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美国商务部国家标准与技术研究所（NIST）发布了一份报告，概述了在测量、标准化、建模和仿真方面的七大战略性"重大挑战",如果这些挑战得到满足，将加强美国半导体产业。
半导体对美国的经济增长、国家安全以及公共健康和安全至关重要。微电子的革命性进展继续推动通信、信息技术、医疗保健、军事系统、交通、能源和基础设施的创新。随着微电子技术变得更小、更快、更复杂--提供前所未有的性能，其创造变革的潜力正在成倍增长。下一代系统、设备和相关技术对于解决社会最迫切的需求至关重要。
在微电子研究、开发和制造方面处于领先地位的国家，将在定义和收获技术的动态转变中发挥主导作用。经济有效地制造复杂的下一代微电子器件并将其集成到新型系统和封装中的能力是一个越来越大的挑战，加上对性能、功能和安全的要求越来越高。
为了加强美国在半导体领域的地位，美国国会授权了一套被称为芯片法案的计划，这些计划将有助于恢复美国在微电子制造业的领导地位，并通过提供激励措施和鼓励投资来扩大生产能力和增长，确保美国的尖端产品供应。
利用几十年来在下一代设备、系统和相关技术方面的经验，NIST在CHIPS法案的授权下发挥了特殊的作用，进行关键的计量学研发，以加强美国半导体行业竞争力。
计量学挑战影响着美国半导体行业正处于一个关键阶段，迫切需要解决。
计量学是测量及其应用的科学，在高达50%的半导体制造步骤中发挥着关键作用，以确保质量、产量和性能。随着设备变得更加复杂，测量、监测、预测和确保制造质量的能力变得更加困难。例如，现代芯片可能包含超过1000亿个复杂的纳米器件，这些器件的直径不到50个原子--所有这些器件必须以几乎相同的方式工作，才能使芯片发挥作用。今天，美国国内半导体行业使用变通方法和不足的工具来面对这些计量挑战。其结果是质量和制造产量下降，制造成本增加，产品创新速度减慢。
应对计量学的巨大挑战将支持半导体行业的生产、创新和竞争力的提高。
由于认识到计量学对于实现未来的微电子创新至关重要，NIST已经与利益相关者合作，确定需要研发的关键挑战。NIST通过一系列的研讨会、信息征集以及与主要公司的讨论获得了信息，并提出了以七大挑战为重点的战略发展路线。挑战概述了加强美国半导体行业所需的计量研发。半导体技术发展的所有阶段都需要计量学，从实验室的基础和应用研发到概念证明、规模原型、工厂制造、装配和包装，以及最终部署前的性能验证。
计量学是我们应对半导体制造商所面临挑战的能力的基础。进行投资今天计量能力的提高将为未来的技术需求提供保障，并支持美国在下一代微电子领域的领先地位。加快研发急需的计量学进展刻不容缓，而且可以获得许多高影响的成果。
•推进美国在文件标准制定方面的领导地位，以加强美国在先进微电子材料、设计、制造和包装方面的全球竞争力。
•开发和部署急需的测量服务（参考材料、参考数据、校准），以推动美国在微电子制造和相关技术方面的领先地位。
•开发和部署创新的制造计量学，使美国工业界能够提高制造产量，改善性能，并加快下一代微电子的上市时间。
•开发和部署新的保证和证明技术，以减少整个供应链中的微电子安全风险，从设计和开发到制造、包装和寿命终结。
•建立具有最先进设备和工具的先进计量学研发试验台，以推动下一代微电子学的计量学创新。
•建立和维持与工业界的合作关系，以加速技术从实验室向商业市场的转移，并支持人才的发展和部署。
50多年来，缩小晶体管的尺寸使工程师能够制造出更复杂和更高的电路。器件的性能更好，需要更少的功率，而且生产成本更低。随着几何比例达到其实际极限，纳米级的材料驱动创新已成为开发先进设备的关键。今天，电子和光子技术与许多计算机微芯片中发现的高度复杂的CMOS（互补金属氧化物半导体）平台的复杂集成，已成为性能和全球竞争力的关键驱动力和差异化因素。最终，随着性能要求与现代技术的不断发展，将需要越来越大的器件和系统级创新。在纳米尺度上经济有效地制造和测试复杂的微电子装置的能力是一个越来越大的挑战，需要在设计、加工和集成方面取得相应的进展，以确保质量和性能。这些系统的复杂性在不断增加，即使其部件的尺寸在不断缩小。越来越多地，材料、部件和位置的精确性是系统性能、可靠性、安全性的组成部分。计量学，测量科学及其应用，是我们应对这些挑战的能力的基础。
微电子学的未来应用将被改造成有意义的。下一代设备将在先进的通信、智能系统和高速计算方面实现今天难以想象的非凡收益。美国在这一关键领域的竞争力对国家的长期经济增长、国防、健康和安全至关重要。虽然美国曾经在半导体制造方面领先于世界，但它现在只占全球产量的12%，而且不生产最先进的芯片。世界各国都在投资半导体制造，而中国正努力成为全球领导者。所有国家都将在很大程度上依赖由半导体推动的信息和计算技术。美国政府已经颁布了授权立法和拨款，以加强美国的半导体产业和供应链，刺激对创新的大力投资。芯片法案提出了一些目标：保护和扩大美国半导体技术的领先地位，确保关键部门的芯片供应安全，并促进这一重要的美国产业的长期经济活力。芯片法案下的计划将扩大先进和成熟微电子技术的制造能力。它们还将帮助发展美国的微电子和半导体研究与开发的研究和创新生态系统。
技术需求面向未来，并确保生产商在推动微电子技术的快速发展方面具有成本竞争力。机会就在眼前。加快研发急需的计量学方面的进展和突破，支持我们国家在下一代微电子领域的领先地位，刻不容缓。
半导体制造业的战略机遇
微电子学的进步和创新将产生革命性的新产品，但需要先进的计量学。为复杂的未来产品而出现的高度复杂的集成设备对半导体制造提出了挑战。解决这些挑战中最关键的问题将有助于确保美国引领全球创新并保持一个强大的半导体产业。计量学是微电子设计、制造和包装的基础，也是关键材料和基板供应链的基础。物理和计算计量学不仅需要帮助设计，还需要在制造的所有阶段评估、测试、描述和检查部件。需要计量学来识别、描述和减少影响性能和质量的缺陷和其他问题，并在制造的许多阶段提供产品保证。计量学是在制造之初对材料进行认证的关键，也是最终产品的质量。表征、测试和检查下一代设备、集成电路和包装的要求正在超越今天测量技术的极限。这些复杂的设备需要先进的纳米级和次表面测量能力，包括识别原子的类型和位置以及评估埋藏层的能力。在某些情况下，计量学还必须适用于在线大批量生产，并且是无损的，而且能实时提供结果。
材料纯度、性能和出处的计量学
微电子学中的材料进展
• 在超小的互连中用金属代替铜--随着设备的规模继续扩大到3纳米及以下，正在探索钴和钌等材料用于微小的互连，在这种情况下，层必须非常薄且具有导电性。
• 6G包装的电介质-更高的无线电频率（几百千兆赫）需要新型的电介质材料。材料必须是耐高温的，以承受制造过程和复杂设备中的信号损失所产生的热量。
• 二维金属卤化物--由于较高的载流子迁移率、吸收系数和较窄的带隙范围，有希望成为宽带和高性能的光电探测器的材料。
• 宽带隙半导体--允许设备在比硅等传统半导体材料高得多的电压和温度下工作。宽带隙半导体是用于固态照明、电力电子和射频（RF）应用的关键部件，如手机和雷达。作为制造纳米激光器和其他设备原型的项目的一部分，NIST "种植 "了能发出紫外线的半导体纳米线，并且需要测量工具来描述它们的特征。
需要新的测量和标准来满足对材料的纯度、物理特性和来源的严格要求。
在过去十年中，工业界在半导体材料的多样性和全球采购方面都有爆炸性的增长。随着对更快、更小的集成电路需求的增长，科学家们采用了许多新类型的材料。一些公司报告在芯片制造过程中使用了数百种材料和化学品。
随着设备变得更小，需要新的材料模式--新的金属、电介质、蚀刻气体、光阻、抗反射涂层--纯度是最重要的。其中一些材料的特性和行为并没有得到很好的描述。
微电子材料的供应来源也变得高度多样化和全球化。新材料的引入和全球采购导致了更大的污染可能性，以及对材料的纯度、物理特性和来源的一致性的需求。半导体制造商需要工具和计量能力来验证所购材料的完整性。材料在生产、储存、运输和交付链中可能有多个接触点，这些接触点可能会产生或增加污染物。
需要新的测量和标准来确保纯度、物理特性和来源。如果没有这些，原子级的缺陷或不充分的微观特性会严重限制下一代设备和集成系统的产量、性能和可靠性。例如，污染控制标准和验证这些标准的仪器将提高质量，同时减少晶圆缺陷--这是半导体制造中高成本和低产量的主要因素。不同的材料制造商可能没有相同的测量精度，或者有独特的方法来评估材料是否符合质量要求。或规格。例如，半导体制造商希望确保材料的介电性能符合规范，并可能对供应商的方法的准确性感到不安。例如，某种类型的认证或认可，将有助于向接收材料的制造商保证购买时的来源和质量的一致性。
未来微电子制造的先进计量学
微电子学的语言
• DRAM和NAND--大批量、商品化的存储器半导体元件，它们一起工作，但有不同的功能。
DRAM管理数据，需要电源（易失性）；NAND闪存存储数据，不需要电源（非易失性）。
• 场效应晶体管（FET）--一种使用电场来控制半导体中电流流动的晶体管。
• 制造产量--微电子加工质量的定量衡量。它是指在制造和包装过程中没有被丢弃的产品的部分。
• 晶体管--一种用于放大或切换电信号和功率的半导体装置。晶体管是现代电子产品的基本构件之一。
• 三维晶体管--垂直（三维）而非水平（平面）形成的晶体管结构，以提高性能和增加密度。
未来一代设备的先进制造需要物理和计算计量学方面的突破。微电子学的最新进展正在纳入更复杂的三维器件和纳米结构材料。这些多方面的设备有许多优点，如更低的功率消耗和更小的尺寸。预计未来先进节点的CMOS和其他晶圆规模的先进设备和电路（如高频、硅光子学）将快速增长。CMOS的扩展越来越多地集中在低电压、成本效益和更高的性能上。先进的CMOS已经通过集成技术从平面变成了三维，并且出现了新的晶体管架构，如鳍状场效应晶体管（FinFET）和其他。纳米级晶体管的一个有前途的方法是水平或垂直配置的门极环绕（GAA）场效应晶体管，特别是在3纳米及以上的先进节点。随着设备变得越来越复杂，计量学也变得越来越有挑战性。测量和表征结构是识别问题领域和确保半导体制造产量的传统方法。然而，当应用于三维结构时，计量工具更加昂贵，而且往往表现出能力上的巨大差距。先进的节点制造正在接近这样的地步：每个原子在三维设备中的位置和类型都需要被知道，以满足不断提高的系统性能的要求。
部分挑战是如何确定由各种母体组成的三维结构的内部或埋藏部分的特征。层/膜，许多层和微小的通道孔--层数越多，计量就越困难。此外，没有一个计量工具能够进行所有需要的测量。一套用于二维特征分析的工具经常被采用（例如，电子显微镜，光学系统）--但这些工具在充分地和小规模地测量层方面存在不足。一个协调一致的努力是为应对这一挑战，需要将研发与标准制定相结合。
在先进封装中集成部件的有利计量方法
先进的包装概念
• 异质集成--指的是将单独制造的部件集成到一个更高层次的组件中，总的来说，提供更强的功能和更好的操作特性。
• 多芯片模块--多个集成电路（IC）/芯片集成在一个封装或模块中，以减少所需的电路板空间。
• 三维集成电路--通过垂直堆叠晶圆和/或芯片（三维）并使用硅通孔（TSVs）进行电气连接而形成的集成电路。
• 封装系统--将多个集成电路捆绑在一个封装中的方法，与片上系统（SoC）相比，片上功能被集成在同一基板上。
• 扇出式晶圆封装--将连接点从芯片表面扇出，以实现更多的外部输入/输出；使用环氧树脂模具化合物来嵌入芯片，而不是放置在基片上。
• 集成光子学--光子学的一个新兴分支，其中波导和器件作为一个集成结构被制作在平坦的衬底或平面上。
• 光互连--指利用光将信号从集成电路或系统的一个部分传输到另一个部分。
• 已知良好的芯片在放入包装前已被完全炭化。
新的计量学将使先进的微电子封装的复杂部件和新型材料的整合成为可能。
先进的封装已经成为微电子领域持续提高性能的一个关键因素。先进的封装使许多具有不同功能的器件（逻辑、存储器、GPS、电源、加速器等）能够集成和封装在一起，以满足特定的应用要求。虽然几十年来，芯片内部的改进已经被用来提高功能，但包装方面的进步已经成为一种创新的、具有成本效益的方法。
越来越多的消费者正在寻求性能更高的多功能设备，它们表现出更高的速度，但体积更小，成本更低；先进的包装是实现这些功能的有效途径。通过共同设计和整合包装内的不同组件，系统性能得到了明显的改善。
组件的组合将根据所需的先进功能而变化，可以包括集成在同一封装中的多个模具（更小的尺寸）。封装将所有的元件拉到一起，形成一个更强大、性能更高的异构系统，并有可能缩短上市时间。异构集成是一种有利的方法，对未来的设备至关重要，因为更高的性能、更小更轻的外形、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测量标准和能力，这些标准和能力跨越多个长度尺度和物理特性，并具有有效的准确性，以确保高产量和性能。
用于创建先进包装的过程和技术发生后制造，并影响到测量和检查。材料可能不是标准的，或者包装可能使用不同类型的材料，影响检验要求。先进的包装也为后端工艺和技术提供了独特的测量方法，如测量凸起的间距和尺寸以及检测和表征埋藏的缺陷。这些快速出现的先进封装概念将需要灵活、适应性强的测量系统来控制各种参数（包括2D和3D）。
半导体材料、设计和元件的建模和仿真
高级计量学为了有效地对下一代进行建模和模拟，需要有相应的工具。
硬件设计正变得越来越复杂和多变。仿真是半导体行业的一个重要组成部分，涉及软件、制造和新材料。建模和仿真是半导体行业用来减少新技术进入市场所需的开发时间的关键因素。随着对更快的紧凑型电路和系统的要求变得更加严格，新的模型不断出现。模型和模拟必须分析复杂的器件特征，并在各种环境和操作条件下进行严格的测试和优化。基于物理学的模型是为了在各种条件下操作时能够选择最佳的设备特征和性能。虽然这些模型是相对准确，计算的速度可能不足以进行更高层次的分析，包括电路设计。在这种情况下，经验模型（基于计算机的模型实验数据）被应用。其结果是在设备模型的准确性和计算速度之间进行权衡。
随着更复杂和未来技术的发展，系统被推到了更高的频率下工作，导致了更高的封装密度和不同的组件。有了这些设备，设计者需要更加关注诸如电路之间的电磁耦合或由于更大的元件密度而产生的热问题。电气性能可能会随着速度和密度的增加而下降，从而需要对信号、电源和热完整性进行建模和控制。更小和更高频率的器件轮廓需要更高的精度掺杂物和应力分布以及制造过程中的其他重要参数。相互作用的部件数量越多，问题就越大。未来设计的仿真器必须具备对大型异质综合系统中的多种物理效应进行建模的能力。整个半导体价值链需要在模型表征方法、数据处理和验证方面进行重大改进，以使其效果最大化。
半导体制造过程的建模和仿真
“当物理空间发生冲突和干扰时，虚拟模型可以实时测试，预测未来的事件，将信息反馈到物理空间，确定哪里需要改进设计，并在客户和设计师之间提供有效的沟通。” John Allgair博士说道。
需要有突破性的进展，以使工具能够无缝对接对整个半导体制造过程进行建模和模拟。
建模和仿真对微电子和半导体的制造至关重要，从材料输入到晶圆制造和系统组装。制造过程的有效建模能够更好地控制基本的性能参数，识别缺陷、瑕疵及其根源，保证质量，以及预测设备维护。
半导体制造可以有成千上万个步骤，因为具有多层的芯片、组件和系统被集成和组装成复杂的结构。计量学在制造的每个步骤中都发挥着关键作用，而计算计量学（建立在数据上的模型）可能特别关键。
测量方面的突破和共识标准的制定对于改善数据处理、分析、虚拟化和自动化以实现更高的制造效率和加速时间至关重要。到市场。不充分的制造工艺模型和计量学可以极大地促进不良的产量，导致更少的芯片和系统可以被集成到终端产品中，并延迟整体生产。
虽然简单的物理模型由于其较快的计算时间而被普遍应用，但这些模型并不能满足更复杂和精密的制造过程的要求。我们需要能够准确模拟下一代设备制造参数和过程的模型。
数字孪生体是一种显示出巨大前景的方法。例如，一个强大的制造设施的虚拟双胞胎可以模拟每件设备的操作和所有相关的操作。这可以优化制造过程和参数，以提高产量和可靠性。在维护方面，虚拟双胞胎可以提供有关潜在设备故障或预防性维护调度的反馈，使技术人员能够在设备故障之前进行维修。
在整个半导体价值链中，每天都会产生和收集大量被分解或未被充分利用的数据（高达15TB/天/工厂）。需要有重大的突破，以使工具能够对整个半导体制造过程进行无缝建模和模拟，并有效地利用（并根据）这些大型的、不同的数据集做出决定。
微电子学的新材料、工艺和设备的标准化
需要新的标准和验证方法加快未来信息产业的发展通讯和通信技术。
标准提供技术规格、性能标准和其他要求，以指导材料、工艺和设备的设计和生产。按照标准进行生产，可以实现整个供应链的兼容性和可操作性，并确保产品的性能、质量、可靠性、安全性和安全性。标准的使用甚至可以推动行业创新、降低成本和整体解决方案。随着新材料和高度集成的微电子产品的出现，标准化对于确保美国半导体行业的持续增长至关重要。1973年，超过2000种半导体晶圆规格的扩散导致了严重的低效率。面对这些障碍，晶圆制造商合作制定了一致的晶圆规格，在几年内，80%以上的晶圆符合新制定的标准。建立晶圆尺寸的一致性使设备公司能够专注于产品的差异化和创新，以提高性能和降低成本。
今天，用于前端和后端半导体制造的新材料、工艺和设备的整合需要一套现代化的标准来提高关键微电子系统的准确性、可追溯性、验证和安全性。标准涵盖的范围很广，包括SRMs、SRD、设备校准标准以及书面协议和指南。验证和确认（V&V）是指独立测试一个产品或系统是否符合其规格和预期目的。在制造业中，V&V利用从工艺设计到生产的数据，科学地证明工艺或设备始终如一地达到预期效果。
计量学增强基于微电子的元件和产品的安全性和证明力
需要在计量学方面取得 进展，以提高安全性和证明力。微电子元件在整个供应链中，为提高信任度和保证度，我们将继续努力。
确保许多电子系统所必需的微小而复杂的半导体芯片的安全可 能是一种挑战。微电子的开发、集成和部署后的使用越来越复 杂，带来了新的安全风险和漏洞。微电子制造有一个复杂的全 球供应链，其生产和使用跨越多个大陆。安全性和可靠性至关 重要的系统--国防、航空、汽车、医疗设备、电信、电网--特 别容易受到影响。最近的芯片短缺加剧了造假、知识产权盗窃、设计的反向工 程以及低质量和有缺陷的芯片的生产。如果没有办法验证半 导体的来源，恶意的电路可能会被添加到供应链的任何地方 ，让坏人绕过防御机制，破坏设备，并窃取用户信息。强大 的硬件安全已经成为一种要求，而不是一种特征。为了应对这些挑战，美国国防部正在采取“零信任”政策，这 意味着微电子技术只有在经过验证后才能被视为安全。私营 部门也需要信任和保证，以确保基本市场的复原力和安全。
基础设施，如金融市场、电网、医疗保健系统、交通和通信。先进的成像技术、取证和其他方法正被用来检测假货和恶 意的电路。半导体元件正在通过标记和标签进行认证，以跟踪供应链的移动并提供产品的来源。然而，硬件安全保护的挑战贯穿整个供应链，涵盖制造商和材料供应商，以及广泛的商业部门。国家在如此多的关键 技术上对微电子的依赖需要一个全面的、强有力的硬件安全方法。要创建受保护的硬件环境，必须考虑安全的许多方面。例如，集成芯片可能有嵌入的恶意软件，而组装的部件可能有 受损的部件。需要新的方法和标准来创建一个植根于信任和保证的半导体生态系统，从输入材料到系统耦合和集成的 成品。这种方法包括安全分析的标准和准则，以及在整个产品生命周期中进行测试和验证的广泛漏洞策略。
前进之路
半导体对经济增长、国家安全以及公共健康和安全至关重要。半导体的革命性进展继续推动通信、信息技术、医疗保健、军事系统、交通、能源和基础设施的创新。随着半导体变得更小、更快、更复杂，提供前所未有的性能，半导体创造变革的潜力正在成倍增加。
计量学在半导体制造中起着关键作用。随着设备变得更加复杂、更小和多层，测量、监测、预测和确保制造质量的能力变得更加困难和不确定。今天，半导体行业用变通的方法和不适当的工具来面对其中的一些计量挑战，限制了产量，影响了质量，并增加了成本。随着对半导体器件性能和材料要求的更高要求，这些挑战将继续加剧。影响美国半导体行业的计量学挑战正处于关键阶段，迫切需要解决。
“我们将构建一个完整的半导体生态系统”。商务部长吉娜-雷蒙多。
编辑：黄飞
工商网监
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