FRINGE在TiN薄膜的GIXRD應(yīng)用

一、TiN薄膜應(yīng)用背景

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，薄膜材料的應(yīng)用越來越廣泛。TiN薄膜是一種優(yōu)異的表面修飾材料，由于其具有較高的硬度和耐磨性能、化學(xué)穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性、獨(dú)特的金黃色、低電阻率以及阻擋擴(kuò)散層性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于涂層領(lǐng)域、微電子領(lǐng)域、鍍膜領(lǐng)域及醫(yī)療領(lǐng)域等。

二、TiN薄膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

Ti和N可以形成多種固溶體和化合物，常見的Ti-N化合物有Ti2N和TiN兩種，金屬鈦(Ti)在間隙相中是以密排六方點(diǎn)陣或面心立方點(diǎn)陣排列，非金屬氮(N)原子則填充在Ti晶體中的間隙位置。Ti2N結(jié)構(gòu)中，金屬Ti原子以密排六方點(diǎn)陣方式排列，而N原子在它的間隙位置。TiN結(jié)構(gòu)中，金屬Ti原子則以面心立方點(diǎn)陣方式排列，N原子在它的八面體間隙位置。

TiN薄膜晶體結(jié)構(gòu)如圖所示，屬于NaCl型的面心立方結(jié)構(gòu)。其中Ti原子占據(jù)fcc(面心立方)晶格位置，而Ｎ原子則占據(jù)fcc晶格的八面體間隙位置。室溫下薄膜的晶格常數(shù)為a=0.424nm，滑移系為{110}，理論密度值為5.339g／cm3。

 TiN薄膜晶體結(jié)構(gòu)示意圖

三、掠入射X射線衍射（GXRID）技術(shù)在TiN薄膜表征中的應(yīng)用

X射線測(cè)試技術(shù)被廣泛用于各種薄膜材料的表征。薄膜材料厚度比較薄，通常需要依附于一定的基底材料之上。而常規(guī)XRD測(cè)試，X射線的穿透深度一般在幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜的厚度，導(dǎo)致薄膜的信號(hào)會(huì)受到基底的影響，來自基底的強(qiáng)大信號(hào)會(huì)把薄膜的信號(hào)掩蓋掉。另外，隨著衍射角度的增加，X射線在樣品上的照射面積逐漸減小，X射線只能輻射到部分樣品，無法利用整個(gè)樣品的體積，衍射信號(hào)弱。

圖（1）

四、實(shí)驗(yàn)案例

本實(shí)驗(yàn)采用蘇州浪聲科學(xué)儀器有限公司的FRINGE桌面式X射線衍射儀，對(duì)某企業(yè)提供的晶圓TiN薄膜樣品（60nm TiN/400nm SiO2/Si）進(jìn)行GIXRD檢測(cè)。

1、樣品展示

某企業(yè)晶圓TiN薄膜樣品實(shí)物圖

左圖—薄膜處理溫度較高，標(biāo)記1#-TiN film

右圖—薄膜處理溫度較低，標(biāo)記2#-TiN film

2、測(cè)試參數(shù)設(shè)置

3、結(jié)果與結(jié)論

圖（2）粉末衍射θ-θ掃描模式下薄膜樣品1#-TiN film(單晶硅襯底)的衍射圖譜

圖（3）粉末衍射θ-θ掃描模式下薄膜樣品1#-TiN film(單晶硅襯底)的衍射圖譜上異常峰的解釋

圖（4）薄膜掠射掃描模式下薄膜樣品1#-TiN film的衍射圖譜及定性結(jié)果

圖（5）薄膜掠射掃描模式下薄膜樣品2#-TiN film的衍射圖譜及定性結(jié)果

圖（6）薄膜掠射掃描模式下薄膜樣品1#及2#-TiN film的疊加衍射圖譜

表（1）

4、分析結(jié)果

1)采用兩種不同的衍射幾何對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于常規(guī)對(duì)稱衍射幾何（CXRD），測(cè)試過程中，樣品固定不動(dòng)，光管和探測(cè)器為θ-θ耦合，即光管轉(zhuǎn)過θ角，光管也轉(zhuǎn)過θ角。對(duì)于掠入射非對(duì)稱衍射幾何（GIXRD）,測(cè)試過程中樣品和光管都固定不動(dòng)，X射線以固定角度（1°）掠入射薄膜并保持角度不變，探測(cè)器作2θ掃描大角度范圍旋轉(zhuǎn)收集衍射信號(hào)（圖（1））。

2)圖（2）展示了在常規(guī)粉末衍射θ-θ掃描模式下單晶硅襯底的TiN薄膜的衍射圖譜，可以看出單晶硅襯底的400衍射[69.2°（2θ）]成了“3叉峰”，這是因?yàn)槌瑥?qiáng)衍射強(qiáng)度導(dǎo)致峰形畸變。圖（3）給出了粉末衍射θ-θ掃描模式下薄膜1#-TiN film(單晶硅襯底)的衍射圖譜上異常峰的解釋。其中33°左右的衍射峰是來自Si(002)晶面。

3)圖（4）、（5）所示的掠射掃描模式下薄膜1#-TiN film和薄膜2#-TiN film的衍射圖譜和定性結(jié)果?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)不同溫度處理的晶圓薄膜的物相均為面心立方結(jié)構(gòu)的氮化鈦，PDF卡片號(hào)為00-038-1420。另外從卡片匹配情況上來看，可以知道薄膜2#-TiN film存在（200）擇優(yōu)取向。

4)圖（6）所示的掠射掃描模式下薄膜1#及2#-TiN film的疊加衍射圖譜?？梢钥闯鎏幚頊囟容^高的薄膜1#-TiN film的衍射峰比薄膜2#-TiN film更尖銳，說明薄膜1#-TiN film的結(jié)晶度更高，使用分峰擬合程序?qū)@兩個(gè)薄膜的結(jié)晶度進(jìn)行計(jì)算，由表1得知薄膜1#-TiN film結(jié)晶度為57%，薄膜2#-TiN film結(jié)晶度為36%，這一結(jié)果與薄膜后處理溫度高低相符。

五、結(jié)論

使用蘇州浪聲的FRINGE桌面式X射線衍射儀，配置薄膜附件可對(duì)薄膜樣品進(jìn)行物相分析，結(jié)晶度分析，還可進(jìn)行晶粒尺寸分析，使用GIXRD能夠?yàn)椴牧系难邪l(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量管控等提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，及時(shí)調(diào)整工藝條件，獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。