無掩膜直寫光刻的核心在于“直寫”和“無掩膜”：

‌直寫：‌聚焦的激光束、電子束或其他類型的能量束（如離子束）直接在光刻膠表面移動掃描，按照設(shè)計好的圖形圖案曝光光刻膠。

‌無掩模：‌圖形的圖案信息以數(shù)字文件的形式存儲在計算機中，并通過精確的空間光調(diào)制器或光束偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)實時控制光束的開關(guān)和位置，代替了傳統(tǒng)的光學(xué)掩模版來定義圖形。

目前主流的有兩種技術(shù)路線：

‌激光直寫：‌

‌核心部件：空間光調(diào)制器。

‌工作原理：使用高功率激光器（通常是紫外或深紫外波長）作為光源。光束照射到空間光調(diào)制器上。SLM由數(shù)百萬個微小的、可獨立尋址的反射鏡或液晶單元組成。計算機根據(jù)設(shè)計圖形控制每個單元的開關(guān)狀態(tài)（開/關(guān)或調(diào)節(jié)相位/振幅），從而將數(shù)字圖形信息“加載”到入射光束上。調(diào)制后的光束再通過投影光學(xué)系統(tǒng)縮小并聚焦到光刻膠表面。工件臺精確移動基板（或光束掃描），最終將整個設(shè)計圖形逐場或逐行“寫入”到基板上。

‌優(yōu)點：速度快（相對于電子束），系統(tǒng)相對成熟，成本適中。

‌缺點：分辨率受限于光學(xué)衍射極限和SLM單元的尺寸。

‌電子束直寫：‌

‌核心部件：電子束光刻柱（電子槍、電磁透鏡、束閘、精密偏轉(zhuǎn)線圈）。

‌工作原理：利用熱場發(fā)射或冷場發(fā)射產(chǎn)生的細(xì)聚焦高能電子束。計算機控制電磁偏轉(zhuǎn)線圈，使電子束在基板表面精確掃描。束閘控制電子束的開關(guān)。電子束按照設(shè)計圖形逐點轟擊光刻膠，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)（對于正膠是分解，負(fù)膠是交聯(lián)）。工件臺移動基板完成大面積曝光。

‌優(yōu)點：分辨率高‌（可達(dá)納米甚至亞納米級別），是研發(fā)和高分辨率原型制造的技術(shù)。

‌缺點：速度慢（串行掃描），鄰近效應(yīng)影響圖形精度，設(shè)備昂貴且復(fù)雜，運行和維護(hù)成本高。