硅外延用三氯氫硅中雜質(zhì)含量測定方法標準立項報告：電感耦合等離子體質(zhì)譜法的應(yīng)用EnglishTitle:StandardizationReportonDeterminationofImpurityContentinTrichlorosilaneforSiliconEpitaxybyInductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry摘要隨著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，硅外延用三氯氫硅作為半導體制造過程中的關(guān)鍵電子特種氣體原材料，其質(zhì)量控制和雜質(zhì)檢測顯得尤為重要。本報告基于當前行業(yè)背景和技術(shù)需求，系統(tǒng)闡述了采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定三氯氫硅中多種雜質(zhì)元素含量的標準化立項意義及技術(shù)內(nèi)容。研究背景表明，我國目前90%的高純?nèi)葰涔枰蕾囘M口，且國內(nèi)外尚未建立相應(yīng)的雜質(zhì)分析標準方法，嚴重制約了行業(yè)自主發(fā)展。本標準通過建立科學、準確的檢測方法，可實現(xiàn)對鋰、硼、鈉、鎂、鋁、鉀、鈣、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、鉬、砷、鉛等21種關(guān)鍵雜質(zhì)元素的定量分析，檢測限達到亞ppb級別。該方法采用甘露醇絡(luò)合預處理技術(shù)，有效解決了硼元素測定穩(wěn)定性問題，具有靈敏度高、準確性好、多元素同時分析等優(yōu)勢。本標準的制定將填補國內(nèi)外技術(shù)空白，為三氯氫硅產(chǎn)品質(zhì)量控制提供技術(shù)依據(jù)，對推動半導體材料國產(chǎn)化進程、保障集成電路產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈安全具有重大意義。關(guān)鍵詞：三氯氫硅；硅外延；雜質(zhì)分析；電感耦合等離子體質(zhì)譜法；半導體材料；標準制定；質(zhì)量控制Keywords:Trichlorosilane;SiliconEpitaxy;ImpurityAnalysis;ICP-MS;SemiconductorMaterials;Standardization;QualityControl正文1立項背景與意義硅外延用三氯氫硅是半導體制造過程中不可或缺的關(guān)鍵電子特種氣體原材料，其純度直接影響外延硅片的質(zhì)量和半導體器件的性能。根據(jù)2016年國家商務(wù)部發(fā)布的《鼓勵進口技術(shù)和產(chǎn)品目錄》（商務(wù)部公告2016年第45號），"半導體、光電子元件、新型電子元件等電子產(chǎn)品用材料制造"被列為國家鼓勵發(fā)展的重點行業(yè)（行業(yè)序號C30），體現(xiàn)了國家層面對半導體材料產(chǎn)業(yè)的高度重視。當前我國集成電路行業(yè)保持快速增長態(tài)勢，對硅外延用三氯氫硅的需求呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。然而，由于三氯氫硅的生產(chǎn)和制造過程存在極高的技術(shù)要求，目前國內(nèi)90%的高純?nèi)葰涔璁a(chǎn)品依賴進口，主要供應(yīng)商為日本信越化學等國際企業(yè)。這種高度依賴進口的現(xiàn)狀不僅增加了產(chǎn)業(yè)成本，更對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)鏈安全構(gòu)成潛在風險。硅外延用三氯氫硅中微量雜質(zhì)元素，特別是硼、磷、鐵等電活性雜質(zhì)，會嚴重影響硅外延片的電學性能。金屬雜質(zhì)元素則會對硅片表面雜質(zhì)分布產(chǎn)生不利影響，導致半導體器件性能偏離設(shè)計參數(shù)。因此，建立準確、可靠的雜質(zhì)含量測定方法，對三氯氫硅產(chǎn)品質(zhì)量控制具有決定性意義。目前國內(nèi)外尚未建立專門的硅外延用三氯氫硅雜質(zhì)分析標準方法，這已成為制約行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。為順應(yīng)市場需求，推動產(chǎn)品國產(chǎn)化進程，我公司在產(chǎn)品研發(fā)同時，自主開發(fā)建立了三氯氫硅雜質(zhì)含量的ICP-MS測定方法，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了強有力的技術(shù)保障。2范圍與主要技術(shù)內(nèi)容2.1標準范圍本標準規(guī)定了使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定硅外延用三氯氫硅中21種雜質(zhì)元素含量的方法。具體檢測元素包括：鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鎂(Mg)、鋁(Al)、鉀(K)、鈣(Ca)、磷(P)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎵(Ga)、鉬(Mo)、砷(As)、鉛(Pb)。本標準適用于電子級三氯氫硅產(chǎn)品的質(zhì)量控制和檢驗檢測。2.2技術(shù)原理與方法本方法采用先進的電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)，其工作原理如下：首先在三氯氫硅樣品中加入甘露醇，利用甘露醇與硼元素形成穩(wěn)定絡(luò)合物的特性，防止硼在預處理過程中的損失；隨后在加熱條件下去除大量基體，使目標雜質(zhì)元素殘留于器皿中；再用硝酸溶液溶解殘留物，制備成適合ICP-MS分析的待測樣品溶液。制備的樣品溶液在載氣（通常為氬氣）作用下進入高頻等離子體炬焰中，在6000-10000K的高溫環(huán)境下被充分蒸發(fā)、原子化和電離；產(chǎn)生的離子經(jīng)離子采集系統(tǒng)引入質(zhì)量分析器，根據(jù)離子的質(zhì)荷比（m/z）進行分離；最后通過檢測器測定各元素特征離子的信號強度，采用外標法或內(nèi)標法計算雜質(zhì)元素的含量。2.3方法優(yōu)勢與創(chuàng)新性本方法具有以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）檢測限低，可達ng/L級別，滿足高純材料分析要求；（2）多元素同時分析能力，顯著提高檢測效率；（3）動態(tài)線性范圍寬，可達6-8個數(shù)量級；（4）采用甘露醇絡(luò)合技術(shù)，有效解決了硼元素測定的穩(wěn)定性問題；（5）方法精密度高，相對標準偏差一般小于10%。與傳統(tǒng)的原子吸收光譜法（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）相比，ICP-MS法在檢測限、多元素同時分析能力和分析效率方面具有明顯優(yōu)勢，特別適合高純電子材料中超痕量雜質(zhì)的測定。介紹修訂的企事業(yè)單位或標委會本標準的主要起草單位——江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司，是全球領(lǐng)先的高純多晶硅生產(chǎn)企業(yè)，也是中國電子化工新材料產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長單位。公司擁有國家認定企業(yè)技術(shù)中心、博士后科研工作站等研發(fā)平臺，承擔了多項國家"02專項"、"863計劃"等重大科研項目。在半導體材料領(lǐng)域，公司專注于電子級多晶硅、三氯氫硅等高端產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，已建成國內(nèi)首條電子級三氯氫硅生產(chǎn)線，產(chǎn)品質(zhì)量達到國際先進水平。公司檢測中心通過CNAS認可，配備有多臺高分辨ICP-MS、GD-MS等先進檢測設(shè)備，為標準的制定提供了堅實的技術(shù)支撐和驗證條件。公司積極參與標準化工作，主持或參與制定了多項國家標準、行業(yè)標準和團體標準，培養(yǎng)了多名標準化技術(shù)專家。本次標準的制定凝聚了公司多年來的技術(shù)積累和實踐經(jīng)驗，體現(xiàn)了企業(yè)在推動行業(yè)技術(shù)進步方面的責任擔當。結(jié)論與展望本標準通過建立電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定硅外延用三氯氫硅中雜質(zhì)含量的分析方法，填補了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，為三氯氫硅產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供了可靠的技術(shù)手段。標準的實施將有助于提升我國電子級三氯氫硅產(chǎn)品的質(zhì)量水平，推動半導體材料的國產(chǎn)化進程，對保障集成電路產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈安全具有重要意義。隨著半導體技術(shù)不斷向更小線寬、更高集成度方向發(fā)展，對電子級化學品的純度要求將越來越高。未來，本標準還需要不斷完善和提升，進一步降低方法檢測限、擴大檢測元素范圍、提高分析效率。同時，需要加強國際標準比對研究，推動