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南安普頓大學(xué)Nano Lett.: 深度學(xué)習(xí)輔助聚焦離子束納米加工

聚焦離子束（FIB）銑削是一種重要的快速原型制作工具，廣泛用于微/納米制造及器件和材料表征。該技術(shù)允許在各種材料中制造任意結(jié)構(gòu)，但為給定任務(wù)建立工藝參數(shù)是一項(xiàng)多維優(yōu)化挑戰(zhàn)，通常通過耗時(shí)的迭代試錯(cuò)來解決。

在此，英國(guó)南安普頓大學(xué)Kevin F. MacDonald, Ben Mills等人證明基于先前制造經(jīng)驗(yàn)的深度學(xué)習(xí)可以預(yù)測(cè)聚焦離子束（FIB）銑削制造結(jié)構(gòu)的后加工外觀，涵蓋廣泛的樣品設(shè)計(jì)幾何形狀（任意微/納米結(jié)構(gòu)特征形狀和尺寸）及離子束參數(shù)（電流和單位面積劑量）。

研究表明，每次預(yù)測(cè)僅需幾十毫秒，且在考慮儀器和目標(biāo)特定工件的情況下，在一系列離子束參數(shù)上的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度超過96%。這可以顯著減少新FIB工藝的開發(fā)和優(yōu)化所需的實(shí)驗(yàn)劑量測(cè)試迭代的時(shí)間和次數(shù)，還可以用于快速評(píng)估設(shè)計(jì)的影響或工藝參數(shù)修改。這種預(yù)測(cè)保持了樣品性能（既定工藝結(jié)果的一致性），可以防止離子源和離子槍束孔老化，從而增加了所述組件的使用壽命，特別是在高度重復(fù)（如交叉截面表征）任務(wù)中。

圖1. FIB銑削的深度學(xué)習(xí)模擬

此外，針對(duì)儀器/目標(biāo)材料的特定偽影的預(yù)測(cè)結(jié)果同樣準(zhǔn)確，這增加了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于早期故障（束對(duì)齊、孔徑損傷）檢測(cè)和識(shí)別的前景。為了驗(yàn)證該模型的可用性，作者訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來模擬特定目標(biāo)介質(zhì)上特定類型的FIB銑削任務(wù)，同時(shí)改變離子電流和劑量（保持所有其他系統(tǒng)參數(shù)不變）。

在實(shí)踐中，可以根據(jù)手頭的任務(wù)、相關(guān)的各種目標(biāo)材料及全方位的基板和系統(tǒng)元數(shù)據(jù)來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。通過這種方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將積累對(duì)影響過程結(jié)果的眾多樣本和系統(tǒng)參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系的“理解”。因此，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的FIB/SEM系統(tǒng)作為集成的微/納米制造和樣品表征平臺(tái)不僅具有相當(dāng)大的功能增強(qiáng)空間，而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可能有助于對(duì)銑削工藝（即離子束-目標(biāo)相互作用）的新科學(xué)理解。

圖2. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)和實(shí)際FIB銑削過程結(jié)果之間的比較

Deep-Learning-Assisted Focused Ion Beam Nanofabrication, Nano Letters 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04604

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