低介電常數材料具有廣闊的應用場景

 低介電常數（Low-k）材料在速度更快、體積更小、性能更高的電子器件中具有廣闊的應用前景。然而，目前大多數低k材料都是非常多孔的，這使得它們在高溫下力學性能很弱且不穩定。美國和韓國的一個研究小組目前已經制造出一種基于氧化鋁的三維納米結構介電材料，這種材料不會出現這些問題。這種結構可用于制造諸如電容器、寬帶天線和穩定布線等器件，用于航空航天和氫動力車輛的高壓應用。

納米晶格電容器的研制

韓國光州科學技術研究所（GIST）的團隊負責人Bong Joong Kim解釋說：“我們制造了k值為1.09–1.10的3D納米結構空心梁氧化鋁介電電容器，在–20到+20 V的范圍內和100 kHz到10 MHz的范圍內都是穩定的。”。“這些器件的介電損耗非常小，僅為0.01–0.1，而介電材料本身具有優異的機械性能，即楊氏模量為30兆帕，屈服強度為1.07兆帕，熱穩定性優異，介電常數的熱系數為2.43×10–5/K，較高可達800°C。”

他補充說，設計和合成低k材料非常重要，因為它們可以應用于計算機處理部件、無線通信和汽車雷達等領域。在這種器件中，降低層間介質的k值可以減小阻容（RC）延遲、降低功耗并降低附近互連之間的串擾，所有這些都是現代集成電路（ic）中的嚴重問題。

降低材料的k值

低k值也適用于多芯片模塊（MCM）技術，該技術允許無源元件，如電感器、電阻器和電容器（在微波/毫米波通信的3D電路中用作構建塊）集成到設備中。例如，用于輻射和接收無線電波的典型射頻模塊中的天線需要具有足夠低的k的支撐基板，以防止波的表面傳播并增加帶寬。

降低材料k值的一種方法是引入孔隙率，因為空氣的k值很低。然而，這里的問題是，孔隙率增加往往導致較差的機械和熱性能，以及不穩定的電氣性能。這是因為很難控制孔隙的大小以及它們在材料中的分布。

三維陶瓷納米晶格的制備

Kim和同事通過在高摻雜硅襯底上沉積金/鈦底電極來制作低k電介質。電極的金部分為80nm，鈦部分為12nm。接下來，研究人員在電極頂部沉積了一層光刻膠，然后使用一種稱為雙光子光刻直接激光寫入的技術，將納米晶格支架直接寫入光刻膠層。

“然后我們用原子層沉積法在這種聚合物納米晶格上涂上一層10納米厚的氧化鋁（Al2O3）共形層，并用聚焦離子束在氧等離子體中蝕刻光刻膠。后，我們蒸發了一層相同的Au/Ti（80/12nm）雙層膜，作為納米晶格頂板上的頂電極，以制造平行板電容器。”

他告訴記者：“我們的3D陶瓷納米晶格可能被用于制造更快、更小、更高性能的微電子設備，這些設備耗電更少，用于計算機處理組件、寬帶天線和穩定的布線，用于航空航天和氫動力車的高壓應用。”納米科技網站.

這個由美國加州理工學院（California Institute of Technology）朱莉婭•格里爾（Julia Greer）領導的研究小組表示，他們目前正試圖改變納米晶格的設計，以改善其整體物理和電學性能。