摘要: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。

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。

半导体制造业的“战略机遇”:美国计划解决七大关键计量挑战,提升领导地位!-芯智讯

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。

5、使用最先进的设备和工具建立先进的计量研发试验台,以推动下一代微电子的测量科学创新。

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。

以下为芯智讯根据该报告翻译整理的内容:

一、什么是计量?

计量学是研究测量及其应用的科学。在NIST,计量工作的重点是推进测量科学和相关标准,以加强经济安全和提高生活质量。主要包括以下几个方面:

物理计量学——材料、设备、系统和过程的尺寸和物理特性的测量。

计算计量学——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。

二、计量的作用

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。

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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。

三、半导体制造的战略机遇

微电子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。

四、七大挑战的拟议战略前进路线

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。

1、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。

比如,在超小型互连中取代铜的金属——随着器件继续缩小到3纳米及以下,正在探索用于微型互连的钴和钌等材料,其中层必须非常薄且导电。

用于6G封装的电介质——更高的射频(几百千兆赫)需要新型电介质材料。材料必须具有耐温性,以承受复杂器件中的制造工艺和信号损耗所产生的热量。

2D金属硫族化物——由于较高的载流子迁移率、吸收系数和窄带隙范围,有望用于宽带和高性能光电探测器的材料。

宽禁带半导体—允许器件在比传统半导体材料(如硅)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(如手机和雷达)的关键元件。

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△NIST“生长”发射紫外光的半导体纳米线,作为制造原型纳米激光器和其他设备以及表征它们所需的测量工具项目的一部分。

而随着芯片变得越来越小,除了需要新的材料——新的金属、电介质、蚀刻气体、光刻胶、抗反射涂层之外,材料的纯度也是极为重要的。这些材料中的一些的性质和行为没有被很好地表征。

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。

需要新的测量方法和标准来确保纯度、物理特性和来源。没有这些,原子级缺陷或不充分的微观特性会严重限制下一代器件和集成系统的产量、性能和可靠性。例如,污染控制标准和验证它们的仪器将提高质量,同时减少晶片缺陷——这是半导体制造中高成本和低产量的一大因素。

不同的材料制造商在测量中可能不具有相同的精度,或者在评估材料是否符合质量或规格方面具有独特的方法。例如,半导体制造商希望确保材料的介电性能符合规范,并且可能不确定供应商方法的准确性。例如,某种类型的认证或认可将有助于确保制造商收到的材料来源和购买时质量的一致性。

总结来说,随着对于半导体材料需求的变化,因此,也需要新的测量方法和标准来满足对材料的纯度、物理性质和来源的严格要求。

对此,NIST指出解决这一问题的关键点如下:

挑战:通过开发新的测量和标准,满足整个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。

战略:开发以缺陷和污染物识别为重点的测量技术、性能数据和标准。目标是支持供应商的统一材料质量,并跟踪潜在的杂质来源。

前进的道路:在关键ar中进行高影响的研发和相关活动。新的测量具有更高的灵敏度和吞吐量,用于检测:

整个供应链中材料中的颗粒和污染物,包括在线质量评估。

用于测量微电子材料物理特性的创新、高通量技术。

评估和关联材料供应基础设施的性能数据,以支持标准和来源。

用于衡量杂质检测和参考数据的标准参考材料(SRM),包括用于材料热物理性质的参考材料。

可帮助制造商通过供应链跟踪材料的文件标准,如详细版本的分析证书(显示材料属性,跟踪任何潜在污染源)。

2、面向未来微电子制造的先进计量技术

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。

随着器件变得更加复杂,计量变得更具挑战性。在半导体制造中,测量和表征结构是识别问题区域和确保产量的传统方法。然而,当应用于3D结构时,计量工具更加昂贵,并且通常在能力上表现出显著的差距。

先进制程节点制造正在接近这样一个点,即需要知道每个原子在3D设备中的位置和类型,以满足不断增长的系统性能持续增长的要求。

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。

挑战:确保关键的计量技术进步与尖端和未来的微电子和半导体制造业保持同步,同时保持美国的竞争优势。

战略:开发适用于下一代先进复杂集成技术和系统制造的先进物理和计算计量学。

前进之路:在关键领域开展活动,开发适用于3D设备和下一代制造的创新、成本效益计量,包括以下关键领域的工具和方法:

新材料和器件的特性,如砷化镓、互补场效应管、新型互连和电介质;

表面、掩埋特征、界面和设备的物理特性表征(例如,尺寸、粗糙度、热、机械、电气、磁性、光学),分辨率、灵敏度、精度和吞吐量都有所提高;

快速、高分辨率、非破坏性技术,用于表征缺陷和杂质,并将其与性能和可靠性相关联;

半导体制造过程中相关数据的评估和关联;

工艺设计、开发和控制标准,如参考材料和文件标准;

罕见但灾难性缺陷的统计分析,如极紫外(EUV)光刻中的随机事件。

3、在先进封装中实现集成组件的计量

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。

先进封装包括以下几类:

异构集成(Heterogeneous Integration):是指将单独制造的元件集成到较高级别的组件中,该组件在总体上提供增强的功能和改进的操作特性;

多芯片模块:将多个集成电路(IC)/芯片集成到单个封装或模块中,以减少所需的电路板空间。

3D集成电路:通过垂直(三维)堆叠晶片和/或芯片并使用硅通孔(TSV)将其电连接而形成的IC;

系统级封装:将多个IC捆绑在单个封装中的方法,与片上系统(SoC)相比,片上功能集成在同一基板中;

扇出型晶圆封装:连接从芯片表面扇出以实现更多外部输入/输出的封装;使用环氧树脂模塑料嵌入芯片,而不是放置在基板上。

集成光子学:光子学的一个新兴分支,其中波导和器件作为集成结构制作在平面衬底或平面表面上。

光互连:指使用光将信号从集成电路或系统的一部分传输到另一部分。

新的计量学将使先进微电子封装的精密元件和新材料的复杂集成成为可能。

随着消费者越来越多地寻求性能更高、速度更快、体积更小、成本更低的多功能设备。高级封装是实现这些功能的有效方法。通过协同设计和集成封装中的不同组件,可以显著提高系统性能。

组件的组合将根据所需的高级功能而变化,并且可以包括集成在同一封装中的多个管芯(较小的占用面积)。打包将所有组件整合在一起,形成功能更强大、性能更高的异构系统,并可能缩短上市时间。异构集成是一种可行的方法,对于性能更高、体积更小、重量更轻、功耗更低、成本更低的未来设备至关重要。

不同材料和组件的集成需要新的测量标准和能力,这些标准和能力可以跨越多个长度尺度和物理特性,并具有经过验证的精度,以确保高产量和高性能。

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)。

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△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)。

挑战:提供跨越多个长度标尺和物理特性的启用计量,以及支持加速未来一代微电子的先进封装概念。

战略:发展计量学,实现先进微电子的复杂组件和新型材料的复杂集成,加强国内半导体封装行业和美国在这一关键领域的领导地位。

前进之路:开展研发,开发计量学,以应对先进封装带来的独特挑战,包括与异构集成和其他创新概念相关的地下特征和方面。关键区域包括:

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;

薄膜、表面、埋入特征和界面的物理特性(如尺寸、热、机械、电、磁、光学);

用于将小芯片、小芯片、SoC和存储器集成到封装中的方法;

部件集成的机械测量(例如,混合粘合、界面粘合和粘合完整性);

封装过程中数据的评估和关联;

封装标准,如小芯片和SoC等领域的参考材料和文件标准。

4、半导体材料、设计和元件的建模与仿真

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。

随着对更快的紧凑型电路和系统的要求变得更加严格,新型号不断涌现。模型和仿真必须分析复杂的设备特性,并在各种环境和操作条件下执行严格的测试和优化。

基于物理的模型旨在在各种条件下运行时,选择最佳设备特性和性能。虽然这些模型相对准确,但计算速度可能不够快,无法进行更高层次的分析,包括电路设计。在这种情况下,应用经验模型(基于实验数据的计算机模型)是设备模型的准确性和计算速度之间的权衡。

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。

未来设计的模拟器必须能够模拟大型非均匀集成系统中的多种物理效应。

在整个半导体价值链中,需要在模型表征方法、数据处理和验证方面进行重大改进,以最大化其效果。

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△JARVIS是一个用于材料建模的标准化计算工具的知识库,包括力场(FF)和用于密度泛函理论(DFT)的机器学习。目前JARVIS拥有6000多名用户和30万次下载。

诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)、NIST半导体制造计量咨询工程师Bill Deal表示:“我们需要在建模和电子设计自动化方面进行投资,以降低成本和提高吞吐量……政府投资对美国半导体制造能力至关重要。”

挑战:改进有效建模和模拟未来半导体材料、工艺、器件、电路和微电子系统设计所需的工具。

战略:开发基于多物理模型、关键测量方面和下一代概念(如人工智能)的高级设计模拟器,创建一套工具来增强美国微电子设计师的能力。

前进的道路:进行研发,为支持有效设计模拟器所需的重要未来设备参数开发稳健的数据、数学模型和测量技术。关键研发领域包括:

多物理模型,包括捕获热、化学、物理、机械、信号完整性、可靠性、功耗和其他参数的模型;

在广泛的温度、偏置和频率范围内测量材料、部件和电路特性,作为上述模型的输入和验证;

高级分析(如ML和Al)的应用和验证,用于建模和优化在真实环境中运行的复杂材料、电路和系统;

稳健估计模型不确定性的方法。

5、半导体制造过程的建模与仿真

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。

随着具有多层、多个组件和系统的芯片被集成并组装到复杂的架构中,半导体制造可以有数千个步骤。计量学在制造的每一步都起着关键作用,而计算计量学(建立在数据基础上的模型)尤其重要。

测量和共识标准的突破对于数据处理、分析、虚拟化和自动化的改进至关重要,以提高制造效率和加快上市时间。不充分的制造过程模型和计量可能会导致产量低下,导致可集成到最终产品中的芯片和系统减少,并延迟整体生产。

虽然简单的物理模型由于其更快的计算时间而被普遍应用,但这些模型不能满足更复杂和精密的制造工艺的需求。需要能够精确模拟下一代器件制造参数和工艺的模型。

数字孪生是一种很有前途的方法。例如,制造设施的强大的虚拟孪生可以对每件设备的操作和所有相关操作进行建模。这使得能够优化制造工艺和参数以提高产量和可靠性。对于维护,数字孪生可以提供有关潜在设备故障或预防性维护计划的反馈,使技术人员能够在设备发生故障之前进行维修。

在整个半导体价值链中,每天都会创建和收集大量分类数据或利用率低下的数据(高达15 TB/天/晶圆厂)。需要取得重大突破,以使工具能够无缝地建模和模拟整个半导体制造过程,并有效地利用这些大型、不同的数据集(并对其做出决策)。

项目技术负责人John Allgair博士表示:“当物理空间发生冲突和干扰时,虚拟模型可以进行实时测试,预测未来事件,将信息反馈给物理空间,确定需要改进设计的地方,并在客户和设计师之间提供高效的沟通。”

挑战:无缝建模和模拟整个半导体价值链,从材料输入到芯片制造、系统组装和最终产品。

战略:创建一套先进的计算模型、方法、数据、标准和工具,使国内半导体制造商和价值链能够提高整体产量,加快设备上市时间,并增强全球市场竞争力。

前进的道路:进行研发,开发各种有效的制造模拟工具和相关标准,可应用于在线工艺和模型关键参数。关键研发领域包括:

建模、数据分析和验证工具,以实现高效的流程开发和优化;

自动化和虚拟化的标准、协议和标准数据;

测量和标准支持数字孪生,从单个处理步骤到完整的芯片制造和系统组装;

高级分析(如ML和Al)的应用和验证,用于复杂制造过程设计、开发、自动化和集成的建模和优化。

6、微电子新材料、工艺和设备的标准化

需要新的标准和验证方法来加速未来信息和通信技术的发展。

标准提供了技术规范、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。按标准制造可实现整个供应链的兼容性和互操作性,并确保产品性能、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。

如今,用于前端和后端半导体制造的新材料、工艺和设备的集成需要一套现代化的标准,以提高关键微电子系统的准确性、可追溯性、验证和安全性。标准涵盖范围广泛,包括SRM、SRD、设备校准标准以及书面协议和指南。

验证和确认(V&V)是指独立测试产品或系统是否符合其规范和预期目的。在制造中,验证与确认从工艺设计到生产获取数据,以科学地证明工艺或设备始终按预期交付。

半导体制造业的“战略机遇”:美国计划解决七大关键计量挑战,提升领导地位!-芯智讯

△NIST工作人员在NIST的SURF-III同步加速器设施上使用EUV反射计来校准EUV光刻系统的专用光学器件。

挑战:创建必要的标准和验证方法,以加速未来信息和通信技术的开发和制造。

战略:创建标准和验证协议,以支持新材料、工艺和设备在未来一代微电子中的使用,为加速美国行业的创新和成本竞争力铺平道路。

前进之路:开展研发、数据收集、工艺验证和其他标准相关活动,以支持下一代半导体制造的文件标准、SRM、校准协议和服务的开发。追求的关键领域包括:

SMR、数据、仪器、校准和测量服务;产品开发套件;以及各种最知名的方法;

用于在纳米尺度上检测缺陷、污染物和痕量杂质的参考材料;

纳米尺度尺寸和材料表征的参考材料。-校准、验证和新方法,以实现工艺开发和大批量制造中设备的高精度车队匹配(即,将工具套件与使用的工艺/材料匹配);

高级封装和异构集成的SMR和数据,包括高频电性能和热机械性能;

来自不同供应商的可互操作设备和软件标准,确保整个供应链的知识产权(IP)、数据完整性和原产地保护;

在制造厂中跟踪材料从创建到最终使用的标准,包括可能改变材料属性的任何内容。

7、计量增强微电子元件和产品的安全性和来源

需要在计量方面取得进展,以加强供应链中微电子组件和产品的安全性和原产地,并提高信任和保证。

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大陆。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。

最近的芯片短缺加剧了假冒、知识产权盗窃、设计逆向工程以及低质量和有缺陷芯片的生产。如果没有验证半导体来源的手段,恶意电路可能会被添加到供应链的任何地方,从而允许不良行为者绕过防御机制,破坏设备并窃取用户信息。强大的硬件安全性已成为一项要求,而不是一项功能。

为了应对这些挑战,美国国防部门正在采取“零信任”政策,这意味着微电子只有在经过验证后才能被视为安全的。

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、巴特尔机械研究所、Cadence、GlobalFoundries、英特尔、Nimbis Services、诺斯罗普·格鲁曼、Siemens EDA、Synopsys公司和Zero ASIC公司。

私营部门也需要信任和保证,以确保金融市场、电网、医疗保健系统、交通和通信等基本市场和基础设施的弹性。先进的成像技术、法医学和其他方法正被用于检测假货和恶意电路。半导体元件正在通过标记和标签进行认证,以跟踪供应链动向并提供产品来源。

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,以及广泛的商业领域。国家在如此多的关键技术上对微电子的依赖,需要一种全面、稳健的硬件安全方法。

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:“安全性甚至在芯片设计开始之前就开始了……但在整个制造生命周期中,仍迫切需要一种结构化和统一的安全方法……”

挑战:创造必要的计量进步,以加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。

战略:采用一种全面的硬件安全保护方法,包括标准、协议、正式测试过程和先进计算技术,同时为整个供应链和最终产品的微电子组件的保证和来源提供途径。

前进之路:开展活动,支持制定标准、协议和测试流程,以分析微电子产品整个生命周期中的安全漏洞。追求的关键领域包括:

安全分析和自动化的方法、参考设计包和指南,包括解决形式化威胁模型的普遍安全性;

在整个产品生命周期(从开始到结束)中加强脆弱性管理,包括以下活动:

独立验证和确认的正式测试和流程;

跟踪材料和部件,以及检测和缓解触发机制;

端到端来源的通用测试结构、测试方法以及测试和测量策略;

硬件安全和来源的文件标准;

可靠新兴技术的开发和使用,如Al和ML方法,跨越整个半导体价值链。

五、美国半导体产业的前进之路

报告指出,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。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。

计量在半导体制造中起着关键作用。随着设备变得更复杂、更小和多层,测量、监控、预测和确保制造质量的能力变得更加困难和不确定。

如今,美国半导体行业面临着一些计量挑战,如变通方法和工具不足,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提出更高的要求,这些挑战将继续加剧。影响美国半导体行业的计量挑战正处于关键阶段,迫切需要解决。

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。

半导体制造业的“战略机遇”:美国计划解决七大关键计量挑战,提升领导地位!-芯智讯

△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

计量进步是加速半导体行业创新的基础。作为美国国家测量研究所,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。

这份报告是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战略重点。这一战略方针与NIST的使命是一致的:通过推进测量科学、标准和技术,以增强经济安全和提高我们的生活质量的方式,促进美国的创新和工业竞争力。

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。NIST将协同工作,并与其他芯片法案计划密切协调,即激励措施、国家半导体技术中心、国家先进封装制造计划和美国制造研究所。

在NIST半导体制造计量研发研讨会上,NIST半导体计量研发中心总裁兼首席执行官Todd Younkin表示:“我们无法改善我们无法衡量的东西。”“我们必须在技术和劳动力开发方面处于领先地位,才能成为真正的领跑者。”

NIST正在与半导体行业合作,以克服芯片改进所面临的物理限制。NIST通过纳米电子研究计划(NRI)与半导体公司合作,以确定和解决行业面临的最大研究挑战。目前已有700多名学生通过NRI接受了高科技专业培训,并基于NRI的工作提交了60项专利申请。

编辑:芯智讯-浪客剑