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

Význam tématu

Detekce stopových množství hydridových znečišťujících látek v elektronicky čistém arsinu je zásadní pro výrobu moderních polovodičových a optoelektronických součástek. Nevítané příměsi jako germán, křemík, fosfor nebo síra na úrovni jednotek ppb či dokonce ppt mohou negativně ovlivnit elektrické a optické vlastnosti III-V sloučenin, snížit výtěžnost výroby a zkrátit životnost zařízení.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout jediné analytické schéma založené na plynové chromatografii spojené s tandemovou hmotnostní spektrometrií (GC-ICP-QQQ), které umožní vyhodnocení několika hydridů (SiH4, PH3, H2S, GeH4) v arsinu v sub-ppb koncentracích pomocí jediné injekce, jednoho chromatografického sloupce a více nastavení detekce po trase analýzy.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu standardů byl původní 10 ppm hydridový mix dynamicky ředěn na 24 ppb. K separaci sloučenin sloužil plynový chromatograf Agilent 7890B vybavený Deansovým přepínačem pro odvádění matice a kolonkou DB-1 (100 m × 0,53 mm × 5,0 μm). Jako detektor posloužil ICP-QQQ Agilent 8900 s ORS-4 cell pro volbu kolizních a reaktivních plynů (H2, O2) a bez plynu. Pro některé nestabilní hydride (H2Se, SbH3, SnH4) byly použity kvalitativní retenční standardy. Vzorky byly vstřikovány v objemu 60 μL a teplota přenosové linie byla 120 °C.

Hlavní výsledky a diskuse

Optimalizace režimů provozu ICP-QQQ umožnila měření analyzovaných hydridů buď "on-mass" nebo v režimu "mass-shift". Pro S a P se ukázalo výhodné použít O2 pro tvorbu produktů 31P16O+ a 32S16O+, zatímco pro Si postačil H2 k odstranění polyatomových interferencí. Germane (74Ge) bylo měřeno přímo na m/z 74 v režimu bez plynu. Metoda vícefázového ladění (multi-tune) umožnila během jednoho běhu automaticky přepínat plyn a režim pro každý analyzovaný prvek, čímž se maximalizoval poměr signálu k šumu a dosažily se detekční limity:

• GeH4: 0,01 ppb
• SiH4: 0,5 ppb
• PH3: 0,02 ppb
• H2S: 0,15 ppb

Další potenciálně zajímavé hydride H2Se, SbH3 a SnH4 byly separovány mimo eluci arsinu, jejich odhadované detekční limity se pohybují kolem 1 ppb.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje efektivní kontrolu kvality výrobních plynů v polovodičovém průmyslu. Jediná injekce a jeden analytický protokol snižují čas analýzy a riziko chyb spojených s výměnou kolonek či přístrojů. Senzitivita na úrovni ppt poskytuje dostatečnou rezervu pro detekci kritických příměsí, které by mohly ovlivnit vlastnosti HEMT, FET i optoelektronických součástek.

Budoucí trendy a možnosti využití

Vývoj směruje k plné automatizaci online monitoringu kvality plynů s dálkovým dohledem. Rozšíření metody o další hydride (Se, Sb, Sn) a optimalizace kolonek či reaktivních plynů mohou dále snížit detekční limity. Umělá inteligence pro zpracování dat a prediktivní údržbu přístrojů nabídne vyšší robustnost a rychlejší detekci odchylek.

Závěr

Jednoduchý přístup založený na GC-ICP-QQQ v režimu MS/MS s reaktivními plyny H2 a O2 umožňuje spolehlivou separaci a kvantifikaci klíčových stopových hydridů v arsinu na úrovni pod jednotkami ppb. Vícefázové ladění eliminuje potřebu více metod, zkracuje dobu analýzy a zvyšuje reprodukovatelnost výsledků.

Reference

1. Feng J., Clement R., Raynor M. Characterization of high-purity arsine and gallium arsenide epilayers. Journal of Crystal Growth, 2008, 310(23): 4780–4785.
2. Meyer C.J., Geiger W.M. The Chromatographic Analysis of Trace Atmospheric Gases. In Specialty Gas Analysis: A Practical Guidebook. Ed. Hogan J.D., Wiley-VCH, 1997, 76–77.
3. Geiger W.M., Soffey E. GC-ICP-QQQ Achieves Sub-ppb Detection Limits for Hydride Gas Contaminants. Agilent 8800 ICP-QQQ Application Handbook, 4th ed., 2020, 37–40, publ. 5991-2802EN.
4. Decker D., Sidisky L.M. Gas Chromatographic Column Considerations. In Trace Analysis of Specialty and Electronic Gases. Eds. Geiger W.M., Raynor M.W., John Wiley & Sons, 2013, 251–274.
5. Wells G., Prest H., Russ C.W. IV. Signal, Noise, and Detection Limits in Mass Spectrometry. Agilent publication 5990-7651EN.