二氧化碳光刻机是一类以 CO₂激光（波长10.6 μm）为光源 的特殊光刻设备，多用于研究型加工、微结构刻蚀预处理、掩膜制作或某些材料的表面改性，而不是传统半导体工业的主流曝光方式。它与通常的深紫外或极紫外光刻机不同，更多被视为一种“激光微加工平台”。

一、CO₂ 激光光源的特点

CO₂ 激光器是一种气体激光，通过二氧化碳、氮气、氦气等混合气体放电产生激光。其主要特点：

波长长（10.6 μm）

属于红外波段，光子能量较低，不足以直接打断硅、光刻胶等材料的共价键，所以不适合传统“光化学光刻”。

功率大、热效应显著

CO₂ 激光输出功率可以做到几十瓦甚至上千瓦，常用于切割、焊接、热加工。在光刻中，它更多通过热效应改变材料形态。

光束质量高、模式稳定

便于聚焦成足够小的光斑，用于微尺度加热、烧蚀或蒸发。

因此，CO₂光刻机的本质更类似于红外激光热刻写（laser direct writing），而非传统曝光显影的光刻。

二、光路与聚焦系统原理

CO₂光刻机内部包含几个关键的光学部件：

1. 激光器输出端

激光经谐振腔输出，进入光束整形模块。

2. 扩束与准直系统

因为 CO₂ 激光波长较长，光斑自然发散，需要通过扩束镜组使其变成平行光，提高聚焦精度。

3. 反射镜光路

红外波段不适合高透镜加工，因此 CO₂ 激光系统多采用金属反射镜转折光路，减少色散和损耗。

4. 聚焦镜

使用 ZnSe（硒化锌）材料的聚焦透镜，可将激光聚焦到几十微米甚至更小的光斑。焦点处能量密度极高，形成高温区，用于刻蚀或烧蚀材料。

5. 扫描机构

常见两类：

机械扫描（平台移动）：样品在二维工作台上移动，光斑固定。

光学扫描（振镜）：激光通过高速振镜实现光束偏转，速度快，适于图形刻写。

三、CO₂ 光刻机的“光刻过程”本质

1. 不是传统意义的光刻胶曝光

由于波长长，CO₂ 激光无法引发光刻胶的光化学反应，因此不会产生“曝光—显影”过程。

2. 使用热效应进行材料改性

CO₂ 光刻的原理通常包括：

热蒸发：聚焦点温度极高，使材料瞬间升温蒸发。

热烧蚀：使表面熔化、裂解或剥落。

局部退火/固化：某些聚合物在加热后固化，用于微结构形成。

掩膜制作或切割：利用激光直接加工掩膜版或薄膜材料。

它更接近 “红外微加工机” 的概念，但在微结构制程中仍被称为“光刻机”。

四、加工材料的反应机制

CO₂ 激光主要通过热作用改变材料：

1. 聚合物（光刻胶、树脂）

受热炭化或蒸发

可直接刻出沟槽、孔洞

操作简单，但边缘容易产生积碳

2. 玻璃、硅、陶瓷

在高功率条件下可蒸发或产生裂纹

需控制脉冲能量以防碎裂

3. 金属薄膜

易熔化、剥离

常用于快速制作电极图形或掩膜

4. 生物材料

在低功率模式下可进行局部加热或切割，用于组织工程或微流控芯片制作。

五、控制系统与加工精度

虽然 CO₂ 激光波长长，但通过精细控制仍可达到较高微加工精度：

激光功率闭环控制

随时间和温度漂移自动调节功率，保持刻蚀一致性。

高速XY工作台

常配有纳米级编码器，确保光斑轨迹精确。

实时焦点调节（自动对焦）

对厚样品或者不平整表面自动调整焦距，使加工深度一致。

路径规划软件

根据CAD图形生成扫描路径，类似“激光雕刻机”，但精度更高。

CO₂光刻机通常达不到深紫外光刻几纳米线宽的水平，但在10~100 μm级别的微结构中非常高效、成本低。

六、典型应用

微流控芯片快速加工

在PMMA、PDMS模具上刻蚀流道。

光掩膜快速制备

刻蚀金属膜、铬膜，用于学术实验。

玻璃或聚合物微结构雕刻、纹理化

用于微光学元件、微腔结构。

电子封装、柔性电路加工

刻蚀PI、PET、铜膜等。

科研光刻教学设备

成本低、操作简单，适合研究所或实验室。

总结

二氧化碳光刻机不是传统半导体产业使用的核心光刻设备，而是一种基于 CO₂ 激光热效应的微加工平台。其原理核心在于：

红外激光加热

材料烧蚀/蒸发

聚焦光斑扫描刻写

数控平台实现图形加工

它在微流控、掩膜制作、材料表面纹理加工等领域具有重要价值，是研究型光刻的重要工具之一。