随着先进材料、微型化器件及集成微系统的需求持续激增，复杂多尺度3D结构的可靠制造已成为制约相关领域发展的关键挑战。当前，双光子光刻（TPL）是实现亚微米级分辨率制造的成熟技术，但受限于极低的通量（低于1 mm³/h）和狭窄的视场（仅数百微米），难以满足规模化生产的实际需求。为突破这一困境，现有并行化策略如光片投影、多光束扫描等却面临三大根本性瓶颈：一是密集排列的聚焦光斑（小于10 µm）易产生邻近效应，导致能量串扰并劣化分辨率；二是固定衍射光学元件仅适用于特定周期结构，通用性不足；三是全息多焦点扫描受限于计算效率与数据传输速度。这些问题严重阻碍了TPL技术在晶圆级量产中的应用，因此，亟需突破传统光学系统的视场限制与邻近效应矛盾，开发兼具高通量与纳米级分辨率的3D纳米光刻新范式，以适配微电子、生物医学、量子技术等领域的规模化制造需求。针对上述挑战，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教授联合提出一种基于超透镜阵列的并行3D纳米光刻技术。该平台核心创新在于利用超透镜生成聚焦光斑阵列，将TPL技术实现并行化，成功突破了厘米级写入区域的限制。同时，系统引入空间光调制器（SLM），可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。研究团队搭建的打印系统采用面积达12 cm²的超透镜阵列，能生成超过12万个协同工作的聚焦光斑，在12 cm²写入区域内实现高通量打印（速度超10⁸个体素/秒）。结合SLM开发的自适应并行策略，该系统支持灰度线宽的精确调控，可同步打印复杂非周期性3D结构。实验验证显示，该平台具备日均5000万微粒的规模化复制能力，能制造出特征尺寸仅113 nm的厘米级3D架构，且可实现光子与力学超材料的精准制造。这项技术凭借超透镜的大规模可扩展性、SLM的动态编程能力，以及短距离扫描带来的拼接缺陷消除优势，为晶圆级纳米制造提供了全新路径，将推动TPL技术在微电子、生物医学、量子技术等领域的规模化应用。

图1.基于超透镜的双光子光刻（TPL）

传统双光子光刻技术的核心局限在于依赖单个显微物镜进行逐点扫描，效率与规模化能力受限。而该研究团队彻底革新了这一传统模式，其核心突破在于采用大面积金属透镜阵列，同步生成成千上万个高数值孔径的聚焦光斑（图1a,b），相当于将单一物镜升级为“物镜矩阵”，从根本上实现了光刻过程的并行化。为解决多光斑协同控制的关键问题，系统专门引入空间光调制器（SLM）（图1c），能够对每个焦点进行独立的开关调控与灰度调制，真正达成了并行化与可编程化的双重目标。图1d,e呈现了金属透镜的实际结构与聚焦性能，其具备的亚微米级衍射极限聚焦能力，确保了并行化处理不会牺牲打印分辨率。在此基础上，研究人员通过精细调控激光强度，实现了从亚衍射到衍射极限的连续线宽调节，所制备的最细结构仅113 nm，且不同透镜打印出的线条一致性极高（图1f–h），这种出色的稳定性为大规模并行光刻提供了核心保障。最终，该系统成功在极短时间内完成了英寸级复杂三维结构的打印（图1i–k），直观展现出这种新型技术架构在打印速度与制造尺度上的颠覆性优势。

图2.微结构/纳米结构的并行制造

图2全方位呈现了金属透镜并行光刻技术在真实复杂结构制造中的卓越能力。研究团队首先制备出大量高可复制性的微结构阵列，以包含悬垂、锐角等精细细节的3DBenchy模型为代表（图2a），结果显示每个单元均能精准复刻设计细节，几乎不存在传统拼接工艺常见的误差。随后，该系统被应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，充分彰显了并行打印在量产规模上的显著优势。值得关注的是，金属透镜双光子光刻技术并非局限于孤立单元结构的制造：在梯度密度泡沫、微针阵列及连续晶格结构等复杂构型中（图2d–j），系统仍能实现厘米尺度的整体打印，且拼接误差被严格控制在百纳米以内。这一结果证实，通过限定单个焦点的扫描范围并实现阵列的自动对齐，该技术从根源上解决了传统双光子光刻中极具挑战性的长程拼接问题，为复杂大尺度3D结构的精准制造提供了有效方案。

图3.面向复杂结构的自适应并行化策略

当制造对象并非规则周期阵列时，传统并行打印常面临效率大幅下滑的瓶颈。图3详细展示了研究团队提出的自适应并行光刻策略，为这一难题提供了有效解决方案。针对具有层级特征或局部周期性的结构，系统采用结构分区策略，通过分阶段激活不同焦点组合完成打印流程（图3b–d）。以模拟生物血管网络的微流控通道为例，该策略在完整保留结构复杂拓扑关系的同时，仍能维持高效制造效率。对于完全无周期的三维结构，研究团队进一步提出“结构压缩”创新思路（图3e,f）：先将整体结构拆解为与单个金属透镜视野相匹配的子结构，再精准识别子结构间可重叠并行打印的部分，从而大幅减少打印路径总量。实验验证显示，通过这一自适应策略，系统成功打印出随机Voronoi结构及整套三维国际象棋开局阵列（图3g–j）。这一结果证实，即便是高度非周期的复杂几何构型，该技术也能在并行制造体系下兼顾可控精度与可接受效率，突破了传统并行光刻的应用局限。

图4. 厘米尺度机械超材料的打印与断裂行为研究

借助金属透镜并行光刻技术，研究团队首次在厘米尺度上实现了多种不同拓扑结构机械超材料的系统化制备，涵盖典型的八面体晶格、Kelvin晶格，以及具备互锁结构的“链甲”晶格（图4a–c）。拉伸实验结果显示，这些超材料展现出截然不同的断裂行为（图4d）：八面体晶格与Kelvin晶格在应力集中后会迅速发生脆性断裂；而链甲结构凭借单元间的相对滑移与重排，能显著延长裂纹扩展过程，表现出极高的断裂韧性。研究团队通过原位实验与数值模拟相结合的方式（图4e–m），清晰揭示了应力在链甲结构中的重新分配机制。这种可宏观观察的断裂机制，正是此前受限于制造尺度而难以开展系统化研究的关键课题，该技术的突破为相关领域的深入探索提供了重要支撑。

图5.3D光刻技术的通量扩展

研究从宏观视角对比了各类3D微纳制造技术在分辨率、吞吐量与写入面积三大核心指标上的表现。结果明确显示，传统双光子光刻技术始终受困于显微物镜视场有限与邻近效应的双重制约，难以兼顾高分辨率与规模化制造需求。而金属透镜并行双光子光刻技术通过“非成像光学”的创新思路，从物理层面突破了这两大瓶颈。目前该系统已实现12 cm²写入面积内超10⁸个体素/秒的打印速率，性能优势显著。论文进一步指出，随着更大尺寸金属透镜阵列、更高速度空间光调制器（SLM）以及更高重复频率飞秒激光的逐步引入，该技术在未来有望将打印速率提升至10¹⁰个体素/秒，为晶圆级三维纳米制造提供了现实可行的技术路径，推动相关领域的规模化生产发展。

研究团队提出基于超透镜阵列的并行双光子光刻（TPL）平台，从技术原理上突破了传统TPL在视场范围与制造通量上的核心瓶颈。该平台采用面积达12 cm²的超透镜阵列，可同步生成超过12万个亚微米级聚焦光斑，最终实现1.2×10⁸个体素/秒的打印通量，同时将制造特征尺寸精准控制在113 nm，达成高分辨率与高通量兼具的3D纳米打印效果。这项研究的核心突破在于攻克了传统TPL通量低下的关键难题，成功实现厘米级写入区域的高通量三维制造，为微电子、生物医学、量子技术等对规模化纳米结构有迫切需求的领域，提供了稳定可靠的规模化制造平台，有力支撑大规模纳米结构的快速制备。此外，该平台具备极强的可扩展潜力，通过集成更大尺寸的超透镜阵列、性能更先进的空间光调制器（SLM）以及更高功率的激光器，未来有望将打印通量进一步突破至10¹⁰个体素/秒。该技术推动三维纳米光刻技术向大规模并行、快速自适应及计算敏捷化方向发展，将为纳米构型材料在微电子、生物医学、高能激光靶材、量子信息处理等多个领域的变革性应用赋能，为解决相关领域的实际技术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

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