超构透镜推动3D纳米光刻技术进入量产发展阶段
2026-04-02 13:59:57 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该平台利用超构透镜产生的聚焦光斑阵列，实现双光子光刻技术的并行化，使其打印范围突破了厘米级视场限制，且未牺牲亚微米级的分辨率。这款新型基于超构透镜的双光子光刻平台，彰显了3D纳米光刻技术有望成为微电子、生物医学、量子技术等领域晶圆级量产制造工具的潜力。
双光子光刻（TPL）技术借助高数值孔径（高NA）显微物镜才能实现纳米级分辨率，这使得TPL技术的可打印区域被限制在数百微米范围内。若要扩大可打印区域，必须将数千个可打印区块拼接在一起，这一过程繁琐且易产生误差，通常仅限于实验室环境。
基于超构透镜的双光子光刻
据麦姆斯咨询报道，为了推动双光子光刻技术走出实验室，近期，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室与斯坦福大学的研究人员共同研发出一款名为“MetaLitho3D”的3D纳米加工平台。相关研究以“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”为题发表于Nature期刊上。该平台利用超构透镜产生的聚焦光斑阵列，实现双光子光刻技术的并行化，使其打印范围突破了厘米级视场限制，且未牺牲亚微米级的分辨率。这款新型基于超构透镜的双光子光刻平台，彰显了3D纳米光刻技术有望成为微电子、生物医学、量子技术等领域晶圆级量产制造工具的潜力。
研究人员利用高数值孔径超构透镜阵列替代了传统双光子光刻设备中的显微物镜，每个超构透镜都相当于一台微型打印机。与单光束逐点扫描方式不同，超构透镜双光子光刻技术可并行打印数千个微小区域，并且所有区域可在单次加工中无缝拼接。
为避免产生不良的邻近效应，研究人员按照超构透镜间距排布聚焦光斑，而非将其密集聚集在狭小的光场内。
研究人员还在超构透镜双光子光刻平台中集成了空间光调制器（SLM），使其能够打印半周期性与非周期性3D结构。该空间光调制器可实时调节每个聚焦光斑的光强、开启或关闭光束、通过精确的灰度调控实现线宽调谐，或调控光束逐层构建更大尺寸的图案。
除了实现光束强度均衡，空间光调制器还通过一种名为“自适应超构光刻”的技术，为超构透镜双光子光刻平台赋予更高的设计自由度。
研究人员Xiaoxing Xia表示：“在项目研究过程中我们发现，通过动态切换聚焦光斑的开启与关闭，并精心规划3D打印路径，我们实际上能够以高度并行化方式打印出完全随机的结构。”研究团队在单次工艺中便成功打印出16种不同的国际象棋开局的微观图案。
创新型超构透镜双光子光刻平台通过大规模超构透镜阵列将飞秒激光分解为可协同工作的聚焦光斑，实现在厘米级面积上同步光刻加工。
在实验中，研究人员采用12平方厘米的超构透镜阵列，将一束飞秒激光分解为超过12万个协同聚焦光斑，加工通量突破10⁸体素/秒，即每秒可加工超1亿个体素。
超构透镜的独特性能使其非常适用于制备高通量纳米光刻所需的亚微米级聚焦光斑。该超构透镜双光子光刻系统的加工通量较商用系统提升1000倍以上。
研究人员还实现了3D微结构的并行复制打印，并成功打印出特征尺寸低至113纳米的厘米级复杂3D结构，以及光子与力学超构材料。
3D微/纳米结构的并行打印
Xiaoxing Xia说道：“当3D打印系统首次实现1厘米乃至3厘米尺度上的打印时，看着历经三四年研发的技术方案落地成型，感觉十分震撼。当亲眼看到打印速度达到商用打印机数百至数千倍时，我们意识到一项突破性技术已然诞生。”
Xiaoxing Xia认为，光学技术与增材制造的融合是该领域的标志性进展。他表示：“光是地球上雕琢功能材料与微结构最精密的刻刀。全新的超构透镜光控技术将彻底变革材料制造方式。”
针对复杂3D结构的自适应并行化制造策略
超构透镜双光子光刻技术有望为光子学、微电子、微流控、量子通信、聚变能源与生物医学等前沿领域制备复杂模块化结构。研究人员对该技术的应用前景充满期待，计划借助其扩大劳伦斯利弗莫尔国家实验室现有研发规模，实现聚变燃料靶丸与囚禁离子量子计算芯片的3D打印验证。
随着更高功率激光器、更大尺寸超构透镜晶圆与更快调制器的问世，研究团队相信超构透镜双光子光刻技术将具备加工更复杂的3D器件、实现更高加工速度的能力，推动3D微/纳米制造迈向主流化、晶圆级量产阶段。
研究人员Songyun Gu表示：“这意味着双光子光刻技术终于具备了工业化量产应用的潜力。此前它仅为科研人员的实验工具，而借助晶圆级纳米制造技术，我们有望像生产半导体芯片一样批量制造3D微纳器件——其结构极为复杂，却能被大批量、低成本生产，而超构光学正是实现这一目标的关键方法。”
这款名为“MetaLitho3D”的超构透镜双光子光刻技术荣获2025年全球百大科技研发奖（2025 R&D 100 Award），彰显了其实际应用价值。
延伸阅读：
上一篇：12英寸晶圆制造技术有望将MEMS和光子学推向新高度
下一篇：最后一页