美國(guó)商務(wù)部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）發(fā)布了一份報(bào)告，概述了在測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)化、建模和仿真方面的七大戰(zhàn)略性"重大挑戰(zhàn)",如果這些挑戰(zhàn)得到滿足，將加強(qiáng)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

半導(dǎo)體對(duì)美國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、國(guó)家安全以及公共健康和安全至關(guān)重要。微電子的革命性進(jìn)展繼續(xù)推動(dòng)通信、信息技術(shù)、醫(yī)療保健、軍事系統(tǒng)、交通、能源和基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新。隨著微電子技術(shù)變得更小、更快、更復(fù)雜--提供前所未有的性能，其創(chuàng)造變革的潛力正在成倍增長(zhǎng)。下一代系統(tǒng)、設(shè)備和相關(guān)技術(shù)對(duì)于解決社會(huì)最迫切的需求至關(guān)重要。

在微電子研究、開發(fā)和制造方面處于領(lǐng)先地位的國(guó)家，將在定義和收獲技術(shù)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變中發(fā)揮主導(dǎo)作用。經(jīng)濟(jì)有效地制造復(fù)雜的下一代微電子器件并將其集成到新型系統(tǒng)和封裝中的能力是一個(gè)越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，加上對(duì)性能、功能和安全的要求越來(lái)越高。

為了加強(qiáng)美國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的地位，美國(guó)國(guó)會(huì)授權(quán)了一套被稱為芯片法案的計(jì)劃，這些計(jì)劃將有助于恢復(fù)美國(guó)在微電子制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位，并通過(guò)提供激勵(lì)措施和鼓勵(lì)投資來(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)能力和增長(zhǎng)，確保美國(guó)的尖端產(chǎn)品供應(yīng)。

利用幾十年來(lái)在下一代設(shè)備、系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，NIST在CHIPS法案的授權(quán)下發(fā)揮了特殊的作用，進(jìn)行關(guān)鍵的計(jì)量學(xué)研發(fā)，以加強(qiáng)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

計(jì)量學(xué)挑戰(zhàn)影響著美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)正處于一個(gè)關(guān)鍵階段，迫切需要解決。

計(jì)量學(xué)是測(cè)量及其應(yīng)用的科學(xué)，在高達(dá)50%的半導(dǎo)體制造步驟中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，以確保質(zhì)量、產(chǎn)量和性能。隨著設(shè)備變得更加復(fù)雜，測(cè)量、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和確保制造質(zhì)量的能力變得更加困難。例如，現(xiàn)代芯片可能包含超過(guò)1000億個(gè)復(fù)雜的納米器件，這些器件的直徑不到50個(gè)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(fā)揮作用。今天，美國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)使用變通方法和不足的工具來(lái)面對(duì)這些計(jì)量挑戰(zhàn)。其結(jié)果是質(zhì)量和制造產(chǎn)量下降，制造成本增加，產(chǎn)品創(chuàng)新速度減慢。

應(yīng)對(duì)計(jì)量學(xué)的巨大挑戰(zhàn)將支持半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)、創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)力的提高。

由于認(rèn)識(shí)到計(jì)量學(xué)對(duì)于實(shí)現(xiàn)未來(lái)的微電子創(chuàng)新至關(guān)重要，NIST已經(jīng)與利益相關(guān)者合作，確定需要研發(fā)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。NIST通過(guò)一系列的研討會(huì)、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(zhàn)為重點(diǎn)的戰(zhàn)略發(fā)展路線。挑戰(zhàn)概述了加強(qiáng)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)所需的計(jì)量研發(fā)。半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的所有階段都需要計(jì)量學(xué)，從實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)和應(yīng)用研發(fā)到概念證明、規(guī)模原型、工廠制造、裝配和包裝，以及最終部署前的性能驗(yàn)證。

計(jì)量學(xué)是我們應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體制造商所面臨挑戰(zhàn)的能力的基礎(chǔ)。進(jìn)行投資今天計(jì)量能力的提高將為未來(lái)的技術(shù)需求提供保障，并支持美國(guó)在下一代微電子領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。加快研發(fā)急需的計(jì)量學(xué)進(jìn)展刻不容緩，而且可以獲得許多高影響的成果。

?推進(jìn)美國(guó)在文件標(biāo)準(zhǔn)制定方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，以加強(qiáng)美國(guó)在先進(jìn)微電子材料、設(shè)計(jì)、制造和包裝方面的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

?開發(fā)和部署急需的測(cè)量服務(wù)（參考材料、參考數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)），以推動(dòng)美國(guó)在微電子制造和相關(guān)技術(shù)方面的領(lǐng)先地位。

?開發(fā)和部署創(chuàng)新的制造計(jì)量學(xué)，使美國(guó)工業(yè)界能夠提高制造產(chǎn)量，改善性能，并加快下一代微電子的上市時(shí)間。

?開發(fā)和部署新的保證和證明技術(shù)，以減少整個(gè)供應(yīng)鏈中的微電子安全風(fēng)險(xiǎn)，從設(shè)計(jì)和開發(fā)到制造、包裝和壽命終結(jié)。

?建立具有最先進(jìn)設(shè)備和工具的先進(jìn)計(jì)量學(xué)研發(fā)試驗(yàn)臺(tái)，以推動(dòng)下一代微電子學(xué)的計(jì)量學(xué)創(chuàng)新。

?建立和維持與工業(yè)界的合作關(guān)系，以加速技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向商業(yè)市場(chǎng)的轉(zhuǎn)移，并支持人才的發(fā)展和部署。

50多年來(lái)，縮小晶體管的尺寸使工程師能夠制造出更復(fù)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(chǎn)成本更低。隨著幾何比例達(dá)到其實(shí)際極限，納米級(jí)的材料驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新已成為開發(fā)先進(jìn)設(shè)備的關(guān)鍵。今天，電子和光子技術(shù)與許多計(jì)算機(jī)微芯片中發(fā)現(xiàn)的高度復(fù)雜的CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）平臺(tái)的復(fù)雜集成，已成為性能和全球競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力和差異化因素。最終，隨著性能要求與現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，將需要越來(lái)越大的器件和系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新。在納米尺度上經(jīng)濟(jì)有效地制造和測(cè)試復(fù)雜的微電子裝置的能力是一個(gè)越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，需要在設(shè)計(jì)、加工和集成方面取得相應(yīng)的進(jìn)展，以確保質(zhì)量和性能。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加，即使其部件的尺寸在不斷縮小。越來(lái)越多地，材料、部件和位置的精確性是系統(tǒng)性能、可靠性、安全性的組成部分。計(jì)量學(xué)，測(cè)量科學(xué)及其應(yīng)用，是我們應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的能力的基礎(chǔ)。

微電子學(xué)的未來(lái)應(yīng)用將被改造成有意義的。下一代設(shè)備將在先進(jìn)的通信、智能系統(tǒng)和高速計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)今天難以想象的非凡收益。美國(guó)在這一關(guān)鍵領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力對(duì)國(guó)家的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、國(guó)防、健康和安全至關(guān)重要。雖然美國(guó)曾經(jīng)在半導(dǎo)體制造方面領(lǐng)先于世界，但它現(xiàn)在只占全球產(chǎn)量的12%，而且不生產(chǎn)最先進(jìn)的芯片。世界各國(guó)都在投資半導(dǎo)體制造，而中國(guó)正努力成為全球領(lǐng)導(dǎo)者。所有國(guó)家都將在很大程度上依賴由半導(dǎo)體推動(dòng)的信息和計(jì)算技術(shù)。美國(guó)政府已經(jīng)頒布了授權(quán)立法和撥款，以加強(qiáng)美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和供應(yīng)鏈，刺激對(duì)創(chuàng)新的大力投資。芯片法案提出了一些目標(biāo)：保護(hù)和擴(kuò)大美國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先地位，確保關(guān)鍵部門的芯片供應(yīng)安全，并促進(jìn)這一重要的美國(guó)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)活力。芯片法案下的計(jì)劃將擴(kuò)大先進(jìn)和成熟微電子技術(shù)的制造能力。它們還將幫助發(fā)展美國(guó)的微電子和半導(dǎo)體研究與開發(fā)的研究和創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。

技術(shù)需求面向未來(lái)，并確保生產(chǎn)商在推動(dòng)微電子技術(shù)的快速發(fā)展方面具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)會(huì)就在眼前。加快研發(fā)急需的計(jì)量學(xué)方面的進(jìn)展和突破，支持我們國(guó)家在下一代微電子領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，刻不容緩。

半導(dǎo)體制造業(yè)的戰(zhàn)略機(jī)遇

微電子學(xué)的進(jìn)步和創(chuàng)新將產(chǎn)生革命性的新產(chǎn)品，但需要先進(jìn)的計(jì)量學(xué)。為復(fù)雜的未來(lái)產(chǎn)品而出現(xiàn)的高度復(fù)雜的集成設(shè)備對(duì)半導(dǎo)體制造提出了挑戰(zhàn)。解決這些挑戰(zhàn)中最關(guān)鍵的問(wèn)題將有助于確保美國(guó)引領(lǐng)全球創(chuàng)新并保持一個(gè)強(qiáng)大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。計(jì)量學(xué)是微電子設(shè)計(jì)、制造和包裝的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵材料和基板供應(yīng)鏈的基礎(chǔ)。物理和計(jì)算計(jì)量學(xué)不僅需要幫助設(shè)計(jì)，還需要在制造的所有階段評(píng)估、測(cè)試、描述和檢查部件。需要計(jì)量學(xué)來(lái)識(shí)別、描述和減少影響性能和質(zhì)量的缺陷和其他問(wèn)題，并在制造的許多階段提供產(chǎn)品保證。計(jì)量學(xué)是在制造之初對(duì)材料進(jìn)行認(rèn)證的關(guān)鍵，也是最終產(chǎn)品的質(zhì)量。表征、測(cè)試和檢查下一代設(shè)備、集成電路和包裝的要求正在超越今天測(cè)量技術(shù)的極限。這些復(fù)雜的設(shè)備需要先進(jìn)的納米級(jí)和次表面測(cè)量能力，包括識(shí)別原子的類型和位置以及評(píng)估埋藏層的能力。在某些情況下，計(jì)量學(xué)還必須適用于在線大批量生產(chǎn)，并且是無(wú)損的，而且能實(shí)時(shí)提供結(jié)果。

材料純度、性能和出處的計(jì)量學(xué)

微電子學(xué)中的材料進(jìn)展

??在超小的互連中用金屬代替銅--隨著設(shè)備的規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)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(dǎo)電性。

? 6G包裝的電介質(zhì)-更高的無(wú)線電頻率（幾百千兆赫）需要新型的電介質(zhì)材料。材料必須是耐高溫的，以承受制造過(guò)程和復(fù)雜設(shè)備中的信號(hào)損失所產(chǎn)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(shù)和較窄的帶隙范圍，有希望成為寬帶和高性能的光電探測(cè)器的材料。

??寬帶隙半導(dǎo)體--允許設(shè)備在比硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料高得多的電壓和溫度下工作。寬帶隙半導(dǎo)體是用于固態(tài)照明、電力電子和射頻（RF）應(yīng)用的關(guān)鍵部件，如手機(jī)和雷達(dá)。作為制造納米激光器和其他設(shè)備原型的項(xiàng)目的一部分，NIST "種植 "了能發(fā)出紫外線的半導(dǎo)體納米線，并且需要測(cè)量工具來(lái)描述它們的特征。

需要新的測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足對(duì)材料的純度、物理特性和來(lái)源的嚴(yán)格要求。

在過(guò)去十年中，工業(yè)界在半導(dǎo)體材料的多樣性和全球采購(gòu)方面都有爆炸性的增長(zhǎng)。隨著對(duì)更快、更小的集成電路需求的增長(zhǎng)，科學(xué)家們采用了許多新類型的材料。一些公司報(bào)告在芯片制造過(guò)程中使用了數(shù)百種材料和化學(xué)品。

隨著設(shè)備變得更小，需要新的材料模式--新的金屬、電介質(zhì)、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(méi)有得到很好的描述。

微電子材料的供應(yīng)來(lái)源也變得高度多樣化和全球化。新材料的引入和全球采購(gòu)導(dǎo)致了更大的污染可能性，以及對(duì)材料的純度、物理特性和來(lái)源的一致性的需求。半導(dǎo)體制造商需要工具和計(jì)量能力來(lái)驗(yàn)證所購(gòu)材料的完整性。材料在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和交付鏈中可能有多個(gè)接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)可能會(huì)產(chǎn)生或增加污染物。

需要新的測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保純度、物理特性和來(lái)源。如果沒(méi)有這些，原子級(jí)的缺陷或不充分的微觀特性會(huì)嚴(yán)重限制下一代設(shè)備和集成系統(tǒng)的產(chǎn)量、性能和可靠性。例如，污染控制標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器將提高質(zhì)量，同時(shí)減少晶圓缺陷--這是半導(dǎo)體制造中高成本和低產(chǎn)量的主要因素。不同的材料制造商可能沒(méi)有相同的測(cè)量精度，或者有獨(dú)特的方法來(lái)評(píng)估材料是否符合質(zhì)量要求。或規(guī)格。例如，半導(dǎo)體制造商希望確保材料的介電性能符合規(guī)范，并可能對(duì)供應(yīng)商的方法的準(zhǔn)確性感到不安。例如，某種類型的認(rèn)證或認(rèn)可，將有助于向接收材料的制造商保證購(gòu)買時(shí)的來(lái)源和質(zhì)量的一致性。

未來(lái)微電子制造的先進(jìn)計(jì)量學(xué)

微電子學(xué)的語(yǔ)言

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

DRAM管理數(shù)據(jù)，需要電源（易失性）；NAND閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不需要電源（非易失性）。

??場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）--一種使用電場(chǎng)來(lái)控制半導(dǎo)體中電流流動(dòng)的晶體管。

??制造產(chǎn)量--微電子加工質(zhì)量的定量衡量。它是指在制造和包裝過(guò)程中沒(méi)有被丟棄的產(chǎn)品的部分。

??晶體管--一種用于放大或切換電信號(hào)和功率的半導(dǎo)體裝置。晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本構(gòu)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(jié)構(gòu)，以提高性能和增加密度。

未來(lái)一代設(shè)備的先進(jìn)制造需要物理和計(jì)算計(jì)量學(xué)方面的突破。微電子學(xué)的最新進(jìn)展正在納入更復(fù)雜的三維器件和納米結(jié)構(gòu)材料。這些多方面的設(shè)備有許多優(yōu)點(diǎn)，如更低的功率消耗和更小的尺寸。預(yù)計(jì)未來(lái)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的CMOS和其他晶圓規(guī)模的先進(jìn)設(shè)備和電路（如高頻、硅光子學(xué)）將快速增長(zhǎng)。CMOS的擴(kuò)展越來(lái)越多地集中在低電壓、成本效益和更高的性能上。先進(jìn)的CMOS已經(jīng)通過(guò)集成技術(shù)從平面變成了三維，并且出現(xiàn)了新的晶體管架構(gòu)，如鰭狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）和其他。納米級(jí)晶體管的一個(gè)有前途的方法是水平或垂直配置的門極環(huán)繞（GAA）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特別是在3納米及以上的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。隨著設(shè)備變得越來(lái)越復(fù)雜，計(jì)量學(xué)也變得越來(lái)越有挑戰(zhàn)性。測(cè)量和表征結(jié)構(gòu)是識(shí)別問(wèn)題領(lǐng)域和確保半導(dǎo)體制造產(chǎn)量的傳統(tǒng)方法。然而，當(dāng)應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)時(shí)，計(jì)量工具更加昂貴，而且往往表現(xiàn)出能力上的巨大差距。先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)制造正在接近這樣的地步：每個(gè)原子在三維設(shè)備中的位置和類型都需要被知道，以滿足不斷提高的系統(tǒng)性能的要求。

部分挑戰(zhàn)是如何確定由各種母體組成的三維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或埋藏部分的特征。層/膜，許多層和微小的通道孔--層數(shù)越多，計(jì)量就越困難。此外，沒(méi)有一個(gè)計(jì)量工具能夠進(jìn)行所有需要的測(cè)量。一套用于二維特征分析的工具經(jīng)常被采用（例如，電子顯微鏡，光學(xué)系統(tǒng)）--但這些工具在充分地和小規(guī)模地測(cè)量層方面存在不足。一個(gè)協(xié)調(diào)一致的努力是為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，需要將研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)制定相結(jié)合。

?在先進(jìn)封裝中集成部件的有利計(jì)量方法

先進(jìn)的包裝概念

??異質(zhì)集成--指的是將單獨(dú)制造的部件集成到一個(gè)更高層次的組件中，總的來(lái)說(shuō)，提供更強(qiáng)的功能和更好的操作特性。

??多芯片模塊--多個(gè)集成電路（IC）/芯片集成在一個(gè)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(guò)垂直堆疊晶圓和/或芯片（三維）并使用硅通孔（TSVs）進(jìn)行電氣連接而形成的集成電路。

??封裝系統(tǒng)--將多個(gè)集成電路捆綁在一個(gè)封裝中的方法，與片上系統(tǒng)（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(diǎn)從芯片表面扇出，以實(shí)現(xiàn)更多的外部輸入/輸出；使用環(huán)氧樹脂模具化合物來(lái)嵌入芯片，而不是放置在基片上。

??集成光子學(xué)--光子學(xué)的一個(gè)新興分支，其中波導(dǎo)和器件作為一個(gè)集成結(jié)構(gòu)被制作在平坦的襯底或平面上。

??光互連--指利用光將信號(hào)從集成電路或系統(tǒng)的一個(gè)部分傳輸?shù)搅硪粋€(gè)部分。

??已知良好的芯片在放入包裝前已被完全炭化。

新的計(jì)量學(xué)將使先進(jìn)的微電子封裝的復(fù)雜部件和新型材料的整合成為可能。

先進(jìn)的封裝已經(jīng)成為微電子領(lǐng)域持續(xù)提高性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。先進(jìn)的封裝使許多具有不同功能的器件（邏輯、存儲(chǔ)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(yīng)用要求。雖然幾十年來(lái)，芯片內(nèi)部的改進(jìn)已經(jīng)被用來(lái)提高功能，但包裝方面的進(jìn)步已經(jīng)成為一種創(chuàng)新的、具有成本效益的方法。

越來(lái)越多的消費(fèi)者正在尋求性能更高的多功能設(shè)備，它們表現(xiàn)出更高的速度，但體積更小，成本更低；先進(jìn)的包裝是實(shí)現(xiàn)這些功能的有效途徑。通過(guò)共同設(shè)計(jì)和整合包裝內(nèi)的不同組件，系統(tǒng)性能得到了明顯的改善。

組件的組合將根據(jù)所需的先進(jìn)功能而變化，可以包括集成在同一封裝中的多個(gè)模具（更小的尺寸）。封裝將所有的元件拉到一起，形成一個(gè)更強(qiáng)大、性能更高的異構(gòu)系統(tǒng)，并有可能縮短上市時(shí)間。異構(gòu)集成是一種有利的方法，對(duì)未來(lái)的設(shè)備至關(guān)重要，因?yàn)楦叩男阅堋⒏「p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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和能力，這些標(biāo)準(zhǔn)和能力跨越多個(gè)長(zhǎng)度尺度和物理特性，并具有有效的準(zhǔn)確性，以確保高產(chǎn)量和性能。

用于創(chuàng)建先進(jìn)包裝的過(guò)程和技術(shù)發(fā)生后制造，并影響到測(cè)量和檢查。材料可能不是標(biāo)準(zhǔn)的，或者包裝可能使用不同類型的材料，影響檢驗(yàn)要求。先進(jìn)的包裝也為后端工藝和技術(shù)提供了獨(dú)特的測(cè)量方法，如測(cè)量凸起的間距和尺寸以及檢測(cè)和表征埋藏的缺陷。這些快速出現(xiàn)的先進(jìn)封裝概念將需要靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)控制各種參數(shù)（包括2D和3D）。

半導(dǎo)體材料、設(shè)計(jì)和元件的建模和仿真

高級(jí)計(jì)量學(xué)為了有效地對(duì)下一代進(jìn)行建模和模擬，需要有相應(yīng)的工具。

硬件設(shè)計(jì)正變得越來(lái)越復(fù)雜和多變。仿真是半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重要組成部分，涉及軟件、制造和新材料。建模和仿真是半導(dǎo)體行業(yè)用來(lái)減少新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)所需的開發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵因素。隨著對(duì)更快的緊湊型電路和系統(tǒng)的要求變得更加嚴(yán)格，新的模型不斷出現(xiàn)。模型和模擬必須分析復(fù)雜的器件特征，并在各種環(huán)境和操作條件下進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和優(yōu)化?；谖锢韺W(xué)的模型是為了在各種條件下操作時(shí)能夠選擇最佳的設(shè)備特征和性能。雖然這些模型是相對(duì)準(zhǔn)確，計(jì)算的速度可能不足以進(jìn)行更高層次的分析，包括電路設(shè)計(jì)。在這種情況下，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ɑ谟?jì)算機(jī)的模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）被應(yīng)用。其結(jié)果是在設(shè)備模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度之間進(jìn)行權(quán)衡。

隨著更復(fù)雜和未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)被推到了更高的頻率下工作，導(dǎo)致了更高的封裝密度和不同的組件。有了這些設(shè)備，設(shè)計(jì)者需要更加關(guān)注諸如電路之間的電磁耦合或由于更大的元件密度而產(chǎn)生的熱問(wèn)題。電氣性能可能會(huì)隨著速度和密度的增加而下降，從而需要對(duì)信號(hào)、電源和熱完整性進(jìn)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(yīng)力分布以及制造過(guò)程中的其他重要參數(shù)。相互作用的部件數(shù)量越多，問(wèn)題就越大。未來(lái)設(shè)計(jì)的仿真器必須具備對(duì)大型異質(zhì)綜合系統(tǒng)中的多種物理效應(yīng)進(jìn)行建模的能力。整個(gè)半導(dǎo)體價(jià)值鏈需要在模型表征方法、數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證方面進(jìn)行重大改進(jìn)，以使其效果最大化。

半導(dǎo)體制造過(guò)程的建模和仿真

“當(dāng)物理空間發(fā)生沖突和干擾時(shí)，虛擬模型可以實(shí)時(shí)測(cè)試，預(yù)測(cè)未來(lái)的事件，將信息反饋到物理空間，確定哪里需要改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在客戶和設(shè)計(jì)師之間提供有效的溝通?！?John Allgair博士說(shuō)道。

需要有突破性的進(jìn)展，以使工具能夠無(wú)縫對(duì)接對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體制造過(guò)程進(jìn)行建模和模擬。

建模和仿真對(duì)微電子和半導(dǎo)體的制造至關(guān)重要，從材料輸入到晶圓制造和系統(tǒng)組裝。制造過(guò)程的有效建模能夠更好地控制基本的性能參數(shù)，識(shí)別缺陷、瑕疵及其根源，保證質(zhì)量，以及預(yù)測(cè)設(shè)備維護(hù)。

半導(dǎo)體制造可以有成千上萬(wàn)個(gè)步驟，因?yàn)榫哂卸鄬拥男酒?、組件和系統(tǒng)被集成和組裝成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。計(jì)量學(xué)在制造的每個(gè)步驟中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而計(jì)算計(jì)量學(xué)（建立在數(shù)據(jù)上的模型）可能特別關(guān)鍵。

測(cè)量方面的突破和共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)于改善數(shù)據(jù)處理、分析、虛擬化和自動(dòng)化以實(shí)現(xiàn)更高的制造效率和加速時(shí)間至關(guān)重要。到市場(chǎng)。不充分的制造工藝模型和計(jì)量學(xué)可以極大地促進(jìn)不良的產(chǎn)量，導(dǎo)致更少的芯片和系統(tǒng)可以被集成到終端產(chǎn)品中，并延遲整體生產(chǎn)。

雖然簡(jiǎn)單的物理模型由于其較快的計(jì)算時(shí)間而被普遍應(yīng)用，但這些模型并不能滿足更復(fù)雜和精密的制造過(guò)程的要求。我們需要能夠準(zhǔn)確模擬下一代設(shè)備制造參數(shù)和過(guò)程的模型。

數(shù)字孿生體是一種顯示出巨大前景的方法。例如，一個(gè)強(qiáng)大的制造設(shè)施的虛擬雙胞胎可以模擬每件設(shè)備的操作和所有相關(guān)的操作。這可以優(yōu)化制造過(guò)程和參數(shù)，以提高產(chǎn)量和可靠性。在維護(hù)方面，虛擬雙胞胎可以提供有關(guān)潛在設(shè)備故障或預(yù)防性維護(hù)調(diào)度的反饋，使技術(shù)人員能夠在設(shè)備故障之前進(jìn)行維修。

在整個(gè)半導(dǎo)體價(jià)值鏈中，每天都會(huì)產(chǎn)生和收集大量被分解或未被充分利用的數(shù)據(jù)（高達(dá)15TB/天/工廠）。需要有重大的突破，以使工具能夠?qū)φ麄€(gè)半導(dǎo)體制造過(guò)程進(jìn)行無(wú)縫建模和模擬，并有效地利用（并根據(jù)）這些大型的、不同的數(shù)據(jù)集做出決定。

微電子學(xué)的新材料、工藝和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化

需要新的標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證方法加快未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展通訊和通信技術(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)規(guī)格、性能標(biāo)準(zhǔn)和其他要求，以指導(dǎo)材料、工藝和設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)供應(yīng)鏈的兼容性和可操作性，并確保產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可靠性、安全性和安全性。標(biāo)準(zhǔn)的使用甚至可以推動(dòng)行業(yè)創(chuàng)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(chǎn)品的出現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于確保美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)至關(guān)重要。1973年，超過(guò)2000種半導(dǎo)體晶圓規(guī)格的擴(kuò)散導(dǎo)致了嚴(yán)重的低效率。面對(duì)這些障礙，晶圓制造商合作制定了一致的晶圓規(guī)格，在幾年內(nèi)，80%以上的晶圓符合新制定的標(biāo)準(zhǔn)。建立晶圓尺寸的一致性使設(shè)備公司能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品的差異化和創(chuàng)新，以提高性能和降低成本。

今天，用于前端和后端半導(dǎo)體制造的新材料、工藝和設(shè)備的整合需要一套現(xiàn)代化的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提高關(guān)鍵微電子系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可追溯性、驗(yàn)證和安全性。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的范圍很廣，包括SRMs、SRD、設(shè)備校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以及書面協(xié)議和指南。驗(yàn)證和確認(rèn)（V&V）是指獨(dú)立測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)是否符合其規(guī)格和預(yù)期目的。在制造業(yè)中，V&V利用從工藝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，科學(xué)地證明工藝或設(shè)備始終如一地達(dá)到預(yù)期效果。

計(jì)量學(xué)增強(qiáng)基于微電子的元件和產(chǎn)品的安全性和證明力

需要在計(jì)量學(xué)方面取得 進(jìn)展，以提高安全性和證明力。微電子元件在整個(gè)供應(yīng)鏈中，為提高信任度和保證度，我們將繼續(xù)努力。

確保許多電子系統(tǒng)所必需的微小而復(fù)雜的半導(dǎo)體芯片的安全可 能是一種挑戰(zhàn)。微電子的開發(fā)、集成和部署后的使用越來(lái)越復(fù) 雜，帶來(lái)了新的安全風(fēng)險(xiǎn)和漏洞。微電子制造有一個(gè)復(fù)雜的全 球供應(yīng)鏈，其生產(chǎn)和使用跨越多個(gè)大陸。安全性和可靠性至關(guān) 重要的系統(tǒng)--國(guó)防、航空、汽車、醫(yī)療設(shè)備、電信、電網(wǎng)--特 別容易受到影響。最近的芯片短缺加劇了造假、知識(shí)產(chǎn)權(quán)盜竊、設(shè)計(jì)的反向工 程以及低質(zhì)量和有缺陷的芯片的生產(chǎn)。如果沒(méi)有辦法驗(yàn)證半 導(dǎo)體的來(lái)源，惡意的電路可能會(huì)被添加到供應(yīng)鏈的任何地方 ，讓壞人繞過(guò)防御機(jī)制，破壞設(shè)備，并竊取用戶信息。強(qiáng)大 的硬件安全已經(jīng)成為一種要求，而不是一種特征。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，美國(guó)國(guó)防部正在采取“零信任”政策，這 意味著微電子技術(shù)只有在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后才能被視為安全。私營(yíng) 部門也需要信任和保證，以確?；臼袌?chǎng)的復(fù)原力和安全。

基礎(chǔ)設(shè)施，如金融市場(chǎng)、電網(wǎng)、醫(yī)療保健系統(tǒng)、交通和通信。先進(jìn)的成像技術(shù)、取證和其他方法正被用來(lái)檢測(cè)假貨和惡 意的電路。半導(dǎo)體元件正在通過(guò)標(biāo)記和標(biāo)簽進(jìn)行認(rèn)證，以跟蹤供應(yīng)鏈的移動(dòng)并提供產(chǎn)品的來(lái)源。然而，硬件安全保護(hù)的挑戰(zhàn)貫穿整個(gè)供應(yīng)鏈，涵蓋制造商和材料供應(yīng)商，以及廣泛的商業(yè)部門。國(guó)家在如此多的關(guān)鍵 技術(shù)上對(duì)微電子的依賴需要一個(gè)全面的、強(qiáng)有力的硬件安全方法。要?jiǎng)?chuàng)建受保護(hù)的硬件環(huán)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)植根于信任和保證的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，從輸入材料到系統(tǒng)耦合和集成的 成品。這種方法包括安全分析的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，以及在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證的廣泛漏洞策略。

前進(jìn)之路

半導(dǎo)體對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、國(guó)家安全以及公共健康和安全至關(guān)重要。半導(dǎo)體的革命性進(jìn)展繼續(xù)推動(dòng)通信、信息技術(shù)、醫(yī)療保健、軍事系統(tǒng)、交通、能源和基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新。隨著半導(dǎo)體變得更小、更快、更復(fù)雜，提供前所未有的性能，半導(dǎo)體創(chuàng)造變革的潛力正在成倍增加。

計(jì)量學(xué)在半導(dǎo)體制造中起著關(guān)鍵作用。隨著設(shè)備變得更加復(fù)雜、更小和多層，測(cè)量、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和確保制造質(zhì)量的能力變得更加困難和不確定。今天，半導(dǎo)體行業(yè)用變通的方法和不適當(dāng)?shù)墓ぞ邅?lái)面對(duì)其中的一些計(jì)量挑戰(zhàn)，限制了產(chǎn)量，影響了質(zhì)量，并增加了成本。隨著對(duì)半導(dǎo)體器件性能和材料要求的更高要求，這些挑戰(zhàn)將繼續(xù)加劇。影響美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的計(jì)量學(xué)挑戰(zhàn)正處于關(guān)鍵階段，迫切需要解決。

“我們將構(gòu)建一個(gè)完整的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)”。商務(wù)部長(zhǎng)吉娜-雷蒙多。

編輯：黃飛

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