Una barrera de difusión es una capa fina (generalmente de micrómetros de espesor) de metal que se coloca generalmente entre otros dos metales. Su función es actuar como barrera para proteger a cualquiera de los metales de la corrosión del otro. [1]
La adhesión de una capa de metal revestido a su sustrato requiere un entrelazado físico, una interdifusión del depósito o una unión química entre la placa y el sustrato para funcionar. El papel de una barrera de difusión es prevenir o retardar la interdifusión de los dos metales superpuestos. Por lo tanto, para ser eficaz, una buena barrera de difusión requiere inercia con respecto a los materiales adyacentes. Para obtener una buena adhesión y una barrera de difusión simultáneamente, la unión entre capas debe provenir de una reacción química de rango limitado en ambos límites. Los materiales que proporcionan una buena adhesión no son necesariamente buenas barreras de difusión y viceversa. En consecuencia, hay casos en los que se deben utilizar dos o más capas separadas para proporcionar una interfaz adecuada entre sustratos.
Si bien la elección de la barrera de difusión depende de la función final, la temperatura de funcionamiento prevista y la vida útil son parámetros críticos para seleccionar materiales de barrera de difusión. Se han evaluado muchas combinaciones de metales de película delgada para determinar sus propiedades de adhesión y barrera de difusión.
El aluminio proporciona buena conductividad eléctrica y térmica , adhesión y confiabilidad debido a su reactividad con el oxígeno y las propiedades de autopasivación de su óxido.
El cobre también reacciona fácilmente con el oxígeno, pero sus óxidos tienen propiedades de adhesión deficientes. En cuanto al oro, su virtud reside en su inercia y facilidad de aplicación; su problema es su coste.
El cromo tiene una excelente adhesión a muchos materiales debido a su reactividad. Su afinidad por el oxígeno forma una fina capa de óxido estable en la superficie exterior, creando una capa de pasivación que evita una mayor oxidación del cromo y del metal subyacente (si lo hay), incluso en entornos corrosivos. El cromado del acero para uso automotriz implica tres capas de barrera de difusión (cobre, níquel y cromo) para proporcionar durabilidad a largo plazo en lugares donde habrá muchos cambios bruscos de temperatura. Si el cromo se recubre directamente sobre el acero, sus diferentes coeficientes de expansión térmica harán que el cromado se despegue del acero.
El níquel , el nicromo , el tántalo , el hafnio , el niobio , el circonio , el vanadio y el tungsteno son algunas de las combinaciones de metales que se utilizan para formar barreras de difusión para aplicaciones específicas. También se pueden utilizar cerámicas conductoras , como el nitruro de tántalo , el óxido de indio , el siliciuro de cobre , el nitruro de tungsteno y el nitruro de titanio .
Un metal de barrera es un material que se utiliza en circuitos integrados para aislar químicamente los semiconductores de las interconexiones de metal blando, manteniendo al mismo tiempo una conexión eléctrica entre ellos. Por ejemplo, una capa de metal de barrera debe rodear cada interconexión de cobre en los circuitos integrados modernos, para evitar la difusión del cobre en los materiales circundantes.
Como su nombre lo indica, un metal de barrera debe tener una alta conductividad eléctrica para mantener un buen contacto electrónico, manteniendo al mismo tiempo una difusividad del cobre lo suficientemente baja como para aislar químicamente de forma suficiente estas películas conductoras de cobre del silicio subyacente del dispositivo. El espesor de las películas de barrera también es bastante importante; con una capa de barrera demasiado delgada, el cobre interior puede entrar en contacto con los mismos dispositivos a los que suministra energía e información y envenenarlos; con capas de barrera demasiado gruesas, estas pilas envueltas de dos películas de metal de barrera y un conductor de cobre interior pueden tener una resistencia total mayor que la que tendrían las interconexiones de aluminio tradicionales, eliminando cualquier beneficio derivado de la nueva tecnología de metalización.
Algunos materiales que se han utilizado como metales de barrera incluyen cobalto , rutenio , tantalio , nitruro de tantalio , óxido de indio , nitruro de tungsteno y nitruro de titanio (los últimos cuatro son cerámicas conductoras , pero "metales" en este contexto).