随着先进材料、微型化器件和集成微系统需求的激增，复杂多尺度3D结构的可靠制造成为关键挑战。目前最成熟的双光子光刻（TPL）虽能实现亚微米级分辨率，但受限于低通量（<1 mm3/h）和视场（FOV）限制（数百微米），难以满足规模化生产需求。现有并行化策略如光片投影、多光束扫描等面临根本性瓶颈：（1）密集排列的聚焦光斑（<10 µm）因邻近效应导致能量串扰和分辨率劣化；（2）固定衍射光学元件仅适用于特定周期结构；（3）全息多焦点扫描受限于计算与数据传输效率。这些限制严重阻碍了TPL在晶圆级量产中的应用，亟需突破传统光学系统的视场限制与邻近效应矛盾，开发兼顾高通量与纳米级分辨率的3D纳米光刻新范式，以满足微电子、生物医学、量子技术等领域的规模化制造需求。
据此，劳伦斯利弗莫尔国家实验室Xiaoxing Xia博士与斯坦福大学Jonathan A. Fan教授提出了一种基于超透镜阵列的并行3D纳米光刻技术，该平台利用超透镜生成的聚焦光斑阵列，将TPL并行化，突破了厘米级写入区域的限制。系统核心在于引入空间光调制器（SLM），将飞秒激光束强度调制为任意灰度图案，实现对每个聚焦光斑的精确独立调控。研究人员通过实验展示了一套打印系统，该系统采用面积达12 cm2的超透镜阵列，生成超过120,000个协同工作的聚焦光斑，实现12 cm2写入区域内的高通量打印（>108 voxels s−1），并结合SLM开发了自适应并行策略，支持灰度线宽精确调控和复杂非周期性3D结构的同步打印。随后研究人员通过实验验证了该平台日均5,000万微粒的规模化复制、113 nm特征尺寸的厘米级3D架构，以及光子与力学超材料的制造能力。该技术通过超透镜的大规模可扩展性、SLM的动态编程能力以及短距离扫描消除拼接缺陷，为晶圆级纳米制造提供了新路径，推动TPL在微电子、生物医学、量子技术等领域的规模化应用。
2025年12月17日，相关工作以“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”为题发表在Nature上。
图文介绍
传统双光子光刻依赖单个显微物镜逐点扫描，而研究团队在这里彻底改变了这一模式：他们用大面积金属透镜阵列同时生成成千上万个高数值孔径的聚焦光斑（图1a,b），相当于把“一个物镜”变成了“一个物镜矩阵”。为了让这些光斑不仅数量多，而且彼此可控，系统中引入了空间光调制器（SLM）（图1c），能够对每一个焦点进行独立的开关和灰度调制，从而实现真正意义上的并行、可编程打印。图1d,e展示了金属透镜的实际结构与聚焦性能，其亚微米级的衍射极限聚焦能力保证了打印分辨率不会因并行化而牺牲。在此基础上，研究者通过精细调节激光强度，实现了从亚衍射到衍射极限的连续线宽控制，最细结构仅113 nm，且不同透镜打印出的线条高度一致（图1f–h）。这种稳定性为大规模并行奠定了基础。最终，系统在极短时间内完成了英寸级复杂三维结构的打印（图1i–k），直观展示了这种新型架构在速度和尺度上的颠覆性优势。
图1. 基于超透镜的双光子光刻（TPL）
如果说图1验证的是系统的“基本功”，那么图2则全面展示了金属透镜并行光刻在真实复杂结构中的制造能力。研究团队首先打印了大量高度可复制的微结构阵列，例如包含悬垂和锐角细节的3DBenchy模型（图2a），结果显示每一个单元都能精准还原设计细节，几乎看不到传统拼接带来的误差。随后，系统被用于制造传统方法难以实现的大规模微粒阵列（图2b,c），在极短时间内完成了成万上亿级别的结构复制，充分体现了并行打印在“数量”上的优势。更重要的是，金属透镜TPL并不局限于孤立单元结构，在梯度密度泡沫、微针阵列以及连续晶格结构中（图2d–j），系统同样实现了厘米尺度的整体打印，而且拼接误差被控制在百纳米以内。这一结果表明，通过限制单个焦点的扫描范围并让阵列自动“对齐”，该方法从根本上消除了传统双光子光刻中最棘手的长程拼接问题。
图2. 微结构/纳米结构的并行制造
当结构不再是规则周期阵列时，并行打印往往会遇到效率骤降的问题。图3展示了研究团队提出的自适应并行光刻策略如何解决这一难题。对于具有层级或局部周期性的结构，系统可以通过结构分区的方式，分阶段激活不同的焦点组合完成打印（图3b–d），例如模拟生物血管网络的微流控通道，在保持复杂拓扑的同时仍能高效制造。而对于完全无周期的三维结构，进一步提出“结构压缩”的思路（图3e,f）：先将整体结构拆分为与单个金属透镜视野匹配的子结构，再识别它们之间可以重叠并行打印的部分，从而大幅减少打印路径数量。通过这种方式，系统成功打印了随机Voronoi结构以及整套三维国际象棋开局阵列（图3g–j），证明即便是高度非周期的复杂几何，也能在并行体系下保持可控精度和可接受效率。
图3. 面向复杂结构的自适应并行化策略
借助金属透镜并行光刻，首次在厘米尺度上系统制备了多种不同拓扑的机械超材料，包括典型的八面体晶格、Kelvin晶格以及具有互锁结构的“链甲”晶格（图4a–c）。在拉伸实验中，这些结构展现出截然不同的断裂行为（图4d）：八面体和Kelvin晶格在应力集中后迅速脆性断裂，而链甲结构则能够通过单元间的相对滑移和重排，将裂纹扩展过程显著拉长，表现出极高的断裂韧性。结合原位实验与数值模拟（图4e–m），清楚地揭示了应力如何在链甲结构中被重新分配，这种“宏观可观察”的断裂机制，正是过去受限于制造尺度而难以系统研究的问题。
图4. 厘米尺度机械超材料的打印与断裂行为研究
在最后，从宏观视角对比了不同3D微纳制造技术在分辨率、吞吐量和写入面积三者之间的关系。结果清楚地表明，传统双光子光刻始终受制于显微物镜视场与邻近效应的双重限制，而金属透镜并行TPL通过“非成像光学”的思路，从物理层面绕开了这两个瓶颈。当前系统已在12 cm²面积内实现超过 108 voxels·s⁻¹ 的打印速率，论文进一步指出，随着更大尺寸金属透镜阵列、更高速SLM以及更高重复频率飞秒激光的引入，该技术在不久的将来有望迈向 1010voxels·s⁻¹，为晶圆级三维纳米制造提供现实可行的技术路线。
图5. 3D光刻技术的通量扩展
综上，提出基于超透镜阵列的并行TPL平台，突破传统视场限制与通量瓶颈。通过12 cm2超透镜阵列生成超过120,000个亚微米级焦点，实现1.2×108 voxels s−1通量和113 nm特征尺寸，实现高分辨率3D纳米打印。本研究突破传统TPL通量瓶颈，实现厘米级写入区域的高通量三维制造，同时为微电子、生物医学、量子技术等领域提供规模化制造平台，支持大规模纳米结构的快速制备。此外，本平台可扩展性强，通过更大超透镜阵列、先进SLM和更高功率激光器实现通量突破10¹⁰ voxels s−1。该技术推动三维纳米光刻向大规模并行、快速自适应和计算敏捷化发展，赋能纳米构型材料在微电子、生物医学、高能激光靶材、量子信息处理等领域的变革性应用，为解决实际世界挑战提供关键制造技术支撑。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x
