一、TiN薄膜應用背景

隨著現代科學技術的發(fā)展，薄膜材料的應用越來越廣泛。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、化學穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性、獨特的金黃色、低電阻率以及阻擋擴散層性質，廣泛應用于涂層領域、微電子領域、鍍膜領域及醫(yī)療領域等。

二、TiN薄膜的結構與性質

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陣或面心立方點陣排列，非金屬氮(N)原子則填充在Ti晶體中的間隙位置。Ti2N結構中，金屬Ti原子以密排六方點陣方式排列，而N原子在它的間隙位置。TiN結構中，金屬Ti原子則以面心立方點陣方式排列，N原子在它的八面體間隙位置。

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

 TiN薄膜晶體結構示意圖

三、掠入射X射線衍射（GXRID）技術在TiN薄膜表征中的應用

X射線測試技術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測試，X射線的穿透深度一般在幾個微米到幾十個微米，遠遠大于薄膜的厚度，導致薄膜的信號會受到基底的影響，來自基底的強大信號會把薄膜的信號掩蓋掉。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，無法利用整個樣品的體積，衍射信號弱。

圖（1）

四、實驗案例

本實驗采用蘇州浪聲科學儀器有限公司的FRINGE桌面式X射線衍射儀，對某企業(yè)提供的晶圓TiN薄膜樣品（60nm TiN/400nm SiO2/Si）進行GIXRD檢測。

1、樣品展示

某企業(yè)晶圓TiN薄膜樣品實物圖

左圖—薄膜處理溫度較高，標記1#-TiN film

右圖—薄膜處理溫度較低，標記2#-TiN film

2、測試參數設置

3、結果與結論

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、分析結果

1)采用兩種不同的衍射幾何對樣品進行測試。對于常規(guī)對稱衍射幾何（CXRD），測試過程中，樣品固定不動，光管和探測器為θ-θ耦合，即光管轉過θ角，光管也轉過θ角。對于掠入射非對稱衍射幾何（GIXRD）,測試過程中樣品和光管都固定不動，X射線以固定角度（1°）掠入射薄膜并保持角度不變，探測器作2θ掃描大角度范圍旋轉收集衍射信號（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”，這是因為超強衍射強度導致峰形畸變。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果?？梢钥闯觯瑑蓚€不同溫度處理的晶圓薄膜的物相均為面心立方結構的氮化鈦，PDF卡片號為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的結晶度更高，使用分峰擬合程序對這兩個薄膜的結晶度進行計算，由表1得知薄膜1#-TiN film結晶度為57%，薄膜2#-TiN film結晶度為36%，這一結果與薄膜后處理溫度高低相符。

五、結論

使用蘇州浪聲的FRINGE桌面式X射線衍射儀，配置薄膜附件可對薄膜樣品進行物相分析，結晶度分析，還可進行晶粒尺寸分析，使用GIXRD能夠為材料的研發(fā)、生產、質量管控等提供強有力的數據支撐，及時調整工藝條件，獲得高質量產品。