曝光在对准完成后进行，打开光源，将光刻板的图形投影到涂布了光刻胶的晶圆片上，使之感光发生化学和物理变化。在曝光过程中，从光源发出的光通过对准的光刻板，板上有透明和不透明的区域，这些区域形成了要转移到晶圆表面的图形。通过曝光可以将光刻板上的图形精确地复制到晶圆片的光刻胶上。影响光刻曝光过程的主要参数有曝光光源、抗反射层、分辨率、焦深以及曝光强度。
曝光系统光路示意图
1.曝光光源
在光刻曝光过程中，被曝光部分的光刻胶发生变化，再通过后续的显影过程将部分光刻胶去除，最终完成图形从光刻板到晶圆片的转移。在曝光过程中，光刻胶和曝光光源的波长都是至关重要的，较短的波长可以获得更高的分辨率。目前最常用于光学光刻的两种光源是汞灯和准分子激光。
汞灯通过电流流经氙汞气体的管子产生电弧放电。汞灯的光谱分布从240nm到500nm。其中有几个典型的强峰，436nm-G线、405nm-H线、365nm-I线以及248-深紫外。
高压汞灯的发射光谱
准分子激光被用于光学光刻是在20世纪80年代以后，但直到20世纪90年代中期才得以广泛推广和使用。它的优点是能量分布集中在深紫外，在248nm处可以获得比汞灯更高的辐射强度。
迄今为止，唯一用于光学曝光的激光光源就是准分子激光光源。准分子是不稳定分子，它由惰性气体原子和卤族元素构成，例如氟化氩（ArF）、氟化氪（KrF）。通常用于深紫外光刻胶曝光的准分子激光器是波长为248nm的氟化氪（KrF）激光器，它的典型功率范围为10～20W，频率为1kHz。
2.抗反射层
在光刻工艺中，光刻胶上图形的质量会受到光学系统的限制，实际上所有用于半导体制造的光学设备都是以光学光刻为基础的。在光刻过程中，曝光光线经过光刻板到达光刻胶表面形成图形，但如果衬底或者底层膜是反光的，那么光线将从这个表面被反射回来并有可能损害邻近的光刻胶。两种最主要的反射问题是反射切口和驻波。这些光线的反射降低了光刻胶成像的分辨率，是不希望的结果。
一种抗反射的涂层（ARC）被直接用于反射材料的表面来减小光刻胶的驻波效应。抗反射层通过抑制和减少不想要的反射，减小驻波效应。使用最新的抗反射膜可以减少99%的衬底反射。它们一般会以薄层的形式被积淀在晶圆片上，通常为200～2000Å，这取决于抗反射层的材料。
选择抗反射层的一个因素是，在光刻完成后抗反射层是否能被除去。一些有机抗反射层是水溶的，通过显影和冲水就能很容易地去除。相对来说，无机抗反射层比较难被去除，特别是当抗反射层材料与基底材料相似时，因此有时抗反射层会被留在晶圆片表面成为器件的一部分。
3.分辨率
在光刻中，分辨率被定义为清晰分辨晶圆片上间隔很近的特征图形的能力。分辨率对任何光学系统都是一个重要的参数，也是衡量光刻工艺能力的关键参数。
常见的分辨率测试图片
分辨率R的公式为：R=kλ/NA
式中，k表示工艺因子，一般在0.6～0.8之间；λ为曝光光源波长；NA为数值孔径。
可以看出，波长直接影响曝光系统的分辨率，波长越短，分辨率越高，另一个影响分辨率的主要因素是数值孔径，因此，提高透镜的半径或者提高介质的折射率都可以提高系统的分辨率。实际光刻工艺中提高介质折射率是不现实的，因此主要以采用短波长及增大物镜半径作为提高分辨率的手段。
4.焦深
焦深为焦点深度的简称，即在使用显微镜时，当焦点附近一定范围内图像连续清晰，这个范围称为焦深（DOF），也称景深。
焦深可以用公式表示为：DOF=λ/2（NA）^2
即焦深与曝光的波长成正比，与数值孔径的平方成反比。联系分辨率R的表达式可以发现，对于一个曝光系统，分辨率越大，焦深就越小。在通过提高数值孔径提高系统分辨率的同时，所需付出的代价是焦深减小，光学系统的工艺宽容度缩减。
5.曝光强度
曝光强度被定义为单位面积的光功率，单位为毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。光强可以由相应波长的光照度计测量得到。把曝光强度乘以曝光时间就是单位面积获得的能量，称为曝光剂量，单位为毫焦/平方厘米（mJ/cm2）。指定的光刻胶都有对应的曝光剂量，一般来说，典型的光刻胶需要的曝光剂量为100mJ/cm2。
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