本文针对极大规模集成电路制造的工业化生产需求,开展面向100nm曝光节点的高数值孔径(NA)、深紫外(DUV)投影光刻物镜的光学设计与仿真。即综合元件加工、检测、镀膜、光学材料、机械结构、照明系统以及分辨率增强等各项技术要求和约束,完成NA0.75,工作波长193nm(ArF)投影光刻物镜的光学设计。同时为最大限度地降低投影光刻物镜的制造成本并确保的各项性能指标,研究投影光刻物镜可能采取的像质补偿措施和方法。目前国际上最先进的投影光刻物镜所包含的元件数量(包括非球面元件和反射元件)超过20,全视场(26mm×8mm)波像差优于1nm(RMS),能够实现小于25nm节点的曝光复制。193nm(ArF)投影曝光系统作为现代最精密与最复杂的光学系统,无论是前期的系统设计、制造,还是后期系统集成,都涉及到非常广泛而前沿的学科领域,这些学科领域在投影曝光系统中非常紧密地相互交织、渗透,单纯的依靠脑力、经验以及试验性的摸索已不足胜任光刻物镜的设计与制造,所以必须采用现代专业的设计优化软件以及协同各阶段关键技术,来进行193nm投影曝光系统的光学设计与制造集成。针对NA0.75投影光刻物镜的光学设计,本文主要开展了以下研究内容:一、像质评价:研究了高质量、极小像差投影光刻物镜的像质评价方法。通常依据对光刻成像的不同影响,利用等效光瞳和空间频率的概念将波像差划分为低频、中频、高频。本文小结这种基于空间频率的划分方法和依据。并针对实际波像差测量系统的分辨率的有限性,本文提出了一种新的波像差的划分和定义。这种新的像质评价方法适用于NA0.75投影光刻物镜的光学设计和公差分析,特别是有利于像质补偿措施的优化选取。二、光学设计与仿真分析:研究国际上高NA投影光刻物镜的实现方法和革新措施,如采用非球面元件、浸液以及反射元件。并以此为依据,提出了几种针对NA0.75、工作波长193nm投影光刻物镜的设计方案。结合国际光刻物镜的发展历程和国内现有的制造能力,对这些设计方案进行了比较和优选。利用光学设计软件Code V和自定义宏程序对优选方案进行优化设计和仿真分析;三、公差分析和像质补偿措施的选取:为实现接近完美像质的高NA投影光刻物镜,必须选用一系列的像质补偿措施来降低物镜制造中苛刻的公差要求。目前国际上光刻物镜生产厂家采用的像质补偿措施包括系统复算、计算机辅助装配调整、元件表面面形精修、变形镜实时动态调整技术。针对NA0.75投影光刻物镜的像质指标,分析了各项公差对系统波像差不同空间频率的影响特性。据此给出了系统低阶、高阶像差补偿措施的优选方法和依据,特别针对补偿高阶像差的面形精修技术,给出面形精修函数的计算算法和仿真验证结果。最终设计结果和仿真分析表明,本文采用的像质评价方法、光学设计方案以及像质补偿措施的优选,特别是面形精修函数的计算算法能有效地降低物镜的制造公差要求,为100nm节点(甚至更小节点)投影光刻物镜的制造提供了一些有益的理论指导和支撑。