Measuring Inorganic Impurities in Semiconductor Manufacturing

Význam tématu

Kontrola stopových kovových a nekovových znečišťujících látek na úrovních ppt až sub-ppt je klíčová pro moderní výrobu polovodičů. Nižší úrovně kontaminantů přímo zvyšují výtěžnost a spolehlivost integrovaných obvodů, zejména při výrobě čipů s rozměry prvků menšími než 10 nm. Výkon analytických metod se proto neustále vyvíjí, aby splňoval rostoucí požadavky na čistotu substrátů a procesních chemikálií.

Cíle a přehled studie

Cílem přehledu je ukázat pokrok v aplikacích ICP-MS, zejména v režimu MS/MS s trojitou kvadrupólou (ICP-QQQ), pro detekci ultra-stopových nežádoucích prvků v:

• ultrapure water a peroxidu vodíku,
• procesních kyselinách (HCl, HNO₃, H₂SO₄),
• organických rozpouštědlech (IPA, NMP, methanol),
• seznamovacích plynech (arsin, fosfan, germin, hydrid siřičitý),
• nanopartikulárních systémech a online monitoringu chemikálií.

Text vychází z Agilent Application Compendium a ukazuje, jak metody založené na ICP-QQQ s automatizovanou přípravou vzorků a různými režimy buňky (He, H₂, O₂, NH₃) dosahují dosud nevídaných detekčních limitů.

Metodika a použitá instrumentace

• Instrumentace: Agilent 7900 single-quad, 8800 a 8900 triple-quad ICP-QQQ; ORS4 collision/reaction cell; volitelné m-lens pro snížení EIE backgroundu.
• Příprava vzorků: přímá analýza vysoce čistých kyselin a rozpouštědel bez ředění; VPD/VPD-ICP-MS pro měření znečištění vrstev křemíku.
• Automatizace: VPD-scannery s integračním ICP-QQQ; ESI prepFAST S pro online standard addition; IAS ASAS pro online MSA; integrovaný autosampler Agilent I-AS.
• GC-ICP-QQQ: analýza hydridových plynů (arsin, fosfan, germin, H₂S, COS, SiH₄) s detekcí na sub-ppb úrovni; Deans switch pro odfuk matice; single injection, multi-tune run.
• spICP-QQQ: analýza nanopartikelů (Fe₃O₄, Ag, Au, Al₂O₃, SiO₂) v organických a vodných matricích na 10–30 nm úrovni; Fast TRA akvizice, multi-elementní rapid mode.

Hlavní výsledky a diskuse

• BEC a DL v Python vodě a peroxidu vodíku: DL <0,5 ppt pro 25 SEMI prvků, vč. EIE, plně ve shodě s ASTM a SEMI.
• Battery procesních kyselin: přímá analýza 68% H₂O₂, 38% HF, 20% HCl, 98% H₂SO₄ včetně P, S, Si, Cl s DL na úrovni <1 ppt.
• Trace organické rozpuštědla: IPA, NMP, methanol aditivně s O₂ nebo H₂ pro kontrolu uhlíkových interferencí, DL <0,1 ppt pro EIE, 1–10 ppt pro P, S, Si, Cl.
• GC-ICP-QQQ hydridových plynů: sub-ppb DL pro PH₃ (8–20 ppt), GeH₄, AsH₃, SiH₄, H₂S, COS v jednom běhu na 7890B + 8800 ICP-QQQ.
• Automatizace spike: prepFAST S a IAS ASAS pro online standard addition, 20 ppt recovery 95–105%, RSD 1,6–8,9%.
• NP analýza spICP-QQQ: detekce 10–30 nm Fe₃O₄, Ag, Au, Al₂O₃, SiO₂ v IPA, PGMEA, TMAH; multi-element rapid mode, složka pro více prvků v jednom běhu.

Přínosy a praktické využití metody

• Nejnižší detekční limity umožňují kontrolu kvality procesních chemikálií a plynů odpovídající budoucím požadavkům.
• Flexible metody pro různé matrice: vodní, organické, kyseliny, plyny.
• Automatizace snižuje riziko kontaminace, standardizuje kalibrace a spike recovery.
• Možnost integrované online kontroly kvality ve výrobních provozech.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj reakčních metod ve spICP-QQQ pro více složitější matrice a nanopartikuly.
• Vylepšená automatizace s plnou integrací do výrobních linek (online ICP-MS kontrola chemikálií, VPD automatizace).
• Fyzikálně-chemická charakterizace více prvkových nebo heterogenních nanopartikelů.
• Rozšíření GC-ICP-QQQ pro nové plynné prekursory a kontaminanty (stibin, tellurin, sněhliny).
• Kombinace ICP-QQQ s dalšími separačními technikami (AF4, TD-SPME) pro komplexní vzorky.

Závěr

Ultratrace analýza stopových znečišťujících látek (ppt a sub-ppt) v polovodičové výrobě je dosažitelná díky pokročilým ICP-QQQ metodám. V kombinaci s inovativními přístupy (VPD, GC-ICP-QQQ, spICP-QQQ) a automatizačními systémy (ESI prepFAST, IAS ASAS) poskytuje Agilent ICP-QQQ efektivní, opakovatelné a vysoce citlivé řešení pro kontrolu kvality všech klíčových kategorie vzorků.

Reference

• Applications of ICP-MS: Measuring Inorganic Impurities in Semiconductor Manufacturing, Agilent 5991-9495EN.
• Technical Overview of Agilent 8900 Triple Quadrupole ICP-MS, Agilent 5991-6942EN.
• Determination of ultratrace elements in high purity hydrogen peroxide with Agilent 8900 ICP-QQQ, Agilent 5991-7701EN.
• Accurate Determination of TiO2 Nanoparticles in Complex Matrices using the Agilent 8900 ICP-QQQ, Agilent 5991-8358EN.
• Sub-ppb detection limits for hydride gas contaminants using GC-ICP-QQQ, Agilent 5991-5849EN.
• Rapid Multi-Element Nanoparticle Analysis Using Single-Particle ICP-MS/MS, Spectroscopy, 2019.