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使用NexION 5000 ICP-MS分析超純N-甲基吡咯烷酮中的金屬雜質
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，具有極高的溶解度，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，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的質控技術。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的有機溶劑，會改變ICP-MS離子源(等離子體)的狀態，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生器1)使等離子體維持成為可能，即使是含有復雜基質的樣品，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濃度一直是個難題。隨著所要求雜質水平的降低，一些元素在廣泛使用的相對較純的有機溶劑(如電子工業級)中的雜質濃度很高，2這已成為半導體級分析的障礙。有機溶劑中的雜質濃度反映在背景等效濃度(BEC)值中，因此必須優化BEC值以獲得定量下限。因此，許多質控(QC)實驗室使用經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。根據蒸餾環境和其他因素的不同，還可能會出現污染。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。
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采用自激式射頻發生器和LumiCoilTM射頻線圈1的組合，在有機溶劑測量中具有穩健性和高穩定性。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能夠實現出色的BEC，并具有極佳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，可將干擾離子轉變為非離子成分或不同質量的離子，或產生目標元素的簇離子(質量轉移)。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(反應副產物)。
在MS/MS模式下，可將Q1和Q3設置為相同的質量；而在質量轉移模式下，可將待分析元素作為產物離子通過質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
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的掃描模式和配置(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)的卓越品質。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配備了最新技術，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生器，表現出卓越的痕量分析性能，包括有機溶劑測量中出色的光譜干擾消除能力。
我們衷心感謝FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corporation為本研究提供了高純度的NMP。
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.https://labchem-wako.fujifilm.com/us/category/00282.html
(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.https://biz.fujifilm.com/ffwkLP_SP-NMP_contact.html
(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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