半导体中钴元素对非金属的影响

半导体中钴元素对非金属的影响深远，以半导体为根基的第三次产业革命浪潮在人工智能和大数据的助力下不断引爆，但眼见摩尔定律濒临极限，新材料的革新势必再上一个阶梯。从 1997 年 IBM 以“铜”取代“铝”后，二十年后的今天，属于“钴”的时代在半导体产业正式登场，将挑起产业转折点的跨时代任务！

半导体产业在这几年有不少关键转折点出现，但多半是在晶体管架构、设备技术上，如 3D 立体式鳍式晶体管 FinFET 接棒 2D 平面晶体管架构、 3D NAND 架构取代传统的 2D NAND 技术，这种立体式架构的革新让半导体制程顺利走入 14/16 纳米等高端技术。

另外，荷兰企业 ASML 的 EUV 光刻机即将在 7 纳米工艺技术上实现量产，这些都在半导体行业中都具有跨越时代的意义，值得历史留名，也因为有这些转折点的产生，摩尔定律的生命因此延续。

短短数年，我们经历了 FinFET 、 EUV 光刻机的成功，而半导体产业的下一个转折点其实就在不远处，会是由新材料的革新接棒，“钴”时代即将登场，逐渐终结“钨”和“铜”的时代。

10 纳米和 7 纳米节点进入钴导线时代，设备龙头应材推动产业革命的到来

随着半导体制程朝 10 纳米以下发展，原本以“铜”作为导线材料开始暴露导电速率不足等缺点，让制程工艺技术在 10 纳米、 7 纳米节点上遇到瓶颈，因此半导体大厂和设备大厂纷纷投入新材料研发，突破半导体制程技术的限制。

美国公司应用材料（Applied Materials, Inc）是全球半导体设备龙头，每年投入的研发经费十分可观，也是最早投入以“钴”作为导线材料取代传统“铜”、“钨”的半导体技术大厂之一，现在，这样的产业革命已经即将要落实在商用化芯片，具有划时代的意义！

在 10 纳米、 7 纳米等先进工艺下以“钴”作为导线材料，可以达到导电性能更强、功耗更低，芯片达到体积更小的目标，应材解释，这就是推动“PPAC”（效能 performace、功耗 power、面积 area、成本 cost）不断往前，未来甚至往下做到 5 纳米、 3 纳米工艺节点。

应用材料解释，不像是晶体管的体积越小，效能会越高，在金属镀层的接点和导线上，反而是体积越小，效能越差，如果把导线比喻成吸管，吸管越小是越容易阻塞，因此，导线材料的选择上有三个关键参考点，分别是填满能力、抗阻力、可靠度。

在 30 纳米以上的工艺技术，“铝”在填满、可靠度两方面表现不佳，但“铜”则是十分称职，因此仍扮演很重要的材料。

然进入 20 纳米以下高端工艺后，无论是钨、铝、铜的表现其实都不理想，相较之下，“钴”在填满能力、抗阻力、可靠度三方面是异军突起，尤其在半导体 10 /7 纳米以下的高端技术，“钴”是新一代导线材料之王。

图丨钨铝铜钴的比较

应材分析，晶体管的关键临界尺寸（Critical Dimension）是在 15 纳米左右，意思是到了该尺寸时，钴与铜的性能参数比达到交叉点，而所谓晶体管的关键临界尺寸，与制程技术工艺节点之间的比例约是 2 比 1，意思是，当 15 纳米是使用铜材料的关键临界尺寸极限，放大到制程工艺节点上，瓶颈就是 7 纳米左右。

关于“钨”时代的登场，应材进一步表示，在芯片关键临界尺寸的微缩上，“钨”与“铜”两个金属材料在 10 纳米以下已经无法完成微缩任务，因为其电性在晶体管接点与局部中段金属导线制程上已逼近物理极限，“钨”与“铜”再也无法导入成为接口，这就成为 FinFET 无法发挥完全效能的一大瓶颈。

而“钴”这个金属刚好能消除这个瓶颈，但也需要在制程系统策略上进行变革，随着产业将结构微缩到极端尺寸，这些材料的表现会有所不同，而且必须在原子级上，有系统地进行工程，通常是在真空的条件下进行。

俗名叫“锌白”，是著名的白色颜料，用来制造白色油漆等。

钴与镍、铬、钼、钨的合金在高温下强度高、耐热性能好，用于喷气飞机和燃气轮机。钴60是应用广泛的放射源，用于辐射育种和防治虫害，食品辐照保鲜，测定厚度以及放射治疗等。

钴作为重要的战略金属，由于其具有优良的物理、化学和机械性能，是生产耐高温、耐腐蚀、高强度和强磁性等材料的重要原料，因此，在全球范围内应用十分广泛。纯钴的使用很少，但钴是合金与特殊钢的主要添加元素。例如，固体磁性材料便是由稀土元素(主要是钐和铒)与钴结合而成，是一种具有强磁场的永久磁铁。同样，热强合金、超硬质耐蚀合金中也加入有钴。在许多情况下，钴通常用于电镀，因为钴镀层较之铬、镍镀层的耐弱酸性要稳定的多。钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。含一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度，如今这种硬质合金已成为含金切削工具和铝间用的最重要材料。在这种材料中，钴将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，并减少对冲击的敏感性能，这种合金熔焊在零件表面，可使零件的寿命提高3-7倍。航空航天技术中应用最广泛的合金是镍基合金，也可以使用钴基合金，但两种合金的“强度机制”不同。含钛和铝的镍基合金强度高是因为形成组成为NiAl(Ti)的相强化剂，当运行温度高时，相强化剂颗粒就转入固溶体，这时合金很快失去强度。钴基合金的耐热性是因为形成了难熔的碳化物，这些碳化物不易转为固体溶体，扩散活动性小，在温度在1038℃以上时，钴基合金的优越性就显示无遗。这对于制造高效率的高温发动机，钴基合金就恰到好处。 在航空涡轮机的结构材料使用含20%-27%铬的钴基合金，可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。核反应堆供热汞作使热介质的涡轮发电机可以不检修而连续运转一年以上。据报道美国试验用的发电机的锅炉就是用钴合金制造的。钴是磁化一次就能保持磁性的少数金属之一。在热作用下，失去磁性的温度叫居里点，铁的居里点为769℃，镍为358℃，钴可达1150℃。含有60%钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍。在振动下，一般磁性钢失去差不多1/3的磁性，而钴钢仅失去2%～3.5%的磁性。因而钴在磁性材料上的优势就很明显。 氧化钴主要用于生产硬质合金及陶搪瓷颜釉料等；硫酸钴主要用于陶瓷、颜釉料、油漆催干剂和电镀等行业。氯化钴主要用于制造气压计、比重计和用于陶瓷业。萘酸钴主要用于油漆及油墨的催干剂、着色剂、橡胶增粘剂及玻璃钢行业。异辛酸钴主要用于油漆、玻璃钢及橡胶子午轮胎等方面。钴的最大应用领域是二次电池。钴在电池领域应用有较大增长。主要是锂离子电池发展的结果。在当今世界信息与通信产业、以及环保和节能领域中，锂离子电池是最新一代的电池，它的比能量、充放电寿命均高于Ni／MH电池。锂二次电池的研究开发竞争十分激烈，世界发达国家都把合成电化学性能优越与安全性能良好的锂离子二次电池用正极材料作为研究开发的重点。开发的正极材料有钴酸锂或氧化锂镍钴或氧化锂钴锰。氧化亚钴应用于镍氢电池。由于钴的优良性质，在制造耐高温、耐腐蚀合金方面很难被其他金属代替，因此钴在超级合金领域用途仍然很坚挺，目前超级合金是钴的第二大应用领域。钴在高温下、低温下与许多金属有良好的湿润性，因而钴粉被广泛的用做黏结剂，几乎成为金刚石工具、硬质合金不可替代的胎体黏结剂。中国硬质合金产量居世界第一，金刚石工具的产量也居世界前列。钴基合金粉末广泛用于热喷涂，用于内燃机排气阀密封面、阀座，舰艇用大型轴承内、外环，大型水轮机转子叶片，榨油机推进器等的喷焊或喷涂。用于各种螺旋推进器部件、密练机部件、泵叶等的喷焊或喷涂。磁性材料是重要的功能材料，在电子工业和其他高科技领域起着非常重要的作用。钴在磁性材料领域应用分布如下：70%用于Alnico 永磁合金，20%用于Smco合金，10%用于其他稀土永磁材料。钴催化剂主要用于聚酯化纤材料的生产上。钛酸钴是主要的原油脱硫催化剂。Co-Mo-N 和Ni-Mo-N合金是合成氨催化剂。磺化酞菁钴、聚酞菁钴都是脱除累质油中硫醇硫的高效催化剂。氧化钴可替代铂铑作为生产硝酸的催化剂，可大幅度降低催化剂费用。环烷酸钴和异辛酸钴用作催干剂，比其它同类产品催干速度快，广泛应用于油漆、油墨行业中，也用作不饱和树脂的优良促进剂。固体环烷酸钴、硬脂酸钴、硼酰化钴和新癸酸钴广泛应用于钢丝子午胎、输送带和钢丝编织胶管中，不仅粘合强度高，而且具有耐热、耐温和化学缓蚀的特征。高纯钴靶材用于半导体物理气相沉积过程。据国内有关报道讲，钴在蓄电池行业、金刚石工具行业和催化剂行业的应用还将进一步扩大，从而对金属钴的需求呈上升趋势。

---