Sub-ppb detection limits for hydride gas contaminants using GC-ICP-QQQ

Význam tématu

Hydridické plyny jako fosfin, arsine, germane, silan, sulfid vodíku a karbonylsulfid představují klíčové kontaminanty v chemických procesech petrochémie i polovodičového průmyslu.
Jejich přítomnost i v ultra-stopových koncentracích může výrazně ovlivnit výkon katalyzátorů, kvalitu polovodičových materiálů a životnost elektronických součástek.
Přesná a reprodukovatelná analýza těchto plynů na sub-ppb úrovních je nezbytná pro optimalizaci výroby, prevenci defektů a maximalizaci efektivity procesů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a validovat vysoce citlivou metodiku pro stanovení hydridických kontaminantů v plynech na detekční meze řádu ppt až sub-ppb.
Metoda kombinuje plynovou chromatografii s trojitým kvadrupólovým ICP-MS (ICP-QQQ) v MS/MS režimu.
Testovány byly analyty: fosfin, arsine, germane, silan, sulfid vodíku a karbonylsulfid.

Použitá metodika a instrumentace

• Chromatografie: Agilent 7890 GC s 100 m kolonkou DB-1 (0,53 mm × 5,0 μm), izotermická separace, izobarická kontrola tlaku (20 psig).
• Vzorkování: 6portový ventil s 400 µL vzorkovací smyčkou, dynamické ředění v helia pomocí tlakového restriktoru.
• Detekce: Agilent 8800 ICP-QQQ s ORS3 octopólovou reakcí buňkou.
• Režimy MS/MS:
  • O2 jako reaktivní plyn pro měření produktů PO+ (m/z 47), AsO+ (m/z 91), GeO+ (m/z 90) a SO+ (m/z 48).
  • H2 jako reakční plyn pro odstranění interferencí CO+ a N2+ a měření Si+ (m/z 28) přímo na‐mass.
• Plazma: RF výkon 1350 W, hloubka vzorku 8,4 mm, proud argonu 0,85 L/min.
• Tuning: optimalizace napětí extraktů, bias a KED napětí pro oba režimy.

Hlavní výsledky a diskuse

• Detekční meze fosfinu: ~8,7 ppt (2× S/N) a ~19 ppt (7 replikací).
• Multielementová analýza PH3, GeH4, AsH3 dosahuje MDL: 0,012, 0,0038 a 0,0013 ppb (2× S/N) s celkovou integrační dobou pod 1 s.
• H2S a COS MDL v O2 režimu: ~0,11 ppb (2× S/N), 0,21/0,12 ppb (7 replikací).
• SiH4 v H2 režimu: MDL ~0,20 ppb (2× S/N) a ~0,14 ppb (7 replikací), s efektivním odstraněním pozadí při m/z 28.
• Porovnání s GC-ICP-MS (Agilent 7900) ukázalo 5–10× zlepšení DL u fosfinu, sulfidů a silanu v režimu ICP-QQQ.

Přínosy a praktické využití metody

Vyvinutá metoda nabízí:

• Výrazně nižší detekční limity pro kritické kontaminanty.
• Odstranění polyatomických interferencí díky MS/MS a reakční buňce.
• Vysokou reprodukovatelnost a spolehlivost ve složitých matricích.
• Využití v QA/QC petrochemie a polovodičové výrobě pro řízení čistoty plynů a optimalizaci katalyzátorů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další snižování detekčních mezí pro nové plynové kontaminanty.
• Integrace s online monitorovacími systémy pro kontinuální kontrolu kvality.
• Rozšíření o další reaktivní plyny a sloučeniny ve výzkumu pokročilých procesů.
• Přenosné benchtop systémy pro rychlé terénní analýzy.

Závěr

Kombinace GC a ICP-QQQ v MS/MS režimu s reaktivními plyny O2 a H2 umožňuje dosáhnout sub-ppb až ppt detekčních mezí pro hydridické plyny.
Metoda významně předčí konvenční GC-ICP-MS a poskytuje spolehlivý nástroj pro kontrolu kvality procesních plynů v petrochemii i polovodičové výrobě.