美國芯片自主夢，押在這家光刻機(jī)獨(dú)角獸身上

一臺價(jià)值4億美元的High NA EUV光刻機(jī)，與一臺可將芯片制造成本降低90%的X射線光刻機(jī)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)如何選擇？

01

ASML迎來最強(qiáng)挑戰(zhàn)者？

在全球半導(dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域，荷蘭阿斯麥（ASML）長期占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，其極紫外（EUV）光刻機(jī)被視為制造先進(jìn)芯片的唯一選擇。

然而，一家名為Substrate的美國初創(chuàng)公司正試圖打破這一格局。該公司宣稱，其基于X射線光刻的新技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)與ASML設(shè)備相當(dāng)?shù)木龋€能大幅降低制造成本，甚至計(jì)劃直接成為芯片制造商，挑戰(zhàn)臺積電的代工霸主地位。

時(shí)間拉回到當(dāng)?shù)貢r(shí)間2025年10月28日，Substrate結(jié)束三年秘密研發(fā)狀態(tài)，公開宣布其技術(shù)突破。該公司介紹，他們采用一種全新的X射線光刻方法，使用粒子加速器產(chǎn)生比太陽亮數(shù)十億倍的光束。

這些光束直接進(jìn)入Substrate的光刻工具，每個(gè)工具都采用全新的光學(xué)和高速機(jī)械系統(tǒng)，能夠生產(chǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體芯片所需的最小尺寸。該公司聲稱已完成首臺內(nèi)部生產(chǎn)級300mm晶圓光刻設(shè)備，可承受頂尖晶圓廠所需的極高G-forces。

Substrate的垂直整合模式與當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)專業(yè)化分工背道而馳。在現(xiàn)有模式下，ASML提供設(shè)備，臺積電負(fù)責(zé)制造，英偉達(dá)等公司專注設(shè)計(jì)。而Substrate計(jì)劃同時(shí)扮演ASML和臺積電的角色，建設(shè)配備自研光刻機(jī)的自有晶圓廠網(wǎng)絡(luò)。

這一雄心吸引了彼得·泰爾的Founders Fund、General Catalyst等知名投資機(jī)構(gòu)，甚至包括與美國政府關(guān)系密切的In-Q-Tel。美國商務(wù)部長霍華德·盧特尼克曾多次與Substrate創(chuàng)始人會(huì)面，顯示出美國政府對該項(xiàng)目的高度關(guān)注。

02

光刻巨頭ASML的堡壘

在全球光刻機(jī)市場，荷蘭ASML公司占據(jù)著絕對主導(dǎo)地位。2024年，ASML占據(jù)了全球光刻機(jī)市場61.2%的份額，特別是在EUV光刻機(jī)領(lǐng)域，它是全球唯一的供應(yīng)商。

EUV光刻機(jī)是制造7nm及更先進(jìn)芯片工藝不可或缺的設(shè)備，每臺售價(jià)高達(dá)1.5億至4億美元。ASML的EUV光刻機(jī)使用波長為13.5nm的極紫外光，通過復(fù)雜的反射鏡系統(tǒng)，將電路圖案投射到硅晶圓上。

隨著芯片工藝不斷進(jìn)步，ASML開發(fā)了High NA EUV光刻機(jī)，以滿足3nm及更先進(jìn)制程的需求。這些尖端設(shè)備的價(jià)格也隨之飆升至4億美元左右，導(dǎo)致一座先進(jìn)工藝晶圓廠的投資高達(dá)150億美元。

顯然，高昂的成本也讓ASML有了軟肋。

02

Substrate的顛覆性技術(shù)

面對ASML堅(jiān)固的技術(shù)堡壘，Substrate選擇了一條完全不同的技術(shù)路徑——X射線光刻。

Substrate技術(shù)路線的核心在于使用波長更短的X射線作為光源。ASML的EUV光刻機(jī)使用13.5nm波長的極紫外光，而X射線波長介于0.01nm到10nm之間，理論上可實(shí)現(xiàn)更高分辨率。

更短波長帶來的直接優(yōu)勢是可能省去多重曝光技術(shù)。當(dāng)前先進(jìn)制程必須通過在晶圓上進(jìn)行反復(fù)曝光以制造更小尺寸，這正是芯片制造成本飆升的主要原因之一。Substrate聲稱他們的技術(shù)無需這一復(fù)雜步驟。

另一個(gè)潛在優(yōu)勢是可能實(shí)現(xiàn)無掩模直寫。傳統(tǒng)光刻需要專門的光掩膜來獲取圖像，而X射線光刻機(jī)可能不需要光掩膜，可以直寫光刻，節(jié)省一大筆費(fèi)用。

然而X射線光刻技術(shù)并非新生事物。伯恩斯坦分析師David Dai指出，該技術(shù)此前已被嘗試過但收效甚微。ASML自己也曾測試這條技術(shù)路線，最終選擇了放棄。

核心挑戰(zhàn)在于X射線能量高、穿透性強(qiáng)，在絕大多數(shù)材料表面的折射率都接近1，導(dǎo)致其反射率極低。這意味著如果采用直寫方式，雖然精度高，但速度可能太慢，難以滿足現(xiàn)代量產(chǎn)需求。

03

將晶圓價(jià)格降至十分之一的野心

Substrate最大膽的承諾是大幅降低芯片制造成本。該公司官網(wǎng)宣稱，他們找到了一條途徑，可以將頂尖硅片的成本比目前的成本擴(kuò)張路徑降低一個(gè)數(shù)量級。

到2030年，Substrate預(yù)計(jì)能將尖端晶圓的成本從10萬美元降至1萬美元左右，降幅高達(dá)90%。這一承諾如能實(shí)現(xiàn)，將徹底改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)。

現(xiàn)有先進(jìn)晶圓廠的建造成本已超過150億美元，甚至高達(dá)200億美元以上。Proud聲稱，通過使用其自主研發(fā)的更便宜的工具，Substrate將能夠以“數(shù)十億美元”的價(jià)格建造晶圓廠。

成本降低的關(guān)鍵在于Substrate的垂直整合策略。Proud解釋：“我們大部分工具都在內(nèi)部生產(chǎn)，通過使用成本更低的工藝，可以降低芯片生產(chǎn)成本。”這種整合程度在當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)是獨(dú)一無二的。

SemiAnalysis分析師Jeff Koch表示，如果Substrate成功實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，可能會(huì)產(chǎn)生類似SpaceX降低火箭發(fā)射成本帶來的連鎖效應(yīng)。低成本芯片制造能力將加速人工智能、機(jī)器人技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展。

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艱難征程

從技術(shù)驗(yàn)證到量產(chǎn)的重重障礙

盡管Substrate展示了令人印象深刻的技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果，但專家普遍認(rèn)為其面臨巨大挑戰(zhàn)。IBM前半導(dǎo)體制造技術(shù)先驅(qū)約翰·凱利審閱了Substrate的圖像后評價(jià)它們“極其出色、極其清晰”，證明技術(shù)過程確實(shí)可行。

但他同時(shí)指出，Substrate還需要跨越更艱巨的障礙：建造數(shù)十億美元的工廠、尋找客戶、從老牌公司獲得某些技術(shù)授權(quán)。凱利用登珠峰比喻：“他現(xiàn)在在第一個(gè)大本營，距離登頂還有很長的路。”

大規(guī)模生產(chǎn)的穩(wěn)定性是首要挑戰(zhàn)。呈現(xiàn)幾張高質(zhì)量的測試圖像是一回事，在300毫米晶圓上以每小時(shí)數(shù)十片的速度穩(wěn)定重復(fù)則完全是另一回事。這需要解決熱管理、振動(dòng)控制、光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性等一系列工程難題。

Substrate在2024年初的測試中就曾遇到振動(dòng)問題。當(dāng)時(shí)粒子加速器附近的振動(dòng)導(dǎo)致工具旋轉(zhuǎn)并模糊圖像，經(jīng)過一整天的排查，才發(fā)現(xiàn)是空調(diào)系統(tǒng)引起的振動(dòng)。這種看似簡單的工程問題在實(shí)際量產(chǎn)中可能層出不窮。

另一個(gè)關(guān)鍵障礙是行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的缺乏。David Dai在報(bào)告中指出，Substrate缺乏行業(yè)支持。如果真相信自己的技術(shù)，唯一可行的辦法是圍繞它建立生態(tài)系統(tǒng)，讓整個(gè)行業(yè)協(xié)同工作。

但Substrate選擇同時(shí)扮演ASML和臺積電的角色，這消除了任何生態(tài)系統(tǒng)合作的可能性。

05

點(diǎn)評

美國重回半導(dǎo)體主導(dǎo)的野心

Substrate的崛起與美國重塑半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的國家戰(zhàn)略密切相關(guān)。公司創(chuàng)始人Proud出生于英國，但在2019年放棄英國國籍成為美國公民。他甚至曾為特朗普第一屆政府撰寫政策文件，呼吁啟動(dòng)芯片制造的“曼哈頓計(jì)劃”。

Proud公開表示：“美國危險(xiǎn)地依賴其無法直接控制的地緣政治和供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)來源。”他認(rèn)為，美國重回半導(dǎo)體生產(chǎn)主導(dǎo)地位的唯一機(jī)會(huì)是創(chuàng)建一種新型的、更加垂直整合的代工廠。

Substrate官網(wǎng)寫道：“EUV光刻技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代的美國國家實(shí)驗(yàn)室...但由于時(shí)間和成本的大幅上升，美國將這些技術(shù)商業(yè)化的嘗試最終陷入停滯。”這導(dǎo)致關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)和制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)權(quán)被轉(zhuǎn)移到國外。

美國政府對Substrate的興趣顯而易見。雖然Proud表示公司尚未直接獲得政府資金，但美國商務(wù)部、能源部等機(jī)構(gòu)已與公司進(jìn)行討論。在特朗普政府將半導(dǎo)體生產(chǎn)視為國家安全優(yōu)先事項(xiàng)的背景下，Substrate的技術(shù)路線符合美國戰(zhàn)略需求。

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