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

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引言
1 d2 K( k1 o: A3 Q6 e+ Y* d, W! u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)光刻旨在通過將光刻系統(tǒng)的數(shù)字孿生納入設(shè)計(jì)循環(huán)來縮小計(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)過程中。
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: C2 u2 V: c/ o6 T! i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
第一步涉及創(chuàng)建真實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)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。

; Y. X  F4 X8 }, O- }2. 高級優(yōu)化：考慮制造約束設(shè)計(jì)光學(xué)元件
( B1 B7 N7 e9 M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)過程中。這允許設(shè)計(jì)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(jì)。
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% m9 S+ s- }8 G. C6 n數(shù)據(jù)收集和模型訓(xùn)練
+ }! [+ w1 {, x7 N* G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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8 D$ f! S2 w0 K) o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。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練，以最小化其預(yù)測與實(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。


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。

計(jì)算光學(xué)中的應(yīng)用
' o- U; W+ Y- s通過兩個具有代表性的計(jì)算光學(xué)任務(wù)展示了神經(jīng)光刻的有效性：

0 q" N7 Z0 n5 e, Y7 Q' F1. 全息光學(xué)元件（HOE）
7 s* R0 H( y4 J9 m' MHOE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。

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4 P$ V3 G8 M) I6 n圖5顯示了設(shè)計(jì)HOE的性能比較，展示了在設(shè)計(jì)過程中使用神經(jīng)光刻模擬器時圖像質(zhì)量的改善。

2. 多級衍射透鏡（MDL）
1 Y* g% `3 @$ I. SMDL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。

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( k4 P2 c5 O2 L: \& i/ M/ k5 N0 W圖6展示了設(shè)計(jì)MDL的成像性能，展示了在使用神經(jīng)光刻方法時直接成像中對比度的增強(qiáng)和計(jì)算成像中高頻成像性能的改善。

結(jié)果和性能提升
* T. N4 |& V( u$ F  ^' |+ S將神經(jīng)光刻模擬器集成到設(shè)計(jì)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(jì)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)。
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/ J3 C, p, k  }) Y- F) Y" F2. 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
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8 J0 y6 t" F' m( v這些結(jié)果表明，通過在設(shè)計(jì)過程中考慮制造約束，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：
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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(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。

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(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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$ m- R, k; x; n( i/ _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。通過將學(xué)習(xí)到的光刻過程數(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)的開發(fā)和商業(yè)化。
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* p! N0 A" L3 N1 V8 m, @參考文獻(xiàn)
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