掩模上的遮光层(Cr或MoSi)与石英玻璃基板一起构成了掩模版的三维结构。前面对掩模的理论分析都是基于二维的，即所谓的Kirchhoff近似。考虑到掩模的三维结构后，结果必然不一样[1]。
在二维Kirchhoff近似下，衍射级的光强和相位不随线条的周期变化。考虑到掩模三维效应后，随线条周期的减小(即图形线宽更小更密集)，衍射效率降低、相位偏差增大。这里的模型是Cr双极掩模，不难预测，结果对相移掩模仍然适用。由于分辨率的需要，相移掩模上图形的尺寸更小、起伏(topography)更大，其衍射效率的降低和相位的偏差将比双极型掩模更加明显。这种衍射行为随图形尺寸的变化会导致光刻工艺窗口变窄。掩模版的三维结构还包括刻蚀产生的非垂直侧壁、密集线条与独立线条线宽的偏差，以及倾斜入射光线照射在掩模上的阴影效应等。这些三维效应可以综合近似为光学系统的球差(spherical aberration)。曝光系统的数值孔径(NA)越大，掩模上图形越小，这种球差就越明显。球差导致成像时的最佳聚焦值与图形的尺寸相关联。对于给定的图形(等间距线条)，在没有球差时，FEM曲线在最佳聚焦值附近表现出对称的行为；而引入球差后，FEM曲线表现出非对称行为。在32nm技术节点以下，光源-掩模协同优化(source Mask Optimization，SMO)被广泛采用。SMO模型中包含有掩模材料的参数，对这些材料参数做优化可以得到更好的图像分辨率。另外，光线透过保护膜(pellicle)后，其极性(polarization)会发生一定变化，这种变化对14nm技术节点以下光刻性能的影响不能被忽略[1]。
参考文献：
[1]韦亚一，超大规模集成电路先进光刻理论与应用，科学出版社，2016，242-243