10月28日，美國(guó)有家叫Substrate的初創(chuàng)公司扔出個(gè)大消息，他們搞出了X射線(xiàn)光刻機(jī)，還說(shuō)能把芯片制造成本砍去九成。

這家估值超70億人民幣的獨(dú)角獸，野心不小，不僅要挑戰(zhàn)荷蘭ASML的光刻機(jī)霸主地位，甚至計(jì)劃自己建晶圓廠(chǎng)，直接跟臺(tái)積電掰手腕。

要知道，ASML一臺(tái)設(shè)備能賣(mài)4億美元，而Substrate團(tuán)隊(duì)才50人，這么個(gè)小團(tuán)隊(duì)，真能把行業(yè)巨頭拉下馬嗎？

粒子加速器造芯片

Substrate選的X射線(xiàn)光刻技術(shù)，而ASML的EUV光刻機(jī)，用的是13.5納米波長(zhǎng)的極紫外光。

Substrate想：既然波長(zhǎng)越短分辨率可能越高，那干脆用波長(zhǎng)更短的X射線(xiàn)。這家公司靠粒子加速器產(chǎn)生X射線(xiàn)光源，波長(zhǎng)在0.01到10納米之間，確實(shí)比EUV短了不少，理論上優(yōu)勢(shì)很明顯。

從他們公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，確實(shí)有讓人眼前一亮的地方。12納米的臨界尺寸、13納米的尖端間距，套刻精度還做到了1.6納米。這些指標(biāo)要是能在量產(chǎn)中落地，意味著現(xiàn)在先進(jìn)制程必須做的多種曝光步驟，可能就不用那么麻煩了。

舉個(gè)實(shí)際例子，臺(tái)積電生產(chǎn)3納米芯片得做14次EUV曝光，多一次曝光，就多一分成本，也多一分良率風(fēng)險(xiǎn)。Substrate說(shuō)他們的技術(shù)能一次搞定，這才是真正能降成本的關(guān)鍵。

但麻煩也跟著來(lái)。X射線(xiàn)能量高、穿透性還強(qiáng)，在絕大多數(shù)材料表面幾乎不反射。這個(gè)物理特性擺在這，要么用直寫(xiě)方式刻蝕晶圓，要么就得開(kāi)發(fā)全新的反射鏡系統(tǒng)。直寫(xiě)方式精度是高，可速度慢得讓人著急。

ASML的EUV光刻機(jī)每小時(shí)能處理150片晶圓，可Substrate到現(xiàn)在都沒(méi)公布自家設(shè)備的生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)。并且，2024年初測(cè)試時(shí)，連空調(diào)系統(tǒng)的振動(dòng)都能讓設(shè)備出問(wèn)題，這種穩(wěn)定性，離量產(chǎn)還差得遠(yuǎn)呢。

另外，配套材料幾乎都得從零開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)在用的光刻膠是為EUV優(yōu)化的，根本扛不住X射線(xiàn)的高能量轟擊。像光罩、保護(hù)膜這些東西，目前行業(yè)里還是空白，得重新建供應(yīng)鏈。ASML的EUV光刻機(jī)有10萬(wàn)多個(gè)零件，研發(fā)花了20年，投入超100億美元。Substrate想在幾年內(nèi)走完人家?guī)资甑穆?，難度可想而知。

垂直整合戰(zhàn)略

Substrate的商業(yè)模式在半導(dǎo)體行業(yè)里，算是個(gè)“異類(lèi)”。現(xiàn)在行業(yè)分工特別清晰：ASML做設(shè)備、臺(tái)積電做代工、英偉達(dá)做設(shè)計(jì)，大家各管一攤，配合得挺默契。

但Substrate偏要打破這種分工，打算同時(shí)扮演ASML和臺(tái)積電的角色，既造光刻機(jī)，又建晶圓廠(chǎng)，還想提供代工服務(wù)。

創(chuàng)始人Proud給出的理由是成本優(yōu)勢(shì)，說(shuō)大部分工具都在內(nèi)部生產(chǎn)，能通過(guò)降低工藝成本來(lái)壓低芯片價(jià)格。按他的計(jì)劃，先進(jìn)晶圓廠(chǎng)的建設(shè)成本能從150億美元降到“數(shù)十億美元”，每片先進(jìn)制程晶圓的成本從10萬(wàn)美元降到1萬(wàn)美元。

話(huà)說(shuō)回來(lái)，建一座先進(jìn)晶圓廠(chǎng)可不止買(mǎi)臺(tái)設(shè)備那么簡(jiǎn)單。光刻只是幾百道工藝?yán)锏囊画h(huán)，還需要刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等等。Substrate要么自己把這些設(shè)備全做出來(lái)，要么就得說(shuō)服應(yīng)用材料、科磊這些供應(yīng)商，配合他們的X射線(xiàn)光刻工藝做適配。

還有個(gè)更現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，客戶(hù)在哪？臺(tái)積電、三星這些代工廠(chǎng)跟ASML合作了幾十年，整套工藝流程、設(shè)計(jì)規(guī)則都是圍繞EUV光刻機(jī)優(yōu)化的。就算Substrate真能把晶圓成本降下來(lái)，芯片設(shè)計(jì)公司也得調(diào)整設(shè)計(jì)流程才能用，這筆轉(zhuǎn)換成本誰(shuí)愿意掏？

ASML的護(hù)城河

我們接著看技術(shù)層面，ASML這些年積累的壁壘，不是短時(shí)間內(nèi)能突破的。他們?cè)贓UV領(lǐng)域握有超過(guò)1.1萬(wàn)項(xiàng)專(zhuān)利，從光源、光學(xué)系統(tǒng)到檢測(cè)，全鏈條都覆蓋了。Substrate的X射線(xiàn)技術(shù)就算真能做出來(lái)，也得小心翼翼繞開(kāi)這些專(zhuān)利。

更重要的是，ASML的新一代High-NAEUV光刻機(jī)已經(jīng)在路上了。這種設(shè)備的數(shù)值孔徑達(dá)到0.55，套刻精度能做到0.9納米，量產(chǎn)良率超過(guò)90%。臺(tái)積電和三星都已經(jīng)下了訂單，預(yù)計(jì)2025年就能量產(chǎn)。

Substrate的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)確實(shí)不錯(cuò)，但幾張漂亮的測(cè)試圖片是一回事，在300毫米晶圓上以每小時(shí)幾十片的速度穩(wěn)定重復(fù)生產(chǎn)，又是另一回事。像熱管理、振動(dòng)控制、光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性這些問(wèn)題，到了量產(chǎn)階段會(huì)層出不窮，哪一個(gè)沒(méi)解決好都不行。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)也是個(gè)大問(wèn)題。伯恩斯坦分析師David Dai指出，Substrate最大的劣勢(shì)就是缺乏行業(yè)支持。ASML跟臺(tái)積電、三星、英特爾這些客戶(hù)，在EDA工具、工藝節(jié)點(diǎn)定義上深度綁定，形成了完整的生態(tài)系統(tǒng)。

現(xiàn)在新技術(shù)要想擠進(jìn)來(lái)，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈配合調(diào)整。但Substrate選擇的垂直整合模式，恰恰斷絕了這種合作的可能性，想單打獨(dú)斗闖出來(lái)，太難了。

美國(guó)的芯片自主夢(mèng)能實(shí)現(xiàn)嗎

Substrate能冒出來(lái)，背后其實(shí)是美國(guó)想重塑芯片供應(yīng)鏈的國(guó)家戰(zhàn)略。創(chuàng)始人Proud原本是英國(guó)人，2019年專(zhuān)門(mén)放棄英國(guó)國(guó)籍加入美國(guó)，還給特朗普政府寫(xiě)過(guò)政策文件，呼吁啟動(dòng)芯片制造的“曼哈頓計(jì)劃”。

從美國(guó)政府的角度看，這個(gè)項(xiàng)目確實(shí)有吸引力。EUV技術(shù)最早是美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代研發(fā)的，后來(lái)因?yàn)槌杀臼Э?，才把技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了ASML，導(dǎo)致現(xiàn)在先進(jìn)光刻機(jī)完全依賴(lài)荷蘭。

美國(guó)一直想在本土重建完整的半導(dǎo)體制造能力，可光刻機(jī)這個(gè)“卡脖子”環(huán)節(jié)，始終沒(méi)找到解決方案。Substrate的X射線(xiàn)技術(shù)如果能成，正好能填補(bǔ)這個(gè)空白，圓了他們的自主夢(mèng)。

但從產(chǎn)業(yè)實(shí)際來(lái)看，這個(gè)夢(mèng)不好圓。半導(dǎo)體制造是高度國(guó)際化分工的產(chǎn)業(yè)，ASML的光刻機(jī)需要德國(guó)蔡司的光學(xué)系統(tǒng)、美國(guó)Cymer的光源、日本的光刻膠，少了哪個(gè)都不行。就算Substrate能做出設(shè)備，也離不開(kāi)全球供應(yīng)鏈的支持。

現(xiàn)在全球能造先進(jìn)光刻機(jī)的就ASML一家，日本尼康和佳能主要做中低端市場(chǎng)，中國(guó)上海微電子在推進(jìn)28納米光刻機(jī)。Substrate的加入，確實(shí)讓競(jìng)爭(zhēng)格局從“一家壟斷”變成了“多條技術(shù)路線(xiàn)并存”，但短期內(nèi)想撼動(dòng)ASML的地位，基本不可能。

從中國(guó)這邊看，Substrate的例子其實(shí)能給我們提個(gè)醒。光刻機(jī)技術(shù)并不是只有EUV這一條路，X射線(xiàn)、自由電子激光等技術(shù)路線(xiàn)都值得探索。關(guān)鍵不在于能不能搞出實(shí)驗(yàn)室成果，而在于能不能解決從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的工程化難題，以及能不能建立起配套的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

現(xiàn)在說(shuō)Substrate會(huì)取代ASML，還太早了點(diǎn)，但它證明了，光刻機(jī)技術(shù)的競(jìng)賽，仍在如火如荼地進(jìn)行著。

信息來(lái)源：
ASML 官網(wǎng)【2025 Q3 Financial Results】
Substrate 官網(wǎng)【X-Ray Lithography for Next-Generation Semiconductor Manufacturing】
TechInsights【Next-Generation Lithography Patent Landscape】
騰訊新聞【SemiAnalysis--X 射線(xiàn)光刻能否顛覆 ASML+TSMC 芯片制造格局？】