神經(jīng)光刻：彌合計算光學(xué)中設(shè)計到制造的差距

逍遙設(shè)計自動化

引言
計算光學(xué)改變了光學(xué)元件的設(shè)計，實現(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)計過程中，以解決這一差距[1]。


神經(jīng)光刻的概念
神經(jīng)光刻旨在通過將光刻系統(tǒng)的數(shù)字孿生納入設(shè)計循環(huán)來縮小計算光學(xué)中的設(shè)計到制造差距。這種方法允許設(shè)計者在優(yōu)化過程中考慮制造約束，從而提高制造出的光學(xué)元件的性能。

" `6 q' U5 |$ X7 g圖1說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)計過程中。
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. X4 R5 ~7 _  _# z/ x' v神經(jīng)光刻流程由兩個主要部分組成：
1. 低級優(yōu)化：學(xué)習(xí)神經(jīng)光刻模擬器
! L9 a+ {3 o1 J1 G( s% B0 x第一步涉及創(chuàng)建真實光刻系統(tǒng)的數(shù)字孿生。通過對從制造結(jié)構(gòu)中收集的實驗數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。模擬器學(xué)習(xí)根據(jù)輸入布局預(yù)測制造結(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)，說明了輸入布局如何通過光學(xué)和光刻膠模型轉(zhuǎn)換為預(yù)測最終制造結(jié)構(gòu)高度。

5 \: _0 {7 x5 Z6 A9 p3 W8 \6 W2. 高級優(yōu)化：考慮制造約束設(shè)計光學(xué)元件
+ ^5 Z, c2 o$ g2 s! S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)計過程中。這允許設(shè)計者在考慮預(yù)測制造結(jié)果的同時優(yōu)化輸入布局，從而產(chǎn)生制造后性能更好的設(shè)計。
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1 o/ D3 d) _6 G5 i6 P' U5 e0 J數(shù)據(jù)收集和模型訓(xùn)練
: H" p2 k/ |, b& }+ P% O8 ]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。
) [% t7 n6 b1 w$ @) Q1 O. Q

圖3顯示了用于學(xué)習(xí)神經(jīng)光刻模擬器的實驗數(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。

8 O7 `3 ]9 m& B  X0 u" D$ L  o神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練，以最小化其預(yù)測與實際制造結(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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4 l4 E# ?/ `8 [' i' K# W圖4展示了學(xué)習(xí)到的光刻模擬器的前向預(yù)測能力，比較了不同建模方法的損失曲線和誤差圖。
5 z2 z4 K0 n  ~7 S) V2 Y
, B; f0 d. \  y8 h計算光學(xué)中的應(yīng)用
2 d7 o2 [( u* h2 O5 F通過兩個具有代表性的計算光學(xué)任務(wù)展示了神經(jīng)光刻的有效性：
, q- q' |7 [1 P
& D9 b: x" P/ w1. 全息光學(xué)元件（HOE）
, y. R5 j# c$ [# Z" qHOE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)計用于在線全息系統(tǒng)的HOE。
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) Y2 e7 J+ n+ ]7 _$ j" c8 h  f
/ b4 i1 ]/ t1 A* z( W4 d圖5顯示了設(shè)計HOE的性能比較，展示了在設(shè)計過程中使用神經(jīng)光刻模擬器時圖像質(zhì)量的改善。

5 ?5 ?, b0 W" c* c# `" o  ]7 i  [2. 多級衍射透鏡（MDL）
8 n1 Q. J* E2 c/ ]% e8 vMDL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)計直接成像和計算成像任務(wù)的MDL。

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圖6展示了設(shè)計MDL的成像性能，展示了在使用神經(jīng)光刻方法時直接成像中對比度的增強(qiáng)和計算成像中高頻成像性能的改善。
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/ |1 f( `! Q+ U4 u% V( o結(jié)果和性能提升
! T) e* l/ |% w" ?將神經(jīng)光刻模擬器集成到設(shè)計過程中導(dǎo)致制造的光學(xué)元件性能顯著提升：
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1. 對于HOE，使用神經(jīng)光刻模擬器優(yōu)化的設(shè)計產(chǎn)生了質(zhì)量更高的全息圖像，具有更好的對比度和改進(jìn)的SSIM和PSNR分?jǐn)?shù)。

2. 在MDL的情況下，神經(jīng)光刻方法導(dǎo)致：

直接成像應(yīng)用中成像對比度增強(qiáng)

點擴(kuò)散函數(shù)（PSF）更亮、更集中

計算成像任務(wù)中高頻成像能力提升
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* P7 h; F0 }* T3 Y這些結(jié)果表明，通過在設(shè)計過程中考慮制造約束，神經(jīng)光刻可以緩解設(shè)計到制造的差距，并產(chǎn)生制造后性能更好的光學(xué)元件。

8 A: k; z! I: _% T  s局限性和未來工作
/ b/ U8 x; q) P0 g9 f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量過程中噪聲的限制。

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

模擬和真實光學(xué)系統(tǒng)之間仍存在差距，可能影響性能。
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: e/ i+ p, q3 c% [神經(jīng)光刻的未來研究方向包括：

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，以提高預(yù)測準(zhǔn)確性和設(shè)計效率。

研究神經(jīng)光刻在更復(fù)雜的計算光學(xué)任務(wù)中的應(yīng)用，如深度感知或光計算。
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. e( \& K' C& b5 c; T結(jié)論
神經(jīng)光刻代表了彌合計算光學(xué)中設(shè)計到制造差距的重要進(jìn)展。通過將學(xué)習(xí)到的光刻過程數(shù)字孿生集成到設(shè)計循環(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)計算光學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)和商業(yè)化。
, b: G$ ?! `0 a3 e7 N4 r: n, ^
# x5 j: R4 f& s參考文獻(xiàn)
[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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