Op 28 oktober, lokale tijd, kondigde Substrate, een nieuwe Amerikaanse fabrikant van lithografieapparatuur, aan dat ze een nieuwe lithografiemachine hebben ontwikkeld die kan concurreren met 's werelds toonaangevende fabrikant van lithografiemachines, ASML's meest geavanceerde High NA EUV-lithografiemachine, die elk voor bijna 400 miljoen dollar wordt verkocht.


Volgens rapporten heeft Substrate een lithografiemachine ontwikkeld die röntgenstralen als lichtbron gebruikt. Deze lichtbron wordt gegenereerd door een deeltjesversneller en heeft een kortere golflengte dan de lichtbron van ASML’s nieuwste High NA EUV-lithografiemachine, waardoor de resolutie sterk kan worden verbeterd.

Substrate-CEO James Proud zei in een interview met Reuters dat hij hoopt de kosten van de productie van geavanceerde proceschips aanzienlijk te kunnen verlagen door apparatuur te produceren tegen lagere kosten dan die van de concurrentie.


△Een substraattechnicus toont ter plaatse een siliciumwafel van 30 cm.

Het ontwikkelen van geavanceerde chipprocessen die kunnen concurreren met TSMC kost echter miljarden dollars en is een uitdaging geweest voor bedrijven als Intel en Samsung. De huidige geavanceerde procesfabrieken kosten meer dan 15 miljard dollar om te bouwen en vereisen gespecialiseerde kennis om te bouwen en te exploiteren. Proud zei dat het bedrijf geen directe overheidsfinanciering heeft ontvangen, maar Amerikaanse functionarissen hebben interesse getoond in de inspanningen van Substrate. "Ik denk dat het belangrijkste is dat wat we doen op zichzelf commercieel levensvatbaar moet zijn", aldus Proud.

Substrate heeft zijn hoofdkantoor in San Francisco en werd in 2022 opgericht door James Proud en zijn broer Oliver. James Proud, die geen ervaring had in de halfgeleiderindustrie of met het gebruik van deeltjesversnellers, huurde een deeltjesfysicus en een optica-expert in die ervaring had met het gebruik van deeltjesversnellers in een Amerikaans nationaal laboratorium. Het onderzoeksteam zal uitbreiden naar 50 mensen, waaronder enkele ingenieurs van TSMC, IBM en Google.

In 2024 ging Substrate op zoek naar een locatie voor zijn eerste fabriek. Het heeft gesprekken gevoerd met Texas A&M University over het bouwen van een deeltjesversneller en fabriek op zijn campus voor een bedrag van ongeveer $ 10 miljard.

Momenteel heeft Substrate US$100 miljoen aan financiering ontvangen van investeringsinstellingen en investeerders zoals Founders Fund, General Catalyst, Valor Equity Partners en Peter Thiel, waardoor de waardering van het bedrijf boven de US$1 miljard uitkomt.

Trae Stephens, partner bij Founders Fund en leider van de Substrate investment case, is van mening dat dit een heel belangrijk moment in de geschiedenis is en dat dit op de juiste manier moet gebeuren. Er staat veel druk op de regering om manieren te vinden om ervoor te zorgen dat de Verenigde Staten een betrouwbare en veerkrachtige toeleveringsketen voor halfgeleiders hebben, en dit is een kans die Proud grijpt.

Proud zei dat hij hoopt de chipproductiecapaciteiten in de Verenigde Staten te verbeteren, omdat Amerikaanse technologiebedrijven zoals Nvidia en Apple te afhankelijk zijn van buitenlandse bedrijven voor de productie van geavanceerde halfgeleiders. Hoewel Proud en zijn broer geen ervaring hebben met de productie van halfgeleiders, gelooft hij dat dit een voordeel is, want als ze wel ervaring hadden, zouden ze misschien niet denken dat ze het zouden kunnen.

Proud beweert dat zijn methode de productiekosten van geavanceerde proceswafels kan verlagen van naar schatting 100.000 dollar tot ‘bijna 10.000 dollar’, met als doel de massaproductie tegen 2028 te starten. Hij zei dat het doel van Substrate is om chips te produceren tegen een ‘kostenstructuur die de Verenigde Staten in staat stelt te concurreren met China’.

Jeff Koch, analist bij onderzoeksbureau SemiAnalysis, zei dat als Substrate erin slaagt de productiekosten van chips aanzienlijk te verlagen, dit een secundair effect kan hebben, net zoals SpaceX ernaar streeft de kosten voor raketlanceringen te verlagen en daardoor meer ruimteverkenning te bevorderen. "Ze zijn ervan overtuigd dat het blootstellingsgedeelte het eerste probleem is dat moet worden opgelost bij het voltooien van hun eigen procestaken. Uiteindelijk zal dit TSMC en ASML vervangen."

Het leidt de Verenigde Staten terug naar een dominante positie in de halfgeleiderproductie

Substrate zei dat de Verenigde Staten alle basistechnologieën van moderne halfgeleiders hebben uitgevonden, inclusief transistors, geïntegreerde schakelingen, veldeffecttransistors (FET's), complementaire metaaloxidehalfgeleiders (CMOS), fin field effect-transistors (FinFET's), fotolithografietechnologie, extreem ultraviolet (EUV) lithografietechnologie, enz. Maar de afgelopen tien jaar hebben de Verenigde Staten hun leiderschap verloren in de meest geavanceerde delen van de productie- en toeleveringsketens van halfgeleiders.

"De geschiedenis van de geavanceerde lithografie is er een van Amerikaans wetenschappelijk vernuft en commerciële misstappen."

Substrate merkte op dat het onderzoek naar EUV-lithografie in de jaren negentig begon in Amerikaanse nationale laboratoria, waar veel vroege lichtbronnen, optica en resist (fotoresist) technologieën werden ontwikkeld. Ondanks deze fundamentele vooruitgang zijn Amerikaanse pogingen om deze technologieën te commercialiseren tot stilstand gekomen nadat de tijdlijnen en de kosten enorm waren gestegen. Dit had tot gevolg dat cruciaal intellectueel eigendom en productieleiderschap uiteindelijk werden overgedragen en in licentie werden gegeven aan het buitenland, waardoor de huidige buitenlandse dominantie en het monopolie op het gebied van lithografiegereedschappen werden versterkt.

"We hebben groot respect voor de prestaties van de pioniers en bedrijven die de huidige AI-halfgeleiderrevolutie hebben gecreëerd, en voor de ongelooflijke techniek die de afgelopen decennia is gebruikt om moderne wonderen zoals EUV te creëren. Maar als de Verenigde Staten hun rechtmatige plaats als leider in de halfgeleiderproductie willen herwinnen, kunnen we de fouten uit het verleden niet herhalen", aldus Substrate.

Met de huidige explosieve groei op het gebied van kunstmatige intelligentie en robotica groeit de vraag naar chips jaar na jaar exponentieel. Het aantal bestaande halfgeleiderfabrieken in de Verenigde Staten beperkt echter de productiecapaciteit van chips. Tegelijkertijd worden de Verenigde Staten ook geconfronteerd met uitdagingen die voortvloeien uit de snelle ontwikkeling van de Chinese halfgeleiderindustrie en haar plannen om met de Verenigde Staten te concurreren op het gebied van kunstmatige intelligentie.


Substrate merkte op dat de stijgende kosten voor het bouwen en uitrusten van geavanceerde halfgeleiderfabrieken, in combinatie met ernstige hiaten in de Amerikaanse binnenlandse toeleveringsketen, het volledige potentieel van de VS belemmeren om de dominantie in de halfgeleiderproductie te herwinnen.


△Willekeurige logische contactarray met een kritische afmeting van 12 nm en een tippitch van 13 nm met hoge patroongetrouwheid.

Substrate verklaarde dat het bedrijf oorspronkelijk was opgericht om de Verenigde Staten terug te brengen naar hun dominante positie op het gebied van de productie van halfgeleiders. De kernovertuigingen zijn als volgt:

1. De productiekosten van halfgeleiders zijn uit de hand gelopen. Zonder fundamentele nieuwe technologische innovaties zullen de kosten alleen maar blijven stijgen;

2. De Verenigde Staten zijn gevaarlijk afhankelijk van bronnen van geopolitieke risico's en risico's in de toeleveringsketen die zij niet rechtstreeks kunnen beheersen;

3. De enige kans voor de Verenigde Staten om de dominantie in de halfgeleiderproductie terug te winnen is het creëren van een nieuwe, meer verticaal geïntegreerde gieterij die de wet van Moore blijft aandrijven in termen van prestaties en kosten;

Om dit doel te bereiken bouwt Substrate halfgeleiderfabrieken van de volgende generatie om de Verenigde Staten weer dominant te maken in de productie van halfgeleiders, met behulp van de nieuwste lithografietechnologie, een nieuwe geavanceerde röntgenlithografietechnologie, als belangrijkste drijfveer.

Met behulp van röntgenlithografietechnologie

Momenteel zijn geavanceerde proceschips vervaardigd door de halfgeleiderindustrie op 7 nm en lager afhankelijk van ASML's EUV (extreem ultraviolet) lithografiemachines, en de volgende angstrom-niveau processen zullen vertrouwen op ASML's nieuwste High NA EUV-lithografiemachines. De EUV-lithografiemachine van ASML wordt echter verkocht voor meer dan 150 miljoen dollar, en de High NA EUV-lithografiemachine voor bijna 400 miljoen dollar. Dit heeft er ook voor gezorgd dat de productiekosten van geavanceerde procestechnologiechips blijven stijgen.

Substrate zei dat om aanzienlijke verlagingen van de productiekosten van chips te bereiken, "we een nieuwe technologie moeten uitvinden die de belangrijkste patronen kan produceren die nodig zijn voor de geavanceerde chips van vandaag, die goedkoper, eenvoudiger, capabeler en sneller te bouwen is."

Momenteel maakt de EUV-lithografiemachine van ASML gebruik van een EUV-lichtbron met een golflengte van 13,5 nm. Om EUV-licht te produceren, verzamelen en verzenden is een complete set complexe systemen nodig, wat ook de sleutel is tot de hoge kosten van ASML's EUV-lithografiemachine.

In dit opzicht heeft Substrate zijn zinnen gezet op röntgenstralen met kortere golflengten dan EUV-lichtbronnen (golflengten tussen 0,01 nm en 10 nm), zodat de resolutie van de fotolithografie ook hoger is en de vereiste fijne patronen direct op de siliciumwafel kunnen worden gesneden zonder dat er zelfs maar een fotomasker nodig is.

Xinzhixun ontdekte echter dat vanwege de hoge energie en sterke doordringbaarheid van röntgenstralen de brekingsindex op het oppervlak van de meeste materialen dichtbij 1 ligt, wat resulteert in een extreem lage reflectiviteit. Daarom gebruiken de meeste röntgenlithografiemachines direct schrijven op siliciumwafels om patronen te graveren. Het nadeel van deze direct-writing röntgenlithografie-oplossing is echter dat de snelheid te laag is en moeilijk om aan de moderne massaproductiebehoeften te voldoen.

En afgaande op relevante informatie is röntgenlithografietechnologie geen nieuwe technologie. De Verenigde Staten, Europa, Rusland en China hebben het allemaal bestudeerd. Vanwege efficiëntieproblemen is er echter geen röntgenlithografiemachine die geavanceerde proceschips op grote schaal in massa kan produceren. Velen van hen worden gebruikt voor laboratoriumonderzoek en andere behoeften.

Volgens Xinzhixun is röntgenlithografie echter niet helemaal niet in staat grootschalige massaproductie van efficiënte chipproductie te realiseren, vergelijkbaar met EUV-lithografieoplossingen, maar wordt het geconfronteerd met een reeks problemen die moeten worden overwonnen.

1. Vermogen en stabiliteit van de lichtbron: Om economisch haalbare massaproductie te bereiken is een röntgenlichtbron met extreem hoge helderheid, stabiliteit en beheersbare kosten vereist.

2. Compatibiliteit met fotoresist en materiaal: De hoge fotonenergie van röntgenstralen heeft een lage interactie-efficiëntie met traditionele fotoresistmaterialen, en er moet een nieuw fotoresistsysteem worden ontwikkeld.

3. Gebrek aan efficiënte optische componenten: röntgenstralen worden sterk geabsorbeerd door bijna alle materialen, waardoor het moeilijk wordt om efficiënte meerlaagse filmreflectoren zoals EUV te creëren om de straal te controleren. Als gevolg hiervan zal röntgenlithografie wellicht de technisch minder moeilijke benadering moeten aannemen "direct-write lithografie", maar dit zal nieuwe beperkingen met zich meebrengen in resolutie en doorvoer.

4. Gebrek aan ecosysteem: Een complete reeks ondersteunende technologieën rond röntgenlithografie, zoals maskers, beschermende films (pellicles), enz., zijn momenteel vrijwel leeg en moeten helemaal opnieuw worden opgebouwd.

Substrate ging niet in op de manier waarop het van plan is röntgentechnologie te gebruiken om massaproductie van geavanceerde chips te realiseren. Het bedrijf zei alleen dat de lithografieresultaten die door zijn röntgenlithografiemachine worden weergegeven, kunnen worden vergeleken met de meest geavanceerde High NA EUV-lithografie van de huidige industrie, met een resolutie die gelijk is aan die van het 2nm-halfgeleiderknooppunt en het vermogen om deze te overtreffen.


Substrate introduceerde echter de ongebruikelijke methode voor het genereren van röntgenlichtbronnen die het gebruikt, dat wil zeggen het gebruik van deeltjesversnellers om het vereiste vermogen en de stabiliteit van de röntgenbron te bereiken.

Volgens rapporten heeft het team van Substrate een nieuw type verticaal geïntegreerde waferfabriek ontworpen die een deeltjesversneller gebruikt om de helderste straal ter wereld te genereren en een geavanceerde nieuwe methode van röntgenlithografie te implementeren. "Onze versneller genereert en drijft X-stralen aan, die miljarden keren helderder licht produceren dan de zon, rechtstreeks in onze lithografieapparatuur, die elk geheel nieuwe optische en snelle mechanische systemen gebruiken om de kleinste kenmerken te produceren die nodig zijn voor geavanceerde halfgeleiderchips."


△Waarschuwingsbord bij de deur van de substraatlaserkamer


△De vacuümkubus in de substraatlaserkamer

"Onze lichtbron begint met een radiofrequentieholte die een krachtig elektrisch veld gebruikt om elektronenpulsen te versnellen. De elektronen rijden op elke opeenvolgende golf, krijgen energie en verhogen hun snelheid tot bijna de snelheid van het licht. Om licht te produceren, gaan deze geladen, hoogenergetische elektronen door een reeks sterke wisselende magnetische velden, waardoor ze gedwongen worden energie vrij te geven in de vorm van helder, intens licht. Deze heldere lichtpulsen worden doorgegeven en gevormd door een reeks perfect gepolijste optica, helemaal tot aan de siliciumwafel."

Het is duidelijk dat deze lichtbronoplossing ook tegelijkertijd lichtbronnen kan leveren aan meerdere lithografieapparatuur, waardoor de kosten verder worden verlaagd. Als er echter eenmaal een probleem is met de lichtbrongenererende inrichting, zal dit ook de normale werking van meerdere lithografische apparatuur beïnvloeden, dus deze oplossing heeft voor- en nadelen.

Bovendien ontwierp, fabriceerde en polijste het team van Substrate optica, creëerde chemische wonderen, verwerkte en assembleerde grote hoeveelheden metaal en produceerde uiteindelijk nieuwe, geavanceerde lithografietechnologieën.

Volgens de New York Times heeft het team van Substrate een groot deel van 2023 besteed aan het bouwen van op maat gemaakte lithografietools. Het heeft duizenden onderdelen en is klein genoeg om achterin een U-Haul te passen. Ze testten het in computersimulaties.

Begin 2024 heeft Substrate een succes- of faaltest uitgevoerd op een deeltjesversneller. Proud zei dat het bedrijf in de problemen kwam toen trillingen in de buurt van een deeltjesversneller ervoor zorgden dat het gereedschap begon te draaien en de beelden onscherp werden. Maar na een dag verwoed zoeken werd ontdekt dat het airconditioningsysteem trillingen veroorzaakte, en het probleem werd vervolgens opgelost totdat het proces herhaaldelijk "zeer mooie en kleine patronen" op de siliciumwafel printte.

Substrate zegt dat deze röntgenlithografietechnologie van de grond af aan is gebouwd voor de productie van grote volumes – een technisch hoogstandje waarvan niet veel mensen hadden gedacht dat het voor een startup als Substrate mogelijk was om dit voor elkaar te krijgen.

Volgens rapporten heeft Substrate de afgelopen jaren geïnvesteerd in het opbouwen van een toeleveringsketen en blijft het zijn capaciteiten voor verticale integratie versterken, waardoor het bedrijf vooruitgang kan boeken met een snelheid die vaak ondenkbaar is in de halfgeleiderindustrie. Onlangs voltooide Substrate het eerste interne 300 mm waferlithografie-instrument van productiekwaliteit dat werkt onder de extreme zwaartekracht die nodig is om te voldoen aan de allernieuwste productiecapaciteit.

“Het bouwen van de ultieme lithografiemachine met behulp van deeltjesversnellers heeft nieuwe uitdagingen met zich meegebracht die ons op een heel ander pad hebben gebracht dan anderen eerder hebben onderzocht en resultaten hebben bereikt die voorheen voor onmogelijk werden gehouden”, schreef Substrate op zijn officiële website.

Verlaag de productiekosten van geavanceerde proceswafels met 90%

De ontwikkeling van sleuteltechnologieën van de toekomst, zoals geavanceerde kunstmatige intelligentie en robotica, hangt af van de exponentiële groei van geavanceerde chips. De komende decennia zal de jaarlijkse vraag naar chips niet worden gemeten in tientallen miljoenen wafers, maar in miljarden wafers.

Hoewel veel mensen bekend zijn met de wet van Moore, is de wet van Locke de op een na belangrijkste wet in de productie van halfgeleiders. Het constateerde dat de kosten voor het bouwen van een geavanceerde halfgeleiderfabriek ongeveer elke vier jaar verdubbelden, waarbij de faciliteit groeide van ruim $ 5 miljard begin 2010 tot ongeveer $ 25 miljard nu.


△In de loop van de tijd zijn de kosten van geavanceerde halfgeleiderproductiefaciliteiten gestaag gestegen.

Er wordt verwacht dat tegen 2030 de kosten van elke geavanceerde wafer 100.000 dollar zullen bedragen, en dat de bouwkosten van elke geavanceerde waferfabriek meer dan 50 miljard dollar zullen bedragen. In de toekomst zullen alleen de machtigste bedrijven producten kunnen vervaardigen die gebruik maken van het allernieuwste silicium. De economische aspecten van deze schaalvergroting zijn lastiger dan de natuurkundige. Dit economische model lijkt op de rand van de afgrond te staan.


△Historische en verwachte kosten van geavanceerde wafers voor eindklanten

In dit verband verklaarde Substrate trots: "Vergeleken met ons huidige kostenschaaltraject hebben we een pad om de kosten van geavanceerd silicium met een orde van grootte te verlagen. Tegen het einde van dit decennium (begin 2020 - eind 2029) zal Substrate geavanceerde proceswafels produceren die dichter bij de $ 10.000 liggen in plaats van $ 100.000."

Om een ​​wereld te bereiken waarin de proliferatie van geavanceerde chips overeenkomt met de wetenschappelijke toekomst die we ons willen voorstellen, moeten we de kosten van silicium verlagen en tegelijkertijd het aantal bedrijven en innovators uitbreiden die geavanceerde chips kunnen ontwerpen en produceren.

AI zal de ontwerpkosten van chips aanzienlijk verlagen en de productie zal een knelpunt worden

Momenteel is het ontwerpen van chips voor geavanceerde processen duur en complex. Voor de meest uitdagende ontwerpen zijn er maar weinig bedrijven die de complexiteit kunnen beheersen, laat staan ​​de kosten kunnen betalen.

Substrate is van mening dat AI-modellen al chipontwerpers kunnen helpen bij het maken van op maat gemaakt silicium, en dat ze in de nabije toekomst de mens in deze taak zullen overtreffen. De kosten van ontwerp en verificatie zullen waarschijnlijk tot bijna nul dalen, waardoor het ontwerpen van complexe chips voor vrijwel elk bedrijf betaalbaar wordt.

Zodra dit gebeurt, zal de productie en productie van deze chips het grootste knelpunt worden.

Substrate zei dat het de kracht van kunstmatige intelligentie begrijpt bij het versnellen van productie-innovatie. "Vanaf de eerste dag hebben we GPU's en TPU's ingezet om problemen te versnellen die voorheen als hardnekkig werden beschouwd. Door end-to-end simulaties te bouwen van de fysica die onze machines bestuurt, de transistors die we zullen maken en de uiteindelijke ontwerpen die ze zullen aandrijven, hebben we problemen die voorheen jaren nodig hadden om op te lossen, in dagen gecomprimeerd."

De Amerikaanse technologie-industrie bouwt al de grootste kunstmatige-intelligentiefabriek ter wereld. Substrate zei dat het ‘s werelds meest geavanceerde, door kunstmatige intelligentie ontworpen halfgeleidergieterij zal bouwen om de Amerikaanse kunstmatige-intelligentie-industrie de komende decennia te dienen en ervoor te zorgen dat toekomstige krachtige kunstmatige-intelligentiesystemen van bovenaf op de Amerikaanse stapel draaien.

Wie zal de toekomst beheersen?

“Al tientallen jaren lang hebben we de innovatiecapaciteiten van China herhaaldelijk onderschat, terwijl we te weinig in de onze hebben geïnvesteerd.” Substrate is van mening dat China tegen het einde van dit decennium (begin 2020 - eind 2029) zelfvoorzienend zal zijn in de meeste, zo niet alle, halfgeleiderwafelproductiemiddelen die nodig zijn voor de volledig binnenlandse productie van halfgeleiders, inclusief geavanceerde lithografietechnologie.

De halfgeleiderindustrie staat op een kruispunt. China heeft van geavanceerde halfgeleiderproductie een nationale prioriteit gemaakt en zwaar geïnvesteerd in binnenlandse vormgeving en productie. “We kunnen binnenkort getuige zijn van soortgelijke tektonische verschuivingen in de productie van halfgeleiders, met plotselinge veranderingen in technologische capaciteiten en leiderschap, waardoor we als natie moeite hebben om om te gaan met capaciteiten waarvan we nooit hadden verwacht dat ze zo snel zouden ontstaan”, schreef Substrate. “Tegen het einde van dit decennium zullen de Verenigde Staten of China de toekomst van computers en de daarop gebouwde kunstmatige intelligentie-industrie beheersen.”

"Velen hebben jarenlang gesproken over de noodzaak van een nieuw puur Amerikaans verhaal, maar beschouwden het als een onmogelijke taak. De geschiedenis heeft keer op keer aangetoond dat Amerikaanse wetenschap en techniek het onmogelijke kunnen oplossen." Substrate benadrukte: "Terwijl we ons vandaag haasten om meer moderne halfgeleiderfabrieken in de Verenigde Staten te bouwen, moeten we nu beginnen met het bouwen van de halfgeleiderfabrieken van morgen."

Interessant is dat Substrate opereert vanuit een industrieel pakhuis in de buurt van het Design District van San Francisco, een ruimte die wordt doorsneden door een 3 meter hoge Amerikaanse vlag, en dat de wachtruimtes van bezoekers gevuld zijn met boeken over de rivaliteit tussen de VS en China, zoals The Next Big War: Can the United States and Its Allies Defeat China? 》.