等离子光谱仪做实验用哪个标准

在半导体行业，晶圆是用光刻技术制造和操作的。蚀刻是这一过程的主要部分，在这一过程中，材料可以被分层到一个非常具体的厚度。当这些层在晶圆表面被蚀刻时，等离子体监测被用来跟踪晶圆层的蚀刻，并确定等离子体何时完全蚀刻了一个特定的层并到达下一个层。通过监测等离子体在蚀刻过程中产生的发射线，可以精确跟踪蚀刻过程。这种终点检测对于使用基于等离子体的蚀刻工艺的半导体材料生产至关重要。等离子体是一种被激发的、类似气体的状态，其中一部分原子已经被激发或电离，形成自由电子和离子。当被激发的中性原子的电子返回到基态时，等离子体中存在的原子就会发射特有波长的辐射光，其光谱图可用来确定等离子体的组成。等离子体是用一系列高能方法使原子电离而形成的，包括热、高能激光、微波、电和无线电频率。实时等离子体监测以改进工艺等离子体有一系列的应用，包括元素分析、薄膜沉积、等离子体蚀刻和表面清洁。通过对等离子体样品的发射光谱进行监测，可以为样品提供详细的元素分析，并能够确定控制基于等离子体的过程所需的关键等离子体参数。发射线的波长被用来识别等离子体中存在的元素，发射线的强度被用来实时量化粒子和电子密度，以便进行工艺控制。像气体混合物、等离子体温度和粒子密度等参数都是控制等离子体过程的关键。通过在等离子体室中引入各种气体或粒子来改变这些参数，会改变等离子体的特性，从而影响等离子体与衬底的相互作用。实时监测和控制等离子体的能力可以改进工艺和产品。一个基于Ocean Insight HR系列高分辨率光谱仪的模块化光谱装置用于监测等离子体室引入不同气体后，氩气等离子体发射的变化。测量是在一个封闭的反应室中进行的，光谱仪连接光纤和余弦校正器，通过室中的一个小窗口观察。这些测量证明了模块化光谱仪从等离子体室中实时获取等离子体发射光谱的可行性。从这些发射光谱中确定的等离子体特征可用于监测和控制基于等离子体的过程。等离子体监测可以通过灵活的模块化设置完成，使用高分辨率光谱仪，如Ocean Insight的HR或Maya2000 Pro系列（后者是检测UV气体的一个很好的选择）。对于模块化设置，HR光谱仪可以与抗曝光纤相结合，以获得在等离子体中形成的定性发射数据。从等离子体室中形成的等离子体中获取定性发射数据。如果需要定量测量，用户可以增加一个光谱库来比较数据，并快速识别未知的发射线、峰和波段。监测真空室中形成的等离子体时，一个重要的考虑因素是与采样室的接口。仪器部件可以被引入到真空室中，或者被设置成通过视窗来观察等离子体。真空通管为承受真空室中的恶劣条件而设计的定制光纤将部件耦合到等离子体室中。对于通过视口监测等离子体，可能需要一个采样附件，如余弦校正器或准直透镜，这取决于要测量的等离子体场的大小。在没有取样附件的情况下，从光纤到等离子体的距离将决定成像的区域。使用准直透镜可以获得更局部的收集区域，或者使用余弦校正器可以在180度的视野内收集光线。测量条件HR系列高分辨率光谱仪被用来测量当其他气体被引入等离子体室时氩等离子体的发射变化。光谱仪、光纤和余弦校正器通过室外的一个小窗口收集发射光谱，对封闭反应室中的等离子体进行光谱数据采集（图1）。图1：一个模块化的光谱仪设置可以被配置为真空室中的等离子体测量。一个HR2000+高分辨率光谱仪（~1.1nm FWHM光学分辨率）被配置为测量200-1100nm的发射（光栅HC-1，SLIT-25），使用抗曝光纤（QP400-1-SR-BX光纤）与一个余弦校正器（CC-3-UV）耦合。选择CC-3-UV余弦校正器采样附件来获取等离子体室的数据，以解决等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀问题。其他采样选项包括准直透镜和真空透镜。结果图2显示了通过等离子体室窗口测量的氩等离子体的光谱。690-900纳米的强光谱线是中性氩（Ar I）的发射线，400-650纳米的低强度线是由单电离的氩原子（Ar II）产生的。图2所示的发射光谱是测量等离子体发射的丰富光谱数据的一个例子。这种光谱信息可用于确定一系列关键参数，以监测和控制半导体制造过程中基于等离子体的工艺。图2：通过真空室窗口测量氩气等离子体的发射。氢气是一种辅助气体，可以添加到氩气等离子体中以改变等离子体的特性。在图3中，随着氢气浓度的增加添加到氩气等离子体中的效果。氢气改变氩气等离子体特性的能力清楚地显示在700-900纳米之间的氩气线的强度下降，而氢气浓度的增加反映在350-450纳米之间的氢气线出现。这些光谱显示了实时测量等离子体发射的强度，以监测二次气体对等离子体特性的影响。观察到的光谱变化可用于确保向试验室添加最佳数量的二次气体，以达到预期的等离子体特性。图3：将氢气添加到氩等离子体中会改变其光谱特性。在图 4 和 5 中，显示了在将保护气添加到腔室之前和之后测量的等离子体的发射光谱。 保护气用于减少进样器和样品之间的接触，以减少由于样品沉积和残留引起的问题。 在图 4中，氩等离子体发射光谱显示在加入保护气之前，加入保护气后测得的发射光谱如图5所示。保护气的加入导致了氩气发射光谱的变化，从400纳米以下和~520纳米处的宽光谱线的消失可以看出。图4：加入保护气之前，在真空室中测量氩等离子体的发射。图5：加入保护气后，氩气发射特性在400纳米以下和~520纳米处有明显不同。结论紫外-可见-近红外光谱是测量等离子体发射的有力方法，以实现元素分析和基于等离子体过程的精确控制。这些数据说明了模块化光谱法对等离子体监测的能力。HR2000+高分辨率光谱仪和模块化光谱学方法在测量等离子体室条件改变时，通过等离子体室的窗口测量等离子体发射光谱，效果良好。还有其他的等离子体监测选项，包括Maya2000 Pro，它在紫外光下有很好的响应。另外，光谱仪和子系统可以被集成到其他设备中，并与机器学习工具相结合，以实现对等离子体室条件更复杂的控制。以上文章作者是海洋光学Yvette Mattley博士，爱蛙科技翻译整理。世界上第一台微型光谱仪的发明者海洋光学OceanInsight，30年来专注于光谱技术和设备的持续创新，在光谱仪这个细分市场精耕细作，打造了丰富而差异化的产品线，展现了光的多样性应用，坚持将紧凑、便携、高集成度以及高灵敏度、高分辨率、高速的不同设备带给客户。2019年，从Ocean Optics更名为Ocean Insight，也是海洋光学从光谱产品生产商转型为光谱解决方案提供商战略调整的开始。此后，海洋光学不仅继续丰富扩充光传感产品线，且增强支持和服务能力，为需要定制方案的客户提供量身定制的系统化解决方案和应用指导。作为海洋光学官方授权合作伙伴，爱蛙科技（iFrogTech）致力于与海洋光学携手共同帮助客户面对问题、探索未来课题，为打造量身定制的光谱解决方案而努力。如需了解更多详情或探讨创新应用，可拨打400-102-1226客服电话。关于海洋光学海洋光学作为世界领先的光学解决方案提供商，应用于半导体、照明及显示、工业控制、环境监测、生命科学生物、医药研究、教育等领域。其产品包括光谱仪、化学传感器、计量检测设备、光纤、透镜等。作为光纤光谱仪的发明者，如今海洋光学在全球已售出超过40万套的光纤光谱仪。关于爱蛙科技爱蛙科技（iFrogTech）是海洋光学官方授权合作伙伴，提供光谱分析仪器销售、租赁、维护，以及解决方案定制、软件开发在内的全链条一站式精准服务。

瀚蓝（常山华侨经济开发区）固废处理有限公司是一家国企上市公司，地址位于常山华侨经济开发区海峰管区牛深坑。服务范围为云霄县、东山县、诏安县及常山开发区。项目规划规模为日处理生活垃圾1000t/d，年处理生活垃圾不低于33.33万t；采用2×500t/d焚烧炉配2×12MW凝汽式汽轮发电机组，年发电量1.324×108kWh,上网电量1.089×108kWh。Plasma1500是钢研纳克自主研发的一款高分辨率电感耦合等离子体光谱仪，可广泛适用于冶金、地质、材料、环境、食品、医药、石油、化工、生物、水质等各领域的元素分析。本文在瀚蓝（常山华侨经济开发区）固废处理有限公司，依据HJ/T300-2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法》对飞灰原样浸提，浸提液参照HJ786-2016《固体废物 22种金属元素的测定 电感耦合等离子体光谱法》消解和测试。 1第一部分 垃圾焚烧工艺垃圾焚烧发电，在大多数人的印象中是浓烟滚滚、产生大量污染的过程。然而，在科学合理的设计和规划下，不仅让厂区建筑和设备的布局井然有序，四周布满了茂盛的绿植和花朵的凉亭，也给繁忙紧张的生产工作，带来了一丝轻松和惬意。垃圾焚烧发电厂采用二段式炉排炉工艺，其工艺生产工艺流程为：生活垃圾由垃圾封闭运输车运至发电厂→电子汽车衡过磅→卸入封闭的垃圾料坑内→垃圾经抓斗→给料斗→推料器→焚烧炉，在焚烧炉内高温燃烧，焚烧产生的烟气将水加热，并生成蒸汽，蒸汽驱动汽轮机组发电，焚烧产生的烟气经尾气处理装置净化后达标排放，焚烧产生的炉渣可以作为一般废物处理，布袋除尘器处理的飞灰作为危险废物加水泥与螯合剂固化处理。 第二部分 飞灰实验室常用仪器 飞灰实验室常用的设备和仪器主要包括：ICP-OES、原子荧光、微波消解仪、样品破碎机、磁力搅拌器、全自动式翻转振荡器、紫外分光光度计、电加热板、分析天平、pH计、真空抽滤泵、电热恒温鼓风干燥箱、赶酸仪、超纯水机等。 ICP-OES 钢研纳克Plasma1500 第三部分 飞灰浸出实验垃圾焚烧飞灰：在焚烧炉窑之后，焚烧烟气的颗粒被捕集下来的就是飞灰，这些需要进行卫生填埋或者进入危废填埋场。在进入填埋之前需要模拟固体废物在填埋场渗滤液的影响下，从废物中浸出的过程。对其浸提液进行检测，评价其对环境的影响。浸出步骤包括：含水率测试、样品破碎、浸提液的确定、样品的浸提和抽滤消解。1.含水率测试：称取 100.0000g 样品置于具盖容器中，于 105℃下烘干，恒重至两次称量值的误差小± 1%，计算样品含水率。2.样品破碎：样品颗粒应可以通过 9.5mm 孔径的筛，对于粒径大的颗粒可通过破碎、切割或碾磨降低粒径。3.确定使用的浸提剂：取5.0g样品至500ml烧杯或锥形瓶中，加入96.5ml试剂水，盖上表面皿，用磁力搅拌器猛烈搅拌5min，测得 pH5.0，加 3.5ml 1M 盐酸，盖上表面皿，加热至50℃，并在此温度下保持10min。将溶液冷却至室温，测得5.0，用浸提剂2# 。（浸提剂2#：用试剂水稀释17.25ml的冰醋酸至1L。配制后溶液的pH值应为2.64±0.05。）4.样品浸提：根据样品的含水率，称取75.0g样品于提取瓶，按液固比为 20׃1（L/kg）计算出所需浸提剂的体积，加入浸提剂，固定在翻转式振荡装置上，调节转速为 30±2r/min，于 23±2℃下振荡 18±2h。振荡停止后，在压力过滤器上装好滤膜，用稀硝酸淋洗过滤器和滤膜，弃掉淋洗液，过滤并收集浸出液，于4℃下保存。5.微波消解：收集的浸出液中，转移到微波消解管中，分别加入5mL硝酸，于赶酸器上150℃加热30min，使其充分反应，再放入微波消解仪中，按程序5min内升至150℃，保持10min，再升至180℃保持5min。待样品冷却后，于赶酸器上180℃，保持1h。样品消解完全后，冷却定容至25mL容量瓶中，待测。第四部分 飞灰浸出液中Zn、Cd、Be、Cr、Pb、Cu、Ni、Ba的测定。 1、试验仪器及试剂1、实验仪器及试剂1、实验仪器及试剂1.1 钢研纳克Plasma1500电感耦合等离子体光谱仪1.2 盐酸（ρ1.18 g／mL），优级纯；1.3 硝酸（ρ1.42 g／mL），优级纯；1.4 电子分析天平（精确到0.0001g）1.5 超纯水18.2MΩ；2、工作曲线的配置3、推荐分析元素谱线待分析元素谱线的选择标准溶液进样测试各元素标准曲线、检出限及相关系数R4、4、样品测试结果样品测试结果仪器原理和构造培训及 矩管安装和位置调整5、结果与讨论从上表测试结果中可以看出，样品的相对标准偏差都在5%以下，仪器的稳定性良好。Plasma1500操作简单，检测快速，测量精度高，可应用于垃圾焚烧飞灰浸出液中的Zn、Cd、Be、Cr、Pb、Cu、Ni、Ba等多种元素检测。

单颗粒电感耦合等离子质谱法（spICP-MS）是一种在非常低的浓度中检测单个纳米颗粒的方法。与传统表征金属纳米颗粒技术相比，使用单台ICP-MS，不需联用设备就可以同时完成纳米颗粒的成分、浓度、粒径、粒度分布和颗粒团聚的检测，这是透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）等纳米粒径表征技术无法完成的，并且此方法可将样品中溶解的纳米颗粒离子与固体纳米颗粒区分开来。近期，国家纳米科学中心牵头制定了国内首项单颗粒电感耦合等离子体质谱法（spICP-MS）国家标准《GB/T 42732-2023 纳米技术 水相中无机纳米颗粒的尺寸分布和浓度测量 单颗粒电感耦合等离子体质谱法》。本文特邀国家纳米科学中心葛广路研究员、郭玉婷高级工程师对该标准进行解读。一、背景 目前，基于纳米技术或含有工程纳米颗粒的产品已广泛使用，并开始影响有关的行业和市场。因此，消费者可能直接或间接地接触到（除天然纳米颗粒外的）工程纳米颗粒。在食品、消费品、毒理学和暴露研究中，工程纳米颗粒的检测成为纳米颗粒应用潜在效益和潜在风险评估的必要部分，迫切需要建立产品、试验样品和环境等复杂基质中痕量纳米颗粒检测方法标准。二、标准概述本标准包括范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语、适用性、步骤、结果、测试报告8章内容和1个资料性附录。本标准描述了使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）在时间分辨模式下测定单个纳米颗粒的质量和悬浮液中离子浓度，检测水相悬浮液中纳米颗粒，并表征颗粒数量与质量浓度、颗粒尺寸及数均尺寸分布的方法。三、适用性本方法仅限用于纯纳米颗粒的水相悬浮液、材料或消费品的水相提取液、食品或组织样品的水相消解液、水相毒理学样品或环境水样品。非水相样品处理见标准参考文献。水相环境样品经过过滤和稀释，食品和毒理学样品经过化学或酶消解和稀释。将水相悬浮液中的颗粒数量或质量浓度与原始样品中的浓度联系起来需样品相关提取、效率和基质效应等信息，并由用户进行额外验证。四、主要技术内容本文选取原理、重要参数传输效率和响应值及线性的确定、结果计算方面部分重点内容进行讲解，详细内容及仪器设置、试样制备等相关内容与注意的事项参见标准原文。1 原理单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)是一种能够在非常低的浓度下检测单个纳米颗粒的方法，此方法适用于水相悬浮液中无机纳米颗粒的尺寸及数均尺寸分布、颗粒数量浓度与质量浓度，悬浮液中离子浓度的测定。将常规的ICP-MS系统设置为以高时间分辨率模式采集数据。水相样品连续进入ICP-MS中，雾化后，一部分纳米颗粒进入等离子体并被原子化和电离。每个原子化的颗粒相对应的离子团为一个信号脉冲。使用合适的驻留时间和适当稀释的纳米颗粒悬浮液，质谱仪可实现单个纳米颗粒检测，称为“单颗粒”ICP-MS。对纳米颗粒悬浮液进行稀释，以避免违反“单颗粒规则”（即在一个驻留时间内有一个以上的颗粒到达检测器）。由于离子团中的离子密度很高，其产生的脉冲信号远高于背景（或基线）信号。脉冲强度、脉冲面积与纳米颗粒中被测元素的质量，也即纳米颗粒直径的立方成正比（假定纳米颗粒的几何形状是球形）。单位时间检测到的脉冲数与待测水相悬浮液中纳米颗粒的数量成正比。2 确定传输效率引入的样品只有一部分到达等离子体，结果的计算需要知道传输效率。使用已知的纳米颗粒标准样品测定传输效率。如果没有可用的纳米颗粒标准样品，可以使用任何其他良好表征过的纳米颗粒悬浮液，重新计算稀释倍数和浓度。纳米颗粒尺寸已知，颗粒浓度未知时，结合分析一系列与纳米颗粒相同元素的离子标准溶液，确定传输效率。3 确定响应值及线性随着纳米颗粒的直径增大，信号响应值将按三次方增加，所以需要对纳米颗粒每种组成每种尺寸范围的响应进行验证。校准最好使用纳米颗粒标准样品，无法获得这样的标准样品时，在相同的样品分析条件下，使用被测元素的离子标准溶液进行此步骤中的校准。分析离子溶液的标准工作液，用线性回归法确定校准曲线的相关系数，校准函数的斜率，即为ICP-MS响应值。4 结果计算4.1 检出限的计算由空白对照样品中的颗粒数量确定颗粒数量浓度检出限，结合平均颗粒质量，计算质量浓度检出限。由刚好能从背景中区分出来的脉冲信号强度决定颗粒尺寸检出限。4.2 颗粒浓度和尺寸、离子浓度的计算由时间扫描中检测到的脉冲数、传输效率、样品流速计算水相样品中的颗粒数量浓度；样品中颗粒信号强度、离子标准溶液的ICP- MS响应值、传输效率、驻留时间、样品流速、纳米颗粒材料的摩尔质量和被测物的摩尔质量计算单个颗粒的质量，假设颗粒为球形，计算得到颗粒的直径。由离子产生的连续基线信号估算样品中的离子浓度。通常，可以用商用软件或将测试数据导入定制的电子表格程序进行处理，以计算纳米颗粒的数量、质量浓度、尺寸（等效球直径）和相应数均尺寸分布，并同时确定样品中存在的离子质量浓度。本标准的资料性附录A给出了定制的电子表格程序处理数据的示例。五、结语本标准等同采用ISO/TS19590:2017 Nanotechnologies—Size distribution and concentration of inorganic nanoparticles in aqueous media via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry，于2023年8月6日发布，将于2024年3月1日实施，是国内首项使用单颗粒电感耦合等离子体质谱方法表征纳米颗粒的国家标准，支撑spICP-MS作为一种普适性方法的推广与应用。本标准由国家纳米科学中心、珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司、赛默飞世尔科技(中国)有限公司、岛津企业管理(中国)有限公司、清华大学、中国计量科学研究院、杭州谱育科技发展有限公司，安捷伦科技（中国）有限公司制定。在起草阶段，标准起草工作组选用金纳米颗粒，在国家纳米科学中心、赛默飞世尔科技(中国)有限公司、岛津企业管理(中国)有限公司、安捷伦科技（中国）有限公司、杭州谱育科技发展有限公司，利用不同仪器进行了测试，使用仪器所带软件对颗粒尺寸和颗粒数量浓度进行了处理计算。在征求意见阶段，向四川大学、中国地质大学、武汉大学、清华大学深圳国际研究生院、东北大学、华东师范大学、中山大学、厦门大学、中国科学院过程工程研究所、中国科学院南京土壤研究所、中国科学院生态环境研究中心、上海市食品药品检验研究院、生态环境部南京环境科学研究所、中国科学院高能物理研究所、山东英盛生物技术有限公司等高校、科研院所和企业发送了标准征求意见材料，征求意见专家多为分析化学、纳米科学等领域专家，给本标准提出了具有代表性的意见，在此感谢他们对本项标准制定工作的支持。本文作者： 葛广路 研究员；郭玉婷 高级工程师 国家纳米科学中心 中国科学院纳米标准与检测重点实验室 Email：gegl@nanoctr.cn guoyt@nanoctr.cn