一、前言

半導體對國家的經濟成長、國家安全以及公共健康與安全至關重要。2022年美國國會通過了Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act (CHIPS Act)，簡稱《晶片法案》，規劃透過獎勵等措施強化美國微電子研發與生產能力，促進創新生態體系發展，以恢復美國在微電子製造領域的領導地位。2022年9月美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)在經過一系列研討會、意見徵詢等流程後，發布了美國半導體製造之策略機會報告(Strategic Opportunities for U.S. Semiconductor Manufacturing)，文中指出測量學(Metrology)為確保美國半導體製造位居全球領先地位之關鍵技術。

測量學能確保產品品質、良率與性能，且有高達50%的半導體製程步驟需要使用測量學相關技術。隨著微電子元件(Microelectronic，指利用半導體材料與相關設備生產而成的積體電子元件與系統)的體積愈趨縮小，功能與結構日趨複雜，確保產品品質之能力將更加重要，例如:目前先進的單一晶片上，可能包含著超過千億個奈米元件，且每個奈米元件的尺寸不超過50顆原子。因此，需透過先進的測量學技術，確保製造的每一個元件特性皆能符合規格，晶片才得以正常運作。

二、研發挑戰之發展策略說明

NIST提出了以七大挑戰為重點的發展策略。七大挑戰請參閱圖一，發展策略與重點投入領域請參閱圖二與圖三。以下針對各挑戰之發展策略作介紹: 

(一) 材料純度、特性和來源
發展策略：發展針對缺陷和污染物檢測的測量工具，建立材料特性數據與標準，以支持供應鏈的材料品質一致性和可追溯性。

說明：
隨著速度更快、體積更小的積體電路(integrated circuit, IC)發展，科學家研發出許多新類型材料，如新的金屬、介電質(dielectrics)、蝕刻氣體以滿足需求，且估計在晶片製造過程中所使用的材料和化學藥劑可高達數百種。此外，隨著全球化的發展，微電子材料的供應來源也變得高度多樣化，在生產、儲存、運輸等過程中皆可能發生污染，尤其是在元件尺寸逐漸縮小之情況下，任何極微小缺陷與雜質或者對材料特性無法完全掌握之情況下，將可能嚴重限制產品的產量、性能和可靠性。因此，半導體製造商需要有創新、可靠且具高精準度的量測工具與能力來驗證材料的純度、物理特性和來源。
另外，不同的材料製造商量測之精準度可能有所不同，因此需要有明確的規範或者認證機制，以確保材料的可靠度與品質的與一致性。

(二) 先進微電子製程
發展策略：發展先進的物理測量(physical metrology，物理特性測量)和計算測量(computational metrology，結合物理特性量測與建模，分析與控制製造流程之效能)工具，以支持下一世代的先進製程技術與系統。

說明：
未來的先進製程需要物理和計算測量學方面的突破。為了實現更低的功率消耗與更小的元件尺寸，目前微電子學正從二維朝向三維積體電路開發，例如鰭狀場效電晶體(FinFET)、環繞式閘極(GAA)場效電晶體。隨著元件結構變得越來越小且複雜，在測量上也越來越具挑戰性，尤其是三維結構內部的量測。此外，目前先進製程仍普遍使用過去二維積體電路的量測工具(如電子顯微鏡)，然而這些工具無法滿足三維結構上的測量需求。因此，研發新的量測工具以適用於先進製程的發展為需克服之重要挑戰。 

(三) 先進封裝
發展策略：發展適用於精密元件和新材料整合的測量學，以支持美國國內之先進微電子封裝產業。

說明: 
先進封裝為微電子元件能持續提高性能的關鍵因素。先進封裝使許多具有不同功能的元件(如邏輯閘、記憶體、GPS、電源、加速器等)能夠整合在一起，形成一個強大且具有高性能的系統，以滿足特定要求。先進封裝技術可縮短產品上市時程，係為創新且具有成本效益的方法。然而不同類型元件之尺寸與特性不同，導致封裝方式與使用材料會有所差異，這些差異將大幅提升檢驗的難度，甚至需要獨特的量測方式來確保產品品質，如測量封裝後的突起間距與尺寸以及其內部缺陷之方法。因此，需要有得以涵蓋多個長度尺度，並且能量測多樣的物理特性，同時保有高度準確性之創新測量技術與標準。

(四) 半導體材料、設計和零組件建模與模擬
發展策略：使用多重物理量模型(multi-physics models)、人工智慧、數位孿生等新興技術開發設計模擬器，進而提升美國微電子工程師之設計開發能力。

說明: 
建立虛擬模型，並執行設計模擬是半導體產業用以加速新技術進入市場之關鍵因素。以物理學為基礎的模擬，能分析複雜的元件特性，並可在各種環境和操作條件下進行測試和優化。儘管目前的模擬已有一定的準確度，但計算速度仍略顯不足。
另外，隨著元件的微小化與高頻技術的發展，在設計方面需面臨更多挑戰，例如: 電路之間的電磁耦合效應(electromagnetic coupling)；元件密度提高產生的散熱與電子性能下降等問題；雜質的含量與分布也可能導致非預期的應力(stress)產生，進而影響到元件特性與穩定性。
因此，未來設計工具必須具備可對多種物理效應(如熱、功率消耗、操作頻率等參數)進行模擬之能力，且在計算與數據處理的能力也需要大幅提升，以滿足先進製程需求。

(五) 半導體製程建模與模擬
發展策略：開發先進的計算模型、方法與工具等，使美國國內半導體製造商能夠提高產量、縮短上市時程並且強化競爭力。

說明：
從材料輸入到晶圓製造和封裝，建立虛擬模型與執行模擬對於半導體的製造至關重要。模擬能夠更有效的控制操作參數、識別缺陷、確保產品品質，以提高生產效率與產量，加速產品上市。儘管目前已有簡易的虛擬模型可供使用，但這些簡易模型並不能滿足漸趨複雜之製程需求。因此，需要有能夠精準模擬下一代半導體生產製造流程，並可以有效分析大量數據之模擬工具。
數位孿生為具有前景之技術，例如: 數位孿生可以對工廠的每項設備與操作過程進行模擬，並可以優化相關參數，以提高產量和可靠性；對於維護來說，數位孿生可以提供設備故障之預測分析，使技術人員能夠進行預防性維修。

(六) 標準化新材料、製造技術與設備
發展策略：為下一代材料、製造技術和設備制定標準、協議與驗證工具，以促進美國工業創新和提升產業競爭力。

說明：
標準能夠提供技術規範、性能標準和其他要求，為材料與設備的生產以及製造流程的設計提供指引。參照標準製造可實現供應鏈的兼容性和互可操作性(interoperability)，並確保產品的性能、品質、可靠性、安全性。同時，標準的使用亦有助於推動產業創新，並且可降低研發與製造成本，例如1973年晶圓製造商合作制定了一致的晶圓規格，使設備廠能夠專注於設備性能提升與成本降低。如今，半導體產業亦需要一套現代化的標準，包括標準參考材料(SRM)、設備校正標準、書面協議與指引，來提高未來生產系統的準確性、可追溯性與安全性。 

(七) 元件與產品安全性
發展策略：追求全面性的硬體安全保護方法，包括建立標準、協議、測試步驟和發展先進計算技術，同時為供應鏈與產品建立認證與溯源機制。

說明：
半導體製造業擁有復雜的全球供應鏈，且其產品的使用亦跨越了生活中的各個層面，影響力日益增加，同時也帶來了新的安全風險和漏洞，尤其是國防、航空、汽車、醫療設備、通訊、供電等領域之系統，特別容易受到惡意者的攻擊。此外，近期的晶片短缺也加劇了智慧財產權盜竊、逆向工程以及仿冒等事件的發生。因此，若沒有驗證來源之機制，惡意電路(malicious circuit)與軟體可能在供應鏈的任何節點入侵，例如小晶片(chiplets)可能嵌入惡意軟體，從而使不法行為者繞過防禦機制、破壞設備並且竊取用戶資料。
為了應對前述的安全性挑戰，美國國防部採用零信任政策，意味著微電子產品只有在經過驗證後才能被認為是安全的。驗證可以透過先進的影像技術(如掃描式電子顯微鏡SEM)檢測惡意電路，或者透過標籤追蹤產品來源。然而，產品安全保護的挑戰遍及整個供應鏈，包括製造商、材料供應商以及廣泛的使用者。因此，美國需要全面且強大的硬體安全保護機制以及新的方法與標準，以建立一可信任之半導體生態系統，包括: 安全性分析之標準，以及可在產品生命週期中驗證安全性漏洞的策略。

三、行動呼籲

為了幫助美國成為下一代微電子技術發展中之全球關鍵領導者，NIST提出以下數點行動呼籲：(1)強化美國在測量標準化制定方面的領導地位；(2)開發和部署急需的測量服務，包括參考材料與數據、校準服務；(3)開發和部署創新適用於先進製造的測量技術；(4)開發和部署創新的驗證與來源追蹤技術；(5)建立先進的測量研發測試平台，以推動量測技術創新；(6)與產業建立合作關係，以加速技術商品化並且支持人才培育。