使用NexION 2200 ICP-MS分析半导体级盐酸中的元素杂质

在半导体制造中，使用的所有组件必须为超高纯度，以确保最终产品的最佳性能。RCA清洁液（SC），通常被称为SC-2（清洁液2）或HPM（过氧化氢混合物），是盐酸（HCl）和过氧化氢（H₂O₂）的混合物。该溶液广泛用于清除硅晶片表面的离子和金属污染物。这种清洁溶液与半导体器件直接接触，所以它必须是最纯的。因此，需要超高纯度HCl来制备该溶液。根据SEMI标准C27-0918 Tier-D¹方案，高纯度HCl中的每种元素的污染水平应低于10兆分之一（ppt）。

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）已广泛应用于各种化学品中超痕量水平杂质的测定。然而，它可能受到来自等离子体和样品基体中的多原子及同量异位素离子的干扰。表1显示了HCl分析的一些潜在氯基多原子干扰。

表1.用于HCl分析的氯基多原子干扰

有多种方法可以减轻多原子干扰

消除干扰的另一种技术是在珀金埃尔默NexION^® ICP-MS仪器上使用动态反应池（DRC）技术，该技术使用四极杆来生成带通分辨率。这种配置的优点是，特定质量范围的离子通过反应池，而超出该范围的离子从反应池中排出。这个过程被称为动态带宽调谐（DBT）。DRC可以防止反应池内形成不良副产物离子，即使在使用活性非常高的气体（如NH₃和O₂）时也是如此。

珀金埃尔默的NexION 2200 ICP-MS采用通用池技术（UCT），可以在标准模式、动能甄别（KED）碰撞模式以及动态带宽调谐（DBT）反应模式下工作。UCT和三个反应气体通道的组合可以提供通用解决方案，减轻/消除质谱干扰。

在DBT反应模式下，化学活性气体与分析物或干扰物发生反应，将目标分析物转移到一个新质量（即As⁺和Se⁺与O₂反应分别形成AsO⁺和SeO⁺，与40Ar³⁵Cl⁺、38Ar³⁷Cl⁺、40Ar³⁷Cl⁺、40Ar³⁸Ar⁺和40Ar⁴⁰Ar⁺等分离）或者将干扰物转化为不干扰目标分析物的新离子（即35Cl¹⁶O⁺和35Cl¹⁶OH⁺与NH₃反应产生中性ClO和ClOH，而51V⁺和52Cr⁺不发生反应）。

所有样品制备和分析步骤均在受控实验室中100级性能的洁净间中进行。

采用标准加入法（MSA）直接分析未稀释的20%超纯盐酸（Tamapure-AA 10，Tama Chemicals，日本神奈川）。通过对几组10 mg/L多元素标准品（珀金埃尔默Pure，珀金埃尔默，美国康涅狄格州谢尔顿）进行连续稀释，并将最终标准品直接加标到20% HCl中，制备标准溶液。

所有实验均使用NexION 2200 ICP-MS（珀金埃尔默，美国康涅狄格州谢尔顿）执行。本文使用两种反应气体（NH₃和O₂）来解决质谱干扰。P、S、As和Se使用O₂为反应气体在质量转移模式中测量，其余元素以NH₃作为反应气体在On Mass模式中测量。在1%HNO₃中加入1000 ppt标准溶液，对操作条件进行优化。仪器参数和进样组件见表2。每种分析物的模式和反应池带通设置列在表3中。

表2.NexION 2200 ICP-MS的仪器条件

K、V、Cr、As和Se的校准曲线如图1所示。它们代表了使用不同模式（提取和聚焦）、反应气体（NH₃和O₂）和等离子体条件（热和冷）的分析，并在每个类别中表现出优异线性，BEC极低，只有完全清除多原子干扰的情况下才会如此。

图1.NH₃ On Mass模式下K、V和Cr以及O₂质量转移模式下As和Se的校准曲线（点击查看大图）

检测限（DL）是以20% HCl中分析物浓度的标准偏差3倍来计算的。对于所有元素，包括V、Cr、As和Se，均获得了优异DL。

背景等效浓度（BEC）是以20% HCl中分析物的浓度来测量的。因此，BEC受到HCl中实际杂质水平的影响。除Si、P、S和As外，20% HCl中其余元素均达到了BEC<10 ppt。

DLs和BECs总结见表3。

表3.20% HCl中的DLs和BECs

ICP-MS长时间耐受腐蚀性物质（如浓盐酸）的能力至关重要。图2显示了5小时运行中50 ppt多元素加标的回收率。相对标准偏差（RSD）小于3%，偏差低于15%，体现了卓越的稳定性。这种卓越的稳定性归功于具有OminRing第二代三锥接口的创新设计。

图2.20% HCl中50 ppt加标5小时的多模式分析（点击查看大图）