薄膜結構與機械性質

一般的氧化矽介電常數值約在4 左右，而真空(空氣)的介電常數定義為 1，因此超 低介電常數可藉由調節介電材料的孔隙率達成。本研究中利用n&k 系統測量奈米孔洞 二氧化矽薄膜的折射指數n，可藉由下式：π =

(

)

圖 4-3 為奈米孔洞二氧化矽薄膜沉積、烘烤與煅燒後，薄膜折射率、孔隙率與厚 度的變化趨勢。如圖 4-3(a)所示，剛沉積完的薄膜折射率為 1.47，而經過烘烤後，下 降至1.42，換算得孔隙率為 2.2％；此時的孔隙率是因為溶膠凝膠法所製成的薄膜，其 結構較為鬆散所導致。接著經過高溫煅燒後，其折射率大幅減少至1.265，孔隙率約為 42％，造成孔隙率如此巨幅的上升是因為：薄膜在煅燒過程中藉由連續的形成矽烷氧 (siloxane)之鏈結(crosslinking)及模板分子的移除，產生具有方向性的孔洞結構，致使 孔隙率比之烘烤後有明顯的變化。而在厚度方面，如圖 4-3(b)所示，剛沉積完的薄膜 其厚度為3869Å，經烘烤後厚度會些微下降至 3712Å，這是由於薄膜內的溶劑乙醇與 水在烘烤時揮發的結果。最後在400^oC 的煅燒下，薄膜厚度減至 2836Å，此時薄膜內 大量的有機模板分子在煅燒過程中被移除形成的體積收縮，其薄膜收縮率約為23％。

圖4-4 為奈米孔洞二氧化矽薄膜在經過 400℃的爐管加熱煅燒後之低掠角 X 光繞 射圖譜，結果顯示有一明顯的(100)繞射峰在 2θ=1.05°的位置上，表示此奈米孔洞二 氧化矽薄膜的孔洞排列具有高度規則性。而經由布拉格定律：2dsinθ=nλ可求得孔洞 縱向的平面間距( d-spacing )，其中λ為銅靶的 X 光波長(Cu k α λ =1.54051 Å )。經由公 式計算，求得孔洞縱向的平面間距為84.8 Å。此外，由於薄膜內的孔洞具六角對稱排 列，因此孔洞間的距離(pore-to-pore distance, a0)可經由下式: a0 = 2 × d100 / 3 求得，經 計算求得孔洞間的距離為98 Å。

as-deposited as-baked as-calcined

1.25

refractive index porosity

as-deposited as-baked as-calcined

0

圖4- 4 奈米孔洞二氧化矽薄膜煅燒後之低掠角 X 光繞射圖譜。

在一般的多孔性介電材料中，由於大量的孔洞存在，低密度的孔洞結構減弱了薄膜 的機械強度，後續的化學機械研磨(CMP)製程所形成的剪應力將考驗多孔性介電薄膜這 先天的弱點。圖4-5 為利用奈米壓痕儀(nanoindenter)量測煅燒後奈米孔洞二氧化矽薄膜 的彈性係數(elastic modulus)及硬度(hardness)之結果。根據量測的結果，薄膜煅燒後的彈 性係數與硬度分別為12.89 GPa 及 0.97 GPa。此數據明顯優於一般的有機低介電材料，

如SiLK，其彈性係數及硬度值分別為 2.4 GPa 及 0.3 GPa【48】。由上一段可知本研究中 所使用的奈米孔洞二氧化矽薄膜，其內部的孔洞呈現高規則性排列，因此其機械強度較 一般介電薄膜好。

0.5 1.0 1.5 2.0

0.0 200.0k 400.0k 600.0k 800.0k

1.04991

Intensity

2θ

Displacement Into Surface (nm)

Modulus (GPa)

Displacement Into Surface (nm)

Hardness (GPa)