随着特征尺寸的缩小，工具优化通常会达到一个极限，即 k1 不能再缩小，NA 也不能进一步增加。这意味着除非光的波长减小，否则分辨率不能降低，如公式 (1) 所示。这是 1980 年代至 1990 年代研究 DUV 曝光工具的主要驱动力，因为较短的波长可以提供更好的分辨率。使用 DUV 曝光工具的晶圆的首次大规模商业生产是在 1990 年，用于生产临界尺寸 (CD) 为 0.9 毫米的晶圆。2汞灯在 254 nm 左右有一个弱峰值（约为 g-、h- 和 i-line 峰值强度的 10% 或更低），而使用 Hg-Xe 灯将可用范围扩展到 220 nm，在 248 nm 左右有一个更强的峰值。然而，DUV 的工业应用几乎完全是使用准分子激光器来产生用于曝光的光。最早的 DUV 曝光工具使用 248 nm 的波长，由 KrF 准分子激光器产生。随着这些工具的进一步优化，为了进一步提高印刷系统的最终分辨率，人们开始使用 ArF 准分子激光器产生的 193 nm 的较低 DUV 波长。这些工具使用一系列石英透镜和类似于 UV 光刻的掩模来生成空间图像，然后由光刻胶将其转换为浮雕图像。人们进行了大量研究和开发，希望开发出使用 F2 准分子激光器的 157 nm 的更低波长，但由于难以找到合适的石英透镜材料替代品，最终放弃了这一方法。
鉴于当时缺乏易于获取的较低波长曝光工具，人们开发了一种替代方法来进一步提高 193 nm 光刻的分辨率并继续缩小特征。人们早就知道，如果在物镜和样品之间的空气间隙中填充高折射率油，光学显微镜的分辨能力可以得到提高。类似的方法也用于实现所谓的浸没式光刻，即在最终透镜和晶圆之间引入一种液体。这种液体的折射率高于透镜和晶圆之间通常存在的空气，它会改变曝光光的光路，从而有效地导致等式 (1) 中的 NA 更高。NA 更高的原因是 NA 1⁄4 ni sin q，其中 ni 是折射率，q 是光的传播角。31“干式”曝光系统的 NA 不会超过 1.0；否则，曝光光将在透镜/空气界面处完全反射回来。使用超纯水作为浸没液（193 nm 时折射率为 1⁄4 1.44）可以生产具有 1.35 NA 能力且分辨率低至 45 nm 半节距的工具。这个 45 nm 半节距大约是当今生产中单一光学图案的当前分辨率极限。人们对折射率高于水的流体进行了大量研究，这将进一步提高分辨率，但这些研究从未实施，因为一种名为多重图案化的技术首先得到了迅速开发和应用，这种技术可以提供更高的分辨率。
多重图案化是一种通过使用多个工艺步骤来打印单层图案的方法，它允许打印小于单次曝光光刻分辨率极限的图案。多重图案化是对该工艺最通用的描述，但它最初以双重图案化（相当于两次单次曝光）的形式使用，后来开发和实施了四重图案化（相当于四次单次曝光）。分辨率的严格定义由公式 (1) 中的瑞利标准定义，它与两个物体的分离而不是特征尺寸有关，因此当物体之间的间距放宽时，特征尺寸可以进一步减小，例如通过积极的光刻胶处理、曝光剂量偏差等。通过多步骤图案化，可以将间距很近的特征分离到不同的图案化步骤中，从而有效地放宽间距。描述多重图案化的一种方法是，它提供了一种通过增加工艺复杂性（要求多次重复现有工艺）而不是增加工具或技术复杂性（例如通过修改光学器件、改变波长等）来继续缩小尺寸的方法。这种描述显然过于简单，因为专门设计的工具将改进工艺，但它表明该方法理论上可以应用于现有设备。将多重图案化作为一种工业生产工艺应用在许多方面改变了推动半导体行业大部分生命周期的缩小尺寸范式。
虽然有许多不同的潜在方法可以实现双重和多重图案化，但这里只简要介绍其中几种。一种方法称为光刻-蚀刻-光刻-蚀刻 (LELE)，它涉及两次光刻曝光和蚀刻步骤以创建单层。该方法首先涉及在晶圆上沉积由一个或多个硬掩模组成的薄膜堆栈。一次曝光在接近工具分辨率极限的条件下进行，并将该图案蚀刻到底层薄膜堆栈中。然后进行与第一个图案偏移的第二次曝光图案，并将其转移到 UL 中。两次不同曝光的组合图案的间距是每个单独图案的两倍。该过程如图 3 所示。该过程的优势在于，理论上它可以应用于任何一般图案，但它对重叠误差高度敏感，重叠误差是每个掩模与底层图案的对准之间的误差。
另一种常用的双重图案化方法称为自对准双重图案化。它涉及在单个抗蚀剂图案上沉积一层薄膜的保形涂层。然后可以通过选择性蚀刻在原始抗蚀剂侧壁以外的任何地方去除薄膜。然后去除抗蚀剂，剩余的侧壁图案将具有比原始抗蚀剂更小的间距和分辨率。将剩余的侧壁图案转移到基板中即可完成该过程。该方法如图 4 所示。该工艺比 LELE 略微简单，对叠层误差的要求也较低，但通常仅限于一组更严格的图案，例如交替线。该工艺还可以在第一个侧壁图案上重复第二次，以有效地将原始光刻胶间距增加四倍，这一工艺称为自对准四重图案化。
使用有机材料（例如嵌段共聚物 (BCP)）的定向自组装 (DSA) 的多重图案化技术已引起广泛关注。BCP 是由两个或多个共价连接在一起的离散均聚物嵌段组成的聚合物；BCP 的一些示例包括聚苯乙烯嵌段聚甲基丙烯酸甲酯 (PS-b-PMMA) 或聚苯乙烯嵌段聚二甲基硅氧烷 (PS-b-PDMS)。BCP 之所以受到关注，是因为它们可以相分离到与所需光刻图案相称的长度尺度。DSA 是一种在空间上提示或控制自组装以产生光刻有用的相分离结构的方法，这些结构的间距小于单次曝光步骤所能达到的间距。
已经研究了几种控制 BCP 的 DSA 的方法，例如图形外延、化学外延或各种组合方法。图 5 显示了化学外延工艺。使用常规光刻技术对 UL 进行图案化，以产生对 BCP 每个块具有不同化学亲和力的区域。可以通过等离子处理对 UL 进行化学改性或通过选择性去除第一个 UL 中的区域并沉积另一种材料（例如刷状聚合物）来产生不同的区域。最后，将 BCP 涂覆到图案化的 UL 上并进行退火。由于每个块对 UL 的每个区域具有不同的亲和力，因此将特定块对齐以创建定向自组装图案。在评估 DSA 作为间距倍增和改进缺陷率的潜在方法方面已经取得了很大进展，但它尚未在工业上应用于商业半导体生产。
