JP3312425B2 - 高純度金属材料中の金属不純物元素の分析法及びその装置 - Google Patents

高純度金属材料中の金属不純物元素の分析法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は金属元素を主成分とする
試料中の金属不純物元素を金属主成分元素除去カラム及
び分析機器を使用し分離分析する高純度金属材料中の金
属不純物元素の分析法及びその装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】半導体分野の電極や配線材料として各種
金属が使用されるなかで超LSIの電極材として高純度
金属が注目されており、金属材料の高純度化の要請が高
まっている。
【0003】一方、高純度金属材料の開発には材料中の
金属不純物元素分析が不可欠であり、高純度金属材料中
の金属不純物元素の迅速かつ高精度な分析法確立が必要
とされている。各種材料中の金属不純物元素は材料を溶
解した試料液と金属元素組成既知の標準液の双方につい
て各種分析機器を用いて同一な操作により測定し、得ら
れた双方の信号位置及び強度を比較することにより分析
する。
【0004】通常溶液中の金属不純物元素の測定にはフ
レームレス原子吸光分析法、誘導結合プラズマ発光分析
法、誘導結合プラズマ質量分析(以下ICP−MSと記
す)法が用いられるがいずれの方法も試料液中の金属主
成分元素は測定する金属不純物元素の信号位置や強度へ
影響を及ぼす。特に高純度金属材料中の金属不純物元素
はppbレベルの超微量成分であるためこの影響が顕著
となる。従って、測定前あるいは測定上の工夫が必要と
なる。
【0005】従来高純度金属材料中の金属不純物元素を
上記方法で測定するために、測定前に試料液中の金属主
成分元素と金属不純物元素を分離して金属主成分元素の
影響を除去する方法(以下方法1とする)や標準液へ金
属主成分元素を添加して測定上の金属主成分元素の影響
を試料液と標準液の双方で等しくする方法(以下方法2
とする)が知られている。
【0006】方法1の場合として、イオン交換法を利用
して試料液中の金属主成分元素を測定する金属不純物元
素から分離除去する前処理法があるが、これは測定前の
独立した処理であるため、操作の煩雑さ、測定ブランク
値の増加、測定する金属不純物元素の吸脱着条件の設定
及びイオン交換操作時の稀釈による感度低下の問題があ
る。また、方法2の場合測定する金属不純物元素のブラ
ンク値を抑えるために標準液に添加する金属主成分元素
は被試験材料より極めて高純度でなければならない。従
って分析のために被試験材料よりも高純度な材料を調整
するという問題があり、さらに金属主成分元素の影響を
強く受ける金属元素の測定は困難という問題がある。一
方、被試験材料を溶解した試料液の微少量を分析機器へ
導入し、金属主成分元素の影響を抑える測定法がある
が、この方法も測定する金属不純物元素の濃度がppb
レベルの超微量成分となると金属主成分元素の影響が顕
著となり正確な測定が困難となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した課題
を解決し従来法では困難であった高純度金属材料中の金
属不純物元素の分析を簡便な操作により迅速かつ高精度
で行うことを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は陰イオン交換樹
脂を充填した除去カラムにより金属主成分元素を吸着除
去する前処理操作と金属不純物元素の測定を連続で行え
るシステムを考案することによりなされたものである。
【0009】本発明の構成は高純度金属材料を溶解し試
料液を調整する工程(以下,工程1とする。)と一定流
量の溶離液の流れる流路へ該試料液を導入し金属主成分
元素を吸着除去する工程(以下,工程2とする。)及び
金属主成分元素除去後の溶出液中の金属不純物元素を分
析機器により検出する工程(以下,工程3とする。)の
三工程からなる。以下その詳細について説明する。
【0010】工程1において高純度金属材料を溶解した
溶液へ、選択的に金属主成分元素と陰イオン錯体を形成
する酸(例えば、弗化水素酸、塩酸、シアン化水素酸
等)及び/又は選択的に金属主成分元素とオキソ酸陰イ
オンを形成する過酸化水素を一定量加えて酸性溶液にす
ることで、金属主成分元素を安定した陰イオン状態とし
て存在させることが可能となる。
【0011】工程2において導入された試料液中の金属
主成分元素は陰イオン交換樹脂を充填した除去カラムへ
吸着する。
【0012】これに対し、陽イオン又は中性状態として
存在する金属不純物元素は陰イオン交換樹脂に吸着され
ることなく除去カラムを通過する。また金属不純物元素
は陰イオン交換樹脂へ吸着しないため、金属不純物元素
の吸着溶離操作が不要となり非常に簡便な操作となる。
さらに溶離操作が不要なため溶離液による希釈が避けら
れるだけでなく、次工程である測定が連続して行える。
【0013】工程3において分析機器へ導入される該工
程2からの溶出液は金属主成分元素を殆ど含んでいない
ため測定する金属不純物元素の信号は金属主成分元素の
影響を受けない。従って測定に際して金属主成分元素未
添加の標準液が使用できる。このように試料液中の金属
主成分元素の除去工程と金属不純物元素の測定を連続で
行える本発明の装置により高純度金属材料中の金属不純
物元素の分析が可能となる。
【0014】本発明において金属主成分元素は酸性溶液
中で陰イオン交換樹脂に対して分配係数100以上を有
するものであれば特に限定されないが、過酸化水素とオ
キソ酸の陰イオンを形成するか又は特定の酸(例えば、
弗化水素酸、塩酸、シアン化水素酸等)と安定な錯陰イ
オンを形成できるTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、
As、Sb、Bi、Cr、Mo、W、Au、Pt及びS
iのような元素が望ましい。
【0015】逆に、金属不純物元素は上記過酸化水素又
は酸の存在下で陽イオンや中性状態で存在することが必
要であり、例えば、Li,Na,Mn及びPb等が挙げ
られる。
【0016】試料液中の金属主成分元素濃度は10重量
%以下であれば何等限定されるものではないが、2重量
%以下が望ましい。過酸化水素はオキソ酸陰イオンを形
成するために加えるが、その量は特に限定されるもので
はない。また試料液中の酸は、金属主成分と安定な錯陰
イオンを形成する酸(例えば、弗化水素酸、塩酸、シア
ン化水素酸等)でも良いし、過酸化水素と共に使用する
場合は、陰イオンの形成に関与する必要がなく、特に限
定されるものではない。
【0017】工程1で調整された試料液中の酸濃度は1
重量%以下の低濃度が望ましい。また、該工程2で導入
する試料液量は特に限定されないが、数100マイクロ
リットル(例えば100マイクロリットル)と少量に設
定すれば金属主成分元素を吸着するイオン交換樹脂量が
数ミリリットル程度の少量ですむ。
【0018】除去カラムへ充填する樹脂は陰イオン交換
樹脂であれば何等限定されるものではないが高交換容量
の強塩基性陰イオン交換樹脂が望ましい。溶離液は1重
量%以下の硝酸を含む水溶液で問題はないが、過酸化水
素を0.1重量%含むものでもよい。
【0019】本発明で使用する試薬及び水は金属不純物
元素が1ppb未満のものであれば特定されるものでは
ないが超微量成分分析で常用されている金属不純物元素
濃度が1ppb未満の市販高純度試薬(以下市販高純度
試薬と記す)及び比抵抗値17KΩcm以上のイオン交
換水(以下超純水と記す)が望ましい。
【0020】溶離液の送液ポンプは定流量で溶離液を送
液できるものであればなんら限定されるものではない
が、接液部が樹脂仕様のダブルプランジャータイプの高
速液体クロマトグラフィー用ポンプが望ましい。分析機
器は連続的にppbレベル以下の検出感度を有しかつ各
金属不純物元素を分別して検出できるものであれば特に
限定されないがICP−MS機器のように多元素同時測
定機能を有したものが望ましい。
【0021】以下本発明について図を用いて詳しく説明
する。
【0022】図1は本発明実施例の構成図である。図中
での1は溶離液が貯留された槽、2は送液ポンプ、3は
100μlの試料液注入ループ、4は切り換えバルブ、
5は試料液注入のための注射器、6は試料液のはいった
メスフラスコ、7は陰イオン交換樹脂が充填された除去
カラム、8は該除去カラムからの溶出液中の金属不純物
元素を検出するICP−MS機器、9は排出口である。
【0023】図1の構成からなる本発明の装置において
最初、切り換えバルブ4は実線接続流路となっている。
また、送液ポンプ2は常に運転状態にあり貯層1の溶離
液を切り換えバルブ4のポート4a、除去カラム7、I
CP−MS機器8を経由して排水口9へ送液している。
この状態で注射器5を吸引することにより、メスフラス
コ6内の試料液は切り換えバルブ4のポート4d、4c
を経由して100μlの試料液注入ループ3へ導入され
る。ここで注射器5によりメスフラスコ6内の試料液の
一定量をとり、切り換えバルブ4のポート4eから注射
器を加圧することにより4e、4fを経由して試料液注
入ループ3へ導入してもよい。次に切り換えバルブ4を
波線接続流路へ切り換えることにより、送液ポンプ2に
より送られている溶離液によって注入された試料液を除
去カラム7へ搬送する。ここで試料液中の金属主成分元
素が吸着除去され、共存する金属不純物元素はICP−
MS機器へ導入され分離検出される。
【0024】一方、3重量%以上の酸性水溶液を充填樹
脂量の100倍量以上流すことによりカラムへ吸着した
金属主成分元素を溶離し容易にカラムの再生が可能であ
る。次に本発明の装置を用いて実際に行った具体的な実
施例について説明するが本発明はこれら実施例のみに限
定されるものではない。尚本実施例では測定する金属不
純物元素をLi、Na、Mn、Pbの4元素に絞って説
明するが、酸又は過酸化水素の存在下で、陽イオン又は
中性状態で存在する他の金属不純物元素へも同様に適用
できる。
【0025】
【実施例】
実施例1 まず金属Mo中のLi,Pbの分析について説明する。
本実施例1で使用した試料1、2及び混合標準液1は以
下のようにして調整した。市販の高純度金属Mo粉末
(99.9%以上)0.4gを市販高純度試薬の過酸化
水素水により溶解し、硝酸酸性とした試料原液を2つ作
成(試料原液1、2とする)。
【0026】次に原子吸光分析用1000ppmLi標
準液及びPb標準液を超純水で稀釈して1ppmの混合
標準原液1を作成。先の試料原液1へ混合標準原液1を
40マイクロリットル加えて20ミリリットルとしたも
のを試料1とした。同様に試料原液2へ混合標準原液1
を200マイクロリットル加え20ミリリットルとした
ものを試料2とした。また、Mo溶解以外は試料原液作
成操作と同一に行った水溶液へ混合標準原液1を200
マイクロリットル加え20ミリリットルとし、10pp
bの混合標準液1を作成した。
【0027】除去カラムとして粒形が5μmである高交
換容量(例えば3.7meq/g)の第4級アンモニウ
ム基を有する全多孔性スチレン・ジビニルベンゼン共重
合体の陰イオン交換樹脂を内経6.0mm、長さ15c
mのクロマト管へ充填したカラムへ3%硝酸水溶液を通
液することにより、第4級アンモニウム基の対イオンを
硝酸型としたものを使用した。また、溶離液として0.
1重量%の過酸化水素を含む0.1重量%硝酸水溶液を
用いて、流速1.0ミリリットル/min.で通液し
た。
【0028】該混合標準液1を100マイクロリットル
の試料液注入ループへ注入したのち切り換えバルブによ
り該混合標準液1を除去カラムへ導入した。除去カラム
から溶出する液をICP−MS機器により測定した。同
様にして試料1,2も測定した。その結果のクロマトグ
ラフを図2に示す。
【0029】図2から明かなように金属主成分元素であ
るMoはほとんど溶出せず、目的とする金属不純物元素
はMoの影響を受ける事なく混合標準液1と同様良好に
分離検出されている。
【0030】実施例2 次にMoO3中のNa,Mnの分析例について説明す
る。本実施例2で使用した試料3及び混合標準液2は以
下のようにして調整した。
【0031】市販の高純度MoO3粉末(99.9%以
上)0.4gを、市販高純度薬品の過酸化水素及びアン
モニア水により溶解し硝酸酸性とした試料原液3を作
成。次に原子吸光分析用1000ppmNa標準液及び
Mn標準液を超純水で稀釈して1ppmの混合標準原液
2を作成した。
【0032】先の試料原液3へ混合標準原液2を400
マイクロリットル加え20ミリリットルとしたものを試
料3とした。また、MoO3粉末を溶解する以外は試料
3と同一の操作を行いMoを含まない20ppbの混合
標準液2を作成した。
【0033】試料3の調整以外の操作は実施例1と同一
に行った。その結果のクロマトグラフを図3に示す。M
oO3も金属Mo同様に金属主成分元素成分のMoはほ
とんど溶出せず、目的とする金属元素はMoの影響を受
けることなく混合標準液同様、良好に分離検出されてい
る。
【0034】比較例1 比較例として除去カラムを使用しないで微少試料量を用
いて行った場合を説明する。試料及び操作はすべて実施
例2と同様に行い本発明のシステムで除去カラムを使用
しないで測定した結果のクロマトグラフを図4に示す。
【0035】図4から明かなように除去カラムを使用し
ないと注入試料液量が小量であっても金属主成分元素で
あるMoの影響で測定元素の強度へ大きな変化が現れて
いる。従って同一濃度の試料液であっても共存するMo
量により強度が変わるため正確な定量測定は困難であ
る。
【0036】
【発明の効果】以上詳しく説明したように本発明によれ
ば、高純度金属材料を溶解した酸性水溶液を除去カラム
を具備した一定流量の溶離液の流れる流路へ注入するだ
けで、煩雑な前処理をすることなく迅速に高純度金属材
料中の金属不純物元素が分析可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の構成説明図
【符号の説明】
1 溶離液が貯留された槽 2 送液ポンプ 3 100マイクロリットルの試料液注入ループ 4 切り換えバルブ 5 試料液注入のための注射器 6 試料液のはいったメスフラスコ 7 陰イオン交換樹脂が充填された除去カラム 8 該除去カラムからの溶出液中の金属不純物元素を検
出するICP−MS機器 9 排出口
【図2】実施例1で得られたクロマトグラフ
【図3】実施例2で得られたクロマトグラフ
【図4】比較例1で得られたクロマトグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 30/02 B01D 15/04 B01J 41/04 G01N 30/88 G01N 31/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高純度金属材料を溶解した試料液へ酸及び
    /または過酸化水素を加え主成分の金属元素を安定した
    陰イオン状態とし、該溶液を陰イオン交換樹脂を充填し
    たカラムへ注入し該金属主成分元素を吸着除去した後、
    該カラムからの溶出液を分析機器へ導き該溶出液中の微
    量な金属不純物元素を測定することを特徴とする高純度
    金属材料中の金属不純物元素の分析法。
  2. 【請求項2】溶離液を送液するポンプ、試料液注入ルー
    プを具備した切り換えバルブ、陰イオン交換樹脂を充填
    したカラム及び溶液中の金属元素を検出する分析機器の
    順で構成してなる高純度金属材料中の金属不純物元素分
    析用装置。
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