设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构, 使光学元件在具备较高调节精度的同时, 保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度, 以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数, 对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化, 在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下, 刚度比最优值达到1 5736, 较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移, 从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便, 可实现三自由度(θx-θy-Z)调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析, 结果表明: 径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 6604, 解析值与仿真值误差为523%, 证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构, 轴向调节行程为209 mm, 绕x轴偏转角度调节行程为±166 mrad, 绕y轴偏转角度调节行程可达到±144 mrad, 满足光学元件调节的大行程要求。

设计了一种电容位移传感器在线标定平台, 用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴, 故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能, 保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理, 采用对称平行四边形机构实现了微位移调节, 基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162 μm, 和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%, 满足行程误差要求。经过标定补偿后, 传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示, 该线性度标定方法精度高, 标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明: 本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38 nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70 nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。

X-Y向柔性调节机构应用于光刻投影物镜中光学元件 X-Y方向偏心位置补偿。基于柔性铰链, 设计柔性二级减速机构, 并将之应用到新型的一体式 X-Y向柔性调节机构上。在对机构原理进行分析的基础上, 对 X-Y向柔性调节机构结构参数进行了优化设计。进一步, 运用有限元分析法, 分析了该 X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明, 该机构调节行程大于 ±20 μm, 机构位移输入.输出关系稳定, 传动比约 11.9, 理论调节精度约 8.4 nm, 机构单方向驱动刚度为 0.473 μm/N; 机构开环单轴运动时, 耦合误差与主运动比值为 7.1%; 机构 1阶模态频率大于 200 Hz。该 X-Y向柔性调节机构能够应用到光刻投影物镜中。

在保证光学元件极高面形精度和极高调节精度的同时，为了实现更大的调节行程，采用柔性环片结构，设计了一种光学元件轴向精密调节机构。建立了调节机构的有限元分析模型，分析了主要设计参数对调节机构的调节行程、应力值、固有频率、光学元件上下表面面形均方根(RMS)值等性能指标的影响。结果表明：轴向调节机构可实现299.2 μm的调节行程，且机构的最大应力值为141.3 MPa，固有频率值为95.3 Hz，光学元件上下表面的面形RMS值在1.3 nm以内，满足光刻投影物镜对轴向调节光学元件的使用需求。

设计了一种采用6-PSS型并联机构的光学元件精密轴向调节机构，以使光刻物镜中光学元件的调节行程达微米级，调节精度达纳米级。将6-PSS型并联机构中的6个移动副改进为3个，减少了驱动器的使用数量，提高了轴向调节机构的可靠性; 设计了一种圆角薄柔性铰链结构作为6-PSS型并联机构中的球铰副，实现了轴向调节机构的结构一体化，简化了光机组件的装调过程，提高了机构的机械精度; 利用空间矢量法分析了机构输入构件与输出构件之间的位置关系，推导出了机构的传动比表达式，为机构主要结构尺寸的选取提供了依据。轴向调节机构的验证试验结果表明：机构传动比的理论计算值接近于实测值; 轴向调节机构的调节行程为74.4 μm，调节精度在40 nm以内，满足光刻物镜中光学元件轴向调节机构的使用需求。

深紫外光刻投影物镜光学系统对光学元件的面形精度要求极高，物镜中轴向调节机构调节力对光学元件面形的影响不可忽略。针对一种一体化结构的光学元件轴向调节机构，研究了调节力对光学元件面形的影响规律。采用有限元计算的方法分析了调节力与光学元件面形均方根（RMS）值、Code V标准Zernike系数之间的关系，并进一步提出了通过隔离调节力和吸收调节力以减小调节力对元件面形影响的方法。计算结果表明：光学元件面形的RMS值和Zernike系数随调节力线性变化，调节力不会导致已有像差转变为其他类型的像差，也不会导致新像差的产生；在光学元件与轴向调节机构的支撑镜框之间采用具有吸收调节力功能的柔性结构后，调节前后光学元件面形RMS值的变化幅度由187%降低到了8%以内，调节力对元件面形的影响得到了有效控制。

设计了用于平板形单振子二自由度超声电机的驱动电源, 并针对驱动电源电流负荷较大, 输出功率利用率不高的问题, 提出了优化驱动性能的措施。该电源利用压控振荡器产生正弦小信号, 经高压及功率放大后得到较高的驱动电压及较大的驱动电流实现电机驱动。根据压电振子等效电路模型及工作特性, 采取与超声电机并联电感的方法优化了电源驱动性能。制作了驱动电源样机, 并对输出性能及优化效果进行了测试。测试结果表明: 设计的电源驱动电压及频率可独立连续调节, 可输出理想的正弦信号波形; 在49.127 kHz、49.756 kHz两种频率下, 接超声电机负载时, 最大输出电压分别为176.0 V及171.2 V; 超声电机并联1.442 mH电感后, 电源驱动电流可减少至原来的7.27%和7.41%, 功率因数可提高至0.968和0.9550。得到的结果显示, 设计的电源满足超声电机驱动要求, 采取的优化措施在减小电源电流负荷及提高电源输出功率利用率方面效果明显。

为了使光学元件轴向调整机构满足调整行程大、调整精度高、结构紧凑和装调容易等要求，设计了一种一体化结构的光学元件轴向调整机构。结合有限元分析技术，建立了该型机构的参数化模型，并分析了主要设计参数对调整机构的调整行程、一阶固有频率和最大应力值等主要技术指标的影响。分结果表明，调整机构可以实现光学元件的精密轴向调整；柔性转轴片厚度和宽度分别为1 mm和0.8 mm，柔性导向片的厚度和长度分别为0.6 mm和20 mm，调整机构的调整量为67.45 μm，一阶固有频率为119.1 Hz，且机构的最大应力值小于材料的屈服极限。满足光学元件轴向调整机构的设计要求。