無(wú)掩膜光刻是一類(lèi)不依賴(lài)物理掩模版實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的光刻技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)。在半導(dǎo)體行業(yè)邁入極紫外光刻時(shí)代的同時(shí)，無(wú)掩膜方案因其在靈活性、成本和快速響應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力。從廣義上講，激光直寫(xiě)、電子束光刻和基于空間光調(diào)制器的數(shù)字光刻都屬于無(wú)掩膜光刻的范疇。

一方面，通過(guò)掩模版進(jìn)行一次曝光即可完成整個(gè)晶圓上百萬(wàn)個(gè)芯片的圖形轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)效率；另一方面，掩模版的制造成本隨節(jié)點(diǎn)精進(jìn)而急劇攀升，一套先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的掩模版組費(fèi)用可達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元，而且任何設(shè)計(jì)修改都需要重新制版。這種經(jīng)濟(jì)性特征使掩模版光刻更適合大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，但對(duì)于品種多、批量小的應(yīng)用場(chǎng)景則顯得笨重且昂貴。

無(wú)掩膜光刻恰好彌補(bǔ)了這一不足。它采用“數(shù)字掩模”的概念，將圖形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為空間調(diào)制的輻照?qǐng)觥?shù)字微鏡器件是目前空間光調(diào)制器件之一，它由上百萬(wàn)個(gè)可獨(dú)立翻轉(zhuǎn)的微型反射鏡組成，每個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。通過(guò)控制微鏡的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以將深紫外或紫外光反射到投影光路中，在光刻膠上形成所需圖案。由于數(shù)字微鏡器件的刷新頻率可達(dá)數(shù)千赫茲，整個(gè)曝光過(guò)程可視為一幅幅二進(jìn)制圖像的快速疊加。

數(shù)字無(wú)掩膜光刻系統(tǒng)的分辨率受限于投影物鏡的數(shù)值孔徑和光源波長(zhǎng)，典型值在1微米到幾百納米之間。對(duì)于多數(shù)微機(jī)電系統(tǒng)、微流控芯片和印刷電路板制造而言，這一分辨率已經(jīng)足夠。其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)態(tài)圖形生成能力——在曝光過(guò)程中可以實(shí)時(shí)改變數(shù)字掩模圖案，實(shí)現(xiàn)同一晶圓上不同區(qū)域的差異化光刻，甚至可以對(duì)加工過(guò)程中檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償性曝光。

除了基于數(shù)字微鏡器件的方案，還有一種無(wú)掩膜光刻采用微透鏡陣列與光閥陣列結(jié)合的方式。每個(gè)微透鏡獨(dú)立對(duì)應(yīng)一個(gè)光閥，形成數(shù)千個(gè)并行寫(xiě)入通道。這種方案的吞吐量比單束掃描式激光直寫(xiě)更高，適合中等規(guī)模的量產(chǎn)需求。

無(wú)掩膜光刻在大面積光刻中也有其獨(dú)值。當(dāng)加工尺寸達(dá)到數(shù)英寸甚至數(shù)英尺時(shí)，物理掩模版的制造和操作變得極為困難，掩模版的重量、熱變形和對(duì)準(zhǔn)精度都是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而無(wú)掩膜系統(tǒng)通過(guò)拼接曝光的方式，可以在大面積上逐步寫(xiě)入圖形，拼接算法保證了不同曝光場(chǎng)之間的平滑過(guò)渡。

需要正視的是，無(wú)掩膜光刻在分辨率和產(chǎn)出效率的綜合指標(biāo)上仍難以超越先進(jìn)的掩模版光刻系統(tǒng)。在追求最小線寬的領(lǐng)域，極紫外光刻依然是量產(chǎn)層面。因此，無(wú)掩膜技術(shù)的定位更傾向于補(bǔ)充而非替代。它在快速原型、低至中等批量生產(chǎn)、以及異形或非平整襯底加工中具有不可替代的價(jià)值。

隨著高功率光源和高速調(diào)制器件的持續(xù)進(jìn)步，以及計(jì)算光刻算法的引入，無(wú)掩膜光刻的產(chǎn)出效率正在穩(wěn)步提升。可以預(yù)期，未來(lái)將有更多生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用“先設(shè)計(jì)、后寫(xiě)入”的數(shù)字工作流，從而進(jìn)一步縮短產(chǎn)品從概念到實(shí)物的轉(zhuǎn)化時(shí)間。