自由介電常數(shù)

free dielectric constant，壓電體在恒定應力或應力為零(自由狀態(tài)）時的介電常數(shù)。

自由介電常數(shù)free dielectric constant壓電體在但足ri力或應力為零(自由狀態(tài)少時的介電常數(shù)。用。Tam表示。。TE mn的上標7.表示應力恒定，。、二、分別為電位移分量和電場強度分量的方向。。~是二階對稱張量，有六個獨立張量元。隨晶體對稱性增高，其獨立的。。n的數(shù)目減少。壓電陶瓷只有。，:和。:。兩個獨立的介電常數(shù)，因此相應的自由介電常數(shù)只有ey和F 3兩個。由于壓電材料的各向異性，其介電常數(shù)是張量，并具有分量。通常測試頻率遠低于基波諧振頻率時測得的介電常數(shù)是自由介電常數(shù)。它是壓電材料等效電路參數(shù)之一，對壓電材料和元件的評價和使用具有重要意義。

介質在外加電場時會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質中電場比值即為相對介電常數(shù)（relative permittivity 或 dielectric constant），又稱誘電率，與頻率相關。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場強度會在電介質內(nèi)有可觀的下降。理想導體的相對介電常數(shù)為無窮大。

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

介電常數(shù)頻譜又稱介電譜。復介電常數(shù)隨電磁場頻率而變化的現(xiàn)象，一般分別做出實部ε′（ω）頻譜和虛部ε"（ω）頻譜。介電常數(shù)頻譜可以給出有關極化機制和晶格振動等重要信息 。

近十年來，半導體工業(yè)界對低介電常數(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)工藝中應用的速度卻遠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用的要求。圖2是不同時期半導體工業(yè)界預計低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應用的前景預測。

早在1997年，人們就認為在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）將達到1.5。然而隨著時間的推移，這種樂觀的估計被不斷更新。到2003年，國際半導體技術規(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用，其介電常數(shù)范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。

造成人們的預計與現(xiàn)實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：足夠的機械強度（MECHANICAL strength）以支撐多層連線的架構、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）、良好的粘合強度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜應力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低熱漲系數(shù)（coefficient of thermal expansion）以及與化學機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)與熱傳導系數(shù)往往就呈反比關系。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及其以下技術的研究，先后選用了應用材料公司（Applied Materials）的 Black Diamond 作為低介電常數(shù)材料。該材料采用PE-CVD技術[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。