光刻机是大规模集成电路制造的核心装备,投影光刻物镜作为其关键部件,其成像性能(波像差、畸变、场曲、远心度等)直接决定了集成电路的线宽水平。高性能投影光刻物镜作为现代最精密、最复杂的光学系统之一,具有大视场、高NA、高像质的特点,对设计、制造、集成等各环节都有严苛的指标约束,通过在各环节采用最优的像质补偿策略,可以降低公差,提升物镜的可制造性和性价比。国外193nm投影光刻物镜已经产业化,而我国起步较晚,并且受到严格的工艺封锁和专利保护,因此自主开展高性能投影光刻物镜的研制对提高我国集成电路制造水平具有重要的战略意义。本文针对90nm节点的193nm、NA0.75投影光刻物镜,开展了像质补偿策略与补偿技术方面的研究,主要研究工作如下:1、投影光刻物镜的成像理论与像质分析。研究了投影光刻物镜的成像理论和像质评价方法,在此基础上开展了NA0.75投影光刻物镜的设计,其中波像差(RMS)小于1.2nm,畸变小于3.1nm,像方焦面偏移小于16nm,像方远心度小于±1mrad,倍率误差小于0.3ppm,像质接近完美,为后期的加工、集成等环节留有宽松的指标余量。2、投影光刻物镜的补偿策略研究。研究了光学复算阶段、计算机辅助装调阶段和环形照明工况下各种公差对系统像质的影响和相应的像质补偿技术。其中光学复算的公差主要有材料公差和光学元件加工公差,补偿器为各光学元件的空气间隔,补偿后的波像差小于1.51nm,畸变小于5.6nm。计算机辅助装调阶段的公差主要有装调公差、测量公差等,补偿器为元件偏心移动、元件轴向移动、物面和像面运动,补偿后的波像差小于3.76nm,畸变小于8.6nm。研究了环形照明、360nm线条掩膜工况下的热像差,补偿器为Z5像散变形镜、元件轴向移动、物像面运动和波长变化,补偿后的波像差小于5.55 nm,畸变小于9.9nm。采用的像质补偿策略具有显著的像质补偿效果。3、光学元件X-Y柔顺微动机构像质补偿技术研究。针对NA0.75投影光刻物镜对元件偏心补偿器的要求,研究了基于1RR-2RRR构型的光学元件X-Y柔顺微动机构,对其雅可比矩阵、柔度矩阵、耦合误差等进行了分析,实验结果表明X、Y间相互耦合误差小于1%,闭环控制后可以实现?7 nm的稳态误差,tip/tilt刚体位移误差均小于0.22sec,Z向刚体位移误差小于50nm,具有精度高、耦合误差小等特点,能够满足投影光刻物镜对元件偏心补偿器的指标要求。4、主动变形镜像质补偿技术研究。针对热像差补偿对主动变形透镜的需求,提出了一种基于轴向力驱动的Z5像散变形透镜技术,对其变形原理进行了分析,并进行了仿真和实验验证,实验结果表明Z5系数变形行程大于600nm,Z5系数变形精度小于±1nm,耦合刚体位移误差z/x/y/tip/tilt分别为48.6nm/342.9nm/223.5nm/317.5msec/287.5msec,具有行程大、精度高、耦合误差小等优点,满足投影光刻物镜对常数项像散补偿的需求。研究了通过在透镜边缘施加轴向力、径向力矩和切向力矩,实现透镜面形Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z10、Z11、Z12、Z13、Z17、Z18、Z19、Z20、Z26、Z27、Z28、Z29等多种像差变形的方法,能够为复杂工况下的物镜热像差补偿提供技术支撑。