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法蘭西絲.歐德姆.凱爾西──擇善固執的藥品守門員

科學大抖宅_96
・2016/07/24 ・7793字 ・閱讀時間約 16 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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1962年,白宮的玫瑰花園裡,凱爾西博士/醫師笑容可掬地從美國總統約翰‧甘迺迪手中接下傑出聯邦公民總統獎[1]。二十世紀最惡名昭彰的藥物災難剛結束,卻仍餘波蕩漾。

凱爾西從甘迺迪手中接下獎項。有趣的是,甘迺迪的夫人賈桂琳,在凱爾西力擋沙利竇邁的期間,也正好懷孕,成了潛在的受益人(圖片來源)
凱爾西從甘迺迪手中接下獎項。有趣的是,甘迺迪的夫人賈桂琳,在凱爾西力擋沙利竇邁的期間,也正好懷孕,成了潛在的受益人(圖片來源

一切均起因於兩年前,剛到任食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration)的凱爾西,所接到的小案子。當時,沙利竇邁(Thalidomide)這個已在歐洲風行三年的「必備良藥」,終於要引進美國了;它不但是安眠藥,其具備的安寧鎮靜作用,也可以降低孕婦在懷孕期的不適,獲得了廣大的好評。藥商志得意滿遞交了新藥上市申請,希望趕在買氣最旺的耶誕假期前打入美國市場。後來,歷史告訴我們,因為申請案被這位名不見經傳的菜鳥雇員擋了長達一年半的時間,美國最終得以避免成千上萬的畸形寶寶出生。

沙利竇邁(Thalidomide)(圖片來源)
沙利竇邁(Thalidomide)(圖片來源

那是個多數女性仍掙扎於賢妻良母角色的年代,她身為兩個女兒的母親,卻能在專業領域做出名垂青史的貢獻,無疑是打破性別框架的典範。當我們回顧凱爾西的一生,若非她大學畢業後找不到工作、若非她無法就讀生物化學研究所、若非指導教授對她性別的誤解、若非南達科塔大學所在的弗米利恩市(Vermillion)沒有好的工作機會,凱爾西很可能無法像世人熟知的那般,拯救許多無辜的嬰兒和家庭。誤打誤撞與一連串的巧合、加上她獨到的眼光,成就了不凡的一生。

多采多姿的童年

法蘭西絲.歐德姆.凱爾西(Frances Oldham Kelsey)原名法蘭西絲.凱思琳.歐德姆(Frances Kathleen Oldham),1914年7月24日生於加拿大的不列顛哥倫比亞省。父親曾是英國軍方辦公室職員,母親則有著不錯的學識,可以教導法蘭西絲和哥哥識字、書寫;同時,母親的兩位姊妹也是優秀的女性楷模:一位是醫生、另一則是律師。

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住在溫哥華島的鄉間,歐德姆一家總是以輕便馬車作為交通工具。在豐富的自然環境中,法蘭西絲盡情地探索住家周遭的田園、河川、和森林,也蒐集了為數不少的昆蟲和鳥蛋。當時,她就已決定了自己的志向:「我一直都知道自己想成為某種科學家。

法蘭西絲的父母相當有遠見,認為女兒也必須接受跟兒子同等程度的教育。即使年紀還小,法蘭西絲參加了許多實用性課程,如繪畫、鋼琴、舞蹈;年紀稍長後,她又跟朋友學習射擊和釣魚、以及瞞著父母偷開車。

隨著全家的搬遷,法蘭西絲曾先後在多所學校就讀。當時女性的教育並不受重視,女學生人數不多,有幾個學期,班上甚至只有她一個女孩;以至於,法蘭西絲的早期教育幾乎是在全男孩的環境下完成。

志趣在生物學的文科高材生

高中時期,法蘭西絲獲得數不清的獎項,卻全部都是文學相關領域;同時,她修過的自然科學課程,也只有數學跟化學──而且化學裡的質量作用定律(Law of mass action)還讓她深感挫敗。儘管如此,法蘭西絲仍然想研讀科學──或許是生物學(至少不會是化學),但她對生物學一點也不了解,也不知道可以找誰商談。當時,大學不會到高中招生,女孩也很少上大學;女大學生也只集中在護理和商業相關科系。

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十五歲時,法蘭西絲高中畢業[2],但因為年紀太小,沒有直接進入大學,而是留在高中念大學課程先修班[3]。然而,令她深感無助的是,除了化學,學校幾乎沒有任何科學課程可以選擇。非常幸運地,1930年夏天,法蘭西絲巧遇安大略農學院(Ontario College of Agriculture)的生物學教授安東尼.金斯科特(Anthony Kingscote)。對方在一場野餐中生動地向她講述了生物學的種種;他倆沿著海灘,邊走邊探索動物世界的規律。金斯科特也給予了法蘭西絲關於研讀生物學的規劃建議──這倒是讓她相當地沮喪,因為學校根本沒有生物學可以修!

後來,在安排下,法蘭西絲得以前往維多利亞學院(Victoria College[4])修習生物學;那裡的老師教得極好,給了她相當多啟發。當時,學生們都必須穿著水手制服上課──雖然心裡有點疙瘩,但只要能修到夢想中的課程,一切都值得了!多年後,她在訪談中自陳:若不是後來就讀其他大學,自己一定會成為海洋生物學家。

維多利亞學院最古老的建築。法蘭西絲.奧爾德姆很可能曾在此上過課(圖片來源)
維多利亞學院最古老的建築。法蘭西絲.歐德姆很可能曾在此上過課(圖片來源

隔年,法蘭西絲在維多利亞學院上了動物學,接著又轉到蒙特婁(Montreal)的麥基爾大學(McGill University)修習更進階的課程。到了高年級,在朋友的慫恿下,她修了生物化學(Biochemistry),其中也包含了一點藥理學(Pharmacology)的內容,埋下日後與藥理學的牽絆。

求職不順和研究所的額滿

大學畢業後,雖然法蘭西絲曾試著求職,但適逢經濟大蕭條,沒有任何的工作機會;就算有職缺,也只會錄用男性──當時,社會一般認為男性是主要的家庭經濟支撐者,所以優先聘僱男性是相當常見的作法。法蘭西絲意識到,她要麼繼續攻讀碩士(可以有些微的薪水),否則就只能靠救濟過活。即使有點擔心自己的聰明才智無法勝任研究所的課程,她最終還是選擇攻讀更高的學位。

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起初,法蘭西絲想繼續研讀生物化學領域。因為內分泌學(Endocrinology)正蓬勃發展,與其相關的生物化學自然也是前景可期。很不幸地,生物化學系的研究生缺額都滿了;在一位教授的建議下,法蘭西絲轉往藥理學系尋求雷蒙德.施特勒(Raymond Stehle)的指導。雖然施特勒不太喜歡收學生,但仍答應讓法蘭西絲成為自己的研究生,並會盡力幫她。

施特勒研究的是腦下垂體後葉(posterior lobe of the pituitary;posterior pituitary),算是個冷門的主題,除了法蘭西絲之外,沒有其他任何人一起參與研究。為了明白腦下垂體後葉對於青蛙體內水分平衡所扮演的作用,足足一年的時間她都待在被青蛙環繞的實驗室裡,不斷將籠子裡的青蛙浸在水裡、取出、把青蛙弄乾、測量體重、注射藥劑、再放回水裡、然後每十五到二十分鐘測量一次青蛙的重量。

一年之後,法蘭西絲獲得碩士學位──只不過,這回還是找不到工作。施特勒因為還有一些計畫經費可用,便對法蘭西絲表示:「來當我的研究助理,我一個月可以給妳五十元;同時,妳繼續找找看有沒有其他工作可做。如果找到了更好的工作,妳一定要接受。」在當時,五十元加拿大幣夠讓人過上一個月了。法蘭西絲便在這樣的狀況下,一面幫施特勒工作、一面尋找機會。

現在看來,若不是法蘭西絲畢業後找不到工作,她可能不會念研究所;又若不是生物化學系所有的缺額都滿了,法蘭西絲也不會踏入藥理學的研究領域,成為未來專業的基礎。

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糟糕但美麗的誤會

1936年2月,施特勒聽說美國芝加哥大學新設了藥理學系,而且系主任尤金.蓋林(Eugene Geiling)也是從事腦下垂體後葉的研究,便鼓勵法蘭西絲寫信詢問蓋林。雖然不抱太多期待,法蘭西絲還是寫了信過去(反正也沒什麼損失)。

出乎意料地,她很快就收到航空郵件的回信,寫明:「親愛的歐德姆先生,……如果你能夠在3月1日來芝加哥就任,那麼你可以先做四個月的研究助理,然後會有獎學金提供你研讀博士。」看到開頭的稱謂,讓法蘭西絲內心糾結了一下,是不是該寫信去更正呢[5]?對此,施特勒勸她:「別傻了。接受這份工作、簽上妳的名字,然後把小姐以括號表示放在後頭。衝吧!」多年之後,她這麼回憶:「時至今日,我不知道如果我的名字是伊莉莎白或者瑪麗‧珍的話[6],是否還能得到那重要的、往前邁進的機會。我在芝加哥的指導教授到死都不可能會說分明。」蓋林教授是個保守且老派的人,對女科學家雖然沒有太多的支持,但為人公平,法蘭西絲也是他的第一個博士班學生。

就學期間,她曾到港口的捕鯨站蒐集所需的鯨魚器官,但因為船員認為女人上船不吉利,法蘭西絲起初並無法跟著船隊出海捕鯨──直到第二年造訪才得以上船;也很幸運地,那次出航順利捕到了鯨魚,打破了女人會帶來壞運的傳言。不僅如此,法蘭西絲也是歷來隨船隊出航的科學家中,唯一沒有嚴重暈船的。

磺胺酏劑災難

當時,磺胺被廣泛運用於醫療用途,並獲得廣大的成功;只不過,藥劑的安全性不但沒有經過嚴謹的科學研究,病患還必須服用相當大的劑量──偏偏它相當難吃、不容易下嚥,又容易造成腸胃不適。一家藥商突發奇想,打算把磺胺製作成液狀,這將對病患、尤其兒童會非常有幫助。然而,因為磺胺不溶於水和酒精,受雇於藥廠的化學家選擇了二甘醇(Diethylene Glycol)作為磺胺的溶劑。1937年9月,粉紅色、又帶點櫻桃口味的磺胺藥水推出,瞬間廣受好評、供不應求。

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到了10月,有病患在服用藥水後死亡,但人們並不清楚是哪個環節出了問題。接獲案例後,美國食品藥品監督管理局便委託蓋林教授進行研究。為了挖掘真相,蓋林找來了許多不同的動物進行實驗,法蘭西絲則被分配到老鼠的觀測;很快地,研究團隊就發現問題來自二甘醇。於是,1938年,美國修改了關於食品及藥物的法令,要求所有新藥物都必須有安全性證明,否則不能上市。其實,只要藥廠當初在研發過程中稍微做一點研究,很快就能發現二甘醇的缺陷,不需要等到事後才亡羊補牢。因為法規的不完全和廠商的輕率,這次事件中有超過一百個人死亡,被稱為磺胺酏劑災難(Elixir Sulfanilamide Disaster)[7]

法蘭西絲和蓋林教授(圖片來源)
法蘭西絲和蓋林教授(圖片來源

博士、婚姻、醫學院

1938年,法蘭西絲以「九帶犰狳(Nine-Banded Armadillo, 學名:Dasypus novemcinctus)腦下垂體後葉腺的解剖學和藥理學」研究獲得博士學位,又接著以犰狳胚胎為主題,做了一年的博士後研究工作;偶爾,她還會親自跑到德州的農場捕捉犰狳,以獲得所需的胚胎。此時,就業市場仍然沒有好轉,法蘭西絲也不禁開始納悶,是否真的因為自己的女性身份以至於找不到穩定工作?然而,就業市場因為第二次世界大戰的驟然開打,局勢一夕轉變。

九帶犰狳。(圖片來源)
九帶犰狳。(圖片來源

當時,奎寧(Quinine,又稱金雞納鹼)是治療瘧疾的主要藥物,但是受到戰爭影響,奎寧嚴重短缺,以至於有數不清的人員都在進行瘧疾藥物的相關研究,例如開發新藥物、或測試新藥物的安全性等等。1941年,蓋林教授的團隊亦接到抗瘧疾藥物的大型研究計畫,法蘭西絲就也留在芝加哥大學幫忙。這段期間,她認識了研究同儕、生物化學博士費利蒙.艾利斯.凱爾西(Fremont Ellis Kelsey),兩人於1943年結婚──她的名字也因此改成法蘭西絲.歐德姆.凱爾西了。

戰爭結束後,問題來了:當時規定,有親屬關係的人不能同時受雇於同一系所;為此,法蘭西絲和她的丈夫,勢必有一人得離開。多方考量下,法蘭西絲決定進入醫學院就讀:一方面她曾修過一兩年的醫學相關課程;二來,作為女性,她也需要更多的優勢,好找到穩定的工作。兩個女兒也在醫學院時期先後出生。

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醫師執照

醫學院畢業後,法蘭西絲為美國醫學會期刊(Journal of the American Medical Association)工作了一陣子,協助編輯部從良莠不齊的投稿中挑出好論文。

1952年,在蓋林教授的推薦下,法蘭西絲的丈夫得到南達科塔大學(University of South Dakota)藥理學系系主任的工作。南達科塔大學位於弗米利恩市,當地人口不多,也沒有好的女性工作職缺。沒有太多選擇的情況下,法蘭西絲開始在鄰近城市的醫院當起實習醫師。同時,她也是南達科塔州史上第一位拿到放射性同位素療法執照的醫師。

之後,法蘭西絲在南達科塔大學邊做研究邊教書;當合約到期後,因為女兒們年紀都還小需要有人照料,所以她並不急著找下一份工作,也沒有選擇自己開業。當地醫師人力吃緊,她便以機動醫師的方式,到各地做短期支援。

在法蘭西絲的生命中,雖然事情往往不是朝最理想的方向發展,但她總是能找到不錯的替代方案,同時增加自己的競爭力:大學畢業找不到工作轉而選擇念碩士、生物化學研究所額滿只好改念藥理學;碩士畢業後找不到工作卻又因為性別的誤會而進入博士班、沒辦法跟丈夫同時待在系所服務便選擇念醫學院、在弗米利恩市沒有好工作就去實習,拿醫師執照。山不轉路轉,彈性地尋求出路、加上一連串因緣際會,成就了我們所知的法蘭西絲.歐德姆.凱爾西。

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在食品藥品監督管理局(圖片來源)
凱爾西在食品藥品監督管理局(圖片來源

食品藥品監督管理局和沙利竇邁

1960年,凱爾西夫妻兩人分別得到新工作,舉家搬遷到華盛頓特區(Washington D. C.)。法蘭西絲在食品藥品監督管理局的醫藥部門,負責檢視新藥物的核可申請。以她在藥理學跟醫學的專業,這真是再適合她不過的工作了!

當時,該部門的人力不多,只有十二、三人左右一起負責全美國的業務;再者,這份工作並不吃香,有好些員額還是由民間的開業醫師兼職的──畢竟,在外面營業賺的錢都比較多,何必到政府部門坐辦公桌、看藥物報告賺少少的薪水呢?不僅如此,新藥品的臨床實驗往往做得非常不周全,法律規範也不嚴謹;作為新人,她對此深感震驚。

剛就職一個多月,才接到第一個案子沒多久,法蘭西絲就收到了名為沙利竇邁(又名沙利度胺、反應停、酞咪脈啶酮)的藥物上市申請。原本,主管看在這只是單純的助眠藥物,便將這件小事交給還是菜鳥的法蘭西絲。

依當時的行政程序,只要檢核員在六十天內不表達反對意見、或者甚至忘記審查,該藥物就會自動被核可上市。然而,不只法蘭西絲負責檢查的臨床實驗報告有狀況,在化學原理和藥理學的部份,沙利竇邁的申請案都出現一些瑕疵。事實上,因著沙利竇邁在歐洲的大受歡迎,藥商原本認為可在美國也輕鬆過關,只差個橡皮圖章──沒想到,這下踢到鐵板了。

回憶起那段日子,法蘭西絲是這麼形容的:「藥商公司的代表認為我瘋了。在歐洲,它是那麼受歡迎的藥物;就因為我愚蠢般的頑固,他們失去了賺錢的機會。公司對我很不高興。

同年底,一位歐洲醫師發現他的病人在長期接受沙利竇邁治療後,出現嚴重的末梢神經炎(Peripheral Neuritis),將此觀察投稿到英國醫學期刊(British Medical Journal);法蘭西絲注意到了這篇報告,並要求藥商提出更多安全性的證據,包括在懷孕期的使用狀況。如果沙利竇邁可能對成年人產生嚴重的副作用,那麼孕婦肚子裡的嬰兒又會如何?不過,藥廠幾乎沒有針對孕婦的使用做過任何研究,只同意在包裝上加註警語,並且一再強調該藥已在歐洲上市好一段時日──如果沙利竇邁不安全,應該早就被發現了。

約莫同時,歐洲已開始注意到新生兒缺陷的比例似乎有上升的趨勢,但還不清楚確切的成因。就現實而言,因為孕婦使用沙利竇邁後幾乎沒有什麼明顯的副作用,人們也料想不到是沙利竇邁造成了胎兒畸形。

藥商這下子著急了:本來,希望能趕在銷路最好的耶誕節假期前上市,沒想到,連第二年的耶誕節搞不好都沒指望了。廠商用盡一切努力施壓,反覆跟法蘭西絲通信、通電話;又跟她的上司抱怨,形容法蘭西絲是吹毛求疵、頑固、不可理喻的官僚[8];還辦了學術工作坊找學者在會議中批鬥她。

撥雲見日

1961年11月,初步的研究證據顯示,沙利竇邁和歐洲出現的胎兒畸形有所關聯,使得藥廠暫時撤回了在德國的銷售(隨後其他歐洲國家也跟進)。對法蘭西絲來說,這個結果亦相當令人意外:她確實認為藥品的安全性證據不足,因此不予核准上市,但沒料到沙利竇邁的副作用是如此嚴重。

再四個月後,藥商撤回了在美國的新藥上市申請,沙利竇邁始終沒有進入美國市場。法蘭西絲因著自身的專業和嚴謹,拯救了數不清的潛在使用者。隨著證據逐漸出爐,沙利竇邁的問題點已毋庸置疑。很可惜地,藥商之前已將藥品分發給全美國的諸多醫師做試用,導致美國最終還是有17位受害嬰兒出現(雖然其中有半數是母親在歐洲就有使用沙利竇邁的經驗);相較於全球約一萬名的畸形胎兒,此仍是不幸中的大幸。這些受害者,在心臟、五官跟四肢處往往有明顯的缺陷。

沙利竇邁受害者的典型症狀之一:四肢短小。現今他們仍在世界各地生活著(圖片來源)
沙利竇邁受害者的典型症狀之一:四肢短小。現今他們仍在世界各地生活著(圖片來源

隨著事件的爆發,在背後默默守護著人民的身影也逐漸為人所知。報紙、雜誌紛紛挖掘幕後秘辛、報導了法蘭西絲的貢獻。雖然在整個過程中承受了相當大的壓力,但法蘭西絲以平常心視之──畢竟她的工作性質特殊,難免會遇到這樣的事情。1962年8月,法蘭西絲獲得傑出聯邦公民總統獎,她對此卻表示:「我認為我只是代表許許多多的聯邦雇員領獎而已,因為這其實是團隊合作的成果。

帶給世界的影響

因為沙利竇邁事件的效應,1962年和1963年,美國相繼通過藥品管制的法令與規範(法蘭西絲也協助了法規的制定):藥廠在進行動物實驗和臨床實驗前都必須就藥物的安全性提出說明;對於藥品的測試流程、參與研究者等等也都有詳盡的規定──這對其他國家的藥品相關法令亦產生示範性的作用。無論如何,所有新藥上市前,其安全性和有效性都必須有嚴謹的證據。

除此之外,美國食品藥品監督管理局亦進行了組織調整,由法蘭西絲擔任新成立的試驗用新藥科(Investigational New Drug Branch)主管,負責監管已在實驗室測試過,但尚未完成臨床試驗的新藥[9]。之後,她亦相繼在局裡的不同部門服務,直到2005年以90歲高齡退休。

法蘭西絲.歐德姆.凱爾西在菜鳥雇員的位置,憑著自身的專業,做出該做但許多人沒能做到的事;其不但避免了悲劇在美國發生,也協助訂定了藥物規範,影響了全世界。

2015年8月7日,就在她獲頒加拿大勳章[10]之後不到二十四小時,便於加拿大安大略省的倫敦市(London)過世,享年101歲。誠如加拿大沙利竇邁受害者協會的會長梅賽德斯.班奈比(Mercédes Benegbi)所說:「儘管她是在另一個國家有所作為;對我們而言,她永遠是我們的英雄。

加拿大將凱爾西的肖像放在鈔票上
加拿大將凱爾西的肖像放在鈔票上
Dr. Frances Oldham Kelsey 攝於2010年。 Credit Brendan Smialowski for The New York Times
Dr. Frances Oldham Kelsey 攝於2010年。
Credit Brendan Smialowski for The New York Times.

 

參考資料

  • 《Women in Medicine: An Encyclopedia》;Laura Lynn Windsor(ABC-CLIO)(2002)
  • 〈Doctor who opposed thalidomide in U.S. named to Order of Canada〉;The Globe and Mail(Jul. 01, 2015)
  • 〈Frances Oldham Kelsey averted a thalidomide tragedy because she wouldn’t be rushed〉;The Globe and Mail(Aug. 14, 2015)
  • 〈Frances Oldham Kelsey, Who Saved U.S. Babies From Thalidomide, Dies at 101〉;Robert D. McFadden(The New York Times)(Aug. 7, 2015)
  • 《Autobiographical Reflections》;(Frances O. Kelsey)(1993)

註釋

  • [1] President’s Award for Distinguished Federal Civilian Service,該獎項是美國聯邦政府雇員的最高榮譽;凱爾西也是史上第二位得到此獎項的女性。
  • [2] 十五歲就高中畢業聽起來相當地早,對此她曾表示,這是因當時學制、以及好的早期教育之故。
  • [3] 在當時的加拿大,大學一年級的課程可以預先在高中教授。
  • [4] 維多利亞學院為多倫多大學(University of Toronto)的學院之一。
  • [5] 法蘭西絲(Frances)為女性名字,但因跟男性名字的法蘭西斯(Francis)相近,容易讓人混淆。
  • [6] 意指名字相當女性化不會被誤認。
  • [7] 關於酏劑,可參考維基百科
  • [8] 原文:「a fussy, stubborn, unreasonable bureaucrat」。
  • [9] 對於現今藥物研發的流程,可參考這篇好文
  • [10] Order of Canada,加拿大平民的最高榮譽。
文章難易度
科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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那些搞錯用途的毒物:第二屆泛泛泛科學 Podcast 主題票選
活躍星系核_96
・2021/11/10 ・1285字 ・閱讀時間約 2 分鐘

現代人會接觸到的有毒物質早已超越本草綱目記載,日常生活與醫療體系中都傳出過一些「搞錯用途的毒物」。他們隱身在動植物、食物與環境中,以意想不到的方式滲透你我生活,常人一不小心就有可能中毒。另外醫療史上也有過各種誤觸雷區的用藥,大規模的成癮與不良反應更是讓人心痛。

第二屆泛泛泛科學 Podcast 主題票選精選五種猛毒,邀請你投票選出兩種最毒的話題!y 編將邀請該領域的「絕命毒師」在節目中說毒給你聽。

毒物清單

1. 真實世界的「毒系神奇寶貝」:動物性天然毒

你知道河豚毒素是氰化鈉的1000倍嗎?你知道有種貝毒會讓人失憶嗎?動物毒素百百種,就算你不像貝爺一樣在野外生吃動物,他們還是有可能送上你的餐桌。根據食藥署統計的各類食物中毒原因,每年都會有零星的動物性天然毒案例。雖然規模小,但如果這些毒素進入食物供應鏈就會引發嚴重的集體中毒,就讓我們來一探世界各地發生過意想不到的恐怖中毒事件!

2. 世界有毒植物圖鑑

有毒植物一大票,你以為對他們敬而遠之就沒事了嗎?其實「誤食」是植物性天然毒的中毒主因!在台灣,就常有人把有毒的大苦薯與蔥蘭當成山藥與韭菜花吃下肚,更曾傳出有火鍋店的食材混入了與一般芋頭相似的姑婆芋造成民眾食物中毒!而在世界範圍還有更多的毒植物有著各種奇葩的誤食案例等你來聽!*

3. 古柯鹼的黑歷史

你可知道現在惡名昭彰的一級毒品古柯鹼,在十九世紀末期是居家生活的好夥伴?從精油、噴鼻液、酒類、鼻菸,連早期的可口可樂都含有微量古柯鹼,他還成為外科醫師局部麻醉的最愛,直到造成惱人的藥物成癮與濫用之後,它才被列為禁藥。本集就來說說古柯鹼從愛用、濫用、到禁用的黑歷史!

4. 鴉片類藥物與人類的愛恨情仇

比起古柯鹼,鴉片類藥物與人類有更深的糾葛。1980、90年代,美國藥廠積極的推銷鴉片類止痛劑、淡化成癮的可能性,當年造成的成癮人口到現在還處理不完。無獨有偶,2018年奈及利亞也出現了感冒糖漿上癮人潮,人們濫用含有可待因的感冒糖漿,最後還需要國家下令禁止進口。本集就來介紹嗎啡、可待因、海洛英、吩坦尼等等的鴉片類藥物,他們是毒還是藥?怎麼平衡療效與成癮性?造成的社會問題又如何解決?

5. 沙利竇邁畸形兒事件

一支用來抑制孕婦害喜症狀的良藥最後卻成了畸形兒的元兇。沙利竇邁(Thalidomide)1957年於西德推出後迅速成為受歡迎的成藥並且暢銷46國,一年之後畸形兒的比例異常升高,才有人察覺這似乎與沙利竇邁有關。當年有兩位吹哨者挺身而出與藥廠進行的攻防戰,對日後的藥物安全管制政策有著深遠影響。孩子啊,打開Podcast,聽我們訴說這場可歌可泣的醫療傳奇!

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia