高處不勝寒的高階草原狒狒

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/

• 作者／林翰佐
  • 本刊總編輯，主修動物學

• Take Home Message
  • 今（2023）年3月，一隻東非狒狒突然現身桃園地區，在混亂的捕捉行動後，狒狒中彈身亡。
  • 除了讓民眾休憩，動物園更具備自然保育教育的使命。不過由於園區管理困難，動物脫逃事件比你想像得多。
  • 若是動物園的存在仍具社會意義，動物脫逃又難以避免，社會應負起責任，以更人道的方式處理這類事件。

變調的暖心劇

春暖花開的3月，臺灣上演著一齣「動物星球」般的實境連續劇：一隻來源不明的東非狒狒（Papio anubis）在桃園地區突然現蹤，在社會上引起一陣漣漪。隨著目擊者們在網路上的分享，狒狒活動的消息開始在臺灣社群蔓延，甚至有熱心的網友繪製牠行蹤路線圖供民眾參考。農政單位也利用媒體提出警告，稱狒狒屬於兇猛的靈長類生物，呼籲狒狒活動區域中的居民需要多加留意，並提供民眾遭遇狒狒時的基本指引：

遇到狒狒時手中不要有食物，避免吸引其覓食接近…務必放下食物遠離牠，以避免遭受攻擊，確保自身安全。

實際與狒狒近距離遭遇的群眾，緊張之餘似乎也帶著一點興奮之情。據目擊者稱，這隻謎之狒狒並非想像中那般窮凶惡極，不僅會主動避開人群，也具有良好的生活紀律，在進食後還會將果皮整齊地擺放後離去。整個系列新聞宛如臺灣版《狗狗猩猩大冒險》（パン＆ジェームズのおつかい大挑戦！），而狒狒屢次逃脫搜捕的劇情又有如《湯姆貓與傑利鼠》（Tom and Jerry）般的曲折，在忙碌的塵世生活中平添一些清新。

在狒狒現蹤後的第 18 天，編制混雜的搜捕隊終於發現了狒狒藏身處，一陣警匪對峙般的攻堅行動中狒狒胸部中彈身亡，一齣暖心劇最終以血腥收場。

狒狒是什麼樣的動物？

狒狒屬於猴科（Cercopithecidae），在物種分類關係上，相較於紅毛猩猩，牠與臺灣獼猴（Macaca cyclopis）的血緣更近一些。世界現生的狒狒大約可以分為五種，分布在非洲與阿拉伯半島東側的紅海之濱，大多落腳於草原、稀樹草原或灌木叢區，和大多選擇森林作為棲所的靈長目動物大相逕庭。科學家相信，狒狒因此發展出與其他靈長類動物不同的外貌，包括長得像犬科動物般突出的口鼻部、鋒利的犬齒、近距離的雙眼、厚重的皮毛、短短的尾巴等。現今學界認為的靈長類演化方向是口鼻部的扁平化，兩眼由側面調整至前方，以換取較好的立體視覺，作為森林間擺盪、穿梭時對距離有更好的掌握，狒狒的這番操作有些背道而馳。

狒狒是猴科中最為剽悍的一支，牠們生活在天敵環伺的草原及疏林，缺乏森林的保護，因此洪荒之力是生存唯一的支撐。據信早年英國探險隊在非洲初見雄性狒狒力抗花豹，相互撕咬的景象相當震驚。狒狒通常為群體生活，由一隻雄性、數隻雌性及幼體組成一個基本家庭單元，然後由數個家庭組成更為大型的「部隊」（troop）集體行動，一支部隊的總個體數約 50～250 隻，但也有更小或更大的族群。狒狒是雜食性的機會主義者，幾乎什麼都吃，破壞性極強，在當地居民的眼中應該不是什麼善類。不過在古埃及，阿拉伯狒狒（Papio hamadryas）被視為是月神托特（Thoth）的化身，有趣的是，在古埃及諸神化的動物之中（豺狼、河馬等），只有阿拉伯狒狒並不是埃及原生的物種。

所以儘管狒狒的外貌並不出眾，其實還是一種相當有故事性的物種。

動物園的社會定位

動物園幾乎是絕大多數人的童年回憶，不過很少人會認真思考它在社會中的定位。如果有一群動物需要以終生監禁為代價，以近乎全年無休的犧牲成就大眾人生中的美好，我們似乎應該負責任地為牠們找個好理由。

從歷史的角度來看，動物園的形成與馬戲團有相當深厚的影響。事實上臺北動物園據信最早就是由馬戲團演變而來。早年的動物園以提供民眾休憩、活動為主要目的，除了展示來自世界各地的奇珍異獸之外，也推出動物表演秀等節目娛樂大眾。當時代更迭，動物保護意識抬頭，動物園的本質產生相當大的轉變；設計籠舍時開始考量動物的各項生理需求，除了空間與配置，也會控制溫度與光週期，盡量讓這些住客有家的感覺。動物園的使命也從單純的休憩娛樂，轉而成為教育及保育的平臺。

現今的文明世界需不需要動物園？支持者或許認為動物園的存在仍然具備相當的自然科學教育意涵。但其實現代社會資訊發達，透過拍攝生物在原生棲地生活的影像資料，常常能提供更為正確而鮮活的認知。只是因為想看看這些動物就必須將牠們終生監禁，不知道動物們能否接受這樣的理由？

這裡想要表達的重點是，即便到了 21 世紀，動物園仍繼承著人類對動物好奇的各種欲望需求，不論是教育目的還是休憩。這些動物大使們有如漢朝蘇武持節般遠渡重洋，遭受無限期的拘留，為人類及其自身種族之間搭起一條相知的橋樑，這樣的犧牲是否應該值得我們這個社會給予更高規格的尊重？

動物脫逃事件其實比你想像的多

筆者大學時期主修動物學，並在年輕歲月時擔任臺北市立動物園義工達三年之久，對動物園的實務運作有所了解，也在服務期間聽了很多的鄉野傳奇故事。雖說都是豢養動物，但想要管好動物園，挑戰比一般農場複雜許多。

動物園管理有如電影中某國聯邦的重刑犯監所，裡面收容的「大哥角頭」各異：兇猛的、高智商的，或者兩者兼備的都有，比起農場裡那些「傻白甜」的家禽和家畜，管理難度完全不是同一級別。即便是「臺灣第一」的臺北市立動物園，動物脫逃的故事還是有如《一千零一夜》（One Thousand and One Nights）中的童話故事般豐富。「緝捕歸案」其實是這些故事裡主角最好的結局，不過依照臺北市立動物園的公開新聞訊息，動物脫逃處理 SOP 中的第一條便是取槍——麻醉槍及上膛的獵槍都要。為了避免困獸傷人，「滅口」永遠是一個選項。

動物園該負整體事件全權責任嗎？

猴命鬧上新聞了，自然要追究事件的責任。謎之狒狒最後確定為六福村動物園所有，動物園因此公開坦承疏失，並果斷地執行人事懲處。新竹縣政府農業局身為主管機關，也以「未妥善管理導致脫逃，在狒狒脫逃後又並未主動通報」的理由，依現行的《野生動物保育法》第 37 條規定，祭出罰鍰五萬元的最嚴重處罰。由於民憤難平，所以中央主管機關農委會林務局適時地提出《野生動物保育法》修正草案：「逸失保育類野生動物未通報，罰鍰自一萬至五萬元，上修為三萬至十五萬元，並由飼主負擔圍捕費用⋯⋯」。

綜觀整件事件的善後，弦外之音有著「猴子是你家跑的，簍子是你捅的，所以罰你」的傳統直線邏輯，彷彿只要猴子不跑，世界便一片靜好。如果說動物園的存在仍然具備一些社會意義，而動物脫逃也難以完全避免，這個社會是否應該負起更大的道義責任，以更為人道的方式處理這類的事件？例如由中央協助跨縣市動物園間整合野生動物獸醫資源、透過工作坊精進各種野生動物誘捕回籠的技巧、組建可以相互支援、快速部署的反應小組等。

狒狒已死。筆者希望的是更多動物保護意識的喚起，進而化為行動，讓住在臺灣的這些動物大使有更為人道的對待——不論是住在裡頭，還是基於野性呼喚偶爾的外出放風。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 6 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。