月亮杯歷史大解密：環保、便利、而且早在 19 世紀就出現了？！

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/

「我把『發誓』絕沒穿過的 Lunapads 跟 Thinx 月經褲，寄給聖母大學（University of Notre Dame）的核能科學家 Graham Peaslee 博士。」2020 年 1 月 7 日，美國《Sierra》雜誌專欄作家 Jessian Choy 發表〈我的月經褲有毒〉一文，說 Thinx 的兩款有機月經褲，分別含有 3,264ppm 和 2,053ppm 的全氟／多氟烷化物（per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS），並指控廠商刻意添加。^[1]Jessian Choy 的說法不完全正確：那些數值其實是氟的濃度，不過的確能代表 PFAS 是否很多。^[2]

全氟／多氟烷化物

PFAS 是一堆化學物質的總稱，其中以全氟辛烷磺酸（perfluorooctane sulfonic acid；PFOS）和全氟辛酸（perfluorooctanoic acid；PFOA）的運用最為廣泛。^[3]PFAS 具有耐熱，又防油、水的特性，做出來的塗料，可見於衣物、家具、黏著劑、食物包裝、耐熱不沾黏的廚具，以及絕緣電線等產品。^[4]PFOS 與 PFOA更是消防用品水成膜泡沫（Aqueous Film-Forming Foam；AFFF）的主要成份。^[3][註1]PFAS 滲透土壤而汙染水源，無法於環境中分解，^[4]並在野生動物與人體內累積。^{[3, 4]}

目前 PFAS 對人類產生嚴重影響的證據有限，^[3]低濃度環境暴露的傷害也尚不確定。^[4]已知可能與高濃度 PFAS 相關的症狀，包括：體內膽固醇含量微升、嬰兒出生體重稍減、兒童對疫苗的反應略降、肝臟酵素和某些荷爾蒙變化，還有增加腎臟癌、睪丸癌，以及孕婦高血壓的風險等。^{[3, 5]}

集體訴訟和解

Thinx 公司分別在麻州和加州被告，後來又整併為集體訴訟。這些健康沒有受到傷害的告訴人，指稱又叫作「永久性化學物質」（forever chemicals）的長鏈 PFAS，雖然逐漸從美國退場；但是廠商卻改用短鏈的PFAS。她們認為Thinx的網站，不該宣稱產品不含有害化學物質。^[6]

2022 年 12 月，此案於紐約達成和解。「和解不代表 Thinx 承認錯誤」，該公司的發言人表示：「我們否認訴訟中的所有指控。」儘管堅持產品的設計從來就不含 PFAS，Thinx 公司同意負擔 5 百萬美金，讓 2016年 11 月 12 日至 2022 年 11 月 28 日間，購買其產品的消費者，在 2023 年 4 月中之前，上網申請退費。每人最多 3 件，每件退美金 7 元；或領取 6.5 折，最高折抵 52.5 元的折價券一張。^[6]

他們也承諾繼續確保製作過程不刻意添加 PFAS，同時照常要求原料供應商遵守此規範。另外，還會改變行銷用語，例如：寫明產品經過抗菌處理等。^[6]總之，美國 Thinx 公司的事件落幕了。但是消費者從此高枕無憂了嗎？

送驗更多產品

《紐約時報》（The New York Times）旗下的商品評測網站「剪線鉗」（Wirecutter），曾經推薦過 Thinx 的月經褲，所以大概覺得欠讀者一個交代。2023 年，他們一口氣寄了各品牌的衛生棉、衛生棉條、月亮杯、月經褲、失禁褲和漏尿墊等，總共 44 種產品去聖母大學。^[2]

那位曾捲入 Thinx 月經褲風波的 Graham Peaslee 博士，這回跟研究生 Alyssa Wicks 等人，針對產品鉅細靡遺地做了超過 200 次氟濃度的檢測。比方說，Wicks 把棉條給支解成棉條本體、繩子、導管和包裝紙；月經褲的布料分層拆開；還從衛生棉的雙面與外包膜取樣，通通分別檢驗。^[2]

結果全部產品都至少有微量的氟：近半應該是受到汙染（> 50 ppm），而其中 8 件則為刻意添加（> 300 ppm）。Thinx 的產品在送驗的 10 件月經褲裡，含量最低，只有 26 ppm。另外有個號稱絕對沒有 PFOA 和 PFOS 的廠牌，卻高達兩萬多 ppm。至於多數的衛生棉皆有汙染的現象，而醫療級矽膠月亮杯和棉條的含量則非常低。^[2]

下個月怎麼辦？

不是每個人都喜歡用月亮杯或棉條，更何況臺灣買得到的，未必是那些在美國驗過的廠牌。如果已經習慣了環保又方便的月經褲，下次生理期怎麼辦？「我自己就有還沒扔掉的 Thinx」，加州大學舊金山分校的婦科教授 Marya Zlatnik 說。^{[2, 7]}既然環境裡到處是 PFAS，「對我而言，這不是最重要的一個。」^[2]

要是做不到如此灑脫呢？事實上 Thinx、Modibodi、Aisle、Bambody、Selenacare 和 Chantelle 等品牌的月經褲，都持有 OEKO-TEX 認證；^[8-10]而臺灣廠牌月亮褲^®的產品，則通過 SGS 檢驗。^[11]兩者檢測的項目，均包含 PFOS 跟 PFOA 在內的諸多 PFAS。^{[11-13][註2]}如果依然擔心有微量汙染，根據美國化學學會（American Chemical Society）《環境科學及科技》（Environmental Science & Technology）期刊的論文，衣物水洗、晾乾後，PFAS 的濃度會降低。^[14]因此，請記得月經褲買來，第一次穿著前一定先要清洗乾淨。

備註

1. 根據環保團體「看守台灣」的報導，環保署已將 PFOA 和 PFOS 列管，2022 年 12 月 31 日後不得用於消防泡沫中。^[15]
2. 本文列舉的品牌，大概都可以在臺灣的店面或從網購買到。根據《紐約時報》「剪線鉗」網站報導，Thinx 的所有產品都具 OEKO-TEX 認證，^[8]但是不曉得有無涵蓋外銷及聯名的部份。筆者發現 Thinx 與 Kotex（靠得住）合作的月經褲，紐澳版盒底確實有註明。不過，類似的商品在臺灣康是美的網站上，似乎沒有特別標榜，^[16]還請讀者選購時自行確認。其他像是 Chantelle 和 Selenacare，在臺灣的銷售網站，有提及 OEKO-TEX 認證；^{[9, 10]}月亮褲^®則是公佈 SGS 的檢驗報告。^[11]

參考資料

1. Choy J. (07 JAN 2020) ‘My Menstrual Underwear Has Toxic Chemicals in It’. Sierra.
2. Redd N. (10 AUG 2023) ‘We Had 44 Period and Incontinence Products Tested for Forever Chemicals. Many Were Contaminated.’ Wirecutter, The New York Times.
3. ‘PFAS Health Study’. Australian National University. (Accessed on 18 OCT 2023)
4. U.S. Centers for Disease Control and Prevention. (02 MAY 2022) ‘Per- and Polyfluorinated Substances (PFAS) Factsheet’. U.S. National Biomonitoring Program.
5. ‘What are the health effects of PFAS?’. (01 NOV 2022) Agency for Toxic Substances and Disease Registry, U.S.
6. Treisman R. (19 JAN 2023) ‘Thinx settled a lawsuit over chemicals in its period underwear. Here’s what to know’. National Public Radio, U.S.
7. ‘Marya Zlatnik, MD’. UCSF Profiles, U.S. (Accessed on 19 OCT 2023)
8. Redd N. (11 AUG 2023) ‘The Best Period Underwear’. Wirecutter, The New York Times.
9. 「【Period Panty】 仙黛爾集團創新女性衛生用品」（27 APR 2023）Chantelle
10. 「奧地利SELENACARE月亮可兒-機能經期褲（月經褲）－動感活力款」PChome24h（Accessed on 19 OCT 2023）
11. 嘉曜醫材有限公司（23 FEB 2023）「【公告：月亮褲®️產品通過 PFAS 檢驗】」月亮褲^®
12. ‘OEKO-TEX® New regulations 2023 press release’. (10 JAN 2023) OEKO-TEX.
13. ‘OEKO-TEX® Standard 100’. (04 JAN 2023) OEKO-TEX.
14. van der Veen I, Schellenberger S, Hanning AC, et al. (2022) ‘Fate of Per- and Polyfluoroalkyl Substances from Durable Water-Repellent Clothing during Use’. Environmental Science & Technology, 3;56(9):5886-5897.
15. 林奕均（10 JAN 2022）〈不沾鍋、消防泡沫和速食包裝袋的祕密〉看守台灣
16. 「Kotex靠得住 月經褲M號（包裝隨機出貨）」康是美COSMED（Accessed on 18 OCT 2023）