低介电常数物质简介

在电子技术不断发展，微电子工业一直以来仍旧基本保持着摩尔定律的正确性。为了提高集成电路的性能和速度，越来越多，越来越小的晶体管被集成到芯片中。随着这种小型化的趋势，芯片中不同层导线之间的距离也随之减小。用作导线之间绝缘层的二氧化硅（SiO2）由于厚度的不断缩小使得自身电容增大。这种电荷的积聚将干扰信号传递，降低电路的可靠性，并且限制了频率的进一步提高。为了解决这个问题，微电子工业将应用低介电常数材料代替传统的二氧化硅绝缘材料。

由于空气有极低的介电常数（k=1），所以在一般的电介质中加入空气泡可以极大的降低介电常数。生产低介电常数物质所用的方法即是用高分子聚合物(k~2.5)作为基底加入纳米尺度的空气泡，可以将k降低到2.0甚至以下。但是由于低介电常数物质还需要经受苛刻的工业加工过程，它的强度，韧性，耐热性，耐酸性都要有严格的限制。

低介电常数聚合物材料的研究进展，着重介绍了聚酰亚胺、聚苯并恶嗪、聚硅氧烷、聚酰胺等低介电常数聚合物的研究状况 。

在信息科技产业领域，微电子产品的多功能化、高性能化及轻薄化的发展大大推动了超高密度和超大规模集成电路关键技术及材料的发展。为了解决高密度集成所带来的信号延迟和功率损耗等问题，新一代高性能低介电甚至超低介电材料的开发成为这一领域最重要的研究方向之一。聚酰亚胺作为重要的绝缘封装材料，广泛应用于航天航空和微电子信息领域 。

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为相对介电常数（relative permittivity 或 dielectric constant），又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中，电场强度会在电介质内有可观的下降。理想导体的相对介电常数为无穷大。

根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。

近十年来，半导体工业界对低介电常数材料的研究日益增多，材料的种类也五花八门。然而这些低介电常数材料能够在集成电路生产工艺中应用的速度却远没有人们想象的那么快。其主要原因是许多低介电常数材料并不能满足集成电路工艺应用的要求。图2是不同时期半导体工业界预计低介电常数材料在集成电路工艺中应用的前景预测。

早在1997年，人们就认为在2003年，集成电路工艺中将使用的绝缘材料的介电常数（k值）将达到1.5。然而随着时间的推移，这种乐观的估计被不断更新。到2003年，国际半导体技术规划（ITRS 2003[7]）给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用，其介电常数范围已经变成2.7~3.1。

造成人们的预计与现实如此大差异的原因是，在集成电路工艺中，低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度（MECHANICAL strength）以支撑多层连线的架构、高杨氏系数（Young's modulus）、高击穿电压（breakdown voltage＞4MV/cm）、低漏电（leakage current＜10^(-9) at 1MV/cm）、高热稳定性（thermal stability＞450oC）、良好的粘合强度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜应力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低热涨系数（coefficient of thermal expansion）以及与化学机械抛光工艺的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能够满足上述特性的低介电常数材料并不容易获得。例如，薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系。因此，低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度。

在超大规模集成电路制造商中，TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究，先后选用了应用材料公司（Applied Materials）的 Black Diamond 作为低介电常数材料。该材料采用PE-CVD技术[8] ，与现有集成电路生产工艺完全融合，并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔离层，很好的解决了上述提及的诸多问题，是已经用于集成电路商业化生产为数不多的低介电常数材料之一。

“介电常数”在工具书中的解释：

1. 又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。空气和二硫化碳的ε值分别为1.0006和2.6左右，而水的ε值较大，10℃ 时为 83.83。

2. 介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂，有较大隔开离子的能力，同时也具有较强的溶剂化能力。介电常数用ε表示，一些常用溶剂的介电常数见下表：

“介电常数”在学术文献中的解释：

1. 介电常数是指物质保持电荷的能力，损耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的大小。理想的物质的两项参数值较小。

2. 其介质常数具有复数形式，实数部分称为介电常数，虚数部分称为损耗因子。通常用损耗角的正切值 tan θ（损耗因子与介电常数之比）来表示材料与微波的耦合能力。损耗正切值越大，材料与微波的耦合能力就越强。

3. 介电常数是指在同一电容器中用某一物质为电介质与该电容器在真空中的电容的比值。在高频线路中信号传播速度的公式如下：v＝k。

4. 为简单起见，后面将相对介电常数均称为介电常数。反射脉冲信号的强度，与界面的波反射系数和透射波的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射体的电导率和介电常数。