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簡介 超純水（UPW）在半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用廣泛， 而雜質(zhì)會對半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量和總產(chǎn)量產(chǎn)生 直接影響。因此，需要對雜質(zhì)進行控制。電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS)能夠精確定量低濃度元素，因此常被用于定量雜質(zhì)的 sub-ppt 濃度。隨著超純水在半導(dǎo)體設(shè)備制造中的廣泛應(yīng)用，許多實驗室需要在相對較短的時間內(nèi)得出 sub-ppt 檢出限，以便快速對超純水中的雜質(zhì)作出響應(yīng)。

為滿足此類需求，必須先解決干擾問題，因為干擾會影響超低濃度雜質(zhì)的檢出能力，并縮短樣本 到樣本的運行時間。在 ICP-MS 中，顯著的干擾形式通常是多原子離子干擾，通過在碰撞/反應(yīng) 池中使用碰撞/反應(yīng)氣可以有效處理此干擾。在消除氬氣相關(guān)干擾方面，反應(yīng)氣比碰撞氣更加有 效，因為與分析物信號相比，此類干擾往往超過四個數(shù)量級。因此，反應(yīng)氣能夠?qū)⒏蓴_降至半導(dǎo) 體行業(yè)可接受的本底水平。盡管純度高、易反應(yīng)的氣體通常能夠地消除干擾，但在一些國 家，地區(qū)安全法規(guī)限制實驗室使用此類氣體。因此，此情況下通常使用反應(yīng)能力稍低的氣體，如 O2 或 H2。因為 H2 具有高度可燃性，許多實驗室更傾向于使用氫氣發(fā)生器來生產(chǎn) H2。這些裝置 可根據(jù)需要提供高純度 H2。

盡管使用此類反應(yīng)氣可在一定程度上有效處理干擾，但其他 離子因無關(guān)緊要也被允許進入池內(nèi)。鑒于此，在池的前方額 外放置四級桿分析儀會大有裨益。這樣，任何能與反應(yīng)或反 應(yīng)的副產(chǎn)物相抗衡的離子都被從離子束中過濾出來，確保只 有所需離子進入池內(nèi)，以消除干擾。這種控制進一步降低了 重要分析物的本底等效濃度（BECs）和檢出限（DLs）。 冷等離子體（即，低射頻功率2）的重要功能是能夠檢測超純 水中低水平的雜質(zhì)，因此可用來消除氬氣相關(guān)的質(zhì)譜干 擾。這種操作模式可降低等離子體內(nèi)的能量，減少氬離子的 形成，從而限制等離子氣體生成干擾。此外，由于實驗室通 常需要相對快速地提供解決方案，因此，將 ICP-MS 和全數(shù) 字射頻發(fā)生器搭配使用，可以在冷熱等離子體之間快速切 換，而這另有裨益。

本工作描述了使用珀金埃爾默 NexION® 5000 多重四極桿 ICP-MS，測定超純水中雜質(zhì)的 DLs 和 BECs 的方法。在多 重四極桿模式、冷等離子體條件下，使用氫氣作為反應(yīng)氣進 行分析。此方法使用單個反應(yīng)氣和單組等離子體條件，可達 到 sub-ppt 檢出限和本底等效濃度，同時可顯著縮短分析所 需的時間。

實驗條件 樣品制備 使用超純水（18.27 MΩ.cm-1）制備所有的空白溶液和標(biāo)準(zhǔn) 溶液。在超純水中，從濃度為 1 ppb 的中間體儲備液中制備 出濃度為 5、10、20 和 40 ppt 的標(biāo)準(zhǔn)溶液。從多元素有證 儲備液（10 ppm，多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 3，生產(chǎn)商：珀金埃爾默 公司，地址：美國康涅狄格州謝爾頓）中制備出中間體儲備 液。

方案 按表 1 所示條件，使用 NexION 5000 多重四極桿 ICP-MS （制造商：珀金埃爾默公司，地址：美國康涅狄格州謝爾頓） 進行所有分析。通過四極桿離子偏轉(zhuǎn)器（Q0），此多重四極 桿 ICP-MS 能夠控制進入離子透鏡系統(tǒng)高真空區(qū)域的質(zhì)量 范圍，使整個系統(tǒng)更加清潔。之后，在第一個四極桿質(zhì)量分 析器（Q1）中對離子進行質(zhì)量分離，只有選定的質(zhì)量數(shù)被允 許進入通用池（Q2）。這樣，分析物離子和干擾在池內(nèi)發(fā)生 受控的反應(yīng)。反應(yīng)副產(chǎn)物在有機會發(fā)生反應(yīng)并形成新的干擾之前被排除。之 后，在第二個四極桿質(zhì)量分析器（Q2）中選出分析物質(zhì)量，以 供檢測。使用 NM-H2 Plus 氫氣發(fā)生器（制造商：珀金埃爾默 公司，地址：美國康涅狄格州謝爾頓），以滿足輸送速度要求； 產(chǎn)出的 H2 純度為 99.9999%，超出 ICP-MS 應(yīng)用對 H2 的純度 要求。據(jù)發(fā)現(xiàn)，冷等離子體模式可顯著改善許多分析物的 BECs，因此將其用于所有分析。

如表 2 所示，所用的反應(yīng)模式專門針對半導(dǎo)體行業(yè)通常所需的 某些分析物，以消除因 Si、C、O 和 Ar 而產(chǎn)生的干擾。快速 分析尤為重要，因此，為了縮短分析運行時間，低氣體流速（0.1  mL.min-1）反應(yīng)模式也被用于相對不受干擾的分析物（即，鋰、 鈹、鈉）。較高的氣體流速分別應(yīng)用于 39K+、40Ca+和 56Fe+， 以消除這些質(zhì)量中分別以 ArH+、Ar+和 ArO+形式存在的氬氣相 關(guān)的多原子離子干擾；根據(jù)經(jīng)驗確定 RPq 的最合適值并適當(dāng) 增加。在 MS/MS 多重四極桿模式下進行所有分析。1

結(jié)果和討論 繪制的校準(zhǔn)曲線（圖 1）顯示：相關(guān)系數(shù)（r2）>0.999(n=4+ 空白)。這表明：即使在冷等離子體條件下，標(biāo)準(zhǔn)溶液也足以 適用于所有分析物。

本應(yīng)用摘要中，使用超純水測定了 DLs 和 BECs，并使用 傳統(tǒng)的 3σ 方法（通常用于測定 DLs 和 BECs）進行計算。 如圖 2 所示，使用單個反應(yīng)氣和單組等離子體條件，獲取 了所有分析物的 sub-ppt 檢出限和背景等效濃度，其中每 種樣品的分析時間為116秒。盡管存在大量多原子干擾（分 別以 ArH+、Ar+和 ArO+形式存在的 39K+、40Ca+和 56Fe+）， 并且與 NH3 相比，使用氫氣作為反應(yīng)氣的有效性較低，但 卻可以很容易地按千萬億分之一（ppq）的濃度將這些元素 量化，如圖 2 所示。此外，氣體流速較低時，干擾少、受 氫氣反應(yīng)氣影響的元素（Li、Be、Na 等）相對來說仍未受 影響，并在廣泛的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出 BECs（圖 2）、 良好的線性以及始終如一的高靈敏度（圖 1）。

結(jié)論 本應(yīng)用摘要證明了 NexION 5000 多重四極桿 ICP-MS 能夠 獲得 DLs 和 BECs，包括元素 Li、Be、Na、Mg、Al、 K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Cu 和 Zn，并可以在 ppq 水平上準(zhǔn)確定量這些元素。同時發(fā)現(xiàn)，NM-H2 Plus 氫氣發(fā)生 器生成的反應(yīng)氣可以達到半導(dǎo)體應(yīng)用所需的純度水平，而不 會造成任何與實驗室氫氣氣瓶使用相關(guān)的潛在安全危險。使 用此氣體和單個等離子體模式（冷等離子體）可使每個樣品 的分析時間低至 116 秒，從而滿足半導(dǎo)體實驗室對超純水分 析的快速響應(yīng)需求。