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「TED 不讓你/妳看的兩個演講」到底在爭議什麼?兼論 TED 的社會位置

洪靖 Ching Hung
・2014/07/21 ・5880字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 548 ・八年級
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在寫完〈TED 到底該不該讓你/妳看那兩個演講?〉,回應兩位網路高人的爭論──王大師〈TED 死都不想讓你看的兩個演講!〉與 Gene Ng〈TED 死都不該讓你看的兩個演講?〉──之後,本以為爭議大致已經收尾,但沒想到討論越演越烈:Gene Ng 於隔天(2014-07-16)再回應一文〈為什麼那兩個 TEDx 演講最好寫成科幻小說?〉,強調孔恩的的典範理論仍然是一個不錯的而且足以用來區辨真科學與偽科學的根據,而被刪除的那兩個演講屬於偽科學,所以被 TED(x) 排除也沒什麼好抱怨的,不如好好發展成為科幻小說,說不定讀者更多、影響力更大;再隔一天(2014-07-17),王大師再出一文〈他 X 的,管他 TED 要你看什麼!〉, 宣示「大開書戒」並引用從古至今幾位哲學家的論點,強調科學一直處於變化當中,所以用「現在」認為的科學來排除其他觀念的傳播,無異故步自封、劃地自限。 顯然,這個討論已經變成一個「系列」。雖然作為科普或哲普爭議,論點與立場大致都已經清楚(雙方不太相容似乎也很清楚…),但若沒有人把系列接下去似乎也頗奇怪,所以我決定再發一文。不過,到底還有什麼可以寫的?

開始之前,我想先說的是,雖然不知道過去是否曾有類似的爭論方式,但這個爭議應該頗有意義:來自不同領域的作者,用彼此可以溝通的半學術語言,討論重要媒體(TED)對於科學傳播的作為、以及到底怎樣算是科學,除了有一定的讀者數量之外也發展成系列回應,這樣的討論型式與內容本身,也算是一種科學──不論是自然科學或是社會科學──普及與傳播行動吧!不過,截至目前為止,如果我們注意一下前述幾篇文章的讀者回應(在作者們的臉書、粉絲頁、或者轉登文章的泛科學臉書與網站),大概不難發現,讀者已經開始覺得走到「迷霧森林」了。當哲學家越來越多、讀者就越來越少。當然這不是說哲學論點都惹人厭煩,而是吊書袋本來就不容易「讀者友善」(reader-friendly),不然科普、哲普、社普、陰謀論普…等就不會是這麼令學者頭痛的工作了。有鑑於此,我決定在這篇文章盡可能放下那些哲學家(雖然我也只是半路出家)、放下書袋(雖然我也沒幾包),聚焦於一個工作:重新釐清這個爭議的原委,以及現階段我們能夠如何改善或推進這個爭議。

如果回到爭議的起點,在我看來,這個爭議可以分為三個層面

  1. TED 到底是否可以──被允許(be allowed)、或有權利──篩選演講內容?
  2. 如果 TED 「可以」篩選演講內容,那麼「科不科學」應該成為「值得與否」的判準嗎?
  3. 如果 TED 應該用科不科學來判斷演講內容是否值得傳播,那麼那兩個演講到底科不科學(所以應該被保留或刪除)?
TED 的理想傳播(Photo credit: Lawrence Wang, CC BY 2.0)
TED 的理想傳播(Photo credit: Lawrence Wang, CC BY 2.0)

這三個層面其實是有順序的:從 1 到 3 而不是從 3 到 1。如果 TED 不可以──不被允許、沒有權利──篩選演講內容,那麼後面兩個問題都是白搭,因為不管演講是否科學,或者只是外星人講外星話,TED 都不能刪除它們,所以我們也沒有必要用「主流論述排斥邊緣意見」來指責 TED。再者,即使第一層問題解決,但假如科學與否「不應該」成為篩選標準,那麼同樣地,就算是外星人講外星話,TED 也不能用「不科學的」的理由來刪除它(但或許可以用「一定要講英文」作為理由)。換句話說,只有回答第一層與第二層問題,或者至少取得共識之後,才比較適合進入第三層問題。但,回顧過去的幾篇文章,幾乎都把篇幅花在第三層問題,對前兩層問題甚少著墨,或者,更精確地說,是「逆向」作答──從第三層問題開始回答起。

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逆向作答導致一個問題,就是出現兩種截然不同的推論結果:在 Gene Ng 一方來看,因為科學就是要 OO 和 XX 作為標準,所以兩個演講當然不科學,而不科學就不應該傳播,所以 TED 當然要認真篩選;而從王大師一方出發,因為科學沒有標準可言,所以兩個演講也可以算是科學,既然算是科學當然不能被刪掉,所以 TED 充當論述守門人簡直邪惡。雖然第三層問題涉及「怎樣算是科學」的議題,意義十分重大,但是當前的順序似乎會導致一種「無解的對立」:只要解決第三層問題、決定怎麼樣算是科學,那麼要嘛 TED 繼續存在、依舊篩選,要嘛 TED 最好倒掉、或者改過向善。換句話說,在目前的討論模式裡,TED 的角色只能被結論所決定,而這就是為何,雖然至今幾乎每篇文章的標題都含有「TED」,但實際對於 TED 的討論卻寥寥可數。我們似乎忘記這不只是一個哲學議題,也是一個社會議題。

試著從頭來過,看看能不能理出一個比較好的頭緒。首先,第一層問題:TED 到底是否「可以」篩選演講內容?在我來看,TED 當然有權利這麼做,只要法律沒有明訂禁止之事,任何真人或法人都可以自由行事,這是基本上大家都同意的(西方)民主自由基本原則。不過,我想更進一步強調的是,「篩選」不可能不存在。TED 作為一個組織、一個機構,人力與物力皆有限,不可能讓所有想要講話的人都登上 TED 舞台,因此勢必要決定誰能上台以及誰先上台。換句話說,即使我們強力要求、甚至命令 TED 不應該篩選,這也是一個不可能的企圖,我們不得不接受 TED 以及必須篩選的事實。所以,第一層問題的答案是:TED「可以」篩選演講內容,不只是因為它有這個權利,更是因為它不得不篩選。如果篩選是必然,那麼緊接著的問題就是:TED 要怎麼篩選?依據什麼篩選?

誰能通過 TED 的篩選?(Photo credit: Gisela Giardino, CC BY-SA 2.0)
誰能通過 TED 的篩選?(Photo credit: Gisela Giardino, CC BY-SA 2.0)

我們可以試想,如果我們作為主事者,在我們知道一些科學、知道一些藝術、知道一些 XX,但都並非精通的狀況下,讓什麼人上台講話最保險、最不會讓人質疑?答案相當簡單,就是那些已經被社會認可──不管是透過建制化的認證(例如學歷)或者非建制化的人氣(例如銷售量)──的講者。這就是為什麼大部分的 TED 講者會是教授、作家、明星…等具有一定程度社會地位的人,而不是城市遊民或是隔壁老陳(本來要寫老王,但不好和王大師搞混)。也就是說,TED 的篩選機制其實建立在社會的篩選機制上,TED 只是加強重覆社會篩選的標準。邀請那些已經經過認證或受人矚目的講者是最安全的作法。這就扣連到我們的第二層問題:「科不科學」應該成為 TED 判斷「是否值得」播出的標準嗎?很顯然,答案是:科學與否勢必會成為 TED 的判準之一,因為它早就已經是這個社會最重要的判準之一。

正是因為 TED 的判準只是社會判準的延伸,所以一旦發現當初的判斷失誤──播出的演講引起軒然大波或者招來嚴重抗議──TED 的反應就是將它刪除或撤掉。TED 的判準必須和社會的判準一致──講白一點,就是不可能背離主流意見太遠。尤有甚者,如同其他媒體,不管營利或非營利,TED 的目標都是閱聽大眾、存續也依靠閱聽大眾,因此更不會也不願去招惹閱聽大眾。如果瞭解 TED 的這個「位置」,那麼我們應該可以這麼說:TED 將那兩個演講下架不是因為 TED 認為那兩個演講不科學,而因為大眾不滿意那兩個演講── 真正做出判斷的是這個社會(至少西方社會)、而不是 TED。所以,我們可以看到,一個演講──例如我看過一個主題是禪坐──即使不符合 Gene Ng 所言的「科學」,它也並未被下架,原因就在於它是大眾認可與接受的觀點(這或許是一種「大眾可以接受的」科學吧)。就這一點來說,我想王大師可能有些失準,因為 TED 並沒有「守門」,守門的其實是 TED 賴以維生的社會與大眾。

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如果 TED 「一定」要篩選(第一層問題),而且它的篩選標準「一定」會跟著社會走(第二層問題),那麼我們可以發現,在原來問題的脈絡裡,第三層問題或許沒有出現的必要,因為科不科學對於 TED 來說並不重要。就算 Gene Ng 成功證明「符合 OO 與 XX 才是真科學」,但如果大眾依舊喜歡那些不符合 OO 和 XX 的觀點,那麼 TED 還會是照播不誤,因為實際上這些觀點並沒有被社會當成偽科學;同樣地,即使王大師成功證明「根本沒有什麼真假科學的分別」,但如果大眾特別厭惡某些觀點和 看法,那麼 TED 還會是下架刪除,因為實際上那些觀點不被當成「常態」的一部分。在這裡,我們可以看到一個有趣的現象:在理論上(in theory)認定「應該」如何,和在實作上( in practice) 發生的「實際」狀況,兩者幾乎相關。這種「應該怎樣」和「實際怎樣」的斷裂,其實正是孔恩科學哲學最惱人之處。

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TED 是演講啦!不是這隻熊…(Photo credit: MIKI Yoshihito, CC BY 2.0)

孔恩的科學哲學始於科學歷史。整個典範理論其實是在「描述」過去科學的發展狀況。問題在於、這個描述能不能變成準則,用來規定科學應該如何發展?有的人認為可以,有的人認為不行。認為可以的人,通常看到的是典範作為助力的面向;認為不可以的人,看到的則是典範作為阻力的作用。這就是早期孔恩著作在社會科學領域掀起的波瀾:一派認為正是因為社會科學沒有典範(或多典範併行),所以沒有辦法累積案例、發現異例、然後科學革命,反而都把時間和經歷花在爭論哪個理論比較好,導致社會科學不如自然科學那麼進步,所以這派人大力倡導訂立社會科學的典範,讓大家都在這個典範下工作;另一派則認為,沒有單一典範正是社會科學的長處所在,因為典範其實正在壓抑和框限研究創意與理論創生,對於這派人而言,自然科學是一種權力的展現,它規定人們該做什麼、不該做什麼,所以社會科學最好各自為政,不要「典範化」比較好。對於支持常態科學的人來說,典範理論是科學如何成功以及變得更成功的教戰守則;對於反對常態科學的人而言,典範理論則是戳破科學作為理性事業的歷史明證。

這或許就是孔恩典範理論大受歡迎的原因:每個人都可以在孔恩的觀點裡找到他/她想看到和使用的論點。孔恩學說的曖昧和尷尬,在這個事件中最 為清楚:孔恩在 1980 年代拿下(當年)非常強調「社會建構論」──科學裡面沒有真理,而是充滿社會原因──的美國 STS 的年度大獎,但孔恩卻在致詞的時候指稱社會建構論「解構到發狂」、根本走得太遠了。社會學家/哲學家 Steve Fuller 寫了關於孔恩數本著作,認為孔恩的成功正是因為他「一直很模糊」,從來不講清楚到他到底認為科學應該如何發展。Fuller 批評,相較於 Karl Popper,孔恩對自己的理論簡直就是不負責任(見〈孔恩vs.波普︰爭奪科學之魂〉)。當人問起孔恩「您是認為科學應該依照典範學說來發展嗎?」,他會回答「典範理論只是在說明科學在歷史上的發展模式」;當你問「所以科學發展可以不需要典範嗎?」,孔恩大概又會說「正是因為有典範所以科學這麼成功。」確實很模糊,但很成功。留下來的問題仍是:科學需不需要典範?能不能說過去有典範(實際如何),所以未來也要有典範(應該如何)?

我可以停科學家的車位嗎?(Photo credit: evan p. cordes, CC BY 2.0)
我可以停科學家的車位嗎?(Photo credit: evan p. cordes, CC BY 2.0)

對於這個問題,我想,我們只能說「『應該』發展典範之下的常態科學」,但沒辦法因此就說「『不應該』有非常態科學的觀點」,或者,我們只能說「典範『不應該』限制另類觀點的發展」,卻沒辦法因此就說「『應該』廢掉與抵抗任何典範」。因此,我同意王大師認為 TED 代表主流意見正在過濾非主流意見的看法,因為我們確實見到這個篩選的動作,但卻不能完全接受「什麼都該被當代科學所接納,不然就是排除異己」的暗示,因為 那兩個演講確實與當代科學有所差距;我也承認 Gene Ng 說那兩個演講寫成科幻小說或許可以發揮最大效力,因為很多時候科幻小說其實導引了科學的方向(想想日本機器人工業和機器人漫畫的關係、美國航太工業和太空 小說與電影的關係),但卻不能完全認同「那兩個演講都不該被當成科學」的論斷,因為我們頂多能說它們是「偽常態科學」而無法說是「偽科學」。

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至於科學劃界──什麼是科學、什麼不是科學──的問題,根據我的瞭解,科學哲學界仍然沒有定論,雖然多數時候相安無事,但仍時不時會拿出來吵一下。有人因此認為科學根本不需要科學哲學,因為反正不管科學哲學怎麼說,科學家反正依照自己的步調在做自己的事情──科學家做科學研究不需要科學哲學,就像鳥類飛行不需要流體力學。但,人類不是鳥類,我覺得要必要幫科學哲學說些好話:哲學家對於科學的研究──科學哲學──可以透過語言反饋到科學家,讓科學家理解到自身的狀態。這有一個好處,就是當科學家發現研究的困難時,可以開始思考「思考的框架」在哪裡、是哪些預設在導引研究的進行, 進而跳出盒外思考(to think outside of box),但卻不需要為了置身盒外(to be outside of box)而真的退出科學社群。而突破界線與限制,不正是科學的目標之一嗎?如果鳥類發展出自己的流體力學而且可以相互溝通的話,說不定牠們可能會因此飛得更快更高更遠更省力,甚至發展出協同飛行的方法。至於有人說哲學家沒有受過科學訓練,不瞭解科學才會大發議論,這個說法其實完全不符合事實,不少重要的科學哲學家都是帶著理工的博士學位跨入哲學領域,孔恩本身就是其中一位,要說他們不瞭解科學未免也太空穴來風。

科學哲學的著作一定有這麼多…(Photo credit: Alan Morgan, CC BY-NC-ND 2.0)
科學哲學的著作一定有這麼多…(Photo credit: Alan Morgan, CC BY-NC-ND 2.0)

本來想寫得簡單一點,但好像越寫越複雜(汗)。我試著簡單總結一下。TED 刪去那兩個演講的事件,或許是哲學議題,但其實更是社會議題。 直接跳到最後一個層面──到底演講科不科學──來作答,讓我們忽略了對於 TED 社會位置與行動的討論。我們已經看到現在情況多麼複雜:TED 無論如何都會也要篩選演講,而且它的篩選標準要不跟著專業認定(科學家認定的常態),要不跟著大眾喜好(大眾接受的常態),而科學到底是什麼根本眾說紛紜、莫衷一是。在這樣的情況下,與其各執一詞來指導或指定 TED 對於那兩個演講的作為,我們不如好好深入理解 TED 的運作方式、挖掘有哪些篩選標準在運作。一方面,我們──作為閱聽大眾──必須認知到 TED 不是中立的平台(任何平台都不是!),因此無論如何都不能無條件信任 TED 演講的全部內容,或者覺得演講內容「可是經過 TED 認證的」所以有道理、不會講錯。另一面,對於 TED 判準的理解其實也對於我們自身判準的理解,因此只有當我們意識到思考的界線──篩選的標準──的時候,我們才可能找到「問題意識」要往那邊轉換的方向。總 的來說,我們無法立即說那些挑戰當代科學邊界的觀點是對是錯,但若沒有這些挑戰,我們就不會知道邊界在哪裡,也不會有機會改變邊界的範圍。

延伸觀賞(只有英文字幕):
這位科學史家在 TED 的演講,告訴我們雖然科學真的很像孔恩說的那樣,但不代表我們應該就此不信任科學家、或者認為他們專愛打壓異己。

原刊載於HOT PoT,作者投稿後刊載。

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洪靖 Ching Hung
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從原子科學轉向歷史學再跑到社會學最終棲身哲學但始終很關心技術與科學的假研究者真部落客,現職〔社技哲學〕部落格站長順便擔任荷蘭 University of Twente 技術哲學博士候選人。

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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)。

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。

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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。

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。

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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。

圖/Shutterstock

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?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

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。

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。

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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 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

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!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

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。

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圖片來源:shutterstock

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)。

圖片來源:shutterstock

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」。

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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。

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圖片來源:shutterstock

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。

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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?

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參考資料

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有興趣的事就可以做很久——張允崇專訪
顯微觀點_96
・2024/09/07 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

首圖用
圖/顯微觀點

「從高中生開始到大學生,甚至到研究所碩士、博士,其實你只要做一件事-叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作,不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員,還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員,並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代,加上他對光學和雷射很有興趣,因此選擇光電半導體作為研究領域,其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED(發光二極體,light-emitting diode)是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時,電子與電洞複合以光子的形式釋放能量,而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

一開始以磷化鎵砷(GaAsP)為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低,因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED,但一直缺少藍光 LED,就無法以光的三原色-藍、綠、紅,來任意組成不同的顏色,尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年,日本日亞化學(Nichia Corporation)的中村修二成功把鎂摻入,成功以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN)開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後,白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體,帶來了節能明亮的白色光源」的理由,將獎項頒給中村修二,以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說,當時藍光 LED 領域正好當紅,因此博士班期間以及回台任教之初,便以此為研究材料進行研究。

但很快地,藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多,相關應用和研究到達瓶頸,要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄,就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始,投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」,推動奈米科技發展。因此,張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程,其中一個便是奈米球鏡微影術(Nanospherical-Lens Lithography,NLL)。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻,藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列,這樣不僅可以大面積生產,使用的設備也是產業界既有生產設備,成本相對低廉。

「到 2018 年,我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示,儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量,但在學術發表上外界期望看到「新功能」,加上後來到中研院任職,資源較多,便不再限制於奈米球上,而是開發各種奈米製程和新功能。

張允崇
擔任 2024 Taiwan顯微攝影競賽評審的張允崇認為,像顯微攝影這樣「較為學術」的攝影競賽,加分之處在於拍攝者發揮創意,在平凡無奇圖案中找到有趣的地方,例如某個角度像朵花或是用不同的染色變成有趣的圖案。圖/顯微觀點

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究,沒有任何一個公式在投影片裡」,張允崇笑稱因為自己的數學不太好,所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例,儘管背後有很多數學推導,但在他們實驗室的研究開發中,便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺,進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」,不如說張允崇更看重科學直覺和實作,這不僅表現在他的研究,也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽,起因於他參與國際光電工程學會(International Society for Optics and Photonics, SPIE)的年會時,擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審,氣氛不錯。

加上當時張允崇在台大物理系兼職,教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」,比起考試他更希望學生能從做中學,因此便參考年會外展活動的概念,讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽,就像區域競賽比得好,比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師,才將全國競賽籌備起來。

不過,競賽今年邁入第三屆之際,回顧這一路走來,張允崇認為,競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示,許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時,早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好,可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域,你就被他綁住了,博士班再讀(其他領域)好了,其實也跳不太開了。」張允崇說,不只選錯路不易回頭,進而出現「學用落差」外,學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽,讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師,不喜歡;大二可以換一個、大三再換一個,老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」,張允崇表示,就算學生不用跟著老師的計畫題目,教具做不出來也沒關係,單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容,進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說,考試答案都是已知的,學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此,答案都是未知的,因此培養解決問題的能力,包含問對人找到解決方法,更為重要。

而要培養解決問題能力,最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現,不僅限於書本與公式;例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工,甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室,就算「自認不適合讀書」,也能從中發現自己的專長和定位。

從半導體到奈米光學,再到生物感測,張允崇的研究領域很廣,「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱,「優點是領域很廣,但缺點是『你問我做什麼題目,我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西,就可以做好一件事,「因為你會願意花很多時間」。

電子顯微鏡
使用電子顯微鏡拍下的奈米球,如同擺放在球釘上的高爾夫球。圖/顯微觀點

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。