光刻機是集成電路製造的核心裝備，其作用是將承載集成電路版圖信息的掩模圖形轉移至硅片面的光刻膠內。
光刻機工作過程中，照明系統輸出的光照射到掩模上，未被阻擋的光攜帶掩模圖形信息，經投影物鏡匯聚後形成掩模圖形的光學像。被光學像照射的光刻膠發生光化學反應，從而實現掩模圖形的轉移。
投影物鏡材料吸收光的能量並引起物鏡內部溫度變化的現象稱為投影物鏡熱效應。光刻機工作時激光持續照射投影物鏡，熱量在投影物鏡內部大量累積，鏡片局部溫度明顯變化，導致鏡片材料折射率和麵形隨之發生變化，進而增大投影物鏡的像差。由投影物鏡熱效應導致的像差稱為熱像差，是影響光刻機成像質量的主要因素之一。
隨著技術節點的不斷髮展，光刻機允許的像差範圍越來越小。光刻機光源功率的增大、透光率更高的亮場掩模的應用等因素使得照射到投影物鏡的光能量更大；光源掩模聯合優化等先進計算光刻技術的應用使得照射到投影物鏡的光強分佈更加不均勻；導致先進節點中光刻機投影物鏡的熱像差更大。熱像差對光刻機成像質量的影響更加嚴重。另外，熱像差還會隨著曝光時間的推移動態變化，對成像質量的影響更加複雜。如果不加以控制，熱像差大小可以遠超過光刻機正常工作允許的像差大小範圍，導致光刻機無法正常工作。
在投影物鏡設計階段可以通過優化物鏡設計減小熱像差。在光刻機工作過程中可以採用熱像差補償技術減小熱像差對成像質量的影響。
投影物鏡熱效應模型主要用於熱像差仿真預測，是進行投影物鏡優化設計和熱像差補償的重要基礎。國際上兩大光刻機生產商Nikon公司的ThAO(Thermal Aberration Optimizer)熱像差補償技術以及ASML公司的cASCAL(computational application specific calibration)熱像差補償技術均採用投影物鏡熱效應模型進行熱像差仿真預測。
中科院上海光學精密機械研究所王向朝研究員課題組對光刻機投影物鏡熱效應模型及熱像差預測技術進行了研究，在熱效應快速仿真模型、熱效應嚴格模型，以及基於熱效應經驗模型的熱像差在線預測技術方面取得進展：
建立了一種投影物鏡熱效應快速仿真模型。上海光機所與上海微電子裝備（集團）有限公司合作在國產商用前道掃描光刻機上進行了實驗驗證。本模型的熱像差仿真精度(Rs^2)優於0.99。結果表明本模型適用於光刻機投影物鏡熱像差的快速精確仿真。相關成果發表在[Optics Express, 2019, 27(23), 34038]。
建立了一種即能夠仿真物鏡綜合熱像差又能夠仿真單個鏡片熱像差的投影物鏡熱效應嚴格仿真模型。利用該模型對典型光刻投影物鏡的熱像差進行了仿真分析，發現熱效應引起的光路變化是除了鏡片折射率變化、鏡片表面形變兩個熱像差來源之外的另一個主要熱像差來源，需要在物鏡優化設計階段著重考慮。利用該模型對典型乾式光刻投影物鏡設計進行了優化。優化後主要熱像差明顯降低。相關成果發表在[J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 2018, 17(2), 023501]，並在國際先進光刻年會SPIE Advanced Lithography上報道。
提出了一種基於粒子濾波算法的投影物鏡熱效應經驗模型，並基於該模型提出了光刻機投影物鏡熱像差在線預測技術。在自由照明條件下對浸沒式光刻投影物鏡進行了全視場熱像差預測。與本領域現有技術相比，該技術的誤差均方根均值明顯降低，精度不受測量數據誤差分佈形式的影響。仿真結果表明該技術具有精度高、適應性強的優點。相關成果發表在[J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 2019, 18(1), 013502]，並在國際先進光刻年會SPIE Advanced Lithography上報道。
