在扫描干涉场曝光(SBIL)系统中, 曝光光斑尺寸对干涉条纹的拼接精度、光栅制作效率及干涉场质量有着十分重要的影响。为获取合理的曝光光斑尺寸, 基于高斯光束的传输规律及扫描拼接数学模型进行了数值模拟,讨论了曝光光斑尺寸对干涉条纹的非线性误差、刻线拼接误差和曝光对比度的影响。结果表明: 小尺寸曝光光斑比大尺寸曝光光斑更有利于控制干涉条纹的非线性误差; 由于存在周期测量误差, 小尺寸曝光光斑有利于减小拼接后的刻线误差并提高曝光对比度。针对SBIL系统设计了曝光光路, 并对所设计的光路进行了优化。对干涉场左右光斑形貌及干涉条纹相位的非线性误差进行了测量, 结果表明: 曝光光斑的束腰半径约为0.9 mm, 干涉条纹相位的非线性误差峰谷值为21.8 nm。

光束自动对准技术是扫描干涉场曝光系统中的关键技术之一，两曝光光束位置与角度的重合程度直接影响所制作光栅掩模的槽型质量。针对光束对准过程中光束调整的两个运动维度之间存在相互耦合的情况，推导了存在耦合时对准算法的收敛条件，并分析了光路中反射镜与解耦平面之间存在的装调误差对对准性能的影响。分析得出，装调误差降低了光束对准系统性能，甚至导致对准算法发散，通过调节光路中反射镜M₂和解耦平面的距离L₂与反射镜M₁和解耦平面的距离L₁的比值L₂/L₁可以优化系统的收敛性能。实验结果表明，当L₂/L₁较大时对准系统调节性能较差，收敛速率较低；当L₂/L₁较小时光束对准系统可以快速地收敛到目标位置，有效地对光束进行对准调节。推导证明与模拟分析可为光束对准系统以及整个曝光光路的设计提供理论指导。

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，为精确测量干涉条纹周期，根据扫描干涉场曝光系统的特点提出了分束棱镜移动测量干涉条纹周期的方法，根据高斯光束传播理论，分析了该方法的理论误差；提出了周期计数法对周期测量数据进行计算。为降低对系统二维工作台运行及稳定精度的要求，提出了小行程高精度位移台辅助测量周期的方法，并进行了相关实验验证。结果表明：小行程位移台辅助周期测量方法在原理上可行，对于干涉条纹线密度1800 line/mm 的系统参数，小行程位移台辅助周期测量的重复性可达到1.08×10-5(σ值)，曝光实验的实测值与理论模型之间一致性较好，验证了该周期测量方法的可行性。

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，其设定值与名义值之间的偏差会引起相邻扫描间的干涉条纹相位拼接误差。为获取以扫描曝光方式所制作光栅的衍射波前特征，根据步进扫描曝光的特点及动态相位锁定的工作原理，建立了扫描曝光的数学模型，给出了曝光刻线误差及曝光光栅周期的变化规律，并进行了相关实验验证。结果表明，相位锁定中周期设定误差会带来周期性的刻线误差。曝光光栅周期会随周期设定值的变化而改变，当周期设定误差较小时，曝光光栅周期等于周期设定值。对于曝光光斑束腰半径为0.9 mm、曝光步进间隔为0.6 mm、曝光条纹周期为555.6 nm的系统参数，周期设定的相对误差小于278×10-6时，周期性的刻线误差小于1 nm。若要求曝光对比度大于0.9，则周期设定的相对误差需要控制在92.6×10-6以内，周期设定值及曝光光栅周期的可变范围为102.8 pm。

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期的测量误差是影响曝光过程中相位拼接的主要因素。为制作符合离子束刻蚀要求的高质量光栅掩模，建立了条纹周期测量误差与扫描曝光对比度关系的数学模型，利用光刻胶在显影过程中的非线性特性，建立了扫描干涉场曝光光栅的显影模型，给出了光栅掩模槽形随周期测量误差的变化规律，并进行了实验验证。结果表明：周期测量误差不仅会使掩模槽形变差，还会引起槽形在空间上的变化。在周期测量的相对误差一定时，相位拼接误差与相邻扫描间的步进间隔成正比，与干涉条纹周期成反比。在显影条件一定、曝光光束束腰半径1 mm、曝光步进间隔0.8 mm、曝光线密度1800 gr/mm 时，周期测量误差控制在139 ppm以内，理论上可以制作槽底洁净无残胶、槽形均匀的光栅掩模。