113 地方特考三等 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡、分析化學、儀器分析） 考古題詳解

核心觀念

本題考查依燃燒物質區分火災類別，以及各類火災的可燃物。分類時要辨認「實際燃燒的物質」，不能只看場所或設備。

解題方法

依常見的火災分類，將燃燒物質分為普通可燃物、可燃性液體或可熔化固體、可燃性氣體，以及電氣設備。各類別及典型物質如下：

核心觀念

微影（photolithography，亦稱光刻）是半導體製程中的圖案轉印技術：先在晶圓表面塗佈光阻，再透過光罩與曝光系統將預定圖案轉印至光阻；經顯影後，光阻上留下指定形狀的開口或保護區域，供後續蝕刻、離子佈植或薄膜沉積等製程使用。

微影的目的，是在晶圓上精確定義元件與電路圖案的位置、尺寸及形狀。光阻可分為正光阻與負光阻：正光阻曝光區較易溶於顯影液，負光阻曝光區交聯後較不易溶解，因此顯影後保留區域不同。

解題方法

本題是製程說明題，作答應先給出「利用曝光與顯影將光罩圖案轉印到晶圓光阻層」的定義，再按晶圓加工順序列出主要步驟，並簡述各步驟作用。

微影製程主要步驟

1. 晶圓清洗與表面處理 去除晶圓表面的微粒、有機物與水分，提升表面潔淨度及光阻附著性。視製程需要，可進行脫水烘烤或表面黏著促進處理。

2. 光阻塗佈（spin coating） 將光阻液滴在晶圓表面，以旋轉方式形成均勻且具有適當厚度的薄膜。

3. 軟烤（soft bake） 加熱去除光阻中的部分溶劑，讓光阻膜穩定，並改善後續曝光與附著狀況。

4. 對準與曝光（alignment and exposure） 將光罩圖案與晶圓上既有的圖案精確對準，再以紫外光等光源曝光，使光阻依圖案產生化學性質變化。

核心觀念

**蝕刻（etching）**是半導體製程中，利用化學反應、物理轟擊或兩者併用，選擇性移除晶圓表面未受保護材料的步驟，以把光微影形成的圖案轉移到下方薄膜或基板上。光阻或其他蝕刻遮罩覆蓋的區域受到保護，開口處的材料則被移除；完成後通常再去除遮罩。

蝕刻常用下列性質描述：

• 蝕刻速率：材料厚度隨時間移除的速度，常以 $\mathrm{nm/min}$ 或 $\mathrm{\mu m/min}$ 表示。
• 選擇比：目標材料相對於遮罩或下層材料的蝕刻速率比。選擇比高，較能避免遮罩或底層被一併蝕除。
• 等向性與異向性：等向性蝕刻在各方向的速率相近；異向性蝕刻在不同方向的速率不同，常用來形成近垂直側壁。
• 底切（undercut）：蝕刻沿遮罩下方橫向進行，使實際圖案比遮罩開口更寬。等向性濕蝕刻較容易產生底切。

解題方法

依蝕刻劑所處狀態與作用方式，分別說明濕蝕刻與乾蝕刻，再比較其常見方法、方向性及適用情形。作答時要指出「濕」與「乾」是製程方式的區分，不代表所有濕蝕刻必定等向、所有乾蝕刻必定異向。

一、濕蝕刻（wet etching）

濕蝕刻是將晶圓浸入液態蝕刻液，或以噴灑方式讓液體與晶圓表面接觸，藉由化學反應溶解除去暴露區域的材料。常見方式包括：

1. 浸泡式蝕刻：將晶圓放入蝕刻液中，控制濃度、溫度與時間。
2. 噴灑式蝕刻：將蝕刻液噴向晶圓表面，有助於更新反應液並控制製程均勻性。

常見例子包括以氫氟酸（HF）蝕刻二氧化矽；以氫氧化鉀（KOH）或四甲基氫氧化銨（TMAH）蝕刻矽。濕蝕刻多依化學反應進行，常具有較高蝕刻速率與良好選擇比，設備及操作相對簡單；但常見等向性濕蝕刻會向側向侵蝕而形成底切，尺寸控制較不利。

須補充的是，濕蝕刻也可因晶體方向不同而呈現異向性。例如 KOH 或 TMAH 對單晶矽不同晶面的蝕刻速率不同，因此可利用晶面差異形成特定幾何形狀。

二、乾蝕刻（dry etching）

乾蝕刻通常在氣相或低壓環境下進行，以反應氣體、電漿或帶電粒子移除材料；不以液態蝕刻液直接處理晶圓。常見方法如下：

1. 電漿蝕刻（plasma etching）：在電漿中產生反應性自由基，與表面材料反應，生成可揮發產物並由真空系統排出。化學性較強，選擇性可佳，但方向性通常不如具明顯離子轟擊的製程。

核心觀念

本題考燃燒分析與沉澱重量分析。燃燒後，樣品中的氯轉化為 $HCl$；經 $NaHCO_3$ 溶液吸收、酸化後，以 $Ag^+$ 沉澱成 $AgCl$。利用 $AgCl$ 的莫耳數求出樣品中的氯原子總量，再與樣品總質量聯立，求兩種化合物各自的含量。

解題方法

設 $C_6H_6Cl_6$ 與 $C_{14}H_9Cl_5$ 的物質的量分別為 $x$ 與 $y$ mol。

由沉澱反應 $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl(s)$，$AgCl$ 與 $Cl^-$ 的莫耳數比為 $1:1$：

因此，樣品所含氯原子的總莫耳數為 $0.005000$ mol，得：

樣品總質量提供另一條方程式：

聯立兩式，解得：

核心觀念

紫外光可見光吸收光譜的價電子躍遷，是分子吸收適當能量的光後，電子由較低能量的分子軌域躍遷至較高能量的反鍵結分子軌域。題目所稱的三種價電子，依其所在軌域區分為：

• $\sigma$ 電子：位於單鍵的鍵結軌域。
• $\pi$ 電子：位於雙鍵或三鍵中的 $\pi$ 鍵結軌域。
• $n$ 電子：位於氧、氮、硫或鹵素等原子的非鍵結軌域，也稱孤對電子。

其中 $\sigma^*$、$\pi^*$ 分別代表 $\sigma$、$\pi$ 的反鍵結軌域。

解題方法

先辨認分子中參與紫外光可見光吸收的三類價電子，再依電子原本所在的軌域及躍遷後所在的反鍵結軌域，列出常見的四種躍遷：

1. $\sigma \rightarrow \sigma^*$
2. $n \rightarrow \sigma^*$
3. $\pi \rightarrow \pi^*$
4. $n \rightarrow \pi^*$

一般能量需求由高至低為：

核心觀念

此題考核質子核磁共振（$^1\mathrm{H}$ NMR）的化學環境辨識與 $n+1$ 分裂規則。

化學環境不同的氫會出現在不同化學位移位置，形成不同訊號。若一組氫與相鄰碳上的 $n$ 個等價氫偶合，訊號依 $n+1$ 規則分裂成 $n+1$ 個峰。各峰的相對強度依帕斯卡三角形排列；訊號的積分面積則反映該組氫的數目。

解題方法

將分子寫成：

分子共有三組不同化學環境的氫：

1. $\mathrm{ClCH_2-}$：連接氯的亞甲基，含 $2$ 個氫。
2. $\mathrm{-CH_2-O-}$：連接氧的亞甲基，含 $2$ 個氫。
3. $\mathrm{-OCH_3}$：甲氧基，含 $3$ 個氫。

因此，預測有 3 個氫核磁共振訊號。依一般基礎題的 $n+1$ 規則，考慮相鄰碳上的氫：

• $\mathrm{ClCH_2-}$ 相鄰的 $\mathrm{-CH_2-O-}$ 有 $2$ 個氫，故分裂為 $2+1=3$ 峰，即三重峰。每一峰的相對強度為 $1:2:1$；此訊號總積分面積對應 $2$ 個氫。

核心觀念

本題考蒸餾塔的總物料衡算、苯成分衡算，以及塔頂蒸氣冷凝後分流為回流與塔頂產品時的組成關係。

塔頂蒸氣冷凝後分成回流 $R$ 與抽出產品 $D$。題目指出三者組成相同，因此回流與產品中的苯質量分率皆為 $95\%$。先用全塔衡算求出塔頂冷凝液總量 $R+D$，再由塔頂蒸氣流率扣除回流量，即可求得 $D$。

解題方法

設進料為 $F=10{,}000\ \mathrm{lb/h}$，塔頂蒸氣流率為 $V=8{,}000\ \mathrm{lb/h}$。塔底產品含 $96\%$ 甲苯，因此含 $4\%$ 苯；進料含 $50\%$ 苯。

令塔底產品流率為 $B$，塔頂冷凝液總流率為 $R+D$。

全塔總物料衡算：

以苯作成分衡算：

代入 $F=10{,}000$，並以 $B=10{,}000-(R+D)$ 代入：

塔頂蒸氣進入冷凝器後，凝液分成回流與抽出產品，因此：

核心觀念

本題考查封閉系統的能量衡算，以及內能的總量與比內能的換算。空氣留在太空艙內，視為封閉系統；題目給定的內能單位為 $\mathrm{J/kg}$，代表比內能 $u$。空氣的總內能為：

解題方法

對封閉系統套用第一定律：

其中 $Q$ 為傳入系統的熱量，$W$ 為系統對外作功。題目未提及太空艙內空氣對外作功，因此取 $W=0$，得到：

代入空氣質量及初、末比內能：