跳脫百年框架引領量子黑科技──台灣研究團隊雕塑石墨烯嶄新電子結構

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子：成功會滋生自滿，自滿會導致失敗。只有偏執狂才能生存。
-Andrew Grove（英特爾首席執行官）

話說英特爾於 1986 年冒著丟掉大客戶百年 IBM 的危險，轉向成立僅 3 年多的小電腦公司推銷其最新微處理器的賭博，得到了回報：康柏電腦公司一炮而紅的成功加速客戶對新 80386 晶片的要求。90 年代中後期英特爾更大力投資新的微處理器設計，促進了個人電腦產業的快速成長，成為市場佔有率高達 90% 的微處理器主要供應商，使其自 1992 年以來一直保持半導體銷售額排名第一的地位，於 1999 年將英特爾推上代表美國 30 主要工業的道瓊指數之一成員。

但到了 2000 年代，特別是 2010 年代末期，英特爾面臨日益激烈的競爭，導致其在 PC 市場的主導地位和市場佔有率下降。儘管如此，截至 2024 年第三季度，英特爾仍以 62% 的市佔率遙遙領先 x86 市場、更是筆記型電腦的明顯贏家（72%）。可是為什麼今天英特爾股價竟然倒退了 28 年，回到 1996 年底的價位呢（註一）？為什麼它已經不能再代表美國主要工業，於 2024 年 11 月 8 日被踢出道瓊工業指數，為英偉達（Nvidia，臺灣與香港譯為「輝達」）取代呢？

英特爾的失足

在回答此問題之前，筆者得先指出：個人電腦到了 2000 年初已不再是一高利潤的高科技，而是一種日用商品。當初將英特爾培養壯大的 IBM 於 2004 年年底完全退出了個人電腦的市場；而避免侵權透過逆向工程、製造出第一台 IBM 個人電腦相容機的康柏公司，也在個人電腦市場的價格競爭日益激烈、及想打入主機電腦市場的錯誤政策下，於 2002 年被惠普 ( Hewlett-Packard ) 收購「消失」了。

冰凍三尺，非一日之寒。Google 的人工智慧謂：「英特爾在晶片產業落後的主要原因是多種因素」，包括：
（1）未能洞悉智慧型手機的崛起，在行動晶片市場明顯落後，錯失創新機會給高通（Qualcomm Inc.）等競爭對手；
（2）依賴過時的製造流程，未能像台積電、AMD、和英偉達（註二）一樣採用更靈活晶片設計和外包製造，來應付快速不斷變化的市場需求，導致失去了高效能運算和人工智慧等關鍵領域的市場；
（3）一些分析師認為英特爾在個人電腦市場長期佔據主導地位可能導致高階主管自滿，不願適應不斷變化的產業動態。

筆者認為前述的（1）及（2）都是果，真正的原因只有（3）一個。80 年代，當英特爾的晶片和微軟的軟體成為快速發展之個人電腦行業的雙引擎時，公司充滿活力，專注於其在個人電腦和資料中心伺服器的特殊領域。英特爾高層曾半開玩笑地將公司描述為「地球上最大的單細胞有機體」：一個孤立的、獨立的世界。像 IBM 一樣，數十年的成功和高利潤也催生了英特爾目中無人及自大之企業文化！這種開會又開會、討論又討論、開不完的會、討不完的論正是公司成熟的標註。

英特爾的企業文化

想當初英特爾剛成立時，諾伊斯只聽了幾秒鐘霍夫有關微處理器的激進想法後，就立即說：「做吧」！真是不可同日而語。又如到了 1983 年，其主要記憶體晶片業務受到日本半導體製造商加劇競爭而大大降低獲利能力時，格羅夫立即迅速地不怕「…微處理器是個非常大的麻煩」，脫胎換骨成為微處理器主要供應商━又豈是 90 年代不遺餘力地捍衛其微處理器市場地位而與 AMD 鬥爭的英特爾所能比？

事實上英特爾也曾多次嘗試成為人工智慧晶片領域的領導者，但都以失敗告終（註三）：專案被創建、持續多年，然後要麼是因為英特爾領導層失去耐心，要麼是技術不足而突然被關閉。為了保護和擴大公司的賺錢支柱（x86 的數代晶片），英特爾對新型晶片設計的投資總是退居二線。史丹佛大學電機工程教授、英特爾前董事普盧默 ( James Plummer ) 曾謂：「這項技術是英特爾皇冠上的寶石——專有且利潤豐厚——他們會盡一切努力來維持這一點的」。英特爾的領導者有時也承認這個問題，例如英特爾前執行長巴雷特 ( Craig Barrett ) 就曾將 x86 晶片業務比作一種毒害周圍競爭植物的雜酚油灌木叢。

英特爾能再放光芒嗎？

在一連串的機會錯失，決策錯誤及執行不力下，英特爾於 2021 年任命曾經主導其發展人工智慧晶片、2009 年離職去擔任 EMC 總裁的基辛格（Patrick Gelsinger）回來當執行長，積極嘗試透過其所謂的「五年、四個節點」進程追趕台積電。這位浪子回頭，被請回來拯救公司的基辛格於去年 4 月 25 日宣稱：即將推出的英特爾 3 奈米製程伺服器晶片的需求很高，可以贏得那些轉找競爭對手的客戶，謂『我們正在重建客戶信任。他們現在看著我們說：「哦，英特爾回來了。」』…但半年後，董事會對他的扭虧為盈計畫完全失去了信心，給了他辭職或被解僱的選擇。基辛格於 12 月 1 日辭職，現由領導英特爾全球財務部門和投資者關係的津斯納 ( David Zinsner ) 擔任臨時聯合執行長，正在務色下一任執行長。

英特爾現在的處境事實上很像 1993 年的 IBM：在官僚體制、大型電腦利潤下滑，及失去個人電腦的主導權後，其股票從 1987 年 7 月的最高點倒退了 26 年！當總裁兼執行長阿克斯（John Ackers ) 於當年元月宣布首次下調股息 55% 及離職後，遴選委員會竟然找不到任何人願意來收拾這個爛攤子━曾幾何時 IBM 執行長還是眾人夢寐以求的職位呀！最後選委會只好推薦自告奮勇、完全外行（註四）、銷售菸草和食品的 RJR Nabisco 公司的首席執行官郭士納（Louis Gerstner Jr.）！郭士納在自傳中回憶說：重振 IBM 所面臨的最嚴峻挑戰是改變其企業文化。現 IBM 雖然不再像以前在科技界一言九鼎，但其股票已「趕上時代」屢創歷史新高，為道瓊工業指數中歷史最悠久的高科技成員（1979 年起）；郭士納也被視為美國商界的偶像，IBM 轉型和重拾技術領導地位的救星。

股票名嘴克萊默（Jim Cramer）在年初謂：「我們需要將英特爾視為資產負債表非常糟糕的國寶」，因此有必要幫助英特爾公司渡過難關。美國政府顯然也同意，商務部根據 CHIPS 激勵計劃的商業製造設施資助機會，已經給英特爾公司提供高達 78.65 億美元的直接資助。但如前面所提到的 IBM 如何啟動發展個人電腦，錢真的是萬能嗎？英特爾能重新燃燒發光嗎？

英特爾不像 1993 年的 IBM 具有百年的歷史，各方面人才濟濟：多項技術創新和最多的專利，包括自動櫃員機、動態隨機存取記憶體 、軟碟、硬碟、磁條卡、關聯式資料庫、Fortran 和 SQL 程式語言、UPC 條碼、以及本文所提到之個人電腦等；其研究部是世界上最大的工業研究機構，員工因科學研究和發明而獲得了各種認可，包括六項諾貝爾獎和六項圖靈獎（Turing Award，註五）。因此筆者懷疑英特爾能夠重新奪回業界領先地位；CFRA Research 技術分析師齊諾 ( Angelo Zino ) 表示：「目前來看，它們重返輝煌的可能性非常渺茫。」

結論

這顆科技巨星真的要隕落了嗎？真的是「一失足成千古恨，再回頭已百年身」嗎？英特爾第三任首席執行官（1987-1998）格羅夫真的不幸言中了嗎：「商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子」？當然，像英特爾這麼有成就的公司要徹底消失是不太可能，因此最可能的命運應該是分割拍賣或像仙童半導體公司一樣被其它公司收購（註六）。事實上去年高通公司就曾與英特爾洽談收購事宜，但最終放棄了這個想法。

最後讓我們在這裡以同時被 IBM 培養狀大、在個人電腦上一起嘯吒風雲的微軟公司，其創辦人蓋茨（Bill Gates）元月 8 日的美聯社訪談來結束本文吧。蓋茨聲稱：如果英特爾沒有在 70 年代初期取得技術突破，創造出能夠驅動個人電腦的微型晶片，他的職業道路可能會有所不同。他接著表示：微軟也像英特爾一樣，在 18 年前錯過了從個人電腦到智慧型手機的轉變，但微軟已經恢復元氣，而英特爾的困境卻惡化到需要尋找新執行長的地步（註七），他說：

他們錯過了人工智慧晶片革命，（因為晶片設計和製造方面落後）其製造能力達不到英偉達和高通等公司認為是簡單的標準。我認為基辛格非常勇敢，他敢說：「不，我要解決設計方面的問題，我要解決晶圓廠方面的問題。」我（曾）希望為了他自己、為了國家，他能夠成功。我希望英特爾能夠復甦，但目前看來它們的處境相當艱難。

今天微軟公司已是全美市值最大的前三名公司之一，而英特爾卻淪落至此，能不讓人感嘆造化弄人嗎？

（2025 年 2 月 3 日補註）本文完稿於元月 15 日；英特爾元月 30 日第四季業績報告謂：營收連續三季下滑，較去年同期下降 7%；本季淨虧損總計 1.26 億美元（即每股 3 美分），而去年同期的淨收入為 26.7 億美元（即每股 63 美分）。今年第一季的業績指引令分析師失望！

備註

• （註一）同一期間道瓊股指上升了 7 倍多。
• （註二）這三家公司現在全是中國人在主導。在英特爾全盛時期，這三家全是在後者的陰影下求生存；而現今這三家的市值均遠遠超過英特爾！
• （註三）2005 年，當英特爾的晶片在大多數個人電腦中充當了大腦時，執行長歐德寧（ Paul Otellini）就已經意識到了圖形晶片最終可能會在資料中心承擔重要的工作，向董事會提出了一個令人震驚的想法：以高達 200 億美元收購電腦圖形晶片的矽谷新貴英偉達（英偉達的市值現已超過 3 兆美元）。但因英特爾在吸收公司方面的記錄不佳，董事會拒絕了這個提議，歐德寧退縮了！反觀 AMD 於 2006 年收購英偉達對手 Array Technology Inc. 後，現正挑戰英偉達的圖形晶片市場。
• （註四）在 1993 年三月宣布將擔任執行長的記者招待會上，被問及用什麼牌子的計算機時，新執行長說他有一台筆記本電腦，但不記得是什麼牌子。
• （註五）公認為計算機科學領域的最高榮譽，被稱為「計算機界的諾貝爾獎」。
• （註六）仙童半導體公司於 2016 年 9 月被安森美（ON）半導體收購，品牌已不存在。
• （註七）英特爾於 2025 年 3 月任命陳立武出任新執行長。

延伸閱讀：圖形處理單元與人工智能

人類能否藉由人造方式調整物質材料的原子間距離與排列，並進而賦予它全新的物理特性呢？在科技部計畫的長期支持下，成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊，成功開發出利用半導體產業常用的蝕刻技術來調控原子排列，將原本單純的石墨烯轉變為擁有奇異量子特性的嶄新電子元件，不僅有助於探索量子傳輸的基礎物理科學問題，未來將有機會應用在量子科技之中。卓越的研究成果於今 (2021) 年 2 月刊登於國際頂尖學術期刊《自然電子》（Nature Electronics）。

原子級莫爾紋：魔角石墨烯

近年來科學家透過類似積木的概念，將石墨烯以錯位或扭角方式堆疊起來，藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體，或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。這方法看似簡單，但因需將薄到僅有單原子層厚度的二維材料在特定精確角度扭角堆疊，其實際操作及未來產業應用都有著不小的難度與挑戰。

研究團隊何昇晉博士(論文第一作者)與陳則銘教授試著另闢蹊徑，構想出利用半導體蝕刻技術來雕塑氮化硼基板表面，進行具有三維結構變化的堆疊，並與謝予強等團隊成員開發出能進行原子級尺度雕刻的新穎技術。有別於以往只是單純將二維材料一層一層疊上去。這個新技術能將二維材料的晶格結構(原子排列)依照被雕刻氮化硼人造超晶格基板的結構進行拉伸或扭曲變形，以此操控其對稱性破壞及電子運動等基本物理機制，進而改變物質材料之物理特性。

對霍爾效應的新發現

研究團隊另一項重要發現，在於確立了兩種新型態霍爾效應的發現。過去一百多年來，科學界普遍認為磁場是霍爾效應生成的必要條件，研究團隊在具有人造晶格結構的石墨烯量子元件上，跳脫原有框架、推翻了此一論點，結合實驗及理論證實新的霍爾效應其存在完全不需任何磁場。其中帶領團隊進行理論模型建構及數值模擬的，是另一名論文第一作者同時亦是玉山青年學者的張景皓助理教授。此突破除了理解量子傳輸的基礎科學問題外，對日後應用於量子電子元件及晶片也有著莫大的幫助。

科技部持續積極耕耘基礎科學研究，以作為台灣科技創新與發展的強力後盾。未來在量子科學技術研發上也投入資源規劃整合，秉持著世界頂尖的科技研發能力與人才培養，對於台灣量子科技發展建立良好的競爭力，並與全球科技研發完美接軌。

• 本文改寫自科技部新聞稿
• 本研究論文標題為〈Hall effects in artificially corrugated bilayer graphene without breaking time-reversal symmetry〉，已於今（2021）年 2 月刊登於《自然電子》（Nature Electronics）。

當晶片結構內部有問題，想要進行切片觀察，但方式有好幾種，該如何針對樣品的屬性，選擇正確分析手法呢？

本文轉載自宜特小學堂〈 哪種 IC 切片手法 最適合我的樣品〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

IC 設計後，在進行後續的產品功能性測試、可靠度測試（Reliability Test）或故障分析除錯（Failure Analysis & Debug）前，必須對待測試的樣品先做樣品製備（Sample preparation），透過 IC 切片方式，進行斷面／橫截面觀察（Cross-section）。此步驟在確認晶片內的金屬接線、晶片各層之間結構（Structure）、錫球接合（Solder Joint）、封裝打線（Wire Bonding）和元件（Device）異常等各種可疑缺陷（Defect），扮演相當關鍵性重要角色。

然而觀察截面的方式有好多種，有傳統機械研磨（Grinding）方式，透過機械手法拋光（Polish）至所需觀察的該層位置；或是透過離子束（Ion Beam）方式來進行切削（Milling）；那麼，每一種分析手法到底有那些優勢呢？又該如何選擇哪一種切片手法，才能符合工程師想要觀察的樣品型態呢？本文將帶來四大分析手法，從針對尺寸極小的目標觀測區（如奈米等級的先進製程缺陷），或是大面積結構觀察（如微米等級的矽穿孔 TSV），幫大家快速找到適合的分析手法，進行斷面／橫截面觀察更得心應手！

傳統機械研磨（Grinding）：樣品製備時間長，觀測範圍可達 15cm

 傳統機械研磨最大優勢，是可以達到大面積的觀察範圍（<15cm 皆可），跨越整顆晶粒（Die），甚至是封裝品（Package），當需要檢視全面性結構的堆疊或是尺寸量測等等，就適合使用 Grinding 手法（如下圖）。這個手法可透過機械切割、冷埋、研磨、拋光四步驟置備樣品到所需觀察的位置。

不過傳統研磨也有兩項弱點，除了有機械應力容易產生結構損壞，如變形、刮痕外，此項操作也非常需要依靠操作人員的執行經驗，經驗不足者，恐導致研磨過頭而誤傷到目標觀測區，影響後續分析。

離子束 Cross-section Polisher（CP）：除了截面分析，需要微蝕刻也可靠它

相較於傳統機械研磨（Grinding），Cross-section Polisher（簡稱 CP）的優點在於，是利用離子束做最後的精細切削（Fine milling），可以減低多餘的人為損傷，避免傳統研磨機械應力產生的結構損壞。除了切片外，CP 還有另一延伸應用，就是針對樣品進行表面微蝕刻，能夠解決研磨後造成的金屬延展或變形問題。因此，若是想觀察金屬堆疊型之結構、介金屬化合物 Intermetallic Compound（IMC），CP 是非常適合的分析手法。

CP 的手法，是先利用研磨（Grinding）將樣品磨至目標區前，再使用氬離子 Ar+，切削至目標觀測區，此做法不僅能有效縮短分析時間，後續再搭配掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱 SEM）進行拍攝，將能夠呈現較為清晰的層次邊界。

案例一：CP 的 Cross Section 能力，快又有效率！

案例一的待測樣品為 BGA 封裝形式，目標是針對特定的錫球（Solder bump）進行分析。透過 CP，可在 1 小時內完成 1mm 範圍的面積切片。後續搭配 SEM 分析，即可清楚呈現錫球表面材料的分布情況。

下圖是案例中的 SEM 影像，圖（a）是 CP 後的樣品截面，可將整顆 bump 完整呈現。圖（b）是用傳統機械研磨（Grinding）完成之 BGA，雖然可以看到 bump 的介金屬化合物（IMC），但因研磨延展無法完整呈現。而圖（c）是用 CP 完成之 BGA，bump 下方的IMC對比清晰，可清楚看到材料對比的差異。

案例二：透過 CP milling 解決銅延展變形的狀況

常見的 PCB 板疊孔結構中，若盲孔（Blind Via Hole，簡稱 BVH）與銅層（Cu layer）之間的結合力較弱時，在製程後期的熱處理過程中，容易導致盲孔與銅層拉扯出裂縫（Crack），造成阻值不穩定等異常情形。一般常見是透過傳統機械研磨（Grinding）來檢測此類問題，但這種處理方式往往會造成銅延展變形而影響判斷。我們可以使用 CP 針對 BVH 結構進行 CP milling，有效解決問題，並且處理範圍可達 10mm 以上之寬度。

Plasma FIB（簡稱PFIB）：不想整顆樣品破壞，就選擇它來做局部分析

在 3D-IC 半導體製程技術中，如果擔心研磨（Grinding）在去層（Delayer or Deprocess）過程傷到目標區，或是擔心樣品研磨時均勻性不佳，會影響到觀察重點，這時就可考慮用電漿聚焦離子束顯微鏡（Plasma FIB，簡稱 PFIB）分析手法！

PFIB 結合了電漿離子蝕刻加工與 SEM 觀察功能，適用於分析範圍在 50-500 µm 的距離內，可進行截面分析與去層觀察，並針對特定區域能邊切邊觀察，有效避免因盲目切削而誤傷到目標區的狀況，確保異常結構或特定觀察結構的完整性。（閱讀更多：先進製程晶片局部去層找 Defect 可用何種工具）

Dual Beam FIB（簡稱DB-FIB）：適用數奈米小範圍且局部的切片分析

結合鎵離子束與 SEM 的雙束聚焦離子顯微鏡（Dual Beam FIB，簡稱 DB-FIB），可針對樣品中的微細結構進行奈米尺度的定位及觀察，適用於分析範圍在 50µm 以下的結構或異常區域。同時，DB-FIB 還能進行能量散佈 X-ray 能譜儀（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，簡稱 EDX）分析及電子背向散射（Electron Backscatter Diffraction，簡稱 EBSD），以獲得目標區域的成分與晶體結構相關資訊。

此外，當觀察的異常區域或結構過於微小，用 SEM 無法得到足夠資訊時，DB-FIB 也可以執行穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱 TEM）的試片製備，後續可供 TEM 進行更高解析度的分析。

若想更認識各種工具的應用，歡迎來信索取宜特精心製作的四大切片分析工具圖表marketing_tw@istgroup.com，希望透過本文能幫助讀者，對IC截面分析手法有更多了解，例如 CP 設備新增了 Milling 功能，使其用途更加多元；而 PFIB 增加了去層功能，為先進製程的異常分析開啟了全新的可能性！

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