众所周知 ，ASML的光刻机独步天下，无论是精度和分辨率 ，还是产出率和稳定性，都是其他厂商望尘莫及的。但是回望光刻机超过半个世纪的历史 ，无论是接触式光刻机还是步进扫描式光刻机 ，无一不需要用到光罩。
许多人将光刻机比喻为照相机 ，光罩就是胶片 ，而晶圆则是被冲印出来的照片。确实，光刻机和照相机确实有相似的地方 ，例如曾经全球知名的柯达胶卷也是著名的光刻胶供应商，上世纪九十年代风靡全国的乐凯胶卷如今也涉足光刻胶的业务 。说到这里问题就来了 ，那光刻机能不能像照相机一样 ，变成数码相机 ，扔掉胶卷呢？答案是YES ！虽然路漫漫其修远 ，但是长期以来业界确实一直在研究无光罩光刻(maskless) 。
传统的光刻通过不同波长的光将光罩上的图形投影至晶圆之上，所以也被称为光学投影光刻 。而由于无需光罩 ，所以无光罩(无掩模)光刻又被称为直写光刻(DW, direct write) ，无光罩或直写光刻机则被成为writer。
光罩诚可“贵”
尽管从接近/接触式光刻机开始 ，光罩就伴随着投影光刻机发展的历史一路走来 ，形影不离 ，而一个“贵”字便概括了千言万语需要maskless的理由 。在今天，哪怕是接近/接触式光刻所使用的国产光罩价格也会达到上千人民币 ，随着工艺技术节点的深入 ，光罩的价格会进一步上涨，并且计价单位也会随之变为美元。当技术节点到达一定范围后，便会需要导入EUV光罩 ，同时所需要的光罩层数也会大幅上升 ，从下图可以看到 ，从28nm到14nm所需的光罩数量增加了近1/4 ，进入10nm后甚至达到了倍增，这个时候钱袋子所承受的压力自然也是呈比例增长的 。
Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative
正因为光罩昂贵的价格劝退了财力和预算捉襟见肘的高校和研究所，因此当这些机构在进行研发和小批量试产的时候，maskless就体现出它特有的价值！
如同前文所述 ，再先进的光学投影光刻机都需要一片零缺陷的光罩 ，而光罩上的图形则很难通过传统光学投影光刻工艺制作上去 ，否则便进入了无限的鸡生蛋蛋生鸡的循环 。早期的光罩尚能学习上图中的样子进行手工制版，靠“人肉光刻机”刻画图形 ，而大规模集成电路时代的到来，就要求我们必须借助先进的工具来解放双手了 。所以无光罩最主要的应用场景反而是在光罩制作上 。
“光”与“电”之间见方寸
Writer通常有光学和非光学两种原理 ，无论哪一种都是通过直接读取芯片的电路版图设计(layout)后通过writer直接转印到晶圆上。
光学原理通常是使用激光通过DMD镜面列阵来控制激光输出的图形，从而使晶圆上被曝光的图形符合layout的原始设计，称为laser writer 。从目前公开的信息可知 ，大多数laser writer的光源为波长在300～400nm之间的紫外光 ，分辨率可达到为500nm至数微米之间 ，高分辨率条件下也会牺牲相当的产能 。
Source: Heidelberg Instrument海德堡仪器官网
EVG的Lithoscale ，海德堡仪器的MLA系列等，是国内外主流的用作晶圆曝光的laser writer 。应用材料Applied Materials的ALTA系列和迈康尼Mycronics的SLX系列是光罩厂中用作光罩制作的laser writer 。
如今 ，摩尔定律已经走到10nm以下 ，光学maskless的分辨率似乎已经不够看了。那么这个时候非光学就该登场了 ，首当其冲便是电子束光刻机 ，也被称为ebeam writer 。无论是Raith还是JEOL都可以实现10nm以下的直写分辨率 。ebeam writer的发展经历了高斯束，可变束(VSB)和多电子束(MEB)的发展 ，依托先进的电磁手段来精确控制电子束的束斑大小和扫描路径 ，在提升设备分辨率的同时，也改善了设备的产出性能 。
现如今 ，Raith的ebeam writer在许多研发机构和企业有着良好的用户基础 ，被应用于晶圆曝光中 ，湖南大学还在IWAPS发表过基于Raith生产的ebeam writer的算法修正工具。NuFlare和IMS Microfabrication的ebeam writer则深耕光罩厂 ，除了可变束外 ，还开发了可应用于量产的最尖端的多电子束ebeam writer 。
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