Whole Air Canister Sampling and Preconcentration GC-MS Analysis for pptv Levels of Trimethylsilanol in Semiconductor Cleanroom Air

Význam tématu

V čistých prostorách polovodičového průmyslu může trimethylsilanol (TMS) v koncentracích řádově pptv (~ng/m3) kondenzovat na optice fotolitografických skenerů a způsobovat nevratné poškození a optický zákal. Přesné monitorování TMS je proto klíčové pro prevenci poruch a nákladných oprav optických systémů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem této práce bylo vyvinout a validovat metodu odběru vzorků čistého vzduchu v canistrech a laboratorní prekoncentrační analytiku pomocí GC-MS pro kvantifikaci TMS na úrovni pptv. Studie dokumentuje postup odběru, čištění canistrů, kalibraci, detekční limity a stabilitu vzorků.

Použitá metodika

• Odběr vzorků: pasivní nebo rychlý grab odběr ~10 s do 6L canistru s 45% relativní vlhkostí.
• Prekoncentrace: 400 mL vzorku + 100 mL interního standardu, mikro-purge-and-trap systém s třemi mrazovými trapmi (Siltek® kuličky, Tenax® GR a proprietární trap).
• Analýza: GC-MS v režimu SIM (cílový ion 75 m/z, kvalifikátory 45, 47, 59 m/z) s GC programem 32°C→230°C a helium jako nosné plyn.
• Čištění canistrů: TO-Clean systém, 3 cykly při 100°C a 45% RH dusíku dle metody EPA TO-15.
• Kalibrace: sedmibodová křivka 0.95–95.2 pptv generovaná dynamickým ředěním primárního standardu.
• Vyhodnocení výkonu: detekční limity (ADL, MDL), přesnost, opakovatelnost, stabilita při různých RH a typech canistrů.

Použitá instrumentace

• Prekoncentrátor Nutech 8900DS (micro-scale purge-and-trap se 3 trapy)
• Gas chromatograph Agilent 6890
• Mass spectrometer Agilent 5973 MSD
• Vzorkovací canistry Restek TO-Can® (elektropolírované) a SilcoCan® (silika-lined)
• Systém čištění canistrů TO-Clean (Restek)
• Hygrometer/extech SDL500 pro kontrolu relativní vlhkosti

Hlavní výsledky a diskuse

• Čisté blanky canistrů: 0.06 pptv (BDL), ADL 0.09 pptv.
• Lineární rozsah: 1–100 pptv, RRF RSD 9.8%.
• Přesnost/obnova: 93% ± 10% při 76.6 pg na koloně.
• MDL: 0.12 pptv (0.48 ng/m3), PQL doporučeno 0.6 pptv.
• Opakovatelnost: 6.8% RSD při 9.51 pptv.
• Stabilita: 84% obnova po 4 dnech při 45% RH v elektropolírovaných canistrech; lepší stabilita při vyšší RH; elektropolírované canistry preferované nad silika-lined.
• Žádné významné přenosy mezi analýzami; minimální pozadí diktované čistotou canistru s interním standardem.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje rychlý odběr (10 s), delší pasivní vzorkování, vícenásobné analýzy z jednoho vzorku a monitorování v reálném čase bez potřeby pumpy. Splňuje požadavky polovodičového průmyslu na měření TMS na úrovni pptv a prevenci optického zákalu.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace on-line monitorovacích systémů s automatickým odběrem do canistrů.
• Rozšíření metody na další siloxany a související sloučeniny.
• Vylepšení materiálů canistrů pro zvýšení stability nestálých analyz.
• Miniaturizace prekoncentračních zařízení pro pole a průmyslový provoz.
• Využití datové analýzy a umělé inteligence pro prediktivní údržbu a optimalizaci čistících procesů.

Závěr

Vyvinutá metoda odběru vzduchu do canistrů a prekoncentrační GC-MS analýzy umožňuje spolehlivou kvantifikaci TMS na úrovni pptv s vynikající přesností, linearitou a stabilitou. Doporučují se elektropolírované canistry a kontrola RH pro dosažení maximální spolehlivosti výsledků.

Reference

1. R. Grümping, D. Mikolajczak, A.V. Hirner, Determination of trimethylsilanol in the environment by LT-GC/ICP-OES and GC-MS, Fresenius J. Anal. Chem. 361 (1998) 133.
2. J.H. Lee et al., An Optimized Adsorbent Sampling Combined to Thermal Desorption GC-MS Method for Trimethylsilanol in Industrial Environments, Int. J. Anal. Chem. 2012, ID 690356.
3. M. Schweigkofler, R. Niessner, Determination of Siloxanes and VOC in Landfill Gas and Sewage Gas by Canister Sampling and GC-MS/AES Analysis, Environ. Sci. Technol. 33 (1999) 3680.
4. D. Glindemann et al., Toxic Oxide Deposits from the Combustion of Landfill Gas and Biogas, Environ. Sci. Pollut. Res. 3 (1996) 75.
5. K. Seguin et al., Breakthrough Chemical Analysis of HMDS Reveals a Solution for the Prevention of Lens Hazing, Semiconductor Filtration Technical Note CFTN-1 SC (2008).
6. K. Seguin, A.J. Dallas, G. Weineck, Rationalizing the Mechanism of HMDS Degradation in Air, Proc. SPIE 6922 (2008) 30.
7. G. Piechota et al., Removal and determination of trimethylsilanol from landfill gas, Bioresour. Technol. 103 (2012) 16.
8. K. Oshita et al., Behaviour and adsorptive removal of siloxanes in sewage sludge biogas, Water Sci. Technol. 61 (2010) 2003.
9. M. Ajhar et al., Suitability of Tedlar gas sampling bags for siloxane quantification in landfill gas, Talanta 82 (2010) 92.
10. A. Narros et al., Determination of Siloxanes in Landfill Gas by Adsorption on Tenax Tubes and TD-GC-MS, Sardinia 2009.
11. R. Huppmann et al., Cyclic siloxanes in biological wastewater treatment, Fresenius J. Anal. Chem. 354 (1996) 66.
12. U.S. EPA, Compendium Method TO-15: Determination of VOCs in Air Collected in Canisters by GC-MS, 1999.
13. A.L. Smith, The analytical chemistry of silicones, Wiley, New York (1991).
14. R. Atkinson, Kinetics of organosilicon compounds reactions with radicals and ozone, Environ. Sci. Technol. 25(5) (1991) 863.
15. C.C. Hsieh et al., Stability of VOCs Stored in Canisters and Tedlar Bags, Aerosol Air Qual. Res. 13 (2003) 17.