FRINGE在TiN薄膜的GIXRD应用

一、TiN薄膜应用背景

随着现代科学技术的发展，薄膜材料的应用越来越广泛。TiN薄膜是一种优异的表面修饰材料，由于其具有较高的硬度和耐磨性能、化学稳定性和高温稳定性、独特的金黄色、低电阻率以及阻挡扩散层性质，广泛应用于涂层领域、微电子领域、镀膜领域及医疗领域等。

二、TiN薄膜的结构与性质

Ti和N可以形成多种固溶体和化合物，常见的Ti-N化合物有Ti2N和TiN两种，金属钛(Ti)在间隙相中是以密排六方点阵或面心立方点阵排列，非金属氮(N)原子则填充在Ti晶体中的间隙位置。Ti2N结构中，金属Ti原子以密排六方点阵方式排列，而N原子在它的间隙位置。TiN结构中，金属Ti原子则以面心立方点阵方式排列，N原子在它的八面体间隙位置。

TiN薄膜晶体结构如图所示，属于NaCl型的面心立方结构。其中Ti原子占据fcc(面心立方)晶格位置，而Ｎ原子则占据fcc晶格的八面体间隙位置。室温下薄膜的晶格常数为a=0.424nm，滑移系为{110}，理论密度值为5.339g／cm3。

 TiN薄膜晶体结构示意图

三、掠入射X射线衍射（GXRID）技术在TiN薄膜表征中的应用

X射线测试技术被广泛用于各种薄膜材料的表征。薄膜材料厚度比较薄，通常需要依附于一定的基底材料之上。而常规XRD测试，X射线的穿透深度一般在几个微米到几十个微米，远远大于薄膜的厚度，导致薄膜的信号会受到基底的影响，来自基底的强大信号会把薄膜的信号掩盖掉。另外，随着衍射角度的增加，X射线在样品上的照射面积逐渐减小，X射线只能辐射到部分样品，无法利用整个样品的体积，衍射信号弱。

图（1）

四、实验案例

本实验采用苏州浪声科学仪器有限公司的FRINGE桌面式X射线衍射仪，对某企业提供的晶圆TiN薄膜样品（60nm TiN/400nm SiO2/Si）进行GIXRD检测。

1、样品展示

某企业晶圆TiN薄膜样品实物图

左图—薄膜处理温度较高，标记1#-TiN film

右图—薄膜处理温度较低，标记2#-TiN film

2、测试参数设置

3、结果与结论

图（2）粉末衍射θ-θ扫描模式下薄膜样品1#-TiN film(单晶硅衬底)的衍射图谱

图（3）粉末衍射θ-θ扫描模式下薄膜样品1#-TiN film(单晶硅衬底)的衍射图谱上异常峰的解释

图（4）薄膜掠射扫描模式下薄膜样品1#-TiN film的衍射图谱及定性结果

图（5）薄膜掠射扫描模式下薄膜样品2#-TiN film的衍射图谱及定性结果

图（6）薄膜掠射扫描模式下薄膜样品1#及2#-TiN film的叠加衍射图谱

表（1）

4、分析结果

1)采用两种不同的衍射几何对样品进行测试。对于常规对称衍射几何（CXRD），测试过程中，样品固定不动，光管和探测器为θ-θ耦合，即光管转过θ角，光管也转过θ角。对于掠入射非对称衍射几何（GIXRD）,测试过程中样品和光管都固定不动，X射线以固定角度（1°）掠入射薄膜并保持角度不变，探测器作2θ扫描大角度范围旋转收集衍射信号（图（1））。

2)图（2）展示了在常规粉末衍射θ-θ扫描模式下单晶硅衬底的TiN薄膜的衍射图谱，可以看出单晶硅衬底的400衍射[69.2°（2θ）]成了“3叉峰”，这是因为超强衍射强度导致峰形畸变。图（3）给出了粉末衍射θ-θ扫描模式下薄膜1#-TiN film(单晶硅衬底)的衍射图谱上异常峰的解释。其中33°左右的衍射峰是来自Si(002)晶面。

3)图（4）、（5）所示的掠射扫描模式下薄膜1#-TiN film和薄膜2#-TiN film的衍射图谱和定性结果。可以看出，两个不同温度处理的晶圆薄膜的物相均为面心立方结构的氮化钛，PDF卡片号为00-038-1420。另外从卡片匹配情况上来看，可以知道薄膜2#-TiN film存在（200）择优取向。

4)图（6）所示的掠射扫描模式下薄膜1#及2#-TiN film的叠加衍射图谱。可以看出处理温度较高的薄膜1#-TiN film的衍射峰比薄膜2#-TiN film更尖锐，说明薄膜1#-TiN film的结晶度更高，使用分峰拟合程序对这两个薄膜的结晶度进行计算，由表1得知薄膜1#-TiN film结晶度为57%，薄膜2#-TiN film结晶度为36%，这一结果与薄膜后处理温度高低相符。

五、结论

使用苏州浪声的FRINGE桌面式X射线衍射仪，配置薄膜附件可对薄膜样品进行物相分析，结晶度分析，还可进行晶粒尺寸分析，使用GIXRD能够为材料的研发、生产、质量管控等提供强有力的数据支撑，及时调整工艺条件，获得高质量产品。

参考文献

[1]江超华. 多晶X射线衍射技术与应用. 北京：化学工业出版社，2014：206-208.

[2]Qiang S H ,Jie J D ,Xing S , et al.Characteristic of TiN Film Prepared by Multi-Arc Ion Plating[J].Applied Mechanics and Materials,2013,446-447(446-447):254-258.

[3]Popovic M ,Novakovic M ,Bibic N .Structural characterization of TiN coatings on Si substrates irradiated with Ar ions[J].Materials Characterization,2009,60(12):1463-1470.