激光直写光刻不使用掩模版，而是通过光场的调制在特定位置进行曝光。

由计算机控制高精度激光束扫描，在抗蚀剂上直接曝光写出所设计的图形，从而把设计图形直接转移到掩模上。

激光直写系统基本机构包括：激光光源系统、激光调制系统、缩小投影透镜系统、精密工件台控制系统、检测系统和计算机控制系统。

按激光工件台结构分为直角坐标方式、极坐标方式和混合方式。直角坐标方式的激光直写系统是最典型的激光直写系统，常用于大规模集成电路中专用芯片的小批量开发和生产，以及各种线性光学元件的制作，但是难以制作具有对称性的光学元件。极坐标方式的激光直写系统主要针对具有中心对称性的光学元件，不适合线性光学元件的制作。混合方式的激光直写系统兼顾两者的优点，但是系统复杂性大大增加。

按激光束数量分为单光束激光直写系统和多光束激光直写系统。单光束激光直写系统是指在曝光时，胶面上的光束只有一束，通过计算机控制激光束强度实施变剂量曝光。系统结构相对简单，比较容易控制，但是对电子控制和机械精度要求比较高，扫描速度慢。多光束激光直写系统利用激光干涉点作为激光直写点进行曝光。相比单光束激光，直写系统具有高精度、高效率的优点。

按曝光原理分为聚焦激光束扫描曝光技术、基于数字微镜器件的无掩模数字光刻技术、激光干涉光刻技术、双光束掩模图形干涉成像技术和激光纳米三维打印技术。基于数字微镜器件的无掩模数字光刻技术是一种基于空间调制器的光学无掩模光刻技术，其空间调制器为数字微镜器件。激光干涉光刻技术利用两个或多个相干光波形成干涉图形，同时将这些图形记录在光敏材料上，之后将图案中的高亮部分转移到抗蚀剂上，完成图形的转移。激光纳米三维打印技术采用超短激光脉冲在适当光敏材料中实现双光子聚合反应生成难溶的聚合物，显影后形成三维结构。

按曝光方式分为串行激光直写系统和并行激光直写系统。串行激光直写系统每次曝光写入的信息为一个像素点，设计图形通过逐点扫描进行曝光。并行激光直写系统每次曝光同时写入多个像素点，设计图形按区域分别曝光。并行激光直写系统因其巨大的效率和成本优势，逐渐成为激光直写技术的主要方向。

20世纪70年代，美国贝尔实验室首先研制出扫描型激光直写系统，其聚焦光斑直径达到8微米，制作出面积为50毫米×50毫米的集成电路掩模版。1983年，瑞士报道了用激光直写技术制作的精密透镜阵列。制作方法为在二维直角坐标下利用激光束在抗蚀剂上扫描曝光。1990年，美国麻省理工学院林肯实验室研制出极坐标激光直写设备，并且有较高的精度。1991年，瑞典和美国报道了采用声光偏转器的新型激光直写系统，其曝光速度为1厘米²/分，曝光精度达到了0.2微米。1995年，德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）微电子电路和系统研究所提出了基于空间光调制器的并行激光直写技术。2000年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所国家应用光学重点实验室研制出四轴激光直写设备。在直角坐标中制作了光栅，同时，在极坐标中制作了分划板，其精度达到了100纳米。2004年，德国物理高技术光学中心利用DWL66-UV型紫外激光直写设备制作了周期为320纳米、线宽为160纳米的浮雕光栅。2009年，美国研究组利用800纳米脉冲激光双光子聚合和中间态光失活抑制机制，得到了轴向最小特征尺寸40纳米的聚合物线，实现了λ/20的超衍加工。同年，美国利用473纳米和376纳米双光束，通过链自由基阻聚抑制过程，实现了最小特征尺寸110纳米的聚合物线。自20世纪90年代以来，激光直写技术进入快速发展的时期，出现如下几种趋势：①激光直写系统从单点串行曝光向并行曝光发展。②激光器波长减小，转向紫外、深紫外波段。③激光器从传统的连续激光器转向脉冲激光器。④加工能力从平面加工能力升级为三维面型加工以及任意空间拓扑结构的加工能力。

激光直写光刻的应用主要包括：①用于集成电路掩模以及二元光学掩模等掩模版；②制作二元光学元件；③利用激光直写进行布线，修复制备集成电路时存在的短路和缺损；④对大孔径、高非球面性的非球面二面镜进行非球面检测；⑤制作光子带隙调控器件；⑥应用于光储存领域，实现大容量超快光储存技术；⑦应用于生物技术，可以实现无掩模、非接触式、复杂生物仿生结构的真三维加工。