NexION 300S ICP-MS测定半导体级硝酸中的杂质

引言 目前，由于半导体器件在设计时都选择更小的线 宽，因此就更容易受到低浓度杂质的影响。在半 导体工业中，硝酸（HNO3 ）被广泛用来与氢氟 酸（HF）配制混酸，改变限扩散或限速率的蚀 刻。这两种酸配成的混酸常被用于蚀刻和在前端处理中暴露临界层。在这一阶段，实际的设备（包括晶体管和电阻器）被创 建。一个典型的前端处理主要包括以下几个步骤：晶片表面的制备、二氧化 硅（SiO2 ）的增长、模式化和后续注入或扩散添加剂以获得所需的电性能、栅 介质的增长或沉积，以及蚀刻。任何金属杂质的存在都将对IC器件的可靠性 产生不利影响。在半导体实验室进行其他半导体材料分析时也常常会使用硝 酸，因此使用的硝酸需要具有高纯度和高质量。SEMI标准C35-0708对硝酸中 的金属污染物按元素和等级规定了量。

由于具有快速测定各种工艺化学品中超痕量浓度（ng/ L或万亿分之）待测元素的能力，电感耦合等离子体质 谱仪（ICP-MS）已成为了质量控制分析工 具。然而，在传统的等离子体条件下，往往存在氩离 子与基质成分结合产生多原子干扰的情况。一些常见 的干扰主要包括：38 Ar1 H+对39 K+、40 Ar+对40 Ca+，以及 40 Ar 16 O+对56 Fe+的干扰。虽然低温等离子体已经被证明 能够有效减少氩干扰，但却比高温等离子体更容易造 成基体抑制，在测定高温元素或电离能较高的元素时 尤为明显。此外，较低的等离子体能量可能会生成其 他一些未曾在高温等离子体条件下观察到的多原子干 扰。

使用多极和非反应气体的碰撞池已被证明可以有效减 少多原子干扰。但是这种方法必须使用动能歧视去除 反应产生的副产物，这将会造成灵敏度的下降。反应 池技术（Dynamic Reaction Cell™ （DRC™））是一种 通过四级杆质量过滤器建立动态带通，只有特定质量 范围的离子能够通过反应池的校正技术，因此也只有 受控的反应可以发生。即使在反应中使用反应性非常 强的气体，如NH3 和O2 。反应池也可以防止生成的不需 要的副产物离子通过。 PerkinElmer公司的NexION® 300 ICP-MS配置的通用池 技术（Universal Cell Technology™），同时提供了碰 撞模式（使用KED）、反应模式（配置DBT）和标准 模式（通用池中不通入气体）三种测定模式，因此仪 器操作人员可以根据实际测定的要求选择适合的模 式，并能在一个分析方法中进行不同模式的切换。

本应用报告证明了PerkinElmer公司的NexION 300 ICP-MS去除干扰，从而在使用高温等离子体的条件下通过一次分析就能够对HNO3 中全部痕量水平的杂质元 素进行测定的能力。这一实验在一次测定中同时使用标 准模式和反应模式可以得到分析结果。

实验条件 HNO3 的浓度通常约为70%。在本实验中，将浓度为 55%的超纯HNO3 （Tamapure-AA 10，Tama Chemicals， 日本东京）进行5倍稀释。标准溶液使用浓度为10 mg/ L的多元素标准溶液（PerkinElmer Pure，珀金埃尔默公 司，美国康涅狄格州谢尔顿）配制。实验使用的仪器为 NexION 300S ICP-MS（珀金埃尔默公司，美国康涅狄格 州谢尔顿）。仪器参数和进样系统组件如表1所示。

结果 使用标准加入法对HNO3 样品进行定量分析。图1-4分别 为K、Ca、Fe和 Ni的标注曲线，由图可见均呈现较好的 线性。这可能是由于选用的NH3 反应气和动态带通调谐 消除了所有的多原子干扰。

检出限（DLs）和背景等效浓度（BECs）都使用10% HNO3 进行测定，从而计算出10%HNO3 的灵敏度。检出限（DLs） 的计算由标准偏差乘以3得到，而背景等效浓度（BECs）则 通过测定信号强度得到。回收率由加标10 ng/L的溶液测 定计算得到。结果总结于表2。 通过向NexION 300S连续进样加标浓度为10 ng/L的10% HNO3 溶液10小时进行稳定性试验。由图5和图6可见，仪器 的稳定性佳，10小时以上测试结果的RSDs < 3%（表2最 后一列）。稳定性结果和加标回收率数据更证明了NexION 300S ICP-MS具有分析HNO3 基质中SEMI规定的所有元素 的能力。

结论 NexION 300S ICP-MS在对HNO3 中ng/L水平的超痕量杂质进行日 常定量分析时表现出了强的可靠性和适宜性。通用池由计算机 控制进行标准模式和反应模式的切换，这样就可以使用高温等离 子体在一次进样中对所有元素进行无干扰分析。