手持式光刻機(jī)是一種小型化、便攜式的圖形曝光設(shè)備，主要用于科研實(shí)驗(yàn)室、快速原型加工、柔性電子、電路維修與教學(xué)演示。與大型半導(dǎo)體光刻機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，不依賴昂貴的投影光學(xué)系統(tǒng)、晶圓對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)或真空環(huán)境，而是通過(guò)便攜式光源、簡(jiǎn)易投影模塊、手動(dòng)或半自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方式，把微米級(jí)甚至亞微米級(jí)圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面。

在整體結(jié)構(gòu)上，手持式光刻機(jī)通常由光源模塊、掩模固定結(jié)構(gòu)、投影或接觸光學(xué)系統(tǒng)、手持機(jī)械殼體和操作按鈕構(gòu)成。光源多采用紫外 LED，因?yàn)?LED 穩(wěn)定、體積小、功耗低，而且波長(zhǎng)容易選擇，如 365 nm、385 nm、405 nm 等，都可以與常規(guī)正膠或負(fù)膠配套使用。光源經(jīng)準(zhǔn)直透鏡處理后形成平行光，用以均勻照射光刻掩?；?DMD 數(shù)字掩模。部分高端便攜設(shè)備還采用微型 DLP 投影模塊，通過(guò)數(shù)字圖像來(lái)代替實(shí)體掩模，從而實(shí)現(xiàn)“無(wú)版光刻”，更適合快速實(shí)驗(yàn)。

最常見(jiàn)的曝光方式有兩類：接觸式曝光與投影式曝光。接觸式曝光結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，即把石英掩模直接貼在涂有光刻膠的基片上，然后用紫外光源從上方照射。光刻圖形以 1:1 方式直接轉(zhuǎn)印，沒(méi)有光學(xué)放大或縮小，因此手持設(shè)備也能達(dá)到單一微米甚至靠近亞微米的分辨率。接觸式的缺點(diǎn)是掩模容易被劃傷或污染，但優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、曝光效率高、光學(xué)不需要復(fù)雜調(diào)整。因此很多手持光刻機(jī)采用這種方式，非常適合簡(jiǎn)單電路、微流道芯片、柔性電極圖形等。

另一種方式是投影式曝光，通過(guò)微型投影模塊將圖形投射到光刻膠表面。這類設(shè)備內(nèi)部包含 DLP 芯片、LED 光源、投影透鏡組，能夠生成電腦加載的任意圖案。用戶不需要制作實(shí)體掩模，通過(guò)軟件即可修改線寬、形狀與布局，非常適合教學(xué)、科研與快速設(shè)計(jì)迭代。投影式手持光刻機(jī)的精度一般在幾微米至幾十微米之間，取決于投影分辨率與光學(xué)距離。雖然分辨率不如接觸式，但靈活性要高得多。

曝光過(guò)程中，光刻膠吸收紫外能量發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。正膠在曝光區(qū)域發(fā)生鏈斷裂，使顯影時(shí)被溶解；負(fù)膠在曝光區(qū)域交聯(lián)，顯影后留下圖形。手持光刻機(jī)在這一過(guò)程中影響較大的因素包括光強(qiáng)、曝光均勻性、散射控制以及光刻膠厚度。為了提高成像質(zhì)量，許多設(shè)備在光源前加入準(zhǔn)直器和均光片，讓光照更穩(wěn)定；一些手持機(jī)還增加微型對(duì)焦與高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，讓投影距離保持在最佳位置。

手持式光刻機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)準(zhǔn)依然是關(guān)鍵步驟。沒(méi)有大型光刻機(jī)那樣的六自由度對(duì)準(zhǔn)臺(tái)，因此手持設(shè)備一般采用光學(xué)瞄準(zhǔn)窗、激光對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)、機(jī)械定位夾具或輔助顯微鏡來(lái)觀察圖形位置。對(duì)于不需要高精度疊層的應(yīng)用，如單層微流道或電路引線，這種手動(dòng)定位已足夠。而如果用戶需要疊層曝光，很多手持光刻機(jī)會(huì)配合顯微鏡使用，通過(guò)在顯微鏡下看準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)后再進(jìn)行曝光，以提高套刻精度。

由于手持式光刻機(jī)不需要真空、氣浮臺(tái)、曝光照度控制系統(tǒng)、先進(jìn)投影鏡頭等昂貴結(jié)構(gòu)，因此成本極低，只需傳統(tǒng)大型光刻機(jī)幾百分之一的價(jià)格即可完成基本光刻實(shí)驗(yàn)。它在柔性電子、微流控、傳感器制作、教育演示、實(shí)驗(yàn)室快速驗(yàn)證中有廣泛應(yīng)用。例如制作 PDMS 微流道模具、塑料基板電極圖案、小尺寸天線、電路維修補(bǔ)圖、小型 MEMS 原型等。在科研院校中，手持光刻機(jī)特別適合教學(xué)，因?yàn)閷W(xué)生可以直接看到曝光、顯影、圖案成形的全過(guò)程，與大型光刻機(jī)復(fù)雜的流程相比更直觀。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，手持式光刻機(jī)的核心原理是：使用小型紫外光源配合接觸式掩?；蛭⑿屯队澳K，實(shí)現(xiàn)對(duì)光刻膠的曝光成像，再通過(guò)顯影形成微結(jié)構(gòu)圖案。它以簡(jiǎn)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)和緊湊的光學(xué)設(shè)計(jì)替代大型光刻機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，使光刻技術(shù)變得輕巧、低成本和易上手。