扩散法

定义

扩散法以物质由高浓度区向低浓度区净迁移这一自发过程为基础：在无外力搅拌的条件下，粒子沿浓度减小的方向输运，直至体系趋于均匀^[2]。作为一类操作技术的统称，它本身没有单一的形式，而是按应用领域分化为若干具体做法，各自的装置、介质与目的并不相同^[3]。

在半导体工艺语境下，扩散法可表述为把掺杂物在高温下引入衬底表层、使其原子靠扩散进入晶格并形成具有目标导电类型区域的工序；掺杂元素的选择取决于所需导电类型，n 型常用磷、砷、锑，p 型常用硼^[1]。在分析化学语境下，扩散法则指让待测组分以气体形式逸出并被内室吸收液捕集，再以滴定等方式定量的方法^[3]。

背景

在半导体器件制造中，形成高浓度杂质区有离子注入、外延生长等途径，但这些技术通常只能对衬底两个相对表面中的一个表面起作用，难以在背面同时形成所需的 p 型高浓度层，而且设备与工艺成本较高^[1]。扩散法由于可在炉内一次处理衬底双面，且制造成本较低，被用于解决这类双面掺杂需求^[1]。

在氮素测定方面，传统做法是加碱后加热蒸馏，但蒸馏过程中的高温与强碱条件可能使部分有机氮分解，导致结果偏高^[4]。微量扩散法在室温与弱碱（氧化镁）条件下进行，能够避开有机氮分解的干扰，同时所需设备简单、试剂用量少^[4]。此外，用扩散皿测定时还存在密封不良、胶水污染、滴定不便和扩散耗时较长等问题，需要靠改进装置来克服^[5]。

内容

半导体掺杂中的扩散法按扩散源与装置分为若干类型：开管法以三氯氧磷、氮化硼、磷烷等为源，配合扩散炉使用；施加法把含元素的玻璃片置于衬底旁；掺杂膜法则采用化学气相沉积的掺杂氧化物或掺杂多晶硅；闭管法则在封闭容器中用固体砷、三氯化硼或磷烷作源^[1]。以硼扩散为例，源可以是气态的乙硼烷、液态的三溴化硼或固态的三氧化二硼，也可以采用固相—固相扩散，即用化学气相沉积膜、硼硅玻璃或旋涂膜供源^[1]。

旋涂膜扩散法的操作较为典型：先将三氧化二硼、有机粘结剂和溶剂的混合物以旋涂方式均匀铺在硅片上，干燥焙烧成膜，再送入扩散炉加热到 900 ℃ 至 1300 ℃，使硼原子进入硅衬底^[1]。同类的空位扩散法则不引入杂质，而是利用高温下镓空位的迁移实现端面窗结构的形成，避免杂质带来的光吸收损耗^[6]。

分析化学中的扩散法以扩散皿为核心器具。测定烟叶全氮时，吸取定量消化液于扩散皿外室，加入氢氧化钠使氨逸出，内室的硼酸溶液将其吸收，随后用标准盐酸滴定，由蓝色转为微红色即为终点，再据盐酸用量计算含氮量^[3]。该流程在约 40 ℃ 下扩散 24 h 可完成吸收，步骤简单、设备要求低，适合批量测定^[3]。

测定土壤氮的同类方法也在装置上不断改进：玻璃扩散瓶密封牢固、滴定方便，且挥发扩散氮时温度可提高到 70 ℃，配合适当增加硼酸吸收液，扩散时间由 24 h 缩短至 3 至 4 h，测定含氮范围为 50 至 400 微克^[5]。在 15N 同位素分析中，悬挂法与扩散包法是两种常见的酸阱形式；扩散包密封性好，可减少其他吸收源对氨的竞争以及滤纸回滴造成的氮损失，对低氮样品的回收率明显优于悬挂法^[7]。

在标准气体配制领域，扩散法通过选择合适的扩散池组合、流速与温度，使扩散池内液态组分的蒸气沿均匀试管扩散，与已知流速的稀释气混合，从而得到含量可在 10-9 至 10-6 量级调节的标准混合气^[2]。扩散池需用恒温槽将温度波动控制在 ±0.1 ℃ 以内，释放速率可通过周期称重确定，即用两次称量的质量差除以时间间隔^[2]。该法适用于常温下为液体的有机标准气体，如苯、甲苯、甲醛和乙醇，其长处在于连续流动的混合气可吹洗管路与仪器，并降低组分在器壁上的吸附^[2]。

在晶体生长研究中，扩散法指让两种溶质在纯溶剂中相向扩散、借二者反应析出结晶物质的做法；通过简化数学模型，可以在给定一种试剂初始浓度与扩散路径长度的条件下确定另一种试剂的浓度，使结晶在整个实验期间发生于有限而稳定的空间内，从而在常温纯水中以简易手段长出难溶物质的较大晶体^[8]。

影响与争议

扩散法在氮素分析中的地位来自其可操作性：设备简单、试剂常见且用量少，室温弱碱条件下可避免有机氮分解造成的正偏差，氨态氮与硝态氮的平均回收率分别可达 99.2% 与 99.9%^[4]。用于有机肥料等基质复杂的样品时，需通过提高样品与提取液比例、稀释滤液把每份试液中的氨态氮控制在约 100 微克，并改用盐酸—氯化钾提取液以改善过滤性能，加标回收率仍在 97% 以上^[4]。

扩散法的准确度与精密度受氮回收率制约，回收率过低会加剧同位素分馏、放大测定误差，因此改进酸阱制作、培养方式与温度成为常见手段^[9]。以纯聚四氟乙烯膜制作扩散包并用简易装置快速成型，可将回收率提高至 99.8%，成本也大幅降低；改进后的方法可测定低至 0.2 mg·L-1 的标记铵态氮丰度，对不低于 1 mg·L-1 的自然丰度样品误差不超过 0.30‰^[7]。同时，加温虽能缩短扩散时间并提高回收率，却会增大杂质氮与可溶性有机氮的干扰，实际测定中需谨慎采用^[7]。

参见

• 半导体掺杂 —— 扩散法是实现杂质掺入、形成扩散区的常用工艺途径之一。

• 离子注入 —— 与扩散法并列的另一类掺杂手段，通常只能处理衬底单面且成本较高。

• 扩散皿 —— 分析化学中实施扩散法、使氨逸出并被吸收的核心器具。

• 同位素分馏 —— 扩散过程中影响氮同位素测定准确度的因素之一。

• 标准气体 —— 扩散法用于配制微量组分含量已知的混合气体。