使用NexION 5000 ICP-MS分析高纯度硅基质中的痕量污染物

2023-11-11 20:43:53, 珀金埃尔默珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司

由于地壳90%以上均由硅酸盐矿物组成，因此硅成为地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧(按质量计约占28%)¹。大约20%的硅矿物被精炼至冶金级纯度，然后将少量进一步精炼至半导体级纯度，通常是99.9999999%级或更高纯度。20世纪末至21世纪初被称为硅时代，因为工业硅对世界经济产生了巨大的影响。在半导体电子工业中广泛应用高纯工业硅，这对于现代技术许多领域中晶体管和集成电路芯片的生产至关重要。

样品和标准溶液制备

对不同来源的多晶硅和晶圆样品进行分析。有些样品以液体形式提供，另一些则以需要消解的固体形式提供。消解方法是用1:1的HF和HNO₃ (Tamapure，半等级，日本东京)混合物进行溶解，然后用超纯水稀释至浓度为1000 ppm、1500 ppm和2000 ppm Si。酸混合物的最终浓度为2%~6%不等。

采用标准加入法(MSA)，依据样品中的污染物浓度在0~1000 ppt的不同浓度下进行校准。加标物由10 ppm多元素校准标准品(PE纯，珀金埃尔默公司，美国康涅狄格州谢尔顿) 制成。

仪器和仪器条件

ICP-MS是最灵敏、最准确的痕量元素分析技术，NexlON^® 5000多重四极杆ICP-MS²将新颖的第二代三锥接口 (TCI) 与OmniRing技术³、专有等离子发生器、LumiCoil™射频线圈、具有动态带通调谐功能的通用池技术⁴以及多重四极杆技术整合在一起，增强了仪器的分析性能、灵敏度以及可靠性。在通用池中使用纯反应气体(NH₃、O₂、H₂、NF₃等)搭配动态带通调谐和多重四极杆技术，可以非常有效地消除光谱干扰，同时积极防止反应池中形成新的干扰。分析Si基质样品的操作参数如表1所示。

表1: NexION 5000 ICP-MS的仪器参数

干扰

在常规ICP-MS分析中，存在两种类型的干扰：非光谱（物理和基质效应）和光谱 (同量异位素和多原子)⁵。在分析消解硅时，会遇到基质干扰和光谱干扰。由于样品中总溶解固体(TDS)含量较高，与无基质匹配标准品相比，分析物信号可能会受到抑制，从而导致分析结果错误。校准标准品基质匹配或标准加入法（MSA）以及内标物是补偿非光谱类型干扰的常用方法。

分析硅基质时，多种光谱干扰会影响结果的准确性。因此，需要一种与干扰管理相结合的适当方法。表2显示了常见硅基干扰的示例。

表2：消解硅基质中可能存在的干扰

结果和讨论

如引言所述，本应用文献主要关注表2中所列的受硅物质干扰的元素。硼不受硅的干扰，但由于半导体制造商对其非常关注，将其纳入分析中。在纯硅基质中掺杂硼和元素周期表III族的一些其他元素，形成p型半导体材料同时添加P和V族的一些其他元素，得到n型材料。

采用标准加入法(MSA) 生成的多晶硅-2校准曲线如图1所示。尽管它们是使用不同的模式(MS/MS和质量转移)和反应气体获得的，但均表现出良好的线性。截距表示该特定样品中污染物的水平。

图1：采用MSA获得的2000ppm Si (P为1500ppm Si)校准曲线示例

结论

NexION 5000多重四极杆ICP-MS性能稳定，适合对高浓度硅基质中ppt级的超痕量杂质进行常规定量分析，符合半导体和太阳能行业的要求。数据表明，通用池中的反应模式与多重四极操作相结合，可以有效地消除硅源干扰。该技术可以分析浓缩硅基质的污染物，为这些行业中的所有关键元素提供可靠、无干扰的结果。

参考文献

1. Wikipedia, free online encyclopedia,

https://www.wikipedia.org

2. “NexON 5000 Multi-QuadrupolelCP-MS”PerkinElmerProduct Note, 2020.

3. Badiei H. et al., "Advantages of a Novel Interface Designfor NexlON 5000 ICP-MS" PerkinElmer Technical Note.2020.

4. Badiei H. et al., “Multimode Cells and Methods of UsingThem", United States Patent 8,426,804 B2, Apr.23, 2013.

5. Pruszkowski E., "Interferences in ICP-MS: Do we still haveto worry about them?”, PerkinElmer Technical Note, 2021.