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。

针对光刻投影物镜中光学元件X/Y/θ微动调整的工程需求，研制了一种基于3-RRR结构的光学元件柔顺微动调整机构，并对其位姿正解进行了研究。建立了3-RRR柔顺并联机构的伪刚体模型，并采用矢量代数法理论推导了该机构的位姿正解，得到了它的理论雅克比矩阵。然后，在NASTRAN中建立了3-RRR柔顺并联机构的有限元模型，得到了仿真环境下该机构的位姿正解和雅克比矩阵。最后，对研制的3-RRR柔顺并联机构进行了实验研究，得到了该机构真实的位姿正解和雅克比矩阵。实验结果表明，实验雅克比矩阵的各项系数分别为0.577 7、-0.304 0、-0.283 3、0.002 1、0.524 6、-0.516 5、1.402 6、1.481 9、1.435 3，而理论雅克比矩阵相对应的各项系数分别为0.612 9、-0.306 5、-0.306 5、0、0.530 8、-0.530 8、1.444 6、1.444 6、1.444 6，得到的数据表明: 采用矢量代数法能够理论推导出该机构正确的位姿正解公式。提出的3-RRR柔顺微动调整机构位姿正解方法为微动调整机构的研制提供了设计依据。

设计了一种电容位移传感器在线标定平台, 用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴, 故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能, 保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理, 采用对称平行四边形机构实现了微位移调节, 基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162 μm, 和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%, 满足行程误差要求。经过标定补偿后, 传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示, 该线性度标定方法精度高, 标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。

为了找出耦合误差产生的根源, 探讨了柔性偏心机构设计方法.首先, 给出了机构组成和工作原理；然后, 基于柔度矩阵法对机构建模, 分别推导了桥式位移放大机构、导向机构、连接机构的柔度；最后, 综合得到机构的整体柔度.分析结果表明柔度矩阵法得到的输出柔度理论值和有限元法得到的结果误差为8.126%, 机构的一阶固有频率为73.78 Hz.在40N的驱动力范围内, 机构可以实现66.466 μm的行程, 透镜和机构上的最大应力分别为0.0711 MPa和235.22 MPa, Y/Z/RX/RY/RZ耦合误差和X向行程的比分别为0.0543%、0.0082%、1.218×10－8rad/μm、1.870×10－7rad/μm、6.073×10－7rad/μm.调节后镜片面形PV值优于24 nm, RMS值优于5 nm, 并且主要为像散.通过合理的柔度设计, 机构接近完全解耦, 揭示了不合理的机构刚度是产生调节耦合误差的根源.

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。

为补偿光刻物镜由不均匀照明引入的Z5 像散，设计了一种主动变形镜，并分析该主动变形镜的像散补偿性能。利用有限元分析方法，建立主动变形镜的有限元模型，得到主动变形镜调节能力、刚体位移误差、固有频率及最大应力等性能。结果表明，主动变形镜在50 N 驱动力作用下可以实现镜片表面面形均方根(RMS) 837 nm Z5 像散补偿，伴随产生的镜片表面高阶像差仅为RMS 1.124 nm，三个方向刚体平移仅为0.49、0.52、0.13 nm，三个方向的刚体旋转仅为2.21、1.73、1.10 ms，主动变形镜一阶固有频率达到2555 Hz，最大应力为0.852 MPa，满足光刻物镜像散补偿需求。

针对光刻物镜对镜片间隔调节精度高、范围大的需求，提出一种利用气体压差提供驱动力的压力双膜片轴向调节机构。并对该轴向调节机构的不同膜片宽度、厚度以及凸台宽度进行优化分析，在特定压力范围内得到调节机构的优化尺寸参数，分析调节机构在优化后的固有频率。同时分析在轴向调节过程中引入的镜片面形误差，得到镜片面形的Zernike系数。结果表明该压力双膜片轴向调节机构的镜片面形误差主要为power项和球差项，面形峰谷(PV)值优于13.45 nm，均方根(RMS)值优于2.851 nm，满足光刻物镜对调节机构镜片面形的要求。