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上海斯邁歐分析儀器有限公司
主營(yíng)產(chǎn)品： 氣相色譜、液相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用儀、液質(zhì)聯(lián)用儀、原子吸收光譜儀、紫外分光光度計(jì) |
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使用 ICP-MS直接分析高純硝酸中的痕量金屬雜質(zhì)
2024-9-27 閱讀(324)
前言半導(dǎo)體器件的產(chǎn)量一直以來都容易受到痕量金屬污染的影響。隨著行業(yè)向器件小型化和高集成密度方向的不斷發(fā)展，精密加工處理中易受污染的問題成為了越來越大的挑戰(zhàn)。如需將污染控制在很小程度，需要更高純度的制程化學(xué)品和生產(chǎn)條件。半導(dǎo)體器件加工工業(yè)利用完善的清洗步驟去除硅片表面的有機(jī)和金屬殘留物以及雜質(zhì)。生產(chǎn)過程中使用的試劑純度和加工工廠的空氣質(zhì)量是重要的考慮因素。硝酸 (HNO3) 在半導(dǎo)體器件的制造中發(fā)揮重要作用，因此需要有超高純度。硝酸和氫氟酸混合物用于蝕刻單晶硅和多晶硅。HNO3 還與磷酸及乙酸混合用于濕法蝕刻鋁。HNO3 還可作為試劑用于制備其他半導(dǎo)體材料。HNO3 (69.0%–70.0%) 的 SEMI 標(biāo)準(zhǔn) C35-0708 B 級(jí)方案規(guī)定若干種元素的污染物濃度應(yīng) < 1 µg/L (ppb)[1]。工業(yè)級(jí) HNO3 的濃度通常為 60%–68%，具體取決于生產(chǎn)方法。本研究采用串聯(lián)四極桿 ICP-MS (ICP-MS/MS) 直接分析未經(jīng)稀釋的 HNO3。該方法可簡(jiǎn)化樣品前處理，并避免在稀釋過程中引入污染物。
實(shí)驗(yàn)部分樣品和標(biāo)樣本研究使用兩種 HNO3 樣品：• 樣品 1：68% HNO3（高純級(jí)）• 樣品 2：61% HNO3（電子級(jí) ― 低純度）無需進(jìn)一步的樣品前處理，因?yàn)樗袠悠范贾苯右隝CP-MS/MS。使用標(biāo)準(zhǔn)加入法 (MSA) 進(jìn)行校準(zhǔn)和定量分析。將多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 (SPEX CertiPrep, NJ, US) 加入每個(gè) HNO3 樣品類型中，配制加標(biāo)濃度為 5、10、20、30、40 ppt 的標(biāo)準(zhǔn)溶液。硝酸溶液的密度隨酸濃度而變化，進(jìn)而影響 ICP-MS 進(jìn)樣中的樣品傳輸、霧化和液滴蒸發(fā)過程。因此，為了獲得最準(zhǔn)確的分析，用于加標(biāo) MSA 校準(zhǔn)溶液的酸級(jí)別（濃度）應(yīng)與樣品的酸濃度大致匹配。ICP-MS MassHunter 可將 MSA 校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為外部校準(zhǔn)，以測(cè)定酸濃度相似的其他硝酸樣品中的污染物含量。溶液在臨分析前進(jìn)行配制。所有前處理和分析均在 10000 級(jí)潔凈室中進(jìn)行。
儀器本研究采用半導(dǎo)體配置的 Agilent 8900 ICP-MS/MS 儀器。該儀器標(biāo)配 PFA-100 霧化器、帕爾貼冷卻石英霧化室、石英炬管、鉑尖采樣錐和截取錐以及 s 透鏡。霧化器在自吸模式下操作，能夠減小接觸蠕動(dòng)泵管線引起的樣品污染。如果常規(guī)分析大量未稀釋的 HNO3 樣品，建議安裝大尺寸 (18 mm)內(nèi)插鉑采樣錐。安裝干泵選件和球型接口閥套件，可以最大限度避免內(nèi)部 ICP-MS 組件的長(zhǎng)期腐蝕。
在高級(jí)半導(dǎo)體應(yīng)用中，關(guān)鍵要求是達(dá)到每種分析物的絕對(duì)檢測(cè)限 (DL)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，測(cè)量超痕量污染物的實(shí)驗(yàn)室可使用多重調(diào)諧方法，其中在測(cè)量各種溶液的過程中依次采用多個(gè)調(diào)諧步驟。該方法可優(yōu)化調(diào)諧條件，使其在對(duì)每種分析物保持靈敏度的同時(shí)，能夠除去不同類型的干擾物。在本工作中，對(duì)大量被測(cè)分析物采用了多種反應(yīng)池氣體（H2、O2和 NH3）以及適當(dāng)?shù)睦?、熱等離子體條件。調(diào)諧條件如表 1 所示，其他采集參數(shù)如表 2 所示。
結(jié)果與討論DL 和 BEC使用在多種調(diào)諧模式下運(yùn)行的 8900 ICP-MS/MS 總共測(cè)量了49 種元素，在每個(gè)樣品瓶的單次進(jìn)樣過程中自動(dòng)切換調(diào)諧模式。每種模式的數(shù)據(jù)將自動(dòng)合并到每個(gè)樣品的單個(gè)報(bào)告中。表 3 中顯示了未稀釋的 68% HNO3（樣品 1）中的 DL 和背景當(dāng)量濃度 (BEC)。穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果在報(bào)告的“長(zhǎng)期穩(wěn)定性"部分討論。
表 4 顯示通過 MSA 測(cè)得的高純 68% HNO3 和電子級(jí) 61%HNO3 中所有 SEMI 規(guī)格元素[1] 的定量數(shù)據(jù)。為獲得最高準(zhǔn)確度，本研究采用單獨(dú)的 MSA 校準(zhǔn)對(duì)所測(cè)兩種不同濃度級(jí)別的硝酸進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，如果測(cè)量相似級(jí)別（酸濃度）的其他樣品，MSA 校準(zhǔn)可輕松自動(dòng)轉(zhuǎn)換為外部校準(zhǔn)曲線。外部校準(zhǔn)可用于測(cè)量后續(xù)樣品，無需在每個(gè)額外樣品中進(jìn)行 MSA 加標(biāo)。所有 SEMI 目標(biāo)元素均獲得良好線性，如 B、Na、Al、K、Ca、As 和 Pb 的代表性校準(zhǔn)曲線所示（圖 1）。通常，將定量值與稀釋因子（硝酸通常約為 10 倍）相乘，獲得每個(gè)樣品中的濃度。但在本研究中，定量值等于原始樣品中的樣品濃度，因?yàn)樗嵛唇?jīng)稀釋直接接受測(cè)量。表 4 中的結(jié)果表明，研究的所有 49 種元素的分析濃度均明顯低于 SEMI 標(biāo)準(zhǔn) C35-0708 B 級(jí)中規(guī)定的低于 1 ppb 的 HNO3 [1]。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性通過測(cè)量所有元素加標(biāo)濃度為 30 ppt 的 68% HNO3 樣品，評(píng)估長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在序列一開始生成校準(zhǔn)曲線。然后將加標(biāo)樣品作為未知樣品進(jìn)行分析，總分析時(shí)間為 6.5 小時(shí)。21 次分析結(jié)果的 RSD 如表 3 所示（穩(wěn)定性測(cè)試 RSD%）。整個(gè)分析期間保持良好的穩(wěn)定性，RSD 在 0.4% 至 5.5% 之間。S 和 P 的長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果可靠性較低，這是由于未加標(biāo)樣品中濃度較高（P 為 83 ppt；S 為 65 ppt），而加標(biāo)濃度較低 (30 ppt)。
結(jié)論在 MS/MS 模式下運(yùn)行的 Agilent 8900 ICP-MS/MS 能夠提供高純度硝酸中超痕量元素分析所需的靈敏度、低背景以及對(duì)干擾物質(zhì)的控制。本研究測(cè)定了未稀釋的高純 68% HNO3 中亞 ppt 至 ppt 水平的49 種元素。0–40 ppt 之間所有元素的校準(zhǔn)曲線都呈線性。高純 68% HNO3 中的 SEMI 規(guī)定元素可在幾個(gè) ppt 或亞 ppt 濃度下定量。在持續(xù) 6.5 小時(shí)的未稀釋高純 68% HNO3 序列中，除P 和 S 之外的所有元素在 30 ppt 加標(biāo)濃度下的重現(xiàn)性結(jié)果為0.4%–5.5% RSD。該結(jié)果證明 Agilent 8900 半導(dǎo)體配置 ICP-MS/MS 適用于高純度半導(dǎo)體級(jí)試劑和制程化學(xué)品的常規(guī)分析。
