一種制造光學(xué)器件的新方法

光刻技術(shù)涉及操縱光線將特征精確蝕刻到表面上，通常用于制造計算機(jī)芯片和透鏡等光學(xué)器件。但是制造過程中的微小偏差往往導(dǎo)致這些器件達(dá)不到設(shè)計者的預(yù)期。

為了縮小設(shè)計與制造的差距，麻省理工學(xué)院和香港中文大學(xué)的研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建了一個模擬特定光刻制造過程的數(shù)字模擬器。他們的技術(shù)利用從光刻系統(tǒng)收集的真實(shí)數(shù)據(jù)，因此可以更準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)如何制造設(shè)計。

研究人員將該模擬器與另一個數(shù)字模擬器集成到一個設(shè)計框架中，該數(shù)字模擬器模擬制造的設(shè)備在下游任務(wù)中的性能，例如用計算相機(jī)生成圖像。這些連接的模擬器使用戶能夠生產(chǎn)出更符合其設(shè)計的光學(xué)設(shè)備，并達(dá)到最佳的任務(wù)性能。

這項技術(shù)可以幫助科學(xué)家和工程師為移動相機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)成像、娛樂和電信等應(yīng)用創(chuàng)建更準(zhǔn)確和高效的光學(xué)設(shè)備。由于學(xué)習(xí)數(shù)字模擬器的途徑利用了現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因此它可以應(yīng)用于各種光刻系統(tǒng)。

機(jī)械工程研究生Cheng Zheng說：“這個想法聽起來很簡單，但人們以前沒有嘗試過的原因是真實(shí)數(shù)據(jù)可能很昂貴，而且沒有先例可以有效地協(xié)調(diào)軟件和硬件來構(gòu)建高保真數(shù)據(jù)集“我們冒了風(fēng)險，進(jìn)行了廣泛的探索，例如開發(fā)和嘗試特征化工具和數(shù)據(jù)探索策略，以確定一個可行的方案。結(jié)果出奇的好，證明真實(shí)數(shù)據(jù)比由分析方程組成的模擬器生成的數(shù)據(jù)更有效、更精確。盡管它可能很昂貴，而且一開始可能會讓人感到無助，但這是值得的?！?/p>

Cheng Zheng與香港中文大學(xué)研究生Guangyuan Zhao共同撰寫了這篇論文，她的導(dǎo)師是麻省理工學(xué)院的機(jī)械工程和生物工程教授彼得·T·蘇。該研究將在SIGGRAPH亞洲會議上公布。

用光來打印

光刻技術(shù)涉及將光圖案投影到表面上，這會引起化學(xué)反應(yīng)，將特征蝕刻到基材中。然而，由于光的衍射的微小偏差和化學(xué)反應(yīng)的微小變化，最終制造的器件的圖案略有不同。

由于光刻復(fù)雜且難以建模，許多現(xiàn)有的設(shè)計方法依賴于從物理學(xué)中導(dǎo)出的方程。這些通用的方程可以給出制造過程的一些意義，但不能捕捉到光刻系統(tǒng)特有的所有偏差。這可能會導(dǎo)致設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中表現(xiàn)不佳。

麻省理工學(xué)院的研究人員將他們稱之為神經(jīng)光刻的技術(shù)，以基于物理的方程為基礎(chǔ)，構(gòu)建了光刻模擬器，然后結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于用戶的實(shí)際光刻系統(tǒng)實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于人類大腦的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可以學(xué)習(xí)補(bǔ)償系統(tǒng)的許多特定偏差。

研究人員通過生成許多設(shè)計來收集他們的方法的數(shù)據(jù)，這些設(shè)計涵蓋了各種特征尺寸和形狀，他們使用光刻系統(tǒng)來制造這些設(shè)計。他們測量最終的結(jié)構(gòu)，并將其與設(shè)計規(guī)范進(jìn)行比較，將這些數(shù)據(jù)配對并使用它們來訓(xùn)練他們的數(shù)字模擬器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

Cheng Zheng說：“學(xué)習(xí)模擬器的性能取決于輸入的數(shù)據(jù)，從方程式中人工生成的數(shù)據(jù)無法覆蓋現(xiàn)實(shí)世界的偏差，這就是為什么擁有現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗數(shù)據(jù)的重要性。”

雙模擬器

數(shù)字光刻模擬器由兩個獨(dú)立的組件組成：一個光學(xué)模型，用于捕捉光如何投射到器件表面，以及一個抗蝕劑模型，用于顯示光化學(xué)反應(yīng)如何發(fā)生以在表面上產(chǎn)生特征。

在下游任務(wù)中，他們將這個學(xué)習(xí)過的光刻模擬器連接到基于物理的模擬器上，該模擬器可以預(yù)測所制造的設(shè)備將如何執(zhí)行該任務(wù)，例如衍射透鏡將如何衍射照射它的光線。

用戶指定他們希望設(shè)備實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。然后，這兩個模擬器在更大的框架內(nèi)協(xié)同工作，向用戶展示如何進(jìn)行設(shè)計以達(dá)到這些性能目標(biāo)。

Cheng Zheng補(bǔ)充道：“有了我們的模擬器，制造的物體可以在下游任務(wù)中獲得盡可能好的性能，比如計算相機(jī)，這是一種很有前途的技術(shù)，可以使未來的相機(jī)小型化和更強(qiáng)大。我們表明，即使你使用后校準(zhǔn)來嘗試獲得更好的結(jié)果，它仍然不如我們的光刻模型處于循環(huán)中?！?/p>

他們通過制造一個全息元件來測試這種技術(shù)，當(dāng)光線照射到該元件上時，該元件會產(chǎn)生蝴蝶圖像。與使用其他技術(shù)設(shè)計的設(shè)備相比，他們的全息元件產(chǎn)生了一個近乎完美的蝴蝶，與設(shè)計更接近。他們還制作了一個多級衍射透鏡，其圖像質(zhì)量優(yōu)于其他設(shè)備。

未來，研究人員希望改進(jìn)他們的算法，以模擬更復(fù)雜的設(shè)備，并使用消費(fèi)級相機(jī)測試該系統(tǒng)。此外，他們希望擴(kuò)展他們的方法，使其可以與不同類型的光刻系統(tǒng)一起使用，例如使用深紫外光或極紫外光的系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅