介電常數(shù)測試儀基本解譯

介電常數(shù)測試儀 GDAT-A

介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，介質(zhì)中電場與原外加電場（真空中）的比值即為相對介電常數(shù)(permittivity， 不規(guī)范稱 dielectric constant)，又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場的強度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降，理想導(dǎo)體內(nèi)部由于靜電屏蔽場強總為零，故其介電常數(shù)為無窮。

介電常數(shù)（又稱電容率），以ε表示，ε=εr*ε0，ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85*10^(-12)F/m。需要強調(diào)的是，一種材料的介電常數(shù)值與測試的頻率密切相關(guān)。

一個電容板中充入介電常數(shù)為ε的物質(zhì)后電容變大εr倍。電介質(zhì)有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當(dāng)一個電介質(zhì)材料放在兩個電荷之間，它會減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠了一樣。

當(dāng)電磁波穿過電介質(zhì)，波的速度被減小，有更短的波長。

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，介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；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)；介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

測量方法

相對介電常數(shù)εr可以用靜電場用如下方式測量：首先在兩塊極板之間為真空的時候測試電容器的電容C0。然后，用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后測得電容Cx。然后相對介電常數(shù)可以用下式計算

εr=Cx/C0

在標準大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率εr=1.00053.因此，用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容Ca來代替C0來測量相對電容率εr時，也有足夠的準確度。（參考GB/T 1409-2006)

對于時變電磁場，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān)，通常稱為介電系數(shù)。

附常見溶劑的介電常數(shù)，條件為室溫下，測試頻率為1KHz。

溫度對介電常數(shù)的影響

H2O (水) 78.5

HCOOH (甲酸) 58.5

HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7

CH3OH (甲醇) 32.7

C2H5OH (乙醇) 24.5

CH3COCH3 (丙酮) 20.7

n-C6H13OH （正己醇）13.3

CH3COOH (乙酸或醋酸) 6.15C6H6 (苯) 2.28

n-C6H14 （正己烷）1.88

"介電常數(shù)" 在工具書中的解釋：

1．又稱電容率或相對電容率，表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個重要數(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)和真空時的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場中貯存靜電能的相對能力。對于介電材料，相對介電常數(shù)愈小絕緣性愈好。空氣和CS2的ε值分別為1.0006和2.6左右，而水的ε值特別大，10℃時為 83.83，與溫度有關(guān)。

2．介電常數(shù)是物質(zhì)相對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)是溶劑的一個重要性質(zhì)，它表征溶劑對溶質(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，同時也具有較強的溶劑化能力。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)的兩項參數(shù)值較小

文獻來源

介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系

2.其介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實數(shù)部分稱為介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱為損耗因子.通常用損耗正切值(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

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)與該物質(zhì)在真空中的電容的比值.在高頻線路中信號傳播速度的公式如下：V=K

4.為簡單起見，后面將相對介電常數(shù)均稱為介電常數(shù).反射脈沖信號的強度，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)。

應(yīng)用

近十年來，半導(dǎo)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(yīng)用的速度卻遠沒有人們想象的那么快。其主要

低介電常數(shù)薄膜機械性質(zhì)量測結(jié)果

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是不同時期半導(dǎo)體工業(yè)界預(yù)計低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應(yīng)用的前景預(yù)測。

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，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(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)機械拋光工藝的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能夠滿足上述特性的的低介電常數(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。

目前在超大規(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*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，是目前已經(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。

標簽：

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工頻介電常數(shù)測試儀