Una barrera de difusión es una capa delgada (generalmente de micrómetros de espesor) de metal que generalmente se coloca entre otros dos metales. Se hace para actuar como una barrera para proteger a cualquiera de los metales de corromper al otro. [1]
La adhesión de una capa de metal recubierto a su sustrato requiere un entrelazamiento físico, una interdifusión del depósito o una unión química entre la placa y el sustrato para poder funcionar. La función de una barrera de difusión es prevenir o retardar la interdifusión de los dos metales superpuestos. Por lo tanto, para ser efectiva, una buena barrera a la difusión requiere ser inerte 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 a la difusión y viceversa. En consecuencia, hay casos en los que se deben usar dos o más capas separadas para proporcionar una interfaz adecuada entre los 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 por sus propiedades de barrera de adhesión y difusión.
El aluminio proporciona buena conductividad eléctrica y térmica , adhesión y confiabilidad debido a su reactividad al oxígeno y las propiedades de autopasivación de su óxido.
El cobre también reacciona fácilmente con el oxígeno, pero sus óxidos tienen malas propiedades de adhesión. En cuanto al oro, su virtud reside en su inercia y facilidad de aplicación; su problema es su costo.
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 ambientes corrosivos. El cromado sobre acero para uso automotriz implica tres capas de barrera de difusión (cobre, níquel y luego cromo) para proporcionar durabilidad a largo plazo donde habrá muchos cambios importantes de temperatura. Si el cromo se recubre directamente sobre el acero, sus diferentes coeficientes de expansión térmica harán que el cromado se desprenda del acero.
Níquel , nicromo , tantalio , hafnio , niobio , circonio , vanadio y tungsteno son algunas de las combinaciones de metales utilizadas para formar barreras de difusión para aplicaciones específicas. También se pueden utilizar cerámicas conductoras , como nitruro de tantalio , óxido de indio , siliciuro de cobre , nitruro de tungsteno y nitruro de titanio .
Una barrera metálica es un material utilizado en circuitos integrados para aislar químicamente semiconductores de interconexiones de metales blandos, manteniendo al mismo tiempo una conexión eléctrica entre ellos. Por ejemplo, una capa de barrera metálica debe rodear cada interconexión de cobre en los circuitos integrados modernos, para evitar la difusión del cobre hacia los materiales circundantes.
Como su nombre lo indica, una barrera metálica 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 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 interno puede entrar en contacto y envenenar los mismos dispositivos que suministran energía e información; Con capas de barrera demasiado gruesas, estas pilas envueltas de dos películas metálicas de barrera y un conductor de cobre interno pueden tener una resistencia total mayor que la que tendrían las interconexiones tradicionales de aluminio, 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).