化工儀器網
技術文章
利用Agilent 7900 ICP-MS對三氯硅烷進行痕量元素分析
閱讀：740 發布時間：2020-7-28 摘要 ：三氯硅烷 (TCS) 是用于生產光伏材料 (PV) 硅的中間產物，為生產出 太陽能電池制造所需的高純度 PV 硅，TCS 中的金屬雜質必須受到嚴 格控制。我們開發了一種成功的分析方法，先經過安捷倫開發的樣品 前處理方法，然后采用 Agilent 7700s/7900 ICP-MS 測定 TCS 中的 雜質。加標回收率測試證明該方法對包括硼和磷在內的 33 種元素的 有效性，同時還分析了兩種 TCS 樣品。TCS 的分析能力可讓 PV 硅 制造商在制造 PV 硅之前檢查 TCS 中間化學品中的金屬雜質。
前言： 由于天然化石燃料資源的枯竭及其造成的變暖 以及相關地質、環境和政治問題，人們在不斷尋求 替代能源。在許多替代發電方法中，太陽能或光伏 材料 (PV) 是一個快速發展的產業，每年的產能都 有大幅增加。光伏電池板通常以硅片為基礎，將太 陽能轉換為電能，但該過程效率相對較低。提高轉 換效率并降低生產成本是行業內的關鍵目標。制 造 PV 電池板晶片所用多晶硅中的金屬雜質水平必 須受到嚴格控制，因為雜質會降低轉換效率。安捷 倫已開發出一種有效方法，采用 ICP-MS 分析 PV 級硅[1]。為進一步提高器件效率，PV 硅制造商希 望能測定多晶硅制造所用化學品中的雜質。本應 用簡報介紹采用配備八極桿反應池系統 (ORS) 的 Agilent 7700s/7900 ICP-MS 對 TCS 的分析。TCS 常用于超純多晶硅的制造。
實驗部分： 儀器 Agilent 7700s ICP-MS 配備安捷倫惰性樣品引入工 具包。工具包中包括 PFA 同心霧化器、PFA 雙通道 霧化室和帶 2.5 mm 內徑鉑中心管的可拆卸炬管。 7700s/7900 ICP-MS 采用多種干擾去除技術。除 傳統的無氣體模式外，7700s/7900 還可以在冷 等離子模式和 ORS 模式下運行，在使用惰性氣體 (He) 的碰撞模式和使用反應池氣體（如 H2）的反 應模式下均能有效去除干擾。7700/7900 ICP-MS 包括一個 ORS 反應池，采用更長、內徑更小的八 極桿，工作頻率高于之前的 ORS 型號。ORS 還可 在更高的池氣體流速和更高的偏置電壓下運行，從 而增大碰撞能量。這些功能相結合，在碰撞和反應 模式下均可提高干擾去除效率。
根據分析要求選擇干擾去除方法。對于本應用，所 有分析物都需要高靈敏度，因此對每種分析物/ 干擾都需要有效的干擾去除模式。使用具有四個 步驟的數據采集方案，表 1 列出了所有儀器操作參 數。在方法開發期過程中，某些分析物以多種模式 運行，并為樣品基質中的每種分析物確定獲得檢測限的模式。
表 1 中還列出了終方法的每個步驟中測定的分析 物。步驟 1 采用冷等離子體模式，所有剩余步驟使 用正常或熱等離子體。步驟 2 使用傳統無氣體模 式，步驟 3 使用 He 碰撞模式，步驟 4 是針對磷測 定優化的改進 He 碰撞模式。過去，采用冷等離子 體或 O2 池氣體以 m/z 47 31P16O 形式直接測定 P。 ORS 的改進性能可以更大程度減少質量數 31 處與 P 發生重疊的 15N16O 和 14N16O1 H 干擾，將 He 碰撞 模式下 P 的檢測限降低至 1/50，從而可進行 P 的 直接測量。模式間的切換*自動化，所有分析物均通過每個樣品瓶的單次進樣過程來測定，有助于大程度減少樣品污染。小尺寸 ORS 池能夠實現 模式之間非常快速的切換，因此大程度縮短了多 模式操作所需的額外時間。每個樣品的總分析時間 為 8 分鐘。
樣品前處理 三氯硅烷 (TCS) 是用于制造高純度多晶硅的中間化 合物。由于 TCS 是一種易于通過蒸餾純化的揮發 性液體，它可以由低級冶金級硅制得，經過純化， 然后轉化為高純度多晶硅。TCS 在室溫下為液體， 具有高揮發性（沸點 31.8 °C）。它通過水解很容易 在空氣中分解成 SiO2，如下所示： SiHCl3 + 2H2O SiO2 + 3HCl + H2 在生產線中對 TCS 直接采樣并進行在線 ICP-MS 分析不切實際，因為 SiO2 會沉積在傳輸管線以及 ICP-MS 樣品引入和接口組件中。此外，必須在惰 性環境中對 TCS 進行冷卻和處理，以避免釋放 HCl 氣體，因此需要在每個采樣點安裝一個處于潔凈微 環境中的 ICP-MS。因此，可行的方法是將液 體 TCS 轉移到實驗室進行分析。在本研究中，按 照適當的安全預防措施將液體 TCS 轉移到潔凈實 驗室，并用以下步驟完成細致的樣品前處理，然后 進行分析：在惰性氣氛中通過溫和水解將液體 TCS 轉化為 SiO2，將其溶解在 HF 溶液中通過加熱干燥 除去 Si（以 SiF4 氣體形式存在）。然后將干燥的殘 留物重新溶解在 0.4% HCl 溶液中，進行 ICP-MS 分析。
結果與討論： 檢測限 由校準空白的 3σ 值計算得到檢測限 (DL)，結果如 表 2 所示。V 和 As 的低 ppt 級 DL 證明 HCl 基質中 ClO（對 51V）和 ArCl（對 75As）的多原子干擾可得 到有效去除。此外，0.1 ppb 的磷 DL 證明步驟 4 中 采用的優化 He 碰撞模式參數可有效去除 NO/NOH 對 P 的干擾。乘以 7.5* 的稀釋因子計算出原始樣 品的 DL，原始 TCS 樣品中所有 DL 均低于 1 ppb。 定量分析 表 2 還列出了試劑空白扣除后兩個 TCS 樣品的定 量分析結果。樣品 A 購自半導體公司，是儲存在玻 璃樣品瓶中的高純度 TCS 樣品。樣品 B 也購自半 導體公司，但采用不銹鋼壓力容器運輸。