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美國新創(chuàng)公司Substrate宣稱已突破 X 射線微影技術(shù)瓶頸，以五千萬美元工具成本挑戰(zhàn)ASML五億美元的高數(shù)值孔徑 EUV 光刻機(jī)，并揚(yáng)言直接與臺(tái)積電、三星競(jìng)爭(zhēng)晶圓代工市場(chǎng)。

在半導(dǎo)體制造的數(shù)百道工序中，微影技術(shù)一直是最核心的一環(huán)。其基本原理并不復(fù)雜：讓光線穿過掩模版，照射在涂有光敏化學(xué)物質(zhì)的硅片上，通過光照區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，逐層構(gòu)建出芯片結(jié)構(gòu)。但隨著晶體管不斷縮小，光的物理特性本身成為了最根本的制約因素。

美國新創(chuàng)Substrate押注X射線微影、技術(shù)成本僅High-NA EUV十分之一

早期業(yè)界使用193納米波長的深紫外光（DUV），后來為了突破極限，轉(zhuǎn)向波長僅13.5納米的極紫外光（EUV），實(shí)現(xiàn)了波長的一個(gè)數(shù)量級(jí)躍升。如今，全球只有荷蘭的ASML能夠制造EUV光刻機(jī)，單臺(tái)售價(jià)約4億美元。即便如此，因其每年可產(chǎn)出的晶圓價(jià)值超過6億美元，經(jīng)濟(jì)效益依然成立。

為了延續(xù)摩爾定律，ASML推出了高數(shù)值孔徑（High-NA）EUV光刻機(jī)，單臺(tái)造價(jià)已逼近5億美元；下一代Hyper-NA EUV更將設(shè)備推向更大、更復(fù)雜、也更昂貴的方向。預(yù)計(jì)到2030年前后，一座先進(jìn)晶圓廠的建設(shè)成本將達(dá)到500億美元，單片晶圓的成本也可能突破10萬美元。這意味著，尖端制程能力將越來越集中在少數(shù)資本雄厚的巨頭手中。

放棄EUV，押注X射線：Substrate的另一條技術(shù)路徑

面對(duì)ASML構(gòu)筑的高墻，美國新創(chuàng)公司Substrate選擇了一條完全不同的道路：徹底放棄EUV，轉(zhuǎn)而押注X射線微影技術(shù)。X射線的電磁輻射波長介于0.01納米到10納米之間，比EUV短了近千倍，理論上具有更高的解析能力。

然而，X射線穿透力極強(qiáng)，極難操控，過去幾十年一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段。所需的光源——同步加速器——往往長達(dá)數(shù)百米，無法用于量產(chǎn)工廠。Substrate宣稱，他們整合了多項(xiàng)輔助技術(shù)的成熟成果，將一臺(tái)緊湊型粒子加速器直接集成到微影系統(tǒng)中，利用射頻腔將電子加速至接近光速，再通過精確排列的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高強(qiáng)度X射線。有分析指出，這相當(dāng)于把同步加速器的原理壓縮了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使其能夠放入工廠廠房內(nèi)。

盡管技術(shù)細(xì)節(jié)仍屬機(jī)密，Substrate已經(jīng)公布了初步成果：目前已實(shí)現(xiàn)12納米特征的打印能力，全晶圓特征尺寸偏差僅約0.25納米，精度達(dá)到原子級(jí)別，并且對(duì)所有層均可采用單次曝光方案，一次性成型，取代了目前需要多道復(fù)雜工序的多重曝光制程。該公司表示，上述指標(biāo)已經(jīng)與ASML最先進(jìn)的High-NA EUV系統(tǒng)相當(dāng)，而其工具成本僅需5000萬美元，約為ASML High-NA機(jī)臺(tái)的十分之一。

不賣機(jī)器，直接挑戰(zhàn)臺(tái)積電與三星

更值得關(guān)注的是Substrate的商業(yè)模式。他們并不打算出售光刻機(jī)，而是計(jì)劃在美國自建晶圓廠，安裝自己的設(shè)備，建立完整的制造流程，直接提供晶圓代工服務(wù)。這意味著，他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不是ASML，而是臺(tái)積電和三星。

不過，挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止一臺(tái)工具。X射線的高能量特性，使得現(xiàn)有EUV工藝所用的光刻膠、掩模版、光學(xué)元件材料全部失效，Substrate必須從頭重建整套材料體系。同時(shí)，X射線若控制不當(dāng)，可能穿透材料損傷晶體管，或引入影響良率的微小缺陷。從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證到全規(guī)模量產(chǎn)，EUV用了十多年，而專家估計(jì)Substrate至少還需要五年。

相比之下，臺(tái)積電不僅擁有最先進(jìn)的設(shè)備，更積累了數(shù)十年的制程方案、數(shù)千億美元的投資，以及嚴(yán)苛的良率管理紀(jì)律。這種規(guī)模優(yōu)勢(shì)使得后來者面臨極高的門檻——這也是為什么像英偉達(dá)這樣的巨頭也選擇不自己建廠，而是讓臺(tái)積電代工制造。

并非孤例，但目標(biāo)截然不同

Substrate并非唯一研究粒子加速器光源的機(jī)構(gòu)。美國的xLight、Inversion，以及歐洲、日本、中國的相關(guān)研究也在進(jìn)行中。不過，大多數(shù)參與者的目標(biāo)是強(qiáng)化現(xiàn)有的EUV路線圖，例如xLight致力于延長ASML設(shè)備的使用壽命，而不是取代它。

Substrate的目標(biāo)則完全不同：用一種全新的工具替換整個(gè)微影步驟，并重建整套制造流程。如果成功，這不但將改寫“誰有能力建造晶圓廠”的答案，還可能推動(dòng)計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨代躍升。

（來源：綜合自網(wǎng)絡(luò)，謝謝 ）

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