多晶矽材（cái）料消解方法（fǎ）太難？你（nǐ）們想（xiǎng）要的方法都（dōu）在這

多晶矽是生產單晶矽的直接原料，是當代人工智能、自動控製、信息處理、光電轉換（huàn）等（děng）半導體器件的電子信息基礎材（cái）料。被稱為（wéi）“微（wēi）電子大廈的基石”。

多晶矽，灰色金屬光澤。密度2.32~2.34。熔點1410℃。沸點2355℃。溶於氫（qīng）氟酸和硝酸的混酸中（zhōng），不溶於水（shuǐ）、硝酸和鹽酸。常溫（wēn）下不活潑，高溫（wēn）下與氧、氮、硫等反應。高（gāo）溫熔融狀態（tài）下，具有較大（dà）的化學活潑性，能與（yǔ）幾乎任何材料作（zuò）用。具有半導體性質，是極（jí）為重要的優（yōu）良半導體材料，但微量的（de）雜質即可大大影響其導電性。目前，對矽材料中各種（zhǒng）雜質進行檢測前通常采用酸溶法或堿熔法消（xiāo）解處理（lǐ）後（hòu）才能進行雜（zá）質含量分析。在選用溶劑時一般要考慮被測（cè）元素能否迅速、完全溶解。試樣處（chù）理過程中要考慮被（bèi）測元素的（de）揮發損失；被測（cè）元素是否會與其他被測組分生成不溶性物質；過量溶劑可能對分析結果產生的幹擾(如汙染和幹擾效應等)；是否損傷（shāng）容器。堿熔法基本（běn）使（shǐ）用氫氧化鈉溶解樣品，產物矽酸鈉易水解形成（chéng）矽酸難以消除基體矽對測（cè）定的影響，而且在光譜（pǔ）、質譜分析過程中容易堵塞（sāi）炬管。

本（běn）文采用（yòng）酸溶法溶解多晶矽樣品，探究一個適用於國內市場上（shàng）所（suǒ）售多晶矽樣品有效的消解體係和消解手（shǒu）段。研究了消（xiāo）解（jiě）中水、氫（qīng）氟酸和硝酸的用量，比較了超聲助消解、水浴加熱助消解和（hé）微波助消解（jiě）對消解效果的影響。

實驗部分

實（shí）驗儀器

電子分析天平
智能石墨消解儀（格丹納公司，D4）
超聲波清洗器（qì）
水浴鍋（guō）（格丹納公司（sī））
微波消解儀（格丹納公司，A8）
電熱鼓風幹燥箱
超純水機

實驗試劑與樣品

矽粉(粒徑約70~420 μm ，99.99% )
硝酸( 70%)、氫氟酸（suān）( 49% )
甘露醇(優級純（chún）)
超純（chún）水( 電阻率18 MΩ)
去（qù）離子水（自（zì）製）

實驗過程

超純水的體積

稱（chēng）量5份0.2500g矽粉於（yú）5個消解罐分別加入1.0、1.5.2.0.2.5及3.0mL超純水然後加入1.0mL30g/L甘露醇溶液(用於絡合易揮發的硼元素)、2.6 mL HF及0.2mL HNO₃蓋上罐蓋室溫下密閉消解20 min。

消解劑的體積

采用由 0.250 0 g矽粉、2.0 mL超純水、1.0 mL 30 g/L甘露醇組成的消解本體（tǐ）討論不同（tóng）HNO₃體積(表1中A組)、不同HF體積（jī）(B和C組)、2次硝酸的加入（rù）(D組)等條件下室溫密閉消解20 min對比消解效果選擇合適的消解劑（jì）用量。

消（xiāo）解條件

采用由0.2500 g矽粉、2.0 mL超純水、1.0 mL 30 g/L甘露醇、2.8 mL HF、0.2 mL HNO₃，組成（chéng）的消解體係（xì），室溫密閉消解20 min然後（hòu）加入0.8 mL HNO₃在如表（biǎo）2所示的消解條件下進一步消解並比較消解效果。

結（jié）果與討（tǎo）論

消（xiāo）解體係

酸溶法（fǎ）是采用適當的（de）酸或（huò）混酸分解樣（yàng）品，使被測元素形成可溶性鹽。每一種酸對樣品中的某一或某些組分的溶解能力，取決於酸與（yǔ）樣品基體及被測組分相互作用的性質.氫氟酸是唯一能溶解矽的無機酸，氫氟酸消解多（duō）晶矽的機理。

氫氟酸和矽粉作用會形成一層（céng）銀色薄膜並浮於夜麵上導致矽（guī）樣無法完全溶解。主要原因是:氫氟酸（suān）腐蝕（shí）溶解矽原子需要有空穴參（cān）與如（rú）果空穴耗盡，溶解就會停止.由於量子限製效應的存在矽在隻有氫氟酸存在（zài）條件下無法完全消解矽在含氧酸中會被（bèi）鈍化所以在氧化劑如KMnO ₄、HNO₃、H₂O₂、CrO₃，等存（cún）在的條件（jiàn）下，可以與氫（qīng）氟酸（suān）共同作用使矽樣完全溶解（jiě）.根據文獻[15]選用硝酸為氧化劑。由於矽粉和氫氟酸中加入（rù）硝酸會發生劇烈反應因此需要加入一定量的超純水在加入硝酸前潤濕矽粉，以減慢反應速度同時需要調整優化氫氟酸和（hé）硝酸（suān）的加入（rù）體積來控製反應的速度。如果酸過多，反應時間縮短但會產（chǎn）生矽粉飛（fēi）濺到消解罐的罐壁（bì）甚至（zhì）罐蓋的現象造（zào）成樣品的損失酸用（yòng）量過多會對後續（xù）的儀器分析測定有一（yī）定影響（xiǎng）。但酸過少，矽粉（fěn）則消解不完全。所以實驗過程中需要通過探討優（yōu）化超純水用量和氫氟酸與硝（xiāo）酸的比例，以達到樣品消解完全且不會飛濺損失（shī）的目的。

超純水體積的優化

如圖所示，在消解（jiě）體係中加入超純水體積V( H₂0)= 2.0 mL時（shí），樣（yàng）品沒有明顯的飛濺現象，V( H₂0)=1.5和2.5 mL 有輕微飛濺現象，V(H₂O)=1.0和3.0mL時樣品.明顯飛濺（jiàn）.水量過少反應（yīng）劇烈會（huì）造成樣品飛濺.水（shuǐ）量（liàng）過多使（shǐ）得樣品會有少量漂浮（fú）到液麵上在下一步加酸時容易造成（chéng）樣品飛濺。所以超純水加入量有一個最優值（zhí）加入過多或過少均會使樣品發生:飛濺。根據（jù）實驗結果在（zài）樣品中（zhōng）加入2. 0 mL超純水效果（guǒ）較（jiào）好（hǎo）。

氫氟酸與硝酸用量優化

氫氟酸和硝（xiāo）酸是消解矽樣的最優用酸但兩者用量（liàng）需要按一定（dìng）比（bǐ）例配合才能達到最優消解效果。針（zhēn）對0.2500g矽（guī）粉樣品探（tàn）討了氫氟酸和硝酸的最優（yōu）消（xiāo）解體積及配比。

考查V( HNO₃)的消解過程中，在V( HNO₃)≥0.4 mL時反應劇烈會產生飛濺現象 ，因此，在加入V( HF )= 2. 0 mL的情況下，V( HNO ₃)不能超過0.3 mL.但（dàn）是在V( HF)= 2.0 mL的條件下，0.3mL HNO₃無法使樣品消解完全所以（yǐ）需提高V( HF )以保證消解完全。

分別采用0.3、0.2mL HNO₃時（shí）考查（chá）V(HF)的消（xiāo）解效果.圖4表明在（zài）V( HNO₃)=0.2 mL條件下，即V(HF)達到3.0mL也（yě）不會出（chū）現明（míng）顯飛濺現象，但（dàn）無法完全（quán）消解矽樣。這（zhè）說明，0. 2mL HNO₃無法配合HF完成（chéng）消解，但（dàn）一次性加入0.3 mL的HNO₃會造成樣品飛濺，因此在V( HNO₃)= 0.2 mL基（jī）礎上擬增加（jiā）V( HNO₃)但分2次加入，以期（qī）完（wán）全消解矽粉減緩反應防止樣（yàng）品飛濺。

HF和HNO ₃在不同體積下的消解效果如圖所示，隨著V( HF)和HNO₃體積的增加樣品消解（jiě）效果逐漸增（zēng）強其中HNO3對消解效果的（de）影響更大.當V(HF)≥2.4 mL且（qiě）HNO₃加入總體積≥0.8 mL(第2次V(HNO₃)≥0.6 mL)時（shí）樣品（pǐn）消解基本趨於完全。當（dāng）V( HF)2. 8 mL，HNO₃加入總體積（jī）為1.0mL時樣品（pǐn）消解效（xiào）果較好。所以最終確定加（jiā）入2.8 mL HF分2次共加入1.0mL HNO₃，(第1次加入0.2mL第2次加入0. 8 mL)來保證樣品消解完全。

消解條件優（yōu）化

上述實驗僅在室溫密（mì）閉消解的條件下進行而一般消解樣品還可以借助（zhù）超聲波輔助消解、水浴加熱輔助消解和微波消解來加（jiā）快消解速度和改善消解效果.為了進一步優化矽樣消解條件，本文探討多晶矽樣品在此3種條件（jiàn）下的（de）消解情況。

超聲消解

在無超聲情況下密閉消解40min後消解完全且（qiě）矽粉不飛濺（jiàn）。在超聲消解情況下隨著超聲功率的增加功率越高消解越快但矽粉飛濺量增（zēng）加(對於比較細的矽粉樣品尤其不宜采用此法對於矽塊樣品消解則問題不大) 。小功率超聲下消解則與不超聲下消解情況相近。總體比較，大功（gōng）率下超聲消解有助於縮短消解時（shí）間但效果並不明顯。對（duì）於矽粉（fěn）樣品超聲消解則會導致（zhì）樣品的濺射損失，所以總體來看在消（xiāo）解過程中不建議采用超聲（shēng）消解（jiě）。

水浴加（jiā）熱消解

室溫（wēn）下密閉消解40 min，矽粉消解完全在水浴加熱消解情況下，50℃下加熱30 min時矽粉消解完全，水浴溫度升高消解速度稍快但由於加熱會有水蒸氣凝結成水滴附著在消解罐的罐蓋上（shàng）在開罐蓋時容易造成損失影響測定（dìng）準確（què）度.所以綜合來看水浴加熱消（xiāo）解也（yě）沒有明顯優（yōu）勢。

微波消解

樣（yàng）品在文（wén）獻所述的微波消解條件下，與室溫下（xià）密閉消解40 min的消解效果差（chà）異性不大，另外（wài）密閉消（xiāo）解後，消解罐的蓋（gài）子也會附（fù）著液滴，在開罐蓋時容易造成溶液損失（shī）影響測定準確度。微波消解也沒有明顯優勢。

以上結果表明，矽粉樣（yàng）品最（zuì）佳消解條件為:0.2500 g矽粉在2.0 mL超純水.2.8 mL HF、1.0mL HNO₃(第1次加（jiā）入0.2 mL ，室溫下密（mì）閉消解20min，第2次加入0.8mL，在室溫下密閉消解40min)的體係中可很（hěn）好地消解。室溫下密（mì）閉消解1 h為簡便且有效的消解方式。在3種（zhǒng）輔助消解模式下，水浴加熱消解幫助大（dà），但水浴加熱輔（fǔ）助（zhù）消解會導致（zhì）水滴粘附消解罐的蓋（gài）子，隨著水浴溫度的（de）升高，粘附現象越明（míng）顯，造成樣品的損失。

結論

通過酸溶法溶解多晶矽樣品（pǐn）建立了適（shì）用於多晶矽樣品的消解體係.探討了超聲輔助消解下不同超聲功率對消解效（xiào）果的影（yǐng）響、水浴加熱輔助消（xiāo）解下不同溫度對消解效（xiào）果的影響和微波助消解對消解效果（guǒ）的（de）影響最終確定了針對多晶粉末樣品的簡單、有效的消解方式。實驗表明針對多晶矽粉末品，V(H₂O): V( HF) :V( HNO₃)約（yuē）為2.0:2.8:1.0 ，HNO₃分2次加入條件下室溫密閉消解1 h即可（kě）實現完全消解而無需其他輔助手段。