多晶矽材料消解方法太難？你們想要的方法都在這

多晶矽是生（shēng）產單晶矽的直接原料，是當代（dài）人工智能、自動控製、信息處理（lǐ）、光電轉換等半導體（tǐ）器件的電子信息基（jī）礎材料。被稱為“微電（diàn）子大廈的基石（shí）”。

多晶（jīng）矽（guī），灰（huī）色（sè）金屬光澤。密度2.32~2.34。熔點1410℃。沸點2355℃。溶於氫氟酸和硝酸的混酸中（zhōng），不溶於水、硝酸（suān）和鹽酸。常溫下不活潑，高溫下與氧、氮、硫等反應。高溫熔融狀態下，具（jù）有較大的（de）化學活（huó）潑性，能與幾（jǐ）乎任何材料作用。具有（yǒu）半導體性質，是極為重要的優良半導體材料，但微量的雜質即可大大影響其導電性。目前，對矽材（cái）料中各（gè）種雜質進行檢（jiǎn）測前通常采用酸溶法或堿熔法消解處理後才能進行雜（zá）質（zhì）含量分析。在選用（yòng）溶劑時一般要考慮被測元素能否迅速、完全溶解。試（shì）樣處理過程中要考慮被測元（yuán）素的揮發（fā）損失；被測元素是否（fǒu）會與其他（tā）被測（cè）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)；是否損傷容器。堿熔法基本使（shǐ）用氫氧化鈉溶解（jiě）樣品，產物矽酸鈉易水解形成矽酸難以消除基體矽對測（cè）定的影響，而且在（zài）光譜、質（zhì）譜分析過程中容易堵塞炬管。

本文采用酸（suān）溶法溶解多（duō）晶矽樣品，探究一個適用於（yú）國內市場上所售多晶（jīng）矽樣品有效的消解體（tǐ）係和消解（jiě）手段。研究了消解中水、氫氟（fú）酸和硝酸的用量，比（bǐ）較了（le）超聲助消解、水浴加熱助消解和微波助消解對（duì）消解效果的影響。

實驗部（bù）分

實驗（yàn）儀器

電（diàn）子分析天平
智能（néng）石（shí）墨消（xiāo）解儀（格丹納公（gōng）司，D4）
超聲波清洗器
水浴鍋（格丹納公司）
微波消解儀（格丹納公司，A8）
電（diàn）熱鼓風幹燥箱
超（chāo）純水機

實驗試劑與樣品

矽（guī）粉(粒徑約70~420 μm ，99.99% )
硝酸( 70%)、氫氟酸（suān）( 49% )
甘露醇(優級純)
超（chāo）純水( 電阻率18 MΩ)
去（qù）離子（zǐ）水（自製）

實驗過程

超（chāo）純水的（de）體積

稱量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（chún）水然後加入1.0mL30g/L甘露醇溶液(用於絡合易揮發的硼元素（sù）)、2.6 mL HF及0.2mL HNO₃蓋上罐蓋室溫下密閉消解20 min。

消（xiāo）解劑（jì）的體（tǐ）積

采用由 0.250 0 g矽粉、2.0 mL超（chāo）純（chún）水（shuǐ）、1.0 mL 30 g/L甘露醇組（zǔ）成的消解本體討論不同HNO₃體積（jī）(表1中A組)、不同HF體積(B和C組)、2次硝酸的（de）加入(D組)等條（tiáo）件下室溫密閉（bì）消解20 min對比消解效果選擇合適的消解劑用量。

消解條件

采用由0.2500 g矽粉、2.0 mL超純（chún）水、1.0 mL 30 g/L甘露醇（chún）、2.8 mL HF、0.2 mL HNO₃，組（zǔ）成的消解體係，室（shì）溫（wēn）密閉消解20 min然後加入0.8 mL HNO₃在如表2所示的消解條件下進一步消解並比較（jiào）消解效果。

結果與討論

消解（jiě）體係

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

氫氟酸和（hé）矽（guī）粉作用會形成一層銀色薄膜並浮於夜麵上導（dǎo）致矽樣無法（fǎ）完全溶解。主要原因是:氫氟酸腐（fǔ）蝕溶解矽原子需要有空穴參與如果空穴耗盡，溶解就會停止.由（yóu）於量子限製效（xiào）應（yīng）的存在矽在（zài）隻有氫氟酸存在（zài）條件（jiàn）下無法完（wán）全消（xiāo）解矽（guī）在含氧酸中會被鈍化所以在氧化劑如KMnO ₄、HNO₃、H₂O₂、CrO₃，等存在的（de）條件下，可以與氫（qīng）氟酸共同作（zuò）用（yòng）使矽樣完全溶解.根據文獻[15]選用（yòng）硝酸為氧化劑。由於（yú）矽粉和氫氟酸中加入硝酸會發生劇烈反應因此需要加（jiā）入一定（dìng）量的超純水在加入硝酸前潤濕矽粉，以減慢（màn）反應速度同時需要調整優化氫氟酸和硝（xiāo）酸的（de）加入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）生矽粉飛濺到消解罐的罐壁甚至罐蓋的現象造（zào）成（chéng）樣品的損（sǔn）失酸用量（liàng）過多會對後續的儀（yí）器分析測定有一定影響。但酸過少，矽粉則消解不完全。所以實驗過程中需（xū）要（yào）通過（guò）探討優化超純水用量和氫氟酸與硝酸的比例，以達到樣品消解完全（quán）且不會飛濺損失的目的。

超純（chún）水體積的優化

如圖所示，在消解體係中加入超純水體積V( H₂0)= 2.0 mL時，樣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（míng）顯飛濺.水量過少反應劇烈會造成樣品飛濺（jiàn）.水量過多使得樣品會有少量漂浮到液麵上在（zài）下一步加酸時容易造成樣品飛濺。所（suǒ）以超純水加入量（liàng）有一個最優值加入過多或過少均會（huì）使樣品發（fā）生:飛濺。根據實驗結果在樣品中加入2. 0 mL超純水效果較好。

氫氟（fú）酸與硝酸用量優化

氫氟酸和硝酸是消解矽樣的最優用酸（suān）但兩者用（yòng）量需要按一定比例（lì）配合才能達到最優消（xiāo）解（jiě）效果。針對0.2500g矽粉樣品探討了氫氟（fú）酸和（hé）硝酸的最優消解體積及配比。

考查（chá）V( HNO₃)的（de）消解過程中，在V( HNO₃)≥0.4 mL時反應劇烈會（huì）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.但是在V( HF)= 2.0 mL的條（tiáo）件下，0.3mL HNO₃無法使樣品（pǐn）消解完全所以需提高V( HF )以保證消解完全。

分別采用0.3、0.2mL HNO₃時考查V(HF)的消（xiāo）解效果.圖4表明在V( HNO₃)=0.2 mL條件下（xià），即V(HF)達到3.0mL也（yě）不會（huì）出現明顯飛濺現象，但無法完全消解矽樣。這（zhè）說明，0. 2mL HNO₃無法配合（hé）HF完成消解，但一次（cì）性加入0.3 mL的HNO₃會造成樣（yàng）品（pǐn）飛濺，因此在V( HNO₃)= 0.2 mL基礎上擬增加V( HNO₃)但分2次加入，以期（qī）完全消解矽粉減（jiǎn）緩反（fǎn）應防止樣品（pǐn）飛濺。

HF和HNO ₃在不同體積（jī）下的消（xiāo）解效果如圖所示（shì），隨（suí）著V( HF)和HNO₃體積的增加樣品消解效果逐漸增強其中HNO3對消解效果的影響更大.當V(HF)≥2.4 mL且HNO₃加（jiā）入總體積≥0.8 mL(第2次V(HNO₃)≥0.6 mL)時樣品消解基本（běn）趨於完全。當V( HF)2. 8 mL，HNO₃加入總（zǒng）體積為1.0mL時樣品（pǐn）消解效果較（jiào）好。所以（yǐ）最終確（què）定加入2.8 mL HF分2次共加（jiā）入1.0mL HNO₃，(第1次加入（rù）0.2mL第2次加入0. 8 mL)來保證樣品（pǐn）消解完（wán）全。

消（xiāo）解條件優化

上述實（shí）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（jiè）助超聲波輔助消（xiāo）解、水浴加熱輔助消解和微波（bō）消（xiāo）解來加快消解速度和改善消解效果（guǒ）.為（wéi）了進一步優化矽樣消解條件，本文探討多晶矽樣品在此3種條件下的消解情況。

超聲消解

在無超（chāo）聲（shēng）情況下密閉消解40min後消解完全且矽粉不飛濺。在超聲消解情（qíng）況（kuàng）下（xià）隨（suí）著超聲功率的增加功率越高消解越（yuè）快但矽粉飛濺量增加(對（duì）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（chāo）聲下消解情況相近。總體比較，大功率下超聲（shēng）消解有助於縮短消解時間但效果並（bìng）不明顯。對於矽（guī）粉樣品（pǐn）超聲消（xiāo）解則會導（dǎo）致（zhì）樣品的濺射損失，所以總體來看在消解過程中不建議（yì）采用超聲消解。

水浴加（jiā）熱消解

室溫下密閉消解40 min，矽粉消解完（wán）全在水浴加熱消解情況下，50℃下加熱30 min時矽（guī）粉消（xiāo）解完全，水浴溫度升高消解速度（dù）稍快（kuài）但由於加熱會有水蒸氣凝結成水滴附著（zhe）在消（xiāo）解罐的（de）罐蓋上在開罐蓋時容易造成損失影響測定準確度.所以綜合來看水浴加熱消解也沒（méi）有明顯（xiǎn）優勢。

微波消解

樣品在文獻所述的微（wēi）波消解條件下，與室溫（wēn）下密閉消解40 min的消解效果差異性不大，另外密閉消解後，消解罐的蓋子也會附著液滴，在開罐蓋（gài）時容易造成溶液損失影響（xiǎng）測定準確度。微波消解也沒有明顯優勢。

以上結果表明，矽（guī）粉樣品最佳消（xiāo）解條（tiáo）件為:0.2500 g矽粉在2.0 mL超純水.2.8 mL HF、1.0mL HNO₃(第1次加入0.2 mL ，室溫下密閉消解20min，第2次加入0.8mL，在室（shì）溫下密閉消解40min)的體係中可很好地（dì）消解（jiě）。室溫（wēn）下密閉消解1 h為簡便且有效的消解方式。在3種輔（fǔ）助消解模式下，水浴加熱消解幫助大，但水（shuǐ）浴加熱輔助消解（jiě）會導致水滴粘附消解罐的蓋子，隨（suí）著水浴溫度的升高，粘（zhān）附（fù）現象越（yuè）明顯，造成樣品的損失。

結論

通過酸溶（róng）法溶解（jiě）多晶矽樣品建立了適用於多晶矽樣品的消解體係.探（tàn）討了（le）超聲輔助消解下不同超聲功率對消解效果（guǒ）的影響、水（shuǐ）浴加（jiā）熱輔助消（xiāo）解下不同溫度對消解效果的影（yǐng）響和微（wēi）波助消解對消解（jiě）效果的影響最（zuì）終確定了針對多晶（jīng）粉末樣品的簡單、有效的消解（jiě）方式。實驗表明針對多晶矽粉末品，V(H₂O): V( HF) :V( HNO₃)約為2.0:2.8:1.0 ，HNO₃分（fèn）2次（cì）加入條件下室溫密閉消解1 h即（jí）可實現完全（quán）消解而無需其他輔助手段。