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。

恒温水套是光刻物镜工作环境温度控制系统的重要组成部分。为了研究恒温水套的关键参数与性能，设计了一个小比例水套模型。恒温温控系统对其提供±0.001 ℃的去离子水，通过对比三镜光机系统温度变化及热像差变化获取小比例水套的关键参数。实验数据表明，在加入热扰动且环境温度为22.06~22.16 ℃的情况下，三镜光机系统的内壁温度被控制在（22±0.01） ℃以内，波像差在热扰动后迅速恢复至10.12 nm，与装调完毕状态基本一致。由此可见，此种水套结构可以满足光刻投影物镜的温度控制要求，可在此基础上设计等比例恒温水套模型。

透镜材料对激光能量的吸收导致深紫外光刻投影物镜温度升高，产生热像差。离轴照明模式下，温度呈非对称分布，研究温度场对热像差的仿真预测和补偿具有十分重要的意义。提出了温度分布函数模型描述4种照明模式下物镜的三维温度分布；研究了温度的时间特性，并通过计算预测了光刻物镜的热稳态温度值以及达到稳态所需的时间。结果表明，利用该温度分布模型描述多种常见照明模式下投影物镜的空间温度分布，平均拟合误差约为10-3 ℃量级；通过温度时间关系函数预测热稳态温度的误差约为10-4 ℃，时间误差不超过3 min。通过该温度分布模型计算得到的热像差结果与基于SigFit的仿真结果一致，但计算效率提升了三个数量级。

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。

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。

光机热集成分析是光机结构设计中的重要环节，对光学系统像质的预测与补偿有着重要的参考价值。针对小物镜系统，进行光机热集成分析，结果表明该系统产生的热像差较大，影响系统光学性能，其中温度升高导致折射率变化引入的系统热像差较大；结构热变形引入的系统热像差较小，可以忽略；镜片与支撑结构之间的导热、上下窗口的空气扰动、机械结构外表面的环境对流也会存在一定影响，但影响较小。由此可知系统热像差的主要影响因素是热载的大小，设计过程中减少透镜厚度及材料吸收率，降低系统热载，是减小光学系统热像差最为有效的途径。

非均匀照明导致的热像差是光刻机投影物镜工作过程中成像性能劣化的主要因素，对其补偿是必要的。针对物镜热像差的补偿问题，提出了分区式加热补偿镜的方案，利用玻璃材料折射率随温度变化的特点，采用电薄膜加热器在镜片的周围加热，从而产生可控的波前变化以补偿物镜由照明引起的热像差。建立了补偿方案的理论模型，并以一片平板透镜为对象开展了实验验证，实验结果表明，补偿前后镜片的波前由12.52 nm[均方根(RMS)]变化至2.95 nm(RMS)，表明该补偿方案是可行、有效的。