KR20030079968A

KR20030079968A - 자동화된 동위원소 질량 분광분석법

Info

Publication number: KR20030079968A
Application number: KR10-2003-7009937A
Authority: KR
Inventors: 킹스턴하워드엠.
Original assignee: 메타라 인코포레이티드
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-10-10
Also published as: WO2002060565A1; CA2434094A1; CN100408151C; JP2004526952A; EP1355728A2; WO2002060565A8; CN1575195A; EP1355728A4

Abstract

변형된 동위원소 희석 질량 분광분석법을 이용한, 공정내 자동화된 분석을 위한 방법 및 관련 장치를 개시한다. 그것은 정량적 기기 검출 한계 및 그 부근에서 품질보증을 위해 최적화되고 기능을 발휘할 수 있는, 원소 및 화학종의 역치 측정을 포함한다. 상기 시스템은 자동화되어 있으며 원소 또는 화학종 오염물의 확인 및 정량을 위한 무인작업에 이용될 수 있다. 상기 방법의 바람직한 측면에서, 샘플 (2)를 하나 이상의 스파이크된 안정한 동위 원소 또는 화학종 (38)과 평형을 이루게 한 다음, 대기압 이온 화기 (32)에서 이온화시키고 질량 분광분석기로 처리하여 생성된 질량 분광분석기 결과가 마이크로 프로세서에 의해 처리되는데, 샘플 작업, 스파이크 전달, 평형반응, 대기압 이온화기 작업뿐만 아니라 질량 분광분석기 (36) 작업이 제어기 (20)를 통해 통합조절된다. 상기 방법을 정성분석을 위해 사용할 수도 있다.

Description

자동화된 동위원소 질량 분광분석법{Automated in-process isotope and mass spectrometry}

기체뿐만 아니라 수용액과 그 이외의 용액중의 ppb와 서브 ppb 수준의 원소 또는 화합물을 측정할 때 선택되는 기술로서, 10억분의 1(ppb)을 측정하는 질량 분광분석법 장비가 흔히 사용된다고 알려져 있다. 질량분광분석기는 대개 숙달된 기술자에 의해 작동되며 정기적으로 캘리브레이션(calibration)된다. 그러나, 많은 경우, 질량 분광분석기의 무인 작동이 필요하다. 이러한 경우로는 원격 작업, 24시간 연속 모니터링, 또는 부적당한 환경에서의 작업, 또는 인간과의 접촉이 최소화되어야 하는 경우가 있다. 예를 들어, 인간과의 접촉을 최소로 하는 것이 바람직하며 청정한 공간을 필요로 하는 반도체 산업과 같이, 습윤 공정 배쓰에서의 오염도 모니터링과 제어를 하는 경우가 그러한 경우 중 하나이다. 청정 공간에서의 작업에 실시간, 인-시투, 센서를 설치하는 것이 그 산업분야에 있어서 결점 감소를 위한 주된 과제이다.International Technology Roadmap for semiconductors 1999 Edition: Defect Reduction, Sematech, Austin jTX, (pg. 270)(1999).

무인 작업을 달성하기 위해, 자동으로, 정확하게, 그리고 기구의 드리프트(drift)와 관련된 불가피한 시스템 에러를 보상할 필요가 없이, 역치에서 원소 농도를 모니터링 할 수 있는 방법이어야 한다. 일단 역치가 넘어가게 되면 통상의 캘리브레이션(calibration)을 할 필요 없이 원소 농도의 정량분석이 이루어질 수 있다. 종래의 캘리브레이션 기술은 표준물질의 농도에 대한 기계 반응을 나타내는 캘리브레이션 곡선을 생성시키키 위해 캘리브레이션 표준물질을 사용한다. 캘리브레이션 곡선은 미지의 샘플의 농도를 결정하기 위해 이용된다. 전형적인 캘리브레이션 곡선이 도 1에 나타나 있다(곡선 A). 기기 반응이 드리프트하거나 표준물질과 샘플 간에 매트리스의 차이에 의해 유발되는 반응 쉬프트(shift)가 있을 경우, 종래 기술은 정확한 결과를 생성해 내지 못할 것이다. 질량 분광분석계(mass spectrometer)는 특히 도 1에 나타낸 바와 같이(곡선 B) 캘리브레이션 반응의 변화를 유발하는 급속한 드리프트에 특히 영향을 받기 쉽다. 이러한 급속한 드리프트는 통상 숙련된 기술자에 의한 재캘리브레이션(recalbration)을 필요로 한다. 샘플과 표준물질 간에 이온화 효율, 이온화 억제, 또는 이온화 증진이 동일하게 유지되도록 하기 위해 샘플 및 표준물질의 매트릭스를 일치시키는 노력을 기울여야 한다.

또한, 샘플과 표준 매트릭스 간의 점도 차이는 실제 상황에서 불가피한 샘플 도입 속도의 변화와 연관된 차별적 기기반응을 또한 일으킬 수 있다. 용액의 점도 또는 이온화 효율을 변화시키는 매트릭스 효과는 도 1(곡선 C)에 나타낸 바와 같은 캘리브레이션 변화를 일으킬 수 있다. 본 발명은 종래의 캘리브레이션을 할 필요 없이 기기 검출 한계 및 그 부근에서의 품질보증을 위해 최적화된 측정을 수행하기 위해 변형된 IDMS를 이용한다.

IDMS는 분석할 샘플에 동위원소가 강화된 표준물질을 부가하는 것을 기초로 한다(본 명세서에 명백히 인용되어 통합되는 미국특허 5,414,259 참조). 샘플과 표준물질의 평형이 이루어지면, 샘플의 원래 동위원소의 비율이 강화된 표준물질에 의해 변화할 것이며, 새로운 동위원소의 비율을 질량 분광분석기로 측정한다. 강화된 동위원소의 비율뿐만 아니라 강화된 동위원소 표준물질의 농도를 알고 있으면, 변화된 원래 원소의 동위원소의 비율을 측정함으로써 샘플의 원소 농도를 알 수 있다. 이 방법은 오차가 발생할 가능성이 명백히 매우 적다. 이러한 각각의 가능성은 교정되고 제거될 수 있으며, 그로 인해 두 가지 동위원소의 비율 결정에 있어서의 불확실성이 최종 측정오차로서 남게 된다. 이러한 불확실성은 이러한 동위원소의 비율이 측정하는 질량 분광분석기의 성능에 달려있다. 농도를 알고 있는 강화된 동위원소 표준물질이 샘플 온-라인에 정확하게 제어되는 방식으로 도입되면, 측정될 각각의 원소 또는 화학종의 모든 통상적인 간섭(interference)이 제거된다. 샘플의 농도를 알아내기 위해 단지 변화된 동위원소의 비율이 필요하기 때문에, 유속과 이온화 효율의 물리적 화학적 차이는 본질적으로 제거된다. 그러므로, IDMS는 대응하는 비분광학적 간섭뿐만 아니라 장기 및 단기 기기 드리프트에 대해 궁극적인 교정기술이다. 이 공정은 일반적으로 기기의 정확한 검출과 극미량 분석의 품질관리에 필수적인 방법을 제공한다. 또한, 통상의 IDMS는 유도결합 플라즈마 질량분광분석기(Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometers, ICP-MS)와 열이온화 질량분광분석기(Thermal Ionization Mass Spectrometers, TIMS) 모두에 일차적으로 이용되어 왔다. ICP-MS와 TIMS 기기분석법 모두 무인 방식 작업에 적절하지 않은 것으로 여겨지고 있다(Fassett, J.D., Paulsen, P. J. Isotope-dilution mass spectrometry for accurate elemental analysis, Anal. Chem. (1989) 61 643A-649A; Rottmann, L., Heumann, K. G., Development of an on-line Isotope Dilution Technique with HPLC/ICP-MS for the accurate determination of elemental species. Fresenius J. Anal. Chem., (1994) 350 221-227; Rottmann, L., Heumann, K. G., Determination of Heavy Metal Interactions with Dissolved Organic Materials in Natural Aquatic Systems by Coupling High-Performance Liquid Chromatography System with an Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer. Anal. Chem., (1994) 66 , 3709-3715; Heumann, K. G., Rottmann, L., Vogl, J., Elemental Speciation with Liquid Chromatography-Inductively Coupled Plasma Isotope Dilution Mass Spectrometry. J. Anal. Atom. Spectro.(1994) 9 1351-1355; Horn, M., Heumann, K. G., Comparison of Heavy Metal Analysis in Hydrofluoric Acid used in Microelectronic Industry by ICP-MS and Thermal Ionization Isotope Dilution Mass Spectrometry, Fresenius J. Anal. Chem., (1994) 350 286-292).

ICP-MS 기기와 강화된 동위원소 표준물질이 내부 표준물질로서 온-라인 IDMS를 이용하는 방법이 제안되었는데, 이 방법에서는 ICP-MS 기기에 도입되기 전에 샘플 흐름에 계속적으로 도입되고 평형상태가 되도록 혼합된다 (Rottmann, L., Heumann, K. G., Development of an on-line Isotope Dilution Technique with HPLC/ICP-MS for the accurate determination of elemental species. Fresenius J. Anal. Chem., (1994) 350 221-227; Rottmann, L., Heumann, K. G., Determination of Heavy Metal Interactions with Dissolved Organic Materials in Natural Aquatic Systems by Coupling High-Performance Liquid Chromatography System with an Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer. Anal. Chem., (1994) 66 , 3709-3715; Heumann, K. G., Rottmann, L., Vogl, J., Elemental Speciation with Liquid Chromatography-Inductively Coupled Plasma Isotope Dilution Mass Spectrometry. J. Anal. Atom. Spectro. (1994) 9 1351-1355).

원소 분류를 위해 온-라인 HPLC/ICP-IDMS 방법을 시험하였다. 철, 구리 또는 몰리브덴 중 어느 하나로 강화된 스파이크를 IDMS 캘리브레이션 표준물질로서 도입하여 고해상도 ICP-MS를 이용하여 천연수에서 발견되는 부식 복합체의 중금속을 측정하는 방법이 공개되었다. 어느 원소 표준물질을 선택할지는 샘플에서 분석될 원소에 달려있다(Rottmann, L., Heumann, K. G., Development of an on-line Isotope Dilution Technique with HPLC/ICP-MS for the accurate determination of elemental species. Fresenius J. Anal. Chem., (1994) 350 221-227; Rottmann, L., Heumann, K. G., Determination of Heavy Metal Interactions with Dissolved Organic Materials in Natural Aquatic Systems by Coupling High-Performance Liquid Chromatography System with an Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer. Anal. Chem., (1994) 66 , 3709-3715; Heumann, K. G., Rottmann, L., Vogl, J., Elemental Speciation with Liquid Chromatography-Inductively Coupled Plasma Isotope Dilution Mass Spectrometry. J. Anal. Atom. Spectro. (1994) 9 1351-1355). "분석될 화학종의 정량적 크로마토그래피 분리"가 이 방법의 전제조건 중의 하나이며 "정량적 분리는 스파이크 단계(화학종-비특이적 스파이크)가 일어나기 전에 필수적이다". "(화학종-비특이적 스파이크), 분리된 화학종과 스파이크 간의 평형이...(ICP-MS에서의) 고온의 아르곤 플라즈마에 의해 보장되어야 한다." Rtottmann, L., Heumann, K. G., Development of an on-line Isotope Dilution Technique with HPLC/ICP-MS for the accurate determination of elemental species. Fresenius J. Anal. Chem., (1994) 350 221-227. HPLC 분리 및 ICP-MS 측정은 상기 방법의 두 가지 필수적인 부분이다.

반도체 제조자들은 실리콘 웨이퍼로부터 서브-마이크론 소자를 생성시키기 위해 화합물의 순도에 의존한다. 불순한 화학약품은 소자의 작동을 멈추게 하는 경향이 있다. 그러므로 습한 화학약품이 실제로 순수한지 또는 적절히 순수한지를아는 것은 중요하다. 순도를 결정하는 현재의 방법들은 비용이 많이 들고 속도가 느린 오프-라인 화학약품 분석기를 사용한다. 이러한 문제는 300-mm 웨이퍼 및 구리 인터컨넥트로 진행할 때 계속된 소자 수축으로 증대된다. 24 내지 72시간 범위의 시간 구조로 화합물 분석을 수행하는 경향이 있다. 이러한 시기 적절한 정보 부족에 의한 결과 중 하나는 언제 이러한 값비싼 화합물의 처리를 해야할지 모른다는 것이다.

실리콘 웨이퍼 클리닝 배쓰의 금속 농도를 모니터하는 방법에 인-라인 ICP-MS를 이용하는 것이 제안되었다(ICP-MS를 이용한 실리콘 웨이퍼 클리닝 배쓰에서의 금속 인-라인 모니터링<http://www.micromagazine.com/archive/99/02/shive.html> 참조).

극미량 분석을 위한 IDMS는 이미 공지되어 있다. Fassett, J. D. 및 Kingston, H. M., Determination of Nanogram Quantities of Vanadium in Biological Material by Isotope Dilution Thermal Ionization Mass Spectrometry With Ion Countering Detection, Anal. Chem., (1985)572474-2478. 이 간행물에는 극미량 분석이 뱃치 스파이크된 표준물질로서 동위원소가 강화된 스파이크를 이용하는 종래 방식의 IDMS를 이용한다. 이러한 동위원소를 저농도 샘플과 블랭크에 농축시키고, 모든 화학종에 대한 정보는 뱃치 샘플 방법을 사용하여 제거한다. 모든 화학종의 완전한 변형은 샘플에 여러 화학종이 동시에 존재하는 것을 방지하기 위해 대부분의 IDMS에서 전제 조건이다. 또한, 이러한 변형은 농축된 동위원소와 샘플 동위원소가 다른 화학종의 형태로 존재하는 것을 방지한다. 그 결과, 원소종류의 결정과 평가 모두가 가능하지 않으며 실제로 종래의 IDMS 기술에 의해 차단된다.

Hayes에게 허여된 미국특허 5,012,052에는 C-12와 C-14의 비율에 기초하여 시험체의 기원을 결정하는데 도움을 주는 유기 성분으로부터의 온-라인 연속 연소에 의한, 가스에 대한 동위원소 모니터링 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 질량 분광분석법 전에 가스 크로마토그래피와 불꽃이온화검출기(Flame Ionization Detector, FID)의 조합과 팔라듐 선별기(separator)와 산소부과연소반응 챔버의 조합을 필요로 한다. 이 방법은 질량 분광분석기를 사용하기 전에 연소 챔버와 팔라듐 선별기의 사용을 필요로 한다. 이 방법과 기기의 목적은 기체의 기원을 확인하기 위해 동위원소 표준물질과 비교하여 탄소 동위원소의 비율을 C-12와 C-14를 이용하여 확립하는 것이다. 이 방법에는 전이금속 또는 그 이외의 금속의 미량 분석의 수행에 대한 시도가 없으며, 정량이 동위원소 희석 측정법을 기초로 하지 않는다. 이 방법은 금속에 적용하기 위한 것이 아니다.

미국특허 5,572,024는 스키머 콘(skimmer cone) 직경과 압력을 조작함으로써 유도 커플링된 플라즈마(ICP)로부터 질량 분광분석기로의 도입을 진정시키는(quieting) 방법 및 장치를 개시한다. 이 발명은 공지되어 있는 ICP-MS와 MIP-MS(마이크로파 유도 플라즈마) 기술에 비하여 비율측정의 정확성이 향상된 측정방법이다. 여기에는 동위원소의 보다 정확한 측정을 가능하게 하는 질량 분광분석기 입구에 대한 변형예가 기재되어 있다. 이 발명은 플라즈마 장치를 필요로 하며 또한 질량 분광분석기의 감도를 감소시킨다.

미국특허 5,872,357은 전기분무 질량 분광분석기를 위한 광범위 질량 분광 범위에 걸친 캘리브레이션을 가능하게 하는 유기 화합물의 캘리브레이션 조성물 시리즈와, 질량분광분석기를 캘리브레이션 하기 위해 이러한 유기 캘리브레이션 조성물을 사용하는 방법을 개시한다. 이 발명은 새로운 류의 유기계 캘리브레이션 조성물을 제공하며, 그 적용분야를 이러한 캘리브레이션 조성물의 용도로 제한한다.

미국특허 6,032,513은 대기압 이온화 소스에서의 이온화를 향상시키기 위한 중공형 전극을 개시하고 있으며, 샘플 가스 스트림을 보다 용이하게 이온화되는 캐리어 가스로 대체한다. 이 특허는 기체 분석을 위한 것이며, 질량 분광분석 측정 전에 기체 흐름의 치환과 중공 전극의 사용을 필요로 한다. 이 기술은 본 발명의 핵심인 동원원소를 기초로 하는 측정법에 적용될 수 없다.

ICP-MS에 흐름주입분석기(Flow Injection Analysis, FIA)을 도입하는 것을 이용한 IDMS가 알려져 있다.Viezian Miklos; Alexandra Lasztity, Zioaru Wang and Ramon M. Barnes, On-line Isotope Dilution and Sample Dilution by Flow Injection and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, J. Anal. Atom. Spectro., (1990) 5 125-133. 이 기술은 샘플과 동원원소가 강화된 스파이크를 ICP-MS에 도입하기 전에 이들을 혼합하기 위해 FIA를 이용한다. ICP-MS에 도입하기 전에 스파이크 및 샘플을 동시에 주입하여 중성 캐리어 액체 내에 어떤 구역을 형성한다. 고정된 샘플 루프(loop)의 부피는 스파이크 및 샘플의 양을 조절한다. 두 가지 용액의 물리학적 혼합은 합류 포인트와 네불라이저(nebulizer) 사이에서 일어난다. 강화된 스파이크가 화학종에 비특이적이기 때문에 종래의 IDMS 방법에서와 같이, 화학종의 정보는 이용가능하지 않다. 또한, 이 기술은 불활성 시약을 사용하는 온-라인 희석법; FIA를 이용하여 쉽게 이룰 수 있는 기술을 제안하였다.

미국특허 5,730,360에는 자동화된 캘리브레이션 장치가 개시되어 있다. 그 장치는 질량 분광분석기를 캘리브레이션 하거나 조율하기 위해, 질량 분광분석기 ESI 또는 대기압 화학 이온화기(APCI)로 표준물질 참조 용액을 자동으로 도입한다. 이 특허에서는 원하는 표준물질을 ESI 또는 APCI로 도입하는데 스위칭 밸브를 사용한다. 표준 참조용액과 샘플 용액이 서로 다른 소스로부터 유래하기 때문에, 매트릭스 효과가 제거되지 않는다.

미국특허 5,703,360은 하나 이상의 종래 표준물질 참조용액이 질량 축(mass axis)에 대하여 질량 분광분석기를 조정하고, 기기의 기능성을 평가하고, 그리고 기기를 재캘리브레이션 하는데 이용될 수 있다고 개시하고 있다. 두 가지의 순차적인 캘리브레이션 표준물질을 도입하는 이 기술은 질량 분광분석기의 무인 작동 시 문제가 될 수 있는 단기 또는 장기 드리프트를 제거하지 않을 것이다(미국특허 5,703,360 참조).

대기압 이온화(API) 기술에는 전기 스프레이(ES) 이온화와 대기압 화학 이온화(APCI)가 있다. 이 기술은 펩티드, 단백질, 핵산 및 탄수화물과 같은 생분자의 특징을 규명하기 위해 광범위하게 사용되어 왔다.Cole, R. B. Electrospray Ionization Mass Spectrometry: Fundamentals Instrumentation & Applications: John Wiley & Sons, Inc.: New York, 1997. 그것은 또한, 무기금속이온, 유기금속이온, 및 복합체 금속 이온의 존재를 결정하는데 사용되지만, 정량은 막중한 과제로 남아있다. 화학적 노이즈(noise)로 인한 높은 배경 노이즈와 신호 억제(매트릭스 효과)는 대부분의 분석물질의 정량에 가장 제한적인 인자인 것 같다.Stewart, 1.1, Electrospray Mass Spectrometry: a Tool For Elemental Speciation, Spectrochim. Acta. Part-B. (1999) 54B 1649-1695. CID(Collision-induced dissociation)은 강력한 충돌을 일으키고 매스 스펙트럼을 단순화시키고, 배경 노이즈를 감소시키고, 그리고 감도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 안정한 작동은 좁은 범위의 용액 전도도에 제한되어 있으며, 정량과정동안 원래의 비-선형 신호 반응을 일으킬 수 있다.

SIDMS(Speciated Isotope Dilution Mass Spectrometry)가 화학종의 정량과 그 변형을 평가하도록 개발되었다 (미국특허 5,414,259 참조). SIDMS에서는 소정의 화학종이 동위원소로 특이적으로 라벨링되며 이러한 측정을 수행하기 위해 도입된다. 중요한 화학종은 이미 공지되어 있으며 명확하게 평가되어 있다.

요약하면, 자동으로 정확하게 원소 농도 역치 수준을 모니터하고, 유체중의 원소 오염물 또는 화합물 및 화학종을 확인하고 정량하는 장치를 무인 작동방식으로 수행하기 위한 방법 및 관련 장치가 개발되어 왔다.

본 발명은 동위원소 희석 질량 분광분석법(Isotope Dilution Mass Spectrometry, IDMS)의 변형된 형태를 이용하는, 공정내 자동화된 분석방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 상기 방법은 기기 검출 한계(instrumental detection limit) 및 그 부근에서 품질보증을 위해 최적화된, 원소 및 화학종의 역치 측정방법이다. 상기 역치 측정방법은 자동화되어 있으며, 공정내-대기압경계면-질량분석기(In-Process, Atmospheric Pressure Interface, Mass Spectrometer, IP-API-MS)의 무인 작동에 이용될 수 있다. 상기 IP-API-MS 장치는 액체중의 원소 오염물 또는 화합물 및 화학종의 확인 및 정량을 위한 것이다.

도 1은 캘리브레이션 곡선 드리프트를 나타내는 반응 플랏과 캘리브레이션플랏이다.

도 2는 본 발명의 방법을 나타내는 도식적인 도면이다.

도 3은 본 발명의 장치의 형태를 나타내는 도식적인 도면이다.

도 4는 질량 분광분석기 드리프트를 설명하는 시간에 따른 총 수의 플랏이다.

도 5는 또한 질량 분광분석기 드리프트를 설명하는 시간에 따른 농도의 ppb(parts per billion) 플랏이다.

도 6은 시간에 따른 디컨볼루션된 농도 및 비율의 플랏이다.

도 7은 시간에 따른 농도의 플랏이다.

도 8은 종래의 캘리브레이션 및 IDMS에 따른 농도의 막대 그래프이다.

도 9는 스파이크된 여러 샘플의 농도에 따른 디콘볼루션된 농도의 플랏이다.

도 10은 스파이크된 농도에 따른 디콘볼루션된 농도의 플랏이다.

도 11은 한 쌍의 매스 스펙트럼을 나타낸다.

발명의 요약

본 발명은 질량 분광분석기의 검출한계 및 그 부근에서의 측정을 증진시키고 향상시킨, 종래의 IDMS 방법의 변형방법을 이용한다. 이러한 변형방법은 극미량의 원소와 화학종 측정 모두의 품질을 보증한다.

본 발명의 방법 및 장치는 바람직하게는 ICP-MS 대신 IP-API-MS 기기를 사용한다. HPLC 및 ICP-MS 모두 IP-API-MS 장치의 필수적인 기기가 아니다. 본 발명에서는 크로마토그래피에 의한 분리를 필요로 하지 않는다. 스파이크와 샘플 화학종 간의 평형은 복잡할 수 있는 역동적인 전처리, 산화 등에 의해 이루어지거나 예비농축(preconcentration) 및 결정 전에 샘플과 스파이크를 동일한 화학종로 변환시키는 것에 의해 이루어진다.

본 발명에서 라벨링된 화학종(흔히 복수개의 화학종이 동시에)이 용액 형태로 생성되며, 구조적인 정보에 대한 평가가 있을 때까지 그 조성과 구조가 미리 결정되지 않는다. 정량은 공정 내에서, 실시간으로 공정 내에서 강화된 안정한 동위원소의 복합체가 아닌 염과 이루어진 역동적인 평형을 통해 최초로 수립된 원소 이온과 화학종의 정보이다. 이 방법은 역동적인 라벨링과 질량 분광분석기의 이중성을 제공한다. 또한, 한 구현예에서 화학종이 분리 없이 동시에 평가될 수 있으며, 다른 한 구현예에서는 순차적으로 이루어 질 수 있다. 동역학과 순서는 공지의 방법과 매우 다르다.

종래의 IDMS와는 달리, 본 발명의 방법은 질량 분광분석기의 검출한계 및 그 부근에서의 측정을 증진시키고 향상시킨다. 공정 내 측정방법을 사용하기 위해, 공정내-대기압경계면-질량분석기(IP-API-MS)를 사용하는 하나의 장치를 개발하였다. IP-API-MS 장치는 평형을 위해 고온의 아르곤 플라즈마에 의존하거나 측정 전에 HPLC 분리단계를 필요로 하지 않고, 유체중의 원소 오염물 또는 화합물과 화학종의 확인 및 정량을 위한 것이다.

본 발명은 공정 내 자동화된 무인 작업을 위해 최적화된 안정한 동위원소 비율을 이용하는, 유체(액체 및 기체)를 취급하는 공정 내 질량 분광분석기(IP-MS)를 사용하는 방법 및 장치를 제공한다. 극미량의 원소 및 화학종의 정성분석 및 정량분석 정보 모두를 입수할 수 있다. 본 발명의 방법은 화학종 정보와 원소의 정량적인 평가를 가능하게 하는 대기압 이온화(API) 시스템인 질량 분광분석기 인터페이스를 이용한다. 상기 유체 취급 시스템은 비리간드 형태의 분리된 동위원소 또는 교환가능성이 높은 리간드 형의 동위원소를 혼합한다. 안정한 강화된 동원원소는, 장치 검출 한계 및 그 부근에서의 비율 측정을 위해 최적화될 수 있어서, 효율적인 역치 모니터링과 정량 평가를 가능하게 한다.

본 발명의 한 구현예에서, 본 발명의 방법 및 장치는 IP-MS가, 작업자에 의한 캘리브레이션과 분석이 실질적으로 행해지는 유인 작업 프로토콜과는 실질적으로 구별되는 무인 방식으로 작동되는 것을 가능하게 한다. 캘리브레이션 곡선에 대한 직접적인 비교는 비율 측정을 이용함으로써 불필요하게 된다. 이것은 원소의 농도를 비교하고 기기의 드리프트로 인해 정량시 빈번한 재캘리브레이션이 필요한 종래의 기기 작과는 구별되는 것이다. 그 비율은 측정 검출 한계 및 그 부근에서 정확도와 품질의 보증을 위해 최적화된다.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 본 발명의 방법과 장치는, IP-MS가 샘플을 스파이크하기 위해 사용하는 강화된 동위원소 비율을 최적화함으로써 검출 한계 및 그 부근에서 농도의 정량적 평가를 증진시킬 수 있다. 이 방법은 검출 한계 및 그 부근에서, 최적의 동위원소 비율을 허여하여 검출 역치와 측정의 불활실성을 확실하게 확립시킨다. 검출한계 및 그 부근에서의 비율의 최적화는 선택된 양의 동일한 원소에 천연의 여러 강화된 동위원소를 혼합함으로써 이루어진다. 이것은 매우 광범위한 범위에서 불확실했던 종래의 IDMS 방법을 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 본 발명의 방법 및 장치는 반연속적인 공정으로 강화된 원소의 동위원소와 측정 중인 화학 용액으로부터의 공정 내 샘플 흐름을 혼합함으로써 화학종의 정보 없이 원소를 정량한다. 이온화 전압은 원소의 정량을 최적화하기 위해 고의적으로 질량 분광분석기의 소스에서 직접적으로 화학종 정보를 제거하기에 충분하게 높게 세팅된다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 본 발명의 방법 및 장치는 비리간드 결합되거나 약하게 리간드로 최적화된 강화된 동위원소를 혼합함으로써 강화된 동위원소가 조사중인 시약의 흐름의 화학에 의해 정해진 우세한 화학종으로 변환되는 것을 가능하게 한다. 그런 다음, 이러한 화학종들은 교대로 자동으로 조절되는 동일한 장치를 사용하여, 샘플 용액의 화학종 정보를 유지하는 매우 낮은 전압과 보다 완화된 이온화 조건을 사용하여 직접 평가된다.

본 발명의 부가적인 측면에서, 본 발명의 방법 및 장치는 최대의 감도와 검출 한계를 위한 최적의 이온화를 이루도록 화학종을 변화시키기 위해 안정한 최적화된 동위원소를 도입한 후에 부가적인 용액 조작을 이용한다. 최대 감도 및 검출 한계를 위한 최적의 이온화를 이루도록 용액의 매트릭스를 변화시키기 위해, 다른 용액 조작이 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 본 발명의 방법 및 장치는 최적화된 안정한 동위원소를 상기 샘플과 혼합하고 그 결과 생성되는 용액을 순차적인 평가, 최적화, 및 최대 감도를 위해 원소 및/또는 화학종으로 분리하거나 예비농축한다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 자동화된 동위원소희석 질량분광분석법은 분석할 샘플을 제공하는 단계, 샘플에 대해 복수개의 강화된 안정한, 샘플과 관련된 원소 또는 화학종의 동위원소를 스파이크 하는 단계, 및 그들 사이에 평형을 이루도록 하는 단계를 포함한다. 그런 다음, 평형이 이루어진 스파이크 및 샘플을 질량 분광분석기에 순차적으로 도입되는 이온으로 대기압 이온화하여 동위원소의 비율을 결정하고, 그 결정값으로부터 얻어진 정보를 마이크로프로세서에 전달하며, 그런 다음 제어장치를 통해서 상기 방법의 작동이 조절된다. 정보는 또한 마이크로프로세서로부터 모니터되는 시스템으로 전달된다.

반도체 산업에서 이용되는 배쓰중의 오염물질의 농도를 극미량의 수준으로 모니터할 수 있는 특정 용도에 있어서, 웨이퍼의 클리닝 시 용인 가능한 상한에 접근하는 수준인 경우에는 주의가, 용인 가능한 상한을 초과하는 수준인 경우에는 경고가 각각의 오염 수준에 반응하여 들릴 수 있다.

본 발명은 상기 방법을 수행하는 장치를 제공한다.

본 발명의 목적은 동위원소 희석질량분광분석법의 변형된 형태를 이용하는 공정내 자동화된 분석방법과 분석장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 자동화된 무인 작업에 적합한 그러한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유체에 존재하는 원소 오염물 또는 화합물과 화학종의 정성분석과 정량분석 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 공정 중에 사용되기에 적합한 그러한 시스템을 제공하는 것과 그것을 작동시키는데 고도로 숙련된 작업자를 필요로 하지 않는 신뢰할 수 있고 감도가 좋은 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 작업자에 의한 캘리브레이션, 분석, 및 캘리브레이션 곡선에 대한 직접적인 비교를 필요로 하지 않는, 무인 작업이 가능한 그러한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 정량 측정의 오차의 원인으로서 기기의 안정성 파라미터를 최소화하거나 제거할 수 있는 동위원소 비율 결정을 이용하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 화학종 또는 원소의 정량분석 모드, 또는 화학종 또는 원소의 상대적인 분석을 제공하는 또 다른 모드로 작동할 수 있는 그러한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 습윤 배쓰가 오염되었는지 여부를 신속하고 정확하게 결정하고, 그럼으로써 그러한 오염으로 인한 비용과 수율감소를 최소화하는, 완전 자동화된 종합적 분석화학 기기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 웨이퍼 배쓰를 갖는 청정 공간에서 사용 가능하며, 그러한 배쓰에서 사용되는 값비싼 시약의 수명을 연장시키는 그러한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 시간당 많은 회수로 자동화 방법으로 신뢰할 수 있는 분석 결과를 제공할 수 있는 그러한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 동위원소 비율 결정을 이용하여 유체 내 극미량의 화학종을 정확하고 신속하게 검출기에 적합한 그러한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적과 그 이외의 목적을 본 명세서에 첨부된 도면을 참조한 하기 설명으로부터 완전히 이해할 수 있을 것이다.

바람직한 구현예의 상세한 설명

본 명세서에 사용된 용어 "화학종"은 원소, 이온, 분자, 유기금속과 같은 복합체, 및 본 발명을 이용한 정성분석과 정량분석에 적용될 수 있는 그 이외의 모든 화학종을 말한다.

본 명세서에 사용된 용어 "스파이크"는 강화된 화학종 및/또는 원소의 동위원소를 말한다.

본 명세서에서 사용된 용어 "비율"은 화학종 및/또는 원소의 동위원소의 비율을 말한다.

"화학종 또는 원소" 또는 "스파이크" 중 어느 하나, 또는 둘 모두를 함유하는 질량체 흐름과 관련하여 본 명세서에서 사용된 용어 "유체"는 액체 또는 기체를 말하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

"화학종 또는 원소"의 농도와 관련하여 본 명세서에서 사용된 용어 "역치(threshold)"는 그 이상에서 본 발명을 이용하여 정량적으로 결정될 수 있는 "화학종 또는 원소"의 농도를 말한다.

용어 "기기의 정량적 검출 한계"는 기기가 정량적으로 검출할 수 있는 특정 원소 또는 화학종의 최저 농도를 의미한다.

본 발명에서, 샘플에 부가된 동위원소로 강화된 표준물질 스파이크는, 측정 전에 샘플 내의 동위원소와 화학종 평형이 이루어질 수 있게 되며, 그 다음 정량 및 정성 정보가 동일한 용액에서 이용 가능하게 된다. 역치 검출보다는 정량적인 정보가 목적이기 때문에, 역치 검출 농도에서의 수학적 평가를 위해 비율을 최적화하기 위한 강화 혼합물의 조정은 종래의 방법에서 사용되지 않았다.

본 발명의 방법 및 장치는 공정 내 자동화된 극미량의 원소, 오염물, 및 화학종 분석에 사용가능하다. 본 발명은 공정내 자동화된 무인 작업을 위해 최적화된 안정한 동위원소 비율을 사용하는, 유체를 취급하는 공정내-질량 분광분석기(IP-MS)를 위한 방법 및 장치를 제공한다. 극미량의 원소 및 화학종의 정성 및 정량분석 정보 모두를 본 발명의 방법 및 장치에서 얻을 수 있다. 본 발명의 방법은 정량적 원소 측정과 화학종 평가 모두를 가능하게 하는, 대기압 이온화(API) 시스템인 질량 분광분석기 인터페이스를 사용한다. 상기 유체 취급 시스템은 시험 중인 유체에 나타나는 화학종으로 역동적으로 변환되는 매우 교환 가능한 리간드 형태로 분리되고 최적화된 동위원소를 도입한다. 안정한 강화된 동위원소는 검출 역치 및 그 부근에서 효율적인 모니터링을 가능하게 하는 비율 측정을 위해 최적화된다.

본 발명은 바람직하지 않은 매트릭스 효과를 제거하기 위해 일 구현예에서 표준물질인 강화된 스파이크를 샘플과 역동적으로 혼합한다.

질량 분광분석기는 한 번에 수일 내지 일주일정도의 장시간동안 일반적으로 무인 방식으로 작동되지 않는 기기이다. 이러한 기기의 원래의 편차는 실질적으로정량적 분석 능력을 변화시키는, 캘리브레이션과 작업 조건의 안정성에 있어서 일어나는 변화로부터 기인한다. 시약 및 샘플에 있어서의 변화는 또한 질량 흐름과 기기의 물리적 조건에 영향을 미치며 시간에 따라 변화한다. 이러한 상황 모두는 통상적으로 질량 분광분석기 및 유체 취급 시스템 모두에 대해 수작업에 의한 개별적인 캘리브레이션과 재캘리브레이션을 통해 처리되었다. 본 발명의 방법은, 작업자에 의한 캘리브레이션과 분석이 통상적으로 이루어지는 유인 작업 프로토콜과는 실질적으로 다른, 무인 방식으로 IP-MS가 작동되는 것을 가능하게 한다. 캘리브레이션 곡선에 대한 직접적인 비교는 비율 결정을 이용함으로써 제거된다. 이러한 물리적, 시간 의존적 변화는, 정량적 측정의 오차의 원인인 기기 안정성 파라미터를 제거하는 동위원소의 비율에 의해 제거된다.

본 발명의 공정내 동위원소 희석법을 이용함으로써 신호억제와 비선형 신호 반응의 문제를 현저히 극복할 수 있으며, 그리하여 무기 원소의 정량과 무인 작업의 실현이 가능해 진다.

도 2를 보다 상세하게 참조하면서, 본 발명의 바람직한 방법이 설명될 것이다. 설명의 편의를 위해, 반도체 산업의 웨이퍼 생산을 위한 청정 룸에 사용되는 유형의 습윤 배쓰를 모니터링 하는 것을 참조로 하였으며, 본 발명의 방법이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 방법은 극미량의 농도와 기기의 정량적 검출 한계에서 화학종 및 원소의 오염 농도에 관한 정성분석 및 정량분석 모두를 수행할 수 있다. 전통적으로, 각각 수성 용매 또는 유기 용매 용액을 함유하는 복수개의 배쓰에 하나의 배쓰에서 다음 배쓰로 순차적으로 세척되어야 할 웨이퍼를 제공한다. 그 결과, 각각의 배쓰의 오염물이 용인 가능한 한계치 내에 있는지를 결정하는 것이 중요해 진다. 그렇게 하는데 실패하게 되면 비용과 시간 손실이 증가하게 된다. 본 발명은 각각의 배쓰을 순차적으로 분석하거나 두 개 이상의 배쓰의 샘플을 동시에 분석하는 것 중 하나를 고려하게 된다. 본 발명은 또한 특정 화학종 또는 원소의 확인에 기초하여, 오염물이 존재한다면, 어느 특정 배쓰가 오염되었는지를 확인하는 수단을 제공한다. 또한 그 화학종의 조성, 배쓰의 성분, 및 거기에서 일어나는 화학반응에 기초하여 오염의 출처를 결정할 수 있다.

원소 화학종은 용액의 화학적 특성과 공정 내에 있는 특정 화학 작업의 공정에 의해 조절된다. 예를 들어, 표 1에 기술되어 있는 크리닝 배쓰와 에칭 배쓰가 존재하는 반도체 산업에서, 수성 수화물, 플루오라이드, 클로라이드, 암모니아, 및 히드록사이드와 같은 우세한 음이온 복합체의 형성에 의해 순수한 용액 형태로 화학종이 확립되었다. 이러한 리간드 복합체 이온 및 분자의 안정성은, 더 큰 형성상수 K_f를 갖는 다른 리간드가 도입되지 않는다면 유지될 것이다. 그 결과, 1부피% - 10부피%의 HF 수용액인 매우 순수한 용액 중의 금속이온이 플루오라이드 이온 리간드 복합체에 의해 지배될 것이다. HCl:H₂O₂:H₂O 용액(부피비 1:1:6)에서, 우세한 리간드는 클로라이드 리간드일 것이다. 예를 들어, 철(Ⅲ)은 점차적으로 보다 안정한 불소이온 형성상수, 각각 2x10⁵, 2x10⁹, 및 4x10¹²(세 가지 모두 통합된 K_f는 4x10²⁶) 의 K_f1, K_f2, 및 K_f3을 가지며, 크롬(Ⅲ)는 K_f1이 2x10⁴, K_f2가 6x10⁸, 그리고K_f3이 2x10¹⁰([CrF]복합체의 Cr(Ⅲ)의 모두 통합된 K_f는 3x10²²이다). HCl 용액에서, Cu(I)는 K_f2가 약 3x10⁵이며, 철(Ⅲ)는 K_f1, K_f2, K_f3, 및 K_f4가 각각 30, 134, 98, 및 1.0이다. 다른 용액은 또한 히드록사이드, 암모니아, 물, 과산화수소, 및 황산염에 대해 서로 다른 리간드 형성상수를 갖는다. 철이 플루오라이드 복합체, 클로라이드 복합체, 또는 히드록사이드 복합체로서 존재한다면, 반응이 용액 리간드 및 반응 생성물에 의해 조절되는 평형을 이루기 때문에, 이것은 배쓰에서의 기본적 반응 화학을 변화시킬 것이다. 예를 들어, 질산염과 같은 매우 약한 리간드의 화학종인 +3가의 산화상태의 철의 동위원소 스파이크를 부가함으로써, 스파이크의 리간드는 역동적으로 용액에서 우세한 화학종으로 변형되고, 이어서 크리닝 배쓰 또는 화학적 공정에서 원소 화학종 오염물과 온-라인 또는 공정 내에서 평형을 이룬다. 화학적 반응이 공정 내에서, 예를 들어 웨이퍼 세척 시 일어나면, 실리카 매트릭스와 마스킹 시약과의 반응이 일어날 수 있으며, 그리하여 서로 다른 화학종, Fe(Ⅱ) 또는 Fe(Ⅲ) 또는 Fe-유기금속 또는 안정한 리간드 화학종이 생성되어 용액 내에 존재할 수 있으며, 서로 다른 리간드 화학종은 화학종 매스 스펙트럼 시험에서 명백해질 것이다. 이것은 원소 화학종 오염을 넘어서 화학 정보를 연장하고 공정내 화학에 화학적 특이성의 차원을 부가하는, 이전의 방법과 비교하여 부가적인 정보 조정이다. 게다가, 오염물이 HF 배쓰와 같은 용액에서 유래되어 황산염 배쓰 또는 물 배쓰에서 측정된다면, 그것은 오염원의 확인을 가능하게 하는 기원의 리간드를보유할 것이다. 이 데이터는 이 방법을 이용하면서 얻을 수 있는 복잡한 정보의 부가정보이다.

또 다른 구현예에서, 강력한 킬레이트 형성시약 또는 복합체 형성시약이 샘플과 스파이크 모두에 부가될 것이며, 정량적 측정이 복합체로서 이루어질 것이다. 화학종의 화학적 변형은 용액의 화학을 제어하고 측정을 증진시키고, 원하는 분석물질의 검출에 방해될 수 있는 화학 파라미터의 조절을 가능하게 한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 하나 이상의 배쓰의 샘플을 샘플 도입단계 (2)에서 시스템에 제공한다. 샘플 일부(샘플이 배쓰 하나씩 개별적으로, 또는 동시에 처리되고 혼합되는지에 따라 하나 또는 복수개의 배쓰가 동일한 소스를 의미하는 편리한 수단으로서 단수 형태가 이용될 것이다)는 샘플 분석단계 (6)으로 도입될 것이며, 여기에서 샘플이 원하는 pH 수준인지, 적절한 양의 시약, 온도와 같은 원하는 물리적 및/또는 화학적 특성을 가지고 있는지에 대한 결정이 이루어질 것이다. 이러한 정보는 이하 설명되는 방식으로 점선으로 나타낸 마이크로프로세서 (10)으로 도입된다.

본 시스템은 무인 자동화된, 정성 및 정량적 화학종의 확인, 또는 정성 및 정량적 원소의 확인을 제공하기에 적합하고, 본 시스템 내에는 세가지 방법이 이용될 수 있다.

화학종의 존재를 정성적으로 결정하기를 원한다면, 샘플 도입 단계로부터 샘플을 화학적 변형 단계 (12)로 도입하고, 거기에서 샘플 분석 단계 (6)으로부터 마이크로프로세서 (10)으로 제공된 정보는 데이터 수집 및 분석 단계 (14)로 들어갈것이고, 그 후 정보 분배가 이루어져(16) 제어기 (20)으로 전해질 것이며, 그 후 외부 신호를 도입선 (24)를 따라 화학적 변형 단계 (12)로 제공하여, pH 또는 시약 함량과 같은 화학적 측면에 있어서 또는 온도와 같은 물리학적 특성에 있어서의 어떠한 조정을 샘플 처리 단계 전에 샘플에 제공한다. 그런 다음, 변형된 샘플을 용액-취급 유닛으로 전달하고, 목적이 정성분석이라면, 샘플의 평가를 대기압 이온화 유닛 (32), 보다 바람직한 형태로는 전기 스프레이 이온화기에 전달할 것이다. 이 유닛은 원소와 화학종을 포함하는 용액의 성분을 이온화하는 역할을 하고, 필요할 경우 샘플을 탈용매화 한다. 이 유닛의 결과물을 질량 분광분석기 (36)으로 전달하고, 그것은 바람직하게는 플라이트(flight) 질량 분광분석기 또는 쿼드래폴(quadrapole) 질량 분광분석기의 유형일 수 있다. 질량 분광분석기의 정보는 마이크로프로세서 (10)의 데이터 수집 및 분석 단계 (14)로 전달되고, 그 후에는 정보의 분배를 위해 유닛 (16)으로 전달된다. 기기의 작동을 제어하는데 이용될 정보는 샘플 도입 단계 (2), 스파이크 도입 단계 (38), 화학적 변형 단계 (12), 액체 취급 단계 (26), 대기압 이온화 단계 (32), 및 질량 분광분석기 (36)으로 적절한 반응을 위해 피드백 될 것이다. 또한, 정보가 바람직한 농도의 오염물로부터 벗어날 정도로, 초기 주의(warning)가 제시되거나 경계 또는 중단이 지시된다면, 상기 정보는 또한 기기에 의해 모니터되고 있는 물리학적 시스템의 작동을 조절하는 시스템 인터페이스 (40)으로 전달된다. 이 정보는 또한 작업 담당자에게 제공되어, 그 작업 담당자는 주의나 경계 정보 뿐만 아니라 현재 상태의 정보, 장기간 경향, 및 최적화 정보를 포함한 기타 관심 있는 정보를 제공받을 것이다. 본발명의 방법의 또 다른 작업모드를 고려하면, 원소의 정량적 결정을 얻기를 원한다면, 샘플 도입 단계 (2)는 샘플을 스파이크 도입 위치로 전달하고, 거기에서 강화된 분리된 동위원소를 희석된 약한 복합체 형성 모드로 혼합하여, 샘플과 혼합시켜 평형을 이루게 한다. 그런 다음, 평형이 이루어진 샘플을 화학적 변형 단계(12)와 용액 취급 단계 (26)을 통해 통과시키고, 거기로부터 액체 크로마토그래피 (48)로 이동한 다음, 대기압 이온화 단계 (32)로 이동시키고, 그 후에는 화학종 처리 단계 (50)으로 이동시킨 다음 질량 분광분석기 (36)으로 이동시키고, 그런 다음 질량 분광분석기의 결과가 마이크로프로세서 (10)에서 처리되고, 그 결과가 제어기 (20) 및/또는 시스템 인터페이스 (40)으로 전달된다. 원소 모드에서, 전압은 약 200 내지 1,000 볼트, 바람직하게는 약 350-400 볼트의 범위이고, 화학종 모드에서는 약 2-30 볼트이다. 이러한 접근방법에서, 강화된 동위원소를 모니터 하고자 하는 오염물의 각각의 화학종 또는 원소에 대해 스파이크 도입 단계 (38)에서 제공한다. 샘플이 기체일 경우, 용액 취급부 (26)에서 가스 크로마토그래피 (56)으로 통과하여 상기 방법을 따를 것이다.

정량적인 원소 결정을 할 경우, 대기압 이온화기 (32)의 결과가 원소 모드 (60)에 전달되어 처리되며, 그로부터 처리 샘플이 원소 모드 (60)에서 질량 분광분석기로 들어간다.

도 3을 참조하면, 도 2에 관하여 설명하고 기재한 바람직한 방법을 수행할 수 있는, 본 발명의 방법에서 사용 가능한 장치의 형태가 나타나 있다. 하나 이상의 샘플 저장소 (100)은 샘플 일부를 샘플 도입 장치 (102)에 제공한다. 상기 샘플은 개별적인 처리를 위해 순차적으로 도입되거나, 또는 원한다면 혼합된 처리방법을 위해 동시에 도입된다. 샘플 일부를, 예를 들어 pH, 시약 농도, 및 온도와 같은 소정의 화학적 물리적 특성을 결정하는 샘플 분석기 (106)으로 전달할 수 있으며, 그 다음에는 마이크로프로세서 (10)으로 그 결과물을 전달한다. 그리고 나서, 마이크로프로세서(10)는 내에 있는 데이터 수집 및 분석 유닛(114)을 가지며, 그것을 처리하여 정보 분배 유닛 (116)으로 전달하고, 필요할 경우 샘플의 화학적 물리적 특성의 조절을 수행하기 위해 화학적 변형 장치 (112)의 작업이 필요할 때 정보 분배 유닛(116)으로부터 정보가 적절한 피드백으로 제어기 (20)으로 전달될 수 있다. 샘플 도입 장치 (102)는 전술한 바와 같이 화학적 변형 장치 (112) 및 스파이크 도입 장치 (138) 모두와 협력한다. 화학적 변형 장치의 결과물은 용액 취급 유닛 (126)에 전달된 다음, 처리되는 유체가 액체 또는 기체인지에 따라 샘플은 가스 크로마토그래피 (156) 또는 액체 크로마토그래피 (148)로 전달되고, 각각으로부터 샘플은 대기압 이온화기 (132)로 전달되고, 그로 인한 결과물은 질량 분광분석기 (136)으로 전달된다.

통상적으로, 질량 분광분석기는 도 4 및 도 5에서 제공하는 두 개의 실시예에서 입증된 바와 같이, 드리프트 할 것이며 시간에 따라 불안정해 질 것이다. 이러한 실시예에서, 전기스프레이 질량 분광분석기(ES-MS) 및 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)가 시간에 따른 통상적인 불안정성을 입증한다. 두 가지 경우 모두에서 정량적인 능력은 변화하며 상대적으로 짧은 시간에 걸쳐 분해된다. 동위원소의 비율에 따라 측정이 이러한 안정성을 정상화시키며 상대적인 정량적 능력을 복구시킨다는 것이 또한 입증되었다. 동위원소 비율 측정을 이용하며, 유체 처리 흐름에서 자동화된 무인 작업이 가능해진다. 서로 다른 물리적 화학적 조성을 갖는 복수개의 유체의 순차적인 분석이 또한 가능하다. 유체 조성의 변화가 통상적으로 수작업의 캘리브레이션과 재캘리브레이션 단계를 필요로 할 때, 이러한 단계는 캘리브레이션에 의존하지 않고, 직접적인 동위원소 비율 평가에 의존함으로써 제거된다.

도 4는 15분에 걸쳐 API(ES)-MS 에서의 Ag-107 신호 반응의 드리프트를 보여준다. 1% HNO₃중의 1ppm Ag를 ES-MS 기기에 도입하였다. 다섯 번의 반복적인 측정을 수행하였다. 동위원소 107의 수는 ES-MS 반응에서 25%의 증가된 드리프트를 나타내었으며, 이러한 것은 측정 기간동안 통상적인 것이다.

도 5는 시간에 따른 ICP-MS 데이터의 실제적인 측정을 나타낸다. 10 ppb의 Ni, Cu, Zn, 및 Ag(니켈, 구리, 아연, 및 은)를 함유하는 샘플을 ICP-MS로 연속적으로 도입하고, 데이터를 10분 간격으로 여섯 번 수집하였다. 이러한 4가지 원소에 대한 종래의 캘리브레이션(캘리브레이션 곡선을 생성하는 공지의 표준물질의 도입)을 실험 시작 시 수행하였다. 각각 10-분 간격의 통합된 결과를 캘리브레이션 곡선과 비교하고, 그 결과를 나타내었다. 이 도면은 Ni, Cu, Zn, 및 Ag에 대한 ICP-MS 반응이 60분 뒤에 드리프트 하는 것을 보여준다. 예를 들어, Ag의 반응은 30분만에 10ppb에서 8.3ppb로 약 17% 하향 드리프트 하며, 그 다음에는 그 후 30분 만에 8.7 ppb로 상향 드리프트 한다. 동일한 용액에서의 이러한 드리프트는 드리프트 하는 질량 분광분석기의 경향을 설명해 준다. 점도와 같은 용액의 변화, 조성, 및 그 이외의 차이는 신호 결과를 변화시키며, 이것은 기기의 드리프트에 더하여 추가로 더 변화시킨다.

도 6, 7, 및 8은 이러한 두가지 기기에서 무인의 자동화된 공정내 분석을 위한 공정 내 정량적 매스 스펙트럼을 유지하는 본 발명의 능력을 입증하며 본 발명의 방법을 수행하기 위해 필수적인 본 발명의 방법 및 장치의 효과를 입증한다. 표 1에 기재되어 있는 반도체 크리닝 방법에 사용되는 유체의 연속적인 측정은 통상적으로 각각의 연속적인 샘플에 대해 재캘리브레이션을 필요로 할 것이다. 입증된 원치 않는 기기의 드리프트는 또한 빈번한 캘리브레이션을 필요로 하며, 고전적인 캘리브레이션 방법으로 작동되는 기기가 무인의 자동화된 방법으로 작동되는 것을 방해한다. 이러한 반복되는 고전적인 캘리브레이션 단계는 본 발명을 이용하여 제거되며, 직접적인 무인의 자동화된 공정내 분석이 가능해 진다. 설명의 편의을 위해, 본 발명을 두 가지 기기, 구체적으로는 API(ES)-MS 및 ICP-MS와 관련지어 설명하였다.

도 6은 ID API (ES)-MS에 의해 측정된 Ag에 대한 비율 및 디콘볼루션된(de-convoluted) 결과를 나타낸다. 1% HNO₃중의 1ppm의 Ag를 Ag-109로 정량적으로 스파이크 하였다. 동일한 기기 조건 하에서 다섯 번의 반복적인 측정을 수행하였다. 동위원소 107과 109의 수를 추출하여 109/107의 비율을 계산하였다. 109/107의 측정 비율은 1.2303±0.016이었다(편차는 1.3% 이며, 도면의 위쪽 라인이다). 샘플농도를 측정된 비율을 근거로 하여 디콘볼루션 하였고, 최종적인 결과는 0.904±0.05ppm 이었다(편차는 5.5%이며, 도면의 아래쪽 라인이다). 약 25%의 편차를 나타낸 도 4와 비교해보면, 15분의 테스트 기간동안 정밀도에 있어 현저한 향상이 있다. 이것은 ES-MS의 측정의 정밀도를 향상시키는 본 발명의 능력을 입증한다.

도 7은 60분간의 측정을 위해 본 발명의 개념을 ICP-MS에 응용함으로써 디콘볼루션된 결과를 보여준다. 10 ppb의 Ni, Cu, Zn, 및 Ag(니켈, 구리, 아연, 및 은)을 함유하는 샘플을 공지된 양의 강화된 동위원소 Ni-62, Cu-65, Zn-68, 및 Ag-109로 스파이크 하였다. 상기 스파이크된 샘플을 계속적으로 ICP-MS에 도입하고, 데이터를 10분 간격으로 여섯 번 수집하였다. 각각의 10분 간격의 통합된 결과를 추출하고 동위원소의 비율, Ni 62/60, Cu 65/63, Zn 68/63, 및 Ag 109/107를 계산하였다. 디콘볼루션된 농도를 계산하고, 그 결과를 도면에 나타내었다. 예를 들어, Ag의 최종 결과는 9.94±0.03 ppb이다. 이것은 종래의 캘리브레이션이 장기간에 의존할 때 이루어진 측정보다 훨씬 더 정확하고 정밀한 측정이다. 네 개의 원소, Ni, Cu, Zn, Ag에 대한 이러한 본 발명의 실시와 종래의 캘리브레이션을 비교한 것을 도 8에 보다 상세하게 나타내었다.

도 8은 종래의 캘리브레이션(도 5에 도시된 것)과 이 실시예에서 ICP-MS 기기에서 실시한 본 발명의 개념(도 7에 도시한 것)을 비교한 것을 나타낸다. 도 8의 왼쪽의 네 개의 컬럼은 종래의 캘리브레이션으로부터 얻어진 결과이며, Ni, Cu, Zn, 및 Ag 각각에 대해 9.1±0.4, 9.2±0.4, 8.8±0.4, 8.7±0.4 ppb 이다. 네 개의 오른쪽 컬럼은 본 발명의 개념을 IDMS 기기에 적용하여 얻어진 결과이다. 그 결과는 Ni, Cu, Zn, 및 Ag 각각에 대해 10.11±0.03, 9.81±0.05, 9.97±0.05, 9.94±0.03이다. 이러한 결과들은 정밀도 및 정확도 모두의 측면에서 명백한 향상을 입증한다. 이러한 결과들은 60분 간의 시험에서 종래의 캘리브레이션 방법보다 더 정확하고 정밀하다.

다양한 이온화 인터페이스를 갖는 복수개의 질량 분광분석기 측정에서 정밀도 및 정확도 모두에서 일관성 있는 향상은, 질량 분광분석기 시스템을 장기간동안 작동시켜 기기의 드리프트와 종래의 캘리브레이션에 의해 유발되는 오차를 줄일 수 있다는 본 발명의 일반적인 적용가능성을 입증한다.

명백하게, 60분 간의 IDMS 분석은 종래의 캘리브레이션보다 보다 최소 10배 정확하고 정밀하다.

[표 1]

표 1은 반도체 산업에 이용되는 전형적인 실리콘 웨이퍼 크리닝 용액과 시약을 나타낸다.*

용액명	화학적 조성	전형적인 제제	크리닝 목적
1.초순수	초순수 H₂O	100%	일차적인 희석 시약
2.SC-1, RCA-1"Huang 1"	NH₄OH:H₂O₂;H₂O	1:1:5, 75℃	유기물질 제거금속 이온 복합체화
3. SC-2, RCA-2,"Huang 2"	HCl:H₂O₂:H₂O	1:1:6, 80℃	알칼리 이온 제거금속 수산화물 용해잔여 미량금속 제거
4. 과산화황산, SPM "Piranha"	H₂SO₄:H₂O₂	2:1, 90℃	유기물질 제거
5. 희석 HF	HF:H₂O	1:10-100, 25℃	원래의 산화물 제거

*(Kern W., "Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology: Science, Technology and Applications", Noyes Publication, 1993에 따라 변경한것임).

본 발명의 방법 및 장치의 목적은 이러한 용액의 오염물의 농도에 대하여 실시간 분석적인 화학적 도량형을 제공하는 것이다. 일반적으로, 일차적으로 관심의 대상인 오염물로는 Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, W, Na, P, B, As, Sb, 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소가 있다. 평가해야 하는 농도 범위는 중간-ppb 내지 낮은-ppt이며, 기기 검출한계가 점차적으로 감소하기 때문에 계속적으로 낮아질 것이다. 그러므로, 그 측정의 특징은 동일함을 유지할 것이며, 동일한 근본적인 이론적 고려를 하지 않으면서 극미량 측정 처리의 최적화를 필요로 할 것이다. 상기 기술은 칩 제조 활동에서와 같은 반도체 산업에서 습윤 방법 배쓰에서와 같은 사용에 있어 중요한 품질 보증 평가 방식이다. 웨이퍼 상의 회로도는 계속해서 수축하기 때문에, 이러한 오염물은 최종 제품의 생존 가능성에 훨씬 더 큰 영향을 미칠 것이다.

질량 분광분석기의 검출 한계 또는 그 부근에서의 본 발명의 방법의 사용은 비율 측정의 수정을 수반한다. 원소 또는 화학종 성분이 유체에 질량 분광분석기의 검출 한계를 넘는 농도로 존재할 때, 상업적으로 입수할 수 있는 동위원소를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 측정이 기기의 검출 역치에서 필요할 때, 불확실성이 그 분석을 더욱 어렵게 한다. 이러한 경우, 검출 한계 측정의 정확성을 향상시키는 것이 바람직하다. 스파이크 유체의 동위원소의 비율은 이러한 수준에서 비율 측정을 최적화하기 위해 변경될 수 있다. 이같이 특별히 제조된 스파이크가 어떻게 이러한 측정을 향상시키는지에 대한 예는 다음과 같다. 검출 한계 및 그 부근에서의 최적의 비율은 명목상의 보통 농도 또는 고농도에서의 측정보다 더 어렵다. 검출 한계를 최종적으로 확립하고 IP/MS에 대하여 검출의 불확실성을 알리고 최적화하도록 할 수 있는 비율 확립은 검출 한계 역치에서의 독특한 최적화이다. 검출 한계 및 그 부근에서의 비율의 최적화는 역치에 대해 최적화된 양의 스파이크를 사용하고/사용하거나 서로 다른 양의 천연의 다종의 강화된 동위원소를 혼합함으로써 이룰 수 있다. 이 기술은 이러한 측정이 광범위한 범위에서 불명확한 종래의 IDMS 방법에서는 존재하지 않는다.

기기 검출 한계가 미래의 기기에서 떨어질 것이기 때문에, 이러한 기기의 정량적 검출 한계 및 그 부근에서 원소의 오염을 측정하는 것은 발전할 것이다. 반도체 산업과 같은 많은 산업에서의 필요성 때문에, 예를 들어 원소 오염의 수준은 계속해서 감소할 것이다. 기기 측정의 감도는 감소하기 때문에, 질량 분광분석기의 검출한계에서 측정하고 정확한 측정을 할 필요성이 상대적으로 유사한 관계에 있다. 이러한 개념이 기기의 검출한계와 함께 발전하며 필요성과 능력이 동시에 퇴보하기 때문에 그 유용성을 보유하는, 용인 가능한 검출 한계 역치 측정 최적화이다.

본 발명의 시스템에 부가적인 식견을 부여하기 위해, 컴퓨터 모델 연구를 수행하여 도 9와 도 10에 나타낸 결과를 얻어냈다.

도 9는 기기 검출 한계에서 0.05ppb의 Ni의 역치측정을 나타낸다. 제 1 측정(가장 왼쪽의 측정)은 종래의 캘리브레이션 곡선 방법을 사용하여 기기 검출 한계(0.05ppb)에서의 정량적 측정을 나타낸다. 이 경우에는, 기기 검출 한계가 기기신호의 표준편차의 10배로 정의되며, 그 표준편차는 기기 신호의 제곱근과 같다. 이러한 종래의 측정방법의 불확실성은 그러한 측정의 표준편차의 세배로 나타낸다. 새로운 방법을 사용하여 역치의 확립을 증명하는데 Monte Carlo 시뮬레이션이 이용된다. 이러한 접근에서, 평균 0과 표준편차 1을 갖는 200세트의 정규분포된 숫자를 각각의 스파이크를 위한 시뮬레이션에 적용한다. 스파이크 부피에 대한 샘플 부피의 비율은 1:1이다. 디콘볼루션된 농도의 불확실성은 각각의 스파이크에 대한 200개의 시뮬레이션의 90% 신뢰수준으로 나타난다. 시뮬레이션 결과는 도 9의 남아 있는 컬럼에 나타내었다. 상기 시뮬레이션 결과는 기기의 정량적 검출 한계에서 역치 측정을 향상시키기 위해 본 발명의 역치 동위원소 희석 방법을 사용하는 것의 적용가능성 및 측정의 향상을 입증한다.

종래의 캘리브레이션 방법(왼쪽에서 첫 번째 컬럼)과 비교할 때 향상한 정밀도로 샘플에 존재하는 0.05ppb의 Ni의 정량적 측정을 가능하게 하는 0.05ppb 내지 0.2ppb(여섯번째 컬럼 세번째)의 최적 스파이크 농도의 윈도우가 있다. 그 경향은 실험적으로 및/또는 이론적으로 확립될 수 있는 최적의 스파이크 비율 범위를 입증한다. 이러한 최적의 범위는 바람직하게는 그 방법을 이용하는 정량에 이용될 수 있다.

도 9에서, 종래의 캘리브레이션과, IDMS 분광분석법을 이용하여 증명된 정밀도가 더 높은 동위원소희석 질량분광분석법을 이용한 측정이 이루어졌다. 검출 한계에서의 본 발명의 사용은 정량적인 결정의 정밀도를 향상시킨다.

도 10은 샘플의 농도가 기기의 정량적 검출 한계보다 낮을 때, 기기의 정량적 검출 한계 역치를 평가하기 위해 본 발명의 역치 동위원소 희석법을 사용할 수 있다는 것을 입증한다. 이 경우에, 기기를 도 9에서와 동일한 조건으로 작동시켰다. 샘플 농도(0.01ppb)가 기기의 정량적 검출 한계(0.05ppb)보다 작기 때문에, 샘플의 정량적 측정이 통상적으로 불가능하다는 것이 도 10의 첫 번째 컬럼에 나타나 있다. 이와 같은 방식에서, 통상적인 정량검출 한계보다 작은 값은 정량할 수 있다. 보통, 확립된 수치보다 작지만 특정한 측정법이 사용될 수 있을 것이다. 특정범위의 양의 스파이크를 부가함으로써 정량할 수 없는 수치를 정량 가능한 수치로 변형시킬 수 있다. 이러한 스파이크 비율은 각각의 원소에 특이적인 값이며, 원하는 분석물질의 특정 원소 그룹을 정량적으로 평가하기 위해 혼합되어야 하는 스파이크 용액의 최적의 비율은 특이적이며 실험적으로 또는 이론적으로 확립된다. 0.01 내지 0.5ppb에 대한 동위원소 화학종의 농도에 대한 경향이 입증되었다.

도 10은 샘플 농도가 기기 검출 한계보다 낮을 때, 검출한계 역치를 평가하기 위해 역치 동위원소 희석법을 사용할 수 있다는 것을 입증한다. 도 10의 첫 번째 컬럼에, 샘플 농도(0.01ppb)가 기기 정량측정 한계(0.05ppb)보다 낮기 때문에 통상적으로 샘플의 정량적 측정이 불가능하다는 것이 나타나 있다. 강화되는 동위원소 Ni-62를 최적의 농도(0.1ppb, 98.83% 강화, {왼쪽에서 네 번째 측정})로 스파이크 함으로써, 샘플의 니켈을 0.01ppb의 수준에서 정량할 수 있도록 역치 측정법이 확립된다. 이런 방법으로 통상적인 검출 한계보다 낮은 값의 정량적인 측정이 가능해진다. 통상적으로 확립된 값보다 낮지만, 여기에서는 특정한 측정법이 가능하다. 특정한 비율이 바람직하며, 이것이 정량 가능한 수치보다 작은 값을 정량가능한 수치로 변환시키는 것을 가능하게 하는 임계치이다. 이러한 스파이크 비율은 각각의 원소에 특이적인 값이며, 최적 비율은 원하는 분석물질의 특정 원소 그룹을 정량적으로 측정할 수 있도록 혼합되어야 하는 스파이크 용액에 대하여 특이적이며 실험적으로 확립된다.

도 10은 기기 정량 검출 한계보다 낮은 0.01ppb의 Ni의 역치 검출을 입증한다. 기기 신호의 표준편차는 신호의 제곱근과 동일하다. 종래의 측정법의 불확실성은 그러한 측정의 표준편차의 3배로서 나타낸다. 새로운 방법을 사용한 역치의 확립을 입증하기 위해 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용한다. 이러한 접근에서, 평균 0과 표준편차 1을 갖는 200세트의 정규분포된 숫자를 각각의 스파이크를 위한 시뮬레이션에 적용한다. 스파이크 부피에 대한 샘플 부피의 비율은 1:1이다. 디콘볼루션된 농도의 불확실성은 각각의 스파이크에 대한 200개의 시뮬레이션의 90% 신뢰수준으로 나타낸다.

IP-MS 기기의 두 가지 다른 작업 모드를 이용하여 두 가지 유형의 정보를 입수할 수 있다. 유체에서의 원소의 정량 및 원소의 형태에 관한 화학종에 특이적인 정보는 중요하다. 상기 방법에서 일어나는 화학반응을 이러한 파라미터 모두로 기재한다. 두 개 모두 바람직하고 상기방법의 총 화학반응을 기재하는데 사용해야 하기 때문에, 두 개 모두는 방법 및 장치에 통합된다.

원소에 관한 정량적인 정보를 얻기 위해, 그리고 동위원소 비율을 결정하기 위해, 유체 내에 존재하는 화학종의 정보를 제거할 수 있다. 이것은 기기의 작업 파라미터를 충돌-유도 분리(CID) 모드로 변화시킴으로써 이룰 수 있다. 상기 CID는 매스 스펙트럼을 단순하게 하는 역할을 하여 배경을 줄이고 감도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 질량 분광분석기의 원천에서 직접적으로 화학적 정보를 제거하기에 충분히 큰 이온화 전압을 세팅한다. 샘플링 시스템의 샘플링 콘(cone)과 다양한 성분에 약 200 내지 1000 볼트의 전압을 사용하여 분자 정보를 제거하고 상대적으로 분리된 원소신호를 제거한다. 도 11은 이러한 기기의 배치에서 원소정보의 최적화를 입증한다. 분자 정보는 정량을 위해 사용되는 비율의 측정을 불명료하게 할 수 있으므로, 이러한 측정의 정량적 측면을 명백하게 하고 최적화하는 조건을 사용한다.

도 11에서 CID는 매스 스펙트럼을 단순화하여, 배경을 줄이고 감도를 증가시킬 수 있다. 통상적인 작업 조건(콘 전압이 30v이다)과 CID 조건(콘 전압이 300v이다) 하에서 ES-MS 기기를 사용한 원소 측정의 비교를 나타낸다. 위쪽 스펙트럼이 1% HNO₃에서의 6ppm의 Ni, Cu, Zn, Ag 용액을 통상적인 조건 하에서 측정한 스펙트럼이다. 아래쪽 스펙트럼은 CID 조건 하에서 측정된 동일한 용액의 스펙트럼이다.

용액에 존재하는 원소 및 분자 화학종을 결정하기 위해, 분자 화학종을 평가할 수 있다. 이러한 평가는 미변화된 유체 흐름과 동위원소로 부착된 유체에서 이루어진다. IP-MS로 이러한 측정을 하기 위해, API를 비화학종 파괴 방법으로 작동시킨다, 즉 낮은 콘 전압, 더 느린 콘 기체 흐름, 및 온화한 탈-용매화 온도와 같은 부드러운 이온화 조건 하에서 기기를 작동시킨다. 복합체 리간드 또는 분자가결합된 형태로 존재하는 원소는 이러한 작업모드에서 드러나게 된다. 상기 방법에서 일어나는 화학을 나타내는 이러한 복합체는 정성적인 평가를 위해, 그리고 조건의 경향 및 방법의 양자택일을 알아내기 위해 사용하는 매우 가치 있는 정보 성분들이다.

이러한 화학종을 정량하고 화학을 평가하기 위해, 동위원소가 부착된 화학종을 역동적으로 생성시킨다. 상기 방법 및 장치는 최적으로 제조된 스파이크 시약 용액으로부터 샘플에 존재하는 화학종을 생성시킨다. 이러한 스파이크 시약(강화된 동위원소 용액)은 복합체를 형성하지 않거나 리간드를 형성하지 않거나 약한 리간드를 형성하는 반대이온의 용액에서의 최적화된 비율의-분리된 안정한 동위원소이다. 질산염은 매우 약한 리간드를 형성하는 반대 이온의 좋은 예이다. 질산염의 리간드 형성상수(K_f)는 일반적으로 그리고 균일하게 불소 복합체보다 수십배 더 작고, 클로라이드 리간드 및 황산염 리간드보다 여러 배 더 작다. 강화된 동위원소 스파이크 용액을 샘플 시약 용액(예를 들어, 표 1에 열거된 용액)과 혼합할 때, 스파이크 또는 동위원소 이온은 시약 용액의 용액 화학종과 일치할 것이다. 오염물 농도(이 실시예에서는, 그러나 다른 유체에서는 고의적인 농도)는 이러한 상대적으로 풍부한 용액 성분과 비교하여 매우 작고 용액에 존재하는 이러한 화학종의 형성을 일으킬 것이다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 물질의 유체를 처리하기 위해, 스파이크된 화학종의 생성과 동위원소 라벨링을 역동적으로 수행한다. 스파이크 용액과 이러한 유체의 혼합으로 이러한 용액에 원래 존재하는 동일한 화학종을 확립시키며 동위원소 비율측정을 이용하는 유사한 방법에서 농도를 결정하는 능력이 생성된다. 다른 조건 하에서 작동되는 동일한 기기로부터 이용할 수 있는 정량적 정보 및 정성적 정보 모두의 조합이 바람직하며 이 실시예들 및 그 이외의 실시예에 기재된 유체를 완전히 이해하고 평가하기 위해 필수적이다.

유체 샘플의 변경은 또한 몇몇 공정의 유체의 정성 측정 및 정량 측정 모두의 최적화에 필수적이다. 이러한 유체 처리는 여러 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, pH의 조정을 위해 샘플을 직접 중화제로 혼합할 수 있다. 표 1의 용액을 고려해보면, NH₄OH(염기)와 산 HF, HCl, 및 H₂SO₄는 중화를 필요로 하거나 서로 혼합되어 중화될 수도 있다. 이러한 샘플을 산-염기 중화능을 갖는 그 이외의 용액과 혼합하는 것은 유체 취급의 일부분이다. 산을 염기로, 또는 염기를 산으로 직접적을 중화하는 것 또한 유체 취급 시스템의 일부이다. 후자의 경우, 또 다른 샘플보다는 시약이 중화용액이 된다.

유체 취급의 다른 성분은 전체적인 시스템의 유체 및 샘플링 취급 부분에 통합된, 킬레이팅 시 금속 이온의 수집 및 축적, 이온교환, 및 정상 및 역상 크로마토그래피 컬럼이다. 이러한 조작은 정성 측정, 정량 측정, 및 용액의 평가를 최적화 하는데 사용될 수 있다.

유체 취급 시스템의 다른 성분은, 질량 분광분석기에서 이온화 및/또는 신호를 증폭시키는 리간드, 킬레이트제, 계면활성제, 용매, 및/또는 다른 시약과 같은 변경제의 부가를 통해, 자동화된 유도화 및 화학적 신호 증진을 통합한다.

유체를 취급하는 기기의 일부분은 혼합, 화학적 변경, 측량, 희석, 예비-농축, 및 유체 샘플 흐름의 정성적 정량적 조작에 사용되는 액체 취급의 그 이외의 측면을 통합한다.

당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 개발할 수 있는 적절한 소프트웨어는 본 발명의 방법 및 장치의 작동을 제어하고 그로부터 얻어진 데이터를 처리하는데 이용될 수 있을 것이다.

설명의 편의를 위해, 반도체 산업의 청정 룸에서 사용되는 습윤 배쓰의 오염물을 모니터 하는 것에 초점을 두었으나, 본 발명이 환경, 약학, 생명공학, 식품 가공, 화학적 제조, 및 시약과 표준물질의 생산을 포함한 수많은 다른 분야에서 제조 및 품질 보증에 적용할 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

그러므로, 본 발명은 온-라인의 공정 내 용액을 정확하고 신속한 방법으로 오염물을 모니터하고 그럼으로써 제조 효율을 증진시킬 수 있는, 완전히 자동화된 광범위한 분석 화학 기기를 위한 방법 및 관련 장치를 제공한다는 것을 이해할 수 있다.

특정 구현예를 설명의 목적으로 본 명세서에 기재하였지만, 첨부된 청구항이 한정하는 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상세한 부분에 수많은 변화를 가할 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims

분석하고자 하는 샘플을 제공하는 단계,

상기 샘플과 관련된 원소 또는 화학종의 하나 이상의 강화된 안정한 동위원소를 스파이크(spiking) 하는 단계,

상기 스파이크된 강화된 안정한 동위원소 또는 화학종을 상기 샘플에 도입하고 그들 사이에 평형이 일어나도록 하는 단계,

상기 평형이 이루어진 스파이크 및 샘플을 대기압 이온화시켜 이온을 생성시키는 단계,

상기 이온을 질량 분광분석기에 도입하여 동위원소 비율을 결정하는 단계, 및

상기 결정 단계에서 얻어진 정보를 마이크로프로세서에 전달하는 단계를 포함하는, 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법(automated isotope dilution mass spectrometry).
제 1 항에 있어서, 상기 샘플로서 액체 샘플을 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 2 항에 있어서, 상기 샘플로서 수용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 복수개의 강화된 안정한 동위원소에 대해 상기 스파이크를 수행하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 복수개의 강화된 안정한 동위원소 화학종에 대해 스파이크를 수행하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 샘플에 존재하는 하나 이상의 오염물질의 농도를 검출하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 6 항에 있어서, 기기 검출한계의 부근에서 상기 오염물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 6 항에 있어서, 극미량으로 존재하는 상기 오염물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 상기 평형화 단계 후 상기 이온화 단계 이전에 상기 원소 또는 화학종을 미리 농축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 9 항에 있어서, 상기 미리 농축하는 단계를 액체 크로마토그래피를 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 9 항에 있어서, 상기 미리 농축하는 단계에 의해 원하는 하나 이상의 화학종을 분리하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 상기 원소 또는 화학종의 정성 분석에 이용되는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 상기 원소 또는 화학종의 정량 분석에 이용되는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서에 입력된 정보를 이용하여 상기 방법의 단계들을 제어하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 모니터 되고 있는 시스템으로부터 상기 샘플을 얻는 단계, 및 상기 마이크로프로세서에 입력된 정보의 일부를 상기 샘플을 제공하는 상기 시스템으로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 반도체 제작 시 청정 룸에서 사용되는 복수개의 습윤 배쓰 중의 오염물의 농도를 모니터하기 위해 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 16 항에 있어서, 복수개의 상기 습윤 배쓰에 대해 상기 방법을 연속적로 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 16 항에 있어서, 복수개의 상기 습윤 배쓰에 대해 상기 방법을 동시에 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 상기 샘플로서 기체 시료를 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 상기 대기압 이온화로서 전기 스프레이 이온화를 이용하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 5 항에 있어서, 상기 이온화를 2 내지 30 볼트에서 수행하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 4 항에 있어서, 상기 이온화를 200 내지 1,000 볼트에서 수행하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 16 항에 있어서, 상기 배쓰 중 어느 것이 상기 화학종 또는 원소의 기원인지를 결정하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
제 1 항에 있어서, 하나 이상의 상기 스파이크된 강화된 안정한 동위원소 화학종 또는 원소를 샘플 내에 함유된 화학종 또는 원소와 평형을 이루게 하는 상기 평형단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석법.
샘플 도입 장치,

하나 이상의 스파이크된 강화된 안정한 동위원소 또는 화학종을 샘플과 평형이 되도록 하기 위하여 샘플에 도입하는 스파이크 도입 장치,

상기 평형이 이루어진 샘플과 스파이크된 원소 또는 화학종을 도입하고 이온화시키는 대기압 이온화기,

상기 이온을 수용하고 동위원소 비율 결정에 의해 상기 이온을 처리하는 질량 분광분석기, 및

상기 질량 분광분석기로부터의 결정에 대한 정보를 수용하는 마이크로프로세서를 포함하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 25 항에 있어서, 상기 샘플을 분석하고 상기 마이크로프로세서에 샘플 분석 정보를 전달하는 샘플 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 26 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서에 의해 처리된 정보를 입력하고 상기 장치의 다른 부분으로 피드백을 제공하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 25 항에 있어서, 상기 샘플이 상기 대기압 이온화기에 들어가기 전에 상기 제어장치로부터의 신호에 반응하여 상기 샘플의 특징을 변화시키는 화학적 변형 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 28 항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 샘플 도입 장치, 상기 스파이크 도입 장치, 상기 화학적 변형 장치, 상기 대기압 이온화기, 및 상기 질량 분광분석기의 작동을 통합조정하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 29 항에 있어서, 상기 화합적 변형 장치 및 상기 대기압 이온화기 사이에개재되는 용액 처리 장치, 및

상기 대기압 이온화기에 전달하기 전에 상기 평형이 이루어진 샘플과 스파이크된 강화된 안정한 동위원소 또는 동위원소 화학종을 미리 종축하는 상기 용액 처리 유닛과 작동 가능하게 연관되어 있는 하나 이상의 크로마토그래피기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 30 항에 있어서, 상기 크로마토그래피기는 액체 크로마토그래피 및 가스 크로마토그래피기로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 크로마토그래피기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 30 항에 있어서, 상기 샘플 도입 장치는 상기 스파이크 도입 장치와 소통하는 제 1 출구 도관을 가지며, 상기 스파이크 도입장치는 상기 화합적 변형 장치와 소통하는 출구 도관과 제 2 도관을 가지며, 정량분석을 수행할 때 샘플이 상기 스파이크 된 강화된 안정한 동위원소 또는 화학종과 함께 혼합될 수 있으며, 정성 분석을 수행하기 위해 샘플을 상기 스파이크된 원소 또는 화학종과 혼합하지 않은채 상기 화합물 변형장치로 직접적으로 도입할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 25 항에 있어서, 상기 대기압 이온화기는 전기 스프레이 이온 화기인 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 25 항에 있어서, 상기 대기압 이온화기는 복수개의 강화된 안정한 동위원소의 이온화를 위한 제 1 전압과 복수개의 강화된 안정한 동위원소 화학종의 이온화를 위한, 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압에서 작동하는 구조로 되어있는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 34 항에 있어서, 상기 제 1 전압은 약 200 내지 1,000 볼트이며 상기 제 2 전압은 약 2 내지 30 볼트인 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 25 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서로부터의 정보를 도입하고 모니터되고 있는 시스템으로 피드백을 제공하는 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 36 항에 있어서, 상기 시스템 인터페이스는 모니터 되는 오염물의 농도가 용인할 수 있는 상한에 접근할 경우 예고하는 능력과 상기 오염물의 농도가 용인할 수 있는 상한에 도달하거나 넘을 경우 경고하는 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.
제 25 항에 있어서, 상기 대기압 이온화기는 대기압 화합물 이온화기인 것을특징으로 하는 자동화된 동위원소 희석 질량 분광분석장치.