一个辍学生，同时挑战ASML和台积电

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过去十年，半导体的生产一直由一台校车大小的机器完成，该机器利用光在耗资250亿美元的无菌工厂内将图案蚀刻到硅晶片上。这台由荷兰公司ASML生产的机器对智能手机、人工智能系统中的芯片至关重要，以至于华盛顿实际上已经限制其销售。

但一位没有大学学位（辍学）的美国人James Proud表示，他的公司已从投资者那里获得了超过1亿美元的资金，并开发出一种解决方案，可以将制造成本降低一半，方法是将来自粒子加速器的巨型仪器的光线引导到一个汽车大小的工具中。

据介绍，这项技术能使这家名为Substrate的公司可以打印出高分辨率的微芯片层，其分辨率堪比世界领先的半导体工厂所生产的图像。

“我计划打造替代荷兰 ASML 公司先进光刻机（用于在硅片上蚀刻微型晶体管）和台积电大型制造厂的产品。”James Proud数。他表示，实现这些目标将耗资“数十亿美元”。

一家Peter Thiel支持的企业

虽然James Proud名不见经传，但他的支持者却名头甚大。

据介绍，Substrate 的投资者包括包括Peter Thiel的 Founders Fund、General Catalyst 和 In-Q-Tel（一家为美国国防和情报机构资助新技术的政府非营利组织）。本轮融资对该公司的估值超过 10 亿美元。

然而，即使获得了投资，这家初创公司仍然面临来自政府科学家和整个半导体行业的质疑，他们怀疑它是否能够在其计划生产首批芯片的三年时间内复制复杂的资本密集型半导体供应链。

该公司表示，它已经彻底改造了微芯片生产过程中的一个关键环节，并计划利用其创新在美国建立制造工厂。其雄心勃勃的计划引起了特朗普政府的关注，特朗普政府将减少美国对海外供应商的依赖视为紧迫的国家安全优先事项。

2011年，Proud作为首届泰尔奖学金项目（Thiel Fellowship）的成员从伦敦搬到了旧金山。该项目是由风险投资家彼得·泰尔（Peter Thiel）创立的，旨在为有抱负的创业者提供大学替代方案。Proud卖掉了他的第一家公司，那是一家帮助乐迷寻找和购买音乐会门票的服务公司。但他的第二家初创公司Hello，一家生产睡眠追踪设备的公司，在将部分技术出售给Fitbit后倒闭了。

2019年，Proud开始着手创办另一家支持设备制造商的初创企业，并开始研究半导体供应链。在这一年，他还加入了美国国籍，为特朗普第一届政府起草了一份政策文件，呼吁为美国芯片制造业打造一个“曼哈顿计划”。普劳德表示，他曾告诉政府官员：“这将是一个问题，而且会变得更糟。”

在特朗普政府说服台积电在亚利桑那州建厂后，Proud决定创办自己的公司。他和25岁的弟弟奥利弗开始阅读有关半导体光刻的书籍和学术论文。他们质疑，为什么这个工艺变得如此复杂和昂贵。

现代光刻机拥有超过10万个零件，其主要成本之一是如何使用高功率激光器将熔融的锡滴转化为极紫外光。这些机器利用这种光刻技术蚀刻硅晶片，这一过程被称为EUV光刻。

另一个从未商业化的工艺涉及粒子加速器。这些机器主要由研究人员使用，可以作为光源，在晶圆上形成图案，这一工艺被称为X射线光刻。ASML曾测试过这项技术，但最终放弃了。

Proud兄弟认为，通过定制的粒子加速器和光刻工具，它可以实现商业化。2022年1月，他们在旧金山共同创立了Substrate公司。

Proud先生此前从未使用过粒子加速器，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使用过粒子加速器的光学专家。该团队后来扩大到50人，其中包括一些来自台积电、IBM和谷歌的工程师。

Substrate 的运营场地位于旧金山设计区附近的一个工业仓库里。仓库被一面 12 英尺高的美国国旗一分为二，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。

一个不算创新的方案

有半导体工程师指出，Substrate 可能面临的一个挑战来自其计划使用粒子加速器提供单一光源，同时为多个工具供电。这可以降低成本，但一旦发生故障，使用该加速器的工厂就可能停工。

正是因为如此，两位了解机密审议情况的人士表示，这种担忧导致拜登政府拒绝了Proud最初提出的从《芯片法案》中拨款 10 多亿美元的请求，该法案是一项两党共同制定的法案，旨在补贴美国芯片制造业。但Proud表示，美国商务部从未正式拒绝过Substrate的请求。

过去几年里，该公司也在大力推进中。

据介绍，在2023年，该团队就花了大部分时间打造一款定制光刻工具。它包含数千个零件，体积小巧，可以装进U-Haul卡车的后备箱。他们在计算机模拟中对其进行了测试。

2024年初，Substrate公司预订了湾区一台粒子加速器，准备进行一次决定成败的测试。普劳德说，当时粒子加速器附近的震动导致加速器旋转，图像变得模糊，公司遇到了麻烦。经过一整天的疯狂搜索，最终发现是空调系统导致了振动。Proud说，Substrate公司调整了风扇转速，直到在硅片上“反复打印出非常漂亮、非常微小的东西”。

他们希望通过将专有的粒子加速器与定制的光刻机相结合，在其他人失败的地方取得成功。光刻机可以将光线穿过芯片设计蓝图投射到硅片上。从证明他的工艺有效到实现商业化，他面临着漫长的道路。成功取决于他的初创公司能否扫清一系列商业障碍，包括建厂、寻找客户以及规模化生产。

该团队此后建造了更大、更复杂的工具并打印出与最新的尖端芯片制造工艺的分辨率相匹配的图像。

经过三年的秘密研发之后，Substrate的产品终于问世。

Proud对 Substrate 的流程讳莫如深。他拒绝透露该公司在测试中使用了哪款粒子加速器，以及一些定制组件的信息。他表示，Substrate 正在效仿一些不公开分享其研究成果的人工智能公司的做法。

不过可以确定的，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，使用比 ASML 最新的“极紫外”机器更短波长的光将电路印在硅上。

Substrate 声称其机器正在打印 12 纳米特征，与 ASML 所谓的高 NA 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使用的最先进的生产线相提并论。

此前，Substrate 已在美国国家实验室演示了该系统，该系统已在晶圆上创建了复杂的图案，Proud 声称其分辨率可与 ASML 最新的“高数值孔径” EUV 设备相媲美。他表示，这将使其适合生产 2 纳米工艺节点的芯片，而 2 纳米工艺节点是半导体行业目前最先进的技术。Substrate 还计划使用现有的芯片制造设备。

Substrate 强调，它不使用外部生产的光刻工具或知识产权，并且“已经建立了一种差异化技术，与任何其他半导体公司都没有重叠”。

如果 Substrate 成功将其推向市场，其 X 射线光刻设备将比大型 ASML 机器更便宜、更小，后者每台可能花费数亿美元。这家初创公司表示，其技术是可行的，并且它拥有芯片层的图像，其打印比例等于或优于最新的 ASML 机器所能处理的比例。

不过，正如分析师所说，Substrate的X射线方法之前曾尝试过，但没有取得太大成功。而且，该公司缺乏行业支持。

如他们所说，Substrate的最终目标是超越 ASML 所做的事情——向其他公司销售设备——并成为芯片制造商本身。Substrate 希望建立一家美国代工厂，一家生产定制半导体的企业。他说，根据 Proud 目前的计划，其机器可能会在未来“几年”内在美国的芯片制造厂或晶圆厂投入生产。

另一个目标是成为台积电？

除了打造ASML的挑战者外，Substrate 还希望建立一家美国代工厂，一家生产定制半导体的企业。他说，根据 Proud 目前的计划，其机器可能会在未来“几年”内在美国的芯片制造厂或晶圆厂投入生产。 Proud进一步指出，随着业务规模扩大到多个工厂，建立一个“更加垂直整合”的代工厂将需要筹集“数十亿美元——有时甚至是数百亿美元，甚至数千亿美元”。

去年，该公司开始为其第一家工厂寻找场地。该公司已与德克萨斯农工大学（Texas A&M University）洽谈，计划在该校区建造一台粒子加速器和一座工厂，投资额约为100亿美元。

Proud先生表示，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。但英特尔拒绝发表评论。

毫无疑问，这家公司的做法备受质疑。

但创始人基金 (Founders Fund) 合伙人、领导该公司对 Substrate 投资的 Trae Stephens 表示：“这些都是历史上非常重要的时刻，必须正确把握，”。“目前，美国政府面临着巨大的压力，需要弄清楚如何确保我们拥有可靠且有弹性的半导体供应链……而这正是James正在抓住的时机。”Stephens 指出。

在斯蒂芬斯看来，与其他芯片初创公司相比，Substrate 显然能分得一杯羹。但如果他们赢了，那将是一场真正的大胜。

当被问及未来的挑战时，Proud先生怒不可遏。在最近的一次采访中，他回忆说，人们曾说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，后果将是一场彻底的灾难。”

“如果你只有两个糟糕的选择，”他说，“你就需要去创造第三个更好的选择。”

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4209期内容，欢迎关注。

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