当地时间10月28日，美国新创光刻设备厂商Substrate宣布，他们已开发出一款全新的光刻机，有能力与全球光刻机龙头大厂——荷兰ASML最先进的每台售价接近4亿美元的High NA EUV光刻机竞争。

据介绍，Substrate所开发的是使用X射线作为光源的光刻机，该光源利用粒子加速器产生，波长比ASML最新的High NA EUV光刻机的光源更短，因此能大幅提升分辨率。

Substrate首席执行官James Proud在接受路透社采访时表示，希望通过以比竞争对手更低的成本生产设备，并借此来大幅降低尖端制程芯片的制造成本。

△一名 Substrate 技术人员在现场展示一张12英寸的硅片。

然而，要开发出能与台积电成本相媲美的先进芯片制程，需耗资数十亿美元，对英特尔与三星等公司来说也一直是个挑战。如今先进制程晶圆厂建造成本超过150亿美元，且需要专业知识来建造和操作。Proud表示，公司并未直接获得政府资金，但美国官员对Substrate的努力表现出兴趣，“我认为最重要的是，我们所做的事情必须能够自身在商业上站得住脚”。

Substrate总部位于旧金山，由James Proud与其弟弟Oliver于2022年创立。James Proud先生没有半导体行业经验也没有使用粒子加速器的经验，他聘请了一位粒子物理学家和一位在美国国家实验室使用粒子加速器方面经验丰富的光学专家。该研究团队将扩大到 50 人，其中包括来自台积电、IBM 和谷歌的一些工程师。

2024年，Substrate公司开始为其第一家工厂寻找选址。它已与德克萨斯农工大学就耗资约 100 亿美元在其校园内建造粒子加速器和工厂进行了讨论。

目前，Substrate已经获得了Founders Fund 、 General Catalyst与Valor Equity Partners、Peter Thiel 等投资机构和投资人的1亿美元融资，使得公司估值超过了10亿美元。

Founders Fund合伙人、Substrate投资案主导者Trae Stephens认为，这是历史上非常重要的时刻，必须把它做对。目前政府面临很大压力，要想办法确保美国拥有可靠且具韧性的半导体供应链，而这正是Proud正在抓住的契机。

Proud表示，他希望在美国本土提升芯片制造能力，因为英伟达、苹果等美国科技公司在先进半导体生产上过度依赖海外企业。虽然Proud和他的弟弟没有半导体制造经验，但他认为这反而是优点，因为如果有经验可能会认为自己做不到。

Proud宣称，他的方式可以将尖端制程晶圆的生产成本，从预估的10万美元降到“接近1万美元”，目标是在2028年前开始量产。他表示，Substrate的目标是以“能让美国与中国竞争的成本结构”来生产芯片。

研究机构SemiAnalysis分析师Jeff Koch表示，如果Substrate成功大幅降低芯片制造成本，可能会产生二次效应，就像SpaceX力求降低火箭发射成本，进而促进更多太空探索一样。“他们坚信，曝光部分是完成自家制程任务中必须首先解决的问题。最终，这将取代台积电和ASML”。

带领美国重返半导体制造主导地位

Substrate称，美国发明了现代半导体的所有基础技术，包括晶体管、集成电路、场效应晶体管（FET）、互补金属氧化物半导体（CMOS）、鳍式场效应晶体管（FinFET）、光刻技术、极紫外（EUV）光刻技术等。但过去十年，美国失去了半导体生产和供应链最先进部分的领先地位。

“先进光刻技术的历史是美国科学独创性和商业失误的历史之一。”

Substrate指出，EUV光刻研究始于90年代的美国国家实验室，那里开发了许多早期的光源、光学和抗蚀剂（光刻胶）技术。尽管取得了这些根本性的进展，但在时间表和成本急剧上升后，美国将这些技术商业化的尝试停滞不前。这导致关键的知识产权和制造业领导权最终被转移到国外并获得许可，巩固了当今外国在光刻工具领域的主导地位和垄断地位。

“我们非常尊重那些创造了当今人工智能半导体革命的先驱和公司的成就，以及几十年来创造EUV等现代奇迹的令人难以置信的工程。但是，美国要重新获得其作为半导体生产领导者的应有地位，我们不能重蹈过去的覆辙。”Substrate说道。

随着当今人工智能和机器人技术的爆炸式增长，芯片需求量逐年呈指数级增长。然而，美国现有的半导体晶圆厂数量限制了芯片产能。与此同时，美国还面临着中国半导体产业的快速发展及其在人工智能领域与美国竞争的计划所带来的挑战。

Substrate指出，建造和装备先进半导体工厂的成本不断上升，再加上美国国内供应链中存在严重缺口，阻碍了充分发挥美国重新在半导体生产领域占据主导地位的潜力。

△具有 12 纳米临界尺寸和 13 纳米尖端间距的随机逻辑接触阵列，具有高图案保真度。

Substrate表示，该公司成立的初衷是让美国重回半导体制造领域的主导地位，其核心信念如下：

1、半导体制造成本已经失控，如果没有根本性的新技术创新，成本只会继续上升；

2、美国危险地依赖其无法直接控制的地缘政治和供应链风险来源；

3、美国重回半导体生产主导地位的唯一机会是创建一种新型的、更加垂直整合的代工厂，在性能和成本方面继续推动摩尔定律；

为了实现这一目标，Substrate 正在建设下一代半导体工厂，以使美国重新占据半导体生产的主导地位，并将使用其最新的光刻技术——一种新型的先进 X 射线光刻技术作为核心驱动力。

利用X射线光刻技术

目前半导体产业制造的7nm及以下先进制程芯片都依赖于ASML的EUV（极紫外）光刻机，接下来的埃米级制程则更是需要依赖ASML的最新的High NA EUV光刻机。但是，ASML的EUV光刻机一台售价超过1.5亿美元，High NA EUV光刻机售价更是高达近4亿美元。这也导致了尖端制程工艺芯片的制造成本持续飙升。

Substrate表示，为了实现芯片制造成本的大幅降低，“我们必须发明一种新技术，能够生产当今先进芯片所需的关键图案，这种技术成本更低、更简单、更有能力、建造速度更快。”

当前ASML的EUV光刻机采用的是波长为13.5nm的EUV光源，而为了生产、收集和传输EUV光线，需要一整套复杂的系统，这也是导致ASML EUV光刻机成本高昂的关键。

对此，Substrate将目光瞄向了波长比EUV光源还要短的X射线（波长介于0.01nm到10nm之间），因此光刻分辨率也更高，甚至不需要光掩模就能直接在硅片上刻画所需的精细图案。

然而，芯智讯了解到，由于X射线能量高、穿透性强，在绝大多数材料表面的折射率都接近1，导致其反射率极低，所以X射线光刻机大多采用对硅片进行直写的方式来刻画图案，但是这种直写的X射线光刻方案的缺点在于速度太慢，难以满足现代的量产需求。

而且从相关资料来看，X射线光刻技术也并不是一项新技术，美国、欧洲、俄罗斯、中国都有研究过，但因为效率问题，至今都没有能达到规模量产先进制程芯片的X射线光刻机，很多都是用于实验室研究之类的需求。

不过，在芯智讯看来，X射线光刻也并非完全不能够实现类似EUV光刻方案那样的高效的芯片制造的规模量产，但是面临一系列的难题需要克服。

1、光源功率与稳定性：要实现经济可行的量产，需要亮度极高、稳定且成本可控的X射线光源。

2、光刻胶与材料兼容性：X射线的高光子能量与传统光刻胶材料的相互作用效率很低，需要开发全新的光刻胶体系。

3、缺乏高效光学元件：X射线几乎会被所有材料强烈吸收，难以制造出像EUV那样高效的多层膜反射镜来操控光束。这导致X射线光刻可能不得不采用技术难度较低的接近式“直写光刻”，但这会在分辨率和产能上带来新的限制。

4、生态系统缺失：一整套围绕X射线光刻的配套技术，如掩模版、保护膜(pellicle)等，目前几乎都是空白，需要从零开始构建。

Substrate并未详细介绍其计划如何利用X射线技术来实现先进芯片的大批量生产，仅表示其X射线光刻机显示的光刻结果可以与当前行业最先进的High NA EUV光刻进行比较，分辨率与2nm半导体节点相当，且具有超越的能力。

不过，Substrate介绍了其所采用的不同寻常的X射线光源的产生方式，即利用粒子加速器来实现所需的X光源的功率与稳定性。

据介绍，Substrate的团队设计了一种新型的垂直集成晶圆厂，利用粒子加速器产生世界上最亮的光束，实现了一种先进的X射线光刻新方法。“我们的加速器产生并驱动X光束，产生比太阳亮数十亿倍的光，直接进入我们的光刻设备，每个设备都使用全新的光学和高速机械系统来生产先进半导体芯片所需的最小功能。”

△Substrate 激光室门口的警告标志

△Substrate激光室内的真空立方体

“我们的光源始于射频腔，利用强大的电场加速电子脉冲。电子驾驭每一个连续的波，获得能量并将速度提高到接近光速。为了产生光，这些带电的高能电子穿过一系列强交变磁场，迫使它们以明亮、强烈的光的形式释放能量。这些明亮的光脉冲被一系列完美抛光的光学器件传输和整形，一直到硅片。”

据了解，该光源方案还能同时为多个光刻设备供应光源，从而进一步降低成本。但是一旦光源发生装置出现问题，也会影响到多个光刻设备的正常工作，所以该方案有利也有弊。

此外，Substrate的团队还设计、制造和抛光了光学器件，创造了化学奇迹，加工和组装了大量金属，最终生产出了新型的先进光刻技术。

据《纽约时报》的报道，Substrate的团队在 2023 年的大部分时间里都在构建定制光刻工具。它有数千个零件，而且足够小，可以装在 U-Haul 的后部。他们在计算机模拟中对其进行了测试。

2024年初，Substrate对一台粒子加速器进行成败测试。Proud说，当粒子加速器附近的振动导致工具旋转并模糊图像时，该公司遇到了问题。但经过一整天的疯狂搜索，发现是空调系统引起的振动，随后解决了这个问题，直到该过程在硅片上反复打印出“非常漂亮和微小的图案”。

Substrate称，这种X光刻技术是从头开始为大批量制造而构建的——这是一项工程壮举，虽然没有多少人会认为Substrate这样的创业公司是可能成功的。

据介绍，在过去的几年里，Substrate投资建设了的供应链，并继续加强其垂直整合能力，使其能够以半导体行业通常难以想象的速度前进。最近，Substrate完成了第一个内部生产质量的300毫米晶圆光刻工具，该工具在满足尖端晶圆厂吞吐量所需的极端重力下运行。

“使用粒子加速器建造终极光刻机带来了新的挑战，这些挑战使我们走上了一条与其他人以前探索过的完全不同的道路，并取得了以前认为不可能的结果。”Substrate在官网上写到。

将尖端制程晶圆制造成本降低90%

开发未来的关键技术，如先进的人工智能和机器人技术，取决于先进芯片的指数级增长。在未来几十年里，芯片的年需求量将不是以数千万片晶圆来衡量，而是以数十亿片来衡量。

虽然许多人熟悉摩尔定律，但洛克定律是半导体制造中第二重要的定律。它观察到，建造一座尖端半导体晶圆厂的成本大约每四年翻一番，设施从2010年代初的50多亿美元增加到今天的250亿美元左右。

△随着时间的推移，前沿半导体制造设施的成本呈稳步上升趋势

预计到2030年，每个尖端制程晶圆的成本将达到10万美元，每个尖端晶圆厂的建造成本将超过500亿美元。在未来，只有最强大的公司才有能力制造利用尖端硅的产品。这种缩放的经济学比物理学更令人望而生畏。这种经济模式似乎已经走向崩溃。

△尖端晶圆对终端客户的历史和预期成本

对此，Substrate自豪地表示，“与我们目前的成本缩放路径相比，我们有一条将尖端硅成本降低一个数量级的途径。到本十年（2020年初-2029年底）末，Substrate将生产接近1万美元的尖端制程晶圆，而不是10万美元。”

为了实现一个先进芯片的激增与我们想要想象的科学未来相匹配的世界，我们需要降低硅片的成本，同时扩大能够设计和制造尖端芯片的公司和创新者的数量。

AI将极大降低芯片设计成本，制造将成为瓶颈

当前，设计尖端制程芯片既昂贵又复杂。对于最具挑战性的设计，很少有公司能够管理复杂性，更不用说能够负担得起成本了。

Substrate认为，人工智能模型已经能够帮助芯片设计人员创建定制硅，在不久的将来，它们将在这项任务上超越人类。设计和验证的成本可能将降至接近零，设计复杂的芯片将成为几乎任何公司都能负担得起的事情。

一旦发生这种情况，这些芯片的制造和生产将成为最大的瓶颈。

Substrate表示，其了解人工智能在加速制造业创新方面的力量。“从第一天起，我们就利用GPU和TPU来加速解决以前被认为难以解决的问题。通过构建控制我们机器的物理、我们将创建的晶体管以及它们将驱动的最终设计的端到端模拟，我们将以前需要数年时间才能解决的问题压缩到了几天内。”

美国科技行业已经在建造世界上最大的人工智能工厂。Substrate称，其将建造世界上最先进的人工智能设计的半导体代工厂，为未来几十年的美国人工智能行业提供服务，并确保未来强大的人工智能系统在美国堆栈上自上而下运行。

谁将主宰未来？

“几十年来，我们一再低估了中国的创新能力，同时对我们自己的投资不足。”Substrate认为，到本十年（2020年初-2029年底）末，中国将在拥有完全国内半导体制造业所需的大部分（如果不是全部）半导体晶圆制造工具上实现自给自足，包括先进的光刻技术。

半导体行业正站在十字路口。中国已将先进的半导体生产作为国家优先事项，在国内模具和制造业方面投入了巨额资金。“我们可能很快就会见证半导体生产中类似的结构性转变，技术能力和领导能力突然发生变化，使我们作为一个国家争先恐后地应对我们从未预料到的如此迅速出现的能力。”Substrate写道：“到本十年末，美国或中国将控制计算的未来以及在此基础上建立的人工智能产业。”

“多年来，许多人都在谈论需要一个新的纯粹的美国晶圆厂，但认为这是一项不可能完成的任务。历史一再表明，美国的科学和工程可以解决不可能的任务。”Substrate强调：“当我们今天急于在美国建造更多的当代半导体晶圆厂时，我们需要立即开始建造明天的半导体晶圆厂。”

有趣的是，Substrate 在旧金山设计区附近的一个工业仓库内运营，这个空间被一面 12 英尺高的美国国旗一分为二，参观者的等候区也摆放着中美竞争的书籍，比如《下一场重大战争：美国及其盟国能否战胜中国？》。

编辑：芯智讯-浪客剑