为了实现掩膜面的均匀照明, 采用非球面技术对浸没式光刻照明系统中会聚镜进行了设计, 并对影响系统远心度的误差源进行了分析。设计的会聚镜数值孔径的一致性偏差在0.2%以内, 像方远心度小于0.2 mrad, 以系统的远心度变化0.1 mrad, 数值孔径一致性变化0.1%, 点列图变化20 μm, 焦距变化0.1 mm为公差基础值, 计算出会聚镜的厚度公差为±0.02 mm～±0.05 mm, 单面倾斜10″～20″。该浸没式光刻照明系统中会聚镜的设计合理, 制定的公差可行, 能够满足硅片面上照明非均匀性小于3%的要求。

超精密平面光栅编码器位移测量技术是32~7 nm节点浸没式光刻机的核心技术。通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局, 提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。针对现有的光栅编码器, 开展了基本测量光路方案、相位探测方案、分辨率增强光路方案、离轴/转角允差光路方案、死程误差抑制光路方案的综述分析, 提出了现有设计方案面向光刻机应用所需要解决的关键问题。面向亚纳米级测量精度的需求, 针对光栅编码器的仪器误差, 对周期非线性误差、死程误差、热漂移误差和波前畸变误差进行了综述分析, 提出了平面光栅编码器实现亚纳米精度所需要解决的关键问题。本综述为光刻机专用超精密平面光栅编码器的研制提供了参考。

为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求，对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)来产生各种照明模式，从光栅结构出发，经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法，以抽样线宽1~5 μm的四极照明DOE为例，揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明：随着抽样线宽的减小，整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 μm×1.76 μm的16台阶照明模式变换DOE的制作，通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试，结果满足设计要求，验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。

深紫外光刻是目前集成电路制造的主流方法, 为实现更小的元件特征尺寸, 必须采用浸没式投影物镜以提高光学系统的分辨率, 由此向其中的薄膜光学元件提出了众多苛刻的要求。本文介绍了适用于浸没式光刻系统的薄膜材料及膜系设计, 以及高NA光学系统所需的大角度保偏膜系; 对物镜中最关键的浸液薄膜的液体环境适应性、疏水及防污染等关键问题进行了讨论; 对衡量浸没式光刻系统性能的重要因素镀膜元件激光辐照寿命, 尤其是浸液环境下的元件辐照寿命进行了分析。

研究了NA1.35浸没式光刻照明系统中照明模式变换模块的设计和测试。采用衍射光学元件实现包括传统照明、二极照明、四极照明的照明模式变换系统的设计和分析。给出了不同照明模式的衍射光学元件的设计结果, 并对设计结果进行了模拟分析和实验分析, 证明了设计的可行性。研究结果表明: 当输入光场被分割的阵列数为20×20单元时, 二极和四极照明模式下衍射元件台阶数为32, 传统照明模式下台阶数为128的情况下, 衍射光学元件作为照明模式变换器的均匀性及衍射效率都能够满足设计要求。从原理、实验上验证衍射光学元件激光模式变换器设计的正确性及可行性。研究结果能够应用于浸没式光刻照明系统中照明模式变换结构中, 具有一定的理论价值和工程意义。

设计了一种非球面变焦光学系统, 解决了NA 1.35浸没式光刻照明技术中内外相干因子调节、能量利用率不足、模块使用寿命短的问题, 所设计的非球面变焦系统包括三个镜组、光阑面和像面.系统入瞳直径42 mm, 视场角1.89°, 实现焦距范围700 mm~1 830 mm, 变倍比2.61, 共使用七片透镜, 并在三个凹面表面采用了非球面设计.设计结果表明, 该系统成像质量优良, 点列图均方根直径均小于40 μm, 畸变均小于0.5%, 设计结果满足浸没式光刻照明系统的使用要求.

NA1.35浸没式光刻照明系统是超大规模集成电路的核心设备, 为了实现从ArF激光器发出的光束经过一系列模块传输后到达掩模面的能量满足光刻曝光系统的要求, 需要在系统中引入非球面透镜, 以减少镜片数量, 提高能量利用率。为解决现在非球面透镜具有的加工难度和控制精度不足的缺陷,设计出一种优化控制保证非球面加工和检测的方法。在光学系统设计中优化非球面的形状, 保证非球面度, 满足非球面变化率在可加工和检测的范围内, 并控制非球面拐点的产生。照明系统中镜片数量最多的模块是耦合镜组, 通过非球面的优化, 镜片数量从12片减少到9片, 系统能量利用率提高近25%。此外, 提高了系统像质NA一致性, 像方远心度, 弥散斑直径和畸变, 满足了曝光光学系统对掩模面的能量要求, 故该非球面控制技术具有良好的可加工性和可检测性。

传统三维光刻矢量成像模型中将投影系统物方电磁场表示为二维形式，实现方式分为两种：采用局部坐标和忽略掩模衍射频谱的轴向分量。后者在浸没式光刻系统仿真中的适用性需要进一步分析。简述了忽略掩模频谱轴向分量的矢量成像模型和引入该分量的全光路三维光刻矢量成像模型，利用这两种模型和商业仿真软件，研究了掩模衍射频谱轴向分量对光刻胶中成像特征尺寸的影响并对结果进行了讨论。研究结果表明，相干照明和部分相干照明条件下，掩模衍射频谱轴向分量对光刻成像的影响随着数值孔径的变化趋势存在较大差异。这说明相干照明下的分析结论并不适用于部分相干照明条件，且只有全光路三维矢量成像模型才能满足浸没式高分辨光刻仿真的要求。