光刻机投影是现代微纳米制造工艺的核心环节，它利用高精度光学系统将掩膜（mask）上的图案缩小并成像到基片（晶圆或其它衬底）上，从而完成微米甚至纳米级图形的转移。

一、投影原理

光刻机投影系统的核心是将掩膜图案通过透镜组投影到光刻胶层上。投影方式主要有两种：接触/邻近曝光和投影曝光（step-and-repeat 或 step-and-scan）。其中，接触式或邻近式将掩膜直接贴近或接触基片，分辨率受限且易损伤掩膜；而投影式在掩膜与基片之间保持间隔，通过高倍率投影镜头将图案按设定缩小比例（如4×、5×、10×）成像，大大提高了分辨率与良率。

二、主要组成

紫外光源：常见波长包括i-line（365nm）、h-line（405nm）、深紫外DUV（248nm、193nm）以及极紫外EUV（13.5nm）。光源波长越短，衍射极限越小，能刻画更细的线宽；但短波长光源技术难度和成本也更高。

掩膜对准与台架：掩膜台集成纳米级 XY移动与 θ旋转机构，辅助高速摄像头与图像处理算法实现对准标记检测，保证每次曝光的平面位置误差（overlay）低于5–10nm。

投影镜头：最关键的部件，通常由多片高纯度石英或氟化钙透镜精密组装而成。高端镜头数值孔径（NA）可达0.85以上，结合高阶像差校正，实现亚20nm线宽的成像。镜头对色差、球差和像散等要进行专门校正，且需要在真空或氟化气环境下使用，以避免短波长光源在空气中吸收。

基片台与聚焦系统：基片台常采用空气悬浮或磁悬浮结构，配合激光干涉仪对每次曝光位置进行实时反馈；聚焦系统采用共焦传感或激光探针测距，确保曝光面与掩膜像面聚焦误差（DOF）在几个纳米内。

三、关键性能参数

分辨率（Resolution）：由衍射极限公式R ≈0.61λ/NA决定，λ为光源波长，NA为投影镜头数值孔径。

深度焦差（DOF）：与λ/(NA²)成反比，DOF越大，对焦容差越宽；但增大 NA 会显著缩小 DOF，需要更精密的聚焦控制。

曝光均匀性（CD Uniformity）：衡量全晶圆或曝光场内线宽（Critical Dimension）一致性，通常要求±1–2%。

对准精度（Overlay Accuracy）：多层图形叠加定位误差，先进系统可控制在±5nm以内。

系统吞吐量（Throughput）：以晶圆片/小时（WPH）或分钟/片（WPP）衡量，影响半导体工艺的产能。

四、技术难点

光学极限与掩膜制造：随着线宽接近 1nm 级，传统掩膜工艺（电子束刻记）面临分辨率和折射效应限制，急需新材料与新结构。

镜头制造与对位控制：高 NA 镜头对像差和波前畸变的校正要求极高，制造误差容限在几个原子层级；同时对准系统需实时补偿环境扰动（震动、温漂）。

极紫外（EUV）系统：13.5nm 光源在真空环境中传播，需反射式光学元件（多层膜镜），其寿命、光学质量与光源稳定性成为制约因素。

多重图案化工艺：为突破单次曝光分辨率，出现浸没式光刻、多个掩膜叠加等多重图案化流程，但成本与复杂度大幅增加。

五、未来发展趋势

极紫外光刻（EUV）量产化：随着光源功率、光束品质的提升和镜面寿命的延长，EUV 有望在3nm 或更先进节点实现主流应用。

自对准图案化（SAQP）：利用化学修饰与选择性沉积技术，实现图形自对准，减少对超高精度对准的依赖。

智能化与大数据：引入机器学习算法，对曝光过程中的缺陷数据、对准误差和环境参数进行实时分析与优化，提升良率与稳定性。

新型光刻技术融合：如极紫外投影与纳米压印（NIL）、电子束直写混合方案，结合各自优势以满足不同应用场景的需求。

综上所述，光刻机投影技术将光学成像与精密机械控制深度融合，通过不断优化投影镜头、对准系统和光源技术，实现更高分辨率、更高产能和更高良率。