半导体行业计量七大挑战及对应优先重点领域
- 2023-06-13 09:33:24916
一、计划概述
2022年8月，美国发布《芯片与科学法案》，法案通过微电子研究和下一代测量科学方法、标准和制造方法的开发，强调计量在美国确立半导体行业领导地位方面的关键作用。该法案要求NIST建立计量计划，通过推进测量科学、标准、材料表征、仪器仪表、测试和制造能力，加强美国微电子面向未来的变革性应用和发展。2022年9月，NIST发布《美国半导体行业的战略机遇》报告，对美国半导体生态系统面临的关键计量挑战以及应对这些挑战的策略等进行了分析。报告强调，美国半导体行业正处于关键发展阶段，而计量是最主要的挑战，也是最亟待解决的关键问题。美国要继续占据全球半导体产业的领先地位，就要在半导体的测量服务、先进计量研发试验台、先进制造计量新技术来源以及标准等方面发力并迎接挑战。2023年4月25日，NIST发布《美国国家半导体技术中心愿景和战略》报告，报告阐述了美国国家半导体技术中心(NSTC)将如何加快美国开发未来芯片和技术的能力，以保障美国的全球创新领先地位。2023年6月5日，NIST正式发布《半导体生态系统中的计量差距：建立芯片研发计量计划的第一步》报告，指出芯片研发计量计划，并将其进一步细化为10个优先重点领域，以解决最关键的计量研发缺口，旨在通过先进的测量、标准化、建模和仿真来加强美国半导体产业。
二、美国半导体生态系统面临的关键计量挑战
2022年9月的《美国半导体行业的战略机遇》报告中，确定了从计量学角度需要重点关注的7大挑战，以实现美国领导的全球半导体行业的未来国家愿景。到2022年11月，芯片研发计量计划将其投资组合进一步细化为10个优先重点领域，以解决最关键的计量研发缺口。七大挑战及对应优先重点领域如下：
| 重大挑战 | 行业/产业缺口 | 战略重点 | 优先重点领域 |
| 1.材料纯度、性能和来源的计量 | 通过开发新的测量和标准，满足不同供应链对半导体材料纯度、物理性能和来源的日益严格的要求 | 开发专注于缺陷和污染物识别的测量技术、性能数据和标准，以支持整个供应链统一的材料质量和可追溯性 | 先进材料和设备计量 |
| 2.面向未来微电子制造的先进计量技术 | 确保关键计量技术的进步与前沿和未来的微电子和半导体制造并驾齐驱，同时保持美国的竞争优势 | 推进物理和计算计量工具，以适应先进的复杂、集成技术和系统的下一代制造 | 先进材料和设备计量 纳米结构材料表征计量学 |
| 3.在先进封装中实现集成组件的计量 | 提供跨越多个长度刻度的计量和物理特性，以加速未来一代微电子产品的先进封装 | 发展精密元器件与新材料的复杂集成计量，支撑强大的国内先进微电子封装产业 | 适用于3D结构和设备的高级计量技术 先进封装的材料表征计量 |
| 4.半导体材料、设计和元件的建模与仿真 | 改进对未来半导体材料、工艺、器件、电路和微电子系统设计进行有效建模和模拟所需的工具 | 使用多物理模型和下一代概念（如人工智能和数字孪生）创建先进的设计模拟器，使美国微电子设计师能够胜任 | 高级模型的验证和确认 |
| 5.半导体制造过程的建模与仿真 | 无缝建模和模拟整个半导体制造过程，从材料输入到芯片制造、系统组装和最终产品 | 开发先进的计算模型、方法、数据、标准、自动化和工具，使国内半导体制造商能够提高产量，加快上市时间，增强竞争力 | 面向下一代制造流程的高级建模 |
| 6.微电子新材料、工艺和设备的标准化 | 规范支持和加快微电子和先进信息通信技术发展和制造的方法 | 为下一代材料、工艺和设备创建标准、验证工具和协议，为美国工业加速创新和提高成本竞争力铺平道路 | 高级测量服务 设备和软件的互操作性标准 自动化、虚拟化和安全性标准 |
| 7.计量增强微电子元件和产品的安全性和来源 | 创造必要的计量进步，以增强供应链中微电子组件和产品的安全性和来源，并增加信任和保证。 | 寻求一种全面的硬件安全保护方法，包括标准、协议、正式测试流程和先进的计算技术，同时为供应链和最终产品中的微电子组件提供保证和来源。 | 供应链信任和高级计量的保障 |
三、优先发展重点领域，确保美国在半导体领域的领导力
NIST通过利益相关者参与和内部规划收集的数据证实，行业、学术界和政府组织需要在半导体设计和制造价值链的所有阶段采用更先进的计量方法，包括实验室的基础和应用研发、大规模原型设计、工厂制造以及组装、封装和性能验证等，列出了10个优先重点领域，以解决美国微电子工业的最高优先级计量差距。10个优先重点领域分为两大类，分别为：
1.自动化、虚拟化和安全性：
(1)供应链信任和高级计量的保障
(2)高级模型的验证和确认
(3)面向下一代制造流程的高级建模
(4)自动化、虚拟化和安全性标准
(5)设备和软件的互操作性标准
2.下一代微电子计量：
(1)先进材料和设备计量
(2)纳米结构材料表征计量学
(3)高级测量服务
(4)适用于3D结构和设备的高级计量技术
(5)先进封装的材料表征计量
四、对我国的启示和建议
半导体对美国的国家安全、经济增长、以及公共健康安全至关重要。半导体的革命性进步继续推动通信、信息技术、医疗保健、军事系统、交通、能源和基础设施领域的创新。随着设备变得更复杂、更小和多层，并提供前所未有的性能，半导体创造转型变革的潜力正在成倍增加。
而发展半导体的真正挑战是计量，计量在半导体制造步骤中扮演着重要角色，计量进步是加速半导体行业创新的基础。从实验室的基础和应用研发到概念验证、大规模原型制作、工厂制造、组装和包装，以及最终部署前的性能验证，半导体技术发展的所有阶段都需要计量。计量和标准在美国芯片研发创新中的地位举足轻重，作为美国国家标准与技术研究院，NIST是研发创新的引领者，NIST在开发半导体制造的计量工具、标准和方法方面发挥着关键作用。通过《芯片法案》，美国政府批准了支持美国半导体制造、研发和供应链安全的激励措施和计划。国会已明确授权并拨款加速NIST下一代微电子的计量研发，以实现立法目标。
该报告是NIST建立和扩大计量研发计划的重要路线图，以支持美国半导体行业下一代微电子的重点战略。通过推进测量科学、标准和技术，促进美国的创新和工业竞争力。可以看出，美国希望通过解决计量挑战，推动美国半导体行业发展，将美国定位为下一代微电子所必需的计量领域的全球领导者。
近年来，我国半导体产业在国家科技计划和政策支持下取得了快速发展。面对国际半导体产业的新竞争格局，我国应积极应对，制定半导体领域发展战略和协同措施，做好近、中、远期重点任务的统筹和协调。重视计量在半导体中的地位和作用，加大科技投入，建立我国半导体领域国家计量战略科技力量，充分发挥国家级计量科研机构的引领作用，集中优势力量加快计量研发和创新速度，实现我国在半导体领域的科技自立自强。