美国初创企业Substrate以粒子加速器革新光刻技术，挑战ASML垄断地位

在过去的十年间，半导体产业的核心生产设备始终被一种校车般庞大的机器所主宰，它由荷兰巨头ASML制造，利用光学原理在耗资数百亿美元的无尘工厂内，将复杂电路图案精确蚀刻于硅晶圆之上。这类机器对于智能手机及人工智能系统的芯片至关重要，以至于美国政府已实际限制其出口销售。

然而，一位未完成大学学业的美国创业者James Proud宣称，他的公司已从投资者处募集超1亿美元资金，并研发出一项颠覆性方案——通过将源自粒子加速器的光束，引导至一台仅汽车大小的装置中，有望将芯片制造成本削减一半。

据介绍，这项技术使这家名为Substrate的企业能够印制出高分辨率的微芯片层，其精细程度可与全球顶尖半导体工厂的产品相媲美。

"我计划打造能够替代荷兰ASML公司先进光刻机（用于在硅片上蚀刻微型晶体管）以及台积电大型制造厂的全新产品。"James Proud透露。他表示，达成这些目标将需要"数十亿美元"的投入。

一家获Peter Thiel支持的新锐企业

尽管James Proud本人并非业界知名人物，但其背后的支持者却声名显赫。

Substrate的投资方包括Peter Thiel旗下的Founders Fund、General Catalyst以及In-Q-Tel（一家为美国国防与情报机构资助新技术的政府非营利组织）。此轮融资使公司估值突破10亿美元大关。

然而，即便获得资本青睐，这家初创公司仍面临来自政府科学家及整个半导体行业的疑虑。他们质疑Substrate能否在计划生产首枚芯片的三年内，复制复杂且资本密集的半导体供应链体系。

该公司表示，它已彻底改造了微芯片生产流程中的一个关键环节，并计划凭借此项创新在美国建立制造工厂。这一雄心勃勃的蓝图引起了特朗普政府的关注，该政府将减少美国对海外供应商的依赖视作紧迫的国家安全要务。

2011年，Proud作为首届泰尔奖学金项目成员从伦敦迁至旧金山。该项目由风险投资家彼得·泰尔创立，旨在为有志创业者提供大学教育的替代路径。Proud出售了他的首家公司，那是一项帮助乐迷寻找与购买音乐会门票的服务。但他的第二家初创公司Hello（一家生产睡眠追踪设备的公司）在将部分技术售予Fitbit后宣告关闭。

2019年，Proud开始着手创办另一家支持设备制造商的初创企业，并深入研习半导体供应链。同年，他正式加入美国国籍，并为特朗普第一届政府起草了一份政策文件，呼吁启动一项旨在振兴美国芯片制造业的“曼哈顿计划”。Proud表示，他曾告诫政府官员：“这将成为一大难题，且形势会日益严峻。”

在特朗普政府说服台积电于亚利桑那州建厂后，Proud决心创立自己的公司。他与25岁的弟弟奥利弗开始潜心阅读有关半导体光刻技术的书籍与学术论文。他们不禁质疑：为何这一工艺变得如此复杂且昂贵？

现代光刻机拥有超过十万个组件，其主要成本之一在于如何利用高功率激光将熔融锡滴转化为极紫外光。这些机器运用此种光刻技术在硅晶圆上蚀刻图案，该过程被称为EUV光刻。

另一项从未商业化的工艺则涉及粒子加速器。这些主要由研究人员使用的机器可作为光源，在晶圆上形成图案，此工艺被称为X射线光刻。ASML曾测试过该技术，但最终放弃。

Proud兄弟认为，通过定制的粒子加速器与光刻工具组合，此项技术有望实现商业化。2022年1月，他们在旧金山共同创立了Substrate公司。

Proud先生此前从未接触过粒子加速器，因此他聘请了一位粒子物理学家和一位曾在美国国家实验室操作过粒子加速器的光学专家。团队随后扩充至50人，其中包含来自台积电、IBM和谷歌的工程师。

Substrate的运营基地位于旧金山设计区附近的一个工业仓库内。仓库被一面12英尺高的美国国旗分隔，访客等候区摆放着《下一场大战：美国及其盟友能否战胜中国？》等书籍。

一项并非全新的方案

有半导体工程师指出，Substrate可能面临的一大挑战在于其计划使用单一粒子加速器为多台工具提供光源。此举虽可降低成本，但一旦加速器故障，依赖该光源的整个工厂便可能停工。

正是出于此类担忧，两位了解机密审议情况的人士透露，这导致拜登政府最初拒绝了Proud从《芯片法案》中申请100多亿美元拨款的请求。该法案是一项两党共同推动、旨在补贴美国芯片制造业的法案。但Proud表示，美国商务部从未正式否决Substrate的申请。

过去几年中，该公司亦在全力推进研发。

据介绍，2023年，该团队耗费大量时间打造了一款定制光刻工具。它包含数千个零件，体积小巧，可装入U-Haul卡车的后备箱。他们通过计算机模拟对其进行了全面测试。

2024年初，Substrate公司预定了湾区的一台粒子加速器，准备进行一项关键性测试。Proud回忆道，当时加速器附近的震动导致设备旋转，成像模糊，公司一度陷入困境。经过一整天的紧急排查，最终发现空调系统是振动源。Substrate调整了风扇转速，直至在硅片上“反复印制出极其精美、微细的图案”。

他们期望通过将专有粒子加速器与定制光刻机相结合，在他人失败之处取得成功。光刻机可将光线透过芯片设计蓝图投射至硅片。从验证工艺有效到实现商业化，Proud仍面临漫长道路。成功与否取决于其初创公司能否克服一系列商业障碍，包括建设工厂、寻找客户及实现规模化生产。

此后，该团队建造了更庞大、更复杂的工具，并印制出与最新尖端芯片制造工艺分辨率相匹配的图像。

历经三年的秘密研发，Substrate的产品终于浮出水面。

Proud对Substrate的具体流程守口如瓶。他拒绝透露测试中使用的粒子加速器型号及部分定制组件的细节。他表示，Substrate正效仿某些人工智能公司的做法，不公开分享其研究成果。

但可以确定的是，Substrate的技术涉及使用粒子加速器作为基于X射线的光刻系统的光源，利用比ASML最新“极紫外”机器波长更短的光线，将电路印制于硅片上。

Substrate声称其机器正在印制12纳米特征线宽，与ASML所谓的高数值孔径EUV机器生产的特征相当。这将使这家初创公司的设备与当今最先进的生产线并驾齐驱。

此前，Substrate已在美国国家实验室演示了该系统，该系统能在晶圆上创建复杂图案。Proud宣称其分辨率可与ASML最新的“高数值孔径”EUV设备相匹敌。他表示，这使其适用于生产2纳米工艺节点的芯片，而2纳米正是半导体行业当前最前沿的技术。Substrate还计划采用现有的芯片制造设备。

Substrate强调，其不依赖外部生产的光刻工具或知识产权，并且“已建立了一种差异化技术，与任何其他半导体公司均无重叠”。

若Substrate成功将其推向市场，其X射线光刻设备将比ASML的大型机器更廉价、更紧凑，后者每台售价可能高达数亿美元。这家初创公司表示，其技术可行，并已拥有芯片层的图像，其印制精度等于或优于最新ASML机器所能达到的水平。

然而，正如分析师所言，Substrate的X射线方法此前已有尝试，但未取得显著成功。此外，该公司缺乏行业广泛支持。

Substrate的终极目标并非仅止于挑战ASML——销售设备——而是自身成为芯片制造商。Substrate希望建立一家美国代工厂，一家生产定制半导体的企业。Proud指出，根据当前计划，其机器可能在未来“几年”内在美国的芯片制造厂或晶圆厂投入生产。

另一个雄心：成为台积电般的巨头？

除打造ASML的竞争者外，Substrate还志在建立一家美国代工厂，从事定制半导体生产。Proud进一步表示，随着业务扩展至多家工厂，建设一个“更加垂直整合”的代工厂将需要筹集“数十亿乃至数百亿，甚至数千亿美元”。

去年，该公司开始为其首座工厂选址。它已与德克萨斯农工大学洽谈，计划在该校区建造一台粒子加速器及一座工厂，投资额约100亿美元。

Proud先生透露，他还与硅谷老牌芯片制造商英特尔就其技术进行了初步讨论。但英特尔拒绝置评。

无疑，这家公司的做法备受质疑。

但Founders Fund合伙人、领导该公司对Substrate投资的Trae Stephens表示：“这些都是历史上至关重要的时刻，必须准确把握。当前，美国政府承受巨大压力，需确保我们拥有可靠且有韧性的半导体供应链……而这正是James所抓住的机遇。”Stephens指出。

在Stephens看来，与其他芯片初创公司相比，Substrate显然能分得一杯羹。但若他们获胜，那将是一场真正的巨大胜利。

当被问及未来挑战时，Proud先生情绪激昂。在最近的一次采访中，他回忆道，人们曾声称另一种光刻工艺无法实现，但他坚持推进，因为“如果我们不这样做，后果将是彻底的灾难。”

“如果你只有两个糟糕的选择，”他说，“你就必须去创造第三个更好的选择。”