使用NexION 5000 ICP-MS分析超纯N-甲基吡咯烷酮中的金属杂质

珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司

2024/10/18 09:27

近年来，随着半导体器件变得越来越小、越来越精密，防止造成产量损失的金属污染变得至关重要。因此，需要对制造过程中使用的化学品进行严格的杂质控制。制造过程中会用到多种有机溶剂，例如异丙醇(IPA)、丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、丙二醇甲醚(PGME)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。其中，NMP是常见的极性溶剂，具有极高的溶解度，而且因其沸点高、凝固点低而非常易于处理。正因为这一性质，NMP被用作典型的光刻胶剥离液。如果剥离液中的金属残留在电路图案中，这些金属可能会影响半导体的电气和其他特性。因此，所使用的NMP必须为高纯度。

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)是一种高灵敏度的定量方法，可检测出ng/L(ppt)和pg/L(ppq)级的多种元素，因此常用作有机溶剂和光刻胶中元素杂质的质控技术。过去，一般认为ICP-MS难以直接测量有机溶剂和光刻胶等有机化合物。因此，此类样品在测量前需用硝酸进行酸分解。这是由于引入了比水溶液更易挥发的有机溶剂，会改变ICP-MS离子源(等离子体)的状态，使等离子体难以维持。然而，该预处理过程有可能造成污染，这一直是精确杂质分析中存在的一个难题。然而，珀金埃尔默采用的技术(如自由运行的射频发生器¹)使等离子体维持成为可能，即使是含有复杂基质的样品，也能直接将有机溶剂引入等离子体。这大大减少了耗时的准备工作和酸解过程中的污染，实现了有机溶剂的直接分析，此外还可以通过简单稀释进行有机化合物的分析(如光刻胶)。

然而，商用有机溶剂中的元素杂质浓度一直是个难题。随着所要求杂质水平的降低，一些元素在广泛使用的相对较纯的有机溶剂(如电子工业级)中的杂质浓度很高，²这已成为半导体级分析的障碍。有机溶剂中的杂质浓度反映在背景等效浓度(BEC)值中，因此必须优化BEC值以获得定量下限。因此，许多质控(QC)实验室使用经过蒸馏提纯的有机溶剂进行ICP-MS分析。³然而，由于这种蒸馏过程在有机溶剂的沸点以下进行，因此其缺点是十分耗时。根据蒸馏环境和其他因素的不同，还可能会出现污染。此外，在不进行酸解等预处理而直接引入样品来对有机溶剂中的杂质进行评估时，必须完全去除氩和碳造成的光谱干扰，因为在分析过程中无法减去空白值。因此，ICP-MS需要具有更高的干扰消除能力。

本应用简报报告了使用NexION^®5000多重四极杆ICPMS分析超纯NMP中37种元素的结果。

实验

样品和标准溶液制备

本研究使用超高纯级Supreme Pure(SP)-NMP⁴(FUJIFILM Wako Pure Chemicals Co., Ltd.)进行了分析。将多元素混合标准溶液(珀金埃尔默)和单元素标准溶液(珀金埃尔默)作为标准溶液加入样品中。

仪器

使用NexION 5000多重四极杆ICP-MS进行测量。NexION 5000采用自激式射频发生器和LumiCoil^TM射频线圈¹的组合，在有机溶剂测量中具有稳健性和高稳定性。采用OmniRing技术⁵的第二代三锥接口有助于提高信噪比(S/B)。此外，四极杆类型的通用池允许使用无需稀释的纯反应气。这些特点结合在一起，使NexION 5000能够实现出色的BEC，并具有极佳的光谱干扰消除能力。

仪器条件列于表1中。使用未稀释(100%)的NH₃、O₂、H₂或这些气体混合物的反应(DRC)模式是消除光谱干扰的一种非常有效的方法，可将干扰离子转变为非离子成分或不同质量的离子，或产生目标元素的簇离子(质量转移)。通过使用100%的反应气体，可以用较少量的气体有效消除干扰并产生簇离子，而且反应池中的四极杆带通模式可以防止形成新的干扰(反应副产物)。

在MS/MS模式下，可将Q1和Q3设置为相同的质量；而在质量转移模式下，可将待分析元素作为产物离子通过质量较高的反应气体进行测量。一些没有光谱干扰的元素则在标准(STD)模式下进行测量，此时反应池中没有气体通入。

表1.仪器参数

（点击查看大图）

结果和讨论

表2显示了SP-NMP分析的BEC和检出限(LOD)。

通过对每种元素使用适当的扫描模式和配置(反应池气体和等离子体条件)，我们能够获得所有37种元素的BEC值(低于ppt)。这表明NexION 5000具备有效的光谱干扰消除能力，以及超纯NMP(SP-NMP)的卓越品质。值得注意的是，Na和Cu在无需蒸馏的情况下也获得了良好的结果，而这往往是电子工业级NMP的一个特殊问题。

表2.SP-NMP中的BEC和LOD

注释:表中还显示了低于LOD为BEC（点击查看大图）

结论

NexION 5000 ICP-MS配备了最新技术，包括专有的多重四极杆技术、LumiCoil负载线圈和自由运行的射频发生器，表现出卓越的痕量分析性能，包括有机溶剂测量中出色的光谱干扰消除能力。

致谢

我们衷心感谢FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corporation为本研究提供了高纯度的NMP。

所用耗材

（点击查看大图）

参考文献

1.Cheung T.S., et al.,“Advantages of a Novel Plasma Generator for the NexlON 1100/2200/5000 ICP-MS Systems”PerkinElmer Technical Note, 2024.

2.https://labchem-wako.fujifilm.com/us/category/00282.html
(FUJlFILM Wako Pure Chemical Corporation Website)

3.Kobayashi K., et al., “Analysis of Metallic lmpurities in Organic Solvents Used in lC Fabrication with the NexlON 5000 ICP-MS” PerkinElmer Application Note, 2021.

4.https://biz.fujifilm.com/ffwkLP_SP-NMP_contact.html
(FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation Website)

5.Badiei H., et al., "Advantages of a Novel Interface Design for the NexlON 2200/5000 ICP-MS" PerkinElmer TechnicalNote, 2023.

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