Determination of Trace Impurities in Electronic Grade Arsine by GC-ICP-QQQ

Význam tématu

Detekce stopových nečistot v elektronické třídě arsinu je klíčová pro výrobu III-V polovodičových materiálů, jako jsou GaAs či InGaAsN. Tyto materiály nahrazují křemík v aplikacích vyžadujících vyšší pohyblivost nosičů náboje a optoelektronické vlastnosti. Přítomnost i velmi nízkých koncentrací nežádoucích dopantů (SiH4, PH3, GeH4, H2S aj.) může výrazně ovlivnit elektrické a optické parametry finálních zařízení, zvyšovat únikové proudy či snižovat zisk tranzistorů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo vyvinout a demonstrovat metodu pro sub-ppb až ppt měření klíčových hydridových nečistot v arsinu pomocí jednoho sloupce, jediné injekce a jednoho multi-tune GC-ICP-QQQ protokolu. Studie se zaměřila na simultánní rozdělení a kvantifikaci SiH4, PH3, H2S a GeH4, s rozšířením o méně běžné sloučeniny (SbH3, H2Se, SnH4).

Použitá instrumentace

• GC: Agilent 7890B se dvěma 100 m × 0,53 mm × 5 µm DB-1 kolony
• Detektor: Agilent 8900 Triple Quadrupole ICP-MS s Deans přepínačem pro odvětrání matrice
• Dynamická diluce: UHP-MMSD systém (CONSCI) a příprava standardů z 10 ppm směsi
• Hydridová generace pro retenční časy H2Se, SbH3, SnH4

Použitá metodika

Standardy SiH4, PH3, GeH4 a H2S byly připraveny dynamickou dilucí 10 ppm směsi na 24 ppb. Injekční objem byl 60 µL, izotermní teplota kolony 30 °C, nosné plyn argon 20 psig. ICP-QQQ pracoval v MS/MS režimu s plyny H2 a O2. Buď na-mass měření (např. GeH4 a SiH4 s H2) nebo mass-shift detekce produktů oxidace P a S (31P16O⁺, 32S16O⁺) s O2. Přepínání režimů bylo řízeno multi-tune časovým programem.

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda dosáhla následujících detekčních limitů (DL):

• SiH4: 0,51 ppb (on-mass, H2)
• GeH4: 0,01 ppb (on-mass, O2)
• PH3: 0,02 ppb (mass-shift, O2)
• H2S: 0,15 ppb (mass-shift, O2)

Ostatní analyty (SbH3, H2Se, SnH4) byly separovány mimo eluci arsinu, přičemž pro SnH4 byla nutná speciální nízkosirná kolona. Multi-tune přístup umožnil optimalizovat S/N pro každý prvek v jediném běhu, čímž se minimalizovala doba analýzy i objem vzorků.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda nabízí komplexní kvalitativní a kvantitativní kontrolu výroby polovodičových plynů s vysokou citlivostí a reprodukovatelností. Jednotná procedura zkracuje čas laboratorních analýz a umožňuje včasnou detekci nečistot, zajišťuje vyšší výtěžnost a lepší elektrické vlastnosti finálních zařízení v opto- a mikroelektronice.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Automatizace a online monitoring procesních plynů v reálném čase
• Rozšíření analýzy na další hydridové nečistoty a toxické plyny
• Použití pokročilých sorpčních kolonek a ultra-nízkých průtoků pro další zlepšení DL
• Integrace metody do plně vybavených výrobních linek pro průmyslovou kontrolu kvality

Závěr

GC-ICP-QQQ s využitím multi-tune MS/MS protokolu pro H2 a O2 umožňuje sub-ppb až ppt stanovení hydridových nečistot v elektronické třídě arsinu. Jedna injekce a jeden analytický běh pokrývají široké spektrum dopantů, což zefektivňuje kontrolu kvality a podporuje výrobu výkonných III-V polovodičových zařízení.

Reference

1. J. Feng, R. Clement, M. Raynor, Characterization of high-purity arsine and gallium arsenide epilayers. J. Crystal Growth 310 (2008) 4780–4785.
2. C. J. Meyer, W. M. Geiger, The Chromatographic Analysis of Trace Atmospheric Gases. In Specialty Gas Analysis: A Practical Guidebook (J. D. Hogan, Ed.), Wiley-VCH 1997, pp. 76–77.
3. W. M. Geiger, E. Soffey, GC-ICP-QQQ Achieves Sub-ppb Detection Limits for Hydride Gas Contaminants. Agilent 8800 ICP-QQQ Application Handbook, 4th ed., 2020, pp. 37–40.
4. D. Decker, L. M. Sidisky, Gas Chromatographic Column Considerations. In Trace Analysis of Specialty and Electronic Gases (W. M. Geiger, M. W. Raynor, Eds.), Wiley 2013, pp. 251–274.
5. G. Wells, H. Prest, C. W. Russ IV, Signal, Noise, and Detection Limits in Mass Spectrometry. Agilent 5990-7651EN.