Isotope analysis of highly enriched 'silicon-28' by high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometry using an internal standard

In order to study the isotopic effects in semiconductor materials, single crystals of high chemical and isotopic purity are required. The reliability of the obtained data on the magnitude and the direction of isotopic shifts depends on the accuracy of determining the concentration of all stable isotopes. In the isotopic analysis of enriched “silicon-28” with a high degree of enrichment ( 99.99%), it is necessary to determine the impurities of 29Si and 30Si isotopes at the level of 10-3 ¸ 10-5 at. %. At this concentration level, these isotopes can be considered as impurities. It is difficult to achieve high measurement accuracy with simultaneous registration of the main and “impurity” isotopes in such a wide range of concentrations. The registration of analytical signals of silicon isotopes must be carried out in the solutions with different matrix concentrations. The use of the solutions with the high concentration of the matrix element requires the introduction of corrections for matrix noise and the drift of the instrument sensitivity during the measurement. It is possible to reduce the influence of the irreversible non-spectral interference and sensitivity drift by using the method of internal standardization. The inconsistency of the literature data on the selection criteria for the internal standard required studying the behavior of the signals of the “candidates for the internal standard” for the ELEMENT 2 single-collector high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer on the matrix element concentration and the nature of the solvent, as well as on the solution nebulizing time. Accounting for the irreversible non-spectral matrix noise and instrumental drift in isotopic analysis of enriched “silicon-28” and initial 28SiF4 by inductively coupled plasma mass spectrometry had allowed us to reduce by 3-5 times the random component and by more than an order of magnitude the systematic component of the measurement error in comparison with the external standard method. This made it possible to carry out, with sufficient accuracy, the operational control of the isotopic composition of enriched “silicon-28”, both in the form of silicon tetrafluoride and polycrystalline silicon obtained from it, using a single serial device in the range of isotopic concentrations 0.0001–99.999%.Key words: high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope analysis, isotopically enriched silicon, internal standard DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2021.25.2.009P.A. Otopkova, A.M. Potapov, A.I. Suchkov, A.D. Bulanov, A.Yu. Lashkov G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences (IChHPS RAS), 49 Tropinina St., Nizhny Novgorod, 603951, Russian Federation
Для изучения изотопических эффектов в полупроводниковых материалах требуются монокристаллы с высокой химической и изотопной чистотой. Надежность полученных данных о величине и направлении изотопических сдвигов зависит от точности определения концентрации всех стабильных изотопов. При изотопном анализе обогащенного “кремния-28” с высокой степенью обогащения (более 99.99 %) необходимо определять примеси изотопов 29Si и 30Si на уровне 10-3 ¸ 10-5 ат. %. На таком уровне концентраций указанные изотопы можно рассматривать как примеси. Достижение высокой точности измерений при одновременной регистрации основного и “примесных” изотопов в таком широком интервале концентраций затруднительно. Регистрацию аналитических сигналов изотопов кремния приходится проводить на растворах с разной концентрацией матрицы. Использование растворов с высокой концентрацией матричного элемента требует введения поправок на матричные помехи и дрейф чувствительности прибора в процессе измерения. Снизить влияние необратимых неспектральных помех и дрейфа чувствительности можно при использовании метода внутренней стандартизации. Противоречивость литературных данных о критериях выбора внутреннего стандарта потребовала исследования поведения сигналов элементов “кандидатов во внутренний стандарт“ для одноколлекторного масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно связанной плазмой ELEMENT 2 от концентрации матричного элемента и природы растворителя, а также от времени распыления раствора. Учет необратимых неспектральных матричных помех и аппаратного дрейфа при изотопном анализе обогащенного “кремния-28” и исходного 28SiF4 методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой позволил снизить в 3-5 раз случайную составляющую и более чем на порядок систематическую составляющую погрешности измерения по сравнению с методом внешнего стандарта. Это позволило проводить с достаточной точностью оперативный контроль изотопного состава обогащенного “кремния-28”, как в виде тетрафторида кремния, так и получаемого из него поликристаллического кремния с помощью одного серийного прибора в интервале изотопных концентраций 0.0001–99.999 ат. %.Ключевые слова: масс-спектрометрия высокого разрешения с индуктивно связанной плазмой, изотопный анализ, изотопнообогащенный кремний, внутренний стандартDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2021.25.2.009