针对光刻投影物镜中动镜X-Y向调节机构精度高、行程小、结构紧凑的需求，提出了一种X-Y向一体式调节机构。所提机构基于四连杆调节原理，利用内外圈独立分布的X-Y向柔性铰链，无需解耦即可实现X/Y向高精度调节。首先根据投影物镜中动镜的调节精度和行程，完成所提机构的结构设计；然后运用有限元分析法仿真分析所提X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明：所提机构调节行程大于±20 μm，X向、Y向的刚度值分别为0.542 μm/N、0.671 μm/N；单X、Y向开环驱动时，垂直方向耦合误差与主方向移动量之比分别为6.86%、4%；模态大于100 Hz。最后，对所提调节机构进行了性能测试实验，X向重复定位精度为36.3 nm，Y向为41.7 nm；调节过程中，角度偏移小于0.5″。实验结果表明，所提柔性调节机构能够满足光刻投影物镜像质补偿对X-Y向高精度调节要求。

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。

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。

折反式深紫外光刻物镜采用反射镜为主动自由曲面，补偿系统热像差。一些物镜系统要求反射镜的通光孔径为矩形。出于描述反射镜主动变形的目的，需要采用矩形区域正交的多项式拟合变形数据。高精度的拟合要求需要获得高阶的多项式表达式。本文根据正交多项式的性质，推导了矩形正交多项式的通式并列出前36 项多项式的表达式。应用该多项式对主动自由曲面的变形数据进行拟合。结果表明，变形均方根值(RMS)在2 nm~5 nm 范围内，最小拟合残差可达0.024 nm。根据拟合残差面形的特点，可以对主动自由曲面的结构设计改进。

考虑用CaF2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标, 本文研究了CaF2材料加工工艺的全流程, 以实现CaF2材料的全频段高精度加工。首先, 利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF2元件有较好的面形和表面质量。然后, 优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数, 并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF2元件的高频误差, 逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。 最后, 在不改变CaF2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100 mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明: 其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39 nm, Zernike残差RMS值为0.43 nm, 高频粗糙度均值为0.31 nm, 实现了对CaF2元件的亚纳米精度加工, 为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。

目前，高数值孔径(NA)投影光刻物镜都普遍采用非球面元件来提升光学系统的成像质量并降低系统的复杂度，但是高精度非球面检测一直是光学检测领域的一大难题，也是限制高NA投影光刻物镜制造的关键因素。为了解决这一难题，针对高NA投影光刻物镜中的一偶次高次非球面，论述了计算全息图(CGH)相位与空间频率的关系，以及相位与空间频率的计算方法；采用点光源照明模式，详细分析了CGH设计时的关键参数的选择方法和避免CGH非工作衍射级次的干扰的方法；采用所选定的设计参数，加工制作了CGH，并用此CGH完成了对非球面的高精度检测。经过多轮加工检测迭代，最终非球面的收敛精度的均方根（RMS）达到了0.46 nm。

针对45 nm节点投影光刻物镜的应用, 开展了工作波长为193 nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜, 并对两个设计方案的优劣进行对比分析, 选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系, 提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明, 应用本文设计方案, 光刻物镜的波像差小于1 nm, 畸变小于1 nm; 新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57 mrad降低至0.26~3.21 mrad。本文提出的设计方案为45 nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪, 用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理, 分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先, 根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布, 给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着, 根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系, 分析了光瞳坐标畸变的影响; 采用几何光线追迹方法, 分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后, 推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明：采用相同光瞳坐标, NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性（3σ）可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨, 结果提示：测量大数值孔径物镜的波像差时, 需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。

高精度光刻投影物镜在工作过程中吸收激光能量产生热像差，在离轴照明模式(如偶极照明)下，热像散显著且随时间变化，传统的被动光学方法无法补偿此类像差。提出在折射式光刻投影物镜系统中使用主动光学的方法，通过力促动器作用在透镜上使镜片变形以补偿初阶热像散。采用有限元分析方法，分析了简化的折射平板在促动力作用下的变形特点和像差特性；用几何光学理论近似论证了该补偿方案的可行性，并且分析了促动器分布、促动力大小、促动器与平板接触区域尺寸以及支撑结构对平板变形的影响。结果表明，在优化的支撑结构下，主动平板可以较好地补偿系统初阶热像散和初阶四叶像差，为光刻系统热像差的补偿提供了一个思路。