Analysis of Nanoparticles in Organic Reagents by Agilent 8900 ICP-QQQ in spICP-MS Mode

Význam tématu

V moderním průmyslu polovodičů mohou již stopy kovových nanočástic (NP) v čistících a leptacích kapalinách způsobit defekty na waferu, jako jsou tzv. „cone defects“, které vedou ke zkratu elektrických signálů a snižují výtěžnost i spolehlivost výrobků. Kvantitativní stanovení kovových nanočástic v organických rozpouštědlech je proto klíčové pro kontrolu kvality v procesu výroby polovodičů.

Cíle a přehled studie

Cílem této studie bylo ověřit použitelnost metody single particle ICP-MS (spICP-MS) v režimu MS/MS na Agilent 8900 ICP-QQQ pro stanovení magnetitových nanočástic Fe3O4 o velikosti 25 a 30 nm v organických rozpouštědlech používaných v polovodičovém průmyslu: isopropylalkohol (IPA), propylenglykol methyl ether acetate (PGMEA) a butylacetát (BuAc). Studie se zaměřila na citlivost, selektivitu, linearitu a dlouhodobou stabilitu měření.

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorky: Standardní suspenze Fe3O4 NP o nominálních průměrech 25 a 30 nm (Sigma Aldrich) byla navázána do IPA, PGMEA a BuAc. Aqueózní roztok železa (1000 ppm) sloužil k určení ionické citlivosti.
• Instrumentace: Agilent 8900 ICP-QQQ s kvadrupóly Q1/Q2 nastavenými na m/z 56, provozovaný v MS/MS režimu. Rychlá analýza ve Fast Time Resolved Analysis (TRA) s dobou akvizice 100 µs/dwell.
• Reakční plyn: Ammoniak (NH3) pro potlačení ArO a C2O2 rušení a kyslík (20 % O2 v Ar) přidávaný do vzorkové linie pro minimalizaci karbonových depozit na konické elektrody.
• Vstupní systém: Quartzová hořáková tryska (1,5 mm i.d.), PFA nebulizér a quartzová spray komora, autosampler SPS 4 s kontinuálním proplachem ultrapure vodou.

Hlavní výsledky a diskuse

• Rozlišení signálu nanočástic od pozadí: 30 nm Fe NP (5 ppt) vykázaly jasně oddělené píky od backgroundu ve všech třech rozpouštědlech.
• Stanovená střední velikost: ~30 nm, v dobré shodě s nominálními hodnotami.
• Nebulizační efektivita: přibližně 30 % (z poměru hmotnost analyzované částice k hmotnosti dodané do nebulizéru).
• Ionická citlivost Fe: 1500–2400 cps/ppt v závislosti na rozpouštědle.
• Mezní velikost částic (LoD): ~18 nm, omezená pozadím ionického Fe (BEC ≈ 0,6 ppt).
• Linearita: Rozsah 0,1–2 ppt pro 25 nm Fe NP s korelačním koeficientem R² = 0,998.
• Dlouhodobá stabilita: Po 12 hodinách kontinuálního měření zůstaly detekovaný počet částic i průměrná velikost konstantní s nízkými %RSD.

Přínosy a praktické využití metody

• Spolehlivá charakterizace velikosti, koncentrace a počtu kovových nanočástic v organických polosystémech.
• Analytická podpora pro kontrolu kvality reagencií v polovodičovém průmyslu.
• Schopnost potlačit spektrální rušení a minimalizovat pozadí zajišťuje vysokou přesnost a citlivost stanovení.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na více prvcové analýzy nanočástic (multielementární spICP-MS).
• Aplikace na další organické a vodné procesní chemikálie v průmyslovém prostředí.
• Vývoj inline a online monitorovacích systémů pro nepřetržitou kontrolu kvality.
• Optimalizace metodiky pro snížení detekčního limitu a rozšíření rozsahu měřitelné velikosti částic.

Závěr

Metoda spICP-MS na Agilent 8900 ICP-QQQ v MS/MS režimu prokázala vynikající schopnost detekovat a charakterizovat magnetitové nanočástice Fe3O4 o velikosti od 18 do 30 nm v organických rozpouštědlech s nízkou až ultranízkou koncentrací. Dosahuje vynikající linearity, stability a nízkého pozadí, což ji činí ideální pro QC v polovodičovém průmyslu a dalších průmyslových aplikacích.

Reference

• Hagiwara T. et al. Study on Cone-defects during the Pattern Fabrication Process with Silicon Nitride, J. Photopolym. Sci. Technol., 28(1), 2015, 17–24.
• Yamanaka M., Wilbur S. Measuring Multiple Elements in Nanoparticle using spICP-MS, Agilent Tech. Publ., 5994-0310EN.
• Shimamura Y., Hsu D., Yamanaka M. Multielement Nanoparticle Analysis of Semiconductor Process Chemicals Using spICP-QQQ, Agilent Tech. Publ., 5994-0987EN.
• Yamanaka M., Wilbur S. Accurate Determination of TiO2 Nanoparticles in Complex Matrices using the Agilent 8900 ICP-QQQ, Agilent Tech. Publ., 5991-8358EN.