Диффузио́нный барье́р — тонкий слой, обычно толщиной в несколько микрометров, между разнородными контактирующими веществами, предотвращающее диффузию одного вещества в другое или замедляющее её. В результате, процесс выравнивания концентрации одного вещества в другом замедляется или становится невозможным, тем самым защищая один материал от воздействия другого..
Важным видом диффузионного барьера в биологии являются клеточные мембраны.
В интегральных схемах
Барьерный металл — тонкий слой материала (толщиной в несколько мкм), используемый в интегральных схемах, для диффузионной изоляции металлических межсоединений между другим металлом и полупроводником (иначе изолятором), сохраняя при этом между ними.
В современных интегральных схемах каждый медный межсоединительный элемент должен быть окружен слоем барьерного металла, чтобы предотвратить диффузию меди в окружающие материалы.
Барьерный металл должен обладать высокой электропроводностью для обеспечения хорошего электрического контакта, при сохранении достаточно низкой диффузии меди, чтобы обеспечить химическую изоляцию медных проводящих пленок от подложки кремния устройства.
Значение толщины слоя барьерного металла также важна. При слишком малой толщине слоя внутренняя медь слоя может контактировать и отравлять сами устройства, которые они снабжают энергией и информацией, а при большой толщине слоя из двух барьерных металлических пленок и внутреннего медного проводника могут иметь большое суммарное сопротивление, чем алюминиевые , сводя на нет любые преимущества, полученные от данной технологии металлизации.
Критерии выбора материала диффузионного барьера Хотя выбор диффузионного барьера зависит от конечной функции, рабочая температура и срок службы критически важны при выборе материалов для диффузионного барьера. Были исследованы адгезионные и диффузионно-барьерных свойств многих комбинаций тонких пленок металлов.
Роль диффузионного барьера заключается в предотвращении или замедлении взаимной диффузии двух контактирующих металлов. Следовательно, для эффективности хороший диффузионный барьер должен быть инертным по отношению к соседним материалам. Для одновременного обеспечения хорошей адгезии и диффузионного барьера связь между слоями должна обеспечиваться образованием химических соединений в слое малой толщины на границе соприкосновения разделяемых материалов.
Материалы, обеспечивающие хорошую адгезию с разделяемыми веществами не обязательно являются хорошими диффузионными барьерами, и наоборот. Следовательно, в некоторых случаях для обеспечения надлежащего барьера между подложками иногда необходимо использовать два или более разделяющих слоя.
Благодаря высокому сродству к кислороду и самопассивирующим свойствам оксида, алюминий обеспечивает хорошую электрическую и тепловую проводимость, адгезию и надежность.
Медь также легко вступает в реакцию с кислородом, но ее оксиды имеют плохие адгезионные свойства. Преимуществом применения золота является его химическая инертность и простота применения; недостаток — высокая стоимость.
Хром обладает превосходной адгезией ко многим материалам благодаря своей реакционной способности. Окисление кислородом образует тонкий прочный оксидный слой на внешней поверхности, создавая пассивирующий слой, который предотвращает дальнейшее окисление хрома и хромированного металла (при его наличии), даже в агрессивных средах. Технгология хромирования стали в автомобильной промышленности включает нанесение на стальные детали три диффузионных барьерных слоя — медь, никель, а затем хром — для обеспечения долговечности при значительных колебаниях температуры. Если хром наносится непосредственно на сталь без подслоев, то различие в коэффициентах теплового расширения может привести к отслаиванию хромового покрытия от стали.
Никель, нихром, тантал, гафний, ниобий, цирконий, ванадий и вольфрам — примеры металлов, используемых для создания диффузионных барьеров в разных областях применения.
Также могут использоваться проводящие керамические материалы, такие как нитрид тантала, оксид индия, силицид железа, нитрид вольфрама и нитрид титана.
Примечания
Категория:Диффузия