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,第1张

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。

半导体材料是由一系列元素组成的,其中包括碳(C)、氮(N)、氧(O)、硅(Si)、磷(P)、硫(S)、砷(As)、硒(Se)、锗(Ge)、锡(Sn)、铜(Cu)、铋(Bi)、铝(Al)、钼(Mo)、钨(W)、铍(Be)、钒(V)、钴(Co)、钛(Ti)、钙(Ca)、锆(Zr)、铌(Nb)、镁(Mg)、铬(Cr)、钼(Mn)、钽(Ta)、铷(Rb)、锶(Sr)、钇(Y)、铯(Cs)、钆(Gd)、锆(Zn)、铪(Hf)、钼(Hg)、铊(Tl)、铯(Pb)、铋(Bi)、锇(Os)、钌(Ir)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Yb)、铂(Pt)、钯(Au)、铑(Hg)、钐(Tm)、钆(Gd)、铕(Er)、钆(Tb)、铽(Dy)、镝(Ho)、钬(Lu)、锝(Tm)、钆(Yb)、锆(Lu)、钋(Th)、钍(U)、钚(Np)、铀(Pu)、钐(Am)、钫(Cm)、镭(Lr)等。

2019年,在风云浙商颁奖晚会的现场上,随着主持人有请2019年度风云浙商领奖人的声音落下,颁奖台上的帷幕缓缓拉开。

华友钴业的董事长陈雪华 出现在了颁奖台上,他迈着稳健的大步走到前台,接下了由浙江省副省长亲自为其颁发奖杯。

主持人用极为精简的致辞概括了陈雪华艰辛的创业旅程:“出身草根,从卖豆芽的小贩,到远赴非洲闯荡的钴业大王,他无中生有,九死一生。”

2022年, 陈雪华以170亿财富 位列《2022家大业大酒·胡润全球富豪榜》第1347名。

钴究竟有着什么神奇之处,能让穷小子出身的陈雪华挣下170亿的身家?

钴其实是一种用途十分广泛的金属 ,尤其是制造锂电池的不可缺少的重要原材料。随着近几年新能源 汽车 行业的爆发,华友钴业的市值和营收额也在猛涨。

据华友钴业在2022年4月最新发布的2021年度报告,报告期内公司实现营业收入350亿元,同比上年增长百分之六十六。

同时可以说,作为国内外的钴业龙头企业的华友钴业对我国的新能源的发展同样做出了不可忽视的贡献。

当初那个一无所有的豆芽小贩陈雪华,到现如今千亿资产的华友钴业董事长,钴产业的领军人, 他究竟有着怎样的经历?

位于我国东部,长江下游的江浙两省,自古以来就是一个富庶之地,不过这好像跟年幼的陈雪华没有任何关系。

1961年, 陈雪华出生在浙江嘉兴的一个贫困农村家庭里。

上学时,每当下课铃声响起,老师走出教室,陈雪华就会拿起他的镰刀和草篮 第一个冲出教室。

在教室外头朝地,背朝天忙碌的陈雪华并没有因为不合群而受到大家的嘲笑,在当时的农村,帮家里干活,是每个孩子都要做的事情。

只是因为家庭贫困,陈雪华要比一般的孩子承担更多的家庭劳务。

由于赶时间,锋利的镰刀没少在他的手上留下伤口, 上课铃声一响,陈雪华又要满头大汗地跑进教室。

陈雪华曾自述过这段经历:“上学时,背一个书包,挎一个草篮,每次课间十分钟我都要去割草, 等上午书读好了,一篮草叶也就割好了。”

仅能维持温饱的家庭没有那么多钱供他上学,初中毕业后的陈雪华就放弃了学业,这也成了他人生中的一大遗憾。

后来有机会了,陈雪华就自考了大专学历,算是圆了他的上学梦。

初中毕业之后的陈雪华,开始搞养殖,他的老家桐乡盛产羊毛衫,可陈雪华没有那么多钱养羊, 于是他就养一些成本便宜的小型家禽。

陈雪华养过鸡鸭,养过长毛兔,甚至养过水貂,不过这都没让他挣到多少钱。

16岁的那年,陈雪华路过街边的一处小摊,小摊上那一堆白白嫩嫩的东西很快吸引住了他的目光。

“这不就是豆芽吗?” 陈雪华有些纳闷,可就是简简单单的豆芽,来往在小摊前的顾客却络绎不绝。

看到卖豆芽可以挣到钱,陈雪华一下子就心动了。

豆芽的栽培技术其实很简单,陈雪华找到卖豆芽的人请教怎么培育豆芽,那人三言两语就将豆子如何长成豆芽的方法说得一清二楚。

可这豆芽的栽培技术容易学,做起来可就不容易了,需要花费大量的时间和精力。

培育豆芽的水温要时刻保持在20度左右,不仅如此豆芽 每隔4到5个小时就需要浇一次水 ,不论白天还是黑夜。

自从培育起豆芽,陈雪华几乎就没睡到一个囫囵觉,每天晚上都要卡着点起来给豆芽浇水。

这一浇就是10年,这在10年期间,1981年的时候, 19岁的陈雪华被安排去村办厂永丰化工厂上班。

有了正式的工人工作,陈雪华也没放弃他辛苦摸索出来的挣钱门路,他白天上班,晚上培育豆芽。

为了不耽误白天的工作, 往往是天还没亮,陈雪华就要跑到镇上卖豆芽。

聪明的陈雪华很快掌握了培育豆芽的门道,他培育的豆芽又矮又胖也很白,在当时卖豆芽的人中,他的豆芽是最好的。

只要他在摆摊,别人家的豆芽就不好卖, 只有他第一个卖完走了,其他的小摊贩才有生意。

卖了10年豆芽的陈雪华甚至靠着这小小的豆芽卖出了口碑,附近的人一提起豆芽就会想到陈雪华这个名字。

豆芽好,卖得快,不仅让陈雪华挣到了钱,还获得了充足的成就感,这也让他明白了一个道理,他说:“要么不做,要么就做最好的。”

可以说,卖豆芽的经历养成了他要强的性格,也是他成为钴业大王的主要原因。

在化工厂的13年里,卖豆芽不仅没有耽误陈雪华的工作,陈雪华反而从化验员,采购员,销售员等职位 一步步干到了经营副厂长。

从生产到供销,从市场到技术,陈雪华全干了一遍,也全都学了个遍,为他以后自己创业打下了牢固的基础。

虽然卖豆芽挣得钱是他工资的几十倍,但陈雪华从来没有想过辞职,倒不是因为工人的工作是铁饭碗,而是当时的陈雪华就有着极为长远的目光。

他觉得自己不能一辈子卖豆芽 ,贫困的童年使他长大后想要挣更多的钱。

1993年,改革开放的背景下,原来的公营工厂不在占据优势,大 批工厂开始倒闭,陈雪华所在的永丰化工厂也不例外。

那一年的陈雪华成了下岗工人,不过陈雪华没有失落沮丧,反而变得斗志昂扬,他看到他的机会来了。

1994年,陈雪华凭借之前卖豆芽攒下和从亲朋好友那里借来的钱, 创办了桐乡华兴化工实业有限公司 ,正式踏上了创业之路。

文凭不高的陈雪华没有别的技术,创业初期只能继续走永丰化工厂的老路子,生产氧化镍,氧化镍的用途也很广泛,可以用作镍氢电池和半导体薄膜。

用途广泛,也就不怕没人买 ,陈雪华和他的合伙人是在那个只有几间平房改造成的厂房内,一起靠着几口简陋的铁锅生产氧化镍。

6年的艰苦创业,陈雪华带领合伙人将氧化镍做到了全国第一,这个当初把豆芽卖到远近闻名的穷小子,再一次用氧化镍让全国知道了他的名字, 甚至将产品卖到了美国。

1999年,公司打开了氧化镍的海外销路,每个月,在远赴美国的邮轮中,总会有一个货柜里装的是陈雪华的产品。

陈雪华因此挣到了比卖豆芽更多的钱,但是到了2000年,陈雪华发现技术更新迭代下,一匹突然冲出的黑马, 锂电池正在取代镍氢电池。

索尼和戴尔等国际上生产电子设备的厂商,都开始了锂电池商用试用。

信息时代来临,大规模集成电路技术的创新,使得电子设备体积大幅度缩小,在移动电子设备的支持上,相比于镍氢电池,更轻便、使用寿命更长的锂电池拥有更丰富的应用空间。

未来的市场必然是锂电池的天下,继续生产镍,只会固步自封,早晚会被市场淘汰。意识到这一点后,陈雪华决定主动出击, 生产锂电池的重要原料,钴。

在原来生产的镍的时候,钴常常作为伴生品出现,那时的陈雪华还没有意识到钴的潜力。

但是凭借着多年的生产经验和对镍、钴的多年研究,他开始尝试在公司内部开启一条新的钴金属生产线。

每个月的产量可以达到5吨,年产量超过60吨。

后来的事情验证了陈雪华的判断,随着锂离子电池材料需求急剧增加,钴产品订单纷至沓来,供不应求。

到了2002年,最初建立的生产线的产能已经无法满足订单上对于钴的需求, 陈雪华建立了第二条钴的生产线 ,在他的家乡桐乡开发区办起了华友钴镍材料有限公司,这正是华友钴业的前身。

然而,中国却是一个贫钴国,全世界的钴资源占有量中, 中国仅仅占据了百分之一点六,自给量百分之五都不到 ,这就意味着钴材料绝大部分依赖进口。

当时的陈雪华还只做中间的冶炼那一段,为了增强市场竞争力,他决心要做一条产业链,出国去寻找自己钴原料供应,不再受海外供货商的挟制。

非洲的钴储量占全球的百分之五十,钴产量占据全球的百分之六十八 ,陈雪华看上了非洲这座还没开发完全的宝库。

陈雪华说:“我从2003年开始思考,华友既然选定了钴作为核心产业,公司又处在一个缺乏钴的国家,如果原料问题不能得到根本性解决,终有一天要无米下锅。”

“在这一背景下,2003年6月我第一次到非洲。虽然以当时公司的资金状况还没有达到在那里投资的条件,但我一直有个想法, 哪天我们自己买座矿山开采就好了 。”

由于陈雪华想法过于激进冒险,去非洲投资面临的不仅是商业风险,非洲国家不稳定的政权随时可能发生战争和内乱。

所以公司的大多数人都不支持他,当时的华友, 年营业额虽然已经超过1亿 ,但要真的要在非洲投资,人力物力和财力也是一笔不小的花费。

不过陈雪华十分坚定自己的想法,如果有了自给自足的原材料供应,那能挣到的利润更多。

2003年的6月份, 陈雪华毅然决然地踏上了去往非洲的飞机。

那时的非洲局势比现在还要混乱,说他是冒着生命危险前往非洲并不为过,泛滥的q支和流行病随时都可能夺去一个人的生命。

而且刚刚踏上非洲大地的陈雪华根本不知道哪里是钴原料的产地,几经打听和波折之下, 他才来到了刚果金 ,这个非洲最大的钴原料出口国。

初来乍到的陈雪华没有人脉,翻译都是借来的。万事开头难,在这人生地不熟的异国他乡想要做起生意,其中的困难更是数不胜数。

用陈雪华的话说是:“跟在月球上办企业差不多。 最困难的是生活必需品,吃喝用穿全部依赖进口 。我开玩笑说,以前革命青年为理想,都要奔赴延安;华友的骨干,就要去非洲闯闯。”

经过一重重困境后,他终于克服了语言不通、燥热的环境和要满足基本的生存物资供应等困难。

不久之后,陈雪华掌握了当地矿产资源的分布情况以及如何获得这些矿山的开采权。

陈雪华选择长期驻守非洲,并通过设立进出口公司、贸易公司、物流公司等多个步骤, 逐步建立起外围贸易的平台。

2006年,谋划了几年之久的陈雪华正式在非洲大地上展开了他的商业宏图,不仅要实施原来的计划, 做钴原料的开采和加工,同时也要生产铜销售。

一次投资就多达数百万美元,狠狠心拿出这些钱的陈雪华坚信“要么不做,要么就做最好。”

2006年,华友钴业的铜钴冶炼厂在刚果金正式建成,工厂建设完成后,对于原材料的获取很快提上了日程。

2008年,陈雪华花费3亿人民币的巨资 ,大量收购刚果金MIKAS公司等矿山公司的控股权.

获得了刚果金矿山资源开采的决定权,就意味着华友的冶炼厂获得了稳定且低成本的钴矿原料。

也正是在2008年, 华友钴镍以2007年12月6日净资产4.48亿元为基础折股 ,整体变更为浙江华友钴业股份有限公司。

就在形势一片向好之时,陈雪华迎来了他创业以来最大的一次危机,2008年的金融危机席卷全球,当时在刚果金的矿业公司纷纷撤出刚果金。

这也使得华友在当年的业绩直线下降,未能实现业绩目标就需要对融资阶段的投资人进行赔偿。

陈雪华不得不无偿转让华友的部分股权给投资人 ,这才使得华友成功渡过了这一危机。

2011年,伴随着国内智能手机产业的爆发和新能源 汽车 的初步试点,锂电池迎来了春天,华友钴业此前多年的布局也迎来了春天。

而这时已经搞定非洲矿产的陈雪华又带领团队回到国内, 于2012年衢州建设了新材料制造基地 ,包括钴产品金属量1万吨,电积铜1万吨的产能。

2015年,华友正式进军新能源项目,开始专攻锂电池原材料制造。进军新能源项目的同一年,华友钴业正式登陆上交所, 开启了自己的“钴王”之路。

据华友钴业2015年年报, 当时钴、铜两项产品的营业收入分别为22亿元、11亿元 ,占营业收入的百分之八十多。

相比当时的另一家上市公司格林美钴产品营收的3.75亿元,陈雪华和他带领下的华友钴业由此被冠以“钴业大王”之名。

华友钴业上市之后于2016年 募资18亿收购了刚果金PE527铜钴矿权区 ,进一步扩张矿产版图。

之后,伴随着“白名单”出炉,三元锂电池迎来宝贵的黄金发展期,华友钴业的钴产品占比更是在2017年达成收入翻倍,净利润27倍的增长。

纵观非洲的近现代史,自西方国家开始贩卖黑奴开始,直至现在,他们都没有放弃对于非洲的盘剥,但作为一个中国人, 陈雪华却真正的把当地人当成了朋友。

陈雪华自述他第一次去非洲的经历可谓是触目惊心,非洲的贫困甚至比我们的战乱年代还要穷,很多人的家就是那种茅草搭的棚子。

因此华友在刚果开采矿山, 自己挣钱的同时,也在尽力扶持着当地人 ,这种扶持不仅是在经济上的扶持,还有医疗,教育等诸多方面的扶持。

华友为当地人修路,拉电线,还给他们打井,解决了饮用水不 健康 的问题,给当地的儿童建造了社区学校,开小诊所为当地人治疗一些小的疾病。

华友钴业刚果金公司在刚果金的员工有3000多人,为当地人提供了大量的就业岗位, 成为中国企业在一带一路投资合作的典范。

当地人一提到华友在刚果金的公司,都是竖起大拇指。

陈雪华深知授人以鱼不如授人以渔的道理,华友在当地建立农场,目的不是生产多少粮食, 而是教给当地人农业种植技术 ,造福一方,这一项目还被联合国列为对非援助项目。

陈雪华说非洲给华友带来了一个可持续的发展,华友也会给非洲现代的知识和技术,会对当地做出应有的贡献。

华友和刚果金的合作是双赢的,华友对于当地的回报赢得了当地人的感激和尊重,也为华友在非洲能够继续发展下去打下了一个很好的基石。

陈雪华用行动证明,无论是商人还是企业家, 唯利是图得不到长远的发展,互惠互利才能双赢。

1、陈雪华:来自桐乡的非洲“淘金者”[N]. 嘉兴日报.2008.001523.

2、风云浙商《陈雪华:要么不做,要做就要做到最好》

3、桐乡发布《华友钴业掌舵人陈雪华:一腔雄心力争世界第一》

4、浙江国际工程《小金属 大情怀——记华友钴业董事长陈雪华》


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