珀金埃爾默ICP-MS分析半導(dǎo)體級(jí)化學(xué)品
簡(jiǎn)介 半導(dǎo)體制造工藝需要用到各種化學(xué)品,,同時(shí)還 要不斷降低其中金屬雜質(zhì)的濃度,。電感耦合等 離子體質(zhì)譜(ICP-MS)是分析化學(xué)品金屬雜 質(zhì)靈敏的技術(shù)之一,,也是半導(dǎo)體行業(yè)分析工具,。為了測(cè)定痕量級(jí)金屬雜質(zhì),, 大多數(shù)化學(xué)品都是在稀釋情況下進(jìn)行分析,。然而,ICP-MS的靈敏度受較高濃度的 化學(xué)品影響,,需要使用標(biāo)準(zhǔn)添加法(MSA)來補(bǔ)償靈敏度的變化,。 在MSA中,將不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到樣品溶液中。這一過程可通過在不同的瓶子中制 備加標(biāo)樣品溶液來完成,,或者僅將標(biāo)準(zhǔn)溶液加標(biāo)到一個(gè)瓶中,,并在每次分析后添加更多 的標(biāo)準(zhǔn)溶液,以此來制備不同濃度水平的溶液,。在將單ppt或亞ppt水平的樣品設(shè)為目標(biāo) 時(shí),,單瓶方法,因?yàn)楸3趾途S護(hù)無污染瓶子的難度極大,。為確保足夠的準(zhǔn)確度,,需 要借助具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能的系統(tǒng),以便將高精度低體積標(biāo)準(zhǔn)溶液輸送到樣品溶液中,。 本文介紹了如何使用與珀金埃爾默NexION® 5000 ICP-MS聯(lián)用的自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)添加系統(tǒng) (ASAS)來分析半導(dǎo)體級(jí)H2SO4和HCl中的金屬雜質(zhì),。
實(shí)驗(yàn) 試劑和樣品 儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液(1% HNO3中濃度2 ppb和0.5% HNO3中濃度 0.1 ppb)由用于ASAS的10 ppm多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液制備 ( XSTC-622B,SPEX CertiPrep,, 美國(guó)新澤西 ) ,。 TAMAPURE AA-100 HNO3(Tama Chemicals Co., Ltd., 日本神奈川))用于酸化標(biāo)準(zhǔn)溶液,。 使用純ω去離子水(DIW)(Organo Corp.,,日本東京), 所有化學(xué)品均在無塵室內(nèi)的ISO 5級(jí)潔凈氣流中制備,。半導(dǎo) 體級(jí)鹽酸(HCl)和硫酸(H2SO4)購(gòu)自日本市場(chǎng),。
儀器 ASAS將幾μL/min標(biāo)準(zhǔn)溶液注入樣品溶液管線,以從標(biāo)準(zhǔn)溶 液創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線,。ASAS安裝在自動(dòng)進(jìn)樣器和NexION 5000 多四極桿ICP-MS之間,。樣品溶液通過PFA管和兩個(gè)PCTFE 連接器從小瓶(位于自動(dòng)進(jìn)樣器)自動(dòng)吸入ICP-MS的霧化器 中。通過特殊的注射泵將定量環(huán)中的多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液注入到樣 品管線中,,從而自動(dòng)生成校準(zhǔn)曲線,。蠕動(dòng)泵也可用于輸送樣品 溶液,但自吸式,,以防因使用蠕動(dòng)泵管而引入污染,。
當(dāng)使用自吸式泵時(shí),采樣速度取決于化學(xué)品的粘度,,因此務(wù)必 準(zhǔn)確掌握采樣速度,。ASAS在樣品管線中配備了兩個(gè)光電傳感 器,用于檢測(cè)從閥門C引入的小氣泡,,其在兩個(gè)光電傳感器之 間的移動(dòng)時(shí)間與進(jìn)樣速度呈線性關(guān)系,。光電傳感器連接到PFA 樣品管線外部,并測(cè)量光的傳輸強(qiáng)度,。這種簡(jiǎn)單的樣品路徑配 置可最大限度地減少各種化學(xué)品中亞ppt級(jí)金屬分析的污染和 記憶效應(yīng),。 ASAS的關(guān)鍵技術(shù)是消除了從定量環(huán)到樣品溶液管線的閥 門。此過程如圖1所示:
1. 閥門A打開,注射器通過PFA管更寬的內(nèi)徑僅把標(biāo)準(zhǔn)溶液從 儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液瓶吸入到定量環(huán),。 a. 由于樣品溶液管線處于負(fù)壓狀態(tài),,且定量環(huán)和樣品溶液 管線之間設(shè)有較小的毛細(xì)管,可防止樣品溶液被吸入定 量環(huán),。 b. 注射器和定量環(huán)容積分別為1000 μL和800 μL,。 2. 通過一次注射器抽吸將標(biāo)準(zhǔn)溶液注入定量環(huán)中,接著關(guān)閉閥 門A,,開啟閥門B,,以此將注射器中的標(biāo)準(zhǔn)溶液通過閥門B排 放到廢液瓶中。 3. 重復(fù)上述步驟清潔定量環(huán) a. 定量環(huán)中只能填充和保存干凈的標(biāo)準(zhǔn)溶液,。 4. 當(dāng)需要添加標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí),,注射器將定量環(huán)中的標(biāo)準(zhǔn)溶液推至 樣品溶液管線。 5. 當(dāng)注射器中剩余溶液的體積低于規(guī)定值時(shí),,完成當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)溶 液添加序列后立即自動(dòng)重新填充標(biāo)準(zhǔn)溶液,。
通過ASAS的理論標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣量為0.1-99.99 μL/min,但是實(shí) 際進(jìn)樣量范圍建議為0.5-10 μL/min,。這是因?yàn)檫^低的進(jìn)樣量需 要更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間來對(duì)進(jìn)樣管線加壓,,而更高的進(jìn)樣量會(huì)稀釋 樣品溶液。
儀器條件 表1列出了NexION 5000 ICP-MS的儀器條件,。DIW分析采用了 高進(jìn)樣速度的石英進(jìn)樣系統(tǒng),,以避免被PFA管吸附。對(duì)于 H2SO4和HCl分析,,使用了帶有C-Flow S型霧化器的PFA進(jìn)樣 系統(tǒng)(Savillex, Minnesota,,美國(guó))。 NH3和O2反應(yīng)氣體用于克服干擾問題,。 ASAS軟件與Syngistix™軟件的開發(fā)套件進(jìn)行通信,,以便創(chuàng)建 數(shù)據(jù)集并將采集方法從ASAS軟件切換到Syngistix軟件。將樣 品溶液置于SC-μ自動(dòng)進(jìn)樣器(Elemental Scientific Inc.,,美國(guó) 內(nèi)布拉斯加州奧馬哈)上,,并在ASAS軟件中建立序列。分析 步驟如下:
1. 將自動(dòng)進(jìn)樣器探頭移至樣品瓶中,。
2. ASAS軟件在Syngistix軟件中啟動(dòng)采集方法,,同時(shí)NexION 5000等待來自ASAS的觸發(fā)信號(hào)。
3. 等待進(jìn)樣管中的樣品溶液更換后,,ASAS向NexION 5000發(fā) 送觸發(fā)信號(hào)。
4. 對(duì)未加標(biāo)樣品進(jìn)行分析,,之后用Syngistix軟件生成計(jì)數(shù)報(bào)告 文件,。
5. ASAS軟件從Syngistix軟件中檢索計(jì)數(shù)報(bào)告文件,并停止觸 發(fā)信號(hào)。
6. ASAS在進(jìn)樣管線中引入了一個(gè)小氣泡并測(cè)量進(jìn)樣速度,。
7. ASAS開始注入標(biāo)準(zhǔn)溶液,,以達(dá)到ASAS軟件中規(guī)定的第一 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度。如果進(jìn)樣速度為100 μL/min,,且ASAS儲(chǔ)備標(biāo) 準(zhǔn)溶液濃度為1 ppb,,則從ASAS注入1 μL/min的ASAS儲(chǔ)備 標(biāo)準(zhǔn)溶液,以獲得10 ppt的濃度,。
8. 等待一段穩(wěn)定時(shí)間后,,ASAS向NexION 5000發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。 9. 重復(fù)步驟4至8,,直到完成所有標(biāo)準(zhǔn)溶液水平的分析,,并將 自動(dòng)進(jìn)樣器探頭移至沖洗端口。
結(jié)果和討論 圖2顯示了使用ASAS進(jìn)樣的NexION 5000 ICP-MS上的信 號(hào)穩(wěn)定性,。以202 μL/min的速度自吸1% HNO3溶液中濃度 為0.5 ppb的In標(biāo)準(zhǔn)溶液,,從ASAS注射器中以10、5.0,、2.5,、 1.0、0.5和0.25 μL/min的速度加入5% HNO3中濃度為100 ppb的Li,、Mg,、Ge、Sr和Zr溶液,??梢郧宄乜吹剑?NexION 5000 ICP-MS上進(jìn)行分析時(shí),,即使在0.25 μL/min 的進(jìn)樣速度下,,使用ASAS進(jìn)樣也顯示出非常穩(wěn)定的信號(hào)。
去離子水(DIW)分析 DIW由霧化器自吸,,接著ASAS通過向樣品管線中注射少量空 氣測(cè)量進(jìn)樣速度,,同時(shí)ASAS加入標(biāo)準(zhǔn)溶液,從而分別得到0,、 0.1,、0.5、1,、2和5ppt的濃度,。表2顯示了分析結(jié)果和NexION 5000條件,而圖3顯示了校準(zhǔn)曲線,。
在分析方面,,在熱等離子體條件下DIW中發(fā)現(xiàn)所有元素(甚至堿土元素)均具有≤1 ppt的出色BEC和DL,,表明NexION 5000 ICPMS具有較好的抗干擾能力。除Fe和Se外,,對(duì)于其余元素硫酸均具有低于1 ppt的出色BEC,,表明有可能受到這些元素的污染。在 10% H2SO4中,,除Cr和Zn外,,其他元素的DL均≤1 ppt。在15% HCl中,,除 Ca,、Fe、As,、Se和Mo外,,所有元素的BEC均<1 ppt。 除As和Se外,,所有元素DL均≤1 ppt,。HCl比其他酸(如HNO3)更難純化,且污染物水平往往更高,。
結(jié)論 本工作展示了ASAS與NexION 5000多四極桿ICP-MS集成,, 用于DIW、10% H2SO4和15% HCl中28種元素的低ppt和亞 ppt分析,。 ASAS能夠通過與ICP-MS的Syngistix軟件輕松集成,,提供自 動(dòng)和在線MSA校準(zhǔn)。該款用戶友好型進(jìn)樣系統(tǒng)無需閥門,,因 而最大限度地降低了記憶效應(yīng)和樣品污染的風(fēng)險(xiǎn),。由于在樣 品運(yùn)行過程中分析了各種化學(xué)品,每種化學(xué)品都有不同的粘 度,、蒸氣壓,、沸點(diǎn)和表面張力,因此需要使用MSA方法進(jìn)行 校準(zhǔn),,以便進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析,。使用ASAS結(jié)合NexION 5000多四極桿ICP-MS,能夠提供以下優(yōu)勢(shì):
• 快速,、簡(jiǎn)單,、高效的MSA校準(zhǔn)和樣品測(cè)量; • 簡(jiǎn)易集成ASAS與ICP-MS Syngistix軟件,;
• NexION 5000 ICP-MS具有出色的抗干擾能力,,即使在熱 等離子體條件下,DIW中所有元素的BEC也能達(dá)到亞ppt 水平,;
• 評(píng)估的所有基質(zhì)都具有出色的BEC和DL,,即使是H2SO4 和HCl等濃酸,。
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