Wat is een barrière-metaal?
Een barrièremetaal is een dunne laag metaal, hetzij in plating of in filmvorm, die tussen twee objecten wordt geplaatst om te voorkomen dat zachte metalen andere objecten verontreinigen. De koper- en messingcomponenten in moderne chips en circuits bevatten bijvoorbeeld altijd een dunne laag metaallaag om hen heen om te voorkomen dat de kristallijne halfgeleiders zelf worden beschadigd. Soms worden barrièremetalen gemaakt van keramiek zoals wolfraamnitride in plaats van echte metalen, maar ze worden nog steeds beschouwd als barrièremetalen.
Barrièremetalen hebben specifieke fysische eigenschappen nodig om nuttig te zijn voor de halfgeleiderindustrie. Het is duidelijk dat het barrièremetaal inert genoeg moet zijn om verontreiniging van de omringende materialen zelf te voorkomen; de fabricage van halfgeleiders is echter gebouwd rond de stroom van elektriciteit door het apparaat. Als zodanig moet het barrièremetaal voldoende geleidend zijn om te voorkomen dat de elektrische stroom stopt.
Zeer weinig metalen voldoen aan beide criteria, wat betekent dat slechts een klein handvol materialen fungeren als een barrièremetaal in halfgeleiders. Titaniumnitride is het barrièremetaal dat het meest wordt aangetroffen in halfgeleiders. Chroom, tantaal, tantaal nitride en wolfraam nitride worden ook gebruikt.
Geleidbaarheid en hardheid zijn niet de enige twee eigenschappen die bij een barrièremetaal in aanmerking worden genomen; de dikte van het barrièremetaal speelt ook een cruciale rol in de effectiviteit ervan. Zachte metalen zoals koper kunnen een te dunne barrière binnendringen. Zacht metaal dat in een dunne barrière dringt, kan het kwetsbare object aan de andere kant besmetten. Aan de andere kant beïnvloedt een te dikke metaallaag de stroom van elektriciteit in het circuit aanzienlijk. Halfgeleideringenieurs brengen veel tijd door in testlaboratoria om de balans precies goed te krijgen.
Niet alle barrièremetalen beschermen echter kristallijne halfgeleiders. Zachte metalen corrumperen hardere metalen oppervlakken net zo gemakkelijk, en die vervuiling kan leiden tot productstoringen in hightech-apparaten. Een dunne laag inert metaal die het contact van twee andere metalen voorkomt, staat bekend als een diffusiebarrière. Diffusiebarrières worden vaak gevonden tussen lagen plaatmetalen en beschermen metalen componenten tegen solderen.
De metalen die worden gebruikt voor een diffusiebarrière zijn niet altijd dezelfde metalen die worden gebruikt om halfgeleiders te beschermen, hoewel apparaten die afhankelijk zijn van de stroom van elektriciteit tussen hun metalen componenten dezelfde barrièremetalen kunnen gebruiken als halfgeleiderapparaten. Over het algemeen hebben plaatmetaaldiffusiebarrières dezelfde inerte eigenschappen nodig als halfgeleiderbarrières, maar ze moeten ook in staat zijn zich te hechten aan de verschillende metalen aan weerszijden ervan. Goud, nikkel en aluminium zijn drie veel voorkomende metalen die worden gebruikt voor diffusiebarrières.