原住民祖先見過明亮的南方之星？傳說是真的，而且超過一萬年！

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/

太平盛世：萬曆年間的物價體系

萬曆年間是怎樣的時代？

一五七二年，八歲登基的明神宗萬曆皇帝還是個活蹦亂跳的小孩子；等到一六二○年，晚年疏離淒苦的萬曆以五十七歲之齡過世。萬曆從小統治大明到老，在寶座上坐了將近半世紀。「萬曆皇帝」絕非鐵板一塊，而「萬曆年間」也不是個靜止不動的年代。萬曆年間發生許多事，因此人們對這段時期的反應都不相同，當年如此，至今猶然。

有人覺得萬曆年間是政治派系鬥爭、奢糜浪費、道德淪喪的時代；也有人覺得萬曆年間是社會活絡、哲學復興、經濟繁榮的時代。雖然這幾種勾勒方式各有其側重，但它們都是真的。

每一位皇帝統治期間，都會有一個蘊含著期許的年號，而萬曆帝的「萬曆」，大有「萬年之計」的意思。朱翊鈞的父親是隆慶皇帝，於一五七二年七月駕崩。小少年萬曆在內閣首輔張居正鐵腕輔政下，積極學習怎麼當個好皇帝。一五八二年，張居正去世，二十出頭的少年皇帝親政，自己治國。

幾乎每一位皇帝都很難接觸到老百姓生活的世界，而在紫禁城牆內得到各種照料的他，也有這樣的困擾。然而，年輕時的他似乎曾盡力去吸收各種資訊，掌握天下大事。他不見得知道買個水桶要花多少錢，但他至少知道荒年的物價。我們之所以曉得他知道，是因為他在一五九四年四月十九日那天，曾經跟小他四歲、備受恩寵的皇貴妃鄭妃談到這件事，並且在隔天又把這段對話告訴了首輔大學士。

皇帝對飢荒多重視？

昨者，朕覽《饑民圖說》，時有皇貴妃侍，因問：「此是何圖，畫著死人，又有赴水的。」朕說，「此乃刑科給事中楊東明所進河南饑民之圖，今彼處甚是荒亂，有吃樹皮的，有人相食的，故上此圖，欲上知之，速行蠲賑，以救危亡於旦夕。」

這段簡短逐字稿是很了不起的紀錄，特別是因為它揭露了宮中私下談話可能的內容。皇帝和皇后確切的用字遣詞不是不重要，但真正的重點在於萬曆對於此事有所表示。他用這種方式向大學士與滿朝文武表現自己知道饑荒迫在眉睫，而他會親自著手賑濟。

萬曆皇帝絕對不會看到饑民，畢竟只要他出宮，士兵都會奉命先把街頭整頓一番，不會讓他看到任何難看的景象。對於饑荒的光景，他所知盡皆來自《饑民圖說》。他大約兩週前收到這份《饑民圖說》，實錄上說他看得「驚惶憂懼」。

兩週後，這部圖說仍然擺在寢宮案頭，想必他已細閱多次，對所見極為震驚，反應就跟鄭貴妃初見時一樣。等到皇帝讓鄭貴妃看圖的時候，他自己已經有兩星期的時間能消化圖說解釋的內容，深入瞭解天災可能引發的人禍，恐將從社會動盪演變為大規模暴力。

《饑民圖說》完全達到了進圖官員所期望的結果，也就是皇帝立即而確實的回應。萬曆皇帝告訴首輔大學士：

皇貴妃聞，說自願出累年所賜合用之積，以施救本地之民，奏朕未知可否？朕說甚好。且皇貴妃已進賑銀五千兩，朕意其少，欲待再有進助，一併發出。

鄭貴妃賑銀之後，太后、福王、沈王和萬曆本人也輸銀賑災。

他們賑銀的總額，是明朝皇帝動用大內資金單次最高的賑災金額。皇室尚且慷慨如此，讓萬曆朝中的首輔大學士有了道德籌碼，得以要求五品以上官員捐奉薪賑災。

解決饑荒最有效的方法是？

不過，真正緩解饑荒威脅的卻不是這些賑銀。解決饑荒的方法，是造成價格差異化，讓差價的局面來發揮作用：當每石米價來到前所未有的五兩，糧商便產生了商業動機，紛紛把糧食運往黃河受災地區。負責賑災的官員回報皇帝，「米舟並集，延袤五十里。」

每石米價因此下跌到八錢。八錢是五分之四兩銀，仍然是很高的價格，但大致上還是歉收時可見的米價，既不到饑荒時價，也還能讓糧商有利可圖。因此，河南省的饑民未有不濟者，也就是無人因此餓死。

這則故事背後還有兩項更複雜的層面。首先，只要詳盡檢視當時河南省的地方志，就會發現該省還不至於瀕臨饑荒。糧產量雖然略微下降，但絕非進呈給皇帝御覽的那種災荒局面。也就是說，對於饑荒的恐懼壓過了實際情況。萬曆之所以自己帶頭賑銀，還逼著文武百官一起，是因為想起中國曾在六年前遭遇過嚴重饑荒，而當時的當局毫無準備。

行動背後的政治算盤

故事裡另一項耐人尋味之處，在於鄭妃。後宮嬪妃中，萬曆最是寵愛鄭妃。一五八六年鄭妃懷孕後，萬曆諭禮部封鄭妃為皇貴妃，並有意立其子（在萬曆諸子中序齒第三）為太子。

此舉引發的繼承問題將困擾萬曆，終其治世，不只讓他跟大臣有了齟齬，甚至到了皇帝罷朝的地步。萬曆試圖把鄭妃塑造成這次賑災故事裡的主角，讓百官不得不追隨她的登高一呼，藉此提高她的地位，進一步推動立其子為繼承人的計畫。這起事件的政治操作當然跟糧價無關。我只是想提醒大家，萬曆朝的每一項決策，其實都有政治操作的影子。

說了這麼多，我們終於要講到本書的核心現象，也就是饑荒時上漲的糧價。一四五○年以前，明代文獻沒有持續記錄災荒價格，但此後的兩世紀間卻開始累積，構成十八世紀前中國最長的糧價序列。

糧價波動能成為哪些現象的指標？

災荒價與平常的價格不同，災荒價是例外現象。這些價格指出人們是在何時何地留下紀錄，指出特別罕見的情況。但這些價格也有其共通之處——這些數字記錄了人們對於糧食的期望價格，與他們實際得付出的價格之間有多大的差距。我們可以用這些偏離常態的價格為材料，寫出明代的物價史，就能比其他的明代文獻指標更清楚呈現呈現出十五世紀中葉至十七世紀中葉的平民百姓，如何因為氣候條件嚴重惡化而困苦不已。擾動這條界線的並非貨幣供應，而是農業生產的自然條件，在我們所謂的小冰期嚴峻階段受到侵蝕。

如果要衡量小冰期加劇時的農業繁榮程度、人類生存的難易度，乃至於政局的穩定度，最可靠的指標就是糧食價格。一四二○年，永樂皇帝接見帖木兒帝國統治者沙哈魯（Shahrukh Mirza）的使節團。作為開場白，他問起波斯的情況，想知道彼國糧價是高昂還是平價。使節跟他掛保證說很便宜，永樂帝則大方表示這證明沙哈魯備受上天青睞。

糧價低代表收成好，而豐收則是受命於天的明確標誌——對於篡位者永樂來說，這是個極為敏感的神學問題。來使謁見皇帝時，大明國的糧價也很低。除去一四○六年曾因過去幾年降雨太多而導致的嚴重饑荒，以及一四一五年與一四五六年的洪患，中國的氣溫保持在正常範圍，降雨豐沛，豐收可期。

農業繁榮，讓永樂帝得以展開所費不貲的多項建設，像是重修大運河，將首都從他父親治國的南京遷到北京，並向印度洋派出一連串的外交艦隊。一四二四年永樂帝駕崩，十幾年後明朝的昌隆國運也開始走下坡。但永樂治世期間的糧價是便宜的，證明了他是天選之人。

明代的人民跟皇帝都相信，只要糧價保持公平穩定，天下就會太平。陳其德讚嘆萬曆年間糧價豐亨殷阜的時候，其實他是在替眾人代言，因為大家都認為這是世界該有的樣子。任誰都覺得價格會有季節波動，像是收成後降到低點，或者所謂「青黃不接」時價格會達到最高點。

不過，人們很有信心，只要有了下一批收成，價格就會恢復正常。按理說應該如此。然而從十五世紀中葉開始，每幾十年就會來一次歉收，動搖物價的穩定性（至少短期如此）讓百姓期盼落空。日子一久，物價終於在明末時破滅崩潰。

——本文摘自《價崩：氣候危機與大明王朝的終結》，2024 年 05 月，衛城出版出版，未經同意請勿轉載。