作为超大规模集成电路的核心制造装备,光刻机长期以来都是中国半导体产业的一块短板。近年来,在国家的大力支持和科技工作者的不懈努力下,虽然取得了一些阶段性成就,但相对于国外科技巨头长达数十年的技术积累,差距依然巨大。因此,基础科研攻关就成为光刻机研发领域不可逾越的一道坎。照明系统作为光刻机的重要组成部分,其性能优劣直接决定芯片的制造水平。与投影物镜相比,照明系统无论在设计难度还是制造公差方面都具备很大优势,但在功能模块的种类和数量上、在学科应用的深度和广度上却有着更高的要求。按照这一认知,本文在方案设计与补偿策略两个层面,对光刻照明系统开展了基础研究工作,技术路线涵盖i线与ArFi。设计层面包括建立指标体系和生成设计方案;补偿策略层面,通过理解与掌握关键技术,实现性能指标的提升。指标体系的准确建立是良好设计的前提和保障。由于曝光系统设计并非成熟学科,缺少现成经验可循,需要在需求层面加深理解,将调研成果转化为具体的设计指标。首先,依据物理光学相关原理,面向光刻应用,对关键技术指标进行了原理层面的分析论证和量化推导,为设计工作的开展奠定了理论基础。在曝光视场能量分布方面,针对刻线质量,提出了照度均匀性需求;瞳分布方面,提出了单视场的周向分布对称性与整场一致性需求;面向套刻,提出远心度匹配需求。此外,对照明指标量化与解耦等方面也提出了见解。一个合格的设计者应充分考虑如何在各个层面上实现均衡优化。相应地,一个优秀的设计方案需要做出各种折衷和妥协,避免冗余,将优化变量的有限自由度发挥到极致。对标具体设计指标,阐述了设计方法,识别出关键技术。对光瞳角谱离散性的成因也进行了溯源,基于积分器的工作原理,量化了离散性并提出了改善措施,以实验数据验证了改善效果。光瞳能量分布对称性对曝光分辨率和对准过程有着极其重大影响,是照明设计需要优先确保的指标,相应的设计方法涵盖像差分解以及远心度匹配。在照明像差控制方面也进行了思考:照明系统像差矫正到何种程度完全取决于曝光需求,并非越高越好。冗余设计不仅增加设计与制造成本,还会降低系统透过率。因此对像质不必苛求,应以等晕照明为前提,确保设计结果具备高度的整场一致性与远心度匹配水平。公差分析也是光学设计重要的一环,对应提出明确的公差分析策略,为设计收敛提供重要保障。在仿真工具的使用和数据处理方法上,也提出了一些见解。数据处理过程可以窥见整个照明仿真分析工作的严谨性,需要仔细斟酌。在规则、定义、概念方面不得含糊。不同于设计工作取舍的灵活性,仿真分析工作本身更像是一把衡量别人的尺子,重在自身的准确性。只有把“刻度”找准,才能评价他人,才能具备长远的价值。i线光刻技术在当前依然拥有广阔的市场和成长空间,从自主研发的战略需求出发则更显重要,值得在设计层面深耕。随着非球面透镜制造技术的日益发展,i线光学结构可极大精简,实现轻量化,从而提升整个曝光系统的光效和产率。首先进行了指标分解,详细讨论了子模块设计概念和关键技术,提出了一种侧重于远心匹配的设计方案,并以照明仿真仿真对该方案进行了评价。结果表明,掩模面的匹配误差优于-1.44 mrad,硅片面的合成远心度优于4 mrad。满足需求,符合预期。ArFi处于DUV曝光领域的最前沿,在各种分辨率增强技术的联合加持下,其应用极限可拓展到7nm制程。相应地,照明系统的需求和设计难度都极大地提升了,主要体现在严格的照明指标、灵活的照明模式切换以及强大的补偿能力上。研究内容侧重于浸没系统严格指标下的指标分解和解决策略:如远心匹配传递、面向微透镜阵列的场分布补偿等等。阐述了功能原理和设计方法,分解了各功能模块的设计指标、完成了方案设计及公差分析,并通过光线追迹详尽评估了系统级指标的满足度。提升了ArFi系统设计与评价能力,积累了经验。光刻照明中,各种功能模块的量化控制以及照明指标补偿方面的研究,相对于光路设计更为复杂。重点论述了离轴光瞳的形貌筛选与变焦控制方法、以及光瞳均匀性补偿策略。离轴控制方面,通过LightTools宏语言编写及matlab外部调用,以穷举法获得所有可能的光瞳形貌及其变焦位置信息,然后筛选并重构数据库,剔除无用变焦组合,建立起明确的变焦-驱动关系。光瞳补偿方面,建立了补偿目标参数化模型,以约束条件优化解的方式求解超定方程组,获得补偿器的最小化行程,理论计算和仿真结果符合度较高。