在傳統(tǒng)光刻工藝中，將電路或微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面須先制作高精度石英掩模版，這不僅增加成本與周期，且每次設(shè)計(jì)變更都需重新制版，對(duì)科研試制、小批量多品種生產(chǎn)形成較大制約。無掩膜曝光機(jī)又稱數(shù)字直寫光刻機(jī)或激光直寫系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字圖形直接控制光學(xué)調(diào)制器件或掃描光束，在涂覆光刻膠的基片表面完成圖案化曝光，省去物理掩模版制作環(huán)節(jié)，是微電子、微光學(xué)及MEMS研發(fā)階段高效靈活的光刻平臺(tái)。

　　無掩膜曝光機(jī)主流實(shí)現(xiàn)方式分為兩類。一類是基于空間光調(diào)制器（SLM）的投影式無掩膜光刻，常見為采用數(shù)字微鏡器件（DMD）芯片——DMD表面集成了百萬量級(jí)可獨(dú)立偏轉(zhuǎn)的微鏡像素，計(jì)算機(jī)將CAD設(shè)計(jì)的版圖轉(zhuǎn)化為每個(gè)微鏡的開/關(guān)狀態(tài)，紫外或深紫外LED光源（典型波長365nm、405nm）經(jīng)勻光照明后照射DMD，反射光通過投影物鏡將動(dòng)態(tài)"數(shù)字掩模"縮小成像至樣品表面一次性完成面曝光；若采用液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）還可實(shí)現(xiàn)灰度調(diào)制與相位調(diào)制，支持復(fù)雜二維及三維浮雕結(jié)構(gòu)制作。另一類是激光點(diǎn)掃描直寫，由計(jì)算機(jī)控制精密振鏡或XY位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)聚焦紫外激光束沿預(yù)設(shè)軌跡逐點(diǎn)/逐線掃描光刻膠表面，激光強(qiáng)度可通過聲光調(diào)制器（AOM）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以控制曝光劑量，適合任意非周期性復(fù)雜圖形的高精度直寫。部分系統(tǒng)結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，采用多光束并行直寫或步進(jìn)階進(jìn)投影方式兼顧分辨率與通量。
 

　　典型設(shè)備由UV/Deep-UV光源模塊、空間光調(diào)制或掃描光學(xué)頭、高精度氣浮或滾珠絲杠XY平移臺(tái)、自動(dòng)對(duì)焦與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、環(huán)境隔振罩及控制軟件組成。軟件支持GDSII、DXF等常見版圖格式直接導(dǎo)入，可設(shè)置多次套刻對(duì)準(zhǔn)（通過識(shí)別基片上前層對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)層間疊加曝光），自動(dòng)進(jìn)行畸變校正與尺寸補(bǔ)償。分辨率取決于投影物鏡數(shù)值孔徑（NA）與曝光波長，一般紫外DMD系統(tǒng)可達(dá)亞微米至數(shù)微米線寬，滿足大多數(shù)科研院所及中低精度器件的圖形化需求。

　　在應(yīng)用方面，無掩膜曝光機(jī)是微電子與集成電路預(yù)研的重要工具——可用于芯片原型驗(yàn)證、測試結(jié)構(gòu)制備及學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)，支持頻繁修改線路版圖而無須反復(fù)投入掩模費(fèi)用；在微光學(xué)領(lǐng)域，可直寫衍射光柵、波導(dǎo)耦合光柵、微透鏡陣列及二元光學(xué)元件，灰度曝光功能還能直接制作連續(xù)相位元件；在MEMS與微傳感器開發(fā)中用于制作梁、膜、電極及懸臂結(jié)構(gòu)；生物芯片與微流控領(lǐng)域利用其加工微通道網(wǎng)絡(luò)、捕獲阱陣列及親/疏水圖案化區(qū)域；此外在柔性電子印刷電極、全息圖制作、超表面初樣驗(yàn)證及納米壓印模板制備等前沿方向也有廣泛用途。對(duì)于追求快速迭代、小批量定制及降低前期開發(fā)成本的微納加工實(shí)驗(yàn)室而言，無掩膜曝光機(jī)以其數(shù)字化、免掩模與高設(shè)計(jì)自由度的特性，架起了從電子設(shè)計(jì)文件到實(shí)體微結(jié)構(gòu)的直接橋梁。