在半导体制造领域，光刻技术是决定芯片性能和成本的核心环节。传统 EUV（极紫外）光刻依赖复杂的光掩模系统，不仅制造成本高昂，还限制了设计灵活性。Substrate 公司推出的无掩模 X 射线光刻技术，提供了一种颠覆性替代方案，通过粒子加速器产生高亮度 X 射线，实现直接图案化，显著提升通量并降低整体制造费用。这种方法的核心优势在于消除光掩模的物理限制，支持实时动态设计变更，特别适用于 AI 芯片等高复杂度应用场景。
Substrate 的技术原理基于 X 射线的高穿透性和短波长特性。X 射线的波长范围为 0.01nm 至 10nm，远短于 EUV 的 13.5nm，这使得分辨率可轻松达到 12nm 以下的临界尺寸。根据公司实验数据，在 300mm 晶圆上已实现 12nm 特征尺寸和 13nm 尖端间距，套刻精度达 1.6nm。这些指标与 ASML 的 High-NA EUV 设备相当，但无需多重曝光工艺，避免了传统方法中多次对准带来的良率损失和时间延误。证据显示，这种直写式图案化能将曝光步骤从 14 次减少至单次，理论上将芯片制造成本降低 90%。Substrate 团队利用 AI 驱动的仿真系统，优化了从光源生成到图案转移的全流程，加速了研发迭代。
工程实现中，光源是关键瓶颈。Substrate 采用紧凑型粒子加速器产生 X 射线，避免了 EUV 中激光等离子体源的复杂性。加速器需维持高稳定性，能量输出控制在数百 keV 级别，以确保 X 射线束的亮度超过 10^12 光子 /s/mm²。光学系统则使用定制的多层反射镜，涂层材料如钼 / 硅多层膜，优化反射率至 70% 以上。晶圆台必须具备亚纳米级精度，振动隔离系统采用主动反馈控制，阈值设定为 < 1nm RMS。光刻胶选择需耐高能 X 射线，推荐化学放大型聚合物，曝光剂量为 10-50mJ/cm²，显影后线宽均匀性 < 2%。
为实现高通量，系统设计强调并行处理。单机处理能力目标为每小时 50-100 片晶圆，结合多头曝光模块，可扩展至 200 片 /h。热管理至关重要，X 射线吸收会产生局部加热，冷却系统需循环氦气或水冷，温度波动 < 0.1°C。集成到现有 Fab 中，需调整前后端工艺：前道包括表面平坦化，后道聚焦于刻蚀兼容性。Substrate 的垂直整合策略建议内部开发刻蚀和沉积工具，确保工艺匹配。
可落地参数清单包括：1. 分辨率阈值：≤8nm for 2nm 节点；2. 通量指标：>80 wafers/h；3. 成本模型：设备单价 <5000 万美元，运行成本 < 1 万美元 / 片；4. 良率目标：>85% in pilot；5. 监控点：实时 X 射线强度监测、图案保真度扫描、振动谱分析。回滚策略若遇稳定性问题，可并行 EUV 线，渐进迁移。
风险方面，X 射线的高能量要求新型材料开发，光刻胶兼容性是首要挑战；此外，辐射安全需严格屏蔽，符合 OSHA 标准。生态构建是另一限制，需与 EDA 工具厂商合作调整设计规则。
总体而言，Substrate 的无掩模 X 射线光刻代表了半导体工程的新方向，通过简化工艺和成本优化，推动高通量制造革命。若成功，将重塑供应链，支持美国本土 AI 芯片生产。
资料来源：Substrate 官网及路透社报道（2025 年 10 月）。