低介電常數(shù)物質(zhì)

由于空氣有極低的介電常數(shù)（k=1），所以在一般的電介質(zhì)中加入空氣泡可以極大的降低介電常數(shù)。生產(chǎn)低介電常數(shù)物質(zhì)所用的方法即是用高分子聚合物(k~2.5)作為基底加入納米尺度的空氣泡，可以將k降低到2.0甚至以下。但是由于低介電常數(shù)物質(zhì)還需要經(jīng)受苛刻的工業(yè)加工過程，它的強(qiáng)度，韌性，耐熱性，耐酸性都要有嚴(yán)格的限制。

低介電常數(shù)聚合物材料的研究進(jìn)展，著重介紹了聚酰亞胺、聚苯并惡嗪、聚硅氧烷、聚酰胺等低介電常數(shù)聚合物的研究狀況 。

在信息科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，微電子產(chǎn)品的多功能化、高性能化及輕薄化的發(fā)展大大推動(dòng)了超高密度和超大規(guī)模集成電路關(guān)鍵技術(shù)及材料的發(fā)展。為了解決高密度集成所帶來的信號(hào)延遲和功率損耗等問題，新一代高性能低介電甚至超低介電材料的開發(fā)成為這一領(lǐng)域最重要的研究方向之一。聚酰亞胺作為重要的絕緣封裝材料，廣泛應(yīng)用于航天航空和微電子信息領(lǐng)域 。

在電子技術(shù)不斷發(fā)展，微電子工業(yè)一直以來仍舊基本保持著摩爾定律的正確性。為了提高集成電路的性能和速度，越來越多，越來越小的晶體管被集成到芯片中。隨著這種小型化的趨勢(shì)，芯片中不同層導(dǎo)線之間的距離也隨之減小。用作導(dǎo)線之間絕緣層的二氧化硅（SiO2）由于厚度的不斷縮小使得自身電容增大。這種電荷的積聚將干擾信號(hào)傳遞，降低電路的可靠性，并且限制了頻率的進(jìn)一步提高。為了解決這個(gè)問題，微電子工業(yè)將應(yīng)用低介電常數(shù)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅絕緣材料。

介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)（真空中）與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為相對(duì)介電常數(shù)（relative permittivity 或 dielectric constant），又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)與真空中絕對(duì)介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)為無窮大。

根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對(duì)介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；相對(duì)介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì)；相對(duì)介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

近十年來，半導(dǎo)體工業(yè)界對(duì)低介電常數(shù)材料的研究日益增多，材料的種類也五花八門。然而這些低介電常數(shù)材料能夠在集成電路生產(chǎn)工藝中應(yīng)用的速度卻遠(yuǎn)沒有人們想象的那么快。其主要原因是許多低介電常數(shù)材料并不能滿足集成電路工藝應(yīng)用的要求。圖2是不同時(shí)期半導(dǎo)體工業(yè)界預(yù)計(jì)低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應(yīng)用的前景預(yù)測(cè)。

早在1997年，人們就認(rèn)為在2003年，集成電路工藝中將使用的絕緣材料的介電常數(shù)（k值）將達(dá)到1.5。然而隨著時(shí)間的推移，這種樂觀的估計(jì)被不斷更新。到2003年，國際半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)劃（ITRS 2003[7]）給出低介電常數(shù)材料在集成電路未來幾年的應(yīng)用，其介電常數(shù)范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。

造成人們的預(yù)計(jì)與現(xiàn)實(shí)如此大差異的原因是，在集成電路工藝中，低介電常數(shù)材料必須滿足諸多條件，例如：足夠的機(jī)械強(qiáng)度（MECHANICAL strength）以支撐多層連線的架構(gòu)、高楊氏系數(shù)（Young's modulus）、高擊穿電壓（breakdown voltage＞4MV/cm）、低漏電（leakage current＜10^(-9) at 1MV/cm）、高熱穩(wěn)定性（thermal stability＞450oC）、良好的粘合強(qiáng)度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜應(yīng)力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低熱漲系數(shù)（coefficient of thermal expansion）以及與化學(xué)機(jī)械拋光工藝的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能夠滿足上述特性的低介電常數(shù)材料并不容易獲得。例如，薄膜的介電常數(shù)與熱傳導(dǎo)系數(shù)往往就呈反比關(guān)系。因此，低介電常數(shù)材料本身的特性就直接影響到工藝集成的難易度。

在超大規(guī)模集成電路制造商中，TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等許多公司為了開發(fā)90nm及其以下技術(shù)的研究，先后選用了應(yīng)用材料公司（Applied Materials）的 Black Diamond 作為低介電常數(shù)材料。該材料采用PE-CVD技術(shù)[8] ，與現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)工藝完全融合，并且引入BLOk薄膜作為低介電常數(shù)材料與金屬間的隔離層，很好的解決了上述提及的諸多問題，是已經(jīng)用于集成電路商業(yè)化生產(chǎn)為數(shù)不多的低介電常數(shù)材料之一。

“介電常數(shù)”在工具書中的解釋：

1. 又稱電容率或相對(duì)電容率，表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)能力。空氣和二硫化碳的ε值分別為1.0006和2.6左右，而水的ε值較大，10℃ 時(shí)為 83.83。

2. 介電常數(shù)是物質(zhì)相對(duì)于真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學(xué)中，介電常數(shù)是溶劑的一個(gè)重要性質(zhì)，它表征溶劑對(duì)溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑，有較大隔開離子的能力，同時(shí)也具有較強(qiáng)的溶劑化能力。介電常數(shù)用ε表示，一些常用溶劑的介電常數(shù)見下表：

“介電常數(shù)”在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中的解釋：

1. 介電常數(shù)是指物質(zhì)保持電荷的能力，損耗因數(shù)是指由于物質(zhì)的分散程度使能量損失的大小。理想的物質(zhì)的兩項(xiàng)參數(shù)值較小。

2. 其介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實(shí)數(shù)部分稱為介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱為損耗因子。通常用損耗角的正切值 tan θ（損耗因子與介電常數(shù)之比）來表示材料與微波的耦合能力。損耗正切值越大，材料與微波的耦合能力就越強(qiáng)。

3. 介電常數(shù)是指在同一電容器中用某一物質(zhì)為電介質(zhì)與該電容器在真空中的電容的比值。在高頻線路中信號(hào)傳播速度的公式如下：v＝k。

4. 為簡(jiǎn)單起見，后面將相對(duì)介電常數(shù)均稱為介電常數(shù)。反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度，與界面的波反射系數(shù)和透射波的衰減系數(shù)有關(guān)，主要取決于周圍介質(zhì)與反射體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。