近年來，隨著半導體器件變得越來越小、越來越精密，防止造成產(chǎn)量損失的金屬污染變得至關重要。因此，需要對制造過程中使用的化學品進行嚴格的雜質(zhì)控制。制造過程中會用到多種有機溶劑，例如異丙醇(IPA)、丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、丙二醇甲醚(PGME)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。其中，NMP是常見的極性溶劑，具有很高的溶解度，而且因其沸點高、凝固點低而非常易于處理。正因為這一性質(zhì)，NMP被用作典型的光刻膠剝離液。如果剝離液中的金屬殘留在電路圖案中，這些金屬可能會影響半導體的電氣和其他特性。因此，所使用的NMP必須為高純度。
電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)是一種高靈敏度的定量方法，可檢測出ng/L(ppt)和pg/L(ppq)級的多種元素，因此常用作有機溶劑和光刻膠中元素雜質(zhì)的質(zhì)控技術。過去，一般認為ICP-MS難以直接測量有機溶劑和光刻膠等有機化合物。因此，此類樣品在測量前需用硝酸進行酸分解。這是由于引入了比水溶液更易揮發(fā)的有機溶劑，會改變ICP-MS離子源(等離子體)的狀態(tài)，使等離子體難以維持。然而，該預處理過程有可能造成污染，這一直是精確雜質(zhì)分析中存在的一個難題。然而，珀金埃爾默采用的技術(如自由運行的射頻發(fā)生器1)使等離子體維持成為可能，即使是含有復雜基質(zhì)的樣品，也能直接將有機溶劑引入等離子體。這大大減少了耗時的準備工作和酸解過程中的污染，實現(xiàn)了有機溶劑的直接分析，此外還可以通過簡單稀釋進行有機化合物的分析(如光刻膠)。
然而，商用有機溶劑中的元素雜質(zhì)濃度一直是個難題。隨著所要求雜質(zhì)水平的降低，一些元素在廣泛使用的相對較純的有機溶劑(如電子工業(yè)級)中的雜質(zhì)濃度很高，2這已成為半導體級分析的障礙。有機溶劑中的雜質(zhì)濃度反映在背景等效濃度(BEC)值中，因此必須優(yōu)化BEC值以獲得定量下限。因此，許多質(zhì)控(QC)實驗室使用經(jīng)過蒸餾提純的有機溶劑進行ICP-MS分析。3然而，由于這種蒸餾過程在有機溶劑的沸點以下進行，因此其缺點是十分耗時。根據(jù)蒸餾環(huán)境和其他因素的不同，還可能會出現(xiàn)污染。此外，在不進行酸解等預處理而直接引入樣品來對有機溶劑中的雜質(zhì)進行評估時，必須完全去除氬和碳造成的光譜干擾，因為在分析過程中無法減去空白值。因此，ICP-MS需要具有更高的干擾消除能力。
本應用簡報報告了使用NexION® 5000多重四極桿ICPMS分析超純NMP中37種元素的結果。
1 實驗
樣品和標準溶液制備
本研究使用超高純級Supreme Pure(SP)-NMP4(FUJIFILM Wako Pure Chemicals Co., Ltd.)進行了分析。將多元素混合標準溶液(珀金埃爾默)和單元素標準溶液(珀金埃爾默)作為標準溶液加入樣品中。
儀器
使用NexION 5000多重四極桿ICP-MS進行測量。NexION 5000采用自激式射頻發(fā)生器和LumiCoilTM射頻線圈1的組合，在有機溶劑測量中具有穩(wěn)健性和高穩(wěn)定性。采用OmniRing技術5的第二代三錐接口有助于提高信噪比(S/B)。此外，四極桿類型的通用池允許使用無需稀釋的純反應氣。這些特點結合在一起，使NexION 5000能夠?qū)崿F(xiàn)出色的BEC，并具有很好的光譜干擾消除能力。
儀器條件列于表1中。使用未稀釋(100%)的NH3、O2、H2或這些氣體混合物的反應(DRC)模式是消除光譜干擾的一種非常有效的方法，可將干擾離子轉(zhuǎn)變?yōu)榉请x子成分或不同質(zhì)量的離子，或產(chǎn)生目標元素的簇離子(質(zhì)量轉(zhuǎn)移)。通過使用100%的反應氣體，可以用較少量的氣體有效消除干擾并產(chǎn)生簇離子，而且反應池中的四極桿帶通模式可以防止形成新的干擾(反應副產(chǎn)物)。
在MS/MS模式下，可將Q1和Q3設置為相同的質(zhì)量；而在質(zhì)量轉(zhuǎn)移模式下，可將待分析元素作為產(chǎn)物離子通過質(zhì)量較高的反應氣體進行測量。一些沒有光譜干擾的元素則在標準(STD)模式下進行測量，此時反應池中沒有氣體通入。
表1.儀器參數(shù)
2 結果和討論
表2顯示了SP-NMP分析的BEC和檢出限(LOD)。
通過對每種元素使用適當?shù)膾呙枘Ｊ胶团渲?反應池氣體和等離子體條件)，我們能夠獲得所有37種元素的BEC值(低于ppt)。這表明NexION 5000具備有效的光譜干擾消除能力，以及超純NMP(SP-NMP)的良好品質(zhì)。值得注意的是，Na和Cu在無需蒸餾的情況下也獲得了良好的結果，而這往往是電子工業(yè)級NMP的一個特殊問題。
表2.SP-NMP中的BEC和LOD
注釋:表中還顯示了低于LOD為BEC
結論
NexION 5000 ICP-MS配備了新技術，包括專有的多重四極桿技術、LumiCoil負載線圈和自由運行的射頻發(fā)生器，表現(xiàn)出很好的痕量分析性能，包括有機溶劑測量中出色的光譜干擾消除能力。
致謝
我們衷心感謝FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corporation為本研究提供了高純度的NMP。
所用耗材
參考文獻
1.Cheung T.S., et al.,“Advantages of a Novel Plasma Generator for the NexlON 1100/2200/5000 ICP-MS Systems”PerkinElmer Technical Note, 2024.
2.(FUJlFILM Wako Pure Chemical Corporation Website)
3.Kobayashi K., et al., “Analysis of Metallic lmpurities in Organic Solvents Used in lC Fabrication with the NexlON 5000 ICP-MS” PerkinElmer Application Note, 2021.
4.(FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation Website)
5.Badiei H., et al., "Advantages of a Novel Interface Design for the NexlON 2200/5000 ICP-MS" PerkinElmer TechnicalNote, 2023.
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