Nature正刊：3D打印纳米制造突破，双光子光刻技术走向晶圆级产业应用

2026年1月11日，南极熊获悉，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的工程师和科学家与斯坦福大学合作，开发了一种突破性的3D 纳米制造方法。这种新方法将双光子光刻 (TPL)技术从一种缓慢的实验室规模技术转变为晶圆级制造工具，同时又不牺牲亚微米精度。

研究团队的相关成果以题为“3D nanolithography withmetalens arrays and spatially adaptive illumination”的论文发表于《自然》杂志上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x

本项工作利用大型超薄光学元件阵列——超透镜阵列——将飞秒激光分成超过12万个协同聚焦的光斑，这些光斑可在厘米级区域内同时进行写入。这种基于超透镜的方法能够生成最小特征尺寸为113纳米的复杂三维结构，制造吞吐量比商用系统快一千倍以上。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）材料工程师兼首席研究员夏晓星说道：“当这套3D打印系统首次实现一厘米和三厘米的打印精度时，看到我们历时三四年研发的构想最终成为现实，真是令人惊叹。看到打印速度比我们的商用打印机快数百倍甚至数千倍，而且精度极高，我们意识到这项技术取得了突破性进展。”

从小众实验室技术到可扩展制造

多年来，TPL技术因其纳米级分辨率而备受青睐，但由于依赖显微镜物镜，可打印区域仅限于几百微米。若要打印更大的区域，则需要将数千个图块拼接在一起，这一缓慢的过程容易引入对准误差，并限制了TPL技术走出实验室。

研究团队的超透镜双光子激光扫描（TPL）方法用一组高数值孔径的超透镜阵列取代了显微镜物镜，每个超透镜都像一台微型打印机。新型TPL系统并非扫描单束光，而是并行打印数千个小区域，所有区域在同一次扫描中无缝融合。通过将焦点间距设置为超透镜的间距，而不是将它们挤入一个微小的光场中，该系统避免了困扰早期多光束方法的邻近效应。

论文第一作者、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）博士后研究员顾松云（音译）表示：“这意味着TPL终于具备了产业化应用的潜力。此前，它纯粹是研究人员的实验工具。随着晶圆级纳米制造技术的进步，我们有望像制造计算机芯片一样制造纳米材料和微器件。计算机芯片虽然结构高度复杂，但可以批量生产，单位成本却非常低。而超构光学正是解决这一问题的方案。”

自适应光控制开启了全新的设计自由

为了打印非完全周期性的结构，研究团队集成了一个空间光调制器，可以实时调节每个焦点的强度。调制器可以开关光束，通过灰度控制调整线宽，并编排光束逐层形成更大的图案。最初旨在均衡光束强度的方案，却意外地开启了更为广泛的设计自由度。

夏教授说道：“在项目进行过程中，我们发现通过动态地开关焦点并精心规划打印轨迹，我们实际上可以高度并行地打印出完全随机的结构。顾和萨维什（合作者）在一次打印过程中就打印出了16种不同的微观国际象棋开局。为了感谢劳伦斯利弗莫尔国家实验室先进制造实验室的大力支持，研究团队将这种方法命名为自适应超材料光刻技术。“

这种并行且自适应的方法使超透镜双光子激光技术能够制造从梯度密度激光靶材和柔性太赫兹器件到每天数千万个微粒的各种产品。它还能够为微流控、量子信息、微电子、光子学、聚变能源和生物医学等新兴技术创建复杂的模块化架构。尤其令研究人员兴奋的是，这项技术有望扩展劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）正在进行的变革性研发工作，例如3D打印聚变燃料胶囊和囚禁离子量子计算芯片。

夏教授认为，光学与增材制造的融合是增材领域发展的一个决定性步骤。他说道：“光是地球上最精细的凿子，可以用来打造功能材料和微结构。控制光的新方法将彻底改变材料的制造方式。”

随着更高功率激光器、更大尺寸的超透镜晶圆和更快调制器的出现，研究团队相信超透镜双光子激光打印（TPL）技术将能够以更快的速度打印出更复杂的器件，从而推动3D纳米制造技术走向主流的晶圆级生产。这项名为MetaLitho3D的技术平台近期荣获了2025年R&D 100大奖，表明它具有被业界广泛采用并解决实际问题的潜力。

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

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