双光子光刻技术是一种具有超分辨率特性的微纳加工技术。该光刻技术利用高数值孔径的物镜对激发光束进行聚焦，使其在空间上形成亚微米级尺度的聚焦点，通过光刻胶在曝光过程中的溶解度变化最终实现精细结构制造。双光子光刻可以利用简单易得的长波激光光源（如780nm、532nm），以双光子聚焦效应突破衍射极限限制，实现近EUV光刻级别的超高分辨率成像（注：EUV极紫外光刻为半导体领域的最先进光刻技术，但光源制造难度极大、造价极高）。然而，双光子光刻是直刻技术，打印速率极慢，通常仅为微米/秒到毫米/秒级，在制造较大体积的微结构时需耗费极长的刻写时间，成为了限制双光子光刻技术大规模应用的瓶颈（图1c），30多年来一直没有突破。

近日，清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学团队首次提出高效光致极性变化调控光刻胶溶解度机制，并据此开发成功了一种基于金属氧化物纳米颗粒的超高感光度双光子光刻胶。经测试，采用这种光刻胶的双光子打印速率达到了7.77m/s。这是全球首次将光刻速度提高到米/秒级别，比传统的聚合物基光刻胶快了3-5个数量级。此外，采用这款光刻胶还实现了极高的打印分辨率，曝光线条的线宽能够小至38nm，优于深紫外（DUV）浸没式光刻技术的线宽极限。

图1.双光子光刻系统及其刻写速度挑战示意图

此外，在3D光刻方面，目前已能打印一些复杂的3D微结构，例如空心的富勒烯结构和超材料立方体结构等（图2）。

图2.纳米颗粒光刻胶在532nm双光子光刻机下的光刻性能和打印的微结构

在半导体集成电路芯片制造的光刻领域，光刻胶往往能成为“游戏规则的改变者”，极大地影响芯片行业的发展。近年来，EUV光源和反射镜成为芯片制造技术的最大挑战和限制。本研究成果技术大幅缩短了双光子光刻制造所需的时间，而且显著提高了其加工分辨率，有望实现双光子光刻技术在微纳制造领域的大规模实际应用。该技术极大地降低光刻机的复杂程度、体积和制造运行成本，也有望为半导体集成电路芯片制造开辟全新的低成本技术路线。

近日，相关成果以“可实现超高速增材制造打印的光刻胶”（Ultrahigh-printing-speed photoresists for additive manufacturing）发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）刊物上。《自然·纳米技术》还同步在线发表了题为“用于高速双光子光刻的高灵敏度光刻胶”（Sensitive photoresists for high-speed two-photon lithography）的研究简报，报道该团队研发成功的基于氧化物杂化纳米颗粒的高感光度双光子光刻胶材料及其新思路、新方法。

清华大学核能与新能源技术研究院博士后刘天棋为论文第一作者。清华大学核能与新能源技术研究院徐宏副教授、何向明研究员，以及浙江大学光电科学与工程学院匡翠方教授为论文共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、中国博士后科学基金、清华大学自主科研项目、之江实验室重大科研项目和北京市科技计划项目的资助。清华大学高性能计算中心提供了计算资源的支持。