扩散工艺的化学原理教学文案
化学反应动力学中的扩散过程
化学反应动力学中的扩散过程随着科技的不断发展和技术的不断革新，化学反应动力学也越来越受到人们的关注。
化学反应过程是指化学物质之间发生作用并转化为新的物质的过程。
在这个过程中，扩散是非常重要的一个环节，它可以影响反应速率和反应的结果。
本文将介绍化学反应动力学中的扩散过程。
扩散的概念扩散是指物质在空间中由高浓度向低浓度移动的过程。
在一个容器中，物质的浓度不是均匀分布，高浓度的地方物质的浓度高，而低浓度的地方则物质的浓度低。
当物质在这种浓度梯度的作用下发生移动时，就产生了扩散。
扩散的机理扩散是由于浓度梯度的作用产生的，但它的机理是非常复杂的。
扩散的速率将受到几个因素的影响，包括物质的浓度梯度、物质的自由度和温度。
扩散速率与物质的浓度梯度有关，浓度梯度越大，扩散速率越大。
当浓度梯度小到一定程度时，扩散速率将变得非常缓慢。
物质的自由度也将影响扩散的速率。
自由度指的是物质分子之间的距离，通常情况下，距离越近的分子之间交换分子将越快。
温度也将影响扩散的速率。
当温度升高时，分子的热运动将变得更加剧烈，距离更远的分子之间的相互作用力将减小，分子将更容易交换位置，扩散速率也将随之增加。
扩散的应用扩散是一种非常重要的物理现象，在日常生活中得到了广泛的应用。
例如，扩散可以用于去除污染物质，例如将污染物质放置在开放的环境中，通过扩散的过程将其逐渐移除。
扩散也可以用于制备材料，例如对于一些需要精细加工的材料，通过控制扩散的速率，可以制备出高质量的材料。
在化学反应动力学中，扩散也起到了重要的作用，它可以影响反应速率和反应的结果。
例如，当两个物质进行反应时，如果它们的浓度分布不均匀，那么在扩散过程中，反应速率将受到影响。
因此，在设计化学反应器时，需要考虑扩散的影响，从而确保反应的可控性和可重复性。
总结扩散是化学反应动力学中十分重要的一个环节，它可以直接影响反应的结果和速率。
在扩散过程中，浓度梯度、自由度和温度将会影响扩散速率。
扩散工艺培训课件(74页)
§3.3 扩散杂质的分布
1.恒定表面源扩散 扩散过程中，硅片表面杂质浓度始 终不变这种类型的扩散称为恒定表面源 扩散。
其扩散后杂质浓度分布为余误差函数 分布
2. 有限表面源扩散 扩散散前在硅片表面先淀积一层 杂质，在整个过程中，这层杂质作 为扩散源，不再有新源补充，杂质 总量不再变化。这种类型的扩散称 为有限表面源扩散。 其扩散后杂质浓度分布为高斯函数 分布
氧过量 • 4PCl5 ＋ 5O2 = 2P2O5 ＋10Cl2
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影响扩散参量的因素
• 源POCl3的温度 • 扩散温度和时间 • 气体流量
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§3.7工艺控制和质量检 测
一.工艺控制 二.质量检测
一.工艺控制
• 污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子 污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具
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• 二、替位式扩散
• 1、替位杂质：占据晶格位置的外来原子。
• 2、替位式扩散：替位杂质从一个晶格位 置到另一个晶格位置上。只有当替位杂质的近
邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较容易地 运动到近邻空位上。运动如下图所示。
• 3、替位杂质运动比间隙杂质更困难，首 先要在近邻出现空位，同时还要依靠热涨落获 得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。
7
6
7
3 1
5 4
2
间隙杂质运动
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• 3、间隙杂质要从一个间隙位置运动到 相邻的间隙位置上，必须要越过一个势 垒，势垒高度Wi一般为0.6~1.2ev。
• 4、间隙杂质只能依靠热涨落才能获得 大于Wi的能量，越过势垒跳到近邻的间 隙位置上。
• •
5温、度跳升跃高率时：PPi指i=数v0e地-w增i/kT加。
扩散器的运用教案
扩散器的运用教案教案标题：扩散器的运用教案教学目标：1. 了解扩散器的定义和原理。
2. 掌握扩散器在不同领域的应用。
3. 能够设计并实施一个与扩散器相关的实验。
教学准备：1. 扩散器的示意图和实物。
2. 实验材料：扩散器、溶液、烧杯、滴管等。
3. PowerPoint演示文稿或白板。
教学过程：引入（5分钟）：1. 引发学生对扩散器的兴趣，例如通过展示一个扩散器的图片或实物。
2. 提问学生是否了解扩散器，并鼓励他们分享自己的观点和知识。
知识讲解（15分钟）：1. 通过PPT或白板，简要介绍扩散器的定义和原理。
2. 解释扩散器在不同领域的应用，如化学、生物、环境等。
3. 引导学生思考和讨论扩散器的优缺点以及它们在实际应用中的重要性。
实验演示（20分钟）：1. 展示一个与扩散器相关的实验，例如扩散速率的测量。
2. 解释实验步骤和注意事项，并回答学生的问题。
3. 鼓励学生观察实验现象并思考实验结果的原因。
小组活动（15分钟）：1. 将学生分成小组，每组分配一个特定的应用领域（如化学、生物、环境等）。
2. 要求每个小组设计一个与扩散器相关的实验，展示给其他小组。
3. 每个小组应包括实验目的、材料、步骤和预期结果。
总结（5分钟）：1. 回顾扩散器的定义、原理和应用。
2. 强调学生在小组活动中的参与和合作。
3. 鼓励学生提出问题和分享自己的思考。
拓展练习（作业）：要求学生撰写一个短文，描述扩散器的运用和重要性，并提供一个自己设计的与扩散器相关的实验。
评估：1. 观察学生在课堂讨论和实验中的参与程度。
2. 评估学生在小组活动中的设计和展示能力。
3. 评阅学生的拓展练习，对其理解和表达能力进行评估。
教学延伸：1. 鼓励学生进一步研究和探索扩散器的应用领域。
2. 组织实地考察或邀请专业人士进行讲座，加深学生对扩散器的理解。
注意事项：1. 确保实验环境安全，并提前做好实验准备工作。
2. 鼓励学生积极参与讨论和实验，激发他们的学习兴趣。
扩散工艺的化学原理
扩散工艺的化学原理扩散工艺是一种将固体材料中的原子或分子在另一固体材料中扩散的方式。
它是一种重要的材料加工技术，被广泛应用于半导体行业、材料科学、电子设备制造等领域。
1.气相扩散：气相扩散是一种将气体原子或分子从高浓度区域扩散到低浓度区域的过程。
它广泛应用于半导体制造中。
在气相扩散过程中，气体原子或分子通过与被处理材料的表面发生化学反应来扩散。
这种化学反应的速率由固体表面与气体界面之间的反应速率决定。
例如，氮化硅薄膜的制备常采用氨气(NH3)与硅表面上的硅原子发生反应，形成氮化硅层。
氨气的浓度差异使其向硅表面扩散，反应的速率主要取决于氨气与硅表面反应的速率。
2.液相扩散：液相扩散是指液体中原子或分子通过扩散来实现的过程，这种扩散通常发生在固体表面和液体之间。
液相扩散常用于金属合金的制备。
在液相扩散过程中，金属原子在固相间扩散，并在固体和液体相界面处重新结晶。
液体中的浓度差异是驱动液相扩散的主要原因。
例如，当固体镍和固体铬在液体中混合时，镍原子和铬原子会相互扩散使合金形成均匀的镍铬分布。
这种液相扩散过程中，镍原子和铬原子之间的化学反应被加速，形成新的镍铬化合物。
3.固相扩散：固相扩散是指固体材料中的原子或分子通过固体晶界、点缺陷、空位等的移动来实现的扩散过程。
固相扩散通常发生在材料的固态结构中，是一种非常缓慢的过程。
固相扩散的速率取决于晶体中原子或分子的浓度差异以及晶界和缺陷的性质。
例如，金属在高温下会发生固相扩散。
当金属中的原子在晶界或点缺陷处移动时，它们会在固态结构中扩散，从而改变金属的组织结构和性能。
这种固相扩散对于合金的制备和材料的加工具有重要意义。
总之，扩散工艺是通过利用浓度差异从而使固体材料中的原子或分子在其它材料中扩散的一种技术。
气相扩散、液相扩散和固相扩散是扩散工艺的常见形式，它们的化学原理基于热运动和化学反应，其中浓度差异是驱动扩散的主要力量。
这些扩散过程对于材料的合成、改性和加工具有重要作用，广泛应用于各个领域。
扩散工艺知识..
扩散⼯艺知识..第三章扩散⼯艺在前⾯“材料⼯艺”⼀章，我们就曾经讲过⼀种叫“三重扩散”的⼯艺，那是对衬底⽽⾔相同导电类型杂质扩散。
这样的同质⾼浓度扩散，在晶体管制造中还常⽤来作欧姆接触，如做在基极电极引出处以降低接触电阻。
除了改变杂质浓度，扩散的另⼀个也是更主要的⼀个作⽤，是在硅平⾯⼯艺中⽤来改变导电类型，制造PN 结。
第⼀节扩散原理扩散是⼀种普通的⾃然现象，有浓度梯度就有扩散。
扩散运动是微观粒⼦原⼦或分⼦热运动的统计结果。
在⼀定温度下杂质原⼦具有⼀定的能量，能够克服某种阻⼒进⼊半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。
⼀．扩散定义在⾼温条件下，利⽤物质从⾼浓度向低浓度运动的特性，将杂质原⼦以⼀定的可控性掺⼊到半导体中，改变半导体基⽚或已扩散过的区域的导电类型或表⾯杂质浓度的半导体制造技术，称为扩散⼯艺。
⼆．扩散机构杂质向半导体扩散主要以两种形式进⾏：1．替位式扩散⼀定温度下构成晶体的原⼦围绕着⾃⼰的平衡位置不停地运动。
其中总有⼀些原⼦振动得较厉害，有⾜够的能量克服周围原⼦对它的束缚，跑到其它地⽅，⽽在原处留下⼀个“空位”。
这时如有杂质原⼦进来，就会沿着这些空位进⾏扩散，这叫替位式扩散。
硼（B ）、磷（P ）、砷（As ）等属此种扩散。
2．间隙式扩散构成晶体的原⼦间往往存在着很⼤间隙，有些杂质原⼦进⼊晶体后，就从这个原⼦间隙进⼊到另⼀个原⼦间隙，逐次跳跃前进。
这种扩散称间隙式扩散。
⾦、铜、银等属此种扩散。
三．扩散⽅程扩散运动总是从浓度⾼处向浓度低处移动。
运动的快慢与温度、浓度梯度等有关。
其运动规律可⽤扩散⽅程表⽰，具体数学表达式为： N D tN 2?=?? （3-1）在⼀维情况下，即为： 22xN D t N ??=?? （3-2）式中：D 为扩散系数，是描述杂质扩散运动快慢的⼀种物理量；N 为杂质浓度；t 为扩散时间；x 为扩散到硅中的距离。
四．扩散系数杂质原⼦扩散的速度同扩散杂质的种类和扩散温度有关。
项目三任务一：扩散工艺的目的与原理
2．1. 2缓冲介质层
• 其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层 氧化层，以缓冲两者之间的应力；其二：也可作为注入缓 冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。
Si3N4 SiO2
P-Well N-Well Si(P)
2．1．3电容的介质材料
• 电容的计算公式： C=0*r*S/d 0：真空介质常数 r：相对介电常数 S：电容区面积 D：介质层厚度 二氧化硅的相对介电常数为3-4。二氧化硅的耐击穿能力强，温度系 数小，是制作电容介质的常用材料。在电容的制作过程中，电容的 面积和光刻、腐蚀有较大的关系，而厚度则由二氧化硅的厚度决定。
扩散氧化工艺原理
扩散工艺原理
扩散原理
• 扩散运动是一种微观粒子的热运动，只有存在浓度梯度时， 这种热运动才能形成。扩散运动其实是十分复杂的运动， 只有当杂质浓度和位错密度低时，扩散运动才可以用恒定 扩散率情况下的菲克扩散定律来描述为： J（x，t）=-D×dN(x,t)/dx 式中 J—单位时间内杂质原子扩散量；
SiO2
P-WLL N-WELL
S(P+)
•
1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从 而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新 阶段。同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的 掩蔽膜。作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质 在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚 度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩 蔽效果。
• 1．4 片内均匀性 保证硅片内每个芯片的重复性良好 • 1．5 片间均匀性 保证每个硅片的重复性良好 • 1．6定期清洗炉管 清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属离子的沾污同时 也能减少颗粒，保证氧化层质量。 • 1．7 定期检测系统颗粒
扩散的原理及主要应用
扩散的原理及主要应用1. 扩散原理扩散是一种物质传输的过程，其基本原理是物质由高浓度区域自发地向低浓度区域传播，直到达到平衡状态。
主要有以下几种扩散方式：•自由扩散：物质分子随机运动，通过相互碰撞传播，直到达到浓度均一的状态。
•表面扩散：物质在材料的表面上传播，通常发生在材料的晶界、孔隙或界面处。
•体扩散：物质通过固体材料内部的晶粒间传播，形成浓度梯度。
•液相扩散：物质通过液体传播，如溶质在溶液中的传播。
•气相扩散：物质通过气体传播，如气体分子在气相中的自由运动。
扩散的速率取决于浓度梯度、温度、材料性质和扩散距离等因素。
通常使用菲克定律描述扩散速率，即扩散通量和浓度梯度成正比。
2. 扩散的主要应用2.1. 材料科学领域扩散在材料科学领域有着广泛的应用，为研究材料的结构和性能提供了重要手段。
•材料合成：扩散可以用于合成新材料，如在固相反应中，原料物质通过扩散相互作用，形成新的化合物。
•相变研究：扩散在相变过程中起关键作用，如固态相变中，扩散可以影响相界面的移动和晶粒的长大。
•材料改性：通过控制扩散过程，可以改变材料的性能，如通过表面扩散在材料表面形成保护层，提高耐蚀性。
•扩散焊接：扩散焊接是一种金属焊接方法，通过金属之间的扩散作用实现接头的形成，具有高强度和高密度的特点。
2.2. 生物学领域在生物学领域，扩散在生物体内物质交换和生命过程中起着重要作用。
•细胞内扩散：细胞内许多生化反应和物质交换过程都依赖于扩散，如细胞膜上的离子和小分子物质的跨膜扩散。
•气体交换：在呼吸过程中，氧气和二氧化碳通过肺泡和血液中的扩散过程进行气体交换。
•养分吸收：在消化系统中，养分通过细胞膜上的扩散过程吸收到血液中，被输送到全身各个组织。
•药物传递：药物在体内的吸收、分布和代谢过程中往往涉及到扩散，影响药物的治疗效果和毒副作用。
2.3. 地球科学领域在地球科学研究中，扩散有助于解释地表和地下过程，并提供了理解自然界现象的基础。
扩散氧化工艺原理
扩散氧化工艺原理
这个反应过程可以分为两个阶段：一是氧气分子沉积在硅表面，形成
一层O-Si键；二是硅表面的O-Si键在氧气供应的条件下往深处扩散形成
氧化硅层。
在第一个阶段，氧气分子接触到硅表面时，会与硅表面的空位结合形
成一层O-Si键。
这个过程需要一定的能量，通常通过加热硅材料来提供。
加热后，氧气分子在硅表面活动，并与硅表面的空位结合，形成O-Si键。
这个阶段通常称为吸附阶段。
在第二个阶段，经过吸附阶段的氧气分子会进一步往深处扩散，形成
氧化硅层。
这个阶段的扩散速度取决于氧气浓度、温度和时间。
在扩散过
程中，氧气分子会与硅表面上的空位重新结合，并在硅晶体中形成氧化硅层。
扩散氧化工艺的关键因素包括温度、氧气浓度、气压和时间。
温度是
扩散反应的驱动力，提供足够的能量使氧气能够与硅表面发生反应。
氧气
浓度和气压决定了氧气供应的速度和压力，进而影响氧化层的厚度和性质。
时间则是控制反应时间长短的因素，直接影响氧化层的厚度。
然而，扩散氧化过程也存在一些问题。
首先是氧化层的非均匀性，由
于氧分子的扩散速度不同，所形成的氧化层厚度存在差异。
其次是扩散过
程中可能会引入杂质，导致氧化层质量下降。
总之，扩散氧化工艺是一种重要的化学反应方法，广泛应用于多个行业。
了解扩散氧化的原理对优化和控制工艺至关重要，有助于提高氧化层
的质量和性能。
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因三氧化二砷有剧毒，砷扩散不象磷扩散那样 广泛地用于一般器件。
1、氧化物源扩散 氧化物源扩散又称固一固扩散，基本原则是在硅片表
面先低温淀积一层掺杂的二氧化硅作为扩散源，然后在高 温下使杂质原子向硅内扩散。
间隙式杂质容易利用间隙运动在间隙中移动，这种杂质是需要避免的。 替位式杂质：扩散速率低的杂质，如砷（As)、磷（P）等。通常利用替代
运动填充晶格中的空位。
杂质原子
替位式杂质
√
间隙式杂质
×
整个扩散工艺过程 开启扩散炉 清洗硅片 预淀积 推进、激活 测试
上表中所列举的杂质源在不同程度上都有毒性。其中 以砷源和磷源毒性最大，尤其是砷和磷的气态源有剧毒又 易爆炸，在使用时应采取相应的安全措施。
§6-4 锑扩散的化学原理
为了减少集电极串联电阻，改善饱和压降，在集成电路 生产时，都在N-P-N 晶体管的集电区下面扩散一层N＋层， 通常称为隐埋层。
隐埋层通常采用锑扩散，因为锑的扩散系数较磷、硼 小，故外延生长时的自掺杂效应也就低，同时又经得起以 后工艺过程中的高温处理。 埋层锑扩散大都使用三氧化二锑（Sb2O3）为杂质源：
扩散工艺的化学原理
扩散工艺: 高温下，将杂质原子向硅、锗晶体内部扩 散。
目的：制造P-N 结，制造集成电路的扩散电阻、埋层 和隔离。
III A族元素杂质：硼 （B）
扩散到硅晶体内部
V A 族元素杂质：磷（P）、锑（Sb）
§6-1 半导体的杂质类型
半导体硅、锗等都是第 IV 族元素。 掺入第 V 族元素（如磷，五个价电子）。杂质电离
目前广泛使用：
硼扩散杂质源－－固态源氮化硼 液态源硼酸三甲酯和三溴化硼。
磷扩散杂质源－－三氯氧磷 N 型外延衬底杂质源是三氯化磷。
锑扩散杂质源－－三氧化二锑
§6-2 硼扩散的化学原理
1、固态源―氮化硼
氮化硼（BN）是一种新的固态硼源，是一种白色粉末 状的固体，熔点约在3000℃左右，微溶于水。氮化硼的 化学稳定性很高，酸、强碱以及氯等几乎不与它起作用， 但与强碱共熔时或在红热时受到水蒸气的作用会缓慢水解 而生成三氧化二硼和氨，其反应式如下：
§6-3 磷扩散的化学原理
1、液态源―三氯氧磷
三氯氧磷（POCl3）是一种无色透明的液体，具有刺激 性、窒息性气味，有毒，常因溶有氯气或五氯化磷而呈红 黄色。比重为1.675，熔点为2℃，沸点为105.3℃。
三氯氧磷极易挥发，在室温下具有较高的蒸气压，为了 保持恒定的蒸气压，使表面浓度稳定，且便于控制，一般 在扩散时将源温恒定在0℃ ，以防止由于蒸气压过高而出 现合金现象。
即在硅片上生成掺有锑杂质的氧化层，在扩散温度下， 锑杂质原了进而向硅内扩散。
§6-5 砷扩散的化学原理
砷扩散有它独到之处，例如砷在硅中的扩散系 数小，用于浅结扩散，因扩散时间较长，便于精 确地控制基区宽度；又如砷原子半径和硅原子很 接近，在砷原子向硅晶体内扩散过程中，不致于 由于原子半径不同而产生应力，导致晶格缺陷。
3 ）选择纯度高、毒性小的扩散源。
常用的扩散杂质有硼（B）， 磷（P）、锑（Sb）、砷（As）。
扩散杂质源（含有这些杂质原子的某些物质）有固态源、液 态源和气态源。
扩散过程基本上只有两种形式：
1）化合物先分解为单质（或直接以单质），再以 单质的形式向硅中扩散；
2） 经过反应先生成杂质元素的氧化物（或原来就 是氧化物），然后氧化物再与硅反应产生二氧化 硅和杂质元素向硅中扩散。
首先淀积掺砷氧化层。然后将淀积好的硅片放入980 ℃左右的高温炉内，在氮气或氮氧混合气体保护下扩散， 15～20 分钟。
在扩散温度下，三氧化二砷被硅还原为砷：
砷杂质原子进而向硅中扩散。
2、二氧化硅乳胶源扩散
掺杂二氧化硅乳胶源是一种比较新的扩散源，它具有氧 化物源的优点，工艺又简单，且重复性和均匀性较好，可 掺杂的杂质种类多。
将二氧化硅乳胶用无水乙醇稀释后，掺入适量砷或磷、 硼、锑等杂质，便可配成其有一定粘度的不同掺杂的二氧 化硅乳胶源。
将掺有五氧化二砷的二氧化硅乳胶源涂在硅片表面上， 前烘使二氧化硅乳胶形成掺有五氧化二砷的二氧化硅乳胶 源。将上述硅片在1000～1100℃ 的高温炉内进行扩散，五 氧化二砷分解成三氧化二砷和氧。三氧化二砷被硅还原为 砷，向硅中扩散。
热扩散过程的三个步骤：
预淀积 推进 激活
第一步、预淀积
热扩散开始，炉内温度通常设为800到1000 ℃ ，持 续10到30分钟。杂质仅进入硅片表面形成很薄的杂质层， 此称为预淀积。
预淀积的杂质层
第二步、推进
在不向硅片中增加杂质的基础上，升高温度（1000 到1250 ℃ ），使淀积的杂质层进一步向硅片内部扩 散，并达到规定的结深。
施放电子，为施主杂质，或 N 型杂质。
掺入第III 族元素（如硼，三个价电子）。杂质电离 接受电子，为受主杂质，或P 型杂质。
施主型杂质：第 V A 族元素， 如：磷、砷、锑、铋； 受主型杂质：第 III A 族元素， 如：硼、铝、镓、铟。
如何选择扩散源：
1）半导体材料的导电类型需要；
2）选择在硅中具有适当的扩散速度的杂质；
预淀积的杂质层
结深
第三步、激活
稍微升高温度，使杂质原子移动到晶格中的原子位子 与晶格中的硅原子键合，形成替位式杂质原子。
杂质原子只有在替代了晶格上的硅原子后才能起作用--
改变硅的电导率。通常是只有一部分杂质被移动到 晶格位子上，大部分还处在间隙位置。
激活
杂质原子
√
杂质形态：
间隙式杂质：具有高扩散率的杂质，如金（Au）、铜（Cu）、钠（Na） 等。
三氯氧磷液态源是目前磷扩散工艺中应用最广泛的一 种杂质源。它具有操作简便、经济、适宜大批量和连续 生产，且扩散质量好等优点。它也常用作磷处理、磷吸 收以及化学淀积磷硅玻璃等的磷源。
三氯氧磷很容易发生水解，在潮湿的空气中会因水解 而发烟，因此，使用三氯氧磷源时，源瓶密封性也必须 良好，通入的氮气和氧气都必须干燥。若三氯氧磷已经 发黄变质，就不能再使用。倒掉旧源后不能马上用水冲 洗，否则三氯氧磷迅速发生水解反应容易引起爆炸事 故。