全新3D納米打印，登上Nature！

在微電子、光子學(xué)、仿生材料和生物醫(yī)學(xué)等前沿領(lǐng)域，越來越多的關(guān)鍵器件依賴于復(fù)雜、精細(xì)且真正三維的微納結(jié)構(gòu)。然而，過去二十多年里，最成熟的三維納米制造技術(shù)——雙光子光刻（TPL），始終被一個(gè)看似“光學(xué)常識”的問題所束縛：顯微鏡物鏡的視場有限。無論是提高分辨率還是追求速度，傳統(tǒng)TPL都必須在“寫得精”和“寫得快”之間反復(fù)妥協(xié)，最終導(dǎo)致大尺度結(jié)構(gòu)依賴拼接，不僅效率低下，還容易引入致命缺陷。這一瓶頸，長期制約著3D納米結(jié)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)室走向真正的工程化制造。

在此，來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室Xiaoxing Xia博士與斯坦福大學(xué)Jonathan A. Fan教授聯(lián)合提出了一種全新的并行3D納米光刻范式：利用大面積金屬透鏡陣列替代傳統(tǒng)顯微物鏡，并結(jié)合空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)“可編程”的焦點(diǎn)陣列。該系統(tǒng)在12 cm2面積內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生超過12萬個(gè)高數(shù)值孔徑焦點(diǎn)，打印速度突破108 voxels·s?1，最小特征尺寸低至113 nm，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的厘米級、無拼接、高分辨率3D納米制造，為晶圓尺度的納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)打開了新路徑。相關(guān)成果以“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”為題發(fā)表在《Nature》上，中國學(xué)者Songyun Gu和Chenkai Mao為共同第一作者。

整項(xiàng)工作的核心思想首先集中體現(xiàn)在圖1中。傳統(tǒng)雙光子光刻依賴單個(gè)顯微物鏡逐點(diǎn)掃描，而研究團(tuán)隊(duì)在這里徹底改變了這一模式：他們用大面積金屬透鏡陣列同時(shí)生成成千上萬個(gè)高數(shù)值孔徑的聚焦光斑（圖1a,b），相當(dāng)于把“一個(gè)物鏡”變成了“一個(gè)物鏡矩陣”。為了讓這些光斑不僅數(shù)量多，而且彼此可控，系統(tǒng)中引入了空間光調(diào)制器（SLM）（圖1c），能夠?qū)γ恳粋€(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的開關(guān)和灰度調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行、可編程打印。圖1d,e展示了金屬透鏡的實(shí)際結(jié)構(gòu)與聚焦性能，其亞微米級的衍射極限聚焦能力保證了打印分辨率不會因并行化而犧牲。在此基礎(chǔ)上，研究者通過精細(xì)調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了從亞衍射到衍射極限的連續(xù)線寬控制，最細(xì)結(jié)構(gòu)僅113 nm，且不同透鏡打印出的線條高度一致（圖1f–h）。這種穩(wěn)定性為大規(guī)模并行奠定了基礎(chǔ)。最終，系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)完成了英寸級復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的打印（圖1i–k），直觀展示了這種新型架構(gòu)在速度和尺度上的顛覆性優(yōu)勢。

圖1：金屬透鏡陣列并行雙光子光刻系統(tǒng)的原理、光學(xué)設(shè)計(jì)與亞衍射打印能力

如果說圖1驗(yàn)證的是系統(tǒng)的“基本功”，那么圖2則全面展示了金屬透鏡并行光刻在真實(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的制造能力。研究團(tuán)隊(duì)首先打印了大量高度可復(fù)制的微結(jié)構(gòu)陣列，例如包含懸垂和銳角細(xì)節(jié)的3DBenchy模型（圖2a），結(jié)果顯示每一個(gè)單元都能精準(zhǔn)還原設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，幾乎看不到傳統(tǒng)拼接帶來的誤差。隨后，系統(tǒng)被用于制造傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模微粒陣列（圖2b,c），在極短時(shí)間內(nèi)完成了成萬上億級別的結(jié)構(gòu)復(fù)制，充分體現(xiàn)了并行打印在“數(shù)量”上的優(yōu)勢。更重要的是，金屬透鏡TPL并不局限于孤立單元結(jié)構(gòu)，在梯度密度泡沫、微針陣列以及連續(xù)晶格結(jié)構(gòu)中（圖2d–j），系統(tǒng)同樣實(shí)現(xiàn)了厘米尺度的整體打印，而且拼接誤差被控制在百納米以內(nèi)。這一結(jié)果表明，通過限制單個(gè)焦點(diǎn)的掃描范圍并讓陣列自動“對齊”，該方法從根本上消除了傳統(tǒng)雙光子光刻中最棘手的長程拼接問題。

圖2：高通量并行打印微結(jié)構(gòu)陣列及厘米級連續(xù)結(jié)構(gòu)的展示

當(dāng)結(jié)構(gòu)不再是規(guī)則周期陣列時(shí)，并行打印往往會遇到效率驟降的問題。圖3展示了研究團(tuán)隊(duì)提出的自適應(yīng)并行光刻策略如何解決這一難題。對于具有層級或局部周期性的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以通過結(jié)構(gòu)分區(qū)的方式，分階段激活不同的焦點(diǎn)組合完成打印（圖3b–d），例如模擬生物血管網(wǎng)絡(luò)的微流控通道，在保持復(fù)雜拓?fù)涞耐瑫r(shí)仍能高效制造。而對于完全無周期的三維結(jié)構(gòu)，研究者進(jìn)一步提出“結(jié)構(gòu)壓縮”的思路（圖3e,f）：先將整體結(jié)構(gòu)拆分為與單個(gè)金屬透鏡視野匹配的子結(jié)構(gòu)，再識別它們之間可以重疊并行打印的部分，從而大幅減少打印路徑數(shù)量。通過這種方式，系統(tǒng)成功打印了隨機(jī)Voronoi結(jié)構(gòu)以及整套三維國際象棋開局陣列（圖3g–j），證明即便是高度非周期的復(fù)雜幾何，也能在并行體系下保持可控精度和可接受效率。

圖3：自適應(yīng)并行光刻策略，實(shí)現(xiàn)半周期與完全非周期三維結(jié)構(gòu)的高效制造

圖4將這套制造能力真正推向了材料科學(xué)的應(yīng)用前沿。借助金屬透鏡并行光刻，研究團(tuán)隊(duì)首次在厘米尺度上系統(tǒng)制備了多種不同拓?fù)涞臋C(jī)械超材料，包括典型的八面體晶格、Kelvin晶格以及具有互鎖結(jié)構(gòu)的“鏈甲”晶格（圖4a–c）。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，這些結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出截然不同的斷裂行為（圖4d）：八面體和Kelvin晶格在應(yīng)力集中后迅速脆性斷裂，而鏈甲結(jié)構(gòu)則能夠通過單元間的相對滑移和重排，將裂紋擴(kuò)展過程顯著拉長，表現(xiàn)出極高的斷裂韌性。結(jié)合原位實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬（圖4e–m），研究者清楚地揭示了應(yīng)力如何在鏈甲結(jié)構(gòu)中被重新分配，這種“宏觀可觀察”的斷裂機(jī)制，正是過去受限于制造尺度而難以系統(tǒng)研究的問題。

圖4：厘米尺度機(jī)械超材料的打印與斷裂行為研究

在最后，論文從宏觀視角對比了不同3D微納制造技術(shù)在分辨率、吞吐量和寫入面積三者之間的關(guān)系。結(jié)果清楚地表明，傳統(tǒng)雙光子光刻始終受制于顯微物鏡視場與鄰近效應(yīng)的雙重限制，而金屬透鏡并行TPL通過“非成像光學(xué)”的思路，從物理層面繞開了這兩個(gè)瓶頸。當(dāng)前系統(tǒng)已在12 cm2面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 108 voxels·s?1 的打印速率，論文進(jìn)一步指出，隨著更大尺寸金屬透鏡陣列、更高速SLM以及更高重復(fù)頻率飛秒激光的引入，該技術(shù)在不久的將來有望邁向 1010voxels·s?1，為晶圓級三維納米制造提供現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)路線。

圖5：不同3D納米制造技術(shù)在分辨率、速度與寫入面積維度上的系統(tǒng)對比

小結(jié)

這項(xiàng)研究并非簡單地“把光斑變多”，而是從光學(xué)架構(gòu)、并行控制和制造策略三個(gè)層面，重構(gòu)了3D納米光刻的基本范式。通過將金屬透鏡陣列與可編程光場相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)首次在保持亞百納米分辨率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了厘米級、無拼接、高通量的三維納米制造。可以預(yù)見，這種思路不僅將推動微電子、光子晶體和超材料的發(fā)展，也有望成為下一代晶圓級3D制造的重要技術(shù)底座。