撑力调整后面形，预测调节面形与有限元仿真调节面形基本一致，RMS 误差优于0.3%，为可调支撑装置的设计与装调提供理论依据。

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为满足透镜面形精度RMS 值优于1~2 nm 的指标要求，本文提出了一种具有整体径向挠性的透镜多点均匀支撑结构，基于自重变形和热变形对支撑块尺寸进行了优化设计，分析了透镜在优化后的支撑结构下由自重和热载荷引入的面形变化情况，结果表明：自重引起的透镜上表面面形去除power 项后RMS 为0.429 nm，下表面面形去除power 项后RMS 为0.294 nm；热载荷引起的透镜上表面面形RMS 为0.409 nm，下表面面形RMS 为0.063 nm，能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。

为了找出耦合误差产生的根源, 探讨了柔性偏心机构设计方法.首先, 给出了机构组成和工作原理；然后, 基于柔度矩阵法对机构建模, 分别推导了桥式位移放大机构、导向机构、连接机构的柔度；最后, 综合得到机构的整体柔度.分析结果表明柔度矩阵法得到的输出柔度理论值和有限元法得到的结果误差为8.126%, 机构的一阶固有频率为73.78 Hz.在40N的驱动力范围内, 机构可以实现66.466 μm的行程, 透镜和机构上的最大应力分别为0.0711 MPa和235.22 MPa, Y/Z/RX/RY/RZ耦合误差和X向行程的比分别为0.0543%、0.0082%、1.218×10－8rad/μm、1.870×10－7rad/μm、6.073×10－7rad/μm.调节后镜片面形PV值优于24 nm, RMS值优于5 nm, 并且主要为像散.通过合理的柔度设计, 机构接近完全解耦, 揭示了不合理的机构刚度是产生调节耦合误差的根源.

为补偿光刻物镜由不均匀照明引入的Z5 像散，设计了一种主动变形镜，并分析该主动变形镜的像散补偿性能。利用有限元分析方法，建立主动变形镜的有限元模型，得到主动变形镜调节能力、刚体位移误差、固有频率及最大应力等性能。结果表明，主动变形镜在50 N 驱动力作用下可以实现镜片表面面形均方根(RMS) 837 nm Z5 像散补偿，伴随产生的镜片表面高阶像差仅为RMS 1.124 nm，三个方向刚体平移仅为0.49、0.52、0.13 nm，三个方向的刚体旋转仅为2.21、1.73、1.10 ms，主动变形镜一阶固有频率达到2555 Hz，最大应力为0.852 MPa，满足光刻物镜像散补偿需求。