透镜材料对激光能量的吸收导致深紫外光刻投影物镜温度升高，产生热像差。离轴照明模式下，温度呈非对称分布，研究温度场对热像差的仿真预测和补偿具有十分重要的意义。提出了温度分布函数模型描述4种照明模式下物镜的三维温度分布；研究了温度的时间特性，并通过计算预测了光刻物镜的热稳态温度值以及达到稳态所需的时间。结果表明，利用该温度分布模型描述多种常见照明模式下投影物镜的空间温度分布，平均拟合误差约为10-3 ℃量级；通过温度时间关系函数预测热稳态温度的误差约为10-4 ℃，时间误差不超过3 min。通过该温度分布模型计算得到的热像差结果与基于SigFit的仿真结果一致，但计算效率提升了三个数量级。

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。

采用Zemax软件设计出6镜片、数值孔径为0.06、2倍缩小、以405 nm半导体激光器为光源、分辨精度达5 μm、视场12 mm×12 mm 内波像差小于1/4波长、畸变小于0.005%的双远心投影光刻物镜的设计方法。将设计的物镜实物化, 并对其光学传递函数(MTF)作精确的实验测定, 利用所提出的MTF标准实验测量法, 得到该投影物镜的成像性能达亚10 μm线宽。

根据高精度投影光刻物镜的特点, 提出了一种运动学支撑结构, 并采用实验结合有限元分析的方法研究了该支撑结构引起的透镜光学表面变形以及重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。首先, 介绍了运动学支撑结构的原理及镜面变形分析的方法。然后, 应用Zernike多项式拟合实测和有限元分析得到的面形, 并用两种方法对运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形进行对比, 以验证有限元分析模型的正确性。同时, 分析了考虑重力情况下运动学支撑结构导致的透镜光学表面变形。最后, 用实验的方法测量了运动学支撑结构在重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。实验和分析结果显示, 由运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形均方根(RMS)值的实测值为1.004 nm, 分析值为0.974 nm, 夹持力及重力综合作用下导致的透镜表面Fringe Zernike拟合面形RMS值为2.538 nm, 产生的主要像差为离焦、初级三叶像差和二级三叶像差, 重复装配过程中引起的透镜光学表面面形的复现性标准差为0.645 nm。得到的结果表明, 所设计的运动学支撑结构能够保证透镜光学表面面形在重复装配过程中有良好的复现性。

为了满足光刻投影物镜对轴向调节机构的调节行程大、精度高、结构紧凑等需求，基于三角形换向原理，设计了轴向调节机构。在调节机构中采用V形柔性单元换向机构，实现运动的换向和传递。针对机构的调节行程、驱动力、一阶固有频率以及机构传动比的要求，优化了V形柔性单元的结构尺寸参数。使用有限元方法分析了V形柔性单元的关键尺寸参数对机构性能的影响，得到机构调节行程可达±55 μm，调节精度优于±10 nm，一阶固有频率大于150 Hz。同时仿真分析了该轴向调节机构对光学元件的热变形的影响，在20 mW热载荷的作用下，该轴向调节机构导致光学元件面形变化为0.087 nm[峰谷(PV)值]和0.013 nm[均方根(RMS)值]。仿真结果证明该轴向调节机构对光学元件面形精度影响极小，满足光刻物镜应用要求。

极紫外光刻是16~22 nm光刻技术节点的候选技术之一，其投影物镜设计需在满足像质和分辨率要求的前提下，兼顾工程可实现性。在考虑加工、检测和制造约束的情况下，设计了像方数值孔径分别为0.3和0.32、曝光视场为26 mm×1.5 mm的极紫外光刻投影物镜。详细分析和比较了两套物镜的光学性能和可制造性。结果表明，两套物镜结合分辨率增强技术可分别满足22 nm和16 nm光刻技术节点的性能要求。

针对大面积且高密度 PCB光刻, 利用 ZEMAX光学设计软件, 设计了一种 8片式光刻投影物镜。该物镜采用对称双高斯结构, 放大倍率为 -1, 数值孔径 NA=0.06, 单次曝光面积 Φ=80 mm, 具有优于 7 μm的分辨力和 120 μm的焦深。通过对该镜头进行公差分析, 表明最紧公差为部分元件倾斜要小于 0.017°。用 Monte Carlo方法模拟了制造 50组镜头的成像质量, 得到在空间频率 72 line/mm处, 90%的镜头的 MTF>0.58, 因此加工装配时能保证 90%以上的成品率。

针对基于剪切干涉原理的光刻投影物镜波像差检测设备中相移测量的需求，设计了一种移相装置.该装置采用了桥式放大机构，获得了较大放大比和相对紧凑的结构.从原理上对桥式放大机构进行了分析和讨论，得到了输入位移与其放大比之间的函数关系，并得到了其关系曲线.经过非线性有限元分析，对该装置的变形、受力和模态特性进行了验证.验证结果满足检测平台移相要求.