深紫外光刻投影物镜是光刻机的核心部件, 然而无论是照明光场偏振态的空间分布, 还是光刻投影物镜自身的偏振像差都将改变光束的紧聚焦特性, 对成像质量造成不可忽略的影响。基于三维琼斯矩阵, 把偏振像差函数推广到三维空间, 建立了三维相干光场中偏振像差的评价方法, 并分析了典型的偏振敏感光学系统——深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差, 详细阐述了其物理意义。研究发现: 三维偏振像差函数的光瞳分布与视场、光学薄膜以及光学系统的自身结构密切相关。深入讨论了光学薄膜及偏振效应对光刻投影物镜成像质量的影响, 进一步研究了照明光场的偏振态分布与光学系统波像差的关系, 研究表明: 光学薄膜引入的附加位相将导致光刻投影物镜的像质明显下降, 而采用径向矢量光场照明可以改善成像质量。

为使光刻投影物镜满足光刻工艺的要求, 研究了掩模位置误差对光刻投影物镜引入的畸变。采用勒让德多项式描述光刻投影物镜的畸变, 并应用勒让德多项式对光刻投影物镜进行了畸变分析及畸变补偿。利用以上方法, 对一台工作波长为193 nm, 数值孔径（NA）为0.75的光刻投影物镜进行了畸变分析。 结果显示：当掩模面3个方向的平移公差为1.0 μm, 绕3个轴的转动公差为0.1 mrad时, 光刻投影物镜标定前后的畸变分别为2 113.2 nm和10.0 nm。利用勒让德多项式进行了畸变拟合, 获得了多项式中各项系数, 并给出掩模面位置误差的畸变敏感度系数; 然后利用畸变敏感度系数对掩模面的随机位置误差进行了公差分析和补偿。结果表明, 将光刻投影物镜畸变控制在2 nm以内时, 掩模面z方向的位置公差为±2.0 μm, 掩模面与x轴与y轴的倾斜公差分别为±22.3 μmad和±55.3 μmad。实验结果证明提出的方法适用于对掩模面引入的光刻投影物镜畸变进行有效分析及补偿。

为保证投影光刻物镜的成像性能并降低制造成本, 提出了一种更全面可靠的公差分析方法。该方法在以波像差均方根(RMS)值作为评价标准的传统分析方法基础上, 添加波像差峰谷(P-V)值作为评价指标, 并据此选择合理的补偿器组合。在系统波像差的RMS值和P-V值均满足要求的情况下, 采用了较少的补偿器, 从而有效地降低了系统的制造难度和成本。结合实验室设计的一套90nm投影光刻物镜进行了公差分析和补偿器优选。结果表明, 利用该方法选择的7个补偿器, 使得系统在97.7%置信区间内, 全视场波像差的RMS值≤0.0412 λ, P-V值≤0.2469 λ, 满足了90nm投影光刻物镜的像质要求。

在分析光栅横向剪切干涉仪典型结构及系统参数配置，给出其适用范围的基础上，系统研究了该干涉仪结构最显著的系统误差：几何光程误差和探测器倾斜误差。采用Zernike多项式给出波前重建前后系统误差项的解析表达式；对其大小与被测数值孔径(NA)、衍射光会聚点间距d、剪切率s之间的关系进行了定量分析。几何光程彗差和像散、探测器倾斜像散和离焦是剪切干涉差分波前中最主要的误差项，波前重建后主要导致几何光程球差和彗差，探测器倾斜彗差。重建波前误差随着NA、d的增加而迅速增大，随着s的减小而增大。特别是小剪切(s≤0.05)时，波前重建对系统误差有增益效应，重建波前的系统误差值远大于差分波前。小剪切情况下，当d>2 μm、NA>0.1时，重建波前误差的均方根值远大于1 nm。

提出一种基于线性模型的光刻投影物镜偏振像差补偿方法。根据Hopkins矢量部分相干成像理论，推导了投影物镜含有偏振像差时交替型相移掩模（Alt-PSM）光栅图形的空间像光强分布以及偏振像差引起的光栅图形成像位置偏移（IPE）与最佳焦面偏移（BFS）的解析表达式。利用该解析表达式建立了偏振像差与光栅图形成像质量（IPE、BFS）的线性模型。通过该线性模型能快速计算偏振像差线性灵敏度，调整控制相应的标量像差补偿量，从而减小偏振像差对光栅图形成像质量的不利影响，实现偏振像差补偿。该方法的补偿效果主要与标量像差调整精度以及光栅图形对标量像差的灵敏度有关。仿真结果表明，该补偿方法能有效地减小偏振像差引起的IPE以及不同栅距的光栅图形的BFS差值，从而提高光栅图形成像质量。

提出一种基于空间像峰值光强差的光刻投影物镜奇像差测量技术。根据Hopkins部分相干成像理论，推导双缝图形空间像光强分布以及峰值光强差的解析表达式。该测量技术以双缝图形为测量标记，以空间像峰值光强差为测量对象。与基于成像位置偏移量的奇像差测量技术相比，基于峰值光强差的奇像差测量技术降低了对空间像定位精度的要求，并且高精度的光强度测量有效地提高了该技术的奇像差测量精度。利用光刻仿真软件PROLITH分析了传统照明与二极照明方式下该技术的奇像差测量精度，仿真结果表明采用二极照明具有更高的测量精度。以彗差Z7为例，在传统照明和二极照明方式下，Z7的测量精度分别达到了0.29 nm与0.19 nm。