Quantification of Additives in a Commercial CMP Sample Using HPLC With Photodiode Array and Mass Detection

Význam tématu

Chemicko-mechanické leštění (CMP) je klíčový proces při výrobě polovodičových součástek, který zajišťuje požadovanou rovinnost a čistotu povrchu křemíkových waferů. Složité složení CMP suspenzí, zahrnující polymery, organické a anorganické kyseliny, vyžaduje spolehlivou kontrolu kvality a stabilitu přísad. Rychlá a přesná kvantifikace těchto aditiv přispívá k minimalizaci degradace suspenze, zvýšení výtěžnosti výroby a prodloužení životnosti nákladného vybavení.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl nabídnout jednoduchou a rutinní analytickou metodu pro simultánní kvantifikaci a kvalifikaci běžných CMP aditiv pomocí vysokotlaké kapalinové chromatografie (HPLC) kombinované s fotodiodovou maticí (PDA) a jednočtvercovým hmotovým detektorem QDa. Metoda využívá patnáctiminutového separačního protokolu a minimalizuje náročnost přípravy vzorku.

Použitá instrumentace

• HPLC systém Waters Arc s kvaternárním solventním manažerem
• Fotodiodová matice (PDA) při vlnové délce 254 nm
• Masový detektor ACQUITY QDa (ESI+/-) pro m/z rozsah 30–1200 Da
• Data systém Empower 3 pro řízení instrumentace a zpracování dat
• Kolony XBridge BEH 5 μm (4.6×150 mm) při 50 °C

Použitá metodika

Vzorky standardních aditiv (citronová kyselina, benzotriazol, PEG, kyselina fosforečná) byly připraveny v 10 mM ammonium formiátu a suspenze CMP byla po odstředění ředěna na 6,5 mg/mL. Chromatografické podmínky zahrnovaly gradient vodného roztoku formiátu a acetonitrilu při průtoku 0,6 mL/min a objemu injekce 20 μL. Masová detekce umožnila selektivní extrakci iontových signálů [M+H]+ a [M−H]−.

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda poskytla baseline separaci všech cílových aditiv do 15 minut s vynikající opakovatelností retence (%RSD <0,1 %) a ploch píků (%RSD 0,3–10 %). Kalibrační křivky vykázaly R2 >0,995 pro většinu sloučenin; PEG v matrici prokázal mírně nižší linearitu (R2 ≈0,98) vlivem interakcí. Recovery studie ve suspenzi Ludox ukázaly 99–101 % pro benzotriazol, 78–83 % pro citronovou kyselinu a 81–111 % pro PEG, což odráží matrixové efekty.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá rutinní analýza CMP aditiv s minimální přípravou vzorku (řeď a vstřikuj)
• Simultánní kvantifikace UV‐aktivních sloučenin a kvalitativní potvrdění pomocí hmotové detekce
• Snížení nutnosti vícenásobných technik a náročných kroků extrakce
• Jednotná platforma Empower 3 pro správu dat z PDA i QDa detektoru

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření metodiky o UHPLC s menšími částicemi kolony pro zkrácení doby analýzy a zvýšení rozlišení. Integrace pokročilých datových algoritmů a strojového učení může dále zlepšit detekci nízkokoncentrovaných aditiv. Metoda je vhodná k adaptaci na širší spektrum sloučenin a real‐time monitoring výrobních linek.

Závěr

Navržená HPLC‐PDA/QDa metoda umožňuje robustní, pohotové a spolehlivé stanovení klíčových CMP aditiv s vysokou opakovatelností, linearitou a potvrzením identity hmotnostní detekcí. Minimalizace přípravy vzorku a sjednocení detekčních principů podporuje její zařazení do rutinního QA/QC v polovodičovém průmyslu.

Reference

1. Raghavan S, Keswani M, Jia R. Particulate Science and Technology in the Engineering of Slurries for Chemical Mechanical Planarization. Kona Powder and Particle Journal 2008;26:94–105.
2. Nagendra Prasad Y, Ramanathan S. Role of Amino‐Acid Adsorption on Silica and Silicon Nitride Surfaces during STI CMP. Electrochemical and Solid‐State Letters 2006;9(12):G337.
3. Analysis of Organic Additives in CMP Slurry. Toray Research Center, Inc. 201X.
4. Ludox® TM-50 Colloidal Silica Technical Data Sheet. Chempoint, 20XX.
5. Rodrigues PCA et al. Acid‐Sensitive Polyethylene Glycol Conjugates of Doxorubicin: Preparation, in vitro Efficacy and Intracellular Distribution. Bioorganic & Medicinal Chemistry 1999;7(11):2517–2524.