美國商務部國家標準與技術研究所（NIST）發布了一份報告，概述了在測量、標準化、建模和仿真方面的七大戰略性"重大挑戰",如果這些挑戰得到滿足，將加強美國半導體產業。

半導體對美國的經濟增長、國家安全以及公共健康和安全至關重要。微電子的革命性進展繼續推動通信、信息技術、醫療保健、軍事系統、交通、能源和基礎設施的創新。隨著微電子技術變得更小、更快、更復雜--提供前所未有的性能，其創造變革的潛力正在成倍增長。下一代系統、設備和相關技術對于解決社會最迫切的需求至關重要。

在微電子研究、開發和制造方面處于領先地位的國家，將在定義和收獲技術的動態轉變中發揮主導作用。經濟有效地制造復雜的下一代微電子器件并將其集成到新型系統和封裝中的能力是一個越來越大的挑戰，加上對性能、功能和安全的要求越來越高。

為了加強美國在半導體領域的地位，美國國會授權了一套被稱為芯片法案的計劃，這些計劃將有助于恢復美國在微電子制造業的領導地位，并通過提供激勵措施和鼓勵投資來擴大生產能力和增長，確保美國的尖端產品供應。

利用幾十年來在下一代設備、系統和相關技術方面的經驗，NIST在CHIPS法案的授權下發揮了特殊的作用，進行關鍵的計量學研發，以加強美國半導體行業競爭力。

計量學挑戰影響著美國半導體行業正處于一個關鍵階段，迫切需要解決。

計量學是測量及其應用的科學，在高達50%的半導體制造步驟中發揮著關鍵作用，以確保質量、產量和性能。隨著設備變得更加復雜，測量、監測、預測和確保制造質量的能力變得更加困難。例如，現代芯片可能包含超過1000億個復雜的納米器件，這些器件的直徑不到50個原子--所有這些器件必須以幾乎相同的方式工作，才能使芯片發揮作用。今天，美國國內半導體行業使用變通方法和不足的工具來面對這些計量挑戰。其結果是質量和制造產量下降，制造成本增加，產品創新速度減慢。

應對計量學的巨大挑戰將支持半導體行業的生產、創新和競爭力的提高。

由于認識到計量學對于實現未來的微電子創新至關重要，NIST已經與利益相關者合作，確定需要研發的關鍵挑戰。NIST通過一系列的研討會、信息征集以及與主要公司的討論獲得了信息，并提出了以七大挑戰為重點的戰略發展路線。挑戰概述了加強美國半導體行業所需的計量研發。半導體技術發展的所有階段都需要計量學，從實驗室的基礎和應用研發到概念證明、規模原型、工廠制造、裝配和包裝，以及最終部署前的性能驗證。

計量學是我們應對半導體制造商所面臨挑戰的能力的基礎。進行投資今天計量能力的提高將為未來的技術需求提供保障，并支持美國在下一代微電子領域的領先地位。加快研發急需的計量學進展刻不容緩，而且可以獲得許多高影響的成果。

?推進美國在文件標準制定方面的領導地位，以加強美國在先進微電子材料、設計、制造和包裝方面的全球競爭力。

?開發和部署急需的測量服務（參考材料、參考數據、校準），以推動美國在微電子制造和相關技術方面的領先地位。

?開發和部署創新的制造計量學，使美國工業界能夠提高制造產量，改善性能，并加快下一代微電子的上市時間。

?開發和部署新的保證和證明技術，以減少整個供應鏈中的微電子安全風險，從設計和開發到制造、包裝和壽命終結。

?建立具有最先進設備和工具的先進計量學研發試驗臺，以推動下一代微電子學的計量學創新。

?建立和維持與工業界的合作關系，以加速技術從實驗室向商業市場的轉移，并支持人才的發展和部署。

50多年來，縮小晶體管的尺寸使工程師能夠制造出更復雜和更高的電路。器件的性能更好，需要更少的功率，而且生產成本更低。隨著幾何比例達到其實際極限，納米級的材料驅動創新已成為開發先進設備的關鍵。今天，電子和光子技術與許多計算機微芯片中發現的高度復雜的CMOS（互補金屬氧化物半導體）平臺的復雜集成，已成為性能和全球競爭力的關鍵驅動力和差異化因素。最終，隨著性能要求與現代技術的不斷發展，將需要越來越大的器件和系統級創新。在納米尺度上經濟有效地制造和測試復雜的微電子裝置的能力是一個越來越大的挑戰，需要在設計、加工和集成方面取得相應的進展，以確保質量和性能。這些系統的復雜性在不斷增加，即使其部件的尺寸在不斷縮小。越來越多地，材料、部件和位置的精確性是系統性能、可靠性、安全性的組成部分。計量學，測量科學及其應用，是我們應對這些挑戰的能力的基礎。

微電子學的未來應用將被改造成有意義的。下一代設備將在先進的通信、智能系統和高速計算方面實現今天難以想象的非凡收益。美國在這一關鍵領域的競爭力對國家的長期經濟增長、國防、健康和安全至關重要。雖然美國曾經在半導體制造方面領先于世界，但它現在只占全球產量的12%，而且不生產最先進的芯片。世界各國都在投資半導體制造，而中國正努力成為全球領導者。所有國家都將在很大程度上依賴由半導體推動的信息和計算技術。美國政府已經頒布了授權立法和撥款，以加強美國的半導體產業和供應鏈，刺激對創新的大力投資。芯片法案提出了一些目標：保護和擴大美國半導體技術的領先地位，確保關鍵部門的芯片供應安全，并促進這一重要的美國產業的長期經濟活力。芯片法案下的計劃將擴大先進和成熟微電子技術的制造能力。它們還將幫助發展美國的微電子和半導體研究與開發的研究和創新生態系統。

技術需求面向未來，并確保生產商在推動微電子技術的快速發展方面具有成本競爭力。機會就在眼前。加快研發急需的計量學方面的進展和突破，支持我們國家在下一代微電子領域的領先地位，刻不容緩。

半導體制造業的戰略機遇

微電子學的進步和創新將產生革命性的新產品，但需要先進的計量學。為復雜的未來產品而出現的高度復雜的集成設備對半導體制造提出了挑戰。解決這些挑戰中最關鍵的問題將有助于確保美國引領全球創新并保持一個強大的半導體產業。計量學是微電子設計、制造和包裝的基礎，也是關鍵材料和基板供應鏈的基礎。物理和計算計量學不僅需要幫助設計，還需要在制造的所有階段評估、測試、描述和檢查部件。需要計量學來識別、描述和減少影響性能和質量的缺陷和其他問題，并在制造的許多階段提供產品保證。計量學是在制造之初對材料進行認證的關鍵，也是最終產品的質量。表征、測試和檢查下一代設備、集成電路和包裝的要求正在超越今天測量技術的極限。這些復雜的設備需要先進的納米級和次表面測量能力，包括識別原子的類型和位置以及評估埋藏層的能力。在某些情況下，計量學還必須適用于在線大批量生產，并且是無損的，而且能實時提供結果。

材料純度、性能和出處的計量學

微電子學中的材料進展

??在超小的互連中用金屬代替銅--隨著設備的規模繼續擴大到3納米及以下，正在探索鈷和釕等材料用于微小的互連，在這種情況下，層必須非常薄且具有導電性。

? 6G包裝的電介質-更高的無線電頻率（幾百千兆赫）需要新型的電介質材料。材料必須是耐高溫的，以承受制造過程和復雜設備中的信號損失所產生的熱量。

??二維金屬鹵化物--由于較高的載流子遷移率、吸收系數和較窄的帶隙范圍，有希望成為寬帶和高性能的光電探測器的材料。

??寬帶隙半導體--允許設備在比硅等傳統半導體材料高得多的電壓和溫度下工作。寬帶隙半導體是用于固態照明、電力電子和射頻（RF）應用的關鍵部件，如手機和雷達。作為制造納米激光器和其他設備原型的項目的一部分，NIST "種植 "了能發出紫外線的半導體納米線，并且需要測量工具來描述它們的特征。

需要新的測量和標準來滿足對材料的純度、物理特性和來源的嚴格要求。

在過去十年中，工業界在半導體材料的多樣性和全球采購方面都有爆炸性的增長。隨著對更快、更小的集成電路需求的增長，科學家們采用了許多新類型的材料。一些公司報告在芯片制造過程中使用了數百種材料和化學品。

隨著設備變得更小，需要新的材料模式--新的金屬、電介質、蝕刻氣體、光阻、抗反射涂層--純度是最重要的。其中一些材料的特性和行為并沒有得到很好的描述。

微電子材料的供應來源也變得高度多樣化和全球化。新材料的引入和全球采購導致了更大的污染可能性，以及對材料的純度、物理特性和來源的一致性的需求。半導體制造商需要工具和計量能力來驗證所購材料的完整性。材料在生產、儲存、運輸和交付鏈中可能有多個接觸點，這些接觸點可能會產生或增加污染物。

需要新的測量和標準來確保純度、物理特性和來源。如果沒有這些，原子級的缺陷或不充分的微觀特性會嚴重限制下一代設備和集成系統的產量、性能和可靠性。例如，污染控制標準和驗證這些標準的儀器將提高質量，同時減少晶圓缺陷--這是半導體制造中高成本和低產量的主要因素。不同的材料制造商可能沒有相同的測量精度，或者有獨特的方法來評估材料是否符合質量要求。或規格。例如，半導體制造商希望確保材料的介電性能符合規范，并可能對供應商的方法的準確性感到不安。例如，某種類型的認證或認可，將有助于向接收材料的制造商保證購買時的來源和質量的一致性。

未來微電子制造的先進計量學

微電子學的語言

??DRAM和NAND--大批量、商品化的存儲器半導體元件，它們一起工作，但有不同的功能。

DRAM管理數據，需要電源（易失性）；NAND閃存存儲數據，不需要電源（非易失性）。

??場效應晶體管（FET）--一種使用電場來控制半導體中電流流動的晶體管。

??制造產量--微電子加工質量的定量衡量。它是指在制造和包裝過程中沒有被丟棄的產品的部分。

??晶體管--一種用于放大或切換電信號和功率的半導體裝置。晶體管是現代電子產品的基本構件之一。

??三維晶體管--垂直（三維）而非水平（平面）形成的晶體管結構，以提高性能和增加密度。

未來一代設備的先進制造需要物理和計算計量學方面的突破。微電子學的最新進展正在納入更復雜的三維器件和納米結構材料。這些多方面的設備有許多優點，如更低的功率消耗和更小的尺寸。預計未來先進節點的CMOS和其他晶圓規模的先進設備和電路（如高頻、硅光子學）將快速增長。CMOS的擴展越來越多地集中在低電壓、成本效益和更高的性能上。先進的CMOS已經通過集成技術從平面變成了三維，并且出現了新的晶體管架構，如鰭狀場效應晶體管（FinFET）和其他。納米級晶體管的一個有前途的方法是水平或垂直配置的門極環繞（GAA）場效應晶體管，特別是在3納米及以上的先進節點。隨著設備變得越來越復雜，計量學也變得越來越有挑戰性。測量和表征結構是識別問題領域和確保半導體制造產量的傳統方法。然而，當應用于三維結構時，計量工具更加昂貴，而且往往表現出能力上的巨大差距。先進的節點制造正在接近這樣的地步：每個原子在三維設備中的位置和類型都需要被知道，以滿足不斷提高的系統性能的要求。

部分挑戰是如何確定由各種母體組成的三維結構的內部或埋藏部分的特征。層/膜，許多層和微小的通道孔--層數越多，計量就越困難。此外，沒有一個計量工具能夠進行所有需要的測量。一套用于二維特征分析的工具經常被采用（例如，電子顯微鏡，光學系統）--但這些工具在充分地和小規模地測量層方面存在不足。一個協調一致的努力是為應對這一挑戰，需要將研發與標準制定相結合。

?在先進封裝中集成部件的有利計量方法

先進的包裝概念

??異質集成--指的是將單獨制造的部件集成到一個更高層次的組件中，總的來說，提供更強的功能和更好的操作特性。

??多芯片模塊--多個集成電路（IC）/芯片集成在一個封裝或模塊中，以減少所需的電路板空間。

??三維集成電路--通過垂直堆疊晶圓和/或芯片（三維）并使用硅通孔（TSVs）進行電氣連接而形成的集成電路。

??封裝系統--將多個集成電路捆綁在一個封裝中的方法，與片上系統（SoC）相比，片上功能被集成在同一基板上。

??扇出式晶圓封裝--將連接點從芯片表面扇出，以實現更多的外部輸入/輸出；使用環氧樹脂模具化合物來嵌入芯片，而不是放置在基片上。

??集成光子學--光子學的一個新興分支，其中波導和器件作為一個集成結構被制作在平坦的襯底或平面上。

??光互連--指利用光將信號從集成電路或系統的一個部分傳輸到另一個部分。

??已知良好的芯片在放入包裝前已被完全炭化。

新的計量學將使先進的微電子封裝的復雜部件和新型材料的整合成為可能。

先進的封裝已經成為微電子領域持續提高性能的一個關鍵因素。先進的封裝使許多具有不同功能的器件（邏輯、存儲器、GPS、電源、加速器等）能夠集成和封裝在一起，以滿足特定的應用要求。雖然幾十年來，芯片內部的改進已經被用來提高功能，但包裝方面的進步已經成為一種創新的、具有成本效益的方法。

越來越多的消費者正在尋求性能更高的多功能設備，它們表現出更高的速度，但體積更小，成本更低；先進的包裝是實現這些功能的有效途徑。通過共同設計和整合包裝內的不同組件，系統性能得到了明顯的改善。

組件的組合將根據所需的先進功能而變化，可以包括集成在同一封裝中的多個模具（更小的尺寸）。封裝將所有的元件拉到一起，形成一個更強大、性能更高的異構系統，并有可能縮短上市時間。異構集成是一種有利的方法，對未來的設備至關重要，因為更高的性能、更小更輕的外形、更低的功率要求和更低的成本是必不可少的。不同材料和部件的整合需要新的測量標準和能力，這些標準和能力跨越多個長度尺度和物理特性，并具有有效的準確性，以確保高產量和性能。

用于創建先進包裝的過程和技術發生后制造，并影響到測量和檢查。材料可能不是標準的，或者包裝可能使用不同類型的材料，影響檢驗要求。先進的包裝也為后端工藝和技術提供了獨特的測量方法，如測量凸起的間距和尺寸以及檢測和表征埋藏的缺陷。這些快速出現的先進封裝概念將需要靈活、適應性強的測量系統來控制各種參數（包括2D和3D）。

半導體材料、設計和元件的建模和仿真

高級計量學為了有效地對下一代進行建模和模擬，需要有相應的工具。

硬件設計正變得越來越復雜和多變。仿真是半導體行業的一個重要組成部分，涉及軟件、制造和新材料。建模和仿真是半導體行業用來減少新技術進入市場所需的開發時間的關鍵因素。隨著對更快的緊湊型電路和系統的要求變得更加嚴格，新的模型不斷出現。模型和模擬必須分析復雜的器件特征，并在各種環境和操作條件下進行嚴格的測試和優化。基于物理學的模型是為了在各種條件下操作時能夠選擇最佳的設備特征和性能。雖然這些模型是相對準確，計算的速度可能不足以進行更高層次的分析，包括電路設計。在這種情況下，經驗模型（基于計算機的模型實驗數據）被應用。其結果是在設備模型的準確性和計算速度之間進行權衡。

隨著更復雜和未來技術的發展，系統被推到了更高的頻率下工作，導致了更高的封裝密度和不同的組件。有了這些設備，設計者需要更加關注諸如電路之間的電磁耦合或由于更大的元件密度而產生的熱問題。電氣性能可能會隨著速度和密度的增加而下降，從而需要對信號、電源和熱完整性進行建模和控制。更小和更高頻率的器件輪廓需要更高的精度摻雜物和應力分布以及制造過程中的其他重要參數。相互作用的部件數量越多，問題就越大。未來設計的仿真器必須具備對大型異質綜合系統中的多種物理效應進行建模的能力。整個半導體價值鏈需要在模型表征方法、數據處理和驗證方面進行重大改進，以使其效果最大化。

半導體制造過程的建模和仿真

“當物理空間發生沖突和干擾時，虛擬模型可以實時測試，預測未來的事件，將信息反饋到物理空間，確定哪里需要改進設計，并在客戶和設計師之間提供有效的溝通。” John Allgair博士說道。

需要有突破性的進展，以使工具能夠無縫對接對整個半導體制造過程進行建模和模擬。

建模和仿真對微電子和半導體的制造至關重要，從材料輸入到晶圓制造和系統組裝。制造過程的有效建模能夠更好地控制基本的性能參數，識別缺陷、瑕疵及其根源，保證質量，以及預測設備維護。

半導體制造可以有成千上萬個步驟，因為具有多層的芯片、組件和系統被集成和組裝成復雜的結構。計量學在制造的每個步驟中都發揮著關鍵作用，而計算計量學（建立在數據上的模型）可能特別關鍵。

測量方面的突破和共識標準的制定對于改善數據處理、分析、虛擬化和自動化以實現更高的制造效率和加速時間至關重要。到市場。不充分的制造工藝模型和計量學可以極大地促進不良的產量，導致更少的芯片和系統可以被集成到終端產品中，并延遲整體生產。

雖然簡單的物理模型由于其較快的計算時間而被普遍應用，但這些模型并不能滿足更復雜和精密的制造過程的要求。我們需要能夠準確模擬下一代設備制造參數和過程的模型。

數字孿生體是一種顯示出巨大前景的方法。例如，一個強大的制造設施的虛擬雙胞胎可以模擬每件設備的操作和所有相關的操作。這可以優化制造過程和參數，以提高產量和可靠性。在維護方面，虛擬雙胞胎可以提供有關潛在設備故障或預防性維護調度的反饋，使技術人員能夠在設備故障之前進行維修。

在整個半導體價值鏈中，每天都會產生和收集大量被分解或未被充分利用的數據（高達15TB/天/工廠）。需要有重大的突破，以使工具能夠對整個半導體制造過程進行無縫建模和模擬，并有效地利用（并根據）這些大型的、不同的數據集做出決定。

微電子學的新材料、工藝和設備的標準化

需要新的標準和驗證方法加快未來信息產業的發展通訊和通信技術。

標準提供技術規格、性能標準和其他要求，以指導材料、工藝和設備的設計和生產。按照標準進行生產，可以實現整個供應鏈的兼容性和可操作性，并確保產品的性能、質量、可靠性、安全性和安全性。標準的使用甚至可以推動行業創新、降低成本和整體解決方案。隨著新材料和高度集成的微電子產品的出現，標準化對于確保美國半導體行業的持續增長至關重要。1973年，超過2000種半導體晶圓規格的擴散導致了嚴重的低效率。面對這些障礙，晶圓制造商合作制定了一致的晶圓規格，在幾年內，80%以上的晶圓符合新制定的標準。建立晶圓尺寸的一致性使設備公司能夠專注于產品的差異化和創新，以提高性能和降低成本。

今天，用于前端和后端半導體制造的新材料、工藝和設備的整合需要一套現代化的標準來提高關鍵微電子系統的準確性、可追溯性、驗證和安全性。標準涵蓋的范圍很廣，包括SRMs、SRD、設備校準標準以及書面協議和指南。驗證和確認（V&V）是指獨立測試一個產品或系統是否符合其規格和預期目的。在制造業中，V&V利用從工藝設計到生產的數據，科學地證明工藝或設備始終如一地達到預期效果。

計量學增強基于微電子的元件和產品的安全性和證明力

需要在計量學方面取得 進展，以提高安全性和證明力。微電子元件在整個供應鏈中，為提高信任度和保證度，我們將繼續努力。

確保許多電子系統所必需的微小而復雜的半導體芯片的安全可 能是一種挑戰。微電子的開發、集成和部署后的使用越來越復 雜，帶來了新的安全風險和漏洞。微電子制造有一個復雜的全 球供應鏈，其生產和使用跨越多個大陸。安全性和可靠性至關 重要的系統--國防、航空、汽車、醫療設備、電信、電網--特 別容易受到影響。最近的芯片短缺加劇了造假、知識產權盜竊、設計的反向工 程以及低質量和有缺陷的芯片的生產。如果沒有辦法驗證半 導體的來源，惡意的電路可能會被添加到供應鏈的任何地方 ，讓壞人繞過防御機制，破壞設備，并竊取用戶信息。強大 的硬件安全已經成為一種要求，而不是一種特征。為了應對這些挑戰，美國國防部正在采取“零信任”政策，這 意味著微電子技術只有在經過驗證后才能被視為安全。私營 部門也需要信任和保證，以確保基本市場的復原力和安全。

基礎設施，如金融市場、電網、醫療保健系統、交通和通信。先進的成像技術、取證和其他方法正被用來檢測假貨和惡 意的電路。半導體元件正在通過標記和標簽進行認證，以跟蹤供應鏈的移動并提供產品的來源。然而，硬件安全保護的挑戰貫穿整個供應鏈，涵蓋制造商和材料供應商，以及廣泛的商業部門。國家在如此多的關鍵 技術上對微電子的依賴需要一個全面的、強有力的硬件安全方法。要創建受保護的硬件環境，必須考慮安全的許多方面。例如，集成芯片可能有嵌入的惡意軟件，而組裝的部件可能有 受損的部件。需要新的方法和標準來創建一個植根于信任和保證的半導體生態系統，從輸入材料到系統耦合和集成的 成品。這種方法包括安全分析的標準和準則，以及在整個產品生命周期中進行測試和驗證的廣泛漏洞策略。

前進之路

半導體對經濟增長、國家安全以及公共健康和安全至關重要。半導體的革命性進展繼續推動通信、信息技術、醫療保健、軍事系統、交通、能源和基礎設施的創新。隨著半導體變得更小、更快、更復雜，提供前所未有的性能，半導體創造變革的潛力正在成倍增加。

計量學在半導體制造中起著關鍵作用。隨著設備變得更加復雜、更小和多層，測量、監測、預測和確保制造質量的能力變得更加困難和不確定。今天，半導體行業用變通的方法和不適當的工具來面對其中的一些計量挑戰，限制了產量，影響了質量，并增加了成本。隨著對半導體器件性能和材料要求的更高要求，這些挑戰將繼續加劇。影響美國半導體行業的計量學挑戰正處于關鍵階段，迫切需要解決。

“我們將構建一個完整的半導體生態系統”。商務部長吉娜-雷蒙多。

編輯：黃飛

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