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。

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。

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。

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。

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。

在分析Ronchi 相移剪切干涉仪典型系统参数的基础上，系统研究了该干涉仪相位提取精度的主要影响因素。结合传统的五步相移算法，采用所提出的八步与十步相移算法，对Ronchi相移剪切干涉仪的相位提取误差进行理论分析和仿真计算。仿真结果说明，八步和十步相移算法可以有效地消除多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响，且十步相移算法比八步相移算法具有更高的相位提取精度；为了提高测量精度，要求相移误差优于2%；探测器位数大于10位；光栅周期误差小于1%；光源空间相干性低于0.1。通过采用不同的相移算法、剪切率和光源空间相干性的三组对比实验，对理论分析的正确性进行了验证。

Ronchi剪切干涉采用扩展光源调制光场空间相干性，具有干涉仪结构简单、共光路、零条纹检测等优点，适合用于光刻机投影物镜波像差原位检测。基于Ronchi剪切干涉的投影物镜波像差检测技术及系统，根据光栅衍射和空间相干性理论推导了Ronchi剪切干涉场的表达式。针对Ronchi剪切干涉仪多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响，提出了一种十步相移算法，有效地消除±9 级以内多级衍射的影响，理论上相位提取误差峰谷(PV)值为0.0046 λ ，均方根(RMS)值为0.0019 λ ，实验数据验证了理论推导的正确性和相位提取算法的有效性。

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。

一种用于印刷电路板（PCB）的激光直接成像（LDI）光刻设备，需要加工高密度互连(HDI)基板的厚度变化范围为0.025~3 mm，为此设计了一种共轭距可变的光刻投影物镜。采用双远心光路结构，通过压缩物方和像方远心度误差的办法，可以有效地实现共轭距变化范围达3 mm。采用正负光焦度合理匹配，可以有效地在共轭距变化范围内很好地校正波像差、畸变等像差，实现良好的成像质量。以光刻投影物镜光学设计的具体实例，证实了通过压缩物方和像方远心度误差的办法，可以有效地获得共轭距变化一定范围的光刻投影物镜，并在该变化范围内保证实际光刻设备所要求投影物镜的成像质量。