神經(jīng)光刻：彌合計(jì)算光學(xué)中設(shè)計(jì)到制造的差距

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
計(jì)算光學(xué)改變了光學(xué)元件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超越傳統(tǒng)光學(xué)的先進(jìn)功能。然而，關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍然存在：即"設(shè)計(jì)到制造的差距"，其中制造出的光學(xué)元件往往與預(yù)期設(shè)計(jì)有顯著偏差。本文介紹了神經(jīng)光刻，這是新穎方法，將學(xué)習(xí)到的光刻模擬器集成到光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，以解決這一差距[1]。
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神經(jīng)光刻的概念
神經(jīng)光刻旨在通過(guò)將光刻系統(tǒng)的數(shù)字孿生納入設(shè)計(jì)循環(huán)來(lái)縮小計(jì)算光學(xué)中的設(shè)計(jì)到制造差距。這種方法允許設(shè)計(jì)者在優(yōu)化過(guò)程中考慮制造約束，從而提高制造出的光學(xué)元件的性能。
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圖1說(shuō)明了用于改善制造光學(xué)質(zhì)量的神經(jīng)光刻框架。顯示了將學(xué)習(xí)到的光刻系統(tǒng)數(shù)字孿生集成到光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中。
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' [( r" F* ^- k' k( w" X+ B神經(jīng)光刻流程由兩個(gè)主要部分組成：
3 ^- d* O1 v; f) T1. 低級(jí)優(yōu)化：學(xué)習(xí)神經(jīng)光刻模擬器
第一步涉及創(chuàng)建真實(shí)光刻系統(tǒng)的數(shù)字孿生。通過(guò)對(duì)從制造結(jié)構(gòu)中收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬器學(xué)習(xí)根據(jù)輸入布局預(yù)測(cè)制造結(jié)構(gòu)的高度剖面。
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圖2顯示了光刻數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了輸入布局如何通過(guò)光學(xué)和光刻膠模型轉(zhuǎn)換為預(yù)測(cè)最終制造結(jié)構(gòu)高度。

: a8 ]' J) |6 C4 O! R; d8 t2. 高級(jí)優(yōu)化：考慮制造約束設(shè)計(jì)光學(xué)元件
+ ~- v4 }# X1 D" U: o) S, e一旦訓(xùn)練好神經(jīng)光刻模擬器，就將其集成到光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中。這允許設(shè)計(jì)者在考慮預(yù)測(cè)制造結(jié)果的同時(shí)優(yōu)化輸入布局，從而產(chǎn)生制造后性能更好的設(shè)計(jì)。
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數(shù)據(jù)收集和模型訓(xùn)練
為了訓(xùn)練神經(jīng)光刻模擬器，收集了輸入布局和相應(yīng)制造結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集。使用雙光子光刻（TPL）系統(tǒng)制造結(jié)構(gòu)，并使用原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行表征。
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. q' z( m( C/ }6 V7 S圖3顯示了用于學(xué)習(xí)神經(jīng)光刻模擬器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集示例，比較了輸入布局與輸出打印，并突出顯示了高度偏差。

% v0 p6 L6 C5 r0 r神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，以最小化其預(yù)測(cè)與實(shí)際制造結(jié)構(gòu)之間的差異。比較了各種模型架構(gòu)，包括基于物理學(xué)習(xí)（PBL）、參數(shù)化物理模型和傅里葉神經(jīng)算子（FNO），以找到最準(zhǔn)確的模擬器。

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圖4展示了學(xué)習(xí)到的光刻模擬器的前向預(yù)測(cè)能力，比較了不同建模方法的損失曲線和誤差圖。

) C6 `5 i' s8 o0 e! X# x計(jì)算光學(xué)中的應(yīng)用
通過(guò)兩個(gè)具有代表性的計(jì)算光學(xué)任務(wù)展示了神經(jīng)光刻的有效性：
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. y$ O# _; t; }  p1. 全息光學(xué)元件（HOE）
HOE是用于生成所需圖像或衍射圖案的微結(jié)構(gòu)光學(xué)組件。神經(jīng)光刻方法被應(yīng)用于設(shè)計(jì)用于在線全息系統(tǒng)的HOE。


5 ~2 q0 w; G. ]' t# G% D: L圖5顯示了設(shè)計(jì)HOE的性能比較，展示了在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用神經(jīng)光刻模擬器時(shí)圖像質(zhì)量的改善。

: a9 W) [8 D8 K* K2. 多級(jí)衍射透鏡（MDL）
MDL是傳統(tǒng)折射透鏡的緊湊替代品。神經(jīng)光刻流程用于設(shè)計(jì)直接成像和計(jì)算成像任務(wù)的MDL。


圖6展示了設(shè)計(jì)MDL的成像性能，展示了在使用神經(jīng)光刻方法時(shí)直接成像中對(duì)比度的增強(qiáng)和計(jì)算成像中高頻成像性能的改善。
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3 x3 g; M! _( ~7 i6 w9 g. w結(jié)果和性能提升
將神經(jīng)光刻模擬器集成到設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)致制造的光學(xué)元件性能顯著提升：

. _0 H6 W- D/ s, c5 ?1. 對(duì)于HOE，使用神經(jīng)光刻模擬器優(yōu)化的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了質(zhì)量更高的全息圖像，具有更好的對(duì)比度和改進(jìn)的SSIM和PSNR分?jǐn)?shù)。
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, u& Q# \$ }/ J! A1 }$ F- ^2. 在MDL的情況下，神經(jīng)光刻方法導(dǎo)致：
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直接成像應(yīng)用中成像對(duì)比度增強(qiáng)

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）更亮、更集中

計(jì)算成像任務(wù)中高頻成像能力提升

這些結(jié)果表明，通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮制造約束，神經(jīng)光刻可以緩解設(shè)計(jì)到制造的差距，并產(chǎn)生制造后性能更好的光學(xué)元件。

局限性和未來(lái)工作
雖然神經(jīng)光刻顯示了有希望的結(jié)果，但仍需考慮一些局限性：

該方法的準(zhǔn)確性基本上受到制造和測(cè)量過(guò)程中噪聲的限制。

神經(jīng)光刻模擬器缺乏理論保證，這可能在病態(tài)反問(wèn)題設(shè)計(jì)中導(dǎo)致不利設(shè)計(jì)。

模擬和真實(shí)光學(xué)系統(tǒng)之間仍存在差距，可能影響性能。

5 y5 a4 }+ A" m; X  a神經(jīng)光刻的未來(lái)研究方向包括：

將該方法適應(yīng)于其他光刻技術(shù)，如極紫外（EUV）光刻或電子束光刻。

探索先進(jìn)建模技術(shù)，如神經(jīng)架構(gòu)搜索或隱式神經(jīng)場(chǎng)，以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)效率。

研究神經(jīng)光刻在更復(fù)雜的計(jì)算光學(xué)任務(wù)中的應(yīng)用，如深度感知或光計(jì)算。
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  Z' n$ d! _  e; P+ }! O! f結(jié)論
神經(jīng)光刻代表了彌合計(jì)算光學(xué)中設(shè)計(jì)到制造差距的重要進(jìn)展。通過(guò)將學(xué)習(xí)到的光刻過(guò)程數(shù)字孿生集成到設(shè)計(jì)循環(huán)中，這種方法能夠創(chuàng)建制造后性能更好的光學(xué)元件。隨著該領(lǐng)域不斷發(fā)展，神經(jīng)光刻有潛力加速各種應(yīng)用中先進(jìn)計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化。

1 h& v- e! J" J  a參考文獻(xiàn)
. G. l) {+ r0 S. h1 ^/ p% ^) d[1] C. Zheng, G. Zhao, and P. T. C. So, "Close the Design-to-Manufacturing Gap in Computational Optics with a 'Real2Sim' Learned Two-Photon Neural Lithography Simulator," in SIGGRAPH Asia 2023 Conference Papers (SA Conference Papers '23), December 12-15, 2023, Sydney, NSW, Australia. ACM, New York, NY, USA, 9 pages. https://doi.org/10.1145/3610548.3618251
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