Published September 1988 | Version v1
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Formation of titanium nitride layers on titanium metal: Results of XPS and AES investigations

Description

The reaction of titanium metal with gaseous nitrogen and ammonia at temperatures of 8900C leads to the formation of nitridic overlayers on the metallic substrate. The thicknesses of the overlayers increase with increasing reaction time. Under comparable conditions ammonia reacts much slower than nitrogen. XPS and AES depth profile analyses show continuous changes of the in-depth compositions of the overlayers. This can be interpreted in terms of a very irregular thickness of the overlayers, an assumption which is substantiated by local AES analyses and by the observation of a pronounced crystalline structure of the substrate after annealing pretreatment, which can give rise to locally different reaction rates. The depth profile is also influenced by the broad ranges of stability of the titanium nitride phases formed during the reaction. The quantitative analysis of the titanium/nitrogen overlayers by AES is difficult because of the overlap of titanium and nitrogen Auger peaks. In quantitative XPS analysis problems arise due to difficulties in defining Ti 2p peak areas. This work presents practical procedures for the quantitative evaluation by XPS and AES of nitridic overlayers with sufficient accuracy. (orig.)

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Abstract (German)

Die Reaktion von Titanmetall mit gasfoermigem Stickstoff und gasfoermigem Ammoniak bei 8900C fuehrt zur Bildung von nitridischen Deckschichten auf dem metallischen Substrat. Die Dicken der Deckschichten nehmen mit steigender Reaktionszeit zu. Unter vergleichbaren Bedingungen ist die Reaktion mit Ammoniak bedeutend langsamer als die mit Stickstoff. XPS und AES Tiefenprofil-Messungen zeigen kontinuierliche Veraenderungen der Tiefenverteilungen der Elemente Titan und Stickstoff innerhalb der Deckschichten. Dies beruht vermutlich auf der sehr unregelmaessigen Dicke jeder einzelnen Deckschicht. Diese Vermutung wird unterstuetzt durch die Ergebnisse von AES-Punktanalysen und durch die Beobachtung einer ausgepraegten kristallinen Struktur des Substrats nach der thermischen Vorbehandlung, was zu lokal unterschiedlichen Reaktionsraten Anlass geben kann. Die quantitative Analyse von Proben, die neben Titan Stickstoff enthalten, wird in der AES durch die Ueberlagerung von Titan- und Stickstoff-Augeruebergaengen erschwert. In der XPS treten Schwierigkeiten bei der Festlegung der Ti 2p-Peakflaechen auf. In dieser Veroeffentlichung werden Verfahren vorgestellt, die die quantitative Auswertung sowohl von XPS- als auch von AES-Spektren erlauben und Daten hinreichender Genauigkeit liefern. (orig.)

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Imprint Pagination
65 p.
Report number
KFK--4449