《網球王子》中不二學長的 必殺絕招「白鯨」有可能實現嗎？

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/

「沙贊！」然後一道閃電就會打下來，擊中一位青少年，瞬間變成一位穿著紅衣+披風、渾身肌肉的（中二）成年人，這就是 DC 宇宙中，超級英雄沙贊的變身過程。

很有趣的是，大家可以回想一下，最近這 10 幾年來席捲世界的漫威和 DC 英雄，絕大部分執行英雄行動前都是進行「著裝」，例如鋼鐵人、蝙蝠俠、美國隊長……等，但是沙贊不一樣，儘管不複雜，但他需要一套特別的手續來改變他自己的身體，已獲得他身為超級英雄的力量，這點跟日本的超人力霸王比較類似。

根據 DC 宇宙的設定，賦予沙贊力量、讓他變身的閃電都來自神界的奧林帕斯山，只要他大喊一聲，閃電就會隨傳隨到，而因為一切是神力的關係，理論上他接收力量的位置無關緊要，也非常的安全。

真不愧是奧林帕斯山啊！如果我們能夠在比利（電影中變身成沙贊的少年）的頭上裝一個收集閃電能量的器材，那費城一定變成全美國能源最豐沛的城市。

但是要進行超級英雄活動，普通的閃電能量夠嗎？這道奧林帕斯山的閃電會不會是一道超越人類認知的超級閃電呢？

還有儘管沙贊不會受影響，但如果有人不小心在變身時不小心碰觸他或在他附近，會發生什麼事呢？

這真的值得一起來探討～

先定立標準：閃電能提供多少能量？

閃電是大自然中最純粹的能量展現之一，經過大氣學家的觀測和預估，一道閃電電壓大概是 3 億伏特，帶有 10 億焦耳的能量，這差不多是燃燒 30 公升左右的汽油。

聽起來非常的厲害，那我們利用閃電來獲得能源會不會是個好方法？

其實從 1980 年代開始科學家就有這種想法，但是他們發現這其實很不切實際，主要原因有幾個：閃電很難預測、傳導到地面上能量又會大減、效率很不穩定……但那是大自然的閃電，讓沙贊變身的可是充滿神力的閃電耶！不只能夠提供沙贊穩定且高能的能量來源，還可以藉由跟蹤比利知道閃電的位置和時間。

我們只要把比利抓起來請出來，跟他預約時間大喊沙贊，就可以發電了～

現在的問題是……這道閃電有多少能量呢？

要知道一道神奇閃電帶有多少能量其實有點困難，因為一旦比利變身之後，他似乎沒有時間限制，不像超人力霸人那樣有 3 分鐘的活動上限，後者會比較好估算是因為你可以設想這 3 分鐘內超人力霸王做了哪些事情，在逐一拆解。

所以筆者覺得最能夠執行的方式，是羅列出電影中沙贊一次變身基本上會做到的事情，這樣結果應該就足夠是神力閃電的基本盤。

從電影《沙贊！眾神之怒》中，筆者列出幾個沙贊在超級英雄狀態時做的事，包括:

1. 以音速飛行 10 分鐘
2. 把一隻體型巨大的飛龍打飛 10 公尺
3. 把一台車移動 200 公尺
4. 從手中放出好幾道像特斯拉線圈的能量閃電

這樣感覺差不多了吧……等等～還有一件很重要的事，就是這道閃電同時還把一名 17 歲的青年變成一名看起來 30 歲的成年人，這瞬間成長所需的誇張能量應該也要算進閃電的功勞裡，所以這個列表還要加進另一項:

5. 讓 17 歲的青年成長成 30 歲男性的所需熱量

那我們接下來可以逐一估算了。

• 那首先就來計算成長所需的熱量吧！

要讓人成長的能量，其實也是熱量，也就是大家耳熟能詳的卡洛里，1 千大卡的熱量差不多是 4184 焦耳的能量。

根據衛服部提供的資料，一名成年人每日所需的熱量依他的活動量和體重來決定，那沙贊毫無疑問絕對是重度活動量那一類的，體重的話少年比利看起來介於 60~70 公斤之間，而飾演沙贊的演員柴克萊威曾說為了演戲需要增重到超過 90 公斤，雖然隨著體重增加每日所需熱量也會不同，但為了簡單估算，我們姑且用 80 公斤算到底吧～

比利瞬間成長為超人般壯碩所需能量= 40 大卡 x 80 公斤 x 365 天 x (30-17) 年 x 4184 J= 6.35x 10¹⁰ 焦耳 = 635 億焦耳

這數字怎麼已經有點大了……但在吐槽之前，我們先把其他的所需能量都估算完吧～

• 以音速飛行 10 分鐘

這裡我們借用四分之一英里估算法，這是個可以從物體重量（通常是車子）和行駛四分之一英里所需的時間來求得功率的簡單方式。

沙贊體重 90 公斤，而他在音速下完成 1/4 英里所需的時間為 1.2 秒，根據線上工具估算，這名英雄相當於擁有 22,876 馬力，轉化為瓦特差不多是 1700 萬瓦特，如果沙贊要飛行 10 分鐘，他就會需要大約 100 億焦耳的能量 。

• 把一隻體型巨大的飛龍打飛 50 公尺

這個計算方式並不困難，就是簡單的做功運算，但是筆者遇到了很嚴重的問題：電影中的飛龍-拉頓到底多重呢？

經過一番搜尋，網路上對於一條中世紀奇幻飛龍到底有多重幾乎是沒有定論，看起來好像沒有人有認真算過，所以筆者打算自己來操刀，解決這個世紀大謎題 (?)。

有看過《空想科學讀本》的人對筆者使用的方法一定不陌生，就是把模型浸到水裡面，估算體積之後放大，再考慮密度來求得飛龍的體重。

所以筆者到了地下街的玩具店，買了一條看起來最像電影中奇幻飛龍體型的模型玩具（其實是動漫《轉生成為史萊姆》的公仔，似乎是主角後期的樣子吧？筆者沒有看不清楚~），將它放進水盆裡面裝水，做好水位標記之後取出模型，水位下降之後從水盆的面積和下降高度求得玩具龍的體積大概是 0.000283 立方公尺，這時我們需要玩具龍的身長和電影中的拉頓身長來做等比放大，玩具龍身體差不多是 25 公分，而從電影中拉頓站在棒球場內野的畫面來做估算，它的身長大約是 25 公尺，身長差 100 倍，所以體積會變 100 的 3 次方也就是 100 萬倍，所以說拉頓的體積大概是 283 立方公尺。

這時我們需要拉頓身體的密度來求得體重，如果拉頓是生物的話，它的身體密度應該也要接近水（每立方公尺 1000 公斤），例如人體的密度就差不多是每立方公尺 1062 公斤，但是電影中拉頓身體看起來有點像是由木頭構成的，而世界上最堅硬的木頭是澳洲鐵木樹（Australian buloke）密度是 1085 kg/m3，再加上龍的奇幻性質，我想把拉頓的身體密度定為 1100 kg/m3 應該是還可以接受的吧？

如果用這個方式估算，電影中看守花園的飛龍拉頓，體重大概會是 311 公噸，我們套入物理課本中看過的做功計算公式，可以知道沙贊把一條龍打飛 50 公尺所需要的能量，大概會是 7775 萬焦耳。

• 把一台車移動 200 公尺

相較前面兩個，這計算相對簡單一點，我們一樣用上面的作功公式來求需要能量，而我們需要的就是車子的重量。根據統計，美國一般路上的車子平均重量為 1800 公斤，如果要在 3 秒鐘內移動 200 公尺，就相當於需要 4 百萬焦耳。

• 從手中放出好幾道能量閃電

沙贊從手上放出閃電，看起來就像是電弧的一種，而電弧是因為有強大的電場或高壓電存在，使的原本不導電的物質電漿化得以使電流通過的現象，而說到能夠最穩定產生電弧的狀況，筆者第一個想到的是在現實中會看到的特斯拉線圈。

特斯拉線圈是一種由知名物理學家特斯拉發明的強大變壓器，這種變壓器使用共振原理運作，主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力，因為特斯拉線圈可產生絢麗的電弧效果，所以很常在一些科學博物館或展示中看到，而世界上最強大的特斯拉線圈： Electrum 的能量使用率為 130,000 瓦特，假設沙贊能夠用同等功率放出電弧長達 10 秒鐘，就會需要 130 萬焦耳的能量。

這下子我們需要的數字都有了！

這道神奇閃電所附帶的能量大約是：

635 億（變成大人）+100 億（音速飛行 10 分鐘）+7775 萬（打飛一條龍）+400 萬（移動一台車）+130 萬（放出閃電）= 735 億 8305 萬焦耳

 而正常世界一道閃電的能量大約是 10 億焦耳，也就是說～這道神奇閃電差不多是等於 74 道現實中閃電的能量。

好厲害啊！真不愧是奧林帕斯的眾神，能夠這麼精準的傳遞如此巨大的電能量根本就是神蹟…..也確實是神蹟沒錯～

但是如果一個不小心承接這道能量的人不是沙贊的話，會發生什麼事呢？

一般人被普通的閃電擊中就已經不是鬧著玩的了！

直接被閃電擊中的人會成為電流的一部分，一部分電流會沿著皮膚表面移動，另一部分會穿過身體的心血管或神經系統，前者會對皮膚造成灼傷，後者則有可能造成呼吸停止或心臟驟停，但我們還是能找到一些歷史上從雷擊中生還的故事，因為有沒有辦法在雷擊中活下來是跟就醫和電流通過體內的時間而定……運氣好的話，你不會死的。

但是在沙贊的神奇閃電面前，這一切都成為笑話。

這道 735 億焦耳的閃電能量相當於 2 顆歷史上最強大非核子炸彈：炸彈之母（GBU-43/B 大型空爆炸彈）爆炸所釋放出的能量，所以如果今天好死不死沒有打在比利身上，而是擊中地面的話，後果一定不堪設想，周遭的親友絕對是灰飛煙滅，費城可能會變成廢墟，之前說的收集能量可能完全行不通，因為應該沒多少設備儀器能夠承受如此巨大的威力。

反倒是比利啊~你是不是在承接沙贊能力時同時被改造了，被2顆炸彈之母轟炸都沒事，真是太神啦！還有就是一定要站好喔～