臭氧与不同气氛（N₂，O₂）的混合兼容性分析

臭氧与不同气氛（N₂，O₂）的混合兼容性分析

一、介绍

臭氧（O₃）因其极强的氧化能力，被广泛应用于 ALD、氧化处理、表面清洗及半导体制造工艺中。在实际应用中，臭氧几乎不可能以“纯气体”形式单独存在，而必须与载气或工艺气氛共同使用。因此，臭氧与不同气体的混合兼容性，不仅决定了反应效率和薄膜质量，也直接关系到系统稳定性与工艺安全。

本文从化学反应机理、工艺表现和安全边界三个层面，系统分析臭氧与 N₂、O₂常见气氛的混合兼容性。

二、臭氧与氮气（N₂）：理想、常用的组合

1. 化学兼容性

氮气在常规工艺条件下化学惰性极高，不与臭氧发生反应，也不会催化其分解。因此，N₂ 是臭氧理想的载气和稀释气。

2. 工艺表现

臭氧浓度可精确控制

活性氧通量稳定

不引入额外氧源，反应窗口清晰

在 ALD、管式炉氧化和表面处理工艺中，O₃/N₂ 是主流、可控的配置。

3. 安全性

N₂ 不可燃、不助燃，与臭氧混合不存在额外爆炸或剧烈放热风险，安全边界清晰。

结论：N₂ 是臭氧的“黄金搭档”。

三、臭氧与氧气（O₂）：可用，但需理解其“双重角色”

1. 化学关系

臭氧本身就是氧气的同素异形体，在 O₂ 氛围中，臭氧会发生可逆分解与再平衡反应：

2O3⇌3O2

高 O₂ 分压会降低臭氧的相对稳定性，使其更易分解。

2. 工艺影响

总氧分压升高

活性氧比例下降

表面反应趋向“氧气主导”

在某些高温氧化或等离子体工艺中，O₃/O₂ 混合是可接受的，但在 ALD 等强调“反应可控性”的工艺中，高比例 O₂ 会削弱臭氧的优势。

3. 安全性

虽然 O₂ 不可燃，但其强助燃特性会显著提高系统材料、密封件和污染物的燃烧风险。

结论：O₂ 可与臭氧共存，但不适合追求极致控制的工艺。