為何水星是顆硬橘子，而不是軟桃子？

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/

十七世紀末，牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始；人們利用物理原理來描述天體運行，並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機，科學家開啟了一連串對行星軌道的研究；這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌，最終竟促成重力理論的演進，甚至延續到現今，反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切，都要從 1781 年，英國天文學家赫雪爾（William Herschel，1738-1822）在自家庭院，從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後，其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的，它似乎沒有彗星尾巴，而且運行軌跡較接近圓形，不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽；與其說是彗星，它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身，天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者：它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎？還是觀測錯誤了呢？1846 年，法國天文學家勒維耶（Urbain Le Verrier，1811-1877）利用數學計算提出預測：存在某個未知星體影響了天王星的運行，造成理論和觀測的差異；他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

一陣子之後，柏林天文台收到勒維耶的報告，便馬上著手進行未知星體的搜尋工作；只花不到一個小時，海王星就被找到，與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次，單純憑藉數學計算發現新行星[1]。

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現，牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而，天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年，勒維耶再度出擊，聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下，依據牛頓萬有引力理論，水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變；然而在實際上，因為受到其他行星的重力拉扯（和另外一些次要因素），水星軌道的近日點（以及軌道本身）會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料，發現水星的近日點進動，與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值，每世紀差了三千六百分之三十八（38/3600）度[2]──這是多麼微小的數值，卻又真實存在！

因為之前海王星的成功經驗，勒維耶猜想：介於太陽和水星軌道之間，可能存在未曾發現過的星體，影響了水星的運行；他將其命名為瓦肯星（Vulcan）[3]。

無奈地，這一次任憑天文學家花費幾十年尋找，甚至勒維耶也已去世良久，瓦肯星始終不見蹤影；而水星近日點進動問題便懸而未決，延續到二十世紀。在 1915 年，愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

根據我們目前所知，水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度，其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度，而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力，做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下，微小到可以忽略；只有在水星近日點進動這樣的例子，差異才會顯現出來。可以說，水星近日點進動問題的解決，是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎？非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律，因水星近日點進動現象而被找到缺陷，那麼現在大獲全勝的廣義相對論，自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體，龐大的重力吞噬一切，無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動，是否，繞行黑洞的星體，其軌道也會有進動現象呢？又是否完全可以用廣義相對論來解釋？

針對廣義相對論的正確性問題，一群科學家團隊花了二十七年，觀測環繞無線電波源人馬座A*（Sagittarius A*）運行的恆星S2，並於今年（2020）四月，在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果。

人馬座A*位於銀河系中心，距離地球約兩萬六千光年，質量估計為四百多萬倍太陽質量，據信極可能是超大質量黑洞；環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量，與人馬座A*的最近距離是十七光時（海王星到太陽距離的四倍），軌道週期為 16 年（海王星軌道週期是 165 年）。研究發現，S2近心點（pericenter，最靠近重力中心的點）的進動約為每軌道週期 12/60 度，與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境，廣義相對論依舊通過試煉。

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口，這次的成果仍然別具意義：它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象；再者，若人馬座A*附近存在某些看不見的物質（如暗物質，或其他小型黑洞等等），科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是，隨著觀測技術的發展，我們對於宇宙、或者黑洞的理解，將持續進步；說不定哪天，還真能發現廣義相對論的問題呢。

參考資料

• Classical Dynamics of Particles and Systems, Marion and Thornton, 4^th edition, 1995, Harcourt Brace & Company
• Dance around the heart of our Milky Way
• Urbain Jean Joseph Le Verrier
• A star orbiting the Milky Way’s giant black hole confirms Einstein was right
• Wikipedia: Discovery of Neptune
• Wikipedia: Tests of general relativity
• Wikipedia: Vulcan
• Wikipedia: S2 (star)

註釋

• [1] 實際上，勒維耶計算出的海王星軌道，與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
• [2] 多年後，其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距，得出每世紀三千六百分之四十三（43/3600）度的數值，跟現代觀測吻合。
• [3] 就跟《星際爭霸戰》（Star Trek）裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。