如今，集成电路的功能不断增强，速度不断加快，单块半导体硅晶片上集成的元器件数目越来越多，且仍然在追求小尺寸、高生产率、高集成度。在集成电路产业的发展过程中，光刻技术为推动产业发展起到了重要作用，它将设计的掩膜图形无偏差地转移到基片上，是半导体制造技术中最复杂、先进的技术之一。
随着器件特征尺寸越来越小，传统的光刻技术在降低分辨率时遇到了巨大挑战，因为光刻分辨率几乎已经达到了物理极限。虽然此后出现了浸没式光刻技术和极紫外光刻技术，但其昂贵的价格让人望而却步，因此，如何降低掩模成本，发展不需要昂贵掩模的无掩模光刻技术成为光刻技术领域的研究热点。
起步较晚 存在短板
本文的专利申请数据来自世界专利文摘数据库、德温特专利数据库和中国专利文摘数据库，检索日期截至2015年1月1日。笔者采用与无掩模光刻技术相关的专利分类号与关键词进行检索，共检索到4892件专利申请。
从图1可以看出，无掩模光刻技术兴起于上世纪90年代中期；上世纪90年代中后期至2005年，无掩模光刻技术的专利申请量开始快速上升；2005年后，该领域的专利申请量趋于平稳。
笔者对该领域的专利申请人进行统计分析发现，无掩模光刻技术的专利申请主要集中在欧洲、美国、日本和韩国等国家和地区的企业。其中，ASML荷兰有限公司的专利申请量最高，紧随其后的是日本的富士胶片公司、美国的微激光系统公司、韩国的三星公司，这些公司都是光刻技术领域的龙头企业，在该领域拥有较强的技术研发实力。该领域排名前十位的专利申请人中，并没有中国大陆的企业，这说明我国企业与国外企业还存在一定差距。
无掩模光刻技术是半导体行业产业链的上游环节，美国、欧洲、日本等发达国家掌握着该领域的先进技术，市场几乎被这些国家垄断。在无掩模光刻技术领域，美国的专利申请量占据高达39%的份额，日本紧随其后，份额达到30%，欧洲的份额达到22%，而中国的国内申请量仅占4%。
国内无掩模光刻技术的专利申请主要集中在研究所及半导体公司，例如中国科学院微电子研究所、中国科学院光电技术研究所以及合肥芯硕半导体有限公司，但这些申请人的专利申请量都不多。这可能是由于国内半导体行业与国外存在较大差距，传统光刻技术尚未达到光刻分辨率的极限，因此，国内市场对无掩模光刻技术的需求不大，且国内在无掩模光刻技术的研究大多停留在起步阶段，还未研发出相关产品，也未进行专利布局。
加大研发 缩小差距
无掩模光刻技术主要包括基于光学和基于带电粒子两种刻蚀类型，基于光学的无掩模光刻专利技术发展较快，分为基于空间光调制器（SLM）、基于干涉光刻和基于波带片阵列的光刻技术。
SLM作为无掩模光学光刻系统的图形发生器，可便捷、灵活、并行、低成本和高速地产生曝光图形，在小批量高精度掩模制作和位光学器件生产中发挥了重要作用。目前在SLM无掩模光学光刻技术中使用的空间光调制器主要是基于微机电系统技术发展的反射式微镜系列，包括倾斜型微镜和活塞型微镜。
上世纪90年代末期，瑞典的一家公司推出SLM和相关技术后，ASML荷兰有限公司开始和这家公司联合生产无掩模光刻机，并相继在美国、欧洲、日本、中国等提交了专利申请。
干涉光刻无需采用掩模，不用昂贵的短波长光源和成像透镜，可用一般光刻光源和抗蚀剂。该光刻技术将光诱导结构写入衬底的光敏材料中，通过采用两束光束形成干涉图案，将衬底暴露于干涉图案下，以使光诱导材料发生变化，并且通过控制其中的至少一束光的波前信息从而创造出干涉图案的不规则性，由此在光诱导结构中产生功能性缺陷。该干涉光刻技术将光诱导结构写入，并且在写入过程中能够实现分辨率小于光束干涉区域的尺寸。
波带片阵列光刻技术的系统由4个关键环节组成，即光源、空间光调制器、扫描工件台和波带片阵列。平行相干光束通过空间光调制器的控制射到波带片阵列上，利用波带片的衍射聚焦性质，以点阵焦斑的形式汇聚到表面涂有光刻胶的基片上，与此同时，精密工件台进行扫描运动，最终在光刻胶上形成所需的任意图形结构，点阵的变化受上方的空间光调制器的控制。
基于带电粒子的无掩模光刻包括电子束光刻、离子束光刻、原子光刻等，它们的出现使得基于光学光刻的分辨率得到进一步提高。目前光学光刻能直接写出的最小线条在45纳米左右。由于电子束的辐射波长可以通过增加其能量大大缩短，这就使得电子束光刻能够具有极高的分辨率。虽然电子束光刻技术可以将复杂的电路图直接写到硅片上而无需掩模版，但因电子束必须把电路图形扫描到硅片上，其曝光速度慢，曝光耗时过长，无法用于大规模生产，且电子束的稳定性和可靠性、电子束消隐装置的排布、电子束的污染问题，以及电子束散射而引起的邻近效应，导致曝光在芯片上的图形尺寸与掩模版上的图形尺寸没有简单的对应关系等，这些问题都必须进行修正，才能使电子束光刻得到进一步发展。
无掩模光刻技术的进一步发展，将为突破传统的光刻分辨率极限带来新的机遇。以基于数字微透镜装置作为空间光调制器的光学无掩模光刻技术、干涉光束光刻技术和电子束光刻技术为代表的无掩模光刻技术是一项具有很大潜力的技术，可用于设计认证，并在一些特殊用途且小批量的生产中发挥重要作用，而波带片阵列光刻技术具有高分辨率、高生产效率、低成本的优点，能解决光学无掩模光刻所面临的难题，并在降低成本和曝光出高质量的图形方面发挥重要作用，有望商业化。在无掩模光刻技术领域，欧美和日本的投入较大，并在该领域占据优势，我国无论从专利申请量还是参与的企业数量来看，与上述国家均存在较大差距。这需要我国相关企业加大研发力度，尽快掌握相关核心技术，以在半导体技术的竞争中掌握主动权。（知识产权报 作者 张瑞）