分步教程：成像家族——剖面、工艺胶片、3D、SEM、Blender

这是什么

一份 GDS，加上你自己拥有的三份文件，能出五种"图"。驱动它们的只有这三份 EXAMPLE-owned 文件——klink 只提供机制（xsection 引擎绑定、GLB 网格生成、SEM 光栅渲染、Blender 场景搭建），零工艺常数：

你的文件	是什么
`demo_layout.py`	示例版图：一整排四晶体管 CMOS 器件（p 衬底两个 NMOS + n-well 两个 PMOS，多晶硅栅极、每个源漏上的接触、金属1加电源轨），并导出切线 `CUT_UM`。改成你的器件就是改这份文件。
`demo.pyxs`	工艺配方——受信 Python，进程内执行；`# klink-step: <名字>` 注释标记每个工艺步。改成你的流程就是改这份文件。
`demo_stack.py`	一份 `klink_visual_stack_v1` 声明：每层的 `z0_um`/`z1_um`、颜色、SEM 灰阶（`sem_grey`）、材质类别（solid / lattice / dielectric）、对应的配方符号（`recipe_symbol`）。改成你的工艺就是改这份文件。

这篇教程走一遍随包 starter：example_template/imaging/demo_layout.py、demo.pyxs、demo_stack.py 和四个 demo 脚本（xsection_demo.py / render3d_demo.py / sem_demo.py / blender_demo.py），全部离线跑，输出落进 _generated/。

前置条件

安装 klink：pip install klayout-klink。
四个出口各自的依赖是可选的，按需装——少装了什么，klink 的报错会给出精确的 pip 命令：

pip install klayout klayout-pyxs==0.1.13            # 剖面引擎
pip install trimesh shapely mapbox-earcut           # 3D
pip install numpy scipy pillow                      # SEM / 胶片渲染
pip install bpy                                     # Blender（约 300MB，可选）

这条链路不需要 KLayout 在跑——四个 demo 脚本都是纯 Python，离线读写 GDS/GLB/PNG/HTML 文件。连着 KLayout/klink-mcp 时，同样的功能是四个 MCP 工具：imaging.xsection_run / imaging.render3d / imaging.sem_top / imaging.blender，参数和这些脚本一一对应；klink.find_tools domain=imaging 能看到完整用法。

拿到 starter

klink init myproj
cd myproj/example_template/imaging
python xsection_demo.py

升级 klink 之后用 klink update 刷新 starter（新增/修复的文件会回灌，你自己没碰过的旧文件会清理）。

重要：example_template/ 整个目录归 klink 包所有——klink update 会把它刷回随包状态。所以先把 demo_layout.py / demo.pyxs / demo_stack.py 拷贝到项目根目录或你自己的目录再改（和 pdk.py 一个待遇），不要直接改 example_template/ 里的文件。klink update 完全不碰 demo 的 _generated/ 输出目录。

1剖面 + 逐步工艺胶片

xsection_demo.py 先用 demo_layout.py 画一整排四晶体管 CMOS 器件：p 衬底左半两个 NMOS，n-well 右半两个 PMOS，多晶硅栅极横跨有源区，每个源漏上都有接触，金属1覆盖接触并带上下两条电源轨。再沿一条显式切线 CUT_UM = [[-0.8, 1.9], [11.2, 1.9]]（贯穿有源行正中间，切过四个栅极、间隔层和阱边界）剖开：一次单帧剖面，一次 steps=True 的逐步工艺胶片。

python xsection_demo.py

十一帧竖排剖面胶片，从裸衬底经 n-well 注入、LOCOS 场氧、多晶硅栅极、LDD、侧墙、源漏注入、层间介质、钨塞接触，一路叠到金属1完成互连 — 逐步工艺胶片（`film_film.png`）：`demo.pyxs` 的 11 个 `klink-step` 各出一帧剖面，从裸衬底一路叠到金属1互连完成。

demo.pyxs 用 # klink-step: <名字> 注释标记工艺步——每个标记命名的是它后面紧跟的那段代码，胶片按标记数量渲染，一步一帧；这版配方有 11 个标记：p-substrate、n-well implant、LOCOS field oxide、gate oxide、poly gate + silicide、LDD implants、spacer、source/drain implants、ILD deposition、contact etch + W plug + CMP、metal-1 damascene。下面是配方的一段摘录（完整 11 步见 demo.pyxs）：

# klink-step: p-substrate
pbulk = bulk()

# klink-step: n-well implant
nwell = mask(lnwell).grow(0.55, -0.05, mode='round', into=pbulk)

# klink-step: LOCOS field oxide
mfield = mask(lfield)
_fox_up = mfield.grow(0.22, 0.22, bias=0.12, mode='round')
_fox_dn = mfield.grow(0.22, 0.22, bias=0.12, mode='round',
                     into=[pbulk, nwell])
fox = _fox_up.or_(_fox_dn)

# ... gate oxide / poly gate + silicide / LDD implants / spacer /
# source-drain implants / ILD deposition 在这里（完整代码见 demo.pyxs）...

# klink-step: contact etch + W plug + CMP
mask(lcontact).etch(0.85, into=ild, taper=5)
tungsten = deposit(0.18, 0.18)
planarize(into=[tungsten, ild], less=0.5)

# klink-step: metal-1 damascene
imd = deposit(0.22)
mask(lmetal1).etch(0.32, into=imd, taper=5)
metal1 = deposit(0.22, 0.22)
planarize(into=[metal1], less=0.22)

被赋值给变量的材质会按变量名自动输出，不需要写 output()——但变量名以 _ 开头的例外：上面 _fox_up / _fox_dn 是 LOCOS 场氧上下两半各自生长出的中间结果，按惯例标成下划线开头，只用来 .or_() 合成最终的 fox，本身不会作为一种材质单独出现在图里。

5 帧最有代表性的截取（完整 11 帧见上面的胶片）：

第1步剖面：切线下方是一整块均匀的棕褐色 p 衬底，上方是空气，还没有任何结构 — 步骤 1/11 · p-substrate

第3步剖面：剖面两端各出现一个圆角的蓝灰色场氧化物凸起，中间偏右有一块颜色略浅的 n-well 区域 — 步骤 3/11 · LOCOS field oxide

第5步剖面：硅表面均匀分布着四个深红色的小方块状多晶硅栅极，场氧化物凸起仍在两端 — 步骤 5/11 · poly gate + silicide

第10步剖面：浅蓝灰色的层间介质覆盖全表面，若干深灰色梯形钨塞垂直穿过它连到下方绿色和紫色的源漏区 — 步骤 10/11 · contact etch + W plug + CMP

第11步（最后一步）剖面：在钨塞上方又出现一层灰蓝色金属层，通过下方的钨塞与源漏区相连 — 步骤 11/11 · metal-1 damascene

MCP 工具：imaging.xsection_run——cut_um 必须显式给（µm），steps=true 配合配方里的 # klink-step: 标记出胶片；z_window_um 给每帧定一个统一的 z 窗口（这里是 (-1.1, 1.5)——engine 的衬底本身有好几微米深，不框一下画面大半都是衬底），axis=true 会在每帧左边画一条带刻度的 z / µm 标尺、右下角配一条水平比例尺（上面每张图左边的刻度和角落的 "1 µm" 线段就是它画的）。输出确定性（GDS 不带时间戳），overwrite=false 是默认值，每次运行都写一份 klink_imaging_result_v1 机读 sidecar。

23D + 自含网页查看器

render3d_demo.py 把同一份四晶体管 CMOS 版图出成两个 GLB + 两个自含网页查看器：

python render3d_demo.py

fast_glb = OUT / "render3d_fast.glb"
build_glb_fast(str(GDS), STACK, str(fast_glb))                    # 拉伸 STACK 声明
build_viewer_html(str(fast_glb), str(OUT / "render3d_fast.html"))

proc_glb = OUT / "render3d_process.glb"
build_glb_process(str(GDS), STACK, str(RECIPE), str(proc_glb),
                  slices=24, fraction=0.6)                        # 扫过真实配方，fraction<1 是切角
build_viewer_html(str(proc_glb), str(OUT / "render3d_process.html"))

fast 模式直接拉伸 demo_stack.py 里的 z0_um/z1_um，快但形状是理想化的层块；process 模式沿着真实的 .pyxs 配方做切片扫描，LOCOS/保形层/CMP 那种真实拓扑都会体现出来——本例还传了 fraction=0.6，做出一个切角（cutaway），暴露面就是一个真实的剖面。生成的 .html是完全自含、离线的（查看器 JS + 模型数据都编码进同一个文件），双击直接在浏览器打开，拖动旋转，右侧面板能调每层的颜色/金属度/粗糙度、导出 PNG。

这就是 render3d_demo.py 生成的那个文件本身，原样嵌在这里：拖动旋转、滚轮缩放，右侧面板调背景/曝光/色调映射/阴影、逐材质改颜色与金属度，还能导出 PNG。它是单文件、离线的——查看器 JS 和模型数据都编码在这一个 HTML 里，单独打开或拷给同事双击都一样能跑，不连网、不装东西。

process-cutaway GLB 的渲染：一整条矩形 die，顶面沿长度方向有一道浅槽，均匀分布着四个深红色多晶硅栅极凸起，栅极之间是深灰色的竖直接触/金属列，透明背景带柔和阴影 — 这不是自含网页查看器的截图（那是一个你要自己双击打开的离线 HTML 页面）——这是同一个 `render3d_process.glb` 模型被 `blender_demo.py` 的 `mode="die"` 重新摆到透明薄膜 + 阴影承接面上渲染出的静态图：能看到顶面沿长度方向的浅槽、四个深红色多晶硅栅极凸起，以及栅极之间深灰色的接触/金属列，用来在文档里表示这个模型长什么样。

MCP 工具：imaging.render3d——mode="fast" 拉伸 klink_visual_stack_v1 声明；mode="process" 扫过 xsection 引擎，配方材质（pbulk/nwell/tungsten 等）通过 recipe_symbol 映射上色，没映射上的材质标灰并报告 unstyled。

3SEM 风格顶视

sem_demo.py 把版图渲染成"看起来像"二次电子显微图的顶视图：按 VisualStack 里每层的 sem_grey/edge_glow 出灰阶发射强度和边缘亮边，加光刻圆角、束斑模糊、带种子的胶片颗粒、扫描线、暗角——同一个种子永远出同一张图。

python sem_demo.py

灰度 SEM 顶视图：上下各一条粗的亮灰色电源轨，中间九根亮灰色竖条高度交替排列，横跨一条稍亮的水平有源区带，背景左半接近纯黑、右半是较浅的深灰色，分界线出现在正中间 — 灰度版（`sem_top.png`）：顶部/底部两条电源轨，中间九根竖条是四个多晶硅栅极和五个金属1接触列交替排列，横跨有源区；背景左半（p 衬底）比右半（n-well）暗——per-layer `sem_grey` 发射强度决定了这些明暗差。

假彩色 SEM 顶视图：红色竖条（多晶硅栅极）和浅蓝灰色竖条（金属1）交替排列，横跨绿色的有源区带，上下各有一条浅蓝灰色电源轨，背景左侧深蓝黑、右侧橄榄棕色 — 假彩色版（`sem_top_color.png`）：同一份数据换一种看法——红色是多晶硅栅极，浅蓝灰色是金属1，绿色带是有源区，背景颜色区分 p 衬底（深蓝黑）和 n-well（橄榄棕）。

脚本还按 demo_stack.py 的层顺序累积渲染"目前已印出哪些掩膜"的序列——配合配方的 # klink-step: 顺序，就是顶视版的逐步工艺胶片：

只印过 n-well 掩膜后的顶视：画面几乎是空白的，只能看到一条竖直分界线把左侧较深的区域和右侧略浅的区域分开，没有任何其他可见结构 — 只印过掩膜 `1/0`（n-well）之后的顶视（`sem_after_1_0.png`）——n-well 本身是一次没有自身形貌的注入，这一步画面只是一块被 well 边界分成深浅两块的平坦灰场；有源/多晶/接触/金属这些之后才印的掩膜，此刻完全看不到任何结构。`layers=` 参数限制到目前已印出的掩膜子集。

MCP 工具：imaging.sem_top——灰度 + 假彩色两个 PNG 一次出，layers=[...] 限制到某一步已印出的掩膜子集，确定性渲染（同种子同结果）。

4Blender 论文级渲染

blender_demo.py 用无头 bpy 出两张图，来自同一批声明：

python blender_demo.py

mode="figure"：一个二维材料器件，按版图坐标 1:1 摆放——10/0 层是 MoS2 flake，声明 kind="lattice", motif="mos2" 后直接长出真实原子晶格（也支持 motif="graphene"）；20/0 层是 Au 电极，画成精确的版图棱柱；外加显式的 Si/SiO2 衬底 slab。
mode="die"：把 render3d_process.glb（第②节的产物）重新摆到透明薄膜 + 阴影承接面上，就是上面已经看过的那张切角芯片图。

MoS2 场效应器件的论文级渲染：中间是不规则六边形的原子晶格薄片，两端各连一个金色矩形电极，下方是灰蓝色的 SiO2/Si 衬底切块 — `blender_figure.png`：MoS2 flake 长成真实原子晶格（`kind="lattice", motif="mos2"`），Au 电极是精确的版图棱柱，衬底是显式的 SiO2/Si slab。

两种模式都额外写一份 .blend（blender_figure.blend / blender_die.blend）——在桌面版 Blender 里打开就能手动调相机、灯光、材质再重新渲染，不是一次性黑盒输出。

MCP 工具：imaging.blender——子进程隔离跑 headless bpy；mode="die" 需要先跑过 imaging.render3d（或 render3d_demo.py）产出的 process GLB；mode="figure" 直接吃 gds + stack，需要 bpy（外加 trimesh/klayout-pyxs==0.1.13，如果要用 die 模式）。

物理对不对？

这不是营销话术，是一个可核对的结果：同一份版图，把 .pyxs 配方里接触工序的那几行代码换三种写法，钨塞是否真的出现在生成的 3D 模型里就完全不一样——因果关系在配方顺序里，不在版图坐标里。

变体	配方改动	模型里的 W plug
A（随包 `demo.pyxs` 就是这个顺序）	`ild = deposit(...)` → `mask(lcontact).etch(0.85, into=ild, taper=5)` → `tungsten = deposit(...)` → `planarize(...)`	z = 0.00 – 0.49 µm：钨塞从硅表面一路灌到 CMP 平坦化后的顶面。
B（删掉接触刻蚀那一行）	`mask(lcontact).etch(...)` 那一行整个删掉	模型里完全没有 W plug 这种材质——没有孔可填，CMP 直接把整层钨磨掉了。
C（把接触刻蚀挪到 ILD 沉积之前）	同样的 `etch` 那一行，挪到 `ild = deposit(...)` 之前执行	同样完全没有——是在一层还没沉积出来的膜上开孔，相当于在空气里刻蚀。

三种情况下版图逐字节相同，只是配方顺序不同：B 和 C 都是开路——每个晶体管都断在接触层，整个器件不导通。而且版图视图里什么都看不出来：普通的版图检查工具只看 GDS 里的多边形，这三个变体的 GDS 是同一份文件。只有剖面和 process 模式 3D 才能看见这个断路，因为它们真正跑了配方顺序，而不是把层当成理想化的盒子直接叠起来。

顺带说一句诚实话：三种情况下金属1都稳稳地待在 z = 0.45 – 0.93 µm——上面几层看起来完全正常，因为金属1的 damascene 工序根本不关心下面的钨塞在不在。失效只在接触层可见，光看版图或只看金属层视图都发现不了。

常见坑：deposit ≠ patterned

动词语义（最容易踩的坑）：带图案的沉积是 mask(l).grow(...)——没有 mask(l).deposit() 这种写法；deposit(...) 永远是整面覆盖（blanket）操作。etch(...) 同理也是整面刻蚀；带图案的刻蚀要写 mask(l).etch(...)。demo.pyxs 就是活例子：nwell 用 mask(lnwell).grow(...)（图案化生长），gox/ild/tungsten/imd/metal1 这些用整面的 deposit(...)，接触孔和金属1沟槽分别用 mask(lcontact).etch(...) 和 mask(lmetal1).etch(...)（图案化刻蚀）。

确定性 · 产物契约

永不静默覆盖：目标文件已存在时默认拒绝，必须显式传 overwrite=True 才会替换。
每次运行都写机读 sidecar：*.klink_imaging.json，格式 klink_imaging_result_v1——里面有输入的 cut_um/参数、每个输出文件的 sha256、GDS/配方输入的 sha256，脚本或 CI 可以直接读这份 JSON 而不是解析人读的日志。
GDS 输出字节可复现：不写时间戳，同样的输入两次跑出字节相同的 GDS。

引擎与查看器归属

剖面由 klayout-pyxs 引擎驱动——klink 把它当依赖导入，固定版本 ==0.1.13，从不 vendor 进仓库；3D 查看器里嵌的是 Google 的 <model-viewer>（vendor 了一份打包好的 JS，这样导出的 .html 才能完全离线打开）。klink 自己写的是 GLB 网格生成、SEM 光栅渲染和 Blender 场景搭建这几层胶水，不是剖面引擎或查看器本身。

下一步

把 demo_layout.py、demo.pyxs 和 demo_stack.py 拷到你自己的项目里，换成你真实的版图、层号/z 范围/颜色和真实的工艺步骤（沉积厚度、刻蚀深度、掩膜层），四个脚本原样重跑。想看物理对不对，就照着上面「物理对不对？」节的做法，在配方里挪一行代码的顺序（比如把某道刻蚀挪到它该在的沉积之前），对比 process 模式（imaging.render3d mode="process"）或剖面（imaging.xsection_run）跑出来的材质有没有整个消失——材质凭空消失说明配方在真实生效，不是装饰。四个出口共用同一套 VisualStack 声明，改一次层颜色，剖面/3D/SEM/Blender 四张图都会跟着换。

分步教程：从一份 GDS 出五种图