發現羅塞塔石碑｜科學史上的今天：7/19

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/

宣揚「愛國主義」而掀起的人民戰爭

法國革命者大聲宣揚「不再有政治操弄、軍事藝術，只有火、鋼鐵和愛國情懷」。而拿破崙的天才之處在於將口號變為現實。拿破崙的軍隊放棄了只會拖慢職業軍隊行軍速度的補給線，轉而在當地購買或竊取所需的物資。

十七世紀以來，沒有人嘗試過這項做法，因為部隊規模太過龐大，無法在軍隊沿線的農場取得足夠食糧。拿破崙的應變之道是，將軍隊拆散成軍團和單位更小的師，每個軍團或師沿著不同路線行進，在必要情況下也能獨立作戰。但勝利的關鍵在於，這些軍團和師能在發現敵人後迅速集結，使拿破崙掌握壓倒性的軍事力量。

戰場上，拿破崙也遵循著同樣原則。他的部隊無法像舊式部隊那樣發動精心設計的火槍陣攻勢，所以他不要求軍隊這麼做，而是讓散兵排成鬆散的隊形狙擊敵人整齊的防線，大量步兵則在火力掩護下以不規則的陣形衝鋒。

接近敵軍時，部隊可以分散成大致陣列進行火槍陣射擊，以數量代替準度，或是用固定的刺刀殺入敵人防線。即使是敵人派出的專業軍隊，面對革命軍的衝鋒也常落荒而逃。

就在康德撰寫《永久和平論》期間，發動人民戰爭的法國軍隊在未深思熟慮的情況下，戰爭目的就由捍衛革命轉為擴大革命成果。拿破崙在一七九六年橫掃義大利北部，一七九八年入侵埃及，一八○○年十二月率軍一路攻打到離維也納僅五十英里處。一八○七年，康德去世三年後，拿破崙占領了康德的家鄉柯尼斯堡（Königsberg）^[註1]。

歐洲的人民戰爭與美國革命背道而馳。一七八一年，英軍在約克鎮投降後，美國人鑄劍為犁，將兵力投入生產中。革命將領回到他們的農場，而傑弗遜和志同道合的共和黨人則頑強抵制中央集權、稅制、國債、常備軍及利維坦的一切統治手段。

據此，某些美國人堅信他們比腐敗的歐洲人更有美德。然而，每當美國意識到危險時仍會向利維坦靠攏，一七九○年代當法國入侵的恐懼蔓延全國時就是如此。這證明歐美真正的差異在於政治地理層面。

美國在一七八一年後就鮮少面臨生存威脅，因此只要維持微小的軍事力量即已足夠，甚至能針對利維坦的存廢進行辯論。另一方面，歐洲列強則面臨著來自鄰國四面八方的威脅，最微小的弱點都相當致命，共和國若要生存就必須像其他君主國家一樣戰鬥。

權力的演變——「民族主權」最終成了「帝國主義」

在歐美兩大洲，愛國情操高漲只是權利開放的社會秩序興起後的現象之一。然而，當拿破崙意識到這熱情能與共和國體制脫鉤時，法國的人民戰爭開始走向與美國截然不同的道路。

一七九九年，一場悄無聲息的政變使拿破崙成為法國君主，一八○四年他更公開加冕自己為皇帝。

從那時起，法國軍隊出征的目的不再是捍衛主權，而是帝國擴張這個老套的理由。

華盛頓曾認為商業使戰爭變得多餘，但拿破崙不這麼想，一八○六年後他更試圖證明情況恰恰相反，打算利用戰爭來壓制商業活動。他要求戰敗國加入法國的「大陸體系」，這個貿易禁令實際上是為了封鎖英國進入歐洲市場的通路，企圖從經濟上拖垮英國。

歐洲要再經歷十年的戰爭，包括歐洲史上一些規模最大的戰役（如一八一三年動員六十萬人的萊比錫之役），才證明拿破崙的想法是錯的。以戰爭壓制商業的唯一辦法，就是透過法國艦隊封鎖英國貿易通路，但由於貿易是如此有利可圖，因此英國總能生產比法國更優良的船艦、訓練更優秀的船員。

拿破崙的海上封鎖宣告失敗，而由於英國在全球的貿易得以生存，歐陸國家很快就發現比起英國依賴歐陸，歐陸反而更依賴英國貿易。因此，其他歐陸國家漸漸找到繞過大陸體系的方法，和英國通商。

拿破崙為強化大陸體系所發動的戰爭，很快就使人民戰爭達到勝利頂點。一七九九年以來，拿破崙已證明能透過人民戰爭取得王位，而歐洲朝代悠久的君主漸漸學會以同樣的方式扳倒他。

一八○八年，當拿破崙發動半島戰爭占領西班牙，打算將其納入大陸體系，法軍在當地陷入人民起義的泥潭中。西班牙起義者在英國派遣正規軍支援下，往後六年間成功在當地牽制住數十萬法軍。

但拿破崙仍執意強化大陸體系，他在半島戰爭後入侵俄羅斯，使情勢雪上加霜。如第三章所述，正是這次決斷失誤啟發了克勞塞維茨的「頂點論」。

克勞塞維茨的祖國普魯士投降法國後，憤恨之情促使他在一八一二年以志願兵身分加入俄軍，後來他意識到自己的反法情緒僅僅是拿破崙做得太過頭造成的巨大效應而已。

戰爭的情勢正被逆轉，拿破崙占領莫斯科兩年後，包括俄羅斯在內的第六次反法聯盟占領巴黎，將拿破崙流放至義大利外海孤島上。然而，拿破崙於一八一五年潛回法國重新召集軍隊，並在滑鐵盧戰役迎戰英軍。但這場戰役最終功虧一簣，拿破崙被流放到更偏遠的大西洋小島上。

英國這座新式、權利開放的貿易帝國，最終在拿破崙軍國主義、人民戰爭新舊結合帶來的巨大挑戰中倖存下來。一八二一年，拿破崙逝世於大西洋小島上（有傳聞指出是英國派人毒死他），大英帝國自此成為統治歐洲的巨人。

英國在各地充當世界警察的行為是有回報的。儘管派遣英國戰艦巡視航道相當花錢，但這麼做很值得，因為自一七八一至一八二一年間，英國的出口就增漲了兩倍，英國工人成為世界生產力最高的族群。

解決了前所未見的拿破崙戰爭後，英國也成長為一座前所未見的強盛帝國。

註釋

註1：今名加里寧格勒，隸屬於俄羅斯。

——本文摘自《戰爭憑什麼：從靈長類到機器人的衝突與文明進程》，2022 年 11 月，黑體文化出版，未經同意請勿轉載。