Analyse dünner Titannitridschichten (TiN) mittels Torontech FRINGE Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD)
Das Verständnis der Struktur und Kristallinität ultradünner Titannitrid-Beschichtungen (TiN) ist entscheidend für die Qualitätskontrolle und Produktleistung, insbesondere in der Mikroelektronik, Optik und Oberflächentechnik. Dieser Artikel beschreibt, wie der Tisch-XRD-Analysator – Röntgendiffraktometer der FRINGE-Familie von Torontech – mittels streifender Röntgenbeugung (GIXRD) präzise Phasenanalysen und Kristallinitätsdaten für TiN-Filme auf Siliziumwafern liefert, selbst bei Nanometerdicken.
Warum Titannitridfilme (TiN) wichtig sind
Titannitrid-Beschichtungen (TiN) werden aufgrund ihrer extremen Härte, Korrosionsbeständigkeit, thermischen Stabilität und ihres geringen elektrischen Widerstands häufig in der Mikroelektronik, bei Hartbeschichtungen und in biomedizinischen Geräten eingesetzt. Ihr einzigartiger Goldton ist ein zusätzlicher Vorteil in dekorativen und optischen Anwendungen.
Angesichts der steigenden Nachfrage nach Hochleistungsmaterialien ist die Analyse der strukturellen Eigenschaften von TiN-Filmen sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch in der Produktion unerlässlich. Die Röntgenbeugung unter streifendem Einfall ist eine Schlüsselmethode zur Charakterisierung dünner Filme, insbesondere wenn herkömmliche XRD-Techniken das Filmsignal nicht vom Substrat isolieren können.
Kristallstruktur und Materialeigenschaften von TiN-Filmen
TiN und Ti₂N sind zwei primäre Phasen von Titannitridverbindungen.
In TiN sind die Titanatome in einer kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur angeordnet, wobei Stickstoffatome die oktaedrischen Zwischengitterplätze besetzen. Diese NaCl-artige Kristallstruktur trägt zu den hervorragenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften von TiN bei. Die Gitterkonstante von TiN beträgt bei Raumtemperatur etwa 0.424 nm, mit einem {110}<110>-Gleitsystem und einer theoretischen Dichte von 5.339 g/cm³.
Das Verständnis der kristallografischen Eigenschaften von TiN-Filmen ist von entscheidender Bedeutung für die Optimierung der Abscheidungsparameter und die Verbesserung der Filmleistung in verschiedenen Anwendungen.
Warum sollte man zur Charakterisierung von Titannitridfilmen die Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) von FRINGE verwenden?
Herkömmliche Röntgenbeugungstechniken (XRD) haben aufgrund von Interferenzen mit dem Substratmaterial oft Schwierigkeiten, das Signal ultradünner Filme zu isolieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Filmdicke deutlich geringer ist als die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung.
Die Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) löst dieses Problem durch einen niedrigen Einfallswinkel (typischerweise 1°), wodurch die Röntgenstrahlen primär mit der Oberflächenschicht interagieren. Diese Methode verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis für dünne Schichten erheblich und ermöglicht eine präzise Phasenidentifikation und Kristallinitätsanalyse.
Das Torontech FRINGE Desktop-Röntgendiffraktometer wurde speziell für die hochpräzise Röntgenbeugungsanalyse von Dünnschichten entwickelt. Ausgestattet mit fortschrittlichen Funktionen zur Probenhandhabung und -ausrichtung, eignet es sich ideal für Forschungslabore und industrielle Qualitätskontrollabteilungen, die detaillierte Strukturanalysen benötigen.
Fallstudie: TiN-Filmprüfung mit Torontech FRINGE
A. Beispielinformationen für TiN-Filme
Es wurden zwei waferbasierte Proben mit der gleichen Grundstruktur (60 nm TiN / 400 nm SiO₂ / Si-Substrat) hergestellt, die jedoch unterschiedlichen Glühtemperaturen ausgesetzt wurden:
Probe 1#: Hochtemperaturbehandelter TiN-Film
Beispiel 2#: Bei niedriger Temperatur verarbeiteter TiN-Film
B. Geräteeinrichtung – Torontech FRINGE-Parameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Scanmodi | θ–θ und GIXRD (1° Einfallswinkel) |
| Abdeckung | 10°–75° (θ–θ), 10°–72° (GIXRD) |
| Schrittlänge | 0.05° pro Schritt |
| Abtastzeit | 200 ms (θ–θ), 500 ms (GIXRD) |
| Spannung / Strom | 30 kV / 20 mA |
| Strahlungsquelle | Cu-Ziel (CuKα) |
| Zubehör | Fokussierfilter, langer Soller-Schlitz, einstellbarer Z-Tisch |
C. Wichtige Ergebnisse der GIXRD-Analyse
1. Konventionelles θ–θ-Scannen
Im Standard-θ–θ-Modus dominierten Beugungsspitzen des Siliziumsubstrats das Muster. Die TiN (400)-Spitze bei 69.2° erschien aufgrund von Interferenzen verzerrt, was die Einschränkungen der herkömmlichen XRD für ultradünne Filme verdeutlichte.
2. GIXRD-Modus für oberflächensensitive Charakterisierung
GIXRD hat die TiN-Filmsignale erfolgreich isoliert und bestätigt:
Phasenzusammensetzung : Beide Proben bestehen aus TiN mit FCC-Struktur (PDF-Karte Nr. 00-038-1420).
Orientierung : Probe 2# wies eine starke (200) bevorzugte Orientierung auf.
Kristallinität: Eine höhere Glühtemperatur verbesserte die Kristallinität. Probe 1# zeigte schärfere Beugungsspitzen als Probe 2#.
3. Kristallinitätsanalyse basierend auf der Verarbeitungstemperatur
Mittels Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) wurde die Kristallinität zweier TiN-Filmproben untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass höhere Verarbeitungstemperaturen zu einer verbesserten Kristallinität führen.
| Filmprobennummer | Verarbeitungstemperatur | Amorpher Peakbereich | Gesamtfläche | Kristallinität (%) |
|---|---|---|---|---|
| 1# TiN-Film | Hoch | 2346 | 5455 | 57 |
| 2# TiN-Film | Niedrig | 2749 | 3880 | 36 |
Die höhere Kristallinität in Probe 1# ist auf die erhöhte Verarbeitungstemperatur zurückzuführen, die ein besseres Kristallwachstum und eine bessere Ausrichtung fördert. Im Gegensatz dazu wies Probe 2# eine größere amorphe Peakfläche und eine geringere Gesamtkristallinität auf.
4. Beugungsmuster und qualitative Ergebnisse
a. Beispiel 1#-TiN-Film im Film-Swept-Scanning-Modus
b. Probe 2#-TiN-Film im Film-Swept-Scanning-Modus
c. Überlagerung der Beugungsmuster für die Filmproben 1# und 2#-TiN im Film-Swept-Scanning-Modus 
5. Analysezusammenfassung
a. Verwendete duale Beugungsgeometrien
Zur Untersuchung von TiN-Filmen wurden zwei Röntgenbeugungsgeometrien angewendet. Im konventionellen symmetrischen Beugungsmodus (CXRD) bleibt die Probe stationär, während sich sowohl die Röntgenröhre als auch der Detektor um den Winkel θ drehen.
Im Gegensatz dazu hält die Methode der streifenden Röntgenbeugung (GIXRD) einen festen Einfallswinkel von 1° aufrecht, während der Detektor einen weiten 2θ-Bereich abtastet. Dieses Verfahren minimiert Substratinterferenzen und verbessert die oberflächensensitive Analyse (siehe Abb. 2).
B. Substratinterferenz im θ–θ-Modus
Wie in Abb. 4 dargestellt, zeigt der θ–θ-Scan von Probe 1# (TiN auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat) einen ausgeprägten 400-Beugungspeak bei 69.2° (2θ), der durch eine starke Signalintensität verzerrt wird.
Abbildung 5 zeigt darüber hinaus einen sekundären Peak nahe 33°, der der Si(002)-Ebene zugeordnet wird und die Grenzen der traditionellen XRD-Methode für die Charakterisierung von Dünnschichten verdeutlicht.
c. Phasenidentifikation und -orientierung mittels GIXRD
Abbildungen 6 und 7 zeigen die GIXRD-Muster der TiN-Filme der Proben 1# und 2#. Beide Proben weisen eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Kristallstruktur auf, was durch die Referenz-PDF-Karte Nr. 00-038-1420 bestätigt wird.
Die Ergebnisse deuten auf eine vollständige Phasenbildung von TiN hin. Insbesondere weist Probe 2# eine bevorzugte (200)-Orientierung auf, was auf eine temperaturinduzierte Strukturausrichtung schließen lässt.
d. Vergleich der Kristallinität und des thermischen Einflusses
Abbildung 8 zeigt die überlagerten GIXRD-Muster beider Proben. Probe 1#, die bei höherer Temperatur verarbeitet wurde, weist schärfere und intensivere Beugungspeaks auf, was auf eine erhöhte Kristallinität hindeutet.
Die quantitative Auswertung mittels Split-Peak-Fitting-Software ergab Kristallinitätswerte von 57 % für Probe 1# und 36 % für Probe 2# (siehe Tabelle 1). Dies bestätigt, dass eine intensivere Wärmebehandlung die Filmordnung und die Kornstruktur verbessert.
Fazit
Das Desktop-Röntgendiffraktometer Torontech FRINGE , ausgestattet mit speziellem Zubehör zur Filmanalyse, ermöglicht die präzise Untersuchung von Dünnschichtmaterialien mittels streifender Röntgenbeugung (GIXRD). Durch die Isolierung des Oberflächensignals erlaubt FRINGE die zuverlässige Charakterisierung von Kristallstruktur, Phasenzusammensetzung und Kristallinität in Nanometer-dünnen Beschichtungen wie Titannitrid (TiN).
Dieses Maß an Genauigkeit unterstützt die Forschung zu fortschrittlichen Werkstoffen, die Prozessoptimierung und die Qualitätskontrolle in der Produktion und versetzt Ingenieure und Wissenschaftler in die Lage, fundierte Anpassungen vorzunehmen, um die Leistung und Konsistenz des Produkts zu verbessern.
