光刻機(jī)是微電子制造和微納加工的核心設(shè)備，用于把掩膜上的電路或微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的基片上。與半導(dǎo)體廠里昂貴龐大的自動(dòng)光刻機(jī)相比，手動(dòng)光刻機(jī)主要用于科研實(shí)驗(yàn)、工藝驗(yàn)證和小批量生產(chǎn)。它的設(shè)計(jì)思路是簡(jiǎn)化自動(dòng)化功能，把最基本的曝光和對(duì)準(zhǔn)過(guò)程交給操作者手工完成，從而降低成本并增加靈活性。

手動(dòng)光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，核心部分包括光源系統(tǒng)、掩膜固定架、對(duì)準(zhǔn)顯微鏡、樣品承載臺(tái)和曝光機(jī)構(gòu)。光源通常是高壓汞燈或紫外 LED，輸出 365 納米或 405 納米波段的紫外光，通過(guò)光學(xué)器件均勻照射在掩膜上。掩膜是刻有電路或微結(jié)構(gòu)圖案的玻璃或石英版，通常通過(guò)真空吸附固定在掩膜架上。操作者需要借助顯微鏡觀察掩膜和基片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，然后通過(guò)機(jī)械旋鈕進(jìn)行 X 方向、Y 方向和平面旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)，直到兩者重合為止。樣品承載臺(tái)同樣具備真空吸附功能，防止曝光過(guò)程中移動(dòng)，同時(shí)可以在 Z 方向上微調(diào)高度，控制基片與掩膜之間的間隙。

在工作原理上，手動(dòng)光刻機(jī)與自動(dòng)光刻機(jī)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。光刻膠在紫外光照射下發(fā)生化學(xué)變化，經(jīng)過(guò)顯影后形成圖案。不同之處在于，自動(dòng)光刻機(jī)用計(jì)算機(jī)和精密傳感器完成對(duì)準(zhǔn)與曝光，而手動(dòng)光刻機(jī)則依靠人眼和手工操作。這種方式雖然分辨率有限，但對(duì)于大多數(shù)微米級(jí)的科研實(shí)驗(yàn)已經(jīng)足夠。

操作手動(dòng)光刻機(jī)通常需要幾個(gè)主要步驟。首先是基片準(zhǔn)備，研究人員將硅片、玻璃片或陶瓷片清洗干凈，旋涂一層均勻的光刻膠，并在熱板上烘烤以去除溶劑。接下來(lái)，將掩膜裝入掩膜架并固定。然后在顯微鏡下觀察基片和掩膜的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，逐步調(diào)整位置，使其重合。對(duì)準(zhǔn)完成后，把基片臺(tái)緩緩升到掩膜下方，根據(jù)需要選擇接觸式或近接式曝光方式。接觸式的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，但可能導(dǎo)致掩膜與光刻膠粘連；近接式則避免損傷，但分辨率略低。確認(rèn)位置后，操作者打開(kāi)快門(mén)，讓光照射掩膜并投影到基片上。曝光時(shí)間根據(jù)光強(qiáng)和光刻膠類型設(shè)定，通常為幾秒至幾十秒。最后一步是取出樣品，在顯影液中顯影，并進(jìn)行后烘烤，得到所需的微結(jié)構(gòu)。

手動(dòng)光刻機(jī)在科研和教育中有著廣泛用途。它能夠讓學(xué)生直觀理解光刻工藝，熟悉掩膜、曝光和顯影等基本環(huán)節(jié)。在科研實(shí)驗(yàn)中，它常用于制作電極、微流控芯片、微傳感器等微米級(jí)器件。對(duì)于一些探索性的新工藝和新材料，手動(dòng)光刻機(jī)可以快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，而不需要投入巨額成本購(gòu)買(mǎi)自動(dòng)化光刻機(jī)。在 MEMS 領(lǐng)域，很多基礎(chǔ)器件的研發(fā)也是依賴手動(dòng)光刻機(jī)完成的。

手動(dòng)光刻機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是成本低和操作靈活。一臺(tái)設(shè)備價(jià)格在幾十萬(wàn)元人民幣，而一臺(tái)最先進(jìn)的自動(dòng)化光刻機(jī)動(dòng)輒上億。對(duì)于科研團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，手動(dòng)設(shè)備即可滿足大多數(shù)需求。同時(shí)，操作者可以靈活更換掩膜和樣品，不同實(shí)驗(yàn)條件下的參數(shù)也容易調(diào)整。此外，手動(dòng)光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，光源和真空系統(tǒng)的更換成本不高。更重要的是，它能兼容多種不同類型的基片，從標(biāo)準(zhǔn)硅片到玻璃片、柔性基材，甚至陶瓷片，都可以加工。

但手動(dòng)光刻機(jī)也存在明顯不足。首先，它的分辨率受限，通常只能達(dá)到 1 到 5 微米，無(wú)法進(jìn)入納米級(jí)別的先進(jìn)制程。其次，對(duì)準(zhǔn)精度完全依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)和手眼協(xié)調(diào)能力，不同人之間可能存在差異，導(dǎo)致重復(fù)性較差。再次，操作效率較低，一次只能處理一片基片，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。最后，長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)容易受到操作者疲勞影響，增加誤差，穩(wěn)定性也不如自動(dòng)化設(shè)備。

總體而言，手動(dòng)光刻機(jī)是科研實(shí)驗(yàn)室必備的基礎(chǔ)設(shè)備，它在教學(xué)、工藝探索和原型設(shè)計(jì)中發(fā)揮著不可替代的作用。雖然在精度和效率上不及自動(dòng)光刻機(jī)，但憑借其低成本和靈活性，仍然在全球眾多實(shí)驗(yàn)室中被廣泛使用。隨著光源小型化、圖像識(shí)別和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的手動(dòng)光刻機(jī)有可能朝著半自動(dòng)化方向演進(jìn)，在保持低成本的同時(shí)，提高對(duì)準(zhǔn)精度和操作便利性。