多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當(dāng)代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料。被稱為“微電子大廈的基石”。
多晶硅，灰色金屬光澤。密度2.32~2.34。熔點1410℃。沸點2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和鹽酸。常溫下不活潑，高溫下與氧、氮、硫等反應(yīng)。高溫熔融狀態(tài)下，具有較大的化學(xué)活潑性，能與幾乎任何材料作用。具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大影響其導(dǎo)電性。目前，對硅材料中各種雜質(zhì)進(jìn)行檢測前通常采用酸溶法或堿熔法消解處理后才能進(jìn)行雜質(zhì)含量分析。在選用溶劑時一般要考慮被測元素能否迅速、完全溶解。試樣處理過程中要考慮被測元素的揮發(fā)損失；被測元素是否會與其他被測組分生成不溶性物質(zhì)；過量溶劑可能對分析結(jié)果產(chǎn)生的干擾(如污染和干擾效應(yīng)等)；是否損傷容器。堿熔法基本使用氫氧化鈉溶解樣品，產(chǎn)物硅酸鈉易水解形成硅酸難以消除基體硅對測定的影響，而且在光譜、質(zhì)譜分析過程中容易堵塞炬管。
本文采用酸溶法溶解多晶硅樣品，探究一個適用于國內(nèi)市場上所售多晶硅樣品有效的消解體系和消解手段。研究了消解中水、氫氟酸和硝酸的用量，比較了超聲助消解、水浴加熱助消解和微波助消解對消解效果的影響。
實驗部分
實驗儀器
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
水浴鍋（格丹納公司）
微波消解儀（格丹納公司，A8）
電熱鼓風(fēng)干燥箱
超純水機
實驗試劑與樣品
硅粉(粒徑約70~420 μm ，99.99% )
硝酸( 70%)、氫氟酸( 49% )
甘露醇(優(yōu)級純)
超純水( 電阻率18 MΩ)
去離子水（自制）
實驗過程
超純水的體積
稱量5份0.2500g硅粉于5個消解罐分別加入1.0、1.5.2.0.2.5及3.0mL超純水然后加入1.0mL30g/L甘露醇溶液(用于絡(luò)合易揮發(fā)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硅粉、2.0 mL超純水、1.0 mL 30 g/L甘露醇組成的消解本體討論不同HNO3體積(表1中A組)、不同HF體積(B和C組)、2次硝酸的加入(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用量。
消解條件
采用由0.2500 g硅粉、2.0 mL超純水、1.0 mL 30 g/L甘露醇、2.8 mL HF、0.2 mL HNO3，組成的消解體系，室溫密閉消解20 min然后加入0.8 mL HNO3在如表所示的消解條件下進(jìn)一步消解并比較消解效果。
結(jié)果與討論
消解體系
酸溶法是采用適當(dāng)?shù)乃峄蚧焖岱纸鈽悠?，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，取決于酸與樣品基體及被測組分相互作用的性質(zhì).氫氟酸是唯一能溶解硅的無機酸，氫氟酸消解多晶硅的機理。
氫氟酸和硅粉作用會形成一層銀色薄膜并浮于夜面上導(dǎo)致硅樣無法完全溶解。主要原因是:氫氟酸腐蝕溶解硅原子需要有空穴參與如果空穴耗盡，溶解就會停止.由于量子限制效應(yīng)的存在硅在只有氫氟酸存在條件下無法完全消解硅在含氧酸中會被鈍化所以在氧化劑如KMnO4、HNO3、H2O2、CrO3，等存在的條件下，可以與氫氟酸共同作用使硅樣完全溶解.根據(jù)文獻(xiàn)[15]選用硝酸為氧化劑。由于硅粉和氫氟酸中加入硝酸會發(fā)生劇烈反應(yīng)因此需要加入一定量的超純水在加入硝酸前潤濕硅粉，以減慢反應(yīng)速度同時需要調(diào)整優(yōu)化氫氟酸和硝酸的加入體積來控制反應(yīng)的速度。如果酸過多，反應(yīng)時間縮短但會產(chǎn)生硅粉飛濺到消解罐的罐壁甚至罐蓋的現(xiàn)象造成樣品的損失酸用量過多會對后續(xù)的儀器分析測定有一定影響。但酸過少，硅粉則消解不完全。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酸的比例，以達(dá)到樣品消解完全且不會飛濺損失的目的。
超純水體積的優(yōu)化
如圖所示，在消解體系中加入超純水體積V( H20)= 2.0 mL時，樣品沒有明顯的飛濺現(xiàn)象，V( H20)=1.5和2.5 mL 有輕微飛濺現(xiàn)象，V(H20)=1.0和3.0mL時樣品.明顯飛濺.水量過少反應(yīng)劇烈會造成樣品飛濺.水量過多使得樣品會有少量漂浮到液面上在下一步加酸時容易造成樣品飛濺。所以超純水加入量有一個優(yōu)值加入過多或過少均會使樣品發(fā)生:飛濺。根據(jù)實驗結(jié)果在樣品中加入2. 0 mL超純水效果好。
氫氟酸與硝酸用量優(yōu)化
氫氟酸和硝酸是消解硅樣的優(yōu)用酸但兩者用量需要按一定比例配合才能達(dá)到消解效果。針對0.2500g硅粉樣品探討了氫氟酸和硝酸的消解體積及配比。
考查V( HNO3)的消解過程中，在V( HNO3)≥0.4 mL時反應(yīng)劇烈會產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象 ，因此，在加入V( HF )= 2. 0 mL的情況下，V( HNO3)不能超過0.3 mL.但是在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)的消解效果.圖4表明在V( HNO3)=0.2 mL條件下，即V(HF)達(dá)到3.0mL也不會出現(xiàn)明顯飛濺現(xiàn)象，但無法完全消解硅樣.這說明，0. 2mL HNO3無法配合HF完成消解，但一次性加入0.3 mL的HNO3會造成樣品飛濺，因此在V( HNO3)= 0.2 mL基礎(chǔ)上擬增加V( HNO3)但分2次加入，以期完全消解硅粉減緩反應(yīng)防止樣品飛濺。
HF和HNO3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效果逐漸增強其中HNO3對消解效果的影響更大.當(dāng)V(HF)≥2.4 mL且HNO3加入總體積≥0.8 mL(第2次V(HNO3)≥0.6 mL)時樣品消解基本趨于完全。當(dāng)V( HF)2. 8 mL，HNO3加入總體積為1.0mL時樣品消解效果好。所以確定加入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閉消解的條件下進(jìn)行而一般消解樣品還可以借助超聲波輔助消解、水浴加熱輔助消解和微波消解來加快消解速度和改善消解效果.為了進(jìn)一步優(yōu)化硅樣消解條件，本文探討多晶硅樣品在此3種條件下的消解情況。
超聲消解
在無超聲情況下密閉消解40min后消解完全且硅粉不飛濺。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硅粉飛濺量增加(對于比較細(xì)的硅粉樣品尤其不宜采用此法對于硅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?？傮w比較，大功率下超聲消解有助于縮短消解時間但效果并不明顯。對于硅粉樣品超聲消解則會導(dǎo)致樣品的濺射損失，所以總體來看在消解過程中不建議采用超聲消解。
水浴加熱消解
室溫下密閉消解40 min，硅粉消解完全在水浴加熱消解情況下，50℃下加熱30 min時硅粉消解完全，水浴溫度升高消解速度稍快但由于加熱會有水蒸氣凝結(jié)成水滴附著在消解罐的罐蓋上在開罐蓋時容易造成損失影響測定準(zhǔn)確度.所以綜合來看水浴加熱消解也沒有明顯優(yōu)勢。
微波消解
樣品在文獻(xiàn)所述的微波消解條件下，與室溫下密閉消解40 min的消解效果差異性不大，另外密閉消解后，消解罐的蓋子也會附著液滴，在開罐蓋時容易造成溶液損失影響測定準(zhǔn)確度。微波消解也沒有明顯優(yōu)勢。
以上結(jié)果表明，硅粉樣品消解條件為:0.2500 g硅粉在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，在室溫下密閉消解40min)的體系中可很好地消解。室溫下密閉消解1 h為簡便且有效的消解方式。在3種輔助消解模式下，水浴加熱消解幫助大，但水浴加熱輔助消解會導(dǎo)致水滴粘附消解罐的蓋子，隨著水浴溫度的升高，粘附現(xiàn)象越明顯，造成樣品的損失。
結(jié)論
通過酸溶法溶解多晶硅樣品建立了適用于多晶硅樣品的消解體系.探討了超聲輔助消解下不同超聲功率對消解效果的影響、水浴加熱輔助消解下不同溫度對消解效果的影響和微波助消解對消解效果的影響確定了針對多晶粉末樣品的簡單、有效的消解方式。實驗表明針對多晶硅粉末品，V(H20): V( HF) :V( HNO3)約為2.0:2.8:1.0 ，HNO3分2次加入條件下室溫密閉消解1 h即可實現(xiàn)完全消解而無需其他輔助手段。
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