来源：雪球App，作者： 慕容衣，（https://xueqiu.com/4866021334/346313800）
光刻技术是半导体制造的核心，其不断的迭代创新推动了摩尔定律的实现，目前光刻技术是大规模量产的主流选择。
光刻技术原理：光刻技术利用高能激光将掩模版上的电路图形投影到晶圆上，经过一系列复杂工艺完成芯片制造。
光刻技术的重要性：光刻在芯片制造中耗时最长、成本占比最高，是最复杂、昂贵和关键的工艺。
光刻分辨率的影响因素：光刻分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定，通过缩短光源波长、增大数值孔径、减小光刻工艺因子可以提高光刻分辨率。
光刻技术的发展趋势：不断提升光刻工艺的分辨率，进而提升芯片的性能。
光刻：先进制程关键步骤，半导体产业基石
光刻技术简介
摩尔定律（Moore'sLaw）：1965 年，英特尔联合创始人戈登·摩尔（GordonMoore）提出著名的摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的电子元件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
半导体行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪，对二十世纪后半叶的世界经济增长做出了贡献，并驱动了一系列科技创新、社会改革、生产效率的提高和经济增长。
个人电脑、因特网、智能手机等技术改善和创新都离不开摩尔定律的延续。不断迭代创新的光刻技术使摩尔定律持续实现。
光刻(Lithography)是一种图像复制技术，是集成电路工艺中至关重要的一项工艺。
简单地说，光刻是将掩模版上具有各种电子特性的区域图（即电路图形），按比例精确微缩并曝光成像在晶圆上，完成集成电路工艺图形化转移的第一步。其原理与照相十分类似，但精细度要求较高。
相机的原理，是被摄物体被光线照射所反射的光线，透过相机的镜头，将影像投射并聚集在相机的底片（感光元件）上。
而光刻机的原理是将高能激光（Laser）穿过掩模版（Reticle），将掩模版上的电路图形透过聚光镜（Projection lens），将影像缩小十六分之一后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（Wafer）上。
对比相机和光刻机，被拍摄的物体相当于掩模版，单反镜头等同于聚光镜，底片就是预涂光阻层的晶圆。值得注意的是，光刻过程只是投影，并没有刻的过程，刻的过程是在刻蚀机完成的。
光刻在芯片制造过程中耗时最长、成本占比最高。在芯片制造过程中，一般需要进行 20-30 次光刻才能完成各层图形的传递，每一次都需要经过一整套复杂的工艺过程,包括沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入、光刻胶移除等重要步骤。
在芯片制造过程中，光刻是最复杂、昂贵和关键的工艺，光刻的成本约为整个制造工艺成本的 1/3，耗费时间约占整个制造工艺时间的40%-60%。
沉积：将硅或是其他材料通过沉积的方式加在晶圆上,作为这一层的基材(基底材料)。并在其上层产生氧化层(二氧化硅)作为绝缘层。
涂胶：将光刻胶均匀旋涂在氧化层(二氧化硅)上。
曝光：使用高能激光透过掩模版，将光罩上的线路图形转移到光刻胶上，光刻胶被激光照射到的部分会产生感光。
显影：加入显影液，将没有被感光的光刻胶溶解去除。此时，氧化层(二氧化硅)上只留下了被感光的光刻胶区域，即掩模版上的线路图图形。
刻蚀：使用化学或物理溅射方式将没有被光阻保护的氧化层(二氧化硅)部分去除。
离子注入：在没有被光刻胶或氧化层保护的部分注入离子,在硅层产生半导体层。
光刻胶移除：离子注入之后，已经不再需要光刻胶作为保护层，这时将多余的光刻胶去除。
与其他技术路线相比，光刻技术更适合大规模量产。由于采用了投影的方式，一片晶圆经过光刻工艺之后，便完成了成千上万个芯片的曝光工作，效率较高，远超电子束刻蚀、纳米压印等其他技术路线。
高效率意味着更低的成本，因此光刻技术路线是目前厂商大规模量产的主流选择，其地位不可撼动。
以ASMLNXT1980Di 的官方数据为例，其产能是每小时 275 片，前置条件是单片晶圆曝光96个区域，同时每平方厘米能给 30 焦耳的能量。
目前没有一个其他的技术路线，包括电子束刻蚀和纳米压印能做到这样的量产规模。
光刻的工艺水平决定芯片的制程与性能
光刻分辨率（Resolution）表示能清晰投影最小图像的能力，是光刻机最重要的技术指标之一，决定元件的最小特征尺寸与芯片的集成度。
对于理想的成像系统，一个点所成的像是一个完美的点，但实际光学系统中使用的透镜具有一定大小的孔径，由于光的衍射现象，系统所成的像不再是理想的几何点像，而是具有一定大小的光斑（艾里斑）。
当两个点过于靠近时，其所成的光斑重叠在一起，就可能分辨不出是两个点所成的像，即光学系统中存在着极限分辨率。
瑞利准则（Rayleigh Criterion）规定，当一个艾里斑的中心与另一个艾里斑的第一级暗环重合时，达到极限点，此时两个光斑刚好可以被分辨，再近就不能分辨了。
其中，能够区分两个光斑的最小距离，就是分辨率。分辨率决定了元件的最小特征尺寸，进而决定了芯片的集成密度。我们沿着摩尔定律不断追求晶体管数目翻倍的过程，其实就是在追求越来越高的分辨率。
光刻分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定
根据瑞利准则，分辨率公式为 R=k1*λ/NA，其中λ为光刻机使用的光源波长；NA(Numerical Aperture）是光学器件的数值孔径，描述了它们能够收集光的角度范围。
表示可以收集多少光，公式为 NA=n*sinα，n 为投影物镜系统像方介质的折射率，α为投影物镜像方半孔径角；k1代表光刻工艺因子，是众多其他影响因子的汇总。
如光刻胶的聚合度，分子量，颗粒度，感光剂，以及硅片的平整度，光的入射角度，杂质/灰尘的影响量等。
k1与使用方（芯片制造公司）的工艺密切相关，不同的公司，该参数差异较大，理论上对于单次曝光，k1的最小极限约为0.25。通过缩短光源波长、增大数值孔径、减小光刻工艺因子可以提高光刻分辨率。
缩短光源波长：早期的光刻机为了提高分辨率，把资源都集中在如何缩短光源波长λ方面，于是光刻机的波长一路降低。
从早期的高压汞灯g 线的436nm，i 线的 365nm，到准分子激光器 DUV KrF 的 248nm，ArF 的193nm，再到193nm浸没式等效出 134nm，到现在出现了极紫外 EUV 的13.5nm。
(2) 增大数值孔径：数值孔径 NA 和光刻机投影系统的设计有密切关系，随着成像系统越来越复杂，内部涉及的棱镜与反射镜越来越多，NA 值逐渐提高、sinα接近理论极限值。
通过改变环境的折射率可以改变数值孔径，折射率越大NA 越大。浸入式光刻机将光学系统浸入水中，通过水来进行折射，从而实现更高的折射率，提高数值孔径。从 ArF 到 ArFi，由于引入水介质（n=1.33）使得 NA 值提高了 45%。
减小光刻工艺因子：计算光刻 OPC--由于光刻采用光学的方式曝光，存在光学邻近效应，使得最终图案与设计图案存在差异，通过在掩膜上增加辅助结构来消除图像失真，从而获得更好的加工精度；
离轴照明OAI--通过采用特殊光源让正入射方式光变成斜入射方式，在同等数值孔径内容纳更多的高阶光，以此提高分辨率；
相移掩模 PSM—通过改变掩模版结构，在其中一个光源处采用 180 度相移，使两处光源产生的光产生相位相消，使两个光源可以有效区分开，以此提高分辨率。 通过不断提升光刻工艺的分辨率，进而提升芯片的性能。
由于光刻的分辨率直接决定元件的最小特征尺寸，元件的特征尺寸越小，元件间的距离越近。电子在元件中的运动是从元件的一端通过一段沟道送到另一端。
元件两端距离越短，传送时间越短；元件与元件间的距离越近，传送时间亦越短，因此数据传递的速度也越快。
元件的特征尺寸越小，单位面积上可容纳的电子元件数目越多（集成度越高）。
对于存储芯片来说，意味着存储速度和存储量不断提升；
对于处理芯片来说，便可在一个芯片中制作多个处理单元，即二核心、四核心、八核心等多核架构，多核架构的处理芯片能够同时处理多个任务(多工)，显著提升了处理速度。
制程技术决定半导体行业的发展水平
工艺节点（Node）是反应集成电路技术工艺水平最直接的参数。节点的尺寸数值和晶体管的长宽成正比，每一个节点基本上是前一个节点的0.7 倍。
由于长宽均成正比，0.7X0.7=0.49，所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代大约缩小一半，即单位面积上的晶体管数量翻了一番，这也是著名的摩尔定律的基础所在。
一般而言，大约 18-24 个月，工艺节点就会发展一代。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。
工艺节点的发展围绕着关键指标 PPAC 进行。
PPAC 是性能（Performance），功耗（Power），面积尺寸（Area）以及成本（Cost）的缩写。芯片的发展思路是，在不断提高晶体管密度（不完全等于缩小晶体管）的情况下，保证晶体管的性能不变或提升，并保证成本可接受。
当前的先进工艺节点只是等效工艺节点，而非真正的Gate Length。在工艺发展的初期，节点的数值一般指晶体管栅极的最小长度（Gate Length）。
晶体管的缩小不但提升了晶体管密度，也降低了功耗、提升了性能。但随着尺寸的不断微缩，短沟道效应和量子隧穿效应开始愈发显著，直接缩小晶体管非但不能提升性能，反而会导致严重的漏电，进而影响性能。
近几年，随着HKMG 和FinFET 等关键技术的发明和应用，在晶体管的实际 Gate Length 并没有改变多少的情况下，晶体管密度提高、体积缩小、性能提升、功耗降低，因此也被叫做等效工艺。
制造厂商出于商业宣传的考量，开始使用一些图形的特征尺寸（FeatureSize）来表示工艺节点，往往用最致密周期图形的半间距长度来作为工艺节点的数值，且不同制造厂的工艺节点换算方法不一，便导致了很多理解上的混乱。
同时这也导致了虽然工艺节点的发展依然按照 0.7 倍的规律前进，但实际上晶体管的面积以及电性能的提升远远落后于节点数值变化。
根据Intel 的数据，其20nm工艺的实际性能等效于三星 14nm 和台积电 16nm 工艺的性能。28nm 是工艺节点的重要分水岭，在性价比方面与下一代工艺有着较大的差别。
大量不需要特别高性能而对成本敏感的产品（如 IOT 领域的芯片）会长期对28nm工艺保持需求，因此 28nm 节点会成为一个长节点，在未来比较长的一段时间内都会被广泛应用，其淘汰时间也会远远长于其它工艺节点。
这是因为65nm 工艺及以前：工艺节点的数值和光刻机的最高分辨率一致。由于镜头NA 没有太大的变化，所以工艺节点主要由光源的波长决定。ArF 193nm 的波长可以实现的最高工艺节点是 65nm。
45-28nm 工艺：由于短沟道效应和量子隧穿效应，光源波长难于进一步突破，业界采用了浸入式技术，将等效的光源波长缩小到了134nm。
同时，在相移掩模和 OPC（光学临近效应修正）等技术的协同助力下，在光源波长不变的条件下，业界将工艺节点一直推进到了 28nm。
28nm 工艺以后：由于单次曝光的图形间距无法进一步提升，所以业界开始广泛采用多重曝光工艺（即多次曝光和刻蚀）来产生更致密的图形。
但多重曝光工艺导致了掩模和生产工序的增加，直接导致了成本的剧烈上升以及良率的下降。
同时，节点的提升并没有带来芯片性能成比例的增加，所以目前只有对芯片性能和功耗有着极端要求的产品才会采用这些高阶工艺节点技术。
于是，28nm便成为了工艺节点的重要的分水岭，在性价比方面与下一代工艺有着较大的差别。
多重曝光工艺可跨越光刻机极限分辨率，实现更小线宽
当光刻机性能不足时，多重曝光是变相提升芯片制程的唯一办法。在实现摩尔定律的路径上，除了光刻机本身的升级，不同工艺路线的多重曝光工艺亦可以实现更小线宽。
多重曝光是指将原本一层光刻的图形拆分到多个掩模版上，利用多次曝光和刻蚀来实现原来一层设计的图形，以获得更小的线宽，更高的分辨率。
在 EUV 光刻机量产之前，DUV 光刻机可以实现最高分辨率的是ASML 的DUV浸入式光刻机（光源为 193nm，NA 为 1.35，设备型号为 NXT1950 到NXT2000），其单次曝光能够实现的分辨率极限是 38nm。
38nm 以下的工艺节点则需要通过多重曝光工艺实现。 光刻机的套刻精度决定能否使用多重曝光工艺。
套刻精度（Overlay Accuracy）是指前后两道光刻工序之间彼此图形的对准精度，如果对准的偏差过大，就会直接影响产品的良率。
对于高阶的光刻机，一般设备供应商就套刻精度会提供两个数值，一种是单机自身的两次套刻误差，另一种是两台设备（不同设备）间的套刻误差。
多重曝光工艺通常分为 LELE 和 SADP 两种类型：LELE（Lith-Etch-Lith-Etch，光刻-刻蚀-光刻-刻蚀）：
将设计图案拆分在两块掩模版上，通过在光刻工艺中曝光光刻胶，然后蚀刻硬掩模，将第一层图案转移到硬掩模 1 上。然后将第二层图案与第一层图案对准并通过第二次光刻曝光和刻蚀转移到硬掩模 2 上。
最终在衬底上进行刻蚀，得到的图案密度是原始图案的两倍。
LELE 的缺点是增加了光刻工艺的使用，并且对每次光刻图形之间的套刻误差也有更高的要求，因此增加了工艺的复杂度和成本。（2）SADP（
Self-Aligned-Double-Patterning，自对准双重成像技术）：自对准双重成像技术是通过沉积和刻蚀工艺在心轴侧壁上形成的间隔物，然后通过一个额外的刻蚀步骤移除心轴，使用间隔物来定义所需的最终结构。
因此特征密度增加了一倍。SADP 技术主要用于 FinFET 技术中的鳍片形成、线的互连以及存储设备中的位线/字线的形成，其优点在于避免了在 LELE 期间时可能发生的掩模不对齐，难点在于工艺过程对侧壁沉积的厚度、刻蚀形貌的控制极其重要。
相较于多重曝光工艺，EUV 在工艺和成本上更具优势
根据ASML，若完全使用浸没式 DUV 光刻机实现 7nm 制程，需要经过 34 次光刻和59-65 次对准套刻，较高的工艺复杂度显著提高了损失良率的风险，因此继续使用浸没式DUV 光刻机不具备实际经济效益。
相比之下，EUV 光刻机大大减少了工艺的复杂程度，得益于光源波长为 13.5nm，单次曝光的分辨率极限可以达到 13nm，因此对于7nm 制程中的特征尺寸，仅需要 9 次光刻和 12 次对准套刻，更少的工艺步骤和更好的成像质量对成本和最终良率极其有利。
相较多重曝光，EUV 能降低15%-50%的成本，缩短3-6倍的周期时间，使产品更快量产。若同时使用EUV 和SADP，可实现更小的特征尺寸，使芯片制程向 5nm/3nm 继续发展，摩尔定律也得以继续存活。
光刻机详解：半导体制造业皇冠上的明珠，光学系统为重中之重
光刻机作为光刻工艺的核心设备，是所有半导体设备中难度最高、最难突破的一环。
其原理是将高能镭射光穿过掩模版，经过物镜补偿各种光学误差，从而将掩模版上的图形缩小 1/16 后成像在预先涂制好光刻胶的晶圆上。
光刻机是数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、算法、图像识别领域等多项顶尖技术的集大成者。
发展历程与趋势：从 UV 到 EUV，正在向High-NA EUV 发展
根据所用光源改进和工艺创新，光刻机经历了五代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。
接触式光刻机：曝光方式为掩模版与半导体基片之间靠控制真空度实现紧密接触，使用光源分别为 g 线和 i 线。
接触式光刻机由于掩模与光刻胶直接接触，所以易受污染，掩模版和基片容易受到损伤，掩模版寿命短。
接近式光刻机：曝光方式为掩模版与半导体基片之间为非紧密接触状态，掩模版不容易受到损伤，掩模版寿命长，但由于掩模版与基片之间有一定间隙，成像质量受到影响，分辨率下降。
扫描投影式光刻机：中间掩模版上的 IC 版图通过光学透镜成像在基片表面，有效地提高了成像质量，投影光学透镜可以是 1∶1，但大多数采用精密缩小分步重复曝光的方式（如 1∶10，1∶5，1∶4）。
IC 版图面积受限于光源面积和光学透镜成像面积。光学曝光分辨率增强技术的突破，把光刻技术推进到深亚微米及百纳米级。
步进式扫描投影光刻机：以扫描的方式实现曝光，可以增大曝光面积和曝光效率，通过采用 193nm 的 ArF 准分子激光光源，实现光刻过程中掩模和硅片的同步移动，并同时实现将掩模图像缩小投影在硅片上，进行分步重复曝光，将芯片的最小工艺节点提升一个台阶。
利用浸没式光刻技术，通过在光刻机投影物镜最后一个透镜下表面与硅片光刻胶之间充满高折射率的液体（如去离子水），进一步提高了光刻分辨率，把 193nm 光源的光刻工艺节点进化到22nm。
EUV 光刻机：采用波长为 13.5nm 的激光等离子体光源作为光刻曝光光源。即使其波长是 193nm 的 1/14，几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限，将最小工艺节点推进至 7nm 仍然面临着种种难题。
荷兰ASML 公司用于7nm工艺的EUV 光刻机共有 10 万个零件，其中 90%的关键设备来自世界各国。
目前，EUV 光刻机可支持芯片制造商将芯片制程推进到3nm 制程左右，但是如果要继续推进到 2nm 制程甚至更小的尺寸，就需要更高数值孔径的High-NAEUV光刻机。
相比目前 NA 为 0.33 的 EUV 光刻机，High-NA EUV 光刻机将NA 提升到0.55，可以进一步提升分辨率与成像能力，从而实现更先进制成的生产。当前该技术由阿斯麦公司研发中，公司预计在 2025 年实现出货。
产业链涉及范围广，所需供应组件众多，供应链管理难度高
光刻机产业链主要包括上游材料与组件、中游光刻机整机以及下游光刻机具体应用三大环节。
光刻机涉及的内部零件种类众多，且越高端的光刻机组成越复杂，其核心组件包括光源系统、双工作台、物镜系统、对准系统、曝光系统、浸没系统、光栅系统等，其中光源、晶圆曝光台、物镜和对准系统的技术门槛较为显著。
因此，光刻机企业往往具备高外采率、与供应商共同研发的特点。例如 ASML 公司用于 7nm 工艺的 EUV 光刻机共有 10 万个零件，其中90%的关键设备来自世界各国。
在全球上、下游产业链共有 5000 多个供应商，分别提供的用于生产光刻系统的材料、设备、零部件和工具，ASML 只负责中游整机设计与各模块集成。
整体结构：多种先进系统的精准组合
光刻机是最复杂的工业产品之一，其本体由光源系统、曝光系统和工作台系统三大核心系统组成，主要性能指标有分辨率、套刻精度和产率。
其中，光源系统负责发射紫外光束，曝光系统（主要包括照明系统和投影物镜系统）负责缩小光束，工作台系统负责承载晶圆。
这三大系统的研发制造难度大，目前国际上只有少数几家企业掌握核心技术，例如全球领先的准分子激光器厂商—美国Cymer公司，掌握光源系统的核心技术；
德国 Zeiss 公司研发制造的物镜系统在业内遥遥领先；
荷兰 ASML 研发的双工作台系统则是工作台系统的代表。
此外，还有环境与电气系统、光刻计算（OPC）与掩膜优化（SMO）软件、显影涂胶设备提供支持。
具体来看，紫外光从光源系统生成后，被导入照明系统，在这里，光需要被整理，包括改变光的形状、实时测量光强度、调整光的均匀度，离开照明系统的光还必须控制部分的遮挡与开合，以提供掩模版的扫描。
扫描穿过掩模版的光会进入投影物镜系统。投影物镜系统将光聚焦在晶圆表面预涂的光阻上，实现把掩模版上的图案成像在晶圆上。
光源系统：稳定产生特定波长的光线
光源系统的功能是稳定产生光刻所需的特定波长的光线。从高压汞灯光源到DUV深紫外光光源再到 EUV 极紫外光源，光刻机的光源系统不断发展进化。
目前，全球仅美国 Cymer 公司具备 EUV 光源产业化能力，而DUV 光源除Cymer 外，日本Gigaphoton 厂商也能生产。
UV 光刻机采用高压汞灯作为光源。高压汞灯能提供254～579nm 波长的光。
使用滤波器可以选择性的使用 i 线（365nm）、h 线（405nm）或g 线（436nm）为光刻机提供照明光源。
高压汞灯的本质是一种气体放电电光源，汞蒸气被能量激发，汞原子最外层电子受到激发从而跃迁，落回后放出光子。
放电管内充有启动用的氩气和放电用的汞。 （2）DUV 光刻机大多采用准分子激光器（ArF、KrF）作为光源。
其工作原理是向惰性气体（Ar、Kr）和卤素气体（Cl2、F2）的混合气体施加高压短脉冲，产生惰性元素的卤化物（ArF、KrF）。
这些化合物同时具备激发态（E1）和基态（E0），由于基态的化合物不稳定，容易分解为单质，激发态向基态跃迁的过程将持续进行，并释放出特定波长的光子（193nm、248nm）。
目前，全球能生产光刻用高重频准分子激光器的公司仅有美国Cymer 公司和日本Gigaphoton 公司，其最新型号光源的输出功率已达到120W，脉冲频率6000Hz，脉冲持续时间 100-150ns。
Cymer 公司于 2013 年被ASML 收购，目前占据了光刻机光源 80%以上的市场份额。
科益虹源是我国国内唯一、全球第三家从事光刻准分子激光技术全链条研发和产业化的公司，193nm ArF 准分子激光器完成出货，打破海外垄断局面。
EUV 光刻机采用高纯度锡（Sn）电离产生的极紫外光作为光源，是目前世界上领先的光源。极紫外光的本质不是激光，但其产生的过程需要用到高功率激光器。
目前获取 EUV 光源的主流方案是 CO2激发的 LPP（激光等离子体）光源。
其工作原理是，在真空腔体中，熔融锡液滴以每秒5 万次的频率从发生器中等间隔喷射出来，每个锡滴的大小保持在 7.5-13μm 左右。
当锡滴经过中心区域时，被 20kW 以上的高功率 C02激光器的两个连续脉冲击中，第一个低强度预脉冲撞击圆形锡滴使其膨胀，变成薄饼型；接着第二个高强度主脉冲以全功率撞击薄饼锡。
两次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至 50000K，从而使锡原子跃升至高能态，在回归至基态的过程中释放出 13.5nm 的极紫外光，经收集镜导入到曝光系统中。
EUV 光源系统主要由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、收集镜等构成。
目前主流的 EUV 光源系统由荷兰ASML 公司、德国TRUMPF公司和德国 Zeiss 公司合作研发制造而成。其中，ASML 作为集成商提供扫描仪和生成液滴的组件，Zeiss 提供 EUV 镜头，TRUMPF 提供专门定制的CO2激光器。
照明系统：优化成像过程
照明系统为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。照明系统位于光源与投影物镜之间，是复杂的非成像光学系统，主要功能是为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。
在过程中，对光束进行扩束、调整光的形状、提升光的均匀度、控制曝光剂量，并提供稳定照明。
照明系统的组成部件包括：光束处理单元：与光源相连，主要实现光束扩束、光束传输、光束稳定和透过率控制等功能，其中光束稳定由光束监测和光束转向两部分组成。
光瞳整形单元：光刻机需要针对不同的掩膜结构采用不同的照明模式，以增强光刻分辨力，提高成像对比度。
光瞳整形单元通过光学元件调制激光束的强度或相位分布，实现多种照明模式。不同的照明方式，比如圆形、环形、二级、四级光源下，光刻机分辨率不同。
例如：光穿过掩模版上的图案时会产生衍射效应，线宽越小，衍射角度越大，1阶衍射光超过投影物镜外就无法成像。如果将点光的形状改成环状光或其他形状，1阶衍射光就可以被收进物镜且图像对比度清晰。
光场匀化单元：用于生成特定强度分布的照明光场。引入透射式复眼微透镜阵列，每个微透镜将扩束准直后的光源分割成多个子光源，每个子光源经过科勒照明镜组后在掩膜面叠加，从而实现高均匀性的照明光场。
中继镜：在掩膜面上形成严格的光束强度均匀的照明区域并将中间的平面精确成像在掩模版平面。
投影物镜系统：实现光线的聚焦
投影物镜系统的功能是实现光线聚焦，其性能决定光刻机的分辨率及套刻精度，是精准成像的关键。
投影物镜要将照明模组发射出的1 阶衍射光收进物镜内，再把掩模版上的电路图案缩小，聚焦成像在晶圆上的光阻层上，并且需要补偿光学误差。
投影物镜主要由多枚镜片组成，典型的投影物镜包含近30 块镜片，60个光学表面，最大直径达 0.8m。
物镜的特点是直径大、镜片多、镜片可动。ASML DUV 光刻机中的先进机种的投影物镜直径大于 40cm，增加投影物镜的直径可以提高数值孔径，进而提高光刻机分辨率。
ASML DUV 光刻机投影物镜的高度超过1 米，镜片数量超过15片，单个透镜的光学特性会导致图像失真，需要组合透镜来修正图像形变。
采用可动镜片可以消除镜头组装及光刻生产等过程中所产生的各种像差。可动镜片覆盖了垂直修正、倾斜修正和多向修正。 不同的光刻机采用不同的投影物镜系统方案。
DUV 光刻机物镜系统主要由多个透镜组成，NA 一般在 0.6-1.3 之间，分辨率可支持的极限工艺制程在10nm左右；
EUV 光刻机使用 13.5nm 的极紫外光，由于极紫外光无法通过普通的光学材料，因此其物镜系统主要由多个反射镜组成，NA 一般在 0.25-0.35 之间，分辨率可以突破到 10nm 以下。
EUV 反射镜目前全球仅 Zeiss 一家具备产业化能力，DUV透镜除Zeiss 外 Nikon、Canon 等厂商也具备制造能力。
投影物镜系统技术壁垒高，德国 Zeiss 为业内龙头，国内茂来光学正在发力。
随着分辨率要求不断提高，光刻机投影物镜结构越来越复杂，对光学材料、光学加工、光学镀膜等要求达到目前工业水平的极限，是光刻机中技术壁垒最高的零部件之一。
目前的技术难点主要集中在以下两个方面，镜头平整度作为重要参数之一，对光刻过程中的图案分辨率和图案形状控制有着至关重要的影响。
在光刻过程中，光线通过物镜进入光刻胶层，形成所需的图案，如果物镜表面不平整，会导致光线通过物镜后发生散射或偏折，使得光线聚焦到不同的位置，从而影响图案的分辨率和形状控制。
顶级单反相机镜头加工产生的像差在 200nm 以上，而 ASML 的 ArF DUV 投影物镜像差在2nm 内。高端光刻机镜头的价值量接近 0.6 亿美元，成本占比大。
制造高质量的物镜需要先进的工艺和精密的设备，一般来说加工流程包括高精度机床铣磨成型、小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光、镀膜等步骤，离子束抛光是其中的关键步骤，离子束抛光利用离子轰击需要抛光的物体表面，以快速地去除材料表面的缺陷和凸起，同时不会产生新的表面缺陷。
新一代EUV光刻机的反射镜的面形精度为 PV 小于 0.12nm，表面粗糙度小于30pm，原子级别的光洁度，全球仅 Zeiss 能达到。国内茂莱光学 PV 小于30nm，表面面形RMS 小于5nm，表面粗糙度小于 0.5nm，供货上海微电子，应用于i 线光刻机物镜中。
工作台系统：承载晶圆、精确对准
工件台主要起承载晶圆的作用。每一次曝光前都需要将硅片和工件台对准，而后通过将光罩和工件台对准以实现光罩和硅片的对准，从而将图形精确地复制到需要光刻的区域。
与单工作台相比，双工作台（Twinscan）效率提高了35%，精度提高了10%，有效提高了光刻机的产能。
光刻机双工作台由两个工件台组成，两个工件台同时独立工作，负责完成步进运动、曝光扫描、对准扫描、上下硅片等功能。
工作台分为 1 号和 2 号，2 号工件台处于物镜下方，对晶圆进行调平调焦、曝光、刻片等操作，与此同时 1 号台进行待刻晶圆的上片下片；
当2 号台刻片完成，工件台系统进行换台，1 号工件台换到物镜下方进行刻片，2 号台进行上片下片，如此循环往复实现光刻机的高效生产。
ASML 是全球首家应用双工件台的企业，注册了大量的专利，并且在磁悬浮驱动方面积累了大量技术，优势显著。近年来，Nikon 也推出了Tandem Stage工件台，相较其过去工件台有大幅性能提升。
双工作台的技术难点在于需要速度快、对准精度高以及运动稳定：速度快：
目前全球领先的 DUV 光刻机，晶圆的光刻生产速度为300片/h，1个影像单元的曝光成像约 0.1 秒，实现这个成像速度，晶圆平台需以高达7g的加速度高速移动。7g 的加速度意味着从 0 加速到 100km/h 只要约0.4 秒，F1赛车需要 2.5 秒。
精确对准：面临的难点有偏移——芯片制造需一层层向上叠加，每次重叠的误差称为套刻精度，要求是 1-2nm。
晶圆从传送模组到晶圆平台上，会产生机械误差，一般是数千纳米的偏移。
高低差——投影物镜太大，对焦点上下可接受的影像范围小于 100nm。
而晶圆表面高低不平，累加晶圆平台的高低差，晶圆表面不同位置的光阻高度可相差 500-1000nm。因此每次曝光前，须针对每片晶圆做精密量测，截取到晶圆每一个区块纳米等级的微小误差，在曝光阶段实时校正。
运动稳定：稳定运动——利用 balance mass 吸收平衡晶圆平台所施加于机座的反作用力，使整座机台完全静止。
稳定定位——晶圆要在完成量测后，要在极短的曝光时间内完美定位，ASML 光刻机可达到精度为0.06 纳米的传感器确认精准定位。稳定运作——晶圆平台为减少磨损采用悬浮的移动方式，达成较高速的运动和持久稳定的运作。