Bob体育彩票当地时间8月9日上午，美国总统拜登在白宫正式签署了《芯片与科学法案2022》（CHIPS and Science Act of 2022），使之成为正式生效的法案。该法案将为美国本土的半导体生产和研究提供约527亿美元的政府补贴。

　　其中就包括，5年内拨款110亿美元，用于美国国家半导体技术中心（NSTC）、国家先进封装制造计划以及第9906节授权的其他研发和劳动力发展计划。

　　而为了顺利推进该计划的实施，拜登政府近期还公布了新成立的“芯片法案办公室”及领导团队，其中华人Eric Lin就被任命为了“芯片法案”研发办公室临时主任。他同时还是美国国家标准技术研究院（NIST）材料测量实验室（MML）的主任。

　　那么，为何拜登政府会选择Eric Lin作为“芯片法案”研发办公室临时主任呢？因为，美国已经将Eric Lin所负责的NIST材料测量实验室（MML）作为通过“计量和标准的进步”来提升美国在半导体领域领导地位和竞争力的关键。

　　不久前，隶属于美国商务部旗下的NIST就发布了一份题为《美国半导体制造业的战略机遇——通过计量和标准的进步促进美国的领导地位和竞争力》的报告，强调了半导体行业的关键计量和表征的重要性，并称解决计量重大挑战将支持美国半导体行业提高产量、创新和竞争力。

　　NIST在报告中呼吁，“计量巩固了我们解决半导体制造商所面临的挑战的能力。今天对计量能力的投资将满足未来的技术需求，并支持美国在下一代微电子领域的领导地位。”

　　NIST认为，在加快研发迫切需要的计量进步方面，美国一刻也不能耽搁——因为这将获得许多高影响力的成果：

　　1、提升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。

　　2、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领域的领先地位。

　　3、开发和部署创新的制造计量系统，使美国工业能够提高制造产量，改善性能，并加快下一代微电子产品的上市时间。

　　4、开发和部署新的保证和来源技术，以降低从设计和开发到制造、封装和寿命终止的整个供应链中的微电子安全风险。

　　6、与工业界建立并保持合作伙伴关系，以加速技术从实验室向商业市场的转移，并支持人才培养和部署。

　　负责标准和技术的商务部副部长兼国家标准和技术研究所所长Laurie E.Locascio博士表示：“芯片法案授权的项目提供了一个历史性机遇，以扩大我们的国内制造能力，帮助发展美国微电子和半导体的研究和创新生态系统，并恢复美国在半导体制造业的领导地位。商务部和NIST完全致力于确保这些计划的成功实施。芯片法案项目的成功实施需要行业和关键利益相关者的密切协调和投入。”

　　作为吸引行业和关键利益相关者参与的重要第一步，NIST于2022年4月主办了一系列半导体制造商计量研讨会，汇集了来自工业界、学术界和政府的800多名与会者，就NIST如何帮助解决半导体行业面临的关键测量挑战征求意见。该报告总结了对半导体制造商生态系统面临的关键测量挑战、应对这些挑战的策略以及NIST可以提供帮助的关键领域的投入。

　　“美国半导体产业正处于关键阶段，这个问题迫切需要解决。本报告中概述的战略机遇将使我们能够提供急需的测量服务、先进的计量研发试验台、创新的制造计量、新颖的保证和来源技术以及标准，并与行业建立更强大的合作伙伴关系。我要感谢你们的投入和参与，我期待着在我们开始构建和实施计量和标准计划以应对报告中概述的关键战略挑战时继续参与。”Laurie E.Locascio在报告中说道。

　　计算计量学——基于物理的信息建模、重建和可视化与物理计量学相结合，以分析、预测和控制系统和过程的性能。

　　虚拟化和自动化—与机器学习（ML）相结合的数据收集、管理、处理和分析，以及用于制造流程控制、安全和身份验证的其他信息。

　　测量服务——机器和设备、标准参考材料（SRM）、标准参考数据（SRD）和标准参考仪器（SRI）的校准，以确保制造数据可追溯至既定基准，即国际单位制（SI）。

　　测量和文件标准——规定定义、尺寸、材料、工艺、实践、性能、产品、系统、服务、测试方法和抽样程序或部件分类。

　　计量研究与开发（R&D）对半导体供应链的各个方面都至关重要。半导体技术开发的各个阶段都需要计量，包括从实验室的基础和应用研发到演示概念验证、大规模原型制作、工厂制造、组装和封装，以及最终部署前的性能验证。在某些情况下，在超过50%的半导体制造步骤中，计量都起着关键作用，以确保质量、产量和性能。

　　△计量对半导体生态系统具有重大影响，消耗了芯片制造中的大部分步骤（大约50%，而且还在增长）。制造中多达30%的工具是计量/缺陷检测类工具。

　　但是，随着芯片越来越小、集成度越来越高、工作频率或数据传输速率越来越高，测量、监控、预测和确保制造质量的能力变得更加困难，这也使得计量学的重要性也越来越重要。今天，美国半导体行业面临着这些计量挑战，使用的是变通方法和不充分的工具。结果是降低了质量和制造产量，增加了制造成本，并减缓了产品创新。

　　美国国家标准与技术研究院（NIST）通过其在标准和测量科学领域的领导地位，一直是帮助美国微电子行业开发和制造下一代设备的重要合作伙伴。为美国的半导体设备、设计和材料公司的技术发展提供关键支持。

　　NIST表示，要实现新兴的3D IC和3D异构集成的潜力，必须在测量科学、标准、材料表征、仪器、测试和制造能力方面取得突破。随着设备变得越来越复杂、高度集成和更小，确保性能变得更具挑战性。在一系列环境中满足尺寸公差、性能和可靠性变得越来越困难。这些需求包括广泛的技术成熟度，从中试规模的原型和验证到生产和商业化，以及实验室和制造工厂的衔接工作。

　　微电子的进步和创新将产生性的新产品，但需要先进的计量学。为精密的未来产品而出现的高度复杂的集成器件对半导体制造提出了挑战。解决这些最关键的挑战将有助于确保美国引领全球创新并保持半导体行业的强劲发展。

　　计量是微电子设计、制造和封装以及关键材料和衬底供应链的基础。物理和计算计量学不仅需要帮助芯片设计，还需要在制造的所有阶段评估、测试、表征和检查组件。需要计量来识别、表征和减轻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。计量是在制造开始时认证材料以及最终产品质量的关键。

　　表征、测试和检查下一代设备、集成电路和封装的要求正在超越当今测量技术的限制。这些复杂设备需要先进的纳米级和地下测量能力，包括识别原子类型和位置以及评估埋层的能力。在某些情况下，计量还必须适用于在线大批量生产，具有非破坏性，并能够实时提供结果。

　　NIST认识到计量学对于实现微电子未来创新至关重要，因此与行业利益相关者合作，确定需要研发的最紧迫的技术挑战。NIST通过一系列研讨会、信息请求以及与主要公司的讨论所获得的信息有助于为专注于七大挑战的拟议战略前进路线提供信息。

　　这些重大挑战概述了加强美国国内半导体行业所需的计量研发。从基础科学到应用研发、演示、制造和部署，整个技术开发阶段都需要计量学。

　　NIST半导体计量研发中心总裁兼首席执行官Todd Younkin表示：“最大的风险是不投资于未来的半导体研发…。而是需要计量进步来缩短周期时间、获得洞察力并推动前沿。”

　　NIST半导体制造计量研发总裁E.Jan Vardaman也表示：“我们现在和将来都会看到许多先进封装选项的复杂性增加——迫切需要改进所有选项的计量。”

　　资料显示，NIST运营着两个纳米级半导体制造设施，生产用于研究和测量的定制微制造设备，以支持电气标准、量子计算和通信。研究人员还为合作机构创建定制设备，以测试新概念。每个设施容纳了大约50个仪器，用于在硅片上沉积非常薄的材料层，将图案转移到硅片上，并精确和选择性地减去材料，以制造定制的纳米级器件和结构。

　　此次发布的报告，总结了此前研讨会上对半导体生态系统面临的关键测量挑战、应对这些挑战的策略以及NIST可以提供帮助的关键领域的意见，并形成了一条专注于七大挑战的拟议战略前进路线、材料纯度、性能和来源的计量

　　在过去的十年里，半导体行业在半导体材料的多样性和全球采购方面都出现了爆炸式增长。随着对更快、更小的集成电路需求的增长，科学家们已经采用了许多新型材料。一些公司报告称，在芯片制造过程中使用了数百种材料和化学品。

　　微电子材料的供应来源也变得高度多样化和全球化。半导体材料市场规模巨大，2018年将超过500亿美元，预计到2025年底将达到700亿美元。新材料的引入以及全球采购导致了更大的污染可能性，并且需要在材料的纯度、物理特性和来源方面保持一致。半导体制造商需要工具和计量能力来验证所购买材料的完整性。材料在生产、储存、运输和交付链上可能有多个接触点，在这些接触点上可能产生或添加污染物。

　　未来设备的先进制造需要在物理和计算计量方面取得突破。微电子学的最新进展是将更复杂的3D器件和纳米结构材料结合在一起。这些多面器件具有许多优点，例如更低的功耗和更小的尺寸。

　　预计未来先进节点CMOS和其他晶圆级先进器件和电路（例如，高频、硅光子学）将快速增长。CMOS缩放越来越关注低电压、成本效益和更高的性能。先进的CMOS已经通过集成技术从平面发展到3D，并且出现了新的晶体管架构，例如鳍式场效应晶体管（FinFET）等。对于纳米级晶体管，一种有前途的方法是水平或垂直配置的环绕栅极晶体管（GAAFET），特别是对于3nm及以下的高级节点。

　　部分挑战是对3D结构的内部或埋置部分进行特征化，包括各种材料/薄膜、许多层和微小通道孔。层越多，计量就越困难。此外，没有单一的计量工具能够进行所有需要的测量。通常使用一套用于二维表征的工具（如电子显微镜、光学系统），但这些工具无法充分且以所需的小规模穿透层。为应对这一挑战，需要协同努力，将研发与标准开发结合起来。

　　先进的封装已经成为微电子领域持续性能提升的关键因素。先进的封装技术可将多种具有不同功能（逻辑、存储器、GPS、电源、加速计等）的器件集成和封装在一起，以满足特定应用的要求。虽然芯片内部的改进已经使用了几十年来增加功能，但封装的进步已经成为一种创新的、具有成本效益的方法。

　　用于先进封装的工艺和技术是在晶圆制造后，并影响计量和检验。材料可能不标准，或者封装可能使用不同类型的材料，影响检验要求。高级封装也需要后端工艺和技术提供独特的测量方法，如凸块间距和尺寸的测量以及掩埋缺陷的检测和表征。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器件）。

　　△先进的封装允许在一个封装中集成多种系统和材料，例如基本逻辑、存储器和射频通信（下一代、WiFi、蓝牙）。

　　针对面间和地下互连以及内部3D结构的现场、快速测量和验证方法的测量，包括翘曲、空隙、基板屈服、应力、粘附和可靠性，提高了吞吐量和分辨率；

　　硬件设计正变得越来越复杂和多学科，涉及软件、制造和新材料。建模和仿真是半导体行业用来缩短将新技术推向市场所需的开发时间的关键要素。因此，需要先进的计量工具来有效地建模和模拟下一代半导体材料、工艺、器件、电路和系统设计。

　　随着系统越来越复杂和未来的技术要求越来越高，系统将被要求以更高的频率运行，从而实现更高的封装密度和不同的组件。对于这些器件，设计者需要更多地关注电路之间的电磁耦合或由于更大的元件密度而引起的热问题等效应。随着速度和密度的增加，电气性能可能会降低，因此需要对信号、功率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精度的掺杂剂和应力轮廓，以及制造过程中重要的其他参数。交互组件的数量越多，问题就越严重。

　　从材料输入到晶圆制造和系统组装，建模和仿真对于微电子和半导体的制造至关重要。制造过程的有效建模能够更好地控制基本性能参数、识别缺陷、瑕疵及其根本原因、质量保证和预测性设备维护。

　　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工业的持续增长至关重要。1973年，超过2000种半导体芯片规格的激增导致了严重的效率低下。面对这些障碍，芯片制造商合作制定了一致的芯片规格，在几年内，80%以上的芯片符合新开发的标准。晶圆尺寸的一致性使设备公司能够专注于产品差异化和创新，从而提高性能并降低成本。

　　保护对许多电子系统至关重要的微小复杂的半导体芯片是一项具有挑战性的工作。微电子的开发、集成和部署后使用的复杂性不断增加，带来了新的安全风险和漏洞。微电子制造业拥有复杂的全球供应链，其生产和使用跨越多个。安全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——尤其脆弱。

　　美国国防部的供应商必须通过使用先进商业能力的快速可靠微电子原型（RAMP）项目，遵守国防和关键基础设施的严格要求。RAMP为微电子设计、制造和供应链管理提供了一个安全、可扩展的平台。行业领导者联盟正在建设支持RAMP的能力，包括微软、应用材料公司、BAE Systems、机械研究所、Cadence、GlobalFoundries、英特尔、Nimbis Services、诺斯罗普·格鲁曼、Siemens EDA、Synopsys公司和Zero ASIC公司。

　　要创建受保护的硬件环境，必须考虑安全性的许多方面。例如，集成的小芯片可能嵌入了恶意软件，组装的部件可能有受损的组件。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。该方法包括信息安全智能分析的标准和准则，以及用于在整个产品生命周期中进行测试和验证的广泛漏洞策略。

　　在NIST半导体计量研发研讨会上英特尔安全保障和密码学高级总监Matthew Areno也表示：

　　报告指出，半导体对美国的经济增长、以及公共健康和安全至关重要。半导体的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。随着半导体变得更小、更快、更复杂，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。

　　报告称，现在就开始解决计量挑战，将加强美国的半导体产业，并有助于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。

　　△NIST高级器件特性和可靠性实验室中用于收集可靠性数据的高速放大探针针尖的照片。图片来源：Erik Secula