ลิโทกราฟีแบบไร้หน้ากาก ( MPL ) เป็น เทคโนโลยีคล้าย โฟโตลิโทกราฟีแบบไร้หน้ากากที่ใช้ในการฉายหรือเขียนรูปแบบภาพลงบนพื้นผิวที่เคลือบด้วยสารเคมีต้านทาน (เช่นเวเฟอร์ ) โดยใช้รังสี UV หรือลำแสงอิเล็กตรอน^{[ 1 ]}

ในไมโครลิโทกราฟีโดยทั่วไปแล้วรังสี UVจะฉายภาพของหน้ากากที่มีค่าคงที่เวลาลงบนอิมัลชันไวแสง (หรือโฟโตเรซิสต์ ) ^{[ 2 ]} ตามธรรมเนียมแล้ว เครื่องจัดตำแหน่งหน้ากาก เครื่องสเต็ปเปอร์ เครื่องสแกน และเทคนิคที่ไม่ใช่แสงประเภทอื่นๆ จะถูกใช้สำหรับการผลิตโครงสร้างขนาดเล็กด้วยความเร็วสูง แต่ในกรณีของ MPL สิ่งเหล่านี้บางส่วนก็ไม่จำเป็นอีกต่อไป

การพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากมีสองแนวทางในการฉายลวดลาย ได้แก่แบบแรสเตอร์และแบบเวกเตอร์ในแนวทางแรกนั้น จะใช้การสร้างภาพที่ไม่ต่อเนื่องและเปลี่ยนแปลงตามเวลาบนหน้ากากเสมือนที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ทางอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะถูกฉายด้วยวิธีการที่ทราบ (หรือที่เรียกว่าการสร้างภาพโดยตรงด้วยเลเซอร์และคำพ้องความหมายอื่นๆ) ในแนวทางเวกเตอร์นั้น การเขียนโดยตรงจะทำได้โดยการฉายรังสีที่โฟกัสเป็นลำแสงแคบๆ แล้วสแกนในรูปแบบเวกเตอร์ไปทั่วสารไวแสง จากนั้นลำแสงจะถูกใช้เพื่อเขียนภาพลงในสารไวแสงโดยตรง ทีละ พิกเซล หรือมากกว่า นั้น นอกจากนี้ยังมีการผสมผสานของทั้งสองแนวทาง และไม่จำกัดเฉพาะรังสีแสงเท่านั้น แต่ยังขยายไปถึงรังสี UV รวมถึงลำแสงอิเล็กตรอนและการกัดเซาะทางกลหรือความร้อนผ่านอุปกรณ์ MEMS ด้วย

ข้อดีของการพิมพ์หินแบบไม่ใช้หน้ากากได้แก่ "ความละเอียดและความยืดหยุ่น" อย่างไรก็ตาม อัตราการผลิตที่ต่ำและความยากลำบากในการบูรณาการทำให้การนำไปใช้ในปริมาณมากล่าช้า^{[ 3 ]}

ปัจจุบัน รูปแบบหลักของการพิมพ์หินแบบไม่ใช้หน้ากาก ได้แก่ ลำแสงอิเล็กตรอนและแสง นอกจากนี้ ระบบลำแสงไอออนแบบโฟกัส (FIB) ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในด้านการวิเคราะห์ความล้มเหลวและการซ่อมแซมข้อบกพร่อง และยังมีการสาธิตระบบที่ใช้หัววัดแบบกลไกและแบบใช้ความร้อนในการทำลายอีกด้วย

รูปแบบการพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบันคือการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนการใช้งานอย่างแพร่หลายนี้เกิดจากระบบลำแสงอิเล็กตรอนที่มีให้เลือกใช้มากมาย ซึ่งสามารถเข้าถึงพลังงานลำแสงอิเล็กตรอนได้หลากหลาย (~10 eV ถึง ~100 keV) ปัจจุบันeASIC กำลังใช้เทคนิคนี้ในการผลิตระดับเวเฟอร์ โดยใช้การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนแบบเขียนโดยตรงแบบดั้งเดิมเพื่อปรับแต่งชั้น vias เดียวสำหรับการผลิต ASIC ต้นทุนต่ำ

ระบบลิโทกราฟีแบบไร้หน้ากากส่วนใหญ่ที่กำลังพัฒนาอยู่ในปัจจุบันนั้นใช้พื้นฐานจากการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนหลายลำ^{[ 4 ]}เป้าหมายคือการใช้การสแกนแบบขนานของลำแสงเพื่อเร่งความเร็วในการสร้างลวดลายบนพื้นที่ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม ข้อพิจารณาพื้นฐานในที่นี้คืออิเล็กตรอนจากลำแสงที่อยู่ใกล้เคียงสามารถรบกวนซึ่งกันและกันได้มากน้อยเพียงใด (จากแรงผลักคูลอมบ์ ) เนื่องจากอิเล็กตรอนในลำแสงขนานเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน พวกมันจึงจะผลักกันอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่เลนส์อิเล็กตรอนจะทำงานเฉพาะกับวิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนบางส่วนเท่านั้น

การเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรงเป็นรูปแบบหนึ่งของการพิมพ์หินแบบไม่ใช้หน้ากากแสงที่ได้รับความนิยมอย่างมาก ซึ่งให้ความยืดหยุ่น ใช้งานง่าย และคุ้มค่าในกระบวนการวิจัยและพัฒนา (การผลิตจำนวนน้อย) เทคโนโลยีพื้นฐานใช้ไมโครอาร์เรย์การปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) ที่ทำจากแก้วเพื่อปิดกั้นเส้นทางของเลเซอร์ไม่ให้ไปถึงพื้นผิวที่มีโฟโตเรซิสต์ (ในลักษณะเดียวกับ อุปกรณ์ไมโครมิเรอร์แบบดิจิทัล ) ^{[ 5 ] [ 6 ]}อุปกรณ์นี้ให้การสร้างลวดลายอย่างรวดเร็วที่ความละเอียดระดับต่ำกว่าไมโครเมตร และให้ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุนเมื่อทำงานกับขนาดคุณลักษณะประมาณ 200 นาโนเมตรหรือมากกว่า การเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรงสำหรับการบรรจุภัณฑ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ อิเล็กทรอนิกส์ 3 มิติ และการรวมแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 1995 ที่ Microelectronics and Computer Technology Corporation (หรือ MCC) ในเมืองออสติน รัฐเท็กซัส^{[ 7 ]}ระบบ MCC ได้รับการบูรณาการอย่างสมบูรณ์ด้วยการควบคุมความแม่นยำสำหรับพื้นผิว 3 มิติและซอฟต์แวร์ปัญญาประดิษฐ์ที่มีการเรียนรู้ของเครื่องแบบเรียลไทม์ และรวมถึงความยาวคลื่นเลเซอร์สำหรับเรซิสต์ i-line มาตรฐานและ DUV 248 นาโนเมตร ระบบ MCC ยังรวมถึงความสามารถในการแก้ไขวงจรเพื่อแยกวงจรบนการออกแบบเวเฟอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้ ในปี พ.ศ. 2542 ระบบ MCC ได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในการผลิต MEMS ^{[ 8 ]}

การพิมพ์หินด้วยการแทรกสอดหรือการฉายภาพโฮโลแกรมไม่ใช่กระบวนการที่ไม่ต้องใช้หน้ากาก และดังนั้นจึงไม่นับว่าเป็น "กระบวนการที่ไม่ต้องใช้หน้ากาก" แม้ว่าจะไม่มีระบบสร้างภาพแบบ 1:1 อยู่ระหว่างกลางก็ตาม

ลิโทกราฟีการเขียนโดยตรงแบบพลาสโมนิกใช้ การกระตุ้น พลาสโมนพื้นผิวเฉพาะที่ผ่านโพรบสแกนเพื่อเปิดเผยโฟโตเรซิสต์โดยตรง^{[ 9 ]}

เพื่อเพิ่มความละเอียดของภาพ แสง อัลตราไวโอเลตซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้ จะถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ความละเอียดลงไปถึงประมาณ 100 นาโนเมตร ระบบการพิมพ์หินด้วยแสงแบบไร้หน้ากากหลักที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน คือระบบที่พัฒนาขึ้นเพื่อสร้างหน้ากากภาพถ่ายสำหรับอุตสาหกรรม เซมิคอนดักเตอร์และ LCD

ในปี 2013 กลุ่มวิจัยที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสวินเบิร์นได้เผยแพร่ผลงานการสร้างขนาดคุณลักษณะ 9 นาโนเมตรและระยะห่าง 52 นาโนเมตร โดยใช้การผสมผสานของลำแสงออปติคอลสองลำที่มีความยาวคลื่นต่างกัน^{[ 10 ]}

เทคโนโลยี DLPยังสามารถใช้สำหรับการพิมพ์หินแบบไม่ใช้หน้ากากได้อีกด้วย^{[ 11 ]}

ระบบ ลำแสงไอออนแบบโฟกัสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันสำหรับการกำจัดข้อบกพร่องหรือการเปิดเผยโครงสร้างที่ฝังอยู่ การใช้การพ่นไอออนต้องคำนึงถึงการตกตะกอนซ้ำของวัสดุที่ถูกพ่นออกมาด้วย

การเขียนด้วยลำแสงโปรตอน (หรือการเขียนด้วยลำแสง p) เป็น กระบวนการ ลิโทกราฟี แบบเขียนโดยตรง ที่ใช้ลำแสงโปรตอนพลังงานสูง ( MeV ) ที่ โฟกัสเพื่อสร้างลวดลายวัสดุต้านทานที่ระดับนาโนเมตร^{[ 12 ]}แม้ว่ากระบวนการนี้จะคล้ายคลึงกับการเขียนโดยตรงโดยใช้อิเล็กตรอน ในหลายๆ ด้าน แต่ก็มีข้อดีที่น่าสนใจและเป็นเอกลักษณ์บางประการ

IBM Researchได้พัฒนาเทคนิคการพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากทางเลือกโดยอาศัยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม [ ^{13 ]}นอกจากนี้Dip Pen Nanolithographyยังเป็นแนวทางใหม่ที่น่าสนใจสำหรับการสร้างลวดลายคุณลักษณะระดับไมโครเมตร ^ย่อย

เทคโนโลยีที่ช่วยให้การพิมพ์แบบไร้หน้ากาก (maskless lithography) สามารถนำไปใช้ในการผลิตหน้ากากภาพถ่าย (photomask) และในการผลิตระดับเวเฟอร์ในปริมาณจำกัดได้แล้ว อย่างไรก็ตาม ยังมีอุปสรรคบางประการก่อนที่จะนำไปใช้ในการผลิตในปริมาณมาก ประการแรก เทคนิคการพิมพ์แบบไร้หน้ากากมีความหลากหลายมาก แม้แต่ในกลุ่มเทคนิคการใช้ลำแสงอิเล็กตรอน ก็ยังมีผู้ผลิตหลายราย ( Multibeam , Mapper Lithography , Canon , Advantest , Nuflare , JEOL ) ที่มีสถาปัตยกรรมและพลังงานลำแสงแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ประการที่สอง ยังต้องบรรลุเป้าหมายอัตราการผลิตที่เกิน 10 เวเฟอร์ต่อชั่วโมง ประการที่สาม จำเป็นต้องพัฒนาและแสดงให้เห็นถึง ศักยภาพและความสามารถในการจัดการข้อมูลปริมาณมาก ( ระดับเทรา ไบต์)

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาDARPAและNISTได้ลดการสนับสนุนการพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากในสหรัฐอเมริกา^{[ 14 ]}

มีโครงการของยุโรปที่จะผลักดันการนำเทคโนโลยีการพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากมาใช้ในการผลิต IC ที่ระดับครึ่งพิตช์ 32 นาโนเมตรในปี 2552 ^{[ 15 ]}ชื่อโครงการคือ MAGIC หรือ "การพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากสำหรับการผลิต IC" ภายใต้กรอบโครงการ EC 7th Framework Programme (FP7) ^{[ 16 ]}

เนื่องจากต้นทุนของแม่พิมพ์สำหรับการสร้างลวดลายหลายชั้น เพิ่มสูงขึ้น การพิมพ์หินแบบไม่ใช้แม่พิมพ์จึงกลับมาเป็นที่สนใจของการวิจัยในสาขานี้อีกครั้ง

นับตั้งแต่ปี 2001 เป็นต้นมาDARPAได้ลงทุนในเทคโนโลยีการสร้างลวดลายแบบไร้หน้ากากหลากหลายประเภท รวมถึงอาร์เรย์ลำแสงอิเล็กตรอนแบบขนาน อาร์เรย์หัววัดแบบสแกนแบบขนาน และ เครื่องมือ ลิโทกราฟีลำแสงอิเล็กตรอน ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เพื่อให้สามารถผลิตในปริมาณน้อยได้ เทคโนโลยีนี้มีชื่อรหัสว่า Gratings of Regular Arrays and Trim Exposures (GRATE) (เดิมชื่อ Cost Effective Low Volume Nanofabrication) ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

ในปี 2018 บริษัท Mapper Lithography ซึ่งได้รับการสนับสนุนทางการเงินร่วมกันจากเนเธอร์แลนด์และรัสเซีย ( Rusnano ) ซึ่งผลิตชิ้นส่วน MEMS ด้วยเทคนิคการพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากด้วยลำแสงอิเล็กตรอนหลายลำ ได้ล้มละลายและถูกซื้อกิจการโดย ASML Holdingซึ่งเป็นคู่แข่งรายใหญ่ในขณะนั้น^{[ 20 ]}โรงงานผลิตอุปกรณ์ตั้งอยู่ใกล้กรุงมอสโก ประเทศรัสเซีย ณ ต้นปี 2019 โรงงานนี้ดำเนินการโดย Mapper LLC ^{[ 21 ]} Mapper Lithography ก่อตั้งขึ้นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟท์ในปี 2000

• วีแลนด์, เอ็มเจ; เดอ บัวร์ ก.; เทน เบิร์ก GF; เยเกอร์ ร.; ฟาน เดอ พีท ต.; ไพจ์สเตอร์, เจเจเอ็ม; สล็อต, อี.; สตีนบริงค์, SWHK; ทีเพน, TF; แวน วีน, AHV; คัมเฟอร์บีก บีเจ (2009) "MAPPER: การพิมพ์หินแบบไร้หน้ากากปริมาณงานสูง" ในเชลเลนเบิร์ก แฟรงก์ เอ็ม; ลา ฟงแตน, บรูโน เอ็ม. (บรรณาธิการ). เทคโนโลยีการพิมพ์หินทางเลือก ฉบับที่ 7271.หน้า 72710O. ดอย : 10.1117/12.814025 . S2CID  173181588 .
• การประชุมวิชาการด้านการพิมพ์หินและหน้ากากแห่งยุโรป ครั้งที่ 35 (EMLC 2019)