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

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和斯坦福大学研究团队开发的一种突破性双光子光刻（two-photon lithography，TPL）平台，利用大型超透镜（metalens）阵列将飞秒激光分裂成超过12万个协同焦斑，这些焦斑可同时在厘米级区域内进行写入。该方法能够制造出最小特征尺寸为113纳米的复杂3D结构，其吞吐量比商用系统快一千多倍。（图片：Songyun Gu）

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，展示了一种突破性的3D纳米制造方法，将双光子光刻（TPL）从一种缓慢的实验室规模技术转变为晶圆级制造工具，同时不牺牲亚微米级精度。

该成果2025-12-17发表于《Nature》杂志（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）。团队的TPL平台使用大型超透镜阵列——这些是经过工程设计的超薄光学元件——将飞秒激光分裂成超过12万个协同焦斑，这些焦斑可同时在厘米级区域内进行写入。基于超透镜的方法能够制造出最小特征尺寸为113纳米的复杂3D结构，其吞吐量比商用系统快一千多倍。

“当3D打印系统首次能够在1厘米规模、随后扩展到3厘米规模工作时，看到这个历时三到四年开发的想法终于实现，真是令人惊叹。”LLNL材料工程师兼首席研究员夏晓星说道，“看到打印过程以比我们商用打印机快数百到数千倍的速度准确完成，我们意识到突破已经发生。”

从实验室 niche 技术到可扩展制造

多年来，TPL因其纳米级分辨率而备受重视，但由于依赖显微镜物镜，其可打印区域被限制在几百微米以内。更大面积则需要拼接数千个小块，这是一个缓慢的过程，会引入对准误差，并阻碍TPL走出实验室。

团队的超透镜TPL方法用高数值孔径超透镜的拼接阵列取代了显微镜物镜，每个透镜都相当于一台微型打印机。系统不再扫描单个光束，而是并行打印数千个小区域，且所有区域在同一遍扫描中无缝融合。通过将焦斑按超透镜间距排列，而不是将它们挤压在狭小的光学场内，系统避免了早期多光束方法中常见的邻近效应。

“这意味着TPL终于具备了工业采用的潜力。”LLNL博士后研究员、论文第一作者Songyun Gu表示，“以前它纯粹是研究人员的实验工具。通过晶圆级纳米制造，我们有可能像制造计算机芯片那样批量生产纳米材料和微型器件——这些器件高度复杂，但单位成本极低。而超构光学正是解决方案。”

自适应光控解锁新的设计自由

为了打印非完全周期性的结构，团队集成了一个空间光调制器，可实时调整每个焦斑的强度。该系统能够开启或关闭光束、通过灰度控制调节线宽，并协调光束逐层形成更大图案。原本用于均衡光束强度的设计，却意外打开了更广泛的设计自由之门。

“在项目过程中，我们意识到通过动态开启和关闭焦斑，并仔细规划打印轨迹，我们实际上可以以高度并行化的方式打印完全随机的结构。”夏晓星说道，“Songyun Gu和合作作者Sarvesh Sadana在一个过程中打印了16种不同的微型国际象棋开局。”团队将该方法命名为Adaptive Meta-Lithography（自适应超构光刻），以感谢LLNL先进制造实验室的大力支持。

这种并行且自适应的方法使超透镜TPL能够制造从梯度密度激光靶、柔性太赫兹器件到每天数千万微粒的各种结构。它还能够创建用于微流控、量子信息、微电子、光子学、聚变能源和生物医学等新兴技术的复杂模块化架构。特别令研究人员兴奋的是，该技术有望大规模扩展LLNL正在进行的变革性研发工作，例如3D打印聚变燃料靶丸和捕获离子量子计算芯片。

夏晓星认为，光学与增材制造的融合是该领域的一个标志性步骤。“光是地球上最精细的凿子，用来雕琢功能材料和微型架构。”他说，“控制光的新方法将彻底改变材料制造的方式。”

随着更高功率激光、更大的超透镜晶圆和更快调制器的出现，团队相信超透镜TPL将能够以更高的速度打印更复杂的器件，推动3D纳米制造走向主流的晶圆级生产。该技术平台名为MetaLitho3D，最近荣获2025年R&D 100奖，显示出其被工业界采用以解决实际问题的潜力。

其他合作作者包括LLNL的Anna Guell 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。