光刻机是微电子制造和微纳加工的核心设备，用于把掩膜上的电路或微结构图形转移到涂有光刻胶的基片上。与半导体厂里昂贵庞大的自动光刻机相比，手动光刻机主要用于科研实验、工艺验证和小批量生产。它的设计思路是简化自动化功能，把最基本的曝光和对准过程交给操作者手工完成，从而降低成本并增加灵活性。

手动光刻机的结构并不复杂，核心部分包括光源系统、掩膜固定架、对准显微镜、样品承载台和曝光机构。光源通常是高压汞灯或紫外 LED，输出 365 纳米或 405 纳米波段的紫外光，通过光学器件均匀照射在掩膜上。掩膜是刻有电路或微结构图案的玻璃或石英版，通常通过真空吸附固定在掩膜架上。操作者需要借助显微镜观察掩膜和基片上的对准标记，然后通过机械旋钮进行 X 方向、Y 方向和平面旋转的调节，直到两者重合为止。样品承载台同样具备真空吸附功能，防止曝光过程中移动，同时可以在 Z 方向上微调高度，控制基片与掩膜之间的间隙。

在工作原理上，手动光刻机与自动光刻机没有本质区别。光刻胶在紫外光照射下发生化学变化，经过显影后形成图案。不同之处在于，自动光刻机用计算机和精密传感器完成对准与曝光，而手动光刻机则依靠人眼和手工操作。这种方式虽然分辨率有限，但对于大多数微米级的科研实验已经足够。

操作手动光刻机通常需要几个主要步骤。首先是基片准备，研究人员将硅片、玻璃片或陶瓷片清洗干净，旋涂一层均匀的光刻胶，并在热板上烘烤以去除溶剂。接下来，将掩膜装入掩膜架并固定。然后在显微镜下观察基片和掩膜的对准标记，逐步调整位置，使其重合。对准完成后，把基片台缓缓升到掩膜下方，根据需要选择接触式或近接式曝光方式。接触式的优点是分辨率高，但可能导致掩膜与光刻胶粘连；近接式则避免损伤，但分辨率略低。确认位置后，操作者打开快门，让光照射掩膜并投影到基片上。曝光时间根据光强和光刻胶类型设定，通常为几秒至几十秒。最后一步是取出样品，在显影液中显影，并进行后烘烤，得到所需的微结构。

手动光刻机在科研和教育中有着广泛用途。它能够让学生直观理解光刻工艺，熟悉掩膜、曝光和显影等基本环节。在科研实验中，它常用于制作电极、微流控芯片、微传感器等微米级器件。对于一些探索性的新工艺和新材料，手动光刻机可以快速进行原型设计，而不需要投入巨额成本购买自动化光刻机。在 MEMS 领域，很多基础器件的研发也是依赖手动光刻机完成的。

手动光刻机的最大优势是成本低和操作灵活。一台设备价格在几十万元人民币，而一台最先进的自动化光刻机动辄上亿。对于科研团队来说，手动设备即可满足大多数需求。同时，操作者可以灵活更换掩膜和样品，不同实验条件下的参数也容易调整。此外，手动光刻机的结构相对简单，维护方便，光源和真空系统的更换成本不高。更重要的是，它能兼容多种不同类型的基片，从标准硅片到玻璃片、柔性基材，甚至陶瓷片，都可以加工。

但手动光刻机也存在明显不足。首先，它的分辨率受限，通常只能达到 1 到 5 微米，无法进入纳米级别的先进制程。其次，对准精度完全依赖操作者的经验和手眼协调能力，不同人之间可能存在差异，导致重复性较差。再次，操作效率较低，一次只能处理一片基片，不适合大规模生产。最后，长时间实验容易受到操作者疲劳影响，增加误差，稳定性也不如自动化设备。

总体而言，手动光刻机是科研实验室必备的基础设备，它在教学、工艺探索和原型设计中发挥着不可替代的作用。虽然在精度和效率上不及自动光刻机，但凭借其低成本和灵活性，仍然在全球众多实验室中被广泛使用。随着光源小型化、图像识别和自动控制技术的发展，未来的手动光刻机有可能朝着半自动化方向演进，在保持低成本的同时，提高对准精度和操作便利性。