低介电常数材料论文

编号毕业设计（论文）题目ZnO对低硅高硼低介电常数玻璃结构和失透行为的影响二级学院材料科学与工程专业材料科学与工程班级 110090303学生姓名豆兴春学号 11009030305指导教师田中青职称教授时间 2014年6月目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第一章前言 (1)1.1玻璃纤维和低介电玻纤 (1)1.2 低介电常数 (1)1.3 玻璃失透 (3)1.4 玻璃析晶 (3)1.5 玻璃分相 (4)1.6 本文研究内容及意义 (5)第二章实验过程及方法 (7)2.1 实验材料及设备 (7)2.2 实验过程及方法 (7)2.2.1 原料制备 (7)2.2.2 玻璃的熔制 (8)2.2.3 退火 (8)2.2.4 红外光谱 (8)2.2.5 示差扫描量热法 (9)2.2.6 热处理 (10)2.2.7 玻璃密度的测定 (10)2.2.8 X射线衍射 (11)2.2.9 扫描电镜 (11)第三章实验结果与分析 (13)3.1 红外光谱分析 (13)3.2示差热分析 (14)3.3 热处理分析 (15)3.4 玻璃密度分析 (16)3.5 X射线衍射分析 (17)3.6 扫描电镜分析 (20)第四章结论 (21)致谢 (22)参考文献 (23)文献综述 (25)摘要低介电玻璃是一种特殊玻璃，具有密度低、介电常数低、介质损耗低、介电性能受温度等特点，其产品可应用于国防领域和高精尖端民用领域。

ZnO对低介电玻璃的结构和失透行为都有一定的影响。

因此，本文通过改变ZnO的含量熔制出不同的玻璃。

采用XRD、IR、SEM等方法研究玻璃的结构，析晶以及分相程度。

主要的研究结果如下：（1）随着ZnO的增加，非桥氧振动增强，导致玻璃分相。

（2）在同一温度下，随着ZnO含量的增加，玻璃越来越容易失透。

（3）随着ZnO含量的增加，玻璃的密度逐渐越大。

（4）当ZnO含量为9%时，析出的物相为Al5(BO3)O6；当ZnO含量为12%时，析出的物相为Al2ZnO4。

收稿:2004年10月,收修改稿:2005年4月　3武器装备预研项目(41312040307)33通讯联系人　e 2mail :wangjuan @低介电常数介质薄膜的研究进展3王　娟33　张长瑞　冯　坚(国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室　长沙410073)摘　要　用低介电常数介质薄膜作金属线间和层间介质可以降低超大规模集成电路(U LSI )的互连延迟、串扰和能耗。

从介质极化的原理出发,揭示了开发低介电常数介质薄膜的可能途径;综述了低介电常数介质薄膜的制备方法、结构与性能表征、工艺兼容性等领域的最新进展。

关键词　低介电常数介质薄膜　多孔薄膜　SS Q 基介质　纳米多孔SiO 2薄膜　含氟氧化硅(SiOF )薄膜　含碳氧化硅(SiOCH )薄膜　有机聚合物介质中图分类号:O64;T B43;O48418　文献标识码:A 文章编号:10052281X (2005)0621001211The Development of Low Dielectric Constant FilmsWang Juan33　Zhang Changrui Feng Jian(K ey Laboratory of Advanced Ceramic Fibers &C om posites ,C ollege of Aerospace and Material Engineering ,National University of Defense T echnology ,Changsha 410073,China )Abstract Low dielectric constant (low k )films used as intermetal or interlevel dielectrics can minimize interconnect resistance Πcapacitance (RC )delay ,power consum ption and cross talk of U LSI.The possible ways to lower the k values of dielectric films are revealed based on analysis of m olecule polarization.The synthesis ,structure ,properties and process interaction of low k dielectrics are reviewed.Characterization techniques for low k dielectric films are summarized.K ey w ords low dielectric constant films ;porous films ;silsesquioxane (SS Q )based dielectrics ;nanoporous silica films ;fluorine doped silica film (SiOF );carbon doped silica film (SiOCH );organic polymer dielectrics 随着超大规模集成电路(U LSI )的发展,器件特征尺寸不断缩小,电路的互连延迟逐渐增大[1,2],成为制约集成电路速度进一步提高的瓶颈。

低介电常数微波介质陶瓷研究进展摘要：当前，电子元件正在向小型化、片式化、集成化方向发展，使得低温共烧陶瓷(Low-temperaturecofiredceramic，LTCC)技术越来越引起人们的关注。

目前，新一代基于LTCC技术的电子元件已经成为当前主流的电子元件，而该技术要求微波介质陶瓷能够与高电导率的银、铜等电极材料实现低温共烧。

然而，大多数性能优异的微波介质陶瓷的烧结温度都比较高，难以达到与金属电极低温共烧的要求。

为了降低其烧结温度，通常在基体中加入一定量低熔点的烧结助剂，但过多的烧结助剂往往会引起材料介电性能劣化。

因此，探索新型固有烧结温度低的微波介质陶瓷仍将是研究微波介质陶瓷材料领域的一个热点方向。

高频化是微波元器件发展的必然趋势，随着通讯设备工作频率向毫米波段拓展，信号延迟问题会变得更加突出，因此，对作为通讯设备关键材料的微波介质陶瓷性能参数提出了更高的要求。

与中、高介电常数材料相比，低介电常数材料能够降低基板与金属电极间的交互耦合损耗，缩短芯片间信号传播的延迟时间。

关键词：低介电常数；微波介质；陶瓷研究1钨酸盐体系目前对钨酸盐低介电常数微波介质陶瓷的研究主要集中在AWO4(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba、Cd)体系上，其晶体结构与A2+的半径有关。

当A2+的半径较大时(如Ca、Ba、Sr)，易形成四方相白钨矿结构，空间点群为I41/a;当A2+的半径较小时(如Mg、Zn、Mn、Cd)，则会形成单斜相黑钨矿结构，空间点群为P2/c。

1988年，Nishigaki等［8］研究WO3对BaO-4TiO2陶瓷微波介电性能影响时，发现掺杂少量WO3显著提高了陶瓷的品质因数，这是因为形成了BaWO4第二相。

随后，他们以Ba-CO3和WO3粉末为原料于1200℃制备出BaWO4单相陶瓷，并首次报道其微波介电性能:εr=8.2，Q×f=18000GHz，τf=－33×10－6/℃。

低K材料在半导体集成电路中的应用与展望在超大规模集成电路工艺中,有着极好热稳定性、抗湿性的二氧化硅一直是金属互连线路间使用的主要绝缘材料,金属铝则是芯片中电路互连导线的主要材料。

然而,相对于元件的微型化及集成度的增加,电路中导体连线数目不断的增多,使得导体连线架构中的电阻（R）及电容（C）所产生的寄生效应,造成了严重的传输延迟（RC delay）,在130纳米及更先进的技术中成为电路中讯号传输速度受限的主要因素。

因此,在降低导线电阻方面,由于金属铜具有高熔点、低电阻系数及高抗电子迁移的能力,已被广泛地应用于连线架构中来取代金属铝作为导体连线的材料。

另一方面,在降低寄生电容方面,由于工艺上和导线电阻的限制,使得我们无法考虑籍有几何上的改变来降低寄生电容值。

因此,具有低介电常数（low k）的材料便被不断地发展。

在将低介电常数材料应用于集成电路的整合工艺时,对于低介电常数材料特性的要求,除了要具备有低的介电常数之外,还需具有良好的物理,材料及电特性。

通常有两种主要的方法被使用来降低材料的介电常数,第一种方法是设法降低材料本身的极性（polarization）,包括降低材料中的电子极化、离子极化以及分子极化。

另外一种则是在介电材料内制造空隙(Porosity) 。

工艺上,低介电常数材料的制造分为化学气相沉积法与旋涂式两大主流,即CVD与SOD法。

但SOD方法在45纳米工艺技术之前不会被业界用于批量生产。

业界已成功研发出沉积多种低介电常数薄膜的技术能力,包括氟硅玻璃（FSG）、碳掺杂的氧化硅（如：Black Diamond）、以及氮掺杂的碳化硅（如：BLOK ）。

Black Diamond膜 是一种以氧化硅为基础的化学气相沉积薄膜,有效介电常数小于3.0。

而BLOK则是一种低介电常数的铜金属阻挡层与蚀刻终止层,在双镶嵌工艺应用中可作为氮化硅低介电常数的替代材料。

在与氟硅玻璃及Black Diamond薄膜完成双镶嵌工艺整合后,相较于氧化硅/氮化硅材料而言,电容值可降低达25%至35%。

05018功 燧 讨 科 2021年第5期(52)卷文章编号：1001-9731 (2021 )05-05018-07低介电常数改性聚酰亚胺材料的研究进展*黄兴文朋小康刘荣涛廖松义12，刘屹东12，闵永刚12（1.广东工业大学材料与能源学院，广州510006； 2.东莞华南设计创新院，广东东莞523808）摘 要： 聚酰亚胺（PI ）广泛应用于电子集成电路的绝缘材料领域。

随着电子通信行业的不断更新换代，信号传输频率逐渐往高频发展（例如5G 通讯），为了满足信号传输速度快、介电损耗低的要求，需要不断地降低印刷线路板（PCB ）绝缘材料的介电常数。

常规聚酰亚胺介电常数偏高，不适合直接用于PCB 的绝缘材料，为满足未来5G 高频通信要求，必须对其进行改性，因此本文综述了低介电常数聚酰亚胺改性的研究进展，并对其进行了展望。

关键词：改性聚酰亚胺；高频通信；低介电常数；低介电损耗；5G 通讯中图分类号：TM215.3 文献标识码:A DOI ：10.3969/j.issn.1001-9731.2021.05.0040引言聚酰亚胺是指一类含有酰亚胺环的聚合物⑴,由 二酐和二胺经过逐步聚合反应、亚胺化而成，其分子通 式如图1所示。

美国杜邦公司首次商业化聚酰亚胺,商品名为Kpton,到现在聚酰亚胺已经衍生了很多的产品，如联苯型聚酰亚胺⑵和硫醚型聚酰亚胺［］等等。

聚酰亚胺由于具有耐高温、耐电晕、耐辐射性、高强度、高绝缘、低吸湿率、低介电常数和低介电损耗等优异的 综合性能,作为特种高分子材料被广泛应用于印刷线路板的绝缘领域。

图1聚酰亚胺分子通式Fig 1 General polyimide molecular formula对于高频天线用的印刷线路板，其信号传输速度 与材料的介电常数成反比关系，可用以下公式来描述⑷：“ C 0其中V 为传输速率，C 。

为真空光速为材料介电常 数，从式可以看出相对介电常数越小，信号传输速度越快；而另一方面介电损耗则与介电常数成正比关系［5］,介电常数越大，损耗也越大。

不同条件下低介电常数材料机械性研究【摘要】目前最新的组件结构均采用低介电常数材料及铜导线技术来降低多层金属联机中时间延迟效应。

低介电常数材料多为组织松散，机械强度不理想，故低介电常数材料是多层金属导线，外力将易于跨越材料之降伏强度，势必导致断线之危机，进而破坏组件的运作。

针对低介电常数材料的机械性质，首先探讨低介电常数材料本身的机械性质；其次探讨低介电常数材料和相邻材料的附着性质。

【关键词】电常数材料；铜导线；多层金属导线1.简介在先进的集成电路多层金属导线设计准则中，0.18世代之最小金属间距已小于0.25微米；为了降低集成电路组件操作时的时间延迟及功率消耗，金属间的隔绝材料使用低介电常数材料乃是必要的。

另一方面，芯片封装技术亦伴随着集成电路多层金属导线尺寸的快速缩小，而面临相同的困境。

由于低介电常数材料使用的必然性及可预期的广大市场需求，过去几年来，全世界半导体材料供货商及研发中心均致力于发展质量合乎新世代集成电路要求的低介电常数材料。

大约有100种左右不同的低介电常数材料，以化学气相沉积、旋涂式沉积或其他方式制备而成，然而经由电性质、热性质及机械性质鉴定后，仅有少数低介电常数材料符合基本物理及化学性质要求；对于制程整合的考虑更进一步淘汰了一些物性及化性稳定的低介电常数材料。

所以目前建议可能使用的低介电常数材料，大致上仅剩（I）有机硅酸盐类和（II）有机高分子相关材料两大类。

尽管如此，这两大类低介电常数材料并非完美，基本结构的改进仍有许多空间需努力。

针对低介电常数材料的机械性质。

低介电常数材料的机械性质包含两个主要部分；第一部分为材料本身的机械性质，硬度及薄膜应力为两个重要指标。

一般而言，为了达到低介电性质，低介电常数材料多为组织松散的多孔性材质，弹性模数只有传统二氧化硅（72 GPa）的1/10到1/5倍，热膨胀系数则比传统二氧化硅大4到10倍；低介电常数薄膜应力通常为相对值不大的张应力，此特性亦有别于传统二氧化硅。

低介电常数的溶剂概述低介电常数的溶剂是在化学领域中常用的一类溶剂，它们具有较低的介电常数，能够提供良好的电绝缘性和介电隔离性。

这些特性使得低介电常数溶剂在许多应用中都扮演着重要的角色。

本文将从以下几个方面来探讨低介电常数溶剂的特点、应用以及相关研究进展。

特点低介电常数溶剂具有以下几个主要特点：1.低介电常数：介电常数是描述溶剂介电特性的物理量，低介电常数溶剂通常具有介电常数小于10的特点，这意味着它们在电场作用下产生的电磁耦合较弱，能够提供较好的电绝缘性。

2.热稳定性：低介电常数溶剂一般具有较高的热稳定性，能够在高温环境下保持物理和化学稳定性，适用于高温工艺和反应条件。

3.低粘度：低介电常数溶剂的粘度相对较低，具有较好的润湿性和流动性，有助于提高反应速率和扩散效果。

4.化学惰性：由于低介电常数溶剂的分子结构通常较简单，它们往往具有较好的化学惰性，能够与多种物质进行反应而不发生副反应。

应用低介电常数溶剂在许多领域中被广泛应用，包括但不限于：电子工业低介电常数溶剂是电子元件制造过程中的重要材料，它们用于制备绝缘层材料、介电层和电阻层。

这些溶剂能够提供良好的电绝缘性和隔离性，保护电子元件免受电场干扰和能量损耗，提高元件的性能和可靠性。

光学材料在光学器件的制备中，低介电常数溶剂被用作光学涂料和光学聚合物的溶剂。

它们能够提供较低的折射率和散射率，改善光学元件的透明度和光学性能。

此外，它们还能够提供良好的光学平整度和表面润湿性，有助于提高光学元件的制备工艺和质量。

化学合成低介电常数溶剂在化学合成中起着重要的溶剂和催化剂的作用。

它们的低粘度和较低的离子强度使得反应物能够更好地扩散和反应，加快反应速率并提高产率。

此外，溶剂的化学惰性能够有效地保护反应物和产物，减少副反应和损失。

研究进展近年来，关于低介电常数溶剂的研究不断取得进展，主要集中在以下几个方面：新型低介电常数溶剂的开发研究人员通过改变溶剂的分子结构和化学成分，开发出一系列新型的低介电常数溶剂。

GMA-St共聚物改性低介电常数环氧树脂性能研究综述摘要：本文通过分析低介电环氧的发展需求，分析了在环氧树脂中添加聚苯乙烯而改变的性能，分析了使用GMA改性环氧树脂的方法，并探讨了使用两者共聚物添加到环氧树脂中，从而在环氧树脂中引入聚苯乙烯链段以提高其介电性能的方法。

其中着重分析了聚苯乙烯低聚物GMA封端聚合物的合成方法。

关键词：低介电环氧，GMA，苯乙烯，遥爪聚合物1低介电环氧树脂研究进展环氧树脂因其结构特点具有较好的介电性能，但随着传输信号的高频化，普通环氧树脂的性能已经不能满足高频覆铜板的介电性能需要，为了得到满足电磁波频率GHz或MHz的环氧树脂，国内外学者做了许多研究。

王严杰等[1]研究了高频印刷电路板基材的介电性能要求和几种典型的及铜板材的介电性能，以高溴化环氧树脂、酚醛、改性聚苯醚、酸酐固化剂、咪唑促进剂配制胶粘剂体系，经偶联剂处理的E型无碱玻璃布为增强材料，采用通用上胶与压制工艺，研制了一种适用于高频电路条件下的介电性能优异、成本低的高频覆铜板。

陈惠玲[2]以环氧树脂作为基体、双氰胺和2-乙基-4-甲基咪唑作为固化剂体系、颗粒尺寸在38.0nm~2.67μm范围的钛酸钡(BaTiO3)作为高介电填充组分,采用溶液共混合旋涂工艺,制备了不同BaTiO3含量的0-3型BaTiO3/环氧复合材料膜, 研究分析了环氧树脂固化工艺的确定以及不同BaTiO3含量的复合材料的晶相及显微结构。

Hann-Jang Hwang[3]等利用双环戊二烯与低聚的聚苯醚的共聚物改性环氧树脂的介电性能，在固化时共聚物与双酚A型环氧反应形成交联网络，固化产物具有较高的玻璃化转变温度和热稳定性，且该环氧树脂具有降低的介电常数和损耗因子。

J.R. Lee[4]等通过缩水二缩水甘油醚与2-氯代甲苯反应制备了一种新型含氟环氧树脂，使用DDM固化测量了其DSC,并测量了固化产物的DMA。

研究了该树脂在2~10GHz下的介电常数为3.9~4.0。

专题论述低介电常数聚酰亚胺的研究进展李艳青,唐旭东,董　杰(天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津　300457) 摘　要:现代微电子工业要求层间绝缘材料具有较低的介电常数。

该文介绍了几种降低聚酰亚胺介电常数的方法,包括含氟聚酰亚胺、聚酰亚胺无机杂化复合材料和聚酰亚胺多孔材料,其中最为有效的措施是将含氟取代基引入到聚酰亚胺分子结构中。

关键词:低介电常数;聚酰亚胺;含氟;无机杂化;多孔材料中图分类号:T Q32317 文献标识码:A 文章编号:10062334X (2010)022*******收稿日期:2010-04-06作者简介:李艳青(1984-),河北廊坊人,硕士,研究方向为高分子新材料,已发表论文1篇。

聚酰亚胺(P I )是重复单元中含有酰亚胺基团的芳杂环高分子化合物,刚性酰亚胺结构赋予了聚酰亚胺独特的性能,如良好的力学性能、耐高温性能、尺寸稳定性、耐溶剂性等,成功应用于航空、航天、电子电器、机械化工等行业。

随着微电子工业的不断发展,对相关材料的耐热性能以及介电性能等提出了更高的要求,这为P I 材料在微电子领域内的应用起到了极大的推动作用。

聚酰亚胺虽然应用广泛,但也存在不溶不熔、亚胺化温度高、颜色较深、吸湿率偏高和介电常数偏高等缺点。

现代微电子工业为了达到更高的集成度,要求芯片尺寸越来越小,芯片中信号传输的延迟时间也会相应增加,这种延迟时间与层间绝缘材料的介电常数成正比。

为了提高信号的传输速度,必须将层间绝缘材料的介电常数降低至2.0～2.5,通常聚酰亚胺材料的介电常数为3.0～3.5,难以满足这一要求,为了降低聚酰亚胺的介电常数,人们对其进行了大量的改性工作,主要包括:引入含氟取代基、掺杂无机低介电材料、在聚酰亚胺基体材料中引入空隙,其中最为有效的措施之一是将含氟取代基引入到聚酰亚胺的分子结构中。

1　含氟聚酰亚胺为了降低P I 的介电常数,研究最多的是将含氟取代基引入到P I 分子结构中,通常引入氟元素可以将介电常数降低到2.3～2.9。

低介电常数填料
摘要：
一、低介电常数填料的概述
1.低介电常数填料的定义
2.低介电常数填料的作用
二、低介电常数填料的种类
1.硅酸盐
2.金属氧化物
3.有机聚合物
三、低介电常数填料的应用领域
1.电子封装材料
2.电磁屏蔽材料
3.光学材料
四、低介电常数填料的发展趋势
1.新型低介电常数填料的研究
2.低介电常数填料的应用拓展
正文：
低介电常数填料是一种具有较低介电常数的材料，它在电子封装、电磁屏蔽和光学等领域有着广泛的应用。

低介电常数填料的主要作用是降低材料的介电常数，以满足不同应用场景的需求。

介电常数越低，材料的电性能越好，特别在高速电子器件中，低介电
常数填料的应用可以有效降低信号传输损失。

根据材料成分的不同，低介电常数填料可分为硅酸盐、金属氧化物和有机聚合物三大类。

硅酸盐主要包括二氧化硅、硅酸铝等；金属氧化物包括氧化钛、氧化锌等；有机聚合物则有聚四氟乙烯、聚酰亚胺等。

这些材料在各自的应用领域有着独特的优势。

在电子封装材料中，低介电常数填料可以提高封装材料的绝缘性能，降低信号传输损失，提高器件的工作速度和可靠性。

在电磁屏蔽材料中，低介电常数填料可以有效降低材料的介电损耗，提高屏蔽效能。

在光学材料中，低介电常数填料可以提高光学元件的透光性能，满足光学系统对光学性能的高要求。

随着科技的不断进步，新型低介电常数填料的研究也在不断深入，例如碳纳米管、石墨烯等。

这些新材料具有更低的介电常数和更好的性能，有望为相关领域带来新的技术突破。

低介电常数聚酰亚胺的研究进展高分子08-2 张新可0802030215摘要：:综述了近年来国内外低介电常数聚酰亚胺材料的制备方法与研究进展,重点讨论多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)和介孔氧化硅在降低聚酰亚胺介电常数方面和聚酰亚胺无机杂化复合材料的应用,并对低介电常数聚酰亚胺材料的发展前景进行了展望。

关键词：聚酰亚胺；介电常数；制备方法；进展1 前言聚酰亚胺(PI)作为一类高性能聚合物,由于其具有优良的介电性、热稳定性和耐溶剂性能,广泛用于微电子、航空航天等领域。

近年来,随着集成电路的集成度的不断提高,互连中的电阻、电容(RC)延迟产生的寄生效应越来越明显,直接影响器件的性能。

普通聚酰亚胺(介电常数在3.2~3.9)已难以满足未来微电子技术发展的需要。

因此,开发新型低介电常数PI(尤其是ε<2.0)已成为该领域的一个研究热点,也是实现微电子产品更新换代的关键技术之一。

本文主要就近年来国内外低介电常数PI的制备方法与应用进行了综述,并对低介电常数PI的发展前景进行了展望[1]。

2低介电常数聚酰亚胺制备方法2.1合成含氟基团的聚酰亚胺氟原子具有较强的电负性,可以降低高分子的电子和离子的极化率,达到降低高分子介电常数的目的。

同时,氟原子的引入降低了高分子链的规整性,使得高分子链的堆砌更加不规则,分子间空隙增大而降低介电常数。

但是,氟基团的引入往往会导致PI的粘结强度、玻璃化转变温度和机械强度降低,热膨胀系数提高。

另外,要达到好的效果必须导入较高比例的氟原子,使得PI的成本明显增加。

2.2合成含孔洞结构的聚酰亚胺通过在聚酰亚胺中引入大量均匀分散的孔洞结构,提高其中空气体积率,形成多孔泡沫材料是获得低介电聚酰亚胺材料的一种有效途径。

目前,制备多孔聚酰亚胺材料的方法主要有热降解法、化学溶剂法、导入具有纳米孔洞结构的杂化材料等[2]。

2.2.1热降解法在聚酰亚胺中引入易热降解的高分子链段,经热处理后,热稳定性差的组分先分解掉,在膜中即形成多孔结构。

收稿：２０１２－０５－１５；修回：２０１２－０６－０４；基金项目：科技部８６３项目（２００７ＡＡ０３Ｚ４０９）；作者简介：金成九（１９８２－），男，清华大学化学工程系在读硕士，主要从事高性能聚酰亚胺材料的研究；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｇ－ｄｃｅ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇ檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐ｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ．综　述化学法制备低介电常数聚酰亚胺的研究进展金成九，王兴元，王晓工＊，和亚宁（清华大学化工系高分子研究所教育部先进材料重点实验室，北京　１０００８４） 摘要：随着微电子工业的快速发展，为了提高大规模集成电路中芯片间的传输速度以满足高集成化的要求，需要层间绝缘材料具有较低的介电常数。

聚酰亚胺已被广泛用于大规模集成电路的层间绝缘材料，降低其介电常数的研究在近年来受到了广泛关注。

当采用化学方法降低介电常数时，调控聚酰亚胺的分子结构是基础；在聚酰亚胺中构建多孔结构则是进一步降低介电常数的有效手段。

本文从调控分子结构和构建多孔结构的角度出发，综述了化学法制备低介电常数聚酰亚胺的研究进展，并对低介电常数聚酰亚胺的研究前景进行了展望。

关键词：聚酰亚胺；介电常数；多孔；分子结构引言聚酰亚胺材料具有优异的机械性能、耐热性、耐低温性、阻燃性、耐溶剂性和电性能，可作为结构复合材料、电子绝缘材料、胶粘剂和涂覆材料，广泛应用于微电子、航空航天、光学、机电等领域。

特别在电子工业领域中，聚酰亚胺材料常用作大规模集成电路中间的绝缘介电层，或用作电子封装的缓冲层以减少器件塑封时产生的应力并起到保护器件的功能，以及用作集成电路的屏蔽保护层以减少环境射线的损害和误差，还可用作挠性印刷布线电路板、液晶显示取向膜和光刻布线加工用的介电层等。

随着超大规模集成电路小型化、高集成化的快速发展，器件、导线间信号传输的延迟时间将以近似二次方的速度增加，延迟时间与材料的介电常数成正比。

为降低信号传输延迟、串扰和功耗，获得高性能的集成电路，就需要层间绝缘材料具有更低的介电常数。

• 30•有机氟工业Organo - Fluorine Industry2020年第2期含氟低介电常数有机材料研究进展王海程文海周涛涛卢振成王凌振蒋梁疏(浙江凯圣氟化学有限公司，浙江衢州324004)摘要:低k(介电常数）介质材料替代传统Si02作为互连金属介电层是集成电路发展的必然趋势。

总结了低k材料性 能基本要求及制备方法，重点探讨含氣低k有机材料研究进展。

认为获得k值低且综合性能优异的含氟有机材料是最终目的，并对含氟低k有机材料的研究前景进行了展望。

关键词:金属介电层;低k材料;含氟低k有机材料〇前言集成电路（1C)元器件集成度不断提高，特征尺 寸不断缩小，特别是线宽减小至亚微米尺寸,相应的 信号延迟和信号间串扰已经成为限制i c整体性能 的瓶颈问题，RC(电阻电容）延迟是金属互连线可靠 性面临的最大挑战。

传统工艺中以铝作为金属互连 线和以Si02作为互连金属介电层（IMD)带来的RC 互连延迟，已经大于信号本身传输的门延迟。

通过 采用低k(介电常数）材料可以降低金属线之间的寄 生电容效应，低k互连介质材料成为超大规模集成 电路（VLSI)互连结构的基础，寻找k值较低的IM D 材料成为超大规模集成电路工艺的发展方向。

有机聚合物分子主链可以弯曲，使高分子链具 有柔性，填隙性能好、残余应力小、吸水率低，并且k 值一般都比较低，这些特点受到人们的广泛重视。

但是有机聚合物热稳定性一般较差，阻碍了其在1C 行业中的应用。

为此，对有机聚合物分子进行改性 使其具有低k值、好的热稳定性和良好的溶解性成 为研究热点，其中氟化有机聚合物研究成为低k材 料科学领域中最重要的课题之一。

综述了近年来含 氟低k有机聚合物的研究进展。

1低k材料低k材料是一种绝缘材料，也称为介电材料。

为了定量分析电介质的电气特性，一般采用介电常数k来衡量其储存电荷能力。

对于介电材料来说，相对k越小，绝缘性越好。

一般传统互连金属介电 层Si02的k为3.9,低于3_ 9时则定义为低k。

低介电常数高分子材料黄伟平,曾　钫,赵建青,吴水珠,李树辉　收稿日期:2007-12-21(华南理工大学材料学院,广东广州,510640)摘要:分类介绍了近年来低介电常数高分子材料研究和开发的基本情况,包括本体低介电常数聚合物、掺氟低介电常数聚合物和含纳米微孔低介电常数聚合物,其中在本体低介电常数聚合物部分详细介绍了苯并环丁烯,并对每类材料的优势与局限性进行了简要的总结。

最后对低介电常数高分子材料的发展及应用进行了展望。

关键词:低介电常数;聚合物;纳米微孔;掺氟中图分类号:T Q317L ow D i electr i c Con st an t Polym erHUANG W ei2p ing,ZENG Fang,ZHAO J ian2qing,WU Shui2zhu,L I Shu2hui(College ofMaterials Science and Engineering,South China Universityof Technol ogy,Guangzhou510641,Guangdong,China)　Abstract:Three kinds of l ow dielectric constant poly mer in recent research are discussed in this revie w,inclu2 ding bulk poly mer,fluorine2doped poly mer and nanopor ous poly mer,BCB is described in detail in the bulk poly2 mer secti on,advantages and disadvantages of these three kinds of poly mer are summarized briefly1Devel opments and app licati ons of l ow dielectric constant poly mer are p redicted in the end1　Key words:l ow dielectric constant;poly mer;nanopor ous;fluorine2doped 随着电子信息技术的突飞猛进,电子产品正朝着轻量薄型化、高性能化和多功能化的方向发展。

高导热率及低介电常数的AlN/PI纳米复合薄膜研究3郝晓静1,2,党智敏1,2,徐海萍1,2(1.北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室,北京100029;2.北京化工大学北京市新型高分子材料制备及工艺重点实验室,北京100029)摘　要:　通过将纳米氮化铝加入到原位聚合而成的聚酰亚胺中以提高纳米复合薄膜的导热系数。

采用KH550偶联剂对氮化铝粒子表面进行物化处理,以提高有机-无机两相界面的结合力。

采用SEM、T GA 等对材料的微观结构、热性能等进行了研究。

结果显示无机粒子在纳米复合薄膜中分散均匀,并在保持较低的介电性能同时提高了复合材料的热稳定性和导热性能。

这样的材料在电子封装材料和印刷线路板中具有很大的应用前景。

关键词:　纳米复合薄膜;聚酰亚胺;耐高温;导热系数;介电性能中图分类号:　TM282文献标识码:A 文章编号:100129731(2007)10216182031　引　言微型化已经成为印刷线路板和电子封装材料发展的主要方向之一,其中聚合物基电子封装材料在电子器件封装应用中具有广阔前景[1,2]。

在实际电工和电子应用领域中,除了考虑电介质材料具有低的介电常数外,还必须尽可能使其具有较大的热导率,以满足线路板和器件日益增大的导热(散热)需求[3～5]。

聚酰亚胺(PI)具有较低的介电性能可以降低超大规模集成电路(UL SI)的互连延迟、串扰和能耗,使其在封装材料和介电层中有较高的研究价值[6～8],但是PI的低导热性能限制了其在电子材料中的广泛应用。

无机粒子氮化铝(AlN)具有较低的热膨胀系数、较低的电容率,同时具有较好的机械强度以及良好的化学、热稳定性,使其在高导热陶瓷材料中应用广泛[9,10]。

在PI中填充AlN以提高材料的导热性能引起了人们的关注。

王家俊等的研究工作得出[11]:当直径为2.0μm AlN的体积分数道道60%,样品厚度为3mm时,AlN/PI复合材料的导热系数为4.28W/(m・K)。

低介电常数(low 2k )介质在ULSI 中的应用前景阮　刚1,肖　夏2,朱兆　1(11复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海200433:21开姆尼茨技术大学微技术中心,开姆尼茨D09109,德国) 摘　要:　本文讨论了U LSI 的发展对低介电常数(low 2k )介质的需求,介绍了几种有实用价值的low 2k 介质的研究和发展现况,最后评述了low 2k 介质在U LSI 中应用的前景.关键词:　极大规模集成电路;低介电常数材料;无机介质;有机聚合物介质中图分类号:　T N47 文献标识码:　A 文章编号:　037222112(2000)1120084204Pro spect on the Applicatoin of Low 2k Dielectric in ULSIRUAN G ang 1,XI AO X ia 2,ZH U Zhao 2min 1(11ASIC and System State K ey Lab.,Fudan University ,Shanghai 200433,China ;21Center o f Microtechnology ,Technical University o f Chcmnitz ,D 09107,G ermany )Abstract :　In this Paper ,the requirement of low 2k dielectric for developing U LSI is discussed.The current status of research and development for several promising and w orthy low 2k dielectrics is introduced.Finally ,the prospect on the application of low 2k di 2electrics materials is reviewed.K ey words :　U LSI ;low dielectric constant material ;inorganic dielectric ;organic polymer dielectric1　引言 当集成电路的特征尺寸减小至0118μm 或更小时,互连寄生的电阻,电容引起的延迟,串扰和功耗已成为发展高速,高密度,低功耗和多功能集成电路需解决的瓶颈问题[1].互连金属线用Cu 代替Al (含015%Cu ),层间及线间介质用low 2k 材料代替S iO 2以及线及线间,层及层间的几何尺寸、工艺、材料等对电性能和热性能影响的模拟和优化设计是当今为解决该瓶颈问题的三项主要技术努力.介电常数低于S iO 2的low 2k 介质材料的介电常数K low 2k 范围为K air ≤K low 2k ≤K SiO 2,其中,K air 为空气的介电常数,K air =1,K SiO 2为S iO 2的介电常数,K SiO 2=319-412,与S iO 2制作时所用的工艺有关.介电常数在上述范围的low 2k 材料品种很多.已研究和正研究的对应用于U LSI 有现实和潜在价值的主要材料见表1[2～10].用于U LSI 的low 2k 材料不仅要求材料的介电常数值尽可能低,且同时要求(1)热稳定性好,(2)机械强度大,(3)热导率高,(4)尺寸稳定性好,(5)能承受现在用于U LSI 的金属淀积技术工艺处理温度,(6)易于图形化和腐蚀,(7)同化学机械抛光(C MP )工艺兼容,(8)适应U LSI 中后段(backend )工艺集成的复杂性,(9)可靠性高(应特别注意:改进工艺以减小介电膜的热应力,不均匀微结构及界面粗糙度).迄今为止,low 2k 介质达到的性能即使不是全部也是绝大部分不如S iO 2[11].在U LSI 中Low 2k 材料替代S iO 2不管是仅仅用于金属互连线间,还是即用在金属互连线间又用在不同金属层间,虽已有一些成功的应用,但都还没有实用在大规模生产中.因而,无论在寻找新材料,改进现有材料性能,以及解决与U LSI 金属化等工艺进行集成、匹配兼容等方面都还有很多工作要做.以下依次介绍几种典型的low 2k 材料在体材料、工艺集成、实际应用等方面所取得的研究进展,并讨论还存在的问题.2　几种low 2k 介质材料的研究及开发211　掺氟二氧化硅及掺碳玻璃(SioF 及SiOC)用于U LSI 中的无机low 2k 介质材料,人们首先考虑及研究开发的是掺氟S iO 2(doping silicon dioxide with fluorine ,S iOF ).S iOF 也称荧光硅酸盐玻璃(fluoro 2silicate glass ,FSC ).这种介质薄膜材料可用等离子体增强化学汽相淀积(Plasma 2Enhanced C VD ,PEC VD )及高密度化学汽相淀积(High 2Density Plasma C VD ,H DP C VD )系统制得.为制备S iOF ,仅需对于制备S iO 2的硬件系统作较小的修改.同时已经建立的在金属互连线间间隙填充(gapfill )S iO 2的工艺,已用来实现了k =315的S iOF 的间隙填充工艺.但是迄今为止,仍不能提供高质量的S iOF 膜以用于实际的U LSI 制造工艺中,其原因是[5]:(1)用传统的制备low 2k 材料的C VD 工艺制得的S iOF 膜的体电阻率和击穿场强都比S iO 2低较多:(2)氟的附加会引起加水分解作用(hy 2drolysis ),使互连和器件的可靠性退化:(3)氟杂质在S iOF收稿日期:1999210222;修回日期:2000201228第11期2000年11月电 子 学 报ACT A E LECTRONICA SINICA V ol.28　N o.11N ov.　2000表1　各种Low2k介质材料类别材料名称介电常数k备注无 机 物 类fluorine2doped/carbon2doped S iO2[5,7]315-411 flourinated S iO2(S iOF)[2,4,7]310-4103 black diam ond[2]217 hydrogen silsesquioxane(HS Q)[2,4,6,7]215-310 carbon2doped glass(S iOC)[4]215-3103 methyl silsesquioxane(MS Q)[4]215-3103 flourinated am orphous carbon(F LAC orαCF or CFx)[4]213-215 nano2porous silica(NPS)(included aerogels and xerogels)[4,7,9]113-2153 carbon dioxide[2]110air/vacuum[2,10]1103有 机 聚 合 物 类polysiloxane[2]2189 fluropolyimide[2,7]218 arylene ethers[7]218benx o2cyclo2butane(BC B)[2,3,7]2173 PM DA2TFM B[3]216F LARE[3]2163 polyethylene[2]214 fluorinated and non fluorinatedpoly2arylene2ether(PAE)[7]213-3103 polypropylene[2]213foams(19%poro)[3]213 fluoropolymer[2]2124 parylene[2～4]212-2183 Dupont PTFE2based copolymer AD2400[2]2106T eflon am orphous fluoropolymer(T eflonAF,Dupont’s T eflon AF1600)[3,8]1193 表1中有3的材料为目前研究和开发较多的品种.膜中是不稳定的,且易吸收H2O形成OH和HF,存在OH将增加膜的介电常数,同时HF和OH两者能腐蚀介质的金属层.鉴于上述原因,也鉴于用现有的C VD方法存在热力学上的限制,能实现的介电常数的减小很少,例如减小到315.这一结果如果在双镶嵌(dual damascene)工艺,由于需要开发全新工艺来应用S iOF,S iOF较少的介电常数减小就很少有吸引力了.所以S iOF将不被用于双镶嵌工艺[4],也即大大影响了它在U LSI金属2介质互连系统中的全面应用.最近,Shu Qin等[5]用等离子体离子注入(PII)方法在S iO2中掺F和C,注入能量低,注入剂量大,费用低,易得到k=315的掺F和C的S iO2,膜的体电阻率和击穿场强也会提高.S iOC有时称作掺碳玻璃(carbon2doped glass),也可用标准PEC VD系统制造,已制得的S iOC的介电常数k=215～310,比已有的S iOF低015-1,S iOC的k同膜密度呈线性关系,膜基本上是单向的,没有明显的气孔,减小k的主要结构是要松开(loosing)膜的最后结构[4].是否基于PII法的含F及/或C的S iO2以及用标准PEC VD系统制得的S iOC能实用于U LSI,尚待进一步研究. 212　H SQHS Q是hydrogen silsesquioxane的缩写,是一种无机电介质材料,用现有工艺可制得介电常数k值为215～219的HS Q.HS Q在许多015μm及0125μm的工艺中已有应用.早期仅用在金属线间,近来,作为层间介质已集成在一个具有五层Al互连的电路中.HS Q的制备用S OD(spin on dielectric)工艺,即旋转淀积介质工艺.S OD工艺比C VD工艺成本低廉,相同的S OD硬件可用于淀积多种不同电介质材料.美国T axes Instruments公司对HS Q的研究表明:用HS Q与不掺杂的高密度等离子体(H DP)C VD S iO2相比,其总电容有22%的减小,HS Q与H DP C VD S iO2相比在漏电流方面有相同的量级,都很小.HS Q的热稳定性好,热稳定温度不低于400℃.HS Q能与高温Al塞(Al plug)的淀积兼容.虽然较大面积的平面的HS Q有较大的k值约为310,但用镶嵌的间隙填充方法(an embedded gap fill approach)制得在金属线之间的间隙中的HS Q是多孔的,因而有较低的k.美国Fairchild T echnologies及D ow C orning公司的专家1999年3月在S olid S tate T echnology杂志上公布了他们开发的HS Q 形成工艺,由三部分组成:旋转涂敷(spincoating),低温柔性焙烘(low temperature s oft bake)及在线愈合(in2line cure).其主要工艺参数为:旋转涂敷:应用速率50转/分:打开碗状涂敷器的速率1500-3000转/分;关闭管状涂敷器的速率1500-3000转/分;背面清洗800转/分,5秒;顶面电子束记录(E BR)1000转/分,10秒;旋转干燥1000转/分,5秒.低温柔性焙烘: 150℃,200℃,60秒;W/N2净化,350℃热金属板.在线愈合: 457℃,500HP,60秒,N2气氛.为了达到降低的介电常数k= 215及保持最佳化的膜特性,愈合工艺极重要.高温金属板(475℃),可控的低氧环境(氧在氮气氛中需小于100ppm)以及短的愈合时间(一般为1～3分钟,最好短到1分钟)是新的愈合工艺的主要特点.213　有机聚合物 有机聚合物电介质材料种类很多[7,8].以下择要介绍:(1)硅基聚合物,k=218～310,用旋转淀积工艺制得,是已有产品证明的旋转淀积玻璃S OG S(spin no glasses)的扩展,在介电常数、折射率、热稳定性及间隙填充能力等方面是HS Q 的竞争对手.S OG工艺简单,成本也较低,用了新的淀积工艺后,通道受侵害(viapois oning)的问题已基本解决.由于膜密度的增加以及S i2C键的稳定效应使新的旋转淀积聚合物更加坚固耐用.Allied S ignal公司近来推出一种新的旋转淀积异量分子聚合物(copolymer),T23,同时给出了它的设计理论.(2)多芳基醚(polyaryleneether2PAE),k=213-310,是芳香族聚合物的一种.有氟化和非氟化两类.比脂肪族聚合物承受温度循环的能力强.1998年1月一种非氟化PAE材料的最新产品VE LOX被推出,这种材料有极好的粘附性,不需要用助粘剂,抛光时也不需要覆盖层.Allied S ignal公司的F LARE210产品,也是一种PAE材料,它的k值约为218.F LARE有低的出气(outgassing)和高的热和机械稳定性.为抛光F LARE膜, Allied S ignal公司的工程师们已开发了一种专用的泥浆供使用和专卖.(3)多芳族碳氢化合物(aromatic hydrocarbon),k=2165是另一种芳香族聚合物,不含硅和氟.D ow Chemical公司推出的S iLK材料就是这一种聚合物.由于S iLK有高的热稳定性,所58第　11　期阮　刚:低介电常数(low2k)介质在U LSI中的应用前景以日本Fujtsu公司选择它与两层Cu镶嵌结构首批实现集成. S iLK及F LARE在425℃退火5小时后,k值仅有很小的变化.用一个S iO2覆盖层作为坚实的掩摸并用来控制C MP抛光的终止点.(4)双乙烯基硅氧烷BC B(divinyl siloxane benzoncy2 clobutene2DVS2BC B),k=217,被广泛用作层间介质,在多层金属G aAs器件中以及在多种模块组装中.它用一个S iO2坚实的掩模来增加热稳定性到390℃.在单一的镶嵌结构中,它与T iN阻挡层淀积、用M OC VD的Cu填充及Cu C MP实现了集成.(5)异量分子聚合物的铁氟龙非晶聚合物(the copolyumer2 ic T eflon am orphous fluoropolymer(AF),简称T eflon AF,k=119,可用作层间介质(I LD)).用T eflon AF代替S iO2作为I LD后,将减小串扰噪声25%及功耗50%.T eflon AF用C VD工艺制得.美国Clems on大学R.Sharangpani和R.S ingh设计和制作了一种全新的制备T eflon AF的C AV系统[8],它是一种直接液体注入(D LI)系统,这个系统中用了一个紫外(UV)光增强快速等温加工器.由于这种方法是基于D LI的C VD,与传统的气相C VD相比,显示出有较好的重复性,使用较少的材料,允许较紧凑的容差及提供较快的周期时间等优点.用UV在快速等温加工(RIP)系统,能减少体和界面缺陷密度,实现高性能和更可靠的器件的制造.(6)多孔有机聚合物可进一步降低有机聚合物的k值.D ow Chemical公司正在研制多孔BC B和多孔S iLK.如果在初始k=2165的有机聚合物材料中,形成20%的孔即孔积率(porosity)为20%,k值将降低到119.若用无机多孔材料,如多孔S iO2材料,70%的孔积率即70%的空气孔,k值仅降到210.所以,多孔有机聚合物将是超低介电常数(K<210)介质的有力竞争者.214　纳米多孔二氧化硅(nanoporous silica2NPS)NPS是一种具有超低介电常数k的电介质材料,是多孔电介质材料中的矫矫者[4].研究表明:非多孔电介质材料很难达到k≤210.多孔电介质材料的介电常数与材料的密度或材料的孔积率有关.密度低或孔积率大则k小,反之则k大.多孔材料的k值范围可从1到固相材料的k值例如:NPS的k 值范围可从1到S iO2的最高k值412.NPS的孔积率从50%到90%所对应的k值为215～113.现有的NPS不仅有超低的介电常数,且有高电介质强度(电介质击穿电场>2M V/cm),高热稳定性(耐90℃),同硅及正硅酸乙脂(TE OS)有好的粘附性,以及有好的间隙填充能力.NPS能与器件集成,与化学机械抛光(C MP)、强迫填充铝(F orce Fill Al)及化学汽相淀积钨塞C VD W2Plug工艺兼容.所以,NPS是一种有希望最终用于极大规模集成电路(U LSI)互连系统的超低介电常数介质.NPS的制作综合使用了标准旋转淀积(spin on)技术及溶胶2凝胶(s ol2gel)工艺.虽起始的淀积工艺与其他旋转淀积材料相同,但随后的工艺较复杂,对膜特性的控制非常重要.膜特性的控制包括:低固体含量,好的间隙填充,好的平面化及膜厚度和孔积率的分别独立控制等.已有专利指出:为制得高质量low2k,NPS膜的工艺概要为:(1)在大气环境下旋转淀积;(2)在环境温度到150℃下老化;(3)在50～250℃下干燥;(4)在300～400℃下退火;(5)进行防水处理.NPS按干燥方法不同可分为两类:aerogel(空气凝胶)和xeroge(干燥凝胶).前者通过超临界干燥法干燥,后者通过溶剂蒸发法.虽然两者干燥方法不同,但性能基本相同.为得到介电常数尽可能低,其他性能也能满足要求的NPS膜,首先要求选择和控制膜的密度,即固体的含量或孔积率,因为密度不仅决定介电常数值,还决定机械强度、热导率和孔的平均大小的性能或参数.密度高则介电常数高,热导率高,机械强度强,孔的平均尺寸小;密度低则反之.密度对性能影响中主要矛盾是介电常数值和机械强度.一般,低密度NPS 介质机械强度弱,为了保持一定的机械强度,密度太低的(虽然介电常数很低)一般不选用于U LSI中.所以,密度应根据性能要求折中选取.NPS是低热导率材料,aerogel的热导率值为01017W/K・m,比S iO2的热导率112W/K・m低约70倍.热模拟研究显示:若aerogel仅作为多层互连系统的金属线间介质,则其热导率对多层互连系统的热稳定性影响很小,可以忽略.但若作为用于层间和线间的均匀介质,由于其垂直方向的热导比S iO2作为均匀介质时差很多,所以将使有关金属互连线从而互连系统的温度有较大升高(例如100℃量级)[12].实验研究指出:由于NPS膜的孔表面处含有大量S i2OH 根,易吸水.一般,NPS膜的孔积率高因而表面积大,所以湿气含量较多,这会引起介电常数增加,有害于通道(via)的性能及其他集成问题.为解决这一问题,已采取了某种表面化学修饰来减少S i2OH根.目前,150nm到超过1μm厚的无裂缝NPS膜已能制造.NPS同器件集成的研究已深入开展,间隙填充已有较好结果,例如:对0115μm宽,纵横比6∶1的间隙可完全填充NPS 膜,且膜没有丝毫裂缝.各种C VD电介质和金属膜在NPS上的淀积,NPS的腐蚀,NPS同C MP,F orcefill Al和C VD W2plug等工艺的集成均已获得成功.综上述,NPS作为一种具有超低介电常数k的电介质材料最终将较广泛地实用于U LSI互连系统中的前景是被人们看好的.215　空气及空气隙(air gap) 由于空气的介电常数为1,用空气来填充金属互连线间的间隙,即在金属互连线间形成空气隙,将可使线间电容及互连线的总电容大大减小,对于间隙为013μm的U LSI互连结构,使用空气隙同使用介电常数为411的H DP S iO2作间隙填充相比,电容可减小40%,同使用均匀low2k材料(例如有机聚合物)得到的电容减小相当,其有效介电常数K eff,用空气隙为2147,层间和线间都用H DP S iO2的为411,K eff减小了约40%,同使用K eff≈215的均匀low2k材料对线间电容及总电容的影响完全相当.这里K eff定义为总几何电容的模似值除以在空气中(或真空中)金属几何电容的模似值.空气隙可用已有的等离子体增强C VD,高密度淀积C VD 等C VD S iO2工艺在淀积S iO2时形成,空气隙形成后,层间68 电 子 学 报2000年S iO2介质层结构保持完整,因为制得的空气隙不需要新材料及新的腐蚀和C MP方法,工艺温度也不需要降低,因而集成工艺较简单,比其他全新的low2k材料,例如前面介绍过的有机聚合物容易形成.美国S tanord大学及T exas Instruments公司对空气隙的热和电迁移的可靠性作了研究[10].他们对一个五金属层互连系统作了热性能模拟,模拟指出:虽然空气的热导率(= 01024W/K・m)远小于S iO2的热导率(=112W/K・m),但在所有五层金属线都通电流时,均匀S iO2互连层结构相对于硅衬底温度上升419K,而具有空气隙的温度上升512K,两者有相当的热特性,都有好的热稳定性.他们进行的初步实验指出:具有空气隙结构的漏电与用H DP S iO2作间隙填充结构的漏电量级相同,都可以忽略.统计得到的空气隙互连结构样品的寿命与均匀H DP2C VD S iO2互连结构及均匀HS Q互连结构几乎相同.空气隙在工艺集成和可靠性方面值得注意的问题是:(1)在C MP时或via腐蚀时存在空气隙被打开的可能性,为了减小这种可能性,前者可用限制空气隙在金属线以上的扩伸来实现,后者可用减小在金属线端接近于via处的空气隙来实现.日本Matsushita公司用先作vias,再形成空气隙的工艺,来防止由腐蚀vias引起空气隙的被打开[13].(2)空气隙形成时,金属线内壁和空气隙间有一层S iO2边墙(side wall),这层边墙若太厚,则将使K eff增加,从而使电容增加,若太薄则将不能有效地防止由金属线间形成的电迁移引起的边界突出(side2 extrusions),因此需要优化设计边墙的厚度,使性能和可靠性即减小电容和不减小可靠性间实现折中.发展新的形成空气隙的方法,进一步减小线间电容以及增加可靠性的研究开发工作正在进行中,台湾交通大学K. M.Chang等人发表了一种利用HS Q的液态特性及它在金属线和polyimide之间的高度选择性吸附作用形成空气隙的新的工艺方法.用这种方法制得的空气隙互连结构与用PEC VD S iO2的互连结构相比,漏电流小,线间寄生电容34fF/mm降到8. 4fF/mm(测试结构为017μm/015μm2间隔/线宽),电容减小了75%.这种方法已申请专利.利用这种方法的自动化装置正在开发中[15]3　结论 (1)根据美国半导体工业协会1997年发布的美国国家半导体技术发展目标中规定[16]:为0118μm工艺,需k=215～310的低介电常数材料,为0115μm工艺,需k=210～215,为≤0113μm工艺,需k<210,这样除S iOF处,前面介绍的几种low2k介质,可分别满足Φ0118μm各代工艺发展的需求.(2)除介电常数外,上面介绍的几种介质材料,其介质的膜特性(主要是热稳定性,机械强度,同其他器件的粘合性等)及与器件的集成(主要是间隙填充能力,同器件的金属化工艺,后段工艺,如C MP,阻挡层淀积Al或Cu等金属填充,via 及plug的形成等兼容、集成的能力虽不是全部,但是大部分都已符合应用于U LSI的要求,已为low2k材料正式实用于U L2 SI的大规模生产奠定了极坚实的基础.(3)适用于不同工艺代介电常数要求的low2k介质,一般都有多种材料可供选择,经历竞争选用后的材料,将会最佳地满足U LSI发展的要求.作者简介:阮　刚　教授,博士生导师,上海电子学会副理事长.1960年研制成功我国第一批锗固体电路.已在国内外发表学术论文近200篇,译著4本.目前从事V LSI/U LSI工艺、器件及电路的模型和模拟研究以及半导体新器件的物理研究.肖　夏　1989年～1993年在天津师范大学物理专业获学士学位.1993年～1996年在天津师范大学凝聚态物理专业获硕士学位.1997年至今为开姆尼茨技术大学(德国)微电子专业博士研究生.目前进行V LSI电路的互连研究.参考文献:[1]　M.Bohr.Interconnect scaling2the real limiter to hingh performance U L2SI[J].IEEE IE DM T ech.Dig.,1995:241-244.[2]　R.S ingh,R.K.Ulrich.H igh and low dielectric constant materials.TheE lectrochemical S ociety INTERFACE.Summer1999,8(2):26-30.[3]　Handbook of Semiconductor Interconnection T echnology[M].edited byG.C.Schwartz,K.V.Srikrishman and A.Bross,M arcel Dekker,Inc.,1998,287.[4]　Ed K orczynski.Low2k dielectric costs for dual2damascene integration[J].S olid S tate T echnology,M ay1999,43-51.[5]　S.Qin,Y.Z.Zhou,C.Chan and P.K.Chu.Fabrication of low dielec2tric constant materials for U LSI multilevel interconnection by plasma ionim plantation[J].IEEE E lectron Device Letters,N ovember1998,19.(11):420-422.[6]　T.Batchalder,W.Cai,J.Bremmer and D.G ray.In2line cure of S ODlow2k films[J].S olid S tate T echnology,M arch1999,29-34.[7]　L.Peters.Pursuing the perfect low2k dielectric[J].Sem oconductor In2ternational,September1998,64-74.[8]　R.Sharang pani,R.S ing.A com puterized direct liquid injection,rapidis othermal processing assisted chemical vapor deposition system for aT eflon am orphous fluoropolymer[J].Rev.Sci.Instrum.,M arch1997,68(3):1564-1570.[9]　C.Jin,J.K.Luttmer,D.M.Smith and T.A.R om os.Nanoporous silicaas an ultra low2k dielectric[J].MRS Bulletin,October1997,39-42.[10]　B.Shieh,K.Saraswat,M.Deal and J.M cVittie.Air gap lower k of in2terconnect dielectrics[J].S olid S tate T echnology,February1999,51-58.(下转第95页)78第　11　期阮　刚:低介电常数(low2k)介质在U LSI中的应用前景　图3　优化的弱限制M MI 功分器灰度模拟图作,一方面根据有效折射率法,湿法刻蚀可以在弱限制的范围内较大程度地调整n 0以达到我们需要的值,另一方面湿法刻蚀的成本低,而且可以克服深腐蚀波导造成的工艺损耗较大的缺点.湿法刻蚀的不足是形成明显的梯形横截面脊波导,在一定程度上影响器件的尺寸,尤其是对于较敏感的SIE 区宽度W.这个问题可以通过将腐蚀后的波导等效为稍宽的三层波导来解决且精度相当令人满意[5].4　结论 本文通过对M MI 型光功分器SIE 干涉区内导模的精确数值计算和对输出波导位置的优化,比较了强限制和弱限制两种情况,首次证明在一定条件的弱限制下器件的插入损耗和输出均匀度均超过强限制的情况,说明M MI 型光功分器的制作可以采用方便的湿法刻蚀,并且采用文[5]的方法可以很好地解决湿法刻蚀形成的梯形截面问题,大大提高器件的精度.参考文献:[1]　杨建义,周强,王明华.G aAs1×4光功分器的制作[J ].光电子・激光,1999,10(3):203-206.[2]　R.Ulrich ,G.Ankele ,Self -imaging in hom ogeneous planar opticalwaveguides [J ].Appl.Phys.Lett.,1975,27(6):337-339.[3]　R.Ulrich ,Light 2propagation and imaging in planar optical waveguides[J ].N ouv.Rev.Optique.,1975,6(5):253-262.[4]　孙一翎,杨建义,王明华.G aAs 单模1×4光功分器的设计[J ].光子学报,1997,26(Z 1):257-261.[5]　尹锐,杨建义,王明华.梯形截面脊波导的特性分析[J ].光学学报,2000,已录用作者简介:尹　锐　1974年出生,1994年完成浙江大学混合班两年培养计划,1996年毕业于浙江大学信息与电子工程学系半导体器件与微电子学专业,1996年起在该校同一专业攻读硕博一贯制博士学位.杨建义　1969年出生,1996年获浙江大学信息与电子工程学系半导体器件与微电子学专业博士学位,现为浙江大学副教授.主要从事集成光器件及ME MS 、M OE MS 研究.(上接第87页)[11]　S.P.Jeng ,R.H.Havemann ,M.Chang.Process intergration and manu 2facturability issues for high performance multilevel interconnect [C ].Proc.M ater.Res.S oc.Sym p.,1994,25-31.[12]　G.Ruan ,X.X iao ,R.S treiter ,et al.A com pact analytic equation for es 2timating the tem perature distribution in the imterconnect system of U LSI system.to be published.[13]　T.Ueda ,et al.Anovel air gap intergration scheme for multi 2level inter 2connects using self aligned via plugs [J ].Sym p.on V LSI T echnology ,June 1998,46-47.[14]　B.Shied ,K.C.Saraswat ,J.P.M cVittie ,et al.Air gap formation duringIM D deposition to Lower interconnect capcaitance [J ].IEEE E lectron Device Letters ,January 1998,19(1):16-18.[15]　K.M.Chang ,J.Y.Y ang and L.W.Chen.A m ovel technology to formair gap for U LSI application [J ].IEEE E lectron Device Letters ,April 1999,20(4):185-187.[16]　The National T echnology R oadmap for Semiconductors [S].Semicon 2ductor Industry Ass ociation ,San Joes ,CA ,1997.59第　11　期尹　锐:弱限制M MI 型光功分器。