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。
二、【创新成果】
基于以上难题，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Xiaoxing Xia与斯坦福大学Jonathan A. Fan联合在Nature上发表了题为“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”的论文，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。
三、【图文解析】
图1 基于超透镜的双光子光刻（TPL） © 2025 Springer Nature
图2 微结构/纳米结构的并行制造 © 2025 Springer Nature
图3 面向复杂结构的自适应并行化策略 © 2025 Springer Nature
图4 大规模力学超材料的打印与拉伸测试 © 2025 Springer Nature
图5 3D光刻技术的通量扩展 © 2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究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。
原文详情：3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination (Nature 2025, 648, 591-599)
本文由大兵哥供稿。
