Trace level analysis of sulfur, phosphorus, silicon and chlorine in NMP using the Agilent 8800 Triple Quadrupole ICP-MS

Význam tématu

N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) je klíčový vysoce čistý organický rozpouštěč používaný v polovodičovém průmyslu jako čisticí prostředek a odstraňovač fotorezistu. Pro zajištění kvality polovodičových procesů je nutné stanovovat stopové množství nežádoucích nekovových prvků (S, P, Si, Cl) na úrovni ppt–ppb. Nízká ionizační účinnost a tvorba C-, N- a O-polyatomických interferencí v organickém matrice činí analýzu konvenčními ICP-MS technikami velmi náročnou.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo vyhodnotit výkon Agilent 8800 Triple Quadrupole ICP-MS v MS/MS režimu pro kvantifikaci síry, fosforu, křemíku a chlóru v acidifikovaném NMP. Studie porovnává on-mass a mass-shift přístupy, různé reakční plyny (O2, H2) a režimy detekce (jednokvadruplové vs. MS/MS), aby se minimalizovaly BEC a detekční limity.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky semikond. kvality NMP byly sub-vroucí destilací vyčištěny a acidifikovány na 1 % HNO3. Analýza probíhala bez dalšího ředění metodou standardních přídavků (MSA).
Instrumentace:

• Agilent 8800 Triple Quadrupole ICP-MS s polovodičovou konfigurací (Pt konické elektrody, vysoce propustný iontový čočkový systém).
• Organická hořáková trubice (1,5 mm ID) a C-flow 200 PFA nebulizér v samo-nasávacím režimu.
• Volitelná injekce 20 % O2 v Ar do nosného plynu k prevenci zanášení rozhraní uhlíkem.
• ORS3 octopólová reakční buňka s plyny O2 a H2 v MS/MS (Q1 filtrování na vstupu, Q2 analýza produktů reakce).
• Parametry plazmy: RF výkon 1550 W, nosný plyn 0,50 L/min, make-up plyn 0,10 L/min, teplota komory 0 °C.

Hlavní výsledky a diskuse

Mass-shift přístup v MS/MS režimu dosáhl významného snížení pozadí (BEC) oproti tradičnímu on-mass režimu:

• Fosfor (P→PO+ m/z 47): BEC 0,55 ppb, DL 0,06 ppb.
• Síra (S→SO+ m/z 48): BEC 5,5 ppb, DL 0,25 ppb.
• Křemík (Si→SiO2+ m/z 60): BEC 11,9 ppb, DL 0,48 ppb; on-mass (Q1=28/Q2=28) BEC 15,8 ppb.
• Chlór (Cl→H2Cl+ m/z 37): BEC 34,2 ppb, DL 3,61 ppb; O2 mass-shift metoda byla méně efektivní.

Reakční plyny selektivně konvertují anionty do oxidů nebo hydridek, čímž se eliminují hlavní C-, N- a O-interference. MS/MS režim navíc brání vstupu interferenčních iontů do buňky.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje rychlou, cílenou analýzu čisticích lázní a procesních chemikálií v polovodičovém průmyslu na úrovni ppt–ppb bez časově náročných předúprav. Díky jedinému průchodu vzorku lze zároveň kvantifikovat metaloidy i nekovy a zajistit kvalitu reagentů pro QA/QC.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj může směřovat k:

• rozšíření na jiné organické matrice a chemické procesy,
• novým kombinacím reakčních plynů a optimalizaci kinetiky reakcí,
• integrované automatizaci přípravy vzorků a online monitoringu,
• aplikacím v kombinaci s separačními technikami (UHPLC-ICP-QQQ) a speciační analýzou.

Závěr

Agilent 8800 Triple Quadrupole ICP-MS v MS/MS režimu s mass-shift metodami pro O2 a H2 dokáže efektivně kvantifikovat stopové množství S, P, Si a Cl v NMP. Nízké BEC a DL úrovně potvrzují výhody trojitého kvadruplu při eliminaci matricových interferencí a dosažení požadované citlivosti v polovodičovém průmyslu.

Reference

1. Agilent Technologies, Understanding oxygen reaction mode in ICP-MS/MS, publikace 5991-1708EN.
2. Y. Ikezo, S. Matsuoka, M. Takebe, A. Viggiano, Gas phase ion-molecule reaction rate constants through 1986, Maruzen Company Ltd.