美国芯片计划之美国芯片研发计量计划

（图片来源：IEEE Spectrum）

计量在50%以上的半导体制造步骤中都发挥着关键作用，对确保半导体的质量、产量和性能至关重要。随着半导体设备日益复杂，监控、预测和确保制造高质量产品的任务变得更加困难。芯片内部可能包含1000多亿个精密的纳米器件，其中每个器件仅由不足50个原子组成，所有这些器件必须在工作原理上保持一致，才能确保整个芯片正常运行。美国半导体行业目前正面临着计量方面的挑战，现有的计量方法和工具在应对复杂性问题存在一定的不足，计量的缺失或不足将降低芯片产品的质量和产量，增加制造成本，减缓产品创新。为此，半导体计量学的重大突破将有助于提高半导体行业的生产、创新和竞争力。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。尤其是对美国而言，半导体领域越来越需要强大的新技术来精确测量和表征日益复杂芯片的新型材料和结构。

计量学是研究测量及其应用的科学。NIST的计量工作重点是推进芯片测量科学和相关标准，以加强美国经济安全和提高生活质量，芯片涉及的计量主要包括以下5大方面：

物理计量：材料、设备、系统和工艺的尺寸和物理特性的测量。

计算计量：基于物理的多维信息建模、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，以及用于制造流程的控制、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，并与既定基准匹配，即国际单位制（SI）。

测量和文件标准：规定的定义、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。

（“美国芯片”计划的4个子计划的关系）

《芯片与科学法案》强调了计量学在微电子研究和新一代测量科学方法、标准以及制造方法中的关键作用，明确规定了整个芯片研发计划中计量活动的方向。其要求NIST制定一项综合的计量计划，通过跨学科研发工作来增强美国半导体行业的实力。此外，法案还要求NSTC支持采用3纳米晶体管工艺或更先进工艺制造微芯片的先进计量和表征，以及用于安全和供应链验证的计量。同时，NAPMP和Manufacturing USA也被要求加强半导体先进测试能力，以支持国内生态系统。计量是所有芯片研发计划的基础和根本，并与其他芯片研发计划紧密结合。美国芯片研发计量计划依赖于行业利益相关者的参与，以确定对研究领域具有重大影响力的方向，商业化活动也将被纳入计量计划，以促进计划成果的推广。

美国芯片研发计量计划将促进创新，重点是准确、精确和适用于微电子材料、器件、电路和系统生产的测量。这项工作将利用NIST的测量科学专业知识、基础通信和计算研究能力、标准制定贡献以及利益相关者参与实践，来应对工业界、学术界和政府机构确定的最优先计量挑战。通过美国芯片研发计量计划，NIST将通过开发、推进和部署标准、参考材料、最佳实践和测量方法，扩大其对半导体技术和制造生态系统的支持。美国芯片研发计量计划致力于确保由美国政府资助的科学研究的直接成果能够为公众、产业界和科学界所用。半导体行业最看重的是经过全面审核的数据，芯片研发计量计划的成果将包括数据、测量方法、参考工艺设计工具包、参考材料、标准、出版物和相关数字产品。芯片研发计量计划将建立一个数字交换生态系统，为利益相关者提供获取芯片计量研究成果的途径。

NIST通过利益相关者参与和内部规划所收集到的数据证明，行业、学术界和政府组织在半导体设计和制造价值链的各个阶段（包括实验室的基础研究、应用研发、大规模原型设计、工厂制造，以及组装、封装和性能验证等方面），都亟需采用更为先进的计量方法，以解决美国半导体行业的最高优先级的计量差距问题，美国芯片研发计量计划将优先发展以下10大领域：

自动化、虚拟化和安全性方面：

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

下一代微电子计量方面：

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

芯片的进步和创新将产生革命性的新产品，但需要以先进的计量学为基础和支撑。未来尖端产品面临的高度复杂的集成器件给半导体制造业带来了挑战。复杂的设备需要先进的纳米级计量能力，需要识别原子类型和位置以及评估层叠的能力。在某些情况下，计量学还必须满足适用于在线大批量生产的需求，能够实时提供检测结果。当前美国芯片研发计量面临的7大挑战、行业差距以及战略重点如下：

半导体行业的变革和创新速度非常快，新技术日新月异，行业格局也在不断演变，这些发展将引发全新的挑战和计量需求。随着半导体元件达到纳米级，传统计量方法难以精确测量关键参数，即使是几纳米的偏差也可能对器件的性能产生巨大影响，因此，灵敏度和准确度成为计量至关重要的考量因素。在半导体生产中，提高产量和产出的关键之一是有效识别和找到故障的根本原因。在线加工和直接测量在这一问题上具有显著优势，通过实时观察和分析半导体的制造过程，可以避免偏差导致的高昂成本，并及时进行调整从而节省时间和资源，然而，想要实现这一目标仍然面临巨大挑战。为满足半导体行业未来的计量需求，行业参与者、学术机构和政府机构之间的紧密合作至关重要，美国芯片研发计量计划提供了解决计量行业的最关键问题的路线图，为半导体研究和实践提供了具体指导。