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。

为了精确控制与补偿物镜的热像差, 设计了一套三镜实验光学系统, 基于该系统验证了热像差计算方法的准确性。介绍了热像差分析方法及验证实验方案。开展不同热载工况下热像差测试实验, 并与仿真结果进行了对比。最后, 综合实验与仿真结果, 分析了特定热载条件下系统热像差中非轴对称像差成分以及系统最佳焦面的变化趋势, 获得了热像差的瞬态特性。实验结果显示: 在输入热载大小之比为1∶4∶9的情况下, 实验和仿真获得的热像差均方根(RMS)值之比分别为1∶3.75∶9和1∶4.01∶9.01, 光学系统所加热载和热像差之间呈线性关系; 在实验热载荷作用下, 系统最佳焦面的稳态时间小于450 min, 而热像差中一阶像散(标准Zernike Z4)的稳态时间小于48 min, 一阶四叶(标准Zernike Z11)的稳态时间小于9 min, 最佳焦面稳态时间远大于非轴对称成分的稳态时间。基于该三镜实验光学系统所获得的热像差特性能够为投影光刻物镜或其它精密光学系统的热像差控制与补偿提供有力支撑。

热像差是导致光刻物镜工作状态下像质劣化的主要原因之一。针对同轴两反式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的结构特点，提出了将元件位移法和元件分区加热法相结合，共同补偿热像差的方案。元件位移法通过改变元件的间隔、偏心或倾斜量来调节像质；元件分区加热法利用光学材料折射率随温度变化的特点，通过控制元件的温度分布产生可控波前。采用上述补偿方案对偶极照明模式下的热像差进行补偿，波像差从129.78 nm 减小至1.69 nm，畸变从12.24 nm 减小至1.31 nm，将物镜像质补偿至接近设计水平。

为了实现高成像要求，投影光刻物镜在设计时需要考虑膜层偏振效应的影响，并进行相应的分析和评价。首先介绍了基于琼斯矩阵的偏振像差理论，然后以一个数值孔径（NA）为0.75的投影光刻物镜为例，设计了相应膜系，系统分析了膜层引入的偏振像差，并在设计时对膜层引入的离焦项和球差项进行了间隔优化补偿，补偿前后标量波像差和质心畸变分别从68.92 nm 和3.76 nm 改善为1.08 nm 和0.38 nm，偶极照明模式下90 nm 密集线条对比度从0.082 提高为0.876，在此基础上，提出在设计时根据不同表面的入射角分布情况，采用组合膜系，同时控制P光和S光的振幅和相位分离，减小膜系引入的延迟和二次衰减等偏振像差，使得线条对比度提高了1.1%。

为保证投影光刻物镜的成像性能并降低制造成本, 提出了一种更全面可靠的公差分析方法。该方法在以波像差均方根(RMS)值作为评价标准的传统分析方法基础上, 添加波像差峰谷(P-V)值作为评价指标, 并据此选择合理的补偿器组合。在系统波像差的RMS值和P-V值均满足要求的情况下, 采用了较少的补偿器, 从而有效地降低了系统的制造难度和成本。结合实验室设计的一套90nm投影光刻物镜进行了公差分析和补偿器优选。结果表明, 利用该方法选择的7个补偿器, 使得系统在97.7%置信区间内, 全视场波像差的RMS值≤0.0412 λ, P-V值≤0.2469 λ, 满足了90nm投影光刻物镜的像质要求。

针对投影光刻物镜苛刻的像质要求，将计算机辅助装调(CAA)技术引入投影光刻物镜的装调过程中，建立了相应的数学模型。选取33个视场Fringe Zernike多项式的4~37项，以及畸变作为校正对象，并选取19个结构参量作为补偿器。通过将CODE V的宏功能和Matlab结合，采集灵敏度矩阵和像质数据。提出用奇异值分解求加权最小二乘解的方法计算补偿量，通过权重因子实现对不同视场上不同Zernike项系数或畸变的改进。将补偿后光刻物镜的性能和理想光刻物镜对比，发现相比于设计镜头，装调后镜头的平均波前均方根(RMS)大约差0.004λ，平均畸变大约差1 nm，该方法可以将系统波像差和畸变恢复到接近设计水平。

针对45 nm及以下节点光刻相关技术的研究需求，确定了实验型投影光刻物镜的结构型式及设计指标。依据像差理论在非同心小遮拦的Schwarzschild反射系统中添加折射补偿镜组来进一步减小系统的中心遮拦，扩大像方数值孔径。设计了一套小中心遮拦，数值孔径为1.20的Schwarzschild折反式投影光刻物镜。设计结果表明，该投影光刻物镜工作带宽为100 pm，像方视场为50 μm，线中心遮拦比为13%，光学分辨力为80 nm时（6240 lp/mm）的系统调制传递函数大于0.45，全视场最大畸变为6.5 nm，满足了45 nm深紫外（DUV）浸没光刻实验平台对投影光刻物镜的需求。

为满足严格的套刻需求，双远心结构的投影光刻物镜需要选择恰当的元件移动来进行倍率的补偿和调节。提出了一种简单而实用的方法来进行倍率的公差分析。该方法利用商业优化设计软件和有限差分算法计算了多项公差对物镜倍率的敏感程度，同时结合公差对系统波像差的敏感度选择最佳的倍率补偿元件。利用以上方法，对一台双远心、工作波长193 nm以及数值孔径0.75的投影光刻物镜进行了倍率的公差分析和补偿器优选。结果显示，系统较好地实现了±50×10-6的倍率调节功能，而系统波像差劣化程度均方根值小于1.5 nm。