Analysis of Ultratrace Impurities in High Silicon Matrix Samples by ICP-QQQ

Význam tématu

Udržení extrémně nízkých koncentrací kovových nečistot v křemíkových matricích je klíčové pro výrobu integrovaných obvodů s vysokou hustotou tranzistorů a spolehlivostí. I stopové množství kovů na úrovni ppt může ovlivnit výkon, spotřebu energie a životnost moderních polovodičových zařízení. Pro analýzu ultrastopových nečistot ve vzorcích s vysokou koncentrací Si jsou nezbytné vysoce citlivé a interferenčně odolné metody, jako je ICP-MS/MS s trojquadrupólem (ICP-QQQ).

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na stanovení 38 prvků v křemíkové matrici použitím přístroje Agilent 8900 ICP-QQQ vybaveného volitelným m-lensem. Cílem bylo ověřit limity detekce (BEC), přesnost, reprodukovatelnost a stabilitu metody při analýze dvou typických matricových vzorků (10 a 100 ppm Si) během jednéhodinového měřicího běhu.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky polykrystalického Si (9N) byly rozpuštěny v 1:1 směsi 38 % HF a 55 % HNO₃, čímž vznikly roztoky 1000 ppm Si, které byly naředěny na 10 a 100 ppm. Kalibrační roztoky bez Si byly připraveny v shodném acidobázickém prostředí a multielementové spike roztoky byly přidány na 50 ppt.

• Instrumentace: Agilent 8900 ICP-QQQ s inertním vstupním systémem (200 µL/min MicroFlow PFA nebulizér, PFA komora, 2,5 mm i.d. demontovatelná hořáková injektorka ze saphiru).
• Interface: Pt-tipped sampling cone a Ni-based skimmer cone pro m-lens.
• Provozní podmínky: plazma 1550 W, běžný režim s použitím ORS4 buněčných plynů (He, H₂, NH₃), MS/MS akvizice s multitune metodou.

Hlavní výsledky a diskuse

Background equivalent concentrations (BEC) všech 38 prvků byly nižší než 50 ng/L (většina pod 5 ng/L) v obou matricích, což demonstrovalo účinné odstranění Si‐odvozených polyatomových rušiv. Spike recoveries 50 ppt se pohybovaly mezi 90 % až 110 % (Fe ~112 % z důvodu lehké kontaminace). Relativní směrodatné odchylky (RSD) n=11 měření byly pod 6 %, což potvrzuje stabilitu a robustnost metody při kontinuálním provozu

Přínosy a praktické využití metody

• Citlivost na úrovni ppt ve vysokých matricích Si za běžných plazmatických podmínek.
• Automatizované přepínání buněčných plynů v MS/MS režimu umožňuje rychlou multielementovou analýzu.
• Odstranění spektrálních interferencí na Ti, Fe, Ni, Cu, Ge a dalších prvcích.
• Vhodné pro kontrolu kvality surovin a procesních chemikálií ve výrobě polovodičů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Snižování tranzistorových bran na subnanometrové rozměry vyžaduje další pokles detekčních limitů a vyšší toleranci matice.
• Integrace s online monitorováním procesů, AI a IoT pro prediktivní řízení kvality.
• Rozšíření aplikace na ostatní polovodičové materiály, např. GaAs, InP.

Závěr

Agilent 8900 ICP-QQQ s m-lensem prokázal vynikající citlivost, přesnost i stabilitu při stanovení 38 kovových prvků v křemíkové matrici až 100 ppm Si. Metoda poskytuje robustní a automatizované řešení splňující náročné požadavky současného i budoucího polovodičového průmyslu.

Reference

1. Agilent Technologies. Applications of ICP-MS: Measuring Inorganic Impurities in Semiconductor Manufacturing. 5991-9495EN.
2. Bolea‐Fernandez E., Balcaen L., Resano M., Vanhaecke F. Overcoming spectral overlap via inductively coupled plasma‐tandem mass spectrometry (ICP-MS/MS): a tutorial review. J. Anal. At. Spectrom., 2017, 32, 1660–1679.
3. McCurdy E., Woods G., Sugiyama N. Method Development with ICP-MS/MS: Tools and Techniques to Ensure Accurate Results in Reaction Mode. Spectroscopy, 2019(9):20–27.