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當地時間10月28日 ， 美國新創光刻設備廠商Substrate宣布 ， 他們已開發出一款全新的光刻機 ， 有能力與全球光刻機龍頭大廠——荷蘭ASML最先進的每臺售價接近4億美元的High NA EUV光刻機競爭 。
【挑戰ASML！這家美企研發X射線光刻機，要把芯片制造成本降低90%！】據介紹 ， Substrate所開發的是使用X射線作為光源的光刻機 ， 該光源利用粒子加速器產生 ， 波長比ASML最新的High NA EUV光刻機的光源更短 ， 因此能大幅提升分辨率 。
Substrate首席執行官James Proud在接受路透社采訪時表示 ， 希望通過以比競爭對手更低的成本生產設備 ， 并借此來大幅降低尖端制程芯片的制造成本 。
△一名 Substrate 技術人員在現場展示一張12英寸的硅片 。
然而 ， 要開發出能與臺積電成本相媲美的先進芯片制程 ， 需耗資數十億美元 ， 對英特爾與三星等公司來說也一直是個挑戰 。 如今先進制程晶圓廠建造成本超過150億美元 ， 且需要專業知識來建造和操作 。 Proud表示 ， 公司并未直接獲得政府資金 ， 但美國官員對Substrate的努力表現出興趣 ， “我認為最重要的是 ， 我們所做的事情必須能夠自身在商業上站得住腳” 。
Substrate總部位于舊金山 ， 由James Proud與其弟弟Oliver于2022年創立 。 James Proud先生沒有半導體行業經驗也沒有使用粒子加速器的經驗 ， 他聘請了一位粒子物理學家和一位在美國國家實驗室使用粒子加速器方面經驗豐富的光學專家 。 該研究團隊將擴大到 50 人 ， 其中包括來自臺積電、IBM 和谷歌的一些工程師 。
2024年 ， Substrate公司開始為其第一家工廠尋找選址 。 它已與德克薩斯農工大學就耗資約 100 億美元在其校園內建造粒子加速器和工廠進行了討論 。
目前 ， Substrate已經獲得了Founders Fund 、 General Catalyst與Valor Equity Partners、Peter Thiel 等投資機構和投資人的1億美元融資 ， 使得公司估值超過了10億美元 。
Founders Fund合伙人、Substrate投資案主導者Trae Stephens認為 ， 這是歷史上非常重要的時刻 ， 必須把它做對 。 目前政府面臨很大壓力 ， 要想辦法確保美國擁有可靠且具韌性的半導體供應鏈 ， 而這正是Proud正在抓住的契機 。
Proud表示 ， 他希望在美國本土提升芯片制造能力 ， 因為英偉達、蘋果等美國科技公司在先進半導體生產上過度依賴海外企業 。 雖然Proud和他的弟弟沒有半導體制造經驗 ， 但他認為這反而是優點 ， 因為如果有經驗可能會認為自己做不到 。
Proud宣稱 ， 他的方式可以將尖端制程晶圓的生產成本 ， 從預估的10萬美元降到“接近1萬美元” ， 目標是在2028年前開始量產 。 他表示 ， Substrate的目標是以“能讓美國與中國競爭的成本結構”來生產芯片 。
研究機構SemiAnalysis分析師Jeff Koch表示 ， 如果Substrate成功大幅降低芯片制造成本 ， 可能會產生二次效應 ， 就像SpaceX力求降低火箭發射成本 ， 進而促進更多太空探索一樣 。 “他們堅信 ， 曝光部分是完成自家制程任務中必須首先解決的問題 。 最終 ， 這將取代臺積電和ASML” 。
帶領美國重返半導體制造主導地位
Substrate稱 ， 美國發明了現代半導體的所有基礎技術 ， 包括晶體管、集成電路、場效應晶體管（FET）、互補金屬氧化物半導體（CMOS）、鰭式場效應晶體管（FinFET）、光刻技術、極紫外（EUV）光刻技術等 。 但過去十年 ， 美國失去了半導體生產和供應鏈最先進部分的領先地位 。
“先進光刻技術的歷史是美國科學獨創性和商業失誤的歷史之一 。 ”
Substrate指出 ， EUV光刻研究始于90年代的美國國家實驗室 ， 那里開發了許多早期的光源、光學和抗蝕劑（光刻膠）技術 。 盡管取得了這些根本性的進展 ， 但在時間表和成本急劇上升后 ， 美國將這些技術商業化的嘗試停滯不前 。 這導致關鍵的知識產權和制造業領導權最終被轉移到國外并獲得許可 ， 鞏固了當今外國在光刻工具領域的主導地位和壟斷地位 。
“我們非常尊重那些創造了當今人工智能半導體革命的先驅和公司的成就 ， 以及幾十年來創造EUV等現代奇跡的令人難以置信的工程 。 但是 ， 美國要重新獲得其作為半導體生產領導者的應有地位 ， 我們不能重蹈過去的覆轍 。 ”Substrate說道 。
隨著當今人工智能和機器人技術的爆炸式增長 ， 芯片需求量逐年呈指數級增長 。 然而 ， 美國現有的半導體晶圓廠數量限制了芯片產能 。 與此同時 ， 美國還面臨著中國半導體產業的快速發展及其在人工智能領域與美國競爭的計劃所帶來的挑戰 。
Substrate指出 ， 建造和裝備先進半導體工廠的成本不斷上升 ， 再加上美國國內供應鏈中存在嚴重缺口 ， 阻礙了充分發揮美國重新在半導體生產領域占據主導地位的潛力 。
△具有 12 納米臨界尺寸和 13 納米尖端間距的隨機邏輯接觸陣列 ， 具有高圖案保真度 。
Substrate表示 ， 該公司成立的初衷是讓美國重回半導體制造領域的主導地位 ， 其核心信念如下：
1、半導體制造成本已經失控 ， 如果沒有根本性的新技術創新 ， 成本只會繼續上升；
2、美國危險地依賴其無法直接控制的地緣政治和供應鏈風險來源；
3、美國重回半導體生產主導地位的唯一機會是創建一種新型的、更加垂直整合的代工廠 ， 在性能和成本方面繼續推動摩爾定律；
為了實現這一目標 ， Substrate 正在建設下一代半導體工廠 ， 以使美國重新占據半導體生產的主導地位 ， 并將使用其最新的光刻技術——一種新型的先進 X 射線光刻技術作為核心驅動力 。
利用X射線光刻技術
目前半導體產業制造的7nm及以下先進制程芯片都依賴于ASML的EUV（極紫外）光刻機 ， 接下來的埃米級制程則更是需要依賴ASML的最新的High NA EUV光刻機 。 但是 ， ASML的EUV光刻機一臺售價超過1.5億美元 ， High NA EUV光刻機售價更是高達近4億美元 。 這也導致了尖端制程工藝芯片的制造成本持續飆升 。
Substrate表示 ， 為了實現芯片制造成本的大幅降低 ， “我們必須發明一種新技術 ， 能夠生產當今先進芯片所需的關鍵圖案 ， 這種技術成本更低、更簡單、更有能力、建造速度更快 。 ”
當前ASML的EUV光刻機采用的是波長為13.5nm的EUV光源 ， 而為了生產、收集和傳輸EUV光線 ， 需要一整套復雜的系統 ， 這也是導致ASML EUV光刻機成本高昂的關鍵 。
對此 ， Substrate將目光瞄向了波長比EUV光源還要短的X射線（波長介于0.01nm到10nm之間） ， 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畫所需的精細圖案 。
然而 ， 芯智訊了解到 ， 由于X射線能量高、穿透性強 ， 在絕大多數材料表面的折射率都接近1 ， 導致其反射率極低 ， 所以X射線光刻機大多采用對硅片進行直寫的方式來刻畫圖案 ， 但是這種直寫的X射線光刻方案的缺點在于速度太慢 ， 難以滿足現代的量產需求 。
而且從相關資料來看 ， X射線光刻技術也并不是一項新技術 ， 美國、歐洲、俄羅斯、中國都有研究過 ， 但因為效率問題 ， 至今都沒有能達到規模量產先進制程芯片的X射線光刻機 ， 很多都是用于實驗室研究之類的需求 。
不過 ， 在芯智訊看來 ， X射線光刻也并非完全不能夠實現類似EUV光刻方案那樣的高效的芯片制造的規模量產 ， 但是面臨一系列的難題需要克服 。
1、光源功率與穩定性：要實現經濟可行的量產 ， 需要亮度極高、穩定且成本可控的X射線光源 。
2、光刻膠與材料兼容性：X射線的高光子能量與傳統光刻膠材料的相互作用效率很低 ， 需要開發全新的光刻膠體系 。
3、缺乏高效光學元件：X射線幾乎會被所有材料強烈吸收 ， 難以制造出像EUV那樣高效的多層膜反射鏡來操控光束 。 這導致X射線光刻可能不得不采用技術難度較低的接近式“直寫光刻” ， 但這會在分辨率和產能上帶來新的限制 。
4、生態系統缺失：一整套圍繞X射線光刻的配套技術 ， 如掩模版、保護膜(pellicle)等 ， 目前幾乎都是空白 ， 需要從零開始構建 。
Substrate并未詳細介紹其計劃如何利用X射線技術來實現先進芯片的大批量生產 ， 僅表示其X射線光刻機顯示的光刻結果可以與當前行業最先進的High NA EUV光刻進行比較 ， 分辨率與2nm半導體節點相當 ， 且具有超越的能力 。
不過 ， Substrate介紹了其所采用的不同尋常的X射線光源的產生方式 ， 即利用粒子加速器來實現所需的X光源的功率與穩定性 。
據介紹 ， Substrate的團隊設計了一種新型的垂直集成晶圓廠 ， 利用粒子加速器產生世界上最亮的光束 ， 實現了一種先進的X射線光刻新方法 。 “我們的加速器產生并驅動X光束 ， 產生比太陽亮數十億倍的光 ， 直接進入我們的光刻設備 ， 每個設備都使用全新的光學和高速機械系統來生產先進半導體芯片所需的最小功能 。 ”
△Substrate 激光室門口的警告標志
△Substrate激光室內的真空立方體
“我們的光源始于射頻腔 ， 利用強大的電場加速電子脈沖 。 電子駕馭每一個連續的波 ， 獲得能量并將速度提高到接近光速 。 為了產生光 ， 這些帶電的高能電子穿過一系列強交變磁場 ， 迫使它們以明亮、強烈的光的形式釋放能量 。 這些明亮的光脈沖被一系列完美拋光的光學器件傳輸和整形 ， 一直到硅片 。 ”
據了解 ， 該光源方案還能同時為多個光刻設備供應光源 ， 從而進一步降低成本 。 但是一旦光源發生裝置出現問題 ， 也會影響到多個光刻設備的正常工作 ， 所以該方案有利也有弊 。
此外 ， Substrate的團隊還設計、制造和拋光了光學器件 ， 創造了化學奇跡 ， 加工和組裝了大量金屬 ， 最終生產出了新型的先進光刻技術 。
據《紐約時報》的報道 ， Substrate的團隊在 2023 年的大部分時間里都在構建定制光刻工具 。 它有數千個零件 ， 而且足夠小 ， 可以裝在 U-Haul 的后部 。 他們在計算機模擬中對其進行了測試 。
2024年初 ， Substrate對一臺粒子加速器進行成敗測試 。 Proud說 ， 當粒子加速器附近的振動導致工具旋轉并模糊圖像時 ， 該公司遇到了問題 。 但經過一整天的瘋狂搜索 ， 發現是空調系統引起的振動 ， 隨后解決了這個問題 ， 直到該過程在硅片上反復打印出“非常漂亮和微小的圖案” 。
Substrate稱 ， 這種X光刻技術是從頭開始為大批量制造而構建的——這是一項工程壯舉 ， 雖然沒有多少人會認為Substrate這樣的創業公司是可能成功的 。
據介紹 ， 在過去的幾年里 ， Substrate投資建設了的供應鏈 ， 并繼續加強其垂直整合能力 ， 使其能夠以半導體行業通常難以想象的速度前進 。 最近 ， Substrate完成了第一個內部生產質量的300毫米晶圓光刻工具 ， 該工具在滿足尖端晶圓廠吞吐量所需的極端重力下運行 。
“使用粒子加速器建造終極光刻機帶來了新的挑戰 ， 這些挑戰使我們走上了一條與其他人以前探索過的完全不同的道路 ， 并取得了以前認為不可能的結果 。 ”Substrate在官網上寫到 。
將尖端制程晶圓制造成本降低90%
開發未來的關鍵技術 ， 如先進的人工智能和機器人技術 ， 取決于先進芯片的指數級增長 。 在未來幾十年里 ， 芯片的年需求量將不是以數千萬片晶圓來衡量 ， 而是以數十億片來衡量 。
雖然許多人熟悉摩爾定律 ， 但洛克定律是半導體制造中第二重要的定律 。 它觀察到 ， 建造一座尖端半導體晶圓廠的成本大約每四年翻一番 ， 設施從2010年代初的50多億美元增加到今天的250億美元左右 。
△隨著時間的推移 ， 前沿半導體制造設施的成本呈穩步上升趨勢
預計到2030年 ， 每個尖端制程晶圓的成本將達到10萬美元 ， 每個尖端晶圓廠的建造成本將超過500億美元 。 在未來 ， 只有最強大的公司才有能力制造利用尖端硅的產品 。 這種縮放的經濟學比物理學更令人望而生畏 。 這種經濟模式似乎已經走向崩潰 。
△尖端晶圓對終端客戶的歷史和預期成本
對此 ， Substrate自豪地表示 ， “與我們目前的成本縮放路徑相比 ， 我們有一條將尖端硅成本降低一個數量級的途徑 。 到本十年（2020年初-2029年底）末 ， Substrate將生產接近1萬美元的尖端制程晶圓 ， 而不是10萬美元 。 ”
為了實現一個先進芯片的激增與我們想要想象的科學未來相匹配的世界 ， 我們需要降低硅片的成本 ， 同時擴大能夠設計和制造尖端芯片的公司和創新者的數量 。
AI將極大降低芯片設計成本 ， 制造將成為瓶頸
當前 ， 設計尖端制程芯片既昂貴又復雜 。 對于最具挑戰性的設計 ， 很少有公司能夠管理復雜性 ， 更不用說能夠負擔得起成本了 。
Substrate認為 ， 人工智能模型已經能夠幫助芯片設計人員創建定制硅 ， 在不久的將來 ， 它們將在這項任務上超越人類 。 設計和驗證的成本可能將降至接近零 ， 設計復雜的芯片將成為幾乎任何公司都能負擔得起的事情 。
一旦發生這種情況 ， 這些芯片的制造和生產將成為最大的瓶頸 。
Substrate表示 ， 其了解人工智能在加速制造業創新方面的力量 。 “從第一天起 ， 我們就利用GPU和TPU來加速解決以前被認為難以解決的問題 。 通過構建控制我們機器的物理、我們將創建的晶體管以及它們將驅動的最終設計的端到端模擬 ， 我們將以前需要數年時間才能解決的問題壓縮到了幾天內 。 ”
美國科技行業已經在建造世界上最大的人工智能工廠 。 Substrate稱 ， 其將建造世界上最先進的人工智能設計的半導體代工廠 ， 為未來幾十年的美國人工智能行業提供服務 ， 并確保未來強大的人工智能系統在美國堆棧上自上而下運行 。
誰將主宰未來？
“幾十年來 ， 我們一再低估了中國的創新能力 ， 同時對我們自己的投資不足 。 ”Substrate認為 ， 到本十年（2020年初-2029年底）末 ， 中國將在擁有完全國內半導體制造業所需的大部分（如果不是全部）半導體晶圓制造工具上實現自給自足 ， 包括先進的光刻技術 。
半導體行業正站在十字路口 。 中國已將先進的半導體生產作為國家優先事項 ， 在國內模具和制造業方面投入了巨額資金 。 “我們可能很快就會見證半導體生產中類似的結構性轉變 ， 技術能力和領導能力突然發生變化 ， 使我們作為一個國家爭先恐后地應對我們從未預料到的如此迅速出現的能力 。 ”Substrate寫道：“到本十年末 ， 美國或中國將控制計算的未來以及在此基礎上建立的人工智能產業 。 ”
“多年來 ， 許多人都在談論需要一個新的純粹的美國晶圓廠 ， 但認為這是一項不可能完成的任務 。 歷史一再表明 ， 美國的科學和工程可以解決不可能的任務 。 ”Substrate強調：“當我們今天急于在美國建造更多的當代半導體晶圓廠時 ， 我們需要立即開始建造明天的半導體晶圓廠 。 ”
有趣的是 ， Substrate 在舊金山設計區附近的一個工業倉庫內運營 ， 這個空間被一面 12 英尺高的美國國旗一分為二 ， 參觀者的等候區也擺放著中美競爭的書籍 ， 比如《下一場重大戰爭：美國及其盟國能否戰勝中國？》 。
編輯：芯智訊-浪客劍
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