半导体及原子炉氢爆之间的关系

福岛第一核能发电厂所发生的氢爆，对多数人带来了冲击。当时的氢气究竟是怎么产生的呢？

在核能发电里，使用锆（Zr）合金作为低浓缩铀燃料棒的包覆管。为了产生核子连锁反应，选用这种对热中子吸收量最少的金属。然而在水冷式的原子炉内，若发生像福岛核能发电厂因断电等原因使得冷却机能受损时，冷却水及水蒸气接触到高温的锆合金，会产生氧化还原反应，而产生大量氢气（H₂）。

Zr + 2H20→ ZrO2 + 2H2

此情况下产生的氢气，当与氧气等其他气体混合时，将可能发生爆炸。

然而，在最具代表性的半导体积体电路MOSIC（MOS电晶体）的制造过程中，称为最终合金的400~450度C的热处理中，使用了称为“形成气体”的氢氮混合气体。这是为了在M0S电晶体的矽基板表面的闸极绝缘膜（二氧化矽SiO2）界面上，将矽的悬空键与氢的终端形成键结，以达成界面导电性安定目的。

将危险的氢气以氮气稀释

从原本的制程目的来说，使用纯氢气来做合金即可。然而考虑到纯氢气的易爆性可能造成危险，故以氦气稀释，除了可防止爆炸，亦能达成由氢气结合悬空键的功能。

不过，在早期M0S电晶体的闸极电极上，是使用图4-12-2的铝（AI）而非图4-12-1的多晶矽。在铝闸极MOS电晶体的合金制程上，使用的是氮气环境。这是因为合金制程本身就会产生大量氢气，能够直接与界面的悬空键结合，带来介面安定化的效果。当M0S电晶体从铝闸极改为矽闸极的当时，并不知道这件事。

在听到福岛核电厂的氢爆新闻的当下，我突然回想起半导体制程上的氢气相关问题，历历在目。