《流言終結者少年隊》來囉：亞當回歸與天才小朋友一起Myth Busted！

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。

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）。

小小的電晶體是怎麼做出來的？

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。

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。

化學氣相沉積是現今最常見的沉積技術

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。

原子層沉積是什麼？

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。

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？

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。

ASM 與 ALD、半導體產業攜手前進

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。

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 作為半導體設備領導廠商，為了維持領先優勢，當然也得持續開發新技術。例如 PEALD，ALD 前面的 PE，是 Plasma Enhanced，所以這種改良技術就稱為電漿輔助式原子層沉積。做法是針對 ALD 的第一步，先以電漿方式，將氫、氧、氮等氣體電離成離子。這些氣體離子，例如氧自由基，會先將前驅物提前氧化，同時也氧化基材的表面原子，使其產生缺少電子配對、不穩定的「懸空鍵」。如此被活化的基材與前驅物，就更容易互相產生反應，解決過去 ALD 常遇到前驅物反應率不足的問題。讓反應溫度更低的同時還能加快反應速度，因此能滿足更多的製程需求。未來不論是 GAA 環繞式閘極電晶體還是其他製程，都會持續看到 ALD 技術的身影。

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！

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。

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。

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）。

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」。

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。

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。

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？

參考資料

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始，2020 年也不例外。今年「第 30 次第一屆搞笑諾貝爾獎」的材料科學獎頒給 7 位科學家，得獎理由是發現「冰凍人類大便做成的刀不好用（knives manufactured from frozen human feces do not work well）」。¹

這個實驗其實算是人類學研究，也很有流言終結者的味道。今年 10 個獎項中它與管理學獎：「5 位中國殺手層層轉包，卻都沒有人下手」大概是最引人熱議的。不過為什麼有人想測試，冰凍大便的切割能力呢？起因自一則流傳的北極小故事。

延伸閱讀：疫情也阻止不了的2020搞笑諾貝爾獎！宅在家慶祝這充滿 BUG 的一年

人類學家的北極小故事

小故事的宣傳者不是普通天橋下的說書人，他是加拿大的不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）的人類學家戴維斯（Wade Davis）。他在 1998 年出版的《Shadows in the Sun》書中記錄一則北極的伊努特人*故事，後來還在幾次演講時提到。

*註：伊努特人或翻譯為因紐特人，或發音類似單字的組合。

戴維斯自述，這個故事是加拿大北極區的巴芬島，一位伊努特獵人納基塔維克（Olayuk Narqitarvik）告訴他的。事情發生在 1950 年代，那時納基塔維克的爺爺不想隨眾人搬家，一個人留下；其他人為了促使他上路，把裝備、資源通通拿走。

納基塔維克的爺爺突發奇想，缺乏工具，就自己生產！於是他把自己的大便冰凍，做成刀的形狀，再用口水讓邊緣鋒利；接著殺掉一隻路過的狗，用狗的肋骨做成雪橇，又抓到一隻狗拉雪橇，就這麼消失在黑暗之中⋯⋯

這個故事據說流傳甚廣，不過有基本邏輯的人，一聽便能判斷是唬爛的。假如這些事都是由一個人單獨完成，旁邊沒有任何人，他最後又消失在黑暗中，那麼整個過程怎麼可能留下記錄呢？即使是作者戴維斯自己，也認為這則故事的真實性「可疑（apocryphal）」。

話說回來，人類從古至今利用過各種材料製作工具，不管北極小故事有沒有發生過，假如故事內容是真的，也可謂材料科學的一大發現。於是以美國的肯特州立大學為主的一隊科學家，真的進行測試，實驗結果強烈否決大便冰刀的可能性。^{2, 3}

用大便冰刀和美豬做實驗囉

實驗過程其實不算複雜。一位研究者連續多天，吃高蛋白質、高脂肪的伊努特式傳統食物，然後把大便做成刀的形狀（用模型或是用手塑形），擺在攝氏−20 度到實驗開始為止。實驗開始前先以金屬銼刀把冰刀削利，再浸入攝氏−50 度的乾冰數分鐘，確保實驗時冰刀夠堅硬。

故事中的動物是狗，不過實驗切割的材料不是狗，是豬（在美國做的實驗，所以應該是美豬）。豬皮、豬肉、豬肌腱 3 種材料，先擺在攝氏−20 度很多天，實驗開始前 2 天再移到攝氏 4 度解凍。切割則是在攝氏 10 度左右的環境進行。

實驗結果非常清楚，冰刀連最軟的豬皮都無法無法切割，更不用說比較硬的豬肉、肌腱。即使冰刀一開始非常堅硬，與冷藏取出的美豬接觸後仍開始融化，甚至無法留下刀割的痕跡。另一位吃普通西洋食物的研究者，用一樣的步驟製作冰刀重複實驗，同樣無法成功。

豬皮下方的皮下脂肪，倒是能被冰刀切下一絲絲，但是冰刀接觸皮下脂肪後也迅速融化，無法繼續使用。

沒有任何狗受到傷害

戴維斯為了增加北極小故事的真實感，引用丹麥探險家福祿陳（Peter Freuchen）1953 年自傳的內容。福祿陳自述有一次在冰上被雪困住，他將自己的大便冰凍後作為鑿子，才成功脫困。

論文認為，儘管沒有理由認為福祿陳說謊，但是他的說法真實性存疑。而且就算福祿陳講的是真的，用鑿子除雪和用刀子切肉，難度不可一概而論。假如連最軟的豬皮都無法切割，要穿透一隻完整的狗根本毫無可能。

故事中另一段劇情：用口水讓冰刀邊緣變鋒利，論文沒有實際操作，但是強烈懷疑這會有幫助。因為早已知道水結凍製成的冰刀，只要接觸就會開始融化。

一系列實驗證實，用冰凍大便做成的刀肯定無法切割美豬，推論狗應該也沒辦法，所以戴維斯的小故事劇情不可能發生。

此研究在 2019 年發表於專業的考古學期刊《考古科學期刊：報告（Journal of Archaeological Science: Reports）》，由於題材奇妙，當時就引起一陣討論；隔年（2020年）獲得搞笑諾貝爾獎的材料科學獎，又引發一波轟動。

北極小故事原作者的反駁

論文在 2019 年發表後，小故事原作者戴維斯寫文章表達意見。從文字看來他不是很高興，他覺得在伊努特傳統文化逐漸消失之際，還有人浪費錢跟時間搞這種研究，實在不可接受。⁴

戴維斯自稱從未強調過故事情節的真實性，他沒有發表在正式的學術期刊、科學期刊，只在演講與普通文章中提及這個情節可疑、卻有象徵意義的小故事，目的是闡述伊努特人與冰的獨特關係：伊努特人不畏懼寒冷，懂得利用冰，才得以在嚴寒中生存。

儘管宣稱不在意真實性，戴維斯仍然質疑論文的實驗方法，和故事情節不一樣：狗皮和豬皮不同，豬皮切割失敗，不等於狗皮也會失敗；故事中是在冰天雪地下切狗，實驗卻是在攝氏 10 度進行。差異如此明顯，這個實驗一點都不客觀！

我們歸納一下戴維斯的論點：

第一，實驗根本沒意義，關心伊努特人才有意義。

第二，我從來沒說過那是真的故事。

第三，就算我沒說過故事是真的，實驗也無法證明故事不是真的！

雖然冰刀無用，還是要關心逝去中的傳統文化

戴維斯展現出人類學家對現實人類的關懷姿態，但是他對科學的意見有沒有道理呢？我個人推測，就算改變條件，不會成功的實驗還是不會成功。

即使是在攝氏 10 度下實驗，冰刀的硬度多半不是問題，因為經過攝氏−50 度的乾冰處理，冰刀至少能保持一段時間的堅挺。如果一開始最硬的時候完全切不下去，狀況過更久應該也不會改變。

凍結人類大便製作的冰刀，角度正確的話可以擊倒狗，但是要再取出狗的肋骨，勢必需要切割。豬跟狗的身體當然不一樣，可是冰刀在已經分離過的豬皮組織，都無法留下切割痕跡，難以想像對一條完整的狗還有機會成功。（冰刀在北極可以隨處取材，要是真的能這樣用，探險還要帶那麼多裝備嗎？）

測試用的動物材料，若是用不久前還活跳跳的動物，殘留的體溫只會讓冰刀加速融化。經過一段時間讓肉體在雪地降溫後，太硬的肉還是會讓冰刀接觸摩擦時融化。處於冷藏狀態的肉，條件或許相對平衡，不過論文的實驗已經證明，切割攝氏 4 度的肉便足以令冰刀融化。

實驗失敗的關鍵，恐怕還是在於切割這件事會毀滅冰刀，只要開始切割，就註定會失敗。

我想這個看似搞笑的研究背後，至少有兩件事值得認真， 一是科學，另一是人：

第一，故事不用在意真實性，但是仍然可以驗證，小處不可隨便。

第二，大家有興趣能多關注伊努特人，以及現代世界中漸漸消逝的傳統文化。

身為印地安人的遊戲評論員 Daniel Starkey，曾經在主打伊努特文化的遊戲《永不孤獨 （Never Alone，Kisima Inŋitchuŋa》評論中提到：⁵

「當我的文化益漸衰弱，我們曾經的一切彷彿也漸漸淡出而變得晦澀朦朧。要接受數百個文化豐富的歷史步入死亡，實在是再簡單不過了」

想看其他？第 30 次第一屆搞笑諾貝爾獎頒獎影片在這裡：

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參考資料

1. 搞笑諾貝爾獎得主 https://www.improbable.com/ig-about/winners/
2. Eren, M. I., Bebber, M. R., Norris, J. D., Perrone, A., Rutkoski, A., Wilson, M., & Raghanti, M. A. (2019). Experimental replication shows knives manufactured from frozen human feces do not work. Journal of Archaeological Science: Reports, 27, 102002.
3. Scientists test to see if knives made from frozen feces can cut animal tissue
4. The Problem with the Frozen Poop Knife Study
5. 《Never Alone》：交織遊戲、群族記憶和生命文化的嘗試

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。