JPH085555A - 元素分析用プラズマトーチ及びこれを用いた元素分析方法 - Google Patents

元素分析用プラズマトーチ及びこれを用いた元素分析方法

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JPH085555A
JPH085555A JP6135366A JP13536694A JPH085555A JP H085555 A JPH085555 A JP H085555A JP 6135366 A JP6135366 A JP 6135366A JP 13536694 A JP13536694 A JP 13536694A JP H085555 A JPH085555 A JP H085555A
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JP
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plasma
plasma torch
hydrofluoric acid
resistant
tubular member
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JP6135366A
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English (en)
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Toshio Kojima
寿夫 小嶋
Atsuko Matsubara
温子 松原
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】プラズマを利用した発光分析装置や質量分析装
置において、フッ酸を含む試料溶液中の珪素を精度良く
定量分析できるプラズマトーチを提供する。 【構成】耐フッ酸性、耐熱性かつ耐高周波性材料である
アルミナで形成された管状部材1〜3を同心円状に支持
台5に嵌合してプラズマトーチ14を構成する。嵌合部
は複数のO−リング9により気密に保たれ、且つ管状部
材相互の軸ずれを防止する。プラズマ炎11を生成する
ガスは、支持台5に設けられた流路7、8によりプラズ
マトーチ内に供給される。試料溶液は霧化されて管状部
材3からプラズマ炎11の中心に導入され、励起、イオ
ン化されて分析される。 【効果】シリコン半導体プロセスにおけるドーパントプ
ロファイル等の正確な測定を可能とすることにより、半
導体製品の品質向上に有効なデータを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ発光分析装置
及びプラズマ質量分析装置に係り、特にフッ酸を含む試
料溶液の分析時におけるシリコン(珪素)のバックグラ
ウンドを低減するプラズマトーチ(放電管)を用いる分
析方法及び分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高周波誘導結合プラズマ(以下、IC
P)は、元素分析装置において発光分析用の光源や質量
分析用のイオン源として利用されている。このプラズマ
は、石英で構成される三重管構造のプラズマトーチ(例
えば、原口、他5名共著「ICP発光分析法」共立出
版、第13頁〜第16頁参照)内にプラズマ発生用のガ
スを流し、これを高周波電界中で放電させることで生成
される。このプラズマトーチは、石英製の管状部材を同
軸状に並行させて一体成型されるもので、プラズマを再
現性良く且つ安定に生成する。
【0003】一方、近年半導体分野において、シリコン
ウエハ中のドーパント濃度分析に対する需要が高まって
いる。この分析で調製する試料溶液にはフッ酸が含まれ
るため、従来のICP発光分析装置や質量分析装置を利
用する場合、石英製プラズマトーチの腐食という問題が
あった。これに対して、図3に示すように三重管のうち
の試料エーロゾル導入管3のみをアルミナ管で作製した
耐フッ酸用プラズマトーチが使われていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記のアルミナ製試料
エーロゾル導入管を有する耐フッ酸用プラズマトーチで
は、試料溶液中のフッ酸によるプラズマトーチの破損は
抑制された。しかし、フッ酸を含む試料溶液のスペクト
ル上に珪素のバックグラウンドレベルが上がるため、試
料溶液中の珪素濃度が精度良く分析できないという問題
があった。これは、プラズマの輻射熱によりプラズマト
ーチの石英表面層と外縁部が分解し、石英の主成分であ
る珪素がプラズマ中に拡散する現象とも、プラズマ中に
導入された試料中のフッ酸が石英管を腐食する現象とも
考えられる。このため、試料溶液中に珪素を含まないに
も拘らず図4のAカーブに示すように珪素のバックグラ
ウンドがフッ酸濃度と共に増加し、前記ドーパント濃度
分析に不可欠な珪素の高精度定量分析を阻害するという
問題があった。
【0005】本発明の目的は、プラズマへの珪素の混入
を抑制し、珪素の高精度定量ができるプラズマトーチ及
びこれを用いる分析方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的は、耐フッ酸
性、耐熱性かつ耐高周波性の材料からなり相互に径の異
なる複数の管状部材を支持台に同心円状に嵌合して構成
されるプラズマトーチにより達成される。支持台は、こ
れに嵌合された管状部材で仕切られる円筒状空間に接線
方向からガスを供給する流路を有する。
【0007】耐フッ酸性、耐熱性かつ耐高周波性の材料
としては、耐フッ酸性のセラミックス材料、例えば酸化
アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化硼素を用いるこ
とが望ましい。また、高純度パイロティック窒化硼素を
用いてもよい。さらに、加工性の良い石英或はガラス材
で管状部材を形成し、その表面を前記材料でコーテイン
グすることにより耐フッ酸性管状部材を作製してもよ
い。
【0008】管状部材と支持台は気密に嵌合され、支持
台には各管状部材嵌合部が同心円状に設けられる。嵌合
部の気密性は、例えば複数のO-リングを介して保つ。
支持台をセラミックス、石英或はガラスで構成する場合
は、管状部材及び支持台の夫々の嵌合部に磨り面を設け
ても良い。支持台は、嵌合する管状部材別に分割しても
良い。支持台を分割した場合は、支持台相互の軸合わせ
ができるように各々の接合部に案内溝を形成するのが望
ましい。
【0009】
【作用】本発明によるプラズマトーチは、プラズマ発生
部が耐フッ酸性材料からなる管状部材で構成されるた
め、プラズマ中に導入される試料中のフッ酸による腐食
を受けない。この管状部材の材料は、耐熱性かつ耐高周
波性でもあるため、プラズマの輻射熱による損傷を受け
ることなく、安定なプラズマを形成することができる。
従って、本発明のプラズマトーチを発光分析装置又は質
量分析装置に装着することにより、フッ酸を含む試料溶
液中の極微量の珪素を高精度で定量分析することができ
る。
【0010】また本発明によれば、マイクロ波プラズマ
(MIP)用プラズマトーチはもとより、ICP用プラ
ズマトーチのように複雑な三重管構造でも単純な形状の
管状部材を支持台に嵌合することで構成できる。各管状
部材は、支持台に同心円状に設けられた嵌合部に気密に
固定されるため、管状部材相互の軸合わせが確実に行え
る。従って、加工性の悪い耐フッ酸性セラミックス材料
でも、プラズマを安定に生成できるプラズマトーチを容
易に作れる。
【0011】
【実施例】以下、図面に示した実施例を参照して本発明
を更に詳細に説明する。なお、図1〜図3における同一
の記号は同一又は類似物を表示するものとする。
【0012】図1は、本発明に係る耐フッ酸用プラズマ
トーチ14の断面図を示す。本実施例のプラズマトーチ
14は、外部管1、内部管2並びに試料エーロゾル導入
管3を支持台5に複数のO−リング9を介して同心円状
に嵌合して構成される三重管構造の高周波誘導結合プラ
ズマ(ICP)トーチである。三重管構造を構成する管
状部材1〜3及び試料エーロゾル導入管3の先端部に接
合されるノズル4は、アルミナ(酸化アルミニウム)で
形成される。支持台5は、フッ素樹脂で形成されたブロ
ック5a〜5cで構成され、管状部材1〜3の軸合わせ
は各ブロックの接合を調整して行なう。ブロック5aに
はプラズマガス導入管7が、ブロック5bには補助ガス
導入管8が管状部材2、3の接線方向に設けられ、外部
管1と内部管2の間にプラズマガスの流れを、内部管2
と試料エーロゾル導入管3の間に補助ガスの流れを夫々
管状部材の軸方向に螺旋状に形成する。またブロック5
cは、キャリアガスで霧化された試料溶液(試料エーロ
ゾル)を試料エーロゾル導入管3に導入する。プラズマ
トーチ14の端部には、誘導コイル12により高周波電
場が形成され、この電場内でプラズマガス及び補助ガス
を放電させることによりプラズマ炎11を生成する。プ
ラズマ炎11は、プラズマガス及び補助ガスを螺旋状の
流れにより供給することで安定に維持される。ノズル4
は、試料エーロゾルを集束してプラズマ炎11の中心部
に導入して試料溶液中の元素を効率良く励起させるた
め、分析感度を高める。なお、管状部材1〜3と支持台
5は、複数のOリング9により気密に固定されるため、
プラズマガス、補助ガス及び試料エーロゾルは漏れなく
プラズマ炎11に供給され、またこれらのガスの流れに
よる管状部材の軸ずれも生じない。
【0013】図2は、図1の耐フッ酸用プラズマトーチ
を装着したICP発光分析装置の構成を示す。この装置
は、プラズマトーチ14及び分光器13からなる試料分
析部と、ネブライザ16及びチャンバ15からなる試料
導入部から構成される。プラズマトーチ14の端部の外
周には、プラズマ炎11を形成するための誘導コイル1
2が設けられる。誘導コイル12は、高周波電源10に
接続される。またプラズマトーチ14の端部の近傍に
は、分光器13が配置される。一方プラズマトーチ14
の他端は、接合部6を介してネブライザ16を備えたチ
ャンバ15に接続される。試料溶液18は、キャリアガ
スによりネブライザ16に吸い上げられ、チャンバ15
内部において霧化され、試料エーロゾルとなってプラズ
マトーチ14に導入される。試料溶液に含まれる元素
は、試料エーロゾルをプラズマ炎11の中心部に導入す
ることにより励起され、これに伴う発光を分光器13で
測定することで分析される。
【0014】図4は、ICP発光スペクトルにおける試
料溶液中のフッ酸濃度に対する珪素のバックグラウンド
変化について、本実施例のプラズマトーチと従来の耐フ
ッ酸用プラズマトーチとを比較したデータである。従来
のプラズマトーチとしては、図3に示す構造を有し、外
部管1、内部管2は石英により一体成形され、これにア
ルミナ製の試料エーロゾル導入管3がブロック16を介
して固定されるものを用いた。実験は、超純水中にフッ
酸を加えて調製した試料溶液を用い、珪素の測定は分光
器を波長251.6nmに固定して行なった。プラズマ
炎はアルゴンガスを用いて生成し、その流量はプラズマ
ガスとして毎分12l、補助ガスとして毎分0.25
l、キャリアガスとして毎分0.5lに夫々設定した。
高周波電場は、周波数を27.12MHz、出力を1.
2kWに設定した。図4において、Aカーブは従来の耐
フッ酸用プラズマトーチを使用したときの結果,Bカー
ブは本実施例のプラズマトーチを用いたときの結果であ
る。従来の耐フッ酸用プラズマトーチでは、フッ酸濃度
の増加に伴い珪素のバックグラウンドはAカーブのよう
に増加するため、フッ酸濃度5%溶液に含有される1p
pm以下の濃度の珪素を精度良く定量できなかった。こ
れに対し、本実施例のプラズマトーチでは、フッ酸濃度
5%溶液の場合でもバックグラウンドの増加は1%未満
であるため、濃度ppbレベルの極微量珪素の高精度定
量が可能となった。
【0015】なお、本実施例のプラズマトーチは、図2
に示すように単純な形状の管状部材並びに支持体を組み
立てて構成するため、これらの部品を廉価で製作でき、
また部分的な破損或は劣化においても部品を交換するだ
けで元来の性能を復活できるという利点がある。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、シリコン半導体プロセ
スにおける自然酸化膜制御、エッチングレートの確定、
ドーパントプロファイル測定に不可欠なフッ酸溶液中の
珪素の高精度の極微量分析が可能となるため、半導体製
品の品質向上を図る上で有効なデータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る耐フッ酸用プラズマトーチを装着
した高周波誘導結合プラズマ発光分析装置の構成図。
【図2】本発明に係る耐フッ酸用プラズマトーチの断面
図。
【図3】従来の耐フッ酸用プラズマトーチの側面断面
図。
【図4】本発明及び従来の耐フッ酸用プラズマトーチを
用いて測定したフッ酸溶液濃度に対する珪素のバックグ
ランド変化を示す図。
【符号の説明】
1…外部管、2…内部管、3…試料エーロゾル導入管、
4…ノズル、5…支持台、6…接合部、7…プラズマガ
ス導入管、8…補助ガス導入管、9…O−リング、10
…高周波電源、11…プラズマ炎、12…誘導コイル、
13…分光器、14…プラズマトーチ、15…チャン
バ、16…ネブライザ、17…キャリアガス導入路、1
8…試料溶液、19…ドレン。A…従来の耐フッ酸用プ
ラズマトーチによる測定値、B…本発明の耐フッ酸用プ
ラズマトーチによる測定値。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】耐フッ酸性、耐熱性及び耐高周波性の材料
    からなる管状部材と、該管状部材を同心円状に嵌合する
    ための支持台とで構成され、該支持台は嵌合された管状
    部材の内部にガスを導入する流路を有することを特徴と
    する元素分析用プラズマトーチ。
  2. 【請求項2】前記管状部材と支持台は、複数のO−リン
    グ又は該管状部材と支持台に形成した磨り表面により気
    密に嵌合されることを特徴とする請求項1に記載の元素
    分析用プラズマトーチ。
  3. 【請求項3】前記耐フッ酸性、耐熱性及び耐高周波性の
    材料は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム及び窒化
    硼素のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1
    又は請求項2のいずれか一に記載の元素分析用プラズマ
    トーチ。
  4. 【請求項4】耐フッ酸性、耐熱性及び耐高周波性の材料
    からなる管状部材を支持台に同心円状に嵌合させてなる
    プラズマトーチを用いてプラズマを生成する工程と、該
    プラズマにフッ酸を含む試料を導入し該試料中の元素を
    分析する工程とからなることを特徴とする元素分析方
    法。
  5. 【請求項5】前記の試料中の元素を分析する工程におい
    て、該元素のプラズマ内における発光を分光分析するこ
    とを特徴とする請求項4の元素分析方法。
  6. 【請求項6】前記の試料中の元素を分析する工程におい
    て、該元素をプラズマにおいてイオン化して質量分析す
    ることを特徴とする請求項4の元素分析方法。
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