Nature正刊：3D打印納米制造突破，雙光子光刻技術(shù)走向晶圓級產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

2026年1月11日，南極熊獲悉，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的工程師和科學(xué)家與斯坦福大學(xué)合作，開發(fā)了一種突破性的3D 納米制造方法。這種新方法將雙光子光刻 (TPL)技術(shù)從一種緩慢的實驗室規(guī)模技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>晶圓級制造工具，同時又不犧牲亞微米精度。

研究團隊的相關(guān)成果以題為“3D nanolithography withmetalens arrays and spatially adaptive illumination”的論文發(fā)表于《自然》雜志上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x

本項工作利用大型超薄光學(xué)元件陣列——超透鏡陣列——將飛秒激光分成超過12萬個協(xié)同聚焦的光斑，這些光斑可在厘米級區(qū)域內(nèi)同時進行寫入。這種基于超透鏡的方法能夠生成最小特征尺寸為113納米的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，制造吞吐量比商用系統(tǒng)快一千倍以上。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）材料工程師兼首席研究員夏曉星說道：“當(dāng)這套3D打印系統(tǒng)首次實現(xiàn)一厘米和三厘米的打印精度時，看到我們歷時三四年研發(fā)的構(gòu)想最終成為現(xiàn)實，真是令人驚嘆。看到打印速度比我們的商用打印機快數(shù)百倍甚至數(shù)千倍，而且精度極高，我們意識到這項技術(shù)取得了突破性進展。”

從小眾實驗室技術(shù)到可擴展制造

多年來，TPL技術(shù)因其納米級分辨率而備受青睞，但由于依賴顯微鏡物鏡，可打印區(qū)域僅限于幾百微米。若要打印更大的區(qū)域，則需要將數(shù)千個圖塊拼接在一起，這一緩慢的過程容易引入對準(zhǔn)誤差，并限制了TPL技術(shù)走出實驗室。

研究團隊的超透鏡雙光子激光掃描（TPL）方法用一組高數(shù)值孔徑的超透鏡陣列取代了顯微鏡物鏡，每個超透鏡都像一臺微型打印機。新型TPL系統(tǒng)并非掃描單束光，而是并行打印數(shù)千個小區(qū)域，所有區(qū)域在同一次掃描中無縫融合。通過將焦點間距設(shè)置為超透鏡的間距，而不是將它們擠入一個微小的光場中，該系統(tǒng)避免了困擾早期多光束方法的鄰近效應(yīng)。

論文第一作者、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）博士后研究員顧松云（音譯）表示：“這意味著TPL終于具備了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。此前，它純粹是研究人員的實驗工具。隨著晶圓級納米制造技術(shù)的進步，我們有望像制造計算機芯片一樣制造納米材料和微器件。計算機芯片雖然結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，但可以批量生產(chǎn)，單位成本卻非常低。而超構(gòu)光學(xué)正是解決這一問題的方案。”

自適應(yīng)光控制開啟了全新的設(shè)計自由

為了打印非完全周期性的結(jié)構(gòu)，研究團隊集成了一個空間光調(diào)制器，可以實時調(diào)節(jié)每個焦點的強度。調(diào)制器可以開關(guān)光束，通過灰度控制調(diào)整線寬，并編排光束逐層形成更大的圖案。最初旨在均衡光束強度的方案，卻意外地開啟了更為廣泛的設(shè)計自由度。

夏教授說道：“在項目進行過程中，我們發(fā)現(xiàn)通過動態(tài)地開關(guān)焦點并精心規(guī)劃打印軌跡，我們實際上可以高度并行地打印出完全隨機的結(jié)構(gòu)。顧和薩維什（合作者）在一次打印過程中就打印出了16種不同的微觀國際象棋開局。為了感謝勞倫斯利弗莫爾國家實驗室先進制造實驗室的大力支持，研究團隊將這種方法命名為自適應(yīng)超材料光刻技術(shù)。“

這種并行且自適應(yīng)的方法使超透鏡雙光子激光技術(shù)能夠制造從梯度密度激光靶材和柔性太赫茲器件到每天數(shù)千萬個微粒的各種產(chǎn)品。它還能夠為微流控、量子信息、微電子、光子學(xué)、聚變能源和生物醫(yī)學(xué)等新興技術(shù)創(chuàng)建復(fù)雜的模塊化架構(gòu)。尤其令研究人員興奮的是，這項技術(shù)有望擴展勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）正在進行的變革性研發(fā)工作，例如3D打印聚變?nèi)剂夏z囊和囚禁離子量子計算芯片。

夏教授認(rèn)為，光學(xué)與增材制造的融合是增材領(lǐng)域發(fā)展的一個決定性步驟。他說道：“光是地球上最精細(xì)的鑿子，可以用來打造功能材料和微結(jié)構(gòu)。控制光的新方法將徹底改變材料的制造方式。”

隨著更高功率激光器、更大尺寸的超透鏡晶圓和更快調(diào)制器的出現(xiàn)，研究團隊相信超透鏡雙光子激光打印（TPL）技術(shù)將能夠以更快的速度打印出更復(fù)雜的器件，從而推動3D納米制造技術(shù)走向主流的晶圓級生產(chǎn)。這項名為MetaLitho3D的技術(shù)平臺近期榮獲了2025年R&D 100大獎，表明它具有被業(yè)界廣泛采用并解決實際問題的潛力。

論文其他合著者包括 LLNL 的 AnnaGuell Izard、Dongping Terrel-Perez、Sijia Huang、Travis Massey、Alex Abelson、Magi Mettry-Yassa、Wonjin Choi 和 Thejaswi Umanath Tumkur；斯坦福大學(xué)的 Chenkai Mao、You Zhou 和 Jonathan Fan；以及加州理工學(xué)院的 Wenjie Zhou、Hujie Yan、Ziran Zhou 和 Chiara Daraio。

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