無刺的刺槐如何在非洲存活？

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/

有在玩遊戲的人應該對《星海爭霸》這款即時戰略遊戲並不陌生。《星海爭霸》帶給了我們可以說是遊戲史上最完整的世界（宇宙）觀之一，從裡面科幻、空想的軍事單位到物理、萬物的原則，都有詳細的故事和背景。

當然，這樣的遊戲中當然少不了跟現實科學相關的元素（或漏洞）。

遊戲中的種族之一——蟲族，是一種能藉由吸收其他物種來強化自己的進化部隊，與其說他們是噁心原始，不如說他們是相當進化的生物，將生存發揮到了極致：誰的基因有用，我就用誰。 儘管整個《星海爭霸》的故事背景是設定在一個外星系，但未來的人類竟然都能在那邊生存了，那我想拿地球稍微比較一下應該不算過分吧！那就把蟲族的的部隊中的兩大菁英：蟑螂和刺蛇，拿出來用地球上的眼光來看吧！

超強「蟑螂」，本體基本上是蛞蝓？

作為整個軍團的核心之一，蟑螂的重要性可以說是無法比擬，理所當然，他們的背景資料也是相當的豐富。從資料庫中，我們可以知道許多關於蟑螂的二三事，讓我們可以好好分析這個物種：

1. 蟑螂的中心能力是來自一種會分泌的酸性黏液、還能快速自我治療的蛞蝓。
2. 這種蛞蝓是可以從土壤吸收養分治療傷口與受損的組織，並組成外殼。
3. 擁有高度特化的條紋導管，所產生的酵素可以將蟑螂的強酸唾液化為武器。蟑螂利用導管周圍的肌肉，激射出酵素與唾液的混合液。
4. 有些理論相信蟑螂並非對自己的強酸體液免疫。即使在體內不斷受到強酸腐蝕的情況下，蟑螂強勁的恢復能力仍可保持體內組織結構性的完整。

真實世界的蛞蝓們

《星海爭霸》中的蟑螂竟然是一個圍繞著蛞蝓打轉的物種！但是真實世界的蛞蝓真的能辦到嗎？先不討論外星蛞蝓，我們先來看一下地球上的蛞蝓。

蛞蝓的黏液與人類的鼻涕很像，由水、多醣體和一些蛋白質所構成，除了保護蛞蝓不會脫水外，也提供蛞蝓「變速」功能，在不同地形、坡度、生存情況（如遇到危險）下，牠會調整黏液的成分、產量來改變移動能力。至於蛞蝓的外皮，或著是稱為外套模，是與蝸牛相比退化了許多的殼，簡單的鈣質外套模是蛞蝓儲存鹽分的器官和連結器官的介質。

所以說在地球上你要找到一種能夠吐酸和組成硬殼的蛞蝓，基本上是不可能，因為光自己就受不了了。

但是看看《星海》中蟑螂的介紹：

「蟑螂並非對自己的強酸體液免疫。即使在體內不斷受到強酸腐蝕的情況下，蟑螂強勁的恢復能力仍可保持體內組織結構性的完整」

所以要從蛞蝓變成蟑螂一個最大的門檻在於要有超強的「自我恢復力」。

另外一種蛞蝓的表親：海蛞蝓，某種程度上在化學物質的利用上更勝陸地上的好朋友。海蛞蝓在受到攻擊的時候，第一階段會釋放出墨汁與蛋白質混和的煙霧彈，如果掠食者還是不罷休，海蛞蝓會進入第二階段：釋出一種使掠食者反胃的化學物質，讓他們失去食慾。這種物質是一種生物的次級代謝產物，和植物的防捕食化學機制類似，海綿也會產生類似的物質。所以如果把蟑螂的酸性攻擊當作次級代謝產物的一部分，還蠻合理的，因為他不影響生物本身的生存和生長，沒有它或許蟑螂還活得更好。

• 香蕉蛞蝓黏液的秘密

能噴酸液的節肢動物—鞭蠍

現在我們跳脫蛞蝓和超強恢復力不談，現實地球上還有什麼會噴酸液的生物，能來和《星海》中的蟑螂比較一下呢？

其實地球上還有一種能噴射酸液的節肢動物——鞭蠍（Whip scorpion, Thelyphonus doriae）。牠外表看似蠍子（但牠其實不是蠍子），除了又圓又大的螯，和比蠍子還要更像外星人的外型外，鞭蠍最吸引人的地方大概就是那個鞭狀的尾巴。鞭蠍的體內沒有毒腺，但在尾部的地方有一個混和乙酸和辛酸的腺體，當鞭蠍被打擾的時候，牠腺體四周的高壓會將這些酸液噴出，這些聞起來像醋的液體雖然對大型動物無害，也不會腐蝕你的相機鏡頭，但足以使牠擊退掠食者，甚至給一些更小型的節肢動物送終。

如果要找一個蟑螂在地球上的遠親，我想鞭蠍大概毫無爭議，只差把金鋼狼的基因加進去了。

蟲族大砲「刺蛇」

至於蟲族的玻璃大砲——刺蛇，又是另外一種進化方式了，而且某種程度上看起來更無害。

1. 在刺蛇的蟲殼盔甲下裝載了上百發的穿甲脊刺，能朝著從地面或空中接近的敵人發射。
2. 刺蛇那非凡的肌序（4000 條肌肉，而人類只有大約 600 多條）讓牠們可以用令人震驚的速度射出針脊刺，輕易地穿透 2 公分厚的實心新型鋼鐵板，就連在最遠距離也不例外。
3. 一種毛蟲狀、軀幹擁有細密刺毛包覆的草食生物叫「怠惰蟲」是刺蛇們演化的來源，這些刺毛擁有中度麻痺作用，用於抵擋攻擊。

看起來刺蛇其實是隻帶刺的毛毛蟲囉？

其實要在現實世界中找到帶刺的動物其實不少，如海膽、刺蝟……，還有許多隱性的帶刺動物如刺絲胞動物門的生物，但我第一個想到最接近的物種是豪豬。

看同樣有刺的豪豬，怎麼抵禦敵人？

豪豬（或稱箭豬，但不是刺蝟）除了滿身的刺外其實圓滾滾、還蠻可愛的，但他不是豬，而是齧齒目（也就是老鼠的近親）。豪豬分為新大陸及舊大陸種：舊大陸種的豪豬，刺是長在一個類似甲殼的身體部位上；而新大陸種的刺則是像頭髮一樣，直接與皮肉相連。 當牠們遇到危險時會背對威脅，並把身上的刺「豎起」 （注意不是射出喔），目的並不是攻擊或獵殺，而是讓掠食者攻擊後感到強烈的痛楚，知難而退。

牠身上的刺平均直徑有 0.5 公分，大概像原子筆的筆芯那麼粗，而且前頭有些微的倒鉤，所以一但被箭豬的刺刺到，不但難以拔下來，每次動作還會加深傷口，甚至引發細菌感染。

• 豪豬與牠身上的刺

但是重點來了，豪豬並不會射出刺。 這些由角蛋白（類似我們的指甲）構成的刺並不會主動出擊，而是因為豪豬一受到驚嚇或威脅，身上會起類似雞皮疙瘩的反應，皮下的豎毛肌會將刺豎起，由於刺的根部脆弱，稍微一碰到就很容易脫落，進而使攻擊者「中鏢」。

說到肌肉在自體防衛上的表現，還有會噴出毒液的眼鏡蛇，牠的毒腺也是經由肌肉擠壓，由毒牙中空部分噴出，所以說到噴射出物體，肌肉可說是功不可沒。

所以我們能發現，藉由肌肉射出脊刺的刺蛇，其實相當接近現實的生物了。想像一下，有一天你皮下肌肉變得十分發達，只要起雞皮疙瘩，就會觸動皮膚表層的毛飛出去，這大概就是刺蛇攻擊的方式了。也就是說刺蛇可能相當於經過改造、能力加強的豪豬，牠們一直處於戰鬥狀態，擁有取之不盡、用之不絕的「疙瘩力量」，讓牠們隨時可以射出脊刺來攻擊敵人。

刺蛇的咬合力大輸地表生物

另外一個我還蠻在意的設定是 ：

「刺蛇的厚顎也是演化自怠惰蟲，利用進化來提高雙顎功能後，牠的咬合力有 450 公斤，能夠輕易咬斷肉體、骨骼和新型鋼鐵。」

太多嗎？不，太少了。對比人類僅有 40 公斤的咬合力是強很多沒錯，但是 450 公斤在動物界上只是「還可以」的等級，一票動物如北極熊、老虎、鱷龜、鬣狗等，不僅咬合力跟他不相上下，甚至更強大。

咬合力箇中翹楚如大白鯊、河馬和鱷魚家族，可是遙遙領先刺蛇數倍以上，以鹹水鱷來說，咬合力可達 3000 多公斤。所以你說刺蛇能夠在克普魯星區咬穿新型鋼鐵，我真不知道該說新型鋼鐵中看不重用，還是地球上的猛獸們其實太強大了。搞了半天，或許待在地球上也沒有比較美好，身在強敵中不知強啊。

恐怖的蟲族看似強大，但是在其兇猛的外表底下，我們還是可以在地球上找到一些牠們的影子，讓人不禁想問，如果你是蟲族主宰，你想同化誰？

參考資料：

1. Aaron, The Vinegaroon and its Acidic Defensive Spray, Next Gen Scientist, 2014.9.8
2. 23 most strongest animal bites in the world of PSI, Tail and Fur, 2016.11.27
3. 謝伯娟，〈無殼蝸牛──蛞蝓與半蛞蝓〉，環境資訊中心，2005 年 8 月 9 日。
4. Spitting cobra, Wikipedia
5. 豪豬，維基百科
6. Starcraft Wiki