自从1947年第一个晶体管发明以来,以集成电路为代表的半导体技术的高速发展推动了人类社会的数字化和信息化,为我们带来了高效舒适的现代化生活。集成电路制造产业的硬件基础是各类不同用途的专用集成电路制造装备,而其中核心装备是投影光刻机,投影光刻机中的核心部件又是投影物镜,其研发与制造难度是超精密光学的顶峰。目前主流的投影物镜显著特点是高NA(1.35)、大视场(26mm×5.5mm)和极高的成像质量要求(包括标量像差和偏振像差)。这对投影物镜的设计、加工制造和像质补偿提出了极高的要求。本论文基于以上背景开展了研究工作,主要研究内容概括如下:首先对国内外的研究现状进行了调研,包括投影物镜的发展历程和像差补偿方法。在这个基础上,论文的第一部分开展了浸没投影物镜的优化设计工作。浸没光刻机采用了偏振光照明,需要考虑投影物镜偏振像差对成像的影响,故本文首先对投影物镜的标量成像理论进行了拓展,建立了偏振像差理论体系。针对标量像差要求,分析了浸没投影物镜的像差校正难点和方法,在合理的系统复杂度条件下,为了校正场曲,必须采用折反式结构。在分析了不同的折反式结构的特点后,选择了两片反射镜的同轴折反式结构,完成了光学优化设计。对于投影物镜的偏振像差要求,分析了膜系对偏振像差的影响,然后根据物镜不同表面的入射角大小并且利用低折射率材料完成了偏振像差的优化。论文的第二部分对浸没投影物镜的标量像差的补偿方法进行了分析。为了更有效的分析公差对系统的影响并指导系统的装调和像差补偿分析,本文采用勒让德多项式对不同视场点的像差进行拟合,系统的分析了一维和二维公差引起的像差分布规律和需要采用的补偿方法。特别地,在分析折射率均匀性的影响时,考虑到折射率均匀性的三维体分布特点,建立了更加准确地梯度折射率模型,提高了分析精度。论文的第三部分对浸没投影物镜偏振像差的补偿方法进行了分析。材料应力双折射是引起投影物镜偏振像差的重要因素。首先对材料的本征双折射和应力双折射进行了介绍,并分析了双折射的测量方法和光线追迹方法。根据材料双折射的分布特点,提出了两种优化补偿方法。一是基于粒子群优化的补偿方法,二是基于灵敏度的补偿方法,后者首先采用方向泽尼克多项式拟合双折射的分布,并以此为基础计算系统的双折射敏感度矩阵,然后根据推导的方向泽尼克的旋转矩阵,建立了镜片的旋转角度和系统偏振像差的函数关系。最后对两种优化方法进行了比较,基于灵敏度的优化方法效率更高并且优化结果更好。最后对整篇论文进行了总结,并对光刻投影物镜的未来发展进行了展望,分析其未来的发展方向以及发展趋势。