JP5611276B2 - 金ナノ粒子の定量方法 - Google Patents

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Description

本発明は、保護配位子によって表面修飾された金ナノ粒子がアルコール中に分散された測定液中の金ナノ粒子の定量方法に関する。
半導体デバイスなどの製造工程において利用される純水やアルコールなどの液中の微粒子は、歩留まりを低下させる直接的な原因となるため厳しく管理されている。デバイスの設計寸法が小さくなるに従って、問題となる微粒子サイズも小さくなる。ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)によると2010年のDRAMハーフピッチ寸法は、45nmであり、今後さらに微細化が進むと予想され、従って管理微粒子サイズもより小さくなると考えられる。実際に、ITRS2008からは、分析上の課題が克服されていない中でも、純水中の微粒子に関しては、「Critical particle size」という管理項目が追加されている。そして、ITRS2010では、2011年には20nm、2017年には10nmサイズの微粒子を、4個/mLレベルで管理する指針が示されている。同様に、IPA(イソプロピルアルコール)中の微粒子に関しても2011年には20nmサイズの微粒子を1.0E+04(10,000)個/mLレベルでの管理することが求められている。
液中の微粒子数を高度に維持管理するためには、精密ろ過膜(以下、MF膜という)や、限外ろ過膜(以下、UF膜という)などのフィルターが利用されている。一般的に、MF膜では標準粒子としてPSL(Polystyrene Latex)のような固体球状粒子を用いてその除去率が99%程度であるところをもって定格ろ過精度(μm)と称している。一方、UF膜では、タンパク質などの指標物質を用いてろ過を行い、阻止率が90%に相当する分子量を持って分画分子量としている。従って、両者の分離性能指標をそのまま比較することはできない。しかしながら、最近では半導体業界向けMF膜におけるレーティングが粒子径30nm以下に達してきており、事実上UF膜のレーティングと重なってきている。また、標準粒子としてのPSL粒子の粒子径下限が20nm程度であることなどから、粒子径30nm以下の微粒子除去用フィルターに対する新しい除粒子性能評価方法が求められている。
そこで、近年、粒子径30nm以下のサイズの微粒子除去用フィルターに対する除粒子性能評価方法として、非特許文献1に挙げられるような金属微粒子を用いた新たな手法が提案されている。この手法では、金ナノ粒子をチャレンジ粒子として、DLS(動的光散乱法)やICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析装置)を測定装置として用いることでフィルターの除粒子性能を求めている。中でも、保護配位子を変化させることにより金ナノ粒子の親水性/疎水性、およびカチオン性/アニオン性をコントロールし、フィルター(ろ過膜)の吸着特性も評価している。
ここで、金の高感度分析手法として、ウエハ状の金(金属)分析についての提案もある。特許文献1では、シリコン基板表面を汚染した金、白金、銀、銅の分析において、基板表面にフッ酸蒸気を噴射した後、王水を滴下して基板上の不純物を分解し、その分解回収液を回収して原子吸光分析により分析する方法が開示されている。
また、特許文献2では、シリコンウエハ表面の白金などの金属汚染に対して、ウエハ表面を、王水を純水で希釈して調整した希王水に所定の時間接触させた後、希王水を回収し、これを蒸発乾固して硝酸等に再溶解させ、ICP−MS又は原子吸光分析(Atomic Absorption Spectrometry : AAS)により金属を定量する方法が開示されている。
特開平5−218164号公報 特開2001−77158号公報
クリーンテクノロジー 2009.2 P45-48 J.Phys.Chem.B 2004,108,2134-2139 「Two-Step Functionalization of Neutral and Positively Charged Thiols onto Citrate-Stabilized Au Nanoparticles」 Chem.Mater.,Vol.16,No.13,2004 「A Simple Large-Scale Synthesis of Nearly Monodisperse Gold and Silver Nanoparticles with Adjustable Sizes and with Exchangeable Surfactants」
上記非特許文献1では、ICP−MSを用いた金ナノ粒子の定量方法において、保護配位子を変化させることにより金ナノ粒子の親水性/疎水性、およびカチオン性/アニオン性をコントロールし、フィルター(ろ過膜)の吸着特性を評価している。しかしながら、このような保護配位子の利用がICP−MSを用いた金ナノ粒子の定量に影響があるかどうかについて何ら考慮していない。
本発明は、IPAなどのアルコール中に分散された保護配位子によって表面修飾された金ナノ粒子を精度良く定量することを目的とする。
本発明は、保護配位子によって表面修飾された金ナノ粒子がアルコール中に分散された測定液中の金ナノ粒子の定量方法であって、前記測定液を加熱して、金ナノ粒子を残渣物とする工程と、得られた残渣物に対し、硝酸と、塩酸または塩化物とを混合して調整された薬液を添加して前記残渣物を溶解した溶解液を得る工程と、得られた溶解液についてICP−MSによって分析し、測定液中の金ナノ粒子の量を検出する工程と、を含むことを特徴とする。
また、前記溶解液を得る工程において、前記薬液の濃度を前記保護配位子の種類によって変更することが好適である。
また、前記溶解液を得る工程において、前記残渣物に前記薬液を添加した後、超音波を照射することが好適である。
また、前記薬液は、硝酸と、塩酸の混合物であって、硝酸1.5〜7.5重量%、塩酸2.3〜11.3重量%を含むことが好適である。
また、前記薬液は、硝酸と塩酸の混合物であって、硝酸4.5〜7.5重量%、塩酸6.8〜11.3重量%を含むことが好適である。
また、前記保護配位子は、チオクト酸または10−カルボキシ−1−デカンチオールであることが好適である。
また、前記アルコールはIPAであることが好適である。
また、前記測定液は、フィルターの除粒子性能を評価する際に用いられるフィルターのろ過液であることが好適である。
本発明によれば、アルコール中に分散された保護配位子によって表面修飾された金ナノ粒子を精度良く定量することができる。
金ナノ粒子の定量が行われる処理システムの概要を示す図である。 定量の前処理手段を説明する図である。 金ナノ粒子の表面状態による回収率を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図1は、フィルター18を評価するための処理システムの概要を示す図である。まず、貯槽10に、アルコールに金ナノ粒子を添加混合して、金ナノ粒子を分散させた試料液を調整する。特に、金ナノ粒子として、粒子径30nm以下の粒子を用いることが好適であり、粒子径が、30nm、20nm、10nmなどの金ナノ粒子を用いることができる。
また、貯槽10には、超音波照射装置12が設けられており、超音波の照射によって金ナノ粒子がアルコール中に確実に分散される。超音波照射装置12は、各種液体等の混合用のものを適宜採用することができる。
貯槽10内の試料液は、ポンプ14により、バルブ16を介し、フィルター18に供給される。なお、フィルター18に供給される試料液の圧力は圧力計20で計測され、フィルター18における圧損などをチェックする。
フィルター18は、評価対象である、MF膜、UF膜などのろ過膜を利用したものであり、例えば高分子ろ過膜によって原液側とろ過液側が仕切られており、ろ過膜によって原液中の微粒子がろ過除去される。
そして、フィルター18への供給路からバルブ22を介し、サンプリングされ、前処理手段S1に供給される。また、フィルター18で得られたろ液がサンプリングされて前処理手段S2に供給される。そして、前処理手段S1,S2で前処理された、試料液、ろ液が適宜ICP−MS26に供給され、ここで金ナノ粒子濃度が定量分析される。
ここで、前処理手段S1,S2について、図2に基づいて説明する。この例では、サンプリングした被測定液は、まず加熱乾固される。すなわち、容器に入れた被測定液を100°C程度に加熱して、アルコールを蒸発させ、金ナノ粒子を残渣物として乾固する。次に、残渣物に薬液を添加して、金ナノ粒子からなる残渣物を薬液に溶解しICP−MS26により測定する測定溶液を得る。そして、得られた測定溶液をICP−MS26によって定量する。このように加熱乾固工程を設けることによって、アルコールを除去して、ICP−MS26における分析への弊害を除去する。また、これによって、金ナノ粒子の濃度が低濃度であっても、ICP−MS26で定量するときには、高濃度化でき、定量の精度を上げることができる。
ここで、残渣物に添加する薬液は、金ナノ粒子を溶解させるためのものであり、硝酸と塩酸の混合溶液(濃硝酸に濃塩酸を混合したいわゆる王水など)が好適であるが、塩酸に代えて塩化物を用いる硝酸と塩化物の混合液を用いることもできる。
すなわち、金を溶解するのは、濃硝酸(HNO)と濃塩酸(HCl)が反応して生ずるNOClと、Clである。従って、王水に限らずNOとClを生ずる組み合わせでも可能であり、例えば濃HNO+NaCl/NHClや、NaNO+濃HClなどを利用することもできる。
このように、残渣物に薬液を添加することで、残渣物中の金ナノ粒子が溶解し、均質な液となる。そして、このように金ナノ粒子が溶解された測定溶液をICP−MS26で定量分析する。これによって、測定溶液中の金の濃度を検出することができ、薬液の添加量を考慮して換算することで、溶解液中の金ナノ粒子濃度を定量することができる。
ここで、フィルターにおける処理において、金ナノ粒子と、フィルターの吸着作用がろ過性能に影響を及ぼす。すなわち、試料液に混合されている金ナノ粒子について吸着能力があれば、金ナノ粒子の除去性能は高くなる。しかし、試料液中の金ナノ粒子は、標準粒子であって、実際に除去対象とする粒子ではない。従って、フィルターの除粒子性能の評価を行うのであれば、吸着作用のない場合のろ過性能を評価することが好ましい。
そこで、本実施形態では、金ナノ粒子について保護配位子によりその表面状態を調整し、フィルターにおける吸着作用のない状態でのろ過性能を評価する。
なお、ICP−MS26は、市販のものを利用することができ、特別な手法を用いなくても定量分析を行うことが可能である。複数の濃度の標準試料を用い、カウント値(CPS)と金ナノ粒子濃度の検量線を作成しておき、実際の測定の際に得られたカウント値を濃度に換算する。
ここで、金を表面修飾する際に用いられる配位子としては、MEA(2-mercaptoethanoic Acid)、MPA(3-mercaptopropanoic acid)、TA(thioctic acid)、11-MUDA(11-mercaptoundecanoic acid)、Oleylamine(9-octadecenylamine)、1-Dodecanethiol等が挙られる。
そして、保護配位子を用いて金ナノ粒子に表面修飾を行った場合に、金ナノ粒子の残渣物の硝酸と塩酸の混合溶液等の薬液への溶解しやすさが、異なってくる。例えば、IPA中で、保護配位子によって疎水性の表面修飾を行った場合、高濃度の硝酸と塩酸の混合溶液によって金ナノ粒子の溶解回収を行うことが好適である。また、溶解を促進するために、超音波照射時間を比較的長くするとよい。
例えば、超音波照射時間を一定として硝酸と塩酸の混合溶液の濃度を高くすると、これによって残渣物中の金ナノ粒子の回収率が向上する。また、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度を一定として、超音波照射時間を変更した場合、回収率が向上する。例えば、IPA中の金ナノ粒子であって、チオクト酸や、10−カルボキシ−1−デカンチオールなどで表面修飾を行った場合、硝酸と塩酸の混合溶液について、硝酸濃度(asHNO)が1.5wt%かつ塩酸濃度(asHCl)が2.3wt%未満になると、回収率が低く、また硝酸濃度(asHNO)が7.5wt%かつ塩酸濃度(asHCl)が11.3wt%以上としても、回収率に変化はない。従って、硝酸と塩酸の混合溶液は、硝酸濃度(asHNO)1.5〜7.5wt%、塩酸濃度(asHCl)2.3〜11.3wt%の範囲とすることが好適である。なお、純水中の金ナノ粒子の場合、硝酸と塩酸の混合溶液は、硝酸濃度(asHNO)0.75wt%、塩酸濃度(asHCl)1.15wt%程度でも、十分な回収率が得られる。
(1)金ナノ粒子の表面状態による回収率比較
図2に示す手法によって、金ナノ粒子の定量を行った。
金ナノ粒子原液(市販品:BBI社製、粒子径30nm)を一旦加熱乾固させた後、金ナノ粒子を含む残渣物を硝酸と塩酸の混合溶液で溶解し、得られた測定溶液をICP−MSによって定量した。
具体的には、まず超純水中に種々の金ナノ粒子(30nm)を0.5ng/Lになるように添加した金ナノ粒子溶液を調整した。この際、異なる保護配位子によって表面を修飾した。具体的には、上記市販の金ナノ粒子自体は、すでに親水性の保護配位子によって表面修飾されているため、それを2つの疎水性の保護配位子によって表面修飾し、合計3つの表面状態に調整した。
本実施例では、保護配位子としては、(i)クエン酸(Citric acid)、(ii)チオクト酸(thioctic acid)、(iii)10−カルボキシ−1−デカンチオール(10-Carboxy-1-decanethiol or 11-Mercaptoundecanoic acid)を利用した。
ここで、前述した通り、上記の金ナノ粒子原液(市販品:BBI社製、粒子径30nm)については、すでに親水性の(i)クエン酸(Citric acid)で表面修飾されている。そこで、本実施例における親水性の保護配位子で表面修飾された金ナノ粒子としては、上記市販品をそのまま用いた。
また、上記の疎水性の保護配位子(ii),(iii)による金ナノ粒子の表面修飾については、具体的に以下の方法で行った。
(ii)チオクト酸(thioctic acid)による表面修飾方法
[1]BBI社製金コロイド(30nm,0.1wt%)を5ml分取する。
[2]金のモル数に対して10倍モルとなるように調整したチオクト酸を45ml添加する。
[3]1NのNaOHにてpH11に調整する。
[4]16時間攪拌する。
[5]遠心分離(11800rpm,10℃,10分)により上澄み液を除く。
上記方法により、チオクト酸で表面修飾した金コロイド濃縮液約1wt%を得た。
(iii)10−カルボキシ−1−デカンチオール(10-Carboxy-1-decanethiol or 11-Mercaptoundecanoic acid)による表面修飾方法
[1]上記(ii)により得られた金コロイド濃縮液について、さらに下記の操作を実施。
[2]金のモル数に対して25倍モルとなるように調整した10−カルボキシ−1−デカンチオールを45ml添加する。
[3]1NのNaOHにてpH11に調整する。
[4]16時間攪拌する。
[5]遠心分離(11800rpm,10℃,10分)により上澄み液を除く。
上記方法により、10−カルボキシ−1−デカンチオールで表面修飾した金コロイド濃縮液約1wt%を得た。
(i)は親水性であり、溶液(液性)として超純水を利用した。配位子(ii),(iii)は比較的疎水性であり、溶液としてIPA(イソプロピルアルコール)を利用した。
保護配位子で金ナノ粒子表面を修飾した金ナノ粒子を含む試料液を、加熱乾固し、金ナノ粒子を含む残渣物を析出させた。その後残渣物に所定量の硝酸と塩酸の混合溶液を加えてこれを溶解し、これに超純水を加えて希釈し、所定濃度として、ICP−MSで定量した。
なお、硝酸と塩酸の混合溶液については、硝酸(市販品:関東化学社製 Ultrapur、61wt%(asHNO))と、塩酸(市販品:関東化学社製 Ultrapur、31wt%(asHCl))を体積比で1:3で混合したものを原液として用いた。
ここで、硝酸と塩酸の混合溶液の添加量と、超音波の照射時間を変化させて、回収率への寄与を評価した。その結果を図3に示す。ここで、回収条件1は、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度として、硝酸濃度(asHNO)1.5wt%、塩酸濃度(asHCl)2.3wt%、超音波照射時間5分、回収条件2は、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度として、硝酸濃度(asHNO)3.0wt%、塩酸濃度(asHCl)4.5wt%、超音波照射時間10分、回収条件3は、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度として、硝酸濃度(asHNO)4.5wt%、塩酸濃度(asHCl)6.8wt%、超音波照射時間10分である。なお、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度は、超純水に前述の硝酸と塩酸の混合溶液原液を2,4,6mL添加して、添加後の水量を20mLに調整することで行った。
このように、配位子としてクエン酸(親水性の保護配位子)を用い液性として超純水を用いた上記(i)の例では、回収条件1〜3のいずれにおいても、高い回収率を示しており、加熱乾固後の硝酸と塩酸の混合溶液の添加による溶解について保護配位子の影響がほとんどないことがわかる。一方、配位子としてチオクト酸、10−カルボキシ−1−デカンチオール(疎水性官能基を有する保護配位子)を用い液性としてIPAを用いた上記(ii),(iii)の例では、回収条件において、大きな変化がある。すなわち、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度がある程度高い必要がある。また、超音波照射時間も長い方がよい。具体的には、回収条件3のように、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度として、硝酸濃度(asHNO)4.5wt%、塩酸濃度(asHCl)6.8wt%以上で、超音波照射時間10分以上の場合、回収率が非常に高くなることが分かる。
(2)フィルターの除粒子性能評価(IPA)
図1に示すシステムに対応する実験装置を用い、IPA中に金ナノ粒子を分散させた試料液(原水)をろ過処理し、フィルターの除粒子性能を評価した。すなわち、貯槽10に所定量の原水を貯留し、ここに窒素ガスを圧送して、全量をフィルター18に供給してろ過処理した。そして、原水(S1)を予めサンプリングすると共に、ろ過液をサンプリングした。
粒子径20nmの金ナノ粒子(BBI社製)をIPA((株)徳山製、トクソーIPA SE(商品名))で希釈するとともに、金ナノ粒子の表面を保護配位子で修飾して得た原水をフィルター18に通水させた。
なお、保護配位子としては、上述した(iii)10−カルボキシ−1−デカンチオールを利用した。
また、フィルター18としては、膜種:MF膜、材質:UPE(超高分子量ポリエチレン)、除粒子径:5nmの、日本インテグリス(株)製、オプチマイザーDLE ディスポーザブルフィルター(商品名)を利用した。
この際、MF膜の通水条件は、通水方式:全量ろ過、通水圧力:0.1MPa、ろ過流量:67mL/minとした。フィルター前後の原水(S1)およびろ過液(S2)をサンプリングした。サンプリングした原水は、加熱乾固し、金ナノ粒子を含む残渣物を析出させ、その後残渣物に所定量の硝酸と塩酸の混合溶液を加えてこれを溶解し、これに超純水を加えて希釈し、所定濃度として、ICP−MSで定量した。一方、サンプリングしたろ過液は、一旦加熱乾固した後、硝酸と塩酸の混合溶液原液で溶解し、超純水で所定濃度に調整してICP−MSで定量した。なお、回収条件としては、上述の回収条件3を採用した。また、硝酸と塩酸の混合溶液の濃度は、硝酸濃度(asHNO)4.5wt%、塩酸濃度(asHCl)6.8wt%、超音波照射時間は10分とした。
この結果を表1に示す。
Figure 0005611276
このように、このフィルターの微粒子捕捉率は、99.98%であることがわかった。従って、本実施例により、ITRSにおける20nm粒子の管理指標(1.0E+04個/mL)を満たすレベルでのフィルターの評価が可能であることがわかった。
このように、比較的疎水性の保護配位子を用いて金ナノ粒子の表面を修飾して、アルコール中に分散させた試料液を用いた場合には、加熱乾固後に硝酸と塩酸の混合溶液で金ナノ粒子を溶解することは可能であるが、高濃度の硝酸と塩酸の混合溶液を用いることが必要であり、超音波照射を行うことが好適であることがわかった。
さらに、本実施形態の金ナノ粒子の定量方法を用いて、フィルター前後のサンプル中の金ナノ粒子を定量することで、フィルターを評価することができる。
10 貯槽、12 超音波照射装置、14 ポンプ、16 バルブ、18 フィルター、20 圧力計、22,24 バルブ、26 ICP−MS。

Claims (8)

  1. 保護配位子によって表面修飾された金ナノ粒子がアルコール中に分散された測定液中の金ナノ粒子の定量方法であって、
    前記測定液を加熱して、金ナノ粒子を残渣物とする工程と、
    得られた残渣物に対し、硝酸と、塩酸または塩化物とを混合して調整された薬液を添加して前記残渣物を溶解した溶解液を得る工程と、
    得られた溶解液についてICP−MSによって分析し、測定液中の金ナノ粒子の量を検出する工程と、
    を含むことを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  2. 請求項1に記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記溶解液を得る工程において、前記薬液の濃度を前記保護配位子の種類によって変更することを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  3. 請求項2に記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記溶解液を得る工程において、前記残渣物に前記薬液を添加した後、超音波を照射することを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  4. 請求項3に記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記薬液は、硝酸と塩酸の混合物であって、硝酸1.5〜7.5重量%、塩酸2.3〜11.3重量%を含むことを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  5. 請求項3に記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記薬液は、硝酸と塩酸の混合物であって、硝酸4.5〜7.5重量%、塩酸6.8〜11.3重量%を含むことを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  6. 請求項4または5に記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記保護配位子は、チオクト酸または10−カルボキシ−1−デカンチオールであることを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか1つに記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記アルコールはIPAであることを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
  8. 請求項1〜7のいずれか1つに記載の金ナノ粒子の定量方法において、
    前記測定液は、フィルターのろ過液であることを特徴とする金ナノ粒子の定量方法。
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