眾所周知，ASML的光刻機獨步天下，無論是精度和分辨率，還是產出率和穩定性，都是其他廠商望塵莫及的。但是回望光刻機超過半個世紀的歷史，無論是接觸式光刻機還是步進掃描式光刻機，無一不需要用到光罩。
許多人將光刻機比喻為照相機，光罩就是膠片，而晶圓則是被沖印出來的照片。確實，光刻機和照相機確實有相似的地方，例如曾經全球知名的柯達膠卷也是著名的光刻膠供應商，上世紀九十年代風靡全國的樂凱膠卷如今也涉足光刻膠的業務。說到這里問題就來了，那光刻機能不能像照相機一樣，變成數碼相機，扔掉膠卷呢？答案是YES！雖然路漫漫其修遠，但是長期以來業界確實一直在研究無光罩光刻(maskless)。
傳統的光刻通過不同波長的光將光罩上的圖形投影至晶圓之上，所以也被稱為光學投影光刻。而由于無需光罩，所以無光罩(無掩模)光刻又被稱為直寫光刻(DW, direct write)，無光罩或直寫光刻機則被成為writer。
光罩誠可“貴”
盡管從接近/接觸式光刻機開始，光罩就伴隨著投影光刻機發展的歷史一路走來，形影不離，而一個“貴”字便概括了千言萬語需要maskless的理由。在今天，哪怕是接近/接觸式光刻所使用的國產光罩價格也會達到上千人民幣，隨著工藝技術節點的深入，光罩的價格會進一步上漲，并且計價單位也會隨之變為美元。當技術節點到達一定范圍后，便會需要導入EUV光罩，同時所需要的光罩層數也會大幅上升，從下圖可以看到，從28nm到14nm所需的光罩數量增加了近1/4，進入10nm后甚至達到了倍增，這個時候錢袋子所承受的壓力自然也是呈比例增長的。
Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative
正因為光罩昂貴的價格勸退了財力和預算捉襟見肘的高校和研究所，因此當這些機構在進行研發和小批量試產的時候，maskless就體現出它特有的價值！
如同前文所述，再先進的光學投影光刻機都需要一片零缺陷的光罩，而光罩上的圖形則很難通過傳統光學投影光刻工藝制作上去，否則便進入了無限的雞生蛋蛋生雞的循環。早期的光罩尚能學習上圖中的樣子進行手工制版，靠“人肉光刻機”刻畫圖形，而大規模集成電路時代的到來，就要求我們必須借助先進的工具來解放雙手了。所以無光罩最主要的應用場景反而是在光罩制作上 。
“光”與“電”之間見方寸
Writer通常有光學和非光學兩種原理，無論哪一種都是通過直接讀取芯片的電路版圖設計(layout)后通過writer直接轉印到晶圓上。
光學原理通常是使用激光通過DMD鏡面列陣來控制激光輸出的圖形，從而使晶圓上被曝光的圖形符合layout的原始設計，稱為laser writer。從目前公開的信息可知，大多數laser writer的光源為波長在300～400nm之間的紫外光，分辨率可達到為500nm至數微米之間，高分辨率條件下也會犧牲相當的產能。
Source: Heidelberg Instrument海德堡儀器官網
EVG的Lithoscale，海德堡儀器的MLA系列等，是國內外主流的用作晶圓曝光的laser writer。應用材料Applied Materials的ALTA系列和邁康尼Mycronics的SLX系列是光罩廠中用作光罩制作的laser writer。
如今，摩爾定律已經走到10nm以下，光學maskless的分辨率似乎已經不夠看了。那么這個時候非光學就該登場了，首當其沖便是電子束光刻機，也被稱為ebeam writer。無論是Raith還是JEOL都可以實現10nm以下的直寫分辨率。ebeam writer的發展經歷了高斯束，可變束(VSB)和多電子束(MEB)的發展，依托先進的電磁手段來精確控制電子束的束斑大小和掃描路徑，在提升設備分辨率的同時，也改善了設備的產出性能。
現如今，Raith的ebeam writer在許多研發機構和企業有著良好的用戶基礎，被應用于晶圓曝光中，湖南大學還在IWAPS發表過基于Raith生產的ebeam writer的算法修正工具。NuFlare和IMS Microfabrication的ebeam writer則深耕光罩廠，除了可變束外，還開發了可應用于量產的最尖端的多電子束ebeam writer。
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